光开关技术进展

2001年6月Jme200年文章编号:1001- 5868( 2001 )03 - 0149 - 06光开关技术进展禹培栋,王国忠,陈明华,谢世钟(清华大学电子工程系北京10084 )摘要:随着密集波分复用技术的应用以及光联网的提出光开关技术已经成为未来光联网的关键技术之-。光开关广泛应用于交叉连接设备、保护倒换、分插复用器等各种设备中。综述了目前已经实用或正在研究的光开关及阵列的各种制作技术包括微光电子机械技术、液晶技术、全息光栅技术以及气泡技术、热光技术及声光技术等详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和应用范围并分析了其发展的趋势。关键词:光开关;光联网;密集波分复用;微光电子机械系统中图分类号: TN25 ;TN929.11文献标识码: ARecent Progress in Optical SwitchingYU Pei-dong , WANG Guo-zhong , CHEN Ming-hua , XIE Shi-zhong( Dept. of Electronic Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China )Abstract : With the application of dense wavelength division multiplexing and the advance in opticaltransport network , optical switching has become one of the key techniques for the future. Optical switches canbe applied in optical cross connects and optical add/ drop multiplexing , etc. In this paper ，many kinds ofmanufacture technologies are presented ,including micro-opto-electro- mechanical- system，liquid crystals , holo-grams, liquid gratings , bubbles , and acousto-optics. Different applications and recent progress of variousswitching technologies are discussed.Key words : optical switching ; optical transport network ; DWDM ; MOEMS1引言2光开关应用范围介绍随着光纤通信技术的发展和密集波分复用光开关是全光交换中的关键器件,可实现在全(DWDM)系统的应用,光联网(OTN)已经成为网络:光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保发展的趋势,光开关技术已经成为未来光联网的关护等功能。目前光开关主要应用包括1-4]:键技术之一。光联网的实现主要依赖于光开关、光( 1 )光交叉连接( 0XC) 0XC由光开关矩阵组滤波器、新一代放大器、密集波分复用技术等器件和成主要实现动态光路径管理、光网络的故障保护、技术的进展。其中DWDM技术的发展是推动光纤灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要通信网络发展的重要因素而光联网的提出将使设有低中国煤化工以及无阻塞运作。目备制造商、电信运营商都面临巨大的机遇与挑战。前微CNMHG术已经在光交换应用中进入了现场实验阶段1]由于其对波长、数据速率和信号格式都透明在不远的将来有希望实现光层收稿日期2000- 10-31.基金项目国家863计划光电子主题项目( 863- 307- 15-3).上的交换;(2)用光开关实现网络的自动保护倒换。当光150半导体光电2001年6月纤断裂或传输发生故障时就可以通过光开关改变mso这种二维技术受光程损耗的限制最大可以实业务的传输路径实现对业务的保护。通常这种保现32x32端口不过可以将多个子系统连接起来形护倒换只需1 x2端口的光开关就可以实现;成更大的交叉矩阵。(3)用1x N光开关实现网络监控。在远端光一般MEMS光开关的开关时间都在毫秒量级,纤测试点通过1x N光开关把多根光纤接到-个光在与其他技术比较中处于劣势。另外,由于MEMS时域反射仪( OTDR )上通过光开关倒换实现对所有光开关是利用微镜的机械转动来实现开关功能的，光纤的监测。另外,利用光开关也可以在光纤线路所以任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它中插入网络分析仪实现网络在线分析;的可靠性降低。驱动结构方面,目前静电和磁感应(4)光纤通信器件测试。