全光網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)技術(shù)
北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關(guān)）
摘要：本文對全光網(wǎng)絡(luò)中的光開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了討論與研究。下一代光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，關(guān)鍵在于其光器件技術(shù)的突破上，要克服光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理的速率瓶頸、實(shí)現(xiàn)全光聯(lián)網(wǎng)、高效傳送和交換ip業(yè)務(wù)，就必須積極研究開發(fā)新的光器件。在光開關(guān)技術(shù)、以及其它關(guān)鍵光器件技術(shù)上有所突破，是建設(shè)全光網(wǎng)的關(guān)鍵所在。
關(guān)鍵詞：全光網(wǎng)絡(luò)，光開關(guān) ,光器件
1 引言
隨著以ip為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸性增長，新的高速率大容量傳輸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以滿足網(wǎng)絡(luò)不斷增長的帶寬需求。帶寬和通信容量的急劇增大，使網(wǎng)絡(luò)*終向全光網(wǎng)方向發(fā)展。全光網(wǎng)（aon）是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行。在全光網(wǎng)絡(luò)中，不需要電信號的處理，所以允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，信號的傳輸具有透明性。
在傳統(tǒng)的光一電一光骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，尤其是樞紐節(jié)點(diǎn)，典型的情況是約有70-80%的業(yè)務(wù)量是直通的，為了少量的業(yè)務(wù)不得不全部進(jìn)行光電變換處理，將落地的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M(jìn)行交換與選路，然后再將其變換為光信號，送到適當(dāng)?shù)墓饴分?。這種電的處理技術(shù)大大限制了wdm技術(shù)的優(yōu)越性，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)乃*網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變小，形成電子瓶頸?？紤]到這種現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，為進(jìn)一步克服電子瓶頸現(xiàn)象，全光網(wǎng)絡(luò)浮出了水面。
全光網(wǎng)是高速寬帶通信網(wǎng)，在干線上采用dwdm技術(shù)擴(kuò)容，在交叉節(jié)點(diǎn)上采用光分插復(fù)用器(oadm)、光交叉連接器(oxc)來實(shí)現(xiàn)。由于光通信網(wǎng)絡(luò)的每一步發(fā)展，都是與一些關(guān)鍵光器件技術(shù)所取得的成就分不開的，因此，要構(gòu)造新一代全光網(wǎng)絡(luò)，沒有*的光器件技術(shù)來支撐是不行的，可以說，未來的新一代全光網(wǎng)絡(luò)是否能建成，其中的關(guān)鍵光器件技術(shù)是其重要基礎(chǔ)。
2 光開關(guān)技術(shù)
在全光網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備器件當(dāng)中，光交叉連接設(shè)備（oxc）和光分插復(fù)用設(shè)備（oadm）可以說是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術(shù)。研制全光的交叉連接oxc和分插復(fù)用oadm設(shè)備，成為建設(shè)大容量通信干線網(wǎng)絡(luò)十分迫切的任務(wù)。而光開關(guān)和光開關(guān)陣列恰恰是oxc和oadm的核心技術(shù)。隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新的光網(wǎng)絡(luò)核心器件技術(shù)對光開關(guān)也提出了更高的要求。在光開關(guān)的技術(shù)指標(biāo)上，要求光開關(guān)器件具有更高的工作速度、更低的插入損耗和更長的工作壽命[1]；在器件的體積上，由于全光網(wǎng)單元器件的增多，為使器件小型化，就要求器件有更高的集成度；在成本方面，由于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充，所需器件將會大大增加，由此也帶來了光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高昂的成本。因此，必須采取技術(shù)措施，發(fā)展新技術(shù)，降低光器件的成本，這樣才能被用戶所接受，用傳統(tǒng)手段制造的光開關(guān)難以滿足上述要求。
