全光通信—光交换技术

全光通信—光交换技术

全光通信光交换技术

摘要：通信网的两大组成部分是传输和交换，随着通信容量的要求和光纤通信的发展，电交换中由于电子转移速度的限制成为信息通信的瓶颈，因而由光交换组成的全光通信网将成为今后通信网的主流。本文对光交换技术相关知识及其发展进行了简要的介绍。关键字：全光通信光交换技术光交换系统一、引言

通信网的两大主要组成部分传输和交换，随着通信容量和带宽要求的迅速增加都在不断发展和革新。由于光波分复用(WDM)技术的成熟，传输容量的迅速增长带来的对交换系统发展的压力和动力，通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高。但目前的电子交换和信息处理网络的发展己接近电子速率的极限，其固有的CD参数、钟歪、漂移、串话和响应速度等缺点限制了交换速率的提高，为了解决电子瓶颈的限制问题。在交换系统中引入光子技术实现光交换，光交叉连接(OXC)和光分叉复用(OADM)实现全光通信。

全光通信网的优点是：光信号在通过光交换单元时，不需要经过光电、电光转换。因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。

二、光交换的概念与特点

光交换技术是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成，如下图所示：

由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的光交换控制单元还要由电信号来完成，即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换，而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。

随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。

目前，光交换技术可分成光的电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种主要类型。光的电路交换类似于现存的电路交换技术，采用OXC、OADM等光器件设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，目前对OCS的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同OCS又可以分为：

（1）光时分交换技术，时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2。

（2）光波分交换技术，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。

（3）光空分交换技术，即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成。

（4）光码分交换技术，光码分复用（OCDMA）是一种扩频通信技术，不同户的信号用互成正交的不同码序列填充，接受时只要用与发送方相同的法序列进行相关接受，即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码子之间的交换。

未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数Gb/s的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可分为：（1）光分组交换（OPS）技术，它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能，同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元，用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。最后输出接口通过输出同步和再生模块，降低光分组的相位抖动，同时完成光分组头的重写和光分组再生。

（2）光突发交换（OBS）技术，它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。OBS克服了OPS的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与OCS相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。

（3）光标记分组交换（OMPLS）技术，也称为GMPLS或多协议波长交换（MPλS）.它是MPLS技术与光网络技术的结合。MPLS是多层交换技术的最新进展，将MPLS控制平面贴到光的波长路由交换设备的顶部就具有MPLS能力的光节点。由MPLS控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。201*年5月NTT开发出了世界首台全光交换MPLS路由器，结合WDM技术和MPLS技术，实现全光状态下的IP数据包的转发。三、组成光交换系统的核心器件（1）光开关器件

光开关是构成OXC、OADM的主要器件，目前制作光开关的技术主要有：阵列波导光栅(AWG)、半导体光放(SOA)开关、LiNbO3声光开关(AOTS)和电光开关、微电子机械光开关（MEMS）、液晶光开关、喷墨气泡技术光开关、全息光开关等。（2）光缓存器件

光缓存时光分组交换的关键技术，目前还没有全光的随机存储器，只能通过无源的光纤延时线(FDL)或有源的光纤环路来模拟光缓存功能。常见的光缓存结构有：可编程的并联FDL阵列、串联FDL阵列和有源光纤环路。（3）光逻辑器件

该类器件由光信号控制它的状态，用来完成各类布尔逻辑运算。目前光逻辑器件的功能还较简单，比较成熟的技术有对称型自电光效应（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光学双稳器件和基于非线性光学的与门等。（4）波长变换器

全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。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(SOA)为基础的波长转换器,包括交叉增益饱和调制型(XGMSOA)、交叉相位调制型(XPMSOA)以及四波混频型波长转换器(FWMSOA)等。

四、光交换技术的发展

全球光交换设备市场从201*年的3.07亿美元开始增长，到201*年将达到64.5亿美元。201*年以后，该技术市场在整个电信市场领域将会占主导地位，尤其是在北美、西欧各国及亚洲部分地区。目前光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。批量生产以后，这些技术设备的价格有望在201*年下半年更大幅度地下降。业内专家指出，光分组交换技术将成为一项重要的网络交换升级技术得到广泛应用。未来，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以分组为基础的新型通信网，而光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。在不久的将来，光交换技术将会在全光通信网中发挥重要的作用，为通信技术的发展带来革命性的进步。参考文献：

[1]金惠文，陈建亚，纪红现代交换原理201*年3月

[2]姜凤娇，高艳萍，岳小云光交换技术在通信网中的应用[期刊论文]201*年11期[3]翟锦华全光通信中的光交换技术[期刊论文]201*年6期

[4]张连俊，彭荣群通信网中的光交换技术[期刊论文]201*年4期

扩展阅读：第八章 全光通信—光交换技术

全光通信光交换技术

摘要：通信网的两大组成部分是传输和交换，随着通信容量的要求和光纤通信的发展，电交换中由于电子转移速度的限制成为信息通信的瓶颈，因而由光交换组成的全光通信网将成为今后通信网的主流。本文对光交换技术相关知识及其发展进行了简要的介绍。关键字：全光通信光交换技术光交换系统一、引言

