【摘要】光開(kāi)關(guān)矩陣是智能光交叉連接設(shè)備和可重構(gòu)光分插復(fù)用器核心技術(shù)，是構(gòu)建自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本文主要介紹了大規(guī)模商用的光開(kāi)關(guān)矩陣的關(guān)鍵技術(shù)原理，并且詳細(xì)分析了由技術(shù)原理所決定的性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】光開(kāi)關(guān)矩陣MEMS技術(shù)壓電光束導(dǎo)向技術(shù)自動(dòng)光耦合技術(shù)性能分析

一、引言

自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）是指用戶(hù)與用戶(hù)之間的信號(hào)傳輸與交換全部采用光技術(shù)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行[1]。智能光交叉連接設(shè)備（IOXC）和可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）是自動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)的核心器件[2，3]。而光開(kāi)關(guān)陣列是IOXC和ROADM的核心技術(shù)。

隨著光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，ASON對(duì)光開(kāi)關(guān)矩陣也提出了更高的要求。光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)是光通信研究的熱點(diǎn)，不同交換原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣被廣泛提出?；诓煌砗图夹g(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣的具有不同的性能指標(biāo)，適用于不同的場(chǎng)合。目前，實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用的光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)主要有三種：基于MEMS技術(shù)，壓電光束導(dǎo)向技術(shù)，自動(dòng)光耦合技術(shù)。

二、光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)

2.1MEMS技術(shù)

基于MEMS技術(shù)研制的光開(kāi)關(guān)矩陣一般被稱(chēng)為MOEMS（微光學(xué)電子機(jī)械系統(tǒng)，Micro-Opto-Electro-Mechanical System）。其基本原理通過(guò)靜電力或電磁力的作用，使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能。

MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣可以分為二維和三維光開(kāi)關(guān)矩陣。二維光開(kāi)關(guān)矩陣由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，光束在二維空間傳輸。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開(kāi)關(guān)矩陣，對(duì)于M×N的光開(kāi)關(guān)矩陣，具有M×N個(gè)微反射鏡。二維光開(kāi)關(guān)矩陣的微反射鏡具有兩個(gè)狀態(tài)0和1（通和斷），當(dāng)處于1狀態(tài)時(shí)，反射鏡處于由輸入光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)射出的光束傳播通道內(nèi)，將光束反射至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)輸出光纖。當(dāng)處于0狀態(tài)時(shí)，微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi)，由輸入通道光纖射出的光束直接進(jìn)入其對(duì)面的光纖。這種二維光開(kāi)關(guān)矩陣插人損耗小，控制電路簡(jiǎn)單，由于系統(tǒng)需要的微反射鏡數(shù)量大，如果要想實(shí)現(xiàn)更高交叉容量，在技術(shù)上十分困難。

三維MEMS的微鏡固定在一個(gè)萬(wàn)向支架上，可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MEMS輸入微鏡，同樣的每根輸出光纖也都有其對(duì)應(yīng)的MEMS輸出微鏡[4，5]，如圖1。因此，對(duì)于M×N三維MEMS光開(kāi)關(guān)，則具有M+N個(gè)MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖射出的光束可以由其對(duì)應(yīng)的輸入微鏡反射到任意一個(gè)輸出微鏡，而相應(yīng)的輸出微鏡可以將來(lái)自任一輸入微鏡的光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光纖。對(duì)于M×N三維MEMS光開(kāi)關(guān)，每個(gè)輸入微鏡有N個(gè)狀態(tài)，而輸出微鏡則具有M個(gè)狀態(tài)。三維光開(kāi)關(guān)矩陣插入損耗相對(duì)要比二維光開(kāi)關(guān)矩陣大，由于所需微鏡數(shù)量少，所以容易實(shí)現(xiàn)更大的交叉容量，但控制電路復(fù)雜。

2.2壓電光束導(dǎo)向技術(shù)

壓電光束導(dǎo)向技術(shù)又稱(chēng)為直接光束控制技術(shù)（Direct Beam Steering）[6]。直接光束控制技術(shù)是將光纖準(zhǔn)直器直接控制在一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上，然后將其排列成一面準(zhǔn)直器陣列。將兩面準(zhǔn)直器陣列組成相對(duì)而列，這樣就構(gòu)成了光開(kāi)關(guān)矩陣。在進(jìn)行交叉連接時(shí)，控制需要連接2個(gè)光纖準(zhǔn)直器，使其在同一條直線(xiàn)上，這樣光信號(hào)就直接從一個(gè)準(zhǔn)直器傳入到另一個(gè)準(zhǔn)直器里，而不需要經(jīng)過(guò)任何微鏡的反射，因此不會(huì)造成光信號(hào)的損耗。

