光開關種類及相關知識簡介?
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????? 目前，在光傳送網中各種不同交換原理和實現技術的光開關被廣泛地提出。不同原理和技術的光開關具有不同的特性，適用于不同的場合。依據不同的光開關原理，光開關可分為：機械光開關、熱光開關、電光開關和聲光開關。依據光開關的交換介質來分，光開關可分為：自由空間交換光開關和波導交換光開關。
??? 機械式光開關發展已比較成熟，可分為移動光纖、移動套管、移動準直器、移動反光鏡、移動棱鏡和移動耦合器。傳統的機械式光開關介入損耗較低（≤2dB）；隔離度高（>45dB）；不受偏振和波長的影響。其缺陷在于開關時間較長，一般為毫秒量級，有時還存在回跳抖動和重復性較差的問題。另外其體積較大，不易做成大型的光開關矩陣。因此，傳統的機械光開關難以適應高速、大容量光傳送網發展的需求。而新型的以微機械工藝為基礎的微機械光開關既具有傳統機械光開關的介入損耗低、隔離度高等優點，同時具有體積小易于集成等優點，成為大容量交換光網絡開關發展的主流方向。
??? 熱光、電光、聲光效應光開關通過改變交換介質的波導折射率，實現交換目的。
目前常用的光開關有以下幾種：MEMS光開關、噴墨氣泡光開關、熱光效應光開關、液晶光開關、全息光開關、聲光開關、液體光柵光開關、SOA光開關等。隨著新技術的發展，將有更多類型的光開關出現。
??? 光開關的主要性能參數
交換矩陣的大小：光開關交換矩陣的大小反映了光開關的交換能力。光開關處于網絡不同位置，對其交換矩陣大小要求也不同。隨著通信業務需求的急劇增長，光開關的交換能力也需要大大提高，如在骨干網上要有超過1000×1000的交換容量。對于大交換容量的光開關，可以通過較多的小光開關疊加而成。
交換速度：交換速度是衡量光開關性能的重要指標。交換速度有兩個重要的量級，當從一個端口到另一個端口的交換時間達到幾個ms時，對因故障而重新選擇路由的時間已經夠了。如對SDH/SONET來說，因故障而重新選路時，50ms的交換時間幾乎可以使上層感覺不到。當交換時間到達ns量級時，可以支持光互聯網的分組交換。這對于實現光互聯網是十分重要的。
損耗：當光信號通過光開關時，將伴隨著能量損耗。依據功率預算設計網絡時，光開關及其級聯對網絡性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預算。光開關損耗產生的原因主要有兩個：光纖和光開關端口耦合時的損耗和光開關自身材料對光信號產生的損耗。一般來說，自由空間交換的光開關的損耗低于波導交換的光開關。如液晶光開關和MEMS光開關的損耗較低，大約1～2db。而鈮酸鋰和固體光開關的損耗較大，大約4db左右。損耗特性影響到了光開關的級聯，限制了光開關的擴容能力。
交換粒度：不同的光網絡業務需求，對交換的需求和光域內使用的交換粒度也有所不同。交換粒度可分為三類：波長交換、波長組交換和光纖交換。交換粒度反映了光開關交換業務的靈活性。這對于考慮網絡的各種業務需求、網絡保護和恢復具有重要意義。
無阻塞特性：無阻塞特性是指光開關的任一輸入端能在任意時刻將光波輸出到任意輸出端的特性。大型或級聯光開關的阻塞特性更為明顯。光開關要求具有嚴格無阻塞特性。
升級能力：基于不同原理和技術的光開關，其升級能力也不同。一些技術允許運營商根據需要隨時增加光開關的容量。很多開關結構可容易地升級為8×8或32×32，但卻不能升級到成百或上千的端口，因此只能用于構建OADM或城域網的OXC，而不適用于骨干網上。
可靠性：光開關要求具有良好的穩定性和可靠性。在某些極端情況下，光開關可能需要完成幾千幾萬次的頻繁動作。有些情況（如保護倒換），光開關倒換的次數可能很少，此時，維持光開關的狀態是更主要的因素。如噴墨氣泡光開關，如何保持其氣泡的狀態是需要考慮的問題。
很多因素會影響光開關的性能，如光開關之間的串擾、隔離度、消光比等都是影響網絡性能的重要因素。當光開關進行級聯時，這些參數將影響網絡性能。光開關要求對速率和業務類型保持透明。
MEMS光開關
