光交换技术分解课件

第9章光交换技术第9章光交换技术目录9.1引言9.2光交换概述9.3光交换器件9.4光交换网络9.5小结

目录9.1引言硬件系统的基本组成交换(信号、分类)—复用—开关（交换单元）—连接（连接函数）—网络—电路交换接口电路—存储程序控制—分组交换和帧中继——信令系统——ATM交换——IP交换设想一下，接下来内容是什么？

9.1引言硬件系统的基本组成交换(信号、分类)—复用—开关（交换单元）9.2光交换概述电子交换速度小于10Gb/s，全息图像需要Tb/s的速度！以光电子信息技术为主导的信息产业产值将在2010年达5万亿美元，成为二十一世纪最大的产业。世界通信业务量的飞速增长，光传送网技术已成为国际上的研究热点九十年代初，在一些发达国家中，人们预计原有的铜电缆会从1995年起逐渐被FTTH（光纤到户）代替。1998年这种趋势已被证实。1.光交换应用前景9.2光交换概述电子交换速度小于10Gb/s，全息图像需要9.2光交换概述2.传统光纤网络的缺点传统的光纤网络中存在大量的光/电、电/光转换节点和数字交叉互联电分插复用器，故存在如下问题：限制了网络的交换速度；对不同形式的光信号是不透明的；光功能器件和波导或光纤的连接需要亚微米的定位精度，精密定位是复杂的调整操作，所以提高了光功能器件的成本，限制了光传送网的发展；光/电、电/光器件的微型化也是很难解决的问题。因此，光通信器件的价格和微型化已成为光传送网发展的瓶颈。9.2光交换概述2.传统光纤网络的缺点传统的光纤网络中存9.2光交换概述3.光交换系统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，在光域直接将输入的光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两种类型。研究得最多、最成熟的是光路交换(OpticalCircuitSwitching,OCS)，它是一种面向连接的交换技术，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的端的光路（每一个链路上均需要分配一个专用波长）。交换过程共分三个阶段：(1)链路建立阶段(2)链路保持阶段(3)链路拆除阶段。光路交换系统所涉及的技术可分为:交换技术(TDPS)、空分交换技术(SDPS)、波分/频分交换技术(W/FDPS)、码分交换技术(CDPS)和复合型交换技术。9.2光交换概述3.光交换系统光交换技术也是一种光纤通信9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制9.3.2光开关9.3.3光波长转换器9.3.4光存储器9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制光源是光纤通信及传感系统中的一个重要元件，光纤通信对光源的要求是小型化、单色、光强稳定（时间、温度变化时）和耐久。最普通的光源就是发光二极管和半导体激光器。1.发光二极管发光二极管(LED)是由直接带隙的半导体材料制成的PN结二极管，是非相干光光源，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程。发光二极管的突出优点是寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，主要用于传输速率比较低、传输距离比较短的光纤通信系统中。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制光源是光纤通9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二极管——发光原理PN结电子能级（Eg单位eV）9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二极管——结构与分类（双异质结）为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程；按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型，其结构示意图如上图所示。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二极管——光谱特性谱线宽度(FWHM):导带和价带都是包含许多细微能级的能带，使自发发射光谱的谱线较宽。一般为50-60nm，InGaAsP/InP材料是60-120nm；光的方向:自发辐射杂乱，因此LED的发散角较大，垂直PN结的方向120度，平行PN结方向30度响应速度：响应速度受制于载流子的自发复合寿命，因此减少少数载流子的寿命是提高响应速度的有效途径。一般采取高掺杂和高注入电流密度。电光转换特性：自发辐射，不是阈值器件，输出光功率与注入电流成正比。温度特性：输出光功率随温度的升高而减小,峰值波长会向长波长方向稍微移动9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制1.发光二9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器(800nm1310nm1550nm)异质结结构的半导体激光器(LaserDiode,LD)，又称为注入式激光器，是光纤应用系统中最常用的器件之一。LD具有体积小，重量轻，驱动功率低，输出效率高，调制方便（直接调制），寿命长和易于集成等一系列优点而得到了广泛的应用。LD在光纤通信中的应用主要包括：各种数据、图像等传输系统的发射光源；光纤CATV系统的光源；掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼光纤放大器(RFA)的泵浦光源；未来全光通信网络中光交换、光路由、光转发等关键设备的光源。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本结构（F-P）半导体激光器按结构可分为:法布里-珀罗(F-P)型LD、分布反馈(DFB)LD、分布Bragg反射器(DBR)LD、量子阱(QW)LD和垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。双异质结平面条形LD的基本结构基本结构是双异质结(DH)平面条形结构，如右图所示。异质结，是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的p-n结（也可能是p-p或n-n结）。普通p-n结称为同质结。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本结构（分布反馈DFBLD）DFB激光器的基本工作原理可以用Bragg反射来说明，对于周期性波导，当满足同相相干加强的条：m=1,2,3,…稳定振荡的相位条件：9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本结构（分布布拉格反馈DBRLD）Bragg光栅起到反射镜的作用，而且Bragg光栅的反射率与波长有关，当在Bragg波长处有最大的反射率时，谐振腔有强烈的波长选择性。这种激光器还可以在宽带范围内进行波长调谐。分布布拉格反射激光器的结构示意图9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本结构（量子阱半导体激光器）超晶格(SuperLattice)是由两种或两种以上组分不同或导电性能的超薄层材料交替生长形成的人工周期结构，超晶格构成的量子阱如图所示。势垒较厚，相邻势阱中电子波函数不发生交迭的周期结构称为“多量子阱”(MQW)，只有一个势阱，两边是势垒的结构称为“单量子阱”(SQW)。量子阱的结构和能带图9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本结构（垂直腔面发射激光(VCSEL)）垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图垂直腔面发射半导体激光器的结构如右图所示。采用多层周期结构的Bragg反射镜形成微谐振腔。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——工作原理同质结简并能带图产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源。同质结LD对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导体材料。同质结简并能带图如上图所示。当注入电流密度加大到一定值后，准费米能级E+和E-能量间隔大于禁带宽度时，PN结中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了粒子数反转。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——工作原理异质结激光器能带示意图单异质结和双异质结半导体激光器利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚在有源区的势阱中。不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——工作原理（F-P型输出波长）相位条件：在谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件。相位条件使发射光谱波长得到选择，振幅条件决定了半导体激光器的电流阈值。幅度条件：增益系数大致与注入电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本性质（输出功率）GaAlAs/GaAs两种半导体激光器输出功率的温度特性9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本性质(光脉冲瞬态特性)图(a),(b)和(c)皆有电光延迟时间均为ns量级。图(a)是衰减式振荡，称为张弛振荡（或弛豫振荡）；图4.11(b)是在一定注入电流下的持续振荡，称为自脉动现象；图(c)是图4.11(a)和图4.11(b)两种情况的结合。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体激光器——基本性质（光斑分布）激光束空间分布用近场图样和远场图样来表示横向光场的分布。激光器输出镜面上光强分布图样称为近场图样，横模决定。远离反射镜面一定距离处的光场分布称为远场图样。理想的激光光斑分布为高斯形状，如左图所示（钛宝石激光光斑）9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制2.半导体9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制3.光载波的调制方式光纤通信中，信息是由光源所发出的光波携带的，在这里光波就是载波，而把信息加到光波上的过程就是调制。调制信号的分类：模拟调制和数字调制（调制信号不同）、内调制和外调制（调制信号与光源关系）。简单的模拟LED直接调制电路

