光交換技術(shù)完

4/4對(duì)光交換技術(shù)的認(rèn)識(shí)摘要：在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中全光網(wǎng)絡(luò)充分利用光纖的巨大帶寬資源來(lái)滿足各種通信業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)的需要。為了克服光網(wǎng)絡(luò)中的“電子瓶頸”，具有高度生存性的全光網(wǎng)絡(luò)成為寬帶通信網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展目標(biāo)。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)重要支撐技術(shù)，它在全光網(wǎng)通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。關(guān)鍵詞：光交換技術(shù)光空分交換光時(shí)分交換光波分交換WDMSOAXGM光交換技術(shù)是指不經(jīng)過(guò)任何光電轉(zhuǎn)換，在光域上直接將輸入光信號(hào)交換到不同的輸出端。因此它不受檢測(cè)器、調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制，對(duì)比特率和調(diào)制方式透明，可以大大提高交換單元的信息吞吐量。由于信息的傳輸技術(shù)的不斷完善，光交換技術(shù)成為全光通信網(wǎng)的關(guān)鍵。根據(jù)光信號(hào)的交換對(duì)象的不同可將光交換分為空分、時(shí)分、波分三種交換方式。1.光空分交換技術(shù)空分光交換技術(shù)就是在空間域上對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交換，它的基本原理是將光交換元件組成門(mén)陣列開(kāi)關(guān)，并適當(dāng)控制門(mén)陣列開(kāi)關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一路輸出光纖之間構(gòu)成通路?？臻g光開(kāi)關(guān)是光交換中最基本的功能開(kāi)關(guān)。目前，光開(kāi)關(guān)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟?，F(xiàn)在光通信中使用的光開(kāi)關(guān)主要有機(jī)械型光開(kāi)關(guān)、熱光型光開(kāi)關(guān)、微電子機(jī)械型光開(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體光放大器門(mén)型光開(kāi)關(guān)。機(jī)械型光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較為廣泛，主要是通過(guò)移動(dòng)光纖、棱鏡、反射鏡等改變光的傳播路徑。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)插入損耗較低，對(duì)偏振和波長(zhǎng)不敏感。其缺陷在于開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為毫秒級(jí)，有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問(wèn)題。由于體積較大，不易做成大型的光開(kāi)關(guān)矩陣。熱光開(kāi)關(guān)一般采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用薄膜加熱器控制溫度，通過(guò)溫度變化引起折射率變化來(lái)改變波導(dǎo)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)動(dòng)作。例如，MZI型光開(kāi)關(guān)：即通過(guò)改變波導(dǎo)的溫度而使波長(zhǎng)的傳播相位得以改變，進(jìn)而改變波長(zhǎng)的傳播路線。若薄膜加熱器不加熱，從1’輸出的兩束光相位差為π，干涉相消，即光只從2’輸出；若調(diào)節(jié)加熱溫度使之形成π相移，那么在和輸出端口兩束光的相位關(guān)系隨之發(fā)生變化，光會(huì)從1’輸出。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）光開(kāi)關(guān)的工作原理非常簡(jiǎn)單，通過(guò)安裝在其內(nèi)部一系列的鏡面來(lái)控制光路在自由空間行進(jìn)的方向。這些鏡面可以在靜電的控制下適當(dāng)?shù)卣{(diào)整傾斜的角度，完成波長(zhǎng)的交叉連接功能。內(nèi)部的交換處理芯片中的控制軟件向芯片上的電結(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)，由該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生微弱的電磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)鏡面產(chǎn)生合適的動(dòng)作以完成配置功能?；诎雽?dǎo)體光放大器的門(mén)型光開(kāi)關(guān)，由于半導(dǎo)體光放大器在不同泵浦狀態(tài)下對(duì)入射光表現(xiàn)出的吸收或放大兩種不同的狀態(tài)，因此，SOA可以作為一種快速門(mén)型開(kāi)關(guān)應(yīng)用。當(dāng)SOA的注入電流低于閾值電流時(shí)，入射光被吸收，門(mén)開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)注入電流高于閾值電流時(shí)，入射光透明地穿過(guò)SOA，同時(shí)可以獲得增益，門(mén)開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2.光時(shí)分交換技術(shù)時(shí)分復(fù)用是通信網(wǎng)中普遍采用的一種復(fù)用方式。光時(shí)分復(fù)用和電時(shí)分復(fù)用類(lèi)似，也是把一條復(fù)用信道劃分成若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)基帶數(shù)據(jù)光脈沖流分配占用一個(gè)時(shí)隙，n個(gè)基帶信道復(fù)用成高速光數(shù)據(jù)流信號(hào)進(jìn)行傳輸。要完成時(shí)分光交換，必須有時(shí)隙交換器實(shí)現(xiàn)將輸人信號(hào)一幀中任一時(shí)隙交換到另一時(shí)隙輸出的功能。完成時(shí)隙交換必須有光緩存器，把時(shí)分復(fù)用信號(hào)按一定順序?qū)懭藘?chǔ)存器，然后按一種順序讀出來(lái)，這樣便完成了時(shí)隙交換。