第第11章章光交换技术光交换技术 光通信是利用光波来传送信息的。光通信是利用光波来传送信息的。 光纤通信具有信息传输容量大、对比特流光纤通信具有信息传输容量大、对比特流透明、不受电磁干扰、保密性好等优点，是透明、不受电磁干扰、保密性好等优点，是现代通信网络中传输信息的极佳媒质，光交现代通信网络中传输信息的极佳媒质，光交换被认为是为未来宽带通信网服务的新一代换被认为是为未来宽带通信网服务的新一代交换技术。交换技术。 本章主要介绍光交换的基本概念、光交换本章主要介绍光交换的基本概念、光交换器件、光交换网络和光交换系统，并对目前器件、光交换网络和光交换系统，并对目前逐渐走向应用的智能光网络逐渐走向应用的智能光网络ASON进行阐述。进行阐述。概述概述11.111.1光交换器件光交换器件11.211.2光交换网络光交换网络11.311.3光交换系统光交换系统11.411.4自动交换光网络自动交换光网络11.511.511.1 11.1 概述概述 21世纪的通信网应该是能提供各种通信业世纪的通信网应该是能提供各种通信业务的、具有巨大通信能力的宽带通信网络。务的、具有巨大通信能力的宽带通信网络。 网络业务将以宽带视频、高速数据、普通网络业务将以宽带视频、高速数据、普通话音和多媒体等业务为主。话音和多媒体等业务为主。 为提供这些业务，需要高速、宽带、大容为提供这些业务，需要高速、宽带、大容量的传输系统和宽带交换系统。量的传输系统和宽带交换系统。 目前，以电子技术为基础的现代交换系统，目前，以电子技术为基础的现代交换系统，无论是数字程控交换机、无论是数字程控交换机、ATM交换机还是交换机还是高速路由器，其交换容量都受到电子器件高速路由器，其交换容量都受到电子器件工作速度的限制。工作速度的限制。 在这种情况下，人们对光交换技术的关心在这种情况下，人们对光交换技术的关心日益增长，研究和开发具有高速、大容量交日益增长，研究和开发具有高速、大容量交换潜力的光交换技术势在必行。换潜力的光交换技术势在必行。 光交换被认为是为未来宽带通信网服务的光交换被认为是为未来宽带通信网服务的新一代交换技术，其优点主要集中在以下几新一代交换技术，其优点主要集中在以下几方面。方面。（1）运行速度快。）运行速度快。（2）光交换与光传输匹配可进一步）光交换与光传输匹配可进一步实现全光通信网。实现全光通信网。（3）降低网络成本，提高可靠性。）降低网络成本，提高可靠性。（4）具有空间并行传输特性。）具有空间并行传输特性。 11.2 11.2 光交换器件光交换器件11.2.1 光开关光开关 光开关是完成光交换最基本的功能器件。光开关是完成光交换最基本的功能器件。 光开关主要用来实现光层面上的路由选择、光开关主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。保护等功能。 光开关大致可分为半导体材料的光开关、光开关大致可分为半导体材料的光开关、耦合波导光开关、耦合波导光开关、M-Z干涉型热光开关、液干涉型热光开关、液晶光开关、微机电系统（晶光开关、微机电系统（MEMS）开关等。）开关等。 光开关的主要作用包括：一是将某一光纤光开关的主要作用包括：一是将某一光纤通道的光信号切断或接通；二是将某波长光通道的光信号切断或接通；二是将某波长光信号由一个光纤通道转换到另一个光纤通道；信号由一个光纤通道转换到另一个光纤通道；三是将一种波长的光信号转换为另一波长的三是将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）。光信号（波长转换器）。 光开关的特性参数主要包括：插入损耗、光开关的特性参数主要包括：插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间等。光比、开关时间等。1 1半导体光开关半导体光开关图图11-1 半导体光放及等效光开关示意图半导体光放及等效光开关示意图2 2耦合波导光开关耦合波导光开关图图11-2 耦合波导光开关结构及逻辑表示耦合波导光开关结构及逻辑表示3 3M-ZM-Z干涉型电光开关干涉型电光开关图图11-3 M-Z干涉型电光开关干涉型电光开关4 4液晶光开关液晶光开关图图11-4 液晶光开关工作原理液晶光开关工作原理5 5微机电系统开关微机电系统开关 图图11-5 移动光纤式光开关移动光纤式光开关 图图11-6 移动反射镜式光开关移动反射镜式光开关图图11-7 用用16个移动反射镜光开关构成的两个移动反射镜光开关构成的两组组44 MEMS开关阵列开关阵列11.2.2 11.2.2 波长转换器波长转换器 波长转换器是一种能把携带信号的光波从波长转换器是一种能把携带信号的光波从一个波长转换为另一个波长的器件。