由图模拟调制信号加在输出管的基极，LED串接在输出管的集电极，调制信号通过对基极电压的控制来控制流经LED的集电极电流的变化，这样LED的输出光强将随着调制信号的变化而变化。9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制3.光载波足够强度的稳定光功率输出；足够小的非线性失真。(a)LED模拟信号光调制原理图(b)LD模拟信号光调制原理图9.3光交换器件

9.3.1激光光源及光调制3.光载波的调制方式（PFM和PWM调制常见）足够强度的稳定光功率输出；(a)LED模拟信号光调制原理图9.3光交换器件

9.3.2光开关：基本概念光开关是各种光通信系统实现高功能、高可靠性、提高维护和使用效率必不可少的光器件。光开关大致可分为采用LiNbO3、聚合物、半导体材料的光开关和具有可移动机理的机械光开关。今后光开关研究的方向是改善其性能，并将光开关集成以便增大光开关阵列的规模。光开光几个指标：插入损耗、通断消光比、寿命、转换速度9.3光交换器件

9.3.2光开关：基本概念光开关是各种9.3光交换器件

9.3.2光开关：微光机电系统光开关MOEMSMOEMS：微机电系统（MEMS）技术与传统光技术相结合的新型机械式光开关。其优点包括：微型化；高的交换速度；小的插入损耗；提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微米级定位精度；与IC工艺相容，可大规模生产，成本低。MOEMS：Micro-Opto-Electro-MechanicalSystem9.3光交换器件

9.3.2光开关：微光机电系统光开关M9.3光交换器件

9.3.2光开关：MOEMS分类光纤1玻璃套筒方空玻璃套筒套管光纤2光纤3移动光纤式：棱镜自聚焦透镜移动棱镜式：9.3光交换器件

9.3.2光开关：MOEMS分类光纤19.3光交换器件

9.3.2光开关：MOEMS分类移动反射镜、透射镜：9.3光交换器件

9.3.2光开关：MOEMS分类移动反9.3光交换器件

9.3.2光开关：电光或磁光开关集成光波导光开关（电光、热光）M-Z型光开关9.3光交换器件

9.3.2光开关：电光或磁光开关集成光9.3光交换器件

9.3.2光开关：光交换系统本节点信息输入光纤1234DEMMUX输出光纤123411223344RXTX用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统9.3光交换器件

9.3.2光开关：光交换系统本节点信息可调谐激光器是实现波分复用（WDM）的重要器件，单频量子阱（MQW）、分布反馈（DFB）或分布布拉格反射（DBR）结构激光器，能在10nm

或1THz范围内调谐。通过电流调谐（1nm/mA），可以调谐出24个不同的频率，频率间隔为40GHz，甚至可以小到10GHz,使不同光载波频率可以多达500个。光-电-光变换、全光变换。光波分复用器WDM和光滤波器9.3光交换器件

9.3.3光波长转换器可调谐激光器是实现波分复用（WDM）的重要器件，单频量子阱（9.3光交换器件

9.3.4光存储器在光学信息存储系统中，光盘读取头影响存储密度和读取速度，决定整个系统性能的好坏。存储原理：介质的折射率改变导致反射率的变化，从而实现信息的存储。存储器发展历史：纸张、微缩胶片、磁盘磁带、光盘。9.3光交换器件

9.3.4光存储器在光学信息存储系统中9.4光交换网络

第一代光网络中，光只是用来实现大容量传输，所有的交换、路由和其他智能控制都是在电层面上实现的，SONET/SDH就是第一代的光网络；第二代光网络：光传送网(OTN)；第三代光网络：全光网络(AON)，光突发交换技术和智能光网络1.光网络发展