全光网络与光开关技术概述.doc

黄河科技学院结课论文 单位代码 11834 学 号_1101021065 密 级_ _一级_ 课程设计 全光网络与光开关技术概述 院（系）名称信息工程学院 专业名称光电信息工程 学生姓名 熊凤华 指导教师李利平2014年6月8日 目录关于光开关技术的概述1摘 要1第1章 绪论21.1 全光网络与光开关21.2 光开关技术及进展31.2.1 光开关的应用领域31.2.2 光开关的性能指标41.2.3 几种新型光开关的技术特点分析51.3 光控光开关的研究现状及分析71.3.1 非线性耦合器型71.3.2 Mach-Zehnder 型光开关81.3.3 非线性 Sagnac 干涉仪光开关91.4 本章小结9第2章 光开关阵列简述112.1 基于M-Z干涉仪的光开关矩阵设计112.1.1 M-Z干涉仪的原理112.1.2 光开关矩阵的性能参数112.2 基于MEMS的光开关矩阵设计122.2.1 MEMS静电式光开关122.2.2 MEMS光发大器的可扩展型的光开关矩阵132.2.3喷墨气泡MEMS光开关142.2.4 电磁驱动移动式微型光开关152.3 本章小结16第3章 开关矩阵的无阻塞性173.1 网络结构的简介173.1.1 Crossbar173.1.2 Benes183.2开关矩阵的无阻塞性和光路选择的算法203.2.1 无阻塞性203.2.2 光路选择的算法简介213.3 本章小结22结束语22参考文献：23 关于光开关技术的概述 摘 要随着现代社会对信息传输容量和速度要求的不断提高，基于密集波分复用技术和全光交换技术的全光网络将成为新一代高速宽带综合业务网络首选。光开关作为全光交换的核心器件，它的作用也日益突出，主要应用于全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接及自愈保护等功能。同时，随着通信速率的飞速增长，对光开关的开关速度等指标提出了更高的要求。光控光开关，即全光开关，因为有着稳定、高速、大容量、无须光电转换等许多优点，越来越受到研究者的重视。光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有很多应用场合，是光通讯、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件之一。 广义上来说，光开关可以分为两个类型：干涉仪型和非干涉仪型。干涉仪型依靠于光路之中的相位关系，通过普克尔(Pockels)效应或热效应一般就可以达到相位控制。这类器件对环境非常敏感，尤其是对环境温度。它们对控制信号有循环响应，这些控制信号通常需要对光输出进行监视，亦即反馈，以维持所要求的状态。方向耦合器就是典型的干涉仪型开关。非干涉仪型可用多种多样的方式制成，它们对偏振、波长、温度和其他影响的敏感性低于干涉仪型器件，要控制这些影响很困难。对于非干涉仪型光开关，开关功能的动态范围(或开关比)可以非常高，而另一方面，在干涉仪型开关中的动态范围，则依靠于干涉束的光功率的精确平衡，而且通常精度较低并较难保持。本文将对课题的背景进行简要说明，并对比分析目前该课题国内外研究的现状，指出课题研究的意义。背景进行简要说明，并对比分析目前该课题国内外研究的现状，指出课题研究的意义。其中详细分析了不同技术原理光开关的优缺点。其次，交待出本次课题研究所需要的研究条件，阐述光开关设计制作方面的关键技术。最后，对本次课题研究进行总结。关键词：光开关、干涉仪型光开关、非干涉仪型光开关、88及1616光开关阵列 第1章 绪论1.1 全光网络与光开关 最近几年来通信网络的传输和交换容量增长如此迅速， 特别是INTERNET、电子商务、数字音频、视频分布业务的飞速发展，通信流量出现了爆炸式增长，用户对网络带宽的需求越来越大，对现有的电信传输网络带来了巨大的压力，因此，建设高速大容量的宽带综合业务网络已经成为现代信息技术发展的必然趋势。在众多的网络技术方案中，基于电子技术的网络方案受到器件工作的物理限制，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，为此，在干线传输方面，采用密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）技术进行光纤宽带的充分挖掘，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突破进展；在交换方面，传输速率越高，交叉连接规模越大，多级体系结构中的电子交换构件的电子互联就会越复杂、越笨重、成本越昂贵，加之电子器件的极限限制，传统的电子设备在交换容量上再难有本质的提高，交换过程带来的“电子瓶颈”问题就成为限制通信网络吞吐能力的主要因素，只有采用光互联方能克服上述局限。