全光網(wǎng)絡中的光開關技術
北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關）
摘要：本文對全光網(wǎng)絡中的光開關技術進行了討論與研究。下一代光通信網(wǎng)絡的發(fā)展，關鍵在于其光器件技術的突破上，要克服光網(wǎng)絡節(jié)點處理的速率瓶頸、實現(xiàn)全光聯(lián)網(wǎng)、高效傳送和交換ip業(yè)務，就必須積極研究開發(fā)新的光器件。在光開關技術、以及其它關鍵光器件技術上有所突破，是建設全光網(wǎng)的關鍵所在。
關鍵詞：全光網(wǎng)絡，光開關 ,光器件
1 引言
隨著以ip為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務的爆炸性增長，新的高速率大容量傳輸技術應運而生，以滿足網(wǎng)絡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*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，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內(nèi)進行。在全光網(wǎng)絡中，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)絡節(jié)點中，尤其是樞紐節(jié)點，典型的情況是約有70-80%的業(yè)務量是直通的，為了少量的業(yè)務不得不全部進行光電變換處理，將落地的光信號轉變?yōu)殡娦盘枺M行交換與選路，然后再將其變換為光信號，送到適當?shù)墓饴分?。這種電的處理技術大大限制了wdm技術的優(yōu)越性，使網(wǎng)絡節(jié)點乃*網(wǎng)絡的吞吐量變小，形成電子瓶頸?？紤]到這種現(xiàn)行網(wǎng)絡的運行情況，為進一步克服電子瓶頸現(xiàn)象，全光網(wǎng)絡浮出了水面。
全光網(wǎng)是高速寬帶通信網(wǎng)，在干線上采用dwdm技術擴容，在交叉節(jié)點上采用光分插復用器(oadm)、光交叉連接器(oxc)來實現(xiàn)。由于光通信網(wǎng)絡的每一步發(fā)展，都是與一些關鍵光器件技術所取得的成就分不開的，因此，要構造新一代全光網(wǎng)絡，沒有*的光器件技術來支撐是不行的，可以說，未來的新一代全光網(wǎng)絡是否能建成，其中的關鍵光器件技術是其重要基礎。
2 光開關技術
在全光網(wǎng)絡各種設備器件當中，光交叉連接設備（oxc）和光分插復用設備（oadm）可以說是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術。研制全光的交叉連接oxc和分插復用oadm設備，成為建設大容量通信干線網(wǎng)絡十分迫切的任務。而光開關和光開關陣列恰恰是oxc和oadm的核心技術。隨著光通信技術的飛速發(fā)展，新的光網(wǎng)絡核心器件技術對光開關也提出了更高的要求。在光開關的技術指標上，要求光開關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)絡的擴充，所需器件將會大大增加，由此也帶來了光網(wǎng)絡設備高昂的成本。因此，必須采取技術措施，發(fā)展新技術，降低光器件的成本，這樣才能被用戶所接受，用傳統(tǒng)手段制造的光開關難以滿足上述要求。
2.1 mems光開關技術
mems技術被認為是一項光開關**性技術，給光通信領域的應用帶來了一系列****的mems研究熱[2,3]．這些研究被稱為moems〔微光學電子機械系統(tǒng)〕。人們對mems光開關研究始于20世紀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*流行的光開關制作技術．貝爾實驗室的“跌撓板”式光開關，被稱為世界上**個有實用價值的mems光開關；美國的omm公司的“cros-guan”光開關號稱世界**個mems光開關，該公司的小陣列(4×4和8×8)光開關產(chǎn)品已進入實用階段，大于32×32陣列的光開關也在開發(fā)之中；另外。美國的onix公司也制作了基于微鏡技術的光開關，其中微鏡技術是該公司的磚利技術．在mems光開關的制作中，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光開關從空間結構上可分成這樣兩種，即2d開關和3d開關。這兩種結構在如何控制和引導光束的能力方面有很大的差別，可以在光通訊網(wǎng)絡中發(fā)揮各自不同的作用。在2d開關中，微鏡的排列只有兩個位置，即開和關兩種狀態(tài)，其結構如圖3所示。這樣極大地減化了控制電路的設計，一般只需提供足夠的驅動電壓使微鏡發(fā)生動作即可。但是當要擴展成大型光開關陣列時，這種結構的弱點便顯露出來了。因為各個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光開關只能用在端口較少的環(huán)路里。這種二維光開關陣列插人損耗小于4db，開關時間小于10ms。由于受光程損耗的限制，*大可以實現(xiàn)32x32端口。如果要想實現(xiàn)更優(yōu)異口密度，則在技術上十分困難。