??? MEMS（micro-electro-mechanical－systems）是由半導體材料，如Si等，構成的微機械結構。它將電、機械和光集成為一塊芯片，能透明地傳送不同速率、不同協議的業務。MEMS已廣泛應用在工業領域。MEMS器件的結構很像IC的結構，它的基本原理就是通過靜電的作用使可以活動的微鏡面發生轉動。從而改變輸入光的傳播方向。MEMS既有機械光開關的低損耗、低串擾、低偏振敏感性和高消光比的優點，又有波導開關的高開關速度、小體積、易于大規模集成等優點。基于MEMS光開關交換技術的解決方案已廣泛應用于骨干網或大型交換網。
??? 典型的MEMS光開關器件可分為二維和三維結構。基于鏡面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機械底座上。典型的尺寸是10cm。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關。而對于光網絡業務的交換和恢復，基于旋轉鉸接微鏡的光開關是一種最好的選擇，因為對于這樣的應用，光開關不需要經常變換（甚至一個微鏡處于一個狀態可能一年多也不會發生變化）。而且，亞毫秒的開關時間也能很好地適應于全光網的業務提供和恢復。二維MEMS的空間微調旋轉鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉被接到適當的輸出端。微鏡的結構和控制如圖2所示，微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接平移盤鉸接點。轉換狀態通過SDA調節器（Scratch Drive Actuator）調節平移盤使微鏡發生轉動，當微鏡為水平時，可使光束通過該微鏡，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出。二維MEMS需要N2個微鏡來完成N2個自由空間的光交叉連接，其控制電路較簡單，由TTL驅動器和電壓變換器來提供微鏡所需的電壓。開關矩陣的規模可以擴展到上千個端口。
??? 三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉，這些陣列通常是成對出現，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達到百萬分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當波長帶同時從一根光纖交換到另一根光纖上。三維MEMS主要靠兩個N微鏡陣列完成兩個光纖陣列的光波空間連接，每個微鏡都有多個可能的位置。由于MEMS光開關是靠鏡面轉動來實現交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動都可能損壞光開關。
??? 目前，朗訊公司已研制了1296×1296端口的MEMS。其單端口傳送容量為1.6Tb/s（單纖復用40個信道，每路信道傳送40Gb/s信號），總傳送容量達到2.07Petabit/s。具有嚴格無阻塞特性，介入損耗為5.1db，串擾（最壞情況）為-38db。使光開關的交換總容量達到新的數量級。OMM公司提出的4×4和8×8光開關，其速率小于10ms。16×16端口的交換時間增加到20ms。其4×4光開關的損耗為3db，而16×16光開關的損耗為7db，16×16設備可重復性達到3dB，而更小的只有0.5db。目前，OMM正在積極開發三維光開關，實現更大的交叉連接。Iolon利用MEMS實現光開關的大量自動化生產。該結構開關時間小于5ms。Xeros基于MEMS微鏡技術，設計了能升級到1152×1152的光交叉連接設備，對速率和協議透明，允許高帶寬數據流透明交換，無需光電轉換。交換時間小于50ms，其微鏡的控制精度達到百萬分之五度。使用三維兩個面對面微鏡陣列，功率消耗小于1千瓦。
噴墨氣泡光開關