一个波长转换为另一个波长的器件。 波长转换是解决相同波长争用同一个端口波长转换是解决相同波长争用同一个端口时发生阻塞的关键。时发生阻塞的关键。 理想的波长转换器应具备有较高的速率、理想的波长转换器应具备有较高的速率、较宽的波长转换范围和高信噪比、高消光较宽的波长转换范围和高信噪比、高消光比，而且与偏振无关。比，而且与偏振无关。 如图如图11-8所示，最直接的波长转换是光所示，最直接的波长转换是光电电光变换，即将波长为光变换，即将波长为 1的输入光信号，的输入光信号，由光电探测器转变为电信号，然后再去驱由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动一个波长为动一个波长为 2的激光器，使得输出波长的激光器，使得输出波长变为变为 2；另外一种是调制间接转换，即在；另外一种是调制间接转换，即在外调制器的控制端上施加适当的直流偏置外调制器的控制端上施加适当的直流偏置电压，使得波长为电压，使得波长为 1的入射光被调制成波的入射光被调制成波长为长为 2出射光。出射光。图图11-8 波长转换器结构示意波长转换器结构示意11.2.3 11.2.3 光存储器光存储器 光存储器是实现时分光交换的基础。光存储器是实现时分光交换的基础。 常用的光存储器有光纤延时线和双稳态激常用的光存储器有光纤延时线和双稳态激光二极管。光二极管。1光纤延迟线光纤延迟线2双稳态激光二极管双稳态激光二极管11.3 11.3 光交换网络光交换网络 光交换网络完成光信号在光域的直接交换，光交换网络完成光信号在光域的直接交换，而不需进行光而不需进行光电电光变换。光变换。 根据光信号的复用方式，相应地有空分、根据光信号的复用方式，相应地有空分、时分、波分等交换方式。时分、波分等交换方式。 若光信号同时采用两种或三种交换方式，若光信号同时采用两种或三种交换方式，则称为混合光交换。则称为混合光交换。11.3.1 11.3.1 空分光交换网络空分光交换网络 与空分电交换一样，空分光交换是一种最与空分电交换一样，空分光交换是一种最简单的光交换方式。简单的光交换方式。 通过机械、电或光三种不同方式对光开关通过机械、电或光三种不同方式对光开关及相应的光开关阵列（矩阵）进行控制，及相应的光开关阵列（矩阵）进行控制，为光交换提供物理通道，使输入端的任一为光交换提供物理通道，使输入端的任一信道与输出端的任一信道相连。信道与输出端的任一信道相连。 空分光交换网络的最基本单元是空分光交换网络的最基本单元是22的光的光交换模块。交换模块。 如图如图11-9所示，输入端有两根光纤，输出所示，输入端有两根光纤，输出端也有两根光纤。它有两种工作状态：平端也有两根光纤。它有两种工作状态：平行状态和交叉状态。行状态和交叉状态。 图图11-9 基本的基本的22空分光交换模块空分光交换模块 可以采用以下几种方式来组成空分交换模块：可以采用以下几种方式来组成空分交换模块：（1）铌酸锂（）铌酸锂（LiNbO3）晶体定向耦合器，）晶体定向耦合器，其结构和工作原理已在节中介绍。其结构和工作原理已在节中介绍。（2）用）用4个个12光开关（又可称为光开关（又可称为Y分叉器）组成分叉器）组成22的光交换模块。的光交换模块。（3）用）用4个个11光开关器件和光开关器件和4个无源个无源光分路光分路/合路器组成合路器组成22的光交换模块，的光交换模块，如图如图11-9(b)所示。所示。 通过对上面的基本交换模块进行扩展、复通过对上面的基本交换模块进行扩展、复接，可以构成更大规模的光空分交换单元。接，可以构成更大规模的光空分交换单元。11.3.2 11.3.2 时分光交换网络时分光交换网络 光时分复用与电时分复用类似，也是把一光时分复用与电时分复用类似，也是把一条复用线分成若干个时隙，每个数据光脉冲条复用线分成若干个时隙，每个数据光脉冲占用一个时隙，占用一个时隙，N路数据信道复用成高速光路数据信道复用成高速光数据流进行传输。数据流进行传输。 时隙交换离不开存储器，由于光存储器以时隙交换离不开存储器，由于光存储器以及光计算机还没有达到实用阶段，所以一般及光计算机还没有达到实用阶段，所以一般采用光延时器件实现光存储，如前面节中提采用光延时器件实现光存储，如前面节中提到的光纤延时线存储器和双稳态激光二极管到的光纤延时线存储器和双稳态激光二极管光存储器。