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北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關(guān)）

光開關(guān)是光通訊的關(guān)鍵部件，是近年來通訊領(lǐng)域的研究熱門。文章從光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面先容了光開關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點(diǎn)先容了MEMS光開關(guān)的研究與應(yīng)用，對(duì)光開關(guān)發(fā)展趨勢(shì)作了分析。

1、 引言 

 光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)光束在時(shí)間、空間、波長上的切換，在光網(wǎng)絡(luò)中有很多應(yīng)用場合，是光通訊、光計(jì)算機(jī)、光信息處理等光信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。 廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個(gè)類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依靠于光路之中的相位關(guān)系，通過普克爾(Pockels)效應(yīng)或熱效應(yīng)一般就可以達(dá)到相位控制。這類器件對(duì)環(huán)境非常敏感，尤其是對(duì)環(huán)境溫度。它們對(duì)控制信號(hào)有循環(huán)響應(yīng)，這些控制信號(hào)通常需要對(duì)光輸出進(jìn)行探測，亦即反饋，以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對(duì)偏振、波長、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對(duì)于非干涉儀型光開關(guān)，開關(guān)功能的動(dòng)態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(guān)中的動(dòng)態(tài)范圍，則依靠于干涉束的光功率的平衡，而且通常精度較低并較難保持。

2、 技術(shù)現(xiàn)狀

這里討論的光開關(guān)現(xiàn)狀，主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應(yīng)用或貿(mào)易上有?？唇邮艿募夹g(shù)與應(yīng)用。應(yīng)用決定了要求，所以就從已經(jīng)取得貿(mào)易成就的應(yīng)用或近期有看實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，來開始評(píng)述光開關(guān)。近年來，除了改進(jìn)傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù))，切換速度不斷進(jìn)步(如LiNbO3波導(dǎo)電光效應(yīng)的光開關(guān)已達(dá)到納秒量級(jí))，集成化程度越來越高。

2.1 非干涉儀型光開關(guān)

   非干涉儀型光開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機(jī)型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。

2．1．1 微機(jī)械光開關(guān)

   微機(jī)械光開關(guān)技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)，包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米標(biāo)準(zhǔn)的零件、部件或集光機(jī)電于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對(duì)于光纖系統(tǒng)來說，微機(jī)械光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個(gè)極有?？吹倪M(jìn)門途徑。已經(jīng)報(bào)道過的很多微機(jī)械光開關(guān)有兩個(gè)基本途徑：或者通過微機(jī)械器件把光線運(yùn)載到與微機(jī)械器件相連的波導(dǎo)或光纖上，或者用微機(jī)械元件來引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供給大概不會(huì)太遠(yuǎn)了。

   使用準(zhǔn)直光束和N×N交叉點(diǎn)上的微機(jī)械，可移動(dòng)鏡面，非常直接地實(shí)現(xiàn)N×N交叉點(diǎn)光開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。zui近這樣的開關(guān)已經(jīng)采用微機(jī)械制造工藝實(shí)現(xiàn)了，如圖1所示[1]。其表現(xiàn)出的開關(guān)時(shí)間在100μs以內(nèi)。這樣的光開關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線，也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等光開關(guān)，其中N為被耦合的光束組的數(shù)目。同時(shí)這種構(gòu)造導(dǎo)致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級(jí)無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。

微機(jī)械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(guān)應(yīng)建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上，如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1×N光開關(guān)功能的開關(guān)。微機(jī)械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把進(jìn)射光束反射到多路輸出的一個(gè)位置。各種各樣的波導(dǎo)和基于光纖的微機(jī)械開關(guān)已經(jīng)制成?；诠饫w的微機(jī)械器件使用微機(jī)械宋產(chǎn)生移動(dòng)光纖的驅(qū)動(dòng)器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復(fù)雜的裝配，但是反映光纖特性的光學(xué)性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報(bào)道過使用兩個(gè)V形槽陣列橫向地變換硅微臺(tái)面的1×N光開關(guān)3]。

