全面解析光開關技術與應用

隨著光纖通信技術的發展和密集波分復用系統的應用，光聯網已經成為網絡發展的趨勢。光聯網絡技術的實現主要依賴于光開關、光濾波器、光放大器、密集波分復用(DWDM)技術等器件和技術的進展。密集波分復用技術的發展是推動全光通信發展的重要因素，而光聯網的提出將使設備制造商、電信運營商都面臨巨大的機遇與挑戰。

(圖源網絡，侵刪)

光開關是全光交換中的關鍵器件，可實現在全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等功能。目前光開關主要應用包括：

光交叉連接(OXC)。OXC由光開關陣列組成，主要實現動態的光路徑管理、光網絡的故障保護、靈活增加新業務等。光交叉連接對開關的要求主要有低插損、低 串擾、低開關時間以及無阻塞運作。目前微機電系統技術已經在光交換應用中進入實驗階段，由于其對波長、數據速率和信號格式都透明，在不遠的將來有希望實現光層上的交換。

用光開關實現網絡的自動保護倒換。當光纖斷裂或傳輸發生故障時，就可以通過光開關改變業務的傳輸路徑，實現對業務的保護。通常這種保護倒換只需1×2端口的光開關就可以實現。

用1×N光開關實現網絡監控。在遠端光纖測試點通過1×N光開關把多根光纖接到一個光時域反射儀(OTDR)上，通過光開關倒換實現對所有光纖的監測?；蛘卟迦刖W絡分析儀實現網絡在線分析。

光纖通信器件測試。光器件、光纜以及子系統產品在測試過程中，可以使用光開關同時測試多個器件，從而簡化測試，提高效率。

光分插復用器(OADM)。主要應用于環形的城域網中，實現單個波長和多個波長從光路自由上下。用光開關實現的OADM可以通過軟件控制動態上下任意波長，這樣將增加網絡配置的靈活性。

傳統的光開關技術主要采用固態波導和光機械兩種技術：固態波導開關由于有較高的串音、損耗和功耗，只能在有限的開關陣列中應用，不適合向大規模的開關陣列中擴展;機械開關雖然有比較低的插入損耗和串音，但其設備龐大、可擴展性一般，也不適用于大規模的開關陣列。目前已經涌現了很多新技術，主要包括微機電光開關、噴墨氣泡光開關、液晶光開關、熱光效應開關、聲光效應開關、全息開關、液晶光柵開關等。

一般主要用以下參數考察光開關：開關速度、陣列大小、損耗、可靠性以及可擴展性等?；诓煌膽?，各種技術的發展也不盡相同。下面對幾種主要技術及其應用進行分析：

基于微機電系統(MEMS)的光開關，由于其與光信號的格式、波長、協議、調制方式、偏振、傳輸方向等均無關，而且在損耗、擴展性上都要優于其它類型，與未來光網絡發展所要求的透明性和可擴展等趨勢相符合，有可能成為核心光交換器件中的主流。其原理就是通過靜電或其他控制力使可以活動的微鏡發生轉動，從而改變輸入光的傳播方向。由于MEMS技術可以利用類似IC的工藝成批加工生產，盡管制造過程比較復雜，但是可以批量生產，因此降低了單個的成本。

目前二維子系統最大容量是32×32端口，多個子系統可以連接起來形成大的交叉陣列，最大可以達到512×512端口。由于是機械運動，MEMS光開關的開關時間都在ms量級。MEMS光開關的插損比較大，主要包括透鏡的耦合損耗、高斯光傳播損耗以及鏡子角度偏差引起的損耗。OMM公司4×4光開關的插損達 到3dB，16×l6開關陣列的插損增加到5至7dB。另外，任何機械摩擦、磨損以及外部振動都可能使它的可靠性降低。

OMM公司預計于2001年中期推出三維產品;在原理上類似二維方案，但在N個輸入光纖和N個輸出光纖之間僅使用了2×N個微鏡，每個微鏡都有N個可能的位置，因此驅動結構非常復雜，成本也隨之增加。

盡管MEMS技術還有很多不足，但仍得到了眾多公司的推崇，技術也在蓬勃發展。Nortel在2000年初以32.5億美元購得制造MEMS光器件的Xros公司。Lucent推出了Wave Star Lamda Router的全光路由系統，其光交叉連接系統可實現224×224的交換容量。

