光傳送網(wǎng)中光開關器件的進展

謝世鐘　陳明華　王國忠

摘要：

隨著波分復用技術的廣泛應用和光聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，光開關將成為組建未來光網(wǎng)絡的關鍵器件。光開關的類型有光微電機械開關、馬赫-曾德干涉儀型開關、熱光效應光開關、液晶光開關、噴墨氣泡光開關、光柵開關和聲光開關等。文章概述了這些光開關的原理，并進而介紹了光開關器件的最新進展。

關鍵詞：

光開關；光聯(lián)網(wǎng)；光微電機械開關；多功能集成

ABSTRACT:

With the wide application of the DWDM technology and the rapid development of the optical transport network, optical switches will become the key components for the construction of future optical networks. At present, various optical switches in terms of micro-opto-electro-mechanical system, Mach-Zender interferometer, thermo-optic effect,liquid crystals, bubbles, holograms and acousto-optic effect are under comprehensive research and development. In this paper, the basic principles of those devices are illustrated and the state-of-the-art advances of optical switches are introduced.

KEY WORDS:

Optical switch;Optical networking;Micro-opto-electro-mechanical system switch; Multi-function integration

1、引言

光傳送網(wǎng)(OTN)是當前全光網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢, 光聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)將依賴于新一代光開關、波分復用器、光衰減器和光放大器等元器件的進展。新一代器件的特征將是它們在光域性能的提高和多功能的集成。其中光開關是實現(xiàn)光傳輸路徑變換的關鍵器件，被廣泛應用于光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接器(OXC)、光分插復用器(OADM)、光網(wǎng)絡監(jiān)控、器件測試及自愈保護等方面。表征光開關的特性主要有開關速度、開關矩陣規(guī)模、損耗、串擾、偏振敏感性、可靠性以及可擴展性等參數(shù)。基于不同的應用，采用不同技術的光開關的發(fā)展不盡相同。圖1展示了不同開關速度和端口數(shù)的開關的主要應用領域和發(fā)展趨勢^[1]。

2、光開關的類型和原理

傳統(tǒng)的光開關主要有介質(zhì)波導和機械兩種類型。介質(zhì)波導光開關的開關速度在微秒到亞毫秒量級，體積小且易于集成為大規(guī)模的陣列，但插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標都較差；機械光開關雖然有較低的插入損耗和串擾，但體積龐大，不適合用于大規(guī)模開關矩陣及OXC應用。

在傳統(tǒng)光開關技術進一步發(fā)展和應用的同時涌現(xiàn)了許多新技術，主要包括光微電機械開關、鈮酸鋰晶體或半導體的馬赫－曾德干涉儀型開關、噴墨氣泡開關、熱光效應光開關、液晶光開關、全息光柵開關和聲光開關等^[2]。

2.1光微電機械開關

光微電機械開關(MOEMS)通過靜電或其他控制力使微鏡或光閘產(chǎn)生機械運動，從而改變光的傳播方向、實現(xiàn)開關功能。其所示為二維MOEMS 8×8光開關，在芯片上集成了微反射鏡陣列，以斜線表示，通過施加靜電力控制其旋轉(zhuǎn)，圖2中有5個微鏡處于反射狀態(tài)。這種二維光開關陣列插入損耗小于4dB，開關時間小于10 ms。由于受光程損耗的限制，最大可以實現(xiàn)32×32端口。也可采用更先進的三維解決方案，它在N個輸入光纖和N個輸出光纖之間僅使用2N個微鏡，由于每個微鏡都有N個可能的位置，從而實現(xiàn)N×N開關陣列，突破二維方案的端口限制^[3]，但其驅(qū)動結構和監(jiān)控設備較復雜，成本也隨之增加。

MOEMS開關可用類似集成電路的工藝成批生產(chǎn)，成本低、競爭力強。由于其特性與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等無關，在損耗、擴展性上優(yōu)于其他類型，因此MOEMS光開關陣列有可能成為核心光交換器件中的主流。美國Xros公司利用兩個相對放置的各有1 152個微鏡的陣列實現(xiàn)了1 152×1 152的大型交叉互連，總?cè)萘勘葌鹘y(tǒng)電交叉互連提高了約兩個量級。朗訊公司推出的WaveStar LamdaRouter光波長路由器，可實現(xiàn)256×256的光交叉互連，節(jié)約25%的運行費用和99%的能耗。目前此類器件的提供商有OMM、朗訊、北電、IMM、Cronos、Memscap、 Calient等公司。

