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光开关技术综述

光开关技术综述

点击数:7582 次   录入时间:03-04 11:51:34   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘
      四、液晶光开关
      液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制:一路偏振光被反射,而另一路可以通过。典型的液晶器件将包括无源和有源两部分。无源部分,如分路器将入射光分为两路偏振光。根据是否使用电压,有源部分或者改变入射光的偏振态或者不加改变。由于电光效应,在液晶上施加电压将改变非常光的折射率,从而改变非常光的偏振状态,本来平行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高,是铌酸锂的几百万倍,使液晶成为最有效的光电材料。电控液晶光开关的交换速度可达亚微秒级,未来将可以达到纳秒级。
      Spectraswitch公司的WaveWalker产品是一个固态产品,其1×2和2×2介入损耗小于1db,极化损耗为0.2db,交换时间为4ms左右,交换波长的范围为C波段。液晶光开关没有移动部分,所以提高了系统的稳定性。Chorumtech公司的PolarShift液晶光开关能达到毫秒量级的交换速度,具有高消光比、低介入和极化损耗、低串扰等特点。Corning公司也正投资于液晶光开关产品的开发。
      五、热光效应开关
      热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1×1、1×2、2×2等,更大的光开关可由1×2光开关元件在同一晶片上集成。
      热光开关主要有两种基本类型:数字型光开关(DOS:Digital optical switches)和干涉型光开关(Interferometric switches)。干涉型光开关具有结构紧凑的优点,缺点是对波长敏感。因此,通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料,如玻璃或硅基片上,先做上波导结构,然后,在波导上蒸镀金属薄膜加热器,金属薄膜通电发热,导致其下面的波导的折射率发生变化,从而实现光的开关动作。
      六、数字型光开关
      当加热器温度加热到一定温度,开关将保持固定状态。最简单的设备 1×2光开关,称为Y型分支热光开关。当对Y型的一个臂加热时,它改变折射率,阻断了光线通过此臂。DOS可由硅或聚合物制造。后者比前者具有更低的功耗和更高的光损耗。
      Y型分支器结构是在硅基底或SiO2基底上生成矩形波导,微加热器由Ti或Cr在波导分支表面沉积而成,金属层一般采用光刻法或湿式化学刻蚀,为减小在水平方向的热传播,电极旁的SiO2层非常薄。当其中一个分支上的加热器通电时,在该加热器下面的波导的折射率减小,相应的,光功率被转向另一分支,即处于开的状态。同时,在有源加热器的分支则处于关的状态。波导材料在开始阶段经常采用Si或SiO2,而现在人们则把更多的研究转向了聚合物波导,这主要是由于聚合物的导热率很低,而热光系数却很高。介入损耗一般为3-4dB,消光比约为20dB。
      七、干涉仪型光开关
      干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型。主导思想是利用光相位特性。输入光被分为两束,通过两个分开的波导,再合并。其中一个波导被加热改变其光程。当两条路径长度相同时,光通过其中一个出口,当长度不同时,光线通过另一个出口。由于Si的导热系数较大,加热器的距离至少要100微米,这样才不会影响到相邻的开关。MZI型光开关结构包括一个MZI和两个3dB耦合器,两个波导臂具有相同的长度,在MZI的干涉臂上,镀上金属薄膜加热器形成相位延时器,波导一般生成在硅基底上,硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时,输入信号经过两个3dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出,在直通的输出端口发生相干相消,如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移,则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出,而在交叉端口发生干涉相消。从而通过控制加热器可实现开关的动作。
      以1×2和2×2光开关单元为基础,其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成,有多种组网方式,其中,CLOS多级网络是最常用的一种,对N×N的开关矩阵,需要2N-1级的开关单元级联而成。如8×8的矩阵开关,一般都采用15级开关单元结构,其中,48个周边光开关用作衰减平衡器,始终处于交叉状态,而中间组成菱形的64个光开关构成8×8光开关的核心,每一级的光开关单元数目分别为7和8个交叉排列。从而构成严格无阻塞的8×8光开关矩阵,NTT公司最近采用双MZI串联的开关单元代替传统的单MZI型开关单元,仅用8级开关单元就构成了严格无阻塞的8×8开关矩阵。它有效地减小了波导长度,降低了开关损耗,提高了消光比,降低了串扰水平。工作带宽覆盖了整个EDFA增益谱。
