第2章 全光通信網(wǎng)-光開關(guān)(1)

1、第第 二二 章章 光光 開開 關(guān)關(guān) v隨著隨著Internet的迅速普及和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)體系的發(fā)展，的迅速普及和寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)體系的發(fā)展， 全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)必須依賴于超高速率、全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，而實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)必須依賴于超高速率、 超大容量信息比特的載入與傳送、用戶信息上下話路與分超大容量信息比特的載入與傳送、用戶信息上下話路與分 插復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)間信息的快速交換與共享和高效率經(jīng)濟(jì)的路由插復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)間信息的快速交換與共享和高效率經(jīng)濟(jì)的路由 選擇，這一切都離不開光開關(guān)或光開關(guān)矩陣。選擇，這一切都離不開光開關(guān)或光開關(guān)矩陣。 v就目前而言，光開關(guān)主要應(yīng)用是光交換系統(tǒng)和主備倒換系統(tǒng)，

2、就目前而言，光開關(guān)主要應(yīng)用是光交換系統(tǒng)和主備倒換系統(tǒng)， 即利用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連即利用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連 接以及自愈保護(hù)等功能。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的日益成熟和完善，接以及自愈保護(hù)等功能。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的日益成熟和完善， 100信道以上的光通信系統(tǒng)還需要光分插復(fù)用（信道以上的光通信系統(tǒng)還需要光分插復(fù)用（OADM） 技術(shù)和快速的網(wǎng)間信息交換技術(shù)以及光的交叉連接（技術(shù)和快速的網(wǎng)間信息交換技術(shù)以及光的交叉連接（OXC） 技術(shù)，這些都離不開超高速大規(guī)模集成的光開關(guān)矩陣。技術(shù)，這些都離不開超高速大規(guī)模集成的光開關(guān)矩陣。 2.1光開關(guān)的應(yīng)用范圍光開關(guān)的應(yīng)用范圍

3、 v光開關(guān)（Optical Switching:OS） 是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸 窗口，可對光傳輸線路或集成光路中的光 信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。 光開關(guān)基本的形式光開關(guān)基本的形式 光開關(guān)基本的形式是光開關(guān)基本的形式是22: 即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)： 平行連接平行連接和和交叉連接交叉連接 a)平行狀態(tài)平行狀態(tài) b)交叉狀態(tài)交叉狀態(tài) 大型的空分光交換單元可以由基本的大型的空分光交換單元可以由基本的22光開關(guān)以及相應(yīng)的光開關(guān)以及相應(yīng)的 12光開關(guān)級聯(lián)、組合構(gòu)成。光開關(guān)級聯(lián)、組合構(gòu)成。 光開關(guān)和光開關(guān)矩陣在全光網(wǎng)

4、絡(luò)中起著重要作用。光開關(guān)和光開關(guān)矩陣在全光網(wǎng)絡(luò)中起著重要作用。 v在在WDM傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長適配、再生和時(shí)鐘傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長適配、再生和時(shí)鐘 提?。惶崛?； v在光時(shí)分復(fù)用（在光時(shí)分復(fù)用（TDM）系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用；）系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用； v在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是OXC的關(guān)鍵器件，也是波長變的關(guān)鍵器件，也是波長變 換的重要器件。換的重要器件。 v根據(jù)光開關(guān)的輸入和輸出端口數(shù)，可分為根據(jù)光開關(guān)的輸入和輸出端口數(shù)，可分為11、12， 1N、22、2N、MN等多種，它們在不同場合中有等多種，它們在不同場合中有 不同用途。不同用途。

5、光開關(guān)應(yīng)用范圍主要有：光開關(guān)應(yīng)用范圍主要有： (1)光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng) (2)光纖測試中的光源控制 (3)網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng) (4)光器件的測試 (5)構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心 (6)光分插復(fù)用 (7)光傳感系統(tǒng) (8)光學(xué)測試 2.2光開關(guān)的分類和主要性能參數(shù)光開關(guān)的分類和主要性能參數(shù) v按其工作原理: 機(jī)械式和非機(jī)械式兩大類; v按光開關(guān)利用光自由度的方式: 空分型、波分型、時(shí)分型、自由空間型; v依據(jù)光開關(guān)的交換介質(zhì): 自由空間交換光開關(guān)、波導(dǎo)光開關(guān)、全光開關(guān)和其 它類型的開關(guān)。 光開關(guān)主要性能參數(shù)光開關(guān)主要性能參數(shù) v1. 交換矩陣的大小交換矩陣的大小 v 光開關(guān)交換矩陣的大小反