2.2馬赫-曾德干涉儀型開關

馬赫-曾德(M-Z)干涉儀型光開關由兩個3 dB耦合器和兩個波導臂組成，通常在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導，波導兩端分別連接一個3 dB的Y形分束器。向波導臂注入電流將改變光開關的折射率，使光程相應變化，形成相干增強或相消，達到開關的目的。其優(yōu)點是開關速度快，在微秒量級；缺點是消光比僅20 dB左右。

為提高開關速度和實現(xiàn)更低的插入損耗，可利用半導體光放大器集成對稱馬赫-曾德型全光開關，將半導體光放大器集成在硅基平面干涉儀的兩臂上。通過對兩臂施加超短控制光脈沖(寬度2 ps，頻率10 GHz)，利用半導體光放大器的非線性，實現(xiàn)接近矩形的開關窗口，開關速度不受限于載流子壽命，最快能達到皮秒(ps)量級。

在M-Z干涉儀型開關中采用多模干涉耦合器(MMI)替換3 dB耦合器能得到更好的性能。MMI的原理是利用多模波導中的自映像效應，即在傳播方向上周期性出現(xiàn)輸入場的映像。貝爾實驗室報道了4×4光開關的研究結果^[4]，研究中使用1個多模干涉耦合器M-Z代替3個1×2的開關，使得器件結構更加緊湊，隨之損耗降低為2.8 dB，串擾為35.2 dB。利用這種結構可很容易擴展到8×8、16×16的開關矩陣。

2.3熱光效應光開關

利用熱光效應對光場的調(diào)制可用于制造小型的如1×2光開關。通過集成多個1×2光開關也可組成較大的陣列。目前有2種類型熱光開關：干涉式光開關、數(shù)字光開關(DOS)。干涉式光開關主要利用M-Z干涉原理，在兩個波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關的目的。干涉式光開關結構緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。數(shù)字光開關的原理和結構都很簡單，最基本的1×2熱光開關由在硅基底上制做的Y形分支矩形波導構成。在波導分支表面沉積金屬鈦或鉻形成微加熱器。當對Y形的一個分支加熱時，相應波導的折射率會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關的性能穩(wěn)定在于只要加熱到一定溫度，光開關就保持同樣的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功耗小，消光比可達20 dB，但插入損耗較大，一般為3～4 dB。熱光開關陣列可以和陣列波導光柵集成在一起組成光分插復用器，并利用聚合物進行規(guī)模生產(chǎn)。目前研究開發(fā)商有NTT Electronics、JDSU、Corning、阿爾卡特等公司。熱光開關的缺點為響應時間較長，在毫秒量級，開關速度受到限制。

2.4液晶光開關

液晶光開關通過電場控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關功能。其典型工作原理如圖3所示。圖3中在相距一定距離的兩平板之間均勻排列著向列相液晶，當沒有外加電壓時(見圖3a)，向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子與互相垂直的偏振片A、P的夾角均為45°，此時光透過率最大，開關為通狀態(tài)；當施加外場E時(見圖3b)，液晶分子長軸最終平行于外場(見圖3c)，液晶將不影響入射光的偏振特性，此時光的透過率接近于零，開關為斷狀態(tài)；當撤掉外場時，由于表面作用和液晶的彈性作用，液晶分子的排列會恢復到平行于平板表面，從而最終實現(xiàn)開關狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。

目前液晶光開關的最大端口數(shù)為80，消光比為40～50 dB，被認為更適合用于較小的交換系統(tǒng)中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的兩束光，最后再合起來，如果兩束光的傳播路徑稍有不同，便會產(chǎn)生插入損耗(對1×2開關插入損耗為1 dB，對1×8開關插入損耗為2.5 dB)。在開關速度方面，通過加熱液晶可以提高速度，但會使設備功耗增加。主要開發(fā)制造商包括Corning、Chorum、Kent Optronics等公司。

