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光交换技术及其应用
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摘 要：介绍了光标记交换技术及其优点，针对目前提出的几种光交换的方法，指出了其各自的优缺点。
关键词：光交换 光标记 光标记交换
随着通信网传输容量的增加，光纤通信技术也发展到了一个新的高度。发展迅速的各种新业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。光纤的巨大频带资源和优异的传输性能，使它成为高速大容量传输地理想媒质。随着WDM技术地成熟，单根光纤的传输容量甚至可以达到Tb/s的速度。由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，尤其是在全光网中，交换系统所需处理的信息甚至可达到几百至上千Tb/s。运用光子技术实现光 交换已成为迫切需要解决的问题。
光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无需经过光电/电光转换，因此不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换单元的吞吐量。目前，光交换的控制部分主要通过电信号来完成，随着光子技术的发展，未来的光交换必将演变成为光控光交换。
1 全光网结构及其技术
光网络的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路和宽带网络用户接口与局域网（LAN）相连。电网络层的ADM为分插复用器，它把高速STM-N光信号直接分解成各种PSH支路信号，或作为STM-1信号的复用器。DX可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接。
光网络层的拓扑结构可以是环形、星型和网型等；交换方式可采用空分、时分或波分光交换。目前国际上实验的全光网更注重于波分光交换的应用。如典型的MONET是有8个节点和8个波长的WDM环形网，它采用2．5Gbit/s和10Gbit/s的码率，系统的最大容量为80Gbit/s。
要在全光网中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术：
（1）光交叉连接（OXC）：OXC是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，即使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络重新配置等操作，具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。OXC除了提供光路由选择外，还允许光信号插入或分离出电网络层，类似SDH中的DXC。
（2）光分插复用（OADM）：OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路由信号或上 路由信号，或仅仅通过某个波长信号，但不影响其它波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完成的功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。提高网络的运行效率及可靠性，降低节点成本，是组建全光网必不可少的关键性设备。
（3）掺饵光纤放大器（EDFA）：在光纤通信中采用WDM技术能实现超大容量、超高速的 光传输。而EDFA的商用可以使全光中继成为现实。EDFA是80年代末发展起来的一种新型 光纤放大器，具有增益特性与偏振无关、数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1530～1575mm的光信号同时放大，在1550mm波段，EDFA的放大增益可达30～40dB。它结 构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信、以及用于研究非线性现象等。是目前光放大技术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。
2 光交换技术
光电交换：原理是利用光电晶体材料（如锂铌和钡钛）的波导组成输入输出端之间的波导通路。两条通路之间构成Mach-Zehnder干涉结构，其相位差由施加在通路上的电压控制。当通路上的驱动电压改变两通路上的相位差时，利用干涉效应将信号送到目的输出端。这种结构可以实现1×2和2×2的交换配置，特点是交换速度较快（达到ns级），但它的介入损耗、极化损耗和串音较严重，对电漂移较敏感，通常需要较高的工作电压。
光机械交换：通过移动光纤终端或棱镜将光线引导或反射到输出光纤，原理十分简单，成本也较低，但只能实现ms级的交换速度。
热光交换：采用可调节热量的聚合体波导，由分布于聚合堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，改变了波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，这样可以将光耦合从主波导引导至目的分支波导。这种光交换的速度可达μs级，实现体积也非常小，但介入损耗较高、串音严重、消光率较差、耗电量较大、并需要良好的散热器。
液晶光交换：这种光交换通过液晶片、极化光束分离器（PBS）或光束调相器来实现。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片光线的极化角90°，当电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持其极化状态不变。PBS或光束调相器起路由器作用，将信号引导至目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用此技术。该技术可以构造多通路交换机，缺点是损耗大、热漂移量大、串音严重、驱动电路也较昂贵。
声光交换：它是在光介质中加入横向声波，将光线从一根光纤准确地引导至另一根光纤。声光交换可以达到弘s级交换速度，可用于构建端口数较少的交换机。用这种技术制成的交换机的损耗随波长变化较大，驱动电路也较昂贵。
采用微电子机械技术（MEM）的光交换：这种光交换的结构实质上是一个二维易镜片阵 ，当进行光交换时，通过移动光纤末端或改变镜片角度，把光直接送到或反射到交换机 地不同输出端。采用微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速度和可靠性大大提高。这种光交换实现起来比较容易，插入损耗低、串音低、消光好、偏振和基于被长的损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能；缺点是交换速度只能达到ms级。
