（物理电子学专业论文）4×4自由空间与偏振无关光开关的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 光开关是光网络中实现光路的通断和切换的器件。在时分复用( t d m ) 和波分复用 ( w d m ) 中，光开关都有着广泛的应用，主要用来实现在光网络中的路由选择、波长选 择、光的交叉连接以及自愈保护等。因此，当前迫切需要发展低损耗、高隔离度、快 r 、 速、可靠以及价格低廉的光开关。本文的研究重点就是全光交换中的光开关。j 本文介绍了光开关在光网络中的重要应用，概述了了国内外的最新进展，分析、 比较了不同光开关的性能和优缺点。提出了一种新型4 4 自由空间与偏振无关光开 关的总体结构设计，并进行了矩阵分析。运用模场耦合理论对光开关中需要用到的光 纤准直器的工作原理进行了讨论，分析了影响准直器耦合的三个因素，并做了实验对 此进行了验证。设计和制作了自聚焦透镜( g p d n l e n s ) 阵列，对此做了实验研究。用 耦合理论对光开关的误差进行了分析。对光开关各部件的参数进行了设计，介绍了光 开关的性能参数，对光开关进行了实验研究，提出了改进意见。分析表明，此种结构 的光开关具有插入损耗小，光学元件少，紧凑，开关速度快，以及偏振无关，装配简 单的特点。 关键词：光通信光交叉连接光开关偏振无关 自芭崞间 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c hi s ac o m p o n e n tt h a tc a i ls w i t c ho rm a k eo “o f fl i g h tw a yi nt h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i ti sw i d e l yu s e di nb o t ht m a ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gf r d m ) s y s t e m a n dw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) s y s t e m ，a n du s e dt op e r f o r mm u t i n gs e l e c t i o n ， w a v e l e n g t hs e l e c t i o n , o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o na n ds e l f - h e a l i n gp r o t e c t i o ni no p t i c a ln e t w o r k s h e n c e ，i tw o u l d b eh i g h l yd e s i r a b l et od e v e l o paf i b e ro p t i c a ls w i t c ht h a tp o s s e s s e st h ef e a t u r e so f l o w l o s s ，h i g hi s o l a d o l l ，f a s ts w i t c h i n gs p e e d , r e l i a b l e ，a n dl o w c a s t t h e e m p h a s i s o f t h i st h e s i si s o p t i c a ls w i t c h i na l l - o p t i c a ls w i t c h i n g t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fo p t i c a ls w i t c hi no p t i c a ln e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d ，a g e n e r a lo v e r v i e wo f t h el a t e s tp r o g r e s si sp r e s e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e s ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s o fd i f f e r e n to p t i c a l s w i t c h e sa r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d ag e n e r a l c o n f i g u r a t i o n 4x4 f r e e s p a c ep o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n to p t i c a ls w i t c h i sp r e s e n t e d ，a n dt h e m a t r i xo ft h e4 4o p t i c a ls w i t c hi sp r e s e n t e da n da n a l y z e d t