光交換技術(shù)(共81張PPT)精選

光交換(jiāohuàn)技術(shù)第一頁，共81頁。?光通信是利用(lìyòng)光波來傳送信息的。?光纖通信具有信息傳輸容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的極佳媒質(zhì)，光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)。第二頁，共81頁。?本章(běnzhānɡ)主要介紹光交換的基本概念、光交換器件、光交換網(wǎng)絡(luò)和光交換系統(tǒng)，并對目前逐漸走向應(yīng)用的智能光網(wǎng)絡(luò)ASON進行闡述。第三頁，共81頁。概述11.1光交換器件11.2光交換網(wǎng)絡(luò)11.3光交換系統(tǒng)11.4自動交換光網(wǎng)絡(luò)11.5第四頁，共81頁。11.1概述(ɡàishù)?21世紀(jì)的通信網(wǎng)應(yīng)該(yīnggāi)是能提供各種通信業(yè)務(wù)的、具有巨大通信能力的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。?網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)將以寬帶視頻、高速數(shù)據(jù)、普通話音和多媒體等業(yè)務(wù)為主。第五頁，共81頁。?為提供這些(zhèxiē)業(yè)務(wù)，需要高速、寬帶、大容量的傳輸系統(tǒng)和寬帶交換系統(tǒng)。?目前，以電子技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代交換系統(tǒng)，無論是數(shù)字程控交換機、ATM交換機還是高速路由器，其交換容量都受到電子器件工作速度的限制。第六頁，共81頁。?在這種情況下，人們對光交換技術(shù)的關(guān)心日益增長，研究和開發(fā)具有高速、大容量交換潛力的光交換技術(shù)勢在必行。?光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)，其優(yōu)點主要集中在以下(yǐxià)幾方面。第七頁，共81頁。（1）運行速度快。（2）光交換與光傳輸匹配可進一步實現(xiàn)全光通信網(wǎng)。（3）降低網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)成本，提高可靠性。（4）具有空間并行傳輸特性。第八頁，共81頁。11.2光交換(jiāohuàn)器件11.2.1光開關(guān)?光開關(guān)是完成光交換最基本(jīběn)的功能器件。?光開關(guān)主要用來實現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長選擇、光分插復(fù)用、光交叉連接和自愈保護等功能。第九頁，共81頁。?光開關(guān)大致可分為半導(dǎo)體材料(cáiliào)的光開關(guān)、耦合波導(dǎo)光開關(guān)、M-Z干涉型熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、微機電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)等。第十頁，共81頁。?光開關(guān)的主要作用(zuòyòng)包括：一是將某一光纖通道的光信號切斷或接通；二是將某波長光信號由一個光纖通道轉(zhuǎn)換到另一個光纖通道；三是將一種波長的光信號轉(zhuǎn)換為另一波長的光信號（波長轉(zhuǎn)換器）。第十一頁，共81頁。?光開關(guān)的特性參數(shù)主要包括：插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作(gōngzuò)波長、消光比、開關(guān)時間等。第十二頁，共81頁。1．半導(dǎo)體光開關(guān)(kāiguān)

圖11-1半導(dǎo)體光放及等效(děnɡxiào)光開關(guān)示意圖第十三頁，共81頁。2．耦合波導(dǎo)(bōdǎo)光開關(guān)

圖11-2耦合波導(dǎo)(bōdǎo)光開關(guān)結(jié)構(gòu)及邏輯表示第十四頁，共81頁。3．M-Z干涉型電光(diànguāng)開關(guān)

圖11-3M-Z干涉(gānshè)型電光開關(guān)第十五頁，共81頁。4．液晶(yèjīng)光開關(guān)

圖11-4液晶光開關(guān)(kāiguān)工作原理第十六頁，共81頁。5．微機電(jīdiàn)系統(tǒng)開關(guān)

圖11-5移動(yídòng)光纖式光開關(guān)第十七頁，共81頁。圖11-6移動(yídòng)反射鏡式光開關(guān)第十八頁，共81頁。圖11-7用16個移動(yídòng)反射鏡光開關(guān)構(gòu)成的兩

