光开关主流技术

光器件中文核心期刊光开关主流技术陈希明,周平(重庆邮电学院光电工程学院,重庆400065)摘要:光开关是光网络中完成全光交换的核心器件，关主要采用硅微加工技术将开关集成在单片硅基底它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。文章重上并能构成大规模矩阵阵列。另外,此类开关批量生点介绍了光开关在全光网络中的应用、MEMS光开关和.产时成本较低,在开关损耗、串扰消光比、开关尺寸热光开关的基本工作原理及两种光开关技术的进展,等性能方面优势明显，是光开关的较佳选择。并就其他光开关作了简要介绍。2.1微电子机械系统(MEMS -micro- electro-me-关键词:全光网络;光开关;光通信chanical- systems)中圉分类号:TN929.11文献标志码:AMEMS是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通1前言硅基底上集成。我国的MEMS研究始于1989年,经过全光网络是指上、下载的业务信号及交换过程均十几年的发展,在多种微型传感器、微执行器和若干以光波的形式进行，没有任何的光电及电光转换,全微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备,开发部过程都在光域范围内完成1.2。光开关是按一定要求出了若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件和系将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。统,目前已广泛应用于工业领域!。而MEMS光开关是光开关可使光路之间进行直接交换,是光网络中完成基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微全光交换的核心器件，随着全光网络市场的扩大,光镜阵列,即将电、机械和光集成为一块芯片 ,能透明地开关的研究8益成为全光通信领域关注的焦点。在全传送不同速率、不同协议的业务。目前已成为一种最光网络中,光开关可实现在全光层的路由选择、波长流行的光开关制作技术。其基本原理通过静电力或电选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能,因此光开磁力的作用,使可以活动的微镜产生升降、旋转或移关是全光通信许多设备中的关键光器件,其响应速动,从而改变输人光的传播方向以实现光路通断的功度、串音、插人损耗等性能将直接影响全光通信的质能,使任一输人和输出端口相连接,且1个输出端口量(0。其中光交叉连接设备(0XC)和光分插复用设备在同一时间只能和1个输人端口相连接。与现有的基(OADM)可以说是全光网的核心四。而光开关和光开关于光波导技术的光开关相比,MEMS光开关具有低串阵列恰恰是0XC和0ADM的核心技术。研制全光的音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。同交叉连接0XC和分插复用0ADM设备，成为建设大时它既有机械光开关和波导光开关的优点,又克服了容量通信干线网络十分重要的-环。光机械开关难以集成和扩展性差等缺点10-3),它结构全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、紧凑、重量轻,且扩展性较好。MEMS光开关的特性可低的插人损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性概括为1416:低插入损耗;低串扰;与波长、速率、调制和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性168。方式无关;功耗低;坚固、寿命长;可集成扩展成大规模光开关矩阵;适中的响应速度(开关时间从100ns~2光开关在全光网络中的应用10ms)。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统当前业已成熟的、且已实现商品化的微电子机械中,基于MEMS技术的解决方案已是主流。光开关和热光开关,集中了机械式光开关和波导光开MEMS光开关可以分为二维和三维光开关。二维关的优点,同时又克服了它们固有的缺点。此类光开光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成,光束在二维空间传输.准直米束和旋转微镜构成多端收稿日期:2005-09 -26。基金项目:重庆邮电学院凝聚态物理硕士点和微电子与固体电子学博口光f YH中国煤化工阵，光开关具有MxN士点学科建设经费资助。个简CNMHG反射镜具有两个状态0.作者简介:陈希明(1964-).男，重庆市人，副教授.主要从事大学物理教和1(通和断),当光开关处于1态时,反射镜处于由输学与光通信研究。2006年第3期光通偿技术5光器件陈希明,等:光开关主流技术人光纤准直系统出射的光東传播通道内将光束反射成度光路的产生,SoS至相应的输出通道并经准直系统进人目标输出光纤;开关的优势更明显。 目当光开关处于0态时,微反射镜不在光束传播通道前主要有两种类型的图1 M-Z干涉型热光开关内,由输人通道光纤出射的光束直接进人其对面的光热光开关,M-Z干涉型光开关和数字光开关。