光交換技術(shù)發(fā)展概述

光交換技術(shù)發(fā)展概述

摘要：光交換是光通信的關(guān)鍵技術(shù)。本文分類闡述了光交換的不同類型。比較了純光交換和電交換的差異。最后展示了光交換發(fā)展的幾大趨勢。

關(guān)鍵詞：光交換類型電交換趨勢

現(xiàn)代通信網(wǎng)中，先進(jìn)的光纖通信技術(shù)以其高速、帶寬的明顯特征而為世人矚目。實(shí)現(xiàn)透明的、具有高度生存性的全光通信網(wǎng)是寬帶通信網(wǎng)未來發(fā)展目標(biāo)。從系統(tǒng)角度來看，支撐全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)又基本上可分為光監(jiān)控技術(shù)、光交換技術(shù)、光放大技術(shù)和光處理技術(shù)幾大類。而光交換技術(shù)作為全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個重要支撐技術(shù)，它的全光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，可以這樣說光交換技術(shù)的發(fā)展在某種程度上也決定了全光通信的發(fā)展。

一、什么是光交換

光交換(photonicswitching)技術(shù)也是一種光纖通信技術(shù)，它是在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。與電子數(shù)字程控交換相比，光交換無須在光纖傳輸線路和交換機(jī)之間設(shè)置光端機(jī)進(jìn)行光/電（O/E）和電/光（E/O）交換，而且在交換過程中，還能充分發(fā)揮光信號的高速、寬帶和無電磁感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。光纖傳輸技術(shù)與光交換技術(shù)融合在一起，可以起到相得益彰的作用，從而使光交換技術(shù)成為通信網(wǎng)交換技術(shù)的一個發(fā)展方向。

光交換技術(shù)可以分成光路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)。光路光交換可利用ＯＡＤＭ、ＯＸＣ等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，而分組光交換對光部件的性能要求更高，由于目前光邏輯器件的功能還較簡單，不能完成控制部分復(fù)雜的邏輯處理功能，因此國際上現(xiàn)有的分組光交換單元還要由電信號來控制，即所謂的電控光交換。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，光交換技術(shù)的最終發(fā)展趨勢將是光控光交換。

隨著通信網(wǎng)絡(luò)逐漸向全光平臺發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、路由、保護(hù)和自愈功能在光通信領(lǐng)域中越來越重霎。光交換技術(shù)能夠保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和提供靈活的信號路由平臺，盡管現(xiàn)有的通信系統(tǒng)都采用電路交換技術(shù)，但發(fā)展中的全光網(wǎng)絡(luò)卻需要由純光交換技術(shù)來完成信號路由功能以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性。光交換技術(shù)為進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的高速信息流提供動態(tài)光域處理，僅將屬于該節(jié)點(diǎn)及其子網(wǎng)的信息上下路并交由電交換設(shè)備繼續(xù)處理，這樣具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（A）可以克服純電子交換的容量瓶頸問題；（B）可以大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本。如果采用全光網(wǎng)技術(shù)，將使網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省70%，設(shè)備費(fèi)用節(jié)省90%；（C）可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，以及加快網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的時間。

二、光交換技術(shù)的分類

光交換技術(shù)可以分成光路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)。

（一）光路交換技術(shù)

光路交換系統(tǒng)所涉及的技術(shù)有空分交換技術(shù)（SD）、時分交換技術(shù)（TD）、波分/頻分交換技術(shù)（WD/FD）、碼分交換技術(shù)和復(fù)合型交換技術(shù)，其中空分交換技術(shù)包括波導(dǎo)空分和自由空分光交換技術(shù)。其中空分交換按光矩陣開關(guān)所使用的技術(shù)又分成兩類，一是基于波導(dǎo)技術(shù)的波導(dǎo)空分，另一個是使用自由空間光傳播技術(shù)的自由空分光交換。光分組交換中，異步傳送模式是近年來廣泛研究的一種方式。

1、時分光交換技術(shù)（TDPS）TDPS的基本原理與現(xiàn)行的電子程控交換中的時分交換系統(tǒng)完全相同，因此它能與采用全光時分多路復(fù)用方法的光傳輸系統(tǒng)匹配。在這種技術(shù)下，可以時分復(fù)用各個光器件，能夠減少硬件設(shè)備，構(gòu)成大容量的光交換機(jī)。該技術(shù)組成的通信技術(shù)網(wǎng)由時分型交換模塊和空分型交換模塊構(gòu)成。它所采用的空分交換模塊與上述的空分光交換功能塊完全相同，而在時分型光交換模塊中則需要有光存儲器（如光纖延遲存儲器、雙穩(wěn)態(tài)激光二極管存儲器）、光選通器（如定向復(fù)合型陣列開關(guān)）以進(jìn)行相應(yīng)的交換。

