光开关主要性能指标及各类光开关比较

光开关主要性能指标及各类光开关比较
【内容摘要】：前面已经讲到光开关是光交换的关键器件，其主要任务是切换光路，是全光网中全光交换的核心器件。

本文讲述如何评价光开关质量优劣的主要性能参数并对现有光开关作一定的比较，希望帮助读者对光开关有一个更好的理解。

【关键字】：光开关 性能参数 质量比较
【正文】：
一、 光开关的主要性能参数
1、开关时间：开关时间是光开关的主要指标。

不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。

如下图是实现一些特定功能对光开关的时间需求：
2、损耗：光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。

依据功率预算设计网络时，光开关及其级联损耗对网络性能的影响很大。

损耗和干扰将影响到功率预算。

光开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。

在这里主要强调插入损耗。

插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝数。

其中Pin 为进入开关的光功率，Pout 为出开关的光功率。

一个好的光开关要求有较低的插入损耗。

10lg (dB)out in
P IL P =-
3、光路回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数：
其中Pt 表示回射波的功率，Pl 表示入射波的功率。

光路回波损耗是源于光开关与电缆链路中由于阻抗不匹配而产生反射的而造成的损耗。

4、交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。

光开关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。

对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。

HP/Agilent Bubble 开关阵列
5、交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标。

交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms 时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。

如SDH/SONET 来说，因故障而重新选路时，50ms 的交换时间几乎可以使上层感觉不到。

当交换时间到达ns 量级时，可以支持光互联网的分组交换。

这对于实现光互联网是十分重要的。

6、升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。

一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。

很多开关结构可容易地升级为8×8或32×32，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM 或城域网的OXC ，而不适用于骨干网上。

7、可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。

在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。

有些情况（如保护倒换），光开关倒换10lg (dB)R in P RL P =-
的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。

如喷墨气泡光开关，如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。

除此之外还有很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络性能的重要因素。

二、各类光开关的比较
在这部分我将分析现在市场上主要的几种光开关技术及其优缺点、技术发展状况。

l、微电机械光开关MEMS
基于镜面的MEMS是一种受静电控制的二维或三维
器件，安装在机械底座上。

MEMS器件的结构很像硅
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，从而改变入射光的传播方向。

优点：
·MEMS可以利用lC工艺成批艇工技术来生产，制造
过程可能包括多工序的复杂工艺，但是它可以批量生
产，所以单个成本并不高。

·多个子系统可以连接起来形成大的交叉矩阵，最大可以达到512×512端口。

·不受光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振传输方向的限制
缺点：
·开关时间比较慢；
·可靠性低：由于MEMS开关是通过镜面的机械转动来改变光路的传输方向，所以任何机械摩擦、磨损以及振动都可能使它的可靠性降低。

·损耗较大，OMM公司4×4光开关的插损可能达到3 dB，16×16矩阵的插损增加到7dB。

随着连接的子系统数目的增加，插损也随之增加。

·插损变化大，由于光束在MEMS系统中可能沿着不同的路径传输，各种路径的传输距离也可能不同，结果导致端到端的插损可能因为光传输的路径不同而变化。

OMM公司16×16 MEMS矩阵中的插损变化可能达烈3dB，尽管在小的子系统中这种变化很小。

·MEMS的功耗比其他几种光开关的功耗要大。

MEMS技术在其他工业领域已经得到很广泛的应用；在电信领域，MEMS
解决方案似乎已经是主要潮流，受到业界的推崇和追捧。

目前主要供应商包括OMM、Lucent、Nortel、IMM、Cronos、Menscap、Calient等。

2、喷墨气泡光开关
Agilent通过综合他们的热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种
二维光交叉连接系统。

该设备由许多交叉的
硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕
里填兖一种折射率匹配的液体用以允许缺
省条件下的无交换传输。

当有入射光
照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体
中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的
光信号全反射至输出波导。

Agilent把这种技
术称为“光子交换平台”。

优点：
·升级能力高：Agilent公司已经制造出32×32和32×16端口光开关子系统，并且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换矩阵(具体能做到多大还得有待究人员的证实)。

·开关时间短：Agilent公司声称，他们的光开关响应时问远小于l0ms，可以用于光纤保护倒换。

·这种光开关对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感。

·这种光开关的可靠性很好，开关几百万次都没有出现问题。

由于器件本身没有可活动部件，因此可以远远满足电信应用中时间可靠性要求。

·可大批量生产，利用成熟的硅平面光波电路技术，使光纤的耦合变成一种标准的流程，同时大大降低了这种光开关器件的成本。

这种光开关可以应用在光上下复用设备中，实觋任意一根光纤或单波长的上下路。

也可以用于光交叉连接设备中，由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由其组成的网络具有很好的重构性。

