光交换器件与光交换机介绍

1.光交换器件

光交换器件是光交换系统的基础，主要包括光放大器、光耦合器、光调制器以及光存储器等，这些器件的不同组成构成了不同的光交换结构。

（1）半导体光开关

通常，半导体光放大器是用来对输入光信号进行放大的，并通过改变放大器的偏置信号来控制其放大倍数，如图6-7所示。当偏置信号为零时，输入的光信号被器件完全吸收，使器件的输出端没有任何光信号，相当于一个开关把光信号“关断”了。而当偏置信号为不等于零的某个定值时，输入的光信号便被适量放大而出现在输出端上，相当于开关闭合，光信号“导通”。所以，这种半导体光放大器也可用做光交换中的空分交换开关，通过控制电流来控制光信号的输出选向。

图6-7 半导体光放大器及其等效开关

（2）耦合波导开关

半导体光放大器只有一个输入端和输出端，而光耦合波导开关除了拥有一个控制电极外，还有两个输入端和输出端，如图6-8所示。

图6-8 耦合波导开关结构及其逻辑表示

耦合波导开关是利用铌酸锂材料制作的。铌酸锂是一种很好的光电材料，它具有折射率随外界电场改变而变化的光学特性。在铌酸锂基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通道，再焊上电极，就可以作为光交换元件了。当两个很接近的波导进行适当耦合时，通过这两个波导的光束将发生能量交换，并且其能量交换的强度随着耦合系数、平行波导的长度以及两波导之间的相位差而变化。只要所选参数得当，光束就会在两个波导上完全交错。在电极上施加一定的电压，就会改变波导的折射率和相位差。由此可见，通过控制电极上的电压将会得到图6-8所示的平行和交叉两种交换状态。

（3）波长转换器件

波长转换器的结构如图6-9所示。它通过光→电→光的处理来实现光波长的变换，是最直接波长转换方法。也就是说，用光电探测器将波长为λ_i的输入光信号转变为电信号，然后驱动一个波长为λ_j的激光器工作，使得输出波长成为λ_j的光束。

（4）光存储器

图6-9 波长转换器的结构(www.xing528.com)

光存储器是时分光交换系统的关键器件，它可实现光信号的存储，以便进行光信号的时隙交换。常用的光存储器有双稳态激光二极管和光纤延迟线两种。

（5）空间光调制器

光调制器可在空间无干涉地控制光线的路径。外加电信号可以改变器件的“透明”程度，使入射的光信号全部、部分或完全不能通过该器件，以此用做光信号的通断控制。一个光调制器采用二维矩阵结构，利用磁光效应工作。

2.光交换机

目前使用的光交换机有很多种类，最通用的是电光交换机和光机械交换机两种。

（1）电光交换机

电光交换机用电光晶体材料制成，通常由两个波导通路连接组成干涉仪结构。两个波导通路间的不同相位由电压来控制，当驱动电压作用于干涉仪的一个或两个通路，改变它们之间的相位时，干涉结果将信号送到所希望的输出端上。

电光交换机的主要优点是交换速度快，能达到纳秒级。但这种交换机具有高介入损耗、高偏振损耗和高串扰的特点，对电信号的漂移也非常敏感，所以需要很高的控制电压，而且光电交换机是非闭锁的，限制了其在网络保护和重新配置时的使用。此外，电光交换机的制造成本也很高。

（2）光机械交换机

光机械交换机是目前使用最广泛的一种光交换机类型。其原理简单，通过移动光纤末端或镜子，把光直接送到或反射到交换机的不同输出端。光机械交换机只能达到毫秒级交换速度，但其具有较低的介入损耗、消光比良好，偏振和基于波长的损耗非常低，对不同环境有良好的适应能力，有较低的功率和控制电压且具有闭锁功能。

光机械交换机主要由复用/分路器和交换矩阵组成。它可将任意输入端口上的光信号交叉连接到使用相同波长的任何输出端口光纤上。如果给该交换机的输入和（或）输出端引入波长转换能力，则它既可完成空间交换又可进行波长转换，可将任何光纤上的任何波长信号交叉连接到其他任何光纤的任何不同波长上。

（3）波分复用全光网络中的光交叉连接

波分复用全光网络中的光交换功能由光交叉连接（Optical Cross Connect，OXC）来完成。光交叉连接装置既是光互连设备，又是光网络中的交换节点，实际上是波分和空分的混合交换系统。

光交叉连接的突出特点是能够实现波长自选路由，可以从任意的输入光纤到任意的输出光纤。光交叉连接的另一个突出特点是信号波长的转换功能。该功能是在输入端经过光复用器后完成的，为无阻塞波分光交叉连接开辟了道路，并可达到波长重新利用的目的。