光标记交换技术：是指利用各种方法在光包上打上标记，即把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上，这样在光交换节点上根据光标记来实现全光交换。基于这种原理实现的光交换称为光标记交换OLS（optical label switch）。
光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术。光标记信号一般是Mbit/s量级的低速率信号，而光包的传输速率都在Gbit/s量级上，将低速的标记信号加在高速的光包信号上，可以根据不同的机制采用不同的方法。光调制有三种方式：调幅、调频和调相，目前光标记的产生大多数也是从这三方面入手，光标记的提取本质上是把光标记从复用信号中分离出来。基于调幅产生的光标记大多用半导体光放大器（SOA）、普通光纤和半导体激光放大器的非线性效应的交叉相位调制、交叉增益调制和四波混频（FWM）等原理来提出光标记；基于调频产生的光标记一般采用载波解复用方法；基于调相产生的光标记方法可以利用光的干涉原理来提取光标记信号。
3 光交换技术在全光网络中的应用
IP包的全光标记交换：IP包由源节点发出，经过核心光网络传送和交换标记后，到达目的节点。在核心光网络的接入处，边缘路由器通过添加副载波复用（SCM）标记且对IP 包重新包封；在核心光网络内部，全光核心路由器通过波，长转换和SCM标记交换，对新的IP包进行选路和传递；当IP包离开核心光网络时，边缘路由器移去其SCM标记，并进行一次波长转换。IP包标记交换具有低延迟低开销的特点，简化了IP包的传送，使数据速率可达到Tb/s级。另外，IP包标记交换避免了路由查询，减少了通过IP层的包数量，并支持其它协议。
突发数据交换是一种光的分组交换。这种网络结构包含两种光分组：路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组中的控制信息要通过路由器的电子处理，数据分组则无须进行光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分组在WDM传输链路中的某一特定信道中传送，每个突发的数据分组对应一个控制分组，控制分组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路由模式指定路由 器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，而且控制分组长度十分短，因此可以实现高速处理。
自动保护倒换（APS）：目前大多数光纤网络都有两条以上的光纤路由与关键节点相连。当光纤断裂或转发器发生故障时，通过光交换，光信号能方便地避开故障地光纤或转发器，重新选择到达目的地的有效路由，从而完成自动恢复。
网络监控：在光传送网中，可以通过光交换让用户取出信号或插入一个网络分析仪来进行实时监控，不干扰网络数据的传输。通过光交换机将多条光纤连接到一个光时域反射计，实现对光纤链路的监控，准确地对光纤链路上的故障进行定位。光纤器件的现场测试：通过多通道的光交换，对光纤器件进行在线测试。通过监视每一个对应测试参数的交换通道，可以不间断地测试多个部件。光交换技术还广泛用于光纤传感器网络中。 作者：田 胜 李 丹 重庆邮电学院 来源：中国电信网
关键词：光交换 光标记 光标记交换
随着通信网传输容量的增加，光纤通信技术也发展到了一个新的高度。发展迅速的各种新业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。光纤的巨大频带资源和优异的传输性能，使它成为高速大容量传输地理想媒质。随着WDM技术地成熟，单根光纤的传输容量甚至可以达到Tb/s的速度。由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，尤其是在全光网中，交换系统所需处理的信息甚至可达到几百至上千Tb/s。运用光子技术实现光 交换已成为迫切需要解决的问题。
光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无需经过光电/电光转换，因此不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换单元的吞吐量。目前，光交换的控制部分主要通过电信号来完成，随着光子技术的发展，未来的光交换必将演变成为光控光交换。
1 全光网结构及其技术
光网络的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路和宽带网络用户接口与局域网（LAN）相连。电网络层的ADM为分插复用器，它把高速STM-N光信号直接分解成各种PSH支路信号，或作为STM-1信号的复用器。DX可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接。
光网络层的拓扑结构可以是环形、星型和网型等；交换方式可采用空分、时分或波分光交换。目前国际上实验的全光网更注重于波分光交换的应用。如典型的MONET是有8个节点和8个波长的WDM环形网，它采用2．5Gbit/s和10Gbit/s的码率，系统的最大容量为80Gbit/s。
要在全光网中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术：
（1）光交叉连接（OXC）：OXC是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，即使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络重新配置等操作，具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。OXC除了提供光路由选择外，还允许光信号插入或分离出电网络层，类似SDH中的DXC。
（2）光分插复用（OADM）：OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路由信号或上 路由信号，或仅仅通过某个波长信号，但不影响其它波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完成的功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。提高网络的运行效率及可靠性，降低节点成本，是组建全光网必不可少的关键性设备。
