全光網中的光交換技術及其應用

2019-11-03 10:16:07

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姜希軍隋志成吳志堅（南京郵電學院）１引言

　　隨著信息時代的來臨，人們的通信需求迅速增長。發展迅速的各種新業務對通信網的帶寬和容量提出了更高的要求。通信網的兩大主要組成部分——傳輸和交換正在不斷地發展和革新。

　　光纖的巨大頻帶資源和優異的傳輸性能，使它成為高速大容量傳輸的理想媒質。隨著WDM技術的成熟，單根光纖的傳輸容量甚至可以達到Tb / s的程度。由此也對交換系統的發展提供了壓力和動力，尤其是在全光網中，交換系統所需處理的信息甚至可達到幾百至上千Tb / s。運用光子技術實現光交換已成為迫切需要解決的問題。

　　光交換的優點在于光信號通過光交換單元時，無須經過光電/電光轉換，因此它不受監測器和調制器等光電器件響應速度的限制，它對比特率和調制方式透明，可以大大提高交換單元的吞吐量。目前，光交換的控制部分主要通過電信號來完成，隨著光子技術的發展，未來的光交換必將演變成為光控光交換。

　　在全光網絡中,光交換的應用主要有光分組交換、自動保護倒換（APS）、網絡監控、光纖器件的現場測試和光纖傳感等。

２光交換技術

　　（1）光電交換

　　光電交換的原理是利用光電晶體材料（如鋰鈮和鋇鈦）的波導組成輸入輸出端之間的波導通路。兩條通路之間構成Mach-Zehnder干涉結構，其相位差由施加在通路上的電壓控制。當通路上的驅動電壓改變兩通路上的相位差時，利用干涉效應就可以將信號送到目的輸出端。

　　這種結構可以實現1×2和2×2的交換配置，特點是交換速度較快（達到ns級），但是它的介入損耗、極化損耗和串音較嚴重，對電漂移較敏感，通常需要較高的工作電壓。

　　（2）光機械交換

　　光機械交換是通過移動光纖終端或棱鏡將光線引導或反射到輸出光纖，原理十分簡單，成本也較低，但只能實現ms級的交換速度。

　　（3）熱光交換

熱光交換采用可調節熱量的聚合體波導，由分布于聚合堆中的薄膜加熱元素控制。當電流通過加熱器時，改變了波導分支區域內的熱量分布，從而改變折射率，這樣就可將光耦合從主波導引導至目的分支波導。這種光交換的速度可達μs級，實現體積也非常小，但介入損耗較高，串音嚴重，消光率較差，耗電量較大，并需要良好的散熱器。

　　（4）液晶光交換

　　這種光交換通過液晶片、極化光束分離器（PBS）或光束調相器來實現。液晶片的作用是旋轉入射光的極化角。當電極上沒有電壓時，經過液晶片光線的極化角為90°,當電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持其極化狀態不變。PBS或光束調相器起路由器作用，將信號引導至目的端口。對極化敏感或不敏感的矩陣交換機都能利用此技術。

　　這種技術可以構造多通路交換機，缺點是損耗大，熱漂移量大，串音嚴重，驅動電路也較昂貴。

　　（５）聲光交換

　　它是在光介質中加入橫向聲波，從而將光線從一根光纖準確地引導至另一根光纖。

　　聲光交換可以達到μs級交換速度，可用于構建端口數較少的交換機。用這種技術制成的交換機的衰耗隨波長變化較大，驅動電路也較昂貴。

　　（6）采用微電子機械技術（MEM）的光交換

　　這種光交換的結構實質上是一個二維易鏡片陣，當進行光交換時，通過移動光纖末端或改變鏡片角度，把光直接送到或反射到交換機的不同輸出端。采用微電子機械系統技術可以在極小的晶片上排列大規模機械矩陣，其響應速度和可靠性大大提高。

　　這種光交換實現起來比較容易，插入損耗低，串音低，消光比好，偏振和基于波長的損耗也非常低，對不同環境的適應能力良好，功率和控制電壓較低，并具有閉鎖功能，缺點是交換速度只能達到ms級。