??? 安捷倫公司采用他們的熱噴墨打印和硅平面光波電路兩種技術，開發出一種二維光交叉連接系統（圖4、5）。安捷倫把這種技術稱為“光子交換平臺”。其光開關平臺包括兩部分：下半部是硅襯底的玻璃波導，上半部是硅片。上下之間抽真空密封，內充特定的折射率匹配液，每一個小溝道都對應一個微型電阻，通過電阻加熱匹配液形成氣泡，對通過的光產生全反射。電信號的加入在下半部引入。在芯片與光纖的耦合上采用帶狀光纜通過硅V型槽BUTT END接觸解決。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，小泡將光從入射波導中的光信號全反射至輸出波導。HP的噴墨打印技術的引入主要反映在對氣泡（微電阻）產生的精密控制上。噴墨打印要在指定的地方產生墨點，這里要在指定的地方產生氣泡。但氣泡光開關同噴墨技術又不相同，氣泡也許要維持很長一段時間。安捷倫稱氣泡由封閉的系統控制，因此不會溢出，通過控制蒸氣壓，保持液、氣體能共存的溫度和壓力。噴墨氣泡光開關交換速度為10ms。由于沒有可移動部分，可靠性較好。32×32子系統損耗為4.5db，由于使用已有的技術，故其成本不高。同時具有較好的擴展性。
??? 安捷倫噴墨氣泡光開關具有毫秒的交換速度，具有偏振不敏感性，因此具有小的極化損耗，能對速率和業務協議透明。具有低損耗、低串擾和小于-50db的高消光比。噴墨氣泡光開關有兩個重要因素要考慮：（1）如何很好地控制光開關的狀態，如光開關頻繁動作或長期維持氣泡狀態。（2）噴墨氣泡光開關封裝后，其內部材料和液體的生存時間問題（如典型的20年）。
液晶光開關
??? 液晶光開關的工作狀態基于對偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可以通過。典型的液晶器件將包括無源和有源兩部分。無源部分，如分路器將入射光分為兩路偏振光。根據是否使用電壓，有源部分或者改變入射光的偏振態或者不加改變。由于電光效應，在液晶上施加電壓將改變非常光的折射率，從而改變非常光的偏振狀態，本來平行光經過在液晶中的傳輸會變成垂直光。液晶的電光系數很高，是鈮酸鋰的幾百萬倍，使液晶成為最有效的光電材料。電控液晶光開關的交換速度可達亞微秒級，未來將可以達到納秒級。
??? Spectraswitch公司的WaveWalker產品是一個固態產品，其1×2和2×2介入損耗小于1db，極化損耗為0.2db，交換時間為4ms左右，交換波長的范圍為C波段。液晶光開關沒有移動部分，所以提高了系統的穩定性。Chorumtech公司的PolarShift液晶光開關能達到毫秒量級的交換速度，具有高消光比、低介入和極化損耗、低串擾等特點。Corning公司也正投資于液晶光開關產品的開發。
熱光效應開關
??? 熱光技術一般用于制作小型光開關。典型的如1×1、1×2、2×2等，更大的光開關可由1×2光開關元件在同一晶片上集成。
熱光開關主要有兩種基本類型：數字型光開關（DOS：Digital optical switches）和干涉型光開關(Interferometric switches)。干涉型光開關具有結構緊湊的優點，缺點是對波長敏感。因此，通常需要進行溫度控制。它們都是在介質材料，如玻璃或硅基片上，先做上波導結構，然后，在波導上蒸鍍金屬薄膜加熱器，金屬薄膜通電發熱，導致其下面的波導的折射率發生變化，從而實現光的開關動作。
數字型光開關
??? 當加熱器溫度加熱到一定溫度，開關將保持固定狀態。最簡單的設備 1×2光開關，稱為Y型分支熱光開關。當對Y型的一個臂加熱時，它改變折射率，阻斷了光線通過此臂。DOS可由硅或聚合物制造。后者比前者具有更低的功耗和更高的光損耗。
Y型分支器結構如圖7所示，在硅基底或SiO2基底上生成矩形波導，微加熱器由Ti或Cr在波導分支表面沉積而成，金屬層一般采用光刻法或濕式化學刻蝕，為減小在水平方向的熱傳播，電極旁的SiO2層非常薄。當其中一個分支上的加熱器通電時，在該加熱器下面的波導的折射率減小，相應的，光功率被轉向另一分支，即處于開的狀態。同時，在有源加熱器的分支則處于關的狀態。波導材料在開始階段經常采用Si或SiO2，而現在人們則把更多的研究轉向了聚合物波導，這主要是由于聚合物的導熱率很低，而熱光系數卻很高。介入損耗一般為3-4dB，消光比為20dB左右。