在3d mems光開關中，微鏡能沿著兩個向的軸任意旋轉，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。這種結構的*大優(yōu)點是由光程差所引起的插入損耗對光開關陣列端口數(shù)的擴展將不會產(chǎn)生很大的影響。但是另一方面，它所需要的控制電路和結構設計將會變得較為復雜。
利用mems技術制作的新型光開關，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、方便擴展、有利于降低成本。此外mems光開關與信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關，同時在進行光處理過程中不需要進行光／電或電／光轉換。特別是大規(guī)模光開關陣列，幾乎非mems技術而不能實現(xiàn)。而oxc必需使用大規(guī)模光開關陣列。因此大規(guī)模mems光開關陣列已經(jīng)成為目前發(fā)展全光通信技術中極其重要的技術路線。
另外mems光開關及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應用范圍也很廣。長途傳輸網(wǎng)中的光開關／均衡器，發(fā)射功率限幅器；城域網(wǎng)中的監(jiān)控保護開關、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。泰克公司已經(jīng)推出了osw8000系列光開關模塊，通過有效地分布多通道信號，利用了用戶在光通信測試設備中的投資，降低了測試時間和測試成本。此外，這些模塊可以隨時集成到用戶現(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系列光開關模塊，系統(tǒng)和元器件設計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。開關模塊采用*新的微型機電系統(tǒng)鏡像(mems)技術，在測試系統(tǒng)中點到點提供了上乘的光信號，解決了保持可行的測試重復性的挑戰(zhàn)。osw8000系列非常靈活，可以把一個單一來源的測試信號開關到多達八個目的地。相反，一個目的地可以從多達八個不同信號源接收輸入。
2.2 液晶光開關技術
液晶光開關是利用液晶材料的電光效應，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，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，然后進人偏振光合束器。液晶光開關沒有可移動部分，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相比，液晶光開關具有幾乎無限的使用壽命。”液晶光開關還具有無偏振依賴性，驅動功率低等優(yōu)點。在液晶光開關發(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損耗?，F(xiàn)在已有技術使鐵電液晶光開關的切換時間達到1ms以下，其典型插入損耗也優(yōu)于1db。預計液晶光開關在網(wǎng)絡自愈保護應用中將大有發(fā)展。理論上，液晶光開關的規(guī)?？梢宰龅梅浅４螅诂F(xiàn)實中似乎很難實現(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。
2.3 聲光光開關技術
聲光光開關是利用介質的聲光效應。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中傳播，使介質折射率發(fā)生周期性變化，形成了一個運動的衍射光柵，當入射光束滿足布拉格衍射條件時，就可引起光的偏轉，偏轉角由聲波的頻率和入射光波長決定。聲光光開關的切換速度在毫秒量級，該技術可方便地用來制作端口數(shù)較少的光開關。但復雜而昂貴的控制電路限制了聲光光開關向大規(guī)模方向的發(fā)展。并且聲光光開關的波長相關損耗(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
m-z干涉儀型光開關由兩個3db精合器和兩個波導臂組成，通常在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導，波導兩端分別連接一個3db的y形分束器。向波導臂注入電流將改變光開關的折射串，使光程相應變化，形成相干增強或相消，達到開關的目的。其優(yōu)點是開關速度快，在微秒量級；缺點是消光比僅20db左右。
為提高開關速度和實現(xiàn)更低的插入損耗，可利用半導體光放大器集成對稱m-z型全光開關，將半導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)，利用半導體光放大器的非線性，實現(xiàn)接近矩形的開關窗口，開關速度不受限于載流子壽命，*快能達到皮秒(ps)量級。在m-z干涉儀型光開關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中的自映像效應，即在傳播方向上周期性出現(xiàn)輸入場的映像。貝爾實驗室報道了4x4光開關的研究結果，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，使得器件結構更加緊湊，隨之損耗降低為2.8db，串擾為35.2db。利用這種結構可很容易擴展到8x8、16x16的光開關矩陣。
2.5 熱光光開關
