光交换技术及其应用

随着通信网传输容量的增加，光纤通信技术也发展到了一个新的高度。发展迅速的各种新业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。光纤的巨大频带资源和优异的传输性能，使它成为高速大容量传输地理想媒质。随着WDM技术地成熟，单根光纤的传输容量甚至可以达到Tb/s的速度。由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，尤其是在全光网中，交换系统所需处理的信息甚至可达到几百至上千Tb/s。运用光子技术实现光 交换已成为迫切需要解决的问题。
光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无需经过光电/电光转换，因此不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，可以大大提高交换单元的吞吐量。目前，光交换的控制部分主要通过电信号来完成，随着光子技术的发展，未来的光交换必将演变成为光控光交换。
1.全光网结构及其技术
光网络的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路和宽带网络用户接口与局域网（LAN）相连。电网络层的ADM为分插复用器，它把高速STM-N光信号直接分解成各种PSH支路信号，或作为STM-1信号的复用器。DX可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接。
光网络层的拓扑结构可以是环形、星型和网型等；交换方式可采用空分、时分或波分光交换。目前国际上实验的全光网更注重于波分光交换的应用。如典型的MONET是有8个节点和8个波长的WDM环形网，它采用2．5Gbit/s和10Gbit/s的码率，系统的最大容量为80Gbit/s。
要在全光网中实现信号的透明性、可重构性传输，必须研究全光传输的关键技术：
（1）光交叉连接（OXC）：OXC是全光网中的核心器件，它与光纤组成了一个全光网络。OXC交换的是全光信号，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用波长资源，实现波长重用，即使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节点。当光纤中断或业务失效时，OXC能够自动完成故障隔离、重新选择路由和网络重新配置等操作，具有高速光信号的路由选择、网络恢复等功能。OXC除了提供光路由选择外，还允许光信号插入或分离出电网络层，类似SDH中的DXC。
（2）光分插复用（OADM）：OADM具有选择性，可以从传输设备中选择下路由信号或上 路由信号，或仅仅通过某个波长信号，但不影响其它波长信道的传输。OADM在光域内实现了SDH中的分插复用器在时域内完成的功能，且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号。提高网络的运行效率及可靠性，降低节点成本，是组建全光网必不可少的关键性设备。
（3）掺饵光纤放大器（EDFA）：在光纤通信中采用WDM技术能实现超大容量、超高速的 光传输。而EDFA的商用可以使全光中继成为现实。EDFA是80年代末发展起来的一种新型 光纤放大器，具有增益特性与偏振无关、数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1530～1575mm的光信号同时放大，在1550mm波段，EDFA的放大增益可达30～40dB。它结 构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。可用于100个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空间光通信、以及用于研究非线性现象等。是目前光放大技术的主流，它能简化系统，降低传输成本，增加中继距离，提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。
2.光交换技术
光电交换：原理是利用光电晶体材料（如锂铌和钡钛）的波导组成输入输出端之间的波导通路。两条通路之间构成Mach-Zehnder干涉结构，其相位差由施加在通路上的电压控制。当通路上的驱动电压改变两通路上的相位差时，利用干涉效应将信号送到目的输出端。这种结构可以实现1×2和2×2的交换配置，特点是交换速度较快（达到ns级），但它的介入损耗、极化损耗和串音较严重，对电漂移较敏感，通常需要较高的工作电压。
光机械交换：通过移动光纤终端或棱镜将光线引导或反射到输出光纤，原理十分简单，成本也较低，但只能实现ms级的交换速度。
热光交换：采用可调节热量的聚合体波导，由分布于聚合堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，改变了波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，这样可以将光耦合从主波导引导至目的分支波导。这种光交换的速度可达μs级，实现体积也非常小，但介入损耗较高、串音严重、消光率较差、耗电量较大、并需要良好的散热器。