一 引言

通信網的兩大主要組成部分—傳輸和交換，隨著通信容量和帶寬要求的迅速增加都在不斷發展和革新。由于光波分復用（WDM）技術的成熟，傳輸容量的迅速增長帶來的對交換系統發展的壓力和動力，通信網中交換系統的規模越來越大，運行速率越來越高^[1]。但目前的電子交換和信息處理網絡的發展已接近電子速率的極限，其固有的CD參數、鐘歪、漂移、串話和響應速度等缺點限制了交換速率的提高，為了解決電子瓶頸的限制問題。在交換系統中引入光子技術實現光交換,光交叉連接（OXC）和光分叉復用（OADM）實現全光通信。

全光通信網的優點是：光信號在通過光交換單元時，不需要經過光電、電光轉換^[2]。因此它不受檢測器、調制器等光電器件響應速度的限制，對比特率和調制方式透明，可以大大提高交換單元的信息吞吐量。由于信息的傳輸技術的不斷完善，光交換技術成為全光通信網的關鍵^[3]。

二 光交換開關

（一）光半導體開關

通常半導體光放大器是用來對輸入光信號進行放大，并且通過控制放大器的偏置電流來控制其放大倍數。當偏置電流為零時，輸入的光信號將被器件完全吸收，使得器件不輸出光信號。因此半導體光放大器也可以用于作光交換中的空分交換開關，通過控制電流來控制光信號的輸出選向^[4]。

（二）偶合波導開關

如圖1所示。當兩個很接近的波導進行適當耦合時，通過這兩個波導的光束將發生能量交換，其交換能量的強度隨著耦合系數，平行波導的長度而變化^[5]。只要所選的參數得當，那么

光束將會在兩個波導上完成交換，通過控制電極上的電壓，將獲得平行連接和交叉連接兩種交換狀態。

 圖1 耦合波導開關

Fig1 Coupled Waveguide Switch

三 光交換器件

（一）波長轉換器

一種用于光交換的器件是波長轉換器，最直接的波長轉換是光--電--光交換，即將波長為 輸入光信號，去驅動一個波長為 的激光器輸出光信號，利用外調制器實現間接的波長轉換，即在外調制器的控制端施加適當的直流偏壓，使得入射光調制成的輸出光^[7]。

而直接調制是利用激光器的注入電流直接隨承載信息的信號而變化，少量電流的變化就可以調制激光器的波頻(波長)，大約是1nm/mA。激光外調整器，采用具有電光效應的某些材料制成，這些材料有半導體、絕緣晶體、有機聚合物^[6~7]。

（二）光存儲器

在電設備中，存儲器實現電位狀態延時保持作用。在光存儲方面，首先試制成功的光纖延遲線存儲器，而后研制出了雙穩態激光二極管存儲器。如圖2為雙穩態激光二極管構成的光存儲器的實例結構^[8]。

圖2 雙穩態激光二極管存儲器

Fig 2 bistable laser diode memory

四 光交換方式及應用

光信號的分割復用方式有三種：空分、時分和波分。相應也有空分、時分和波分三種光交換。分別完成空分信道、時分信道和波分信道的交換。這三種交換方式的特點和其實現方案各不相同。若光信號同時采用兩種或三種交換方式則稱復合光交換^[9]。

（一）空分光交換

空分光交換是空間域上將光信號進行交換�？臻g光開關是光交換中最基本的功能元件。它可是連接構成空分光交換單元，也可以與其他功能開關一起構成時分交換單元和波分交換單元，空間光分開關可以分光纖型光開光和空間型光開關^[10]。

（二）時分光交換

時分復用是通信網中普遍采用的一種復用方式。光時分復用和電時分復用類似，也是把一條復用信道劃分成若干個時隙，每個基帶數據光脈沖流分配占用一個時隙，N個基帶信道復用成高速光數據流信號進行傳輸^[11]。

要完成時分光交換，必須有時隙交換器實現將輸入信號一幀中任一時隙交換到另一時隙輸出的功能。完成時隙交換必須有光緩存器，把時分復用信號按一定順序寫入儲存器，然后按一種順序讀出來，這樣便完成了時隙交換。利用光纖延時線的光時分交換的工作原理：首先把時分復用的光信號經過光分路器，使它的每條出線上同時都只有某一時隙的光信號；然后讓這些信號分別經過不同的光延時器件，使其獲得不同的時間延遲；最后，再把這些信號經過一個光合路器重新復合起來，就完成了時分交換。

（三）波分光交換

波分復用技術在光傳輸系統中已經得到廣泛應用。一般說來，在光波復用系統中其源端和目的端都采用相同的波長來傳遞信號，否則將在多路復用中，每個終端都將增加終端設備的復雜性。光波分交換網絡的結構如圖3所示。波分光交換所需波長交換器是先用分解復用器將光波分信道空間分割開，對每個波長信道分別進行波長交換(w/c)，然后再把它們復用起來，經由一條光纖輸出^[12]。