6、映了光開關(guān)的交換能力。光開關(guān)交換矩陣的大小反映了光開關(guān)的交換能力。 光開關(guān)處于網(wǎng)絡(luò)不同位置，對交換矩陣大小的要求也光開關(guān)處于網(wǎng)絡(luò)不同位置，對交換矩陣大小的要求也 不同。在高速、大容量不同。在高速、大容量DWDM光傳送網(wǎng)中，隨著通信光傳送網(wǎng)中，隨著通信 業(yè)務(wù)的急劇增長，光域內(nèi)需要交換的波長數(shù)量大大增業(yè)務(wù)的急劇增長，光域內(nèi)需要交換的波長數(shù)量大大增 加。為適應(yīng)將來電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要提高光開關(guān)的加。為適應(yīng)將來電信業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要提高光開關(guān)的 交換能力，如在骨干網(wǎng)上要有超過交換能力，如在骨干網(wǎng)上要有超過1000 1000的交的交 換容量。換容量。 2. 交換速度 交換速度是衡量光開關(guān)性能的重要指標(biāo)。交

7、換速度上有兩個(gè)交換速度是衡量光開關(guān)性能的重要指標(biāo)。交換速度上有兩個(gè) 重要的量級，當(dāng)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的交換時(shí)間達(dá)到幾重要的量級，當(dāng)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口的交換時(shí)間達(dá)到幾 個(gè)個(gè)ms時(shí)，對業(yè)務(wù)故障的重新路由時(shí)間已經(jīng)夠了。對時(shí)，對業(yè)務(wù)故障的重新路由時(shí)間已經(jīng)夠了。對SDH來說，來說， 當(dāng)故障業(yè)務(wù)重新選路時(shí)，當(dāng)故障業(yè)務(wù)重新選路時(shí)，50ms的交換時(shí)間幾乎可以使用戶感的交換時(shí)間幾乎可以使用戶感 覺不到故障。覺不到故障。 當(dāng)交換時(shí)間到達(dá)當(dāng)交換時(shí)間到達(dá)ns量級時(shí)，可以支持光因特網(wǎng)的分組交換，量級時(shí)，可以支持光因特網(wǎng)的分組交換， 這也是光路由器的目標(biāo)。但目前由于讀取光信頭和光存儲技這也是光路由器的目標(biāo)。但目前

8、由于讀取光信頭和光存儲技 術(shù)的不成熟，光路由器仍有很大困難。術(shù)的不成熟，光路由器仍有很大困難。 3. 插入損耗插入損耗 光信號通過光開關(guān)時(shí)，能量將被損耗。光信號通過光開關(guān)時(shí)，能量將被損耗。 插入損耗插入損耗 : 輸入端口到輸出端口的光功率的損耗輸入端口到輸出端口的光功率的損耗 光開關(guān)損耗的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：光纖和光開關(guān)端口耦合光開關(guān)損耗的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：光纖和光開關(guān)端口耦合 時(shí)的損耗和光開關(guān)自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗。一般來說，時(shí)的損耗和光開關(guān)自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗。一般來說， 自由空間光開關(guān)的插入損耗低于波導(dǎo)型光開關(guān)的損耗。如液自由空間光開關(guān)的插入損耗低于波導(dǎo)型光開關(guān)的損耗。如液

9、晶光開關(guān)和晶光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的損耗較低，大約光開關(guān)的損耗較低，大約1 -2dB .而妮酸而妮酸 鋰和固體光開關(guān)的損耗較大，大約鋰和固體光開關(guān)的損耗較大，大約4dB左右。損耗特性影響左右。損耗特性影響 到光開關(guān)的級聯(lián)數(shù)，限制了光開關(guān)的擴(kuò)容能力。到光開關(guān)的級聯(lián)數(shù)，限制了光開關(guān)的擴(kuò)容能力。 4. 串?dāng)_：串?dāng)_： 由于光開關(guān)性能的不完善，開關(guān)中接通的主光通道的功率會(huì)泄露到其他由于光開關(guān)性能的不完善，開關(guān)中接通的主光通道的功率會(huì)泄露到其他 通道，形成串?dāng)_，影響輸出信號的質(zhì)量。串?dāng)_和開關(guān)的隔離度、消光比通道，形成串?dāng)_，影響輸出信號的質(zhì)量。串?dāng)_和開關(guān)的隔離度、消光比 特性有直接的關(guān)系。特性有直接的關(guān)系。