Agilent (安捷倫)公司結合噴墨打印和硅平面光波導兩種技術，開發出一種二維光交叉連接系統。安捷倫公司的全光交換芯片曾在OFC2000年會上引起轟動。該設備 由許多交叉的硅波導和位于每個交叉點的微型管道組成，微型管道里填充一種與折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。當有入射光照入并需要交換 時，一個熱敏硅片會在液體中產生一個小泡(Bubble)，小泡將光從入射波導中的光信號全反射至輸出波導。

Agilent公司目前已經制造出32×32和32×16端口光開關子系統，并且可以把這些子系統連接起來組成更大的交換陣列。其開關響應時間小于10ms，可以用于光纖保護倒 換。并且，這種開關對偏振相關損耗和偏振模色散都不敏感;由于器件本身沒有可活動部件，因此可靠性很好，可以滿足電信應用中時間可靠性要求;同時這種光開 關可以大批量生產。目前供應商有Agilent公司。

液晶(Liquid crystal)光開關是根據其偏振特性來完成交換的。典型的液晶器件包括無源和有源部分，它實現光交換主要由以下步驟來進行：首先把輸入光分為兩路偏振 光，然后把光輸入液晶內，液晶根據是否加電壓來改變光的偏振狀態：由于電光效應，在液晶上加電壓將改變非常光的折射率，從而改變光的偏振狀態;最后光射到 無源光器件上，根據光的偏振方向把光輸出到預定的輸出端口。

液晶光開關理論上的網絡重構性可能比較好，但是目前最大端口數為80，因此 液晶被認為更適合用于較小的交換系統中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的兩束光，最后把它們合起來，如果兩束光的傳播路徑稍有不同，便會產生插損(對 1×2開關1dB，1×8開關2.5dB)，目前消光比為40～50dB。開關速度方面，可以通過加熱液晶來提高速度，但不可避免地使設備功耗增加。另 外，更多的商家開始研究基于液晶的可調光衰減器;由于與偏振相關，也可用于制作偏振模色散(PMD)補償器。

熱光技術(Thermal-Optics)主要用來制造小的光開關：如1×2、2×2等，但通過在一塊芯片上集成1×2光開關也可以組成較大的交換系統，如 64×64端口?，F在主要有兩種類型的熱光開關，數字光開關(DOS)和干涉式光開關。干涉式光開關結構緊湊，但由于對光波長敏感，需要進行溫度控制。數 字光開關性能更穩定，只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態。最簡單的器件是1×2開關，叫做Y型分路器。對Y型的一個分支加熱時，材料的折射率就 會發生改變，將阻止光沿著這個分支傳輸。數字光開關可以用硅和高分子聚合物制作;后者功耗小，但插損大。

干涉式光開關主要利用Mach Zehnder干涉原理，也就是利用光的相位特性，光的相位變化與傳輸距離相關。首先輸入光被分成兩路，在兩根光波導里分別傳輸，最后合在一起。其中一根 波導被加熱來改變波導的折射率，從而改變光傳輸距離，使得一束光到達時與另一束光不同相，利用干涉原理使合成光束減弱甚至關斷。

熱光開關陣列還可以和陣列波導光柵(AWG)集成在一起組成光分插復用器。AKZO NOBEL公司早在1991年就已經推出了聚合物數字光開關，目前聚合物熱光開關已經進入規模生產。

目前供應商包括NTT Electronics、JDSU、Corning、Alcatel、AKZO NOBEL等公司。

通過全息(Holograms)反射在晶體內部生成布拉格光柵，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。利用這種技術可以很容易 地組成上千端口的光交換系統。并且它的開關速度非?？?，只需幾個ns就可以把一個波長交換到另一個波長。由于沒有可移動器件，可靠性比較好。根據 Trellis Photonics公司，240×240端口的交換系統的插損低于4dB，端到端的重復性也比較好，但是它的功耗比較大，并且需要高電壓供電。

這種技術可以跟三維MEMS技術競爭，但它更適合單個波長的交換。納秒量級的交換速度可以用于未來的基于報文交換的光路由器中。目前供應商有Trellis Photonics等公司。

液體光柵(Liquid Gratings)技術是液晶技術和全息技術的綜合。液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上面。當沒有施加電壓時，光柵就把一個特定波長的光反射到輸出端口，而加上電壓時，光柵消失即晶體是全透明的，光信號將直接通過光波導。

根據Digilens公司，這種光開關的響應時間為100ms，插損小于1dB。由于沒有移動部分，可靠性比較好。另外功率消耗比較低，典型值為50mW。

利用聲光效應(Acousto-Optics)制作的光開關，目前最大端口為256×256，由于沒有機械的運動部分，所以可靠性好;對1×2開關，插損為2.5dB，開關速度為525ns;但缺點是成本太高，不利于實際應用。