因此，从当前信息技术发展的潮流来看，基于光纤的全光网络方案因能提供高速、大容量的传输及处理能力，打破信息传输交换的“电子瓶颈”，并能在很长时间内适应高速宽带需要而成为新一代高速宽带综合业务网络首选1。所谓全光网络（All Optical Network, AON），就是指网络中直到端节点之间的信号通路保持着光的形式，即端到端的链路中间没有光电转换。也就是，只有信号在进入和离开网络时才进行电/光和光/电转换，而在网络中的传输和交换过程中始终以光的形式存在2。从技术层面而言，AON 是建立在 DWDM 技术基础上的高速宽带通信网，在干线上采用 DWDM 技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器（Optical Add Drop Multiplexer , OADM）、光交叉连接器（Optical Crossing Connector ,OXC）来实现，并通过光纤接入技术实现光纤到家（Fiber To The Home ,FTTH）。由于全光网络中的信号传输与交换均在光域内进行，则可以允许存在各种不同的协议和编码形式，使信息传输具有透明性，解决了电子器件处理信息速率难以提高的问题，因此全光网络成为宽带通信网未来的发展目标。全光网的关键技术是 WDM 传输技术和全光交换技术。在这两方面，光开关都起着重要作用。在 WDM 传输技术中，波长切换，波长适配，光定时的提取，光码流再生等功能，将需要多种不同类型的光开关来完成。在 WDM 全光交换技术中，用于光交叉连接的光交换矩阵，控制交叉连接的全光逻辑以及选择波长路由时所必需的波长交换，都离不开光开关。因此，光开关是全光网的基本器件之一，也是当前阻碍全光网发展的关键技术之一35。1.2 光开关技术及进展 1.2.1 光开关的应用领域光开关的应用范围很广3，前面已经提到了一些，下面将具体地介绍一下光开关的主要应用领域。 1. 自动保护切换 现在大多数光纤网络都由两条以上的路由连接到一个节点上，一旦光纤系统某处发生故障，通过光开关来实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上，这在高速通信系统中尤为重要，这是一种简单的开关方式，通常采用 12 光开关就可以实现。 2. 网络监视 在远端光纤测试点上，可以使用一个 1N 光开关，将多根光纤连接到一个光时域反射计（OTDR）上，通过光开关切换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析，而不干扰正常的网络信息传输。 3. 元器件测试 采用多通道光开关，一个测试仪表通过切换与特测器件相连接的各个开关通道，可以在同一处测试多种光器件，不用把每个器件都单独与仪表连接，从而可简化测试，提高效率，降低成本。 4. 光交叉连接（OXC） 在全光网络中，OXC 起着重要的作用，它的功能是将一个波分复用（WDM）系统输出的任意波长切换到另一个 WDM 系统中。OXC 主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行光信号汇聚和交换，它要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。 5. 光交叉复用（OADM） 光分叉复用器是光网络关键设备之一，主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下。这里需要的光开关必须具有波长选择功能，只对选择的波长实行开关操作。1.2.2 光开关的性能指标 光开关的性能参数有：交换速度、开关阈值功率、开关矩阵规模、损耗、无阻塞特性、升级能力、串扰、可靠性以及可扩展性等。 交换矩阵规模：光开关的交换矩阵的规模反映了光开关的交换能力。处于网络中位置的不同，对其交换矩阵规模要求也不同。如在骨干网上要有超过10001000 的交换容量。