光交换

概念

　　光交换也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换可分成光路光交换和分组光交换二种类型，前者可利用OADM、OXC等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换的最终发展趋势将是光控光交换。光分组交换系统所涉及的关键技术主要包括：光分组交换（OPS）技术；光突发交换（OBS）技术；光标记分组交换（OMPLS）技术；光子时隙路由（PSR）技术等。这些技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现。该技术能确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。

分类

　　在各种不同类型的光网络系统中，使用到的光交换技术又有所不同，所以，我们可以根据光网络系统类型的不同，使用不同的光交换技术：

　　A、时分光交换技术：该技术的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种技术下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。该技术组成的通信技术网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合型阵列开关）以进行相应的交换。

　　B、复合光交换技术：该技术是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。例如，在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多级链路连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分----波分复合型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为16，则可实现256路的时分--波分复合型交换。

　　C、空分光交换技术：该技术的基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等，如耦合波导型交换元件钥酸钾，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸钾为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光束将发生能量交换。能量交换的强弱随复合系数。平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光束就在波导上完全交错，如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。

　　D、光突发数据交换技术：该技术是针对目前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的，在这种技术中有两种光分组技术：包含路由信息的控制分组技术和承载业务的数据分组技术。控制分组技术中的控制信息要通过路由器的电子处理，而数据分组技术不需光电/电光转换和电子路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。控制分组在WDM传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一个控制分组，并且控制无组先于数据分组传送，通过“数据报”或“虚电路”路由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。数据信道与控制信道的隔离简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以实现。同时由于控制分组和数据分组是通过控制分组中含有的可“重置”的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况用电子处理对控制信元作调整，因此控制分组和信号分组都不需要光同步。可以看出，这种路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在承载未来高突发业务的局域网（LAN）中应用，超大容量的光突发数据路由器同样可用于构建骨干网。

特点

　　随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光通信领域中越来越重霎。光交换能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯光交换来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。光交换为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样具有以下几个优点：

作用

　通信网络的光交换机的一个基本功能就是在光纤断裂或转发生故障时能自动进行恢复、现代的大多数光纤网络都有两条以上的光纤路由连到关键的节点。通过光交换机光信号能大使地避开出故障的光纤或转，重新选择到达目的地的有效路由。但是信号以何种速车重新选择路由对避免信息丢失是十分重要的，技高速电信系统中交换速率尤其重要。

　　光交换机的另一个传统应用是网络监控。在远端光纤测试点上，可使用一个1＊N交换机将多条光纤连接到一个光时域反射计（）。对光纤链路进行监控。使用交换机和OTDR可准确定位每一条光纤链路上的故障。在实际的传送网络中，交换机还允许用户取出信号或抽入一个网络分析仪来进行实肘监控而不会干扰网络数据传输。

　　光交换机通常也可用于光纤器件的现场测试。举例来说，一个多通道交换机是在城测试光纤器件的有力工具。通过监视每一个对应一特定测试参数的交换机通道，可以不间断地测试多个部件。

　　最近，光交换机还开始被应用于光纤传感器网络中。

　　光电和光机械交换机

　　尽管当前有许多种商用光又换机，但它们的光电和光机械模型都彼此十分相似。光电交换机内包含带有光电晶体材料（诸如锂铌）的波导。交换机通常在输入输出端各有两个波导，波导二间有两条波导通路，这就构成了Mach-Zehnder干涉结构。这种结构可以实现1＊Z和2＊2的交换配置。两条通路之间的相位差由施加在通路上的电压来控制。当通路上的驱动电压改变两通路。问的相位差时，利用于步效应就可将信号送到目的输出端。

　　最近采用钡钛材料的波导交换机已经开发成功，这种交换机使用了一种分子采取相阳生的技术。与锂铌交换机相比，这种新的交换机使用了非常少的驱动电能。

　　光电交换机的王要优点就是交换速度较快，可达到纳种级。然而，这类交换机的介入损耗，依极化损耗和串音都比较严重，它们对电漂移较敏感，通常需要较高的工作电压。这样较高的生产成本就限制了光电交换机在商业上的广泛应用。

　　光机械交换机依赖于成熟的光技术，是目前最常见的交换机。它的操作原理十分简单，在交换机中，通过移动光纤终端或棱镜来将光线引导或反射到输出光纤，这样就实现了输入光信号的机械交换。光机械交换机只能实现毫秒级的交换速度，但由于它的成本较低，设计简单和光性能较好而得到了广泛的应用。

　　光机械交换机最适宜应用于1＊2和2＊2的配置中。可以很方便地构建小规模的矩阵无阻塞M＊N光交换机，通过使用多级的配置也可以实现大规模（例如64＊64）的局部阻塞交换机。但由于复杂度和移动相关机械部件的数量的影响而艰难实现大规模完全无阻塞的矩阵交换机。

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发展

　　目前市场上出现的光交换机大多数是基于光电和光机械的，随着光交换技术的不断发展和成熟，基于热学、液晶、声学、微机电技术的光交换机将会逐步被研究和开发出来。

　　由光电交换技术实现的交换机通常在输入输出端各有两个有光电晶体材料的波导，而的光电交换机则采用了钡钛材料，这种交换机使用了一种分子束取相附生的技术，与波导交换机相比，该交换机消耗的能量比较小。基于光机械技术的光交换机是目前比较常见的交换设备，该交换机通过移动光纤终端或棱镜来来将线引导或反射到输出光纤，实现输入光信号的机械交换。光机械交换机交换速度为毫秒级，但它成本较低，设计简单和光性能较好，而得到广泛应用。使用热光交换技术的交换机由受热量影响较大的聚合体波导组成，它在交换数据信息时，由分布于聚合体堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时，它改变波导分支区域内的热量分布，从而改变折射率，将光从主波导引导自目的分支波导。热光交换机体积非常小，能实现微秒级的交换速度。

　　随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备，该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为90°，当有电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换设备，因其中加入了横向声波，从而可以将光线从一根光纤准确地引导到另一根光纤，该类型的交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。

　　另外，市场上目前又开发了基于不同类型的特殊微光器件的光交换机，这种类型的交换机可以由小型化的机械系统激活，而且它的体积小，集成度高，可大规模生产，我们相信这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的将来，一定能成为市场的主流。