光器件、光缆以及子逐渐成为MEMS光开关的主要选择。静电驱动能力系统产品在测试过程中,可以使用光开关同时测试.较低而磁感应驱动还需要解决系统的屏蔽、封装以多个器件，从而简化测试提高效率;及可靠性问题。因此静电驱动方案目前仍是首选,(5)光上下路复用( OADM)。 光上下路复用器而且已经有很多静电驱动的开关产品投入市场。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。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，这样将增加网络配置的灵活性。3各 种光开关技术特点分析传统的光开关技术主要采用波导和机械两种技术。波导开关的开关速度在微秒到亚毫秒量级且图1二维MEMS 8x8光开关体积非常小、易于集成为大规模的矩阵开关阵列但Fig.1 Structure of 2-D MEMS optical switches其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差;光机械开关虽然有比较低的插入损耗和串音效果,MEMS技术利用类似IC的工艺成批加工生产,以及成本较低、设计配置简单,但其设备庞大、可扩从而降低成本这与其他类型开关相比很具有竞争展性一般,不适用于大规模的开关矩阵及0XC应力;另外由于它与光信号的格式、波长、协议、调制方用。目前原有技术得到了进-步的发展同时也涌式、偏振、传输方向等均无关,而且在损耗、扩展性方现了很多新技术,主要包括微光电子机械开关、喷面都要优于其他类型的光开关,与未来光网络发展墨气泡光开关、液晶光开关、全息光栅开关等。所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。基于这些一般考察光开关主要有以下参数:开关速度、优点利用MEMS技术制作的光开关及阵列有可能开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及成为核心光交换器件中的主流。可扩展性等。基于不同的应用各种技术的发展也由于二维方案的端口受限,又出现了如图2所不尽相同。下 面将对这几种主要技术以及相应的应示的三维解决方案,它突破了二维方案的端口限制。在N个输入光纤和N个输出光纤之间使用了2x N用进行分析比较。个微镜每个微镜都有N个可能的位置,从而实现3.1微电子机械光开关MEMS技术已经在很多工业领域得到很广泛的Nx N开关阵列。但其驱动结构非常复杂,成本也应用而在光通信领域基于MEMS的光开关解决方随之增加。案也正在受到业界的推崇。基于MEMS/MOEMS的尽管MEMS技术在开关速度、可靠性方面仍有光开关12]基本原理就是通过静电或其他控制力缺陷,但仍得到了众多公司的推崇技术也在蓬勃发使可以活动的微镜发生机械转动,以改变输入光的展。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1..52 1中国煤化工52 x1..152的大型交传播方向从而实现开关功能。如图1所示为OMM公司的8x8光开关。在中叉连TCHc NMH电交叉连接器提高了间芯片上集成了微镜阵列，以斜线表示通过施加静约两个效重级。Nortel 公可仕2000年初以32.5亿电力可控制其旋转。图中有5个微镜处于反射状美元将其收购。美国Lucent公司推出了Wave StarLamda Router全光波长路由系统其光交叉连接系统态用于实现不同路径的切换其中所有的信号传播可实现256 x256的交叉连接,可节约25%的运行费都是双向的其插损小于4.. dB开关时间小于10..用和99%的能耗。第22卷第3期禹培栋等:光开关技术进展151目前该类光开关的主要提供商有OMM ,ucent ,优势因此具有较大的吸引力。Nortel ,IMM Cronos ,Memscap Calient等公司。输人光纤SOA阵列芯片输出光纤PLC平台波导图2三维MEMS光开关示意图图4混合集成对称 Mz型开关Fig.2 Sketch of 3-D MEMS optial switchesFig.4 Configuration of hybid- inegated synmetrie MzZ swich3.2马赫 曾德干涉仪型开关另外还可以使用多模干涉耦合器( MMI)替换上马赫曾德干涉仪型MZI开关的基本原理与工述开关中的3..dB耦合器。MMI 耦合器利用多模波作于截止状态的电光调制器的相同。如图3所示,导中的自映像效应,即在传播方向上周期性出现输它由两个3..dB耦合器和两个波导臂组成,即在铌入场的映像。由于其结构紧凑、制作容差大功率损.酸锂衬底上制作-对平行光波导 波导两侧和中间耗低将其代替传统的3.dB耦合器而应用于MZI均为表面电极波导两端再分别连接一个3..BY型光开关也受到关注。图5是贝尔实验室2001年型分束器。