通信网的两大主要组成部分传输和交换，随着通信容量和带宽要求的迅速增加都在不断发展和革新。由于光波分复用(WDM)技术的成熟，传输容量的迅速增长带来的对交换系统发展的压力和动力，通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高。但目前的电子交换和信息处理网络的发展己接近电子速率的极限，其固有的CD参数、钟歪、漂移、串话和响应速度等缺点限制了交换速率的提高，为了解决电子瓶颈的限制问题。在交换系统中引入光子技术实现光交换，光交叉连接(OXC)和光分叉复用(OADM)实现全光通信。

全光通信网的优点是：光信号在通过光交换单元时，不需要经过光电、电光转换。因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的信息吞吐量。由于信息的传输技术的不断完善，光交换技术成为全光通信网的关键。

二、光交换的概念与特点

光交换技术是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成，如下图所示：

由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的光交换控制单元还要由电信号来完成，即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换，而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。

随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。

目前，光交换技术可分成光的电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种主要类型。光的电路交换类似于现存的电路交换技术，采用OXC、OADM等光器件设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，目前对OCS的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同OCS又可以分为：

（1）光时分交换技术，时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2。

（2）光波分交换技术，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。

（3）光空分交换技术，即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成。

（4）光码分交换技术，光码分复用（OCDMA）是一种扩频通信技术，不同户的信号用互成正交的不同码序列填充，接受时只要用与发送方相同的法序列进行相关接受，即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码子之间的交换。

未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数Gb/s的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可分为：（1）光分组交换（OPS）技术，它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能，同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元，用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。最后输出接口通过输出同步和再生模块，降低光分组的相位抖动，同时完成光分组头的重写和光分组再生。

（2）光突发交换（OBS）技术，它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。OBS克服了OPS的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与OCS相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。

（3）光标记分组交换（OMPLS）技术，也称为GMPLS或多协议波长交换（MPλS）.它是MPLS技术与光网络技术的结合。MPLS是多层交换技术的最新进展，将MPLS控制平面贴到光的波长路由交换设备的顶部就具有MPLS能力的光节点。由MPLS控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。201*年5月NTT开发出了世界首台全光交换MPLS路由器，结合WDM技术和MPLS技术，实现全光状态下的IP数据包的转发。三、组成光交换系统的核心器件（1）光开关器件

光开关是构成OXC、OADM的主要器件，目前制作光开关的技术主要有：阵列波导光栅(AWG)、半导体光放(SOA)开关、LiNbO3声光开关(AOTS)和电光开关、微电子机械光开关（MEMS）、液晶光开关、喷墨气泡技术光开关、全息光开关等。（2）光缓存器件

光缓存时光分组交换的关键技术，目前还没有全光的随机存储器，只能通过无源的光纤延时线(FDL)或有源的光纤环路来模拟光缓存功能。常见的光缓存结构有：可编程的并联FDL阵列、串联FDL阵列和有源光纤环路。

（3）光逻辑器件

该类器件由光信号控制它的状态，用来完成各类布尔逻辑运算。目前光逻辑器件的功能还较简单，比较成熟的技术有对称型自电光效应（S-SEED）器件、基于多量子阱DFB的光学双稳器件和基于非线性光学的与门等。

（4）波长变换器

全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。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(SOA)为基础的波长转换器,包括交叉增

益饱和调制型(XGMSOA)、交叉相位调制型(XPMSOA)以及四波混频型波长转换器(FWMSOA)等。

四、光交换技术的发展

全球光交换设备市场从201*年的3.07亿美元开始增长，到201*年将达到64.5亿美元。201*年以后，该技术市场在整个电信市场领域将会占主导地位，尤其是在北美、西欧各国及亚洲部分地区。目前光交换技术市场日益成熟，价格也在迅速下降。批量生产以后，这些技术设备的价格有望在201*年下半年更大幅度地下降。业内专家指出，光分组交换技术将成为一项重要的网络交换升级技术得到广泛应用。未来，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以分组为基础的新型通信网，而光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。在不久的将来，光交换技术将会在全光通信网中发挥重要的作用，为通信技术的发展带来革命性的进步。

光交换的产生

光交换特点

1、由于光交换不涉及到电信号，所以不会受到电子器件处理速度的制约，与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。

2、光交换根据波长来对信号进行路由和选路，与通信采用的协议、数据格式和传输速率无关，可以实现透明的数据传输。

3、光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。

光交换的产生

光/电

电信

光/电

号电交换系统电/光电信号电/光

光信号

光信号

光交换系统光信号

两个阶段

第一阶段：电控光交换第二阶段：全光交换

半导体光放大器

空分光交换

空分光交换就是在空间域上对光信号进行交换空分光交换的基本原理就是利用光开关组成开关矩阵，通过对开关矩阵进行控制，建立任一输入光纤到任一输出光纤之间的物理通路连接。

可以构成：纵横式（crossbar）网络

双纵横式（double－crossbar）网络Banyan网络、扩张的Banyan网络Benes网络、扩张的Benes网络

输出输入输入1312

2.波分光交换

波分交换是根据光信号的波长来进行通路选择的交换方式。其基本原理是通过改变输入光信号的波长，把某个波长的光信号变换成另一个波长的光信号输出。

波分光交换模块由波长复用器/解复用器和波长转换器组成。

光输入控制电极光信号通道半导体光放大器光输出控制电流输入耦合波导开关输出输出34平行状态2交叉状态

λλ11λ2波长变换λλi1λ2λ4λλ11...λNλ1λ1...λ4波长变换波长解复用λNλλλ3N波长变换λ3j波长复用λ4λ4

时分光交换

1123分路1延迟延迟复用3231223延迟输入输出

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