全光通信中的光开关技术

摘要：光开关是实现全光交换的核心器件，光开关的研究已成为全光通信领域研究的焦点。本文首先对光开关的原理进行归纳，总结光开关的应用范围。对传统机械式光开关、微电子机械式光开关、热光开关进行了进一步地划分，分析了它们的结构形式和性能特点。设计了光开关性能评价指标体系，对常见的4种光开关进行了定性与定量对比，指出不同类型光开关的优点和不足之处。最后依据全光通信网的发展趋势，指出大容量、高速、透明、低损耗是光开关的重点发展方向。
关键词：光开关；微电子机械式光开关；热光开关；全光通信

    光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构——自动交换光网络(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(Optical Cross—connect，OXC)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。OXC技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
    光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，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。

1 光开关的应用范围
    光开关(Optical Switch，OS)是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关基本的形式是2x2：即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接，如图1所示。较大型的空分光交换单元可由基本的2x2光开关以及相应的1x2光开关级联、组合构成。

    光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接(Optical Cross-connect，OXC)的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多种，它们在不同场合中有不同用途。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统、光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心、光插／分复用、光学测试、光传感系统等。

2 主要光开关类型研究
    依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。
2．1 传统机械光开光
    目前应用最为广泛的仍是传统的1x2和2x2机械式光开关。传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合到输出端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。
    机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。移动棱镜光开关的基本结构如图2所示。光纤与起准直作用的透镜(准直器)相连，并固定不动，通过移动棱镜改变输入、输出端口间的光路。反射镜型光开关工作原理如图3所示。当反射镜未进入光路时，光开关处于直通状态，光纤1进入的光进入光纤4，光纤2进入的光进入光纤3；当反射镜处于两光线的交点位置时，光开关处于交叉状态，光纤1进入的光进入到光纤3，光纤2进入的光进入光纤4从而实现光路的切换。移动光纤型光开关如图4所示，是固定一端的光纤，移动另一端的光纤与固定光纤的不同端口相耦合，实现光路的切换。这类光开关回波损耗低，且受外界环境温度影响大，并没有形成真正意义上的商用化产品。我国国内商用化光开关主要是移动棱镜和反射镜型的。

    机械型光开关的优点是插入损耗低(<1 dB)、隔离度高(>45 dB)与波长和偏振无关，制作技术成熟。缺点在于开关动作时间较长(ms量级)，体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。
2．2 徽电子机械系统光开关
    近几年发展很快的是微电子机械光开关，它是半导体微细加工技术与微光学和微机械技术相结合，产生的一个新型微机-电-光一体化的的新型开关，是大容量交换光网络开关发展的主流方向。
    MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在数ms量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信；同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。
    按功能实现方法，可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点，可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关，并已提出一维MEMS光开关的概念。
    所谓2D是指活动微镜和光纤位于同一平面上，且活动微镜在任一给定时刻要么处于开态，要么处于关态。在这种方式中，活动微镜阵列与N根输入光纤和N根输出光纤相连。对一个NxN光开关矩阵而言，所需的活动微镜数为N2。因此，这种方式也称为N2结构方案。例如，一个4x4的2D光开关有16个活动微镜，而4个4x4光开关可组成1个8×8的光开关，其中有64个活动微镜。图5、图6分别是4x4和8x8的光开关的配置图。

    基于镜面的MEMS二维器件由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。典型的尺寸是10cm。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。二维MEMS的空间微调旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过SDA(Scr-atch Drive Actuator)调节器调节平移盘使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该徽镜，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该徽镜对应的输出端口输出。
    三维微电机系统(MEMS)光开关工作原理如图7所示，是一个4x4光开关的光路图。这种构方式最主要优点是控制十分简单，组成控制系统的主要元件是双极晶体管逻辑(TTL)驱动器，辅以电平提升电路，它可给每个微(反射)镜提供所需的各种电平。

