全光通信網(wǎng)絡(luò)中光開關(guān)技術(shù)比較

［何建興 胡銳 陽揚(yáng) 詹曉敏 吳錦虹 楊萬里］

1 引言

光開關(guān)是一種多端口光學(xué)器件，端口配置具體情況有：2×2，1×N，M×N，其中M×N 端口光開關(guān)又稱OXC（Optical Cross-Connect，光交叉連接開關(guān)、矩陣光開關(guān)），其作用使對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行邏輯操作或物理切換。光開關(guān)作為光纖通信系統(tǒng)中比較重要組成部分，廣泛應(yīng)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)光信號(hào)進(jìn)行選擇性開關(guān)操作?，F(xiàn)今，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速和全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量的持續(xù)增長，光通信市場將向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、5G 移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)等方向快速增長。光纖通信不僅向大容量、高速率快速發(fā)展，而且其應(yīng)用已經(jīng)從傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)向接入網(wǎng)擴(kuò)展，從干線系統(tǒng)到環(huán)路系統(tǒng)，從電信網(wǎng)到廣播電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)，到進(jìn)入實(shí)用化的全光通信網(wǎng)絡(luò)，都需要光開關(guān)完成系統(tǒng)信道交換、信號(hào)的上傳下載以及系統(tǒng)保護(hù)等功能。光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的高速發(fā)展促進(jìn)了光開關(guān)的需求，光開關(guān)的應(yīng)用及完善，又推動(dòng)了光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展[1]。

目前，在光傳送網(wǎng)中各種不同交換原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的光開關(guān)被廣泛地提出。不同原理和技術(shù)的光開關(guān)具有不同的特性，適用于不同的場合。依據(jù)光開關(guān)不同的原理，目前技術(shù)比較成熟應(yīng)用較廣光開關(guān)為：機(jī)械光開關(guān)、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)）光開關(guān)、磁光開關(guān)。

2 機(jī)械式光開關(guān)

機(jī)械式光開關(guān)發(fā)展已比較成熟，可分為移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)耦合器和移動(dòng)棱鏡。傳統(tǒng)的全光通信機(jī)械式光開關(guān)包括馬達(dá)式（如圖1 左邊）和繼電器式（如圖1 右邊）光開關(guān)，其插入損耗較低(≤1.5 dB)、隔離度高(≥50 dB)、不受偏振和波長的影響。其缺陷在于開關(guān)時(shí)間較長，一般為毫秒量級(jí)，偶爾回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問題。另外其體積較大，不易集成大規(guī)模的光開關(guān)矩陣。

圖1 機(jī)械式光開關(guān)實(shí)物圖

馬達(dá)式光開關(guān)通過小型步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)一根光纖進(jìn)行微步轉(zhuǎn)動(dòng),分別與呈扇形分布的N 個(gè)光纖對(duì)中準(zhǔn)直，以實(shí)現(xiàn)光路的耦合和切換。由于光纖的模場直徑很小，只有幾個(gè)微米，數(shù)值孔徑也很小，要實(shí)現(xiàn)兩根光纖在轉(zhuǎn)動(dòng)中的對(duì)中準(zhǔn)直，是非常困難。為滿足馬達(dá)式光開關(guān)單元實(shí)用化要求,在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),采用了光纖準(zhǔn)直器來擴(kuò)束光路,以確保其的性能指標(biāo)。其基本原理如圖2 所示。

圖2 馬達(dá)式光開關(guān)基本原理圖

根據(jù)擴(kuò)束型耦合原理，影響馬達(dá)式光開關(guān)單元插入損耗的主要來源于兩個(gè)方面：一個(gè)是光纖準(zhǔn)直器本身的附加損耗，目前光纖準(zhǔn)直器本身的附加損耗一般可達(dá)到≤0.1 dB；另一個(gè)是兩光纖準(zhǔn)直器之間的耦合失配產(chǎn)生的附加損耗,其主要表現(xiàn)在光纖準(zhǔn)直器之間的角度偏差、橫向錯(cuò)位、軸向間距等三個(gè)方面。根據(jù)模場耦合理論及高斯光束傳輸理論和實(shí)驗(yàn)表明:兩光纖準(zhǔn)直器間的橫向錯(cuò)位和軸間間距對(duì)光纖準(zhǔn)直器的耦合效率影響較小,而角度偏差相對(duì)影響較大[2]。選擇插入損耗小的光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行光耦合，而且要求兩準(zhǔn)直器的端面間隙大于20 mm 以上，這樣就可減少轉(zhuǎn)臂的長度，以減少切換時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象。選用微米級(jí)的高精度光學(xué)微調(diào)架對(duì)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩準(zhǔn)直器的光軸盡量保持一致，確保兩準(zhǔn)直器的光耦合損耗指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。選用溫度穩(wěn)定性好的銀錫焊接或膠水封裝，并進(jìn)行老化，以減少準(zhǔn)直器之間相對(duì)位置的漂移，確保器件的可靠性。