組4×4MEMS開關(guān)陣列第十九頁，共81頁。11.2.2波長(bōcháng)轉(zhuǎn)換器?波長轉(zhuǎn)換器是一種能把攜帶信號的光波從一個波長轉(zhuǎn)換為另一個波長的器件。?波長轉(zhuǎn)換是解決(jiějué)相同波長爭用同一個端口時發(fā)生阻塞的關(guān)鍵。第二十頁，共81頁。?理想的波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備(jùbèi)有較高的速率、較寬的波長轉(zhuǎn)換范圍和高信噪比、高消光比，而且與偏振無關(guān)。第二十一頁，共81頁。?如圖11-8所示，最直接的波長轉(zhuǎn)換是光—電—光變換，即將波長為1的輸入光信號，由光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再去?qū)動一個(yīɡè)波長為2的激光器，使得輸出波長變?yōu)?；另外一種是調(diào)制間接轉(zhuǎn)換，即在外調(diào)制器的控制端上施加適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?，使得波長為1的入射光被調(diào)制成波長為2出射光。第二十二頁，共81頁。圖11-8波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意第二十三頁，共81頁。11.2.3光存儲器?光存儲器是實現(xiàn)時分(shífèn)光交換的基礎(chǔ)。?常用的光存儲器有光纖延時線和雙穩(wěn)態(tài)激光二極管。第二十四頁，共81頁。1．光纖延遲線2．雙穩(wěn)態(tài)激光(jīguāng)二極管第二十五頁，共81頁。11.3光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)?光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)完成光信號在光域的直接交換(jiāohuàn)，而不需進行光—電—光變換。?根據(jù)光信號的復(fù)用方式，相應(yīng)地有空分、時分、波分等交換(jiāohuàn)方式。?若光信號同時采用兩種或三種交換(jiāohuàn)方式，則稱為混合光交換(jiāohuàn)。第二十六頁，共81頁。11.3.1空分光(fēnɡuānɡ)交換網(wǎng)絡(luò)?與空分電交換一樣，空分光交換是一種最簡單的光交換方式。?通過機械、電或光三種不同(bùtónɡ)方式對光開關(guān)及相應(yīng)的光開關(guān)陣列（矩陣）進行控制，為光交換提供物理通道，使輸入端的任一信道與輸出端的任一信道相連。第二十七頁，共81頁。?空分光交換網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的最基本單元是2×2的光交換模塊。?如圖11-9所示，輸入端有兩根光纖，輸出端也有兩根光纖。它有兩種工作狀態(tài)：平行狀態(tài)和交叉狀態(tài)。第二十八頁，共81頁。圖11-9基本的2×2空分光(fēnɡuānɡ)交換模塊第二十九頁，共81頁。?可以采用以下幾種方式來組成空分交換模塊(mókuài)：（1）鈮酸鋰（LiNbO3）晶體定向耦合器，其結(jié)構(gòu)和工作原理已在節(jié)中介紹。第三十頁，共81頁。（2）用4個1×2光開關(guān)（又可稱為Y分叉器）組成2×2的光交換(jiāohuàn)模塊。（3）用4個1×1光開關(guān)器件和4個無源光分路/合路器組成2×2的光交換(jiāohuàn)模塊，如圖11-9(b)所示。第三十一頁，共81頁。?通過(tōngguò)對上面的基本交換模塊進行擴展、復(fù)接，可以構(gòu)成更大規(guī)模的光空分交換單元。第三十二頁，共81頁。11.3.2時分(shífèn)光交換網(wǎng)絡(luò)?光時分復(fù)用與電時分復(fù)用類似，也是把一條復(fù)用線分成若干個時隙，每個數(shù)據(jù)光脈沖占用一個時隙，N路數(shù)據(jù)信道復(fù)用成高速光數(shù)據(jù)流進行(jìnxíng)傳輸。第三十三頁，共81頁。?時隙交換離不開存儲器，由于光存儲器以及光計算機還沒有達到實用階段，所以一般采用光延時器件實現(xiàn)光存儲，如前面(qiánmian)節(jié)中提到的光纖延時線存儲器和雙穩(wěn)態(tài)激光二極管光存儲器。第三十四頁，共81頁。?采用光延時器件實現(xiàn)時分光交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理(yuánlǐ)是：先把時分復(fù)用光信號通過光分路器分成多個單路光信號，然后讓這些信號分別經(jīng)過不同的光延時器件，以獲得不同的延時，再把這些信號通過光合路器重新復(fù)合起來，時隙互換就完成了。?