光开关品种及相关常识简介

光开关品种及相关常识简介 
 
      现在，在光传送网中各种不同交流原理和完结技能的光开关被广泛地提出。不同原理和技能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、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交流介质来分，光开关可分为：自由空间交流光开关和波导交流光开关。
    机械式光开关开展已比较老练，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介入损耗较低（≤2dB）；隔离度高（>45dB）；不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时刻较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳颤动和重复性较差的问题。别的其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。因而，传统的机械光开关难以习惯高速、大容量光传送网开展的需求。而新式的以微机械工艺为根底的微机械光开关既具有传统机械光开关的介入损耗低、隔离度高级长处，一起具有体积小易于集成等长处，成为大容量交流光网络开关开展的干流方向。
    热光、电光、声光效应光开关经过改动交流介质的波导折射率，完结交流意图。
现在常用的光开关有以下几种：MEMS光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、SOA光开关等。跟着新技能的开展，将有更多类型的光开关呈现。
    光开关的首要功用参数
交流矩阵的巨细：光开关交流矩阵的巨细反映了光开关的交流才能。光开关处于网络不同方位，对其交流矩阵巨细要求也不同。跟着通讯事务需求的急剧添加，光开关的交流才能也需求大大提高，如在主干网上要有超越1000×1000的交流容量。关于大交流容量的光开关，能够经过较多的小光开关叠加而成。
交流速度：交流速度是衡量光开关功用的重要目标。交流速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交流时刻抵达几个ms时，对因毛病而从头挑选路由的时刻现已够了。如对SDH/SONET来说，因毛病而从头选路时，50ms的交流时刻简直能够使上层感觉不到。当交流时刻抵达ns量级时，能够支撑光互联网的分组交流。这关于完结光互联网是十分重要的。
损耗：当光信号经过光开关时，将伴跟着能量损耗。依据功率预算规划网络时，光开关及其级联对网络功用的影响很大。损耗和搅扰将影响到功率预算。光开关损耗发作的原因首要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身资料对光信号发作的损耗。一般来说，自由空间交流的光开关的损耗低于波导交流的光开关。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约1～2db。而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4db左右。损耗特性影响到了光开关的级联，约束了光开关的扩容才能。
交流粒度：不同的光网络事务需求，对交流的需求和光域内运用的交流粒度也有所不同。交流粒度可分为三类：波长交流、波长组交流和光纤交流。交流粒度反映了光开关交流事务的灵活性。这关于考虑网络的各种事务需求、网络维护和康复具有重要含义。
无堵塞特性：无堵塞特性是指光开关的任一输入端能在恣意时刻将光波输出到恣意输出端的特性。大型或级联光开关的堵塞特性更为显着。光开关要求具有严厉无堵塞特性。
晋级才能：依据不同原理和技能的光开关，其晋级才能也不同。一些技能答应运营商依据需求随时添加光开关的容量。许多开关结构可容易地晋级为8×8或32×32，但却不能晋级到成百或上千的端口，因而只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于主干网上。
可靠性：光开关要求具有杰出的稳定性和可靠性。在某些极点状况下，光开关或许需求完结几千几万次的频频动作。有些状况（如维护倒换），光开关倒换的次数或许很少，此刻，坚持光开关的状况是更首要的要素。如喷墨气泡光开关，怎么坚持其气泡的状况是需求考虑的问题。
许多要素会影响光开关的功用，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影响网络功用的重要要素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络功用。光开关要求对速率和事务类型坚持通明。
MEMS光开关
    MEMS（micro-electro-mechanical－systems）是由半导体资料，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，能通明地传送不同速率、不同协议的事务。MEMS已广泛运用在工业范畴。MEMS器材的结构很像IC的结构，它的根本原理便是经过静电的效果使能够活动的微镜面发作滚动。然后改动输入光的传达方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏理性和高消光比的长处，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规划集成等长处。依据MEMS光开关交流技能的处理方案已广泛运用于主干网或大型交流网。
