全光网络与光开关技术概述.docx

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全光网络与光开关技术概述

单位代码11834

学号_**********

密级___一级____

课程设计

全光网络与光开关技术概述

院（系）名称

信息工程学院

专业名称

光电信息工程

学生姓名

熊凤华

指导教师

李利平

2014年6月8日

关于光开关技术的概述

摘要

随着现代社会对信息传输容量和速度要求的不断提高，基于密集波分复用技术和全光交换技术的全光网络将成为新一代高速宽带综合业务网络首选。

光开关作为全光交换的核心器件，它的作用也日益突出，主要应用于全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接及自愈保护等功能。

同时，随着通信速率的飞速增长，对光开关的开关速度等指标提出了更高的要求。

光控光开关，即全光开关，因为有着稳定、高速、大容量、无须光电转换等许多优点，越来越受到研究者的重视。

光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有很多应用场合，是光通讯、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件之一。

广义上来说，光开关可以分为两个类型：

干涉仪型和非干涉仪型。

干涉仪型依靠于光路之中的相位关系，通过普克尔（Pockels）效应或热效应一般就可以达到相位控制。

这类器件对环境非常敏感，尤其是对环境温度。

它们对控制信号有循环响应，这些控制信号通常需要对光输出进行监视，亦即反馈，以维持所要求的状态。

方向耦合器就是典型的干涉仪型开关。

非干涉仪型可用多种多样的方式制成，它们对偏振、波长、温度和其他影响的敏感性低于干涉仪型器件，要控制这些影响很困难。

对于非干涉仪型光开关，开关功能的动态范围（或开关比）可以非常高，而另一方面，在干涉仪型开关中的动态范围，则依靠于干涉束的光功率的精确平衡，而且通常精度较低并较难保持。

本文将对课题的背景进行简要说明，并对比分析目前该课题国内外研究的现状，指出课题研究的意义。

背景进行简要说明，并对比分析目前该课题国内外研究的现状，指出课题研究的意义。

其中详细分析了不同技术原理光开关的优缺点。

其次，交待出本次课题研究所需要的研究条件，阐述光开关设计制作方面的关键技术。

最后，对本次课题研究进行总结。

关键词：

光开关、干涉仪型光开关、非干涉仪型光开关、8×8及16×16光开关阵列

第1章绪论

1.1全光网络与光开关

最近几年来通信网络的传输和交换容量增长如此迅速，特别是INTERNET、电子商务、数字音频、视频分布业务的飞速发展，通信流量出现了爆炸式增长，用户对网络带宽的需求越来越大，对现有的电信传输网络带来了巨大的压力，因此，建设高速大容量的宽带综合业务网络已经成为现代信息技术发展的必然趋势。

在众多的网络技术方案中，基于电子技术的网络方案受到器件工作的物理限制，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，为此，在干线传输方面，采用密集波分复用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing,DWDM）技术进行光纤宽带的充分挖掘，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突破进展；在交换方面，传输速率越高，交叉连接规模越大，多级体系结构中的电子交换构件的电子互联就会越复杂、越笨重、成本越昂贵，加之电子器件的极限限制，传统的电子设备在交换容量上再难有本质的提高，交换过程带来的“电子瓶颈”问题就成为限制通信网络吞吐能力的主要因素，只有采用光互联方能克服上述局限。

因此，从当前信息技术发展的潮流来看，基于光纤的全光网络方案因能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输交换的“电子瓶颈”，并能在很长时间内适应高速宽带需要而成为新一代高速宽带综合业务网络首选[1]。

所谓全光网络（AllOpticalNetwork,AON），就是指网络中直到端节点之间的信号通路保持着光的形式，即端到端的链路中间没有光电转换。

也就是，只有信号在进入和离开网络时才进行电/光和光/电转换，而在网络中的传输和交换过程中始终以光的形式存在[2]。

从技术层面而言，AON是建立在DWDM技术基础上的高速宽带通信网，在干线上采用DWDM技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器（OpticalAddDropMultiplexer,OADM）、光交叉连接器（OpticalCrossingConnector,OXC）来实现，并通过光纤接入技术实现光纤到家（FiberToTheHome,FTTH）。

由于全光网络中的信号传输与交换均在光域内进行，则可以允许存在各种不同的协议和编码形式，使信息传输具有透明性，解决了电子器件处理信息速率难以提高的问题，因此全光网络成为宽带通信网未来的发展目标。

