光传送网中光开关器件的进展

1 引言

　　光传送网(OTN)是当前全光网络的发展趋势, 光联网的实现将依赖于新一代光开关、波分复用器、光衰减器和光放大器等元器件的进展。新一代器件的特征将是它们在光域性能的提高和多功能的集成。其中光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)、光网络监控、器件测试及自愈保护等方面。表征光开关的特性主要有开关速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等参数。基于不同的应用，采用不同技术的光开关的发展不尽相同。图1展示了不同开关速度和端口数的开关的主要应用领域和发展趋势[1]。

图1　光开关的主要应用领域和发展趋势

　　2 光开关的类型和原理

　　传统的光开关主要有介质波导和机械两种类型。介质波导光开关的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模的阵列，但插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差；机械光开关虽然有较低的插入损耗和串扰，但体积庞大，不适合用于大规模开关矩阵及OXC应用。

　　在传统光开关技术进一步发展和应用的同时涌现了许多新技术，主要包括光微电机械开关、铌酸锂晶体或半导体的马赫－曾德干涉仪型开关、喷墨气泡开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光栅开关和声光开关等[2]。

　　2.1 光微电机械开关

　　光微电机械开关(MOEMS)通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。其所示为二维MOEMS 8×8光开关，在芯片上集成了微反射镜阵列，以斜线表示，通过施加静电力控制其旋转，图2中有5个微镜处于反射状态。这种二维光开关阵列插入损耗小于4 dB，开关时间小于10 ms。由于受光程损耗的限制，最大可以实现32×32端口。也可采用更先进的三维解决方案，它在N个输入光纤和N个输出光纤之间仅使用2N个微镜，由于每个微镜都有N个可能的位置，从而实现N×N开关阵列，突破二维方案的端口限制[3]，但其驱动结构和监控设备较复杂，成本也随之增加。

图2　二维MOEMS 8*8光开关

　　MOEMS开关可用类似集成电路的工艺成批生产，成本低、竞争力强。由于其特性与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等无关，在损耗、扩展性上优于其他类型，因此MOEMS光开关阵列有可能成为核心光交换器件中的主流。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1 152个微镜的阵列实现了1 152×1 152的大型交叉互连，总容量比传统电交叉互连提高了约两个量级。朗讯公司推出的WaveStar LamdaRouter光波长路由器，可实现256×256的光交叉互连，节约25%的运行费用和99%的能耗。目前此类器件的提供商有OMM、 朗讯、北电、IMM、Cronos、Memscap、 Calient等公司。

　　2.2 马赫-曾德干涉仪型开关

　　马赫-曾德(M-Z)干涉仪型光开关由两个3 dB耦合器和两个波导臂组成，通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个3 dB的Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。其优点是开关速度快，在微秒量级；缺点是消光比仅20 dB左右。

　　为提高开关速度和实现更低的插入损耗，可利用半导体光放大器集成对称马赫-曾德型全光开关，将半导体光放大器集成在硅基平面干涉仪的两臂上。通过对两臂施加超短控制光脉冲(宽度2 ps，频率10 GHz)，利用半导体光放大器的非线性，实现接近矩形的开关窗口，开关速度不受限于载流子寿命，最快能达到皮秒(ps)量级。

　　在M-Z干涉仪型开关中采用多模干涉耦合器(MMI)替换3 dB耦合器能得到更好的性能。MMI的原理是利用多模波导中的自映像效应，即在传播方向上周期性出现输入场的映像。贝尔实验室报道了4×4光开关的研究结果[2]，研究中使用1个多模干涉耦合器M-Z代替3个1×2的开关，使得器件结构更加紧凑，随之损耗降低为2.8 dB，串扰为35.2 dB。利用这种结构可很容易扩展到8×8、16×16的开关矩阵。

　　2.3 热光效应光开关

　　利用热光效应对光场的调制可用于制造小型的如1×2光开关。通过集成多个1×2光开关也可组成较大的阵列。目前有2种类型热光开关：干涉式光开关、数字光开关(DOS)。干涉式光开关主要利用M-Z干涉原理，在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1×2热光开关由在硅基底上制做的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，消光比可达20 dB，但插入损耗较大，一般为3～4 dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产。目前研究开发商有NTT Electronics、 JDSU、 Corning、 阿尔卡特等公司。热光开关的缺点为响应时间较长，在毫秒量级，开关速度受到限制。