    典型的MEMS光开关器材可分为二维和三维结构。依据镜面的MEMS二维器材由一种受静电操控的二维细小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。典型的尺度是10cm。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。而关于光网络事务的交流和康复，依据旋转铰接微镜的光开关是一种最好的挑选，因为关于这样的运用，光开关不需求常常改换（乃至一个微镜处于一个状况或许一年多也不会发作变化）。而且，亚毫秒的开关时刻也能很好地习惯于全光网的事务供给和康复。二维MEMS的空间微调旋转镜经过外表微机械制作技能单片集成在硅基底上，准直光经过微镜的恰当旋转被接到恰当的输出端。微镜的结构和操控如图2所示，微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两头有两个推杆，推杆一端衔接微镜铰接点，另一端衔接平移盘铰接点。转化状况经过SDA调理器（Scratch Drive Actuator）调理平移盘使微镜发作滚动，当微镜为水平常，可使光束经过该微镜，当微镜旋转到与硅基底笔直时，它将反射入射到它外表的光束，然后使该光束从该微镜对应的输出端口输出。二维MEMS需求N2个微镜来完结N2个自由空间的光穿插衔接，其操控电路较简略，由TTL驱动器和电压改换器来供给微镜所需的电压。开关矩阵的规划能够扩展到上千个端口。
    三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列一般是成对呈现，输入光线抵达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的方位要操控得十分准确，抵达百万分之一度。三维MEMS阵列或许是大型穿插衔接的正确挑选，特别是当波长带一起从一根光纤交流到另一根光纤上。三维MEMS首要靠两个N微镜阵列完结两个光纤阵列的光波空间衔接，每个微镜都有多个或许的方位。因为MEMS光开关是靠镜面滚动来完结交流，所以任何机械冲突、磨损或轰动都或许损坏光开关。
    现在，朗讯公司已研发了1296×1296端口的MEMS。其单端口传送容量为1.6Tb/s（单纤复用40个信道，每路信道传送40Gb/s信号），总传送容量抵达2.07Petabit/s。具有严厉无堵塞特性，介入损耗为5.1db，串扰（最坏状况）为-38db。使光开关的交流总容量抵达新的数量级。OMM公司提出的4×4和8×8光开关，其速率小于10ms。16×16端口的交流时刻添加到20ms。其4×4光开关的损耗为3db，而16×16光开关的损耗为7db，16×16设备可重复性抵达3dB，而更小的只要0.5db。现在，OMM正在活跃开发三维光开关，完结更大的穿插衔接。Iolon运用MEMS完结光开关的许多自动化出产。该结构开关时刻小于5ms。Xeros依据MEMS微镜技能，规划了能晋级到1152×1152的光穿插衔接设备，对速率和协议通明，答应高带宽数据流通明交流，无需光电转化。交流时刻小于50ms，其微镜的操控精度抵达百万分之五度。运用三维两个面对面微镜阵列，功率耗费小于1千瓦。
喷墨气泡光开关
    安捷伦公司选用他们的热喷墨打印和硅平面光波电路两种技能，开宣布一种二维光穿插衔接体系（图4、5）。安捷伦把这种技能称为“光子交流渠道”。其光开关渠道包含两部分：下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。上下之间抽真空密封，内充特定的折射率匹配液，每一个小沟道都对应一个微型电阻，经过电阻加热匹配液构成气泡，对经过的光发作全反射。电信号的参加鄙人半部引进。在芯片与光纤的耦合上选用带状光缆经过硅V型槽BUTT END触摸处理。当有入射光照入并需求交流时，一个热敏硅片会在液体中发作一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。HP的喷墨打印技能的引进首要反映在对气泡（微电阻）发作的精细操控上。喷墨打印要在指定的当地发作墨点，这儿要在指定的当地发作气泡。但气泡光开关同喷墨技能又不相同，气泡或许要坚持很长一段时刻。安捷伦称气泡由关闭的体系操控，因而不会溢出，经过操控蒸气压，坚持液、气体能共存的温度和压力。喷墨气泡光开关交流速度为10ms。因为没有可移动部分，可靠性较好。32×32子体系损耗为4.5db，因为运用已有的技能，故其本钱不高。一起具有较好的扩展性。
    安捷伦喷墨气泡光开关具有毫秒的交流速度，具有偏振不敏理性，因而具有小的极化损耗，能对速率和事务协议通明。具有低损耗、低串扰和小于-50db的高消光比。喷墨气泡光开关有两个重要要素要考虑：（1）怎么很好地操控光开关的状况，如光开关频频动作或长时刻坚持气泡状况。（2）喷墨气泡光开关封装后，其内部资料和液体的生计时刻问题（如典型的20年）。
液晶光开关