2、空分光交換技術(shù)（SDPS）

SDPS的基本原理是將光交換組成門（Gate）陣列開關(guān)，并適當(dāng)控制門陣列開關(guān)，即可在任一路輸入光纖和任一輸出光纖之間構(gòu)成通路。因其交換元件的不同可分為機(jī)械型、光電轉(zhuǎn)換型、復(fù)合波導(dǎo)型、全反射型和激光二極管門開關(guān)等，如耦合波導(dǎo)型交換元件鑰酸鉀，它是一種電光材料，具有折射率隨外界電場的變化而發(fā)生變化的光學(xué)特性。以鈮酸鉀為基片，在基片上進(jìn)行鈦擴(kuò)散，以形成折射率逐漸增加的光波導(dǎo)，即光通路，再焊上電極后即可將它作為光交換元件使用。當(dāng)將兩條很接近的波導(dǎo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合，通過這兩條波導(dǎo)的光束將發(fā)生能量交換。能量交換的強(qiáng)弱隨復(fù)合系數(shù)。平行波導(dǎo)的長度和兩波導(dǎo)之間的相位差變化，只要所選取的參數(shù)適當(dāng)，光束就在波導(dǎo)上完全交錯，如果在電極上施加一定的電壓，可改變折射率及相位差。由此可見，通過控制電極上的電壓，可以得到平行和交叉兩種交換狀態(tài)。

3、波分光交換（WDPS）

WDPS充分利用光路的寬帶特性，獲得電子線路所不能實(shí)現(xiàn)的波分型交換網(wǎng)。可調(diào)波長濾波器和波長變換器是實(shí)現(xiàn)波分（WD）光交換的基本元件。前者的作用是從輸入的多路波分光信號中選出的光信號；后者則將可變波長濾波器選出的光信號變換為適當(dāng)?shù)牟ㄩL后輸出。WDPS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)等效于一個NxN陣列型交換系統(tǒng)。它將每個輸入的光波變換成波長(1-(N中的一個波，用星型耦合器將這N條光波混合，再通過輸出端的可調(diào)波長濾波器，分別選出所需波長的光波，這樣就完成了N條光波的交換。也可在兩個輸出端口上選取波長相同的光波，以實(shí)現(xiàn)廣播分配型的通信。4、復(fù)合光交換技術(shù)

該技術(shù)是指在一個交換網(wǎng)絡(luò)中同時應(yīng)用兩種以上的光交換方式。例如，在波分技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)大規(guī)模交換網(wǎng)絡(luò)的一種方法是進(jìn)行多級鏈路連接，鏈路連接在各級內(nèi)均采用波分交換技術(shù)。因這種方法需要把多路信號分路接入鏈路，故抵消了波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)。解決這個問題的措施是在鏈路上利用波分復(fù)用方法，實(shí)現(xiàn)多路化鏈路的連接，空分波分復(fù)合型光交換系統(tǒng)就是復(fù)合型光交換技術(shù)的一個應(yīng)用�？辗植ǚ謴�(fù)合型光交換系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是，鏈路級數(shù)和交換元件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，可提供廣播型的多路連接。另一種極有前途的大容量復(fù)合型光交換系統(tǒng)就是時分波分復(fù)合型交換模塊。其復(fù)用度是時分多路復(fù)用度與波分復(fù)用度的乘積，即二者復(fù)用度分別為8時，可實(shí)現(xiàn)64路復(fù)合型交換。若將這種交換模塊用于4級鏈路連接的網(wǎng)絡(luò)，則可構(gòu)成最大終端數(shù)為4096的大容量交換網(wǎng)絡(luò)。

（二）分組交換技術(shù)

光分組交換系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：光分組交換（ＯＰＳ）技術(shù)；光突發(fā)交換（ＯＢＳ）技術(shù)；光標(biāo)記分組交換（ＯＭＰＬＳ）技術(shù)；光子時隙路由（ＰＳＲ）技術(shù)等。這些技術(shù)能確保用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光波技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行。