2.1 mems光開關(guān)技術(shù)
mems技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)光開關(guān)**性技術(shù)，給光通信領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了一系列****的mems研究熱[2,3]．這些研究被稱為moems〔微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng)〕。人們對mems光開關(guān)研究始于20世紀(jì)90年代中期．雖然起步較晚，但發(fā)展較快，而且研究單位和研究者眾多．成為一種*流行的光開關(guān)制作技術(shù)．貝爾實(shí)驗(yàn)室的“跌撓板”式光開關(guān)，被稱為世界上**個有實(shí)用價(jià)值的mems光開關(guān)；美國的omm公司的“cros-guan”光開關(guān)號稱世界**個mems光開關(guān)，該公司的小陣列(4×4和8×8)光開關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用階段，大于32×32陣列的光開關(guān)也在開發(fā)之中；另外。美國的onix公司也制作了基于微鏡技術(shù)的光開關(guān)，其中微鏡技術(shù)是該公司的磚利技術(shù)．在mems光開關(guān)的制作中，這些國外的研究單位和公司大多采用了mems平面工藝。
一般說來，mems光開關(guān)從空間結(jié)構(gòu)上可分成這樣兩種，即2d開關(guān)和3d開關(guān)。這兩種結(jié)構(gòu)在如何控制和引導(dǎo)光束的能力方面有很大的差別，可以在光通訊網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮各自不同的作用。在2d開關(guān)中，微鏡的排列只有兩個位置，即開和關(guān)兩種狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。這樣極大地減化了控制電路的設(shè)計(jì)，一般只需提供足夠的驅(qū)動電壓使微鏡發(fā)生動作即可。但是當(dāng)要擴(kuò)展成大型光開關(guān)陣列時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)便顯露出來了。因?yàn)楦鱾€輸入輸出端口之間的光路傳輸距離各有不同，所以各端口的插入損耗也不同，這就使2d光開關(guān)只能用在端口較少的環(huán)路里。這種二維光開關(guān)陣列插人損耗小于4db，開關(guān)時(shí)間小于10ms。由于受光程損耗的限制，*大可以實(shí)現(xiàn)32x32端口。如果要想實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異口密度，則在技術(shù)上十分困難。
在3d mems光開關(guān)中，微鏡能沿著兩個向的軸任意旋轉(zhuǎn)，因此它可以用不同的角度來改變光路的輸出，這樣在n×n的陣列中它只需要n或2n個微鏡即可。但是如果只有n個微鏡，則每個鏡的有限旋轉(zhuǎn)角度將會引入新的插入損耗。因此，現(xiàn)在多采用兩組微鏡陣列(2n)，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)的*大優(yōu)點(diǎn)是由光程差所引起的插入損耗對光開關(guān)陣列端口數(shù)的擴(kuò)展將不會產(chǎn)生很大的影響。但是另一方面，它所需要的控制電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會變得較為復(fù)雜。
利用mems技術(shù)制作的新型光開關(guān)，體積小、重量輕、能耗低，可以與大規(guī)模集成電路制作工藝兼容，易于大批量生產(chǎn)、集成化、方便擴(kuò)展、有利于降低成本。此外mems光開關(guān)與信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關(guān)，同時(shí)在進(jìn)行光處理過程中不需要進(jìn)行光／電或電／光轉(zhuǎn)換。特別是大規(guī)模光開關(guān)陣列，幾乎非mems技術(shù)而不能實(shí)現(xiàn)。而oxc必需使用大規(guī)模光開關(guān)陣列。因此大規(guī)模mems光開關(guān)陣列已經(jīng)成為目前發(fā)展全光通信技術(shù)中極其重要的技術(shù)路線。
