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光開(kāi)關(guān)種類及相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介?
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????? 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(kāi)關(guān)被廣泛地提出。不同原理和技術(shù)的光開(kāi)關(guān)具有不同的特性，適用于不同的場(chǎng)合。依據(jù)不同的光開(kāi)關(guān)原理，光開(kāi)關(guān)可分為：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)和聲光開(kāi)關(guān)。依據(jù)光開(kāi)關(guān)的交換介質(zhì)來(lái)分，光開(kāi)關(guān)可分為：自由空間交換光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)交換光開(kāi)關(guān)。
??? 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)發(fā)展已比較成熟，可分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡和移動(dòng)耦合器。傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)介入損耗較低（≤2dB）；隔離度高（>45dB）；不受偏振和波長(zhǎng)的影響。其缺陷在于開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為毫秒量級(jí)，有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問(wèn)題。另外其體積較大，不易做成大型的光開(kāi)關(guān)矩陣。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械光開(kāi)關(guān)難以適應(yīng)高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。而新型的以微機(jī)械工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械光開(kāi)關(guān)既具有傳統(tǒng)機(jī)械光開(kāi)關(guān)的介入損耗低、隔離度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有體積小易于集成等優(yōu)點(diǎn)，成為大容量交換光網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)發(fā)展的主流方向。
??? 熱光、電光、聲光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)通過(guò)改變交換介質(zhì)的波導(dǎo)折射率，實(shí)現(xiàn)交換目的。
目前常用的光開(kāi)關(guān)有以下幾種：MEMS光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、熱光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、全息光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、液體光柵光開(kāi)關(guān)、SOA光開(kāi)關(guān)等。隨著新技術(shù)的發(fā)展，將有更多類型的光開(kāi)關(guān)出現(xiàn)。
??? 光開(kāi)關(guān)的主要性能參數(shù)
交換矩陣的大小：光開(kāi)關(guān)交換矩陣的大小反映了光開(kāi)關(guān)的交換能力。光開(kāi)關(guān)處于網(wǎng)絡(luò)不同位置，對(duì)其交換矩陣大小要求也不同。隨著通信業(yè)務(wù)需求的急劇增長(zhǎng)，光開(kāi)關(guān)的交換能力也需要大大提高，如在骨干網(wǎng)上要有超過(guò)1000×1000的交換容量。對(duì)于大交換容量的光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)較多的小光開(kāi)關(guān)疊加而成。
交換速度：交換速度是衡量光開(kāi)關(guān)性能的重要指標(biāo)。交換速度有兩個(gè)重要的量級(jí)，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)ms時(shí)，對(duì)因故障而重新選擇路由的時(shí)間已經(jīng)夠了。如對(duì)SDH/SONET來(lái)說(shuō)，因故障而重新選路時(shí)，50ms的交換時(shí)間幾乎可以使上層感覺(jué)不到。當(dāng)交換時(shí)間到達(dá)ns量級(jí)時(shí)，可以支持光互聯(lián)網(wǎng)的分組交換。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)光互聯(lián)網(wǎng)是十分重要的。
