（光学工程专业论文）应用于光通信的非硅基底光开关与光衰减器的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 光波作为信息载体，在通信领域发挥着越来越重要的作用。为了突破通信系统信息 传输中“电子瓶颈”的限制，需要大力发展全光通信网络，研发一系列全光网络中的关 键器件。光开关和可调光衰减器是组建全光网络的两种关键器件。光开关主要用于光信 号的交叉连接( o x c ) ，并实现分插复用( o a d m ) 等，可调光衰减器主要用于短距离通信 系统的信号衰减，实现增益平坦，宽带光纤传输中的各信道均衡等。作者在阅读国内外 相关文献的基础上，利用实验室现有条件，对基于非硅基微加工技术的光开关及可调光 衰减器的设计、制作进行了分折探讨和深入研究。 本文内容主要包括四大部分。 第一部分是研究背景综述( 第一章) ，总结了本文的研究工作和贡献，介绍了全光 通信与光无源器件的背景情况，综述了光开关和光衰减器的研究现状，弗与本文设计的 器件进行优缺点对比。 第一i 部分是非硅基底微加工型光开关的研究( 第二章至第三章) ，研制开发了一种 全会属化非硅摹底可扩展l 8 微加工型光开关。此种光开关具有开关时间短( 2m s ) ， 低插入损耗和回波损耗等特点，特别是其反射单元落地面积较小，仪为3 4m m 直径， 在金属非硅基底微加工而成，可扩展为4 4 反射单元阵列用于高端口光开关。本文应 用有限元方法进行了器件开关时间的理论分析，器件的结构优化设计，并给出样品的实 测结果。与国内外同类器件相比较，驱动电压低( 5 v ) ，能耗低；具有多数m e m s 光开关 不具有的断电自锁功能。制造工艺简单，成本低：利用独特设计，在非硅基底上采用微 细电火花加工( e d m ) 技术，摆脱硅微加工的生产工艺复杂性，提高成品率，实现光开 关的低成本批量国产化，并己通过浙江省经贸委的成果鉴定，受到鉴定专家的好评。 为了满足光开关阵列的装配要求，开发了一种光纤准直器阵列专用光路对准装置， 该装置具有一个沿准直器光轴方向转动，两个丁f 交方向上绕其出射端点的摆动和三个相 互正交的方向上的平移共六个分解的调节自由度，同时消除了准直器出射光轴与摆动渊 节转轴交点之问的距离偏心，可广泛应用于光通讯器件封装领域的光纤准直器阵列的对 准调节。该装置已获国家专利。 第三部分是非硅基底微加工型可调光衰减器的研究( 第四章至第六章) ，针对现有 浙江大学博士学位论文 数字电控可调光衰减器均由步进电机驱动，体积庞大，造价高昂且速度缓慢的缺点，设 计制成种齿轮步进型电控可调光衰减器。与传统可调光衰减器相比，该器件不仅可实 现光衰减量数字化电控调节，并且可通过器件结构的优化设计，对光衰减量的非线性进 行补偿，最终得到线性衰减。器件性能测试表明，插入损耗i l 0 5 d b 偏振相关损耗 p d l 5 0 d b ) ，a n dw i d ed y n a m i c r e s p o n s e ( 0 4 0 d b ) i t h a sb e e ng r a n t e dc h i n e s e p a t e n t an o n s i l i c o n m i c r o m a c h i n i n gb a s e d5 1 2 一s t e p f a s t d i g i t a l v o aw a sd e s i g n e da n d c h a r a c t e r i z e di nt h el a s tp a r to fs e c 2 + t h ed e v i c el o c a t e sn i n ea t t e n u a t i n gm i c r o f i l t e r si nt h e b e a mp a t h ，w i t ho 1 d b ，o 2 d b ，0 ，4 d b ，0 8 d b ，1 6 d b ，3 2 d b ，6 4 d b ，1 2 8 d b ，2 5 6 d b a t t e