| 綿陽超光通信 |
2014-05-22 13:38 |
光開關技術進展
摘 要：隨著密集波分復用技術的應用以及光聯(lián)網(wǎng)的提出，光開關技術已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一。光開關廣泛應用于交叉連接設備、保護倒換、分插復用器等各種設備中。綜述了目前已經(jīng)實用或正在研究的光開關及陣列的各種制作技術，包括微光電子機械技術、液晶技術、全息光柵技術以及氣泡技術、熱光技術及聲光技術等，詳細分析了各種技術相應的發(fā)展狀況、技術特點和應用范圍，并分析了其發(fā)展的趨勢。 f p[,C1U
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關鍵詞：光開關； 光聯(lián)網(wǎng)； 密集波分復用； 微光電子機械系統(tǒng) yI3 kvh
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1.引言 BVpO#c ~I
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隨著光纖通信技術的發(fā)展和密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)的應用，光聯(lián)網(wǎng)（OTN）已經(jīng)成為網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢, 光開關技術已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一。光聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)主要依賴于光開關、光濾波器、新一代放大器、密集波分復用技術等器件和技術的進展。其中DWDM技術的發(fā)展是推動光纖通信網(wǎng)絡發(fā)展的重要因素，而光聯(lián)網(wǎng)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(zhàn)。 k)7{Y9_No
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2.光開關應用范圍介紹 (gX N%rsY
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光開關是全光交換中的關鍵器件，可實現(xiàn)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［1~4］： GJA`l8`SQ
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（1）光交叉連接（OXC）。OXC由光開關矩陣組成，主要實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡的故障保護、靈活增加新業(yè)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。目前微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術已經(jīng)在光交換應用中進入了現(xiàn)場實驗階段［1］，由于其對波長、數(shù)據(jù)速率和信號格式都透明，在不遠的將來有希望實現(xiàn)光層上的交換； e0HfP v_
（2）用光開關實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動保護倒換。當光纖斷裂或傳輸發(fā)生故障時，就可以通過光開關改變業(yè)務的傳輸路徑，實現(xiàn)對業(yè)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(xiàn)； bC6oqF'#
（3） 用1×N光開關實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)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(xiàn)對所有光纖的監(jiān)測。另外，利用光開關也可以在光纖線路中插入網(wǎng)絡分析儀，實現(xiàn)網(wǎng)絡在線分析； pA }S5x
（4）光纖通信器件測試。光器件、光纜以及子系統(tǒng)產(chǎn)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； q(IQa@$SR
（5）光上下路復用（OADM）。光上下路復用器主要應用于環(huán)形的城域網(wǎng)中，實現(xiàn)單個波長和多個波長從光路上自由上下。用光開關實現(xiàn)的OADM可以通過軟件控制動態(tài)上下任意波長，這樣將增加網(wǎng)絡配置的靈活性。 *>[3I}mM
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3.各種光開關技術特點分析 s:>\/[*>0c
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傳統(tǒng)的光開關技術主要采用波導和機械兩種技術。波導開關的開關速度在微秒到亞毫秒量級，且體積非常小、易于集成為大規(guī)模的矩陣開關陣列，但其插損、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標都較差；光機械開關雖然有比較低的插入損耗和串音效果，以及成本較低、設計配置簡單，但其設備龐大、可擴展性一般，不適用于大規(guī)模的開關矩陣及OXC應用。目前，原有技術得到了進一步的發(fā)展，同時也涌現(xiàn)了很多新技術，主要包括微光電子機械開關、噴墨氣泡光開關、液晶光開關、全息光柵開關等。 .u z|/Zy
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一般考察光開關，主要有以下參數(shù)：開關速度、開關矩陣規(guī)模、損耗、串擾、偏振敏感性、可靠性以及可擴展性等�；诓煌膽�，各種技術的發(fā)展也不盡相同。下面將對這幾種主要技術以及相應的應用進行分析比較。 ~AB*]Us
