第10章光交换技术共60页文档

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1、第第1010章光交换技术共章光交换技术共6060页页文档文档【本章内容简介】【本章内容简介】光交换技术是交换光交换技术是交换技术未来的发展方向。技术未来的发展方向。本章从交换光交换概念出发，介绍了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。展概况进行了简要介绍。【本章重点难点】【本章重点难点】重点掌握

2、光交换器重点掌握光交换器件和光交换网络。件和光交换网络。难点是光存储器的工作原理。难点是光存储器的工作原理。10.1 10.1 概述概述光交换（光交换（photonicswitching）技术是）技术是在光域直接将输入光信号交换到不同的输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。出端，完成光信号的交换。10.1.1光纤通信光纤通信1光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展光纤用于通信是光纤用于通信是1978年，首先应用于年，首先应用于商业性实验。商业性实验。1980年美国建成了长度为年美国建成了长度为1241.6km的的干线光缆。干线光缆。1985年，纵贯日本的干线光纤宣告完年，

3、纵贯日本的干线光纤宣告完成，全长为成，全长为3400km。1988年，大西洋海底年，大西洋海底光缆宣告建成，长度为光缆宣告建成，长度为13000km。进入进入21世纪，光纤通信发展较快的几世纪，光纤通信发展较快的几项技术是波分复用技术、光纤接入网技术项技术是波分复用技术、光纤接入网技术（OAN）和全光网技术。）和全光网技术。2光纤通信技术光纤通信技术所谓光纤通信，就是利用光纤来传送所谓光纤通信，就是利用光纤来传送携带信息的光波以达到通信之目的。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）光纤通信的基本原理光纤通信的原理是：在发送端首先要光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息

4、（如语音）变成电信号，然把传送的信息（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，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，经解调收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。后恢复原信息。（2）数字光纤通信系统）数字光纤通信系统图图10-1 10-1 数字光纤通信系统数字光纤通信系统3光纤通信的优点光纤通信的优点大家知道，光波也是电磁波，但它的大家知道，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

5、率高出频率比电信中利用的其他电磁波频率高出几个数量级。几个数量级。频率极高使得通信系统拥有极大的通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。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，通信距光纤的衰耗很低，故无中断，通信距离很长。离很长。此外，光纤是绝缘体，不会受高压线此外，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，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。工作而光纤

6、通信却能照常工作。光纤几乎可做得不漏光，因此保密性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。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通信系统的每话路公里的造价较电缆通信的为低。的为低。光纤通信因有这些优点而得到迅速发光纤通信因有这些优点而得到迅速发展。展。10.1.2全光通信网全光通信网全光通信是指用户与用户之间的信号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源节点到目的节点的传输过程都在光域

7、内进行，而其在各网络节点的交换则采用全进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。光网络交换技术。全光通信技术是针对普通光纤系统中全光通信技术是针对普通光纤系统中存在着较多的光电存在着较多的光电/转换设备而进行改进的转换设备而进行改进的技术。技术。1全光通信的发展过程全光通信的发展过程全光通信的实现，可以分为两个阶段全光通信的实现，可以分为两个阶段来完成。来完成。2全光通信的特点全光通信的特点（1）全光通信是历史发展的必然）全光通信是历史发展的必然（2）降低成本）降低成本（3）解决了）解决了“电子瓶颈电子瓶颈”问题问题3全光网络的基本技术全光网络的基本技术全光网络的基本技术有全光交换、

8、全全光网络的基本技术有全光交换、全光交叉连接、全光中继、全光复用与解复光交叉连接、全光中继、全光复用与解复用等。用等。10.2 10.2 光交换器件光交换器件实现光交换的设备是光交换机。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。波长转换器和光存储器等。10.2.1光开关光开关光开关在光通信中的作用一是将某一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将某波长光信号

9、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中将一种波长的光信号转换成另一种波长的光信号。的光信号。依据开关实现技术的物理机理来分，依据开关实现技术的物理机理来分，可分为机械式光开关、热光开关和电光开可分为机械式光开关、热光开关和电光开关等。关等。1半导体光开关半导体光开关图图10-2 10-2 半导体光放大器及等效开关示意图半导体光放大器及等效开关示意图2耦合波导开关耦合波导开关图图10-3 10-3 耦合波导光开关耦合波导光开关3液晶光开关液晶光开关液晶是介于液体与晶体之间的一种物液晶是介于液体与晶体之间

10、的一种物质状态。质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，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。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，当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。双折射等效应。液晶分子是含有极性基因团的极性分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，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，这从而液晶的光学性质也随之发生

11、改变，这种引外电场引起液晶光学性质的改变称为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。液晶的光电效应。4微电子机械光开关（微电子机械光开关（MEMS）10-4 10-4 液晶光开关工作原理液晶光开关工作原理10.2.2光调制器光调制器在光纤通信中，通信信息由光波携带，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光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。程就是调制。光调制器是实现电信号到光信号转换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量传输信息的器件，这

12、些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。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目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制度调制直接检波系统，对光源进行强直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。调制。1直接调制直接调制直接调制：又称为内调制，即直接对直接调制：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注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。强弱。传统的传统的PDH和和2.5Gbit/s速率以下的速率以下的SDH系统使用的系统使

13、用的LED或或LD光源基本上采用光源基本上采用的都是这种调制方式。的都是这种调制方式。2间接调制间接调制间接调制，这种调制方式又称为外调间接调制，这种调制方式又称为外调制。制。即不直接调制光源，而是在光源的输即不直接调制光源，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。其结调制器实际上起到一个开关的作用。其结构如图构如图10-5所示。所示。图图10-5 10-5 外调制器的结构外调制器的结构10.2.3光波长转换器光波长转换器10-6 10-6 光波长转换器结构示意图光波长转换器结构示意图 10.2.4光存储器光存储器1