繼電器式光開關(guān)主要采用非球面透鏡、棱鏡(楔形片)和反射鏡組成光學(xué)部分，用通信級(jí)微型繼電器驅(qū)動(dòng)鏡片作光路切換。繼電器式光開關(guān)采用小型化的金屬封裝，此種封裝可直接應(yīng)用于PCB 板上，并可通過讀取管腳電接觸狀態(tài)來獲知實(shí)際開關(guān)狀態(tài)。繼電器式光開關(guān)由于采用激光焊接技術(shù)和氣密性密封封裝工藝，在光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)方面都有優(yōu)異性能，且使用方便，可廣泛應(yīng)用于多種場合，是一種極具競爭力的性能優(yōu)異的光開關(guān)產(chǎn)品。

“1×2、2×2 光開關(guān)”為主要繼電器式光開關(guān)，采用準(zhǔn)直器和反射片來完成輸入光纖與輸出光纖的耦合，驅(qū)動(dòng)方式采用目前比較成熟的電磁驅(qū)動(dòng)反射片的方式切換，即通過對(duì)線圈通電產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)件（反射片固定在運(yùn)動(dòng)件上）前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的反射或者不反射達(dá)到切換光路的目的。下面以2×2 為例說明光開關(guān)原理。

如圖3 所示為2×2 光開關(guān)的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)，光開關(guān)有兩種狀態(tài)。

圖3 2×2 光開關(guān)的原理圖

第一種，光路交叉狀態(tài)：一路光信號(hào)從輸入1 端輸入，直通輸出2 端輸出；另一路光信號(hào)從輸入2 端輸入，直通輸出1 端輸出。如圖3(a)所示。

第二種，光路反射狀態(tài)：一路光信號(hào)從輸入1 端輸入，經(jīng)反射片反射，由輸出1 端輸出；另一路從輸入2 端輸入，經(jīng)反射片反射，由輸出2 端輸出。如圖3(b)所示。

1×2 光開關(guān)原理與2×2 光開關(guān)類似，把圖3 中某一端的雙芯準(zhǔn)直器換成單芯準(zhǔn)直器即可實(shí)現(xiàn)1×2 光開關(guān)的功能。

3 MEMS 光開關(guān)

MEMS 是以微電子、微機(jī)械、微光學(xué)及材料科學(xué)為基礎(chǔ)，可批量制作集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路以及接口、通信和電源等于一體的微型光學(xué)器件或系統(tǒng)。MEMS 光開關(guān)較其他光開關(guān)具有明顯的優(yōu)勢：開關(guān)時(shí)間一般在ms 數(shù)量級(jí)；體積小、集成度高；工作方式與光信號(hào)的格式、波長、協(xié)議、偏振方向、傳輸方向、調(diào)制方式均無關(guān)[3]。

按功能實(shí)現(xiàn)方法，可將MEMS 光開關(guān)分為光路遮擋型、移動(dòng)光線對(duì)接型和微反射鏡型。微反射鏡型MEMS光開關(guān)方便集成和控制，易于組成光開關(guān)陣列，是MEMS光開關(guān)研究的重點(diǎn)。MEMS 光開關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使微鏡陣列產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能[4]。MEMS 光開關(guān)切換光波路由是通過外部控制信息以及相應(yīng)的高低電平控制內(nèi)部微鏡片抬升與否來完成。常規(guī)MEMS 光開關(guān)從空間結(jié)構(gòu)上可分成這樣兩種，即二維光開關(guān)和三維光開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 MEMS 空間結(jié)構(gòu)圖

二維MEMS 光開關(guān)由二維微小鏡片陣列組成，對(duì)于M×N 的光開關(guān)陣列，光開關(guān)在平面上的布置有M×N 個(gè)微反射鏡，結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。光束在二維空間傳輸，每個(gè)微反射鏡只有‘開’和‘關(guān)’兩種狀態(tài)。光開關(guān)分別與輸入光纖組和輸出光纖組連接。準(zhǔn)直光通過微鏡的旋轉(zhuǎn)控制被接到指定的輸出端。當(dāng)微鏡為水平時(shí)，可使光束從該微鏡上面通過，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時(shí)，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對(duì)應(yīng)的輸出端口輸出[5]。二維MEMS 光開關(guān)可接受簡單的數(shù)字信號(hào)控制，一般只需提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓使微反射鏡產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)即可，簡化了控制電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)二維MEMS 光開關(guān)擴(kuò)展成大型光開關(guān)陣列時(shí)，由于各端口間的傳輸距離不同，因此只能用在端口較少的環(huán)路里[6]。