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3.1.微電子機械光開關 9KuD(EJS
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MEMS技術已經(jīng)在很多工業(yè)領域得到很廣泛的應用，而在光通信領域，基于MEMS的光開關解決方案也正在受到業(yè)界的推崇。基于MEMS/MOEMS的光開關[1，2］，基本原理就是通過靜電或其他控制力使可以活動的微鏡發(fā)生機械轉動，以改變輸入光的傳播方向，從而實現(xiàn)開關功能。 +&=?BC}L9^
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如圖1所示為OMM公司的8×8光開關。在中間芯片上集成了微鏡陣列，以斜線表示，通過施加靜電力可控制其旋轉。圖中有5個微鏡處于反射狀態(tài)，用于實現(xiàn)不同路徑的切換，其中所有的信號傳播都是雙向的，其插損小于4dB，開關時間小于10ms。這種二維技術受光程損耗的限制，最大可以實現(xiàn)32×32端口，不過可以將多個子系統(tǒng)連接起來形成更大的交叉矩陣。 一般MEMS光開關的開關時間都在毫秒量級，在與其他技術比較中處于劣勢。另外，由于MEMS光開關是利用微鏡的機械轉動來實現(xiàn)開關功能的，所以任何機械摩擦、磨損以及外部振動都可能使它的可靠性降低。驅動結構方面，目前靜電和磁感應逐漸成為MEMS光開關的主要選擇。靜電驅動能力較低，而磁感應驅動還需要解決系統(tǒng)的屏蔽、封裝以及可靠性問題。因此，靜電驅動方案目前仍是首選，而且已經(jīng)有很多靜電驅動的開關產(chǎn)品投入市場。 MEMS技術利用類似IC的工藝成批加工生產(chǎn)，從而降低成本，這與其他類型開關相比很具有競爭力；另外由于它與光信號的格式、波長、協(xié)議、調制方式、偏振、傳輸方向等均無關，而且在損耗、擴展性方面都要優(yōu)于其他類型的光開關，與未來光網(wǎng)絡發(fā)展所要求的透明性和可擴展等趨勢相符合�；谶@些優(yōu)點，利用MEMS技術制作的光開關及陣列有可能成為核心光交換器件中的主流。 由于二維方案的端口受限，又出現(xiàn)了如圖2所示的三維解決方案，它突破了二維方案的端口限制。在N個輸入光纖和N個輸出光纖之間使用了2×N個微鏡，每個微鏡都有N個可能的位置，從而實現(xiàn)N×N開關陣列。但其驅動結構非常復雜，成本也隨之增加。 盡管MEMS技術在開關速度、可靠性方面仍有缺陷，但仍得到了眾多公司的推崇，技術也在蓬勃發(fā)展。美國Xros公司利用兩個相對放置的各有1152個微鏡的陣列實現(xiàn)了1152×1152的大型交叉連接，其總容量已經(jīng)比傳統(tǒng)電交叉連接器提高了約兩個數(shù)量級。Nortel公司在2000年初以32.5億美元將其收購。美國Lucent公司推出了Wave Star Lamda Router全光波長路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實現(xiàn)256×256的交叉連接，可節(jié)約25％的運行費用和99％的能耗。 目前該類光開關的主要提供商有OMM，Lucent，Nortel，IMM，Cronos，Memscap，Calient等公司。 WT\<.P y
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3.2.馬赫-曾德干涉儀型開關 PkuTg";
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馬赫-曾德干涉儀型（MZI）開關的基本原理與工作于截止狀態(tài)的電光調制器的相同。如圖3所示，它由兩個3dB耦合器和兩個波導臂組成，即在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導，波導兩側和中間均為表面電極，波導兩端再分別連接一個3dB Y型分束器。通過注入電流改變波導臂的折射率，從而使光程相應變化以達到相干增強或相消，實現(xiàn)開關目的。它的優(yōu)點是非機械性、速度快，在微秒量級，但缺點也非常明顯，它的消光比僅接近20dB。 為實現(xiàn)更快的開關速度和更低的插入損耗，最近又出現(xiàn)了利用半導體光放大器的非線性作用制作的混合集成對稱馬赫-曾德型全光開關結構［3］。如圖4所示，它將SOA作為非線性波導臂，集成在硅基平面光電路（PLC）上，并在制作上實現(xiàn)自校準。通過對干涉儀的兩臂施加超短控制光脈沖（寬度為2ps，頻率為10GHz），利用SOA的非線性，實現(xiàn)接近矩形的開關窗口，而且開關速度不再受限于載流子壽命，最快能達到皮秒量級。這種結構相比于使用平行條狀無源光波導的器件，有更低的群速度色散和吸收損耗，從而能實現(xiàn)更快的開關速度和更低的插損。但它的消光比僅為18dB。它的優(yōu)點體現(xiàn)在可以大規(guī)模集成，另外開關速度方面也頗具優(yōu)勢，因此具有較大的吸引力。 另外還可以使用多模干涉耦合器（MMI）替換上述開關中的3dB耦合器。MMI耦合器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。由于其結構緊湊、制作容差大，功率損耗低，將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3dB耦合器而應用于MZI型光開關，也受到關注。圖5是貝爾實驗室2001年1月報道的基于1×4 MMI-MZ的4×4光開關［4］由于其使用1個MMI-MZ代替3個1×2的開關，從而使得結構更加緊湊，損耗也隨之降低，插入損耗為2.8dB，串擾為35.2 dB。利用這種結構也很容易擴展為8×8,16×16的開關矩陣。 L=;
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3.3.熱光效應光開關 ~NcQ1.
