光開(kāi)關(guān)主流技術(shù)

光器件中文核心期刊光開(kāi)關(guān)主流技術(shù)陳希明,周平(重慶郵電學(xué)院光電工程學(xué)院,重慶400065)摘要:光開(kāi)關(guān)是光網(wǎng)絡(luò )中完成全光交換的核心器件，關(guān)主要采用硅微加工技術(shù)將開(kāi)關(guān)集成在單片硅基底它的研究日益成為全光通信領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。文章重上并能構成大規模矩陣陣列。另外,此類(lèi)開(kāi)關(guān)批量生點(diǎn)介紹了光開(kāi)關(guān)在全光網(wǎng)絡(luò )中的應用、MEMS光開(kāi)關(guān)和.產(chǎn)時(shí)成本較低,在開(kāi)關(guān)損耗、串擾消光比、開(kāi)關(guān)尺寸熱光開(kāi)關(guān)的基本工作原理及兩種光開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)展,等性能方面優(yōu)勢明顯，是光開(kāi)關(guān)的較佳選擇。并就其他光開(kāi)關(guān)作了簡(jiǎn)要介紹。2.1微電子機械系統(MEMS -micro- electro-me-關(guān)鍵詞:全光網(wǎng)絡(luò );光開(kāi)關(guān);光通信chanical- systems)中圉分類(lèi)號:TN929.11文獻標志碼:AMEMS是通過(guò)微制造技術(shù)將微型機械元件、微型傳感器、微型執行器和信號處理及控制電路等在普通1前言硅基底上集成。我國的MEMS研究始于1989年,經(jīng)過(guò)全光網(wǎng)絡(luò )是指上、下載的業(yè)務(wù)信號及交換過(guò)程均十幾年的發(fā)展,在多種微型傳感器、微執行器和若干以光波的形式進(jìn)行，沒(méi)有任何的光電及電光轉換,全微系統樣機等方面已有一定的基礎和技術(shù)儲備,開(kāi)發(fā)部過(guò)程都在光域范圍內完成1.2。光開(kāi)關(guān)是按一定要求出了若干小批量、多品種、高質(zhì)量的MEMS器件和系將一個(gè)光通道的光信號轉換到另一個(gè)光通道的器件。統,目前已廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域!。而MEMS光開(kāi)關(guān)是光開(kāi)關(guān)可使光路之間進(jìn)行直接交換,是光網(wǎng)絡(luò )中完成基于半導體微細加工技術(shù)構筑在半導體基片上的微全光交換的核心器件，隨著(zhù)全光網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)的擴大,光鏡陣列,即將電、機械和光集成為一塊芯片 ,能透明地開(kāi)關(guān)的研究8益成為全光通信領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。在全傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。目前已成為一種最光網(wǎng)絡(luò )中,光開(kāi)關(guān)可實(shí)現在全光層的路由選擇、波長(cháng)流行的光開(kāi)關(guān)制作技術(shù)。其基本原理通過(guò)靜電力或電選擇、光交叉連接以及自愈保護等重要功能,因此光開(kāi)磁力的作用,使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉或移關(guān)是全光通信許多設備中的關(guān)鍵光器件,其響應速動(dòng),從而改變輸人光的傳播方向以實(shí)現光路通斷的功度、串音、插人損耗等性能將直接影響全光通信的質(zhì)能,使任一輸人和輸出端口相連接,且1個(gè)輸出端口量(0。其中光交叉連接設備(0XC)和光分插復用設備在同一時(shí)間只能和1個(gè)輸人端口相連接。與現有的基(OADM)可以說(shuō)是全光網(wǎng)的核心四。而光開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)于光波導技術(shù)的光開(kāi)關(guān)相比,MEMS光開(kāi)關(guān)具有低串陣列恰恰是0XC和0ADM的核心技術(shù)。