北京邮电大学光通信中心 徐荣 龚倩
光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。光联网网络的实现完全依赖于光开关、光滤波器、新一代ＥＤＦＡ、密集波分复用技术等器件和系统技术的进展。光开关作为新一代全光联网网络的关键器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能。
一、光开关技术分类与性能比较
随着ＤＷＤＭ（密集波分复用）系统的成熟及大量被投入使用，高速大容量ＤＷＤＭ光传输和交换正在成为现在通信网络的主要发展方向，而作为系统节点核心器件的开关元件，其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。不论是网络的构造，还是网络故障下的恢复，都需要对光开关的智能控制。而且，随着各种业务的数量上和质量上的高速发展，将需要越来越大的网络带宽，这样，网络节点如ＯＸＣ或ＯＡＤＭ都必须有大量的端口，同时也必须能容纳大量的波长通道，这些都要求必须存在大规模的集成开关矩阵。因此，光开关一方面必须具有良好的性能，另一方面必须能够集成为大规模开关矩阵，以适应现代网络的要求。
就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开关。按照开关机理来分类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。在机械光开关中，包括以新型的微机械工艺为基础的微机械光开关，自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的热光、电光或磁光的效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。
光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模和开关尺寸等。光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损（１０ｄＢ以下）、低串扰（－５０ｄＢ以下）、低开关时间（几个ｍｓ以下）以及无阻塞运作。我们知道机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。对波导开关而言，它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列。但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。近来在热光开关的研究上取得了重大的成果，同时也产生了一种微电子机械技术，它是机械开关的原理，但又能像波导开关那样集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时又克服了它们所固有的缺点。一般来讲，自由空间光开关的损耗较导波器件的损耗更低，基于电光效应的光开关较基于机械的开关速度更快一些。
在光交叉连接及需要大规模支持大容量交换的系统中，基于ＭＥＭＳ技术的解决方案似乎已是主要潮流。ＭＥＭＳ的基本原理是通过静电的作用使微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向。目前普遍使用的微镜面只能实现两种状态，因此交换容量受到限制。一些公司正在积极开发所谓的三维光开关，即可以实现微镜面连续转动的产品以实现更大的交叉连接。
当ＭＥＭＳ技术收到追捧的同时，基于液晶技术的光开关也已面市。液晶器件的工作原理是基于电光效应来对传输光的偏振状态进行控制，使一路偏振光被反射而另一路可以通过。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。液晶技术开关具有速度可达毫秒级、频道间隔度４０～５０ｄＢ而且不要求温度控制等诸多优点。
另外还有液体光栅开关，液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物，现在这种技术只有Ｄｉｇｉｌｅｎｓ公司掌握，这种光开关基于布拉格光栅技术，加上电压时，光栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导。如果没有电压，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，这意味着这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波长并实现交换。Ｄｉｇｉｌｅｎｓ公司声称这种光开关的响应时间为１００ｎｓ，插损小于１ｄＢ。由于能从一束光中交换其中单个波长，所以比较适合于ＯＡＤＭ。
二、光开关的应用
光开关在光交换网络中的应用主要表现在以下几个方面：
１．用于ＯＸＣ光交叉连接节点中的光交换
ＯＸＣ是光网络的核心节点，是实现从ＷＤＭ传输到ＷＤＭ网络过渡的关键。ＯＸＣ主要有解复用单元、复用单元和交换单元组成，交换单元由开关矩阵来实现。若光网络由Ｎ条链路，每条链路由Ｍ个波长通道，则在交换单元中，就需要有一个ＭＮ×ＭＮ矩阵开关或Ｎ个Ｍ×Ｍ的矩阵开关来实现光交换。由于单链路复用的波长数目越来越多，目前商用化已经可以达到１００路以上，所以即便对非常成熟的技术，实现复用４０路已经不再有什么问题的情况下，对于如此大数目的光交换所需要的光开关在技术上还不太成熟。即便光开关有了一定的集成规模，但要在性能上完全符合ＯＸＣ的要求，还有很大的差距。由于热光开关和微机械光开关有可能得到很大的交换规模，而且性能也较好，因此它们（尤其微机械光开关）很可能成为解决制约ＯＸＣ交换数量的突破口。
２．用于ＯＡＤＭ（光分插复用）中的光交换
ＯＡＤＭ是光网络中的另一主要交换节点，与ＯＸＣ相比，它主要用于实现波长通道的上下路功能，其结构也是由解复用、复用和交换单元组成。ＯＡＤＭ与ＯＸＣ相比，规模较小，因此相对也比较成熟。
３．用于ＯＸＣ和ＯＡＤＭ中的光路指配功能
在ＯＡＤＭ和ＯＸＣ节点中，除了复用／解复用和交换单元外，在上路和下路端口还需要具有波长路由的指配功能。即就是对上路的信号，不论其原来的波长值是多少，都应该能够以线路中的任一波长上路。这必须有光开关的参与才能顺利完成。
４．用于光网络的自动保护倒换和恢复
自动保护倒换和恢复能力是光网络的一大突出特点，而光开关也是光网络中自动保护倒换的核心器件。
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