光开关的技术现状和展望

作者：武汉大学电子信息学院 李洪涛 何对燕

欢迎访问e展厅 展厅 8 开关/断路器/接触器展厅 熔断器, 断路器, 保险丝, 接触器, 过载保护器, ... 光开关是光通信的关键部件，是近年来通信领域的研究热点。文章从光开关的实现方式等方面介绍了光开关的研究与生产现状，重点介绍了MEMS光开关的研究与应用，对光开关发展趋势作了分析。 1、 引言 光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有许多应用场合，是光通信、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。干涉仪型依赖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，则依赖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。 2、 技术现状 这里讨论的光开关现状，主要集中于已经取得的技术与应用或商业上有希望接受的技术与应用。应用决定了要求，所以就从已经取得商业成就的应用或近期有望实现的应用，来开始评述光开关。近年来，除了改进传统类型光开关之外，光开关的研究与开发也采用了新的技术、新的机理和新的材料，光开关的规模越来越大(已达到上千乘上千的端口数)，切换速度不断提高(如LiNbO3波导电光效应的光开关已达到纳秒量级)，集成化程度越来越高。 2.1 非干涉仪型开关 非干涉仪型开关可用较大变化的方式做出，通常不要求反馈来确定状态，光机型或某些热开关就属于这种类型。 2．1．1 微机械开关 微机械开关技术是多学科交叉的新兴领域，融合了微电子与精密机械加工技术，包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机电于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。对于光纤系统来说，微机械开关技术已经成为探讨开关组件未来发展的一个极有希望的入门途径。已经报道过的很多微机械光开关有两个基本途径：或者通过微机械器件把光线运载到与微机械器件相连的波导或光纤上，或者用微机械元件来引导在自由空间传播的光束。微机械光开关现在处于研究或发展阶段，某些类型的商品供应大概不会太远了。 使用准直光束和N×N交叉点上的微机械，可移动镜面，非常直接地实现N×N交叉点开关矩阵。镜面通常位于衬底上，在光束以外，但是可翻转，来截获光束并使它改变方向。最近这样的开关已经采用微机械制造工艺实现了，如图1所示[1]。其表现出的开关时间在100μs以内。这样的开关并不限于把一组光束耦合到需要传播的角度上的另外一组光束，例如该器件可切换按60°间隔安排的三束光线，也可以使用前后侧两方面的镜面来偏转光束。在所有的情况中，单一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等开关，其中N为被耦合的光束组的数量。同时这种构造导致了阻塞开关，而将这类开关装配到多级无阻塞开关中的方法已经被找到[2]。 微机械开关还可用于以上所描述的光束制导开关类似的方式，利用自由空间传播。这类开关应建立在微镜面的平面矩阵的基础上，如德克萨斯仪器公司出品的执行1×N开关功能的开关。微机械镜面通常并排放在衬底上，但是可被倾斜在平面以外，以把入射光束反射到多路输出的一个位置。各种各样的波导和基于光纤的微机械开关已经制成。基于光纤的微机械器件使用微机械宋产生移动光纤的驱动器。这些要求用比纯集成光器件所需要的更复杂的装配，但是反映光纤特性的光学性质通常是很好的。已经报道过使用两个V形槽阵列横向地变换硅微台面的1×N光纤开关[3]。 尽管率先将MEMS光开关商用化的OMM公司在2003年3月因最后获得资金的希望破灭而暂时关闭，2002年Onix倒闭，IMMI转向以及2001年Xros被Nortel收购， 目前仍有不少的机构(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等)在进行MEMS光开关的应用开发。