摘 要：隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用以及光聯(lián)網(wǎng)的提出，光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。光開關(guān)廣泛應(yīng)用于交叉連接設(shè)備、保護(hù)倒換、分插復(fù)用器等各種設(shè)備中。綜述了目前已經(jīng)實(shí)用或正在研究的光開關(guān)及陣列的各種制作技術(shù)，包括微光電子機(jī)械技術(shù)、液晶技術(shù)、全息光柵技術(shù)以及氣泡技術(shù)、熱光技術(shù)及聲光技術(shù)等，詳細(xì)分析了各種技術(shù)相應(yīng)的發(fā)展?fàn)顩r、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并分析了其發(fā)展的趨勢(shì)。 L?(m5u~b  
!,~C  
關(guān)鍵詞：光開關(guān)； 光聯(lián)網(wǎng)； 密集波分復(fù)用； 微光電子機(jī)械系統(tǒng) } :T}N]  
t'DIKug&  
1.引言 Mn*5oH  
]{AHKyA{:  
隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的應(yīng)用，光聯(lián)網(wǎng)（OTN）已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì), 光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。光聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于光開關(guān)、光濾波器、新一代放大器、密集波分復(fù)用技術(shù)等器件和技術(shù)的進(jìn)展。其中DWDM技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)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)。  XUK%O8N#9  
b~?3HY:t~K  
2.光開關(guān)應(yīng)用范圍介紹 i x_a  
zX8{
(  
光開關(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。目前光開關(guān)主要應(yīng)用包括［1~4］： 5N907XVu  
fK{Z{)D  
（1）光交叉連接（OXC）。OXC由光開關(guān)矩陣組成，主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)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)開關(guān)的要求主要有低插損、低串?dāng)_、低開關(guān)時(shí)間以及無阻塞運(yùn)作。目前微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)已經(jīng)在光交換應(yīng)用中進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)階段［1］，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)的將來有希望實(shí)現(xiàn)光層上的交換； /+m7
J"Km  
（2）用光開關(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)，就可以通過光開關(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端口的光開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)； 1#x@  
（3） 用1×N光開關(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1×N光開關(guān)把多根光纖接到一個(gè)光時(shí)域反射儀（OTDR）上，通過光開關(guān)倒換實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的監(jiān)測(cè)。另外，利用光開關(guān)也可以在光纖線路中插入網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線分析； RPkOtRKL=w  
（4）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)試過程中，可以使用光開關(guān)同時(shí)測(cè)試多個(gè)器件，從而簡(jiǎn)化測(cè)試，提高效率； f|,2u5 ;z  
（5）光上下路復(fù)用（OADM）。光上下路復(fù)用器主要應(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)從光路上自由上下。用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)的OADM可以通過軟件控制動(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。 6W'2w?qj?4  
hOe$h,E']  
3.各種光開關(guān)技術(shù)特點(diǎn)分析 !/Wv\qm  
GFZx[*+%%z  
