全光网络中的光开关技术及应用

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浅谈全光网络在医疗项目中的关键技术应用

浅谈全光网络在医疗项目中的关键技术应用摘要:5G､数据中心等新基建的部署和产业整体数字化转型进一步加速了光纤通信网络的发展和应用｡本文以某新建医院建筑智能化网络设计为例,提出了现代医院建筑全光网络建设的解决方案,并和传统LAN网络进行较全面的对照比较,分析了全光网络的架构特点及其优势所在,为现代医院建筑全光网建设提供参考和借鉴｡关键词：PON网络技术;POL全光网络;医院全光网架构;无线AP11全光网络关键技术进展1.1光域技术1.1.1光交换(交叉)技术光交换(交叉)技术主要包括基于分组或者类分组的光交换､基于光波长通路的光交叉､基于光端口的光交叉等技术,其中基于分组或者类分组的光交换技术近十年没有取得突破性进展,近期公开报道聚焦点偏少,距离普适性商用时间无法预计｡基于光波长通路的光交叉技术经历了不同的发展阶段,由最初主要面向两维可重构光分插复用器(ReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexe,ROADM)结构的波长阻断､平面波导等技术演进到支持多端口维度的波长选择开关(WavelengthSelectiveSwitch,WSS)技术,其中WSS包括微型电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)､液晶(LiquidCrystal,LC)和硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)3种技术原理｡综合考虑全光节点维度､切换时间､灵活栅格支持等特性,基于LCoS的WSS是目前全光交叉节点的主要技术[2-3]｡1.1.2全光节点结构全光交叉节点结构基于波长通路的光交叉连接目前主要采用WSS器件组合实现,基于端口的光交叉连接基于光开关矩阵实现,前者是目前全光网络应用的主要类型｡结合线路､上下路等不同功能特性需求(如是否考虑方向受限､波长限定､栅格可调和波长冲突等需求),可构成CD(波长无关､方向无关)､CDC(波长无关､方向无关､竞争无关)､CDCF(波长无关､方向无关､竞争无关､灵活栅格)等不同架构的ROADM全光网络节点｡1.2管控技术基于波长交叉的全光网络的管控架构目前主要有两种,即基于分布式控制的波长交换光网络(WavelengthSwitchedOpticalNetwork,WSON)和基于集中式控制的ROADM光网络,后者如OpenROADM,主要由美国为主的运营商和设备商牵头构建的多源协议(Multi-SourceAgreement,MSA)组织进行推动和规范｡另外,国内外多个互联网巨头也在牵头推动基于OpenConfig工作组的YANG模型实现全光线路系统的集中式管控功能｡2全光网络在医疗项目的功能分析分析根据当前业务及未来业务的发展分析,网络应当建成GE/10GE到桌面,100GE骨干的无阻塞网络,能够实现以下功能需求｡(1)高性能高带宽:医院的各种业务不断增多,会出现某个瞬间的业务突发导致网络带宽需求很大,对设备性能要求很高,同时影像资料以及后续的远程会诊､远程学术研讨等对网络带宽要求很高｡(2)稳定可靠:医院网络系统是投入运行的信息系统的生命线,门诊收费､医生工作站､LIS､RIS､PACS等医院系统繁多,网络系统需确保各种应用系统的稳定运行和实时系统的快速响应｡(3)安全性:确保医院内部信息安全和网络系统安全｡(4)高效运维:对于整网设备进行统一高效监控管理,提高网络运维效率｡3全光网络架构简述3.1POL全光网络方案简述本项目即运用了采纳PON技术的院区局域网解决方案———全光网络局域网POL解决方案｡在POL组网中,传统LAN中的汇聚交换机被OLT替代;水平铜缆被光纤替代;接入交换机由无源的分光器替代;ONU提供二/三层功能,通过有线或者无线接入医疗建筑各功能区的数据､语音及视频等智能化业务｡通过POL网络的建设,可以为医院院区多业务的使用需求提供灵活可控的网络接入,为医疗业务提供高速可靠的网络带宽,为运维人员提供便捷智能的运维管理手段,为医院园区网络建设提供可延续､可扩展､可升级的设计目标｡3.2医院全光网络系统架构具体到本医院项目智能化网络建设而言,共设置三套网络,即医疗外网､医疗内网和设备网,分别设置三套独立无源光网络｡以医疗外网为例,其POL网络拓扑图如图1所示｡图1医院外网拓扑图网络主要设备包括:(1)核心交换机:配置无线控制器功能,满足有线无线一体化转发;选用高端框式交换机,支持双主控､独立交换网板､多电源,保证设备的高可靠性和后期业务扩容的平滑演进｡(2)OLT通过20G链路与核心交换机连接;OLT和ONU通过分光器分光,万兆光纤互联;ONU千兆到桌面｡(3)无线网络:所有有线和无线的用户认证均通过认证软件进行认证,认证通过后分配访问权限｡其中,1)病房区采用敏分AP方式,每个房间放置1个敏分面板子AP;2)走廊､开阔办公室､医护站采用普通放装AP;3)报告厅和大会议室采用高密放装AP满足高密用户场景Wi-Fi接入;(4)DMZ区:出口放置两台万兆防火墙,用于服务器对外提供访问的安全防护,放置两台WAF设备,用于WEB访问防护｡WAF对来自Web应用程序客户端的各类请求进行内容检测和验证,确保其安全性与合法性,对非法的请求予以实时阻断,从而对各类网站站点进行有效防护;(5)管理区:部署1套运维审计系统(堡垒机),能够拦截非法访问和恶意攻击,对不合法命令进行阻断､过滤掉所有对目标设备的非法访问行为｡(6)网络边界区:放置两台防火墙和两台入侵防御,用于保护员工访问医疗专网的安全管理(如实时､主动拦截黑客攻击､蠕虫､网络病毒､后门木马､DOS等恶意流量,保护企业信息系统和网络架构免受侵害,防止操作系统和应用程序损坏或宕机等)。

