第2章全光通信网-光开关(1)
光通信器件-光开关
一、光开关的概念及作用、性能参数与分类1.光开关的概念及作用一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。
目前主要是：光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。
1，将某一光纤通道的光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。
当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。
光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。
光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。
2.光开关的性能参数光开关的特性参数主要有插入损耗、消光比、开关时间、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰等。
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少。
回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。
开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
3.光开关的分类驱动方式可分为：机械式光开关、非机械式光开关。
原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。
交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。
二、机械式光开关这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。
传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。
全光通信网技术课程设计
全光通信网技术课程设计简介全光通信网（All optical communication network）是指利用光信号传输代替电信号，在整个通讯系统中不采用电子学元件，只使用光学元件的通信网络。
相对传统的光纤通信网路，在光传输和光探测之间至少有电子转换环节，而在全光通信网路中不需要电子转换环节。
全光通信网是我国新一代光通信网路的重要组成部分。
本课程设计旨在让学生深入了解全光通信网路的基本结构、光传输技术和光探测技术，并对其进行实际操作演练，以提高学生对全光通信网路的理论和实践能力。
设计目标本课程设计的主要目标是培养学生全光通信网技术的实际操作能力，具体目标如下：1.熟练掌握全光通信网路的基本结构、光传输技术和光探测技术。
2.掌握实现全光通信网路的相关设备和软件工具。
3.进行全光通信网构建实验，并对其进行完整项目设计实现。
4.掌握全光通信网故障排除和维修技能。
设计内容理论部分基础知识1.全光通信网路概述2.全光通信网路的优点与局限性3.通信光波的基本概念4.全光通信网路中的光纤传输技术5.全光通信网路中的光探测技术高级知识1.全光通信网路的构建（各难点）2.全光通信网的光传输技术（各难点）3.全光通信网的光探测技术（各难点）实践部分实验一：简单的全光通信网路构建本实验旨在让学生了解全光通信网路的基本结构和设备，实现能够实现双向通信的简单全光通信网路。
实验内容1.使用全光通信网路构建软件工具进行全光通信网路的绘制和模拟。
2.实现通过全光通信网路实现双向数据传输的功能。
3.对全光通信网路在数据传递时进行性能测试和优化。
实验二：复杂的全光通信网路构建本实验旨在让学生通过实践掌握全光通信网路构建的基本方法，以及理解网络工程的技术实现和应用环境。
实验内容1.使用全光通信网路构建软件工具进行复杂全光通信网路的绘制和模拟。
2.对全光通信网路进行构建、验证和测试。
3.对全光通信网路的性能进行评估，并进行改进和优化。
全光开关原理
全光开关原理一、光的传播光是一种电磁波，具有波粒二象性。
在真空中，光的传播速度为光速，而在介质中光的传播速度会小于光速。
光的传播方向与电场和磁场的振动方向相互垂直。
光波的振动方向决定了它的偏振状态，偏振状态会影响光与物质相互作用的方式。
二、光路的控制全光开关是利用光路的控制来实现开关功能的。
通过改变光路的传播方向、强度等参数，可以实现对光信号的切换、路由和合路等功能。
在全光开关中，常用的光路控制方法包括反射、折射、干涉和衍射等。
三、光波的转换全光开关通常利用光学元件对光波进行转换，从而实现开关功能。
常用的光学元件包括反射镜、透镜、光栅、波片和液晶等。
通过这些光学元件，可以实现光波的聚焦、反射、衍射、偏振和调制等功能。
四、干涉与衍射干涉和衍射是全光开关中常用的物理现象。
干涉是指两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，产生加强或减弱的现象。
在全光开关中，可以利用干涉现象实现光的路由和合路等功能。
衍射是指光波在障碍物边缘或孔径上发生散射的现象，可以用来实现光的调制和转换等功能。
五、光的调制与检测在全光开关中，需要对光信号进行调制和解调。
调制是指将低频信号加载到高频载波上，以便于传输和检测。
在全光开关中，常用的调制方式包括强度调制、相位调制和偏振调制等。
检测是指将调制后的光信号转换为电信号，以便于后续处理和应用。
六、光学元件的应用在全光开关中，光学元件的应用非常重要。
常用的光学元件包括反射镜、透镜、光栅、波片和液晶等。
这些光学元件可以实现对光路的控制、光波的转换和调制等功能。
在全光开关的设计和制造过程中，需要考虑光学元件的性能参数、精度和稳定性等方面。
七、开关的逻辑控制全光开关的逻辑控制是指通过一定的逻辑关系和控制算法，实现对光信号的切换和控制。
在全光开关中，通常采用光电效应、热光效应和液晶技术等手段来实现逻辑控制。
通过逻辑控制，可以实现全光开关的自适应和智能化等功能。
八、系统的集成与优化全光开关系统需要经过集成和优化才能实现高性能和高稳定性。
全光通信网概要
用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电平的高和低等) 代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；
光纤通信系统
数字通信系统的优点：
① 抗干扰能力强，传输质量好。 ② 可以用再生中继，传输距离长。 ③ 适用各种业务的传输，灵活性大。 ④ 容易实现高强度的保密通信。 ⑤ 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现 小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。
