新型光交換技術(shù)的發(fā)展

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)揮著越來越重要的作用。該文首先對光交換技術(shù)的概念和特點作了簡介，并對幾種典型的光路光交換和分組光交換的技術(shù)進行了綜述。

關(guān)鍵詞：光交換；光路光交換；分組光交換

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：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)的未來發(fā)展目標將是如何使透明的、生存性較強的全光通信網(wǎng)絡(luò)變成現(xiàn)實。現(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發(fā)展。

1 技術(shù)特點

光交換技術(shù)是光纖通信技術(shù)的一種，它是對光纖中傳送到來的光信號進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)進行對比，光交換不必在光纖和交換機間加裝光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，在進行交換的時候也能夠充分地展現(xiàn)光信號具有的速度快、帶寬高和不產(chǎn)生電磁感應(yīng)的特點，將輸入的光信號直接交換到不同的輸出端。

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

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，同時使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時間縮短。

2 空分光交換

空分光交換也就是將光信號在空域中進行交換，光交換中最小的功能元件即是空間光開關(guān)?？辗止饨粨Q的作用是在空間上改變光信號的發(fā)送通道?？臻g光開關(guān)能夠通過連接構(gòu)成空分光交換單元，也能夠和別的功能開關(guān)一起組建時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)，這有三種實現(xiàn)方案：

1） 采用一個2×2光開關(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1×2光開關(guān)器件，如Y分支型的InP數(shù)字光開關(guān)，用光纖按如圖2所示進行互聯(lián)；

3） 采用四個1×2光耦合器和四個門型光開關(guān)按如圖3所示構(gòu)成，四個光耦合器作用是把一個或多個光輸入分配給多個或一個輸出，四個門型光開關(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)字光開關(guān)的光交換模塊

圖3 基于光耦合器和門型光開關(guān)的光交換模塊

其中方案1、2的2×2和1×2光開關(guān)器件都屬于波導(dǎo)型光開關(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/外加電場或通過加熱來進行。這類光開關(guān)在交換信號時，除了其本身的插入損耗外，將把所有的信號功率交換到出線去。方案3中的光開關(guān)將把一半的光能浪費掉，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關(guān)可以解決這個問題。但是空間光開關(guān)多級互連成大型交換單元時，光放大器引入的放大的自發(fā)輻射和通帶變窄等問題難以解決。不過方案3中的光開關(guān)具有廣播發(fā)送能力，這在提供點到多點和廣播業(yè)務(wù)是非常有用的。

3 時分光交換

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

進行時分光交換時，需要通過時隙交換器把輸入信號某一時隙交換到其他時隙輸出。需要通過光緩存器來實現(xiàn)時隙的交換，能夠?qū)r分復(fù)用信號按某種順序?qū)懭雰Υ嫫髦?，再按照其他順序進行讀取，如此操作時隙交換便已完成。光延時線可作為光緩存器來使用，利用光延時線的進行時分光交換的原理如下：

1） 采用光分路器將時分復(fù)用的光信號輸出至光延時線，保證每條光延時線上僅存在一個時隙的光信號；

2） 將輸出的光信號通過不同時間的光延時器件，使其時間延遲不同；

3） 然后采用光合路器將輸出的光信號進行整合，時分光交換即實現(xiàn)，如圖4。

圖4 時分光交換示意

4 波分光交換

波分光交換中的每個波長代表不同的信道，其把波分復(fù)用信號進行波長變換，即可實現(xiàn)波長信道的交換功能。使波分光交換實現(xiàn)的最基本元件為可調(diào)波長濾波器及波長變換器，可調(diào)波長濾波器的功能是在輸入的光信號中挑選需要進行波長變換的信號，而波長變換器是將選出的光信號進行不同波長的變換后輸出，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采用的波長均相同，這樣可以在多路復(fù)用中使終端設(shè)備變得簡單。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)約的機制，不需要在數(shù)據(jù)傳輸之前提前進行路由的建立、資源的分配。在光分組交換中使用的分組占用同樣長度的時隙，光分組交換數(shù)據(jù)包的格式由三部分組成：光分組頭、凈負荷及預(yù)留保護時隙，如圖6。在光分組頭中裝入目的地址、分組序列等信息，凈負荷與光分組頭一起在同一個光路中進行傳輸，凈負荷在網(wǎng)絡(luò)某個節(jié)點中需要進行緩存，等待光分組頭的處理來確定路由。光分組交換具有非常高的資源利用率優(yōu)勢，適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)的能力非常強大，這樣全光的分組交換將會是未來的發(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，對空分光交換、時分光交換、波分光交換、光分組交換等幾種光路光交換技術(shù)的原理和特點進行了綜述。

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日。但隨著光元器件的不斷發(fā)展，相信過不了多久，在全光通信網(wǎng)中光交換技術(shù)必定將發(fā)揮越來越重要的作用。

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