h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i c a l f i b e rc o l l i m a t o r st h a tc a nb eu s e di nt h eo p t i c a ls w i t c hi sd i s c u s s e dw i t i lt h et h e o r yo f m o d e f i e l dc o u p l i n g ，t h et h r e ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ec o u p l i n go fc o l l i m a t o r sa r ea n a l y z e da n d d e m o n s t r a t e d b ye x p e r i m e n t s g r a d i e n t - i n d e x r o dl e n s ( w h i c hc a nb ea b b r e v i a t e dt o g r i n l e n s ) a r r a yi sd e s i g n e d ，f a b r i c a t e d ，a n de x p e r i m e n t e d t h e e r r o ro f t h eo p t i c a ls w i t c h i sa n a l y z e dw i t ht h ec o u p l i n gt h e o r y t h ec o m p o n e n tp a r a m e t e r so ft h eo p t i c a ls w i t c ha r e d e s i g n e d ，t h ep e r f o r m a n c e s o ft h e o p t i c a l s w i t c ha r ei n t r o d u c e d ，t h e o p t i c a ls w i t c h i s e x p e r i m e n t e d ，a n dt h ei m p r o v e m e n ta d v i c ei sp r e s e n t e d t h ea n a l y s es h o w s t h a tt h en e w k i n dc o n f i g u r a t i o no ft h eo p t i c a ls w i t c hg r a n t st h ef e a t u r e so fl o w i n s e r t i o nl o s s ，f e wo p t i c a l c o m p o n e n t s ，u g hc o m p a c t n e s s ，f a s ts w i t c h i n g s p e e d ，p o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t y , a n d e a s i n e s so f o p t i c a la s s e m b l y k e y w o r d s ：o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n so x c o p t i c a ls w i t c h p o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n tf r e e s p a c e i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 前言 l 绪言 随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式的多样化，高速大容量的宽带综合业 务数字网已成为现代通信网络发展的必然趋势。普通单模光纤具有3 0 t h z 的低损耗带 宽，如能充分利用这一巨大的带宽，就能满足未来宽带通信的需要【l i 。基于电子技术 的传统通信网，由于电子器件的速率已经越来越接近物理和技术上的极限，进一步提 高速率将使系统成本大大增加。电子信号处理速率上限约为1 0 g b i t s ，因此必须克服 目前光纤传输网中由于存在光电电光转换而引起的电子瓶颈，出路是采用全光网。 全光网即数据从源节点到目的节点的传输过程始终在光域内，避免了在所经过的各个 节点上的光电一电光转换，即“电子瓶颈”，从而使系统的透明性，网络结构的扩展 性、可重构性等性能大幅度提高。在全光网中，信息从源节点到宿节点的整个传输过 程中包括交叉连接过程中始终以光的形式存在，抛弃了传统通信网中中继放大过程中 光电一电光转换和电的交叉连接设备，从而能够提高网络的速度，并且使整个网络 对光信号透明。一个全光网的示意图如图1 1 所示。 图1 1 全光网络示意图 通信网的两大主要组成部分，传输和交换，都在不断地发展和革新。传输系统容 量的快速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。随着波分复用设备能力的持续 华中科技大学硕士学位论文 增长( 从传输8 、1 6 和3 2 个波长到现在的在一根光纤中传输1 6 0 个波长) ，骨干网络 的光纤光学连接点已成了一个大型业务汇聚点，对几百和成千个波长提供交换支持1 2 l 。 