光交换技术概述.doc

光交换技术综述 （《现代交换技术》课程报告） 一、什么是光交换技术 在通信领域中，传统的交换技术属于电交换，网络中交换机接续的是电信号。对于这种交换机，如果传输线路采用目前已经得到广泛使用的光纤传输光信号，则需要在交换机的输入端，将光信号通过光/电转换器件转换为电信号，交换机内部对电信号进行接续并送到输出端口，输出端口输出的电信号再通过电/光转换器件转换为光信号，然后再发送到光纤上去。 鉴于影响网络通信能力的两大主要元素是物理传输媒介和网络转接设备，现在，网络传输媒介已使用光纤，而很多网络的转节点处仍在使用电交换技术。因此，网络转节点处的电交换技术成为了整个通信网络性能提升的瓶颈。 要消除通信网络性能提升的瓶颈，网络转节点处必须采用光交换技术。所谓的光交换技术是指不经过任何光电转换在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。 将某个光纤通道中的光转换到另一个光纤通道中去； 在同一光纤通道中将某种波长的光信号转换成另一种波长的光信号； 可以作为光开关的元器件种类繁多，下面主要介绍半导体光开关、耦合波导开关、硅衬底平面光波导开关三种光开关元器件。 （1）半导体光开关（放大器） 半导体光开关可以对输入的光信号进行放大，并且通过偏置电信号可以控制它的放大倍数。如果偏置信号为0，那么输入光信号就会被这个器件完全吸收，使输出信号为0，相当于将光信号断开。当偏置信号不为0时，输入光信号就会出现在输出端上，相当于将光信号接通。半导体光开关示意图如图1所示。 图1 半导体光开关（放大器）及等效开关示意图 （2）耦合波导开关 半导体光开关具有一个输入端和两个输出端，而耦合波导开关除一个控制电极外，却具有两个输入端和两个输出端，耦合波导开关的结构和工作模式如图2所示。 图2 耦合波导开关 耦合波导开关中使用的铌酸锂（LiNbO3）是一种光电材料，它具有折射率随外界电场而变化的光学特性。在控制端不加电压时，在两个通道上的光信号都会完全耦合接到另一个通道上去，从而形成光信号的交叉连接状态。然而，当控制端加上适当的电压后，耦合接另一个通道上的光信号会再次耦合回原来的通道，从而相当于光信号的平行连接状态。在同一个基片上配置多个此种类型的耦合器件，就可组成一个开关阵列。 （3）硅衬底平面光波导开关 图3示出了一个2×2硅衬底平面光波导开关器件的结构图。这种器件包含两个3?dB的定向耦合器和两个长度相等的波导臂。波导芯尺寸为8μm×8μm，包层厚50μm。波导芯和包层的折射差较小，只有0.3%。 图3 硅衬底平面光波导开关 此器件的交换原理是基于硅介质波导内的热—电效应，平时偏压为0时，器件处于交叉连接状态，但在加热波导臂时（一般需0.4W），它可以切换到平行连接状态。这种器件的优点是插入损耗小（0.5dB）、稳定性好、可靠性高、成本低，适合大规模集成，但它的响应时间较慢。 （4）液晶光开关 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体其内部分子排列是无序的，而液晶的分子是按一定规律有序排列的，这使得它呈现出晶体的各向异性。 当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。 液晶分子是含有极性基因团的极性分子，在电场的作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而使得液晶的光学性质也随之发生改变，这种由外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的光电效应。液晶光开关工作原理如图4所示。 图4 液晶光开关工作原理 2、光调制器 在光纤通信中，通信信息由光波携带，光波就是载波，把信息加载到光波上的过程就是调制。 光调制器是实现电信号到光信号转换的器件，也就是说，它是一种通过改变光束参量来传输信息的器件，这些参量包括光波的振幅、频率、位相或偏振态。 目前广泛使用的光纤通信系统均采用强度调制——直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。 直接调制，又称为内调制，即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。 传统的PDH和2.5Gbit/s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。 间接调制，这种调制方式又称为外调制。即不直接调制光源，而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，此调制器实际上起到一个开关的作用。其结构如图5所示。 图5 外调制器结构示意图 3、光波长转换器 在光通信中，最直接的波长变换是光/电/光变换，即把波长为λi的输入光信号，由光电探测器转变为电信号，然后再去驱动波长为λi的输出激光器，这种方法的优点是不需要定时，其结构示意图如图6所示。 图6 光/电/光直接波长转换器 4、光缓存器 光缓存器是用于信号处理、时间开关、排队应用等目的的存储器。由于光子是玻色子，其静止质量为0，不能停止运动，所以光子的存储必须采用一种光子能在其间