第九章 全光通信9.1全光通信的概念及关键技术9.1.2实现全光通信的关键技术9.2光纤的非线性效应9.2.1光纤中产生非线性效应的机理9.2.2非线性效应的应用9.3光孤子通信9.3.1光孤子9.3.2光孤子形成机理9.3.3光孤子的传输9.4光交换技术9.4.1光交换的特点9.4.2光交换技术的基本原理9.4.3光交换器件9.4.4光交换系统1.9 9. .1 1 全全光光通通信信的的概概念念及及关关键键技技术术9.1.1 全光通信的概念全光通信的概念众所周知，在光纤通信的系统中，限制传输距离的因系是光纤的损耗和色散，除此之外，光纤的非线性效应也是影响光纤传输特性的一另重要因素。但在光放大器（特别是EDFA的研制成功）基本解决了光纤损耗问题之后，系统中无需在每个中继站进行信号定时再生，而直接将光信号放大，取代传统的经过光/电转换、电放大和电/光转换的电子中继器，从而实现自始至终的光传输方式，再加之光复用、光交换和光的信息处理技术，使之实现任何点到点之间的光信息或交互传递过程，好实现全光通信 2.9.1.2 实现全光通信的关键技术全光通信中采用了光复用、光交换和其他光处理技术，从而实现任何点与点之间的全程光信号的交互与传输。这意味着点对点的信息传递，只由光载波来完成，中间无需任何光- 电- 光的变换。它的进展完全取决于光直接放大、光补偿（色散和非线性）以及高速光调制等一系列技术的进展。下面逐一加以探讨。1光放大与全光中继实现点对点全光通信的关键之一是要以光放大器作为全光中继器取代传统的光-电-光中继器，它一方面起到了克服光/电、电/光转换中继器造成的“电子瓶颈”问题之外，还能使传输线路对所传送的信号“透明”，即与信号的传输率和调制方式无关，由此可知 （1）系统易于实现升级，比如提高线路的传输速率，只需要通过变换光端机便可实现。（2）系统易于实现波分复用，例如传送N路波分复用信号。（3）提高系统的发射光功率和光接收灵敏度。 3.早在20世纪80年代，人们就开始了光放大器的研究，先后进行一系列的光放大实验、随着在1.55m波段的激光技术的不断成熟，零色散波长移至1.55m的色散位移光纤的开发成功，使掺铒光纤放大器的发展应用前景十分好看，目前已商用的EDFA产品的指标可达到：增益大于400dB，饱和输出功率大于17dBm，噪声指数小于4dB，一些光传输网络已应用EDFA进行光中继或光功率补偿，最高的传输率已超过1000Gbit/s（波分复用方式），最长的传输距离已达10 000km量级。光放大器用于光通信中作为全光中继器时，还有一个不可忽视的问题，即全光中继器的监控技术。由于全光中继器远离端站，它的工作状态和状态控制对于保证系统正常工作具有十分重要的意义，目前研究实施的监控制方案种类很多，相信在未来的几年里，随着光中继器监控技术的发展，在全光通信系统中，会实现实是时、可靠、完善的监控任务。9.1.2 实现全光通信的关键技术4.2色散补偿和制光纤非线性效应光纤损耗、色散和非线性效应是影响光纤传输的能力的三大因素，随着光放大器的研制成功，在系统中采用光放大器已经能够基本解决光纤损耗的影响，但点对点的光纤传输系统性能仍受限于光纤色散和非线性效应 （1）色散补偿和抑制光纤非线性效应由于标准单模光纤的零色散波长在1.31m处，而在1.55m波长处的色散值高达1620ps/(kmnm)，因而对于采用1.55m工作波长的EDFA的传输系统而言，似乎最佳方案是选择色散位移光纤作为传输光纤，然而由于在波分复用系统中存在光纤非线性效应而产生的四波混频，从而限制了WDM技术的运用，因此选择色散系数尽量小，而又不为零的光纤作为传输光纤为最佳方案，而对于现有已铺设的大量标准光纤系统来说，可通过采用量子阱激光器和外调制技术，减小使用DFB激光器和直接调制所带来的高速信号的啁啾声，从而减小色散影响，除此之外，还可以利用色散值和为负的色散补偿光纤来补偿标准光纤的正色散，以达到减小色散的目的。 9.1.2 实现全光通信的关键技术5.（2）光纤的非线性效应当入纤光功率比较大时，光与光纤介质相互作用而产生的非线性高阶极化，会导致受激喇曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS），四波混频（FWM）及光克尔（Kerr）效应，这就是所谓光纤非性效应。