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光开关技术及应用

一、引言

      

       可以说,没有开关就没有通信网络。从第一代电信网络开始,即电话交换系统就采用了大量的开关形成交换单元完成用户间的电路交换。今天,以DWDM为基础的全光网络已称为新一代电信网络研究的热点和发展方向,不同波长的光信号在网络中要实现路由选择要使用光开关,光开关时完成交换的器件,在目前使用的光网络中具有的作用。

 

二、光开关的关键指标

      

        通信网络的发展为光开关的应用提出了新的要求,未来的全光网络需要全光开关构成的光交换机完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。评价新的光开关技术须考虑七个指标。

 

①长期可靠性满足大容量通信系统要求,须高可靠性和低的故障率。

 

②低损耗和高耦合效率考虑光开关的大数量的应用,低损耗为关键,与光纤保持较高的耦合效率也就是减少光功率损耗。

 

③串音小消光比大,串音直接影响信号传输质量,典型隔离度为40或50db。

 

④低驱动和温度特性,低驱动减少光开关的功耗,温度变化不敏感可拓宽光开关的应用环境和领域,使其工作稳定,往往通过的温控电路实现。

 

⑤光开关的速率对应不同的应用场合,因此对光开关切换速率会有的要求。

 

⑥光开关工作带宽对应于新的光纤、光滤波和放大器技术的DWDM工作窗口1300nm---1650nm,光开关同样要与之吻合。

 

⑦光开关成本和可扩展性,光产品价格整体每年以10%---30%速度下降,并且要考虑长期成本的下降。光开关是否满足大规模阵列扩展及相应性能参数的变化也需要注意。

 

三、光开关形式

      

       光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究对象。光开关有着的市场前景,是具发展的光无源器件之一。光开关采用的主要技术有机械式、MEMS、铁电液晶、气泡、热光、全息、声光、热毛细管等。在光开关的性能上,主要指标有插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模及开关尺寸等。在各式各样的光开关中,MEMS光开关具有较好的性能,并且由于采用微电子工艺可以大量生产,适于产业化。它的工作方式与光信号的格式、波长、偏振方向、传输方向、调制方式均无关,因此不受带宽的限制可以处理任意波长的光信号。不仅如此,它还具有较低的插损与较高的扩展性,可以满足未来光通信网络发展所要求的透明性和扩展性。这里简单介绍几种光开关。

 

3.1 机械式光开关

      

       传统的机械式光开关插入损耗较低(<2db)、隔离度高(>45db),不受偏振和波长的影响。多路输入输出光束的机械光开关中的关键单元是具有光路二度对称的复合反射镜。复合反射镜是由几何形状尺寸和光学性能形同的两块镜子粘合在一起构成,以粘合面为对称平面,具有二度镜面对称性。对单个复合反射镜的往返运动的控制,可同时改变两路输入输出光路的相互连接状态,实现光路的平行或交叉连接,形成2X2光开关。采用多个复合反射镜和合理的光路布局,可实现更多光路之间的相互连接状态,形成多路输入输出光束无阻塞交换,同时大幅度减少光开关矩阵中的光学元件和相应驱动器数量,具有频带宽广、结构紧凑、体积小的特点。

 

3.2 微电子机械光开关(MEMS)

      

       MEMS光开关是一种自由空间微型光开关,是目前关注的一项新技术,MEMS主要是利用移动光纤或利用微镜反射原理进行光交换的光开关。MEMS是由半导体材料,如Si等组成的微机械结构。MEMS光开关结构紧凑、重量轻、易于扩展,此种光开关同时具有机械光开关和波导光开关的优点,又克服了它们的缺点。MEMS光开关的驱动方式主要有静电驱动、电致伸缩、磁致伸缩、形变记忆合金、光功率驱动、热驱动和光子开关等。其原理是微反射镜和上电极连接在一起,在没有电压输入时,上电极的位置不动,微反射镜处在光通路上,从入射光纤发出的光被微反射镜反射,改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中,这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时,静电力的作用下,上电极带动微反射镜移开光通路,入射光沿直线传播进入前方的出射光纤,这是开关的直通状态。作为一种全光开关,由于具有可移动的反射表面或反射镜、可通过施加电或热变化方法改变其反射角,光波长对准反射面按指令让光子通过,或把光信号分流到另一个端口。

 

3.3 波导型光开关

      

       波导型光开关是近年来发展起来的一种光开关,它采用波导结构。波导型光开关同样利用电光、声光、热光、磁光效应来进行控制。一般的介质波导是平板波导结构,它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。平面波导型开关主要有两种,热光型和全内反射型。热光型开关,是利用Si波导的热感应折射率变化原理制作的,其M-Z干设计是由两个3db定向耦合器和两个波导臂组成,臂上还有一个用作热光移相器的薄膜加热器。其工作原理是未受热时这种单元结构处于分叉态,当对热光移相器加热时,开关为条形状,完成开关功能。全内反射型开关的原理是利用在交叉波导中制作的槽里内反射,实现大型的广播电路开关。

 

3.4 液晶光开关

      

       液晶光开关是根据其偏振特性来完成交换的,其工作状态时基于对偏振的控制,工作时,一路偏振光被反射。而另一路可以通过。

 

3.5 热光效应开关

      

       热光技术主要用来制作小的光开关。现在主要有两种类型的热光开关,数字型光开关和干涉型光开关。干涉型光开关具有结构紧凑的优点,缺点是对波长敏感,因此,通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料上先做上波导结构,通过改变波导折射率实现光的开关动作。

 

3.6 声光开关

       

       在声光开关结构中,控制信号采用声波,主要作用是用来控制光线的偏转。声光开关的交换速度从500ns到10us。由于在声光开关中没有课移动的部分,因此,1x2声光开关的可靠性比较高。

 

3.7 磁光开关

      

       磁光开关的原理是利用法拉第旋光效应,通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用,从而达到切换光路的作用。相对于传统的机械式光开关,慈光开关具有开关速度快、稳定性高等优势,而相对于其他的非机械式光开关,它又具有驱动电压低、串扰小等优点,因此,磁光开关将是一种具有竞争力的光开关。

 

四、应用及前景分析
 

       光开关在光网络中起到重要的作用,它不仅构成了波分复用网络中关键设备的交换核心,本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有:

      

       保护倒换功能:光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时,利用光开关实现信号迂回路由,从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要的1X2光开关。

 

网络监视功能:在远端光纤测试点通过1xN光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪上,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。这种光开关也可以用于光纤器件测试。

 

光器件的测试:可以将多个待测光器件通过光纤连接,通过1xN光开关,可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。

 

       应用于OADM和光交叉连接:光上下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,而不需要电解复用或复用过程。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长,这样大大增加了网络配置的灵活性。OXC由光开关矩阵组成,它主要用于核心光网络的交叉连接,实现光网络的故障保护,动态的光路径管理,灵活增加新业务等。

 

       随着光传送网技术的发展,新型的光开关技术不断出现。同时,原有的光开关技术性能不断地改进。随着光传送网向高速、大容量的方向发展,网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题,而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。未来的光传送网事能支持多业务的透明光传送平台,要求对各种速率业务能透明传送。同时,随着业务需求的急剧增长,骨干网业务交换容量也增长。因此,光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。同时由于IP业务的急剧增长,要求未来的光传送网能支持光分组交换业务,未来的核心路由器能在光层交换。这样,对光开关的交换速度提出更高的要求(ns数量级)。总之,大容量、高速交换、透明、低损耗的关开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。

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