（3）掺饵光纤放大器（EDFA）：在光纤通信中采用WDM技术能实现超大容量、超高速的 光传输。而EDFA的商用可以使全光中继成为现实。EDFA是80年代末发展起来的一种新型 光纤放大器，具有增益特性与偏振无关、数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1530～1575mm的光信号同时放大，在1550mm波段，EDFA的放大增益可达30～40dB。它结 构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信、以及用于研究非线性现象等。是目前光放大技术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。
2 光交换技术
光电交换：原理是利用光电晶体材料（如锂铌和钡钛）的波导组成输入输出端之间的波导通路。两条通路之间构成Mach-Zehnder干涉结构，其相位差由施加在通路上的电压控制。当通路上的驱动电压改变两通路上的相位差时，利用干涉效应将信号送到目的输出端。这种结构可以实现1×2和2×2的交换配置，特点是交换速度较快（达到ns级），但它的介入损耗、极化损耗和串音较严重，对电漂移较敏感，通常需要较高的工作电压。
光机械交换：通过移动光纤终端或棱镜将光线引导或反射到输出光纤，原理十分简单，成本也较低，但只能实现ms级的交换速度。
热光交换：采用可调节热量的聚合体波导，由分布于聚合堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，改变了波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，这样可以将光耦合从主波导引导至目的分支波导。这种光交换的速度可达μs级，实现体积也非常小，但介入损耗较高、串音严重、消光率较差、耗电量较大、并需要良好的散热器。
液晶光交换：这种光交换通过液晶片、极化光束分离器（PBS）或光束调相器来实现。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片光线的极化角90°，当电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持其极化状态不变。PBS或光束调相器起路由器作用，将信号引导至目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用此技术。该技术可以构造多通路交换机，缺点是损耗大、热漂移量大、串音严重、驱动电路也较昂贵。
声光交换：它是在光介质中加入横向声波，将光线从一根光纤准确地引导至另一根光纤。声光交换可以达到弘s级交换速度，可用于构建端口数较少的交换机。用这种技术制成的交换机的损耗随波长变化较大，驱动电路也较昂贵。
采用微电子机械技术（MEM）的光交换：这种光交换的结构实质上是一个二维易镜片阵 ，当进行光交换时，通过移动光纤末端或改变镜片角度，把光直接送到或反射到交换机 地不同输出端。采用微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速度和可靠性大大提高。这种光交换实现起来比较容易，插入损耗低、串音低、消光好、偏振和基于被长的损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能；缺点是交换速度只能达到ms级。
光标记交换技术：是指利用各种方法在光包上打上标记，即把光包的包头地址信号用各种方法打在光包上，这样在光交换节点上根据光标记来实现全光交换。基于这种原理实现的光交换称为光标记交换OLS（optical label switch）。
光标记的产生和提取是光标记交换的核心技术。光标记信号一般是Mbit/s量级的低速率信号，而光包的传输速率都在Gbit/s量级上，将低速的标记信号加在高速的光包信号上，可以根据不同的机制采用不同的方法。光调制有三种方式：调幅、调频和调相，目前光标记的产生大多数也是从这三方面入手，光标记的提取本质上是把光标记从复用信号中分离出来。基于调幅产生的光标记大多用半导体光放大器（SOA）、普通光纤和半导体激光放大器的非线性效应的交叉相位调制、交叉增益调制和四波混频（FWM）等原理来提出光标记；基于调频产生的光标记一般采用载波解复用方法；基于调相产生的光标记方法可以利用光的干涉原理来提取光标记信号。
3 光交换技术在全光网络中的应用
IP包的全光标记交换：IP包由源节点发出，经过核心光网络传送和交换标记后，到达目的节点。在核心光网络的接入处，边缘路由器通过添加副载波复用（SCM）标记且对IP 包重新包封；在核心光网络内部，全光核心路由器通过波，长转换和SCM标记交换，对新的IP包进行选路和传递；当IP包离开核心光网络时，边缘路由器移去其SCM标记，并进行一次波长转换。IP包标记交换具有低延迟低开销的特点，简化了IP包的传送，使数据速率可达到Tb/s级。另外，IP包标记交换避免了路由查询，减少了通过IP层的包数量，并支持其它协议。
突发数据交换是一种光的分组交换。这种网络结构包含两种光分组：路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组中的控制信息要通过路由器的电子处理，数据分组则无须进行光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分组在WDM传输链路中的某一特定信道中传送，每个突发的数据分组对应一个控制分组，控制分组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路由模式指定路由 器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，而且控制分组长度十分短，因此可以实现高速处理。
自动保护倒换（APS）：目前大多数光纤网络都有两条以上的光纤路由与关键节点相连。当光纤断裂或转发器发生故障时，通过光交换，光信号能方便地避开故障地光纤或转发器，重新选择到达目的地的有效路由，从而完成自动恢复。
网络监控：在光传送网中，可以通过光交换让用户取出信号或插入一个网络分析仪来进行实时监控，不干扰网络数据的传输。通过光交换机将多条光纤连接到一个光时域反射计，实现对光纤链路的监控，准确地对光纤链路上的故障进行定位。光纤器件的现场测试：通过多通道的光交换，对光纤器件进行在线测试。通过监视每一个对应测试参数的交换通道，可以不间断地测试多个部件。光交换技术还广泛用于光纤传感器网络中。 作者：田 胜 李 丹 重庆邮电学院 来源：中国电信网
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