密集波分復用是光纖通信中的一種趨勢，它利用光纖的寬帶特性，在1550nm波段的低損耗窗口中復用多路光信號，大大提高光纖的通信容量。

（四）混合光交換

在波光交換技術的基礎上設計大規模交換網絡的一種方法是進行多級鏈路的連接，在各級的連接鏈路中均采用波分復用技術。然而由于需要把多路信號進行分路后再接入鏈路，從而抵消了波分復用的優點。解決這個問題的措施是在鏈路上采用波分復用技術，然后利用空分交換完成鏈路級交換，最后利用波分交換技術選出相應的信號進行波分合路輸出。常用混合交換方式有空分+時分，空分+波分，空分+時分+波分等復合方式^[13]。

圖3 光波分交換網絡結構

Fig 3 Wavelength Division switching network architecture

五 結論

利用光交換可實現光分插復用，方便地實現電信網中上下活路的連接。利用光交換實現光互連，即用光接口方便地實現幾種功能模式連接在一起，減少硬件數量和O/E或E/O交換。利用光交換可實現大容量、高速的網絡交換系統，實現全光通信網。全光通信網極大提高了網絡的傳輸容量和節點的吞吐量，適應未來信息社會對信息容量和寬帶要求。

參考文獻

[1] Binh L N ,Chong H C. Dense wavelength devision multiplexing packet switching networks a review. Journal of IE Aust & IREE 2000, 38(1):267-271.

[2] R. Kasahara et al., “New Structure of Silica-Based Planar Lightwave Circuits for Low-Power Thermooptic Switch and Its Application to 8×8 Optical MatrixSwitch,” J. Lightwave Tech., vol. 20, no. 6, June 2002,. 993–1000.

[3] T. Sakata et al., “Improvement of Switching Time in a Thermo capillarity Optical Switch,” J. Lightwave Tech., vol. 19, no. 7, July 2001,10：23–27

[4] R. Krähenbühl et al., “Performance and Modeling of Advanced Ti:LiNbO3 Digital Optical Switches,” J. Lightwave Tech., vol. 20, no. 1, Jan.2002,30（1）：92–99

[5] P. J. Winzer, G. Raybon, and M. Duelk, "107-Gb/s optical ETDM transmitter for IOOG Ethernet transport," Proc. European Conf. on Opt. Commun. (ECOC), p. Th4.1.1, 2005.：102-123

[6] C. R. Doerr, P. J. Winzer, G. Raybon, L. L. Buhl, M. A. Cappuzzo, A. Wong-Foy, E. Y. Chen, L. T.Gomez, and M. Duelk, "A single-chip optical equalizer enabling 107-Gb/s optical non-return-to-zero signal generation," European Conference on Optical Communication, paper Th4.2.1, 2007：122-133

[7]Zhu Z W ,Wang S, Leung H et al. Matrix filter design using semi-Infinite programming with application to DOA estimation. IEEE Trans. Signal Processing, 2000, 48(1):267-271.

 [8] J. Gripp, J.E. Simsarian, P.G. Bernasconi, J.D. Le Grange, L. Zhang, L. Buhl, D. Stiliadis, D.T. Neilson, and M. Zirngibl, "Load-Balanced Optical Packet Router based on 40 Gb/s Wavelength Converters and Time Buffers," in Proc ECOC'05 post-deadline paper 2000, 48(1):1268-1471

[9] H.Nagesh, V.Poosala, V.Kumar, P.J.Winzer, and M.Zirngibl, "Load-balanced architecture for dynamic traffic", Optical Fiber Communication Conf. (OFC'05), Anaheim (CA/USA) OME2000, 20(1):267-371

[10] P.J.Winzer, F.B.Shepherd, P.Oswald, and M.Zirngibl, "Robust network design and selective randomized load balancing," Proc. European Conf. on Optical Communications (ECOC'05), Glasgow(UK), 2005, 20(1):267-371

[11] J. Gripp, M. Duelk, J. Simsarian, and M. Zirngibl, "Demonstration of a New Architecture for Enhanced SONET Ring Capacity Based on Distributed Optical Packet Switching," in Proc. OFC'04, 2004, post-deadline paper PDP6

[12] R. Nagarajan, C. H. Joyner, et. al., "Large-scale photonic integrated circuits," IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 2005.11:50-65

[13] Sinsky, J., Duelk, M., and Adamiecki, A.,"High-speed electrical backplane transmission using duobinary signaling', IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques., 2005,53(1).: 152-160.

作者簡介：

姜鳳嬌（1978-），女，滿族，碩士，大連水產學院教師，主要從事通信與信息系統、圖像處理研究。

高艷萍（1964-），女，漢族，碩士，大連水產學院副教授，主要從事智能控制方面的研究

岳小云（1979-），漢族，碩士，河北科技師范學院教師，主要從事統計決策方面研究。09888