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[1，2］，基本原理就是通过静电或其他控制力使可以活动的微镜发生机械转动，以改变输入光的传播方向，从而实现开关功能。

如图1所示为OMM公司的8×8光开关。在中间芯片上集成了微镜阵列，以斜线表示，通过施加静电力可控制其旋转。图中有5个微镜处于反射状态，用于实现不同路径的切换，其中所有的信号传播都是双向的，其插损小于4dB，开关时间小于10ms。这种二维技术受光程损耗的限制，最大可以实现32×32端口，不过可以将多个子系统连接起来形成更大的交叉矩阵。一般MEMS光开关的开关时间都在毫秒量级，在与其他技术比较中处于劣势。另外，由于MEMS光开关是利用微镜的机械转动来实现开关功能的，所以任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低。驱动结构方面，目前静电和磁感应逐渐成为MEMS光开关的主要选择。静电驱动能力较低，而磁感应驱动还需要解决系统的屏蔽、封装以及可靠性问题。因此，静电驱动方案目前仍是首选，而且已经有很多静电驱动的开关产品投入市场。 MEMS技术利用类似IC的工艺成批加工生产，从而降低成本，这与其他类型开关相比很具有竞争力；另外由于它与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性方面都要优于其他类型的光开关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。基于这些优点，利用MEMS技术制作的光开关及阵列有可能成为核心光交换器件中的主流。由于二维方案的端口受限，又出现了如图2所示的三维解决方案，它突破了二维方案的端口限制。在N个输入光纤和N个输出光纤之间使用了2×N个微镜，每个微镜都有N个可能的位置，从而实现N×N开关阵列。但其驱动结构非常复杂，成本也随之增加。尽管MEMS技术在开关速度、可靠性方面仍有缺陷，但仍得到了众多公司的推崇，技术也在蓬勃发展。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152×1152的大型交叉连接，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级。Nortel公司在2000年初以32.5亿美元将其收购。美国Lucent公司推出了Wave Star Lamda Router全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现256×256的交叉连接，可节约25％的运行费用和99％的能耗。目前该类光开关的主要提供商有OMM，Lucent，Nortel，IMM，Cronos，Memscap，Calient等公司。

3.2.马赫-曾德干涉仪型开关

马赫-曾德干涉仪型（MZI）开关的基本原理与工作于截止状态的电光调制器的相同。如图3所示，它由两个3dB耦合器和两个波导臂组成，即在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两侧和中间均为表面电极，波导两端再分别连接一个3dB Y型分束器。通过注入电流改变波导臂的折射率，从而使光程相应变化以达到相干增强或相消，实现开关目的。它的优点是非机械性、速度快，在微秒量级，但缺点也非常明显，它的消光比仅接近20dB。为实现更快的开关速度和更低的插入损耗，最近又出现了利用半导体光放大器的非线性作用制作的混合集成对称马赫-曾德型全光开关结构［3］。如图4所示，它将SOA作为非线性波导臂，集成在硅基平面光电路（PLC）上，并在制作上实现自校准。通过对干涉仪的两臂施加超短控制光脉冲（宽度为2ps，频率为10GHz），利用SOA的非线性，实现接近矩形的开关窗口，而且开关速度不再受限于载流子寿命，最快能达到皮秒量级。这种结构相比于使用平行条状无源光波导的器件，有更低的群速度色散和吸收损耗，从而能实现更快的开关速度和更低的插损。但它的消光比仅为18dB。它的优点体现在可以大规模集成，另外开关速度方面也颇具优势，因此具有较大的吸引力。另外还可以使用多模干涉耦合器（MMI）替换上述开关中的3dB耦合器。MMI耦合器利用多模波导中的自映像效应，即在传播方向上周期性出现输入场的映像。由于其结构紧凑、制作容差大，功率损耗低，将其代替传统的3dB耦合器而应用于MZI型光开关，也受到关注。图5是贝尔实验室2001年1月报道的基于1×4 MMI-MZ的4×4光开关［4］由于其使用1个MMI-MZ代替3个1×2的开关，从而使得结构更加紧凑，损耗也随之降低，插入损耗为2.8dB，串扰为35.2 dB。利用这种结构也很容易扩展为8×8,16×16的开关矩阵。

