全光通信中的光開關(guān)技術(shù)

摘要：光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)全光交換的核心器件，光開關(guān)的研究已成為全光通信領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。本文首先對(duì)光開關(guān)的原理進(jìn)行歸納，總結(jié)光開關(guān)的應(yīng)用范圍。對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)、微電子機(jī)械式光開關(guān)、熱光開關(guān)進(jìn)行了進(jìn)一步地劃分，分析了它們的結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了光開關(guān)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)常見的4種光開關(guān)進(jìn)行了定性與定量對(duì)比，指出不同類型光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。最后依據(jù)全光通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，指出大容量、高速、透明、低損耗是光開關(guān)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：光開關(guān)；微電子機(jī)械式光開關(guān)；熱光開關(guān)；全光通信

光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來(lái)了革命性的變革，目前世界大約85％的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長(zhǎng)途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，而且對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，它的核心節(jié)點(diǎn)由光交叉連接(Optical Cross—connect，OXC)設(shè)備構(gòu)成，通過OXC，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)選路和對(duì)光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效地管理。OXC技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。
光開關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分配等功能，對(duì)解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)爭(zhēng)用，提高波長(zhǎng)重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。隨著光傳送網(wǎng)向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的生存能力、網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換和恢復(fù)問題成為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題，而光開關(guān)在光層的保護(hù)倒換對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)和恢復(fù)起到了更為重要的作用。

1 光開關(guān)的應(yīng)用范圍
光開關(guān)(Optical Switch，OS)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。光開關(guān)基本的形式是2x2：即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：平行連接和交叉連接，如圖1所示。較大型的空分光交換單元可由基本的2x2光開關(guān)以及相應(yīng)的1x2光開關(guān)級(jí)聯(lián)、組合構(gòu)成。

光開關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，在波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長(zhǎng)適配、再生和時(shí)鐘提??；在光時(shí)分復(fù)用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用；在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是光交叉連接(Optical Cross-connect，OXC)的關(guān)鍵器件，也是波長(zhǎng)變換的重要器件。根據(jù)光開關(guān)的輸入和輸出端口數(shù)，可分為1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多種，它們?cè)诓煌瑘?chǎng)合中有不同用途。其應(yīng)用范圍主要有：光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng)、光纖測(cè)試中的光源控制、網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、光器件的測(cè)試、構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心、光插／分復(fù)用、光學(xué)測(cè)試、光傳感系統(tǒng)等。

2 主要光開關(guān)類型研究
依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法有多種，如：傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)、微機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、電光開關(guān)和聲光開關(guān)等。其中傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)、微機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)因其各自的特點(diǎn)在不同場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
2．1 傳統(tǒng)機(jī)械光開光
目前應(yīng)用最為廣泛的仍是傳統(tǒng)的1x2和2x2機(jī)械式光開關(guān)。傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)可通過移動(dòng)光纖將光直接耦合到輸出端，采用棱鏡、反射鏡切換光路，將光直接送到或反射到輸出端。
機(jī)械式光開關(guān)分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術(shù)，二是采用反射鏡切換技術(shù)，三是通過移動(dòng)光纖切換光路。移動(dòng)棱鏡光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。光纖與起準(zhǔn)直作用的透鏡(準(zhǔn)直器)相連，并固定不動(dòng)，通過移動(dòng)棱鏡改變輸入、輸出端口間的光路。反射鏡型光開關(guān)工作原理如圖3所示。當(dāng)反射鏡未進(jìn)入光路時(shí)，光開關(guān)處于直通狀態(tài)，光纖1進(jìn)入的光進(jìn)入光纖4，光纖2進(jìn)入的光進(jìn)入光纖3；當(dāng)反射鏡處于兩光線的交點(diǎn)位置時(shí)，光開關(guān)處于交叉狀態(tài)，光纖1進(jìn)入的光進(jìn)入到光纖3，光纖2進(jìn)入的光進(jìn)入光纖4從而實(shí)現(xiàn)光路的切換。移動(dòng)光纖型光開關(guān)如圖4所示，是固定一端的光纖，移動(dòng)另一端的光纖與固定光纖的不同端口相耦合，實(shí)現(xiàn)光路的切換。這類光開關(guān)回波損耗低，且受外界環(huán)境溫度影響大，并沒有形成真正意義上的商用化產(chǎn)品。我國(guó)國(guó)內(nèi)商用化光開關(guān)主要是移動(dòng)棱鏡和反射鏡型的。