損耗：當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光開(kāi)關(guān)時(shí)，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預(yù)算設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，光開(kāi)關(guān)及其級(jí)聯(lián)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預(yù)算。光開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)：光纖和光開(kāi)關(guān)端口耦合時(shí)的損耗和光開(kāi)關(guān)自身材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗。一般來(lái)說(shuō)，自由空間交換的光開(kāi)關(guān)的損耗低于波導(dǎo)交換的光開(kāi)關(guān)。如液晶光開(kāi)關(guān)和MEMS光開(kāi)關(guān)的損耗較低，大約1～2db。而鈮酸鋰和固體光開(kāi)關(guān)的損耗較大，大約4db左右。損耗特性影響到了光開(kāi)關(guān)的級(jí)聯(lián)，限制了光開(kāi)關(guān)的擴(kuò)容能力。
交換粒度：不同的光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，對(duì)交換的需求和光域內(nèi)使用的交換粒度也有所不同。交換粒度可分為三類：波長(zhǎng)交換、波長(zhǎng)組交換和光纖交換。交換粒度反映了光開(kāi)關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性。這對(duì)于考慮網(wǎng)絡(luò)的各種業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和恢復(fù)具有重要意義。
無(wú)阻塞特性：無(wú)阻塞特性是指光開(kāi)關(guān)的任一輸入端能在任意時(shí)刻將光波輸出到任意輸出端的特性。大型或級(jí)聯(lián)光開(kāi)關(guān)的阻塞特性更為明顯。光開(kāi)關(guān)要求具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性。
升級(jí)能力：基于不同原理和技術(shù)的光開(kāi)關(guān)，其升級(jí)能力也不同。一些技術(shù)允許運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需要隨時(shí)增加光開(kāi)關(guān)的容量。很多開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可容易地升級(jí)為8×8或32×32，但卻不能升級(jí)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。
可靠性：光開(kāi)關(guān)要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開(kāi)關(guān)可能需要完成幾千幾萬(wàn)次的頻繁動(dòng)作。有些情況（如保護(hù)倒換），光開(kāi)關(guān)倒換的次數(shù)可能很少，此時(shí)，維持光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)是更主要的因素。如噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)，如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問(wèn)題。
很多因素會(huì)影響光開(kāi)關(guān)的性能，如光開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)要求對(duì)速率和業(yè)務(wù)類型保持透明。
MEMS光開(kāi)關(guān)
??? MEMS（micro-electro-mechanical－systems）是由半導(dǎo)體材料，如Si等，構(gòu)成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。它將電、機(jī)械和光集成為一塊芯片，能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。MEMS已廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。MEMS器件的結(jié)構(gòu)很像IC的結(jié)構(gòu)，它的基本原理就是通過(guò)靜電的作用使可以活動(dòng)的微鏡面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。從而改變輸入光的傳播方向。MEMS既有機(jī)械光開(kāi)關(guān)的低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點(diǎn)，又有波導(dǎo)開(kāi)關(guān)的高開(kāi)關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)?；贛EMS光開(kāi)關(guān)交換技術(shù)的解決方案已廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)或大型交換網(wǎng)。