10、 5. 阻塞特性：阻塞特性： 嚴(yán)格無阻塞特性指光開關(guān)的任一輸入端能在任意時(shí)刻接通到任意輸出端嚴(yán)格無阻塞特性指光開關(guān)的任一輸入端能在任意時(shí)刻接通到任意輸出端 的特性。大型或級聯(lián)光開關(guān)的阻塞特性更為重要。的特性。大型或級聯(lián)光開關(guān)的阻塞特性更為重要。 光開關(guān)要求具有嚴(yán)格無阻塞特性。光開關(guān)要求具有嚴(yán)格無阻塞特性。 6. 升級能力升級能力 基于不同原理和技術(shù)的光開關(guān)，其升級能力也不同。一 些技術(shù)允許運(yùn)營商根據(jù)需要隨時(shí)增加光開關(guān)的容量。很 多開關(guān)結(jié)構(gòu)可容易地升級為88或3232，但卻不能 升級到成百或上千的端口，因此只能用于構(gòu)建OADM或 城域網(wǎng)的OXC，而不適用于骨干網(wǎng)上 7. 穩(wěn)定性和可靠性穩(wěn)定性和可

11、靠性 光開關(guān)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在長時(shí)間使用和 頻繁動(dòng)作的情況下，光開關(guān)應(yīng)有良好的連接的穩(wěn)定性、 重復(fù)性和可靠性。有些情況（如用做保護(hù)倒換開關(guān)時(shí)）， 光開關(guān)動(dòng)作的次數(shù)可能很少，此時(shí)，維持光開關(guān)的狀態(tài) 是更主要的因素。 2.3 MEMS光開關(guān)光開關(guān) 2.3.1傳統(tǒng)的機(jī)械光開關(guān) 機(jī)械光開關(guān):依靠光纖或光學(xué)元件（透鏡或 反射鏡）的移動(dòng)使光路發(fā)生改變，將光直 接送到或反射到輸出端。 1. 棱鏡式光開關(guān)示意圖 2. 反射鏡型光開關(guān)示意圖 3. 移動(dòng)光纖型光開關(guān) 機(jī)械式光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)械式光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn) v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 是插入損耗低是插入損耗低(45dB)與波長和偏與波長和偏 振無關(guān)，制作技術(shù)成熟。振無關(guān)

12、，制作技術(shù)成熟。 v缺點(diǎn)缺點(diǎn) 在于開關(guān)動(dòng)作時(shí)間較長（在于開關(guān)動(dòng)作時(shí)間較長（msms量級）；體積偏大，且不量級）；體積偏大，且不 易做成大型的光開關(guān)矩陣；有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性差易做成大型的光開關(guān)矩陣；有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性差 的問題。機(jī)械型光開關(guān)在最近幾年已得到廣泛應(yīng)用，但隨著的問題。機(jī)械型光開關(guān)在最近幾年已得到廣泛應(yīng)用，但隨著 光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種開關(guān)難以適應(yīng)未來高速、大容光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種開關(guān)難以適應(yīng)未來高速、大容 量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。 微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng) v微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-Electro-Michanical S

13、ystems)構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為構(gòu)成的微機(jī)電光開關(guān)已成為DWDM網(wǎng)網(wǎng) 中大容量光交換技術(shù)的主流。中大容量光交換技術(shù)的主流。 v它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體 工藝制造出可以前傾后仰、上下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微工藝制造出可以前傾后仰、上下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微 反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對輸入光信號反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對輸入光信號 可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。 v通常微反射鏡的通常微反射鏡的尺寸尺寸只有只有140 m 150 m，驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng) 力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。力可以利用熱力