研制全光的音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵光器件。同交叉連接0XC和分插復用0ADM設備，成為建設大時(shí)它既有機械光開(kāi)關(guān)和波導光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn),又克服了容量通信干線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )十分重要的-環(huán)。光機械開(kāi)關(guān)難以集成和擴展性差等缺點(diǎn)10-3),它結構全光網(wǎng)絡(luò )中應用的光開(kāi)關(guān)應具有快的響應速度、緊湊、重量輕,且擴展性較好。MEMS光開(kāi)關(guān)的特性可低的插人損耗、低通道串音、對偏振不敏感、可集成性概括為1416:低插入損耗;低串擾;與波長(cháng)、速率、調制和可擴展性、低成本、低功耗、熱穩定性好等特性168。方式無(wú)關(guān);功耗低;堅固、壽命長(cháng);可集成擴展成大規模光開(kāi)關(guān)矩陣;適中的響應速度(開(kāi)關(guān)時(shí)間從100ns~2光開(kāi)關(guān)在全光網(wǎng)絡(luò )中的應用10ms)。在光交叉連接及需要支持大容最交換的系統當前業(yè)已成熟的、且已實(shí)現商品化的微電子機械中,基于MEMS技術(shù)的解決方案已是主流。光開(kāi)關(guān)和熱光開(kāi)關(guān),集中了機械式光開(kāi)關(guān)和波導光開(kāi)MEMS光開(kāi)關(guān)可以分為二維和三維光開(kāi)關(guān)。二維關(guān)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了它們固有的缺點(diǎn)。此類(lèi)光開(kāi)光開(kāi)關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成,光束在二維空間傳輸.準直米束和旋轉微鏡構成多端收稿日期:2005-09 -26?；痦椖?重慶郵電學(xué)院凝聚態(tài)物理碩士點(diǎn)和微電子與固體電子學(xué)博口光f YH中國煤化工陣，光開(kāi)關(guān)具有MxN士點(diǎn)學(xué)科建設經(jīng)費資助。個(gè)簡(jiǎn)CNMHG反射鏡具有兩個(gè)狀態(tài)0.作者簡(jiǎn)介:陳希明(1964-).男，重慶市人，副教授.主要從事大學(xué)物理教和1(通和斷),當光開(kāi)關(guān)處于1態(tài)時(shí),反射鏡處于由輸學(xué)與光通信研究。2006年第3期光通償技術(shù)5光器件陳希明,等:光開(kāi)關(guān)主流技術(shù)人光纖準直系統出射的光東傳播通道內將光束反射成度光路的產(chǎn)生,SoS至相應的輸出通道并經(jīng)準直系統進(jìn)人目標輸出光纖;開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢更明顯。 目當光開(kāi)關(guān)處于0態(tài)時(shí),微反射鏡不在光束傳播通道前主要有兩種類(lèi)型的圖1 M-Z干涉型熱光開(kāi)關(guān)內,由輸人通道光纖出射的光束直接進(jìn)人其對面的光熱光開(kāi)關(guān),M-Z干涉型光開(kāi)關(guān)和數字光開(kāi)關(guān)。干涉型纖。三維MEMS的微鏡固定在一個(gè)萬(wàn)向支架上,可以光開(kāi)關(guān)結構緊湊,但對光波長(cháng)敏感,需要進(jìn)行精密溫沿任意方向偏轉。每根輸人光纖都有一個(gè)對應的度控制;數字光開(kāi)關(guān)性能更穩定,只要加熱到一定溫MEMS輸入微鏡,同樣,每根輸出光纖也都有其對應的度,光開(kāi)關(guān)就保持穩定的狀態(tài)。它通常用硅或高分子MEMS輸出微鏡"。因此,對于MxN三維MEMS光開(kāi)聚合物制備,聚合物的導熱率較低而熱光系數高,因關(guān),則具有M+N個(gè)MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖此需要的功率小,消光比可達20dB,但插人損耗較大，出射的光束可以由其對應的輸人微鏡反射到任意一一般為 3~4dB。