特别高容量的全光通信系统中，都采用了波分复用加光放大器方式，由于光放大器中存在被放大的自发辐射（ASE），因而当光纤处于非线性工和状态时，会造成信道串音、ASE的迅速增加，从而影响系统性能，由此可见，光纤非线性严重限制全光传输系统优势的充分发挥，因而抑制光纤非线性效应是很必要的。然而任何事物都是一分为二的，在某种情况下，可以利用光纤的非线性效应和光纤的色散效应的相互抵消作用一实现光孤子的传输等。9.1.2 实现全光通信的关键技术6.3光交换光交换技术是实现一光通信的关键技术之一，与电子式交换相比，光交换无须在光纤传输线路和交换机之间的设置光/电或电/光变换，不存在“电子瓶颈”问题，它能允分发挥光信号的高速度、宽带和无电磁感应的等优点，综合迄今为止的研究成果，已有光交换方式大致可分为五种：光空分交换、光时分交换、光波分交换、复合型光交换和自由空间关交换（上述概念交在光交换一节中详细阐述），因自由空间光交换具有1mm范围高达10m量级的分辨率等显著特点，而被认为是一种很有前途的光交换方式。9 9. .1 1. .2 2 实实现现全全光光通通信信的的关关键键技技术术目前已经研制出了从44到128128甚至更多端口数的交换机模型，但由于不少关键技术还没有完全突破，例如光逻辑控制（通过光信号自身的处理去控制光信号的交换）等技术还没有得到很好的解决，所以光交换技术的真正实用化还尚需时日。7.4光复用为了充分利用光纤的传输带宽资源，充分发挥其大容量的优势，因而在全光通信系统中采用光复用技术，通过传送不同波长(频率)、不同类型或不同速率信号，完成局域网、城域网及全国的骨干网之间的分路、合路与组网工作。从复用原理来划分，光复用方式可采用光波分复用和光时分复用等方式，其中使用掺铒光纤放大器的光波分复用系统被广泛认为是挖掘利用光纤通信潜在容量的最好方式根据报道，在15001600nm的低损耗光纤传输窗口(EDFA工作波段)，以国际电联建议的最小波长间隔0.8nm计算，可容纳125个信道如果每个信道传输10Gbit/s的信息，则一根光纤上传输的信息速率将达1250Gbit/s，这是一个十分诱人的数据。9 9. .1 1. .2 2 实实现现全全光光通通信信的的关关键键技技术术8.5全光纤器件尽管使用非光纤型的激光器、控测器及非光纤型的光放大器，仍然不失全光通信的特点，但当高性能的半导体光源与低损牦、小色散的光纤连接时，其连接性能比使用光纤型的光源与光纤连接时的性能逊色，因而当系统中使用均由光纤制成的激光器、传输线和探测器时，则构成光纤一体化的全光通信系统，该系统具有良好的传输特性，由此可见，全光纤型器件对全光通信技术的影响。光纤光栅是最具代表性的全光纤型器件，利用它优良的选频特性，可制成全光纤的带通或带阻滤波器、全光纤激光器和波分复用解复用器等，还可以作为色散补偿和其他应用的重要器件因此人们普遍认为光纤光栅是继EDFA之后光纤通信发展的又一里程碑。 9 9. .1 1. .2 2 实实现现全全光光通通信信的的关关键键技技术术9.6光互连和光处理目前，在强度调制光通信系统中，普遍采用电互连和电处理技术，可见要实现白始白终的光信息传输，则必须要求以光互连和光处理技术取而代之，从而实现全光通信。所谓光互连是指在机架之间、设备之间、电路板之间、功能块之间以及；芯片内部的各种光学连接过程中，信号问具有无感应、无干扰、不存在分布参数而引起的延迟问题，无需接地完成高密度并行连接和空间多点间的复杂连接通常可通过光纤或集成光波导来实现光互连，也可以由自由空间或其他均匀介质来完成，一般机架或设备之间的光互连可以通过光纤来实现，但当芯片内部需进行光互连时，则要求器件的尺寸小、功耗低，因而芯片内部的光互连实现难度较大。9 9. .1 1. .2 2 实实现现全全光光通通信信的的关关键键技技术术10.6光互连和光处理光处理的内容很多，例如前面提到的光交换、光复用、光调制和光放大等均属于光处理的范畴目前有些技术已经步入成熟阶段，但像全光信息再生、全光时钟提取、光集成、光存储、光计算等更高层次的光处理技术还正在探索之中，相信随着光子技术与光电子技术的不断进步，全光通信的研究也将进一步深入，最终宽带、大容量的通信目标也将成为现实。9 9. .1 1. .2 2 实实现现全全光光通通信信的的关关键键技技术术11.9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应9.2.1 光纤中产生非线性效应的机理光纤中产生非线性效应的机理光纤出现非线性的原因，可以这样来说明，当一束色光作用在介质上时，光的电场强度矢量将使介质中的原子或分子发生位移或振动，从而出现了电偶极子，这些电偶极子将辐射电磁波，这种感生出来的电场与原来的入射光波电场叠加，形成一个总的电场，这个总电场强度与极化强度矢量P之间存在如下复杂关系 式中,0真空中的介电常数；x(1)线性电极化率；x(2)二阶非线性电极化率；x(3)三阶非线性电极化率。 （9.1）12.通常x(1) x(2)x(3)，由式可见，在光波电场E较弱的情况下，式中第二项、第三项原影响就弱，可以忽略，P与E之间呈线性关系，当场很强时，例如，用激光射在介质上，由于激光光束是在时间、空间、频率上的高度集中，从而光场很强，式中第二、三项的作用不能忽略，因此，式中P与E之间呈非线性关系，但由于二阶极化率x(2)只有在具有非对称分子结构的介质材料中方不为零，才可以引起二次谐波效应和光学和频效应，然而石英光纤材料为各向同性舒介质，属于对称分子结构，因此石英光纤中通常不会出现二阶非性效应，这样石英光纤中最低阶的非线性效应来自三阶极化率x(3)，它可以导致产生三次谐波或四次混频以及非线性分折射现象。9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应13.1非线性折射由电磁场理论知道，介质中电位移矢量D与E、P之间的应满足如下关系D=E=0E+ P在目前情况下，式中的P应由式（9-2）来决定，又因光纤是由石英为基础材料来制造的，而石英等介质是各向同性的，因此，式（9-1）中二阶非线性电极化系数 ，如果式（9-1）等式右端只取第三项，则代入式（9-2）并经化简整理后可得 （9.2）9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应（9.3）式中， 由电磁场理论知道，它为线性状态下的相对介电常数； 是在强光作用下，一三阶非线性极化系数有关的介电常数附加项。14.将式（9-3）和（9-2）相比较，可得又因电磁场理论知道，介质的折射率n与其相对介电常数间有如下关系比较上述两式，可得 将上式用级数展开、化简、并令 可得 （9.4）这就是在强光作用下，光纤折射率的表达方式，由式（9-4）看出，这时，光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性量，当外加光波电场变化时，光纤的折射率 就 将 随E作 非 线 性 变 化 。折射率随强度的变化直接导致许多种非线性效应，其中最重要的是相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM） 9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应15.（1）自相位市制自相位调制是指光波在光纤的中传输地，由于光波强度变化而产生的自身相移，其大小可用光波的相位变化来描述 其中L为光长度，由此可见，与强度有关的非线性相移为正是这部分非线性相移，可以引起超短脉冲以及光纤的反常色散区中产生光孤子，具体内容将在随后的一节中进行介绍。9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应（9.6）（9.5）16.（2）交叉相位调制交叉相位调制是批在多个光波同时传输时，由一个光波强度变化所引起的其了他光波的非线性相移，如果现有两光波沿x方向同向传输，那么式（9-1）中的电场E可以由这两个同向传输的光场相互迭加来计算，即其中代表x方向的单位向量，1和2分别表示两光波的频率，因而频率1处的非线性相移可由下式给出：如果将上述与式（9-6）进行比较，可知式（9-7）中的第一项代表自相位调制，那么第二项则为交叉相位调制，特别值得注意的是当两光波强度相等时，XPM对于非线性的相移的贡献为SPM的两倍 （9.7）9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应17.2四波混频四波混频又称之为参量过程，它们分别是由二阶极率 与三阶化率 所引起，故而参量过程又分为二阶参量和三阶参量过程。然而正如前而所述，一般在石英光纤中不存在由二阶极化率 引起的二阶参量过程，却存在四种光波作用的三阶参量过程，从而产生四小波混频和参量较放大等非线性现象，下面就四波混频进行分析。 9 9. .2 2 光光纤纤的的非非线线性性效效应应由前面的分析可知，光纤中的四波混频可以用式（9-1）中的三阶极化的项来描述，即（9.8）18.