盡管將MEMS光開關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因zui后獲得資金的?？椿脺缍鴷簳r(shí)封閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nor收購， 目前仍有不少的機(jī)構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nor等)在進(jìn)行MEMS光開關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過cordia(GR-1073-Core)可靠性測試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對(duì)MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。

2．1．2 光機(jī)型光開關(guān)

   光機(jī)型光開關(guān)通過光束路徑的實(shí)際位移而路由光線。這些光開關(guān)有賴于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，諸如電子繼電器、步進(jìn)電機(jī)和壓電元件等。光機(jī)型開關(guān)可提供性能的光學(xué)參數(shù)，諸如損耗、串?dāng)_、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競爭僅僅在尺寸、開關(guān)速度和可靠性等題目上。

zui普通的光機(jī)型光開關(guān)的途徑，就是典型的梯度折射率型透鏡，它使到達(dá)輸進(jìn)光纖的光線準(zhǔn)直，形成了在自由空間中的傳播束。準(zhǔn)直器可被移動(dòng)，或準(zhǔn)直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖。基于鏡面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的光開關(guān)，準(zhǔn)直器的棱鏡運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)都是典型的大范圍1×N光開關(guān)。使用棱鏡運(yùn)動(dòng)用于光開關(guān)達(dá)到1×8，而通常使用準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)用于較慢的光開關(guān)維數(shù)達(dá)到1×100。

2．1．3 盡熱光開關(guān)

    通過半導(dǎo)體中的載流子注進(jìn)，或在LiNbO3中的普克爾效應(yīng)，對(duì)折射率的控制是可實(shí)現(xiàn)的，但是器件的長度很大，由于開關(guān)過程限于非常小的分支角度。在答應(yīng)器件很長而不受本錢限制的材料中，制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛伏地提供了一種使用非晶態(tài)材料的方式，但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎(chǔ)的波導(dǎo)，由于它們的折射率對(duì)溫度的強(qiáng)烈依靠關(guān)系，都極其適合熱光應(yīng)用?？墒?，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成的聚合物，由于它們?cè)谕ㄓ嵵兴玫牟ㄩL窗口中的損耗太大了。一些公司諸如Akzo Nobel公司等，已經(jīng)為此目的而發(fā)展了具有非常低的本征光吸收損耗的專業(yè)光學(xué)聚合物，對(duì)于1．3和1．5μm兩個(gè)窗口都很好地低于0．1dB／cm。已經(jīng)驗(yàn)證了以這種材料為基礎(chǔ)的片型波導(dǎo)具有的損耗大約為0．08dB／cm。

    建立在盡熱模展開基礎(chǔ)上的聚合物波導(dǎo)開關(guān)以1×2到1×8光開關(guān)的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個(gè)1×2s或4個(gè)2×2s光開關(guān)集成陣列，都有現(xiàn)成的商品(JDS Uniphase)。這些盡熱聚合物光開關(guān)，一般都有毫秒級(jí)開關(guān)時(shí)間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設(shè)計(jì)的zui重要的優(yōu)點(diǎn)，可能是由于這類光開關(guān)曲線的“數(shù)字”本性，它導(dǎo)致了偏振、波長、驅(qū)動(dòng)電壓等與溫度低的依靠性。例如，這些盡熱開關(guān)可被同時(shí)用于1．3和1．5μm窗口中的光信號(hào)，具有相同的串?dāng)_與隔離值。還有，更復(fù)雜的器件，諸如盡熱光開關(guān)技術(shù)中集成的8×8光開關(guān)等，都僅要求一個(gè)普通的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)每個(gè)獨(dú)立的光開關(guān)單元，而不像干涉儀型開關(guān)組件那樣，所有的開關(guān)經(jīng)常需要有一組的電壓設(shè)定。對(duì)于集成的路由器-選擇器矩陣，這一點(diǎn)成為主要優(yōu)點(diǎn)，由于一個(gè)8×8光開關(guān)有112個(gè)基本的1×2光開關(guān)單元，這就意味著要驅(qū)動(dòng)224個(gè)電極。

