第10章光交换技术.ppt
第 10 章 光交换技术,【本章内容简介】光交换技术是交换技术未来的发展方向。本章从交换光交换概念出发，介绍了光纤通信的发展简史及主要特点，阐述了光交换技术的实现方式与原理，主要涉及光交换器件、各种光交换网络、光交换系统等内容，同时对光交换技术的现状和发展概况进行了简要介绍。,【本章重点难点】重点掌握光交换器件和光交换网络。难点是光存储器的工作原理。,10.1 概述,光交换（photonic switching）技术是在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端，完成光信号的交换。,10.1.1 光纤通信,1光纤通信技术的发展 光纤用于通信是1978年，首先应用于商业性实验。1980年美国建成了长度为1241.6km的干线光缆。1985年，纵贯日本的干线光纤宣告完成，全长为3400km。1988年，大西洋海底光缆宣告建成，长度为13000km。,进入21世纪，光纤通信发展较快的几项技术是波分复用技术、光纤接入网技术（OAN）和全光网技术。,2光纤通信技术,所谓光纤通信，就是利用光纤来传送携带信息的光波以达到通信之目的。,（1）光纤通信的基本原理,光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如语音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。,（2）数字光纤通信系统,图10-1 数字光纤通信系统,3光纤通信的优点,大家知道，光波也是电磁波，但它的频率比电信中利用的其他电磁波频率高出几个数量级。频率极高使得通信系统拥有极大的通信容量，所用光纤和由多根光纤组成的光缆体积小，重量轻，易于运输和施工。,光纤的衰耗很低，故无中断，通信距离很长。此外，光纤是绝缘体，不会受高压线和雷电的电磁感应，抗核辐射的能力也强，因而在某些特殊场合，电通信受干扰不能工作而光纤通信却能照常工作。,光纤几乎可做得不漏光，因此保密性好，光缆中的光纤也互不干扰。当通信容量较大，距离较远时，光纤通信系统的每话路公里的造价较电缆通信的为低。光纤通信因有这些优点而得到迅速发展。,10.1.2 全光通信网,全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。,全光通信技术是针对普通光纤系统中存在着较多的光电/转换设备而进行改进的技术。,1全光通信的发展过程,全光通信的实现，可以分为两个阶段来完成。,2全光通信的特点,（1）全光通信是历史发展的必然（2）降低成本（3）解决了“电子瓶颈”问题,3全光网络的基本技术,全光网络的基本技术有全光交换、全光交叉连接、全光中继、全光复用与解复用等。,10.2 光交换器件,实现光交换的设备是光交换机。光交换器件是实现全光网络的基础。光交换机的光交换器件有光开关、光波长转换器和光存储器等。,10.2.1 光开关,光开关在光通信中的作用一是将某一光纤通道中的光信号切断或开通；其次是将某波长光信号由一个光纤通道转换到另一个光纤通道中去；再是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换成另一种波长的光信号。,依据开关实现技术的物理机理来分，可分为机械式光开关、热光开关和电光开关等。,1半导体光开关,图10-2 半导体光放大器及等效开关示意图,2耦合波导开关,图10-3 耦合波导光开关,3液晶光开关,液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶具有流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。,当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基因团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种引外电场引起液晶光学性质的改变称为液晶的光电效应。,4微电子机械光开关（MEMS）,10-4 液晶光开关工作原理,10.2.2 光调制器,在光纤通信中，通信信息由光波携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。光调制器是实现电信号到光信号转换的器件，也就是说，它是一种改变光束参量传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。,目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。,1直接调制,直接调制：又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。,2间接调制,间接调制，这种调制方式又称为外调制。即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。其结构如图10-5所示。,图10-5 外调制器的结构,10.2.3 光波长转换器,10-6 光波长转换器结构示意图,10.2.4 光存储器,1光纤延迟线光存储器2双稳态激光二极管光存储器,10.3 光交换网,光交换网络完成光信号在光域的直接交换，不需通过光电光的变换。根据光信号的复用方式，光交换技术可分为空分、时分和波分3种交换方式。若光信号同时采用两种或三种交换方式，则称为混合光交换。,10.3.1 空分光交换网络,空分光交换网络（space optical switch network）是光交换方式中最简单的一种。,图10-7 基本的22空分光交换模块,10.3.2 时分光交换网路,采用光延迟器件实现光时分交换的原理是：先把时分复用光信号通过光分路器分成多个单路光信号，然后让这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的时间延迟，再把这些信号经过光合路器重新复用起来。,光分路器、光合路器和光延迟器件的工作都是在（电）计算机的控制下进行的，可以按照交换的要求完成各路时隙的交换功能，也就是光时隙互换。,图10-8 时分光交换系统,10.3.3 波分光交换网路,波分复用技术在光传输系统中已得到广泛应用。一般来说，在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同的波长来传递信号。如果使用不同波长的终端要进行通信，那么必须在每个终端上都具有各种不同波长的光源和接收器。,为了适应光波分复用终端的相互通信而又不增加终端设备的复杂性，人们便设法在传输系统的中间节点上采用光波分交换。采用这样的技术，不仅可以满足光波分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。,波分光交换是指光信号在网络节点中不经过光/电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上的交换方式。,波分光交换网络是实现波分光交换的核心器件，可调波长滤波器和波长转换器是波分光交换的基本器件。实现波分光交换有两种结构：波长互换型和波长选择型。,1波长互换型,图10-9 波长互换光交换网络结构,2波长选择型光交换网络,图10-10 波长选择型光交换网络结构,10.4 光交换系统,10.4.1 光交换系统的组成 全光网仍是以交换机为核心构建，与其他通信网一样，网络由交换、传输和终端3部分构成。在全光网的3要素中，光交换机是全光网络的核心部分。,10.4.2 光交换技术的分类,1光电路交换（1）光时分交换技术（2）光波分交换技术（3）光空分交换技术（4）光码分交换技术,2光分组交换,（1）光分组交换（OPS）技术（2）光突发交换（OBS）技术（3）光标记分组交换（OMPLS）技术,3光交换技术的分类,图10-11 光交换技术的分类,10.4.3 光分插复用器和光交叉连接,在基于WDM的光网络中，属于光纤和波长级的粗粒度带宽处理的光节点设备，主要是光分插复用器（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）和光交叉连接（Optical Cross Connect，OXC），通常由WDM复用/解复用器、光交叉矩阵（由光开关和控制部分组成）、波长转换器和节点管理系统组成。,主要完成光路上、下层的带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。,1光分插复用器（OADM）,图10-12 基于波分复用/解复用和光开关的OADM结构示意图,2光交叉连接（OXC）,OXC有以下三种实现方式。（1）光纤交叉连接（2）波长交叉连接（3）波长变换交叉连接,图10-13 波长交叉连接示意图,图10-14 波长变换交叉连接示意图,10.4.4 光分组交换,光分组交换的概念与电分组交换的概念是类似的，只不过是在光域内的扩展，即交换粒度以高速传输的光分组为单位。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力，因此光分组交换要求节点的处理能力非常高。,1光分组交换机的结构,图10-15 光分组交换节点结构图,2光分组交换的关键技术,光分组交换的关键技术有光分组的产生、同步、缓存、再生，光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。,3光分组交换各组成部分的功能,（1）输入接口完成的功能（2）输出接口完成的功能（3）光交换模块完成的功能（4）控制单元完成的功能,10.5 光交换的现状和发展,1光交换技术现状2光交换技术的发展,
