1、光開關(guān)的技術(shù)現(xiàn)狀和展望中國自動化網(wǎng) 發(fā)表時間:2006-4-27 10:19:011、引言光開關(guān)可以實現(xiàn)光束在時間、空間、波長上的切換，在光網(wǎng)絡(luò)中有許多應(yīng)用場合，是光通信、光計算機(jī)、光信息處理等光信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依賴于光路之中的相位關(guān)系，通過普克爾(Pockels)效應(yīng)或熱效應(yīng)一般就可以達(dá)到相位控制。這類器件對環(huán)境非常敏感，尤其是對環(huán)境溫度。它們對控制信號有循環(huán)響應(yīng)，這些控制信號通常需要對光輸出進(jìn)行監(jiān)視，亦即反饋，以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對偏振、波長、溫

2、度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對于非干涉儀型開關(guān)，開關(guān)功能的動態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(guān)中的動態(tài)范圍，則依賴于干涉束的光功率的精確平衡，而且通常精度較低并較難保持。2、技術(shù)現(xiàn)狀這里討論的光開關(guān)現(xiàn)狀，主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應(yīng)用或商業(yè)上有希望接受的技術(shù)與應(yīng)用。應(yīng)用決定了要求，所以就從已經(jīng)取得商業(yè)成就的應(yīng)用或近期有望實現(xiàn)的應(yīng)用，來開始評述光開關(guān)。近年來，除了改進(jìn)傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù))，切換速度不斷提高(如LiNbO3波導(dǎo)電光效應(yīng)的光開關(guān)

3、已達(dá)到納秒量級)，集成化程度越來越高。2.1非干涉儀型開關(guān)非干涉儀型開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機(jī)型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。211微機(jī)械開關(guān)微機(jī)械開關(guān)技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)，包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機(jī)電于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對于光纖系統(tǒng)來說，微機(jī)械開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個極有希望的入門途徑。已經(jīng)報道過的很多微機(jī)械光開關(guān)有兩個基本途徑：或者通過微機(jī)械器件把光線運載到與微機(jī)械器件相連的波導(dǎo)或光纖上

4、，或者用微機(jī)械元件來引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供應(yīng)大概不會太遠(yuǎn)了。使用準(zhǔn)直光束和NN交叉點上的微機(jī)械，可移動鏡面，非常直接地實現(xiàn)NN交叉點開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。最近這樣的開關(guān)已經(jīng)采用微機(jī)械制造工藝實現(xiàn)了，如圖1所示1。其表現(xiàn)出的開關(guān)時間在100s以內(nèi)。這樣的開關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60間隔安排的三束光線，也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N2(12)或N2(22)等開關(guān)，其中N為被耦合的光束組的

5、數(shù)量。同時這種構(gòu)造導(dǎo)致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到2。微機(jī)械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(guān)應(yīng)建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上，如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1N開關(guān)功能的開關(guān)。微機(jī)械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把入射光束反射到多路輸出的一個位置。各種各樣的波導(dǎo)和基于光纖的微機(jī)械開關(guān)已經(jīng)制成?；诠饫w的微機(jī)械器件使用微機(jī)械宋產(chǎn)生移動光纖的驅(qū)動器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復(fù)雜的裝配，但是反映光纖特性的光學(xué)性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報道過使用兩個V形槽陣列橫向地變換硅微臺面的1N光纖開關(guān)3。盡管率先

6、將MEMS光開關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因最后獲得資金的希望破滅而暫時關(guān)閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nortel收購，目前仍有不少的機(jī)構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等)在進(jìn)行MEMS光開關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過Telcordia(GR-1073-Core)可靠性測試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。212光機(jī)型開關(guān)光機(jī)型開關(guān)通過光束路徑的實際位移而路由光線。這些開關(guān)有賴于機(jī)械驅(qū)動，諸如電子繼電器、步進(jìn)電機(jī)和壓電元件等。光機(jī)型開關(guān)可提供性能卓越的光學(xué)參數(shù)

