全光网络中的光开关技术及应用
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陈希明 ,梁 斌
(重庆邮电大学 光电工程学院 ,重庆 400065)
摘 要 :在整个光通信系统中 ,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选择性操作 。光
开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点 。总结了光开关在全光网络中的应用 ,介绍了光开关的基本工作原
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理及光开关技术的进展 。
性较好 。M EMS 光开关的特性可概括为[15217 ] :1) 低 插入损耗 ;2) 低串扰 ; 3) 与波长 、速率 、调制方式无 关 ;4) 功耗低 ;5) 坚固 、寿命长 ;6) 可集成扩展成大规 模光开关矩阵 ;7) 适中的响应速度 (开关时间从 100 ns～10 ms) 。在光交叉连接及需要支持大容最交换 的系统中 ,基于 M EMS 技术的解决方案已是主流 。
第 19 卷第 6 期 2007 年 12 月
重庆邮电大学学报( 自然科学版) Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications( Natural Science)
Vol. 19 No. 6 Dec. 2007
全光网络中的光开关技术及应用 3
热光开关的一种是基于 So S ( silica2o n2silico n) 技术 ,该光开关具有透明性 、高可靠性 、亚毫秒级恢 复能力和无阻塞特性 ,速度可达到 100 μs 。随着高 密度 、高集成度光路的产生 , So S 开关的优势更明 显 。目前主要有两种类型的热光开关 ,M2Z 干涉型 光开关和数字光开关 。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 dB 。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 。
M EMS 光开关可以分为二维 (见图 1) 和三维光 开关 (见图 2) [18] 。二维光开关由一种受静电控制的 二维微小镜面阵列组成 ,光束在二维空间传输 。准 直光束和旋转微镜构成多端口光开关 ,对于 M ×N 的光开关矩阵 ,光开关具有 M ×N 个微反射镜 。二 维光开关的微反射镜具有两个状 态 0 和 1 ( 通 和 断) ,当光开关处于 1 状态时 ,反射镜处于由输入光 纤准直系统射出的光束传播通道内 ,将光束反射至 相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤 。 当光开关处于 0 状态时 ,微反射镜不在光束传播通 道内 ,由输入通道光纤射出的光束直接进入其对面 的光纤 。
图 1 二维 M EMS 光开关 Fig. 1 Optical switch wit h two dimension
图 2 三维 M EMS 光开关 Fig. 2 Optical switch of M EMS wit h t hree dimension
三维 M EMS 的微镜固定在一个万向支架上 ,可 以沿任意方向偏转 。每根输入光纤都有一个对应的 M EMS 输入微镜 ,同样的每根输出光纤也都有其对 应的 M EMS 输出微镜[17] 。因此 ,对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,则具有 M + N 个 M EMS 微反射镜 。 由每根输出光纤射出的光束可以由其对应的输入微 镜反射到任意一个输出微镜 ,而相应的输出微镜可 以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出 光纤 。对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,每个输入 微镜有 N 个状态 , 而输出微镜则具有 M 个状态 。 随着 AON 的发展 ,三维 M EMS 阵列可成为大型交 叉连接的最佳候选者之一 。 2. 2 热光开关
0 引 言