實(shí)現(xiàn)光束直接控制技術(shù)的核心是固態(tài)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，即利用固體材料尺寸的改變產(chǎn)生的位移來(lái)驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)直器的移動(dòng)，改變光束的傳輸方向。壓電陶瓷具有在電壓控制下在某一軸向上改變尺寸的功能，并且根據(jù)電壓的不同改變的尺寸不同，正好可以用來(lái)作為固態(tài)驅(qū)動(dòng)材料。

Polatis公司的OSM系列光開(kāi)關(guān)矩陣采用壓電光束導(dǎo)向技術(shù)，將光纖準(zhǔn)直器固定在由壓電陶瓷和MEMS位移放大器組成的驅(qū)動(dòng)器上，然后將該驅(qū)動(dòng)裝置排列成兩面相對(duì)的陣列，構(gòu)成光開(kāi)關(guān)矩陣。原理示意圖如圖2。

2.3自動(dòng)光耦合技術(shù)

自動(dòng)光耦合技術(shù)是一種與現(xiàn)有光纖連接技術(shù)最接近的一種光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)，它的基本原理是采用高精度步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)需要相互連接的兩個(gè)光纖的特制連接頭進(jìn)行物理耦合。兩個(gè)光纖連接頭直接接觸連接在一起，光路中不存在微反射鏡、微透鏡等光學(xué)器件，這樣使光信號(hào)的損耗降到最低。從光信號(hào)傳輸機(jī)理上講，利用自動(dòng)光耦合技術(shù)設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)矩陣的光學(xué)指標(biāo)最優(yōu)秀。

自動(dòng)光耦合技術(shù)的核心是高精度鎖定裝置和高精度定位裝置。高精度鎖定裝置使得光路的光學(xué)性能可以與高精度的光纖連接技術(shù)相媲美；同時(shí)，由于采用鎖定裝置，使得光連接可以抗擊振動(dòng)和沖擊的干擾，而且即使在斷電的情況下，也不會(huì)影響已有的光路連接。高可以精度定位裝置能準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)光纖連接頭準(zhǔn)確的插入鎖定裝置，完成光纖耦合?；谧詣?dòng)光耦合技術(shù)設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)矩陣分為三層，光纖連接頭被分在上下兩層，構(gòu)成主動(dòng)交換層，由高精度步進(jìn)馬達(dá)控制；中間層為光纖鎖定層，完成光路的物理耦合。需要特別說(shuō)明的是，由于采用物理接觸連接光路，造成其光開(kāi)關(guān)矩陣切換壽命短，每個(gè)通路只有2000次的壽命。如圖3。以色列Fiberzone-Network公司是自動(dòng)光耦合技術(shù)的倡導(dǎo)者，基于該技術(shù)設(shè)計(jì)的AFM 360系列光開(kāi)關(guān)矩陣已經(jīng)成功面市。

三、光開(kāi)關(guān)矩陣性能分析

3.1插入損耗

當(dāng)光信號(hào)通過(guò)光開(kāi)關(guān)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生插入損耗。光開(kāi)關(guān)產(chǎn)生損耗的主要因素有：光開(kāi)關(guān)矩陣端口耦合時(shí)產(chǎn)生損耗，光信號(hào)在光開(kāi)關(guān)內(nèi)部傳輸時(shí)光開(kāi)關(guān)自身材料對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的損耗。自動(dòng)光耦合技術(shù)光開(kāi)關(guān)矩陣產(chǎn)生的插入損耗最小，小于0.5dB；其次是基于壓電光束導(dǎo)向技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，插入損耗小于1.5dB；基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣插入損耗最大，最大值在3.7dB左右。