通过注入电流改变波导臂的折射率，从1月报道的基于1x4 MMI-MZ的4x4光开关4] ,由而使光程相应变化以达到相干增强或相消实现开于其使用I个MMI-MZ代替3个1x2的开关,从而关目的。它的优点是非机械性、速度快,在微秒量使得结构更加紧凑损耗也随之降低,插入损耗为级但缺点也非常明显,它的消光比仅接近20- dB。2.8. . dB串扰为35.2 dBo利用这种结构也很容易扩展为8x8 ,16x 16的开关矩阵。5x(b)' 2(0).1x4 MMI-MZ4x1- 1x44*1-LiNbO,衬底图3马赫~曾德干涉仪型开关Fig.3 Structure of MZI switch .图54x4 MI-MZ非阻塞开关结构为实现更快的开关速度和更低的插入损耗最Fig.5 4x4 non-blocking switch architecture近又出现了利用半导体光放大器的非线性作用制作的混合集成对称马赫曾德型全光开关结构31。如.3.3热光效应光开关图4所示,它将SOA作为非线性波导臂集成在硅热光效应光开关原理就是利用热光效应56]实基平面光电路( PLC)上,并在制作上实现自校准。现对光场的调制,而实现开关功能。-般可制造小通过对干涉仪的两臂施加超短控制光脉冲(宽度为型光开关如1x2,但通过在-块晶片上集成若干2.ps频率为10-.GHz )利用SOA的非线性实现个1x2光开关也可以组成较大的阵列如64 x64。接近矩形的开关窗口而且开关速度不再受限于载现在中国煤化工长开关:数字光开关流子寿命最快能达到皮秒量级。这种结构相比于(DOSMYHCNMHG涉式光开关结构紧使用平行条状无源光波导的器件,有更低的群速度凑但由于对光波长敏感需要进行温度控制。而数色散和吸收损耗,从而能实现更快的开关速度和更字光开关性能稳定只要加热到一定温度光开关就低的插损。但它的消光比仅为18--dB。它的优点能保持开或者断的状态。体现在可以大规模集成另外开关速度方面也颇具图6所示为1x2热光开关,即γ型分路器在152半导体光电2001年6月硅基底上生成矩形波导并在波导分支表面沉积Ti光分为两路偏振光然后把光输入液晶内液晶根据或者Cr以形成微加热器。当对Y型的一个分支加是否加电压来改变光的偏振状态,最后光射到无源热时相应的波导折射率就会发生改变，从而阻止光器件上。当施加电压时液晶分子将平行于外加电沿着这个分支传输。数字光开关可以用硅和高分子场此时光被阻断,而没有外加电压时光可以透过,聚合物制作后者功耗小,但插损大。而另-种热光从而实现开关的两个状态。开关一干 涉式光开关利用MZ干涉原理,在两个如图8所示在两平板之间均匀排列着向列相波导臂上镀金属薄膜加热器而形成相位延时器通液晶当没有外加电压时,如图中( a )所示向列相液.过控制加热器实现干涉的相长或相消,达到开关目晶的指向大致平行于平板表面液晶分子与互相垂的。由于硅的导热率较高，这种干涉式结构开关主直的偏振片A,P的夹角均为45°此时光透过率最要是利用硅材料制作。大当施加外场E时液晶分子长轴最终平行于外场液晶将不会影响入射光的偏振特性,此时光的透薄膜加热器过率接近于零,即图8( a)( b )为开关的两个状态;c兄，当撤掉外场时,由于表面作用和液晶的弹性作用分输入占2子的排列会从(b)恢复到(a),最终实现开关状态的转换。实际中也可以利用其他液晶材料如铁电液图6 1x2热光开关晶。使用双稳态铁电液晶,器件的功耗相比于Fig.6 Sketch of 1 x 2 thermal- optic switchMEMS技术将更低。热光开关的缺点是控制响应时间较长即开关E速度受到限制在毫秒量级。目前对波导材料的研究更多的由硅转向了有机聚合物。聚合物的导热率较低,但热光系数高插损一般为3~4.. dB消光比P为20..dB.44热光开关阵列可以和阵列波导光栅( AWG )集断(ab)成在-起组成光分插复用器并采用聚合物来实现。因为AWG对温度敏感,而聚合物可把热量保持在图8光开关示意图光开关部分。AKZO NOBEL公司早在1991年就已Fig.8 Sketch of liquid crystal switch经推出了聚合物DOS,如图7所示。目前聚合物热液晶光开关的优点在于其理论上网络重构性光开关已经进入规模生产。目前该类开关的研究开发商主要有NTT Elec-可能比较好,但是目前最大端口数为80,因此液晶tronics ,JDSU ,Corning ,Alcatel和AKZO NOBEL等公被认为更适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把它们合起司。来如果两束光的传播路径稍有不同便会产生插损输人口输出1.(对1x2开关为1..dB ,1x8开关为2.5..dB),目前输人2输出2消光比为40~ 50..dB。开关速度方面,可以通过加热液晶来提高速度,但这不可避免地使设备功耗增输人3输出3加。另外更多的商家开始研究基于液晶的可调光输人4输出4衰减器;由于与偏振相关，也可用于制作偏振模色散补偿器。