7、，諸如損耗、串?dāng)_、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競爭僅僅在尺寸、開關(guān)速度和可靠性等問題上。最普通的光機(jī)型開關(guān)的途徑，就是典型的梯度折射率型透鏡，它使到達(dá)輸入光纖的光線準(zhǔn)直，形成了在自由空間中的傳播束。準(zhǔn)直器可被移動，或準(zhǔn)直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖?；阽R面的系統(tǒng)通常被用于要求11、12或22等路由的開關(guān)，準(zhǔn)直器的棱鏡運動和實際運動都是典型的大范圍1N開關(guān)。使用棱鏡運動用于開關(guān)達(dá)到18，而通常使用準(zhǔn)直器的運動用于較慢的開關(guān)維數(shù)達(dá)到1100。213絕熱開關(guān)通過半導(dǎo)體中的載流子注入，或在LiNbO3中的普克爾效應(yīng)，對折射率的控制是可實現(xiàn)的

8、，但是器件的長度很大，因為開關(guān)過程限于非常小的分支角度。在允許器件很長而不受成本限制的材料中，制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛在地提供了一種使用非晶態(tài)材料的方式，但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎(chǔ)的波導(dǎo)，由于它們的折射率對溫度的強(qiáng)烈依賴關(guān)系，都極其適合熱光應(yīng)用?？墒牵荒苁褂脴?biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成的聚合物，因為它們在通信中所用的波長窗口中的損耗太大了。一些公司諸如AkzoNobel公司等，已經(jīng)為此目的而發(fā)展了具有非常低的本征光吸收損耗的專業(yè)光學(xué)聚合物，對于13和15m兩個窗口都很好地低于01dBcm。已經(jīng)驗證了以這種材料為基礎(chǔ)的片型波導(dǎo)具有的損耗大約為008dBcm。建立在絕熱模

9、展開基礎(chǔ)上的聚合物波導(dǎo)開關(guān)以12到18開關(guān)的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個12s或4個22s開關(guān)集成陣列，都有現(xiàn)成的商品(JDSUniphase)。這些絕熱聚合物開關(guān)，一般都有毫秒級開關(guān)時間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設(shè)計的最重要的優(yōu)點，可能是由于這類開關(guān)曲線的“數(shù)字”本性，它導(dǎo)致了偏振、波長、驅(qū)動電壓等與溫度低的依賴性。例如，這些絕熱開關(guān)可被同時用于13和15m窗口中的光信號，具有相同的串?dāng)_與隔離值。還有，更復(fù)雜的器件，諸如絕熱開關(guān)技術(shù)中集成的88開關(guān)等，都僅要求一個普通的驅(qū)動電壓來驅(qū)動每個獨立的開關(guān)單元，而不像干涉儀型開關(guān)組件那樣，所有的開關(guān)經(jīng)常需要有一組精確的電壓設(shè)定。對于集成

10、的路由器-選擇器矩陣，這一點成為主要優(yōu)點，因為一個88開關(guān)有112個基本的12開關(guān)單元，這就意味著要驅(qū)動224個電極。214液晶偏振開關(guān)大部分液晶偏振光開關(guān)是根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向而實現(xiàn)開關(guān)功能的，如圖2所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶。通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場時，液晶分子沿電極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片A和B的偏振方向成45，如圖2(a)所示。這樣液晶具有旋光性，入射光通過起偏器A先變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同(速度不同)，有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長距離上后，引起光的偏振面發(fā)生90旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻

11、擋，器件為開啟狀態(tài)。當(dāng)施加電場召時，液晶分子平行于電場方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時光的透射率接近于零，處于關(guān)閉態(tài)，如圖2(b)所示。撤去電場，由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復(fù)原開啟態(tài)。這種開關(guān)靠分子轉(zhuǎn)動，因此開關(guān)速度較慢(s量級)。22干涉儀型開關(guān)干涉儀型開關(guān)通過將輸入光分裂成兩個或者更多的波導(dǎo)通路，這些光線在輸出端再重新組合。因為器件很小，并且光纖中的光信號的相干長度經(jīng)常很大，于是重新組合時形成干涉條紋。輸出波導(dǎo)會接收到對應(yīng)于開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)的暗條紋，或?qū)?yīng)于“開”狀態(tài)的亮條紋，這樣就產(chǎn)生了門功能。對器件的控制要求，是能夠控制在不伺臂中傳播的光相位差。221普克爾效應(yīng)開關(guān)在鈮酸鋰

