光交换技术发展及其趋势

1、光交换技术应用与发展光交换技术发展及其趋势TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc16763 1光交换概述 摘 要近年来，随着通信行业的不断发展，光交换技术是全光通信网中核心技术，光交换作为全光通网中一个重要支撑技术，在全光通信网中发挥着重要的作用。文章论述了在光通信网络技术中对将发挥重要作用的光交换技术，并还详细介绍了光交换技术的概念，空分光交换、时分光交换、波分光交换、ATM光交换技术、分组光交换技术，突发光交换技术，以及光交换技术的应用和发展前景进行了描述。关键字：光交换、光开关、光交换技术应用1光交换概述1.1光交换技术的基本含义光交换技术是在通信传输的基础上渐渐发

2、展起来的 ，主要是利用现代的网络光纤进行网络数据和信号进行传递以此完成对数据信息的传输的一项技术。 这项技术进行运用的范围非常的广泛，它可以有效的对外界进行控制，针对不同的信息传输通道进行分类，以满足对光线的不同种类的需求，也能够满足在不同的环境情况下对不同数据的传输。（2）光交换技术不需要进行对光线的转换就能够通过光纤的连接传送到指定的区域， 在进行传输的过程中运用不同的光交换技术还能够促使传输的效率提高，与其他技术相比，光交换技术在信息传输中具有无法比拟的优势， 并且伴随这社会科学技术的不断发展和光交换技术的创新， 在未来这项技术的网络化发展打下良好的基础。1.2光交换技术随着现代的社会中

3、光交换通信传输技术在社会建设中的运用和发展，通信网络也渐渐在向光纤网络化发展方向转变，随着这项网络化平台的建立， 更加能够促使通信传输的数据信息的效率和保障数据传输的安全性。 通过光纤中对光路变换器的有效控制促进进行传播光路的转变和转换， 不仅能够促使传输数据的安全性还能够提高转换的效率水平。 除此之外还能够对波形信号实施有效的控制， 避免在传输的过程中由于外在等因素促使幅度和周期发生改变， 以此保障传输中的质量。1.3光交换技术光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光电转换，直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无需经过光电/电光转换，因此不受

4、监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换单元的吞吐量。1.3.1关键技（1）光突发交换技术光突发交换如图1-1所示（OBS)是作为OCS向OPS的过渡技术提出的。OBS的交换单位是突发，即为多个分组的集合，其带宽粒度介于OCS和OPS之间。OBS比OCS灵活、带宽利用率高，比OPS更贴近实用。可以说，OBS结合了OCS和OPS的优点克服了两者的部分缺点，且由于对光器件的要求较低，因此成为目前国内外的研究热点。图1-1光突发交换技术液晶光交换技术液晶光开关是利用其偏振特性来完成交换的.液晶是一个细长的、几乎是一维形状的分子链.当电场加到液晶上时-它们排列成行并且变得不透明-仅仅允

5、许光在一定的方向上通过.液晶交换系统有一个默认的设置-在没有施加电压时-光波被自动引导通过这个默认路径；当加入电压时-一条新的路径被创建出来。因为液晶不仅能改变光的方向，而且也能抑制光的通过量，所以十分适合应用于光交换机中，并且更适用于小型的波长选择的交换机。气泡光开关技术一种使用在打印机上的非常流行的技术现在也成了光交换技术的核心-这就是气泡技术.该技术是在Si材料中做出偏振光束分支波导(PBS),再在每个分支波导交叉点处刻蚀出某种角度的槽,并将沟槽内装上与折射率匹配的液晶-液晶槽下面是电热器。不加电时光束直通,当加热硅片相应点上的电热器时,其上面的液晶体内产生出一种气泡-经过全反射-使来自

6、输入波导的光改变方向-反射到要求输出的光波导。PBS起路由器作用-把信号引向要求的出口。热光波导技术波导是集成电路上的通路可以使用与制造集成电路一样的工艺过程来制造.波导与普通光纤一样;仍然包括芯部和涂覆层。热光波导使用温度上的变化来改变光波通过波导的相位;作为相位变化的结果;光波可以采用不同的路径通过波导。热光交换器件有一个输入波导;两个输出波导。光通过两个路径被发送;一个是正常路径;而另一个是通过上面加有电压的小电阻来加热的路径.温度的变化加热了一个波导;引起了这个波导在物理上的增长。这个增长改变了光波的相位;当光波一起返回时;相位差就把光波推进了第二个输出波导中。如果没有对分离波长加热;

