第9章 光交换技术
1
9.1 概述
▪ 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，有报道已实现了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。
▪ 技术上多种模式相结合，取各自优点， 统筹优化融合。
12
9.3.1 光交叉连接设备
▪ 光交叉连接设备(OXC)是实现自动交换 光网络(ASON)的核心技术。
▪ OXC可依据控制面功能，按照用户请求 在全光网络环境中自动建立一条符合用 户需求的光波长通道。
13
光交叉连接设备基本结构 由输入部分、光交叉连
➢ 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。
4
▪ 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。
16
OXC的工作原理
▪ OXC不同于标准交换设备，它不是按照每一个 通信请求建立连接，是在控制面和管理面操作 下提供永久/半永久波长路由通道。
交叉连接
(b) 沿AB线截面图
(c) 逻辑表示
图8.3 硅衬底平面光波导开关示意结构及逻辑表示
9
硅衬底平面光波导开关
▪ 特点是插入损耗小(0.5dB)、稳定性高、可靠 性好、成本低，适合大规模集成，不足点是响 应速度较慢，1~2ms。
10
9.2.4 波长转换器
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
图8.4 光波长转换器结构
(b) 调制转换
11
9.3 光交换系统
▪ 未来宽带业务具有很大不确定性，交换 系统设计应尽可能地灵活。对比特传送 速率应透明，业务和控制尽可能分离， 控制系统简单，具有广播功能。
▪ 系统设计应模块化，易于维护、增删和 修改。
2
▪ 考虑全光交换网络的理由
▪ (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/ M U X
OUT
OUT
输入部分…包…括…放…大…器………………………………………………………………………………
EDFA和波长解复用 DMUX，将每根光纤上 IP ROUTE
. SDH
输出部分，均功器的作 用是对受到不同衰减的
的光信号放大、分离后 送交叉连接矩阵。
图8.17 OXC基本结构图
▪ 半导体光放大器及等效开关示意如下图。
控制电流
控制电流
入射光
出射光
半导体光放大器
入射光
出射光
图8.1 半导体光放大器及等效开关示意
7
9.2.2 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。激励电压约5V，最大传信 速率达Gb/s。
光波长信号进行功率均 衡，以减小不同光波长
间的干扰。
14
▪ 光交叉连接设备主要用于骨干传送网中， 完成任一光纤某个波长信号到其他光纤 的传送连接。
▪ OXC具有信号复用、信号交换、光路保 护倒换、监控管理等功能。
▪ 除控制管理部分外，其余部分的信号处 理都在光域完成。因此OXC具有极大的 交叉容量，可达几千T比特级别。
▪ 光交换不受监测器、调制器等光电器件 速度的限制，极大地提高了交换节点的 吞吐量。
▪ 不需要经过光/电/光转换，降低了交换 节点成本。
▪ 对比特率、调制方式和通信协议都具有 透明性，有良好的升级能力。
6
9.2 光交换元件
▪ 9.2.1 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。
▪ (4) 速度匹配，光传输，光交换，全光网络。
3
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。
▪ 耦合波导开关示意结构及逻辑表示如下图。
光信号通道
控制电极
平行连接
交叉连接
图8.2 耦合波导开关示意结构及逻辑表示 8
9.2.3 硅衬底平面光波导开关
3dB耦合器 2
薄膜倒相极
A
3dB耦合器
4
1
3
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
➢ 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。
5
光交换技术的特点
▪ 随着发展，光交换技术已能保证网络可 靠性，并提供灵活的选路方案，为高速 信息流提供动态光域处理。
15
光交叉连接矩阵
▪ 实现光交叉连接矩阵，光机械开关、LiNb03 开关、InP开关、半导体光放大器（SOA）开 关等 ，现常用微电子机械开关（MEMS）构 成。
▪ MEMS为无源光开关，介入损耗和串扰都较 小，属完全透明的连接模式，连接处理过程不 需光/电转换。
▪ 容量极大，可构成1296×1296端口连接矩阵， 每端口传送40个波长×40Gb/s的信号容量， 总传送容量达到2.07petabit/s，具有严格无 阻塞特性。
接部分、输出部分、控
控制和管理部分属于电 子设施，通过信令协议
制和管理部分5个功能 模块构成。
控制和管理
接收用户及网管系统请 求，完成自动保护倒换、 连接指配、波长选路等
均功功能器。
EDFA D M U X
……
光交叉连接矩阵
OUT OUT
……
EDFA M U X
EDFA D M U X
……
OUT OUT