μm发展到1.31 μm和1.55 μm(短波长向长 波长），传输速率从几十Mb/s发展到几十
Gb/s。
▪
随着技术的进步和大规模产业的形成，
光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目 前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光
纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的 支柱。
光纤特点
➢ 频带极宽：拥有极宽的频带范围； ➢ 损耗小，无中继距离长； ➢ 保密性强：不会向外幅射信号，有效地防止了窃听； ➢ 重量轻，体积小； ➢ 抗干扰性强：不会受外界电磁干扰影响； ➢ 光纤通信不带电，可用于易燃易爆场合； ➢ 使用环境温度范围宽； ➢ 抗化学腐蚀，使用寿命长。
▪ 第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容量超长距离 为目标、全面深入开展新技术研究的时期。
光纤的特点
6
5
第一窗口
4
3
2
1
0。4 0。2
C 波段
1525~1565nm 第二窗口
第三窗口
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
▪ 1979年分别在北京和上海建成了市话光缆通信试验 系统。
▪ 1982年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由武 汉邮科院研制并在武汉电信投入使用 。
全光通信网
五、光交叉连接
OXC光交叉主要功能：1光交叉连接2分插复用和带宽管理3保护和恢复4波长变换5网元管理
OXC的主要性能：1交叉连接容量大小取决于OXC的端口数2通道特性指OXC只支持波长通道还是也可以支持虚波长通道，波长通道指OXC没有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中必须使用同一波长。虚波长通道是指OXC具有波长转换功能，光通道在不同的光纤段中可以占用不同的波长，从而提高了波长的利用率，降低了阻塞概率。
六、光分叉复用
OADM是波分复用光传送网的主要节电设备，其主要功能是能从线路传输光信号中将某些波长通道分出和插入，并具有操作、管理与维护功能
OADM的主要性能：1容量大小2业务接入及汇聚能力3多种粒度的业务调度能力4模块性5支持保护倒换的能力6色散管理能力7网管能力
光纤光栅和光环形器的OADM结构
图6-5
光纤级的交叉连接就是将一根光线中的业务作为整体一起进行交换，交换力度最大。波长级的交叉连接就是将光纤中的波长进行交换，交换力度较大是当前主要的交叉连接形式，是OXC的核心模块。
缩略语
ADM分插复用器AON全光网络APS自动保护倒换ASON自动交换光网络ATM异步传输模式AWG阵列波导光栅CTPS复合型光交换DWDM密集波分复用EDFA掺铒光纤放大器FDL光纤延时线IP因特网协议LAN局域网LMP链路管理协议LSC波长交换能力LSL链路子路MAN城域网MPLS多协议标签交换MSP服用段保护MSTP多业务传送平台NSL网络子网OADM光分叉复用OBS光突发交换OCH光通道层OCh光通道OS光开关OPS光分组交换
全光网路是指信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生、光交叉连接、光分叉复用和交换／选路，中间不需经过光电、电光转换，因此它不受检测器、调制器等光电器件响应速度的限制，对比特速率和调制方式透明，可以大大提高整个网络的传输容量和交换节点的吞吐量。
全光网络中的光开关
全光网络中的光开关摘要随着信息技术、光通信技术的发展，全光网络（AON）成为信息时代的主流，OXC（光交叉连接）、OADM（光分插复用）是全光网络的核心，而光开关是实现OADM.OXC的关键器件，光开关的研究已成为全光通信领域研究的焦点,研制应用于全光网络的光开关具有重大意义。
本文首先对光开关在全光网络中的应用做概要的介绍，然后着重分析光开关在OADM和OXC中的应用，最后通过对光开关性能评价指标体系的比较，指出不同类型光开关的优点和不足之处。
关键词全光网络光开关OADM OXC引言随着通信技术的发展、通信数据量的急剧增加，自光纤被引入到通信网络中依赖，光纤通信技术也得到了飞速的发展，迄今为止，光纤通信技术是传输量最大，传输速度最快的通信传输方式。
但是在当前的光纤通信系统中，通信网络的各个节点还是要通过光/电/光的信号转换过程，为充分发挥光纤通信的优势，人们提出了全光通信技术概念。
全光网包括交换和传送两方面，核心技术包括全光交换技术、全光波长变换技术、光分插复用（OADM）、光交叉连接（OXC）、全光放大技术（OA）、密集波分复用技术（DWDM）及AON的控制和管理技术等，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC 中的关键部分。
随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。
光开关光开关（Optical Switch，OS）是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。
光开关基本的形式是2×2:即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接，如图 1 所示。
图1 光开关的平行连接和交叉连接较大型的空分光交换单元可由基本的2×2 光开关以及相应的1×2 光开关级联、组合构成。
光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用（Optical Time Division Multiplex，OTDM）系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接（Optical Cross-connect，OXC）的关键器件，也是波长变换的重要器件。
全光开关PDF
光开关在光通信与信息技术中的作用??两类光开关电控开关与光控开关?? 光计算——巨型计算机内光互连——计算机芯片内光互联——光逻辑芯片?? 光通信——光通信交换系统——光通信监护系统?? 光传感——光传感互连网络??高速率时分复用2.5—10Gb/s→ 波分复用10—1Tb/s ??集成化混合器件→ 光纤器件→ 集成器件→ 纳米器件??全光化全光传输EDFA、WDM→ 全光交换OADM、OXC 密集波分复用DWDM光通信系统传输速率40Gb/s — 160Gb/s —1Tb/s —… 162.5Gb/s 1610Gb/s 10010Gb/s 光通信网络中的OXC 和OADM 光分插复用器OADM — Optical Add-Drop Multiplexer 光交叉连接器OXC — Optical Crass-Connect 电控光开关—加电场产生电光、热光、磁光、声光、旋光、微电机械等效应产生的开关。
