光纤网络中的光开关技术与应用

　　工控摘要：随着光纤通信技术的发展和密集波分复用系统的应用，光联网已经成为网络发展的趋势。光联网络技术的实现主要依赖于光开关、光滤波器、光放大器、密集波分复用（DWDM）技术等器件和技术的进展。密集波分复用技术的发展是推动全光通信发展的重要因素，而光联网的提出将使设备制造商、电信运营商都面临巨大的机遇与挑战。
　　
　　光开关是全光交换中的关键器件，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功能。目前光开关主要应用包括：
　　
　　光交叉连接（OXC）。OXC由光开关阵列组成，主要实现动态的光路径管理、光网络的故障保护、灵活增加新业务等。光交叉连接对开关的要求主要有低插损、低串扰、低开关时间以及无阻塞运作。目前微机电系统技术已经在光交换应用中进入实验阶段，由于其对波长、数据速率和信号格式都透明，在不远的将来有希望实现光层上的交换。
　　
　　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。通常这种保护倒换只需1×2端口的光开关就可以实现。
　　
　　用1×N光开关实现网络监控。在远端光纤测试点通过1×N光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪（OTDR）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。
　　
　　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，提率。
　　
　　光分插复用器（OADM）。主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路自由上下。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，这样将增加网络配置的灵活性。
　　
　　传统的光开关技术主要采用固态波导和光机械两种技术：固态波导开关由于有较高的串音、损耗和功耗，只能在有限的开关阵列中应用，不适合向大规模的开关阵列中扩展；机械开关虽然有比较低的插入损耗和串音，但其设备庞大、可扩展性一般，也不适用于大规模的开关阵列。目前已经涌现了很多新技术，主要包括微机电光开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关、热光效应开关、声光效应开关、全息开关、液晶光栅开关等。
　　
　　一般主要用以下参数考察光开关：开关速度、阵列大小、损耗、可靠性以及可扩展性等。基于不同的应用，各种技术的发展也不尽相同。下面对几种主要技术及其应用进行分析：
　　
　　基于微机电系统（MEMS）的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都要优于其它类型，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合，有可能成为核心光交换器件中的主流。其原理就是通过静电或其他控制力使可以活动的微镜发生转动，从而改变输入光的传播方向。由于MEMS技术可以利用类似IC的工艺成批加工生产，尽管制造过程比较复杂，但是可以批量生产，因此降低了单个的成本。
　　
　　目前二维子系统zui大容量是32×32端口，多个子系统可以连接起来形成大的交叉阵列，zui大可以达到512×512端口。由于是机械运动，MEMS光开关的开关时间都在ms量级。MEMS光开关的插损比较大，主要包括透镜的耦合损耗、高斯光传播损耗以及镜子角度偏差引起的损耗。OMM公司4×4光开关的插损达到3dB，16×l6开关阵列的插损增加到5至7dB。另外，任何机械摩擦、磨损以及外部振动都可能使它的可靠性降低。
　　
　　OMM公司预计于2001年中期推出三维产品；在原理上类似二维方案，但在N个输入光纤和N个输出光纤之间仅使用了2×N个微镜，每个微镜都有N个可能的位置，因此驱动结构非常复杂，成本也随之增加。
　　
　　尽管MEMS技术还有很多不足，但仍得到了众多公司的推崇，技术也在蓬勃发展。Nor在2000年初以32.5亿美元购得制造MEMS光器件的Xros公司。Lucent推出了WaveStarLamdaRouter的全光路由系统，其光交叉连接系统可实现224×224的交换容量。