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未来大容量数据网络的关键设备——光交换机（赵锋译）
以数据为中心的通信的显著增长和密集波分复用（DWDM）技术的迅速发展需要有更可
靠和灵活的网络管理手段。举例来说，在城域网和接入网就要求DWDM网络拓扑具备分插和
交换功能。随着通信网络逐渐向全光平台发展。网络的优化、路由、保护和自愈切能在光
领域中就变得越来越重要了。
光交换机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
采用电路交换但未来的全光网络却需要由纯光交换机系完成信号路由功能以实现网络的高
速率和协议透明性。
光交换的传统应用
通信网络巾的光交换机的一个基本功能就是在光纤断裂或转发器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发器，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（OTDR）。对光纤链路进行监控。使用交换机和OT
DR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。
新的光交换机技术
现在有了基于热学、液晶、声学和微机电（MEM：Micro－Electro－Mechanical）技
术的光交换机。
热光交换机采用了和调节热量的聚合作波导。交换由公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了波导分支区域内的热量分布,从而改变了折射率,这
样就可将光耦会从生波导引导至目的分支波导。这种光交换机的体积非常小，能实现微秒
级的交换速度。它的缺点在于介入损耗较高，串音较严重，消光率较低，耗电量较大，并
且要求有良好的散热器。
液晶光交换机内包含有液晶片极化光束分离器（PBS）或先来调相器。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，经过液晶片的光线的极化角为90度，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。PBS或光束调相器起路
由器的作用，将信号引导到目的端口。对极化敏感或不敏感的矩阵交换机都能利用这种技
术。
当使用向列的液晶时，交换机的交换速度大约为100毫秒，当使用铁电的液晶时，交
换速度为10微秒。使用液晶技术可以构造多通路交换机，但它的缺点是损耗较大，热漂移
量较大，串音较严重，驱动电路也比较昂贵。
第三种光交换机是基于声光技术的。在这种交换机中，通过在光介质（例如TeO2晶体）
中加入横向声波，可以将光线从一根光纤准确地引导到另一极光纤。
声光交换机可以实现微秒级的交换速度。利用这种技术可以方便地构建端口数较少的
交换机。但是它并不适于矩阵交换机，这是因为需要复杂的系统通过改变频率来控制交换
机。此外，这种交换机的表耗随波长变化较大，驱动电路也比较昂贵。
另一种令人感兴趣的交换机采用了MEM技术能在空闲的空间内调节光束。目前已经开
发出了多种MEM交换机，它们采用了不同类型的特殊微光器件，这些器件由小型化的机械
系统激活。
MEM交换机的忧点在于体积小集成度高，并可像集成电路那样大规模生产。但要想使
MEM成为一种可行的有利可图的替代技术还需要在生产过程上作进一步的努力。
光子网络中的光交换机
除了传统的应用外，光交换机还将在新兴的多通路、可重新配置的光子网络中发挥
越来越重要的作用。要想使全光同成为现实就需要实现诸如DWDM，光分插复用器（OADM）
和先交叉连接设备（OXC）这样的技术。
到目前为止，DWDM已经成为在长距离和城域网通信应用中主要使用的全光同技术。在
一个用户不断增长的网络环境中引入OADM和OXC网元将有助于灵活地使用和分配波长。这
些新的网元可以帮助运营商在光子层重新配置网络流量已获得最佳的数据传输，并能在链
路发生故障时迅速恢复。全光网最终会丢弃缓慢而昂贵的光电转换器，从而使未来的网络
以更迅速更经济的方式运行。
OADM和OXC都需要更大的光交换容量。
通过使用光交换机，OADM可以在网络的某个节点从WDM信号中选出并卸下一个波长，
然后再在原波长上加入一个新的信号继续向下一个节点传输。这种功能极大地加强了全光
网络中的负载管理能力。
在一个简单的OADM设计中 ，2*2光交换机和DWDM复用／解复用过滤器可以装进一个模
块以实现波长的选择性分插功能。在这种OADM中加入可变衰减器，光子探测器等部件，还
能发展出一些新的无功能。
在DWDM网络中，OXC能在M*N的光纤输入输出之间提供动态的交换连接。这样，光交叉
连接交换机就能在矩阵配置宁提供无阻塞的一到多连接。OXC能提高网络的生存能力，降
低网管成本，在光子层重新配置信号路由，这样就不再需要复杀而昂贵的数字交换机了。
OXC操作于光城，这样就可凭借其波长、比特率和协议透明性等特点容纳未来的T比持数据
沈。
光交换机的未来
除了上面讨论的多种多样的光交换机外，由于在OADM和OXC应用中提出了更高的速率、
性能和可靠性要求，新的和改进的交换机技术还在不断涌现。基于光纤的非强性特征的全
光交换设备就是新出现的技术。使用非线性定向耦合器作为光交换机就是其中一例。耦台
器由靠得很近的两根针芯组成。当两极料芯的相位先配时，纤芯会分开，从而产生了开关
效应。由于又换是在光纤内完成的，这种交换机具有较高的交换速度，较低的损耗，并在
矩阵配置中可实现多级级联，因此很有希望在未来的光网络中采用。
由于光网络容量持续扩展，而电又换机不适应超过吉比特速率的要求，开发高速高性
能的交换机就成为必然的趋势。当出现更有效的信号管理方式时，全光同给最终会变成事
实。在未来的大容量光网络中，光交换机必将起到关键的作用。
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