全光开关是解决“电子瓶颈”问题 ,实现全光网 络 (all optical net work ,AON) 的关键元件 。因此近 些年一直倍受人们关注 ,从 20 世纪 80 年代末至今 , 许多研究组对各类全光开关进行了深入的研究 ,大 量研究结果表明 :高开关阈值 、低消光比 、低开关速 率是阻碍全光开关迅速发展和应用的最主要的三大 障碍[123] 。全光开关是一项非常重要的技术 ,它可以 应用于光通信 、光计算机 、光信息处理和全光数据处 理等领域[4] 。同时 ,光开关作为新一代 AON 的关 键器件 ,主要用来实现光层面上的路由选择 、波长选 择 、光分插复用 、光交叉连接和自愈保护等功能 。因 此光开关的响应速度 、串音 、插入损耗等性能将直接 影响全光通信的质量 。光联网的实现主要依赖于光 开关 、光 滤 波 器 、新 一 代 放 大 器 、密 集 波 分 复 用 (DWDM) 技术等器件和技术的进展 [526] 。
当前业已成熟的已实现商品化的微电子机械光 开关和热光开关 ,集中了机械式光开关和波导光开 关的优点 ,同时又克服了机械式光开关和波导光开 关固有的缺点 。此类光开关主要采用硅微加工技术 将开关集成在单片硅基底上并能构成大规模矩阵阵 列 ,此外此类开关批量生产时成本较低 ,在开关损 耗 、串扰 、消光比 、开关尺寸等性能方面优势明显 。 它能够满足现代光通信对光开关性能的要求 ,是光 开关的较佳选择 。目前已成为一种最流行的光开关 制作技术 。
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
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重 庆 邮 电 大 学 学 报 (自然科学版) 第 19 卷
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 。
该类 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 l ms 。热光开关的速度介于 电光开关和 M EMS 之间[19 ] 。
Abstract :The optical switch is an important passive device which can selectively cont rol optical signals in t he optical co mmunicatio n of optical netwo rk system. Optical switch has beco me a focus in all optical communication research. This paper int roduces t he applicatio n of optical switch in all optical networks , t he basic working p rinciples of optical switch and t heir technical develop ment . Key words :all optical network (AON) ; optical switch ; micro elect ro2mechanical systems (M EMS) ; optical commu2 nicatio n s
C H EN Xi2ming , L IAN G Bin
( College of Elect ronic Engineering , Chongqing Universit y of Post s and Telecommunications , Chongqing 400065 , P. R. China)
AON 中应用的光开关除了应具有快的响应速 度 、低的插入损耗 、低的通道串音及对偏振不敏感 , 还应具有可集成性和可扩展性及低成本 、低功耗 、热 稳定性好等特性[729 ] 。
1 光开关在 AON 中的应用
光开关将在光通信 、光计算机 、光信息处理和全 光数据处理 、高速摄影 、影视制作等领域得到广泛使 用 。随着光联网概念的提出 ,光开关技术已经成为 未来光联网的关键技术 ,它不仅构成了波分复用光 网络中关键设备 (如光分插复用设备 ( OADM) / 光 交叉连接设备 ( OXC) ) 的交换核心 ,而其本身也是 光网络中的关键器件 。
关键词 :全光网络 ;光开关 ;微机电系统 ;光通信
中图分类号 : T G156 文献标识码 :A
文章编号 :16732825X(2007) 0620702204
Optical switch technologies and its appl ication in all optical net work
M EMS 光开关基本原理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 ,使任一输入和输出端口相连接 ,且 1 个输出端口 在同一时间只能和 1 个输入端口相连接 。与现有的 基于光波导技术的光开关相比 ,M EMS 光开关具有 低串音 、低插入损耗的优点成为 AON 中的关键光 器件 。M EMS 光开关同时具有机械光开关和波导 光开关的优点 ,又克服了光机械开关难以集成和扩 展性差等缺点[12214 ] 。它的结构紧凑 、重量轻 ,且扩展
