光交换要点
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10
6.1 概述
6.1.1 光交换技术分类
• 按承载和交换信息的光域粒度划分，可分为： – 光路交换（OCS）技术：最小交换单元是一个波长 通道。 – 光分组交换（OPS）技术：光域分组包作为最小交 换颗粒。 – 光突发交换（OBS）技术：多个分组构成更大分组， 以突发方式在光域传输和交换。 – 光标记分组交换（OMPLS）技术： MPLS和光网 络结合，MPLS控制标记分发和控制光开关，建立 交换式光通道。
11
6.1 概述
6.1.2 光交换技术特点
• 提高了交换节点的吞吐量 • 降低了交换节点成本。 • 良好的升级能力
12
6.2 光交换元件
• 半导体光开关 • 耦合波导开关 • 硅衬底平面光波导开关 • 波长转换器 • 光存储器 • 空间光调制器
13
6.2 光交换元件
6.2.1 半导体光开关
• 半导体光放大器，当偏置信号为零时，输入信 号将被器件完全吸收，输出端没有任何光信号 输出。
(c) 逻辑表示 16
图8.3 硅衬底平面光波导开关示意结构及逻辑表示
6.2 光交换元件
6.2.4 波长转换器
•直接转换 •调制（间接）转换
i 入射光
放大器
激光器 探测器
j
i
出射光 入射光
控制 外调制器
j 出射光
(a) 直接转换
(b) 调制转换
图8.4 光波长转换器结构 17
6.2 光交换元件 6.2.5 光存储器
CSMA/CD LAN (10Mb/s)
7
全光交换网络的提出
(1)历史的观点：模拟传输产生了机电制交换；PCM数字 传输有了数字程控交换；当前光传输已成主角，因此 下一代网络将是全光交换。
(2) 速度极限：由于电子器件的极限速度为几个 G~10Gb/s，使得电子交换设备可能成为未来网络的瓶 颈。
(3) 成本降低：采用光传输的电子交换系统，必须有光/ 电和电/光转换，全光交换则不用。
• 空分光交换网络 • 波分光交换网络 • 时分光交换网络 • 自由空间光交换网络 • 混合型光交换网络
22
6.3.1 空分光交换网络
• 基本单元是22光交换模块，输入端两根光纤， 输出端两根光纤，平行和交叉连接两种工作状 态。
1×2光交换器件
1×1开关器件
无源分只/合只器
(a)
(b)
图8.7 基本的2×2空分光交换模块
控制电流
入射光
出射光
半导体光放大器
控制电流 入射光
出射光
图8.1 半导体光放大器及等效开关示意
14
6.2 光交换元件
6.2.2 耦合波导开关
• 耦合波导开关，利用铌酸锂(LiNbO3)材料制作， 在控制电极上施加一定电压可改变波导的折射 率和相位，从而可构成22交换开关。
光信号通道
控制电极
平行连接
•光纤延迟线 •双稳态激光二极管存储器
Pout（光输出）
I2 控制电极
I1 激活电极
光
△I
输
出
G
F 光输入
光吸收区
H
InP基片 E
InGaAsP激活层 复位脉冲（I电a 流Ib） Ic
置 （
注入
Pin（光输入） （a）结构
双稳态激光二极管触发
（b） 1触8 发特性
6.2.6 空间光调制器
输入光纤（N)
(4) 速度匹配：光传输，光交换，全光网络。
8
第6章光交换系统技术 6.1 概述 6.2 光交换元件 6.3 光交换网络结构 6.4 光交换系统
9
6.1 概述
6.1.1 光交换技术分类
• 光交换技术：指不经过任何光/电转换，直接在光域上 完成输入到输出端的信息交换。
• 按照复用方式分类，光交换可分为： – 光空分交换技术：多点间建立光信息传送物理通道 的交换技术。 – 光波分交换技术：利用光波分复用和波长变换技术， 将信息从一个波长转移到另一波长上。 – 光时分交换技术：在时间轴上将光波长分成多个时 段，互换时间位置来交换承载的信息。 – 光码分交换技术：不同用户信号用不同码序列填充， 利用码序列转换来交换信息。
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空分光交换网络
BWT-64Kb/s
BWT-10Mb/s
CSMA/CD(10Mb/s)
BWT-32Mb/s
Video(32Mb/s) Video(400Mb/s
OWT400Mb/s
BWT：双向干线 OWT：单向干线
呼叫检测
控制器
空分光交换网络 （128×64）
交换驱动器
图8.8 多媒体光交换实验系统
• 最初的光交换网络结构为空分模式，单根光纤所传信 息通过交换机构转移到另一光纤通路。
• 多波长复用和波长转换器产生后有了波长互换交换机 制，光信号输出可控及延迟线技术产生了时分交换结 构。
• 通过对流入信息模式的整理和交换元件的组合，产生 了多维交换模式，当前热点是光突发交换模式。
21
6.3 光交换网络结构