2001年7月OMM公司的二维MEMS光开关通过Telcordia(GR-1073-Core)可靠性测试，工作3800万次无一失效，消除了人们对MEMS技术可靠性的疑虑。 2．1．2 光机型开关 光机型开关通过光束路径的实际位移而路由光线。这些开关有赖于机械驱动，诸如电子继电器、步进电机和压电元件等。光机型开关可提供性能卓越的光学参数，诸如损耗、串扰、色散和其他的光谱与偏振相关性等。其他的技术竞争仅仅在尺寸、开关速度和可靠性等问题上。 最普通的光机型开关的途径，就是典型的梯度折射率型透镜，它使到达输入光纤的光线准直，形成了在自由空间中的传播束。准直器可被移动，或准直光束可被镜面或棱镜横断，以指引光线到第二透镜，第二透镜将光束聚焦到输出光纤。基于镜面的系统通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的开关，准直器的棱镜运动和实际运动都是典型的大范围1×N开关。使用棱镜运动用于开关达到1×8，而通常使用准直器的运动用于较慢的开关维数达到1×100。 2．1．3 绝热开关 通过半导体中的载流子注入，或在LiNbO3中的普克尔效应，对折射率的控制是可实现的，但是器件的长度很大，因为开关过程限于非常小的分支角度。在允许器件很长而不受成本限制的材料中，制造这样的器件是有益的。折射率热控制潜在地提供了一种使用非晶态材料的方式，但是要求非常大的热效率就不能使用玻璃了。以聚合物为基础的波导，由于它们的折射率对温度的强烈依赖关系，都极其适合热光应用。可是，不能使用标准的现成的聚合物，因为它们在通信中所用的波长窗口中的损耗太大了。一些公司诸如Akzo Nobel公司等，已经为此目的而发展了具有非常低的本征光吸收损耗的专业光学聚合物，对于1．3和1．5μm两个窗口都很好地低于0．1dB／cm。已经验证了以这种材料为基础的片型波导具有的损耗大约为0．08dB／cm。 建立在绝热模展开基础上的聚合物波导开关以1×2到1×8开关的配置，以及诸如在单一密封外壳中的4个1×2s或4个2×2s开关集成阵列，都有现成的商品(JDS Uniphase)。这些绝热聚合物开关，一般都有毫秒级开关时间及普遍良好的光特性，胜过干涉仪型设计的最重要的优点，可能是由于这类开关曲线的“数字”本性，它导致了偏振、波长、驱动电压等与温度低的依赖性。例如，这些绝热开关可被同时用于1．3和1．5μm窗口中的光信号，具有相同的串扰与隔离值。还有，更复杂的器件，诸如绝热开关技术中集成的8×8开关等，都仅要求一个普通的驱动电压来驱动每个独立的开关单元，而不像干涉仪型开关组件那样，所有的开关经常需要有一组精确的电压设定。对于集成的路由器-选择器矩阵，这一点成为主要优点，因为一个8×8开关有112个基本的1×2开关单元，这就意味着要驱动224个电极。 2．1．4 液晶偏振开关 大部分液晶偏振光开关是根据用外电场控制液晶分子的取向而实现开关功能的，如图2所示。在液晶盒内装着相列液晶。通光的两端安置两块透明的电极。未加电场时，液晶分子沿电极平板方向排列，与液晶盒外的两块正交的偏振片A和B的偏振方向成45°，如图2(a)所示。这样液晶具有旋光性，入射光通过起偏器A先变为线偏振光，经过液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，两者的折射率不同(速度不同)，有一定相位差，在盒内传播盒长距离上后，引起光的偏振面发生90°旋转，因此不受检偏器A阻挡，器件为开启状态。当施加电场召时，液晶分子平行于电场方向，因此液晶不影响光的偏振特性，此时光的透射率接近于零，处于关闭态，如图2(b)所示。撤去电场，由于液晶分子的弹性和表面作用又恢复原开启态。这种开关靠分子转动，因此开关速度较慢(μs量级)。 2．2 干涉仪型开关 干涉仪型开关通过将输入光分裂成两个或者更多的波导通路，这些光线在输出端再重新组合。因为器件很小，并且光纤中的光信号的相干长度经常很大，于是重新组合时形成干涉条纹。输出波导会接收到对应于开关的“关”状态的暗条纹，或对应于“开”状态的亮条纹，这样就产生了门功能。