光开关

光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。
作为开关的主要技术参数：
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少；回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
定义：一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。主要功能：目前主要是光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。1，将某一光纤通道的光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
光开关的应用范围
光纤测试中的光源控制：１ＸN光开关在光纤测试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。光网络的自动保护倒换光网络监控光纤通信器件测试光交叉连接光插分复用器光传感系统光学测试
保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。 SNCP: 子网连接保护
( 1 ) 2 1 n 1 ( 2 ) 2 11 n ( 1 ) 21 n 2 3 31 1 ) 41 ( 2 4 n 51 ( 1 ) n 2 5 61 1) ( 2 6 n

光开关综述

2 光开关的作用
(1)自动保护倒换：在光纤断开或者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数条路由连接到节点上，一旦光纤或节点设备发生故障，通过光开关，信号就可以避开故障，选择合适的路由传输。这在高速通信系统中尤为重要。一般采用1×2和1×N光开关就可以实现这种功能。
(3)光纤通信器件测试：利用1×N光开关可以实现元器件的生产和检验测试。每一个通道对应一个特定的测试参数，这样不用把每个器件都单独与仪表连接，就可以测试多种光器件。从而测试得到简化，效率得到提高。
(4)光交叉连接（OXC）： OXC是全光网络的核心器件，它能在光纤和波长两个层次上提供光路层的带宽管理，并能在光路层提供网络保护机制，还可以通过重新选择波长路由实现更
(1)热光效应光开关热光效应是指通过对波导加热来产生折射率的变化。热光开关利用热光效应，实现光路的转化，采用可调节热量的波导材料，如SiO2，Si和有机聚合物等。而其中聚合波导技术是非常有吸引力的技术，它成本低、串扰小、功耗小、与偏振和波长无关、对交换偏差和工作温度不敏感，通常采用的原理结构有 M-Z干涉仪和数字型开关。数字型光开关：当加热器温度加热到一定温度，开关将保持固定状态，最简单的设备 1× 2光开关，成为Y型分支热光开关，如图3.1所示。当对Y型的一个臂加热时，它改变折射率，阻断了光通过此臂。干涉仪型光开关：干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺
oxc是全光网络的核心器件它能在光纤和波长两个层次上提供光路层的带宽管理并能在光路层提供网络保护机制还可以通过重新选择波长路由实现更江山光开关综述图22光开关构成oxc提供路由光开关阵列信号入信号入信号出信号上信号下22开关22开关22开关22开关图23oadm图31y型分支热光光开关输入输出1输出2加热器12