n u a t i o nr e s p e c t i v e l y ，a n dc o n t r o l st h es t a t e so fas p e c i f i e df i l t e ro rs o m es p e c i f i e df i l t e r s t h r o u 曲d i g i t a lc o n t r o lc i r c u i t ，a c c o r d i n gt ob i n a r ye n c o d i n gc o n c e p t i o n ，t oa c h i e v ep r e c i s e s t e p w i s ea t t e n u m i o n s ( 0 1d b ) i to f f e r saf a s tr e s p o n s et i m e ( 1 e s s t h a n1 9 m s ) ，l o wi n s e r t i o n l o s s ( 0 3 7 d b ) ，s m a l lw a v ed e p e n d e n tl o s s ( 0 2 d b ) ，a n dw i d ed y n a m i cr e s p o n s e ( 0 5 0 d b ) i t h a sb e e na p p l i e df o rc h i n e s e p a t e n t an o v e ll i o n s i l i c o nb a s e dv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o rw a sr e p o r t e da tl a s t t h ev o ai s c o m p r i s e d o fa ne d mm i c r o m a c h i n e ds t r u c t u r e , i nw h i c ham i c r om i r r o ri sd r i v e n e l e c t r o m a g n e t i c a l l y t oa d j u s tf o rd e s i r e da t t e n u a t i o n c o n t i n u o u s l y k e y w o r d s ：o p t i c a lp a s s i v ed e v i c e ；o p t i c a ls w i t c h ；v a r i a b l eo p t i c a l a t t e n u a t o r ；m e m s m i c r o m a c h i n i n g ； v 浙江大学博士学位论文 第一章概述 本章首先总结了本文研究的内容及文章的结构，作者的主要工作和贡献：介绍了光 通信结构、全光通信的发展、光无源器件在全光通信中的应用等背景情况，综述了光开 关与光衰减器的研究现状，最后与本文设计的器件作了优缺点对比。 1 1 本论文研究内容、主要工作和创新点 1 1 1 本论文的研究内容 本论文研究的对象是全光通信应用中的两类关键的无源器件：非硅基底微加工型光 开关( o p t i c a ls w i t c h ) 及非硅基底微加工型可调光衰减器( v a r i a b l eo p t i c a l a t t e n u a f o r ，v o a ) 。研究内容包括全光网络及无源器件背景综述、非硅基底微加工型光 开关的结构设计、理论计算、优化设计、工艺与制作和非硅基底微加工型可调光衰减器 的结构设计、理论计算、优化设计、工艺与制作。其中光开关和光衰减器的工艺研究主 要集中在非硅基底微机械加工。 光无源器件未来技术将微机械电子系统( m e m s ) 与光器件融合于一体，朝着微型化， 智能化，低成本化方向发展。但是，基于硅刻蚀技术发展起来的m e m s 光开关和光衰减 器大都以硅片为基板，在此基板上进行氧化，光刻等过程来形成所需的微结构。