第2章 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，就目前而言，

2、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v光开关（Optical

3、 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络中起着重要作用。光开关和光开关矩

4、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。光开关应用范围主要有：光开关应用范围主要有： (1)

5、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（波导型）两大类; 机械型光开关依靠光纤或光学元件的移动，使光路 断开或关闭。 非机械型光开关则是依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应来改变波导折射率使光路发生改变，完成开关功能。 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

6、它类型的开关。 光开关主要性能参数光开关主要性能参数1. 交换矩阵的大小交换矩阵的大小 光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光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不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、大容量同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信业光传送网中，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加。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，需要提高光开关的交换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能力，如在骨干网上要有超过

7、1000 1000的交换容的交换容量。量。 2. 交换速度 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

8、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

9、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 .而而铌铌酸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. 交换粒度交换粒度： 不同的光网络业务，对交换的需求和光域内使用的交换粒度的需求也有不同的光网络业务，对交换的需求和光域内使用的交换粒度的需求也有所不同。交换粒度可分为所不同。交换粒度可分为3类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交类：波

10、长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需换粒度反映了光开关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网络保护和恢复具有重要意义。求、网络保护和恢复具有重要意义。5. 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。6. 无无阻塞特性：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

11、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。7. 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。8. 稳定性和可靠性稳定性和可靠性 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

12、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。 分为两大类产品：采用微精密电机控制的机械式多通道1N、2N 光开关；采用磁保持的12、22等机械式光开关。 采用磁保持的机械式光开关主要有三种类型：采用棱镜切换光路；采用反射镜切换光路；通过移动光纤切换光路。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

13、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，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。2.3.2 微微电子机

14、械电子机械系统系统光开关光开关v微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Michanical Systems)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

15、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

16、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

17、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。 MEMS器件将电子、机械和光路功能集合于同一芯器件将电子、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、偏振不敏片，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快、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络或体积微小、易于大规模集成。对于未来的

18、骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于大容量业务交换的应用场合，基于MEMS光开关技术的光开关技术的解决方案已成为主流选择。解决方案已成为主流选择。v按功能实现方法，可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点，可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关。v所谓二维是指活动微镜好光纤位于同一平面上，且活动微镜在任一给定时刻要么处于开态，要么处于关态。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