图74x4 数字光开关南懂花千究开发商有Corning,Fig.7 Schematic of digital optical switches中国煤化工Choru3.5-WYHCNMHG3.4 液晶光开关Agilent公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种大部分液晶光开关7是根据施加外部电场控制技术，开发出一种二维光交叉连接系统,如图9所液晶分子方向而实现开关功能的。典型的液晶器件示。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点包括无源和有源部分。其工作原理为:首先把输入第22卷第3期禹培栋等:光开关技术进展153的刻痕组成刻痕里填充--种折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。这种气泡开关的工作原理就是,当有入射光照入并需要交换时, - 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。目前Agilent公司已经制造出32x32光开关子系统其损耗为4.5..dB并且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换矩阵。其开关响应时间小于10 ms ,可以用于光纤保护倒换。图10全息光栅开关Fig. 10 Structure of holographic switchesDigilens公司在此基础上提出了液体光栅技术,即把液晶微滴置于高分子层面上然后沉积在硅波导.上面并形成液体光栅。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。它与全息光栅开关的区别就在于液体光图9气泡开关栅可以通过施加电压来产生或者消除。Fig. 9 Structure of bubble switches液体光栅技术的优点是速度快和插入损耗小。根据Digilens公司报道，这种光开关的响应时间为这种开关的优点是对偏振相关损耗和偏振模100..us插入损耗小于1..dB。由于没有移动部分,色散都不敏感。由于器件本身没有可活动部件,因可靠性比较好。另外器件的功率消耗比较低典型此可靠性很好,可以满足电信应用中时间可靠性要值为50-.mW。液体光栅技术的缺点是仅能实现单求。同时这种光开关可以大批量生产。另外这种波长的切换，无法实现MEMS技术的光纤到光纤的光开关可以应用在光分插复用设备中实现任意一切换。根光纤或单波长的上下路,也可以用于光交叉连接声光开关设备中。由于子系统中任意-根波导可以连接到另声光开关就是利用声光效应制作的光开关10] ,外一根波导上所以由其组成的网络具有很好的重其基本原理是利用声波来反射光类似声光可调谐构性。滤波器通过在铌酸锂材料中引入射频声波形成波目前这类开关的提供商有Agilent公司。长选择性布拉格光栅输入光波在沿内部有声波的3.6全息光栅开关波导传输时其偏振在波长与声波布喇格光栅匹配全息光栅开关工作原理实际上就是依靠布喇格时将发生变化从而利用偏振分束器就可以实现波光栅实现对光的选择性反射。如图10所示通过全长选择并在此基础上实现开关功能。息的形式在晶体内部生成布喇格光栅9]当加电时，图11所示为声光开关的基本组成单元:声光布喇格光栅把光反射到输出端口反之光就直接通TE/TM转换器11]通过声波和光波的相互作用实现过晶体。这种技术的优点是可以很容易地组成上千TE/TM的转换。该器件的消光比主要由TE模和端口的光交换系统并且它的开关速度非常快为纳TM模的转换效率决定-般都小于20..dB。目前秒量级。由于没有可移动器件,可靠性比较好器件光波导的损耗较低,但功率消耗比较大。Trellis Photonics公司报道了240 x 240端口的交换系统的插损低于4..中国煤化工TM,TEdB端到端的重复性也比较好,但是它的功耗比较MHCNMHG大并且需要高电压供电。这种技术可以跟三维换能器声波导MEMS技术竞争,纳秒量级的交换速度使其可以用于未来的光路由器中。图11声光TE/TM转换器Fig.1l Integrated acousto- optic TE/TM converter154半导体光电2001年6月其最大端口为256 x 256 ,由于没有机械的运动部分，enhanced polymer digital optial switch based on a W-shape所以可靠性好。对1x2开关根据Brimcom公司报[J] IEEE Photon. Tech. Lett. ,2000,12 1):40-41.道其插损可以做到2.5.dB ,开关速度比较快为[6] GohT,Yasu M , Httori K ,et al. Lowlos and high extinc-525.. ns缺点是成本较高。tion- ratio silica- based strictly nonblocking 16 x 16 thermoopticmatrix switch[ J ] IEEE Photon. Tech. Lett. ，1998, 10 .