光纤通信 第5章

第5章光交换技术凌云[e-mail]宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室科B楼221本章内容：5.1光交换概述5.2光交换器件及设备5.3光突发交换5.4光分组交换5.1光交换概述1光交换技术产生的背景2光波长路由交换技术（OCS）3光分组交换技术（OPS）4突发交换技术（OBS）5光交换技术比较1光交换技术产生的背景OElectricalCrossbarSwitchQueue1QueueNEOESchedulerOEOELocalTrafficCPURoutingTableRAM传统的电交换机结构Fiber/wavelengthFiber/wavelength电交换估算：一个波长40Gb/s，每根光纤50个波长，每个交换机20个端口。总容量要求：40Gb/s×50×20=40Tbit/s.1光交换技术产生的背景传统的电交换存在的问题：1）电子处理速率无法跟上光信号的传输速率，导致电子瓶颈；2）经过许多的串并和并串转换，规模大，系统复杂；3）大量光电和电光转换器件，成本高，能耗高。解决办法：将交换从电域移到光域实现；实现光传输和光交换的无缝结合。现有的光交换类型：1）光线路交换：OpticalCircuitSwitching(OCS)，实质上是光波长交换。2）光分组交换：OpticalPacketSwitching(OPS)。3）光突发交换：OpticalBurstSwitching(OBS)。1光交换技术产生的背景5.1光交换概述1光交换技术产生的背景2光线路交换技术（OCS）3光分组交换技术（OPS）4突发交换技术（OBS）5光交换技术比较2光线路交换技术（OCS）12OXC3光线路交换：1）在网络节点之间建立波长通道——波长分配；2）交换节点实现波长路由功能——波长交换。1232光线路交换技术（OCS）OCS的网络设计思想：将原本在SDH/SONET层完成的某些功能（如业务适配等）移到光网络层上来完成。SDH中的两个重要网络元素：DXC，ADM；OCS交换网中的两个元素：OXC，OADM。2光线路交换技术（OCS）DXC123O/EE/OE/O1特点：1）光电转换；2）实时解析每帧，实现交叉输出。3）时分复用SDH中的交叉连接11OXC123122光线路交换技术（OCS）OCS中的交叉连接特点：1）无光电转换；2）不需要实时解析每帧，根据波长选择路由；3）波分复用。2光线路交换技术（OCS）同理：SDH中的ADM特点：1）光电转换；2）解析帧；3）TDM。OCS中OADM特点：1）无光电转换；2）不解析帧；3）WDM区别：SDH：某一输入端口中一个波长信号中的帧可以输出到不同的端口；OXC：某一输入端口中一个波长信号中的所有帧都将输出到同一个输出端口。2光线路交换技术（OCS）OCS通过不同的波长建立节点之间的连接，波长是一个宝贵的资源。问题：对于100个波长能够建立多少个节点之间的全连接？如何来提高波长利用率呢？12OXC312312OXC312方案1：方案2：虚波长122光线路交换技术（OCS）MPLS：Multi-ProtocolLabelSwitching（多协议标签交换）L1L2L2L1MPλS：Multi-ProtocolLabelSwitching（多协议波长交换）λ1λ2λ1λ2GMPLS：GeneralMulti-ProtocolLabelSwitching（通用多协议标签交换）2光线路交换技术（OCS）OXC12312OCS存在的问题：1）波长粒度粗→不适合突发数据的传输；2）波长数目有限→不适应大规模网络的需求。5.1光交换概述1光交换技术产生的背景2光线路交换技术（OCS）3光分组交换技术（OPS）4光突发交换技术（OBS）5光交换技术比较同步控制交换控制头重写交换矩阵输入接口（输入同步级）输出（再生）接口（输出同步级）3光分组交换技术（OPS）光分组交换系统：3光分组交换技术（OPS）光分组交换原理：模仿电域交换的处理过程，将电处理通过光处理来实现。