在这种情况下，运营商在骨干网络的光纤光学连接点需要巨大的交换能力来处理这些 波长，而且光层现在普遍运行在o c - - 4 8 ( 即2 5 g b i t s ) 和o c 一1 9 2 ( 即1 0g b i t s ) 速率级上，而原有的交换设备无法提供相应的接口速率和端口密度。分析家指出，少 于1 0 0 0 个交换端口的光学交叉连接系统将不能满足运营商的需求。为了解决电子交 换系统的瓶颈问题，研究人员开始在交换系统中引人光子技术，实现光交换。采用高 速的光交换选路设备可以把大量的原始带宽转换成可用带宽，解决骨干网络潜在的瓶 颈问题，并确保现有i p ( 国际互联网) 、a i t v l ( 异步转移模式) 、f r ( 帧中继) 等网 络之间的互操作性。 1 2 光开关的重要性 光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。光联网网络 的实现完全依赖于光开关、光滤波器、新一代e d f a 、密集波分复用技术等器件和系 统技术的进展。光开关作为新一代全光联网网络的关键器件，主要用来实现光层面上 的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能【3 1 。 随着d w d m ( 密集波分复用) 系统的成熟及大量被投入使用，高速大容量d v c q ) m 光传输和交换正在成为现在通信网络的主要发展方向，而作为系统节点核心器件的开 关元件，其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。不论是网络的构造，还 是网络故障下的恢复，都需要对光开关的智能控制。而且，随着各种业务的数量上的 高速发展和质量上更高要求，将需要越来越大的网络带宽，这样，网络节点如o x c 或o a d m 都必须有大量的端口，同时也必须能容纳大量的波长通道，这些都要求必 须存在大规模的集成开关矩阵。因此，光开关一方面必须具有良好的性能，另一方面 必须能够集成为大规模开关矩阵，以适应现代网络的要求。 全光网可以通过多种复用方式来实现，如时分复用( t d m ) ，波分复用( w d m ) ，码 分复用( c d m ) ，频分复用( f d m ) 。就目前的技术条件来看，发展w d m 网是最合适的筘】。 因为：首先，w d m 网的技术复杂性相对来说比较小；其次，w d m 网的传输技术、器件 技术等比较成熟，有的已经实现了实用化。所谓w d m 就是将光纤的可用波段分成若于 个小信道，每一个信道对应一个波长，使光纤上单波长传输变成多波长同时传输，增 加光纤的传输容量。例如，若每个波长信道的传输速率为1 0 g b i t s ，w d m 网中有n 个 华中科技大学硕士学位论文 波长信道，则总的传输容量为l o g b it s 。由于w d m 具有许多潜在的优点，例如， 能有效利用光纤的宽带特性，网络的管理和控制更加灵活，具有透明的代码格式和比 特率，更好的网络配置和生存能力。从8 0 年代开始，w d m 网引起了国际通信界的广泛 关注，各研究机构纷纷开展研究，并且建立了一些试验网，如早期的b e l l c o r e 的 l a j f t b d a n e t ，后来的i b m 的r a i n b o w ，欧洲的r a c e 计划，法国的a l c a t e l 全光网等。 w d m 全光网通常由以下几部分组成： ( 1 ) w d m 传输系统。包括发射接收部分，光纤，以及在线光放大器等。 ( 2 ) 分插复用器。用来以光的形式上下路本地信息。 ( 3 ) 交叉连接( o x c ) 。_ i ) m 网的网络节点设备，通过对光信号进行交叉连接， 能灵活地管理光传输网络，是实现可靠的网络保护恢复，自动化配线，以及网络监 控、管理的重要手段。 ( 4 ) 接入节点。电网络层与光网络层的接口，主要负责整个网络的光电、电 光转换并负责将信息汇总成高速码流，或将高速码流分配到每一个低一级的节点或终 端用户。 在w d m 的组成部分中，o x c 是网络中最复杂的节点。它不仅应具备网络间的信息 耦合功能，并且还应具备光分插复用功能。此外，网络的可重构性，自愈能力及可扩 展性等均需通过o x c 节点来实现，所以是实现实用化w d m 网的核心功能器件。而光开 关则是o x c 中的关键器件，尤其是无须光电、电光转换的全光交叉互连的器件，其 技术水平直接决定着光通信网络的性能。因此，对各种光开关的研究被提到了极为重 要的位置。 1 3 光开关的应用 光开关作为一种光器件，在光通信领域里的应用非常广泛，它可以集成到各种不 同的光网元中，目前光开关主要应用包括1 6 “8 1 ： 1 3 1 自动保护倒换 在光纤断开或转发设备发生故障时能够自动进行恢复。现在大多数光纤网络都有 两条以上的路由连接到关键节点上，一旦光纤或节点设备发生故障，通过光开关，信 号可以避开故障，选择合适的路由到达目的地，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1 2 光开关就可以实现。