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1 前言

全光網(wǎng)絡(luò)是指上、下載的業(yè)務(wù)信號(hào)及交換過(guò)程均以光波的形式進(jìn)行, 沒(méi)有任何的光電及電光轉(zhuǎn)換, 全部過(guò)程都在光域范圍內(nèi)完成[1, 2]。光開(kāi)關(guān)是按一定要求將一個(gè)光通道的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)光通道的器件。光開(kāi)關(guān)可使光路之間進(jìn)行直接交換, 是光網(wǎng)絡(luò)中完成全光交換的核心器件, 隨著全光網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的擴(kuò)大, 光開(kāi)關(guān)的研究日益成為全光通信領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。在全光網(wǎng)絡(luò)中, 光開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)在全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等重要功能,因此光開(kāi)關(guān)是全光通信許多設(shè)備中的關(guān)鍵光器件, 其響應(yīng)速度、串音、插入損耗等性能將直接影響全光通信的質(zhì)量[3- 6]。其中光交叉連接設(shè)備（OXC） 和光分插復(fù)用設(shè)備（OADM） 可以說(shuō)是全光網(wǎng)的核心[7]。而光開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)陣列恰恰是OXC 和OADM的核心技術(shù)。研制全光的交叉連接OXC 和分插復(fù)用OADM設(shè)備, 成為建設(shè)大容量通信干線網(wǎng)絡(luò)十分重要的一環(huán)。全光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的光開(kāi)關(guān)應(yīng)具有快的響應(yīng)速度、低的插入損耗、低通道串音、對(duì)偏振不敏感、可集成性和可擴(kuò)展性、低成本、低功耗、熱穩(wěn)定性好等特性[6- 8]。

 

2 光開(kāi)關(guān)在全光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

當(dāng)前業(yè)已成熟的、且已實(shí)現(xiàn)商品化的微電子機(jī)械光開(kāi)關(guān)和熱光開(kāi)關(guān), 集中了機(jī)械式光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)又克服了它們固有的缺點(diǎn)。此類光開(kāi)關(guān)主要采用硅微加工技術(shù)將開(kāi)關(guān)集成在單片硅基底

上并能構(gòu)成大規(guī)模矩陣陣列。另外, 此類開(kāi)關(guān)批量生產(chǎn)時(shí)成本較低, 在開(kāi)關(guān)損耗、串?dāng)_、消光比、開(kāi)關(guān)尺寸等性能方面優(yōu)勢(shì)明顯, 是光開(kāi)關(guān)的較佳選擇。

 

2.1 微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS - micro - electro - mechanicalsys tems ）

MEMS 是通過(guò)微制造技術(shù)將微型機(jī)械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器和信號(hào)處理及控制電路等在普通