目前存 在的问题主要在于硅基芯片制作工艺过程复杂，通常需数十层光刻掩膜，成品率低，前 期设备的资金投入较大，难以实现低成本的大批量生产。 目前光通讯市场在泡沫化的高热消失以后，已进入平稳发展过程，其中关键技术的 发展集中在解决光器件成本过高和开发更高性能价格比的产品上。在市场供需条件的驱 动下，各国科学家纷纷探索金属和非金属类型的非硅基器件的研发。在非金属类型的非 硅基光开关方面，f = i 本科学家开发了有机聚合物材料基底光开关，其优点是材料低廉， 工艺过程相对简单，器件成本可大幅度下降。但聚合物材料也存在严重的缺点，特别是 较差的热稳定性和抗湿性。 在这些研究的基础上，金属型的非硅基微机械光开关继承了传统舍属光开关优越的 热稳定性和抗湿性能，并结合了成熟的大批量精密加工技术，成为硅基微机械光开关 的竞争发展方向。因此进行此类微机械光开关的具体研究与试制有着非常深刻的现实意 浙江大学博士学位论文 义。本文的研究内容是利用非硅基微加工技术，结合m e m s 光器件技术实现特点和传统 机械的技术优势对光开关及光衰减器进行研究。课题的开展能有效地推动中国在光纤通 讯无源器件领域里的迅速发展，提高中国在世界光纤通讯领域里的地位。我国在发展硅 基底m e m s 光开关光衰减器的同时，应积极投入开发非硅基底微加工型光开关及光衰减 器，探索低成本光开关及光衰减器的新技术，参与国际市场的竞争。 本文的主体结构包括四大部分。第一部分是研究背景综述( 第一章) ，总结了本文 的研究工作和贡献，介绍了全光通信与光无源器件的背景情况，综述了光开关和光衰减 器的研究现状，并与本文设计的器件进行优缺点对比。第二部分是非硅基底微加工型光 开关的研究( 第二章至第三章) ，设计研制了一种小体积，低成本，可扩展的低电压驱 动1 8 光开关，以及一种创新的光纤准直器阵列专用光路对准装置。第三部分是非硅基 底微加工型可调光衰减器的研究( 第四章至第六章) ，设计了一种齿轮步进型电控可调 光衰减器，一种衰减量智能化可控( 高精确度数字化可调衰减量) 的数字化高速可调光 衰减器，以及一种反射式超小型连续可调光衰减器。最后是总结与展望部分( 第七章) ， 总结了本文的内容，提出了对光开关及光衰减器进步研究的设想。 光开关和光衰减器具有广阔的市场前景，研制开发具有完全自主知识产权的光开关 和光哀减器，不仅能打破国外同类产品的垄断，而且可凭高性价比打入国际市场，在国 际全光网络通信器件领域占有一席之地，为中国光谷的发展贡献一份力量。 1 1 2 作者的主要工作 作者在攻博期间主要完成了以下工作： 1 非硅基底微加工型光开关、光衰减器新设计的探索，提出了多个新的设计思想。 2 ，非硅基底微加工型光开关、光衰减器的理论研究，包括设计方法和模拟优化。 3 非硅基底微加工型光开关、光衰减器的实验研究，实现了器件的工艺制作，并对器 件进行了测试与分析。 1 1 3 本论文的主要创新点 本论文开展的非硅基微加工技术的光开关及可调光衰减器的设计制作与分析，解决 了光器件研制过程中存在的若干具体问题。特色与创新工作主要体现在：1 ) 设计了 垮新型的器件结构；2 ) 提出了制作光开关和光衰减器的非硅基微加工工艺的新方法。 浙江大学博士学位论文 i 本文讨论的非硅基底光开关和可调光衰减器设计思路完全摆脱了用纯m e m s 结构的三 维刻蚀的方法制作光路反射单元，而采取全金属化非硅基的整体结构，使用极为成 熟的电火花精密成形技术；跨越了三维刻蚀的复杂生产工艺，但仍保持了m e m s 器件 体积小、阵列可扩展的巨大优势；极大地简化了生产工艺，提高了成品率。 2 本文讨论的器件采用非硅基的全金属化结构，不仅能成功地实现光路无胶，而且将 实施全金属化焊接结构，使器件机械稳定性，温度稳定性及抗湿性能得到大幅度提 高。 3 对于低电压驱动l 8 可扩展光开关，由于本文设计把核心技术集中到一个具有多种 组合用途的微型反射单元，极大地提高了核心技术在各种端口光开关中的通用性， 大幅度地降低产品成本，并且简化各种开关的生产过程，使本产品在机械光开关市 场上拥有强大的竞争优势。 