光纤通信光开关原理-硬件和射频工程师.PDF

光纤通信光开关原理 李淳飞 哈尔滨工业大学应用物理系 摘要 光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件，并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系 统。本文综述了目前光纤通信中所研究和开发的光开关器件的物理原理。并给出各类光开关 的阈值条件和典型参数。本文可作为学习、研究和设计光开关的参考。 信息技术是当代工业的先导，互联网是现代信息技术的核心。为解决目前互联网的 “交 通堵塞”问题，必须发展以波分复用光纤通信技术为基础的“信息高速公路”。而波分复用 光纤通信技术是建立在光器件的基础上。在以上形势的推动下，近年来光纤通信器件的发展 极为迅速。光纤通信器件包括光传输器件和光交换器件两大类。波分复用光传输器件经过近 几年的努力，已日趋成熟，已有一批可供使用的产品。特别是波分复用器、波分复用光源和 波分复用光放大器的巨大进步，使光传输由 0-E-0 转变成 0-0-0，使光纤通信向全光化迈进 了一大步。但是光交换器件，包括光交叉连接器 （OXC）和光分插复用器 （OADM），及其基础 器件——光开关，基本上还是光电混合的。光开关已有一定的产品问世，但还不太成熟，有 待进一步完善。本文将综合介绍以电控为主的光开关器件的基本原理。 光开关在光通信中的作用有三类：其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通；其二是 将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；其三是在同一光纤通道中将一种波长 的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）。 光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开 关时间等。有些参数与其它器件的定义相同，有的则是光开关特有的。 1． 微机电开关 这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改 变光纤通道的光开关。其原理如图 1 和图 2 所示。 图 1 移动光纤式光开关 1 图2 移动反射镜式光开关 以上这两种器件体积较大，很难实现组成集成化的开关网络。近年来正大力发展一种集 成化的微机电系统 （MEMS ）开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成 的开关阵列。例如采用硅在绝缘层上（SOI）的硅片生长一层多晶硅，再镀金制成反射镜， 然后通过化学刻蚀或反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层，保留反射镜的转动支架。通过静 电力使微镜发生转动。图3 是一个 MEMS 实例，它采用 16 个可以转动的微型反射镜，实现 两组光纤束间的 4 ×4 光互连。 图 3 用 16 个移动反射镜光开关构成的两组 4×4 MEMS 开关阵列 机电光开关的优点是：结构简单；插入损耗低(2dB) ；消光比高(60dB) ；隔离度好 （45dB ）；而且不受偏振和波长的影响。缺点是：开关时间较长，一般为 1ms-0.1ms 数量 级；开关结构有移动部分，因而开关寿命有限和重复性较差，有的还存在着回跳抖动等问题。 图3 的MEMS 可达到如下技术指标（见表 1）： 表 1 MEMS 光开关的技术指标 插损 串扰 消光比 偏振灵敏度 开关时间 寿命 开关尺寸 项目 dB dB dB dB ms 次 mm 测值 0.7~ 1.3 -60 60dB 0.3dB 40 1