　　2.4 液晶光开关

　　液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能。其典型工作原理如图3所示。图3中在相距一定距离的两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压时(见图3a)，向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子与互相垂直的偏振片A、P的夹角均为45°，此时光透过率最大，开关为通状态；当施加外场E时(见图3b)，液晶分子长轴最终平行于外场(见图3c)，液晶将不影响入射光的偏振特性，此时光的透过率接近于零，开关为断状态；当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，液晶分子的排列会恢复到平行于平板表面，从而最终实现开关状态的相互转换。

图3　液晶光开关工作原理示意图

　　目前液晶光开关的最大端口数为80，消光比为40～50 dB，被认为更适合用于较小的交换系统中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后再合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗(对1×2开关插入损耗为1 dB，对1×8开关插入损耗为2.5 dB)。在开关速度方面，通过加热液晶可以提高速度，但会使设备功耗增加。主要开发制造商包括Corning、Chorum、Kent Optronics等公司。

　　2.5 喷墨气泡光开关

　　Agilent公司利用其喷墨打印技术的优势，开发了一种利用液体的移动来改变光路全反射条件，实现光传播路径改变的光开关。该器件由多条交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕里填充折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。其工作原理是：当入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。这种开关具有毫秒的交换速度，优点是对偏振相关损耗和偏振模色散不敏感，由于器件本身没有活动部件，因而可靠性很好。它可应用在光分插复用设备中，实现任意一根光纤或单波长的上下路，也可以用于光交叉连接设备中。由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由这种光开关组成的网络具有很好的重构性[5]。

　　2.6 光栅开关

　　全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。该技术可以很容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度快，为纳秒(ns)量级，但器件的功耗比较大并需要高电压供电。

　　利用液晶与光栅技术相结合也能实现光开关功能，如将液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面，形成液体光栅。当没有施加电压时，光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。加电压后，光栅消失致使晶体全透明，光信号将直接通过光波导。液体光栅技术的优点是响应时间可达100 μs，插入损耗小于1 dB。由于没有移动部分，可靠性好。另外该器件的功耗比较低，典型功耗值为50 mW。目前光栅开关制造商有Trellis Photonics和Digilens等公司。

　　2.7 声光开关

　　利用声光效应制作的光开关类似声光可调谐滤波器，通过在铌酸锂材料中引入射频(RF)声波，形成波长选择性布拉格光栅，输入光波在沿内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波布拉格光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选择，并在此基础上实现开关功能。该类器件的消光比主要由横电(TE)模和横磁(TM)模的转换效率决定，一般小于20 dB。目前最大端口为256×256，由于没有机械的运动部分，所以可靠性好。对1×2开关，开关速度比较快，为525 ns，缺点是插入损耗较大且成本较高。目前制造商有Gooch and Housego PLC、Light Management group、Brimcom Inc等开发公司。

　　3 光开关器件的新进展

　　目前，光通信网正从高速大容量向智能化方向发展，从长途骨干网向城域网和局域网延伸。通信运营商在提升光网络的容量时，将更加注重光网络的灵活性和可扩展性，以降低运营成本和应对快速变化的市场环境。智能化将是未来光网络发展的主要方向。在器件级上，多项功能集成的器件和参数可调的器件是构建智能化光联网的关键器件。这些可调谐和多项功能集成器件大多与光开关有紧密关系，因此业界对光开关的重视程度在不断加强，促进了各种光开关的发展。

　　3.1 微电子机械开关器件的进展

　　MEMS(微电子机械开关)在经历了2年前一股热潮之后，正处在一个调整和寻求新突破的时期。为了解决三维MEMS开关阵列所遇到的制造上和使用上的种种难题，新原理和新型器件的研究开发十分活跃，几种新型MEMS方案相继提出。

