全面解析光開(kāi)關(guān)技術(shù)與應(yīng)用

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和密集波分復(fù)用系統(tǒng)的應(yīng)用，光聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。光聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于光開(kāi)關(guān)、光濾波器、光放大器、密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)等器件和技術(shù)的進(jìn)展。密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)全光通信發(fā)展的重要因素，而光聯(lián)網(wǎng)的提出將使設(shè)備制造商、電信運(yùn)營(yíng)商都面臨巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

(圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪)

光開(kāi)關(guān)是全光交換中的關(guān)鍵器件，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)等功能。目前光開(kāi)關(guān)主要應(yīng)用包括：

光交叉連接(OXC)。OXC由光開(kāi)關(guān)陣列組成，主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、靈活增加新業(yè)務(wù)等。光交叉連接對(duì)開(kāi)關(guān)的要求主要有低插損、低 串?dāng)_、低開(kāi)關(guān)時(shí)間以及無(wú)阻塞運(yùn)作。目前微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在光交換應(yīng)用中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，由于其對(duì)波長(zhǎng)、數(shù)據(jù)速率和信號(hào)格式都透明，在不遠(yuǎn)的將來(lái)有希望實(shí)現(xiàn)光層上的交換。

用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)保護(hù)倒換。當(dāng)光纖斷裂或傳輸發(fā)生故障時(shí)，就可以通過(guò)光開(kāi)關(guān)改變業(yè)務(wù)的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)。通常這種保護(hù)倒換只需1×2端口的光開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)。

用1×N光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。在遠(yuǎn)端光纖測(cè)試點(diǎn)通過(guò)1×N光開(kāi)關(guān)把多根光纖接到一個(gè)光時(shí)域反射儀(OTDR)上，通過(guò)光開(kāi)關(guān)倒換實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的監(jiān)測(cè)?；蛘卟迦刖W(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線分析。

光纖通信器件測(cè)試。光器件、光纜以及子系統(tǒng)產(chǎn)品在測(cè)試過(guò)程中，可以使用光開(kāi)關(guān)同時(shí)測(cè)試多個(gè)器件，從而簡(jiǎn)化測(cè)試，提高效率。

光分插復(fù)用器(OADM)。主要應(yīng)用于環(huán)形的城域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)單個(gè)波長(zhǎng)和多個(gè)波長(zhǎng)從光路自由上下。用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的OADM可以通過(guò)軟件控制動(dòng)態(tài)上下任意波長(zhǎng)，這樣將增加網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性。

傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)技術(shù)主要采用固態(tài)波導(dǎo)和光機(jī)械兩種技術(shù)：固態(tài)波導(dǎo)開(kāi)關(guān)由于有較高的串音、損耗和功耗，只能在有限的開(kāi)關(guān)陣列中應(yīng)用，不適合向大規(guī)模的開(kāi)關(guān)陣列中擴(kuò)展;機(jī)械開(kāi)關(guān)雖然有比較低的插入損耗和串音，但其設(shè)備龐大、可擴(kuò)展性一般，也不適用于大規(guī)模的開(kāi)關(guān)陣列。目前已經(jīng)涌現(xiàn)了很多新技術(shù)，主要包括微機(jī)電光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、熱光效應(yīng)開(kāi)關(guān)、聲光效應(yīng)開(kāi)關(guān)、全息開(kāi)關(guān)、液晶光柵開(kāi)關(guān)等。

一般主要用以下參數(shù)考察光開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)速度、陣列大小、損耗、可靠性以及可擴(kuò)展性等?；诓煌膽?yīng)用，各種技術(shù)的發(fā)展也不盡相同。下面對(duì)幾種主要技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行分析：

基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的光開(kāi)關(guān)，由于其與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等均無(wú)關(guān)，而且在損耗、擴(kuò)展性上都要優(yōu)于其它類(lèi)型，與未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展等趨勢(shì)相符合，有可能成為核心光交換器件中的主流。其原理就是通過(guò)靜電或其他控制力使可以活動(dòng)的微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向。由于MEMS技術(shù)可以利用類(lèi)似IC的工藝成批加工生產(chǎn)，盡管制造過(guò)程比較復(fù)雜，但是可以批量生產(chǎn)，因此降低了單個(gè)的成本。

