光开关技术进展
摘 要：随着密集波分复用技术的应用以及光联网的提出，光开关技术已经成为未来光联网的关键技术之一。光开关广泛应用于交叉连接设备、保护倒换、分插复用器等各种设备中。综述了目前已经实用或正在研究的光开关及阵列的各种制作技术，包括微光电子机械技术、液晶技术、全息光栅技术以及气泡技术、热光技术及声光技术等，详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和应用范围，并分析了其发展的趋势。 关键词：光开关； 光联网； 密集波分复用； 微光电子机械系统 1 引言 随着光纤通信技术的发展和密集波分复用(DWDM)系统的应用，光联网（OTN）已经成为网络发展的趋势, 光开关技术已经成为未来光联网的关键技术之一。光联网的实现主要依赖于光开关、光滤波器、新一代放大器、密集波分复用技术等器件和技术的进展。其中DWDM技术的发展是推动光纤通信网络发展的重要因素，而光联网的提出将使设备制造商、电信运营商都面临巨大的机遇与挑战。2 光开关应用范围介绍 光开关是全光交换中的关键器件，可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。目前光开关主要应用包括［1~4］： （1）光交叉连接（OXC）。OXC由光开关矩阵组成，主要实现动态光路径管理、光网络的故障保护、灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要有低插损、低串扰、低开关时间以及无阻塞运作。目前微电子机械系统（MEMS）技术已经在光交换应用中进入了现场实验阶段［1］，由于其对波长、数据速率和信号格式都透明，在不远的将来有希望实现光层上的交换； （2）用光开关实现网络的自动保护倒换。当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的保护。通常这种保护倒换只需1×2端口的光开关就可以实现； （3） 用1×N光开关实现网络监控。在远端光纤测试点通过1×N光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪（OTDR）上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析； （4）光纤通信器件测试。光器件、光缆以及子系统产品在测试过程中，可以使用光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率； （5）光上下路复用（OADM）。光上下路复用器主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，这样将增加网络配置的灵活性。 3 各种光开关技术特点分析 传统的光开关技术主要采用波导和机械两种技术。波导开关的开关速度在微秒到亚毫秒量级，且体积非常小、易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差；光机械开关虽然有比较低的插入损耗和串音效果，以及成本较低、设计配置简单，但其设备庞大、可扩展性一般，不适用于大规模的开关矩阵及OXC应用。目前，原有技术得到了进一步的发展，同时也涌现了很多新技术，主要包括微光电子机械开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关、全息光栅开关等。 一般考察光开关，主要有以下参数：开关速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等。基于不同的应用，各种技术的发展也不尽相同。下面将对这几种主要技术以及相应的应用进行分析比较。 3.1 微电子机械光开关 MEMS技术已经在很多工业领域得到很广泛的应用，而在光通信领域，基于MEMS的光开关解决方案也正在受到业界的推崇。基于MEMS/MOEMS的光开关，当加电时，布喇格光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶体。这种技术的优点是可以很容易地组成上千端口的光交换系统，并且它的开关速度非常快，为纳秒量级。由于没有可移动器件，可靠性比较好；器件的损耗较低，但功率消耗比较大。Trellis Photonics公司报道了240×240端口的交换系统的插损低于4dB，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大，并且需要高电压供电。这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，纳秒量级的交换速度使其可以用于未来的光路由器中。 Digilens公司在此基础上提出了液体光栅技术，即把液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面，并形成液体光栅。当没有施加电压时，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，而加上电压时，光栅消失即晶体是全透明的，光信号将直接通过光波导。它与全息光栅开关的区别就在于液体光栅可以通过施加电压来产生或者消除。 液体光栅技术的优点是速度快和插入损耗小。根据Digilens公司报道，这种光开关的响应时间为100μs，插入损耗小于1dB。由于没有移动部分，可靠性比较好。另外器件的功率消耗比较低，典型值为50mW。液体光栅技术的缺点是仅能实现单波长的切换，无法实现MEMS技术的光纤到光纤的切换。 3.7 声光开关 声光开关就是利用声光效应制作的光开关［10］，其基本原理是利用声波来反射光，类似声光可调谐滤波器，通过在铌酸锂材料中引入射频声波，形成波长选择性布拉格光栅，输入光波在沿内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波布喇格光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选择，并在此基础上实现开关功能。 图11所示为声光开关的基本组成单元：声光TE/TM转换器［11］，通过声波和光波的相互作用实现TE/TM的转换。该器件的消光比主要由TE模和TM模的转换效率决定，一般都小于20dB。目前图11声光TE/TM转换器Fig.11Integrated acousto optic TE/TM converter其最大端口为256×256，由于没有机械的运动部分，所以可靠性好。对1×2开关，根据Brimcom公司报道，其插损可以做到2.5dB，开关速度比较快，为525ns；缺点是成本较高。 目前研究开发商有Gooch and Housego PLC，Light Management Group，Brimcom Inc.等公司。 4 结语 随着光联网概念的提出，光开关技术已经成为未来光联网的关键技术之一。本文综述了目前已经实用或正在研究的光开关及其阵列的各种技术研究进展，包括MOEMS技术、液晶技术、MZI技术、全息光栅技术以及气泡技术、热光技术、声光技术等，分析比较了各种技术在制作开关方面的特点，包括速度、可靠性、功耗、可扩展性等。由于光开关在网络组成和网络故障恢复方面的应用，市场前景十分光明，而新技术的出现，尤其是MEMS技术，将极大地推动光纤通信系统的发展。
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