光开关定义分类

1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。

2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。

3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。

而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。

4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。

今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。

因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。

但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。

目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。

目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。

容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。

（应用光学2005）常见的光开关：1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。

全光网络与光开关技术概述

全光网络与光开关技术概述单位代码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目录关于光开关技术的概述 (1)摘要 (1)第1章绪论 (2)1.1全光网络与光开关 (2)1.2光开关技术及进展 (3)1.2.1 光开关的应用领域 (3)1.2.2 光开关的性能指标 (4)1.2.3 几种新型光开关的技术特点分析 (5)1.3光控光开关的研究现状及分析 (7)1.3.1 非线性耦合器型 (8)1.3.2 Mach-Zehnder 型光开关 (9)1.3.3 非线性Sagnac 干涉仪光开关 (10)1.4本章小结 (11)第2章光开关阵列简述 (13)2.1基于M-Z干涉仪的光开关矩阵设计 (13)2.1.1 M-Z干涉仪的原理 (13)2.1.2 光开关矩阵的性能参数 (13)2.2基于MEMS的光开关矩阵设计 (14)2.2.1 MEMS静电式光开关 (14)2.2.2 MEMS光发大器的可扩展型的光开关矩阵 (15)2.2.3喷墨气泡MEMS光开关 (17)2.2.4 电磁驱动移动式微型光开关 (17)2.3本章小结 (18)第3章开关矩阵的无阻塞性 (20)3.1网络结构的简介 (20)3.1.1 Crossbar (20)3.1.2 Benes (21)3.2开关矩阵的无阻塞性和光路选择的算法 (23)3.2.1 无阻塞性 (23)3.2.2 光路选择的算法简介 (24)3.3本章小结 (25)结束语 (26)参考文献： (26)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。

卢志鑫文献综述

基于全光网络中的光开关技术及应用摘要随着网络化时代的到来，人们对光纤通信的要求也在不断的提高，同时也就促进了光纤通信技术的发展，我国是一个通信的大国，光纤通信技术也正向着高速、超长传输距离、超大容量以及全光网的方向迅速发展。

本课题是全光网络中的光开关技术及应用，在整个光纤通信系统中，光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行选择性操作。

光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点发展前景很好，全光开关是解决“电子瓶颈”问题，实现全光网络(all optical network，AON)的关键元件。

因此近些年一直倍受人们关注，本文中讨论了热光开关的结构和原理，以及常见的几种热光开关。

如：微电子机械光开关，液晶光开关，数字热光开关，而且例举了热光开关的应用并简要分析其市场前景。

关键词：全光网络；光开关1 主题部分1.1国内外研究现状对比分析随着光纤通信技术的发展和密集波分复用( DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）)系统的应用，光联网( OTN(Oracle Technology Network))已经成为网络发展的趋势，光开关技术已经成为未来光联网的关键技术之一。