雙穩(wěn)態(tài)激光器可用作光緩存器，但它只能按位輸出，而且還需解決高速化和擴(kuò)大容量問(wèn)題。光纖延時(shí)線是一種比較適用于時(shí)分交換的光緩存器。光纖延時(shí)線的光時(shí)分交換的工作原理：首先把時(shí)分復(fù)用的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光分路器，使它的每條出線上同時(shí)都只有某一時(shí)隙的光信號(hào)；然后讓這些信號(hào)分別經(jīng)過(guò)不同的光延時(shí)器件，使其獲得不同的時(shí)間延遲；最后，再把這些信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)光合路器重新復(fù)合起來(lái)，就完成了時(shí)分交換。3.光波分交換技術(shù)是指光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中不經(jīng)過(guò)光／電轉(zhuǎn)換，直接將所攜帶的信息從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)波長(zhǎng)上。波分復(fù)用（WDM）是光纖通信的一個(gè)重大突破，其利用光纖的豐富頻譜資源，在光纖的低損耗窗口中復(fù)用多路光信號(hào)，大大提高了通信容量。波分復(fù)用技術(shù)在光傳輸系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。一般說(shuō)來(lái)，在光波復(fù)用系統(tǒng)中其源端和目的端都采用相同的波長(zhǎng)來(lái)傳遞信號(hào)，否則將在多路復(fù)用中，每個(gè)終端都將增加終端設(shè)備的復(fù)雜性。這樣要求在傳輸系統(tǒng)中間節(jié)點(diǎn)上要采用光波分交換，采用這樣的技術(shù)不僅滿足光波分復(fù)用終端的互通，而且還能提高傳輸系統(tǒng)的資源利用率。波分光交換所需波長(zhǎng)交換器是先用分解復(fù)用器將光波分信道空間分割開(kāi)，對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)信道分別進(jìn)行波長(zhǎng)交換，然后再把它們復(fù)用起來(lái)，經(jīng)由一條光纖輸出。密集波分復(fù)用是光纖通信中的一種趨勢(shì)，它利用光纖的寬帶特性，在1550nm波段的低損耗窗中復(fù)用多路光信號(hào)，大大提高了光纖的通信容量。半導(dǎo)體光放大器（SOA）是實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)變換的一種非常有用的器件。SOA型全光波長(zhǎng)變換常采用的物理效應(yīng)有：交叉增益調(diào)制（XGM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）等。SOA型全光波長(zhǎng)變換器也相應(yīng)的分為這三類(lèi)。利用SOA中的交叉增益調(diào)制效應(yīng)（XGM）實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換的原理是：隨著輸入光功率的增加，由于受激輻射，SOA中載流子的消耗相應(yīng)增加，載流子濃度下降，導(dǎo)致SOA增益減少，即發(fā)生增益飽和現(xiàn)象。此時(shí)，如果把一束波長(zhǎng)為λc（與目標(biāo)波長(zhǎng)相同）的連續(xù)探測(cè)光注入SOA，當(dāng)信號(hào)光處于高功率（邏輯1）時(shí)，由于SOA的增益飽和效應(yīng)，探測(cè)光不能得到放大（邏輯0）；相反，當(dāng)信號(hào)光處于邏輯0時(shí)，探測(cè)光被放大（邏輯1）。此即為交叉增益調(diào)制效應(yīng)（XGM）。于是，強(qiáng)度調(diào)制信息就從信號(hào)光λS加載到了探測(cè)光λc上，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)變換，只是輸出信號(hào)在邏輯上與原信號(hào)相反。同樣，交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）也是利用非線性效應(yīng)，達(dá)到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的目的。在調(diào)制速率上，XGM和XPM沒(méi)有明顯的差別，均受限于載流子的壽命時(shí)間，但采用XPM進(jìn)行波長(zhǎng)變換時(shí)，啁啾較小，消光比較高，變換信號(hào)的信噪比也提高。其缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴。光交換技術(shù)的發(fā)展前景雖然光時(shí)分交換和波分交換都有美好的應(yīng)用前景，但是由于目前高速光開(kāi)關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和工藝水平還難以達(dá)到實(shí)用化程度，特別是有效的、大容量的光緩存器的缺乏，使高速、頻繁的時(shí)分光交換近期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的研究雖然有了一些進(jìn)展，但也還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化階段。因此，近期光交換的發(fā)展和應(yīng)用重點(diǎn)仍是空分光交換，必要時(shí)使用“光—電—光型”波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)波分光交換。WDM技術(shù)正在廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中，使單波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)升級(jí)為WDM多波長(zhǎng)傳輸系統(tǒng)。將逐漸成熟的空分光交換技術(shù)引入光纖通信系統(tǒng)后，可以以波長(zhǎng)為單位，在不同的光纖間交換光信號(hào)。從而在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，將點(diǎn)到點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)升級(jí)為光網(wǎng)絡(luò)，使通信網(wǎng)的基礎(chǔ)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。相信在不久的將來(lái)，光交換技術(shù)一定會(huì)在全光通信網(wǎng)中發(fā)揮重要的作用，會(huì)為通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)革命性的進(jìn)步