目前二維子系統(tǒng)最大容量是32×32端口，多個(gè)子系統(tǒng)可以連接起來(lái)形成大的交叉陣列，最大可以達(dá)到512×512端口。由于是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，MEMS光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間都在ms量級(jí)。MEMS光開(kāi)關(guān)的插損比較大，主要包括透鏡的耦合損耗、高斯光傳播損耗以及鏡子角度偏差引起的損耗。OMM公司4×4光開(kāi)關(guān)的插損達(dá) 到3dB，16×l6開(kāi)關(guān)陣列的插損增加到5至7dB。另外，任何機(jī)械摩擦、磨損以及外部振動(dòng)都可能使它的可靠性降低。

OMM公司預(yù)計(jì)于2001年中期推出三維產(chǎn)品;在原理上類(lèi)似二維方案，但在N個(gè)輸入光纖和N個(gè)輸出光纖之間僅使用了2×N個(gè)微鏡，每個(gè)微鏡都有N個(gè)可能的位置，因此驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，成本也隨之增加。

盡管MEMS技術(shù)還有很多不足，但仍得到了眾多公司的推崇，技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。Nortel在2000年初以32.5億美元購(gòu)得制造MEMS光器件的Xros公司。Lucent推出了Wave Star Lamda Router的全光路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)224×224的交換容量。

Agilent (安捷倫)公司結(jié)合噴墨打印和硅平面光波導(dǎo)兩種技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)。安捷倫公司的全光交換芯片曾在OFC2000年會(huì)上引起轟動(dòng)。該設(shè)備 由許多交叉的硅波導(dǎo)和位于每個(gè)交叉點(diǎn)的微型管道組成，微型管道里填充一種與折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無(wú)交換傳輸。當(dāng)有入射光照入并需要交換 時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中產(chǎn)生一個(gè)小泡(Bubble)，小泡將光從入射波導(dǎo)中的光信號(hào)全反射至輸出波導(dǎo)。

Agilent公司目前已經(jīng)制造出32×32和32×16端口光開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)，并且可以把這些子系統(tǒng)連接起來(lái)組成更大的交換陣列。其開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于10ms，可以用于光纖保護(hù)倒 換。并且，這種開(kāi)關(guān)對(duì)偏振相關(guān)損耗和偏振模色散都不敏感;由于器件本身沒(méi)有可活動(dòng)部件，因此可靠性很好，可以滿足電信應(yīng)用中時(shí)間可靠性要求;同時(shí)這種光開(kāi) 關(guān)可以大批量生產(chǎn)。目前供應(yīng)商有Agilent公司。

液晶(Liquid crystal)光開(kāi)關(guān)是根據(jù)其偏振特性來(lái)完成交換的。典型的液晶器件包括無(wú)源和有源部分，它實(shí)現(xiàn)光交換主要由以下步驟來(lái)進(jìn)行：首先把輸入光分為兩路偏振 光，然后把光輸入液晶內(nèi)，液晶根據(jù)是否加電壓來(lái)改變光的偏振狀態(tài)：由于電光效應(yīng)，在液晶上加電壓將改變非常光的折射率，從而改變光的偏振狀態(tài);最后光射到 無(wú)源光器件上，根據(jù)光的偏振方向把光輸出到預(yù)定的輸出端口。

液晶光開(kāi)關(guān)理論上的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)性可能比較好，但是目前最大端口數(shù)為80，因此 液晶被認(rèn)為更適合用于較小的交換系統(tǒng)中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的兩束光，最后把它們合起來(lái)，如果兩束光的傳播路徑稍有不同，便會(huì)產(chǎn)生插損(對(duì) 1×2開(kāi)關(guān)1dB，1×8開(kāi)關(guān)2.5dB)，目前消光比為40～50dB。開(kāi)關(guān)速度方面，可以通過(guò)加熱液晶來(lái)提高速度，但不可避免地使設(shè)備功耗增加。另 外，更多的商家開(kāi)始研究基于液晶的可調(diào)光衰減器;由于與偏振相關(guān)，也可用于制作偏振模色散(PMD)補(bǔ)償器。