电域光域RAM缓存光纤包头识别分组头识别Crossbar光交换矩阵调度调度标签更新光标签更新最大的特点：从源节点到目的节点，净荷信号始终在光域存在。3光分组交换技术（OPS）光分组交换是最理想的一种光交换形式。光交换的实现存在着许多的技术难题，是研究领域的前沿问题和难点问题。最大的瓶颈是：1）光逻辑器件；2）光随机存储器。3光分组交换技术（OPS）现有光分组交换的主要实现形式：1）分组头（低速）光电转换后，用电进行处理；2）净荷（高速）全光透明传输。仍是一种电控光交换形式，还不是全光交换。OPS的优点：1）线速交换，交换速度快；2）交换粒度小，统计复用率高，适合突发业务。OPS存在的问题：分组乱序到达。5.1光交换概述1光交换技术产生的背景2光线路交换技术（OCS）3光分组交换技术（OPS）4光突发交换技术（OBS）5光交换技术比较4光突发交换技术（OBS）用户B控制分组控制波长信道偏置时间突发数据2突发数据1数据波长信道用户A光交换机12光-电-光突发数据2突发数据112用户C交换配置预留带宽用户D光突发交换原理：4光突发交换技术（OBS）光突发交换思想：1）粒度上：突发包，介于光波长粒度和光分组粒度之间；2）技术上：光的传输（净荷），电的处理（控制分组）。3）实现上：偏置时间和调度。5.1光交换概述1光交换技术产生的背景2光线路交换技术（OCS）3光分组交换技术（OPS）4光突发交换技术（OBS）5光交换技术比较5光交换技术比较光交换模式交换粒度带宽利用率网络灵活性适应性实现难度和复杂性电路交换（波长路由）粗糙低低低光分组交换好高高高、还不成熟光突发交换中等较高中中等几种光交换的比较发展趋势：OCSOPSOBS本章内容：5.1光交换概述5.2光交换器件及设备5.3光突发交换5.4光分组交换5.2光交换器件及设备1光开关技术2波长变换技术3光分插复用器4光交叉连接1光开关技术光开关光开关的概念：（1）OFFON（2）光开关switch损耗越来越大波导光开关自由空间光开关速度越来越快电光开关热光开关电子机械光开关可动波导光束折射电介质液晶半导体SiO2聚合物交叉波导反射镜棱镜……微电子机械系统LiNbO3InPSOA●毛细管●“气泡”各种光开关技术分类与比较：1光开关技术1光开关技术评价光开关的主要指标：1）损耗；2）隔离度；3）消光比；4）偏振敏感性；5）开关时间；6）开关规模；7）开关尺寸。1光开关技术几种典型的光开关：（1）电光开关电极电极V—V铌酸锂波导（1）电光开关1光开关技术工作原理：电光效应特点：1）损耗小；2）隔离度高；3）消光比大；4）偏振相关；5）开关时间快（ns量级）；6）开关规模（易于级联，实现大端口数）；7）开关尺寸（易于集成）。1光开关技术（2）声光开关换能器V1级衍射光衍射角可以通过声波频率进行调节。1光开关技术（2）声光开关工作原理：声光效应，产生光衍射。特点：1）损耗大；2）隔离度中；3）消光比中；4）偏振相关；5）开关时间快（微秒量级）；6）开关规模小；7）开关尺寸大。1光开关技术（3）热光开关光输入加热膜输出端口1输出端口21×2（Y型）：2×2（MZI型）：光输入3dB方向耦合器输出口输出口薄膜相位转换器（薄膜加热器）1光开关技术（3）热光开关工作原理：热光效应，加热产生折射率变化。特点：1）损耗小；2）隔离度高；3）消光比高；4）偏振相关（波导）；5）开关时间慢；6）开关规模大（可级联）；7）开关尺寸小（易集成）。1光开关技术（4）微电子机械光开关（MEMS）微机械镜开关分光束器45输出光纤光检测器Si衬底输入光纤输入/输出光纤成像透镜反射镜MEMS2-轴倾斜的微镜阵列（MEMS：micro-electromechanicalsystems）大小：几百微米1光开关技术（4）微电子机械光开关（MEMS）工作原理：微机械控制，反射镜旋转。