基本介紹
- 中文名：光開關
- 外文名：optical switch
- 套用學科：光纖通信技術
簡介,背景,光開關的套用範圍,主要光開關類型研究,微電子機械系統光開關,分類,套用場合,
簡介
光開關光開關是一種光路轉換器件。在光纖傳輸系統，光開關用於多重監視器，LAN，多光源，探測器和保護乙太網的轉換。在光纖測試系統，用於光纖，光纖設備測試和網路測試，光纖感測多點監測系統。
背景
光纖通信技術的問世和發展給通信業帶來了革命性的變革，目前世界大約85%的通信業務經光纖傳輸，長途幹線網和本地中繼網也已廣泛使用光纖。特別是近幾年，以IP為主的 Internet業務呈現爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP網路層與底層傳輸網路的關係， 而且對整個網路的組網方式、節點設計、管理和控制提出了新的要求。一種智慧型化網路體系 結構——自動交換光網路(Automatic Switched Optical Networks，ASON)成為當今系統研究的熱點，它的核心節點由光交叉連線(Optical Cross-connect,OXC)設備構成,通過OXC,可實現動態波長選路和對光網路靈活、有效地管理。OXC技術在日益複雜的DWDM網中是關鍵技術之一，而光開關作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關鍵部分。光開關矩陣是OXC的核心部分，它可實現動態光路徑管理、光網路的故障保護、波長動態分配等功能，對解決目前複雜網路中的波長爭用，提高波長重用率，進行網路靈活配置均有重要的意義。隨著光傳送網向超高速、超大容量的方向發展#網路的生存能力、網路的保護倒換和恢復問題成為網路關鍵問題，而光開關在光層的保護倒換對業務的保護和恢復起到了更為重要的作用。
光開關的套用範圍
光開關(Optical Switch,OS)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸視窗,可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。光開關基本的形式是2X2即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連線狀態，平行連線和交叉連線，如圖2所示。較大型的空分光交換單元可由基本的2X2光開關以及相應的1X2光開關級聯、組合構成。
光開關在光網路中起到十分重要的作用，在波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)傳輸系統中，光開關可用於波長適配、再生和時鐘提取，在光時分復用(Optical Time Division Multiplex,OTDM)系統中，光開關可用於解復用；在全光交換系統中，光開關是光交叉連線(Optical Cross-connect，OXC)的關鍵器件，也是波長變換的重要器件。根據光開關的輸入和輸出連線埠數，可分為1×1、1×2、1×N、2×2、2×N、M×N等多種，它們在不同場合中有不同用途。其套用範圍主要有：光網路的保護倒換系統，光纖測試中的光源控制、網路性能的實時監控系統、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心，光插/分復用、光學測試、光感測系統等。
圖1 光開關的平行連線和交叉連線
圖1 光開關的平行連線和交叉連線主要光開關類型研究
依據不同的光開關原理!光開關的實現方法有多種，如：傳統機械光開關、微機械光開關、熱光開關、液晶光開關、電光開關和聲光開關等。其中傳統機械光開關、微機械光開關、熱光開關因其各自的特點在不同場合得到廣泛套用。
目前套用最為廣泛的仍是傳統的1×2和2×2機械式光開關。傳統機械式光開關可通過移動光纖將光直接耦合到輸出端，採用稜鏡、反射鏡切換光路，將光直接送到或反射到輸出端。
機械式光開關分主要有3種類型：一是採用稜鏡切換光路技術，二是採用反射鏡切換技術，三是通過移動光纖切換光路。移動稜鏡光開關的基本結構如圖2所示。光纖與起準直作用的透鏡(準直器)相連，並固定不動，通過移動稜鏡改變輸入、輸出連線埠間的光路。反射鏡型光開關工作原理如圖3所示，當反射鏡未進入光路時，光開關處於直通狀態，光纖1進入的光進入光纖4，光纖2進入的光進入光纖3；當反射鏡處於兩光線的交點位置時，光開關處於交叉狀態，光纖1進入的光進入到光纖3，光纖2進入的光進入光纖4從而實現光路的切換。移動光纖型光開關如圖5所示，是固定一端的光纖，移動另一端的光纖與固定光纖的不同連線埠相耦合，實現光路的切換。這類光開關回波損耗低，且受外界環境溫度影響大，並沒有形成真正意義上的商用化產品。我國國內商用化光開關主要是移動稜鏡和反射鏡型的。
圖3 反射鏡型光開關示意圖
圖3 反射鏡型光開關示意圖
圖2 稜鏡式光開關示意圖機械型光開關的優點是插入損耗低(<1dB)隔離度高(>45dB)與波長和偏振無關，製作技術成熟。缺點在於開關動作時間較長(ms量級)，體積偏大，且不易做成大型的光開關矩陣，有時還存在回跳抖動和重複性差的問題。機械型光開關在最近幾年得到廣泛套用，但隨著光網路規模的不斷擴大，這種開關難以適應未來高速、大容量光傳送網發展的需求。
圖4 移動光纖型光開關
圖4 移動光纖型光開關微電子機械系統光開關