开关速度慢ms-ns。
光控光开关—无需经过电光转换用非线性光学方法实现以光控制光的全光开关。
开关速度快ns-ps。
器件类型热光效应微电机械旋光液晶磁光效应声光效应电光效应开关时间2ms 1ms 100s 30s 10ns 1ns 光纤通信光开关原理” 李淳飞杂志光纤通信产品03年第1期物理实验特邀光纤新闻网下载3000次DC1和DC2为3dB耦合器。
从①端输入光信号加半波电压VV输出从④至③。
1. 非线性相移光克尔效应I n 开关自相位调制SPM—信号光自泵浦交叉相位调制XPM—控制光泵浦02InnnA222ILnLnAA平均截面积 2. 非线性吸收二相色性双光子吸收饱和、反饱和吸收 3. 非线性折射自聚焦自散焦4. 非线性反射非线性界面全内反射透射 5. 非线性旋光液晶、手性介质中的非线性旋光6. 非线性变频倍频、四波混频、……频率转换。
场振幅耦合方程IIIIIIdEziEzdzdEziEzdz2.1 对称光耦合器0cos0sin0cos0sinIIIIIIIIIEzEziEzEzEziEz稳态解: 改写为00cossinsincosIIIIIIEzEkzikzEzEikzkz11CiCiCCkzC2sin耦合器矩阵耦合系数2.3 2.4 设: EI 0 E1 EII 0 E2 EI z E3 EII z E4 2.2 改写为: 312412ErEitEEitErE2.5 r 与t 关系221rt2.6 r——耦合器反射率rcoskzr2 cos2kz 1-C t——耦合器透射率tsinkzt2sin2kzC 直通臂——没有相移0 交叉臂——有相移/ 2 . 设P1E12 P2E220P3E32P4E42 输入输出功率关系231241cossinPPzPPz耦合器长度LL0/2是3-dB耦合器. 长度LL0时’ P4P1P30. 4kz2zM-Z由两个3dB 耦合器组成两臂长度不同导致相位差1- 2 。
全光网络与光开关技术概述
全光网络与光开关技术概述单位代码11834学号_1101021065密级_ __一级____课程设计全光网络与光开关技术概述院（系）名称信息工程学院专业名称光电信息工程学生姓名熊凤华指导教师李利平目录关于光开关技术的概述 (1)摘要 (1)第1章绪论 (2)1.1全光网络与光开关 (2)1.2光开关技术及进展 (3)1.2.1 光开关的应用领域 (3)1.2.2 光开关的性能指标 (4)1.2.3 几种新型光开关的技术特点分析 (5)1.3光控光开关的研究现状及分析 (7)1.3.1 非线性耦合器型 (8)1.3.2 Mach-Zehnder 型光开关 (9)1.3.3 非线性Sagnac 干涉仪光开关 (10)1.4本章小结 (11)第2章光开关阵列简述 (13)2.1基于M-Z干涉仪的光开关矩阵设计 (13)2.1.1 M-Z干涉仪的原理 (13)2.1.2 光开关矩阵的性能参数 (13)2.2基于MEMS的光开关矩阵设计 (14)2.2.1 MEMS静电式光开关 (14)2.2.2 MEMS光发大器的可扩展型的光开关矩阵 (15)2.2.3喷墨气泡MEMS光开关 (17)2.2.4 电磁驱动移动式微型光开关 (17)2.3本章小结 (18)第3章开关矩阵的无阻塞性 (20)3.1网络结构的简介 (20)3.1.1 Crossbar (20)3.1.2 Benes (21)3.2开关矩阵的无阻塞性和光路选择的算法 (23)3.2.1 无阻塞性 (23)3.2.2 光路选择的算法简介 (24)3.3本章小结 (25)结束语 (26)参考文献： (26)关于光开关技术的概述摘要随着现代社会对信息传输容量和速度要求的不断提高，基于密集波分复用技术和全光交换技术的全光网络将成为新一代高速宽带综合业务网络首选。
光开关作为全光交换的核心器件，它的作用也日益突出，主要应用于全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接及自愈保护等功能。
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2.3 MEMS光开关
2.3.1传统的机械光开关 机械光开关:依靠光纤或光学元件（透镜或 反射镜）的移动使光路发生改变，将光直 接送到或反射到输出端。
1. 棱镜式光开关示意图
2. 反射镜型光开关示意图
3. 移动光纤型光开关
机械式光开关优缺点
❖ 优点 是插入损耗低(<1dB）、隔离度高(>45dB)与波长和偏 振无关，制作技术成熟。
微机械光开关优缺点
4. 串扰：
由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他 通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比 特性有直接的关系。
5. 阻塞特性：
严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端 的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。 光开关要求具有严格无阻塞特性。
2.1光开关的应用范围
❖ 光开关（Optical Switching:OS） 是一种具有一个或多个可选择的传输
窗口，可对光传输线路或集成光路中的光 信号进本的形式是2×2: 即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态： 平行连接和交叉连接
a)平行状态
3. 插入损耗
光信号通过光开关时，能量将被损耗。 插入损耗 : 输入端口到输出端口的光功率的损耗 光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合 时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说， 自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液 晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约1 -2dB .而妮酸 锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响 到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。
