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光开关的应用方案

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　　摘要：本文对全光网络中的光开关技术进行了讨论与研究。下一代光通信网络的发展，关键在于其光器件技术的突破上，要克服光网络节点处理的速率瓶颈、实现全光联网、高效传送和交换IP业务，就必须积极研究开发新的光器件。在光开关技术、以及其它关键光器件技术上有所突破，是建设全光网的关键所在。
　　关键词：全光网络，光开关 ,光器件
1 引言
　　随着以IP为代表的数据业务的爆炸性增长，新的高速率大容量传输技术应运而生，以满足网络不断增长的带宽需求。带宽和通信容量的急剧增大，使网络最终向全光网方向发展。全光网（AON）是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。在全光网络中，不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，信号的传输具有透明性。
　　在传统的光一电一光骨干网络节点中，尤其是枢纽节点，典型的情况是约有70-80％的业务量是直通的，为了少量的业务不得不全部进行光电变换处理，将落地的光信号转变为电信号，进行交换与选路，然后再将其变换为光信号，送到适当的光路中。这种电的处理技术大大限制了WDM技术的优越性，使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成"电子瓶颈"。考虑到这种现行网络的运行情况，为进一步克服"电子瓶颈"现象，全光网络浮出了水面。
全光网是高速宽带通信网，在干线上采用DWDM技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器(OADM)、光交叉连接器(OXC)来实现。由于光通信网络的每一步发展，都是与一些关键光器件技术所取得的成就分不开的，因此，要构造新一代全光网络，没有先进的光器件技术来支撑是不行的，可以说，未来的新一代全光网络是否能建成，其中的关键光器件技术是其重要基础。
2光开关技术
　　在全光网络各种设备器件当中，光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）可以说是全光联网的核心器件技术。研制全光的交叉连接OXC和分插复用OADM设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC和OADM的核心技术。随着光通信技术的飞速发展，新的光网络核心器件技术对光开关也提出了更高的要求。在光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命[1]；在器件的体积上，由于全光网单元器件的增多，为使器件小型化，就要求器件有更高的集成度；在成本方面，由于网络的扩充，所需器件将会大大增加，由此也带来了光网络设备高昂的成本。因此，必须采取技术措施，发展新技术，降低光器件的成本，这样才能被用户所接受，用传统手段制造的光开关难以满足上述要求。
2.1 MEMS光开关技术
　　MEMS技术被认为是一项革命性技术，给光通信领域的应用带来了一系列前所未有的MEMS研究热[2,3]．这些研究被称为MOEMs〔微光学电子机械系统〕。人们对MEMS光开关研究始于20世纪90年代中期．虽然起步较晚，但发展较快，而且研究单位和研究者众多．成为一种最流行的光开关制作技术．贝尔实验室的“跌挠板”式光开关，被称为世界上第一个有实用价值的MEMS光开关；美国的OMM公司的“Cros-GuaN”光开关号称********个MEMS光开关，该公司的小阵列(4×4和8×8)光开关产品已进入实用阶段，大于32×32阵列的光开关也在开发之中；另外。美国的Onix公司也制作了基于微镜技术的光开关，其中微镜技术是该公司的专利技术．在MEMS光开关的制作中，这些国外的研究单位和公司大多采用了MEMS平面工艺。
　　一般说来，MEMS光开关从空间结构上可分成这样两种，即2D开关和3D开关。这两种结构在如何控制和引导光束的能力方面有很大的差别，可以在光通讯网络中发挥各自不同的作用。在2D开关中，微镜的排列只有两个位置，即开和关两种状态，其结构如图3所示。这样极大地减化了控制电路的设计，一般只需提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，这种结构的弱点便显露出来了。因为各个输入输出端口之间的光路传输距离各有不同，所以各端口的插入损耗也不同，这就使2D光开关只能用在端口较少的环路里。这种二维光开关阵列插人损耗小于4dB，开关时间小于10ms。由于受光程损耗的限制，最大可以实现32x32端口。如果要想实现更高端口密度，则在技术上十分困难。
　　在3D MEMS光开关中，微镜能沿着两个向的轴任意旋转，因此它可以用不同的角度来改变光路的输出，这样在N×N的阵列中它只需要N或2N个微镜即可。但是如果只有N个微镜，则每个镜的有限旋转角度将会引入新的插入损耗。因此，现在多采用两组微镜阵列(2N)，如图4所示。这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展将不会产生很大的影响。但是另一方面，它所需要的控制电路和结构设计将会变得较为复杂。