傳統(tǒng)的光開關(guān)技術(shù)主要采用波導(dǎo)和機(jī)械兩種技術(shù)。波導(dǎo)開關(guān)的開關(guān)速度在微秒到亞毫秒量級(jí)，且體積非常小、易于集成為大規(guī)模的矩陣開關(guān)陣列，但其插損、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標(biāo)都較差；光機(jī)械開關(guān)雖然有比較低的插入損耗和串音效果，以及成本較低、設(shè)計(jì)配置簡(jiǎn)單，但其設(shè)備龐大、可擴(kuò)展性一般，不適用于大規(guī)模的開關(guān)矩陣及OXC應(yīng)用。目前，原有技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，同時(shí)也涌現(xiàn)了很多新技術(shù)，主要包括微光電子機(jī)械開關(guān)、噴墨氣泡光開關(guān)、液晶光開關(guān)、全息光柵開關(guān)等。 3ZqtIQY`  
G 'CYvV  
一般考察光開關(guān)，主要有以下參數(shù)：開關(guān)速度、開關(guān)矩陣規(guī)模、損耗、串?dāng)_、偏振敏感性、可靠性以及可擴(kuò)展性等。基于不同的應(yīng)用，各種技術(shù)的發(fā)展也不盡相同。下面將對(duì)這幾種主要技術(shù)以及相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)行分析比較。 >+S* Wtm5  
;zo?o t/  
3.1.微電子機(jī)械光開關(guān) h)T-7b  
!<^`Sx/+  
MEMS技術(shù)已經(jīng)在很多工業(yè)領(lǐng)域得到很廣泛的應(yīng)用，而在光通信領(lǐng)域，基于MEMS的光開關(guān)解決方案也正在受到業(yè)界的推崇。基于MEMS/MOEMS的光開關(guān)[1，2］，基本原理就是通過靜電或其他控制力使可以活動(dòng)的微鏡發(fā)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變輸入光的傳播方向，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。 ?Q6ZZQ~  
[jF\"#A  
如圖1所示為OMM公司的8×8光開關(guān)。在中間芯片上集成了微鏡陣列，以斜線表示，通過施加靜電力可控制其旋轉(zhuǎn)。圖中有5個(gè)微鏡處于反射狀態(tài)，用于實(shí)現(xiàn)不同路徑的切換，其中所有的信號(hào)傳播都是雙向的，其插損小于4dB，開關(guān)時(shí)間小于10ms。這種二維技術(shù)受光程損耗的限制，最大可以實(shí)現(xiàn)32×32端口，不過可以將多個(gè)子系統(tǒng)連接起來形成更大的交叉矩陣。 一般MEMS光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間都在毫秒量級(jí)，在與其他技術(shù)比較中處于劣勢(shì)。另外，由于MEMS光開關(guān)是利用微鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的，所以任何機(jī)械摩擦、磨損以及外部振動(dòng)都可能使它的可靠性降低。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，目前靜電和磁感應(yīng)逐漸成為MEMS光開關(guān)的主要選擇。靜電驅(qū)動(dòng)能力較低，而磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)還需要解決系統(tǒng)的屏蔽、封裝以及可靠性問題。因此，靜電驅(qū)動(dòng)方案目前仍是首選，而且已經(jīng)有很多靜電驅(qū)動(dòng)的開關(guān)產(chǎn)品投入市場(chǎng)。 MEMS技術(shù)利用類似IC的工藝成批加工生產(chǎn)，從而降低成本，這與其他類型開關(guān)相比很具有競(jìng)爭(zhēng)力；另外由于它與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等均無關(guān)，而且在損耗、擴(kuò)展性方面都要優(yōu)于其他類型的光開關(guān)，與未來光網(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。基于這些優(yōu)點(diǎn)，利用MEMS技術(shù)制作的光開關(guān)及陣列有可能成為核心光交換器件中的主流。 由于二維方案的端口受限，又出現(xiàn)了如圖2所示的三維解決方案，它突破了二維方案的端口限制。在N個(gè)輸入光纖和N個(gè)輸出光纖之間使用了2×N個(gè)微鏡，每個(gè)微鏡都有N個(gè)可能的位置，從而實(shí)現(xiàn)N×N開關(guān)陣列。但其驅(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)在開關(guān)速度、可靠性方面仍有缺陷，但仍得到了眾多公司的推崇，技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。美國(guó)Xros公司利用兩個(gè)相對(duì)放置的各有1152個(gè)微鏡的陣列實(shí)現(xiàn)了1152×1152的大型交叉連接，其總?cè)萘恳呀?jīng)比傳統(tǒng)電交叉連接器提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Nortel公司在2000年初以32.5億美元將其收購(gòu)。美國(guó)Lucent公司推出了Wave Star Lamda Router全光波長(zhǎng)路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)256×256的交叉連接，可節(jié)約25％的運(yùn)行費(fèi)用和99％的能耗。 目前該類光開關(guān)的主要提供商有OMM，Lucent，Nortel，IMM，Cronos，Memscap，Calient等公司。 X6oY-4O  