对器件的控制要求，是能够控制在不伺臂中传播的光相位差。 2．2．1 普克尔效应开关 在铌酸锂中制造的高速马赫-曾德尔调制器[4]，作为已经有商品供应的普克尔效应开关，是通过修整绝缘缓冲层的电性能，或通过用没有直流偏置来调整器件运行，已经给器件提出了电压稳定性问题。这些器件被用来作为2．5Gb／s和10Gb／s的通信系统的外部调整器，并已经示范过工作在40Gb／s的研究器件。这些器件在整个直接调制或电吸收调制上有几个优点，首先，外部调制器把光产生与光调制分开，增强了光源的波长稳定性。随着可调激光器被用于通信系统，这个优点会变得日益重要。其次，外部调制器可设计成具有特殊啁啾值，或具有可变啁啾，来补偿光纤色散。一般这种器件有3-4dB的插损、5V的调制电压和15-20dB的衰减比。在很多器件中，其他功能诸如相位调制器或可变衰减器等，都被与调制器集成在一起，以增强系统的功能和性能。 2．2．2 克尔效应开关 克尔效应，亦即由光强度通过材料中的三阶光非线性度直接控制折射率，逐一提供光信号的直接控制。它支撑着在目前还是研究课题的甚高速光逻辑器件的技术发展。现在能很容易产生的甚短(fs)、甚强的多种光信号，可直接在光纤或半导体波导中相互影响，已经达到了数百Gb／s的光数字式运行。可是，由于强度拖累，克尔效应开关在广泛使用的带宽与强度的路由光信号方面并没有作用。 2．2．3 热驱动干涉仪开关 热驱动干涉仪开关阵列在矩阵大小、串扰和损耗等方面，已经达到可与铌酸锂技术相比较的能力，而且这些器件对于偏振相对不敏感。另一方面它们很慢，需要很大功率，并且要求非常精确地制造一个基于“平面光路”设计的8×8全交叉点矩阵，已经验证损耗为-14dB，最坏情况的串扰为-18dB和重新配置时间低至1．3ms。与聚合物波导中的8×8绝热开关的性能相比较是有很大意义的，绝热开关的损耗为-10．7dB，最坏情况的串扰为-30dB和1ms的重新配置时间。 3、 技术展望 光开关包含了各种各样的技术，某些处在发展之中，而某些则处在具有商业使用价值的成熟阶段。目前，机电式光开关支配着商品的供应，在光通信领域中，光开关可以集成在各种光网络设备(OXC、OADM等)中。另外光开关在光纤测试系统、光纤网络、光信息处理等领域也有广泛的应用。例如，用于光交叉连接设备(OXC)，可直接进行光路切换，避免了光-电—光的转换过程，对不同的数据速率和协议是透明的，不仅节省了费用，而且提高了系统的信噪比。光开关矩阵还可以使任一输入端与任一输出端连接，由光开关矩阵构成的OXC主要用于核心光网络的交叉连接，实现光网络的故障保护、动态的路由管理、灵活地增加新业务等。根据Frost＆Sullivan公司的市场分析报告，2001年骨干网和城域网上的OXC销售额为3．36亿美元，预计到2006年将达到60亿美元。还可以用于光分插复用(OADM)，直接在光路上对不同波长的信号实现分出或插入功能。此外，用于光网络的保护倒换，当光纤断裂或网络发生传输故障时，利用光开关将光信号切换到备用通路，实现对业务的保护和网络的及时修复。据美国CIR公司的最新市场报告，仅美国保护光开关的市场将由2001年的1．26亿美元跃升到2005年的4．79亿美元。在光纤测试系统中，在光纤测试点通过N×1光开关把多根光纤连接到一个光时域反射计(OTDR)上，通过光开关的倒换实现对所有光纤的监测，也可以用于光纤器件的调试。 波分复用传输的出现，被广泛地看作是光开关发展新阶段的预兆，其中在速度、尺寸、可靠性、容量和制造的经济性等方面新的要求将开始起作用。现在在很多研究机构中，正在探索第二代开关技术，但是目前还不清楚究竟需要什么技术。在21世纪，和目前在世界范围上的波分复用技术的发展相类似，光开关将很容易呈现出商机与科学的机会。 4、 结语 文中对光开关技术的现状和发展趋势作了分析介绍，其发展趋势总体说来是向着高可靠、低损耗、小功耗、小体积以及大规模方向发展。光开关可以与其他无源或有源器件构成组合模块，以提高集成性，降低成本，比如与波分复用／解复用构成OADM、OXC等。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/1/2005)