若相互作用的四种光波均为沿z方向的偏振波，其振荡频率分别为1，2，3和，那么四种光波的合成电场分量可以用下式表示：其中，i 代表第I种光波，因而 （9.9）将式（99）代入式（98），可将PNL表示为式中，Pi(i=1,2,3,4)代表涉及三个电场乘积的许多项，例如，P4可以表示为其中， 9.2 光纤的非线性效应（9.10）（9.11）19.由前面的分析可知，式（9-11）中与E4相关的各项代表SPM和XPM效应，其余的项则代表四波混频，而四波混频效率则取决于E4与P4之间的对相对相位，因而只有当相对相位接近于零时，也就是要求频率以及波矢量达到匹配的情况下，才可以获得最高效率的四波混频，如果从量子力学的角度来分析，四波混频是出现在一个或多个光波的光子湮灭，同时具有新频率的光子产生之时，并在此过程中，其能量和动量都保持恒 定。下面进一步观察式（9-11），可以看出等式的右边第二项代表三个光子将能量转移一个光子上的混频情况，该光子所获得的频率为此时如果相互作用的光波的频率 时，则在光纤中便产生三次谐波，若光波频率为 时，则将出现频变换现象9.2 光纤的非线性效应20.通常由于光纤中这咱相位严格匹配的条件很难得到满足，因此其效率不高，而等式的第三项则代表频率分别为1和2的两个光子湮灭，而产生频率为3和4的两个光子的情形，即新光子应满足若要求获得高效率的四波混频，则在这一过程中相位必须满足k=0 的匹配条件，事实证明，该条件是很容易达到的，正是利用这一原理，可以采用一束频率为p（即12 ）的强泵浦光，而在频率为s（即3）和a（即4）处获得两个边带，即一个信号带，另一个闲频带，而且这两上边带的频率间隔达到下式的要求： 9.2 光纤的非线性效应21.9.2.2 非线性效应的应用由于光纤的参量过程起因于光纤材料的束缚电子对施在它之上的强电磁场的非线性响应，其具体表现为光纤中感应极化矢量P与电场E不成线性关系，这样在四种光波的相互作用之下，便可能产生三次谐波或四波混频以及非线性折射等非线性效应。利用这些非线性效应，可以获得参量放大，自相位调制和交叉相位调制等效果，下面逐一地进行分析。1参量放大根据前面介绍的四波混频的基本原理，所谓的四波混频，是指将一强泵浦光的能量转移至频率为和两光波的过程。如果在光纤中仅存在泵浦光波，其泵浦功率为P0=P1+P2，并且满足相位匹配条件，这样若输入频率为呐的信号光波，那么由于该信号光波接收到泵浦光波的能量，从而使之放大，这种放大即为参量放大，其增益即为参量增益，利用这一原理，可研制出参量放大器 22.由于在这一过程中的关键就是必须满足相位匹配条件，然而在实际光纤传输中，因为光纤纤芯直径不可能不变，因而难以实现在长距离传输中保持相位匹配，因此只能在有限的一段距离之内实现相位匹配，据有关报道，目前在现场实验中，是利用1.319波长的泵浦来取得相位匹配，其泵浦脉冲功率为3070W，实验中所使用的光纤长达到30m，同时9 9. .2 2. .2 2非非线线性性效效应应的的应应用用采用波长为1.38m的连续波作为信号光，在图91中给出参量放大器的增益Ga与信号功率P3以及泵浦功率P0，之间的关系从图中可以看出，随着泵浦功率的增加，放大器的增益也随之增加，但随着输入信号功率几的增加，放大器的增益乱却显著减小。 图91参量放大器增益测试曲线P0泵清浦功率（W）23.同时，我们也注意到，当P3=0.26mW时，放大器的增益乱可达到5104，大致折合46dB，充分显示出光纤作为参量放大器的潜在能力。现在关键的问题是在于是否能满足相位匹配条件。由于在单模因素(如压力或温度)发生变化时，可使频移在34THz范围内进行调整，因而可以通过调节在光纤上所施加的压力来控制频移，以达到相位匹配的目的。近来有报告显示，利用1.319Hm泵浦光源使由DFB半导体激光器输出的1.57m光信号放大了37dm。这样可以在光纤通信系统中起到中继放大的作用但与前面所介绍的掺铒光放大器相比，其带宽要小得多，从而限制了其应用。另外，在多信道环境下，参量放大过程又会引起串扰，计算表明，对于信道间隔为5GHz的100路通信系统，每一信道的输入功率应低于1mW，才能使串话水平低于1%。 