12、中制造的高速馬赫-曾德爾調(diào)制器4，作為已經(jīng)有商品供應(yīng)的普克爾效應(yīng)開關(guān)，是通過修整絕緣緩沖層的電性能，或通過用沒有直流偏置來調(diào)整器件運行，已經(jīng)給器件提出了電壓穩(wěn)定性問題。這些器件被用來作為25Gbs和10Gbs的通信系統(tǒng)的外部調(diào)整器，并已經(jīng)示范過工作在40Gbs的研究器件。這些器件在整個直接調(diào)制或電吸收調(diào)制上有幾個優(yōu)點，首先，外部調(diào)制器把光產(chǎn)生與光調(diào)制分開，增強(qiáng)了光源的波長穩(wěn)定性。隨著可調(diào)激光器被用于通信系統(tǒng)，這個優(yōu)點會變得日益重要。其次，外部調(diào)制器可設(shè)計成具有特殊啁啾值，或具有可變啁啾，來補償光纖色散。一般這種器件有3-4dB的插損、5V的調(diào)制電壓和15-20dB的衰減比。在很多器件中，其他功

13、能諸如相位調(diào)制器或可變衰減器等，都被與調(diào)制器集成在一起，以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和性能。222克爾效應(yīng)開關(guān)克爾效應(yīng)，亦即由光強(qiáng)度通過材料中的三階光非線性度直接控制折射率，逐一提供光信號的直接控制。它支撐著在目前還是研究課題的甚高速光邏輯器件的技術(shù)發(fā)展?，F(xiàn)在能很容易產(chǎn)生的甚短(fs)、甚強(qiáng)的多種光信號，可直接在光纖或半導(dǎo)體波導(dǎo)中相互影響，已經(jīng)達(dá)到了數(shù)百Gbs的光數(shù)字式運行?？墒?，由于強(qiáng)度拖累，克爾效應(yīng)開關(guān)在廣泛使用的帶寬與強(qiáng)度的路由光信號方面并沒有作用。223熱驅(qū)動干涉儀開關(guān)熱驅(qū)動干涉儀開關(guān)陣列在矩陣大小、串?dāng)_和損耗等方面，已經(jīng)達(dá)到可與鈮酸鋰技術(shù)相比較的能力，而且這些器件對于偏振相對不敏感。另一方面它們

14、很慢，需要很大功率，并且要求非常精確地制造一個基于“平面光路”設(shè)計的88全交叉點矩陣，已經(jīng)驗證損耗為-14dB，最壞情況的串?dāng)_為-18dB和重新配置時間低至13ms。與聚合物波導(dǎo)中的88絕熱開關(guān)的性能相比較是有很大意義的，絕熱開關(guān)的損耗為-107dB，最壞情況的串?dāng)_為-30dB和1ms的重新配置時間。3、技術(shù)展望光開關(guān)包含了各種各樣的技術(shù)，某些處在發(fā)展之中，而某些則處在具有商業(yè)使用價值的成熟階段。目前，機(jī)電式光開關(guān)支配著商品的供應(yīng)，在光通信領(lǐng)域中，光開關(guān)可以集成在各種光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(OXC、OADM等)中。另外光開關(guān)在光纖測試系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)、光信息處理等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，用于光交叉連接設(shè)備

15、(OXC)，可直接進(jìn)行光路切換，避免了光-電光的轉(zhuǎn)換過程，對不同的數(shù)據(jù)速率和協(xié)議是透明的，不僅節(jié)省了費用，而且提高了系統(tǒng)的信噪比。光開關(guān)矩陣還可以使任一輸入端與任一輸出端連接，由光開關(guān)矩陣構(gòu)成的OXC主要用于核心光網(wǎng)絡(luò)的交叉連接，實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、動態(tài)的路由管理、靈活地增加新業(yè)務(wù)等。根據(jù)FrostSullivan公司的市場分析報告，2001年骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)上的OXC銷售額為336億美元，預(yù)計到2006年將達(dá)到60億美元。還可以用于光分插復(fù)用(OADM)，直接在光路上對不同波長的信號實現(xiàn)分出或插入功能。此外，用于光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換，當(dāng)光纖斷裂或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生傳輸故障時，利用光開關(guān)將光信號切換到備用通路，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)的保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)的及時修復(fù)。據(jù)美國CIR公司的最新市場報告，僅美國保護(hù)光開關(guān)的市場將由2001年的126億美元躍升到2005年的479億美元。在光纖測試系統(tǒng)中，在光纖測試點通過N1光開關(guān)把多根光纖連接到一個光時域反射計(OTDR)上，通過光開關(guān)的倒換實現(xiàn)對所有光纖的監(jiān)測，也可以用于光纖器件的調(diào)試。波分復(fù)用傳輸?shù)某霈F(xiàn)，被廣泛地看作是光開關(guān)發(fā)展新階段的預(yù)