顧少華++丁寶華++史云鵬++辜鵬++謝華

摘要：光通信網(wǎng)絡(luò)中光交換技術(shù)是其核心，如今發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。該文首先對(duì)光交換技術(shù)的概念和特點(diǎn)作了簡(jiǎn)介，并對(duì)幾種典型的光路光交換和分組光交換的技術(shù)進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：光交換；光路光交換；分組光交換

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0035-02

隨著光纖傳輸技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的電通信正在被速率高、帶寬大的光通信技術(shù)取代，寬帶通信網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展目標(biāo)將是如何使透明的、生存性較強(qiáng)的全光通信網(wǎng)絡(luò)變成現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)代光交換技術(shù)是全光通信網(wǎng)的核心基礎(chǔ)技術(shù)之一，在一定程度上影響著全光通信的未來(lái)發(fā)展。

1 技術(shù)特點(diǎn)

光交換技術(shù)是光纖通信技術(shù)的一種，它是對(duì)光纖中傳送到來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行不做任何處理的交換，跟以往電子數(shù)字程控交換技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，光交換不必在光纖和交換機(jī)間加裝光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，在進(jìn)行交換的時(shí)候也能夠充分地展現(xiàn)光信號(hào)具有的速度快、帶寬高和不產(chǎn)生電磁感應(yīng)的特點(diǎn)，將輸入的光信號(hào)直接交換到不同的輸出端。

光交換技術(shù)能夠向到來(lái)的高速信息流提供光域下的動(dòng)態(tài)處理，只把本節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的信息上下路交由電交換設(shè)備繼續(xù)處理，優(yōu)點(diǎn)如下：

1）能夠最大程度上避免純電子交換的存在地容量門限問(wèn)題；

2）能夠使網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)改造的成本大大減少；

3）使網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的靈活性和生存性提高了很大一截，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時(shí)間縮短。

2 空分光交換

空分光交換也就是將光信號(hào)在空域中進(jìn)行交換，光交換中最小的功能元件即是空間光開(kāi)關(guān)?？辗止饨粨Q的作用是在空間上改變光信號(hào)的發(fā)送通道。空間光開(kāi)關(guān)能夠通過(guò)連接構(gòu)成空分光交換單元，也能夠和別的功能開(kāi)關(guān)一起組建時(shí)分交換單元或波分交換單元。

2×2的光交換模塊是空分光交換的最基本單元，其輸入端和輸出端均為兩根光纖，有平行連接和交叉連接兩種工作狀態(tài)，這有三種實(shí)現(xiàn)方案：

1） 采用一個(gè)2×2光開(kāi)關(guān)器件，如基于電光材料鈮酸鋰（LiNbO3）的定向耦合器，如圖1所示；

2） 采用四個(gè)1×2光開(kāi)關(guān)器件，如Y分支型的InP數(shù)字光開(kāi)關(guān)，用光纖按如圖2所示進(jìn)行互聯(lián)；

3） 采用四個(gè)1×2光耦合器和四個(gè)門型光開(kāi)關(guān)按如圖3所示構(gòu)成，四個(gè)光耦合器作用是把一個(gè)或多個(gè)光輸入分配給多個(gè)或一個(gè)輸出，四個(gè)門型光開(kāi)關(guān)可選用半導(dǎo)體光放大器或光門電路等。

圖1 基于定向耦合器的光交換模塊

圖2 基于Y分支型數(shù)字光開(kāi)關(guān)的光交換模塊

圖3 基于光耦合器和門型光開(kāi)關(guān)的光交換模塊

其中方案1、2的2×2和1×2光開(kāi)關(guān)器件都屬于波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)，都是由外部控制波導(dǎo)的折射率，選擇輸出波導(dǎo)。折射率控制由電流注入/外加電場(chǎng)或通過(guò)加熱來(lái)進(jìn)行。這類光開(kāi)關(guān)在交換信號(hào)時(shí)，除了其本身的插入損耗外，將把所有的信號(hào)功率交換到出線去。方案3中的光開(kāi)關(guān)將把一半的光能浪費(fèi)掉，從而引入附加損耗，且交換的路數(shù)越多，損耗越大。用光放大器作門型光開(kāi)關(guān)可以解決這個(gè)問(wèn)題。但是空間光開(kāi)關(guān)多級(jí)互連成大型交換單元時(shí)，光放大器引入的放大的自發(fā)輻射和通帶變窄等問(wèn)題難以解決。不過(guò)方案3中的光開(kāi)關(guān)具有廣播發(fā)送能力，這在提供點(diǎn)到多點(diǎn)和廣播業(yè)務(wù)是非常有用的。