熱光技術(shù)(Thermal-Optics)主要用來(lái)制造小的光開(kāi)關(guān)：如1×2、2×2等，但通過(guò)在一塊芯片上集成1×2光開(kāi)關(guān)也可以組成較大的交換系統(tǒng)，如 64×64端口?，F(xiàn)在主要有兩種類(lèi)型的熱光開(kāi)關(guān)，數(shù)字光開(kāi)關(guān)(DOS)和干涉式光開(kāi)關(guān)。干涉式光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但由于對(duì)光波長(zhǎng)敏感，需要進(jìn)行溫度控制。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)就保持同樣的狀態(tài)。最簡(jiǎn)單的器件是1×2開(kāi)關(guān)，叫做Y型分路器。對(duì)Y型的一個(gè)分支加熱時(shí)，材料的折射率就 會(huì)發(fā)生改變，將阻止光沿著這個(gè)分支傳輸。數(shù)字光開(kāi)關(guān)可以用硅和高分子聚合物制作;后者功耗小，但插損大。

干涉式光開(kāi)關(guān)主要利用Mach Zehnder干涉原理，也就是利用光的相位特性，光的相位變化與傳輸距離相關(guān)。首先輸入光被分成兩路，在兩根光波導(dǎo)里分別傳輸，最后合在一起。其中一根 波導(dǎo)被加熱來(lái)改變波導(dǎo)的折射率，從而改變光傳輸距離，使得一束光到達(dá)時(shí)與另一束光不同相，利用干涉原理使合成光束減弱甚至關(guān)斷。

熱光開(kāi)關(guān)陣列還可以和陣列波導(dǎo)光柵(AWG)集成在一起組成光分插復(fù)用器。AKZO NOBEL公司早在1991年就已經(jīng)推出了聚合物數(shù)字光開(kāi)關(guān)，目前聚合物熱光開(kāi)關(guān)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。

目前供應(yīng)商包括NTT Electronics、JDSU、Corning、Alcatel、AKZO NOBEL等公司。

通過(guò)全息(Holograms)反射在晶體內(nèi)部生成布拉格光柵，當(dāng)加電時(shí)，布拉格光柵把光反射到輸出端口，反之，光就直接通過(guò)晶體。利用這種技術(shù)可以很容易 地組成上千端口的光交換系統(tǒng)。并且它的開(kāi)關(guān)速度非常快，只需幾個(gè)ns就可以把一個(gè)波長(zhǎng)交換到另一個(gè)波長(zhǎng)。由于沒(méi)有可移動(dòng)器件，可靠性比較好。根據(jù) Trellis Photonics公司，240×240端口的交換系統(tǒng)的插損低于4dB，端到端的重復(fù)性也比較好，但是它的功耗比較大，并且需要高電壓供電。

這種技術(shù)可以跟三維MEMS技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，但它更適合單個(gè)波長(zhǎng)的交換。納秒量級(jí)的交換速度可以用于未來(lái)的基于報(bào)文交換的光路由器中。目前供應(yīng)商有Trellis Photonics等公司。

液體光柵(Liquid Gratings)技術(shù)是液晶技術(shù)和全息技術(shù)的綜合。液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導(dǎo)上面。當(dāng)沒(méi)有施加電壓時(shí)，光柵就把一個(gè)特定波長(zhǎng)的光反射到輸出端口，而加上電壓時(shí)，光柵消失即晶體是全透明的，光信號(hào)將直接通過(guò)光波導(dǎo)。

根據(jù)Digilens公司，這種光開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為100ms，插損小于1dB。由于沒(méi)有移動(dòng)部分，可靠性比較好。另外功率消耗比較低，典型值為50mW。

利用聲光效應(yīng)(Acousto-Optics)制作的光開(kāi)關(guān)，目前最大端口為256×256，由于沒(méi)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部分，所以可靠性好;對(duì)1×2開(kāi)關(guān)，插損為2.5dB，開(kāi)關(guān)速度為525ns;但缺點(diǎn)是成本太高，不利于實(shí)際應(yīng)用。