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 网络监视 在远端光纤测试点上，可以使用一个1 n 光开关，将多根光纤连接到一个光 时域反射计( o t d r ) 上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监控，特别是在实际的网 络应用中，光开关允许用户取出信号或插入网络分析仪进行在线监控而不干扰正常的 网络信息传输。 1 3 3 元器件测试 光开关通常可用于元器件的生产和检验测试。采用多通道开关，通过监视每一特 定测试参数的开关通道，可以测试多种光器件，而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。除了传统的应用外，光开关还在新兴的、可重配置的 d w d m 网络中发挥越来越重要的作用，利用光开关，可以实现d w d m 网络中的关 键设备_ o a d m 、o x c 和光路由器。 1 3 4o a d m 设备 利用光开关，o a d m 可以在网络的某个节点从d w d m 信号中选出并卸下一个波 长，然后再在原波长上加入一个新的信号继续向下一个节点传输。这种功能极大地加 强了网络中的负载管理功能，在一个简单的o a d m 设计中，2 2 的光开关和d w d m 复用解复用器可以装进一个模块以实现波长的选择性分插功能。图1 2 为o a d m 模块化设计示意图。 一l2 2 光升夭l 解 信号入 复 复 信号出 入l ， 2 ，九n 用 用 一 器 l ，九2 ， n 器一2 2 光升天l 一一z z 光升天l l ， 凡1 ，入2 ， n 信号上 l ， 2 ， n 信号下 图1 2 带有2 x 2 光开关的o a d m 华中科技大学硕士学位论文 1 3 5 o x c 设备 在d w d m 网络中，o x c 实际上是在m n 的光纤输入输出矩阵之间提供连接 的动态交换板，见图1 3 。这样，o x c 开关就能在矩阵结构中提供无阻塞的一到多连 接，o x c 能提供极高的网络生存性，降低网络管理成本，在光层重新配置信号路由， 这样就不需要复杂而昂贵的数字交换机了。由于o x c 运行于光域，具有对波长、速 率和协议透明的特性，可适合未来t b i t s 级的数据流的传输。 开关阵列 信号入 解 x 复信号出 复 一 用 用 一 器 l ， 2 ， n i ， 2 ， 。 器 m x 川 图1 3 带有m n 开关阵列的o x c 总之，光开关是光通信网络中用量非常大的一种重要的无源器件，用于控制光纤 传输信道中光信号的通、断，或实现路由转换，可用于光通信网络中系统保护，系统 监测等，实现全光交叉连接( o x c ) 系统中的路由交换，其市场潜力十分巨大。由于 国内光开关的研究尚属起步阶段，尽快开展新型光开关技术的研究和开发工作，迅速 取得光通信无源器件的市场份额，缩短与国外的差距，已成为一项十分紧迫的任务， 它对于促进我国光通信、光电子技术的发展，具有重要的现实意义和应用价值。 1 4 光开关的技术进展 就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自 由空间型和波导型光开关，如图1 4 所示。按照开关机理来分类，主要有机械光开关、 热光开关和电光开关。在机械光开关中，包括以新型的微机械工艺为基础的微机械光 开关，自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋 转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的热光、电光或磁光的效应来改变 被导的性质，从而实现开关动作。 光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、 开关规模和开关尺寸等。光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损( 1 0 d b 以 华中科技大学硕士学位论文 下) 、低串扰( - - 5 0 d b 以下) 、低开关时间( 几个m s 以下) 以及无阻塞运作。我们知 道机械开关在插损。隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关 尺寸比较大，开关动作时间比较长，般为几十毫秒到几毫秒量级，而且机械开关不 易集成为大规模的矩阵阵列。对波导开关而言，它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级， 体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列。但其插损、隔离度、消光比、 偏振敏感性等指标都比较差。近来在热光开关的研究上取得了重大的成果：同时也产 生了一种微电子机械技术，它采用机械开关的原理，但又能像波导开关那样集成在单 片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺 点。图1 4 对构造光开关的几类技术机理、性能特点进行了简单的归纳总结。一般来 讲，自由空间光开关的损耗较导波器件的损耗更低，基于电光效应的光开关较基于机 械的开关速度更快一些。表ll 详细比较了采用不同技术的光开关的性能差异| z j 。 匝亟垂巫二 图1 4 构造光开关的各种技术分类与比较 根据不同的应用要求已开发出很多种光开关新技术，主要包括微电机械光开关， 喷墨气泡光开关，液晶光开关，热光效应光开关，全息光栅光开关，液晶光栅光开关 等等。