摘要：光開關是實現(xiàn)全光交換的核心器件，光開關的研究已成為全光通信領域研究的焦點。本文首先對光開關的原理進行歸納，總結光開關的應用范圍。對傳統(tǒng)機械式光開關、微電子機械式光開關、熱光開關進行了進一步地劃分，分析了它們的結構形式和性能特點。設計了光開關性能評價指標體系，對常見的4種光開關進行了定性與定量對比，指出不同類型光開關的優(yōu)點和不足之處。最后依據全光通信網的發(fā)展趨勢，指出大容量、高速、透明、低損耗是光開關的重點發(fā)展方向。
關鍵詞：光開關；微電子機械式光開關；熱光開關；全光通信
光纖通信技術的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85％的通信業(yè)務經光纖傳輸，長途干線網和本地中繼網也已廣泛使用光纖。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務呈現(xiàn)爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP網絡層與底層傳輸網絡的關系，而且對整個網絡的組網方式、節(jié)點設計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網絡體系結構——自動交換光網絡(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成為當今系統(tǒng)研究的熱點，它的核心節(jié)點由光交叉連接(Optical Cross—connect，OXC)設備構成，通過OXC，可實現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網絡靈活、有效地管理。OXC技術在日益復雜的DWDM網中是關鍵技術之一，而光開關作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關鍵部分。
光開關矩陣是OXC的核心部分，它可實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網絡的故障保護、波長動態(tài)分配等功能，對解決目前復雜網絡中的波長爭用，提高波長重用率，進行網絡靈活配置均有重要的意義。隨著光傳送網向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網絡的生存能力、網絡的保護倒換和恢復問題成為網絡關鍵問題，而光開關在光層的保護倒換對業(yè)務的保護和恢復起到了更為重要的作用。
1 光開關的應用范圍
光開關(Optical Switch，OS)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。光開關基本的形式是2x2：即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：平行連接和交叉連接，如圖1所示。較大型的空分光交換單元可由基本的2x2光開關以及相應的1x2光開關級聯(lián)、組合構成。
光開關在光網絡中起到十分重要的作用，在波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)傳輸系統(tǒng)中，光開關可用于波長適配、再生和時鐘提??；在光時分復用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系統(tǒng)中，光開關可用于解復用；在全光交換系統(tǒng)中，光開關是光交叉連接(Optical Cross-connect，OXC)的關鍵器件，也是波長變換的重要器件。根據光開關的輸入和輸出端口數(shù)，可分為1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多種，它們在不同場合中有不同用途。其應用范圍主要有：光網絡的保護倒換系統(tǒng)、光纖測試中的光源控制、網絡性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心、光插／分復用、光學測試、光傳感系統(tǒng)等。
2 主要光開關類型研究
依據不同的光開關原理，光開關的實現(xiàn)方法有多種，如：傳統(tǒng)機械光開關、微機械光開關、熱光開關、液晶光開關、電光開關和聲光開關等。其中傳統(tǒng)機械光開關、微機械光開關、熱光開關因其各自的特點在不同場合得到廣泛應用。
2．1 傳統(tǒng)機械光開光
目前應用最為廣泛的仍是傳統(tǒng)的1x2和2x2機械式光開關。傳統(tǒng)機械式光開關可通過移動光纖將光直接耦合到輸出端，采用棱鏡、反射鏡切換光路，將光直接送到或反射到輸出端。