光存储器。 采用光延时器件实现时分光交换网络的工采用光延时器件实现时分光交换网络的工作原理是：先把时分复用光信号通过光分路作原理是：先把时分复用光信号通过光分路器分成多个单路光信号，然后让这些信号分器分成多个单路光信号，然后让这些信号分别经过不同的光延时器件，以获得不同的延别经过不同的光延时器件，以获得不同的延时，再把这些信号通过光合路器重新复合起时，再把这些信号通过光合路器重新复合起来，时隙互换就完成了。来，时隙互换就完成了。 时分光交换原理示意如图时分光交换原理示意如图11-10所示。所示。图图11-10 时分光交换原理时分光交换原理11.3.3 11.3.3 波分光交换网络波分光交换网络 波分光交换可以采用波长变换或波长选择波分光交换可以采用波长变换或波长选择两种方法来实现。两种方法来实现。 波长开关是完成波分交换的关键部件，其波长开关是完成波分交换的关键部件，其交换原理如图交换原理如图11-11所示。所示。图图11-11 波分交换原理波分交换原理图图11-12 波长选择型波分交换网络结构波长选择型波分交换网络结构11.3.4 11.3.4 混合型光交换网络混合型光交换网络图图11-13 波分波分-空分空分-波分混合型光交换网络结构波分混合型光交换网络结构11.3.5 11.3.5 自由空间光交换网络自由空间光交换网络 由于光波作为载波在自由空间传输的带宽由于光波作为载波在自由空间传输的带宽巨大（约为巨大（约为100THz），为了充分利用带宽），为了充分利用带宽资源，科学家们开始研究自由空间光交换资源，科学家们开始研究自由空间光交换网络系统。网络系统。 在空间无干涉地控制光的路径的光交换称在空间无干涉地控制光的路径的光交换称为自由空间光交换。为自由空间光交换。 它是最早的光交换，其构成比较简单，只它是最早的光交换，其构成比较简单，只要移动棱镜或透镜即可。要移动棱镜或透镜即可。 典型的自由空间光交换是由二维光极化控典型的自由空间光交换是由二维光极化控制的阵列或开关门器件组成。制的阵列或开关门器件组成。 另外，使用全息光交换技术也可以构成大另外，使用全息光交换技术也可以构成大规模的自由空间光交换系统，而且无需多级规模的自由空间光交换系统，而且无需多级互连。互连。自由空间光交换网络可以由多个自由空间光交换网络可以由多个22光交光交叉元件组成，除了前面介绍过的耦合光波叉元件组成，除了前面介绍过的耦合光波导元件具有交叉和平行连接两种状态，可导元件具有交叉和平行连接两种状态，可以构成以构成2 2光交叉连接外，极化控制的两光交叉连接外，极化控制的两块双折射片也具有这种特性。块双折射片也具有这种特性。图图11-14 由两块双折射片构成的空间光交叉连接元件由两块双折射片构成的空间光交叉连接元件图图11-15 自电光效应器件的结构及其特性曲线自电光效应器件的结构及其特性曲线11.4 11.4 光交换系统光交换系统1光交换技术分类光交换技术分类 和电交换技术类似，光交换方式可分为光和电交换技术类似，光交换方式可分为光路光交换和分组光交换两大类型，如图路光交换和分组光交换两大类型，如图11-16所示。所示。 不同的光交换技术完成不同粒度的信息交换，不同的光交换技术完成不同粒度的信息交换，其中，波导空分、自由空间光和波分光交换类其中，波导空分、自由空间光和波分光交换类似于电路交换，是粗粒度的信道分割；时分交似于电路交换，是粗粒度的信道分割；时分交换或分组交换的信道分割粒度较细。换或分组交换的信道分割粒度较细。图图11-16 光交换技术分类光交换技术分类2 2OADMOADM和和OXCOXC 组成组成WDM光网络的主要节点设备是光网络的主要节点设备是OADM（Optical Add-Drop Multiplexer，光分插复用器）和光分插复用器）和OXC（Optical Cross-Connect，光交叉连接器），二者通常由，光交叉连接器），二者通常由WDM复用复用/解复用器、光交换网络（矩阵）解复用器、光交换网络（矩阵）、波长转换器和节点管理系统组成，主要、波长转换器和节点管理系统组成，主要完成光路上下、光层带宽管理、光网络的完成光路上下、光层带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。保护、恢复和动态重构等功能。