熱光開(kāi)關(guān)陣列可以和陣列波導光柵集個(gè)輸出微鏡,而相應的輸出微鏡可以將來(lái)自任一-輸人成在一起組 成光分插復用器。熱光開(kāi)關(guān)體積非常小，微鏡的光束反射到其對應的輸出光纖。對于MxN三可實(shí)現微秒級的交換速度。維MEMS光開(kāi)關(guān),每個(gè)輸人微鏡有N個(gè)態(tài),而輸出微圖1為M-Z干涉型熱光開(kāi)關(guān)結構示意圖。M-Z鏡則具有M個(gè)狀態(tài)。目前,lolon利用MEMS實(shí)現了光干涉型光開(kāi)關(guān)由兩個(gè)3dB耦合器和兩個(gè)波導臂組成,開(kāi)關(guān)的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結構開(kāi)關(guān)時(shí)間小余5ms。通常在鈮酸鋰襯底上制作一對平行光波導,波導兩端Xeros基于MEMS微鏡技術(shù)，設計了能升級到1152x分別連接一個(gè) 3dB的Y形分束器。向波導臂注人電流1152的光交叉連接設備,交換時(shí)間小余50ms。隨著(zhù)全將改變光開(kāi)關(guān)的折射率，使光程相應變化,以達到相光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展,三維MEMS陣列可成為大型交叉連接干加強或相消的條件,實(shí)現開(kāi)關(guān)的目的。的最佳候選者之一。在M-Z干涉型開(kāi)關(guān)中采用多模干涉耦合器(MMI)2.2熱光開(kāi)關(guān).替換3dB耦合器可以得到更好的性能。MMI的原理是熱光開(kāi)關(guān)是利用熱光效應制造的小型光開(kāi)關(guān)。熱利用多模波導中的自映像效應,即在傳播方向上周期光效應是指通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變性出現輸人場(chǎng)的映像。貝爾實(shí)驗室報道了4x4光開(kāi)關(guān)化,導致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的的研究結果,研究中使用1個(gè)多模干涉耦合器M-Z代物理效應。折射率隨溫度的變化關(guān)系為啊:替3個(gè)1x2的開(kāi)關(guān),使得器件結構更加緊湊,而損耗降低為2.8dB,串擾為35.2dB。利用這種結構可很容易onn(T)=n +On(T)=n +r OT=mn + aAT擴展到8x8、16x16的開(kāi)關(guān)矩陣。式中n。為溫度變化前的介質(zhì)的折射率,OT為溫度的除了微電子機械系統(MEMS)光開(kāi)關(guān)和熱光開(kāi)關(guān)之外,研究人員還開(kāi)發(fā)出了液晶光開(kāi)關(guān)噴墨氣泡光變化,a為熱光系數,它與材料的種類(lèi)有關(guān)。此類(lèi)開(kāi)關(guān)采用可調節熱量的波導材料,如Si02、Si開(kāi)關(guān)、全息光柵開(kāi)關(guān)、聲光光開(kāi)關(guān)等多種新型光開(kāi)關(guān)和有機聚合物等。在硅襯底上，用蒸發(fā)、濺射、光刻、腐技術(shù)。此外,新近出現的液晶光柵開(kāi)光、半導體光開(kāi)關(guān)蝕等工藝形成分支波導陣列，然后在每個(gè)分支上蒸發(fā)及磁光開(kāi)關(guān)也引起了人們的關(guān)注凹。隨著(zhù)新技術(shù)的發(fā)金屬薄膜加熱器和電極。電極加上電流后,加熱器的展,還將有更多類(lèi)型的光開(kāi)關(guān)出現。溫度使下面的波導被加熱,溫度上升,熱光效應引起Agilent公司利用其成熟的熱噴墨打印技術(shù)與硅波導折射率下降,這樣就將光耦合從主波導引導至分平面光波電路技術(shù),開(kāi)發(fā)出了一種利用液體的移動(dòng)來(lái)支波導。聚合波導技術(shù)是非常有吸引力的技術(shù),它成改變光路全反射條件,實(shí)現光傳播路徑改變的噴墨氣本低、串擾低功耗小、與偏振和波長(cháng)無(wú)關(guān)。聚合物波泡光開(kāi)關(guān)器件。