機械式光開關分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術，二是采用反射鏡切換技術，三是通過移動光纖切換光路。移動棱鏡光開關的基本結構如圖2所示。光纖與起準直作用的透鏡(準直器)相連，并固定不動，通過移動棱鏡改變輸入、輸出端口間的光路。反射鏡型光開關工作原理如圖3所示。當反射鏡未進入光路時，光開關處于直通狀態(tài)，光纖1進入的光進入光纖4，光纖2進入的光進入光纖3；當反射鏡處于兩光線的交點位置時，光開關處于交叉狀態(tài)，光纖1進入的光進入到光纖3，光纖2進入的光進入光纖4從而實現(xiàn)光路的切換。移動光纖型光開關如圖4所示，是固定一端的光纖，移動另一端的光纖與固定光纖的不同端口相耦合，實現(xiàn)光路的切換。這類光開關回波損耗低，且受外界環(huán)境溫度影響大，并沒有形成真正意義上的商用化產品。我國國內商用化光開關主要是移動棱鏡和反射鏡型的。
機械型光開關的優(yōu)點是插入損耗低(<1 dB)、隔離度高(>45 dB)與波長和偏振無關，制作技術成熟。缺點在于開關動作時間較長(ms量級)，體積偏大，且不易做成大型的光開關矩陣，有時還存在回跳抖動和重復性差的問題。機械型光開關在最近幾年得到廣泛應用，但隨著光網絡規(guī)模的不斷擴大，這種開關難以適應未來高速、大容量光傳送網發(fā)展的需求。
2．2 徽電子機械系統(tǒng)光開關
近幾年發(fā)展很快的是微電子機械光開關，它是半導體微細加工技術與微光學和微機械技術相結合，產生的一個新型微機-電-光一體化的的新型開關，是大容量交換光網絡開關發(fā)展的主流方向。
MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光開關是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，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(xiàn)光路通斷的功能。MEMS光開關較其他光開關具有明顯優(yōu)勢：開關時間一般在數(shù)ms量級；使用了IC制造技術，體積小、集成度高；工作方式與光信號的格式、協(xié)議、波長、傳輸方向、偏振方向、調制方式均無關，可以處理任意波長的光信；同時具備了機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開關的高開關速度、小體積、易于大規(guī)模集成的優(yōu)點。
按功能實現(xiàn)方法，可將MEMS光開關分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。微鏡反射型MEMS光開關方便集成和控制，易于組成光開關陣列，是MEMS光開關研究的重點，可分為二維MEMS光開關和三維MEMS光開關，并已提出一維MEMS光開關的概念。
所謂2D是指活動微鏡和光纖位于同一平面上，且活動微鏡在任一給定時刻要么處于開態(tài)，要么處于關態(tài)。在這種方式中，活動微鏡陣列與N根輸入光纖和N根輸出光纖相連。對一個NxN光開關矩陣而言，所需的活動微鏡數(shù)為N2。因此，這種方式也稱為N2結構方案。例如，一個4x4的2D光開關有16個活動微鏡，而4個4x4光開關可組成1個8×8的光開關，其中有64個活動微鏡。圖5、圖6分別是4x4和8x8的光開關的配置圖。
基于鏡面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機械底座上。典型的尺寸是10cm。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關。二維MEMS的空間微調旋轉鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉被接到適當?shù)妮敵龆恕Ｎq鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接平移盤鉸接點。轉換狀態(tài)通過SDA(Scr-atch Drive Actuator)調節(jié)器調節(jié)平移盤使微鏡發(fā)生轉動，當微鏡為水平時，可使光束通過該徽鏡，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該徽鏡對應的輸出端口輸出。
三維微電機系統(tǒng)(MEMS)光開關工作原理如圖7所示，是一個4x4光開關的光路圖。這種構方式最主要優(yōu)點是控制十分簡單，組成控制系統(tǒng)的主要元件是雙極晶體管邏輯(TTL)驅動器，輔以電平提升電路，它可給每個微(反射)鏡提供所需的各種電平。
三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達到百萬分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當波長帶同時從一根光纖交換到另一根光纖上。
三維MEMS主要靠2個N微鏡陣列完成兩個光纖陣列的光波空間連接，每個微鏡都有多個可能的位置。由于MEMS光開關是靠鏡面轉動來實現(xiàn)交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動都可能損壞光開關。