光突發(fā)交換為IP骨干網(wǎng)的光子化提供了一個非常有競爭力的方案。一方面，通過光突發(fā)交換可以使現(xiàn)有的IP骨干網(wǎng)的協(xié)議層次扁平化，更加充分的利用DWDM技術(shù)的帶寬潛力；另外一方面，由于光突發(fā)交換網(wǎng)對突發(fā)包的數(shù)據(jù)是完全透明的，不經(jīng)過任何的光電轉(zhuǎn)化，從而使光突發(fā)交換機(jī)能夠真正的實(shí)現(xiàn)所謂的T比特級光路由器，徹底消除由于現(xiàn)在的電子瓶頸而導(dǎo)致的帶寬擴(kuò)展困難。此外，光突發(fā)交換的QoS支持特征也符合下一代Internet的要求。因此，光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)很有希望取代當(dāng)前基于ATM/SDH架構(gòu)和電子路由器的IP骨干網(wǎng)，成為下一代光子化的Internet骨干網(wǎng)。作為一項(xiàng)具有廣泛前景和技術(shù)優(yōu)勢的交換方式，光突發(fā)交換技術(shù)已引起了國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，我國的863計(jì)劃已將光突發(fā)交換技術(shù)列為重點(diǎn)資助項(xiàng)目。

從應(yīng)用的角度，光突發(fā)交換還有一些重要的課題需要研究。突發(fā)封裝，突發(fā)偏置時延的管理，數(shù)據(jù)和控制信道的分配，QoS的支持，交換節(jié)點(diǎn)光緩存的配置(如果需要的話)等問題還需要作深入研究。對于光突發(fā)交換網(wǎng)來說，在邊緣路由器光接收機(jī)上的突發(fā)快速同步也是對系統(tǒng)效率有重要影響的問題。光緩存中光纖延遲線的配置與突發(fā)長度的統(tǒng)計(jì)分布相關(guān)，而突發(fā)長度又取決于突發(fā)封裝過程；突發(fā)封裝、光路由器的規(guī)模、數(shù)據(jù)和控制信道組的大小又會影響突發(fā)偏置時延的管理；交換節(jié)點(diǎn)的分配器和控制器運(yùn)行快慢以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模又會反過來影響突發(fā)封裝。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)當(dāng)中，所有的這些問題都必須仔細(xì)考慮和規(guī)劃。由于光纖延遲線的限制，為了降低丟包率，光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)必須通過波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)信道成組來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)復(fù)用。如何在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)組播功能也是一項(xiàng)非常重要的課題，為了實(shí)現(xiàn)組播，光開關(guān)矩陣和交換控制單元都必須具備組播能力，且二者之間必須能有效地協(xié)調(diào)。此外，將光突發(fā)交換與現(xiàn)有的動態(tài)波長路由技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，可以使網(wǎng)絡(luò)具有更有效的調(diào)配能力，但也需要進(jìn)一步的細(xì)致研究。

光分組交換技術(shù)獨(dú)秀之處在于：一是大容量、數(shù)據(jù)率和格式的透明性、可配置性等特點(diǎn)，支持未來不同類型數(shù)據(jù)；二是能提供端到端的光通道或者無連接的傳輸；三是帶寬利用效率高，能提供各種服務(wù)，滿足客戶的需求；四是把大量的交換業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到光域，交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時光分組技術(shù)與OXC、MPLS等新技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與資源的合理利用因而，光分組交換技術(shù)勢必成為下一代全光網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的“寵兒”。

光分組技術(shù)的制約因素：光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)有光分組的產(chǎn)生、同步、緩存、再生，光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。光分組交換技術(shù)與電分組技術(shù)相比，光分組交換技術(shù)經(jīng)歷了近10年的研究，卻還沒有達(dá)到實(shí)用化，主要有兩大原因：第一是缺乏深度和快速光記憶器件，在光域難以實(shí)現(xiàn)與電路由器相同的光路由器；第二是相對于成熟的硅工業(yè)而言，光分組交換的集成度很低，這是由于光分組本身固有的限制以及這方面工作的不足造成的。通過近期的技術(shù)突破與智能的光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可充分地利用光與電的優(yōu)勢來克服這些不利因素。

三、純光交換和電交換比較

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，很多人預(yù)言純光交換將會很快取代電交換在核心電信網(wǎng)絡(luò)中的地位。但是仔細(xì)地研究電交換和純光交換技術(shù)就會發(fā)現(xiàn)它們有著非常不同的特征，因此，不存在后者完全取代前者的可能性。這兩種技術(shù)將很可能共存于電信網(wǎng)絡(luò)中。

