新型光交换技术的发展

2015-06-24顾少华丁宝华史云鹏辜鹏谢

电脑知识与技术 2015年11期

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摘要：光通信网络中光交换技术是其核心，如今发挥着越来越重要的作用。该文首先对光交换技术的概念和特点作了简介，并对几种典型的光路光交换和分组光交换的技术进行了综述。

关键词：光交换；光路光交换；分组光交换

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0035-02

随着光纤传输技术和现代通信技术的不断发展，原有的电通信正在被速率高、带宽大的光通信技术取代，宽带通信网的未来发展目标将是如何使透明的、生存性较强的全光通信网络变成现实。现代光交换技术是全光通信网的核心基础技术之一，在一定程度上影响着全光通信的未来发展。

1 技术特点

光交换技术是光纤通信技术的一种，它是对光纤中传送到来的光信号进行不做任何处理的交换，跟以往电子数字程控交换技术进行对比，光交换不必在光纤和交换机间加装光电转换设备，在进行交换的时候也能够充分地展现光信号具有的速度快、带宽高和不产生电磁感应的特点，将输入的光信号直接交换到不同的输出端。

光交换技术能够向到来的高速信息流提供光域下的动态处理，只把本节点和子节点的信息上下路交由电交换设备继续处理，优点如下：

1）能够最大程度上避免纯电子交换的存在地容量门限问题；

2）能够使网络建设与网络改造的成本大大减少；

3）使网络重构的灵活性和生存性提高了很大一截，同时使网络恢复的时间缩短。

2 空分光交换

空分光交换也就是将光信号在空域中进行交换，光交换中最小的功能元件即是空间光开关。空分光交换的作用是在空间上改变光信号的发送通道。空间光开关能够通过连接构成空分光交换单元，也能够和别的功能开关一起组建时分交换单元或波分交换单元。

2×2的光交换模块是空分光交换的最基本单元，其输入端和输出端均为两根光纤，有平行连接和交叉连接两种工作状态，这有三种实现方案：

1）采用一个2×2光开关器件，如基于电光材料铌酸锂（LiNbO3）的定向耦合器，如图1所示；

2）采用四个1×2光开关器件，如Y分支型的InP数字光开关，用光纤按如图2所示进行互联；

3）采用四个1×2光耦合器和四个门型光开关按如图3所示构成，四个光耦合器作用是把一个或多个光输入分配给多个或一个输出，四个门型光开关可选用半导体光放大器或光门电路等。

图1 基于定向耦合器的光交换模块

图2 基于Y分支型数字光开关的光交换模块

图3 基于光耦合器和门型光开关的光交换模块

其中方案1、2的2×2和1×2光开关器件都属于波导型光开关，都是由外部控制波导的折射率，选择输出波导。折射率控制由电流注入/外加电场或通过加热来进行。这类光开关在交换信号时，除了其本身的插入损耗外，将把所有的信号功率交换到出线去。方案3中的光开关将把一半的光能浪费掉，从而引入附加损耗，且交换的路数越多，损耗越大。用光放大器作门型光开关可以解决这个问题。但是空间光开关多级互连成大型交换单元时，光放大器引入的放大的自发辐射和通带变窄等问题难以解决。不过方案3中的光开关具有广播发送能力，这在提供点到多点和广播业务是非常有用的。

3 时分光交换

与空分光交换不同的是时分光交换的基础是时分复用，将时间划分为多个没有重叠区间的时隙，不同的子信道建立在不同的时隙中，把复用的光信号的所处的时间位置在时域上进行转换，其采用的原理即是电子程控交换的时分交换系统，能够在采用全光时分多路复用方法的光传输中时分复用光器件，减少硬件设备的投入，提高光交换机的容量。

进行时分光交换时，需要通过时隙交换器把输入信号某一时隙交换到其他时隙输出。需要通过光缓存器来实现时隙的交换，能够将时分复用信号按某种顺序写入储存器中，再按照其他顺序进行读取，如此操作时隙交换便已完成。光延时线可作为光缓存器来使用，利用光延时线的进行时分光交换的原理如下：

1）采用光分路器将时分复用的光信号输出至光延时线，保证每条光延时线上仅存在一个时隙的光信号；

2）将输出的光信号通过不同时间的光延时器件，使其时间延迟不同；

3）然后采用光合路器将输出的光信号进行整合，时分光交换即实现，如图4。

图4 时分光交换示意

4 波分光交换

波分光交换中的每个波长代表不同的信道，其把波分复用信号进行波长变换，即可实现波长信道的交换功能。使波分光交换实现的最基本元件为可调波长滤波器及波长变换器，可调波长滤波器的功能是在输入的光信号中挑选需要进行波长变换的信号，而波长变换器是将选出的光信号进行不同波长的变换后输出，如图5。

图5 波分光交换示意

通常情况下，光波复用系统的源和目的端传递信号采用的波长均相同，这样可以在多路复用中使终端设备变得简单。在此基础上，光波分交换需用在传输系统的中间节点上，这样能够满足光波分复用系统终端的通用性，从而使传输系统资源的利用率提高。

5 光分组交换

光分组作为光分组交换中最小的交换颗粒，采用的是单向预约的机制，不需要在数据传输之前提前进行路由的建立、资源的分配。在光分组交换中使用的分组占用同样长度的时隙，光分组交换数据包的格式由三部分组成：光分组头、净负荷及预留保护时隙，如图6。在光分组头中装入目的地址、分组序列等信息，净负荷与光分组头一起在同一个光路中进行传输，净负荷在网络某个节点中需要进行缓存，等待光分组头的处理来确定路由。光分组交换具有非常高的资源利用率优势，适应突发数据的能力非常强大，这样全光的分组交换将会是未来的发展前景。

图5 光分组交换分组格式

6 小结与展望

本文阐述了光交换技术的特点，对空分光交换、时分光交换、波分光交换、光分组交换等几种光路光交换技术的原理和特点进行了综述。

光交换技术作为下一代光互联网的基础已经越来越受到重视，虽然很多技术还处于研发阶段，真正投入民用还有待时日。但随着光元器件的不断发展，相信过不了多久，在全光通信网中光交换技术必定将发挥越来越重要的作用。

参考资料：

[1] 李生红.现代交换原理[M].机械工业出版社，2008.

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