目前供应商有Agilent公司。

3、液晶光开关
大部分液晶光开关是根据光的偏振特性来完成交换的。

典型的液晶器件包括无源和有源部分，它实现光交换主要由四个步骤来进行：首先，无源器件(如光滤波器)把输入光分为两路偏振光；然后，把光输入液晶内，液晶根搌是否加电压来改变光的偏振状态或者不改变，由于光电效应，在液晶上加电压将改变非常光的折射率，从而改变光的偏振状态；最后，光射到无源光器件上，无源器件根据光的偏振方向把光输出到预定的输出端口。

优点：
·理论上网络的升级能力高，但是目前最大端口数为８０，因此液晶被认为更适合用于较小的交换系统中。

缺点：
·插入损耗高由于在液晶中，光被分成偏振方向不同的两束光，在最后把它们合起来，如果束光的传播路径稍有不同，便会产生插损（对１×２开关１ｄＢ，１×８开关２．５ｄＢ）。

·消光比较低，目前消光比为４０～５０ｄＢ。

同时，开关速度是个问题。

有的厂商希望通过加热液晶来加快开关速度，但不可避免地使设备的功耗增加。

目前供应商包括Corning、Chorum、Kent Optronics等公司。

4、热光效应光开关
热光技术主要用来制造小的光开关：如1×2、2×2等，尽管有的供应商认为通过在一块晶片上集成基本的1×2光开关可以组成较大的交换系统，如64×64端口的交换系统是可能实现的。

现在主要有两种类型的热光开关：数字光开关和干涉仪光开关。

干涉仪光开关一般用硅做成，它主要利用Mach Zehnder干涉原理，也就是利用光的相位特性，光的相位跟光的传输距离相关。

输入光被分蔽两路，在成两路，在两根光波导里传
输，然后合在一起。

其中一根波导
被加热来改变波导的折射率，从而
改变光传输距离，使得一束光到达
时与另一束光不同相，破坏性的干
涉作用会使合成的光束减弱甚至关
断。

干涉仪开关：
优点：
·结构紧凑的优点
缺点：
·对光波长敏感，因此需要进行温度控制。

数字光开关的优点：
·开关性能稳定，因为只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态，不管是处于开还是关状态。

最简单的器件是1×2开关，叫做Y型分路器对Y型的一个分支加热时，材料的折射率会发生改变，将阻止光沿着这个分支传输。

热光开关阵列可以和阵列波导光栅(AWG)集成在一起组成光上下复用器(0ADM)。

聚合物可能是这种器件最好的材料，因为AWG对温度敏感，而聚合物把热量保持在光开关部分。

有阿尔卡特牵头组成的一个合作研究机构正在开发一种具有综合硅和聚物优点的光开关技术，它用低损耗的硅作为波导，把光信号通过聚合物实现交叉，从而降低功耗。

但是这种产品还处于研发阶段。

目前供应商包括NTT Electronics、JDSU、Croning、Alcatel、AKZO NOBE等公司。

5、全息光栅开关
通过全息的形式在晶体内部生成一个电子供能的布拉
格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口，
反之，光就直接通过晶体。

优点：
·升级能力高：利用这种技术可以很容易地组成成千端
口的光交换系统。

·开关时间短:只需几个ns就可以把一个波长交换到另一个波长。

·可靠性高：由于没有可移动器件，它的可靠性可能比较好。

·低损耗：掌握这种技术的7IkUisPholomcs公司声称，240×240端口的交换系统的插损低于4 dB，端到端的重复性也比较好。

缺点：
·功耗比较大，需要高电压供电。

这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，但它更适合单个波长的交换。

纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于报文交换的光路由器中。

目前供应商有Trellis Photonics等公司。

6、液体光栅开关
液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物，现在这种技术只有Digile璐公司掌握。

这种光开关基于布拉格光栅技术，加上电压时，光栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导。

如果没有电压，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口。

这意味着这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波长并实现交换。

优点：
·开关时间短
·插损小于l dB
由于能从一束光中交换其中单个波长，所以比较适合于OADM。

三、小结
随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现。

同时，原有的光开关技术性能不断地改进。

随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。

未来的光传送网是能支持多业务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送；同时，随着业务需求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。

因此，光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。

同时由于IP业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。

这样，对光开关的交换速度提出更高的要求（纳秒数量级）。

总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。

从上面的光开关制造商可见目前国内在光开关这方面并不具有优势，而外国处于领先水平。

目前光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，但是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。

参考文献：
1．《光纤通信》主编：王辉电子工业出版社2009
2．《光纤通信用新型光无源器件》主编：黄章勇北京邮电大学出版社2003 3．通信工程丛书光网络—系统、器件与联网技术中国通信学会主编人民邮电出办社韦乐平张成良编著2006
4、《光开关技术的发展和应用分析》电信科学2000年第12期袁云1 赵东生2
5、中央民族大学光信息科学与技术系吕敏老师PPT。