雖然二維和三維MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光開關仍然面臨眾多挑戰(zhàn)。由于MEMS采用了微鏡系統(tǒng)，在制作工藝上要求較高，在經歷百萬甚至千萬次的轉換后會不會損壞其結構的完整性和微鏡的轉動靈活性，關系到光網絡信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。MEMS光開關要滿足批量生產的要求，對工藝的穩(wěn)定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面對用戶，其封裝工藝和安裝的自動化都是需要考慮的問題。
盡管MEMS面臨以上問題，但是由于其既具備普通機械光開關損耗低、串擾小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導開關一樣開關速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網絡或大容量業(yè)務交換的應用場合，基于MEMS光開關技術的解決方案已成為主流選擇。
2．3 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(fā)生改變的物理效應。折射率隨溫度的變化可用以下關系式表示：
式中no為溫度變化之前的折射率，△T為溫度的變化，α為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關。表1是幾種材料的熱光系數(shù)。
此類開關采用可調節(jié)熱量的波導材料，如SiO2、Si和有機聚合物等。在硅襯底上，用蒸發(fā)、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(fā)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(shù)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1ms以內。熱光開關的速度介于電光開關和MEMS之間。熱光光開關技術主要是用來制造小型的光開關。通過集成多個1x2光開關也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關：干涉式光開關、數(shù)字光開關也叫分支器型熱光開關。
干涉式光開關主要利用馬赫-增德爾干涉原理制造，主導思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導里面進行傳輸，再合并。在兩個波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關的目的。MZI型光開關結構如圖8所示。它包括1個MZI和2個3dB耦合器，兩個波導臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導上的熱量通過它來散發(fā)出去。當加熱器未加熱時，輸入信號經過2個3 dB耦合器在交叉輸出端口發(fā)生相干相長而輸出，在直通的輸出端口發(fā)生相干相消，如果加熱器開始工作而使光信號發(fā)生了大小為π的相移，則輸入信號將在直通端口發(fā)生相干相長而輸出，而在交叉端口發(fā)生干涉相消。從而通過控制加熱器可實現(xiàn)開關的動作。干涉式光開關結構緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。
數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，如圖9所示，最基本的1x2熱光開關由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導構成。在波導分支表面沉積金屬鈦或鉻，形成微加熱器。當對Y形的一個分支加熱時，相應波導的折射率會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態(tài)。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(shù)高，因此需要的功耗小，但插入損耗較大，一般為4 dB。
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(shù)字光開關性能更穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。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(shù)高，因此需要的功率小，消光比可達20 dB，但插入損耗較大，一般為3～4 dBc。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(xiàn)微秒級的交換速度。
3 幾種光開光比較
3．1 光開關的技術評價指標
