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1 前言

全光網絡是指上、下載的業務信號及交換過程均以光波的形式進行, 沒有任何的光電及電光轉換, 全部過程都在光域范圍內完成[1, 2]。光開關是按一定要求將一個光通道的光信號轉換到另一個光通道的器件。光開關可使光路之間進行直接交換, 是光網絡中完成全光交換的核心器件, 隨著全光網絡市場的擴大, 光開關的研究日益成為全光通信領域關注的焦點。在全光網絡中, 光開關可實現在全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等重要功能,因此光開關是全光通信許多設備中的關鍵光器件, 其響應速度、串音、插入損耗等性能將直接影響全光通信的質量[3- 6]。其中光交叉連接設備（OXC） 和光分插復用設備（OADM） 可以說是全光網的核心[7]。而光開關和光開關陣列恰恰是OXC 和OADM的核心技術。研制全光的交叉連接OXC 和分插復用OADM設備, 成為建設大容量通信干線網絡十分重要的一環。全光網絡中應用的光開關應具有快的響應速度、低的插入損耗、低通道串音、對偏振不敏感、可集成性和可擴展性、低成本、低功耗、熱穩定性好等特性[6- 8]。

 

2 光開關在全光網絡中的應用

當前業已成熟的、且已實現商品化的微電子機械光開關和熱光開關, 集中了機械式光開關和波導光開關的優點, 同時又克服了它們固有的缺點。此類光開關主要采用硅微加工技術將開關集成在單片硅基底

上并能構成大規模矩陣陣列。另外, 此類開關批量生產時成本較低, 在開關損耗、串擾、消光比、開關尺寸等性能方面優勢明顯, 是光開關的較佳選擇。

 

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

MEMS 是通過微制造技術將微型機械元件、微型傳感器、微型執行器和信號處理及控制電路等在普通

硅基底上集成。我國的MEMS 研究始于1989 年, 經過十幾年的發展, 在多種微型傳感器、微執行器和若干微系統樣機等方面已有一定的基礎和技術儲備, 開發出了若干小批量、多品種、高質量的MEMS 器件和系統, 目前已廣泛應用于工業領域[9]。而MEMS 光開關是基于半導體微細加工技術構筑在半導體基片上的微鏡陣列, 即將電、機械和光集成為一塊芯片, 能透明地傳送不同速率、不同協議的業務。目前已成為一種zui流行的光開關制作技術。其基本原理通過靜電力或電磁力的作用, 使可以活動的微鏡產生升降、旋轉或移動, 從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能, 使任一輸入和輸出端口相連接, 且1 個輸出端口在同一時間只能和1 個輸入端口相連接。與現有的基于光波導技術的光開關相比, MEMS 光開關具有低串音、低插損的優點成為全光網絡中的關鍵光器件。同時它既有機械光開關和波導光開關的優點, 又克服了光機械開關難以集成和擴展性差等缺點[10- 13], 它結構緊湊、重量輕, 且擴展性較好。MEMS 光開關的特性可概括為[14- 16]: 低插入損耗; 低串擾; 與波長、速率、調制方式無關; 功耗低; 堅固、壽命長; 可集成擴展成大規模光開關矩陣; 適中的響應速度（開關時間從100ns～10ms）。在光交叉連接及需要支持大容zui交換的系統中, 基于MEMS 技術的解決方案已是主流。MEMS 光開關可以分為二維和三維光開關。二維光開關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。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關, 對于M×N 的光開關矩陣, 光開關具有M×N個微反射鏡。二維光開關的微反射鏡具有兩個狀態0和1（通和斷）, 當光開關處于1 態時, 反射鏡處于由輸入光纖準直系統出射的光束傳播通道內, 將光束反射至相應的輸出通道并經準直系統進入目標輸出光纖;當光開關處于0 態時, 微反射鏡不在光束傳播通道內, 由輸入通道光纖出射的光束直接進入其對面的光纖。三維MEMS 的微鏡固定在一個萬向支架上, 可以沿任意方向偏轉。每根輸入光纖都有一個對應的MEMS 輸入微鏡, 同樣, 每根輸出光纖也都有其對應的MEMS 輸出微鏡[17]。因此, 對于M×N 三維MEMS 光開關, 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應的輸入微鏡反射到任意一個輸出微鏡, 而相應的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對應的輸出光纖。對于M×N 三維MEMS 光開關, 每個輸入微鏡有N 個態, 而輸出微鏡則具有M個狀態。目前, Iolon 利用MEMS 實現了光開關的大量自動化生產。該結構開關時間小余5ms。Xeros 基于MEMS 微鏡技術, 設計了能升級到1152×1152 的光交叉連接設備, 交換時間小余50ms。隨著全光網絡的發展, 三維MEMS 陣列可成為大型交叉連接的*候選者之一。

 

2.2 熱光開關

熱光開關是利用熱光效應制造的小型光開關。熱光效應是指通過電流加熱的方法, 使介質的溫度變化, 導致光在介質中傳播的折射率和相位發生改變的物理效應。折射率隨溫度的變化關系為

[18]:式中n0為溫度變化前的介質的折射率, ΔT 為溫度的變化, α為熱光系數, 它與材料的種類有關。此類開關采用可調節熱量的波導材料, 如Si02、Si和有機聚合物等。在硅襯底上, 用蒸發、濺射、光刻、腐蝕等工藝形成分支波導陣列, 然后在每個分支上蒸發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被加熱, 溫度上升, 熱光效應引起波導折射率下降, 這樣就將光耦合從主波導引導至分支波導。聚合波導技術是非常有吸引力的技術, 它成本低、串擾低、功耗小、與偏振和波長無關。聚合物波導的熱光系數很高, 而導熱率很低, 因而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向, 開關時間相對減小可達lms 以內。熱光開關的速度介于電光開關和MEMS 之間[19]。