??? 典型的MEMS光開(kāi)關(guān)器件可分為二維和三維結(jié)構(gòu)?；阽R面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機(jī)械底座上。典型的尺寸是10cm。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開(kāi)關(guān)。而對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的交換和恢復(fù)，基于旋轉(zhuǎn)鉸接微鏡的光開(kāi)關(guān)是一種最好的選擇，因?yàn)閷?duì)于這樣的應(yīng)用，光開(kāi)關(guān)不需要經(jīng)常變換（甚至一個(gè)微鏡處于一個(gè)狀態(tài)可能一年多也不會(huì)發(fā)生變化）。而且，亞毫秒的開(kāi)關(guān)時(shí)間也能很好地適應(yīng)于全光網(wǎng)的業(yè)務(wù)提供和恢復(fù)。二維MEMS的空間微調(diào)旋轉(zhuǎn)鏡通過(guò)表面微機(jī)械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過(guò)微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆?。微鏡的結(jié)構(gòu)和控制如圖2所示，微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個(gè)推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點(diǎn)，另一端連接平移盤鉸接點(diǎn)。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過(guò)SDA調(diào)節(jié)器（Scratch Drive Actuator）調(diào)節(jié)平移盤使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)微鏡為水平時(shí)，可使光束通過(guò)該微鏡，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。二維MEMS需要N2個(gè)微鏡來(lái)完成N2個(gè)自由空間的光交叉連接，其控制電路較簡(jiǎn)單，由TTL驅(qū)動(dòng)器和電壓變換器來(lái)提供微鏡所需的電壓。開(kāi)關(guān)矩陣的規(guī)模可以擴(kuò)展到上千個(gè)端口。
??? 三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對(duì)出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)第一個(gè)陣列鏡面上被反射到第二個(gè)陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達(dá)到百萬(wàn)分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當(dāng)波長(zhǎng)帶同時(shí)從一根光纖交換到另一根光纖上。三維MEMS主要靠?jī)蓚€(gè)N微鏡陣列完成兩個(gè)光纖陣列的光波空間連接，每個(gè)微鏡都有多個(gè)可能的位置。由于MEMS光開(kāi)關(guān)是靠鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)交換，所以任何機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)都可能損壞光開(kāi)關(guān)。
??? 目前，朗訊公司已研制了1296×1296端口的MEMS。其單端口傳送容量為1.6Tb/s（單纖復(fù)用40個(gè)信道，每路信道傳送40Gb/s信號(hào)），總傳送容量達(dá)到2.07Petabit/s。具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性，介入損耗為5.1db，串?dāng)_（最壞情況）為-38db。使光開(kāi)關(guān)的交換總?cè)萘窟_(dá)到新的數(shù)量級(jí)。OMM公司提出的4×4和8×8光開(kāi)關(guān)，其速率小于10ms。16×16端口的交換時(shí)間增加到20ms。其4×4光開(kāi)關(guān)的損耗為3db，而16×16光開(kāi)關(guān)的損耗為7db，16×16設(shè)備可重復(fù)性達(dá)到3dB，而更小的只有0.5db。目前，OMM正在積極開(kāi)發(fā)三維光開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)更大的交叉連接。Iolon利用MEMS實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)時(shí)間小于5ms。Xeros基于MEMS微鏡技術(shù)，設(shè)計(jì)了能升級(jí)到1152×1152的光交叉連接設(shè)備，對(duì)速率和協(xié)議透明，允許高帶寬數(shù)據(jù)流透明交換，無(wú)需光電轉(zhuǎn)換。交換時(shí)間小于50ms，其微鏡的控制精度達(dá)到百萬(wàn)分之五度。使用三維兩個(gè)面對(duì)面微鏡陣列，功率消耗小于1千瓦。
噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)