特点：1）损耗大；2）隔离度高；3）消光比高；4）偏振无关；5）开关时间慢；6）开关规模大（增大微镜数量）；7）开关尺寸中。1光开关技术（5）液晶光开关电极V关键点：（1）不加电压，偏振旋转90度；（2）加电压，偏振不旋转。液晶优点：光电系数为铌酸锂几百万倍。工作原理：电光效应，偏振旋转。特点：1）损耗小；2）隔离度高；3）消光比高；4）偏振相关；5）开关时间慢（ms量级）；6）开关规模中；7）开关尺寸中。1光开关技术（5）液晶光开关1光开关技术（6）气泡光开关无气泡匹配液加热气泡工作原理：加热产生气泡，全反射。5.2光交换器件及设备1光开关技术2波长变换技术3光分插复用器4光交叉连接2波长变换技术节点3节点2节点1节点3节点2节点112122211（a）没有波长变换器的情形（b）有波长变换器的情形无波长变换：波长连续性约束波长变换：无波长连续性约束2波长变换技术波长变换技术分类（1）O/E/O波长变换：PINLD光信号电信号再生12光信号（2）全光波长变换（AOWC）：光信号1全光波长变换器2光信号2波长变换技术以半导体光放大器为基础的全光波长变换器1）交叉增益调制（XGM-SOA）；2）交叉相位调制（XPM-SOA）；3）四波混频效应（FWM-SOA）；全光波长变换器的实现方法：1）基于半导体光放大器（SOA）；2）基于光纤；2波长变换技术1）交叉增益调制（XGM-SOA）；SOA12增益饱和效应特点：1）变换后的信号反转；2）消光比不高。2波长变换技术2）交叉相位调制（XPM-SOA）；SOASOA光滤波器Ph=0Ph=π无信号输出信号光探测光特点：1）变换后的信号可相同或反转；2）光功率要求严格。2波长变换技术3）四波混频（FWM-SOA）；SOA12123特点：1）信号同向；2）转换效率低。2波长变换技术以光纤为基础的全光波长变换器——交叉相位调制（XPM）；WDM耦合器2泵浦脉冲探测信号滤波器变换信号341︰11耦合器125.2光交换器件及设备1光开关技术2波长变换技术3光分插复用器4光交叉连接3光分插复用器OADMOADM的功能：21n21m21m2m1mn上路下路3光分插复用器OADM的分类：OADM21n21m21m2m1mn（1）固定的；（2）可重构的。3光分插复用器可重构的光分插复用器（ROADM）。（1）波长选择型（wavelengthselective,WS）。问题：请问这是一个？×？的光交换矩阵？可重构的光分插复用器（ROADM）。3光分插复用器（2）广播选择型（broadcastselective,BS）。光分路器、光耦合器5.2光交换器件及设备1光开关技术2波长变换技术3光分插复用器4光交叉连接器4光交叉连接器光交叉连接（OpticalCross-Connect,OXC）。分类：（1）静态固定配置；（2）动态可重构。12OXC31234光交叉连接器（1）静态固定配置：请问这种OXC如何实现？4光交叉连接器12OXC312虚波长12（1）静态固定配置：请问这种OXC如何实现？4光交叉连接器（2）动态可重构配置OXC：因此动态可重构的OXC，即光交换矩阵。4光交叉连接器（2）动态可重构配置OXC（光交换矩阵）的实现方法12345678910111213141516入口12345678910111213141516出口Banyan结构4光交叉连接器WDWM12n01………n101…n1……21n(a)M……21WD12w…12w…12w…(c)WMM21空分交换12w…12w…12w…12MWD(b)固定交换12w…12w…12w…12w…12w…12w…WD12M…………12……M(d)空分交换12……M12w…12w…12w…12w…12w…12