硅基底上集成。我國(guó)的MEMS 研究始于1989 年, 經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展, 在多種微型傳感器、微執(zhí)行器和若干微系統(tǒng)樣機(jī)等方面已有一定的基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備, 開(kāi)發(fā)出了若干小批量、多品種、高質(zhì)量的MEMS 器件和系統(tǒng), 目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[9]。而MEMS 光開(kāi)關(guān)是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)構(gòu)筑在半導(dǎo)體基片上的微鏡陣列, 即將電、機(jī)械和光集成為一塊芯片, 能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。目前已成為一種zui流行的光開(kāi)關(guān)制作技術(shù)。其基本原理通過(guò)靜電力或電磁力的作用, 使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng), 從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能, 使任一輸入和輸出端口相連接, 且1 個(gè)輸出端口在同一時(shí)間只能和1 個(gè)輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開(kāi)關(guān)相比, MEMS 光開(kāi)關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。同時(shí)它既有機(jī)械光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn), 又克服了光機(jī)械開(kāi)關(guān)難以集成和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)[10- 13], 它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕, 且擴(kuò)展性較好。MEMS 光開(kāi)關(guān)的特性可概括為[14- 16]: 低插入損耗; 低串?dāng)_; 與波長(zhǎng)、速率、調(diào)制方式無(wú)關(guān); 功耗低; 堅(jiān)固、壽命長(zhǎng); 可集成擴(kuò)展成大規(guī)模光開(kāi)關(guān)矩陣; 適中的響應(yīng)速度（開(kāi)關(guān)時(shí)間從100ns～10ms）。在光交叉連接及需要支持大容zui交換的系統(tǒng)中, 基于MEMS 技術(shù)的解決方案已是主流。MEMS 光開(kāi)關(guān)可以分為二維和三維光開(kāi)關(guān)。二維光開(kāi)關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成,光束在二維空間傳輸。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開(kāi)關(guān), 對(duì)于M×N 的光開(kāi)關(guān)矩陣, 光開(kāi)關(guān)具有M×N個(gè)微反射鏡。二維光開(kāi)關(guān)的微反射鏡具有兩個(gè)狀態(tài)0和1（通和斷）, 當(dāng)光開(kāi)關(guān)處于1 態(tài)時(shí), 反射鏡處于由輸入光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的光束傳播通道內(nèi), 將光束反射至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)輸出光纖;當(dāng)光開(kāi)關(guān)處于0 態(tài)時(shí), 微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi), 由輸入通道光纖出射的光束直接進(jìn)入其對(duì)面的光纖。三維MEMS 的微鏡固定在一個(gè)萬(wàn)向支架上, 可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MEMS 輸入微鏡, 同樣, 每根輸出光纖也都有其對(duì)應(yīng)的MEMS 輸出微鏡[17]。因此, 對(duì)于M×N 三維MEMS 光開(kāi)關(guān), 則具有M+N MEMS 微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對(duì)應(yīng)的輸入微鏡反射到任意一個(gè)輸出微鏡, 而相應(yīng)的輸出微鏡可以將來(lái)自任一輸入微鏡的光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光纖。對(duì)于M×N 三維MEMS 光開(kāi)關(guān), 每個(gè)輸入微鏡有N 個(gè)態(tài), 而輸出微鏡則具有M個(gè)狀態(tài)。目前, Iolon 利用MEMS 實(shí)現(xiàn)了光開(kāi)關(guān)的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)時(shí)間小余5ms。Xeros 基于MEMS 微鏡技術(shù), 設(shè)計(jì)了能升級(jí)到1152×1152 的光交叉連接設(shè)備, 交換時(shí)間小余50ms。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 三維MEMS 陣列可成為大型交叉連接的*候選者之一。

 

2.2 熱光開(kāi)關(guān)

熱光開(kāi)關(guān)是利用熱光效應(yīng)制造的小型光開(kāi)關(guān)。熱光效應(yīng)是指通過(guò)電流加熱的方法, 使介質(zhì)的溫度變化, 導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化關(guān)系為

[18]:式中n0為溫度變化前的介質(zhì)的折射率, ΔT 為溫度的變化, α為熱光系數(shù), 它與材料的種類有關(guān)。此類開(kāi)關(guān)采用可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料, 如Si02、Si和有機(jī)聚合物等。在硅襯底上, 用蒸發(fā)、濺射、光刻、腐蝕等工藝形成分支波導(dǎo)陣列, 然后在每個(gè)分支上蒸發(fā)金屬薄膜加熱器和電極。電極加上電流后, 加熱器的溫度使下面的波導(dǎo)被加熱, 溫度上升, 熱光效應(yīng)引起波導(dǎo)折射率下降, 這樣就將光耦合從主波導(dǎo)引導(dǎo)至分支波導(dǎo)。聚合波導(dǎo)技術(shù)是非常有吸引力的技術(shù), 它成本低、串?dāng)_低、功耗小、與偏振和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)很高, 而導(dǎo)熱率很低, 因而能更有效地利用熱來(lái)控制光的傳播方向, 開(kāi)關(guān)時(shí)間相對(duì)減小可達(dá)lms 以內(nèi)。熱光開(kāi)關(guān)的速度介于電光開(kāi)關(guān)和MEMS 之間[19]。

 