??? 安捷倫公司采用他們的熱噴墨打印和硅平面光波電路兩種技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)（圖4、5）。安捷倫把這種技術(shù)稱為“光子交換平臺(tái)”。其光開(kāi)關(guān)平臺(tái)包括兩部分：下半部是硅襯底的玻璃波導(dǎo)，上半部是硅片。上下之間抽真空密封，內(nèi)充特定的折射率匹配液，每一個(gè)小溝道都對(duì)應(yīng)一個(gè)微型電阻，通過(guò)電阻加熱匹配液形成氣泡，對(duì)通過(guò)的光產(chǎn)生全反射。電信號(hào)的加入在下半部引入。在芯片與光纖的耦合上采用帶狀光纜通過(guò)硅V型槽BUTT END接觸解決。當(dāng)有入射光照入并需要交換時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中產(chǎn)生一個(gè)小泡，小泡將光從入射波導(dǎo)中的光信號(hào)全反射至輸出波導(dǎo)。HP的噴墨打印技術(shù)的引入主要反映在對(duì)氣泡（微電阻）產(chǎn)生的精密控制上。噴墨打印要在指定的地方產(chǎn)生墨點(diǎn)，這里要在指定的地方產(chǎn)生氣泡。但氣泡光開(kāi)關(guān)同噴墨技術(shù)又不相同，氣泡也許要維持很長(zhǎng)一段時(shí)間。安捷倫稱氣泡由封閉的系統(tǒng)控制，因此不會(huì)溢出，通過(guò)控制蒸氣壓，保持液、氣體能共存的溫度和壓力。噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)交換速度為10ms。由于沒(méi)有可移動(dòng)部分，可靠性較好。32×32子系統(tǒng)損耗為4.5db，由于使用已有的技術(shù)，故其成本不高。同時(shí)具有較好的擴(kuò)展性。
??? 安捷倫噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)具有毫秒的交換速度，具有偏振不敏感性，因此具有小的極化損耗，能對(duì)速率和業(yè)務(wù)協(xié)議透明。具有低損耗、低串?dāng)_和小于-50db的高消光比。噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)有兩個(gè)重要因素要考慮：（1）如何很好地控制光開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，如光開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作或長(zhǎng)期維持氣泡狀態(tài)。（2）噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)封裝后，其內(nèi)部材料和液體的生存時(shí)間問(wèn)題（如典型的20年）。
液晶光開(kāi)關(guān)
??? 液晶光開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)基于對(duì)偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可以通過(guò)。典型的液晶器件將包括無(wú)源和有源兩部分。無(wú)源部分，如分路器將入射光分為兩路偏振光。根據(jù)是否使用電壓，有源部分或者改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)或者不加改變。由于電光效應(yīng)，在液晶上施加電壓將改變非常光的折射率，從而改變非常光的偏振狀態(tài)，本來(lái)平行光經(jīng)過(guò)在液晶中的傳輸會(huì)變成垂直光。液晶的電光系數(shù)很高，是鈮酸鋰的幾百萬(wàn)倍，使液晶成為最有效的光電材料。電控液晶光開(kāi)關(guān)的交換速度可達(dá)亞微秒級(jí)，未來(lái)將可以達(dá)到納秒級(jí)。
??? Spectraswitch公司的WaveWalker產(chǎn)品是一個(gè)固態(tài)產(chǎn)品，其1×2和2×2介入損耗小于1db，極化損耗為0.2db，交換時(shí)間為4ms左右，交換波長(zhǎng)的范圍為C波段。液晶光開(kāi)關(guān)沒(méi)有移動(dòng)部分，所以提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Chorumtech公司的PolarShift液晶光開(kāi)關(guān)能達(dá)到毫秒量級(jí)的交換速度，具有高消光比、低介入和極化損耗、低串?dāng)_等特點(diǎn)。Corning公司也正投資于液晶光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
熱光效應(yīng)開(kāi)關(guān)
??? 熱光技術(shù)一般用于制作小型光開(kāi)關(guān)。典型的如1×1、1×2、2×2等，更大的光開(kāi)關(guān)可由1×2光開(kāi)關(guān)元件在同一晶片上集成。
熱光開(kāi)關(guān)主要有兩種基本類型：數(shù)字型光開(kāi)關(guān)（DOS：Digital optical switches）和干涉型光開(kāi)關(guān)(Interferometric switches)。干涉型光開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)敏感。因此，通常需要進(jìn)行溫度控制。它們都是在介質(zhì)材料，如玻璃或硅基片上，先做上波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后，在波導(dǎo)上蒸鍍金屬薄膜加熱器，金屬薄膜通電發(fā)熱，導(dǎo)致其下面的波導(dǎo)的折射率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