9.2.2 非线性效应的应用24.2自相位调制所谓光纤的自相位调制，就是在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线 性的折射率使光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移，这种相位的变化，必对应于 所传输光脉冲的频谱发生变化由信号分析理论可知，频谱的变化必然使波形出现变化，从而使传输脉冲在波形上或被压缩，或被展宽这种非线性效应仅仅是由于强光场下，光纤的 折射率随之变化而产生的，称之为纯自相位调制，除此之外，如果将光纤色散的因素考虑进去，则还有色散性自相位调制。 9 9. .2 2. .2 2 非非线线性性效效应应的的应应用用25.（1）纯自相位调制 由式(9-4)可知，当作用在光纤上的光场很强时，光纤的折射率将呈现非线性。设入射光波波长为，光纤长度为L，入射光强是一个随时间t变化的量 ，则由式（9-4）可得到变化的将引起的光纤折射率的变化为 下面 ，导出上述这个折射率的变化将引起的相位变化。由电磁场理论知道，单位长的相位移（即相移常数）为而 故 因而，长度为L的光纤由于折射率变化了 ，从而引起的相位变化为9.2.2 非线性效应的应用26.由式看出，随着光脉冲波形中的不同时刻t，脉冲波形各处的相位就按上式描述的规律来变化，这就是说，脉冲波形的相位受到了调制，这个调制是因为入射光波自身的电场值 随t变化而引起的频谱，根据信号分析理论，可以用相位调制的时间变化率来描述某点处脉冲的瞬时频移，即9.2.2 非线性效应的应用27.由引产生的这些频率分量可使光脉冲的频谱展宽，而且展宽量与初始脉冲波形有关在图92，中用m=1为高斯波形，m=3为超高斯波形，由此可见，m越大则越接近矩形脉冲，其前沿、后沿越陡，因此相位变化量NL正比于输入光强度过，因而其随时间的变化同样也正比于脉冲强度，从图中以清楚看出：T/T0（T0脉冲宽度）图92高斯脉冲（虚线）与超高斯脉冲（实线）的相移和频率啁声随时间的变化曲线在由E（t）变化时引起的自相位调制的影响下，脉冲波形的前沿的后沿的相对相位关系发生的相应变化，即在接近前沿时，瞬时频率变化为负，接近后沿瞬时频率的变化为正。脉冲波形的前沿、后沿越陡，则在系统中所产生的啁啾声越大，因而啁啾声仅存在于超高斯的脉冲边沿附近。9.2.2 非线性效应的应用28.（2）色散性自相位调制基本原理由于单模光纤中存在材料色散，即纤芯的折射率随传输光波的波长而变化，这样不同波长的信号经过光纤传输时，其传输速度也不同，又由于光纤通信系统中以数 字信作为其传输信号，它含有多种频率成分，传输脉冲愈窄，所含的频率成分愈丰富，因而接受时会出现脉冲展宽现象。9.2.2 非线性效应的应用如前面分析那析，群色散 可以用引起群时延对波的微分来描述，即其中， 是光波材料系数。这样根据上式，以及所使用的光纤材料、波导结构和光波波长的不同，可以将群色散分为正常色散区和反常色散区 29.正常色散区及常色散区所谓正常色散区是光纤材料色散系数的情况，此时群色散 ；而反常色散区是指光纤的材料色散系数的情况，那么群色散 ，但无论是正常色散还是反常色散，都会使脉冲出现展宽，然而当光波是以强光场输入到光纤中去时，由于存在自相位反调制现象，这样使得群色散与自相位调制时同时作用于传输光脉冲，从而在正常色散区，群色散与SPM合成效应表现出光脉冲压缩现象。群色散与 自相位调制相互影响 从前分析可知，当以强光场的光波在光纤中传输时，一方面存在光纤色散的影响，同时另一方面也存在非线性效应的引起的自相位调制SPM，为了详细地描述群色散情况下，自相位调制在时域及频域 所发生变化，因此引进一个参数为N，用它们来判断群色散与自相位调制谁占主导地位，一般N2L，则每个光孤子的载波移动的影响可忽略，这样两信道间隔可表示为9.3.3 光孤子的传输(914)51.由此可见：当信道间隔足够大时，便可以避免相邻信道间的频谱重叠。如果使用，TFWHM=0.34（这为双曲正割脉冲的变抵达极限谱宽），而且信道间隔达到大于三倍于谱宽即则由式（9-13） 有 这样根据式（9-15），两信道间的波长间隔 可改为如果对式（9-14）和（9-16）进行对照，那么更可以找出对放大器间距的要求然后利用式 以及式可将上式改写成如下形式：9.3.3 光孤子的传输(915)(916)(917)52.下面对式（917）进行分析。如果取q0=10,，则每个信道的B2L乘积应该小于，若在码速率B=5Gbit/s的系统中，那么要求其放大器间距应小于24km，如果要使系统中的放大器间距保持在50km，则每个信道的码速率将被限制在3.4Gbit/s以下，由此可见，为了避免由光孤子碰撞而带来的时间抖动，在集中使用光放大器的多信道的通信系统中，不得不对其比物率和放大器间距加以限制。 