3.3.热光效应光开关

热光效应光开关原理就是利用热光效应［5,6］实现对光场的调制，而实现开关功能。一般可制造小型光开关，如1×2，但通过在一块晶片上集成若干个1×2光开关也可以组成较大的阵列，如64×64。现在主要有两种类型的热光开关：数字光开关（DOS）［5］和干涉式光开关。干涉式光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制。而数字光开关性能稳定，只要加热到一定温度，光开关就能保持开或者断的状态。图6所示为1×2热光开关，即Y型分路器，在硅基底上生成矩形波导，并在波导分支表面沉积Ti或者Cr以形成微加热器。当对Y型的一个分支加热时，相应的波导折射率就会发生改变，从而阻止光沿着这个分支传输。数字光开关可以用硅和高分子聚合物制作，后者功耗小，但插损大。而另一种热光开关——干涉式光开关利用MZ干涉原理，在两个波导臂上镀金属薄膜加热器而形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关目的。由于硅的导热率较高，这种干涉式结构开关主要是利用硅材料制作。热光开关的缺点是：控制响应时间较长，即开关速度受到限制，在毫秒量级。目前对波导材料的研究更多的由硅转向了有机聚合物。聚合物的导热率较低，但热光系数高，插损一般为3～4dB，消光比为20dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅（AWG）集成在一起组成光分插复用器，并采用聚合物来实现。因为AWG对温度敏感，而聚合物可把热量保持在光开关部分。AKZO NOBEL公司早在1991年就已经推出了聚合物DOS,如图7所示。目前聚合物热光开关已经进入规模生产。目前该类开关的研究开发商主要有NTT Electronics，JDSU，Corning，Alcatel和AKZO NOBEL等公司。

3.4.液晶光开关大部分液晶光开关［7］是根据施加外部电场控制液晶分子方向而实现开关功能的。典型的液晶器件包括无源和有源部分。其工作原理为：首先把输入光分为两路偏振光，然后把光输入液晶内，液晶根据是否加电压来改变光的偏振状态，最后光射到无源器件上。当施加电压时液晶分子将平行于外加电场，此时光被阻断，而没有外加电压时光可以透过，从而实现开关的两个状态。如图8所示，在两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压时，如图中（a）所示向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子与互相垂直的偏振片A，P的夹角均为45°，此时光透过率最大；当施加外场E时，液晶分子长轴最终平行于外场，液晶将不会影响入射光的偏振特性，此时光的透过率接近于零，即图8（a），（b）为开关的两个状态；当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，分子的排列会从（b）恢复到（a），最终实现开关状态的转换。实际中也可以利用其他液晶材料如铁电液晶。使用双稳态铁电液晶，器件的功耗相比于MEMS技术将更低。液晶光开关的优点在于，其理论上网络重构性可能比较好，但是目前最大端口数为80，因此液晶被认为更适用于较小的交换系统中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后把它们合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插损（对1×2开关为1dB，1×8开关为2.5dB），目前消光比为40～50dB。开关速度方面，可以通过加热液晶来提高速度，但这不可避免地使设备功耗增加。另外，更多的商家开始研究基于液晶的可调光衰减器；由于与偏振相关，也可用于制作偏振模色散补偿器。目前从事这种开关的研究开发商有Corning，Chorum，Kent Optronics等公司。

3.5.气泡开关

Agilent公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出一种二维光交叉连接系统，如图9所示。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕里填充一种折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。这种气泡开关的工作原理就是，当有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。目前Agilent公司已经制造出32×32光开关子系统，其损耗为4.5dB，并且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换矩阵。其开关响应时间小于10 ms，可以用于光纤保护倒换。这种开关的优点是，对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感。由于器件本身没有可活动部件，因此可靠性很好，可以满足电信应用中时间可靠性要求。同时，这种光开关可以大批量生产。另外，这种光开关可以应用在光分插复用设备中，实现任意一根光纤或单波长的上下路，也可以用于光交叉连接设备中。由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由其组成的网络具有很好的重构性。目前这类开关的提供商有Agilent公司。

3.6.全息光栅开关

全息光栅开关工作原理实际上就是依靠布喇格光栅实现对光的选择性反射。如图10所示，通过全息的形式在晶体内部生成布喇格光栅[9]，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。

蕴藉之身	2014-09-26 08:45
声光开关比较不错，但经过声光晶体之后，光束的偏振态会变化。

t220	2014-10-13 11:55
现在市场上主要还是以机械式光开关为主

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