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，对于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。 交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标。在目前的系统中所需要的开关速度一般在 1100ms 之间，对于未来 10Gb/s、40Gb/s 甚至更高的传输系统则需要微秒级的光开关。交换速度有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个 ms 时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。系统中的故障自愈保护首先需要考虑的是操作时间，操作时间过长就会导致严重的传输数据丢失。当交换时间到达 ns 量级时，可以支持光互联网的分组交换。 损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。依据功率预算设计网络时，光开关及其级联对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率预算。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关。目前系统中较普遍的要求是：插损小于 1.5dB。 无阻塞特性：无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显，光开关要求具有严格无堵塞特性。 升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。很多开关结构可容易地升级为 88 或 3232，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建 OADM 或城域网的 OXC，而不适用于骨干网上。 可靠性和重复性：满足大容量通信系统要求，必须保证可靠性和非常低的故障率。在某些极端情况下，光开关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况（如保护倒换），光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。 光开关之间的串扰、隔离度、消光比等也影响网络性能。尤其是当光开关进行级联时，严重影响网络的性能。 随着光通信技术的飞速发展，新的光网络核心器件技术对光开关提出了更高的要求。在光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；在器件的体积上，由于全光网单元器件的增多，为使器件小型化，就要求器件有更高的集成度；在成本方面，由于网络的扩充，所需器件将会大大增加，由此也带来了光网络设备高昂的成本。因此，必须采取技术措施，发展新技术，降低光器件的成本，这样才能被用户所接受。 1.2.3 几种新型光开关的技术特点分析 作为重要的光通讯器件，人们对光开关与光开关阵列的研究已经有二三十年的历史。由于对器件材料、器件工作原理、加工工艺等方面知识和研究的不断进展，光开关与光开关阵列的类型也呈现出多元化发展趋势。 1. 热光效应光开关4 热光效应光开关基于介质的热光效应，即介质本身的折射率随温度变化的特征，主要由两种类型：数字光开关和干涉仪光开关。干涉仪光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制。数字光开关性能稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持通应的状态。热光开关的尺寸都比较小，但是驱动需要很大功率，而且串音和损耗等光学特征相对较差。2. 液晶光开关5 液晶光开关是基于扭向列性液晶的旋光方向随着外加电场的方向而改变的原理，是一种偏振相关的光开关方案，典型的液晶器件包括无源和有源部分。无源器件（光滤波器）把输入光分为两路偏振光，之后把光输入液晶内；利用液晶的电光效应，通过是否加电压来改变光的偏振态；最后，当光入射到无源光器件上，无源光器件就可根据光的偏振态把光输出到预定的输出端口。其缺点就是由于将一束光分成偏振方向不同的两束，再最后合并起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插损。