4 对于目前可实用化的步进型可调光衰减器一般均需使用微型步进电机，衰减量由电 机转动实现，响应时间较长，通常在1 0 0 m s 左右。无法用于高速动态控制。此外， 在此类器件工作的全过程中电机始终消耗1 0 0 m w 左右的功率，并转化成热量释放在 器件中，成为器件稳定工作的一大障碍。同时器件的体积完全局限于电机，驱动附 件和复杂的电机脉冲驱动电路。 本文讨论的齿轮步进型可调光衰减器通过电磁脉冲驱动微型齿轮实现挡光片的步进 微动，进行光传输功率的数字化衰减。该器件可以通过改变偏心轮及挡光片刀口的 形状，使挡光片行程与光衰减量之间存在的非线性关系得到线性校正。并且，所设 计的微驱动器是t t l 脉冲驱动，断电自锁，完全摆脱了步进电机需持续供电以保持 特定的衰减量。 本文讨论的数字化高速可调光衰减器是基于微加工驱动器的透射微镜阵列，将 o 一5 1 2d b 的动态衰减分解为二进制量，光定量衰减片的衰减值为0 1 d b ，o 2 d b ， 0 4 d b ，0 8 d b ，1 6 d b ，3 2 d b ，6 4 d b ，1 2 8 d b ，2 5 6 d b ，此范围中的任衰减量( 0 1 d b 步长) 均可通过九片微镜衰减片切入光路来实现。此方案结构独特，能在小于2 m s 的短时间里实现衰减设定或调节，可满足大动态控制的需求。同时，衰减量智能化 可控( 高精度数字化可调光衰减器) 。 5 本文讨论的光纤准直器阵列对准装置，齿轮步迸型可调光衰减器，数字化高速可调 光衰减器是具有自j j 知识产权的设计，浙江大学已为其原始设计申请了中华人民共 和国实用新型和发明专利( 光纤准直器阵列对准装置专利号：z l2 0 0 320 1 0 8 0 8 】4 ； 浙江大学博士学位论文 齿轮步进型可调光衰减器专利号：0 3 2 3 2 3 2 4 7 ；数字化高速可调光衰减器申请 号：2 0 0 4 1 0 0 1 5 9 3 1 ) ，为该类器件参与市场竞争打下了良好基础。 1 ，2 全光通信与光无源器件 1 2 1 光通信结构 光通信是以光为信息载体并在光波频域内实现信息传输与处理的技术。完整的光通 信由图卜1 中光通信“金字塔”技术分层结构中的各个元素组成“1 。 i 玺 卜l 光通信的“金字塔”结构 位于底层的是用于光通信领域的材料；其上是使用这些材料制成的各种光通信器 件；再上是由光通信设备制造商集成多种器件后的各种子系统和系统：再上一层是网络 运营商采用各种光通信设备组建的光通信网络；最终的顶层是用户的各种应用。 常见的光器件根据材料、结构以及功能等可以分为无源器件( 包括固定输出和调制 型器件) 以及有源器件两类。有源器件主要是指通过异质结构、量子阱以及稀土元素掺 杂等实现光信号的产生、接收以及光信号的放大等。而无源器件是指通过特定的器件结 构控制光信号存器件中的传输行为，并产生符合要求的输出光波( 或者反射光波) 的器 件。本论文主要研究应用丁光通信中的无源器件光开关和光衰减器。 浙江大学博士学位论文 1 2 2 全光通信的发展 光纤传输技术的研究始于6 0 年代后期，英国标准电信研究所的英藉华人高锟( k c k a o ) 博士和霍克哈姆( g a h o e k h a m ) 就光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的 论文“，首次明确提出利用光导纤维进行激光通信的设想。随着激光技术的进步和光纤 损耗的进一步降低，光纤通信迅速步入了实用化、商业化的轨道”“。由于光纤通信具有 通信容量大，传输距离长，不受电磁干扰，具有良好的保密性，建设成本低，尺寸小重 量轻等无可比拟的优点，其发展速度非常快速，甚至超过了由摩尔定律所限定的交换机 和路由器的发展速度，成为近年来发展速度最快的技术。 但随着网络时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。以】p 为代表的数据业务以一 种加速度的形式膨胀，i n t e r n e t 上的数据量每1 0 0 天就翻一番，用户数以1 6 5 的年增长 率在全球扩展，i p 网络数据业务的增长己成为当前网络通信业务的主要增长因素。