图图11-17 基于波分复用基于波分复用/解复用和光开关的解复用和光开关的OADM结构示意结构示意 图图11-18 波长交叉连接示意波长交叉连接示意 图图11-19 波长变换交叉连接示意波长变换交叉连接示意3 3光分组交换系统光分组交换系统 光分组交换能够在非常小的粒度上实现光光分组交换能够在非常小的粒度上实现光交换交换/选路，极大地提高光网络的灵活性和选路，极大地提高光网络的灵活性和带宽利用率，非常适合数据业务的发展，是带宽利用率，非常适合数据业务的发展，是未来光网络的发展方向。未来光网络的发展方向。 光分组交换系统的结构如图光分组交换系统的结构如图11-20所示，所示，它主要由输入它主要由输入/输出接口、交换模块和控制输出接口、交换模块和控制单元等组成。单元等组成。 其关键技术主要包括光分组产生、同步、其关键技术主要包括光分组产生、同步、缓存、再生、光分组头重写及分组之间的缓存、再生、光分组头重写及分组之间的光功率均衡等。光功率均衡等。图图11-20 光分组交换系统结构示意图光分组交换系统结构示意图 光分组交换具有下列特点：光分组交换具有下列特点：（1）交换粒度小，能与）交换粒度小，能与IP分组很好分组很好地兼容。地兼容。（2）容量大、可配置、数据率和格）容量大、可配置、数据率和格式透明，可支持不同类型的数据交换。式透明，可支持不同类型的数据交换。（3）提供端到端的光通道或者无连）提供端到端的光通道或者无连接传输，带宽利用效率高，适应性好，接传输，带宽利用效率高，适应性好，能提供各种服务。能提供各种服务。（4）将大量的交换业务转移到光域，）将大量的交换业务转移到光域，交换容量与交换容量与WDM传输容量匹配，同时传输容量匹配，同时便于与便于与OXC、MPLS等新技术结合，等新技术结合，实现网络优化与资源的合理利用，资实现网络优化与资源的合理利用，资源利用率高、适应突发数据能力强。源利用率高、适应突发数据能力强。 但光分组交换也存在下列不足：但光分组交换也存在下列不足：（1）实现复杂，对光器件的性能要）实现复杂，对光器件的性能要求高，光逻辑器件不成熟。求高，光逻辑器件不成熟。（2）缺乏深度和快速的光记忆器件，）缺乏深度和快速的光记忆器件，在光域难以实现与电路由器相同的光在光域难以实现与电路由器相同的光路由器。路由器。（3）由于突发数据分组需要在中间）由于突发数据分组需要在中间节点存储转发，需要有效的光随机存节点存储转发，需要有效的光随机存储器。储器。（4）在光分组交换节点处，难以实）在光分组交换节点处，难以实现多个输入分组的精确同步，需要灵现多个输入分组的精确同步，需要灵活高效的光域同步技术。活高效的光域同步技术。11.5 11.5 自动交换光网络自动交换光网络 20世纪世纪90年代以来，基于年代以来，基于SDH/WDM的的光传送网在电信网中获得了广泛的应用。光传送网在电信网中获得了广泛的应用。 其快速的保护功能、优越的管理性能使之其快速的保护功能、优越的管理性能使之成为电信网的主要传输手段。成为电信网的主要传输手段。 然而，随着网络业务的发展和用户需求的然而，随着网络业务的发展和用户需求的提高，传统的光传送网暴露出下列缺陷。提高，传统的光传送网暴露出下列缺陷。（1）业务配置复杂。）业务配置复杂。（2）带宽利用率低。）带宽利用率低。（3）保护方式单一。）保护方式单一。 1 1ASONASON的体系结构的体系结构图图11-21 ASON的体系结构的体系结构2 2ASONASON的技术特点的技术特点（1）支支持持端端到到端端的的业业务务自自动动配配置置。智智能能化化的的网网元元能能直直接接感感知知网网络络拓拓扑扑，处理速度快、生存能力强。处理速度快、生存能力强。（2）网络资源和拓扑的自动发现。）网络资源和拓扑的自动发现。（3）支持流量工程，网络可根据业）支持流量工程，网络可根据业务需求，实时动态地调整网络资源，务需求，实时动态地调整网络资源，实现最佳配置。实现最佳配置。（4）支持）支持Mesh组网保护，增强了网组网保护，增强了网络的可生存性。络的可生存性。（5）便于引入新的业务类型，如按）便于引入新的业务类型，如按需带宽业务（需带宽业务（BOD）、波长批发、波）、波长批发、波长出租、分级的带宽业务（长出租、分级的带宽业务（SLA）和）和光层虚拟专网等。光层虚拟专网等。3 3ASONASON的关键技术的关键技术 ASON的实现依赖其控制机制，包括自动的实现依赖其控制机制，包括自动发现、路由、信令、呼叫和连接控制，以发现、路由、信令、呼叫和连接控制，以及保护和恢复机制等。及保护和恢复机制等。