7、那么当它们重新合并的时候;它们都将通过默认的路径前进。如图1-2所示。图1-2 热光波导 （5）光分组交换技术介绍光分组交换(如图1-3）是电分组交换在光域的延伸，交换单位是高速光分组。OPS沿用电分组交换的“存储-转发”方式，是无连续的，在进行数据传输前不需要建立路由和分配资源。采用单向预约机制，分组净荷紧跟分组头后，在相同光路中传输，在网络节点需要缓存分组净荷，等待分组头处理，以确定路由。与OCS相比（如表1-1,1-2），OPS有着很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力。光突发交换为IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面，通过光突发交换可以使现有的IP骨干网的协议层次

8、扁平化，更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力，另外一方面，由于光突发交换网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而使光突发交换机能够真正的实现所谓的T比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。此外，光突发交换的QOS支持特征也符合下一代 Internet 的要求。因此，光突发交换网络很有希望取代当前基于 ATM/SDH 架构和电子路由器的IP骨干网，成为下一代光子化的 Internet 骨干网。作为一项具有广泛前景和技术优势的交换方式，光突发交换技术已引起了国内外众多研究机构的关注，我国的863计划已将光突发交换技术列为重点资助项目。表1-1 三种交换技术区

9、别 序号比较内容光电路交换光分组交换光突发交换1交换粒度波长/波带/光纤10纳米-10微米光分组（小颗粒）1纳米-100微米突发包（大颗粒）2交换方式直通存储-转发直通3控制方式带外控制带内控制带外控制4信息长度固定可变可变5建立链接时延高低低6建立链接占用 信道占用不占用占用图1-3光分组交换技术2光交换系统2.1 光交换系统的主要组成光交换系统是由各种不同光开关器件、光波长转变换器、光存储器、光调制器和光滤波器等组成。2.2 光开关器件光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口。其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。主要是用来实现观层面上的路由选择、波长选

10、择、光分插复用、光交叉链接和自愈保护等功能。光开关结构如图2-1所示。图2-1 光开关示意图常用的光开关光开关主要有机械型光开关、热光型光开关（如图2-2、2-3所示）、微电子机械型光开关和半导体光放大器门型光开关。光开关可以在皮秒（10-12秒）内进行操作。目前它以铌酸锂和镓铝砷化合物为基础，从电子工业中脱胎形成。有一些新的材料，如液晶、聚乙炔等都比铌酸锂有更好的光学效用。其功能有：光开关具有的功能：（1）光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。（2）光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波

11、长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。（3）其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。（4）全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。图2-2热光开关结构图2-3热光导开关2.3 光波长转变换器波长转换是增加光交换网络灵活性，降低阻塞的必要手段，对光网络波长转换节点的设计方案也有很多。最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。一些

12、波长转换器的共享方案，也被陆续提出，常见的有节点共享式（SPN）和链路共享式（SPL）两种。对前一种共享方案，通常需要较大的光开关以便在单节点可以共享同一个波长转换器。本期香港城市大学的研究者对此做了改进研究，旨在使用更小更便宜的光开关，替换用在同样的系统里，却能获得和原来一样的性能。主要思路是预设一定数量的小尺寸光开关，来支持同样通道数的波长转换。当任意一波长的输入信号要进行波长转换时，它先被切换到一个共享的波长转换通道，以这种方式节点仅需要几个小的光开关，且能共享昂贵的波长转换器。其功能为：光波长转换器的主要功能：（1）增加网络的传输带宽和传输距离。并大大减低网络的扩容成本，提高网络的安全

13、性；（2）具有光中继、波长转换、传输介质在单模光纤与多模光纤之间转换等。波长转换器有直接波长转换和外调制器波长转换两种。直接波长转换是光/电/光转换，如图2-4所示，将波长为i的输入光信号，由光电探测器转变成电信号，然后再去驱动一个波长为i的激光器，使得输出光信号的输出波长为i。全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络的关键部件。 波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器为基础的波长转换器 ,包括交叉增益饱和调制型 、交叉相位调制型 以及四波混频型波长转换器等。图2-4波长转换器2.4光存储器光存储器是由光盘驱动器和光盘片组成的光盘驱动系统,光存储技术是一种通过光学