同时， 其服务范围己不再局限于初期单纯的e m a l l ，各种新型业务如：电子商务、视频点播、 远程医疗、家庭办公以及高清晰度电视等多媒体宽带综合数字业务正在蓬勃发展”“。各 种新型业务的不断涌现，使社会对信息的需求量呈爆炸性增长。这种需求推动着光纤通 信系统向高速率，大容量和长距离的方向不断发展。 目前，光通信技术的进一步发展主要取决于两个关键，一一一是在主干网上不断提高传 输容量( 提高单信道的比特率和信道数目) ，充分利用光纤潜在的庞大带宽资源：二是网 络节点能够灵活地可靠地对高速数据进行处理”。对于前者，密集型波分复用技术在 信息主干网的成功应用为大容量的信息传输提供了有效的解决方案。相对而言高速率信 号处理技术的发展则明显滞后，传统的光纤网络中存在大量的光电、电光转换节点 和数字交叉互联电分插复用器，当前通信网络的瓶颈就在各种电节点上。传统的电信号 处理的速度受到“电子瓶颈”的限制，目前电信号能够实现的最高速率为4 0 g b i t s ， 己接近了电子器件的速率极限，再进一步提高变得非常困难。克服电子瓶颈的办法是直 接进行光信号处理，通过光信道直接联网，建立个透明的光层网络，即光联网技术。 另一方面，建立下一代高速率全光网络的呼声日益高涨，尤其是i po v e rn ) m ，i po v e r o p t i c a l 等构想的提出，使对高速率的全光信号处理技术的要求变得日益紧迫，全光信 号处理也成为最近一段时间以来通信界关心和研究的热点，人们提出t w d m 全光网的概 念。 全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经 浙江大学博士学位论文 过光电、电光变换。也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内 “。全光网络是光通信网络技术发展的最高阶段，它是一个应用灵活、可靠、性能稳定 的网络，分为核心传输网、区域网和接入网3 部分。其基本结构相似，都是由光传输系 统、光放大器( o a ) 、光插分复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 组成。光传输系 统由光源、传输介质( 光纤) 、光检测器组成。 全光网络具有如下优点：( 1 ) 提供巨大的带宽。( 2 ) 与无线或铜线比，处理速度高且 误码率低。( 3 ) 采用光交换的全光网络具有协议透明性。( 4 ) 全光网中采用较多的无源光 器件，省去庞大的光电光转换工作量及设备，提高了网络整体的交换速度，降低了成 本并提高可靠性。( 5 ) 具有网络可扩展性。 在全光网中实现信号的透明性，可扩性，可重构性等优点，除了以波分复用技术为 核心外，主要包括光交叉连接( o x c ) “5 。“、光分插复用( o a d m ) “”和全光中继e d f a ”2 3 3 等关键技术。 1 2 3 全光通信系统中的光无源器件 光纤通信网络方面的技术与光器件方面的发展是相辅相成的。光通信网络的发展既 受限于光器件的发展，同时又对光器件的发展提出更新更高的要求；而光器件的发展又 必将推动光通信网络快速发展。光纤通信系统正在向全光网方向发展，为了消除电子瓶 颈对光纤无源器件的技术提出了新的更高要求。因此，如何把握光纤无源器件的技术 发展方向，以适应市场的需求，已成为业内人士所关注的问题。 全光通信系统对光无源器件提出了新的要求：( 1 ) 在器件的技术指标上，要求器件 具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；( 2 ) 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；( 3 ) 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。 