4 4向向ASONASON的演进的演进（1）重叠模型）重叠模型（2）集成模型）集成模型本本 章章 小小 结结 光纤具有信息传输容量大、对比特流透明、光纤具有信息传输容量大、对比特流透明、不受电磁干扰、保密性好等优点，是现代通不受电磁干扰、保密性好等优点，是现代通信网中传送信息的极佳介质，光交换被认为信网中传送信息的极佳介质，光交换被认为是为未来宽带通信网服务的新一代交换技术。是为未来宽带通信网服务的新一代交换技术。 纯粹的光交换，是指不经过任何光纯粹的光交换，是指不经过任何光/电转电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。的输出端。 但由于目前光器件的功能还较简单，不能但由于目前光器件的功能还较简单，不能完成复杂的逻辑控制功能，因此现有的光交完成复杂的逻辑控制功能，因此现有的光交换控制还要由电信号来完成，即电控光交换。换控制还要由电信号来完成，即电控光交换。 随着光器件技术的发展，光交换技术的最随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。终发展趋势将是光控光交换。 光交换的基础器件包括各种光开关（半导光交换的基础器件包括各种光开关（半导体、耦合波导、体、耦合波导、M-Z干涉型电光、液晶、微干涉型电光、液晶、微机电系统等）、波长转换器、半导体激光放机电系统等）、波长转换器、半导体激光放大器、光耦合器、光调制器和光存储器等，大器、光耦合器、光调制器和光存储器等，利用这些器件可以构建不同的光交换结构利用这些器件可以构建不同的光交换结构（空分光交换、时分光交换、波分光交换、（空分光交换、时分光交换、波分光交换、混合型光交换、自由空间光交换）。混合型光交换、自由空间光交换）。 和电交换技术类似，光交换技术也可分为和电交换技术类似，光交换技术也可分为光路光交换和分组光交换两大类。光路光交换和分组光交换两大类。 光路光交换系统所涉及的技术有空分交换、光路光交换系统所涉及的技术有空分交换、时分交换、波分交换和混合型交换技术，其时分交换、波分交换和混合型交换技术，其中空分交换技术包括波导空分和自由空分光中空分交换技术包括波导空分和自由空分光交换。交换。 分组光交换系统所涉及的技术主要包括光分组光交换系统所涉及的技术主要包括光分组交换、光突发交换、光标记交换和光子分组交换、光突发交换、光标记交换和光子时隙路由等。时隙路由等。 不同的光交换技术支持不同粒度的交换。不同的光交换技术支持不同粒度的交换。 其中，波导空分、自由空间和波分光交换其中，波导空分、自由空间和波分光交换类似于现存的电路交换，是粗粒度的信道分类似于现存的电路交换，是粗粒度的信道分割；时分和分组光交换属于信道分割粒度较割；时分和分组光交换属于信道分割粒度较细的交换。细的交换。 光路交换技术已经实用化，如在光路交换技术已经实用化，如在WDM光光网络中，使用网络中，使用OADM和和OXC来完成光路上来完成光路上下、光层的带宽管理、光网络的保护、恢下、光层的带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。复和动态重构等功能。 在分组光交换领域，由于光信息处理技术在分组光交换领域，由于光信息处理技术还未成熟，目前比较通用的光交换技术还是还未成熟，目前比较通用的光交换技术还是OEO（光电光）的模式，即光信号首先（光电光）的模式，即光信号首先经过光电转换成为电信号，然后通过高速的经过光电转换成为电信号，然后通过高速的交换电路进行数据交换，再进行电光转换。交换电路进行数据交换，再进行电光转换。 光分组交换网的实用化，取决于光交换技光分组交换网的实用化，取决于光交换技术的进一步发展，如光标记交换、微电子机术的进一步发展，如光标记交换、微电子机械系统（械系统（MEMS）、光器件技术等。）、光器件技术等。 随着光交换器件技术和全光网络的发展，随着光交换器件技术和全光网络的发展，光交换技术不断成熟。光交换技术不断成熟。 从光电和光机械的光交换机，发展到基于从光电和光机械的光交换机，发展到基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机。热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机。 光网络已经由过去的点到点光网络已经由过去的点到点WDM链路发链路发展到今天面向连接的展到今天面向连接的OADM/OXC和自动交和自动交换光网络以及换光网络以及DWDM基础上宽带电路交换基础上宽带电路交换与分组交换融合的智能光网络。与分组交换融合的智能光网络。