1、光與電的比較

目前有兩種技術(shù)能夠滿足光交換的廣泛需求。這里的光交換是指用光纖傳輸信號的交換。舉例來說，假設(shè)有一個OC-48或OC-192業(yè)務(wù)流要從舊金山通過光纖傳送到紐約。從端局到端局之間的長途傳輸可采用DWDM。但在每個端局中也需要信號指向下一條路徑，包括指定到紐約使用的鏈路、光纖和波長。光交換可以通過純光技術(shù)或電技術(shù)實(shí)現(xiàn)。純光交換機(jī)可使用反射或折射效應(yīng)來重定向光束。電交換機(jī)則是對從光信號中提取的電信號比特流進(jìn)行處理。電交換可利用現(xiàn)有的多種交換機(jī)體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

純光交換有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)。光纖中承載的是光信號，當(dāng)它們通過交換機(jī)時不必進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。純光交換機(jī)的另一個優(yōu)點(diǎn)是：它的運(yùn)行與光信號的比特速率無關(guān)。不管光纖中的信號速率是OC-48、OC-192還是OC-768(40Gb/s)都一樣。對于光信號，交換機(jī)的作用只是把它加以反射而不考慮它的速率。正是根據(jù)這一特點(diǎn)，純光交換機(jī)廠商宣稱他們的設(shè)備能隨傳輸速率而擴(kuò)展。由于以上兩個優(yōu)點(diǎn)，人們對于純光交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究和商業(yè)投資。然而，純光交換結(jié)構(gòu)并不能完全滿足光交換的需求。純光交換在某種程度上說也有其局限性。如，純光交換機(jī)對于數(shù)據(jù)來說是透明的，這將會給業(yè)務(wù)量的管理和整形帶來困難。2、電交換結(jié)構(gòu)

當(dāng)光纖從街道進(jìn)入端局時，通常要先對光信號進(jìn)行處理，包括信號放大、光性能監(jiān)測以及將波長解復(fù)用到獨(dú)立的物理光纖上。所有這些操作對于光交換方案來說都是通用的。下一步是將每一個長距DWDM信號送到轉(zhuǎn)發(fā)器中，后者從長途側(cè)接收光信號，產(chǎn)生一個電信號流，然后將其轉(zhuǎn)換為一個短距（1310nm）光信號。轉(zhuǎn)發(fā)器的主要功能是接收長距信號并將其轉(zhuǎn)換為短距信號。這一短距信號在端局內(nèi)被傳送到光交換機(jī)。光交換機(jī)將短距信號轉(zhuǎn)換為電信號后交換到另一端口，然后將其再轉(zhuǎn)換為短距信號。實(shí)現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)換的交換機(jī)被稱為光-電-光（OEO）交換機(jī)。處理過程的最后一步是通過另一個轉(zhuǎn)發(fā)器將短距信號再轉(zhuǎn)換為長距信號并將其復(fù)用到光纖中。

在這種模型中，光交換機(jī)的主要功能是將一根光纖上的每一個輸入波長連接到另一根光纖的一個不同的波長。一般說來，任何輸入流都可通過交換被轉(zhuǎn)移到任何光纖上的任何可用波長上。這是一種非常靈活的結(jié)構(gòu)，它還能方便地執(zhí)行信號的再生并允許對數(shù)據(jù)流進(jìn)行SONET水平上的性能監(jiān)測。這種體系結(jié)構(gòu)的成本完全取決于光電（OE）轉(zhuǎn)換。

3、純光交換結(jié)構(gòu)

長途網(wǎng)中所使用的純光交換機(jī)有兩種模型。在這一例子中，與電模型類似，第一步也是光信號處理。分離的波長被識別后便直接通過純光結(jié)構(gòu)被交換到輸出端，然后，這些波長在輸出端經(jīng)光信號處理被送到下一條鏈路進(jìn)行傳輸。這種模型很顯然幾乎沒有OE轉(zhuǎn)換，但它失去了一些關(guān)鍵功能。

全光模型主要有三個局限性，其中最重要的是輸入波長和輸出波長必須相同。在一個大型網(wǎng)絡(luò)中，這很快就會產(chǎn)生問題。例如，在兩個不同的輸入光纖上的第35號通道都要求輸出到同一根光纖時，由于在輸出光纖中只能有一個第35號通道而無法實(shí)現(xiàn)。因此只有一個信號將會被允許通過，而另一個信號則不能使用相同的路由。這種現(xiàn)象稱為波長阻塞。