2．1．4 液晶偏振光開關(guān)

    大部分液晶偏振光開關(guān)是根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的，如圖2所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶。通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場時(shí)，液晶分子沿電極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片A和B的偏振方向成45°，如圖2(a)所示。這樣液晶具有旋光性，進(jìn)射光通過起偏器A先變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同(速度不同)，有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長間隔上后，引起光的偏振面發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開啟狀態(tài)。當(dāng)施加電場召時(shí)，液晶分子平行于電場方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時(shí)光的透射率接近于零，處于封閉態(tài)，如圖2(b)所示。撤往電場，由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復(fù)原開啟態(tài)。這種開關(guān)靠分子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此開關(guān)速度較慢(μs量級(jí))。

2．2 干涉儀型光開關(guān)

   干涉儀型光開關(guān)通過將輸進(jìn)光分開成兩個(gè)或者更多的波導(dǎo)通路，這些光線在輸出端再重新組合。由于器件很小，并且光纖中的光信號(hào)的相干長度經(jīng)常很大，于是重新組合時(shí)形成干涉條紋。輸出波導(dǎo)會(huì)接收到對(duì)應(yīng)于開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)的暗條紋，或?qū)?yīng)于“開”狀態(tài)的亮條紋，這樣就產(chǎn)生了門功能。對(duì)器件的控制要求，是能夠控制在不伺臂中傳播的光相位差。

2．2．1 普克爾效應(yīng)光開關(guān)

    在鈮酸鋰中制造的高速馬赫-曾德爾調(diào)制器[4]，作為已經(jīng)有商品供給的普克爾效應(yīng)光開關(guān)，是通過修整盡緣緩沖層的電性能，或通過用沒有直流偏置來調(diào)整器件運(yùn)行，已經(jīng)給器件提出了電壓穩(wěn)定性題目。這些器件被用來作為2．5Gb／s和10Gb／s的通訊系統(tǒng)的外部調(diào)整器，并已經(jīng)示范過工作在40Gb／s的研究器件。這些器件在整個(gè)直接調(diào)制或電吸收調(diào)制上有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，外部調(diào)制器把光產(chǎn)生與光調(diào)制分開，增強(qiáng)了光源的波長穩(wěn)定性。隨著可調(diào)激光器被用于通訊系統(tǒng)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得日益重要。其次，外部調(diào)制器可設(shè)計(jì)成具有特殊啁啾值，或具有可變啁啾，來補(bǔ)償光纖色散。一般這種器件有3-4dB的插損、5V的調(diào)制電壓和15-20dB的衰減比。在很多器件中，其他功能諸如相位調(diào)制器或可變衰減器等，都被與調(diào)制器集成在一起，以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和性能。

2．2．2 克爾效應(yīng)光開關(guān)

    克爾效應(yīng)，亦即由光強(qiáng)度通過材料中的三階光非線性度直接控制折射率，逐一提供光信號(hào)的直接控制。它支撐著在目前還是研究課題的甚高速光邏輯器件的技術(shù)發(fā)展。現(xiàn)在能很輕易產(chǎn)生的甚短(fs)、甚強(qiáng)的多種光信號(hào)，可直接在光纖或半導(dǎo)體波導(dǎo)中相互影響，已經(jīng)達(dá)到了數(shù)百Gb／s的光數(shù)字式運(yùn)行?？墒?，由于強(qiáng)度拖累，克爾效應(yīng)光開關(guān)在廣泛使用的帶寬與強(qiáng)度的路由光信號(hào)方面并沒有作用。

2．2．3 熱驅(qū)動(dòng)干涉儀光開關(guān)