另外mems光開關(guān)及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應(yīng)用范圍也很廣。長途傳輸網(wǎng)中的光開關(guān)／均衡器，發(fā)射功率限幅器；城域網(wǎng)中的監(jiān)控保護(hù)開關(guān)、信道均衡器、增益均衡器；無源網(wǎng)中的調(diào)制器等都需要光開關(guān)及其陣列。
一些國際通信公司也大力開發(fā)制造新型光開關(guān)。泰克公司已經(jīng)推出了osw8000系列光開關(guān)模塊，通過有效地分布多通道信號，利用了用戶在光通信測試設(shè)備中的投資，降低了測試時(shí)間和測試成本。此外，這些模塊可以隨時(shí)集成到用戶現(xiàn)有的工作臺環(huán)境和測試系統(tǒng)中，允許用戶在測試環(huán)境內(nèi)簡便地共享資源。通過0sw8000系列光開關(guān)模塊，系統(tǒng)和元器件設(shè)計(jì)人員和制造測試工程師可以把光信號選擇性地分布到不同的信號源和目的地，有效地節(jié)約成本。開關(guān)模塊采用*新的微型機(jī)電系統(tǒng)鏡像(mems)技術(shù)，在測試系統(tǒng)中點(diǎn)到點(diǎn)提供了上乘的光信號，解決了保持可行的測試重復(fù)性的挑戰(zhàn)。osw8000系列非常靈活，可以把一個單一來源的測試信號開關(guān)到多達(dá)八個目的地。相反，一個目的地可以從多達(dá)八個不同信號源接收輸入。
2.2 液晶光開關(guān)技術(shù)
液晶光開關(guān)是利用液晶材料的電光效應(yīng)，偏振光經(jīng)過未加電壓的液晶后，其偏振態(tài)將發(fā)生900改變，而經(jīng)過施加了一定電壓的液晶時(shí)，其偏振態(tài)將保持不變。由于液晶材料的電光系數(shù)是linbo3的百萬倍，因而成為*有效的電光材料。液晶光開關(guān)一般由三部分組成，入射光首*人偏振光分束器，被起偏后射人液晶，從液晶輸出的光的偏振態(tài)取決于該液晶是否加電壓，然后進(jìn)人偏振光合束器。液晶光開關(guān)沒有可移動部分，所以其可靠性高。spectra switch公司的hubert kostal指出：“與那些有移動部分的光開關(guān)相比，液晶光開關(guān)具有幾乎無限的使用壽命?！币壕Ч忾_關(guān)還具有無偏振依賴性，驅(qū)動功率低等優(yōu)點(diǎn)。在液晶光開關(guān)發(fā)展的初期有兩個主要的制約因素，即切換速度和溫度相關(guān)損耗?，F(xiàn)在已有技術(shù)使鐵電液晶光開關(guān)的切換時(shí)間達(dá)到1ms以下，其典型插入損耗也優(yōu)于1db。預(yù)計(jì)液晶光開關(guān)在網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù)應(yīng)用中將大有發(fā)展。理論上，液晶光開關(guān)的規(guī)模可以做得非常大，但在現(xiàn)實(shí)中似乎很難實(shí)現(xiàn)。corning公司和chorum tech公司都宣布已做出40×40端口的液晶光開關(guān)。
2.3 聲光光開關(guān)技術(shù)
聲光光開關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)。其基本原理可描述如下：控制電信號經(jīng)換能器后產(chǎn)生一定頻率的聲表面波，聲表面波在聲光介質(zhì)中傳播，使介質(zhì)折射率發(fā)生周期性變化，形成了一個運(yùn)動的衍射光柵，當(dāng)入射光束滿足布拉格衍射條件時(shí)，就可引起光的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角由聲波的頻率和入射光波長決定。聲光光開關(guān)的切換速度在毫秒量級，該技術(shù)可方便地用來制作端口數(shù)較少的光開關(guān)。但復(fù)雜而昂貴的控制電路限制了聲光光開關(guān)向大規(guī)模方向的發(fā)展。并且聲光光開關(guān)的波長相關(guān)損耗(wdl)比較高。
日本富士通公司采用聲光可調(diào)濾波器研制的oadm頗有特色。聲光可調(diào)濾波器aotf (acousto-optic tunable filter)具有多波長帶阻功能，aotf是用無線電頻率rf控制可任意阻止1個或多個波長通過。其波長間隔0.8nm，阻帶波長衰減>42db。波長偏差< 0.006nm。該oadm內(nèi)，采用了波長可調(diào)ld模塊，共有4個8波長dfb-ld陣列。共32波長，工作速率10gb/s。