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熱光效應光開關原理就是利用熱光效應［5,6］實現(xiàn)對光場的調制，而實現(xiàn)開關功能。一般可制造小型光開關，如1×2，但通過在一塊晶片上集成若干個1×2光開關也可以組成較大的陣列，如64×64�，F(xiàn)在主要有兩種類型的熱光開關：數(shù)字光開關（DOS）［5］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。而數(shù)字光開關性能穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關就能保持開或者斷的狀態(tài)。 圖6所示為1×2熱光開關，即Y型分路器，在硅基底上生成矩形波導，并在波導分支表面沉積Ti或者Cr以形成微加熱器。當對Y型的一個分支加熱時，相應的波導折射率就會發(fā)生改變，從而阻止光沿著這個分支傳輸。數(shù)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。而另一種熱光開關——干涉式光開關利用MZ干涉原理，在兩個波導臂上鍍金屬薄膜加熱器而形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關目的。由于硅的導熱率較高，這種干涉式結構開關主要是利用硅材料制作。 熱光開關的缺點是：控制響應時間較長，即開關速度受到限制，在毫秒量級。目前對波導材料的研究更多的由硅轉向了有機聚合物。聚合物的導熱率較低，但熱光系數(shù)高，插損一般為3～4dB，消光比為20dB。 熱光開關陣列可以和陣列波導光柵（AWG）集成在一起組成光分插復用器，并采用聚合物來實現(xiàn)。因為AWG對溫度敏感，而聚合物可把熱量保持在光開關部分。AKZO NOBEL公司早在1991年就已經(jīng)推出了聚合物DOS,如圖7所示。目前聚合物熱光開關已經(jīng)進入規(guī)模生產(chǎn)。 目前該類開關的研究開發(fā)商主要有NTT Electronics，JDSU，Corning，Alcatel和AKZO NOBEL等公司。 #FxPj-3(ix
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3.4.液晶光開關 大部分液晶光開關［7］是根據(jù)施加外部電場控制液晶分子方向而實現(xiàn)開關功能的。典型的液晶器件包括無源和有源部分。其工作原理為：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(jù)是否加電壓來改變光的偏振狀態(tài)，最后光射到無源器件上。當施加電壓時液晶分子將平行于外加電場，此時光被阻斷，而沒有外加電壓時光可以透過，從而實現(xiàn)開關的兩個狀態(tài)。 如圖8所示，在兩平板之間均勻排列著向列相液晶，當沒有外加電壓時，如圖中（a）所示向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子與互相垂直的偏振片A，P的夾角均為45°，此時光透過率最大；當施加外場E時，液晶分子長軸最終平行于外場，液晶將不會影響入射光的偏振特性，此時光的透過率接近于零，即圖8（a），（b）為開關的兩個狀態(tài)；當撤掉外場時，由于表面作用和液晶的彈性作用，分子的排列會從（b）恢復到（a），最終實現(xiàn)開關狀態(tài)的轉換。實際中也可以利用其他液晶材料如鐵電液晶。使用雙穩(wěn)態(tài)鐵電液晶，器件的功耗相比于MEMS技術將更低。 液晶光開關的優(yōu)點在于，其理論上網(wǎng)絡重構性可能比較好，但是目前最大端口數(shù)為80，因此液晶被認為更適用于較小的交換系統(tǒng)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(chǎn)生插損（對1×2開關為1dB，1×8開關為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，但這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補償器。 目前從事這種開關的研究開發(fā)商有Corning，Chorum，Kent Optronics等公司。 \}0-^(9zd
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3.5.氣泡開關 /0MDISQy9