14、的方法读写数据的一种技术,它的工作原理是改变存储单元的某种性质的反射率,反射光极化方向,利用这种性质的改变来写入存储二进制数据.在读取数据时,光检测器检测出光强和极化方向等的变化,从而读出存储在光盘上的数据.由于高能量激光束可以聚焦成约0.8m的光束,并且激光的对准精度高,因此它比硬盘等其他存储技术具有较高的存储容量。2.5光调制器光调制器也称电光调制器（如图2-5所示）, 是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-KEldY

15、sh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。其功能是（1）提供实时或准时的一维或二维光学传感器件或运算器件；（2）模拟图像存储功能；（3）将待处理的原始信息处理为系统所需要的输入形式。图2-5光调制器示意图2.6 光滤波器光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。光耦合器或者光复用器是把不同波长的光复用到一根光纤中的，不同的波长传载着不同的信息。那么在接收端，要从光纤中分离

16、出所需的波长，就要用到光滤波器。光滤波器类型有：基于干涉原理的滤波器（熔锥光纤滤波器、法布里-伯罗滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德尔干涉滤波器）；基于光栅原理的滤波器（体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器）。3光交换技术应用 光交换系统所涉及的技术有空分交换技术、时分交换技术、波分频分交换技术、码分交换技术和复合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换技术。光分组交换系统所涉及的技术主要包括：光突发交换技术，光分组交换技术，光标记分组交换技术，光子时隙路由技术等。光路交换技术已经实用化。光分组交换技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现，确保

17、用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术。其中，光分组交换技术和光突发交换技术是光交换中的最有开发价值的热点技术，也是全光网络的核心技术，她将有着广泛的市场应用前景。3.1 光交突发换技术的应用 OBS（如图3-1）的应用 OBS技术是为了满足业务增长的需要成长起来的，它具有延时小(单向预留)、带宽利用率高、交换灵活、数据透明、交换容量大(电控光交换)等优点，可以达到Tb/s级的交换容量。因此，OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网城域网和广域网广域网 。它可以支持传统业务，如电话、SDH 、IP、FDDI ，FDDI 和 ATM ATM 等，也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务

18、，如数据文件传输、网页浏览、视视频点播、视频会议 等。对于大型的城域网，一个或多个大学、大型写字楼、小区企事业单位，各个郊县或卫星城，以及人口密集的公共场所等，放置一个OBS边缘路器，完成本地多种业务的会聚，生成突发。它的接入业务可以是多种多样的，如以太网以太网 (10M、100M、1G或10G)、ATM、x DSL、 DSL 等。再在各主要地方放置一些OBS核心路由器，完成光突分组的预留和交换。这样，就构建出了一个都市OBS网。尽OBS在标准和协议方面还不成熟，有很多技术还在进一步研究之中，OBS仍是一种非常有前途的光交换技术，它结合了光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点。OB

19、S的特点是控制与数据在时间和空间上分离，控制分组提前发送，并且在中间节点经过电信息处理，为数据分组预留资源；而数据分组随控制分组之后传送，在中间节点通过预留好的资源直通，无需光/电/光处理；采用单向预留机制，带宽利用率高，并且无需光缓存，实现相对容易。随着快速波长变换技术的成熟，光突发交换技术将得到飞速发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技术。图3-1 OBS组成图 3.2 光分组交换技术的应用 分组交换(如图3-2)在商业中的应用较广泛。如银行系统在线式信用卡（POS机）的验证。由于分组交换提供差错控制的功能，保证了数据在网络中传输的可靠性。首先，各大商场内部形成局域网，网上的服务器提供卡

