第3章全光通信网-光交换技术.

第三章光交换技术3.1概述一、光交换的发展•光交换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。光交换也是一种光纤通信技术，是全光网络AON的核心技术之一。问题的提出:光纤传输系统容量的快速增长带来的是对交换节点发展的压力和动力。通信网中交换系统的规模越来越大，运行速率越来越高，未来的大型交换系统将需要处理总量达几百Tbit/s的信息。但是目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近了极限。为了解决节点电子瓶颈限制问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技术，实现光交换。二、光交换优点•光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在，消除了节点处的电子瓶颈，不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制。•光交换的比特率和调制方式透明，可大大提高交换单元的吞吐量，充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应等优点。•光交换与高速的光纤传输速率匹配，可以实现网络的高速率。•光交换可以保证网络的稳定性，提供灵活的信息路由手段。光交换控制可以分为两种1.电控光交换在光域内交换，但控制还必须在电域内完成2.全光交换由光控制的光交换。由于光逻辑器件的功能还很简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此目前的光交换单元还都要由电信号来控制，即电控光交换。三.光交换类型光信号的分割复用方式有三种：相应就有三种光交换:空分、时分、波分，分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。这三种分割复用方式的特点各自不同，其相应交换单元的实现方案和难易程度也不同。若光信号同时采用两种或三种分割复用方式，则需要相应的复合光交换。3.2空分光交换空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间上发生改变。空分光交换是将光信号在空间域上进行交换，例如，将数根光纤中承载的信号通过光开关进行交换，或将不同波长信道中的信号在空间域上进行交换。空分光交换的核心器件是光开关，其基本原理是用光开关组成门阵列开关，通过控制开关矩阵的状态使输入端的任一信道与输出端的任一信道接通或断开。空分光交换基本单元（b）连接方式输入输入输出输出输入1234输出（a）1×2光开关平行连接交叉连接123421432×2光交换单元；(b)平行连接和交叉连接较大型的空分光交换单元可以由基本的2×2光开关以及相应的1×2光开关级联、组合构成。构成的方式按网络结构可以分成许多种，常见的有:纵横式(crossbar)网络、双纵横式(double-crossbar)网络Banyan树拓扑、Benes网络、扩张的Banyan或Benes网络等。在构建绝对无阻塞的大型光开关矩阵时，减小串扰、降低损耗、实现低成本是需要研究的问题。inAoutAinBoutB12345678123456781234567812345678a)crossbar结构b)Banyan树拓扑c)纵向重复扩张Banyan网络8×8网络;无阻塞网络N×N3.3时分光交换•时分光交换与程控交换中的时分交换系统概念相同，也是以时分复用为基础，用时隙交换原理实现光交换功能。它采用光存储器实现，把光时分复用信号按一种顺序写入光存储器，然后再按另一种顺序读出来，以便完成时隙交换。光时分复用和电时分复用类似，也是把一条复用信道划分成若干个时隙，每个基带数据光脉冲流占用一个时隙，N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输。•目前光存储器主要是使用光纤延迟线实现。输入光分路器1延迟12延迟24延迟43延迟3光合路器12343412输出3.4波分光交换波分光交换可以采用波长选择或波长转换两种方法来实现交换功能。一.波分光交换原理将波分复用信号中任一波长λi变换成另一波长λj。波分光交换需要有波长变换器(wavelengthconvertor,WC).一般先用波分解复用器件将波分信道空间分割开，然后对每一波长信道分别进行波长变换，再把它们复用起来输出，从而实现波分交换。WCWC波分解复用器耦合器/波分复用器WCλ1…λNλ1…λNλ1λiλN...