    熱驅(qū)動(dòng)干涉儀光開關(guān)陣列在矩陣大小、串?dāng)_和損耗等方面，已經(jīng)達(dá)到可與鈮酸鋰技術(shù)相比較的能力，而且這些器件對(duì)于偏振相對(duì)不敏感。另一方面它們很慢，需要很大功率，并且要求非常地制造一個(gè)基于“平面光路”設(shè)計(jì)的8×8全交叉點(diǎn)矩陣，已經(jīng)驗(yàn)證損耗為-14dB，zui壞情況的串?dāng)_為-18dB和重新配置時(shí)間低至1．3ms。與聚合物波導(dǎo)中的8×8盡熱開關(guān)的性能相比較是有很大意義的，盡熱開關(guān)的損耗為-10．7dB，zui壞情況的串?dāng)_為-30dB和1ms的重新配置時(shí)間。

3、 技術(shù)展看

    光開關(guān)包含了各種各樣的技術(shù)，某些處在發(fā)展之中，而某些則處在具有貿(mào)易使用價(jià)值的成熟階段。目前，機(jī)電式光開關(guān)支配著商品的供給，在光通訊領(lǐng)域中，光開關(guān)可以集成在各種光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(OXC、OADM等)中。另外光開關(guān)在光纖測試系統(tǒng)、光纖網(wǎng)絡(luò)、光信息處理等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，用于光交叉連接設(shè)備(OXC)，可直接進(jìn)行光路切換，避免了光-電—光的轉(zhuǎn)換過程，對(duì)不同的數(shù)據(jù)速率和協(xié)議是透明的，不僅節(jié)省了用度，而且進(jìn)步了系統(tǒng)的信噪比。光開關(guān)矩陣還可以使任一輸進(jìn)端與任一輸出端連接，由光開關(guān)矩陣構(gòu)成的OXC主要用于核心光網(wǎng)絡(luò)的交叉連接，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、動(dòng)態(tài)的路由治理、靈活地增加新業(yè)務(wù)等。根據(jù)Frost＆Sullivan公司的市場分析報(bào)告，2001年骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)上的OXC銷售額為3．36億美元，預(yù)計(jì)到2006年將達(dá)到60億美元。還可以用于光分插復(fù)用(OADM)，直接在光路上對(duì)不同波長的信號(hào)實(shí)現(xiàn)分出或插進(jìn)功能。此外，用于光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換，當(dāng)光纖斷裂或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生傳輸故障時(shí)，利用光開關(guān)將光信號(hào)切換到備用通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)的及時(shí)修復(fù)。據(jù)美國CIR公司的新市場報(bào)告，僅美國保護(hù)光開關(guān)的市場將由2001年的1．26億美元躍升到2005年的4．79億美元。在光纖測試系統(tǒng)中，在光纖測試點(diǎn)通過N×1光開關(guān)把多根光纖連接到一個(gè)光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)上，通過光開關(guān)的倒換實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的監(jiān)測，也可以用于光纖器件的調(diào)試。

   波分復(fù)用傳輸?shù)某霈F(xiàn)，被廣泛地看作是光開關(guān)發(fā)展新階段的預(yù)兆，其中在速度、尺寸、可靠性、容量和制造的經(jīng)濟(jì)性等方面新的要求將開始起作用?，F(xiàn)在在很多研究機(jī)構(gòu)中，正在探索第二代開關(guān)技術(shù)，但是目前還不清楚究竟需要什么技術(shù)。在21世紀(jì)，和目前在世界范圍上的波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展相類似，光開關(guān)將很輕易呈現(xiàn)出商機(jī)與科學(xué)的機(jī)會(huì)。

4、 結(jié)語

    文中對(duì)光開關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)作了分析先容，其發(fā)展趨勢(shì)總體說來是向著高可靠、低損耗、小功耗、小體積以及大規(guī)模方向發(fā)展。光開關(guān)可以與其他無源或有源器件構(gòu)成組合模塊，以進(jìn)步集成性，降低本錢，比如與波分復(fù)用／解復(fù)用構(gòu)成OADM、OXC等。

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