光開關的性能是由業(yè)務量、運行條件和現(xiàn)場環(huán)境等因素共同決定的，對光開關的要求是：一方面必須在插入損耗、串擾、消光比、開關速度、開關規(guī)模和開關尺寸等方面具有良好的性能；另一方面必須能夠集成為大規(guī)模的開關陣列，以適應現(xiàn)代網絡的要求。一般主要用以下參數(shù)評價光開關：
1)交換矩陣的大小光開關交換矩陣的大小反映了光開關的交換能力。光開關處于網絡不同位置，對其交換矩陣大小要求也不同。隨著通信業(yè)務需求的急劇增長，光開關的交換能力也需要大大提高，如在骨干網上要有超過1000x1000的交換容量。對于大交換容量的光開關，可以通過較多的小光開關疊加而成。
2)交換速度交換速度是衡量光開關性能的重要指標。交換速度有兩個重要的量級，當從一個端口到另一個端口的交換時間達到幾個ms時，對因故障而重新選擇路由的時間已經夠了。如對同步數(shù)字序列／同步光纖網絡(Synchronous Digital Hierarchy／Synchronous Optical Network，SDH／SONET)來說，因故障而重新選路時，50 ms的交換時間幾乎可以使上層感覺不到。當交換時間到達ns量級時，可以支持光互聯(lián)網的分組交換。這對于實現(xiàn)光互聯(lián)網是十分重要的。
3)損耗 當光信號通過光開關時，將伴隨著能量損耗。依據功率預算設計網絡時，光開關及其級聯(lián)對網絡性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預算。光開關損耗產生的原因主要有兩個：光纖和光開關端口耦合時的損耗和光開關自身材料對光信號產生的損耗。一般來說，自由空間交換的光開關的損耗低于波導交換的光開關。如液晶光開關和MEMS光開關的損耗較低。大約l～2 dB c．而鈮酸鋰和固體光開關的損耗較大，大約4 dB左右。損耗特性影響到了光開關的級聯(lián)，限制了光開關的擴容能力。
4)交換粒度不同的光網絡業(yè)務需求，對交換的需求和光域內使用的交換粒度也有所不同。交換粒度可分為3類：波長交換、波長組交換和光纖交換。交換粒度反映了光開關交換業(yè)務的靈活性。這對于考慮網絡的各種業(yè)務需求、網絡保護和恢復具有重要意義。
5)無阻塞特性無阻塞特性是指光開關的任一輸入端能在任意時刻將光波輸出到任意輸出端的特性。大型或級聯(lián)光開關的阻塞特性更為明顯。光開關要求具有嚴格無阻塞特性。
6)升級能力 基于不同原理和技術的光開關，其升級能力也不同。一些技術允許運營商根據需要隨時增加光開關的容量。很多開關結構可容易地升級為8x8或32x32，但卻不能升級到成百或上千的端口，因此只能用于構建OADM或城域網的OXC，而不適用于骨干網上。
7)可靠性光開關要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開關可能需要完成幾千、幾萬次的頻繁動作。有些情況(如保護倒換)，光開關倒換的次數(shù)可能很少，此時，維持光開關的狀態(tài)是更主要的因素。如噴墨氣泡光開關，如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問題。
很多因素會影響光開關的性能，如光開關之間的串擾、隔離度、消光比等都是影響網絡性能的重要因素。當光開關進行級聯(lián)時，這些參數(shù)將影響網絡性能。光開關要求對速率和業(yè)務類型保持透明。在構建絕對無阻塞的大型光開關矩陣時，減小串擾、降低損耗、實現(xiàn)低成本是需要研究的問題。
3．2 光開關比較
部分光開關的性能比較結果如表2所示。
4 結束語
光開關是全光通信網的關鍵部件，本文對光開關的主要類型：傳統(tǒng)機械式光開關、微電子機械式光開關、熱光開關進行了詳細分析，總結了各種子類型的基本原理、結構形式，指出它們在應用時所存在的問題。提出了一套光開關性能評價指標體系，并對4種常見的光開關進行了具體比較，為工程應用中的類型選擇提供了參考依據。
光開光技術還在迅速發(fā)展，有一些趨勢值得關注。隨著業(yè)務需求的急劇增長，骨干網業(yè)務交換容量也急劇增長，因此光開關的交換矩陣的大小也要不斷提高。同時由于IP業(yè)務的急劇增長，要求未來的光傳送網能支持光分組交換業(yè)務，未來的核心路由器能在光層交換。這樣，對光開關的交換速度提出更高的要求(納秒數(shù)量級)。熱光開關列陣、微機械光開關列陣由于集成度較大，因而將是大規(guī)模陣列光開關的發(fā)展方向。MEMS光開關目前最有發(fā)展前景，最能適應DWDM全光通信網要求。由于MEMS技術具有兼容性強、易集成、設計靈活、可大規(guī)模生產的優(yōu)勢，MEM5光開關的集成化和產業(yè)化將是未來MEMS光開關的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的機械式光開關在光信號監(jiān)測領域有較大的市場應用前景?？傊?，大容量、高速交換、透明、低損耗的光開關將在光網絡發(fā)展中起到更為重要的作用。
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