现在，对这几种技术进行讨论和比较。 1 4 1 微电机械光开关( m e m s ) 基于镜面的m e m s 是一种受静电控制的二维或三维器件，安装在机械底座上。m e m s 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 各种光开关性能对比 在1 5 5u m 光性能 插入损耗串扰开关速度 功率消耗 窗口的透明性 低一般小 光学机械很好 ( o 5 1 d b )( - 5 0 d b )( 5 1 5 m s ) ( 自锁) 一般般快 聚合物 相当小 ( 1 2 d b ) ( - 2 5 d b )好( m s ) 大 电光 非常快 相当小 ( 2 一般好 l i n b o t( 纳秒) ( 高电压驱动) 4 d b ) 半导体 低 大还可以纳秒 相当大 ( g a a s ，i n g a a s p ) ( - 4 0 d b ) s o a 可忽略低 还可以纳秒 相当大 ( 门型) 一般 一般 液晶 一般好 ( 小 c 2 d b ) 1 0 m s ) 微电子机械 一般 快 低 好 小 ( m e m s ) ( 2 d b ) ( 1 m s ) 面发生转动，从而改变输入光的传播方向。m e m s 可以利用i c 工艺成批加工技术来生 产，所以单个成本并不高。m e m s 光开关的典型尺寸是1 0 c m 。m e m s 技术在其他工业领 域已经得到很广泛的应用：在电信领域，怔m s 解决方案似乎已经是主要潮流，受到业 界的推崇和追捧1 2 1 。 。 微电机械开关的主要特点： 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - 一 华中科技大学硕士学位论文 目前二维子系统最大容量是3 2 3 2 端口，多个子系统可以连接起来形成大的交 叉矩阵，最大可以达到5 1 2 5 1 2 端口。理论上，三维子系统可以支持几千个端口， 但是实际上并没有实现。一般来说，m e m s 光开关的开关时间比较慢，但是，o m m 公司声称他们的4 4 和8 8m e m s 光开关对任何一个连接的交叉时间小于l o m s 。由 于m e m s 光开关是通过镜面的机械转动来改变光路的传输方向，所以任何机械摩擦、 磨损以及振动都可能使它的可靠性降低。 另一方面，m e m s 光开关的插损比较大，o m m 公司4 4 光开关的插损可能达到3 d b ， 1 6 1 6 矩阵的插损增加到7 d b ，随着连接的子系统数目的增加，插损也随之增加。由 于光束在m e m s 系统中可能沿着不同的路径传输，各种路径的传输距离也可能不同， 结果导致端到端的插损可能因为光传输的路径不同而变化。o m m 公司1 6 1 6m e m s 矩 阵中的插损变化可能达到3 d b ，尽管在小的子系统中这种变化很小。m e m s 的功耗定量 计算比较困难，但可能比其他几种光开关的功耗要大。 尽管m e m s 技术具有许多缺陷，但却得到了众多公司的推崇，在技术上蓬勃发展。 朗讯推出了一种被称为l a m b d ar o u l e r 的全光系统。他们的研发人员在 o f c 2 0 0 0 ( b a l t i m o r e ) 发表的一篇论文详细阐述了基于m e m s 的1 1 2 1 1 2 的交换矩阵， 该系统所有的1 2 5 4 4 种连接均通过了测试，该系统对任何一个连接的交叉时间均小于 i o m s ，包括驱动电压上升时间，光部分的插损在1 5 5 0 n m 附近是( 7 5 2 5 ) d b ，光纤 镜面阵列上的衍射透镜在1 5 2 5 1 5 6 5 n m 内的连接损耗变化量为i d b ，任何一个光输 入之间的串扰小于- 5 0 d b 。并且他们所展示的光交叉连接系统可实现2 2 4 2 2 4 的交换 容量。 1 4 2 喷墨气泡开关 a g i l e n t 通过综合他们的热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种二 维光交叉连接系统眇1 4 i 。该设备由许多交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成， 刻痕里填充一种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 入并需要交换时，个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的 光信号全反射至输出波导。a g i l e n t 把这种技术称为“光子交换平台”。 根据光子交换光开关的交换原理和器件结构，它具有以下一些的主要特性： a g i l e n t 公司已经制造出3 2 3 2 和3 2 1 6 端口光开关子系统，并且可以把这些 子系统连接起来组成更大的交换矩阵( 具体能做到多大还有待研究人员的证实) 。 华中科技大学硕士学位论文 a g i l e n t 公司声称，他们的光开关响应时间远小于l o m s ，可以用于光纤保护倒换。并 且，这种光开关对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感，这种光开关的可靠性很好， 开关几百万次都没有出现问题。由于本器件本身没有可活动器件，因此可以远远满足 电信应用中时间可靠性要求。