熱光開(kāi)關(guān)一種是基于SoS（Silica- on- Silicon）技術(shù),該光開(kāi)關(guān)具有透明性、高可靠性、亞毫秒級(jí)恢復(fù)能力和無(wú)阻塞特性, 速度可達(dá)到100μs。隨著高密度、高集成度光路的產(chǎn)生, SoS開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)更明顯。目前主要有兩種類型的熱光開(kāi)關(guān), M- Z 干涉型光開(kāi)關(guān)和數(shù)字光開(kāi)關(guān)。干涉型光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊, 但對(duì)光波長(zhǎng)敏感, 需要進(jìn)行精密溫度控制; 數(shù)字光開(kāi)關(guān)性能更穩(wěn)定, 只要加熱到一定溫度, 光開(kāi)關(guān)就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備, 聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高, 因此需要的功率小, 消光比可達(dá)20dB, 但插入損耗較大,一般為3～4dB。熱光開(kāi)關(guān)陣列可以和陣列波導(dǎo)光柵集成在一起組成光分插復(fù)用器。熱光開(kāi)關(guān)體積非常小,可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的交換速度。圖1 為M- Z 干涉型熱光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。

M- Z干涉型光開(kāi)關(guān)由兩個(gè)3dB 耦合器和兩個(gè)波導(dǎo)臂組成,通常在鈮酸鋰襯底上制作一對(duì)平行光波導(dǎo), 波導(dǎo)兩端分別連接一個(gè)3dB 的Y 形分束器。向波導(dǎo)臂注入電流將改變光開(kāi)關(guān)的折射率, 使光程相應(yīng)變化, 以達(dá)到相干加強(qiáng)或相消的條件, 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的目的。在M- Z 干涉型開(kāi)關(guān)中采用多模干涉耦合器（MMl）替換3dB 耦合器可以得到更好的性能。MMI 的原理是利用多模波導(dǎo)中的自映像效應(yīng), 即在傳播方向上周期性出現(xiàn)輸入場(chǎng)的映像。貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了4×4 光開(kāi)關(guān)的研究結(jié)果, 研究中使用1 個(gè)多模干涉耦合器M- Z 代替3 個(gè)1×2 的開(kāi)關(guān), 使得器件結(jié)構(gòu)更加緊湊, 而損耗降低為2.8dB, 串?dāng)_為35.2dB。利用這種結(jié)構(gòu)可很容易擴(kuò)展到8×8、16×16 的開(kāi)關(guān)矩陣。除了微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）光開(kāi)關(guān)和熱光開(kāi)關(guān)之外, 研究人員還開(kāi)發(fā)出了液晶光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、全息光柵開(kāi)關(guān)、聲光光開(kāi)關(guān)等多種新型光開(kāi)關(guān)技術(shù)。此外,新近出現(xiàn)的液晶光柵開(kāi)光、半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)及磁光開(kāi)關(guān)也引起了人們的關(guān)注[20]。隨著新技術(shù)的發(fā)展, 還將有更多類型的光開(kāi)關(guān)出現(xiàn)。開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)可以組成更大的開(kāi)關(guān)陣列、光開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于10ms, 可以用于光纖保護(hù)倒換、光開(kāi)關(guān)對(duì)偏振相關(guān)損耗和偏振模色散都不敏感、插損低、串?dāng)_小。

 

2.3 液晶光柵開(kāi)關(guān)

液晶光柵開(kāi)關(guān)是基于布喇格光柵技術(shù), 利用液晶材料的電光效應(yīng), 采用了更為新穎的結(jié)構(gòu)。液晶開(kāi)關(guān)內(nèi)包含液晶片、偏振光束分離器（PBS）或光束調(diào)相器。液晶片的作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。液晶光開(kāi)關(guān)的

基本原理是: 將液晶微滴置于高分子層面上, 然后沉積在硅波導(dǎo)上, 形成液體光柵。當(dāng)加上電壓時(shí), 光柵消

失, 晶體是全透明的, 光信號(hào)將直接通過(guò)光波導(dǎo)。當(dāng)沒(méi)有施加電壓時(shí), 光柵把一個(gè)特定波長(zhǎng)的光反射到輸出端口。這表明該光柵具有兩種功能: 取出光束中某個(gè)波長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)交換。