該種開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)可以組成更大的開(kāi)關(guān)導的熱光系數很高,而導熱率很低,因而能更有效地陣列、光開(kāi)關(guān)響應時(shí)間遠小于10ms, 可以用于光纖保利用熱來(lái)控制光的傳播方向,開(kāi)關(guān)時(shí)間相對減小可達護倒換、光開(kāi)關(guān)對偏振相關(guān)損耗和偏振模色散都不敏Ims以?xún)?。熱光開(kāi)關(guān)的速度介于電光開(kāi)關(guān)和MEMS之感、插損低、串擾小。間呵。中國煤化工熱光開(kāi)關(guān)一種是基于SoS(Silica- -on- -Silicon)技術(shù),CN MH G光柵技術(shù),利用液晶該光開(kāi)關(guān)具有透明性、高可靠性、亞毫秒級恢復能力材料的電光效應,米用S更為新穎的結構。液晶開(kāi)關(guān)和無(wú)阻塞特性,速度可達到100us。隨著(zhù)高密度高集內包含液晶片、偏振光束分離器(BS)或光柬調相器。④光通詹技術(shù)2006年第3期光器件陳希明,等:光開(kāi)關(guān)主流技術(shù)液晶片的作用是旋轉入射光的極化角。液晶光開(kāi)關(guān)的帶有功率放大功能的超高速光開(kāi)關(guān),利用光纖的非線(xiàn)基本原理是:將液晶微滴置于高分子層面上,然后沉性效應,成功地實(shí)現了640Gb/s 的超高速光信號處理,積在硅波導上,形成液體光柵。當加上電壓時(shí),光柵消而且覆蓋波長(cháng)范圍非常寬,這種新研制的光開(kāi)關(guān)甚至失,晶體是全透明的光信號將直接通過(guò)光波導。當沒(méi)可以對ITb/s 的超高速光通信脈沖信號進(jìn)行控制?？捎惺┘与妷簳r(shí),光柵把-個(gè)特定波長(cháng)的光反射到輸出以預見(jiàn),高性能、高速率的光開(kāi)關(guān)技術(shù)將-直成為光網(wǎng)端口。這表明該光柵具有兩種功能:取出光束中某個(gè)絡(luò )研究的重點(diǎn)。波長(cháng)并實(shí)現交換。2.4聲光光開(kāi)關(guān)參考文獻:聲光光開(kāi)關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應。即- -定頻率[1]彭承柱,彭明宇全光網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢[.廣播電視信息,003(3):的聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí),該介質(zhì)會(huì )產(chǎn)生與該聲波32-39.(21許國亞，趙季紅等.智能光網(wǎng)絡(luò )的生存性研究及關(guān)鍵技術(shù)0光通信技術(shù)，信號相應的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變,從204291:41-45.而導致介質(zhì)折射率的周期性變化,形成等效的衍射光3王啟明.支撐光網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢I深圳大學(xué)學(xué)報。柵。其光柵常數等于聲波波長(cháng),當人射光束滿(mǎn)足布喇204.213).189-19519格衍射條件時(shí),就可引起光的偏轉,偏轉角由聲波的[4]王啟明.光網(wǎng)綿中關(guān)鍵性光f集成器件的研究進(jìn)展貝中國科學(xué)，,2002,34(4:516-522.頻率和人射光波長(cháng)決定。因而能提供一種方便地控制光的強度,頻率和傳播方向的手段。solion rbustnes to plaiation-mode dispersion in disperion managed systems(U]IEEE Potois Tech L201.132)118-120.102.5半導體多量子阱超快光開(kāi)關(guān)同蘋(píng),王俊華,萬(wàn)紅光開(kāi)關(guān)技術(shù)研究[].