波长变换器λjλkλ2λ1λ2λiλjλN二.波长变换器波长变换器是实现波分交换的关键器件。波长变换器有多种实现方案，目前较成熟的有下列几种：1.O/E/O方案光信号首先被转换为电信号，再用电信号来调制新的光源。新光源最好是波长可调谐激光器，可以将输入波长变换到需要的各种波长上。这种方案技术最为成熟，容易实现，且光电变换后还可进行整形、定时、放大处理。但是由于其间经过了光电、电光变换，它的带宽受检测器和调制器的限制，而且破坏了光网络的透明性。光电光型波长变换器原理结构λ输入λ转换可调谐激光器PIN探测器电子放大和再生外调制器O/E/O型波长变换器有许多优点，但在未来高速的WDM网络中它却有着不可克服的缺点:1.对信号不透明对于调频、调相和模拟信号均不能实现波长变换。对于数字信号也只是在一定的速率范围内是透明的。因为光电变换器的带宽应包括所有可能的信号速率，而RF的增益和带宽等特性参量不可能在所有的信号速率下均达到最佳值，通常最佳的工作点是根据最高的速率确定的，在较低的速率下它就将偏离最佳值。2.噪声特性光电型波长变换器中的RF放大器可以提高变换效率，但由于它也引入噪声，会使变换信号的信噪比变小。信号经过放大器前后的信噪比之比称为噪声指数。许多波长变换器均有电的或光的放大器，其噪声指数各不相同。用980nm光源泵浦的EDFA的噪声指数可达3.1dB.而宽带的RF放大器和半导体光放大器的噪声指数在7~9dB之间。若用一个噪声指数为4~5dB的EDFA和一个无附加噪声的全光波长变换器来共同完成对信号的变换和放大，无论是信噪比，还是变换效率都要比光电型波长变换器好。3.是功耗对2.5Gbit/s的光电型波长变换器，前端接收机、RF放大和激光器的总功耗约为2W；对变换速率为10Gbit/s的变换器，其功耗至少要翻倍。如果加入外调制器，则功耗还会增加，而绝大多数的全光波长变换器（AOWC）的功耗要远远小于它。例如，对一个基于半导体光放大器（SOA）中交叉增益调制（XGM）原理，具有10Gbit/s变换能力的AOWC，其所需的探测光的功率约为-5dBm,SOA上所加的电流约为100mA，它的功耗仅为200mW.4.是价格一个2.5Gbit/s的光电型波长变换器的价格约为9000美元，而一个偏振不敏感、变换速率可达10Gbit/s的SOA的价格约为10000美元。考虑到光电器件的技术已很成熟，市场也较大，而SOA的市场还较小，所以SOA的价格会随市场的扩大而不断降低。在价格上另外一个需要重视的因素是封装的费用。一个波长交换交叉连接WIXC（Wavelength-interchangingCross-connect)中需要多个波长变换器，若把多个AOWC封装在一起，将会大大降低每个单元的价格。但要把多个光电型波长变换器封装在一起却不是那么容易的事情，因为RF藕合将会产生串扰，对高速的电子器件需要很复杂的封装才能避免它们之间的串扰，其费用也就相应的提高了。这方面的工作也是国内外研究的一个热点。正是由于上述四点原因，光电型波长变换器在WDM网络中的应用受到了很大的限制，这也是人们积极研制和开发全光型波长变换器的部分原因。2.全光波长变换器(1)基于SOA的交叉增益调制（XGM）型半导体光放大器（SOA）具有响应速度快（＞10Gbit/s）、易于和其他半导体光电器件集成等优点，因此基于SOA的光电处理器，尤其是全光波长变换器（AOWC）受到了广泛的重视。基于SOA中XGM的AOWC原理图光泵电泵信号光λS信号光λS输出探测光λC输出增益调制连续的探测光λC电流SOASOA随着输入光功率的增加，由于受激辐射，SOA中载流子的消耗相应增加，载流子浓度下降，导致SOA增益减少，即发生增益饱和现象。此时，如果把一束波长为λc（与目标波长相同）的连续探测光注入SOA，当信号光λs处于高功率（逻辑1）时，由于SOA的增益饱和效应，探测光不能得到放大（逻辑0）；相反，当信号光处于逻辑0时，探测光被放大（逻辑1）。此即为交叉增益调制效应（XGM）。于是，强度调制信息就从信号光λs加载到了探测光λc上，实现了波长变换，只是输出信号在逻辑上与原信号反相。空分交换空分交换空分交换空分交换WDMXWMUX12N12N分波器合波器1W...1W...1W...1W...1W...1W...1W23.........波长选择法交换波长转换器空分交换12W212WNNWNW212WN12WWDMX......WMUX112W12W1波长转换法交换四、混合型光交换•常用的混合型光交换主要有：空分＋时分光交换系统；波分＋空分光交换系统；频分＋时分光交换系统；时分＋波分＋空分光交换系统。作业1、有哪些光交换技术？