這種簡單模型的第二個問題是它不能在SONET層上完成性能監(jiān)測。這一功能在光層不能被簡單地復(fù)制。全光模型存在的第三個嚴(yán)重問題是它只能對整個波長進(jìn)行交換。大多數(shù)運(yùn)營商都希望能在他們的核心網(wǎng)中交換OC-48信號。如果光纖傳輸速率為OC-48，那么交換是不成問題的。但是在現(xiàn)有的核心網(wǎng)中更常見的傳輸速率是OC-192，這不是運(yùn)營商所希望的傳輸粒度。當(dāng)傳輸速率超過OC-192時情況會變得更困難。注意：我們忽略了在單一鏡面上交換多個波長的例子。這屬于不同的應(yīng)用范籌。

四、光交換技術(shù)的發(fā)展趨勢

1、智能自動化

智能自動交換光網(wǎng)絡(luò)即網(wǎng)絡(luò)的管理和控制具有智能化特點(diǎn)，能夠動態(tài)、自動地完成端到端光通道的建立、拆除和修改。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，應(yīng)該能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔�、可用的資源信息、配置信息等動態(tài)指配最佳恢復(fù)路由。對這種技術(shù)的需求源自互聯(lián)網(wǎng)容量的增長。容量的增長要求光交換層的交換能力不斷增強(qiáng)，使之向更易于管理、更加靈活和更具有健壯性，同時業(yè)務(wù)指配和故障恢復(fù)也能夠更快地自動完成并具有智能性的方向發(fā)展。近期，在組網(wǎng)技術(shù)方面的兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展使得對光網(wǎng)絡(luò)帶寬的動態(tài)指配成為可能。首先是可重構(gòu)型的光聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的開發(fā)成功，如光交叉連接器和光分插復(fù)用器，使得由運(yùn)營商動態(tài)支配帶寬成為現(xiàn)實(shí)。另外，由于在IP路由器、ATM交換機(jī)等設(shè)備中強(qiáng)化了新的流量技術(shù)和路由技術(shù)，使這些設(shè)備具有了動態(tài)決定增減帶寬的能力。這兩種技術(shù)的使用，為傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)引入了智能控制和管理信令，從而使光網(wǎng)絡(luò)具有了智能性和自動性，為發(fā)展按需分配帶寬和買賣帶寬的新型商業(yè)模式提供了條件。2、全光交換

所謂全光交換是指從波長到波長的轉(zhuǎn)換，基于這種技術(shù)的光交換或波長路由器能使網(wǎng)絡(luò)配置更靈活，使運(yùn)營商可以在光骨干網(wǎng)中方便地提供OC-1到光波長的業(yè)務(wù)，把選路定位在波長上而不是光纖上，遇到故障可以自動恢復(fù)工作。由于無須ATM交換機(jī)、SONETADM和數(shù)字交叉連接器等設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)將得到大大簡化。近期在光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)熱潮中，運(yùn)營商和制造商都顯示出了對全光交換設(shè)備的濃厚興趣，預(yù)計(jì)成熟的產(chǎn)品很快就能面世。

現(xiàn)代波分復(fù)用（WDM）、空分復(fù)用、時分復(fù)用和碼分復(fù)用等復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了光信號交換和控制的方式，使得全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展呈現(xiàn)出全新的面貌。專家認(rèn)為，未來全光網(wǎng)絡(luò)的主要構(gòu)架可能就是以WDM技術(shù)為主導(dǎo)，結(jié)合光時分復(fù)用（OTDM）和光碼分復(fù)用（OCDMA）技術(shù)。OTDM技術(shù)可以使一個固定波長的光波攜帶信息量十幾倍、幾十倍地增長，OCDMA則提供一種全光的接入方式。

3、光交換機(jī)多樣化

目前市場上出現(xiàn)的光交換機(jī)大多數(shù)是基于光電和光機(jī)械的，隨著光交換技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于熱學(xué)、液晶、聲學(xué)、微機(jī)電技術(shù)的光交換機(jī)將會逐步被研究和開發(fā)出來。