20、的管理作用，用户刷卡后，通过服务器上的X .25分组端口或路由器设备连到商业增殖网，它与金卡网络结算中心通过数字专线连接。商业增殖网主要完成来自各大商场的数据线路汇接及对商场销售情况的统计等。结算中心又同各大银行的主机系统连接，实现对信用卡的验证和信用卡的消费。 在遍步全市的各大超市中，已有相当一部分超市利用分组网来改善经营管理手段，拓展市场，取得了良好的经济效益。在超市中设立电子消费通道，消费者手持的储金卡经刷卡后，信息送到该超市的后台服务器。服务器的作用是对储金卡的金额计算和超市的销售情况的统计。个超市的营业网点通过话上复用DOV（Data Over Voice)的专线方式，连到超市管理中

21、心，进行一系列的结算、统计等，来扩大超市的消费市场。 分组交换网的利用率高，传输质量好，能同时多路通信的特点，因此它的经济性能也较好。在一些全国性的集团公司中，总公司把指示下达给全国各地分公司甚至国外的机构，利用分组交换就非常经济。中远集团在全国各地的分支机构在本地形成局域网络，通过路由器连到分组交换网，与海关、EDI中心等互通信息。它的主机系统也通过分组交换网实行全程连网，传送定舱资料、货运情况、EDI报文等，也可远程登录至香港，与海外沟通信息。图3-2光分组交换技术的组成4光交换技术发展趋势现代通信网络中，先进的光通信技术以其高速、宽带的明显特征而为世人瞩目，可以这样说光交换技术的发展在某

22、种程度上也决定了全光通信的发展。4.1光交换技术的发展前景虽然光时分交换和波分交换都有美好的应用前景，但是由于目前高速光开关的技术指标和工艺水平还难以达到实用化程度，特别是有效的、大容量的光缓存器的缺乏，使高速、频繁的时分光交换近期内还难以实现。全光波长转换器的研究虽然有了一些进展，但也还远没有达到实用化阶段。因此，近期光交换的发展和应用重点仍是空分光交换，必要时使用“光电光型”波长转换器实现波分光交换。WDM技术正在广泛应用于光纤通信系统中，使单波长传输系统升级为WDM多波长传输系统。将逐渐成熟的空分光交换技术引入光纤通信系统后，可以以波长为单位，在不同的光纤间交换光信号。从而在可以预见的将

23、来，将点到点光纤通信系统升级为光网络，使通信网的基础产生质的飞跃。相信在不久的将来，光交换技术一定会在全光通信网中发挥重要的作用，会为通信技术的发展带来革命性的进步。4.1.1 智能自动化 智能自动交换光网络即网络的管理和控制具有智能化特点，能够动态、自动地完成端到端光通道的建立、 拆除和修改。当网络出现故障时，应该能够根据网络拓扑信息、可用的资源信息、配置信息等动态指配最佳恢复路由。对这种技术的需求源自互联网容量的增长。容量的增长要求光交换层的交换能力不断增强，使之向更易于管理、更加灵活和更具有健壮性，同时业务指配和故障恢复也能够更快地自动完成并具有智能性的方向发展。近期，在组网技术方面的两

24、项技术进展使得对光网络带宽的动态指配成为可能。首先是可重构型的光联网节点的开发成功，如光交叉连接器和光分插复用器，使得由运营商动态支配带宽成为现实。另外，由于在IP路由器、ATM交换机等设备中强化了新的流量技术和路由技术，使这些设备具有了动态决定增减带宽的能力。这两种技术的使用，为传统的光网络引入了智能控制和管理信令，从而使光网络具有了智能性和自动性，为发展按需分配带宽和买卖带宽的新型商业模式提供了条件。4.1.2 光交换机多样化随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备，该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的

25、极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为90，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换设备，因其中加入了横向声波，从而可以将光线从一根光纤准确地引导到另一根光纤，该类型的交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机，这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高，可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一定能成为市场的主流。4.2 全光交换所谓全光交换是指从波长到波长的转换，基于这种技术的光交换或波长路由器能使网络配置更灵活，使运营商可以在光骨干网中方便地提供OC-1到光波长的业务，把选路定位在波长上而不是光纤上，遇到故障可以自动恢复工作。由于无须ATM交换机、SONET ADM和数字交叉连接器等设备，网络的结构将得到大大简化。近期在光网络的建设热潮中，运营商和制造商都显示出了对全光交换设备的浓厚兴趣，预计成熟的产品