 

2.4 聲光光開(kāi)關(guān)

聲光光開(kāi)關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)。即一定頻率的聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí), 該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與該聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變, 從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化, 形成等效的衍射光

柵。其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng), 當(dāng)入射光束滿足布喇格衍射條件時(shí), 就可引起光的偏轉(zhuǎn), 偏轉(zhuǎn)角由聲波的

頻率和入射光波長(zhǎng)決定。因而能提供一種方便地控制光的強(qiáng)度、頻率和傳播方向的手段。

 

2.5 半導(dǎo)體多量子阱超快光開(kāi)關(guān)

半導(dǎo)體多量子阱超快光開(kāi)關(guān)在半導(dǎo)體量子阱帶間躍遷（ ISB- T） 中, 有超快馳豫時(shí)間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長(zhǎng)可調(diào)諧大的特點(diǎn)。在一種材料InGaAs/AIAsSb 多量子阱中的通信波長(zhǎng)上得到了1.2ps 的響應(yīng)

時(shí)間, 而在另外一種GaN/AIGaN 多量子阱中, 得到了150fs 的超快響應(yīng)時(shí)間, 而這有可能制作成fs 級(jí)超快

光開(kāi)關(guān)。目前已商用化的磁光開(kāi)關(guān)原理是利用法拉第旋光效應(yīng), 通過(guò)外加磁場(chǎng)的變化來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用, 從而達(dá)到切換光路的作用。由于無(wú)機(jī)械移動(dòng)部件, 可靠性高, 并且開(kāi)關(guān)速度快（ 亞毫秒） , 更兼有隔離器和環(huán)行器的功能, 使全固態(tài)的光路調(diào)節(jié)成為可能。

 

3 結(jié)束語(yǔ)

 全光網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)依賴于光器件的技術(shù)進(jìn)步, 光交換器件是下一代光纖通信網(wǎng)絡(luò)的核心。光開(kāi)關(guān)作為未來(lái)

全光網(wǎng)的核心器件, 它對(duì)高速、智能全光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)、光交換、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性方面起著重要的作用。由于光開(kāi)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)組成和網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)方面的應(yīng)用, 市場(chǎng)前景十分光明, 而新技術(shù)的出現(xiàn), 尤其是微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)、熱光效應(yīng)開(kāi)關(guān)、多量子阱光開(kāi)關(guān)和基于SOA- XPM的馬赫- 曾德型全光開(kāi)關(guān)將在未來(lái)全光通信系統(tǒng)中具有廣闊的實(shí)用前景和競(jìng)爭(zhēng)力并將極大地推動(dòng)全光通信系統(tǒng)的發(fā)展。zui近, 富士通研究所與德國(guó)萊茵- 赫茲研究所合作開(kāi)發(fā)出世界上*個(gè)帶有功率放大功能的超高速光開(kāi)關(guān), 利用光纖的非線性效應(yīng), 成功地實(shí)現(xiàn)了640Gb/s 的超高速光信號(hào)處理,而且覆蓋波長(zhǎng)范圍非常寬, 這種新研制的光開(kāi)關(guān)甚至可以對(duì)1Tb/s 的超高速光通信脈沖信號(hào)進(jìn)行控制?？梢灶A(yù)見(jiàn), 高性能、高速率的光開(kāi)關(guān)技術(shù)將- 直成為光網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

 

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CHEN Xi-ming ZHOU Ping

（Institute of Electronic Engineering, Chongqing

University of Posts and ecommunications,

Chongqing 400065, China）

Abs tract: In all optical networks, as the kernel part of instruments

used to accomplish all optical interchange, optical

switch is being a focus of research in all optical

communication.In this paper, We have introduced the application

of optical switch in all optical networks,the basic

working princple of both MEMS switch and thermo-

optic switch and their technology development. Other

kinds of optical switches are intruduced simply too.

Key words : AON; optical; switch; optical communications