14、效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。 v這種器件的這種器件的特點(diǎn)特點(diǎn)是體積小、消光比大是體積小、消光比大(60dB左右左右)、 對偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中對偏振不敏感、成本低，其開關(guān)速度適中(約約 5ms)，插入損耗小于，插入損耗小于1 dB。 微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)微機(jī)械光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn) v具有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，卻具有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，卻 克服了它們所固有的缺點(diǎn)；克服了它們所固有的缺點(diǎn)； v采用了機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)采用了機(jī)械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo) 開關(guān)那樣，集成在單片硅基上；開關(guān)那樣，集成在單片硅基上； v基于圍繞微機(jī)械中樞轉(zhuǎn)動(dòng)的自由移動(dòng)鏡面?；趪@微機(jī)

15、械中樞轉(zhuǎn)動(dòng)的自由移動(dòng)鏡面。 v主要開發(fā)商有美國主要開發(fā)商有美國Lucent、德克薩斯儀表、德克薩斯儀表 公司和康寧等公司。公司和康寧等公司。 微電機(jī)系統(tǒng)微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS )光開關(guān)光開關(guān) MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是）是 指一種在半導(dǎo)體材料（如指一種在半導(dǎo)體材料（如Si）上制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的集成）上制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的集成 工藝。將工藝。將MEMS技術(shù)應(yīng)用于光子交換領(lǐng)域，出現(xiàn)了新型技術(shù)應(yīng)用于光子交換領(lǐng)域，出現(xiàn)了新型 的微機(jī)械光開關(guān)的微機(jī)械光開關(guān)(MEOMS )。 基本原理：基本原理：利用靜電效應(yīng)將外部激勵(lì)轉(zhuǎn)化為某種機(jī)利用靜電效應(yīng)將外部激勵(lì)轉(zhuǎn)化為某種

16、機(jī) 械動(dòng)作，通過微傳動(dòng)裝置牽引光路中的自由鏡面，使之械動(dòng)作，通過微傳動(dòng)裝置牽引光路中的自由鏡面，使之 發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變光束傳播方向。發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而改變光束傳播方向。 MEOMS器件將電子、機(jī)械和光路功能集合于同一器件將電子、機(jī)械和光路功能集合于同一 芯片，既具備普通機(jī)械光開關(guān)損耗低、串?dāng)_小、偏振不芯片，既具備普通機(jī)械光開關(guān)損耗低、串?dāng)_小、偏振不 敏感和消光比高的優(yōu)點(diǎn)，又像波導(dǎo)開關(guān)一樣開關(guān)速度較敏感和消光比高的優(yōu)點(diǎn)，又像波導(dǎo)開關(guān)一樣開關(guān)速度較 快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng)快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng) 絡(luò)或大容量業(yè)務(wù)交換的應(yīng)用場合，基于絡(luò)或大容量業(yè)務(wù)交換的

17、應(yīng)用場合，基于MEMS光開關(guān)技光開關(guān)技 術(shù)的解決方案已成為主流選擇。術(shù)的解決方案已成為主流選擇。 二維二維微電機(jī)系統(tǒng)微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS )光開關(guān)示意圖光開關(guān)示意圖 二維二維MEMS開關(guān)需要開關(guān)需要N2個(gè)微鏡來個(gè)微鏡來 完成完成NN自由空間光交叉連接自由空間光交叉連接 二維二維微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖 三維三維MEMS光開關(guān)光開關(guān) 三維是通過光束偏轉(zhuǎn)改變光束方向，實(shí)現(xiàn)光交叉互連。其在三維是通過光束偏轉(zhuǎn)改變光束方向，實(shí)現(xiàn)光交叉互連。其在 N路輸入光纖和路輸入光纖和N路輸出光纖之間使用了路輸出光纖之間使用了2N個(gè)微鏡，每個(gè)微個(gè)微鏡，每個(gè)微 鏡有鏡有N個(gè)可能的位置，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)可能的位置，從而實(shí)現(xiàn)NN開關(guān)矩陣。開關(guān)矩陣。 開關(guān)微鏡及其陣列的顯微照片開關(guān)微鏡及其陣列的顯微照片 在在2001年的年的OFC會(huì)議上，朗訊公司已報(bào)導(dǎo)他們會(huì)議上，朗訊公司已報(bào)導(dǎo)他們 研制的研制的1296 1296端口的端口的MEMS光交叉連接節(jié)光交叉連接節(jié) 點(diǎn)，其單纖端口傳送容量為點(diǎn)，其單纖端口傳送容量為1.6Tbit/s（單纖復(fù)（單纖復(fù) 用用40個(gè)信道，每路信道傳送個(gè)信道，每路信道傳送40Gbit/s