　　CMEMS(Compliant MEMS)中采用高弹性的硅酮橡胶材料来改进因硅材料太硬和太脆造成的问题[6]。硅的杨氏模量高达160 GPa, 但屈服极限很低，造成引起硅部件形变所需的驱动电压较高而形变的程度又不能很大，一般要小于1% 以避免破碎。硅酮橡胶是一种已有50年历史的成熟的材料，可靠性在航天飞机等多种应用中已得到证明。其杨氏模量可低至200 kPa，但又有3个数量级的调整范围。大多硅酮橡胶能够承受200%的形变而不致损坏。利用这些优良的特性，在大大改善MEMS性能的同时，能降低成本和提高成品率。 图4为一种用CMEMS技术研制的原型器件的结构。该法-珀腔原理的可调谐滤波器由3块硅基片组成，其上分别淀积有金属电极、介质反射镜和控制位移的硅酮橡胶层。该结构的细度能够达到2 000以上，并有小于2.5 dB的插入损耗。初步成果表明，硅酮橡胶的引入会给MEMS技术包括光开关技术带来一种新的选择和强劲的竞争可能。

图4 CMEMS可调谐光滤波器结构原理图

　　DMEMS(Diffractive MEMS)的发展同样是为了避免光MEMS开关中硅反射镜的驱动电压高和控制电路复杂的问题。由于是利用衍射而不是反射的原理，DMEMS光开关的结构简单，可用典型的1.0 μm CMOS 工艺线制造[7]。图5为DMEMS 的基本工作原理。图5a显示在硅基片上由空气隙、二氧化硅层和金属电极等构成的一组电容式结构的折射率分布满足布拉格条件，入射光全被反射。图5b显示的则是在静电作用下的部分金属电极之间空气隙变小，使整体结构的折射率分布发生变化，因而入射光被衍射到特定的方向。DMEMS这种简单的类电容器式结构决定了它牢固和可靠，在实验室中经500亿次操作而无性能的劣化。DMEMS技术在制造光开关和可调光衰减器方面有良好的应用前景。

图5　DMEMS基本工作原理

　　在解决光开关阵列规模方面，不同的公司采取了不同的解决方案。一些公司仍在继续用三维MEMS技术开发1 000×1 000以上的大型阵列，但某些制造商已在谋求用小规模的阵列作为模块，以搭积木的方式组合成大规模的阵列。他们认为，这样可以用一些同样的基本模块逐渐按用户需要扩大到相应的规模，成本低、灵活性强。同时可以用二维MEMS避开三维技术中尚未解决的难题。另外，还有人提出用波长选择交叉互连(WXC)方式取代一部分通常的OXC方式，只要用一维MEMS阵列即可，从而可实现复杂程度、功耗和成本的大幅下降[8]。这些用网络结构的改进降低对光开关阵列的要求的思路很有可取之处。

　　由于MEMS光开关既有传统机械光开关的低损耗、低串扰的优点，又有开关速度高、体积小、易于大规模集成等优点。基于MEMS的光交换技术被广泛考虑应用于干线网或大型交换网。虽然当前遇到一些难题，但对其的研究开发却是方兴未艾。

　　3.2 可调谐器件的进展

　　可调谐器件是光联网中必需的组成部分，包括可调谐波长的光源、可调光滤波器、可重配置OADM和OXC、动态增益均衡器和瞬态效应抑制的光放大器、自适应动态可调的色散补偿器等。与固定参数的同类器件相比，可调谐器件能够实现遥控或自动带宽管理，使网络更灵活、可靠和高效。可调光滤波器、可重配置OADM和OXC使得光信号路径和目的地的调整成为可能，从而实现光网络流量的实时操纵。光开关对于这些可调谐器件来讲，有的必不可少，如可重配置OADM；有的可提供新的解决方案，如可调谐波长的光源和可调色散补偿器等。据报道，利用MEMS的外腔半导体激光器波长调谐范围达到16 nm，利用MEMS的光纤放大器动态可调增益均衡器的平坦范围达到了40 nm，文献[3]表明MEMS光开关技术在可调谐器件中将有广泛的应用前景。

