第3章全光通信网-光交换技术(3)

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。

光　通　信　技　术V o l.25 O PT I CAL　COMM U N I CA T I ON　T ECHNOLO GY N o.4中国无线电电子学、电信技术类核心期刊光交换技术谈α邹自立(信息产业部电子第三十四研究所　桂林　541004)摘要　论述了在全光通信网络技术中将发挥重要作用的光交换技术,比较详细地介绍空分光交换、时分光交换、波分光交换、A TM光交换、码分光交换、自由空间光交换和复合型光交换等7种光交换技术,并对光交换技术的市场和技术发展前景进行了描述。

关键词　光通信　光交换　全光网络中图分类号　TN915.2 文献标识码　A1　引言光纤通信技术的发展方向,是实现最大可能地利用光纤给人们提供巨大带宽资源将信息进行无阻塞地传输和交换。

为实现这一目标,许多人付出了极大的努力,基于光域范围内的复用 解复用技术的应用就是一例。

多年以前,人们就提出了构建全光网络的设想,那是一个完全建立在光域上进行信息采集、处理、放大、存储、传输、交换、恢复全过程光学化的理想光子网络。

然而,过于理想的东西,其实现的技术难度也是极其巨大的。

尽管现在全光网的概念不仅依然存在并正在迅速发展,但现在人们心目中的全光网已不是原来理想化的那个狭义全光网了,而是被广义化了的全光网。

目前的全光网是指在网络中光信息流的传输和交换过程是以光的形式存在和完成,而电子技术在其中仍然发挥着极其重要作用,例如用电子电路实现控制等的网络。

广义化的全光网络实际上是一个由光学技术与电子学技术相结合的网络,但必须指出的是,在广义化的全光网络里,光学技术是主体,电子学技术只是辅助,这是有别于传统的由O E、E O变换所构成的光电结合网络的。

全光网络具有如下优点:(1)提供巨大的带宽。

(2)与无线或铜线比,处理速度高且误码率低。

(3)采用光路交换的全光网络具有协议透明性,即对信号形式无限制。

允许采用不同的速率和协议,有利于网络应用的灵活性。

(4)全光网中采用了较多无源光器件,省去了庞大的光 电 光转换工作量及设备,提高网络整体的交换速度,降低了成本并有利于提高可靠性。

对光交换技术的认识摘要：在未来的网络中全光网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。

为了克服光网络中的“电子瓶颈”，具有高度生存性的全光网络成为宽带通信网络的未来发展目标。

而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光网通信系统中发挥着重要的作用。

关键词：光交换技术光空分交换光时分交换光波分交换WDM SOA XGM光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域上直接将输入光信号交换到不同的输出端。

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。

根据光信号的交换对象的不同可将光交换分为空分、时分、波分三种交换方式。

1.光空分交换技术空分光交换技术就是在空间域上对光信号进行交换，它的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路。

空间光开关是光交换中最基本的功能开关。

目前，光开关的技术已经较为成熟。

现在光通信中使用的光开关主要有机械型光开关、热光型光开关、微电子机械型光开关和半导体光放大器门型光开关。

机械型光开关在光网络中的应用较为广泛，主要是通过移动光纤、棱镜、反射镜等改变光的传播路径。

机械式光开关插入损耗较低，对偏振和波长不敏感。

其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。

由于体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。

热光开关一般采用波导结构，利用薄膜加热器控制温度，通过温度变化引起折射率变化来改变波导性质，从而实现光开关动作。

例如，MZI型光开关：即通过改变波导的温度而使波长的传播相位得以改变，进而改变波长的传播路线。

若薄膜加热器不加热，从1’输出的两束光相位差为π，干涉相消，即光只从2’输出；若调节加热温度使之形成π相移，那么在和输出端口两束光的相位关系随之发生变化，光会从1’输出。

光通信网络中的全光网络交换技术研究全光网络交换技术在光通信网络中的应用和研究光通信网络是一种利用光信号进行信息传输的高速和高容量网络。

它已经成为满足日益增长的数据传输需求的重要技术。

而光网络交换技术作为光通信网络中的核心技术之一，起到了关键的作用。

本文将围绕光通信网络中的全光网络交换技术展开论述，探讨其应用以及当前的研究前景。

一、光通信网络中的全光网络交换技术概述光通信网络中的全光网络交换技术是一种实现光信号的交换和路由的技术。

它能够将接收到的光信号进行解调、转换和再调制，实现信息的交换和路由功能。

与传统的电子网络交换技术相比，全光网络交换技术具有更高的传输速率和更大的容量，有助于满足日益增长的数据传输需求。

二、全光网络交换技术的应用领域全光网络交换技术在许多领域都有着广泛的应用，特别是在大规模数据中心、长距离通信和光传感器网络等方面。

1. 大规模数据中心随着云计算和大数据时代的到来，大规模数据中心已经成为数据处理和存储的重要基础设施。

在数据中心中，海量的数据需要高速和高容量的传输。

全光网络交换技术能够提供更大的带宽，以满足数据中心对高速数据传输的需求。

2. 长距离通信在长距离通信中，传统的电子网络交换技术由于传输损耗和时延较大，无法满足高速和高容量传输的需求。

而全光网络交换技术可以通过光纤进行长距离传输，具有较低的损耗和时延。

因此，在长距离通信中，全光网络交换技术被广泛应用。

3. 光传感器网络光传感器网络是一种将光通信技术应用于传感器网络中的技术。

全光网络交换技术能够提供高速和高容量的传输，使得传感器网络更加灵活和可靠。

因此，全光网络交换技术在光传感器网络中有着重要的应用价值。

三、全光网络交换技术的研究进展和前景随着光通信技术的不断发展，全光网络交换技术也得到了广泛的研究和应用。

目前，有几个重要的研究方向和挑战：1. 光信号的调制和解调技术光信号的调制和解调技术是全光网络交换技术的关键环节。

如何实现高效的光信号调制和解调，是当前研究的重点之一。

全光通信网络技术（AON）在以光的复用技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光／电／光的转换，仍以电信号处理信息的速度进行交换，而其中的电子件在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。

为了解决这个问题，人们提出了全光网（AON）的概念，全光网以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，已成为下一代高速宽带网络的首选。

1、全光网的概念所谓全光网，是指从源节点到终端用户节点之间的数据传输与交换的整个过程均在光域内进行，即端到端的完全的光路，中间没有电信号的介入。

2、全光网的优点基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性。

它具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点：（1）省掉了大量电子器件。

全光网中光信号的流动不再有光电转换的障碍，克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，省掉了大量电子器件，大大提高了传输速率。

（2）提供多种协议的业务。

全光网采用波分复用技术，以波长选择路由，可方便地提供多种协议的业务。

（3）组网灵活性高。

全光网组网极具灵活性，在任何节点可以抽出或加入某个波长。

（4）可靠性高。

由于沿途没有变换和存储，全光网中许多光器件都是无源的，因而可靠性高。

3、全光网中的关键技术3.1光交换技术光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。

光路交换又可分成3种类型，即空分（SD）、时分（TD）和波分／频分（WD／FD）光交换，以及由这些交换形式组合而成的结合型。

其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。

光分组交换中，异步传送模式是近年来广泛研究的一种方式。

3.2光交叉连接（OXC）技术OXC是用于光纤网络节点的设备，通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络，是实现可靠的网络保护／恢复以及自动配线和监控的重要手段。

1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。

解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。

如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。

解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。

解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。

5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。

处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。

6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。

当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。

（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。