光通信技術(shù)204.284):15-17.1半導體多量子阱超快光開(kāi)關(guān)在半導體量子阱帶[7] su Y Chandrasekhar,RYF S.et alA multinte upgadable L6 -Tb/s hicrarhical間躍遷(ISB-T)中,有超快馳豫時(shí)間和大的躍遷偶極OADM neolokpoloaio Tecbnolgy tet.L,2,11-101矩及躍遷波長(cháng)可調諧大的特點(diǎn)。在一種材料InGaAs/[8]張寧,紀越蜂.光通信網(wǎng)絡(luò )中的光開(kāi)關(guān)技術(shù)刀.光通信技術(shù)20424):7-10.0.AIAsSb多量子阱中的通信波長(cháng)上得到了1.2ps 的響應9]林忠華等.微機電系統的研究與展望[].微電子學(xué)2005.35(1):71-74.[10]蔣莊德，趙則祥.王海容,基于MEMS的光開(kāi)關(guān)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題[].微細加工時(shí)間,而在另外-種GaNAIGaN多量子阱中,得到了技術(shù)201.4.4-787.7150fs的超快響應時(shí)間，而這有可能制作成fs級超快[1]張以漠等MENS光開(kāi)關(guān)應用于機群系統光互連網(wǎng)絡(luò )].納米技術(shù)與精密工程.2004,2(1)39 -40.(版面原因，文獻12-19從略)光開(kāi)關(guān)。目前已商用化的磁光開(kāi)關(guān)原理是利用法拉第旋光效應,通過(guò)外加磁場(chǎng)的變化來(lái)改變磁光晶體對人射Optical switch mainstream偏振光偏振面的作用,從而達到切換光路的作用。由technologies于無(wú)機械移動(dòng)部件,可靠性高,并且開(kāi)關(guān)速度快(亞毫秒),更兼有隔離器和環(huán)行器的功能,使全固態(tài)的光路CHEN Xi-ming ZHOU Ping調節成為可能。(Institute of Electronic Engineering, ChongqingUniversity of Posts and Telecommunications,3結束語(yǔ)Chongqing 400065, China)全光網(wǎng)的實(shí)現依賴(lài)于光器件的技術(shù)進(jìn)步,光交換器件是下一代光纖通信網(wǎng)絡(luò )的核心。光開(kāi)關(guān)作為未來(lái)Abstract: In all optical networks, as the kemel part of in-全光網(wǎng)的核心器件,它對高速智能全光通信系統實(shí)struments used to accomplish all optical interchange, op現光互聯(lián)、光交換增強網(wǎng)絡(luò )適應性方面起著(zhù)重要的tical switch is being a focus of research in all optical作用。由于光開(kāi)關(guān)在網(wǎng)絡(luò )組成和網(wǎng)絡(luò )故障恢復方面的communication.In this paper, We have introduced the ap-plication of optical switch in all optical networks,the ba-應用,市場(chǎng)前景十分光明,而新技術(shù)的出現,尤其是微sic working princple of both MEMS switch and ther-光機電系統光開(kāi)關(guān)、熱光效應開(kāi)關(guān)、多量子阱光開(kāi)關(guān)mo- optic switch and their technology development. Oth-和基于SOA--XPM的馬赫-曾德型全光開(kāi)關(guān)將在未來(lái)erki中國煤化Iruduced simply too.全光通信系統中具有廣闊的實(shí)用前景和競爭力并將KeyHCNMH G;ptial communica-極大地推動(dòng)全光通信系統的發(fā)展。最近,富士通研究tions所與德國萊茵-赫茲研究所合作開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)2006年第3期光通信技術(shù)5