全光通信中的光開(kāi)關(guān)技術(shù)

摘要：光開(kāi)關(guān)是實(shí)現全光交換的核心器件，光開(kāi)關(guān)的研究已成為全光通信領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。本文首先對光開(kāi)關(guān)的原理進(jìn)行歸納，總結光開(kāi)關(guān)的應用范圍。對傳統機械式光開(kāi)關(guān)、微電子機械式光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了進(jìn)一步地劃分，分析了它們的結構形式和性能特點(diǎn)。設計了光開(kāi)關(guān)性能評價(jià)指標體系，對常見(jiàn)的4種光開(kāi)關(guān)進(jìn)行了定性與定量對比，指出不同類(lèi)型光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。最后依據全光通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢，指出大容量、高速、透明、低損耗是光開(kāi)關(guān)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：光開(kāi)關(guān)；微電子機械式光開(kāi)關(guān)；熱光開(kāi)關(guān)；全光通信

光纖通信技術(shù)的問(wèn)世和發(fā)展給通信業(yè)帶來(lái)了革命性的變革，目前世界大約85％的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)呈現爆炸性增長(cháng)，這種增長(cháng)趨勢不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò )層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò )的關(guān)系，而且對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)方式、節點(diǎn)設計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò )體系結構——自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成為當今系統研究的熱點(diǎn)，它的核心節點(diǎn)由光交叉連接(Optical Cross—connect，OXC)設備構成，通過(guò)OXC，可實(shí)現動(dòng)態(tài)波長(cháng)選路和對光網(wǎng)絡(luò )靈活、有效地管理。OXC技術(shù)在日益復雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開(kāi)關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。
光開(kāi)關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實(shí)現動(dòng)態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò )的故障保護、波長(cháng)動(dòng)態(tài)分配等功能，對解決目前復雜網(wǎng)絡(luò )中的波長(cháng)爭用，提高波長(cháng)重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )靈活配置均有重要的意義。隨著(zhù)光傳送網(wǎng)向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )的生存能力、網(wǎng)絡(luò )的保護倒換和恢復問(wèn)題成為網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵問(wèn)題，而光開(kāi)關(guān)在光層的保護倒換對業(yè)務(wù)的保護和恢復起到了更為重要的作用。

1 光開(kāi)關(guān)的應用范圍
光開(kāi)關(guān)(Optical Switch，OS)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線(xiàn)路或集成光路中的光信號進(jìn)行相互轉換或邏輯操作的器件。光開(kāi)關(guān)基本的形式是2x2：即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：平行連接和交叉連接，如圖1所示。較大型的空分光交換單元可由基本的2x2光開(kāi)關(guān)以及相應的1x2光開(kāi)關(guān)級聯(lián)、組合構成。

光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò )中起到十分重要的作用，在波分復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)傳輸系統中，光開(kāi)關(guān)可用于波長(cháng)適配、再生和時(shí)鐘提??；在光時(shí)分復用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系統中，光開(kāi)關(guān)可用于解復用；在全光交換系統中，光開(kāi)關(guān)是光交叉連接(Optical Cross-connect，OXC)的關(guān)鍵器件，也是波長(cháng)變換的重要器件。根據光開(kāi)關(guān)的輸入和輸出端口數，可分為1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多種，它們在不同場(chǎng)合中有不同用途。其應用范圍主要有：光網(wǎng)絡(luò )的保護倒換系統、光纖測試中的光源控制、網(wǎng)絡(luò )性能的實(shí)時(shí)監控系統、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心、光插／分復用、光學(xué)測試、光傳感系統等。

2 主要光開(kāi)關(guān)類(lèi)型研究
依據不同的光開(kāi)關(guān)原理，光開(kāi)關(guān)的實(shí)現方法有多種，如：傳統機械光開(kāi)關(guān)、微機械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)和聲光開(kāi)關(guān)等。其中傳統機械光開(kāi)關(guān)、微機械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)因其各自的特點(diǎn)在不同場(chǎng)合得到廣泛應用。
2．1 傳統機械光開(kāi)光
目前應用最為廣泛的仍是傳統的1x2和2x2機械式光開(kāi)關(guān)。傳統機械式光開(kāi)關(guān)可通過(guò)移動(dòng)光纖將光直接耦合到輸出端，采用棱鏡、反射鏡切換光路，將光直接送到或反射到輸出端。
機械式光開(kāi)關(guān)分主要有3種類(lèi)型：一是采用棱鏡切換光路技術(shù)，二是采用反射鏡切換技術(shù)，三是通過(guò)移動(dòng)光纖切換光路。移動(dòng)棱鏡光開(kāi)關(guān)的基本結構如圖2所示。光纖與起準直作用的透鏡(準直器)相連，并固定不動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)棱鏡改變輸入、輸出端口間的光路。反射鏡型光開(kāi)關(guān)工作原理如圖3所示。當反射鏡未進(jìn)入光路時(shí)，光開(kāi)關(guān)處于直通狀態(tài)，光纖1進(jìn)入的光進(jìn)入光纖4，光纖2進(jìn)入的光進(jìn)入光纖3；當反射鏡處于兩光線(xiàn)的交點(diǎn)位置時(shí)，光開(kāi)關(guān)處于交叉狀態(tài)，光纖1進(jìn)入的光進(jìn)入到光纖3，光纖2進(jìn)入的光進(jìn)入光纖4從而實(shí)現光路的切換。移動(dòng)光纖型光開(kāi)關(guān)如圖4所示，是固定一端的光纖，移動(dòng)另一端的光纖與固定光纖的不同端口相耦合，實(shí)現光路的切換。這類(lèi)光開(kāi)關(guān)回波損耗低，且受外界環(huán)境溫度影響大，并沒(méi)有形成真正意義上的商用化產(chǎn)品。我國國內商用化光開(kāi)關(guān)主要是移動(dòng)棱鏡和反射鏡型的。