2 光开关技术
光开关采用的主要技术有微机械 ( M EMS) 光 开关 、热光开关 、液晶光开关 、声光开关 、喷墨气泡光 开关 、全息光开关 、液体光栅开关等 。
在光开关的性能上 ,主要指标有插入损耗 、隔离 度 、消光比 、偏振敏感性 、开关时间 、开关规模及开关 尺寸等 。
2. 1 MEMS 光开关
M EMS 是以微电子 、微机械 、微光学及材料科 学等为基础 ,可批量制作集微型机构 、微型传感器 、 微型执行器以及信号处理和控制电路以及接口 、通 信和电源 等 于 一 体 的 微 型 器 件 或 系 统 。我 国 的 M EMS 研究始于 1989 年 ,经过十几年的发展 ,我国 在多种微型传感器 、微执行器和若干微系统样机等 方面已有一定的基础和技术储备 ,开发出若干小批 量 、多品种 、高质量的 M EMS 器件和系统 。目前 , M EMS 已广泛应用于工业领域[11] 。
3 收稿日期 :2007206219
第 6 期 陈希明 ,等 :AON 中的光开关技术及应用
·703 ·
备复用 、网络重构和再生 、双环保护及 A/ D 网络重 组等 。
其次 ,光开关将在未来 AON 中发挥重要作用 , 它是 AON 核心交换单元的最基本的组件 , 其中 , DWDM ,OXC ,OADM 是 AON 的重要技术 。在骨 干网络传输系统中 , 20 %的业务在中间节点通过 OADM 上下路 ,而其余的业务要通过 OXC 继续在 网络中传输交换 ,光开关可以使 O XC 和 OADM 提 供动态的交换资源配置及保护恢复 。O XC 对开关 的要求主要有低插入损耗 (10 dB 以下) 、低串扰 ( 50 dB 以下) 、低开关时间 (几毫秒以下) 以及无阻塞 运作 。
DWDM 技术为数据网络的迅速发展提供了巨 大的带宽资源 ,同时 AON 中的网络路由及保护功 能需要在全光域完成[2] ,这就使光开关在未来光通 信 、光计算机 、光信息处理等领域中的应用成为最热 点的问题[10 ] 。
首先 ,光开关在现有的 DWDM 传送网中已经 得到了广泛应用 ,如自动恢复功能 、网络监控功能和 光纤器件的现场测试 ,在大容量光纤路由备份传送 网中 ,光纤传输链路失效 、光开关完成快速倒换 ,重 新链路避免信息丢失等情况 。光纤链路测试中 ,可 用 1 ×n 光开关完成 n 条光纤在线或远程光纤系统 性能测试 、监控和故障定位 ,同时可用于在线测试设
(重庆邮电大学 光电工程学院 ,重庆 400065)
摘 要 :在整个光通信系统中 ,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选择性操作 。光
开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点 。总结了光开关在全光网络中的应用 ,介绍了光开关的基本工作原
wk.baidu.com
理及光开关技术的进展 。
性较好 。M EMS 光开关的特性可概括为[15217 ] :1) 低 插入损耗 ;2) 低串扰 ; 3) 与波长 、速率 、调制方式无 关 ;4) 功耗低 ;5) 坚固 、寿命长 ;6) 可集成扩展成大规 模光开关矩阵 ;7) 适中的响应速度 (开关时间从 100 ns～10 ms) 。在光交叉连接及需要支持大容最交换 的系统中 ,基于 M EMS 技术的解决方案已是主流 。
第 19 卷第 6 期 2007 年 12 月
重庆邮电大学学报( 自然科学版) Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications( Natural Science)
Vol. 19 No. 6 Dec. 2007
全光网络中的光开关技术及应用 3
热光开关的一种是基于 So S ( silica2o n2silico n) 技术 ,该光开关具有透明性 、高可靠性 、亚毫秒级恢 复能力和无阻塞特性 ,速度可达到 100 μs 。随着高 密度 、高集成度光路的产生 , So S 开关的优势更明 显 。目前主要有两种类型的热光开关 ,M2Z 干涉型 光开关和数字光开关 。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 dB 。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 。