由光電交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交換機(jī)通常在輸入輸出端各有兩個有光電晶體材料的波導(dǎo)，而最新的光電交換機(jī)則采用了鋇鈦材料，這種交換機(jī)使用了一種分子束取相附生的技術(shù)，與波導(dǎo)交換機(jī)相比，該交換機(jī)消耗的能量比較小�；�于光機(jī)械技術(shù)的光交換機(jī)是目前比較常見的交換設(shè)備，該交換機(jī)通過移動光纖終端或棱鏡來來將線引導(dǎo)或反射到輸出光纖，實(shí)現(xiàn)輸入光信號的機(jī)械交換。光機(jī)械交換機(jī)交換速度為毫秒級，但它成本較低，設(shè)計(jì)簡單和光性能較好，而得到廣泛應(yīng)用。使用熱光交換技術(shù)的交換機(jī)由受熱量影響較大的聚合體波導(dǎo)組成，它在交換數(shù)據(jù)信息時，由分布于聚合體堆中的薄膜加熱元素控制。當(dāng)電流通過加熱器時，它改變波導(dǎo)分支區(qū)域內(nèi)的熱量分布，從而改變折射率，將光從主波導(dǎo)引導(dǎo)自目的分支波導(dǎo)。熱光交換機(jī)體積非常小，能實(shí)現(xiàn)微秒級的交換速度。

隨著液晶技術(shù)的成熟，液晶光交換機(jī)將會成為光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個重要設(shè)備，該交換設(shè)備主要由液晶片、極化光束分離器、成光束調(diào)相器組成，而液晶在交換機(jī)中的主要作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。當(dāng)電極上沒有電壓時，經(jīng)過液晶片的光線極化角為90°，當(dāng)有電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持它的極化狀態(tài)不變。而由聲光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光交換設(shè)備，因其中加入了橫向聲波，從而可以將光線從一根光纖準(zhǔn)確地引導(dǎo)到另一根光纖，該類型的交換機(jī)可以實(shí)現(xiàn)微秒級的交換速度，可方便地構(gòu)成端口較少的交換機(jī)。但它不適合用于矩陣交換機(jī)。另外，市場上目前又開發(fā)了基于不同類型的特殊微光器件的光交換機(jī)，這種類型的交換機(jī)可以由小型化的機(jī)械系統(tǒng)激活，而且它的體積小，集成度高，可大規(guī)模生產(chǎn)，我們相信這種類型的交換機(jī)在生產(chǎn)工藝水平不斷提高的將來，一定能成為市場的主流。

1]計(jì)育青.日新月異的光通信技術(shù).中國電子報(bào),201*年03月14日.

[2]IanWright,MarcSchwager,RobNewman.Electricalorphotonic:yingandyangofswitching.Lightwave,201*.6.

[3]光交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱點(diǎn)跟蹤.通信產(chǎn)業(yè)報(bào),201*.11.27.

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光交換技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

光交換技術(shù)是用光纖來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)交換傳輸技術(shù)。光纖通信的發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)最大可能地利用光纖給人們提供巨大帶寬資源將信息進(jìn)行無阻礙的傳輸和交換。多年以前，人們就提出了構(gòu)建全光網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，那是一個完全建立在光域上進(jìn)行信息采集、處理、放大、存儲、傳輸、交換、恢復(fù)全過程光學(xué)化的理想光子網(wǎng)絡(luò)。然而，如此美好的設(shè)想在技術(shù)方面的實(shí)施卻是極其艱難的。目前人們心中的全光網(wǎng)已經(jīng)被廣義化了，現(xiàn)在的全光網(wǎng)是指在網(wǎng)絡(luò)中光信息流的傳輸和交換過程是以光的形式存在和完成，而電子技術(shù)在其中仍然發(fā)揮著極其重要的作用，例如用電子電路實(shí)現(xiàn)控制等得網(wǎng)絡(luò)。

隨著信息化的發(fā)展，各種新型業(yè)務(wù)對通信網(wǎng)的寬帶和容量提出了更高的要求。但是，在目前的光纖通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)要經(jīng)過多次的光-電、電-光變換，而其中的電子器件在適應(yīng)高速、大容量的需求上存在諸多缺點(diǎn)，如帶寬限制、時鐘偏移、嚴(yán)重串話、高功耗等，由此產(chǎn)生通信網(wǎng)中的“電子瓶頸”現(xiàn)象。而且目前的電子交換機(jī)和信息處理網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)接近了電子速率的極限。為了解決這一問題，充分發(fā)揮光纖通信的極寬頻帶、抗電磁干擾、保密性強(qiáng)、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，研究人員開始在交換系統(tǒng)中引入光交換技術(shù)。