３光交換機的結構

　　光交換機是完成光交換的功能部件,一般由輸入/輸出端口、交換矩陣、控制和存儲等部分組成。光交換機的結構分單級結構和多級結構兩類。

　　單級結構又包括總線、環、交叉和共享內存結構。在總線結構中，所有端口共享一根通用總線，工作速度是鏈路速度的N倍（N是端口數）。環形結構中，每個端口通過一個接口共享環路帶寬，輸入端口將信元送到環上，采用適當的環競爭策略（如令牌技術）控制接入。交叉結構一次可同時傳送多個信元，每路信元的速率比總線或環形結構的速率低，當交叉矩陣的（X,Y）交叉點閉合時，信元就從X輸入端輸到Y輸出端。共享存儲結構通過共享輸入輸出端口的緩沖器,減少對總存儲空間的需求，總存儲器的容量只決定于最壞情況下的全部容量需求。共享存儲結構一般需要兩個交叉矩陣：一個位于輸入端口與總存儲器之間，一個位于總存儲器與輸出端口之間。

　　多級交換結構由多個交換單元互連而成，每個交換單元具有一整套輸入輸出，這就為交換機的擴展打下了基礎。目前的多級交換結構有Benes、Clos和三維環繞格形結構（3DTM）3種。Benes網使用方形交換單元進行多級互連，一般3級N部Benes網的每一級均可用N個輸入/輸出端口和N個交換單元構造，這種結構在每個輸入端和輸出端之間形成N個可能的通路。Clos網采用非方形交換單元構造，交換單元的互連方式與Benes網相同。3DTM網由大小固定的交換單元互連而成，每個交換單元被連成一個三維環繞的格形網，通過單向或雙向鏈路與它的6個相鄰節點連接，并具有一個雙向外部鏈路。

４光交換技術在全光網中的應用

　　（1）ip包的全光標記交換

　　IP包由源節點發出，經過核心光網絡傳送和交換標記后,到達目的節點。在核心光網絡的接入處，邊緣路由器通過添加副載波復用（SCM）標記且對原IP包的包頭和載荷不作任何改動而對IP包重新包封；在核心光網絡內部,全光核心路由器通過波長轉換和SCM標記交換,對新的IP包進行選路和傳遞操作；當IP包離開核心光網絡時，邊緣路由器移去其SCM標記,并進行一次波長轉換。

　　 IP包標記交換具有低延遲低開銷的特點，它簡化了IP包的傳送，使數據速率可達到Tb / s級。另外，IP包標記交換避免了路由查詢，減少了通過IP層的包數量，并可支持其它協議。

　　（2）突發數據交換

　　這是一種光的分組交換。這種網絡結構包含兩種光分組：路由信息的控制分組和承載業務的數據分組。控制分組中的控制信息要通過路由器的電子處理，數據分組則無須進行光電/電光轉換和電子路由器的轉發，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸。控制分組在WDM傳輸鏈路中的某一特定信道中傳送，每個突發的數據分組對應于一個控制分組，控制分組先于數據分組傳送，通過“數據報”或“虛電路”路由模式指定路由器分配空閑信道，實現數據信道的帶寬資源動態分配。數據信道與控制信道的隔離簡化了突發數據交換的處理，而且控制分組長度十分短，因此可以實現高速處理。

　　（3）自動保護倒換（APS）

　　目前大多數光纖網絡都有兩條以上的光纖路由與關鍵節點相連。當光纖斷裂或轉發器發生故障時，通過光交換，光信號能方便地避開出故障的光纖或轉發器，重新選擇到達目的地的有效路由，從而完成自動恢復。

　　（4）網絡監控

　　在光傳送網中，可以通過光交換讓用戶取出信號或插入一個網絡分析儀來進行實時監控,不干擾網絡數據的傳輸。通過光交換機將多條光纖連接到一個光時域反射計，可以實現對光纖鏈路的監控，準確地對光纖鏈路上的故障進行定位。

　　（5）光纖器件的現場測試

　　通過多通道的光交換，可以對光纖器件進行在線測試。通過監視每一個對應于測試參數的交換通道，可以不間斷地測試多個部件。

　　光交換技術還廣泛用于光纖傳感器網絡中。

５結束語

　　90年代以來，光交換設備的研制已成為通信領域的熱點之一。美國、日本和歐洲的一些著名公司正致力于這方面的研究。法國阿爾卡特研究中心在1000km無色散位移光纖上用WDM傳送方式對無代價的OXC級聯進行了實驗，速率為2.5Gb / s,實驗中采用3個4×4的8信道OXC設備；美國世界通信公司已建成第一條OXC運行網絡，該網絡由美國3家公司聯合進行現場實驗，此OXC網絡為多模系統，可接收72個收/發往返信號，提供100ms的交換，插入損耗小于2.5dB。

　　隨著光交換技術的不斷進步，未來的WDM全光網處理的數據速率必將越來越高，支持的業務越來越多，成為社會發展和人民生活不可缺少的一部分。

　　　　　　　　　　　　　摘自《電信快報》

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