对比国内外光开关技术的发展，目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。

不同原理和技术的[1]光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。

依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。

依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。

传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。

特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。

在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。

光通信中的光开关技术研究

光通信中的光开关技术研究随着城市化进程与信息化普及的加速，光通信技术的快速发展成为当下的一个热点话题。

其中一项关键技术——光开关技术，更是光通信系统中的一把“智能大门”，能够实现光信号的快速分发、交换和调度，是光通信系统中的“大脑”之一。

一、光开关技术的发展历程早在20世纪60年代，光开关技术就被广泛研究。

当时的“光开关”是指光学领域中可用于控制和调节光的开关系统，如电光、声光、磁光等。

随着发光二极管（LED）和半导体激光器的问世，光通信技术进入了一个全新的阶段。

在此之后，光开关技术也得到了进一步的发展。

1990年代，光网络技术的快速发展促进了光开关技术的研究。

2000年后，随着计算机技术的发展，光开关技术也得到了进一步的提高和发展。

目前，光开关技术已经进入了无源集成光芯片时代。

二、光开关技术的应用光开关技术在光通信系统中的应用范围非常广泛。

主要应用于光通信网络中的光交换设备（OXC）、光路交叉网（OXC）、多波长交叉网络等。

1. OXCOXC全称光交换设备，主要功能是通过光开关技术，将多个光通信网络中的光信号进行交换或分发，将传输业务从一条光纤线路切换到另外一条光纤线路，同时可以实现光信号的缓冲、转化、分析和监控。

2. OXCOXC全称光路交叉网，主要功能是实现光通信网络中不同光信号的交叉，将一个端口的光信号转换到另一个端口，同时可以实现激光器的开关、声光调制等功能。

3. 多波长交叉网络多波长交叉网络是一类基于光开关技术的光通信网络，其核心是多波长光开关。

在多波长交叉网络中，可以将不同波长的光信号分别经过不同波长的路由器进行交叉、转换和分发，从而实现高速、高带宽、大容量、高可靠性的传输。

三、光开关技术的研究进展随着光通信技术的发展，光开关技术也得到了很大的提升和发展。

目前，光开关技术主要包括机械式光开关、电光式光开关、热光式光开关和MEMS型光开关。

1. 机械式光开关机械式光开关是在光学领域中较为成熟的一种光开关技术。

光开关

光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。

光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。

光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。

光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。

一、光开关与全光网络近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。

密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。

不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。

因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。

从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。

OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。

而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。

光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。

而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。

二、光开关概述目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。

不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。

依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。

依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。

机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。

光网络的主要技术、发展及其应用

光网络技术课程综述——你所了解光网络的主要技术、发展及其应用（10级电子与通信工程丁彦学号：**********）光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。

随着通信网传输容量的不断增加，光纤通信也发展到了一定的高度。

但是目前的光纤通信技术存在不少弊端，急需对其进行改进。

为了解决这些弊端，人们提出了光网络。

光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，已成为下一代高速宽带网络的首选。

这，AON）。

里的光网络，是指全光网络（All Optical Network1 全光网络的概念全光网络是指光信息流从源节点到目的节点之间进行传输与交换中均采用光的形式，即端到端的完全的光路，中间没有电信号的介入，在各网络节点的交换，则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。

它是建立在光时分复用（OTDM）或者密集波分复用（DWDM）基础上的高速宽带信息网。

2 全光网络的特点全光网络的发明与运用，可以不用在源节点与目的节点之间的各节点进行光电交换、电光交换，弥补了传统光纤通信中存在的带宽限制、严重串话、时钟偏移、高功耗等一些不足，拥有更强的可管理性、透明性、灵活性。

全光网络与传统通信系统相比，具有以下一些特点：1)节约成本。

由于全光网络中不需要进行光电转换，这就避免使用传统通信系统中需要的光电转换器材，节省这些昂贵的器材费用，也克服了传输途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，大大提高了传输速率。

此外，在全光网络中，大多会采用无源光学器件，这也带来了成本和功耗的降低。

2)组网灵活。

全光网络可以根据通信容量的需求，在任何节点都能抽出或加入某个波长，动态地改变网络结构，组网极具灵活性。

当出现突发业务时，全光网络可以提供临时连接，达到充分利用网络资源的目的。

3)透明性好。

全光网络采用波分复用技术，以波长选择路由，对传输码率、数据格式以及调制方式等具有透明性。

可方便地提供多种协议的业务。

光开关

光开关的作用：
光开关是一种光路控制器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作，最主要的作用是转换光路。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，光开关用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测系统。
光开关的分类
光纤可动光纤光纤固定装置
图1.b
2、非机械式光开关
非机械式光开关依靠电光、磁光、热光等效应来改变波导的折射率，使光路发生变化。此类开关有电光式开关、磁光式开关和热光式开关。电光式开关
热光式开关
磁光式开关
非机械式光开关
三类非机械式光开关简介：
电光式开关：这类光开关是电控光开关，有两种类型，一种是利用某些晶体具有很强的电光效应制作的电控光开关，如钕酸锂(LiNdO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铋硅氧化物(BSO)等，它们有很高的电光系数，不仅可以做成电光开关，而且可以做成调制器和光分路器等；另一种是液晶结构的光开关，如采用液晶作旋光材料的电光开关。磁光式开关：它是靠外磁场影响磁畴的宽度和角度，进而影响磁畴的有效光衍射和方位角来达到转换即开关目的的，即利用外磁场作用下的法拉第旋光效应。热光式开关：它是利用热量转换达到开关目的的，用一个薄膜加热器代替加控制电压的电极,就可构成热光开关。
光开关的应用前景
光开关在光通信、光计算机、光信息处理和全光数据处理、高速摄影、影视制作等领域得到广泛使用。随着光联网概念的提出，光开关技术已经成为未来光联网的关键技术，他不仅构成了波分复用光网络中关键设备（如光分插复用设备（OADM）/光交叉连接设备（OXC））的交换核心，而其本身也是光网络中的关键器件。在各种光开关中，热光开光列阵、微机械光开关列阵、液晶光开关、气泡式光开关列阵以及光子集成（PIC）光开关列阵由于集成度较大，因而将是大规模阵列光开关的发展方向。而铌酸锂电光光开关、电光聚合物光开关等，将是高速光开关的发展方向。同时， MEMS光开关的集成化和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。随着光开关技术的不断进步，特别是多功能集成光开关在关键技术上的突破，必将对全光通信网的发展起到巨大的促进作用。