光无源器件是光纤通信系统中的重要组成部分，根据美国e l e c t r o n i c a s t 公司对今 后2 5 年光纤通信元件市场的展望，指出在各类光纤通信元件的市场中，光无源器件的年 增长率将位居首位。主要包括光开关，光滤波器，波分复用解复用器，光衰减器，光 祸合器等。 其中，光衰减器可以解决光信号的功率均衡和信道管理；光开关是在光纤通信线路 浙江大学博士学位论文 中具有光路转换功能的器件。本文着重对这两种器件进行深入研究。 1 3 光开关及其在全光通信系统中的应用 1 3 1 光开关概述 光开关是指对光纤通信中的光信号在不同的光路间进行相互转换或逻辑操作的器 件。作为光交换器件的基础，人们对光开关与光开关阵列的研究己经有二三十年的历史。 由于人们对器件材料，器件工作原理，加工工艺等多方面的认识和研究的不断进展，光 开关与光丌关阵列的类型也呈现出多元化发展趋势【2 4 。j 。 如图1 2 所示，光开关根据制作的技术方案不同大致可以分为三类：一类是利用电 磁铁或步进电机驱动光纤或适当形状的光学元件，如棱镜或反射镜，来实现光路转换的 机械式光开关；一类是利用固体物理效应，如电光，磁光，声光效应的固体波导光开关； 还有一类是利用其他技术，如气泡，液晶，全息，光子开关等。可调光衰减器与光开关 相比较，其实现方式和结构相似，在下一节光衰减器概述中将对各种类型的技术方案作 详细介绍，这罩将不再赘述各类光开关的工作原理，只重点介绍具有主流特色的光开关。 图卜2 光开关的分类 机械型光开关是指利用驱动光纤或适当形状的光学元件，如棱镜或反射镜，来实现 光路转换的光开关。机械式光开关技术比较成熟，插入损耗小，串音低，适用于各类光 浙江火学博士学位论文 纤，在现有的光通信网络中被普遍应用，目前国际上真正达到商用水平的光开关基本上 都是机械式光开关。而我国在这方面的产业水平相对比较落后，目前产品主要依赖进口， 进口产品中以i x 2 ，2 x 2 及高端口i x 8 ，i x l 6 为主，国外生产厂家主要有d i c o n f i b e r o p t i c s ，j d sf it e l ( j d su n i p h a s e ) ，o p l i n k 等。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ：m e m s ) 光开关技术具有插入 损耗低、隔离度高，体积小易于集成等优点，成为大容量交换光网络开关发展的主流方 向。目前m e m s 光开关的设计思路又可分为以下两类：第一种是固定光纤位置，由一个 微机械机构控制微反射镜( m i c r o m i r r o r ) 的动作来完成光路切换。入射光纤和出射光 纤的距离在保证必须的间隙的情况下，一般应小于5 0 微米或者更小，为减小器件的插 入损耗，必须尽量提高反射镜的反射率，同时，要保证反射镜同光纤之间很高的垂直精 度。图卜3 则是根据这个原理制作的光开关。第二种则是由微机械机构带动一根光纤的 末端，离开或者连接到临近的光纤的末端，达到光路切换的目的。 ( a )【b j 图卜3 微反射镜式m e m s 光开关( a ) 原理图( b ) 实物图 第一种方法更多的用于lx n 的开关，此时，反射镜旋转的不同角度，将使光线偏 转不同的角度，以射入需要的光纤，对反射镜的校正与准直的要求非常的高。而在大型 的n x n 的光开关中，一般都使用n xn 的微反射镜阵列。目前在高端口开关中，普遍使 用三维的微反射镜阵列，构成i 维的光开关。第二种方法更多的用于比较小型的低端n 光开关，与使用微反射镜的方法相比，工艺精度要求相对比较低，更容易实现，由于光 纤两端的对接并不需要留出一定的距离，所以，损耗可以作的相对比较小，信噪比也可 以更高。但是，除非使用级联，这种方法很难作出大型的光开关。 典型的m e m s 光开关器件可分为二维和三维结构。图卜4 ( a ) 是o m m 公司的二维光开关。 而高端口开关中，普遍使用三维微反射镜阵列，构成三维光开关，如图1 4 ( b ) 所示。三 维m e m s 解决方案突破了一：维方案的端门限制，将成为未来光交换的核心技术。 