*4 Kc "M  
3.2.馬赫-曾德干涉儀型開關(guān) HgRfMiC  
9z(h8H  
馬赫-曾德干涉儀型（MZI）開關(guān)的基本原理與工作于截止?fàn)顟B(tài)的電光調(diào)制器的相同。如圖3所示，它由兩個(gè)3dB耦合器和兩個(gè)波導(dǎo)臂組成，即在鈮酸鋰襯底上制作一對(duì)平行光波導(dǎo)，波導(dǎo)兩側(cè)和中間均為表面電極，波導(dǎo)兩端再分別連接一個(gè)3dB Y型分束器。通過注入電流改變波導(dǎo)臂的折射率，從而使光程相應(yīng)變化以達(dá)到相干增強(qiáng)或相消，實(shí)現(xiàn)開關(guān)目的。它的優(yōu)點(diǎn)是非機(jī)械性、速度快，在微秒量級(jí)，但缺點(diǎn)也非常明顯，它的消光比僅接近20dB。 為實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗，最近又出現(xiàn)了利用半導(dǎo)體光放大器的非線性作用制作的混合集成對(duì)稱馬赫-曾德型全光開關(guān)結(jié)構(gòu)［3］。如圖4所示，它將SOA作為非線性波導(dǎo)臂，集成在硅基平面光電路（PLC）上，并在制作上實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。通過對(duì)干涉儀的兩臂施加超短控制光脈沖（寬度為2ps，頻率為10GHz），利用SOA的非線性，實(shí)現(xiàn)接近矩形的開關(guān)窗口，而且開關(guān)速度不再受限于載流子壽命，最快能達(dá)到皮秒量級(jí)。這種結(jié)構(gòu)相比于使用平行條狀無源光波導(dǎo)的器件，有更低的群速度色散和吸收損耗，從而能實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插損。但它的消光比僅為18dB。它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以大規(guī)模集成，另外開關(guān)速度方面也頗具優(yōu)勢(shì)，因此具有較大的吸引力。 另外還可以使用多模干涉耦合器（MMI）替換上述開關(guān)中的3dB耦合器。MMI耦合器利用多模波導(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。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、制作容差大，功率損耗低，將其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3dB耦合器而應(yīng)用于MZI型光開關(guān)，也受到關(guān)注。圖5是貝爾實(shí)驗(yàn)室2001年1月報(bào)道的基于1×4 MMI-MZ的4×4光開關(guān)［4］由于其使用1個(gè)MMI-MZ代替3個(gè)1×2的開關(guān)，從而使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，損耗也隨之降低，插入損耗為2.8dB，串?dāng)_為35.2 dB。利用這種結(jié)構(gòu)也很容易擴(kuò)展為8×8,16×16的開關(guān)矩陣。 e0<L^|S  
gC/-7/}  
3.3.熱光效應(yīng)光開關(guān) Ec['k&*7,  
NAfu$7  
熱光效應(yīng)光開關(guān)原理就是利用熱光效應(yīng)［5,6］實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制，而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。一般可制造小型光開關(guān)，如1×2，但通過在一塊晶片上集成若干個(gè)1×2光開關(guān)也可以組成較大的陣列，如64×64。現(xiàn)在主要有兩種類型的熱光開關(guān)：數(shù)字光開關(guān)（DOS）［5］和干涉式光開關(guān)。干涉式光開關(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。而數(shù)字光開關(guān)性能穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就能保持開或者斷的狀態(tài)。 圖6所示為1×2熱光開關(guān)，即Y型分路器，在硅基底上生成矩形波導(dǎo)，并在波導(dǎo)分支表面沉積Ti或者Cr以形成微加熱器。當(dāng)對(duì)Y型的一個(gè)分支加熱時(shí)，相應(yīng)的波導(dǎo)折射率就會(huì)發(fā)生改變，從而阻止光沿著這個(gè)分支傳輸。數(shù)字光開關(guān)可以用硅和高分子聚合物制作，后者功耗小，但插損大。而另一種熱光開關(guān)——干涉式光開關(guān)利用MZ干涉原理，在兩個(gè)波導(dǎo)臂上鍍金屬薄膜加熱器而形成相位延時(shí)器，通過控制加熱器實(shí)現(xiàn)干涉的相長(zhǎng)或相消，達(dá)到開關(guān)目的。由于硅的導(dǎo)熱率較高，這種干涉式結(jié)構(gòu)開關(guān)主要是利用硅材料制作。 熱光開關(guān)的缺點(diǎn)是：控制響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，即開關(guān)速度受到限制，在毫秒量級(jí)。目前對(duì)波導(dǎo)材料的研究更多的由硅轉(zhuǎn)向了有機(jī)聚合物。聚合物的導(dǎo)熱率較低，但熱光系數(shù)高，插損一般為3～4dB，消光比為20dB。 熱光開關(guān)陣列可以和陣列波導(dǎo)光柵（AWG）集成在一起組成光分插復(fù)用器，并采用聚合物來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)锳WG對(duì)溫度敏感，而聚合物可把熱量保持在光開關(guān)部分。AKZO NOBEL公司早在1991年就已經(jīng)推出了聚合物DOS,如圖7所示。目前聚合物熱光開關(guān)已經(jīng)進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。 目前該類開關(guān)的研究開發(fā)商主要有NTT Electronics，JDSU，Corning，Alcatel和AKZO NOBEL等公司。 Mp^U)S+  