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关键词 :全光网络 ;光开关 ;微机电系统 ;光通信
中图分类号 : T G156 文献标识码 :A
文章编号 :16732825X(2007) 0620702204
Optical switch technologies and its appl ication in all optical net work
当前业已成熟的已实现商品化的微电子机械光开关和热光开关 ,集中了机械式光开关和波导光开关的优点 ,同时又克服了机械式光开关和波导光开关固有的缺点。此类光开关主要采用硅微加工技术将开关集成在单片硅基底上并能构成大规模矩阵阵列 ,此外此类开关批量生产时成本较低 ,在开关损耗、串扰、消光比、开关尺寸等性能方面优势明显。它能够满足现代光通信对光开关性能的要求 ,是光开关的较佳选择。目前已成为一种最流行的光开关制作技术。
性较好。M EMS 光开关的特性可概括为[15217 ] :1) 低插入损耗 ;2) 低串扰 ; 3) 与波长、速率、调制方式无关 ;4) 功耗低 ;5) 坚固、寿命长 ;6) 可集成扩展成大规模光开关矩阵 ;7) 适中的响应速度 (开关时间从 100 ns～10 ms) 。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中 ,基于 M EMS 技术的解决方案已是主流。
Abstract :The optical switch is an important passive device which can selectively cont rol optical signals in t he optical co mmunicatio n of optical netwo rk system. Optical switch has beco me a focus in all optical communication research. This paper int roduces t he applicatio n of optical switch in all optical networks , t he basic working p rinciples of optical switch and t heir technical develop ment . Key words :all optical network (AON) ; optical switch ; micro elect ro2mechanical systems (M EMS) ; optical commu2 nicatio n s
图 1 二维 M EMS 光开关 Fig. 1 Optical switch wit h two dimension
图 2 三维 M EMS 光开关 Fig. 2 Optical switch of M EMS wit h t hree dimension
三维 M EMS 的微镜固定在一个万向支架上 ,可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的 M EMS 输入微镜 ,同样的每根输出光纤也都有其对应的 M EMS 输出微镜[17] 。因此 ,对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,则具有 M + N 个 M EMS 微反射镜。由每根输出光纤射出的光束可以由其对应的输入微镜反射到任意一个输出微镜 ,而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光纤。对于 M ×N 三维 M EMS 光开关 ,每个输入微镜有 N 个状态 , 而输出微镜则具有 M 个状态。随着 AON 的发展 ,三维 M EMS 阵列可成为大型交叉连接的最佳候选者之一。 2. 2 热光开关
M EMS 光开关可以分为二维 (见图 1) 和三维光开关 (见图 2) [18] 。二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成 ,光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关 ,对于 M ×N 的光开关矩阵 ,光开关具有 M ×N 个微反射镜。二维光开关的微反射镜具有两个状态 0 和 1 ( 通和断) ,当光开关处于 1 状态时 ,反射镜处于由输入光纤准直系统射出的光束传播通道内 ,将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤。当光开关处于 0 状态时 ,微反射镜不在光束传播通道内 ,由输入通道光纤射出的光束直接进入其对面的光纤。
AON 中应用的光开关除了应具有快的响应速度、低的插入损耗、低的通道串音及对偏振不敏感 , 还应具有可集成性和可扩展性及低成本、低功耗、热稳定性好等特性[729 ] 。
1 光开关在 AON 中的应用
光开关将在光通信、光计算机、光信息处理和全光数据处理、高速摄影、影视制作等领域得到广泛使用。随着光联网概念的提出 ,光开关技术已经成为未来光联网的关键技术 ,它不仅构成了波分复用光网络中关键设备 (如光分插复用设备 ( OADM) / 光交叉连接设备 ( OXC) ) 的交换核心 ,而其本身也是光网络中的关键器件。
陈希明 ,梁斌
(重庆邮电大学光电工程学院 ,重庆 400065)
摘要 :在整个光通信系统中 ,光开关是较为重要的光无源器件 ,在光网络系统中可对光信号进行选择性操作。光
开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。总结了光开关在全光网络中的应用 ,介绍了光开关的基本工作原