交叉连接
图8.2 耦合波导开关示意结构及逻辑表示
15
6.2 光交换元件
6.2.3 硅衬底平面光波导开关
薄膜倒相极
3dB耦合器
A
3dB耦合器
2
4
1
3
偏压为零时，处于交叉连接
B
W
加热
Cr薄膜加热器
2
4
(a) 器件俯视图
1
3
A 包层
薄膜倒相极
B 波导芯
平行连接
2
4
1
3
Si衬底
交叉连接
(b) 沿AB线截面图
通信网
汇接交换机 电话 市话交换机 中 用户交换机 用户
4Leabharlann Baidu
数字交换机的系统结构
5
各种交换方式
6
光传送技术的发展
• 当前商用化单波长光纤传输系统容量为10Gb/s， 甚至到40Gb/s。
• 光波长复用技术可以使得一根单模光纤实现 20010Gb/s或更大的传输容量。
• 光器件，商品化光开关的控制响应速度已低于 1ms，延迟线模式光缓存、波长变换等技术也 已成功。
光束
空间光调制器 准直透镜
光束
输出光纤（N）
空间光调制器
输入光纤
准直透镜 图8.6 二维阵列空间光调制器
输出光纤 19
6.2 光交换元件
• 半导体光开关 • 耦合波导开关 • 硅衬底平面光波导开关 • 波长转换器 • 光存储器 • 空间光调制器
20
6.3 光交换网络结构
• 光交换网络结构依赖于光交换元件的技术发展，也取 决于信息传送方式的要求。
现代交换原理
黄启纯 qhuang@fzu.edu.cn
1
目录 第1章 绪论 第2章 电路交换技术 第3章 信令系统 第4章 分组交换原理 第5章 ATM及MPLS交换技术 第6章 光交换技术 第7章 软交换技术
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交换引入
(终端=5、线对数 =10)
****** ******
3
多台交换机组成的通信网
6.1 概述
6.1.1 光交换技术分类
• 按承载和交换信息的光域粒度划分，可分为： – 光路交换（OCS）技术：最小交换单元是一个波长 通道。 – 光分组交换（OPS）技术：光域分组包作为最小交 换颗粒。 – 光突发交换（OBS）技术：多个分组构成更大分组， 以突发方式在光域传输和交换。 – 光标记分组交换（OMPLS）技术： MPLS和光网 络结合，MPLS控制标记分发和控制光开关，建立 交换式光通道。
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6.1 概述
6.1.2 光交换技术特点
• 提高了交换节点的吞吐量 • 降低了交换节点成本。 • 良好的升级能力
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6.2 光交换元件
• 半导体光开关 • 耦合波导开关 • 硅衬底平面光波导开关 • 波长转换器 • 光存储器 • 空间光调制器
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6.2 光交换元件
6.2.1 半导体光开关
• 半导体光放大器，当偏置信号为零时，输入信 号将被器件完全吸收，输出端没有任何光信号 输出。
(c) 逻辑表示 16
图8.3 硅衬底平面光波导开关示意结构及逻辑表示
6.2 光交换元件
6.2.4 波长转换器
•直接转换 •调制（间接）转换
i 入射光
放大器
激光器 探测器
j
i
出射光 入射光
控制 外调制器
j 出射光
(a) 直接转换
(b) 调制转换
图8.4 光波长转换器结构 17
6.2 光交换元件 6.2.5 光存储器
CSMA/CD LAN (10Mb/s)
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全光交换网络的提出
(1)历史的观点：模拟传输产生了机电制交换；PCM数字 传输有了数字程控交换；当前光传输已成主角，因此 下一代网络将是全光交换。
(2) 速度极限：由于电子器件的极限速度为几个 G~10Gb/s，使得电子交换设备可能成为未来网络的瓶 颈。
(3) 成本降低：采用光传输的电子交换系统，必须有光/ 电和电/光转换，全光交换则不用。
• 空分光交换网络 • 波分光交换网络 • 时分光交换网络 • 自由空间光交换网络 • 混合型光交换网络
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6.3.1 空分光交换网络
• 基本单元是22光交换模块，输入端两根光纤， 输出端两根光纤，平行和交叉连接两种工作状 态。
1×2光交换器件
1×1开关器件
无源分只/合只器
(a)
(b)
图8.7 基本的2×2空分光交换模块
控制电流
入射光
出射光
半导体光放大器
控制电流 入射光
出射光
图8.1 半导体光放大器及等效开关示意