時分光交換原理(yuánlǐ)示意如圖11-10所示。第三十五頁，共81頁。圖11-10時分(shífèn)光交換原理第三十六頁，共81頁。11.3.3波分光(fēnɡuānɡ)交換網(wǎng)絡(luò)?波分光交換可以采用波長變換或波長選擇兩種方法來實現(xiàn)。?波長開關(guān)是完成(wánchéng)波分交換的關(guān)鍵部件，其交換原理如圖11-11所示。第三十七頁，共81頁。圖11-11波分交換(jiāohuàn)原理第三十八頁，共81頁。圖11-12波長選擇(xuǎnzé)型波分交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第三十九頁，共81頁。11.3.4混合型光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)圖11-13波分-空分-波分混合型光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第四十頁，共81頁。11.3.5自由空間光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)?由于光波作為(zuòwéi)載波在自由空間傳輸?shù)膸捑薮螅s為100THz），為了充分利用帶寬資源，科學(xué)家們開始研究自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第四十一頁，共81頁。?在空間(kōngjiān)無干涉地控制光的路徑的光交換稱為自由空間(kōngjiān)光交換。?它是最早的光交換，其構(gòu)成比較簡單，只要移動棱鏡或透鏡即可。第四十二頁，共81頁。?典型的自由空間光交換是由二維光極化控制的陣列或開關(guān)門器件組成。?另外(lìnɡwài)，使用全息光交換技術(shù)也可以構(gòu)成大規(guī)模的自由空間光交換系統(tǒng)，而且無需多級互連。第四十三頁，共81頁。?自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)可以由多個2×2光交叉元件組成，除了前面介紹過的耦合光波導(dǎo)元件具有交叉和平行連接(liánjiē)兩種狀態(tài)，可以構(gòu)成22光交叉連接(liánjiē)外，極化控制的兩塊雙折射片也具有這種特性。第四十四頁，共81頁。圖11-14由兩塊雙折射片構(gòu)成的空間光交叉(jiāochā)連接元件第四十五頁，共81頁。圖11-15自電光效應(yīng)(xiàoyìng)器件的結(jié)構(gòu)及其特性曲線第四十六頁，共81頁。11.4光交換(jiāohuàn)系統(tǒng)1．光交換技術(shù)分類(fēnlèi)?和電交換技術(shù)類似，光交換方式可分為光路光交換和分組光交換兩大類型，如圖11-16所示。第四十七頁，共81頁。?不同的光交換技術(shù)完成不同粒度的信息交換，其中，波導(dǎo)空分、自由空間光和波分光交換類似(lèisì)于電路交換，是粗粒度的信道分割；時分交換或分組交換的信道分割粒度較細(xì)。第四十八頁，共81頁。圖11-16光交換(jiāohuàn)技術(shù)分類第四十九頁，共81頁。2．OADM和OXC?組成WDM光網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的主要節(jié)點設(shè)備是OADM（OpticalAdd-DropMultiplexer，光分插復(fù)用器）和OXC（OpticalCross-Connect，光交叉連接器），二者通常由WDM復(fù)用/解復(fù)用器、光交換網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)（矩陣）、波長轉(zhuǎn)換器和節(jié)點管理系統(tǒng)組成，主要完成光路上下、光層帶寬管理、光網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的保護、恢復(fù)和動態(tài)重構(gòu)等功能。第五十頁，共81頁。圖11-17基于波分復(fù)用/解復(fù)用和光開關(guān)的OADM結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意第五十一頁，共81頁。圖11-18波長交叉連接(liánjiē)示意第五十二頁，共81頁。圖11-19波長(bōcháng)變換交叉連接示意第五十三頁，共81頁。3．光分組交換(jiāohuàn)系統(tǒng)?光分組交換能夠在非常小的粒度上實現(xiàn)(shíxiàn)光交換/選路，極大地提高光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和帶寬利用率，非常適合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展，是未來光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。