2.5噴墨氣泡光開關

Agilent公司利用其噴墨打印技術的優(yōu)勢，開發(fā)了一種利用液體的移動來改變光路全反射條件，實現(xiàn)光傳播路徑改變的光開關。該器件由多條交叉的硅波導和位于每個交叉點的刻痕組成，刻痕里填充折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。其工作原理是：當入射光照入并需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個小泡，小泡將光從入射波導中的光信號全反射至輸出波導，從而實現(xiàn)開關所需要的兩個狀態(tài)。這種開關具有毫秒的交換速度，優(yōu)點是對偏振相關損耗和偏振模色散不敏感，由于器件本身沒有活動部件，因而可靠性很好。它可應用在光分插復用設備中，實現(xiàn)任意一根光纖或單波長的上下路，也可以用于光交叉連接設備中。由于子系統(tǒng)中任意一根波導可以連接到另外一根波導上，所以，由這種光開關組成的網(wǎng)絡具有很好的重構性^[5]。

2.6光柵開關

全息光柵開關依靠布拉格光柵實現(xiàn)對光的選擇性反射。通過全息的形式在晶體內(nèi)部生成布拉格光柵，當加電時，布拉格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過晶體。該技術可以很容易地組成上千端口的光交換系統(tǒng)，且開關速度快，為納秒(ns)量級，但器件的功耗比較大并需要高電壓供電。

利用液晶與光柵技術相結合也能實現(xiàn)光開關功能，如將液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上面，形成液體光柵。當沒有施加電壓時，光柵把一個特定波長的光反射到輸出端口。加電壓后，光柵消失致使晶體全透明，光信號將直接通過光波導。液體光柵技術的優(yōu)點是響應時間可達100 μs，插入損耗小于1 dB。由于沒有移動部分，可靠性好。另外該器件的功耗比較低，典型功耗值為50 mW。目前光柵開關制造商有Trellis Photonics和Digilens等公司。

2.7聲光開關

利用聲光效應制作的光開關類似聲光可調(diào)諧濾波器，通過在鈮酸鋰材料中引入射頻(RF)聲波，形成波長選擇性布拉格光柵，輸入光波在沿內(nèi)部有聲波的波導傳輸時，其偏振在波長與聲波布拉格光柵匹配時將發(fā)生變化，從而利用偏振分束器就可以實現(xiàn)波長選擇，并在此基礎上實現(xiàn)開關功能。該類器件的消光比主要由橫電(TE)模和橫磁(TM)模的轉(zhuǎn)換效率決定，一般小于20 dB。目前最大端口為256×256，由于沒有機械的運動部分，所以可靠性好。對1×2開關，開關速度比較快，為525 ns，缺點是插入損耗較大且成本較高。目前制造商有Gooch and Housego PLC、Light Management group、Brimcom Inc等開發(fā)公司。

3、光開關器件的新進展

目前，光通信網(wǎng)正從高速大容量向智能化方向發(fā)展，從長途骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)和局域網(wǎng)延伸。通信運營商在提升光網(wǎng)絡的容量時，將更加注重光網(wǎng)絡的靈活性和可擴展性，以降低運營成本和應對快速變化的市場環(huán)境。智能化將是未來光網(wǎng)絡發(fā)展的主要方向。在器件級上，多項功能集成的器件和參數(shù)可調(diào)的器件是構建智能化光聯(lián)網(wǎng)的關鍵器件。這些可調(diào)諧和多項功能集成器件大多與光開關有緊密關系，因此業(yè)界對光開關的重視程度在不斷加強，促進了各種光開關的發(fā)展。

3.1微電子機械開關器件的進展

MEMS(微電子機械開關)在經(jīng)歷了2年前一股熱潮之后，正處在一個調(diào)整和尋求新突破的時期。為了解決三維MEMS開關陣列所遇到的制造上和使用上的種種難題，新原理和新型器件的研究開發(fā)十分活躍，幾種新型MEMS方案相繼提出。