同时这种开关可以大批量生产，利用成熟的硅平面光波 电路技术，使光纤的耦合变成一种标准的流程，同时大大降低了这种光开关器件的成 本。 这种光开关可以应用在上下复用设备中，实现任意一根光纤或单波长的上下路。 也可以用于光交叉连接设备中，由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导 上，所以，由其组成的网络具有很好的重构性。 1 4 3 液晶光开关 大部分液晶光开关是根据光的偏振特性来完成交换的【i5 1 。典型的液晶器件包括无 源和有源部分，它实现光交换主要由几个步骤来进行：首先，无源器件( 如光滤波器) 把输入光分成两路偏振光；然后，把光输入液晶内，液晶根据是否加电压来改变光的 偏振状态或者不改变，由于电光效应，在液晶上加电压将改变非常光的折射率，从而 改变光的偏振状态；最后，光射到无源光器件上，无源器件根据光的偏振方向把光输 出到预定的输出端口。 液晶光开关的主要特点有：理论上网络重构性可能比较好，但是许多公司认为液 晶设备更适合用于较小的交换系统中。由于在液晶中，光被分成偏振方向不同的两束 光，在最后把它们舍起来，如果两柬光的传播路径稍有不同，便会产生插损，同时， 开关速度可能也是个问题。有的厂商希望通过加热液晶来加快开关速度，但不可避免 地使设备的功耗增加。 1 4 4 热光效应光开关 热光效应主要用来制造小的光开关：如1x 2 ，2 x2 等，尽管有的供应商认为通 过在一块晶片上集成基本的l 2 光开关可以组成较大的交换系统，如6 4 x 6 4 端口的 交换系统是可能实现的。现在主要有两种类型的热光开关：数字光开关和干涉仪光开 关陋1 8 】。最简单的器件是l 2 开关，叫做y 型分路器。对y 型的一个分支加热时， 材料的折射率就会发生改变，将阻止光沿着这个分支传输。数字光开关可以用硅和聚 合物制造，后者的功耗大约是前者的1 ，但是光插损要大一些。 9 华中科技大学硕士学位论文 干涉仪光开关一般用硅做成，它主要利用m a c hz e h n d e r 干涉原理，也就是利用 光的相位特性，光的相位特性跟光的传输距离相关。输入光被分成两路，在两根分开 的光波导里传输，然后合在一起。其中一根波导被加热来改变波导的折射率，从而改 变光传输距离，使得一束光到达时与另一束光不同相，破坏性的干涉作用会使合成的 光束减弱甚至关断。由于硅的热导系数相对比较高，加热器之间的距离至少保证i 0 0 j 4 n 间隔，以免影响相邻的开关。 热光开关阵列可以和阵列波导光栅( a w g ) 集成在一起组成光上下复用器( o a d m ) 。 聚合物可能是这种器件最好的材料，因为a w g 对温度敏感，而聚合物把热量保持在光 开关部分。由阿尔卡特牵头组成的一个合作研究机构正在开发一种具有综合硅和聚合 物优点的光开关技术，它用低损耗的硅作为波导，把光信号通过聚合物实现交叉，从 而降低功耗。但是这种产品还处于研发阶段。 1 4 5 全息光栅开关 通过全息的形式在晶体内部生成一个电子供能的布拉格光栅，当加电时，布拉格 光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶体i 旧】。利用这种技术可以很容易地 组成千端口的光交换系统，并且它的开关速度非常快，只需几个n s 就可以把一个波 长交换到另一个波长。由于没有可移动器件，它的可靠性可能比较好。掌握这种技术 的t r e l l i sp h o t o n i c s 公司声称，2 4 0 2 4 0 端口的交换系统的插损低于4 d b ，端到端 的重复性也比较好，但是它的功耗比较大，并且需要高电压供电。 这种技术可以跟三维m e m s 技术竞争，但它更适合单个波长的交换。纳秒量级的 交换速度可以用在未来的基于报文交换的光路由器中。 液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物，现在 这种技术只有d i g i l e n s 公司掌握。这种光开关基于布拉格光栅技术，加上电压时光 栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导。如果没有加电压，光栅就把一个 特定波长的光反射到输出端口。这意味着这种光栅具有两种功能：取出光束中某个波 长并实现交换。 d i g i l e n s 公司声称这种光开关的响应时间为l o o n s ，插损小于i d b 。 1 5 本章小结 本章分析了光开关在光网络中的重要应用，介绍了国内外的最新进展，分析、比 较了不同光开关的性能和优、缺点。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1引言 2 总体方案设计 目前，无论是a t m 或t c p i p ( 传输控制协议n 际协议) ，商用的交换采用的都是 电交换，由于受到电子线路的限制，其交换速率均不可能很高。未来的综合业务数字 网吞吐量将达到太比特每秒的数量级，这是电交换难以达到的。所以光交换是打破速 率、带宽瓶颈限制的根本出路。目前国外对光交换的研究已相当广泛，国内也有不少 研究机构涉足该领域【2 。就目前所提出的光交换模型，大致可以分为波导型与自由空 间型两大类。在波导型光交换中，光被限制于光波导中传输，通过耦合和对不同光路 的光进行开关而达到交换的目的。