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Agilent公司結合噴墨打印和硅平面光波導兩種技術，開發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，如圖9所示。該設備由許多交叉的硅波導和位于每個交叉點的刻痕組成，刻痕里填充一種折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。這種氣泡開關的工作原理就是，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(chǎn)生一個小泡，小泡將光從入射波導中的光信號全反射至輸出波導，從而實現(xiàn)開關所需要的兩個狀態(tài)。目前Agilent公司已經(jīng)制造出32×32光開關子系統(tǒng)，其損耗為4.5dB，并且可以把這些子系統(tǒng)連接起來組成更大的交換矩陣。其開關響應時間小于10 ms，可以用于光纖保護倒換。 這種開關的優(yōu)點是，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(chǎn)。另外，這種光開關可以應用在光分插復用設備中，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，由其組成的網(wǎng)絡具有很好的重構性。 目前這類開關的提供商有Agilent公司。 qoMfSz "(
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3.6.全息光柵開關 0 7v!Zj
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全息光柵開關工作原理實際上就是依靠布喇格光柵實現(xiàn)對光的選擇性反射。如圖10所示，通過全息的形式在晶體內部生成布喇格光柵[9]，當加電時，布喇格光柵把光反射到輸出端口，反之，光就直接通過晶體。這種技術的優(yōu)點是可以很容易地組成上千端口的光交換系統(tǒng)，并且它的開關速度非�？欤瑸榧{秒量級。由于沒有可移動器件，可靠性比較好；器件的損耗較低，但功率消耗比較大。Trellis Photonics公司報道了240×240端口的交換系統(tǒng)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，納秒量級的交換速度使其可以用于未來的光路由器中。 Digilens公司在此基礎上提出了液體光柵技術，即把液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上面，并形成液體光柵。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。它與全息光柵開關的區(qū)別就在于液體光柵可以通過施加電壓來產(chǎn)生或者消除。 液體光柵技術的優(yōu)點是速度快和插入損耗小。根據(jù)Digilens公司報道，這種光開關的響應時間為100μs，插入損耗小于1dB。由于沒有移動部分，可靠性比較好。另外器件的功率消耗比較低，典型值為50mW。液體光柵技術的缺點是僅能實現(xiàn)單波長的切換，無法實現(xiàn)MEMS技術的光纖到光纖的切換。 q8P.,%
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3.7.聲光開關 [^Y A=K hu
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聲光開關就是利用聲光效應制作的光開關［10］，其基本原理是利用聲波來反射光，類似聲光可調諧濾波器，通過在鈮酸鋰材料中引入射頻聲波，形成波長選擇性布拉格光柵，輸入光波在沿內部有聲波的波導傳輸時，其偏振在波長與聲波布喇格光柵匹配時將發(fā)生變化，從而利用偏振分束器就可以實現(xiàn)波長選擇，并在此基礎上實現(xiàn)開關功能。 圖11所示為聲光開關的基本組成單元：聲光TE/TM轉換器［11］，通過聲波和光波的相互作用實現(xiàn)TE/TM的轉換。該器件的消光比主要由TE模和TM模的轉換效率決定，一般都小于20dB。目前圖11聲光TE/TM轉換器Fig.11Integrated acousto optic TE/TM converter其最大端口為256×256，由于沒有機械的運動部分，所以可靠性好。對1×2開關，根據(jù)Brimcom公司報道，其插損可以做到2.5dB，開關速度比較快，為525ns；缺點是成本較高。 目前研究開發(fā)商有Gooch and Housego PLC，Light Management Group，Brimcom Inc.等公司。 f9 $xk|2g
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4.結語 2BXy<BM @
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隨著光聯(lián)網(wǎng)概念的提出，光開關技術已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一。本文綜述了目前已經(jīng)實用或正在研究的光開關及其陣列的各種技術研究進展，包括MOEMS技術、液晶技術、MZI技術、全息光柵技術以及氣泡技術、熱光技術、聲光技術等，分析比較了各種技術在制作開關方面的特點，包括速度、可靠性、功耗、可擴展性等。由于光開關在網(wǎng)絡組成和網(wǎng)絡故障恢復方面的應用，市場前景十分光明，而新技術的出現(xiàn)，尤其是MEMS技術，將極大地推動光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。
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