第2章 全光通信网-光开关(1)

1、第第 二二 章章 光光 开开 关关 v随着随着Internet的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展，的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展， 全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高速率、全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高速率、 超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话路与分超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上下话路与分 插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由 选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。 v就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统，

2、就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统， 即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连 接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和完善，接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和完善， 100信道以上的光通信系统还需要光分插复用（信道以上的光通信系统还需要光分插复用（OADM） 技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（OXC） 技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。 2.1光开关的应用范围光开关的应用范围

3、 v光开关（Optical Switching:OS） 是一种具有一个或多个可选择的传输 窗口，可对光传输线路或集成光路中的光 信号进行相互转换或逻辑操作的器件。 光开关基本的形式光开关基本的形式 光开关基本的形式是光开关基本的形式是22: 即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态： 平行连接平行连接和和交叉连接交叉连接 a)平行状态平行状态 b)交叉状态交叉状态 大型的空分光交换单元可以由基本的大型的空分光交换单元可以由基本的22光开关以及相应的光开关以及相应的 12光开关级联、组合构成。光开关级联、组合构成。 光开关和光开关矩阵在全光网

4、络中起着重要作用。光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用。 v在在WDM传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟 提取；提取； v在光时分复用（在光时分复用（TDM）系统中，光开关可用于解复用；）系统中，光开关可用于解复用； v在全光交换系统中，光开关是在全光交换系统中，光开关是OXC的关键器件，也是波长变的关键器件，也是波长变 换的重要器件。换的重要器件。 v根据光开关的输入和输出端口数，可分为根据光开关的输入和输出端口数，可分为11、12， 1N、22、2N、MN等多种，它们在不同场合中有等多种，它们在不同场合中有 不同用途。不同用途。

5、光开关应用范围主要有：光开关应用范围主要有： (1)光网络的保护倒换系统 (2)光纤测试中的光源控制 (3)网络性能的实时监控系统 (4)光器件的测试 (5)构建OXC设备的交换核心 (6)光分插复用 (7)光传感系统 (8)光学测试 2.2光开关的分类和主要性能参数光开关的分类和主要性能参数 v按其工作原理: 机械式和非机械式两大类; v按光开关利用光自由度的方式: 空分型、波分型、时分型、自由空间型; v依据光开关的交换介质: 自由空间交换光开关、波导光开关、全光开关和其 它类型的开关。 光开关主要性能参数光开关主要性能参数 v1. 交换矩阵的大小交换矩阵的大小 v 光开关交换矩阵的大小反

6、映了光开关的交换能力。光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。 光开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也光开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也 不同。在高速、大容量不同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信光传送网中，随着通信 业务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增业务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增 加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的 交换能力，如在骨干网上要有超过交换能力，如在骨干网上要有超过1000 1000的交的交 换容量。换容量。 2. 交换速度 交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交

7、换速度上有两个交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两个 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 个个ms时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对SDH来说，来说， 当故障业务重新选路时，当故障业务重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使用户感的交换时间几乎可以使用户感 觉不到故障。觉不到故障。 当交换时间到达当交换时间到达ns量级时，可以支持光因特网的分组交换，量级时，可以支持光因特网的分组交换， 这也是光路由器的目标。但目前由于读取光信头和光存储技这也是光路由器的目标。但目前

8、由于读取光信头和光存储技 术的不成熟，光路由器仍有很大困难。术的不成熟，光路由器仍有很大困难。 3. 插入损耗插入损耗 光信号通过光开关时，能量将被损耗。光信号通过光开关时，能量将被损耗。 插入损耗插入损耗 : 输入端口到输出端口的光功率的损耗输入端口到输出端口的光功率的损耗 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。一般来说，时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说， 自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液

9、晶光开关和晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约光开关的损耗较低，大约1 -2dB .而妮酸而妮酸 锂和固体光开关的损耗较大，大约锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响左右。损耗特性影响 到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。 4. 串扰：串扰： 由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他 通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比 特性有直接的关系。特性有直接的关系。

10、 5. 阻塞特性：阻塞特性： 严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端 的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。 光开关要求具有严格无阻塞特性。光开关要求具有严格无阻塞特性。 6. 升级能力升级能力 基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一 些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很 多开关结构可容易地升级为88或3232，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 7. 稳定性和可靠性稳定性和可