目前波导型光交换已经有很多种模型提出，包括较 成熟的基于w d m ( 波分复用模式) 的交换，但波导型光交换中由于采用大量的耦合与开 关器件，串扰和耗损都较为严重，为了补偿耗损，不得不在交换结构内部大量使用放 大器等有源器件。这些有源器件会带来噪声，加上串扰，使得交换机整体性能( 包括信 噪比) 下降。目前开关型器件串扰的典型数据为1 5 d b 4 0 d b 。自由空间光交换则是充 分利用激光本身良好的方向性和互不干扰的特点，让光在自由空间( 空气或其它媒质) 中的通断或偏转来达到交换的目的。这使得自由空间光交换恰好具有光的高并行性 ( 充分利用光的空间带宽) 、低串扰和低耗损等特点。 2 _ 2自由空间光交换的特点 我们知道，平面波导空分光交换的光学通道是由光学波导组成的，构成的交换网 络容量有限，远远没有发挥光的并行性、高密度的潜力。另外，平面波导构成的光开 关节点是一种定向耦合开关节点，没有逻辑处理功能，不能做到自寻址路由控制，因 此很难适应a t m 交换的需要。由于光波作为载波在自由空间传输的带宽大约为 l o o t l l z t “1 ，为了充分利用这种带宽，有必要研究自由空间光交换网络系统。 在空间无干涉地控制光的路径的光交换叫自由空间光交换【1 “。它是最早的光交 换，因为构成比较简单，只要移动棱镜或透镜即可。典型的自由空间光交换是e h - - 维 光极化控制的阵列或开关门器件组成。另外，使用全息光交换技术也可以构成大规模 的自由空间光交换系统，且无需多级互联。该网络是三维立体式结构，如图2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 输 光 纤 光纤矩阵 2 x 2 交换单元矩阵 黟矽 图2 1 自由空间光交换网络 自由空间光交换在交换中光传输的方式与空分交换不同【2 ”。自由空间交换时，光 通过自由空间或均匀的材料，如玻璃传播：而空分交换，实属导波交换，在这种结构 中，光由波导结构所限制和引导。自由空间光交换已有久远的历史，小规模的交换， 如2 个输入口和2 个输出口的机械交换产品已有商品出现。然而大规模的交换才刚开 始开发，其原因是缺乏有效的交换器件和精密准确的装配技术。最近，c m o s s e e d 器件、液晶或半导体二维阵列交换器件已经开发出来，从而加速了自由空间光交换的 研究和开发。 自由空间光交换与导波交换相比具有高密度装配的能力，制作在衬底上的导波开 关被波导弯曲的最小曲率所限制，此外，假如将许多小规模交换器件组合在一起，构 成大规模的交换系统，则必须用光纤把它们连接起来。光纤互连的体积通常比交换器 件的体积还大。与此相比，自由空间交换可以构成大规模的交换，因为它利用的是光 束互连，适合作三维高密度组合，即使光束相互交叉，也不会相互影响。 2 3 总体方案设计 本课题的课题得到国家自然科学基金项目：“与偏振无关的4 x 4 光纤光开关光学 实现方法和矩阵描述”( 课题批准号：6 0 1 7 7 0 2 3 ) 以及“华中科技大学研究生基金” 的资助。 本课题研究一种与偏振无关的4 4 双向光纤光开关i 2 4 6 j ，采用自由空间光互连 结构，选用少量的光学元件，首先研究与偏振无关的2 2 双向光纤光开关结构。在2 x 2 双向光纤光开关结构基础上，扩展研究与偏振无关的4 4 双向光纤光开关结构。 与偏振无关的2 x 2 双向光纤光开关结构仅由两块偏振分束组合棱镜，两块x 4 波片， 华中科技大学硕士学位论文 一块直角棱镜，一块全反镜和一个偏振光调制器组成，如图2 2 所示。 l 2 i j 三叮鲫 p 8 5 1 p b s 2 p l m r zl 图2 22 2 光开关结构 输入的两路光信号经两根输入光纤端面的g r i n 透镜准直后，信号1 经偏振分束 组合棱镜p b s i 上方反射面反射后，由垂直方向入射到偏振分柬组合棱镜1 的偏振膜 上，信号2 则直接由水平方向入射到偏振分柬组合棱镜p b s i 的偏振膜上。经偏振棱 镜p b s l 分束后，信号1 的s 一偏振光和信号2 的p 一偏振光分量相组合，同时信号l 的 p 一偏振光分量和信号2 的s 一偏振光分量相重合。经重新组合后的两路光信号入射到第 二块偏振分束棱镜p b s 2 上，由偏振光调制器p l m 控制信号分量的偏振状态。当偏振 光调制器p l m 处于“o n ”的状态时，入射到偏振分柬棱镜p b s 2 上的信号光的偏振状 态将发生改变，即由s 一偏振态变为p 一偏振态，反之亦然。此时信号光l 的s 一偏振光 分量和p 一偏振光分量分别通过棱镜p a p 和全反镜t r 反射重新会合到一起后，由输出 端口2 输出；而信号光2 的s 一偏振光分量和p 一偏振光分量分别通过直角棱镜r a p 和全反镜t r 反射重新会合到一起后，由输出端口1 输出，实现了交换互连。由于信 号光1 、信号光2 的s 一偏振光分量和p 一偏振光分量分别在输出端口合并，从而实现与 偏振无关输出。同理，当偏振光调制器m 处于“o f f ”状态时，入射到偏振分束棱镜 p b s 2 上的信号光的偏振状态不发生改变，此时信号光1 的s 一偏振光分量和p 一偏振光 分量分别通过全反镜t r 和直角棱镜r a p 反射重新会合到一起后，由输出端口1 输出； 而信号光2 的s 一偏振光分量和p 一偏振光分量分别通过全反镜t r 和直角棱镜r a p 反射 重新会合到一起，由输出端口2 输出，实现了直通互连。当将该2 x 2 光开关结构的 输出端作为输入端输入两束光信号时，由于该光学系统光路的可逆性，在其原来的输 入端同样可以得到直通和交换的光信号输出，即可实现双向光开关功能。