光開關(guān)的原理及種類

1、光開關(guān)的原理及種類一、前言光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85%的通 信業(yè)務經(jīng)光纖傳輸，長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時，密集波分復用 (DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應用光纖傳輸?shù)膸捄腿菀砷_拓了廣闊的空間，具有 髙速率、大帶寬明顯優(yōu)勢的DWDM光通信網(wǎng)絡已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。特 別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務呈現(xiàn)爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了 IP 網(wǎng)絡層與底層傳輸網(wǎng)絡的關(guān)系，而且對整個網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式、肖點設計、管理和控制提 岀了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)一自動交換光網(wǎng)絡(ASON： automatic swi

2、tched optical networks)成為當今系統(tǒng)研究的熱點，它的核心節(jié)點由光交叉連接(OXC： optical cross connect)設備構(gòu)成，通過OXC,可實現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡靈活、有效的管 理。光交叉互連(OXC)技術(shù)在日益復雜的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 現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡的故障保護、波長動態(tài)分配等功能，對解決目前復雜網(wǎng)絡中 的波長爭用，提高波長重用率，進行網(wǎng)絡靈活配置均有重要的意義。光開關(guān)不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應用于以下領(lǐng)域。(1) 光網(wǎng)絡的保護倒換系

3、統(tǒng)，實際的光纜傳輸系統(tǒng)中都留有備用光纖，當工作通道 傳輸中斷或性能劣化到一左程度，光開關(guān)將主信號自動轉(zhuǎn)至備用光纖系統(tǒng)傳輸，從而使 接收端能接收到正常信號而感覺不到網(wǎng)路已出了故障，其會將網(wǎng)絡右點連成環(huán)形以進一 步改善網(wǎng)絡的生存性。(2) 網(wǎng)絡性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)，在遠端光纖測試點，通過1xN多路光開關(guān)把多根 光纖接到光時域反射儀上，進行實時網(wǎng)絡監(jiān)控，通過訃算機控制光開關(guān)倒換順序和時間, 實現(xiàn)對所有光纖的檢測，并將檢測結(jié)果傳回網(wǎng)絡控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)某一路出現(xiàn)問題， 可在網(wǎng)管中心直接進行處理。(3) 光開關(guān)還應用在光纖通信器件測試系統(tǒng)以及城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的差/分復用和交 換設備中。光開關(guān)的引入使未來全光

4、網(wǎng)絡更具靈活性、智能性、生存性。光開關(guān)技術(shù)已 經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù)，在通信、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的 作用。在眾多種類的光開關(guān)中，微機械(MEMS)光開關(guān)被認為最有可能成為光開關(guān)的主流 器件。本文在概述多種光開關(guān)原理特點的基礎上，重點分析了幾種主要的MEMS光開關(guān), 并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點。二、光開關(guān)的原理及種類光開關(guān)性能參數(shù)有多種，如：快切換速度、高隔離度、小插入損耗、對偏振不敏感 及可靠性，不同領(lǐng)域?qū)λ囊笠哺鞑幌嗤?。英種類有保護、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光 機械開關(guān)，也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開關(guān)，如：熱光開關(guān)、液晶開關(guān)、電光開關(guān)、 聲光開關(guān)、微光機電系統(tǒng)光開關(guān)

5、(MOEMS, micro optic electro mechanical systems)、 氣泡開關(guān)等。在超髙速光通信領(lǐng)域，還有馬赫-曾徳爾(Maeh-Zehnder)干涉型光開關(guān)、非 線性環(huán)路鏡(NOLM. nonlinear optical fiber loop mirror)光開關(guān)等光控開關(guān)。光開關(guān)的原理及種類1、機械光開關(guān)傳統(tǒng)機械光開關(guān)的工作原理：通過熱、靜電等動力，旋轉(zhuǎn)微反射鏡，將光直接送到 或反射到輸出端。特點是開關(guān)速度比較慢、性價比好，在很多領(lǐng)域有市場前景，但體積 大、不易規(guī)模集成的缺點限制了其在未來光通信領(lǐng)域的應用。在此基礎上，近幾年發(fā)展 很快的是MOEMS光開關(guān)，它是微

6、機電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型開關(guān)，特別是具 有光信號的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點。2、電光效應開關(guān)電光效應光開關(guān)多由光電晶體材料(如LiNbO3或其他半導體材料)波導材料制成, 兩條波導通路連接成M-Z干涉結(jié)構(gòu)，外加電壓可改變波導材料的折射率，從而控制兩臂 的相位差，利用干涉效應實現(xiàn)了光的通斷。它的特點是速度快，但與偏振有關(guān)，成本較 髙。工作原理如圖1所示。如電fit圖1基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應光開關(guān)對于3dB耦合器，兩光波滿足模耦合方程，令兩個光波導的傳播常數(shù)相等，B0=0, 在3dB耦合器2的輸岀端得到：|A3|2=|A0|2s

7、in2(<t>, 12)|B32=|AO|2cos2(0/2)式中：AO、B0輸入的光波振幅：A3、B3輸岀的光波振幅；<t>光波相 位。從上式看出，和施加電壓有關(guān)，改變電壓，則改變，從而使光強得到調(diào)諧。其 開關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時間，即光波導中折射率變化時間。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段，為解決電子交換機響應時間慢、無 法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾，實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗，還可以利 用石英光纖和半導體光放大器的自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制效應改變折射率的方法，即 光控光開關(guān)技術(shù)。3、光控開關(guān)現(xiàn)在比較成熟的型號有:基于NOLM原理和S

8、OA非線性效應(如XPM： cross phase modulation)制作的全光開關(guān)。它們不僅用于超快開關(guān)交換，而且還可用于全光信號再生 與超快波長轉(zhuǎn)換，是目前很有前途的全光交換技術(shù)。一般，各種超快全光開關(guān)歸根結(jié)底 都離不開光的非線性效應，這里以SOA-XPM為例加以說明，實驗原理如圖2所示。光開關(guān)的原理及種類圖2利用SOA-XPM實現(xiàn)光開光的實驗裝宜將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂，開關(guān)控制脈沖注入一臂，脈沖的變化會引起 SOA折射率的改變，從而引起兩臂相位差：)的改變，即：A0=-(2n/l)(dn/dN)(Te/1+(WTe)21/2LxVgxgxASxcos(WT-q)其中，I信號波長:dn/dN折射率隨載流子密度的變化量：L-SOA的腔長：Te- 載流子壽命；Vg群速度；g增益系數(shù)：AS載流子密度變化幅值；