理及光开关技术的进展。
热光开关的一种是基于 So S ( silica2o n2silico n) 技术 ,该光开关具有透明性、高可靠性、亚毫秒级恢复能力和无阻塞特性 ,速度可达到 100 μs 。随着高密度、高集成度光路的产生 , So S 开关的优势更明显。目前主要有两种类型的热光开关 ,M2Z 干涉型光开关和数字光开关。干涉型光开关结构紧凑 ,但对光波长敏感 ,需要进行精密温度控制 ;数字光开关性能更稳定 ,只要加热到一定温度 ,光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备 ,聚合物的导热率较低而热光系数高 ,因此需要的功率小 , 消光比可达 20 dB ,但插入损耗较大 ,一般为 3～4 dB 。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小 ,可实现微秒级的交换速度。
DWDM 技术为数据网络的迅速发展提供了巨大的带宽资源 ,同时 AON 中的网络路由及保护功能需要在全光域完成[2] ,这就使光开关在未来光通信、光计算机、光信息处理等领域中的应用成为最热点的问题[10 ] 。
首先 ,光开关在现有的 DWDM 传送网中已经得到了广泛应用 ,如自动恢复功能、网络监控功能和光纤器件的现场测试 ,在大容量光纤路由备份传送网中 ,光纤传输链路失效、光开关完成快速倒换 ,重新链路避免信息丢失等情况。光纤链路测试中 ,可用 1 ×n 光开关完成 n 条光纤在线或远程光纤系统性能测试、监控和故障定位 ,同时可用于在线测试设
M EMS 光开关基本原理通过静电力或电磁力的作用 ,使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动 , 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能 ,使任一输入和输出端口相连接 ,且 1 个输出端口在同一时间只能和 1 个输入端口相连接。与现有的基于光波导技术的光开关相比 ,M EMS 光开关具有低串音、低插入损耗的优点成为 AON 中的关键光器件。M EMS 光开关同时具有机械光开关和波导光开关的优点 ,又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点[12214 ] 。它的结构紧凑、重量轻 ,且扩展
M EMS 是以微电子、微机械、微光学及材料科学等为基础 ,可批量制作集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路以及接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。我国的 M EMS 研究始于 1989 年 ,经过十几年的发展 ,我国在多种微型传感器、微执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备 ,开发出若干小批量、多品种、高质量的 M EMS 器件和系统。目前 , M EMS 已广泛应用于工业领域[11] 。
2 光开关技术
光开关采用的主要技术有微机械 ( M EMS) 光开关、热光开关、液晶光开关、声光开关、喷墨气泡光开关、全息光开关、液体光栅开关等。
在光开关的性能上 ,主要指标有插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模及开关尺寸等。
2. 1 MEMS 光开关
3 收稿日期 :2007206219
第 6 期陈希明 ,等 :AON 中的光开关技术及应用
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备复用、网络重构和再生、双环保护及 A/ D 网络重组等。
其次 ,光开关将在未来 AON 中发挥重要作用 , 它是 AON 核心交换单元的最基本的组件 , 其中 , DWDM ,OXC ,OADM 是 AON 的重要技术。在骨干网络传输系统中 , 20 %的业务在中间节点通过 OADM 上下路 ,而其余的业务要通过 OXC 继续在网络中传输交换 ,光开关可以使 O XC 和 OADM 提供动态的交换资源配置及保护恢复。O XC 对开关的要求主要有低插入损耗 (10 dB 以下) 、低串扰 ( 50 dB 以下) 、低开关时间 (几毫秒以下) 以及无阻塞运作。
热光开关是利用热光效应制造的小型光开关。热光效应是指通过电流加热的方法 ,使介质的温度
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变化 ,导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。
该类开关采用可调节热量的波导材料 , 如 SiO2 ,Si 和有机聚合物等。在硅衬底上 ,用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等工艺形成分支波导阵列 ,然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后 ,加热器的温度使下面的波导被加热 ,温度上升 ,热光效应引起波导折射率下降 ,这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。聚合波导技术是非常有吸引力的技术 ,它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波导的热光系数很高 ,而导热率很低 ,因而能更有效地利用热来控制光的传播方向 , 开关时间相对减小可达 l ms 。热光开关的速度介于电光开关和 M EMS 之间[19 ] 。