數(shù)字型光開(kāi)關(guān)
??? 當(dāng)加熱器溫度加熱到一定溫度，開(kāi)關(guān)將保持固定狀態(tài)。最簡(jiǎn)單的設(shè)備 1×2光開(kāi)關(guān)，稱為Y型分支熱光開(kāi)關(guān)。當(dāng)對(duì)Y型的一個(gè)臂加熱時(shí)，它改變折射率，阻斷了光線通過(guò)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損耗。
Y型分支器結(jié)構(gòu)如圖7所示，在硅基底或SiO2基底上生成矩形波導(dǎo)，微加熱器由Ti或Cr在波導(dǎo)分支表面沉積而成，金屬層一般采用光刻法或濕式化學(xué)刻蝕，為減小在水平方向的熱傳播，電極旁的SiO2層非常薄。當(dāng)其中一個(gè)分支上的加熱器通電時(shí)，在該加熱器下面的波導(dǎo)的折射率減小，相應(yīng)的，光功率被轉(zhuǎn)向另一分支，即處于開(kāi)的狀態(tài)。同時(shí)，在有源加熱器的分支則處于關(guān)的狀態(tài)。波導(dǎo)材料在開(kāi)始階段經(jīng)常采用Si或SiO2，而現(xiàn)在人們則把更多的研究轉(zhuǎn)向了聚合物波導(dǎo)，這主要是由于聚合物的導(dǎo)熱率很低，而熱光系數(shù)卻很高。介入損耗一般為3-4dB，消光比為20dB左右。
干涉儀型光開(kāi)關(guān)
?干涉儀型光開(kāi)關(guān)主要指M-Z干涉儀型。主導(dǎo)思想是利用光相位特性。輸入光被分為兩束，通過(guò)兩個(gè)分開(kāi)的波導(dǎo)，再合并。其中一個(gè)波導(dǎo)被加熱改變其光程。當(dāng)兩條路徑長(zhǎng)度相同時(shí)，光通過(guò)其中一個(gè)出口，當(dāng)長(zhǎng)度不同時(shí)，光線通過(guò)另一個(gè)出口。由于Si的導(dǎo)熱系數(shù)較大，加熱器的距離至少要100微米，這樣才不會(huì)影響到相鄰的開(kāi)關(guān)。MZI型光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖8所示。它包括一個(gè)MZI和兩個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)波導(dǎo)臂具有相同的長(zhǎng)度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，波導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個(gè)散熱器。波導(dǎo)上的熱量通過(guò)它來(lái)散發(fā)出去。當(dāng)加熱器未加熱時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)3dB耦合器在交叉輸出端口發(fā)生相干相長(zhǎng)而輸出，在直通的輸出端口發(fā)生相干相消，如果加熱器開(kāi)始工作而使光信號(hào)發(fā)生了大小為π的相移，則輸入信號(hào)將在直通端口發(fā)生相干相長(zhǎng)而輸出，而在交叉端口發(fā)生干涉相消。從而通過(guò)控制加熱器可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。
??? 以1×2和2×2光開(kāi)關(guān)單元為基礎(chǔ)，其它4×4、8×8、16×16等光開(kāi)關(guān)矩陣可通過(guò)這兩種光開(kāi)關(guān)單元集成而得到。光開(kāi)關(guān)矩陣的集成，有多種組網(wǎng)方式，其中，CLOS多級(jí)網(wǎng)絡(luò)是最常用的一種，對(duì)N×N的開(kāi)關(guān)矩陣，需要2N－1級(jí)的開(kāi)關(guān)單元級(jí)聯(lián)而成。如8×8的矩陣開(kāi)關(guān)，一般都采用15級(jí)開(kāi)關(guān)單元結(jié)構(gòu)，其中，48個(gè)周邊光開(kāi)關(guān)用作衰減平衡器，始終處于交叉狀態(tài)，而中間組成菱形的64個(gè)光開(kāi)關(guān)構(gòu)成8×8光開(kāi)關(guān)的核心，每一級(jí)的光開(kāi)關(guān)單元數(shù)目分別為7和8個(gè)交叉排列。從而構(gòu)成嚴(yán)格無(wú)阻塞的8×8光開(kāi)關(guān)矩陣，NTT公司最近采用雙MZI串聯(lián)的開(kāi)關(guān)單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單MZI型開(kāi)關(guān)單元,僅用8級(jí)開(kāi)關(guān)單元就構(gòu)成了嚴(yán)格無(wú)阻塞的8×8開(kāi)關(guān)矩陣，圖9即為NTT公司制造的8×8光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。它有效地減小了波導(dǎo)長(zhǎng)度，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了消光比，降低了串?dāng)_水平。工作帶寬覆蓋了整個(gè)EDFA增益譜。
