姜希军 隋志成 吴志坚（南京邮电学院）
１ 引言
随着信息时代的来临，人们的通信需求迅速增长。发展迅速的各种新业务对通信网的带宽和容量提出了更高的要求。通信网的两大主要组成部分——传输和交换正在不断地发展和革新。
光纤的巨大频带资源和优异的传输性能，使它成为高速大容量传输的理想媒质。随着WDM技术的成熟，单根光纤的传输容量甚至可以达到Tb / s的程度。由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，尤其是在全光网中，交换系统所需处理的信息甚至可达到几百至上千Tb / s。运用光子技术实现光交换已成为迫切需要解决的问题。
光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无须经过光电/电光转换，因此它不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制，它对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量。目前，光交换的控制部分主要通过电信号来完成，随着光子技术的发展，未来的光交换必将演变成为光控光交换。
在全光网络中,光交换的应用主要有光分组交换、自动保护倒换（APS）、网络监控、光纤器件的现场测试和光纤传感等。
２ 光交换技术
（1）光电交换
光电交换的原理是利用光电晶体材料（如锂铌和钡钛）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Mach-Zehnder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（PBS）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°,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。PBS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（MEM）的光交换
这种光交换的结构实质上是一个二维易镜片阵，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。
３ 光交换机的结构
光交换机是完成光交换的功能部件,一般由输入/输出端口、交换矩阵、控制和存储等部分组成。光交换机的结构分单级结构和多级结构两类。
单级结构又包括总线、环、交叉和共享内存结构。在总线结构中，所有端口共享一根通用总线，工作速度是链路速度的N倍（N是端口数）。环形结构中，每个端口通过一个接口共享环路带宽，输入端口将信元送到环上，采用适当的环竞争策略（如令牌技术）控制接入。交叉结构一次可同时传送多个信元，每路信元的速率比总线或环形结构的速率低，当交叉矩阵的（X,Y）交叉点闭合时，信元就从X输入端输到Y输出端。共享存储结构通过共享输入输出端口的缓冲器,减少对总存储空间的需求，总存储器的容量只决定于最坏情况下的全部容量需求。共享存储结构一般需要两个交叉矩阵：一个位于输入端口与总存储器之间，一个位于总存储器与输出端口之间。
多级交换结构由多个交换单元互连而成，每个交换单元具有一整套输入输出，这就为交换机的扩展打下了基础。目前的多级交换结构有Benes、Clos和三维环绕格形结构（3DTM）3种。Benes网使用方形交换单元进行多级互连，一般3级N部Benes网的每一级均可用N个输入/输出端口和N个交换单元构造，这种结构在每个输入端和输出端之间形成N个可能的通路。Clos网采用非方形交换单元构造，交换单元的互连方式与Benes网相同。3DTM网由大小固定的交换单元互连而成，每个交换单元被连成一个三维环绕的格形网，通过单向或双向链路与它的6个相邻节点连接，并具有一个双向外部链路。
４ 光交换技术在全光网中的应用
（1）IP包的全光标记交换
IP包由源节点发出，经过核心光网络传送和交换标记后,到达目的节点。在核心光网络的接入处，边缘路由器通过添加副载波复用（SCM）标记且对原IP包的包头和载荷不作任何改动而对IP包重新包封；在核心光网络内部,全光核心路由器通过波长转换和SCM标记交换,对新的IP包进行选路和传递操作；当IP包离开核心光网络时，边缘路由器移去其SCM标记,并进行一次波长转换。
IP包标记交换具有低延迟低开销的特点，它简化了IP包的传送，使数据速率可达到Tb / s级。另外，IP包标记交换避免了路由查询，减少了通过IP层的包数量，并可支持其它协议。
（2）突发数据交换
这是一种光的分组交换。这种网络结构包含两种光分组：路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组中的控制信息要通过路由器的电子处理，数据分组则无须进行光电/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，每个突发的数据分组对应于一个控制分组，控制分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，而且控制分组长度十分短，因此可以实现高速处理。
（3）自动保护倒换（APS）
目前大多数光纤网络都有两条以上的光纤路由与关键节点相连。当光纤断裂或转发器发生故障时，通过光交换，光信号能方便地避开出故障的光纤或转发器，重新选择到达目的地的有效路由，从而完成自动恢复。
（4）网络监控
在光传送网中，可以通过光交换让用户取出信号或插入一个网络分析仪来进行实时监控,不干扰网络数据的传输。通过光交换机将多条光纤连接到一个光时域反射计，可以实现对光纤链路的监控，准确地对光纤链路上的故障进行定位。
（5）光纤器件的现场测试
通过多通道的光交换，可以对光纤器件进行在线测试。通过监视每一个对应于测试参数的交换通道，可以不间断地测试多个部件。
光交换技术还广泛用于光纤传感器网络中。
５ 结束语
90年代以来，光交换设备的研制已成为通信领域的热点之一。美国、日本和欧洲的一些著名公司正致力于这方面的研究。法国阿尔卡特研究中心在1000km无色散位移光纤上用WDM传送方式对无代价的OXC级联进行了实验，速率为2.5Gb / s,实验中采用3个4×4的8信道OXC设备；美国世界通信公司已建成第一条OXC运行网络，该网络由美国3家公司联合进行现场实验，此OXC网络为多模系统，可接收72个收/发往返信号，提供100ms的交换，插入损耗小于2.5dB。
随着光交换技术的不断进步，未来的WDM全光网处理的数据速率必将越来越高，支持的业务越来越多，成为社会发展和人民生活不可缺少的一部分。
摘自《电信快报》
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