换的重要器件。 ❖ 根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2，
1×N、2×2、2×N、M×N等多种，它们在不同场合中有 不同用途。
光开关应用范围主要有：
(1)光网络的保护倒换系统 (2)光纤测试中的光源控制 (3)网络性能的实时监控系统 (4)光器件的测试 (5)构建OXC设备的交换核心 (6)光分／插复用 (7)光传感系统 (8)光学测试
b)交叉状态
大型的空分光交换单元可以由基本的2×2光开关以及相应的 1×2光开关级联、组合构成。
光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用。
❖ 在WDM传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟 提取；
❖ 在光时分复用（TDM）系统中，光开关可用于解复用； ❖ 在全光交换系统中，光开关是OXC的关键器件，也是波长变
6. 升级能力 基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一 些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很 多开关结构可容易地升级为8×8或32×32，但却不能 升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或 城域网的OXC，而不适用于骨干网上
7. 稳定性和可靠性 光开关应具有良好的稳定性和可靠性。在长时间使用和 频繁动作的情况下，光开关应有良好的连接的稳定性、 重复性和可靠性。有些情况（如用做保护倒换开关时）， 光开关动作的次数可能很少，此时，维持光开关的状态 是更主要的因素。
第二 章 光 开关
❖ 随着Internet的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展， 全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高速率、 超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上／下话路与分 插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由 选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。
❖ 就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统， 即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连 接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和完善， 100信道以上的光通信系统还需要光分／插复用（OADM） 技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（OXC） 技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。
2.2光开关的分类和主要性能参数
❖ 按其工作原理: 机械式和非机械式两大类;
❖ 按光开关利用光自由度的方式:
空分型、波分型、时分型、自由空间型;
❖ 依据光开关的交换介质:
自由空间交换光开关、波导光开关、全光开关和其
它类型的开关。
光开关主要性能参数
1. 交换矩阵的大小
光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光 开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也不 同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信业 务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增加。 为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的交换 能力，如在骨干网上要有超过1000 × 1000的交换容 量。
2. 交换速度
交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两个 重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几 个ms时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对SDH来说， 当故障业务重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使用户感 觉不到故障。 当交换时间到达ns量级时，可以支持光因特网的分组交换， 这也是光路由器的目标。但目前由于读取光信头和光存储技 术的不成熟，光路由器仍有很大困难。
❖ 它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体 工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微 反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号 可切换到不同输出光纤的微机电系统。
❖ 通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动 力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。
❖ 这种器件的特点是体积小、消光比大(60dB左右)、 对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约 5ms)，插入损耗小于1 dB。
❖ 缺点 在于开关动作时间较长（ms量级）；体积偏大，且不 易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重复性差 的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应用，但随着 光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容 量光传送网发展的需求。
微机电系统
❖ 微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems) 构 成 的 微 机 电 光 开 关 已 成 为 DWDM 网 中大容量光交换技术的主流。