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华中科技大学光电子工程系 杨俊 阮玉 摘 要 光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。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重点。光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。 一、光开关与全光网络 近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。 [IMG]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage001.png[/IMG] 目前，商用化DWDM传输系统的信道总容量达到80Gb/s，实验系统容量更是高达6.4Tb/s（320×20Gb/s）。在这样的宽带网络中，如果继续采用原有的SDXC或ATM DXC/ADM设备，网络节点将会变得更加庞大复杂，所带来的经济效益也无疑会被昂贵的光－电－光转接费用抵消。为此，人们提出了全光网络，亦即网络中端到端采用完全的光路，中间没有光－电－光转换的介入，如图2所示。因此以WDM为基础的全光网络，既可实现网络系统的全光性，同时又可使系统对不同比特和不同信号模式的传输保持一定的透明性，被认为是光纤通信未来发展的唯一出路。因而基于WDM的全光网可经济有效地增加光纤通信系统容量的事实，已得到国际电信工作者的普遍认同，并成为各国电信部门共同关注的技术热点之一。 [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage003.png[/img] 从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。 [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage005.png[/img] 光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。 二、光开关概述 目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。 机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。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。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。机械式光开关，已经做成产品，在国内市场上主要有康顺公司生产的1×2，1×4，2×2机械式光开关，国外的主要有E-TEK,JDS,Dicon,Lightech,Oplink等公司的产品。 微电子机械光开关（MEMS）：MEMS是由半导体材料，如Si等，构成的微机械结构。它将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS器件的结构很像IC的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以活动的微镜面发生转动。从而改变输入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨干网或大型交换网。 液晶光开关：液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压，有源部分或者改变入射光的偏振态或者不加改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改变非常光的偏振状态，本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。 热光效应开关：热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1×1、1×2、2×2等，更大的光开关可由1×2光开关元件在同一晶片上集成。热光开关主要有两种基本类型：数字型光开关（DOS：Digital optical switches）和干涉型光开关(Interferometric switches)。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，如玻璃或硅基片上，先做上波导结构，然后，在波导上蒸镀金属薄膜加热器，金属薄膜通电发热，导致其下面的波导的折射率发生变化，从而实现光的开关动作。 声光开关：在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10us。由于没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发了自己的声光开关，其1×2光开关的交换速度是525ns，相对损耗为2.5db。 波导型光开关：波导型光开关是最近发展的光开关，采用波导结构。它同样利用电光、声光、热光、磁光效应。最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。衬底、薄膜层以及覆盖层底折射率分别为ns、nf、n c ，光在薄膜层中传播的条件，必须满足nf >ns> n c。由于其体积小，可用于大规模的OXC中。 磁光开关：磁光开关原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变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效果。相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快，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、串扰小等优势，可以预见在不久的将来，磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。 三、国内外的研究情况 目前国内各光学器件生产厂家都还没有磁光开关的成品上市，国外有很多公司已经研制出或者正处于研发阶段，目前在这方面处于领先地位的外国公司有：Primanex、agiltron等。 下面简单介绍一下这两个公司磁光开关的性能指标 Primanex公司2×2磁光开关的性能参数见下表： 1、光学特性参数： [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-1.gif[/img] 2、电学特性参数： 表2 Primanex公司2×2磁光开关成品机电学能参数 [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-2.gif[/img] 3、设备外观布局： [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage020.png[/img] 图4 Primanex公司2×2磁光开关成品结构布局 Agiltron公司1×2磁光开关性能参数见下表 1、 光学特性参数： [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-3.gif[/img] 2、电学特性参数： [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-4.gif[/img] 四、光开关在通信市场的潜力 世界市场光开关的需求量在九十年代初、中期增长缓慢，只有数十万件。但在九十年代后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程的加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2006年将增长至32亿美元，对光开关的需求也将会急剧上升。根据日本光通信行业的预测，九十年代末世界光开关年需求量近百万件。近期外刊报道，北美九十年代末光开关的需求量为数十万件。据统计，世界光开关年销售增长率已达到13%。光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市场需求量将会大幅度增长。对于国内厂商而言，是难得的机遇，更是巨大的挑战。下图为专业机构对光开关市场所作的预测。 [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage027.png[/img] 图5. 北美2000～2004年光开关市场预测 [img]http://www.opticfibernews.com/tech/pic_a/1016-mage030.jpg[/img] 图6. 2000~2004年光开关容量需求 五.结束语 可以看出，随着DWDM系统市场的增长，光开关等无源器件市场也将迅速发展。而且更重要的是，光开关相对于光隔离器、环形器等器件而言，它的产品还不是很成熟，国外著名的器件生产商如 JDS Uniphase、Oplink也还处在研发阶段，如果我们从现阶段就开始介入这方面的研究和产品开发，将可确保中国通信行业在光通信器件方面处在比较有利的位置，便于其的发展。 随着光通讯的迅猛发展，全光网络离我们越来越近。这也使得应用于光网络中的各种光无源器件越来越受到重视。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，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。它可用于光纤通讯系统、光纤网络系统，光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统，起到开关切换作用，对于光纤通讯网络具有重要的科学意义和实用价值。