    液晶光开关的作业状况依据对偏振的操控：一路偏振光被反射，而另一路能够经过。典型的液晶器材将包含无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入射光分为两路偏振光。依据是否运用电压，有源部分或许改动入射光的偏振态或许不加改动。因为电光效应，在液晶上施加电压将改动十分光的折射率，然后改动十分光的偏振状况，原本平行光经过在液晶中的传输会变成笔直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为最有用的光电资料。电控液晶光开关的交流速度可达亚微秒级，未来将能够抵达纳秒级。
    Spectraswitch公司的WaveWalker产品是一个固态产品，其1×2和2×2介入损耗小于1db，极化损耗为0.2db，交流时刻为4ms左右，交流波长的规模为C波段。液晶光开关没有移动部分，所以提高了体系的稳定性。Chorumtech公司的PolarShift液晶光开关能抵达毫秒量级的交流速度，具有高消光比、低介入和极化损耗、低串扰等特色。Corning公司也正出资于液晶光开关产品的开发。
热光效应开关
    热光技能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。
热光开关首要有两种根本类型：数字型光开关（DOS：Digital opTIcal switches）和干与型光开关(Interferometric switches)。干与型光开关具有结构紧凑的长处，缺陷是对波长灵敏。因而，一般需求进行温度操控。它们都是在介质资料，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作变化，然后完结光的开关动作。
数字型光开关
    当加热器温度加热到必定温度，开关将坚持固定状况。最简略的设备 1×2光开关，称为Y型分支热光开关。当对Y型的一个臂加热时，它改动折射率，阻断了光线经过此臂。DOS可由硅或聚合物制作。后者比前者具有更低的功耗和更高的光损耗。
Y型分支器结构如图7所示，在硅基底或SiO2基底上生成矩形波导，微加热器由TI或Cr在波导分支外表堆积而成，金属层一般选用光刻法或湿式化学刻蚀，为减小在水平方向的热传达，电极旁的SiO2层十分薄。当其间一个分支上的加热器通电时，在该加热器下面的波导的折射率减小，相应的，光功率被转向另一分支，即处于开的状况。一起，在有源加热器的分支则处于关的状况。波导资料在开端阶段常常选用Si或SiO2，而现在人们则把更多的研讨转向了聚合物波导，这首要是因为聚合物的导热率很低，而热光系数却很高。介入损耗一般为3-4dB，消光比为20dB左右。
干与仪型光开关
 干与仪型光开关首要指M-Z干与仪型。主导思维是运用光相位特性。输入光被分为两束，经过两个分隔的波导，再兼并。其间一个波导被加热改动其光程。当两条途径长度相一起，光经过其间一个出口，当长度不一起，光线经过另一个出口。因为Si的导热系数较大，加热器的间隔至少要100微米，这样才不会影响到相邻的开关。MZI型光开关结构如图8所示。它包含一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干与臂上，镀上金属薄膜加热器构成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量经过它来散宣布去。当加热器未加热时，输入信号经过两个3dB耦合器在穿插输出端口发作相干相长而输出，在直通的输出端口发作相干相消，假如加热器开端作业而使光信号发作了巨细为π的相移，则输入信号将在直通端口发作相干相长而输出，而在穿插端口发作干与相消。然后经过操控加热器可完结开关的动作。
    以1×2和2×2光开关单元为根底，其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可经过这两种光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成，有多种组网方法，其间，CLOS多级网络是最常用的一种，对N×N的开关矩阵，需求2N－1级的开关单元级联而成。如8×8的矩阵开关，一般都选用15级开关单元结构，其间，48个周边光开关用作衰减平衡器，一直处于穿插状况，而中心组成菱形的64个光开关构成8×8光开关的中心，每一级的光开关单元数目分别为7和8个穿插摆放。然后构成严厉无堵塞的8×8光开关矩阵，NTT公司最近选用双MZI串联的开关单元替代传统的单MZI型开关单元,仅用8级开关单元就构成了严厉无堵塞的8×8开关矩阵，图9即为NTT公司制作的8×8光开关结构图。它有用地减小了波导长度，降低了开关损耗，提高了消光比，降低了串扰水平。作业带宽覆盖了整个EDFA增益谱。
    NTT公司16×16热光开关现已商用，它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件，其交流速度依赖于对资料的加热时刻。聚合物光开关交流时刻大约是几个毫秒，Si资料光开关一般更慢，大约6-8ms。Lynxpn公司的8×8光开关是由128个1×2热光开关构成的，具有严厉无堵塞特性，能支撑播送功用，交流时刻小于2ms，极化损耗小于0.4db，介入损耗小于1db。因为热光开关的操作是经过重复加热和冷却波导进行，因而这将削减光开关的寿数。Si资料光开关具有十分低的损耗，聚合物损耗更高。聚合物光开关需求较低的功率，典型的是5个微瓦，Si开关将是聚合物的100倍。
全息光开关