目前研究开发商有Gooch and Housegp PLC ,Light(6):810- 812.Management Group ,Brimcom Ine .等公司。[7] Riza N A. Reconfigurable wavelength add-drop fitering based4结语on a Banyan network topology and frelectric liquid crystalfiber-optie switche[ J]. J. of Lightwave Technol. ,1999 ,17随着光联网概念的提出光开关技术已经成为(9):1-.575- 1.. 584.未来光联网的关键技术之一。本文综述了目前已经[8] Fouquet J E. Compact , scalable Cross connect switch usingtotal internal rflction due to thermally-generated bubbles实用或正在研究的光开关及其阵列的各种技术研究[C] LEOS Proceedings of the 1998 11th Annual Meeting进展,包括MOEMS技术、液晶技术、MZI技术、全息IEEE Lasers and Electro-optics Society , Part 2( of 2) Dec.光栅技术以及气泡技术、热光技术、声光技术等分1-4 ,1998 : 169- 170.析比较了各种技术在制作开关方面的特点,包括速[9] Agranat , Aharon J. Electroholographic wavelengh seletive度、可靠性、功耗、可扩展性等。由于光开关在网络crossconnec[ C ]. LEOS Summer Topical Meeting Proceed-组成和网络故障恢复方面的应用,市场前景十分光ings of the 1999 IEEE/LEOS Summer Topical Meeting on明，而新技术的出现尤其是MEMS技术将极大地Nanostructures and Quantum Dots, Jul 26- Jul 27 , 1999 :推动光纤通信系统的发展。1I61 - I162.6[ 10] Dai , Enguang. High speed integrated acousto-optice switch参考文献:with high extinction ratid C] Optical Fiber CommunicationConference , Mar7- Mar 10 , 2000: 139- 141.[1] Femandez M , Kruglic E. MEMS technology ushers in a new[11 ] Tian F , Hermann H. Interchannel interference in multi-wavelength operationof integrated acousto-optical filters andage in optical switchin[ J ]. Lightwave , 2000 , August : 146.switche[ J]. J. Lightwave Technol. ,1995 , 13(6):1..[2] LinL Y , Goldstein E L, Tkach R W. Free space microma-146- 1..154.chined optical switches for optical networkin[ J]. IEEEJ. ofSelected Topics in Quantum Electron. ,1998 ,5 1):4-9.[3] Morito K. Dynamic analysis of MZI-SOA all optical switches作者简介:禹培栋( 1977- ),男,1999年毕for balanced switching[ A ]. 23rd European Conference onOptical Communication[ C],1997 ,2:81- 84.中国煤化工学电子工程系现为[4] Farshaw M P. Compact，low-loss 4/spl times/4 opticalMHCNMHG ,主要从事光纤通信switch matrix using multimode interferometer[ J]. Elctron.糸统仿具和微光电子机械系统Lett. ,2001 ,37 :115 - 116.方面的研究工作。[5] Siebel ..U，. Haufle ..R , Petermann .K. . Cross .E-mail : yu99 @ mails. tsinghua. edu. cn