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0431-81702023
光學工程
光交換技術及其應用

      隨著通信網傳輸容量的增加,光纖通信技術也發展到了一個新的高度。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。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地理想媒質。隨著WDM技術地成熟,單根光纖的傳輸容量甚至可以達到Tb/s的速度。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,無需經過光電/電光轉換,因此不受監測器和調制器等光電器件響應速度的限制,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。
1.全光網結構及其技術
      光網絡的基本結構大體一致,可以分為光網絡層和電網絡層。光網絡層(光鏈路相連的部分)采用了WDM技術,使一個光網絡中能傳送幾個波長的光信號,并在網絡各節點之間采用OXC,以實現多個光信號的交叉連接。光網絡層通過光鏈路和寬帶網絡用戶接口與局域網(LAN)相連。電網絡層的ADM為分插復用器,它把高速STM-N光信號直接分解成各種PSH支路信號,或作為STM-1信號的復用器。DX可以對各種端口速率(PDH或SDH)進行可控的連接和再連接。
      光網絡層的拓撲結構可以是環形、星型和網型等;交換方式可采用空分、時分或波分光交換。目前國際上實驗的全光網更注重于波分光交換的應用。如典型的MONET是有8個節點和8個波長的WDM環形網,它采用2.5Gbit/s和10Gbit/s的碼率,系統的最大容量為80Gbit/s。
要在全光網中實現信號的透明性、可重構性傳輸,必須研究全光傳輸的關鍵技術:
      (1)光交叉連接(OXC):OXC是全光網中的核心器件,它與光纖組成了一個全光網絡。OXC交換的是全光信號,它在網絡節點處,對指定波長進行互連,從而有效地利用波長資源,實現波長重用,即使用較少數量的波長,互連較大數量的網絡節點。當光纖中斷或業務失效時,OXC能夠自動完成故障隔離、重新選擇路由和網絡重新配置等操作,具有高速光信號的路由選擇、網絡恢復等功能。OXC除了提供光路由選擇外,還允許光信號插入或分離出電網絡層,類似SDH中的DXC。
     (2)光分插復用(OADM):OADM具有選擇性,可以從傳輸設備中選擇下路由信號或上 路由信號,或僅僅通過某個波長信號,但不影響其它波長信道的傳輸。OADM在光域內實現了SDH中的分插復用器在時域內完成的功能,且具有透明性,可以處理任何格式和速率的信號。提高網絡的運行效率及可靠性,降低節點成本,是組建全光網必不可少的關鍵性設備。
     (3)摻餌光纖放大器(EDFA):在光纖通信中采用WDM技術能實現超大容量、超高速的 光傳輸。而EDFA的商用可以使全光中繼成為現實。EDFA是80年代末發展起來的一種新型 光纖放大器,具有增益特性與偏振無關、數據速率與格式透明等特點。它可以對波長在1530~1575mm的光信號同時放大,在1550mm波段,EDFA的放大增益可達30~40dB。它結 構簡單,與光纖耦合方便,而且連接損耗小。可用于100個信道以上的密集波分復用傳輸系統、接入網中的光圖像信號分配系統、空間光通信、以及用于研究非線性現象等。是目前光放大技術的主流,它能簡化系統,降低傳輸成本,增加中繼距離,提高光信號傳輸的透明性,是實現全光網的關鍵器件。
2.光交換技術
      光電交換: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。
      光機械交換: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。
      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,這樣可以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。

      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。該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。
      聲光交換:它是在光介質中加入橫向聲波,將光線從一根光纖準確地引導至另一根光纖。聲光交換可以達到弘s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損耗隨波長變化較大,驅動電路也較昂貴。
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 地不同輸出端。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、消光好、偏振和基于被長的損耗也非常低,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。
      光標記交換技術:是指利用各種方法在光包上打上標記,即把光包的包頭地址信號用各種方法打在光包上,這樣在光交換節點上根據光標記來實現全光交換。基于這種原理實現的光交換稱為光標記交換OLS(optical label switch)。
      光標記的產生和提取是光標記交換的核心技術。光標記信號一般是Mbit/s量級的低速率信號,而光包的傳輸速率都在Gbit/s量級上,將低速的標記信號加在高速的光包信號上,可以根據不同的機制采用不同的方法。光調制有三種方式:調幅、調頻和調相,目前光標記的產生大多數也是從這三方面入手,光標記的提取本質上是把光標記從復用信號中分離出來。基于調幅產生的光標記大多用半導體光放大器(SOA)、普通光纖和半導體激光放大器的非線性效應的交叉相位調制、交叉增益調制和四波混頻(FWM)等原理來提出光標記;基于調頻產生的光標記一般采用載波解復用方法;基于調相產生的光標記方法可以利用光的干涉原理來提取光標記信號。
3.光交換技術在全光網絡中的應用
      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;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,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,并支持其它協議。
      突發數據交換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。
      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故障地光纖或轉發器,重新選擇到達目的地的有效路由,從而完成自動恢復。
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,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。光纖器件的現場測試:通過多通道的光交換,對光纖器件進行在線測試。通過監視每一個對應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。

 


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