　　利用MEMS技术制作的新型光开关，体积小、重量轻、能耗低，可以与大规模集成电路制作工艺兼容，易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。此外MEMS光开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要进行光／电或电／光转换。特别是大规模光开关阵列，几乎非MEMS技术而不能实现。而OXC必需使用大规模光开关阵列。因此大规模MEMS光开关阵列已经成为目前发展全光通信技术中极其重要的技术路线。
　　另外MEMS光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围也很广。长途传输网中的光开关／均衡器，发射功率限幅器；城域网中的监控保护开关、信道均衡器、增益均衡器；无源网中的调制器等都需要光开关及其阵列。
　　一些国际通信公司也大力开发制造新型光开关。泰克公司已经推出了OSW8000系列光开关模块，通过有效地分布多通道信号，利用了用户在光通信测试设备中的投资，降低了测试时间和测试成本。此外，这些模块可以随时集成到用户现有的工作台环境和测试系统中，允许用户在测试环境内简便地共享资源。通过0SW8000系列光开关模块，系统和元器件设计人员和制造测试工程师可以把光信号选择性地分布到不同的信号源和目的地，有效地节约成本。开关模块采用最新的微型机电系统镜像(MEMS)技术，在测试系统中点到点提供了完美的光信号，解决了保持可行的测试重复性的挑战。OSW8000系列非常灵活，可以把一个单一来源的测试信号开关到多达八个目的地。相反，一个目的地可以从多达八个不同信号源接收输入。
2.2 液晶光开关技术
　　液晶光开关是利用液晶材料的电光效应，偏振光经过未加电压的液晶后，其偏振态将发生900改变，而经过施加了一定电压的液晶时，其偏振态将保持不变。由于液晶材料的电光系数是LiNbO3的百万倍，因而成为最有效的电光材料。液晶光开关一般由三部分组成，入射光首先进人偏振光分束器，被起偏后射人液晶，从液晶输出的光的偏振态取决于该液晶是否加电压，然后进人偏振光合束器。液晶光开关没有可移动部分，所以其可靠性高。Spectra Switch公司的Hubert Kostal指出：“与那些有移动部分的光开关相比，液晶光开关具有几乎无限的使用寿命。”液晶光开关还具有无偏振依赖性，驱动功率低等优点。在液晶光开关发展的初期有两个主要的制约因素，即切换速度和温度相关损耗。现在已有技术使铁电液晶光开关的切换时间达到1ms以下，其典型插入损耗也优于1dB。预计液晶光开关在网络自愈保护应用中将大有发展。理论上，液晶光开关的规模可以做得非常大，但在现实中似乎很难实现。Corning公司和Chorum Tech公司都宣布已做出40×40端口的液晶光开关。
2.3 声光光开关技术
　　声光光开关是利用介质的声光效应。其基本原理可描述如下：控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便地用来制作端口数较少的光开关。但复杂而昂贵的控制电路限制了声光光开关向大规模方向的发展。并且声光光开关的波长相关损耗(WDL)比较高。
　　日本富士通公司采用声光可调滤波器研制的OADM颇有特色。声光可调滤波器AOTF (Acousto-optic tunable filter)具有多波长带阻功能，AOTF是用无线电频率RF控制可任意阻止1个或多个波长通过。其波长间隔0.8nm，阻带波长衰减>42dB。波长偏差< 0.006nm。该OADM内，采用了波长可调LD模块，共有4个8波长DFB-LD阵列。共32波长，工作速率10Gb/s。
2.4 Mach-Zehnder干涉仪型光开关
　　M-Z干涉仪型光开关由两个3dB精合器和两个波导臂组成，通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个3dB的Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射串，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。其优点是开关速度快，在微秒量级；缺点是消光比仅20dB左右。
　　为提高开关速度和实现更低的插入损耗，可利用半导体光放大器集成对称M-Z型全光开关，将半导体光放大器集成在硅基平面干涉仪的两臂上。通过对两臂施加超短控制光脉冲(宽度2ps，频率10GHz)，利用半导体光放大器的非线性，实现接近矩形的开关窗口，开关速度不受限于载流子寿命，最快能达到皮秒(ps)量级。在M-Z干涉仪型开关中采用多模干涉耦合器(MMl)替换3dB耦合器能得到更好的性能。MMI的原理是利用多模波导中的自映像效应，即在传播方向上周期性出现输入场的映像。贝尔实验室报道了4x4光开关的研究结果，研究中使用1个多模干涉耦合器M-Z代替3个1x2的开关，使得器件结构更加紧凑，随之损耗降低为2.8dB，串扰为35.2dB。利用这种结构可很容易扩展到8x8、16x16的开关矩阵。
2.5 热光光开关
　　热光光开关技术主要是用来制造小型的光开关。通过集成多个1x2光开关也可组成较大的阵列。目前主要有2种类型热光光开关：干涉式光开关、数字光开关(DOS)。干涉式光开关主要利用M-Z干涉原理制造，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射李会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，但插人损耗较大，一般为4dB。