全光网的关键技术是WDM传输技术和全光交换技术。

在这两方面，光开关都起着重要作用。

在WDM传输技术中，波长切换，波长适配，光定时的提取，光码流再生等功能，将需要多种不同类型的光开关来完成。

在WDM全光交换技术中，用于光交叉连接的光交换矩阵，控制交叉连接的全光逻辑以及选择波长路由时所必需的波长交换，都离不开光开关。

因此，光开关是全光网的基本器件之一，也是当前阻碍全光网发展的关键技术之一[3~5]。

1.2光开关技术及进展

1.2.1光开关的应用领域

光开关的应用范围很广[3]，前面已经提到了一些，下面将具体地介绍一下光开关的主要应用领域。

1.自动保护切换

现在大多数光纤网络都由两条以上的路由连接到一个节点上，一旦光纤系

统某处发生故障，通过光开关来实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由

上，这在高速通信系统中尤为重要，这是一种简单的开关方式，通常采用1×2

光开关就可以实现。

2.网络监视

在远端光纤测试点上，可以使用一个1×N光开关，将多根光纤连接到一

个光时域反射计（OTDR）上，通过光开关切换实现对所有光纤的监测。

另外，利用光开关也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析，而不干扰正常的网络信息传输。

3.元器件测试

采用多通道光开关，一个测试仪表通过切换与特测器件相连接的各个开关通道，可以在同一处测试多种光器件，不用把每个器件都单独与仪表连接，从而可简化测试，提高效率，降低成本。

4.光交叉连接（OXC）

在全光网络中，OXC起着重要的作用，它的功能是将一个波分复用（WDM）系统输出的任意波长切换到另一个WDM系统中。

OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行光信号汇聚和交换，它要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。

5.光交叉复用（OADM）

光分叉复用器是光网络关键设备之一，主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下。

这里需要的光开关必须具有波长选择功能，只对选择的波长实行开关操作。

1.2.2光开关的性能指标

光开关的性能参数有：

交换速度、开关阈值功率、开关矩阵规模、损耗、无阻塞特性、升级能力、串扰、可靠性以及可扩展性等。

交换矩阵规模：

光开关的交换矩阵的规模反映了光开关的交换能力。

处于网络中位置的不同，对其交换矩阵规模要求也不同。

如在骨干网上要有超过1000×1000的交换容量。

随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。

交换速度：

交换速度是衡量光开关性能的重要指标。

在目前的系统中所需要的开关速度一般在1—100ms之间，对于未来10Gb/s、40Gb/s甚至更高的传输系统则需要微秒级的光开关。

交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。

系统中的故障自愈保护首先需要考虑的是操作时间，操作时间过长就会导致严重的传输数据丢失。

当交换时间到达ns量级时，可以支持光互联网的分组交换。

损耗：

当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。

光开关损耗的产生主要有两个原因：

光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。

依据功率预算设计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。

损耗和干扰将影响到功率预算。

一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。

目前系统中较普遍的要求是：

插损小于1.5dB。

无阻塞特性：

无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。

大型或级联光开关的阻塞特性更为明显，光开关要求具有严格无堵塞特性。

升级能力：

基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。

很多开关结构可容易地升级为8×8或32×32，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上。

可靠性和重复性：

满足大容量通信系统要求，必须保证可靠性和非常低的

故障率。

在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。

有些情况（如保护倒换），光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。

光开关之间的串扰、隔离度、消光比等也影响网络性能。

尤其是当光开关进行级联时，严重影响网络的性能。

随着光通信技术的飞速发展，新的光网络核心器件技术对光开关提出了更高的要求。

在光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；在器件的体积上，由于全光网单元器件的增多，为使器件小型化，就要求器件有更高的集成度；在成本方面，由于网络的扩充，所需器件将会大大增加，由此也带来了光网络设备高昂的成本。

因此，必须采取技术措施，发展新技术，降低光器件的成本，这样才能被用户所接受。

1.2.3几种新型光开关的技术特点分析

作为重要的光通讯器件，人们对光开关与光开关阵列的研究已经有二三十

年的历史。

由于对器件材料、器件工作原理、加工工艺等方面知识和研究的不

断进展，光开关与光开关阵列的类型也呈现出多元化发展趋势。

1.热光效应光开关[4]

热光效应光开关基于介质的热光效应，即介质本身的折射率随温度变化的

特征，主要由两种类型：

数字光开关和干涉仪光开关。

干涉仪光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制。

数字光开关性能稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持通应的状态。

热光开关的尺寸都比较小，但是驱动需要很大功率，而且串音和损耗等光学特征相对较差。

2.液晶光开关[5]