干涉儀型光開關
?干涉儀型光開關主要指M-Z干涉儀型。主導思想是利用光相位特性。輸入光被分為兩束，通過兩個分開的波導，再合并。其中一個波導被加熱改變其光程。當兩條路徑長度相同時，光通過其中一個出口，當長度不同時，光線通過另一個出口。由于Si的導熱系數較大，加熱器的距離至少要100微米，這樣才不會影響到相鄰的開關。MZI型光開關結構如圖8所示。它包括一個MZI和兩個3dB耦合器，兩個波導臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導上的熱量通過它來散發出去。當加熱器未加熱時，輸入信號經過兩個3dB耦合器在交叉輸出端口發生相干相長而輸出，在直通的輸出端口發生相干相消，如果加熱器開始工作而使光信號發生了大小為π的相移，則輸入信號將在直通端口發生相干相長而輸出，而在交叉端口發生干涉相消。從而通過控制加熱器可實現開關的動作。
??? 以1×2和2×2光開關單元為基礎，其它4×4、8×8、16×16等光開關矩陣可通過這兩種光開關單元集成而得到。光開關矩陣的集成，有多種組網方式，其中，CLOS多級網絡是最常用的一種，對N×N的開關矩陣，需要2N－1級的開關單元級聯而成。如8×8的矩陣開關，一般都采用15級開關單元結構，其中，48個周邊光開關用作衰減平衡器，始終處于交叉狀態，而中間組成菱形的64個光開關構成8×8光開關的核心，每一級的光開關單元數目分別為7和8個交叉排列。從而構成嚴格無阻塞的8×8光開關矩陣，NTT公司最近采用雙MZI串聯的開關單元代替傳統的單MZI型開關單元,僅用8級開關單元就構成了嚴格無阻塞的8×8開關矩陣，圖9即為NTT公司制造的8×8光開關結構圖。它有效地減小了波導長度，降低了開關損耗，提高了消光比，降低了串擾水平。工作帶寬覆蓋了整個EDFA增益譜。
??? NTT公司16×16熱光開關已經商用，它是在一個Si晶片上集成500個以上的開關元件，其交換速度依賴于對材料的加熱時間。聚合物光開關交換時間大約是幾個毫秒，Si材料光開關通常更慢，大約6-8ms。Lynxpn公司的8×8光開關是由128個1×2熱光開關構成的，具有嚴格無阻塞特性，能支持廣播功能，交換時間小于2ms，極化損耗小于0.4db，介入損耗小于1db。由于熱光開關的操作是通過重復加熱和冷卻波導進行，因此這將減少光開關的壽命。Si材料光開關具有非常低的損耗，聚合物損耗更高。聚合物光開關需要較低的功率，典型的是5個微瓦，Si開關將是聚合物的100倍。
全息光開關
??? 全息光開關是利用激光的全息技術，將光纖光柵全息圖寫入KLTN晶體內部，利用光纖光柵選定波長的光開關。電激發的光纖布拉格光柵的全息圖被寫入到KLTN晶體內部后，當不加電壓時，晶體是全透明的，此時光線直通晶體。當有電壓時，光纖光柵的全息圖產生，其對特定波長光反射，將光反射到輸出端。晶體的行和列對光進行選路。KLTN晶體尺寸大約為2×2×1.5毫米，組成一個矩陣，構成光開關的核心。行對應于不同的光纖，列同交換的波長有關。全息圖對照明不敏感，所以通常不會擦除存儲的全息圖。但光全息圖能被擦除并重新寫入。同時，多個全息光柵能高效地存儲到同一晶體內部。它具有低損耗特性。交換速度達到納秒量級，全息光開關可以在線動態監測每一路波長，因為當全息光柵被激活時，大約有95％被反射，剩余5％直通。這5％的信號可以用來監測，這對于網絡管理具有很重要的意義。
??? 利用這種技術可以很容易地組成上千個端口的光交換系統。并且它的開關速度非常快，只需幾納秒就可以把一個波長交換到另一個波長。由于沒有可移動部件，它的可靠性較高。掌握這種技術的TrellisPhotonics公司聲稱，240×240端口的交換系統的介入損耗低于4dB，端到端的重復性也比較好，但是它的功耗比較大（240×240功耗小于300瓦），并且需要高壓供電。這種技術可以跟三維MEMS技術競爭，但它更適合于單個波長的交換。納秒量級的交換速度可以用在未來的基于分組交換的光路由器中。