3 時(shí)分光交換

與空分光交換不同的是時(shí)分光交換的基礎(chǔ)是時(shí)分復(fù)用，將時(shí)間劃分為多個(gè)沒(méi)有重疊區(qū)間的時(shí)隙，不同的子信道建立在不同的時(shí)隙中，把復(fù)用的光信號(hào)的所處的時(shí)間位置在時(shí)域上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其采用的原理即是電子程控交換的時(shí)分交換系統(tǒng)，能夠在采用全光時(shí)分多路復(fù)用方法的光傳輸中時(shí)分復(fù)用光器件，減少硬件設(shè)備的投入，提高光交換機(jī)的容量。

進(jìn)行時(shí)分光交換時(shí)，需要通過(guò)時(shí)隙交換器把輸入信號(hào)某一時(shí)隙交換到其他時(shí)隙輸出。需要通過(guò)光緩存器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的交換，能夠?qū)r(shí)分復(fù)用信號(hào)按某種順序?qū)懭雰?chǔ)存器中，再按照其他順序進(jìn)行讀取，如此操作時(shí)隙交換便已完成。光延時(shí)線可作為光緩存器來(lái)使用，利用光延時(shí)線的進(jìn)行時(shí)分光交換的原理如下：

1） 采用光分路器將時(shí)分復(fù)用的光信號(hào)輸出至光延時(shí)線，保證每條光延時(shí)線上僅存在一個(gè)時(shí)隙的光信號(hào)；

2） 將輸出的光信號(hào)通過(guò)不同時(shí)間的光延時(shí)器件，使其時(shí)間延遲不同；

3） 然后采用光合路器將輸出的光信號(hào)進(jìn)行整合，時(shí)分光交換即實(shí)現(xiàn)，如圖4。

圖4 時(shí)分光交換示意

4 波分光交換

波分光交換中的每個(gè)波長(zhǎng)代表不同的信道，其把波分復(fù)用信號(hào)進(jìn)行波長(zhǎng)變換，即可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)信道的交換功能。使波分光交換實(shí)現(xiàn)的最基本元件為可調(diào)波長(zhǎng)濾波器及波長(zhǎng)變換器，可調(diào)波長(zhǎng)濾波器的功能是在輸入的光信號(hào)中挑選需要進(jìn)行波長(zhǎng)變換的信號(hào)，而波長(zhǎng)變換器是將選出的光信號(hào)進(jìn)行不同波長(zhǎng)的變換后輸出，如圖5。

圖5 波分光交換示意

通常情況下，光波復(fù)用系統(tǒng)的源和目的端傳遞信號(hào)采用的波長(zhǎng)均相同，這樣可以在多路復(fù)用中使終端設(shè)備變得簡(jiǎn)單。在此基礎(chǔ)上，光波分交換需用在傳輸系統(tǒng)的中間節(jié)點(diǎn)上，這樣能夠滿足光波分復(fù)用系統(tǒng)終端的通用性，從而使傳輸系統(tǒng)資源的利用率提高。

5 光分組交換

光分組作為光分組交換中最小的交換顆粒，采用的是單向預(yù)約的機(jī)制，不需要在數(shù)據(jù)傳輸之前提前進(jìn)行路由的建立、資源的分配。在光分組交換中使用的分組占用同樣長(zhǎng)度的時(shí)隙，光分組交換數(shù)據(jù)包的格式由三部分組成：光分組頭、凈負(fù)荷及預(yù)留保護(hù)時(shí)隙，如圖6。在光分組頭中裝入目的地址、分組序列等信息，凈負(fù)荷與光分組頭一起在同一個(gè)光路中進(jìn)行傳輸，凈負(fù)荷在網(wǎng)絡(luò)某個(gè)節(jié)點(diǎn)中需要進(jìn)行緩存，等待光分組頭的處理來(lái)確定路由。光分組交換具有非常高的資源利用率優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)的能力非常強(qiáng)大，這樣全光的分組交換將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展前景。

圖5 光分組交換分組格式

6 小結(jié)與展望

本文闡述了光交換技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)空分光交換、時(shí)分光交換、波分光交換、光分組交換等幾種光路光交換技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了綜述。

光交換技術(shù)作為下一代光互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)已經(jīng)越來(lái)越受到重視，雖然很多技術(shù)還處于研發(fā)階段，真正投入民用還有待時(shí)日。但隨著光元器件的不斷發(fā)展，相信過(guò)不了多久，在全光通信網(wǎng)中光交換技術(shù)必定將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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