 

熱光開關一種是基于SoS（Silica- on- Silicon）技術,該光開關具有透明性、高可靠性、亞毫秒級恢復能力和無阻塞特性, 速度可達到100μs。隨著高密度、高集成度光路的產生, SoS開關的優勢更明顯。目前主要有兩種類型的熱光開關, M- Z 干涉型光開關和數字光開關。干涉型光開關結構緊湊, 但對光波長敏感, 需要進行精密溫度控制; 數字光開關性能更穩定, 只要加熱到一定溫度, 光開關就保持穩定的狀態。它通常用硅或高分子聚合物制備, 聚合物的導熱率較低而熱光系數高, 因此需要的功率小, 消光比可達20dB, 但插入損耗較大,一般為3～4dB。熱光開關陣列可以和陣列波導光柵集成在一起組成光分插復用器。熱光開關體積非常小,可實現微秒級的交換速度。圖1 為M- Z 干涉型熱光開關結構示意圖。

M- Z干涉型光開關由兩個3dB 耦合器和兩個波導臂組成,通常在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導, 波導兩端分別連接一個3dB 的Y 形分束器。向波導臂注入電流將改變光開關的折射率, 使光程相應變化, 以達到相干加強或相消的條件, 實現開關的目的。在M- Z 干涉型開關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中的自映像效應, 即在傳播方向上周期性出現輸入場的映像。貝爾實驗室報道了4×4 光開關的研究結果, 研究中使用1 個多模干涉耦合器M- Z 代替3 個1×2 的開關, 使得器件結構更加緊湊, 而損耗降低為2.8dB, 串擾為35.2dB。利用這種結構可很容易擴展到8×8、16×16 的開關矩陣。除了微電子機械系統（MEMS）光開關和熱光開關之外, 研究人員還開發出了液晶光開關、噴墨氣泡光開關、全息光柵開關、聲光光開關等多種新型光開關技術。此外,新近出現的液晶光柵開光、半導體光開關及磁光開關也引起了人們的關注[20]。隨著新技術的發展, 還將有更多類型的光開關出現。開關的優點可以組成更大的開關陣列、光開關響應時間遠小于10ms, 可以用于光纖保護倒換、光開關對偏振相關損耗和偏振模色散都不敏感、插損低、串擾小。

 

2.3 液晶光柵開關

液晶光柵開關是基于布喇格光柵技術, 利用液晶材料的電光效應, 采用了更為新穎的結構。液晶開關內包含液晶片、偏振光束分離器（PBS）或光束調相器。液晶片的作用是旋轉入射光的極化角。液晶光開關的

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

失, 晶體是全透明的, 光信號將直接通過光波導。當沒有施加電壓時, 光柵把一個特定波長的光反射到輸出端口。這表明該光柵具有兩種功能: 取出光束中某個波長并實現交換。

 

2.4 聲光光開關

聲光光開關是利用介質的聲光效應。即一定頻率的聲波在聲光介質中傳播時, 該介質會產生與該聲波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變, 從而導致介質折射率的周期性變化, 形成等效的衍射光

柵。其光柵常數等于聲波波長, 當入射光束滿足布喇格衍射條件時, 就可引起光的偏轉, 偏轉角由聲波的

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

 

2.5 半導體多量子阱超快光開關

半導體多量子阱超快光開關在半導體量子阱帶間躍遷（ ISB- T） 中, 有超快馳豫時間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長可調諧大的特點。在一種材料InGaAs/AIAsSb 多量子阱中的通信波長上得到了1.2ps 的響應

時間, 而在另外一種GaN/AIGaN 多量子阱中, 得到了150fs 的超快響應時間, 而這有可能制作成fs 級超快

光開關。目前已商用化的磁光開關原理是利用法拉第旋光效應, 通過外加磁場的變化來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用, 從而達到切換光路的作用。由于無機械移動部件, 可靠性高, 并且開關速度快（ 亞毫秒） , 更兼有隔離器和環行器的功能, 使全固態的光路調節成為可能。

 

3 結束語

 全光網的實現依賴于光器件的技術進步, 光交換器件是下一代光纖通信網絡的核心。光開關作為未來

全光網的核心器件, 它對高速、智能全光通信系統實現光互聯、光交換、增強網絡適應性方面起著重要的作用。由于光開關在網絡組成和網絡故障恢復方面的應用, 市場前景十分光明, 而新技術的出現, 尤其是微光機電系統光開關、熱光效應開關、多量子阱光開關和基于SOA- XPM的馬赫- 曾德型全光開關將在未來全光通信系統中具有廣闊的實用前景和競爭力并將極大地推動全光通信系統的發展。zui近, 富士通研究所與德國萊茵- 赫茲研究所合作開發出世界上*個帶有功率放大功能的超高速光開關, 利用光纖的非線性效應, 成功地實現了640Gb/s 的超高速光信號處理,而且覆蓋波長范圍非常寬, 這種新研制的光開關甚至可以對1Tb/s 的超高速光通信脈沖信號進行控制。可以預見, 高性能、高速率的光開關技術將- 直成為光網絡研究的重點。

 

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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