2.4 mach-zehnder干涉儀型光開關(guān)
m-z干涉儀型光開關(guān)由兩個3db精合器和兩個波導(dǎo)臂組成，通常在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導(dǎo)，波導(dǎo)兩端分別連接一個3db的y形分束器。向波導(dǎo)臂注入電流將改變光開關(guān)的折射串，使光程相應(yīng)變化，形成相干增強(qiáng)或相消，達(dá)到開關(guān)的目的。其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，在微秒量級；缺點(diǎn)是消光比僅20db左右。
為提高開關(guān)速度和實(shí)現(xiàn)更低的插入損耗，可利用半導(dǎo)體光放大器集成對稱m-z型全光開關(guān)，將半導(dǎo)體光放大器集成在硅基平面干涉儀的兩臂上。通過對兩臂施加超短控制光脈沖(寬度2ps，頻率10ghz)，利用半導(dǎo)體光放大器的非線性，實(shí)現(xiàn)接近矩形的開關(guān)窗口，開關(guān)速度不受限于載流子壽命，*快能達(dá)到皮秒(ps)量級。在m-z干涉儀型光開關(guān)中采用多模干涉耦合器(mml)替換3db耦合器能得到更好的性能。mmi的原理是利用多模波導(dǎo)中的自映像效應(yīng)，即在傳播方向上周期性出現(xiàn)輸入場的映像。貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了4x4光開關(guān)的研究結(jié)果，研究中使用1個多模干涉耦合器m-z代替3個1x2的光開關(guān)，使得器件結(jié)構(gòu)更加緊湊，隨之損耗降低為2.8db，串?dāng)_為35.2db。利用這種結(jié)構(gòu)可很容易擴(kuò)展到8x8、16x16的光開關(guān)矩陣。
2.5 熱光光開關(guān)
熱光光開關(guān)技術(shù)主要是用來制造小型的光開關(guān)。通過集成多個1x2光開關(guān)也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關(guān)：干涉式光開關(guān)、數(shù)字光開關(guān)(dos)。干涉式光開關(guān)主要利用m-z干涉原理制造，光的相位與光的傳輸距離有關(guān)，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導(dǎo)里面進(jìn)行傳輸。在兩個波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，通過控制加熱器實(shí)現(xiàn)干涉的相長或相消，達(dá)到開關(guān)的目的。干涉式光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對光波長敏感，需要進(jìn)行精密溫度控制。數(shù)字光開關(guān)的原理和結(jié)構(gòu)都很簡單，*基本的1x2熱光開關(guān)由在硅基底上制作的y形分支矩形波導(dǎo)構(gòu)成。在波導(dǎo)分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當(dāng)對y形的一個分支加熱時(shí)，相應(yīng)波導(dǎo)的折射李會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關(guān)的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就保持同樣的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功耗小，但插人損耗較大，一般為4db。
2.6 噴墨氣泡光開關(guān)
agilent公司利用其噴墨打印技術(shù)的優(yōu)勢，開發(fā)了一種利用液體的移動來改變光路全反射條件，實(shí)現(xiàn)光傳播路徑改變的光開關(guān)。該器件由多條交叉的硅波導(dǎo)和位于每個交叉點(diǎn)的刻痕組成，刻痕里填充折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。其工作原理是：當(dāng)入射光進(jìn)人并需要交換時(shí)，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個小泡，小泡將光從入射波導(dǎo)中的光信號全反射*輸出波導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)所需要的兩個狀態(tài)。這種開關(guān)具有ms的交換速度，優(yōu)點(diǎn)是對偏振相關(guān)損耗pdl和偏振模色散pmd不敏感，由于器件本身沒有活動部件，因而可靠性很好。它可應(yīng)用在光分插復(fù)用設(shè)備oadm中，實(shí)現(xiàn)任意一根光纖或單波長的上下路，也可以用于光交叉連接設(shè)備oxc中。由于子系統(tǒng)中任意一根波導(dǎo)可以連接到另外一根波導(dǎo)上，所以，由這種光開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)具有很好的重構(gòu)性。