其优点则是，从理论上来讲，网络重构性比较好。 3. 喷墨气泡光开关6 喷墨气泡光开关是 Agilent 公司利用其喷墨打印机技术开发的光开关，气泡表面相当于一面反射镜，通过气泡的生成和消除实现光路切换，完成开关功能，显然如何很好地控制和维持气泡状态以及解决封装后内部材料和液体的生存时间是该方案的关键所在。由于器件本身没有可活动部件，可满足电信应用中时间可靠性要求。但是这种开关有两个重要的问题：一是如何很好地控制开关的状态，如开关频繁动作或长期维持气泡的状态；另一个是开关封装后，其内部材料和液体的生存时间问题 。4. 全息光栅开关7 全息光栅开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关，波长敏感性和功耗问题同样困扰着全息光开关方案。利用这种技术可以很容易地组成成千端口的光交换系统。并且它的开关速度很快，只需几个纳秒即可实现两个波长的交换。由于无可移动器件，它的可靠性可能比较好。其不足就是功耗比较大，需要高电压供电。5. 微机电光开关8微机械（Micro-electro-mechanical Optical Switches，MEMS）光开关是通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向，实现开关功能，其各项性能足以满足 DWDM 全光网的技术要求，已经显示出良好的开发应用前景。MEMS 光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。MEMS 光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au、Al 等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS 光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和电铸抗蚀剂喷涂工艺。MEMS 光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。 6. 液体光栅开关9液体光栅开关技术是液晶技术和全息技术的综合。液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面。当没有施加电压时，光栅就把一个特定波长的光反射到输出端口，而加上电压时，光栅消失即晶体是全透明的，光信号将直接通过光波导。目前正在生产和研究的光开关，大多是电控的光开关，这些开关不仅存在着光电转换困难，而且开关速度较慢。为使光通信和光网络真正实现全光化，采用以光控光的全光开关是必要的，这样使光交换和光路由可以完全在光域范围内实现，而且开关时间可以缩短到纳秒以下。1.3 光控光开关的研究现状及分析 现在光控光开关已经提出了多种方案，研究主要集中在光纤及其他波导结构，比如硅波导，半导体波导的三阶非线性特征分析和开关结构的设计和制作方面。其中比较成熟的有非线性耦合器型光开关、Mach-Zehnder 型光控光开关、非线性 Sagnac 干涉仪光开关、以及用光放大器(EDFA 或 SOA)构成的光开关等。1.3.1 非线性耦合器型 自从 1981 年 S.M.Jensen 首次描述了非线性耦合器的耦合特性以来10，非线性光波导耦合器得到了广泛的研究。非线性耦合器是耦合波导芯埋在非线性材料中，使其耦合过程发生变化，其结构如图 1-1 所示。考虑到损耗、克尔非线性，通过计算发现耦合器两个臂内的传输常数发生不同变化，从而使原本对称匹配的耦合器变成了非对称相位不匹配的耦合器，耦合能量随着耦合长的增加而不断减少。对于原本信号光完全由交叉臂输出的耦合器，随着信号光功率的增加耦合区域内自相位调制作用（光克尔作用）增强，发生耦合的能量将逐渐减小最终信号光不再发生耦合，全部从直通臂输出，这就是非线耦合器光开关的原理，显然这是一种自作用的开关，利用信号光功率本身的变化改变输出端口。这种开关依靠克尔效应，开关速度很快，但是目前的波导材料非线性系数都很小，而耦合器的长度又很短，因而开关功率很大，在千瓦量级，不可能实际应用。1.3.2 Mach-Zehnder 型光开关 Mach-Zehnder 型光开关是目前研究最多，使用最多的一种结构，它是一种干涉仪型光开关。