      NTT公司16×16热光开关已经商用,它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件,其交换速度依赖于对材料的加热时间。聚合物光开关交换时间大约是几个毫秒,Si材料光开关通常更慢,大约6-8ms。Lynxpn公司的8×8光开关是由128个1×2热光开关构成的,具有严格无阻塞特性,能支持广播功能,交换时间小于2ms,极化损耗小于0.4db,介入损耗小于1db。由于热光开关的操作是通过重复加热和冷却波导进行,因此这将减少光开关的寿命。Si材料光开关具有非常低的损耗,聚合物损耗更高。聚合物光开关需要较低的功率,典型的是5个微瓦,Si开关将是聚合物的100倍。
      八、全息光开关
      全息光开关是利用激光的全息技术,将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部,利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后,当不加电压时,晶体是全透明的,此时光线直通晶体。当有电压时,光纤光栅的全息图产生,其对特定波长光反射,将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。KLTN晶体尺寸大约为2×2×1.5毫米,组成一个矩阵,构成光开关的核心。行对应于不同的光纤,列同交换的波长有关。全息图对照明不敏感,所以通常不会擦除存储的全息图。但光全息图能被擦除并重新写入。同时,多个全息光栅能高效地存储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交换速度达到纳秒量级,全息光开关可以在线动态监测每一路波长,因为当全息光栅被激活时,大约有95%被反射,剩余5%直通。这5%的信号可以用来监测,这对于网络管理具有很重要的意义。
      利用这种技术可以很容易地组成上千个端口的光交换系统。并且它的开关速度非常快,只需几纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件,它的可靠性较高。掌握这种技术的TrellisPhotonics公司声称,240×240端口的交换系统的介入损耗低于4dB,端到端的重复性也比较好,但是它的功耗比较大(240×240功耗小于300瓦),并且需要高压供电。这种技术可以跟三维MEMS技术竞争,但它更适合于单个波长的交换。纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于分组交换的光路由器中。
      九、液体光栅开关
      液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅(ESBG)技术。通过控制电压,使布拉格光栅产生和消失。将液晶微滴悬浮于聚合体内,同时将它放置在Si波导上,当不加电压时,布拉格光栅工作并使特定的波长偏转从波导上端输出。当加上电压时,布拉格光栅消失,光线直通波导。这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体光栅开关的交换时间大约100微秒,比热光开关的交换时间快10倍,比气泡光开关或MEMS的交换时间快100倍。同样因没有移动部件,可靠性高、损耗低。DigiLens声称液体光栅开关的光损耗小于1db。其典型功耗大约50毫瓦左右。它对于波长交换具有灵活性,因为它能从波长群中选择需要的波长,可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。
      十、声光开关
      在这种开关中,声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10祍。由于没有移动部分,可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分,使用电和计算机控制声光偏转装置,能在几个微秒内将输入信号送到输出端,转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发自己的声光开关,其1×2光开关的交换速度是525ns,相对损耗为2.5db。
      十一、半导体光放大器开关
      半导体光放大器开关利用SOA的放大特性,实现特定波长的交换。它是由4个SOA阵列通过波导互联构成的2×2光开关。在关断状态,SOA是不透明的,即输入光被SOA吸收。在开启状态,光线允许通过SOA,同时被放大。通过调节SOA放大波长,输入端信号能到达任意输出端。此种光开关具有广播功能,通过调节SOA,输入信号能被广播到所有输出端,同时SOA提供的增益补偿了光开关的损耗。2×2光开关插入损耗为0db(典型光纤增益为12db), 交换时间1ns左右,极化不敏感。
      十二、应用及前景分析
      光开关在光网络中起到十分重要的作用,它不仅构成了波分复用光网络中关键设备(如OADM/OXC)的交换核心,本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有:
      保护倒换功能:光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时,利用光开关实现信号迂回路由,从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。
      网络监视功能:使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时,只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上(如OTDR),通过光开关的动作,可以实现网络在线监测。

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