第五十四頁，共81頁。?光分組交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11-20所示，它主要由輸入/輸出接口、交換模塊和控制(kòngzhì)單元等組成。?其關(guān)鍵技術(shù)主要包括光分組產(chǎn)生、同步、緩存、再生、光分組頭重寫及分組之間的光功率均衡等。第五十五頁，共81頁。3．光分組交換(jiāohuàn)系統(tǒng)圖11-8波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意第六十九頁，共81頁。第二十一頁，共81頁。它有兩種工作狀態(tài)：平行狀態(tài)和交叉狀態(tài)。二是將某波長光信號由一個光纖通道轉(zhuǎn)換到另一個光纖通道；圖11-13波分-空分-波分混合型光交換(jiāohuàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第四十七頁，共81頁。?不同的光交換技術(shù)支持不同粒度的交換。圖11-6移動(yídòng)反射鏡式光開關(guān)?組成WDM光網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的主要節(jié)點設(shè)備是OADM（OpticalAdd-DropMultiplexer，光分插復(fù)用器）和OXC（OpticalCross-Connect，光交叉連接器），二者通常由WDM復(fù)用/解復(fù)用器、光交換網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)（矩陣）、波長轉(zhuǎn)換器和節(jié)點管理系統(tǒng)組成，主要完成光路上下、光層帶寬管理、光網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的保護、恢復(fù)和動態(tài)重構(gòu)等功能。2波長(bōcháng)轉(zhuǎn)換器?但光分組交換也存在下列不足：?本章(běnzhānɡ)主要介紹光交換的基本概念、光交換器件、光交換網(wǎng)絡(luò)和光交換系統(tǒng)，并對目前逐漸走向應(yīng)用的智能光網(wǎng)絡(luò)ASON進行闡述。圖11-18波長交叉連接(liánjiē)示意第七十六頁，共81頁。?光存儲器是實現(xiàn)時分(shífèn)光交換的基礎(chǔ)。圖11-20光分組交換(jiāohuàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第五十六頁，共81頁。?光分組交換具有下列特點：（1）交換粒度小，能與IP分組很好地兼容。（2）容量(róngliàng)大、可配置、數(shù)據(jù)率和格式透明，可支持不同類型的數(shù)據(jù)交換。第五十七頁，共81頁。（3）提供端到端的光通道或者(huòzhě)無連接傳輸，帶寬利用效率高，適應(yīng)性好，能提供各種服務(wù)。第五十八頁，共81頁。（4）將大量的交換業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到光域，交換容量與WDM傳輸容量匹配，同時便于與OXC、MPLS等新技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與資源的合理(hélǐ)利用，資源利用率高、適應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)能力強。第五十九頁，共81頁。?但光分組交換也存在下列不足：（1）實現(xiàn)復(fù)雜，對光器件的性能要求高，光邏輯(luójí)器件不成熟。（2）缺乏深度和快速的光記憶器件，在光域難以實現(xiàn)與電路由器相同的光路由器。第六十頁，共81頁。（3）由于突發(fā)數(shù)據(jù)分組需要在中間節(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)，需要有效的光隨機存儲器。（4）在光分組交換節(jié)點處，難以實現(xiàn)多個輸入分組的精確同步，需要靈活高效的光域(ɡuānɡyù)同步技術(shù)。第六十一頁，共81頁。11.5自動(zìdòng)交換光網(wǎng)絡(luò)?20世紀(jì)90年代以來，基于SDH/WDM的光傳送網(wǎng)在電信網(wǎng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。?其快速的保護功能、優(yōu)越(yōuyuè)的管理性能使之成為電信網(wǎng)的主要傳輸手段。?然而，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶需求的提高，傳統(tǒng)的光傳送網(wǎng)暴露出下列缺陷。第六十二頁，共81頁。（1）業(yè)務(wù)(yèwù)配置復(fù)雜。（2）帶寬利用率低。（3）保護方式單一。第六十三頁，共81頁。1．ASON的體系結(jié)構(gòu)