浙江大学博士学位论文 伯) i 讲 图卜4( a ) o m m 二维m e m s 光开关( b )三维光开关技术 固体波导型光开关的一个主要问题在于波导的材质，通常是基于铌酸锂l i n b 0 3 以及 i i l v 族化合物的半导体波导，女n g a a s 、i n p 、i n p g a a s 等。以l i n b o a 材料制作的光开关具 备良好的电光效应和透明性，在要求低损耗和高速度的系统中处于有利位置，但是工作 电压以及体积太大。g a a s 材料可以把波导器件和激光器，探测器集成在同一芯片上，而 且响应速度比较快，但是存在着工作波长与通信用波长不符的缺点。i n p 材料可以制作 非常小的器件，可以将有源和无源的器件集成在一起，响应速度也很快，达到了纳秒级， 但是其过大的插入损耗也是一个重大的缺点，正是出于这些原因，目前这一类的开关商 品化的很少。有机聚合物是优秀的功能材料，用于光电子器件的研究，具有价格低廉， ： 艺简便等明显的优点。而且人们对于有机聚合物材料的许多特性有了很深入的了解， 可以根据需要的特性，如电光特性，热光特性等，进行材料合成，使得其应用前景广泛。 但是目前仍然存在材料老化，环境要求高等缺点。几种光开关的性能指标比较见表l l 。 表1 一l光开关性能指标比较 类型 插入损耗开关速度功率串扰其他 机械光开关小 5 0 m s 较大很小( 8 0 d b ) l 岫峪光开关小 l m s很小很小( 6 0 d b )口j 集成 聚合物 相当大5 m s相当小小( 4 0 d b ) 环境要求高 u n b 疆相当大相当小( 高脉驱小( 4 0 d b ) 有偏振色散问题 动) 半导体 大相当大小( 4 0 d b )有偏振色散问题 s o ( i n g a a s p )可忽略( 噪声作相当人小( 4 0 d b )有偏振色散汕题 代价) 浙江大学博士学位论文 随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现。同时，原有的光开关技术 性能不断地改进。总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关将在光网络发展中 起到更为重要的作用。 1 3 2 光开关在全光通信系统中的应用 从全光网络的介绍和各种关键技术的讨论中可知，光交叉连接设备( o x c ) 和光分 插复用设备( o a d m ) 可以说是全光联网的核心器件技术。研制全光的交叉连接o x c 雨j 分 插复用o a d m 设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而光开关和光开关阵 列恰恰是o x c 和o a d m 的核心技术。 图】一5 显示光开关作为光交叉连接器( o x c ) 的核心部件，使o x c 具有交换业务的动 态配置、支持保护倒换等功能，从而实现光层上支持波长路由的选择及其动态选路。如 图所示基于空间光开关矩阵和波分复用器解复用器o x c 结构，通过波长解复用器将每个 光纤链路中的各波长通道分开，然后通过空间开关矩阵完成这些波长通道的交叉连接， 最后再通过波长复用器将所需波长通道合路到相应的光纤链路中去。 m k i l t 图卜5 基于光开关矩阵和波分 复用器解复用器o x c 结构 图卜6 基于波分复用解复用器 和光开关o a d m 结构 图卜6 显示光开关作为光上下路复用器( o a d m ) 的核心部件，使o a d m 可通过软件 控制动态上f 任意波k ，增强网络配置的灵活性。图示为基于波分复用解复用器和光 开关o a d m 结构。o a d m 的实现可以采用l 2 、2 2 光开关及其组合。同时，光，r 光的使用， 也使得o a d m 节点具有自愈保护和恢复的功能，增强了网络的生存能力。 浙江大学博士学位论文 光开关在全光通信系统中的其他应用： 1 用光开关实现网络的自动保护倒换。