全光通信网络中光开关技术比较

2024-02-22何建兴胡锐阳扬詹晓敏吴锦虹杨万里

广东通信技术 2024年1期

［何建兴胡锐阳扬詹晓敏吴锦虹杨万里］

1 引言

光开关是一种多端口光学器件，端口配置具体情况有：2×2，1×N，M×N，其中M×N 端口光开关又称OXC（Optical Cross-Connect，光交叉连接开关、矩阵光开关），其作用使对光传输线路或集成光路中的光信号进行逻辑操作或物理切换。光开关作为光纤通信系统中比较重要组成部分，广泛应用于光纤通信网络中对光信号进行选择性开关操作。现今，随着数字化转型的加速和全球互联网用户数量的持续增长，光通信市场将向大规模数据中心、云计算、5G 移动通信、物联网等方向快速增长。光纤通信不仅向大容量、高速率快速发展，而且其应用已经从传统的传输网向接入网扩展，从干线系统到环路系统，从电信网到广播电视网和计算机网，到进入实用化的全光通信网络，都需要光开关完成系统信道交换、信号的上传下载以及系统保护等功能。光纤通信系统技术的高速发展促进了光开关的需求，光开关的应用及完善，又推动了光纤通信系统技术的发展[1]。

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。依据光开关不同的原理，目前技术比较成熟应用较广光开关为：机械光开关、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）光开关、磁光开关。

2 机械式光开关

机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动准直器、移动光纤、移动套管、移动反光镜、移动耦合器和移动棱镜。传统的全光通信机械式光开关包括马达式（如图1 左边）和继电器式（如图1 右边）光开关，其插入损耗较低(≤1.5 dB)、隔离度高(≥50 dB)、不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，偶尔回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易集成大规模的光开关矩阵。

图1 机械式光开关实物图

马达式光开关通过小型步进马达带动一根光纤进行微步转动,分别与呈扇形分布的N 个光纤对中准直，以实现光路的耦合和切换。由于光纤的模场直径很小，只有几个微米，数值孔径也很小，要实现两根光纤在转动中的对中准直，是非常困难。为满足马达式光开关单元实用化要求,在进行光学系统设计时,采用了光纤准直器来扩束光路,以确保其的性能指标。其基本原理如图2 所示。

图2 马达式光开关基本原理图

根据扩束型耦合原理，影响马达式光开关单元插入损耗的主要来源于两个方面：一个是光纤准直器本身的附加损耗，目前光纤准直器本身的附加损耗一般可达到≤0.1 dB；另一个是两光纤准直器之间的耦合失配产生的附加损耗,其主要表现在光纤准直器之间的角度偏差、横向错位、轴向间距等三个方面。根据模场耦合理论及高斯光束传输理论和实验表明:两光纤准直器间的横向错位和轴间间距对光纤准直器的耦合效率影响较小,而角度偏差相对影响较大[2]。选择插入损耗小的光纤准直器进行光耦合，而且要求两准直器的端面间隙大于20 mm 以上，这样就可减少转臂的长度，以减少切换时的抖动现象。选用微米级的高精度光学微调架对光纤准直器进行调节，使两准直器的光轴尽量保持一致，确保两准直器的光耦合损耗指标满足设计要求。选用温度稳定性好的银锡焊接或胶水封装，并进行老化，以减少准直器之间相对位置的漂移，确保器件的可靠性。

继电器式光开关主要采用非球面透镜、棱镜(楔形片)和反射镜组成光学部分，用通信级微型继电器驱动镜片作光路切换。继电器式光开关采用小型化的金属封装，此种封装可直接应用于PCB 板上，并可通过读取管脚电接触状态来获知实际开关状态。继电器式光开关由于采用激光焊接技术和气密性密封封装工艺，在光学、机械、电学方面都有优异性能，且使用方便，可广泛应用于多种场合，是一种极具竞争力的性能优异的光开关产品。

“1×2、2×2 光开关”为主要继电器式光开关，采用准直器和反射片来完成输入光纤与输出光纤的耦合，驱动方式采用目前比较成熟的电磁驱动反射片的方式切换，即通过对线圈通电产生电磁力，驱动运动件（反射片固定在运动件上）前后运动，实现对光路的反射或者不反射达到切换光路的目的。下面以2×2 为例说明光开关原理。