熱光光開關技術主要是用來制造小型的光開關。通過集成多個1x2光開關也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關：干涉式光開關、數(shù)字光開關(dos)。干涉式光開關主要利用m-z干涉原理制造，光的相位與光的傳輸距離有關，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導里面進行傳輸。在兩個波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關的目的。干涉式光開關結構緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，*基本的1x2熱光開關由在硅基底上制作的y形分支矩形波導構成。在波導分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當對y形的一個分支加熱時，相應波導的折射李會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態(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
agilent公司利用其噴墨打印技術的優(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，實現(xiàn)光傳播路徑改變的光開關。該器件由多條交叉的硅波導和位于每個交叉點的刻痕組成，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：當入射光進人并需要交換時，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中的光信號全反射*輸出波導，從而實現(xiàn)開關所需要的兩個狀態(tài)。這種開關具有ms的交換速度，優(yōu)點是對偏振相關損耗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。它可應用在光分插復用設備oadm中，實現(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備oxc中。由于子系統(tǒng)中任意一根波導可以連接到另外一根波導上，所以，由這種光開關組成的網(wǎng)絡具有很好的重構性。
2.7 全息光開關
全息光開關依靠布拉格光柵實現(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，當加電時，布拉格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過晶體。這項技術可以很容易地組成具有上干個端口的光開關陣列，并且開關速度很快，可達納秒(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
同樣是基于布拉格光柵技術，利用液晶與光柵技術相結合，也能實現(xiàn)光開關功能。如將液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上面，形成液體光柵。當沒有施加電壓時，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。液體光柵技術的優(yōu)點是響應時間可達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 半導體多量子阱超快光開關
在半導體量子阱帶間躍遷（isb-t）中有超快馳豫時間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長可調(diào)諧大的特點。；在一種材料ingaas/aiassb多量子阱中的通信波長上得到了1.2ps的響應時間，而在另外一種gan/aigan多量子阱中，得到了150fs的超快響應時間，而這有可能制作成fs級超快光開關。
3結論
光開關是全光通信網(wǎng)相關器件中的一項核心技術。在全光網(wǎng)絡中，端到端用戶節(jié)點之間全是光路，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)絡是*經(jīng)濟可靠。在全光網(wǎng)中，*關鍵的技術，還是全光交換與路由技術，主要就是oxc，oadm的實現(xiàn)問題。但是，目前實現(xiàn)全透明光網(wǎng)絡在技術上還有不少困難，例如，在直接組網(wǎng)與運營方面，還有不少全光組網(wǎng)技術及相應標準需要研究開發(fā)；此外，光交換機技術還未成熟。由于光開關是全光網(wǎng)絡系統(tǒng)中的一種重要的基本光器件，無論是在空分、時分或波分復用系統(tǒng)中，光開關都有著廣泛的應用，而光分插復用器、光交叉連接設備在長途wdm系統(tǒng)中又被廣泛使用，因此，大力開發(fā)光開關技術并使之小型化，對全光網(wǎng)來說是非常重要的。mems光開關技術由于利于集成以及在諸多方面的優(yōu)勢，將是末來全光開關的重要發(fā)展方向之一。隨著光開關技術的不斷進步，特別是多功能集成光開關在關鍵技術上的突破，必將對全光通信網(wǎng)的發(fā)展起到巨大的促進作用。
北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關）
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