廣義化的全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一個由光學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，但必須指出的是，在廣義化的全光網(wǎng)絡(luò)中，光學(xué)技術(shù)是主體，電子學(xué)技術(shù)只是輔助，這是有別于傳統(tǒng)的由O/E、E/O變換所構(gòu)成的光電結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的。

光電網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提供巨大的帶寬。使人們上網(wǎng)的速度大大提高，節(jié)約了大量時間與精力，上網(wǎng)更加流暢，尤其是對企業(yè)用戶而言，能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化；（2）與如今所用的銅線相比，處理速度高且誤碼率低，且維護(hù)費(fèi)用低了很多；（3）采用光路交換的全光網(wǎng)絡(luò)具有協(xié)議透明性，即對信號形式不限制。允許采用不同的速率和協(xié)議，有利于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的靈活性；（4）全光網(wǎng)中采用了較多無源光器件，省去了龐大的光電光轉(zhuǎn)換工作量及設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)整體的交換速度，降低了成本并有利于提高可靠性。

有如下幾種光交換模式：

碼分光交換,是指對進(jìn)行了直接光編碼和光解碼的碼分復(fù)用光信號在光域內(nèi)進(jìn)行交換的方法。所謂碼分復(fù)用,就是靠不同的編碼來區(qū)分各路原始信號,而碼分光交換則是由具有光編解碼功能的光交換器將輸入的某一種編碼的光信號變成另一種編碼的光信號進(jìn)行輸出,由此來達(dá)到交換目的。隨著光碼分復(fù)用(OCDMA)技術(shù)的發(fā)展,碼分光交換技術(shù)必將得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

復(fù)合型交換技術(shù),由于各種光交換技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不同的適應(yīng)性，將幾種光交換技術(shù)合適地復(fù)合起來進(jìn)行應(yīng)用能夠更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢,以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。已見介紹的復(fù)合型光交換主要有:(1)空分/時分光交換系統(tǒng);(2)波分/空分光交換系統(tǒng);(3)頻分/時分光交換系統(tǒng);(4)時分/波分/空分光交換系統(tǒng)等。例如,將時分和波分技術(shù)合起來可以得到一種極有前途的大容量復(fù)合型光交換模塊,其復(fù)用度是時分多路復(fù)用度與波分復(fù)用度的乘積。如果他們的復(fù)用度分別為8,則可實(shí)現(xiàn)64路的時分2波分復(fù)合型交換。將此種交換模塊用于4級鏈路連接的網(wǎng)絡(luò),可以構(gòu)成最大終端數(shù)為4096的大容量交換網(wǎng)絡(luò)。分組交換也稱包交換，它是將用戶傳送的數(shù)據(jù)劃分成一定的長度，每個部分叫做一個分組。在每個分組的前面加上一個分組頭，用以指明該分組發(fā)往何地址，然后由交換機(jī)根據(jù)每個分組的地址標(biāo)志，將他們轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，這一過程稱為分組交換。進(jìn)行分組交換的通信網(wǎng)稱為分組交換網(wǎng)。從交換技術(shù)的發(fā)展歷史看，數(shù)據(jù)交換經(jīng)歷了電路交換、報(bào)文交換、分組交換和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字交換的發(fā)展過程。分組交換實(shí)質(zhì)上是在“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它

兼有電路交換和報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)。分組交換在線路上采用動態(tài)復(fù)用技術(shù)傳送按一定長度分割為許多小段的數(shù)據(jù)分組。每個分組標(biāo)識后，在一條物理線路上采用動態(tài)復(fù)用的技術(shù)，同時傳送多個數(shù)據(jù)分組。把來自用戶發(fā)端的數(shù)據(jù)暫存在交換機(jī)的存儲器內(nèi)，接著在網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)。到達(dá)接收端，再去掉分組頭將各數(shù)據(jù)字段按順序重新裝配成完整的報(bào)文。分組交換比電路交換的電路利用率高，比報(bào)文交換的傳輸時延小，交互性好。