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6.2 光交换元件
6.2.2 耦合波导开关
• 耦合波导开关，利用铌酸锂(LiNbO3)材料制作， 在控制电极上施加一定电压可改变波导的折射 率和相位，从而可构成22交换开关。
光信号通道
控制电极
平行连接
•光纤延迟线 •双稳态激光二极管存储器
Pout（光输出）
I2 控制电极
I1 激活电极
光
△I
输
出
G
F 光输入
光吸收区
H
InP基片 E
InGaAsP激活层 复位脉冲（I电a 流Ib） Ic
置 （
注入
Pin（光输入） （a）结构
双稳态激光二极管触发
（b） 1触8 发特性
6.2.6 空间光调制器
输入光纤（N)
(4) 速度匹配：光传输，光交换，全光网络。
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第6章光交换系统技术 6.1 概述 6.2 光交换元件 6.3 光交换网络结构 6.4 光交换系统
9
6.1 概述
6.1.1 光交换技术分类
• 光交换技术：指不经过任何光/电转换，直接在光域上 完成输入到输出端的信息交换。
• 按照复用方式分类，光交换可分为： – 光空分交换技术：多点间建立光信息传送物理通道 的交换技术。 – 光波分交换技术：利用光波分复用和波长变换技术， 将信息从一个波长转移到另一波长上。 – 光时分交换技术：在时间轴上将光波长分成多个时 段，互换时间位置来交换承载的信息。 – 光码分交换技术：不同用户信号用不同码序列填充， 利用码序列转换来交换信息。
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空分光交换网络
BWT-64Kb/s
BWT-10Mb/s
CSMA/CD(10Mb/s)
BWT-32Mb/s
Video(32Mb/s) Video(400Mb/s
OWT400Mb/s
BWT：双向干线 OWT：单向干线
呼叫检测
控制器
空分光交换网络 （128×64）
交换驱动器
图8.8 多媒体光交换实验系统
• 最初的光交换网络结构为空分模式，单根光纤所传信 息通过交换机构转移到另一光纤通路。
• 多波长复用和波长转换器产生后有了波长互换交换机 制，光信号输出可控及延迟线技术产生了时分交换结 构。
• 通过对流入信息模式的整理和交换元件的组合，产生 了多维交换模式，当前热点是光突发交换模式。
21
6.3 光交换网络结构
交叉连接
图8.2 耦合波导开关示意结构及逻辑表示
15
6.2 光交换元件
6.2.3 硅衬底平面光波导开关
薄膜倒相极
3dB耦合器
A
3dB耦合器
2
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1
3
偏压为零时，处于交叉连接
B
W
加热
Cr薄膜加热器
2
4
(a) 器件俯视图
1
3
A 包层
薄膜倒相极
B 波导芯
平行连接
2
4
1
3
Si衬底
交叉连接
(b) 沿AB线截面图
通信网
汇接交换机 电话 市话交换机 中 用户交换机 用户
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数字交换机的系统结构
5
各种交换方式
6
光传送技术的发展
• 当前商用化单波长光纤传输系统容量为10Gb/s， 甚至到40Gb/s。
• 光波长复用技术可以使得一根单模光纤实现 20010Gb/s或更大的传输容量。
• 光器件，商品化光开关的控制响应速度已低于 1ms，延迟线模式光缓存、波长变换等技术也 已成功。
光束
空间光调制器 准直透镜
光束
输出光纤（N）
空间光调制器
输入光纤
准直透镜 图8.6 二维阵列空间光调制器
输出光纤 19
6.2 光交换元件
• 半导体光开关 • 耦合波导开关 • 硅衬底平面光波导开关 • 波长转换器 • 光存储器 • 空间光调制器
20
6.3 光交换网络结构
• 光交换网络结构依赖于光交换元件的技术发展，也取 决于信息传送方式的要求。
现代交换原理
黄启纯 qhuang@fzu.edu.cn
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目录 第1章 绪论 第2章 电路交换技术 第3章 信令系统 第4章 分组交换原理 第5章 ATM及MPLS交换技术 第6章 光交换技术 第7章 软交换技术
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交换引入
(终端=5、线对数 =10)
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多台交换机组成的通信网