液晶光开关是基于扭向列性液晶的旋光方向随着外加电场的方向而改变的

原理，是一种偏振相关的光开关方案，典型的液晶器件包括无源和有源部分。

无源器件（光滤波器）把输入光分为两路偏振光，之后把光输入液晶内；利用液晶的电光效应，通过是否加电压来改变光的偏振态；最后，当光入射到无源光器件上，无源光器件就可根据光的偏振态把光输出到预定的输出端口。

其缺点就是由于将一束光分成偏振方向不同的两束，再最后合并起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插损。

其优点则是，从理论上来讲，网络重构性比较好。

3.喷墨气泡光开关[6]

喷墨气泡光开关是Agilent公司利用其喷墨打印机技术开发的光开关，气泡表面相当于一面反射镜，通过气泡的生成和消除实现光路切换，完成开关功能，显然如何很好地控制和维持气泡状态以及解决封装后内部材料和液体的生存时间是该方案的关键所在。

由于器件本身没有可活动部件，可满足电信应用中时间可靠性要求。

但是这种开关有两个重要的问题：

一是如何很好地控制开关的状态，如开关频繁动作或长期维持气泡的状态；另一个是开关封装后，其内部材料和液体的生存时间问题。

4.全息光栅开关[7]

全息光栅开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关，波长敏感性和功耗问题同样困扰着全息光开关方案。

利用这种技术可以很容易地组成成千端口的光交换系统。

并且它的开关速度很快，只需几个纳秒即可实现两个波长的交换。

由于无可移动器件，它的可靠性可能比较好。

其不足就是功耗比较大，需要高电压供电。

5.微机电光开关[8]

微机械（Micro-electro-mechanicalOpticalSwitches，MEMS）光开关是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，其各项性能足以满足DWDM全光网的技术要求，已经显示出良好的开发应用前景。

MEMS光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。

MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au、Al等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。

MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和电铸抗蚀剂喷涂工艺。

MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。

6.液体光栅开关[9]

液体光栅开关技术是液晶技术和全息技术的综合。

液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面。

当没有施加电压时，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，而加上电压时，光栅消失即晶体是全透明的，光信号将直接通过光波导。

目前正在生产和研究的光开关，大多是电控的光开关，这些开关不仅存在着光电转换困难，而且开关速度较慢。

为使光通信和光网络真正实现全光化，采用以光控光的全光开关是必要的，这样使光交换和光路由可以完全在光域范围内实现，而且开关时间可以缩短到纳秒以下。

1.3光控光开关的研究现状及分析

现在光控光开关已经提出了多种方案，研究主要集中在光纤及其他波导结构，比如硅波导，半导体波导的三阶非线性特征分析和开关结构的设计和制作方面。

其中比较成熟的有非线性耦合器型光开关、Mach-Zehnder型光控光开关、非线性Sagnac干涉仪光开关、以及用光放大器（EDFA或SOA）构成的光开关等。

1.3.1非线性耦合器型

自从1981年S.M.Jensen首次描述了非线性耦合器的耦合特性以来[10]，非线性光波导耦合器得到了广泛的研究。

非线性耦合器是耦合波导芯埋在非线性材料中，使其耦合过程发生变化，其结构如图1-1所示。

考虑到损耗、克尔非线性，通过计算发现耦合器两个臂内的传输常数发生不同变化，从而使原本对称匹配的耦合器变成了非对称相位不匹配的耦合器，耦合能量随着耦合长的增加而不断减少。

对于原本信号光完全由交叉臂输出的耦合器，随着信号光功率的增加耦合区域内自相位调制作用（光克尔作用）增强，发生耦合的能量将逐渐减小最终信号光不再发生耦合，全部从直通臂输出，这就是非线耦合器光开关的原理，显然这是一种自作用的开关，利用信号光功率本身的变化改变输出端口。

这种开关依靠克尔效应，开关速度很快，但是目前的波导材料非线性系数都很小，而耦合器的长度又很短，因而开关功率很大，在千瓦量级，不可能实际应用。

1.3.2Mach-Zehnder型光开关

Mach-Zehnder型光开关是目前研究最多，使用最多的一种结构，它是一种干涉仪型光开关。

它是由两个相同的3dB耦合器串结构成，见图1-2，光的输出口取决于输出光强所造成的两臂的相位差，因此两臂通常不对称，可以取其长度不同或折射率不同。

随着信号光功率增加，两个干涉臂内克尔效应产生的非线性相移差增加，如果二者的非线性相移差达到π时，即可实现光的干涉相长输出，完成光开关过程。

由于开关是基于光的克尔效应，因而开关功率很大，通过增加两个干涉臂的长度差可以降低开关功率，但是这样不利于器件的小型化和集成化。

另一方面，对称M-Z型结构已经被应用于研究和制造超快全光开关，其原理是利用两束控制光分别注入到两段非线性波导臂中，使其相互间的逆相位非线性光学效应相消，所以就实现了超高速断开[11]。