14、光纤延迟线光存储器光纤延迟线光存储器2双稳态激光二极管光存储器双稳态激光二极管光存储器10.3 10.3 光交换网光交换网光交换网络完成光信号在光域的直接光交换网络完成光信号在光域的直接交换，不需通过光交换，不需通过光电电光的变换。光的变换。根据光信号的复用方式，光交换技术根据光信号的复用方式，光交换技术可分为空分、时分和波分可分为空分、时分和波分3种交换方式。种交换方式。若光信号同时采用两种或三种交换方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。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空分光交换网络（空分光交换网络（spaceopticalswitchnetw

15、ork）是光交换方式中最简单的一种。）是光交换方式中最简单的一种。图图10-7 10-7 基本的基本的2 2 2 2空分光交换模块空分光交换模块10.3.2时分光交换网路时分光交换网路采用光延迟器件实现光时分交换的原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间延迟，再把这些信号经过光合路器重新复用起来。复用起来。光分路器、光合路器和光延迟器件的光分路器、光

16、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，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。功能，也就是光时隙互换。图图10-8 10-8 时分光交换系统时分光交换系统10.3.3波分光交换网路波分光交换网路波分复用技术在光传输系统中已得到波分复用技术在光传输系统中已得到广泛应用。广泛应用。一般来说，在光波复用系统中其源端一般来说，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。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，如果使用不同波长的终端要进行通信，那么

17、必须在每个终端上都具有各种不同波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。长的光源和接收器。为了适应光波分复用终端的相互通信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法在传输系统的中间节点上采用光波分交换。换。采用这样的技术，不仅可以满足光波采用这样的技术，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分复用终端的互通，而且还能提高传输系统的资源利用率。统的资源利用率。波分光交换是指光信号在网络节点中波分光交换是指光信号在网络节点中不经过光不经过光/电转换，直接将所携带的信息从电

18、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。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。是波分光交换的基本器件。实现波分光交换有两种结构：波长互实现波分光交换有两种结构：波长互换型和波长选择型。换型和波长选择型。1波长互换型波长互换型图图10-9 10-9 波长互换光交换网络结构波长互换光交换网络结构2波长选择型光交换网络波长选择型光交换网络图图10-10 10-10 波长选择型光交换网络结构波长选择型光交换网络结构10.

19、4 10.4 光交换系统光交换系统10.4.1光交换系统的组成光交换系统的组成全光网仍是以交换机为核心构建，与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、传输和终其他通信网一样，网络由交换、传输和终端端3部分构成。部分构成。在全光网的在全光网的3要素中，光交换机是全光要素中，光交换机是全光网络的核心部分。网络的核心部分。10.4.2光交换技术的分类光交换技术的分类1光电路交换光电路交换（1）光时分交换技术）光时分交换技术（2）光波分交换技术）光波分交换技术（3）光空分交换技术）光空分交换技术（4）光码分交换技术）光码分交换技术2光分组交换光分组交换（1）光分组交换（）光分组交换

20、（OPS）技术）技术（2）光突发交换（）光突发交换（OBS）技术）技术（3）光标记分组交换（）光标记分组交换（OMPLS）技术）技术3光交换技术的分类光交换技术的分类图图10-11 10-11 光交换技术的分类光交换技术的分类10.4.3光分插复用器和光交叉连接光分插复用器和光交叉连接在基于在基于WDM的光网络中，属于光纤和的光网络中，属于光纤和波长级的粗粒度带宽处理的光节点设备，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（主要是光分插复用器（OpticalAdd-DropMultiplexer，OADM）和光交叉连接）和光交叉连接（OpticalCrossConnect，OXC）

21、，通常），通常由由WDM复用复用/解复用器、光交叉矩阵（由解复用器、光交叉矩阵（由光开关和控制部分组成）、波长转换器和光开关和控制部分组成）、波长转换器和节点管理系统组成。节点管理系统组成。主要完成光路上、下层的带宽管理、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。光网络的保护、恢复和动态重构等功能。1光分插复用器（光分插复用器（OADM）图图10-12 10-12 基于波分复用基于波分复用/解复用和光开关的解复用和光开关的OADMOADM结构示意图结构示意图2光交叉连接（光交叉连接（OXC）OXC有以下三种实现方式。有以下三种实现方式。（1）光纤交叉连接）光纤交叉连接

22、（2）波长交叉连接）波长交叉连接（3）波长变换交叉连接）波长变换交叉连接 图图10-13 10-13 波长交叉连接示意图波长交叉连接示意图 图图10-14 10-14 波长变换交叉连接示意图波长变换交叉连接示意图 10.4.4光分组交换光分组交换光分组交换的概念与电分组交换的概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，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。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，因此光备必须具备处理最小分组的能力，因此光分组交换要

23、求节点的处理能力非常高。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光分组交换机的结构图图10-15 10-15 光分组交换节点结构图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光分组交换的关键技术有光分组的产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。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光分组交换各组成部分的功能（1）输入接口完成的功能）输入接口完成的功能（2）输出接口完成的功能）输出接口完成的功能（3）光交换模块完成的功能）光交换模块完成的功能（4）控制单元完成的功能）控制单元完成的功能10.5 10.5 光交换的现状和发展光交换的现状和发展1光交换技术现状光交换技术现状2光交换技术的发展光交换技术的发展谢谢