干涉型纤。三维MEMS的微镜固定在一个万向支架上,可以光开关结构紧凑,但对光波长敏感,需要进行精密温沿任意方向偏转。每根输人光纤都有一个对应的度控制;数字光开关性能更稳定,只要加热到一定温MEMS输入微镜,同样,每根输出光纤也都有其对应的度,光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子MEMS输出微镜"。因此,对于MxN三维MEMS光开聚合物制备,聚合物的导热率较低而热光系数高,因关,则具有M+N个MEMS微反射镜。由每根输出光纤此需要的功率小,消光比可达20dB,但插人损耗较大，出射的光束可以由其对应的输人微镜反射到任意一一般为 3~4dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集个输出微镜,而相应的输出微镜可以将来自任一-输人成在一起组 成光分插复用器。热光开关体积非常小，微镜的光束反射到其对应的输出光纤。对于MxN三可实现微秒级的交换速度。维MEMS光开关,每个输人微镜有N个态,而输出微图1为M-Z干涉型热光开关结构示意图。M-Z镜则具有M个状态。目前,lolon利用MEMS实现了光干涉型光开关由两个3dB耦合器和两个波导臂组成,开关的大量自动化生产。该结构开关时间小余5ms。通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导,波导两端Xeros基于MEMS微镜技术，设计了能升级到1152x分别连接一个 3dB的Y形分束器。向波导臂注人电流1152的光交叉连接设备,交换时间小余50ms。随着全将改变光开关的折射率，使光程相应变化,以达到相光网络的发展,三维MEMS阵列可成为大型交叉连接干加强或相消的条件,实现开关的目的。的最佳候选者之一。在M-Z干涉型开关中采用多模干涉耦合器(MMI)2.2热光开关.替换3dB耦合器可以得到更好的性能。MMI的原理是热光开关是利用热光效应制造的小型光开关。热利用多模波导中的自映像效应,即在传播方向上周期光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变性出现输人场的映像。贝尔实验室报道了4x4光开关化,导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的的研究结果,研究中使用1个多模干涉耦合器M-Z代物理效应。折射率随温度的变化关系为啊:替3个1x2的开关,使得器件结构更加紧凑,而损耗降低为2.8dB,串扰为35.2dB。利用这种结构可很容易onn(T)=n +On(T)=n +r OT=mn + aAT扩展到8x8、16x16的开关矩阵。式中n。为温度变化前的介质的折射率,OT为温度的除了微电子机械系统(MEMS)光开关和热光开关之外,研究人员还开发出了液晶光开关喷墨气泡光变化,a为热光系数,它与材料的种类有关。此类开关采用可调节热量的波导材料,如Si02、Si开关、全息光栅开关、声光光开关等多种新型光开关和有机聚合物等。在硅衬底上，用蒸发、溅射、光刻、腐技术。此外,新近出现的液晶光栅开光、半导体光开关蚀等工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发及磁光开关也引起了人们的关注凹。随着新技术的发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后,加热器的展,还将有更多类型的光开关出现。温度使下面的波导被加热,温度上升,热光效应引起Agilent公司利用其成熟的热喷墨打印技术与硅波导折射率下降,这样就将光耦合从主波导引导至分平面光波电路技术,开发出了一种利用液体的移动来支波导。聚合波导技术是非常有吸引力的技术,它成改变光路全反射条件,实现光传播路径改变的喷墨气本低、串扰低功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波泡光开关器件。该种开关的优点可以组成更大的开关导的热光系数很高,而导热率很低,因而能更有效地阵列、光开关响应时间远小于10ms, 可以用于光纤保利用热来控制光的传播方向,开关时间相对减小可达护倒换、光开关对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏Ims以内。热光开关的速度介于电光开关和MEMS之感、插损低、串扰小。间呵。中国煤化工热光开关一种是基于SoS(Silica- -on- -Silicon)技术,CN MH G光栅技术,利用液晶该光开关具有透明性、高可靠性、亚毫秒级恢复能力材料的电光效应,米用S更为新颖的结构。液晶开关和无阻塞特性,速度可达到100us。随着高密度高集内包含液晶片、偏振光束分离器(BS)或光柬调相器。④光通詹技术2006年第3期光器件陈希明,等:光开关主流技术液晶片的作用是旋转入射光的极化角。液晶光开关的带有功率放大功能的超高速光开关,利用光纤的非线基本原理是:将液晶微滴置于高分子层面上,然后沉性效应,成功地实现了640Gb/s 的超高速光信号处理,积在硅波导上,形成液体光栅。当加上电压时,光栅消而且覆盖波长范围非常宽,这种新研制的光开关甚至失,晶体是全透明的光信号将直接通过光波导。