它是由两个相同的 3dB 耦合器串结构成，见图 1-2，光的输出口取决于输出光强所造成的两臂的相位差，因此两臂通常不对称，可以取其长度不同或折射率不同。随着信号光功率增加，两个干涉臂内克尔效应产生的非线性相移差增加，如果二者的非线性相移差达到 时，即可实现光的干涉相长输出，完成光开关过程。由于开关是基于光的克尔效应，因而开关功率很大，通过增加两个干涉臂的长度差可以降低开关功率，但是这样不利于器件的小型化和集成化。另一方面，对称 M-Z 型结构已经被应用于研究和制造超快全光开关，其原理是利用两束控制光分别注入到两段非线性波导臂中，使其相互间的逆相位非线性光学效应相消，所以就实现了超高速断开11。 1.3.3 非线性 Sagnac 干涉仪光开关非线性 Sagnac 干涉仪光开关是光克尔效应和 Sagnac 干涉仪的结合，以其优良的性能已经成为一种极富吸引力的全光开关12，其工作原理如图 1-3 所示，它是通过一段光纤连接一个 22 的 3dB 耦合器的输出端构成的，图中的环行器用于分离入射信号和反射信号，这种结构具有高度的对称性，无论是否存在非线性，所有的入射信号都将从入射端口输出，因而也被称之为环形反射镜。可以通过改变耦合器的分光比或在环内非对称地加入一放大器改变两束光的强度，利用环内光纤的克尔效应改变环内两个信号光间的位相差，来改变信号光的输出端口，实现开关。Takahide Sakamoto 等人采用加入了 HNL-DSF（highly nonlinear dispersion-shifted fiber）的 NOLM 光开关，完成了峰值能量在 4W 左右，0.5ps 的脉冲序列的波长转换器的研制。也就是说 NOLM 开关具有 ps 级的开关速度。 同时，新材料的引入和应用也提高了光控光开关的开关速度13，降低了损耗，推动了光控光开关的发展。随着全光网络的逐步建立，高速光控光开光的研制和应用也将更加广泛和深入，光控光开关的结构形式也将更加多样化。1.4 本章小结本章主要通过全光网络的介绍引出光开关的重要性和市场需求，进一步引出光开关在发展中的核心问题进行讨论，从而进一步介绍了光开关的引用范围和重要作用。其中还对光开关的重要性能指标做出说明，最后又介绍了几种典型的光开关，并对他们的技术指标和工作机理和它们的优缺点又做出进一步介绍。 第2章 光开关阵列简述2.1 基于M-Z干涉仪的光开关矩阵设计2.1.1 M-Z干涉仪的原理如图2.2所示，M-Z干涉仪是由两个3dB的耦合器经过两条相同长度的波导臂连接，在波导臂上通过镀金属薄膜加热器或其它方法形成相位调节器以产生相移。波导一般生成在硅基衬底上。当没有相移产生时，输入信号经过两个分支在输出端口发生相干加强而输出；如果使光信号发生了大小为的相移，则信号将在输出端发生干涉相消，这样实现对光路开关的控制。图2.1 M-Z干涉仪原理示意图2.1.2 光开关矩阵的性能参数在光学性能方面光开关矩阵的主要性能参数有：开关矩阵的大小、交换速度、损耗、无阻塞特性、升级能力、可靠性等。其中开关矩阵的大小是光开关矩阵交换能力的体现。损耗是必须考虑的一个重要指标，损耗直接反映了交换矩阵性能的优劣。而为了保证信号在矩阵内部传输路径的畅通，就必须考虑其无阻塞特性。矩阵的升级能力会影响到其适用的范围，比如骨干网的开关矩阵就要有一定的升级能力。还有要考虑的就是矩阵的可靠性，作为光网络中重要部分，不能经常发生故障，即便发生故障也要能够快速便捷的修复才行。2.2 基于MEMS的光开关矩阵设计微机电系统MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)是在微电子技术及其微加工技术上发展起来的多学科交叉的新技术,它在通信领域主要应用在两个方面:一是光通信中,称为MOEMS(Optical MEMS),另外是在无线通信中,简称为RFMEMS(Radio Frequency MEMS)2。根据材料的机械特性,结合MOEMS技术,可把各种光学组件、微电子电路集成在一块芯片上,同时兼顾系统的小型化,使得电、光、机械匹配、统一、协调的工作,提高了整个系统的性能。当前已经通过MOMES技术制造出各种器件或系统如光耦合器、光调制器、光开关和光检测器件等。微机电系统(MEMS)光开关与现有的其他类型光开关相比具有插入损耗小、串扰小、工作稳定等优点,能实现一定规模的集成而构成空间光开关矩阵,因而成为了全光网络中的关键器件。