2.7 全息光開關(guān)
全息光開關(guān)依靠布拉格光柵實(shí)現(xiàn)對光的選擇性反射。通過全息的形式在晶體內(nèi)部生成布拉格光柵，當(dāng)加電時(shí)，布拉格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過晶體。這項(xiàng)技術(shù)可以很容易地組成具有上干個端口的光開關(guān)陣列，并且開關(guān)速度很快，可達(dá)納秒(ns)量級，但它也有不足之處，那就是該器件的功率消耗比較大，并且需要高壓供電。
2.8 液體光柵光開關(guān)
同樣是基于布拉格光柵技術(shù)，利用液晶與光柵技術(shù)相結(jié)合，也能實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。如將液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導(dǎo)上面，形成液體光柵。當(dāng)沒有施加電壓時(shí)，光柵把一個特定波長的光反射到輸出端口。加電壓后，光柵消失，致使晶體全透明，光信號將直接通過光波導(dǎo)。液體光柵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間可達(dá)100μs，插人損耗小于1db。由于沒有移動部分，可靠性好。另外該器件的功耗比較低。
2.9 半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)
在半導(dǎo)體量子阱帶間躍遷（isb-t）中有超快馳豫時(shí)間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長可調(diào)諧大的特點(diǎn)。；在一種材料ingaas/aiassb多量子阱中的通信波長上得到了1.2ps的響應(yīng)時(shí)間，而在另外一種gan/aigan多量子阱中，得到了150fs的超快響應(yīng)時(shí)間，而這有可能制作成fs級超快光開關(guān)。
3結(jié)論
光開關(guān)是全光通信網(wǎng)相關(guān)器件中的一項(xiàng)核心技術(shù)。在全光網(wǎng)絡(luò)中，端到端用戶節(jié)點(diǎn)之間全是光路，始終保持光信號傳送，沒有任何光電變換器，也就是說，網(wǎng)絡(luò)對光信號是透明的。就透明性來說，只要有光電變換，就只是半透明的。全透明當(dāng)然是人們所希望的，這樣可**充分地利用光纖的傳輸潛力，使網(wǎng)絡(luò)帶寬幾乎無限，對傳送的信號無任何限制，對信號的處理很少，這樣的網(wǎng)絡(luò)是*經(jīng)濟(jì)可靠。在全光網(wǎng)中，*關(guān)鍵的技術(shù)，還是全光交換與路由技術(shù)，主要就是oxc，oadm的實(shí)現(xiàn)問題。但是，目前實(shí)現(xiàn)全透明光網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上還有不少困難，例如，在直接組網(wǎng)與運(yùn)營方面，還有不少全光組網(wǎng)技術(shù)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)需要研究開發(fā)；此外，光交換機(jī)技術(shù)還未成熟。由于光開關(guān)是全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一種重要的基本光器件，無論是在空分、時(shí)分或波分復(fù)用系統(tǒng)中，光開關(guān)都有著廣泛的應(yīng)用，而光分插復(fù)用器、光交叉連接設(shè)備在長途wdm系統(tǒng)中又被廣泛使用，因此，大力開發(fā)光開關(guān)技術(shù)并使之小型化，對全光網(wǎng)來說是非常重要的。mems光開關(guān)技術(shù)由于利于集成以及在諸多方面的優(yōu)勢，將是末來全光開關(guān)的重要發(fā)展方向之一。隨著光開關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是多功能集成光開關(guān)在關(guān)鍵技術(shù)上的突破，必將對全光通信網(wǎng)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用。
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