    全息光开关是运用激光的全息技能，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，运用光纤光栅选定波长的光开关。电激起的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全通明的，此刻光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图发作，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。KLTN晶体尺度大约为2×2×1.5毫米，组成一个矩阵，构成光开关的中心。行对应于不同的光纤，列同交流的波长有关。全息图对照明不灵敏，所以一般不会擦除存储的全息图。但光全息图能被擦除并从头写入。一起，多个全息光栅能高效地存储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交流速度抵达纳秒量级，全息光开关能够在线动态监测每一路波长，因为当全息光栅被激活时，大约有95％被反射，剩下5％直通。这5％的信号能够用来监测，这关于网络办理具有很重要的含义。
    运用这种技能能够很容易地组成上千个端口的光交流体系。而且它的开关速度十分快，只需几纳秒就能够把一个波长交流到另一个波长。因为没有可移动部件，它的可靠性较高。把握这种技能的TrellisPhotonics公司宣称，240×240端口的交流体系的介入损耗低于4dB，端到端的重复性也比较好，可是它的功耗比较大（240×240功耗小于300瓦），而且需求高压供电。这种技能能够跟三维MEMS技能竞赛，但它更适合于单个波长的交流。纳秒量级的交流速度能够用在未来的依据分组交流的光路由器中。
液体光栅开关
    液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技能的结合体。它依据电交流光栅（ESBG）技能。经过操控电压，使布拉格光栅发作和消失。将液晶微滴悬浮于聚合体内，一起将它放置在Si波导上，当不加电压时，布拉格光栅作业并使特定的波长偏转从波导上端输出。当加上电压时，布拉格光栅消失，光线直通波导。这样液体光栅完结选出特定波长并交流的功用。液体光栅开关的交流时刻大约100微秒，比热光开关的交流时刻快10倍，比气泡光开关或MEMS的交流时刻快100倍。相同因没有移动部件，可靠性高、损耗低。DigiLens宣称液体光栅开关的光损耗小于1db。其典型功耗大约50毫瓦左右。它关于波长交流具有灵活性，因为它能从波长群中挑选需求的波长，可作为OADM中心。但其关于多波长群交流或光纤级交流就远不如MEMS了。
声光开关
    在这种开关中，声波用来操控光线的偏转。交流速度从500ns到10祍。因为没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司宣称其光纤线性声光开关没有机械部分，运用电和计算机操控声光偏转设备，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器能够恣意转向。Brimrose公司也开发自己的声光开关，其1×2光开关的交流速度是525ns，相对损耗为2.5db。
半导体光扩大器开关
    半导体光扩大器开关运用SOA的扩大特性，完结特定波长的交流。图11是由4个SOA阵列经过波导互联构成的2×2光开关。在关断状况，SOA是不通明的，即输入光被SOA吸收。在敞开状况，光线答应经过SOA，一起被扩大。经过调理SOA扩大波长，输入端信号能抵达恣意输出端。此种光开关具有播送功用，经过调理SOA，输入信号能被播送到一切输出端，一起SOA供给的增益补偿了光开关的损耗。2×2光开关插入损耗为0db（典型光纤增益为12db）, 交流时刻1ns左右，极化不灵敏。
运用及远景剖析
    光开关在光网络中起到十分重要的效果，它不只构成了波分复用光网络中要害设备（如OADM/OXC）的交流中心，自身也是光网络中的要害器材。其运用规模首要有：
维护倒换功用：光开关一般用于网络的毛病康复。当光纤开裂或其他传输毛病发作时，运用光开关完结信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种维护一般只需求最简略的1×2光开关。
网络监督功用：运用简略的1×N光开关能够将多纤联系起来。当需求监督网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关衔接到网络监督仪器上（如OTDR），经过光开关的动作，能够完结网络在线监测。
光器材的测验：能够将多个待测光器材经过光纤衔接，经过1×N光开关，能够经过监测光开关的每个通道信号来测验器材。
构建OADM设备中心：OADM是光网络要害设备之一，一般用于城域网和主干网。完结OADM光信号上下路的详细方法许多，但大多数状况下都运用了光开关，首要是2×2光开关，来完结对密布波分复用光网络中光信号的上下路功用。因为光开关的运用，使OADM能动态装备事务，增强了OADM节点的灵活性，一起，使得OADM节点能支撑维护倒换，当网络呈现毛病时，节点将毛病事务切换到备用路由中，增强了网络的生计才能和网络的维护和康复才能。
构建OXC设备的交流中心：OXC首要运用于主干网，对不同子网的事务进行会聚和交流。因而，需求对不同端口的事务交流，一起，光开关的运用使OXC具有动态装备交流事务和支撑维护倒换功用，在光层支撑波长路由的装备和动态选路。因为OXC首要用于高速大容量密布波分复用光主干网上，要求光开关具有通明性、高速、大容量和多粒度交流的特色。