本文综述了当前国内、国际上研制出的一些典型的MEMS光开关,包括了它们的基础理论、性能参数、微细加工工艺等,并探讨了它们在光网络中应用。2.2.1 MEMS静电式光开关图2.2所示的为18光开关阵列的核心部件反射单元,该反射单元利用电火花加工(EDM)方法研制,其体积仅为4mm4mm。整个单元包括驱动机构和运动机构。驱动机构由线圈和线圈顶部极性相对放置的2块1.0mm1.0mm1.0mm的条形永磁铁构成。运动部件由摆杆、 100m的转轴和轴承构成,线圈套于摆杆上。1.5mm1.5mm的微反射镜(经准直器准直后的光束束腰直径实测为0.430.02mm)焊接固定于摆杆顶端,摆杆底端与集成组装于下层基板上的转轴焊接。 图2.2反射单元结构示意图 图2.3应用有源垂直耦合器的空间光开关矩阵微反射单元工作原理为:当线圈两端接通5V电脉冲时,将使摆杆磁化。此时,摆杆装有微镜的一端将同时受到永磁铁1、2的合力作用,摆向并停靠在与自身极性相异的磁铁一端。线圈两端电脉冲的方向决定了摆杆的运动方向和停靠状态,正向脉冲驱动微镜进入光路,反向脉冲使微镜离开光路,从而达到快速移动微反射镜,实现光路转换。状态切换完成后,摆杆在永磁体作用下保持当前工作状态的稳定,实现断电自锁。18开关的核心部分由8个反射单元构成的阵列和上下两层基板组成。光信号的输入、输出由9个焊接固定于上层基板的光纤准直器完成。微镜反射单元集成于下层基板,每个反射单元由独立的电信号驱动。当触发信号驱动某反射单元时,对应微镜进入光路,输入光束经该微镜反射后,从相应端口输出。该开关由5V电压驱动电磁机构动作,带动微反射镜绕直径100m转轴转动,实现开关的状态换。开关时间2ms,插入损耗小于0.8dB,且具有断电自锁功能。2.2.2 MEMS光发大器的可扩展型的光开关矩阵MEMS半导体光放大器(SOA)光开关是属于另类性质的MEMS光开关,它主要是利用半导体材料的离子效应使得复合材料的折射率发生了变化,最后导致光传播方向的变化从而实现光开关的功能。该类MEMS光开关具有较高开关速度(纳秒量级)、低插入损耗、低串扰等优点,具有宽的增益带宽、低偏振相关以及体积小、便于扩展、可集成性等特性。而且,它是迄今为止在开关规模可扩展的情况下唯一可以具有净增益(其它类型光开关皆有插入损耗)的高速光开关矩阵。图2.4是应用垂直耦合器的交叉点结构的4x4空间光开关矩阵,其尺寸面积仅为1.5mm2(250m250m)。其工作原理是利用光在两层波导垂直方向上的耦合,从而可将任何输入信号垂直地转入任何输出端。其光开关单元如图2.5所示,它采用了独立的正交立体分层结构。开关处的晶片分层剖面如图6所示,在InP衬底(100)面上通过MOCVD生长得到InGaAsP/InP晶片。该开关矩阵有两层波导层,上层波导芯是1550nm波长的有源层,它包括5个未掺杂6.5nm InGaAs量子阱和Q1.26(4元化合物,波长1.26nm)势垒层。下层波导芯也采用多量子阱结构。两种波导芯层均为0.3m厚,中间隔着1.2m厚的InP间隔层。 图2.4光开关基本单元 图2.5晶体分层剖面 晶片上形成的两组垂直相交的脊形波导分别作为输入和输出波导。波导的宽度为3m,波导之间的间隔为250m。顶端的有源层从交叉点处开始向输入和输出端口有200m的扩展。耦合器有源层的波导以布儒斯特角刻蚀面终结,可以减小背向反射。垂直方向的光定向耦合器在顶部的有源波导层和下部的无源波导层之间形成。在有源层内有一个完全的内部微机械反射镜(TIR),它垂直地穿过波导的交叉口。当向有源层中注入载流子时,耦合器的上部有源层的折射率发生了改变,从而改变了垂直耦合器的耦合程度,这就是它的交换原理。在“开”态,由于载流子的注入,使得顶端有源波导的有效折射率降低到和下端无源波导一致。这样,输入光信号的大部分将从无源波导耦合进上层的有源波导,接着被TIR反射,然后从上层波导耦合到输出波导。注入的载流子亦对信号提供增益,这样极有利于得到较高的消光比。在“关”态(无载流子的注入)时,只有特别弱的光信号耦合进有源波导,且在上层有源波导对残留的耦合过来的信号有很强的吸收特性,从而使得串扰特别的小。该光开关由于沿用了一些电光转换技术,其开关速度小于1.5ns,插入损耗在3dB以内,但是在消光比、频带限制低等方面效果较差。可使用在一些对插入损耗要求不高、带宽限制要求窄的光纤通信系统中使用。