2.6 喷墨气泡光开关
　　Agilent公司利用其喷墨打印技术的优势，开发了一种利用液体的移动来改变光路全反射条件，实现光传播路径改变的光开关。该器件由多条交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕里填充折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。其工作原理是：当入射光进人并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。这种开关具有ms的交换速度，优点是对偏振相关损耗PDL和偏振模色散PMD不敏感，由于器件本身没有活动部件，因而可靠性很好。它可应用在光分插复用设备OADM中，实现任意一根光纤或单波长的上下路，也可以用于光交叉连接设备OXC中。由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由这种光开关组成的网络具有很好的重构性。
2.7 全息光开关
　　全息光开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。这项技术可以很容易地组成具有上干个端口的光开关阵列，并且开关速度很快，可达纳秒(ns)量级，但它也有不足之处，那就是该器件的功率消耗比较大，并且需要高压供电。
2.8 液体光栅开关
　　同样是基于布拉格光栅技术，利用液晶与光栅技术相结合，也能实现光开关功能。如将液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面，形成液体光栅。当没有施加电压时，光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。加电压后，光栅消失，致使晶体全透明，光信号将直接通过光波导。液体光栅技术的优点是响应时间可达100μs，插人损耗小于1dB。由于没有移动部分，可靠性好。另外该器件的功耗比较低。
2.9 半导体多量子阱超快光开关
　　在半导体量子阱带间跃迁（ISB-T）中有超快驰豫时间和大的跃迁偶极矩及跃迁波长可调谐大的特点。；在一种材料InGaAs/AIAsSb多量子阱中的通信波长上得到了1.2ps的响应时间，而在另外一种GaN/AIGaN多量子阱中，得到了150fs的超快响应时间，而这有可能制作成fs级超快光开关。
3结论
　　光开关是全光通信网相关器件中的一项核心技术。在全光网络中，端到端用户节点之间全是光路，始终保持光信号传送，没有任何光电变换器，也就是说，网络对光信号是"透明"的。就透明性来说，只要有光电变换，就只是半透明的。全透明当然是人们所希望的，这样可全面充分地利用光纤的传输潜力，使网络带宽几乎无限，对传送的信号无任何限制，对信号的处理很少，这样的网络是最经济可靠。在全光网中，最关键的技术，还是全光交换与路由技术，主要就是OXC，OADM的实现问题。但是，目前实现全透明光网络在技术上还有不少困难，例如，在直接组网与运营方面，还有不少全光组网技术及相应标准需要研究开发；此外，光交换机技术还未完全成熟。由于光开关是全光网络系统中的一种重要的基本光器件，无论是在空分、时分或波分复用系统中，光开关都有着广泛的应用，而光分插复用器、光交叉连接设备在长途WDM系统中又被广泛使用，因此，大力开发光开关技术并使之小型化，对全光网来说是非常重要的。MEMS开关技术由于利于集成以及在诸多方面的优势，将是末来全光开关的重要发展方向之一。随着光开关技术的不断进步，特别是多功能集成光开关在关键技术上的突破，必将对全光通信网的发展起到巨大的促进作用。
参考文献：
　　1 Sumriddetchkajorn, S., Chaitavon, K., A reconfigurable thin-film filter-based 2 x 2 add-drop fiber-optic switch structure , Photonics Technology Letters, IEEE , July 2003, Volume: 15 Issue: 7 , Page(s): 930 -932
　　2 Ji C H, Yee Y, etc., Latchable electromagnetic 2x2 MEMS optical switch , Micro Electro Mechanical Systems, 2003. MEMS-03 Kyoto. IEEE The Sixteenth Annual International Conference on Jan. 19-23, Page(s): 239 –242
　　3 Kaman, V.; Xuezhe Zheng X; etc., A 32-element 8-bit photonic true-time-delay system based on a 288 /spl times/ 288 3-D MEMS optical switch , Photonics Technology Letters, IEEE , June 2003, Volume: 15 Issue: 6 , Page(s): 849 –851