近幾年發展很快的是微電子機械光開關，它是半導體微細加工技術與微光學和微機械技術相結合，產生的一個新型微機-電-光一體化的的新型開關，是大容量交換光網路開關發展的主流方向。
MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光開關是在矽晶上刻出若干微小的鏡片,通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡產生升降、旋轉或移動，從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能。MEMS光開關較其他光開關具有明顯優勢：開關時間一般在ms數量級；使用了IC製造技術，體積小、集成度高；工作方式與光信號的格式、協定、波長、傳輸方向、偏振方向、調製方式均無關，可以處理任意波長的光信號；同時具備了機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開關的高開關速度、小體積、易於大規模集成的優點。
按功能實現方法，可將MEMS光開關分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。 微鏡反射型MEMS光開關方便集成和控制，易於組成光開關陣列，是MEMS光開關研究的重點，可分為二維MEMS光開關和三維MEMS光開關，並已提出一維MEMS光開關的概念。 所謂2D是指活動微鏡和光纖位於同一平面上，且活動微鏡在任一給定時刻要么處於開態，要么處於關態。在這種方式中，活動微鏡陣列與N根輸入光纖和M根輸出光纖相連。對一個N×N光開關矩陣而言!所需的活動微鏡數為N2。因此!這種方式也稱為N2結構方案
分類
光開關從製造工藝來分類
光開關從製造工藝來分類，可分成機械式,微光機電MEMS系統方式開關和其他方式開關。前兩種光開關是目前最成熟,市場套用最多的產品,最後一類可細分為
液晶式光開關；–電光式光開關；–熱光式光開關；–聲光式光開關。
機械光開關具備:n
小的串音；n
大的消光比；
n低的插入損耗；
n小的驅動電壓；
n無極化依賴性；
n與光纖有高的耦合效率；
n緊湊的器件尺寸
n開關速度和頻率頻寬可設定。
光開關按用途 來分類
機械光開關
機架式光開關
台式光開關
微機械式光開關
手持光開關儀表
套用場合
光纖環路、自動測量、光纖網路遠程監控、光路切換、系統監測、實驗室研發、動態配置分插復用、光路監控系統、光環路保護切換試驗、光纖感測系統、光器件測試與研究
國內外知名廠家:綿陽超光通信 CORERAY , JDSU , OPLINK, DICON , SERCALO
一 1×1、1×2、2×2機械式光開關的套用方案 1、1×1光開關具有使光路通斷的功能，通常用於光路中阻斷光傳輸的作用. 2、1×2光開關具有保護倒換功能，通常用於網路的故障恢復。當光纖斷裂或其他傳輸故障發生時，利用光開關實現信號迂迴路由，從主路由切換到備用路由上。具體實例，如圖一所示： 圖一 1×2光開關保護倒換功能示例圖 3、2×2光開關是光開關係列中最常用的一種，廣泛套用於FDDI、光節點旁路、迴路測試感測系統等方面，還可以與其他類型的光開關組合起來使用，使開關係統更完善，更靈活。具體實例，如圖二所示(圖二是2×2光開關套用的典型例子，圖中光開關的2路和4路處於旁路狀態，即子環或者工作站不與主光纖環路接通，光開的關1路和3路是插入狀態, 即子環或者工作站與主光纖環路接通)。 圖二 2×2關開關在光網路中的套用實例 2×2光開關的另一個用法是構建OADM設備核心。OADM是光網路關鍵設備之一，通常用於城域網和骨幹網。實現OADM光信號上下路的具體方式很多，但大多數情況下都套用了光開關，主要是2×2光開關，來實現對密集波分復用光網路中光信號的上下路功能。由於光開關的使用，使OADM能動態配置業務，增強了OADM節點的靈活性，同時，使得OADM節點能支持保護倒換，當網路出現故障時，節點將故障業務切換到備用路由中，增強了網路的生存能力和網路的保護和恢復能力。具體實例，如圖三所示： 圖三 2×2關開關在光網路中的套用實例 二 M×N 機械式光開光的套用方案 1、網路監視功能：當需要監視網路時，只需在遠端監測點將多纖經光開關連線到網路監視儀器上(如OTDR)，當光路需要監測時，利用光開關對每一條光纖進行循環切換，讓光源對每一條光纖進行測試，就可以實現網路線上監測。光開關在光纜監測項目中主要起到的是跳測的作用，使用簡單的1×N光開關可以將多纖聯繫起來。具體實例，如圖四所示： 圖四 1×N光開關在網路監視系統中的使用 2、光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連線，通過1×N光開關，可以通過監測光開關的每個通道信號來測試器件。具體實例，如圖五所示： 圖五 1×N光開關在器件測試系統中的使用 3、構建OXC設備的交換核心：OXC主要套用於骨幹網，對不同子網的業務進行匯聚和交換。因此，需要對不同連線埠的業務進行交換，同時，光開關的使用使OXC具有動態配置交換業務功能和支持保護倒換功能，在光層支持波長路由的配置和動態選路。由於OXC主要用於高速大容量密集波分復用光骨幹網上，要求光開關具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點。具體實例，如圖六所示： 圖六 M×N光開關在OXC中的使用 |
