• 当前位置:首页>>光纤通信教程>>光线通信技术应用>>通信系统中光开关的现状及发展前景
  • 通信系统中光开关的现状及发展前景

  •  
        华中科技大学光电子工程系 杨俊 阮玉
         摘 要
        
           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:Digital optical switches)和干涉型光开关(Interferometric switches)。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,导致其下面的波导的折射率发生变化,从而实现光的开关动作。
        
           声光开关:在这种开关中,声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10us。由于没有移动部分,可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分,使用电和计算机控制声光偏转装置,能在几个微秒内将输入信号送到输出端,转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发了自己的声光开关,其1×2光开关的交换速度是525ns,相对损耗为2.5db。
        
           波导型光开关:波导型光开关是最近发展的光开关,采用波导结构。它同样利用电光、声光、热光、磁光效应。最一般的介质波导是平板波导结构,它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。衬底、薄膜层以及覆盖层底折射率分别为ns、nf、n c ,光在薄膜层中传播的条件,必须满足nf >ns> n c。由于其体积小,可用于大规模的OXC中。
        
           磁光开关:磁光开关原理是利用法拉第旋光效应,通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用,从而达到切换光路的效果。相对于传统的机械式光开关,它具有开关速度快,稳定性高等优势,而相对于其他的非机械式光开关,它又具有驱动电压低、串扰小等优势,可以预见在不久的将来,磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。
        
         三、国内外的研究情况
        
           目前国内各光学器件生产厂家都还没有磁光开关的成品上市,国外有很多公司已经研制出或者正处于研发阶段,目前在这方面处于领先地位的外国公司有:Primanex、agiltron等。
        
           下面简单介绍一下这两个公司磁光开关的性能指标
        
         Primanex公司2×2磁光开关的性能参数见下表:
        
         1、光学特性参数:
        
        

    [1] [2] 下一页  

  • 上一篇:光网络走向多业务与智能化
    下一篇:智能光网络的标准化进程