光突發(fā)交換技術(shù)，它的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)分組和控制分組獨(dú)立傳送，在時間上和信道上都是分離的，它采用單向資源預(yù)留機(jī)制，以光突發(fā)作為最小的交換單元。obs克服了ops的缺點(diǎn)，對光開關(guān)和光緩存的要求降低，并能夠很好的支持突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)，同時與ocs相比，它又大大提高了資源分配的靈活性和資源的利用率。被認(rèn)為很有可能在未來互聯(lián)網(wǎng)中扮演關(guān)鍵角色。OBS結(jié)合了光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢，同時避免了它們的缺點(diǎn)。通過控制與數(shù)據(jù)在時間和空間上的分離，控制分組提前發(fā)送，并在中間節(jié)點(diǎn)經(jīng)過電信息處理，從而為數(shù)據(jù)分組預(yù)留相應(yīng)的資源。而數(shù)據(jù)分組隨控制分組之后傳送，在中間節(jié)點(diǎn)通過預(yù)留好的資源直通，無需光/電/光處理。同時它具有延時小(單向預(yù)留)，帶寬利用率(統(tǒng)計(jì)復(fù)用)，效率高，交換靈活、數(shù)據(jù)透明、交換容量大(電控光交換)等特點(diǎn)，可以達(dá)到Tb/s級的交換容量，甚

至Pb/s量級。因此，OBS網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于不斷發(fā)展的大型城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。

光標(biāo)記分組交換技術(shù)，也稱為gmpls或多協(xié)議波長交換.它是mpls技術(shù)與光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合。mpls是多層交換技術(shù)的最新進(jìn)展，將mpls控制平面貼到光的波長路由交換設(shè)備的頂部就具有mpls能力的光節(jié)點(diǎn)。由mpls控制平面運(yùn)行標(biāo)簽分發(fā)機(jī)制，向下游各節(jié)點(diǎn)發(fā)送標(biāo)簽，標(biāo)簽對應(yīng)相應(yīng)的波長，由各節(jié)點(diǎn)的控制平面進(jìn)行光開關(guān)的倒換控制，建立光通道。201*年5月ntt開發(fā)出了世界首臺全光交換mpls路由器，結(jié)合wdm技術(shù)和mpls技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全光狀態(tài)下的ip數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。為了能適應(yīng)未來智能光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)地提供網(wǎng)絡(luò)資源和傳送信令的要求，我們需要對傳統(tǒng)的MPLS進(jìn)行擴(kuò)展和更新。OMPLS正是MPLS向光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的產(chǎn)物，它在支持傳統(tǒng)的分組交換、時分交換、波長交換和光纖交換的同時，還對原有的路由協(xié)議、信令協(xié)議作了修改和擴(kuò)展。

對光交換的探索始于20世紀(jì)70年代，80年代中期發(fā)展比較迅速。目前對光交換所需器件的研究已具有相當(dāng)水平。在光器件技術(shù)推動下，光交換系統(tǒng)技術(shù)的研究也有了很大進(jìn)展。第一步進(jìn)行電控光交換，即信號交換是全光的，而光器件的控制仍由電子電路完成。目前實(shí)用系統(tǒng)大都處于這一水平，相關(guān)成果報(bào)道得也比較多。第二步為全光交換技術(shù)，即系統(tǒng)的邏輯、控制和交換均由光子完成。

我國在“七五”期間就開展了光交換技術(shù)的研究，并將光交換技術(shù)列為“八五”、“九五”期間的高科技基礎(chǔ)研究課題。1990年，清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了我國第一個時分光交換演示系統(tǒng)。1993年，北京郵電大學(xué)光通信技術(shù)研究所研制出光時分交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。目前，光交換技術(shù)市場日益成熟，價格也在迅速下降。許多運(yùn)營商，比如GlobalCrossing、法國電信和日本電信等都已經(jīng)計(jì)劃在他們的網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用光交換技術(shù)。目前北京聯(lián)通已實(shí)現(xiàn)8M寬帶入戶，隨著帶寬的提升，北京三網(wǎng)融合項(xiàng)目之一的互聯(lián)網(wǎng)高清電視項(xiàng)目已經(jīng)啟動，今年年底，聯(lián)通將推出此業(yè)務(wù)。

此前，北京市政府要求，到201*年底，互聯(lián)網(wǎng)家庭入戶帶寬要超過20M。推進(jìn)光纖到樓入戶，逐步替代傳統(tǒng)銅纜。在此基礎(chǔ)上，北京聯(lián)通早在201*年便開始實(shí)施“全光寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程”，預(yù)計(jì)在三年內(nèi)基本完成光纖到戶的覆蓋。據(jù)聯(lián)通公司的統(tǒng)計(jì)，截至201*年上半年，光纖到戶在全市覆蓋率為42%；預(yù)計(jì)到201*年底，光纖到戶在全市覆蓋率將達(dá)到55%。這對公司和個人無疑都是極好的消息，光交換技術(shù)的前景會越來越好。

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