液體光柵開關
??? 液體光柵開關是一種液晶和電全息開關技術的結合體。它基于電交換光柵（ESBG）技術。通過控制電壓，使布拉格光柵產生和消失。將液晶微滴懸浮于聚合體內，同時將它放置在Si波導上，當不加電壓時，布拉格光柵工作并使特定的波長偏轉從波導上端輸出。當加上電壓時，布拉格光柵消失，光線直通波導。這樣液體光柵完成選出特定波長并交換的功能。液體光柵開關的交換時間大約100微秒，比熱光開關的交換時間快10倍，比氣泡光開關或MEMS的交換時間快100倍。同樣因沒有移動部件，可靠性高、損耗低。DigiLens聲稱液體光柵開關的光損耗小于1db。其典型功耗大約50毫瓦左右。它對于波長交換具有靈活性，因為它能從波長群中選擇需要的波長，可作為OADM核心。但其對于多波長群交換或光纖級交換就遠不如MEMS了。
聲光開關
??? 在這種開關中，聲波用來控制光線的偏轉。交換速度從500ns到10祍。由于沒有移動部分，可靠性較高。1×2光開關損耗低于2.5db。LMGR公司聲稱其光纖線性聲光開關沒有機械部分，使用電和計算機控制聲光偏轉裝置，能在幾個微秒內將輸入信號送到輸出端，轉向器可以任意轉向。Brimrose公司也開發自己的聲光開關，其1×2光開關的交換速度是525ns，相對損耗為2.5db。
半導體光放大器開關
??? 半導體光放大器開關利用SOA的放大特性，實現特定波長的交換。圖11是由4個SOA陣列通過波導互聯構成的2×2光開關。在關斷狀態，SOA是不透明的，即輸入光被SOA吸收。在開啟狀態，光線允許通過SOA，同時被放大。通過調節SOA放大波長，輸入端信號能到達任意輸出端。此種光開關具有廣播功能，通過調節SOA，輸入信號能被廣播到所有輸出端，同時SOA提供的增益補償了光開關的損耗。2×2光開關插入損耗為0db（典型光纖增益為12db）, 交換時間1ns左右，極化不敏感。
應用及前景分析
??? 光開關在光網絡中起到十分重要的作用，它不僅構成了波分復用光網絡中關鍵設備（如OADM/OXC）的交換核心，本身也是光網絡中的關鍵器件。其應用范圍主要有：
保護倒換功能：光開關通常用于網絡的故障恢復。當光纖斷裂或其他傳輸故障發生時，利用光開關實現信號迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護通常只需要最簡單的1×2光開關。
網絡監視功能：使用簡單的1×N光開關可以將多纖聯系起來。當需要監視網絡時，只需在遠端監測點將多纖經光開關連接到網絡監視儀器上（如OTDR），通過光開關的動作，可以實現網絡在線監測。
光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連接，通過1×N光開關，可以通過監測光開關的每個通道信號來測試器件。
構建OADM設備核心：OADM是光網絡關鍵設備之一，通常用于城域網和骨干網。實現OADM光信號上下路的具體方式很多，但大多數情況下都應用了光開關，主要是2×2光開關，來實現對密集波分復用光網絡中光信號的上下路功能。由于光開關的使用，使OADM能動態配置業務，增強了OADM節點的靈活性，同時，使得OADM節點能支持保護倒換，當網絡出現故障時，節點將故障業務切換到備用路由中，增強了網絡的生存能力和網絡的保護和恢復能力。
構建OXC設備的交換核心：OXC主要應用于骨干網，對不同子網的業務進行匯聚和交換。因此，需要對不同端口的業務交換，同時，光開關的使用使OXC具有動態配置交換業務和支持保護倒換功能，在光層支持波長路由的配置和動態選路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分復用光骨干網上，要求光開關具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點。?
光開關種類及相關知識簡介
2009年12月03日 09:04 www.xsypw.cn 作者：佚名 用戶評論（0）
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