1.3.3非线性Sagnac干涉仪光开关

非线性Sagnac干涉仪光开关是光克尔效应和Sagnac干涉仪的结合，以其优良的性能已经成为一种极富吸引力的全光开关[12]，其工作原理如图1-3所示，它是通过一段光纤连接一个2×2的3dB耦合器的输出端构成的，图中的环行器用于分离入射信号和反射信号，这种结构具有高度的对称性，无论是否存在非线性，所有的入射信号都将从入射端口输出，因而也被称之为环形反射镜。

可以通过改变耦合器的分光比或在环内非对称地加入一放大器改变两束光的强度，利用环内光纤的克尔效应改变环内两个信号光间的位相差，来改变信号光的输出端口，实现开关。

TakahideSakamoto等人采用加入了HNL-DSF（highlynonlineardispersion-shiftedfiber）的NOLM光开关，完成了峰值能量在4W左右，0.5ps的脉冲序列的波长转换器的研制。

也就是说NOLM开关具有ps级的开关速度。

同时，新材料的引入和应用也提高了光控光开关的开关速度[13]，降低了损耗，推动了光控光开关的发展。

随着全光网络的逐步建立，高速光控光开光的研制和应用也将更加广泛和深入，光控光开关的结构形式也将更加多样化。

1.4本章小结

本章主要通过全光网络的介绍引出光开关的重要性和市场需求，进一步引出光开关在发展中的核心问题进行讨论，从而进一步介绍了光开关的引用范围和重要作用。

其中还对光开关的重要性能指标做出说明，最后又介绍了几种典型的光开关，并对他们的技术指标和工作机理和它们的优缺点又做出进一步介绍。

第2章光开关阵列简述

2.1基于M-Z干涉仪的光开关矩阵设计

2.1.1M-Z干涉仪的原理

如图2.2所示，M-Z干涉仪是由两个3dB的耦合器经过两条相同长度的波导臂连接，在波导臂上通过镀金属薄膜加热器或其它方法形成相位调节器以产生相移。

波导一般生成在硅基衬底上。

当没有相移产生时，输入信号经过两个分支在输出端口发生相干加强而输出；如果使光信号发生了大小为π的相移，则信号将在输出端发生干涉相消，这样实现对光路开关的控制。

图2.1M-Z干涉仪原理示意图

2.1.2光开关矩阵的性能参数

在光学性能方面光开关矩阵的主要性能参数有：

开关矩阵的大小、交换速度、损耗、无阻塞特性、升级能力、可靠性等。

其中开关矩阵的大小是光开关矩阵交换能力的体现。

损耗是必须考虑的一个重要指标，损耗直接反映了交换矩阵性能的优劣。

而为了保证信号在矩阵内部传输路径的畅通，就必须考虑其无阻塞特性。

矩阵的升级能力会影响到其适用的范围，比如骨干网的开关矩阵就要有一定的升级能力。

还有要考虑的就是矩阵的可靠性，作为光网络中重要部分，不能经常发生故障，即便发生故障也要能够快速便捷的修复才行。

2.2基于MEMS的光开关矩阵设计

微机电系统MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystems）是在微电子技术及其微加工技术上发展起来的多学科交叉的新技术,它在通信领域主要应用在两个方面:

一是光通信中,称为MOEMS（OpticalMEMS）,另外是在无线通信中,简称为RFMEMS（RadioFrequencyMEMS）〔2〕。

根据材料的机械特性,结合MOEMS技术,可把各种光学组件、微电子电路集成在一块芯片上,同时兼顾系统的小型化,使得电、光、机械匹配、统一、协调的工作,提高了整个系统的性能。

当前已经通过MOMES技术制造出各种器件或系统如光耦合器、光调制器、光开关和光检测器件等。

微机电系统（MEMS）光开关与现有的其他类型光开关相比具有插入损耗小、串扰小、工作稳定等优点,能实现一定规模的集成而构成空间光开关矩阵,因而成为了全光网络中的关键器件。