与国外已报 道的2 x 2 光开关相比 2 7 t 引，该光开关结构所用的光学元件少，结构紧凑，易于光学 装配和调试。 华中科技大学硕士学位论文 采用上面提出的2 2 光开关结构可通过适当的扩展方式构造成4 4 光开关结 构，该结构同样具有与偏振无关的双向光开关功能。其光学原理图如图2 3 所示。 图2 34 4 光开关结构 整个4 4 光开关结构由三部分组成，第一部分a 、第二部分b 和第三部分c 实际 上为三块相同的自由空间光互连模块，中间的d e 为光信号通道转换接口。输入的4 路光信号经偏振分束棱镜p b s i 进入光学系统，偏振分束棱镜p b s l 、p b s 3 和p b s 5 中 粗线表示的界面r 为双面全反面。偏振光调制器l l l l 、 1 1 2 、m 3 中的s - t 、s m s zz 、s z 。、 s 。、s 。：分别为偏振光开关单元。用与2 2 光开关结构同样的分析方法，通过控制各 偏振光开关单元的开关状态，可实现4 路输入光信号1 、2 、3 、4 到任意4 路输出信 号通道1 、2 、3 、4 输出的4 4 光开关矩阵功能。例如，要实现输入信号2 、 l 、4 、3 到输出信道l 、2 、3 、4 ，此时偏振光调制器m 1 、m 2 、m 3 中的s 、 s 。s ：。、s 。、s 。s 。单元分别设置为“0 1 3 ，o r l ，o f f ，o f f ，o f f ，o f f ”。输入光信号1 的 p 一偏振光分量经偏振分束棱镜p b s l 中的反射面r 反射后通过偏振光开关单元s ，由 于s 。处于“o n ”状态，将改变入射光的偏振态，即p 一偏振态变为s 一偏振态，该偏振 华中科技大学硕士学位论文 光分量经光互连模块a 后由模块a 的第二个输出通道输出；同时输入光信号1 的s 一 偏振光分量经偏振分束棱镜p b s l 和偏振光开关单元s ，。后，其偏振态由s - 偏振态变为 p 一偏振态，经偏振分束棱镜p b s 2 和直角棱镜r a p l 后，该偏振光分量同样由光互连模 块a 的第二个输出通道输出，合并输出后的光信号l 通过光通道转换端口d 转换到光 互连模块b 的第三个输入信号通道口，输入到第二个光互连模块b 中。由于光互连模 块b 与a 的结构相同，其光路分析与前相同。输入光信号l 的p 一偏振光分量通过状态 为“o f f ”的偏振光开关单元s ：。后不改变偏振状态，由r a p 2 反射后从光互连模块b 的输出通道3 输出；输入光信号l 的s 一偏振光分量通过金反镜t r 2 后与p 一偏振光分 量会合后同样由光互连模块b 的输出通道3 输出。按同样的分析方法，输入信号光l 的p 一偏振光分量通过s 。后，不改变偏振态，经过p b s 6 和r a p 3 后从模块c 的输出通 道2 输出：输入信号光1 的s 一偏振光分量通过全反镜t r 3 后与p 一偏振光分量会合后 从模块c 的输出通道2 输出。输入信号1 、2 、3 、4 的输出光路由偏振开关单元s 、 s 。s 。、s 。s 。s 。的“o i l ”或“o f f ”状态控制，其光路分析不再赘述。由于在每 个输出端口，每路光信号的p 一偏振光分量和s 一偏振光分量都重新合并，从而实现与 偏振无关的开关功能。当将该4 4 光开关结构的输出端作为输入端输入4 束光信号 时，由于该光学系统光路的可逆性，在其原来的输入端同样可以得到交换后的光信号 输出，即可实现双向光开关功能。 2 4 矩阵分析 对自由空间光纤光开关的互连方式和节点状态进行理论分析和矩阵描述，可以方 便直观地描述光开关的路由控制状态等特性，对光开关的设计具有指导作用。在本课 题的研究中，将采用矩阵理论来分析这种具有新的自由空间光互连结构的4 4 光纤 光开关的特性，并将该矩阵理论分析方法推广到描述具有更大输入、输出端口数的光 纤光开关中3 0 3 ”。 为了分析自由空间互连网络，可以使用矩阵的分析方法来描述自由空间互连网 络。按照4 4 光开关的结构推导出矩阵描述来表达光开关的状态。列向量k o 和k 分别表示输入和输出的通道。对于n n 的光开关，输入和输出通道的列向量k o 和 k 可以表示如下： k o = ( t ，k 2 ，k ) 7 ( 2 1 ) k = ( t 。，岛1 ，k u ) 7 ( 2 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中，k i ，k i 是输入和输出通道相应的序列数。n 是输入输出总的通道数。对于 2 2 光开关，列向量k o 和 。- i o l g 釜- a 币) ) ) ( 3 5 ) 箕审， 妒i 罾瓦竞瓦孬 。施 妒= 嘲幸辫 法繇， 蠢。乓+ 上( 3 6 c ) 拈+ 磊历 昭脱 b = = 墨 ( 3 6 d ) 2 攫磊) c ：毒班( 3 、6 e ) 国。t e ， 肚r ( k x 舀 。) + k - s i n ( 癸 ( 3 。巷d & ( 3 5 ) 式稿( 3 6 ) 式砸驮诗爨插入损怒l l 号镳内失配量弱、经 遗炎懿璧x 。 4 糨角囱失酝璧e 之闽的美系。莱期m a t h c a d 软件对渡长为1 5 5 0n m + 输入朝输也准 华中科技大学硕士学位论文 直器束腰半径均取0 2 m m 的情况，计算得到插入损耗与各失配量之间的关系曲线如图 3 4 所示4