CMEMS(Compliant MEMS)中采用高彈性的硅酮橡膠材料來改進因硅材料太硬和太脆造成的問題^[6]。硅的楊氏模量高達160 GPa, 但屈服極限很低，造成引起硅部件形變所需的驅(qū)動電壓較高而形變的程度又不能很大，一般要小于1% 以避免破碎。硅酮橡膠是一種已有50年歷史的成熟的材料，可靠性在航天飛機等多種應用中已得到證明。其楊氏模量可低至200 kPa，但又有3個數(shù)量級的調(diào)整范圍。大多硅酮橡膠能夠承受200%的形變而不致?lián)p壞。利用這些優(yōu)良的特性，在大大改善MEMS性能的同時，能降低成本和提高成品率。 圖4為一種用CMEMS技術研制的原型器件的結構。該法-珀腔原理的可調(diào)諧濾波器由3塊硅基片組成，其上分別淀積有金屬電極、介質(zhì)反射鏡和控制位移的硅酮橡膠層。該結構的細度能夠達到2 000以上，并有小于2.5 dB的插入損耗。初步成果表明，硅酮橡膠的引入會給MEMS技術包括光開關技術帶來一種新的選擇和強勁的競爭可能。

DMEMS(Diffractive MEMS)的發(fā)展同樣是為了避免光MEMS開關中硅反射鏡的驅(qū)動電壓高和控制電路復雜的問題。由于是利用衍射而不是反射的原理，DMEMS光開關的結構簡單，可用典型的1.0 μm CMOS 工藝線制造^[7]。圖5為DMEMS 的基本工作原理。圖5a顯示在硅基片上由空氣隙、二氧化硅層和金屬電極等構成的一組電容式結構的折射率分布滿足布拉格條件，入射光全被反射。圖5b顯示的則是在靜電作用下的部分金屬電極之間空氣隙變小，使整體結構的折射率分布發(fā)生變化，因而入射光被衍射到特定的方向。DMEMS這種簡單的類電容器式結構決定了它牢固和可靠，在實驗室中經(jīng)500億次操作而無性能的劣化。DMEMS技術在制造光開關和可調(diào)光衰減器方面有良好的應用前景。

在解決光開關陣列規(guī)模方面，不同的公司采取了不同的解決方案。一些公司仍在繼續(xù)用三維MEMS技術開發(fā)1000×1000以上的大型陣列，但某些制造商已在謀求用小規(guī)模的陣列作為模塊，以搭積木的方式組合成大規(guī)模的陣列。他們認為，這樣可以用一些同樣的基本模塊逐漸按用戶需要擴大到相應的規(guī)模，成本低、靈活性強。同時可以用二維MEMS避開三維技術中尚未解決的難題。另外，還有人提出用波長選擇交叉互連(WXC)方式取代一部分通常的OXC方式，只要用一維MEMS陣列即可，從而可實現(xiàn)復雜程度、功耗和成本的大幅下降^[8]。這些用網(wǎng)絡結構的改進降低對光開關陣列的要求的思路很有可取之處。

由于MEMS光開關既有傳統(tǒng)機械光開關的低損耗、低串擾的優(yōu)點，又有開關速度高、體積小、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點?；贛EMS的光交換技術被廣泛考慮應用于干線網(wǎng)或大型交換網(wǎng)。雖然當前遇到一些難題，但對其的研究開發(fā)卻是方興未艾。

3.2可調(diào)諧器件的進展

可調(diào)諧器件是光聯(lián)網(wǎng)中必需的組成部分，包括可調(diào)諧波長的光源、可調(diào)光濾波器、可重配置OADM和OXC、動態(tài)增益均衡器和瞬態(tài)效應抑制的光放大器、自適應動態(tài)可調(diào)的色散補償器等。與固定參數(shù)的同類器件相比，可調(diào)諧器件能夠?qū)崿F(xiàn)遙控或自動帶寬管理，使網(wǎng)絡更靈活、可靠和高效?？烧{(diào)光濾波器、可重配置OADM和OXC使得光信號路徑和目的地的調(diào)整成為可能，從而實現(xiàn)光網(wǎng)絡流量的實時操縱。光開關對于這些可調(diào)諧器件來講，有的必不可少，如可重配置OADM；有的可提供新的解決方案，如可調(diào)諧波長的光源和可調(diào)色散補償器等。據(jù)報道，利用MEMS的外腔半導體激光器波長調(diào)諧范圍達到16 nm，利用MEMS的光纖放大器動態(tài)可調(diào)增益均衡器的平坦范圍達到了40 nm，文獻^[3]表明MEMS光開關技術在可調(diào)諧器件中將有廣泛的應用前景。