M EMS 光开关可以分为二维 (见图 1) 和三维光 开关 (见图 2) [18] 。二维光开关由一种受静电控制的 二维微小镜面阵列组成 ,光束在二维空间传输 。准 直光束和旋转微镜构成多端口光开关 ,对于 M ×N 的光开关矩阵 ,光开关具有 M ×N 个微反射镜 。二 维光开关的微反射镜具有两个状 态 0 和 1 ( 通 和 断) ,当光开关处于 1 状态时 ,反射镜处于由输入光 纤准直系统射出的光束传播通道内 ,将光束反射至 相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤 。 当光开关处于 0 状态时 ,微反射镜不在光束传播通 道内 ,由输入通道光纤射出的光束直接进入其对面 的光纤 。
图 1 二维 M EMS 光开关 Fig. 1 Optical switch wit h two dimension
图 2 三维 M EMS 光开关 Fig. 2 Optical switch of M EMS wit h t hree dimension
三维 M EMS 的微镜固定在一个万向支架上 ,可 以沿任意方向偏转 。每根输入光纤都有一个对应的 M EMS 输入微镜 ,同样的每根输出光纤也都有其对 应的 M EMS 输出微镜[17] 。因此 ,对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,则具有 M + N 个 M EMS 微反射镜 。 由每根输出光纤射出的光束可以由其对应的输入微 镜反射到任意一个输出微镜 ,而相应的输出微镜可 以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出 光纤 。对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,每个输入 微镜有 N 个状态 , 而输出微镜则具有 M 个状态 。 随着 AON 的发展 ,三维 M EMS 阵列可成为大型交 叉连接的最佳候选者之一 。 2. 2 热光开关
0 引 言
全光开关是解决“电子瓶颈”问题 ,实现全光网 络 (all optical net work ,AON) 的关键元件 。因此近 些年一直倍受人们关注 ,从 20 世纪 80 年代末至今 , 许多研究组对各类全光开关进行了深入的研究 ,大 量研究结果表明 :高开关阈值 、低消光比 、低开关速 率是阻碍全光开关迅速发展和应用的最主要的三大 障碍[123] 。全光开关是一项非常重要的技术 ,它可以 应用于光通信 、光计算机 、光信息处理和全光数据处 理等领域[4] 。同时 ,光开关作为新一代 AON 的关 键器件 ,主要用来实现光层面上的路由选择 、波长选 择 、光分插复用 、光交叉连接和自愈保护等功能 。因 此光开关的响应速度 、串音 、插入损耗等性能将直接 影响全光通信的质量 。光联网的实现主要依赖于光 开关 、光 滤 波 器 、新 一 代 放 大 器 、密 集 波 分 复 用 (DWDM) 技术等器件和技术的进展 [526] 。
当前业已成熟的已实现商品化的微电子机械光 开关和热光开关 ,集中了机械式光开关和波导光开 关的优点 ,同时又克服了机械式光开关和波导光开 关固有的缺点 。此类光开关主要采用硅微加工技术 将开关集成在单片硅基底上并能构成大规模矩阵阵 列 ,此外此类开关批量生产时成本较低 ,在开关损 耗 、串扰 、消光比 、开关尺寸等性能方面优势明显 。 它能够满足现代光通信对光开关性能的要求 ,是光 开关的较佳选择 。目前已成为一种最流行的光开关 制作技术 。
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
·704 ·
重 庆 邮 电 大 学 学 报 (自然科学版) 第 19 卷
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 。
该类 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 l ms 。热光开关的速度介于 电光开关和 M EMS 之间[19 ] 。
Abstract :The optical switch is an important passive device which can selectively cont rol optical signals in t he optical co mmunicatio n of optical netwo rk system. Optical switch has beco me a focus in all optical communication research. This paper int roduces t he applicatio n of optical switch in all optical networks , t he basic working p rinciples of optical switch and t heir technical develop ment . Key words :all optical network (AON) ; optical switch ; micro elect ro2mechanical systems (M EMS) ; optical commu2 nicatio n s