9 9. .3 3. .3 3 光光孤孤子子的的传传输输53.图912双倍道光孤子传输实验系统图中可以看出，实验中使用了两个外腔锁模激光器作为各处信道的光孤子源，并且光孤子源输出的是脉宽60ps、码速为2Gbit/s的光脉冲信号，彼此均分别经过光隔离器、光放大器后，在耦合器将它们一同注放光纤球环，实验中所使用的光纤环是由四段长为30km的色散位移光纤和四个彼此间距为30km的EDFA组成。实验数据表明，当光孤子码流沿光纤环传输了9000多公里后，其误码率小10-9，碰撞长度约为90km，是放大器间距的3倍，因此光孤子碰撞均不会对如此后传输率及中心波长相距超过0.7nm的两信道构成的影响。由此可见，光孤子通信系统是可行的，但是它们处于开发阶段，仍有许多工作需要做 54.9 9. .4 4 光光交交换换技技术术光纤潜在的传输容量可高达30THz，而目前仅利用了其中很小一部分带宽，但目前的电子交换需要在交换节点先将光信号转换成电信号，然后进行交换，最后再变成光信号，使其能够中光纤中传输，显然，这种交换方式与光纤链路的高速传输特性不相称，很容易开形成所谓的“电子瓶颈”，现象，制约着光纤通的巨大带宽资源，因而随着光纤传输容量的不断提高，对交换技术也提出了新的挑战，正是这种背景焉，使得对具有高速宽带大量交换潜力的光交换技术的研究和开发更显势在必行。 55.9 9. .4 4. .1 1 光光交交换换的的特特点点光交换与传统的电交换技术有着根本的区别，其特点如下：1具有极宽的带宽采用光交换技术，使得相同的光器件能应用于不同的比特速率系统之中，即具有比特速率的透明性。以一个电子交换单元为例，其最大业务吞吐量为1Gbit/s，经并联复用也只能提高几倍，而一个光开关就可能将业务吞吐量提高数百倍，可以满足大容量交换节点的需要。2速度快由于电子电路的最高运行速度只能达到20Cbit/s左右，因而有驱动的光开关，也会受到电子电路工作速度的影响，使其响应速度受到限制，然而采用光控的光开关的响应速度可达1012s数量级，由此可见，借助光控器件，可实现超高速的全光交换网。56.3光交换与光传输相结合，促进全光通信网的发展光交换与光传输的相结合，使得数据在源节点到目的节点的传输过程中，始终在光域内，避免了在所经过的各个节点上的光电、电光转换，因此可同时传输多种数据速率和多种数据格式，从而构成完全光化的网络，有利于高速大容量的信息通信 4降低了网络成本，提高网络可靠性由于采用了光交换技术，因而无须进行光电转换，当然也不会受到电磁干扰，便可以直接实现用户间的信息交换，这样省去了进入交换系统前后的光电、电光转换装置，从而降低网络成本。另外，无论在模拟传输中还是在数字传输中都可以采用光交换技术，这样不但避免了宽带电交换系统功耗大、串扰严重等问题，也提高了自身的可靠程度。9 9. .4 4. .1 1 光光交交换换的的特特点点57.9 9. .4 4. .2 2光光交交换换技技术术的的基基本本原原理理从交换方式上来划分，光交换技术可以分为电路交换和分组交换电路交换方式又分为三种交换网络，即空分光交换、时分光交换和波分频分光交换网络以及由这些光交换网络混合而成的结合型网络不同的网络其特点不同，其工作原理也有所差别。1空分光交换空分光交换是由开关矩阵实现的，而开关矩阵节点可由机械、电或光来进行控制，实现任一输入信道与任一输出信道之间按要求建立的物理通道的连接，完成信息交换。如图9-13所示，图中给出了一个33光开关矩阵结构原理，3个输入端和3个输出端构成9个交叉控制点，通过控制交叉 点 的 开 关 状 态 ， 实 现 信 息 交 换 。图913空分光交抵达原理示意图58.另外，按矩阵开关所使用的技术，又分成为波导空分和自由空分光交换。在波导空分中，由于光学通道是由光学波导构成的，因而所构成的交换网络容量有限，同时平面波导构成的光开关节点是一种定向耦合开关节点，没有逻辑处理功能，无法实现自寻址路由控制，因而难以适应ATM交换的 要 求 。 而 在 自 由 空 分光交换中，采用了自由空间光传输技术，无干涉地控制光的路径，以达到光交换的目的。又由于光波作为载波在自由空间传输的带宽大约为100THz，为了充分利用这一优势，各国科学家正在加紧对自由空间光交换网络的研究、开发。图913空分光交抵达原理示意图9 9. .4 4. .2 2光光交交换换技技术术的的基基本本原原理理59.2时分光交换 时分复用有电时分复用和光时分复用。