全光通信中的光开关技术

摘要：光开关是实现全光交换的核心器件，光开关的研究已成为全光通信领域研究的焦点。本文首先对光开关的原理进行归纳，总结光开关的应用范围。对传统机械式光开关、微电子机械式光开关、热光开关进行了进一步地划分，分析了它们的结构形式和性能特点。设计了光开关性能评价指标体系，对常见的4种光开关进行了定性与定量对比，指出不同类型光开关的优点和不足之处。最后依据全光通信网的发展趋势，指出大容量、高速、透明、低损耗是光开关的重点发展方向。
关键词：光开关；微电子机械式光开关；热光开关；全光通信

光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构——自动交换光网络(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(Optical Cross—connect，OXC)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。OXC技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。

1 光开关的应用范围
光开关(Optical Switch，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。光开关基本的形式是2x2：即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接，如图1所示。较大型的空分光交换单元可由基本的2x2光开关以及相应的1x2光开关级联、组合构成。

光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接(Optical Cross-connect，OXC)的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多种，它们在不同场合中有不同用途。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统、光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心、光插／分复用、光学测试、光传感系统等。

2 主要光开关类型研究
依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。
2．1 传统机械光开光
目前应用最为广泛的仍是传统的1x2和2x2机械式光开关。传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合到输出端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。
机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。移动棱镜光开关的基本结构如图2所示。光纤与起准直作用的透镜(准直器)相连，并固定不动，通过移动棱镜改变输入、输出端口间的光路。反射镜型光开关工作原理如图3所示。当反射镜未进入光路时，光开关处于直通状态，光纤1进入的光进入光纤4，光纤2进入的光进入光纤3；当反射镜处于两光线的交点位置时，光开关处于交叉状态，光纤1进入的光进入到光纤3，光纤2进入的光进入光纤4从而实现光路的切换。移动光纤型光开关如图4所示，是固定一端的光纤，移动另一端的光纤与固定光纤的不同端口相耦合，实现光路的切换。这类光开关回波损耗低，且受外界环境温度影响大，并没有形成真正意义上的商用化产品。我国国内商用化光开关主要是移动棱镜和反射镜型的。

机械型光开关的优点是插入损耗低(1 dB)、隔离度高(>45 dB)与波长和偏振无关，制作技术成熟。缺点在于开关动作时间较长(ms量级)，体积偏大，且不