　　3.3 多功能集成光开关的进展

　　集成技术主要有三大类：光电集成技术(OEIC)、光子集成技术(PIC)和微光机械技术。光电集成主要实现有源光子器件与电子器件的集成，可将光子元件与它的驱动电子芯片集成在一起；光子集成主要进行无源波导器件的集成，将光开关、可调衰减器和波分复用/解复用器等集成在一起，在一块芯片上实现子系统功能；微光机械则实现微机械结构与光学元件的集成。3种集成技术各有特色，目前都得到重视和发展。与分立器件组成的系统相比，集成器件大大减小了体积，还降低了封装和后续组装工艺的成本。光联网技术的演进对光开关的功能提出了更高的要求。例如在以宽带视频、高清晰度电视和多媒体业务为主的智能化光网中，采用全光的点对多点的连接方式能够极大地扩展网络能力和使用效率[1]。与传统的光/电/光交换或仅具备光点对点连接的光网络相比，全光点对多点连接方式可用最少的波长和波长备份、最少的光收发器实现网络节点间最多的虚连接，使网络得到优化。它的实现要建筑在具有多项功能的光开关器件上。这种器件应具有1×N的开关功能和对通路增益的控制能力，它可以通过把单刀多掷的光开关与可变光衰减器及有关的探测和控制电路集成为一体而得以实现。这种器件在智能光放大器、可重配置OADM和网络检测设备中也将被广泛应用。随着光网络智能化趋势的发展，集成各种有源无源器件的多功能光开关模块将成为研究开发的重点。业界一些领先的公司已在逐渐推出不同集成程度和功能的集成光开关模块或光子交换平台以适应不同厂商的需要。2002年5月，日本NEC公司和美国Tellium公司宣布共同开发了集成光传送-交换单元。其中包括Tellium公司的光开关阵列与StarNet波长管理系统(WMS)以及NEC公司的DWDM光转发器和SpectraWave 网络管理系统(NMS)。据称这是第一个可商用的集成光传送-交换单元，它将节省电信运营商的投资和运行费用，降低功耗和设备的体积。虽然光器件的集成技术尚处于初步发展期，与微电子大规模集成电路技术相比，光电子器件的集成还有很长的路要走，但是它却是使光电子器件包括光开关器件走向小型化、多功能化和生产自动化的必然发展方向。

　　4 结束语

　　随着光联网概念的提出，光开关作为一种至关重要的器件正成为人们关注的焦点。光开关器件特别是多功能集成光开关的进展将对全光网络的发展起到重大推动作用。

　　参考文献

1 Appelman R. All-optical switches: the evolution of optical functionality. Lightwave, Nov 2001:92—99
2 禹培栋等.光开关技术进展.半导体光电, 2001,22(3):149—154
3 Lin L Y. Opportunities and challenges for MEMS in lightwave communications. IEEE J of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002,8(1):163—172
4 Earnshaw M P. Compact, low-loss 4×4 optical switch matrix using multimode interferometers. Electronics Letters, 2001,37(1):115—116
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6 Little M. Compliant MEMS provide stiff competition. Laser Focus World, Mar 2002:117—122
7 Godil A. Diffractive MEMS technology offers a new platform for optical networks. Laser Focus World, May 2002
8 Arent D, Staple B. 1-D MEMS approach to dynamic reconfiguration. Lightwave, Nov 2001:65—75

[摘要] 随着波分复用技术的广泛应用和光联网的发展，光开关将成为组建未来光网络的关键器件。光开关的类型有光微电机械开关、马赫-曾德干涉仪型开关、热光效应光开关、液晶光开关、喷墨气泡光开关、光栅开关和声光开关等。文章概述了这些光开关的原理，并进而介绍了光开关器件的最新进展。

[关键词] 光开关；光联网；光微电机械开关；多功能集成

[Abstract] With the wide application of the DWDM technology and the rapid development of the optical transport network, optical switches will become the key components for the construction of future optical networks. At present, various optical switches in terms of micro-opto-electro-mechanical system, Mach-Zender interferometer, thermo-optic effect, liquid crystals, bubbles, holograms and acousto-optic effect are under comprehensive research and development. In this paper, the basic principles of those devices are illustrated and the state-of-the-art advances of optical switches are introduced.

[Keywords] Optical switch; Optical networking; Micro-opto-electro-mechanical system switch; Multi-function integration