当光纤断裂或传输发生故障时，就可以通 过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的保护。 2 光纤通信器件测试。光器件、光缆以及子系统产品在测试过程中，可以使用光 开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率。 3 用i n 光开关实现网络监控。在远端光纤测试点通过l n 光开关把多根光纤接 到一个光时域反射仪( o t d r ) 上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。或者 插入网络分析仪实现网络在线分析。 1 4 光衰减器及其在全光通信系统中的应用 1 4 1 光衰减器概述 光衰减器( o p t i c a la t e n u a t o r ) 是一种旨在吸收或反射掉光功率余量的器件，它的 研发始于7 0 年代中期，随着宽带光通信网络、特别是全光网络的迅速发展，其市场需 求增长十分迅猛，与连接器，耦合器等一起成为了最基本的光无源器件。光衰减器要求 熏量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等，一个良好的光衰减器要求器件必须 有尽可能小的插入损耗、小的驱动电压与功率、大的可调动态范围、良好的线性可调或 方便的线性补偿，以及调节时对光信号有尽可能小的噪声干扰。 光衰减器可分为固定光衰减器( f i x e do p t i c a la t t e n u a t o r ) 和可调光衰减器 ( v a r i a b l eo p t i c a ia t t e n u a t o r ，简称v o a ) 。其中，可调光衰减器又可以分为手动可调 光衰减器和电控可调光衰减器两类。固定光衰减器只能对光路中的光能量进行固定量的 衰减，其温度特性佳。但在系统的调试中，常用于模拟光信号经过一段光纤后的相应衰 减或用在中继站中减小富余的光功率，防止光接收机饱和，或用于对光测试仪器的校准 定标，因此在实际应用中常常需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器。所以可调光 衰减器的应用范围更广泛。 可调光衰减器与光开关相比较，其实现方式和结构相似，根据制作的技术方案不同 也可以分为传统机械型，m e m s 型，固体物理效应型等，其中以m e m s 技术制造的v o a 具 有体积小、重量轻，损耗小，对偏振不敏感，与波长、数据格式无关等优点，极具产业 化前景。以下是这几类光衰减器的具体介绍。 浙江大学博士学位论文 1 传统机械型v o a ： 机械型可调光衰减器生产技术成熟，性能稳定，目前商业化的光衰减器几乎都是机 械型。比较典型的形式有电控可调光衰减器，采用步进电机带动来调节两个光纤准直器 之间的横向或纵向位移，实现对光信号的衰减，如图卜7 所示“蜗杆一齿轮一螺杆”结 构”：有通过微型步进电机控制连续渐变衰减片旋转或平移来达到数字化可调光衰减的 目的，如图卜8 所示，图i - 9 是其工作原理图“，这种衰减片型光衰减器可直接将具有 吸收特性的衰减片固定在光纤的端面上或光路中，达到衰减光信号的目的，不仅可以用 来制作固定光衰减器，也可用来制作可变光衰减器。 、 图卜7“蜗杆一齿轮一螺杆”式机械v o a图卜8 衰减片平移式机械v o a 图l _ 9 衰减片平移式机械v o a 工作原理图 2 基于m e m s 技术的v o a ： 微光机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ：m e m s ) 光衰减器技术借鉴 了超精密机械加工工艺和半导体工业中集成电路( i c ) 加工技术而发展起来。基本原理 就是通过静电或其他控制力使可以活动的部件发生机械转动，以改变输入光的传播方 向，从而实现衰减功能。微光机电v o a 工作原理类似于机械v o a ，但又能象波导衰减器那 样，集成在单片硅基底上，因此既具有传统机械v o a 的插入损耗低、隔离度高等优点