如图3 所示为2×2 光开关的基本光学结构，光开关有两种状态。

图3 2×2 光开关的原理图

第一种，光路交叉状态：一路光信号从输入1 端输入，直通输出2 端输出；另一路光信号从输入2 端输入，直通输出1 端输出。如图3(a)所示。

第二种，光路反射状态：一路光信号从输入1 端输入，经反射片反射，由输出1 端输出；另一路从输入2 端输入，经反射片反射，由输出2 端输出。如图3(b)所示。

1×2 光开关原理与2×2 光开关类似，把图3 中某一端的双芯准直器换成单芯准直器即可实现1×2 光开关的功能。

3 MEMS 光开关

MEMS 是以微电子、微机械、微光学及材料科学为基础，可批量制作集微型机构、微型传感器、微型执行器、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光学器件或系统。MEMS 光开关较其他光开关具有明显的优势：开关时间一般在ms 数量级；体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、波长、协议、偏振方向、传输方向、调制方式均无关[3]。

按功能实现方法，可将MEMS 光开关分为光路遮挡型、移动光线对接型和微反射镜型。微反射镜型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点。MEMS 光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使微镜阵列产生转动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能[4]。MEMS 光开关切换光波路由是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部微镜片抬升与否来完成。常规MEMS 光开关从空间结构上可分成这样两种，即二维光开关和三维光开关，如图4 所示。

图4 MEMS 空间结构图

二维MEMS 光开关由二维微小镜片阵列组成，对于M×N 的光开关阵列，光开关在平面上的布置有M×N 个微反射镜，结构如图4(a)所示。光束在二维空间传输，每个微反射镜只有‘开’和‘关’两种状态。光开关分别与输入光纤组和输出光纤组连接。准直光通过微镜的旋转控制被接到指定的输出端。当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出[5]。二维MEMS 光开关可接受简单的数字信号控制，一般只需提供足够的驱动电压使微反射镜产生运动即可，简化了控制电路的设计。当二维MEMS 光开关扩展成大型光开关阵列时，由于各端口间的传输距离不同，因此只能用在端口较少的环路里[6]。

三维MEMS 光开关由三维微小镜片阵列组成，微反射镜能沿着两个方向的轴任意旋转，微反射镜和光纤不被束缚在平面位置，每根输入光纤有一个对应的输出微反射镜，结构如图4(b)所示。因此，对于M×N 阵列的三维MEMS 光开关，仅需M+N 个微反射镜。光束在三维空间传输，输入光纤的光束由其对应的输入微反射镜反射到任意一个输出微反射镜，输出微反射镜可以将任意输入微反射镜的光束反射到其对应的输出光纤。

4 磁光开关

磁光开关就是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到全光切换的效果。其外形如图5 所示。相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快，稳定性高等优势，而相对于其它的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优势，可以预见在不久的将来，磁光开关将是未来一种极具竞争力的光开关。

图5 磁光开关实物图

法拉第旋光效应就是线偏振光沿外加磁场方向通过介质时偏振面发生旋转的想象。对于一个顺着介质中M 方向传播的线偏振光，可分解成两个相反方向转动的圆偏振光，若为实数，这意味着介质对光波没有吸收，那么这两个圆偏振光无相互作用地以两种稍微不同的速度向前传播，出射后它们之间仅存在相位差，从而合成的仍为线偏光，但其偏振面相对于入射线偏振发生了一定的旋转。这就说明了外加磁场作用于磁光晶体上时，入射线偏光通过后可以改变其偏振态。

如图6 所示，入射光矢量旋转的角度β 与沿着光传播方向作用在非磁性物质上的磁感强度B 及光在磁场中所通过的物质长度d 成正比，即

图6 法拉第磁光效应图

其中，V 是费尔德(Verdet)常数，它与波长有关，且非常接近该材料的吸收谐振,故不同的波长应选取不同的材料。大多数物质的V 值都很小，近些年出现了一些极强磁致旋光能力的新型材料，这些材料属于铁磁性物质，线偏振光通过在磁场中被磁化的材料时，振动面会发生旋转。当磁化强度未达到饱和时，振动面旋转角度θ 目与磁化强度M 及通过的距离d 成正比[7]。

以上公式中M0 是饱和磁化强度，F 为法拉第旋光系数，表示磁化强度达到饱和后振动面每通过单位距离所转过的角度。强磁性金属合金及金属化台物(如Fe，Co 及Ni)有极高的F 值，但同时吸收系数a 的值也非常大；强磁性化合物由于一般存在a 极小的波长区域，使得它具有很高的旋光性能指数，同时，磁致旋光的方向只与磁场的方向有关，而与光的传播方向无关，光束往返通过磁致旋光物质时，旋转角度往同一方向累加。

磁光开关结构上由3 个部分构成：光路部分、磁路部分和驱动电路部分，如图7 所示。