5.5 光交换
5.5.1 光交换的基本概念
1．背景
现代通信网中，密集波分复用（DWDM）光传送网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要。然而，高质量的数据业务的传输与交换仍然采用如IP over ATM 、IP over SDH等多层网络结构方案，不仅开销巨大，而且必须在中转节点经过光电转换，无法充分利用底层DWDM所提供的带宽资源和可能的波长路由能力。为了克服光网络中的电信号处理瓶颈，具有高度实用性的全光网络成为宽带通信网未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光通信系统中发挥着重要的作用，可以这样说，光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。
2．定义
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。光交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。
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，因此现有的光交换控制单元还要由电信号来完成，即所谓的电控光交换。在控制单元的输入端进行光电转换，而在输出端需完成电光转换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换，即全光交换。
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要。采用光交换技术可以克服电子交换的容量瓶颈问题，实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性，大量节省建网和网络升级成本。
5.5.2 光交换的实现方式
1．光电交换
光电交换的原理是利用光电晶体材料（如锂、铌、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，利用干涉效应就可以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），但是它的介入损耗、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。
2．光机械交换
光机械交换是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。
3．热光交换
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，这样就可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。
4．液晶光交换
这种光交换通过液晶片、极化光束分离器或光束调相器来实现。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时，经过液晶片光线的极化角为90度，当电压加在液晶片的电极上时，入射光束将维持其极化状态不变。极化光束分离器或光束调相器起路由器作用，将信号引导至目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用此技术。这种技术可以构造多通路交换机，缺点是损耗大、热漂移量大、串音严重、驱动电路也较昂贵。
5．声光交换
它是在光介质中加入横向声波，从而将光线从一根光纤准确地引导至另一根光纤。声光交换可以达到μs级的交换速度，可用于构建端口数较少的交换机。用这种技术制成的交换机的衰耗随波长变化较大，驱动电路也较 昂贵。
6．采用微电子机械技术（MEMS）的光交换
这种光交换的结构实质上是一个二维镜片阵，当进行光交换时，通过移动光纤末端或改变镜片角度，把光直接送到或反射到交换机的不同输出端。采用微电子机械系统技术可以在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，其响应速度和可靠性大大提高。这种光交换实现起来比较容易、插入损耗低、串音低、消光比好、偏振和基于波长的损耗也非常低、对不同环境的适应能力良好、功率和控制电压较低、并具有闭锁功能，缺点是交换速度只能达到ms级。
7．光交换中的其它关键技术
（1）光缓存器件：光缓存器件对光信号进行缓存，为实现光分组交换中的光信号存储转发提供了可能，是实现光分组交换的关键技术，目前还没有全光的随机存储器，只能通过无源的光纤延时线（FDL）或有源的光纤环路来模拟光缓存功能。常见的光缓存结构有：可编程的并联FDL阵列、串联FDL阵列和有源光纤环路；
（2）光逻辑器件：该类器件由光信号控制它的状态，用来完成光信号的各类布尔逻辑运算，是实现光控光交换的关键技术。目前光逻辑器件的功能还较简单，比较成熟的技术有对称型自电光效应（S-SEED）器件、基于多量子阱（DFB）的光学双稳器件和基于非线性光学的与门等；
（3） 波长变换器：全光波长转换器实现光信号传输波长的变换，是在波分复用光网络中实现全光交换的关键部件。 波长转换器有多种结构和机制，目前研究较为成熟的是以半导体光放大器（SOA）为基础的波长转换器，包括交叉增益饱和调制型（XGM SOA）、交叉相位调制型（XPM SOA）以及四波混频型波长转换器（FWM SOA）等。
5.5.3 光交换机的分类
目前从交换技术的角度来看，光交换技术可分成光的电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种主要类型。
1．光电路交换
光的电路交换类似于现存的电路交换技术，采用OXC、OADM等光器件设置光通路，中间节点不需要使用光缓存，目前对OCS的研究已经较为成熟。根据交换对象的不同OCS又可以分为。
（1）光时分交换技术：时分复用是通信网中普遍采用的一种复用方式，时分光交换就是在时间轴上将复用的光信号的时间位置t1转换成另一个时间位置t2；
（2）光波分交换技术：是指光信号在网络节点中不经过光/电转换，直接将所携带的信息从一个波长转移到另一个波长上；
（3）光空分交换技术：即根据需要在两个或多个点之间建立物理通道，这个通道可以是光波导也可以是自由空间的波束，信息交换通过改变传输路径来完成；
（4）光码分交换技术：光码分复用（OCDMA）是一种扩频通信技术，不同用户的信号用互成正交的不同码序列填充，接受时只要用与发送方相同的码序列进行相关接受，即可恢复原用户信息。光码分交换的原理就是将某个正交码上的光信号交换到另一个正交码上，实现不同码字之间的交换。
2．光分组交换
未来的光网络要求支持多粒度的业务，其中小粒度的业务是运营商的主要业务，业务的多样性使得用户对带宽有不同的需求，OCS在光子层面的最小交换单元是整条波长通道上数Gbit/s的流量，很难按照用户的需求灵活地进行带宽的动态分配和资源的统计复用，所以光分组交换应运而生。光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可分为：
（1）光分组交换（OPS）技术：它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能，同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元，用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。最后输出接口通过输出同步和再生模块，降低光分组的相位抖动，同时完成光分组头的重写和光分组再生；
（2）光突发交换（OBS）技术：它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。OBS克服了OPS的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，同时与OCS相比，它又大大提高了资源分配的灵活性和资源的利用率。被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色；
（3）光标记分组交换（OMPLS）技术：也称为GMPLS或多协议波长交换（MPλS）。它是MPLS技术与光网络技术的结合。MPLS是多层交换技术的最新进展，将MPLS控制平面附着到光波长路由交换设备的顶部就组成了具有MPLS能力的光节点。由MPLS控制平面运行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。2001年5月NTT开发出了世界首台全光交换MPLS路由器，结合WDM技术和MPLS技术，实现全光状态下的IP数据包的转发。
5.5.4 光交换技术未来的发展
市场和用户是决定光网络去向何方的重要因素。目前光的电路交换技术已发展的较为成熟，进入实用化阶段。而光分组交换将是更加高速、高效、高度灵活的交换技术，其能够支持各种业务数据格式，包括分组数据、视频数据、音频数据以及多媒体数据的交换。自十九世纪七十年代以来，分组交换网经历了从X.25网、帧中继网、信元中继网、ISDN到ATM网的不断演进，以至今天的光分组交换网成为被广泛关注和研究的热点。超高带宽的光分组交换技术能够实现10Gbit/s速率以上的交换操作，且对数据格式与速率完全透明，更能适应当今快速变化的网络环境，能为运营商和用户带来更大的收益。在更加实用化的光缓存器件和光逻辑器件产生以前，对二者要求不是很高的光突发交换以及光标记分组交换技术作为光分组交换的过渡性解决方案，将会成为市场的主流。
光网络已经由过去的点到点的WDM链路发展到今天面向连接的OADM/OXC和自动交换光网络(ASON)，并将演进到未来在DWDM基础之上的宽带电路交换与分组交换融合的智能光网络。光交换技术的发展将会在其中起到决定性的作用。