C H EN Xi2ming , L IAN G Bin
( College of Elect ronic Engineering , Chongqing Universit y of Post s and Telecommunications , Chongqing 400065 , P. R. China)
AON 中应用的光开关除了应具有快的响应速 度 、低的插入损耗 、低的通道串音及对偏振不敏感 , 还应具有可集成性和可扩展性及低成本 、低功耗 、热 稳定性好等特性[729 ] 。
1 光开关在 AON 中的应用
光开关将在光通信 、光计算机 、光信息处理和全 光数据处理 、高速摄影 、影视制作等领域得到广泛使 用 。随着光联网概念的提出 ,光开关技术已经成为 未来光联网的关键技术 ,它不仅构成了波分复用光 网络中关键设备 (如光分插复用设备 ( OADM) / 光 交叉连接设备 ( OXC) ) 的交换核心 ,而其本身也是 光网络中的关键器件 。
关键词 :全光网络 ;光开关 ;微机电系统 ;光通信
中图分类号 : T G156 文献标识码 :A
文章编号 :16732825X(2007) 0620702204
Optical switch technologies and its appl ication in all optical net work
M EMS 光开关基本原理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 ,使任一输入和输出端口相连接 ,且 1 个输出端口 在同一时间只能和 1 个输入端口相连接 。与现有的 基于光波导技术的光开关相比 ,M EMS 光开关具有 低串音 、低插入损耗的优点成为 AON 中的关键光 器件 。M EMS 光开关同时具有机械光开关和波导 光开关的优点 ,又克服了光机械开关难以集成和扩 展性差等缺点[12214 ] 。它的结构紧凑 、重量轻 ,且扩展
2 光开关技术
光开关采用的主要技术有微机械 ( M EMS) 光 开关 、热光开关 、液晶光开关 、声光开关 、喷墨气泡光 开关 、全息光开关 、液体光栅开关等 。
在光开关的性能上 ,主要指标有插入损耗 、隔离 度 、消光比 、偏振敏感性 、开关时间 、开关规模及开关 尺寸等 。
2. 1 MEMS 光开关
M EMS 是以微电子 、微机械 、微光学及材料科 学等为基础 ,可批量制作集微型机构 、微型传感器 、 微型执行器以及信号处理和控制电路以及接口 、通 信和电源 等 于 一 体 的 微 型 器 件 或 系 统 。我 国 的 M EMS 研究始于 1989 年 ,经过十几年的发展 ,我国 在多种微型传感器 、微执行器和若干微系统样机等 方面已有一定的基础和技术储备 ,开发出若干小批 量 、多品种 、高质量的 M EMS 器件和系统 。目前 , M EMS 已广泛应用于工业领域[11] 。
3 收稿日期 :2007206219
第 6 期 陈希明 ,等 :AON 中的光开关技术及应用
·703 ·
备复用 、网络重构和再生 、双环保护及 A/ D 网络重 组等 。
其次 ,光开关将在未来 AON 中发挥重要作用 , 它是 AON 核心交换单元的最基本的组件 , 其中 , DWDM ,OXC ,OADM 是 AON 的重要技术 。在骨 干网络传输系统中 , 20 %的业务在中间节点通过 OADM 上下路 ,而其余的业务要通过 OXC 继续在 网络中传输交换 ,光开关可以使 O XC 和 OADM 提 供动态的交换资源配置及保护恢复 。O XC 对开关 的要求主要有低插入损耗 (10 dB 以下) 、低串扰 ( 50 dB 以下) 、低开关时间 (几毫秒以下) 以及无阻塞 运作 。
DWDM 技术为数据网络的迅速发展提供了巨 大的带宽资源 ,同时 AON 中的网络路由及保护功 能需要在全光域完成[2] ,这就使光开关在未来光通 信 、光计算机 、光信息处理等领域中的应用成为最热 点的问题[10 ] 。
首先 ,光开关在现有的 DWDM 传送网中已经 得到了广泛应用 ,如自动恢复功能 、网络监控功能和 光纤器件的现场测试 ,在大容量光纤路由备份传送 网中 ,光纤传输链路失效 、光开关完成快速倒换 ,重 新链路避免信息丢失等情况 。光纤链路测试中 ,可 用 1 ×n 光开关完成 n 条光纤在线或远程光纤系统 性能测试 、监控和故障定位 ,同时可用于在线测试设