当没可以对ITb/s 的超高速光通信脉冲信号进行控制。可有施加电压时,光栅把-个特定波长的光反射到输出以预见,高性能、高速率的光开关技术将-直成为光网端口。这表明该光栅具有两种功能:取出光束中某个络研究的重点。波长并实现交换。2.4声光光开关参考文献:声光光开关是利用介质的声光效应。即- -定频率[1]彭承柱,彭明宇全光网络的发展历程与发展趋势[.广播电视信息,003(3):的声波在声光介质中传播时,该介质会产生与该声波32-39.(21许国亚，赵季红等.智能光网络的生存性研究及关键技术0光通信技术，信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从204291:41-45.而导致介质折射率的周期性变化,形成等效的衍射光3王启明.支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势I深圳大学学报。栅。其光栅常数等于声波波长,当人射光束满足布喇204.213).189-19519格衍射条件时,就可引起光的偏转,偏转角由声波的[4]王启明.光网绵中关键性光f集成器件的研究进展贝中国科学，,2002,34(4:516-522.频率和人射光波长决定。因而能提供一种方便地控制光的强度,频率和传播方向的手段。solion rbustnes to plaiation-mode dispersion in disperion managed systems(U]IEEE Potois Tech L201.132)118-120.102.5半导体多量子阱超快光开关同苹,王俊华,万红光开关技术研究[].光通信技术204.284):15-17.1半导体多量子阱超快光开关在半导体量子阱带[7] su Y Chandrasekhar,RYF S.et alA multinte upgadable L6 -Tb/s hicrarhical间跃迁(ISB-T)中,有超快驰豫时间和大的跃迁偶极OADM neolokpoloaio Tecbnolgy tet.L,2,11-101矩及跃迁波长可调谐大的特点。在一种材料InGaAs/[8]张宁,纪越蜂.光通信网络中的光开关技术刀.光通信技术20424):7-10.0.AIAsSb多量子阱中的通信波长上得到了1.2ps 的响应9]林忠华等.微机电系统的研究与展望[].微电子学2005.35(1):71-74.[10]蒋庄德，赵则祥.王海容,基于MEMS的光开关研发与产业化问题[].微细加工时间,而在另外-种GaNAIGaN多量子阱中,得到了技术201.4.4-787.7150fs的超快响应时间，而这有可能制作成fs级超快[1]张以漠等MENS光开关应用于机群系统光互连网络].纳米技术与精密工程.2004,2(1)39 -40.(版面原因，文献12-19从略)光开关。目前已商用化的磁光开关原理是利用法拉第旋光效应,通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对人射Optical switch mainstream偏振光偏振面的作用,从而达到切换光路的作用。由technologies于无机械移动部件,可靠性高,并且开关速度快(亚毫秒),更兼有隔离器和环行器的功能,使全固态的光路CHEN Xi-ming ZHOU Ping调节成为可能。(Institute of Electronic Engineering, ChongqingUniversity of Posts and Telecommunications,3结束语Chongqing 400065, China)全光网的实现依赖于光器件的技术进步,光交换器件是下一代光纤通信网络的核心。光开关作为未来Abstract: In all optical networks, as the kemel part of in-全光网的核心器件,它对高速智能全光通信系统实struments used to accomplish all optical interchange, op现光互联、光交换增强网络适应性方面起着重要的tical switch is being a focus of research in all optical作用。由于光开关在网络组成和网络故障恢复方面的communication.In this paper, We have introduced the ap-plication of optical switch in all optical networks,the ba-应用,市场前景十分光明,而新技术的出现,尤其是微sic working princple of both MEMS switch and ther-光机电系统光开关、热光效应开关、多量子阱光开关mo- optic switch and their technology development. Oth-和基于SOA--XPM的马赫-曾德型全光开关将在未来erki中国煤化Iruduced simply too.全光通信系统中具有广阔的实用前景和竞争力并将KeyHCNMH G;ptial communica-极大地推动全光通信系统的发展。最近,富士通研究tions所与德国莱茵-赫兹研究所合作开发出世界上第一个2006年第3期光通信技术5