    三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。三维MEMS阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波长带同时从一根光纤交换到另一根光纤上。
    三维MEMS主要靠2个N微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置。由于MEMS光开关是靠镜面转动来实现交换，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏光开关。
    虽然二维和三维MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光开关仍然面临众多挑战。由于MEMS采用了微镜系统，在制作工艺上要求较高，在经历百万甚至千万次的转换后会不会损坏其结构的完整性和微镜的转动灵活性，关系到光网络信息传输的稳定性和连续性。MEMS光开关要满足批量生产的要求，对工艺的稳定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面对用户，其封装工艺和安装的自动化都是需要考虑的问题。
    尽管MEMS面临以上问题，但是由于其既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于MEMS光开关技术的解决方案已成为主流选择。
2．3 热光开关
    热光开关是利用热光效应制造的小型光开关。热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。折射率随温度的变化可用以下关系式表示：
   
    式中no为温度变化之前的折射率，△T为温度的变化，α为热光系数，它与材料的种类有关。表1是几种材料的热光系数。

    此类开关采用可调节热量的波导材料，如SiO2、Si和有机聚合物等。在硅衬底上，用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后，加热器的温度使下面的波导被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率下降，这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。聚合波导技术是非常有吸引力的技术，它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波导的热光系数很高，而导热率很低，因而能更有效地利用热来控制光的传播方向，开关时间相对减小可达1ms以内。热光开关的速度介于电光开关和MEMS之间。热光光开关技术主要是用来制造小型的光开关。通过集成多个1x2光开关也可组成较大的阵列。目前主要有2种类型热光光开关：干涉式光开关、数字光开关也叫分支器型热光开关。
    干涉式光开关主要利用马赫-增德尔干涉原理制造，主导思想是利用光相位特性，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。MZI型光开关结构如图8所示。它包括1个MZI和2个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时，输入信号经过2个3 dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出，在直通的输出端口发生相干相消，如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移，则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出，而在交叉端口发生干涉相消。从而通过控制加热器可实现开关的动作。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。

    数字光开关的原理和结构都很简单，如图9所示，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬，形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，但插入损耗较大，一般为4 dB。

    干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制；数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20 dB，但插入损耗较大，一般为3～4 dBc。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小，可实现微秒级的交换速度。

3 几种光开光比较
3．1 光开关的技术评价指标
    光开关的性能是由业务量、运行条件和现场环境等因素共同决定的，对光开关的要求是：一方面必须在插入损耗、串扰、消光比、开关速度、开关规模和开关尺寸等方面具有良好的性能；另一方面必须能够集成为大规模的开关阵列，以适应现代网络的要求。一般主要用以下参数评价光开关：
    1)交换矩阵的大小光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过1000x1000的交换容量。对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。
    2)交换速度交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对同步数字序列／同步光纤网络(Synchronous Digital Hierarchy／Synchronous Optical Network，SDH／SONET)来说，因故障而重新选路时，50 ms的交换时间几乎可以使上层感觉不到。当交换时间到达ns量级时，可以支持光互联网的分组交换。这对于实现光互联网是十分重要的。
    3)损耗 当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率预算。光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低。大约l～2 dB c．而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4 dB左右。损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。
    4)交换粒度不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交换粒度也有所不同。交换粒度可分为3类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网络保护和恢复具有重要意义。
    5)无阻塞特性无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显。光开关要求具有严格无阻塞特性。
    6)升级能力 基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为8x8或32x32，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上。
7)可靠性光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千、几万次的频繁动作。有些情况(如保护倒换)，光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。
    很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。光开关要求对速率和业务类型保持透明。在构建绝对无阻塞的大型光开关矩阵时，减小串扰、降低损耗、实现低成本是需要研究的问题。
3．2 光开关比较
    部分光开关的性能比较结果如表2所示。

4 结束语
    光开关是全光通信网的关键部件，本文对光开关的主要类型：传统机械式光开关、微电子机械式光开关、热光开关进行了详细分析，总结了各种子类型的基本原理、结构形式，指出它们在应用时所存在的问题。提出了一套光开关性能评价指标体系，并对4种常见的光开关进行了具体比较，为工程应用中的类型选择提供了参考依据。
    光开光技术还在迅速发展，有一些趋势值得关注。随着业务需求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长，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(纳秒数量级)。热光开关列阵、微机械光开关列阵由于集成度较大，因而将是大规模阵列光开关的发展方向。MEMS光开关目前最有发展前景，最能适应DWDM全光通信网要求。由于MEMS技术具有兼容性强、易集成、设计灵活、可大规模生产的优势，MEM5光开关的集成化和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。传统的机械式光开关在光信号监测领域有较大的市场应用前景。总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。