在现有的PDH和SDH传输网中所使用的时分复用技术，均属于电时分复用和时隙交换的范畴即将时间划分成若干等间隔的片断（每片断为一帧），再将每一片断（帧）划分成N个等间隔的时间片断，这就是时隙。这样可以将这些时隙轮流分配给各路原始信号，如图9-14所示由于在此过程中时隙的编号是与各路原始信号一一对应，因此接收端很容易从中分离出各自的原始信号。12 N时隙帧123231图914时分复用原理图解复用复用9 9. .4 4. .2 2光光交交换换技技术术的的基基本本原原理理60.时分交换是基于时隙互换的基础上得以实现的，具体过程如图9-15所示，从中可以看出是通过N路原始信号与N条出线的一种不同的连接，从而完成N路时分复用信号中各个时隙信号互换位置的操作这其中最核心的工作是要能将时分复用信号顺序地存人存器，同时又能将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。1234时隙互变123412341234图915时隙互换原理示意图9 9. .4 4. .2 2光光交交换换技技术术的的基基本本原原理理61.在时分光交换方式中，采用光器件或电器件作为时隙交反应换器，这样可以由光读/写门和光存储器组成隙交换网络，在图9-16中给出了STS（空时空）结构光时发交换网络的示意图，可见它是由时分复用器/解复用器、时间复用的空间开关（SS）和时隙互换器（时间开关（IS）构成，其中光写入门可以将时分复用信号中的各路分开，并分另写入相应的存储器，光读出门按控制命令顺逐比物地读出，从而合成一路输出，达到交换目 的.时 分 光 交 换 的 关 键T1T2T3T4I1I2I3I4O1O2O3O4T1T2T3T4T1T2T3T4T1T4T1T4时间开关复用器空间开关空间开关解复用器图916光时分交换网络示意图器件是光开关和光存储器，通常光读写门可以由定向耦合器来完成，而光存储器则可使用光延迟线、双稳态激光二极管来实现。62.3波分频分光交换在时分复用系统中，是采用时隙互换来实现交换；而在波分频分光交换中，则是以波长交换来完成交换功能，如图917（a）所示即通过波长开关从波分复用信号中检出所需波长的信号，并把它调制到另一波长上去，从而使波长互换得以实现其中可以利用具有波长选择功能的FP滤波器或相干检测器来完成检出信号的任务，而信号载波频率的变换则是通过可调谐半导体激光器来实现的，这样在图917（a）中可以根据具体要求通过对FP滤波器进行控制，选出不同波长的信号，从而不同时刻实现不同的连接。1,2波长变换12121212波长变换1,21,n光分束器11nn2FP滤波器1,nFP滤波器图917波分/频分光交换原理（a）（b）波长解复用波长解复用波长解复用9 9. .4 4. .2 2光光交交换换技技术术的的基基本本原原理理63.4ATM光交换在ATM网络中，ATM信元是传输、交换的基本单元，因而ATM光交换技术是一种用于ATM信元之间进行交换的技术，通常ATM光交换采用波分复用、电或光缓冲技术，如图918所示可见ATM光交换网络是由信元选择器和光缓冲存储器构成特别关注的是在各输入接口模块(11M)中，可根据信元的虚通路识别器（VCI）识别到达人口图918ATM光交换原理示意图端的信元，并将各信元波长转换成适合出口端的波长这样当以信元的波长作为选路由信息时，便可以依照其波长，对每个到达人口端的信元进行路由选择，使其存人相应的出口端的光缓冲存储器中，然后将经路由选择后到同一出口端的信元存储于一公用输出端的光缓冲存9.4.2光交换技术的基本原理64.9 9. .4 4. .3 3光光交交换换器器件件光交换器件是实现光交换的关键部件，根据其功能可分为相关器件和逻辑器件两类。所谓相关器件是指器件在控制信号的控制下，使输入与输出之间建立某种关系的器件，它属于无源器件。例如：定向耦合器、星形耦合器、光放大器、空间光调制器。光开关均属于此类器件。而光逻辑器件则是通过携带信号的信息和数据来控制器件的状态，在其输入端完成逻辑功能或组合逻辑功能，例如半导体激光器、双稳态激光器，法布里玻罗激光器等。在各种各样的光交换系统中，广泛使用的光开关以及光存储器均属于这两类器件，下面就来介绍光开关和光存储器。65.1光开关光开关的品种有很多，下面仅介绍几个典型的光开关器件。