3.3多功能集成光開關的進展

集成技術主要有三大類：光電集成技術(OEIC)、光子集成技術(PIC)和微光機械技術。光電集成主要實現(xiàn)有源光子器件與電子器件的集成，可將光子元件與它的驅(qū)動電子芯片集成在一起；光子集成主要進行無源波導器件的集成，將光開關、可調(diào)衰減器和波分復用/解復用器等集成在一起，在一塊芯片上實現(xiàn)子系統(tǒng)功能；微光機械則實現(xiàn)微機械結構與光學元件的集成。3種集成技術各有特色，目前都得到重視和發(fā)展。與分立器件組成的系統(tǒng)相比，集成器件大大減小了體積，還降低了封裝和后續(xù)組裝工藝的成本。光聯(lián)網(wǎng)技術的演進對光開關的功能提出了更高的要求。例如在以寬帶視頻、高清晰度電視和多媒體業(yè)務為主的智能化光網(wǎng)中，采用全光的點對多點的連接方式能夠極大地擴展網(wǎng)絡能力和使用效率[1]。與傳統(tǒng)的光/電/光交換或僅具備光點對點連接的光網(wǎng)絡相比，全光點對多點連接方式可用最少的波長和波長備份、最少的光收發(fā)器實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點間最多的虛連接，使網(wǎng)絡得到優(yōu)化。它的實現(xiàn)要建筑在具有多項功能的光開關器件上。這種器件應具有1×N的開關功能和對通路增益的控制能力，它可以通過把單刀多擲的光開關與可變光衰減器及有關的探測和控制電路集成為一體而得以實現(xiàn)。這種器件在智能光放大器、可重配置OADM和網(wǎng)絡檢測設備中也將被廣泛應用。隨著光網(wǎng)絡智能化趨勢的發(fā)展，集成各種有源無源器件的多功能光開關模塊將成為研究開發(fā)的重點。業(yè)界一些領先的公司已在逐漸推出不同集成程度和功能的集成光開關模塊或光子交換平臺以適應不同廠商的需要。2002年5月，日本NEC公司和美國Tellium公司宣布共同開發(fā)了集成光傳送-交換單元。其中包括Tellium公司的光開關陣列與StarNet波長管理系統(tǒng)(WMS)以及NEC公司的DWDM光轉(zhuǎn)發(fā)器和SpectraWave 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)(NMS)。據(jù)稱這是第一個可商用的集成光傳送-交換單元，它將節(jié)省電信運營商的投資和運行費用，降低功耗和設備的體積。雖然光器件的集成技術尚處于初步發(fā)展期，與微電子大規(guī)模集成電路技術相比，光電子器件的集成還有很長的路要走，但是它卻是使光電子器件包括光開關器件走向小型化、多功能化和生產(chǎn)自動化的必然發(fā)展方向。

4、結束語

隨著光聯(lián)網(wǎng)概念的提出，光開關作為一種至關重要的器件正成為人們關注的焦點。光開關器件特別是多功能集成光開關的進展將對全光網(wǎng)絡的發(fā)展起到重大推動作用。□

參考文獻

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7 Godil A. Diffractive MEMS technology offers a new platform for optical networks. Laser Focus World, May 2002

8 Arent D,Staple B. 1-D MEMS approach to dynamic reconfiguration. Lightwave, Nov 2001:65—75

(收稿日期：2002-06-03)

作者簡介

謝世鐘，清華大學電子工程系責任教授，博士生導師，信息光電子研究所所長，國家“863”計劃信息領域?qū)＜椅瘑T會成員，美國IEEE高級會員和中國電子學會高級會員。研究領域為光電子技術、高速大容量光纖通信系統(tǒng)和寬帶光纖網(wǎng)絡。

陳明華，清華大學電子工程系副教授，“九五”二期國家“863”計劃光電子主題總體技術組成員。東南大學博士畢業(yè)。承擔和參加了多項國家自然基金、高技術“863”等科研項目，并獲多項部委科技進步獎。已在國內(nèi)外著名期刊和會議上發(fā)表論文50余篇。

王國忠，清華大學電子工程系講師。北京大學碩士畢業(yè)。研究領域為光傳輸系統(tǒng)CAD技術、MEMS光開關和光纖光柵器件等。參加了“量子阱光電子器件TCAD”等多項“863”計劃和國家自然科學基金課題的研究工作。