三維MEMS 光開關(guān)由三維微小鏡片陣列組成，微反射鏡能沿著兩個(gè)方向的軸任意旋轉(zhuǎn)，微反射鏡和光纖不被束縛在平面位置，每根輸入光纖有一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出微反射鏡，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。因此，對(duì)于M×N 陣列的三維MEMS 光開關(guān)，僅需M+N 個(gè)微反射鏡。光束在三維空間傳輸，輸入光纖的光束由其對(duì)應(yīng)的輸入微反射鏡反射到任意一個(gè)輸出微反射鏡，輸出微反射鏡可以將任意輸入微反射鏡的光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光纖。

4 磁光開關(guān)

磁光開關(guān)就是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過外加磁場的改變來改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到全光切換的效果。其外形如圖5 所示。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)，它具有開關(guān)速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，而相對(duì)于其它的非機(jī)械式光開關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)勢，可以預(yù)見在不久的將來，磁光開關(guān)將是未來一種極具競爭力的光開關(guān)。

圖5 磁光開關(guān)實(shí)物圖

法拉第旋光效應(yīng)就是線偏振光沿外加磁場方向通過介質(zhì)時(shí)偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的想象。對(duì)于一個(gè)順著介質(zhì)中M 方向傳播的線偏振光，可分解成兩個(gè)相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓偏振光，若為實(shí)數(shù)，這意味著介質(zhì)對(duì)光波沒有吸收，那么這兩個(gè)圓偏振光無相互作用地以兩種稍微不同的速度向前傳播，出射后它們之間僅存在相位差，從而合成的仍為線偏光，但其偏振面相對(duì)于入射線偏振發(fā)生了一定的旋轉(zhuǎn)。這就說明了外加磁場作用于磁光晶體上時(shí)，入射線偏光通過后可以改變其偏振態(tài)。

如圖6 所示，入射光矢量旋轉(zhuǎn)的角度β 與沿著光傳播方向作用在非磁性物質(zhì)上的磁感強(qiáng)度B 及光在磁場中所通過的物質(zhì)長度d 成正比，即

圖6 法拉第磁光效應(yīng)圖

其中，V 是費(fèi)爾德(Verdet)常數(shù)，它與波長有關(guān)，且非常接近該材料的吸收諧振,故不同的波長應(yīng)選取不同的材料。大多數(shù)物質(zhì)的V 值都很小，近些年出現(xiàn)了一些極強(qiáng)磁致旋光能力的新型材料，這些材料屬于鐵磁性物質(zhì)，線偏振光通過在磁場中被磁化的材料時(shí)，振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)磁化強(qiáng)度未達(dá)到飽和時(shí)，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度θ 目與磁化強(qiáng)度M 及通過的距離d 成正比[7]。

以上公式中M0 是飽和磁化強(qiáng)度，F(xiàn) 為法拉第旋光系數(shù)，表示磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和后振動(dòng)面每通過單位距離所轉(zhuǎn)過的角度。強(qiáng)磁性金屬合金及金屬化臺(tái)物(如Fe，Co 及Ni)有極高的F 值，但同時(shí)吸收系數(shù)a 的值也非常大；強(qiáng)磁性化合物由于一般存在a 極小的波長區(qū)域，使得它具有很高的旋光性能指數(shù)，同時(shí)，磁致旋光的方向只與磁場的方向有關(guān)，而與光的傳播方向無關(guān)，光束往返通過磁致旋光物質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度往同一方向累加。

磁光開關(guān)結(jié)構(gòu)上由3 個(gè)部分構(gòu)成：光路部分、磁路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分，如圖7 所示。

圖7 磁光開關(guān)結(jié)構(gòu)方框圖

5 幾種光開關(guān)對(duì)比

光開關(guān)的性能是由業(yè)務(wù)量、運(yùn)行條件和現(xiàn)場環(huán)境等因素共同決定。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)光開關(guān)的要求是：一方面必須在插入損耗、消光比、串?dāng)_、開關(guān)速度、開關(guān)規(guī)模和開關(guān)尺寸等方面具有良好的性能；另一方面必須能夠集成為大規(guī)模的開關(guān)矩陣，以適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求。

很多因素會(huì)影響光開關(guān)的性能.如光開關(guān)之間的串?dāng)_、隔離度、消光比等都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。當(dāng)光開關(guān)進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí).這些參數(shù)將影響網(wǎng)絡(luò)性能。光開關(guān)要求對(duì)速率和業(yè)務(wù)類型保持透明。在構(gòu)建絕對(duì)無阻塞的大型光開關(guān)矩陣時(shí).減小串?dāng)_、降低損耗、實(shí)現(xiàn)低成本是需要研究的問題。部分光開關(guān)的性能對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 部分光開關(guān)的性能對(duì)比

6 結(jié)束語

光開關(guān)是全光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件。本文對(duì)光開關(guān)的主要類型：機(jī)械光開關(guān)、MEMS 光開關(guān)、磁光開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式和性能特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析與對(duì)比，總結(jié)了不同類型光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。