??? NTT公司16×16熱光開(kāi)關(guān)已經(jīng)商用，它是在一個(gè)Si晶片上集成500個(gè)以上的開(kāi)關(guān)元件，其交換速度依賴于對(duì)材料的加熱時(shí)間。聚合物光開(kāi)關(guān)交換時(shí)間大約是幾個(gè)毫秒，Si材料光開(kāi)關(guān)通常更慢，大約6-8ms。Lynxpn公司的8×8光開(kāi)關(guān)是由128個(gè)1×2熱光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的，具有嚴(yán)格無(wú)阻塞特性，能支持廣播功能，交換時(shí)間小于2ms，極化損耗小于0.4db，介入損耗小于1db。由于熱光開(kāi)關(guān)的操作是通過(guò)重復(fù)加熱和冷卻波導(dǎo)進(jìn)行，因此這將減少光開(kāi)關(guān)的壽命。Si材料光開(kāi)關(guān)具有非常低的損耗，聚合物損耗更高。聚合物光開(kāi)關(guān)需要較低的功率，典型的是5個(gè)微瓦，Si開(kāi)關(guān)將是聚合物的100倍。
全息光開(kāi)關(guān)
??? 全息光開(kāi)關(guān)是利用激光的全息技術(shù)，將光纖光柵全息圖寫入KLTN晶體內(nèi)部，利用光纖光柵選定波長(zhǎng)的光開(kāi)關(guān)。電激發(fā)的光纖布拉格光柵的全息圖被寫入到KLTN晶體內(nèi)部后，當(dāng)不加電壓時(shí)，晶體是全透明的，此時(shí)光線直通晶體。當(dāng)有電壓時(shí)，光纖光柵的全息圖產(chǎn)生，其對(duì)特定波長(zhǎng)光反射，將光反射到輸出端。晶體的行和列對(duì)光進(jìn)行選路。KLTN晶體尺寸大約為2×2×1.5毫米，組成一個(gè)矩陣，構(gòu)成光開(kāi)關(guān)的核心。行對(duì)應(yīng)于不同的光纖，列同交換的波長(zhǎng)有關(guān)。全息圖對(duì)照明不敏感，所以通常不會(huì)擦除存儲(chǔ)的全息圖。但光全息圖能被擦除并重新寫入。同時(shí)，多個(gè)全息光柵能高效地存儲(chǔ)到同一晶體內(nèi)部。它具有低損耗特性。交換速度達(dá)到納秒量級(jí)，全息光開(kāi)關(guān)可以在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)每一路波長(zhǎng)，因?yàn)楫?dāng)全息光柵被激活時(shí)，大約有95％被反射，剩余5％直通。這5％的信號(hào)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)管理具有很重要的意義。
??? 利用這種技術(shù)可以很容易地組成上千個(gè)端口的光交換系統(tǒng)。并且它的開(kāi)關(guān)速度非?？欤恍鑾准{秒就可以把一個(gè)波長(zhǎng)交換到另一個(gè)波長(zhǎng)。由于沒(méi)有可移動(dòng)部件，它的可靠性較高。掌握這種技術(shù)的TrellisPhotonics公司聲稱，240×240端口的交換系統(tǒng)的介入損耗低于4dB，端到端的重復(fù)性也比較好，但是它的功耗比較大（240×240功耗小于300瓦），并且需要高壓供電。這種技術(shù)可以跟三維MEMS技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，但它更適合于單個(gè)波長(zhǎng)的交換。納秒量級(jí)的交換速度可以用在未來(lái)的基于分組交換的光路由器中。
液體光柵開(kāi)關(guān)
??? 液體光柵開(kāi)關(guān)是一種液晶和電全息開(kāi)關(guān)技術(shù)的結(jié)合體。它基于電交換光柵（ESBG）技術(shù)。通過(guò)控制電壓，使布拉格光柵產(chǎn)生和消失。將液晶微滴懸浮于聚合體內(nèi)，同時(shí)將它放置在Si波導(dǎo)上，當(dāng)不加電壓時(shí)，布拉格光柵工作并使特定的波長(zhǎng)偏轉(zhuǎn)從波導(dǎo)上端輸出。當(dāng)加上電壓時(shí)，布拉格光柵消失，光線直通波導(dǎo)。這樣液體光柵完成選出特定波長(zhǎng)并交換的功能。液體光柵開(kāi)關(guān)的交換時(shí)間大約100微秒，比熱光開(kāi)關(guān)的交換時(shí)間快10倍，比氣泡光開(kāi)關(guān)或MEMS的交換時(shí)間快100倍。同樣因沒(méi)有移動(dòng)部件，可靠性高、損耗低。DigiLens聲稱液體光柵開(kāi)關(guān)的光損耗小于1db。其典型功耗大約50毫瓦左右。它對(duì)于波長(zhǎng)交換具有靈活性，因?yàn)樗軓牟ㄩL(zhǎng)群中選擇需要的波長(zhǎng)，可作為OADM核心。但其對(duì)于多波長(zhǎng)群交換或光纖級(jí)交換就遠(yuǎn)不如MEMS了。
聲光開(kāi)關(guān)
??? 在這種開(kāi)關(guān)中，聲波用來(lái)控制光線的偏轉(zhuǎn)。交換速度從500ns到10祍。由于沒(méi)有移動(dòng)部分，可靠性較高。1×2光開(kāi)關(guān)損耗低于2.5db。LMGR公司聲稱其光纖線性聲光開(kāi)關(guān)沒(méi)有機(jī)械部分，使用電和計(jì)算機(jī)控制聲光偏轉(zhuǎn)裝置，能在幾個(gè)微秒內(nèi)將輸入信號(hào)送到輸出端，轉(zhuǎn)向器可以任意轉(zhuǎn)向。Brimrose公司也開(kāi)發(fā)自己的聲光開(kāi)關(guān)，其1×2光開(kāi)關(guān)的交換速度是525ns，相對(duì)損耗為2.5db。
半導(dǎo)體光放大器開(kāi)關(guān)
