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光开关是较为重要的光无源器件,在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。光开关在光分/插复用
(OADM)、时分复用(TDM)、波分复用(WDM)中有着广泛的应用。光开关以其高速度、高稳定性、低
串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。光开关有着广阔的市场前景,是最具发展潜力的光
无源器件之一。
一、光开关与全光网络
近几年,随着远程通信和计算机通信的飞速发展,特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起,传统的基于
电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。密集波分复用(DWDM)技术利用单模光纤的低损
耗窗口,在一根光纤中同时传输多路波长载波,并采用掺铒光纤放大器(EDFA)来取代传统的光电中继系
统。不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加,还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根
光纤传输速率制约。因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径,如图1所示。
从图2中我们看到,光交叉连接器(OXC)和光上/下路复用器(OADM)是全光网络的关键。OADM和
OXC可以管理任意波长的信号,从而更充分地利用带宽。而且,环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可
靠性以及数据的生存性。
光交叉连接矩阵是OXC的核心,它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性,并且要具有单向、双向和广
播形式的功能,如图3所示。而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件,它的性能、价格将直接影响
到OXC系统的商用化进程。
二、光开关概述
目前,在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。不同原理和技术的光开关具有
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、磁光开关、热光
开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分,光开关可分为:自由空间交换光开关和波导交
换光开关。
机械式光开关:机械式光开关发展已比较成熟,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插入损耗较低(≤2dB);隔离度高(45dB);不受偏振和波
长的影响。其缺陷在于开关时间较长,一般为毫秒量级,有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外
其体积较大,不易做成大型的光开关矩阵。机械式光开关,已经做成产品,在国内市场上主要有康顺公司
生产的1×2,1×4,2×2机械式光开关,国外的主要有E-TEK,JDS,Dicon,Lightech,Oplink等公司的产品。
微电子机械光开关(MEMS):MEMS是由半导体材料,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,能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS器件
的结构很像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。从而改变输入光
的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点,又有波导开关
的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。基于MEMS光开关交换技术的解决方案已广泛应用于骨
干网或大型交换网。
液晶光开关:液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制:一路偏振光被反射,而另一路可以通过。典型的
液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分,如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压,
有源部分或者改变入射光的偏振态或者不加改变。由于电光效应,在液晶上施加电压将改变非常光的折射
率,从而改变非常光的偏振状态,本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高,
是铌酸锂的几百万倍,使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级,未来将
可以达到纳秒级。
热光效应开关:热光技术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。热光开关主要有两种基本类型:数字型光开关(DOS:Digitaloptical
switches)和干涉型光开关(Interferometricswitches)。干涉型光开关具有结构紧凑的优点,缺点是对波长
敏感。因此,通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料,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
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