2.2.3喷墨气泡MEMS光开关为了进一步简化MEMS光开关器件结构,可采用电毛细管效应或热毛细管效应的光开关结构。Agilent公司结合喷墨打印和硅平面光波导两种技术,开发出一种二维光交叉连接系统。其全光交换芯片曾在OFC2000会议上引起轰动。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的微型管道组成,微型管道填充一种与折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。当有入射光照入并要求交换时,一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡,气泡将光从入射波导全反射至输出波导,它使用的是已有的技术,故其成本不高。喷墨气泡光开关交换速度为10ms,3232子系统损耗为4.5dB,且具有偏振不敏感性,具有小的极化损耗,能对速率和协议透明,且有较好的可扩展性。同其他的MEMS开关相比,该芯片没有可移动部分,不需要准直镜等耦合器件。虽然喷墨气泡光开关有许多优点,但是,有两个重要因素必需考虑:一是如何很好地控制光开关的状态,如光开关频繁动作或长期维持气泡状态;另一个是喷墨气泡光开关封装后,其内部材料和液体的生存问题。所以尽管器件结构得到简化,但在一定程度上却牺牲了器件的性能。2.2.4 电磁驱动移动式微型光开关光开关的工作原理是通过静电或其他驱动力使微镜阵列或光闸产生机械转动,改变光的传播方向,使光经过可移动的反射镜反射后进入输出光纤。微镜是由一个多晶硅表面涂上金膜形成,插在两个紧密接触的光纤之间,并垂直放置,其直立表面通过支点使其与衬底平行。图2.6电磁驱动移动式光纤微型光开关 图2.722电磁驱动光开关图2.6所示的是电磁驱动的移动式光纤微型光开关,具有14个端口,利用LIGA(德文电镀、铸造、光刻的缩写)制作;任意两端口的切换时间小于10ms,插入损耗不到ldB5。日本研制的电磁驱动、悬臂梁式22光开关结构如图2.76。该开关为平行放置,利用梁的振动来实现光纤信号的对准,它采用深活性离子刻蚀(DRIE)工艺制造,镜面采用夹层式结构,插入损耗不到1.5dB,开关速度达到20ms。2.3 本章小结本章主要介绍了各种光开关矩阵技术，随着光通信技术的飞速发展，ASON 对光开关矩阵也提出了更高的要求。光开关矩阵技术是光通信研究的热点，不同交换原理和实现技术的光开关矩阵被广泛提出。基于不同原理和技术的光开关矩阵的具有不同的性能指标，适用于不同的场合。 第3章 开关矩阵的无阻塞性3.1 网络结构的简介3.1.1 CrossbarCrossbar开关矩阵是由一系列被称为交叉点的开关排成矩形阵列组成5-7。如图3.1所示，每一个交叉点都是一个22的开关单元，通过对每一个开关单元的状态进行设置，能够实现将每一个输入信号指定输出到任一输出端口。 图3.1Crossbar开关矩阵通常，一个NN的Crossbar开关矩阵由个基本开关单元组成，即有个交叉点。在没有连接请求时，所有的开关单元都处于交叉状态。当有连接请求时只要将处于输入输出线交叉点上的开关单元置于直通状态即可。后面将在方案中具体说明。88的开关矩阵采用Crossbar结构则需要个开关单元构成，如图3.2所示。图3.2 88的Crossbar开关矩阵仿真原理图Crossbar开关结构最大的优点就是所有输入输出之间的开关路径都是独立的，也就是说其本质是无阻塞的，而且实现组播也比较容易控制。但是Crossbar的缺点也非常明显，所需要的开关单元数量特别多，一个88的开关矩阵就需要64个开关单元，而且随着端口数的增加所需要的开关单元数量呈指数增长，因而其升级能力很差。 而且由于路径不同，信号所经过的开关单元数量不同，信号的功率损耗的差别也非常大，所以还需要对损耗进行补偿，如添加补偿单元等。这样更会增加所需的开关单元数量。3.1.2 Benes 相比于Crossbar开关结构Benes结构所使用的开关单元数量大大减少了。虽然Benes结构是可重排无阻塞的，但是考虑到功耗，需要的开关单元数量等问题，这种结构还是比其他结构优秀许多。图3.3给出了一个NN的Benes结构矩阵的迭代模型，其中的N必须是2的倍数5。当N=4时，第二级只需要两个22开关组成；当N4时，第二级可以由N/2N/2的Benes结构组成。通过这样迭代可以实现更大的Benes开关矩阵。如图3.7给出了一个88的Benes开关矩阵，图中一共只用了20个22开关单元。