??? 半導(dǎo)體光放大器開(kāi)關(guān)利用SOA的放大特性，實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的交換。圖11是由4個(gè)SOA陣列通過(guò)波導(dǎo)互聯(lián)構(gòu)成的2×2光開(kāi)關(guān)。在關(guān)斷狀態(tài)，SOA是不透明的，即輸入光被SOA吸收。在開(kāi)啟狀態(tài)，光線允許通過(guò)SOA，同時(shí)被放大。通過(guò)調(diào)節(jié)SOA放大波長(zhǎng)，輸入端信號(hào)能到達(dá)任意輸出端。此種光開(kāi)關(guān)具有廣播功能，通過(guò)調(diào)節(jié)SOA，輸入信號(hào)能被廣播到所有輸出端，同時(shí)SOA提供的增益補(bǔ)償了光開(kāi)關(guān)的損耗。2×2光開(kāi)關(guān)插入損耗為0db（典型光纖增益為12db）, 交換時(shí)間1ns左右，極化不敏感。
應(yīng)用及前景分析
??? 光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，它不僅構(gòu)成了波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵設(shè)備（如OADM/OXC）的交換核心，本身也是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。其應(yīng)用范圍主要有：
保護(hù)倒換功能：光開(kāi)關(guān)通常用于網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)。當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時(shí)，利用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護(hù)通常只需要最簡(jiǎn)單的1×2光開(kāi)關(guān)。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的1×N光開(kāi)關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將多纖經(jīng)光開(kāi)關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過(guò)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)。
光器件的測(cè)試：可以將多個(gè)待測(cè)光器件通過(guò)光纖連接，通過(guò)1×N光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái)測(cè)試器件。
構(gòu)建OADM設(shè)備核心：OADM是光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備之一，通常用于城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)OADM光信號(hào)上下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下都應(yīng)用了光開(kāi)關(guān)，主要是2×2光開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)密集波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中光信號(hào)的上下路功能。由于光開(kāi)關(guān)的使用，使OADM能動(dòng)態(tài)配置業(yè)務(wù)，增強(qiáng)了OADM節(jié)點(diǎn)的靈活性，同時(shí)，使得OADM節(jié)點(diǎn)能支持保護(hù)倒換，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)將故障業(yè)務(wù)切換到備用路由中，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的生存能力和網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)能力。
構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心：OXC主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)，對(duì)不同子網(wǎng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚和交換。因此，需要對(duì)不同端口的業(yè)務(wù)交換，同時(shí)，光開(kāi)關(guān)的使用使OXC具有動(dòng)態(tài)配置交換業(yè)務(wù)和支持保護(hù)倒換功能，在光層支持波長(zhǎng)路由的配置和動(dòng)態(tài)選路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分復(fù)用光骨干網(wǎng)上，要求光開(kāi)關(guān)具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點(diǎn)。?

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光開(kāi)關(guān)種類及相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介

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