11、靠性 光开关应具有良好的稳定性和可靠性。在长时间使用和 频繁动作的情况下，光开关应有良好的连接的稳定性、 重复性和可靠性。有些情况（如用做保护倒换开关时）， 光开关动作的次数可能很少，此时，维持光开关的状态 是更主要的因素。 2.3 MEMS光开关光开关 2.3.1传统的机械光开关 机械光开关:依靠光纤或光学元件（透镜或 反射镜）的移动使光路发生改变，将光直 接送到或反射到输出端。 1. 棱镜式光开关示意图 2. 反射镜型光开关示意图 3. 移动光纤型光开关 机械式光开关优缺点机械式光开关优缺点 v优点优点 是插入损耗低是插入损耗低(45dB)与波长和偏与波长和偏 振无关，制作技术成熟。振无关

12、，制作技术成熟。 v缺点缺点 在于开关动作时间较长（在于开关动作时间较长（msms量级）；体积偏大，且不量级）；体积偏大，且不 易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重复性差易做成大型的光开关矩阵；有时还存在回跳抖动和重复性差 的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应用，但随着的问题。机械型光开关在最近几年已得到广泛应用，但随着 光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容 量光传送网发展的需求。量光传送网发展的需求。 微机电系统微机电系统 v微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical S

13、ystems)构成的微机电光开关已成为构成的微机电光开关已成为DWDM网网 中大容量光交换技术的主流。中大容量光交换技术的主流。 v它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体 工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微 反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号 可切换到不同输出光纤的微机电系统。可切换到不同输出光纤的微机电系统。 v通常微反射镜的通常微反射镜的尺寸尺寸只有只有140 m 150 m，驱动，驱动 力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。力可以利用热力

14、效应、磁力效应和静电效应产生。 v这种器件的这种器件的特点特点是体积小、消光比大是体积小、消光比大(60dB左右左右)、 对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中(约约 5ms)，插入损耗小于，插入损耗小于1 dB。 微机械光开关优缺点微机械光开关优缺点 v具有机械光开关和波导光开关的优点，却具有机械光开关和波导光开关的优点，却 克服了它们所固有的缺点；克服了它们所固有的缺点； v采用了机械光开关的原理，但又能象波导采用了机械光开关的原理，但又能象波导 开关那样，集成在单片硅基上；开关那样，集成在单片硅基上； v基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。基于围绕微机

15、械中枢转动的自由移动镜面。 v主要开发商有美国主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表、德克萨斯仪表 公司和康宁等公司。公司和康宁等公司。 微电机系统微电机系统(MEMS )光开关光开关 MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是）是 指一种在半导体材料（如指一种在半导体材料（如Si）上制作微机械结构的集成）上制作微机械结构的集成 工艺。将工艺。将MEMS技术应用于光子交换领域，出现了新型技术应用于光子交换领域，出现了新型 的微机械光开关的微机械光开关(MEOMS )。 基本原理：基本原理：利用静电效应将外部激励转化为某种机利用静电效应将外部激励转化为某种

16、机 械动作，通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之械动作，通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之 发生旋转，从而改变光束传播方向。发生旋转，从而改变光束传播方向。 MEOMS器件将电子、机械和光路功能集合于同一器件将电子、机械和光路功能集合于同一 芯片，既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不芯片，既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不 敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较 快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网 络或大容量业务交换的应用场合，基于络或大容量业务交换的

17、应用场合，基于MEMS光开关技光开关技 术的解决方案已成为主流选择。术的解决方案已成为主流选择。 二维二维微电机系统微电机系统(MEMS )光开关示意图光开关示意图 二维二维MEMS开关需要开关需要N2个微镜来个微镜来 完成完成NN自由空间光交叉连接自由空间光交叉连接 二维二维微镜转动示意图微镜转动示意图 三维三维MEMS光开关光开关 三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在 N路输入光纤和路输入光纤和N路输出光纤之间使用了路输出光纤之间使用了2N个微镜，每个微个微镜，每个微 镜有镜有N个可能的位置，从而实现个可能的位置，从而实现NN开关矩阵。开关矩阵。 开关微镜及其阵列的显微照片开关微镜及其阵列的显微照片 在在2001年的年的OFC会议上，朗讯公司已报导他们会议上，朗讯公司已报导他们 研制的研制的1296 1296端口的端口的MEMS光交叉连接节光交叉连接节 点，其单纤端口传送容量为点，其单纤端口传送容量为1.6Tbit/s（单纤复（单纤复 用用40个信道，每路信道传送个信道，每路信道传送40Gbit/s