（1）定向耦合型光开关定向耦合型光开关是由两个输入端、两个输出端和一个控制端构成，它是利用Ti：LiNbO3技术（铌酸锂基片上扩散钛的技术）制成的这样，可以通过控制电极电压的变化来控制两条波导是成直通状态，还是交叉状态，从而实现22交换单元的交换功能定向耦合型光开关的频带宽度宽，可具有高达100Gbit/s的比特率变换能力，可用于空分、时分光交换系统，但由于采用了电控信号，因而对更高的变换速率起到了制约作用。另外定向耦合型光开关的波导太长，不利于大规模集成，同时由于损耗与串扰的影响，也制约了由此构成的网络规模，据报道现在在半导体芯片上可实现44，88的光开关矩阵，而大规模的光开关矩阵则依靠这种开关单元连接而成9 9. .4 4. .3 3光光交交换换器器件件66.（2）空间光调制器利用磁光效应，即通过调节外加电信号以此改变器件的透明程度，使入射的光信号全部通过、部分通过或全部不通过该器件，从而达到对光信号的通断控制的目的通常，二维的光调制器矩阵便可构成一个空间光调制器。（3）半导体光放大器开关由半导体激光器的发光原理可知，当任意输入光信号通过具有粒子数反转分布的半导体材料时，受激辐射大于受激吸收，因而具有光放大作用，由此可知，只有在半导体光放大器加上偏置时，才会产生受激辐射，从而使输入光信号得以放大；反之，如果去掉偏置，则半导体光放大器处于光吸收状态，此时输入光信号无法达到输出端，这样便可以通过对偏置电压的控制，来完成开启和关闭的功能。光开关矩阵就是利用这种半导体光放大开关功能和光纤耦合器制成，其在通过状态下，具有光增益，可大大提高系统的信噪比，同时开关速度比较高，具有极高的隔离度，广泛适用于空分、时分及其混合型光变换中。9.4.3光交换器件67.2光存储器光存储器是的分光交换系统的关键器件，它可实现光信号的存储和进行光信号的时隙交换。常用的光存储器有双稳态激光二极管和光纤延迟线，其工作原理、应用范围和优缺点如表91所示。类型原理优缺点应用双稳态激光二级管偏置放大稳态响应保持光电反馈型有源存储时分，频分，光交换可整形有放大作用增益高，信噪比高速度快表91光存储器比较（第一部分）68.类型原理优缺点应用光纤延迟线光信号在光纤中传播时存时延无源存储器件实现简单易行存取速度无限制时分、频分、ATM光交换可连续存储存储时间不可变，缺乏灵海活必性表91光存储器比较（第二部分）69.9.4.4 光交换系统对光交换的研究始于20世纪70年代，80年代中期才发展得比较迅速。目前对光交换所需器件的研究已具备相当水平，但目前试验系统大多还停留在电控光交换阶段，即信号变换是在全光条件下进行，而光器件的控制仍由电子电路来完成，然而真正意义上的全光交换技术是指系统的逻辑、控制和交换均由光子完成，因而现在研制的光交换系统还只是一种光交换网络与电子控制回路相结合的混合系统。下面就以自由空间光交换系统为例介绍其系统组成及工作原理自由空间光交换是利用自由空间传播技术的一种空分交换方式其优点是对所需的互连不用物理接触，没有信号干扰和串音干扰，具有高的空间带宽和瞬时带宽（它在1mm范围内具有高达10m级别的分辩率)，而且色散很小.这种交换是通过平行反射来提供很高的信号互连性。该光交换系统能够提供比波导技术更为优越的系统性能，因而自由空间光交换被认为是一种新型交换技术。在自由空间光交换系统中，通常是采用自电光效应(Sseed)器件来组成自由空间光开关，这种器件已从对称态自电光效应器件，发展到cmosseed器件，由这种器件组成的自由空70.间光交换网络如图919所示从图中可以看出，它是由高密度自由空间光学网络、高速多量子阱空间光调制列阵、高速PIN光探测器列阵、cmos单片集成光开关列阵和输入、输出接口组成，因而当8路2.5Gbit/s的光信号输入时，首先每路变为622Mbit/s的32路电信号，再由开关速度为1010s的高速多量子阱空间光调制阵列进行电/光变换，而自由空间光学网络用来完成信号传送的交换任务，控制单元则按照32路中每路的目的地址选通光开关节点，并对该信号进行光/电转换，最后再进行接口处理，变成8路2.5Gbit/s的光信号。9 9. .4 4. .4 4 光光交交换换系系统统71.9.4.4 光交换系统STM16终端复用器STM16终端复用器STM16终端复用器622Mbit/s电信号2.5Mbit/s电信号输入接口自由空间光学交换连接矩阵模块1415829322814582932STM16终端复用器STM16终端复用器STM16终端复用器622Mbit/s电信号输入接口控制接口控制单元图919自由空间光交换网络72.73.