一般情况下，一个NN的Benes开关矩阵需要(N/2)(2 lbN-1)个22开关单元。在整个开关结构中每条路径都经过(2 lbN-1)个开关单元，因而每条路径的功率损耗都是相同的。相比与Crossbar交换结构其优势不言而喻。 图3.3 NN的Benes开关矩阵迭代模型 Benes开关矩阵的阻塞特性是需要注意考虑的问题，其可重排无阻塞特性意味着有可能出现路径占用的问题，当两个指定的端口需要进行通信的时候必须要有特定的算法来控制路径的选择，而且算法也较复杂。通过对20个开关单元的交叉还是直通状态的设置可以控制不同的输入输出端口之间建立连接。在图3.4中，如果所有的开关都工作在交叉状态，那么输入端口的12345678在输出端口的对应顺序为56781234。图3.4 88的Benes开关矩阵 Benes结构的可重排阻塞特性是影响其发展的主要原因之一，因为随着社会的发展，人们对通信的速度要求越来越高，而Benes结构实现无阻塞通信的前提就是重新路由路径，而随着矩阵规模的扩大，重新选择路径所需要的时间就增大，最后带来的后果就是通信的延时。这可以说是Benes结构最大的缺点。3.2开关矩阵的无阻塞性和光路选择的算法3.2.1 无阻塞性 无阻塞特性是NN光开关矩阵的基本性能要求之一。无阻塞特性是指光开关任一输入组合都能实现光波任意输出的组合。无阻塞性可分为严格无阻塞和可重排无阻塞两种。在严格无阻塞开关中,相关通道切换时不影响其他已建立且不需要切换通道的光路。在可重排开关中,可能要改变不需要切换通道的光路,但是切换后仍然保持各自的连通。对于大型和级联光开关,要实现严格无阻塞在结构复杂性和成本上的代价是很高的。全交叉结构可以实现严格无阻塞开关,但是结构庞大。可重排无阻塞光开关在实际使用中有很大的需求。本文研制的光开关属于可重排无阻塞开关。 图3.5(b)所示的22光开关是严格无阻塞的。44光开关的连接方式有4=24种,五个动镜提供了25=32个排列方式,满足无阻塞排列的必要条件。可以验证其具有可重排无阻塞的充分条件。将图2(a)中的动镜标号为ABCDE,输入通道编号为1,2,3,4;输出通道编号为a,b,c,d,可以排出如表1所示的开关连通排列。表中有下划线的字母表示该动镜处于光路之外的状态,其余为进入光路状态,即具有双面反射的作用。表1列出了12种连通排列,其中有四种连接可以采用两种不同的反射镜位置的排列来实现。从开关结构的对称性可以看到,其他12种排列可以将1234置换为4321,abcd置换为dcba来实现。这就证明了这一44开关具有无阻塞性,32种排列方式提供了全部24种连接方式的可行性,不存在阻塞的情况。这些连接排列方式,可以存入控制计算机的数据库中,根据使用中的连接要求直接调用。 表1 44光开关的连通排列方式 从表1可以得到各个连接光路中经受反射镜反射的次数和光波走过的距离。这两个参数同开关的插入损耗有关。同时,当一种连接切换为另一种连接时,如比较表1的数据,可以选择反射镜变动最少的动作。这些均可以用程序设计完成。3.2.2 光路选择的算法简介 88和1616光开关阵列,分别具有8=40320和162.11013种输入到输出的连接关系。相应的动镜状态排列数为218=262144和2524.51015种,远远大于连接要求的排列数。图3和图4所示的开关,由三级网络构成,网络中第2级的两个44开关的输入和输出端口,各与第1和第3级的八个22开关相连,属于三级Benes结构。这种结构已经被证明具有可重排无阻塞性质35。由于涉及的状态数很大,不适合用查数据表的方法来确定双面反射镜的状态。这就需要采取一定的无阻塞算法。以88光开关矩阵为例,可以将它看作如图5所示的多结点网络。该网络有16个端点,为奇结点,8个22结点,2个44结点,为偶结点。如果将端结点用如图3.6所示的虚线连接起来,可以留下两个奇结点,其余均为偶结点。根据“一笔画”的原理,如果从一个端点出发,如图5中输入结点1,就可以实现无重复地画过所有连线,最后到达输入结点3。一笔画的实现,证明所有通路均可以实现,没有互相阻塞的情况发生。根据拓朴学的原理,如果除了起始和终结之外的所有结点均为偶结点,那么,该网络就是一个能够实现“一笔画”的脉络。 图3.6 88光开关矩阵的连接算法示意图 以图5中的例子,具体算法描述如下:设输入1需要连接到输出端口8,可以走点划曲线所示的路线。接着考虑与端口8共用一个22开关的端口7;设