9'!I6;M  
3.4.液晶光開關(guān) 大部分液晶光開關(guān)［7］是根據(jù)施加外部電場(chǎng)控制液晶分子方向而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的。典型的液晶器件包括無源和有源部分。其工作原理為：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)是否加電壓來改變光的偏振狀態(tài)，最后光射到無源器件上。當(dāng)施加電壓時(shí)液晶分子將平行于外加電場(chǎng)，此時(shí)光被阻斷，而沒有外加電壓時(shí)光可以透過，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的兩個(gè)狀態(tài)。 如圖8所示，在兩平板之間均勻排列著向列相液晶，當(dāng)沒有外加電壓時(shí)，如圖中（a）所示向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子與互相垂直的偏振片A，P的夾角均為45°，此時(shí)光透過率最大；當(dāng)施加外場(chǎng)E時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸最終平行于外場(chǎng)，液晶將不會(huì)影響入射光的偏振特性，此時(shí)光的透過率接近于零，即圖8（a），（b）為開關(guān)的兩個(gè)狀態(tài)；當(dāng)撤掉外場(chǎng)時(shí)，由于表面作用和液晶的彈性作用，分子的排列會(huì)從（b）恢復(fù)到（a），最終實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。實(shí)際中也可以利用其他液晶材料如鐵電液晶。使用雙穩(wěn)態(tài)鐵電液晶，器件的功耗相比于MEMS技術(shù)將更低。 液晶光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于，其理論上網(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，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開關(guān)為1dB，1×8開關(guān)為2.5dB），目前消光比為40～50dB。開關(guān)速度方面，可以通過加熱液晶來提高速度，但這不可避免地使設(shè)備功耗增加。另外，更多的商家開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補(bǔ)償器。 目前從事這種開關(guān)的研究開發(fā)商有Corning，Chorum，Kent Optronics等公司。 l5_%Q+E_  
}q~xr3#  
3.5.氣泡開關(guān) [oS.B\Vc  
D 3}e{J8  
Agilent公司結(jié)合噴墨打印和硅平面光波導(dǎo)兩種技術(shù)，開發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，如圖9所示。該設(shè)備由許多交叉的硅波導(dǎo)和位于每個(gè)交叉點(diǎn)的刻痕組成，刻痕里填充一種折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。這種氣泡開關(guān)的工作原理就是，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，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)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)所需要的兩個(gè)狀態(tài)。目前Agilent公司已經(jīng)制造出32×32光開關(guān)子系統(tǒng)，其損耗為4.5dB，并且可以把這些子系統(tǒng)連接起來組成更大的交換矩陣。其開關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于10 ms，可以用于光纖保護(hù)倒換。 這種開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，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)，這種光開關(guān)可以大批量生產(chǎn)。另外，這種光開關(guān)可以應(yīng)用在光分插復(fù)用設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)任意一根光纖或單波長(zhǎng)的上下路，也可以用于光交叉連接設(shè)備中。由于子系統(tǒng)中任意一根波導(dǎo)可以連接到另外一根波導(dǎo)上，所以，由其組成的網(wǎng)絡(luò)具有很好的重構(gòu)性。 目前這類開關(guān)的提供商有Agilent公司。 @_Ly^' "  
]TKM.[[  
3.6.全息光柵開關(guān)  h9