本文综述了当前国内、国际上研制出的一些典型的MEMS光开关,包括了它们的基础理论、性能参数、微细加工工艺等,并探讨了它们在光网络中应用。

2.2.1MEMS静电式光开关

图2.2所示的为1×8光开关阵列的核心部件反射单元,该反射单元利用电火花加工（EDM）方法研制,其体积仅为4mm×4mm。

整个单元包括驱动机构和运动机构。

驱动机构由线圈和线圈顶部极性相对放置的2块1.0mm×1.0mm×1.0mm的条形永磁铁构成。

运动部件由摆杆、100μm的转轴和轴承构成,线圈套于摆杆上。

1.5mm×1.5mm的微反射镜（经准直器准直后的光束束腰直径实测为0.43±0.02mm）焊接固定于摆杆顶端,摆杆底端与集成组装于下层基板上的转轴焊接。

图2.2　反射单元结构示意图　图2.3　应用有源垂直耦合器的空间光开关矩阵

微反射单元工作原理为:

当线圈两端接通5V电脉冲时,将使摆杆磁化。

此时,摆杆装有微镜的一端将同时受到永磁铁1、2的合力作用,摆向并停靠在与自身极性相异的磁铁一端。

线圈两端电脉冲的方向决定了摆杆的运动方向和停靠状态,正向脉冲驱动微镜进入光路,反向脉冲使微镜离开光路,从而达到快速移动微反射镜,实现光路转换。

状态切换完成后,摆杆在永磁体作用下保持当前工作状态的稳定,实现断电自锁。

1×8开关的核心部分由8个反射单元构成的阵列和上下两层基板组成。

光信号的输入、输出由9个焊接固定于上层基板的光纤准直器完成。

微镜反射单元集成于下层基板,每个反射单元由独立的电信号驱动。

当触发信号驱动某反射单元时,对应微镜进入光路,输入光束经该微镜反射后,从相应端口输出。

该开关由5V电压驱动电磁机构动作,带动微反射镜绕直径100μm转轴转动,实现开关的状态换。

开关时间2ms,插入损耗小于0.8dB,且具有断电自锁功能。

2.2.2MEMS光发大器的可扩展型的光开关矩阵

MEMS半导体光放大器（SOA）光开关是属于另类性质的MEMS光开关,它主要是利用半导体材料的离子效应使得复合材料的折射率发生了变化,最后导致光传播方向的变化从而实现光开关的功能。

该类MEMS光开关具有较高开关速度（纳秒量级）、低插入损耗、低串扰等优点,具有宽的增益带宽、低偏振相关以及体积小、便于扩展、可集成性等特性。

而且,它是迄今为止在开关规模可扩展的情况下唯一可以具有净增益（其它类型光开关皆有插入损耗）的高速光开关矩阵。

图2.4是应用垂直耦合器的交叉点结构的4x4空间光开关矩阵,其尺寸面积仅为1.5mm2（250μm×250μm）。

其工作原理是利用光在两层波导垂直方向上的耦合,从而可将任何输入信号垂直地转入任何输出端。

其光开关单元如图2.5所示,它采用了独立的正交立体分层结构。

开关处的晶片分层剖面如图6所示,在InP衬底（100）面上通过MOCVD生长得到InGaAsP/InP晶片。

该开关矩阵有两层波导层,上层波导芯是1550nm波长的有源层,它包括5个未掺杂6.5nmInGaAs量子阱和Q1.26（4元化合物,波长1.26nm）势垒层。

下层波导芯也采用多量子阱结构。

两种波导芯层均为0.3μm厚,中间隔着1.2μm厚的InP间隔层。

图2.4　光开关基本单元　图2.5　晶体分层剖面

晶片上形成的两组垂直相交的脊形波导分别作为输入和输出波导。

波导的宽度为3μm,波导之间的间隔为250μm。

顶端的有源层从交叉点处开始向输入和输出端口有200μm的扩展。

耦合器有源层的波导以布儒斯特角刻蚀面终结,可以减小背向反射。

垂直方向的光定向耦合器在顶部的有源波导层和下部的无源波导层之间形成。

在有源层内有一个完全的内部微机械反射镜（TIR）,它垂直地穿过波导的交叉口。

当向有源层中注入载流子时,耦合器的上部有源层的折射率发生了改变,从而改变了垂直耦合器的耦合程度,这就是它的交换原理。

在“开”态,由于载流子的注入,使得顶端有源波导的有效折射率降低到和下端无源波导一致。

这样,输入光信号的大部分将从无源波导耦合进上层的有源波导,接着被TIR反射,然后从上层波导耦合到输出波导。

注入的载流子亦对信号提供增益,这样极有利于得到较高的消光比。

在“关”态（无载流子的注入）时,只有特别弱的光信号耦合进有源波导,且在上层有源波导对残留的耦合过来的信号有很强的吸收特性,从而使得串扰特别的小。