圖11-21ASON的體系結(jié)構(gòu)第六十四頁，共81頁。3．M-Z干涉型電光(diànguāng)開關(guān)?波長轉(zhuǎn)換器是一種能把攜帶信號的光波從一個波長轉(zhuǎn)換為另一個波長的器件。（1）鈮酸鋰（LiNbO3）晶體定向耦合器，其結(jié)構(gòu)和工作原理已在節(jié)中介紹。?理想的波長轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備(jùbèi)有較高的速率、較寬的波長轉(zhuǎn)換范圍和高信噪比、高消光比，而且與偏振無關(guān)。第四十九頁，共81頁。第四十八頁，共81頁。（4）具有空間并行傳輸特性。?波長開關(guān)是完成(wánchéng)波分交換的關(guān)鍵部件，其交換原理如圖11-11所示。?光存儲器是實現(xiàn)時分(shífèn)光交換的基礎(chǔ)。第七十五頁，共81頁。（2）用4個1×2光開關(guān)（又可稱為Y分叉器）組成2×2的光交換(jiāohuàn)模塊。圖11-8波長轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(jiégòu)示意（2）容量(róngliàng)大、可配置、數(shù)據(jù)率和格式透明，可支持不同類型的數(shù)據(jù)交換。第三十九頁，共81頁。?波長開關(guān)是完成(wánchéng)波分交換的關(guān)鍵部件，其交換原理如圖11-11所示。2．ASON的技術(shù)(jìshù)特點（1）支持端到端的業(yè)務(wù)自動配置。智能化的網(wǎng)元能直接感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?tuòpū)，處理速度快、生存能力強。（2）網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)?tuòpū)的自動發(fā)現(xiàn)。第六十五頁，共81頁。（3）支持流量工程，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，實時動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)(shíxiàn)最佳配置。（4）支持Mesh組網(wǎng)保護，增強了網(wǎng)絡(luò)的可生存性。第六十六頁，共81頁。（5）便于引入新的業(yè)務(wù)類型，如按需帶寬業(yè)務(wù)（BOD）、波長批發(fā)(pīfā)、波長出租、分級的帶寬業(yè)務(wù)（SLA）和光層虛擬專網(wǎng)等。第六十七頁，共81頁。3．ASON的關(guān)鍵技術(shù)?ASON的實現(xiàn)依賴其控制機制，包括自動發(fā)現(xiàn)、路由、信令、呼叫和連接控制，以及保護(bǎohù)和恢復(fù)機制等。第六十八頁，共81頁。4．向ASON的演進(yǎnjìn)（1）重疊模型(móxíng)（2）集成模型(móxíng)第六十九頁，共81頁。本章小結(jié)?光纖具有信息傳輸(chuánshū)容量大、對比特流透明、不受電磁干擾、保密性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代通信網(wǎng)中傳送信息的極佳介質(zhì)，光交換被認(rèn)為是為未來寬帶通信網(wǎng)服務(wù)的新一代交換技術(shù)。第七十頁，共81頁。?純粹的光交換，是指不經(jīng)過任何光/電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入(shūrù)光信號交換到不同的輸出端。第七十一頁，共81頁。?但由于目前光器件的功能還較簡單，不能完成復(fù)雜的邏輯控制功能，因此現(xiàn)有的光交換控制還要由電信號來完成，即電控光交換。?隨著光器件技術(shù)的發(fā)展(fāzhǎn)，光交換技術(shù)的最終發(fā)展(fāzhǎn)趨勢將是光控光交換。第七十二頁，共81頁。?光交換的基礎(chǔ)器件包括各種光開關(guān)（半導(dǎo)體、耦合波導(dǎo)、M-Z干涉型電光、液晶、微機電系統(tǒng)(xìtǒng)等）、波長轉(zhuǎn)換器、半導(dǎo)體激光放大器、光耦合器、光調(diào)制器和光存儲器等，利用這些器件可以構(gòu)建不同的光交換結(jié)構(gòu)（空分光交換、時分光交