三種技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣在端口耦合時(shí)產(chǎn)生的損耗沒(méi)有差異，插入損耗的差別主要體現(xiàn)在光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)插入損耗的影響。自動(dòng)光耦合技術(shù)采用物理接觸方式連接光通路，插入損耗產(chǎn)生在光纖連接頭接觸點(diǎn)，插入損耗很??；壓電光束導(dǎo)向技術(shù)由兩個(gè)準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)來(lái)連接光通路，其插入損耗主要由兩個(gè)準(zhǔn)直器中心點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)程度決定；基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣的插入損耗除了受光纖和微鏡的對(duì)準(zhǔn)精度影響外，微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確度和微鏡鏡面的光滑度及材料性能對(duì)插入損耗影響也非常大[7]，光路要經(jīng)過(guò)三次反射必然會(huì)造成更多的損耗，致使插入損耗增大。

3.2回波損耗

回波損耗是指從輸入端口返回的光功率與輸入光功率的比值。返回光信號(hào)是指光路傳輸過(guò)程中，在介質(zhì)端面處反射回的光信號(hào)。主要包括輸入端口連接頭端面反射回光信號(hào)和光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部反射回光信號(hào)。在采用PC連接頭時(shí)，基于自動(dòng)光耦合技術(shù)和壓電光束導(dǎo)向技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)矩陣回波損耗值相近，小于-45dB；基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣回波損耗最大，最大值在-30dB左右。

同插入損耗一樣，回波損耗指標(biāo)的差異性由光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成?；谧詣?dòng)光耦合技術(shù)和壓電光束導(dǎo)向技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部光路由兩個(gè)連接頭或準(zhǔn)直器直接相連，中間不經(jīng)過(guò)任何光學(xué)器件，反射端面少，所以回波損耗??；基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部光路經(jīng)過(guò)多次反射，反射端面多，造成反射回的光信號(hào)較強(qiáng)。另外，MEMS光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部微鏡表面涂層材料對(duì)回波損耗也有較大的影響。

3.3臨路串?dāng)_

指串入相鄰端口的輸出光功率與光開(kāi)關(guān)接通端口的輸出光功率的比值。為保證傳輸質(zhì)量，光開(kāi)關(guān)端口之間的串?dāng)_必須非常小?；贛EMS技術(shù)和壓電光束導(dǎo)向技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣臨路串?dāng)_指標(biāo)相近，均大于60dB，造成串?dāng)_的原因是所有的輸入光信號(hào)在同一內(nèi)部空間進(jìn)行交叉連接，光器件的散射效應(yīng)造成光信號(hào)從其他端口輸出；基于自動(dòng)光耦合技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部光路不會(huì)在同一空間內(nèi)進(jìn)行交叉連接，而是由固定連接裝置將兩個(gè)連接器鎖定進(jìn)行物理連接，因此幾乎不存在臨路串?dāng)_，其指標(biāo)要大于80dB。

3.4開(kāi)關(guān)時(shí)間

指光開(kāi)關(guān)端口從某一初始態(tài)轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)所需的時(shí)間，一般從光開(kāi)關(guān)矩陣上施加或撤去控制信號(hào)的時(shí)刻起測(cè)量。當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)間達(dá)到毫秒量級(jí)時(shí)，能夠滿(mǎn)足自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)重新選擇路由的要求；當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)間達(dá)到納秒量級(jí)時(shí)，可以支持光互聯(lián)網(wǎng)的分組交換。

基于MEMS技術(shù)和壓電光束導(dǎo)向技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣的光器件驅(qū)動(dòng)電路均采用MEMS技術(shù)制造，其開(kāi)關(guān)速度相近，在20ms左右；由于采用高精度的步進(jìn)馬達(dá)控制光連接頭的移動(dòng)，其移動(dòng)速度較慢，所以基于自動(dòng)光耦合技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣開(kāi)關(guān)時(shí)間在30s左右。

3.5最小輸入光功率

最小輸入光功率是指光開(kāi)關(guān)矩陣所能傳輸?shù)淖钊豕庑盘?hào)功率，如果光信號(hào)低于該值，就不能正確無(wú)誤的通過(guò)光開(kāi)關(guān)矩陣。基于自動(dòng)光耦合技術(shù)和壓電光束導(dǎo)向技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)矩陣內(nèi)部光路由兩個(gè)連接頭或準(zhǔn)直器直接相連，中間不經(jīng)過(guò)任何光學(xué)器件，對(duì)光信號(hào)功率沒(méi)有要求，均支持暗光傳輸。光信號(hào)經(jīng)過(guò)基于MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣時(shí)，要經(jīng)過(guò)多次微鏡的反射，鏡面涂層的材料影響光信號(hào)的傳輸。因此，MEMS技術(shù)的光開(kāi)關(guān)矩陣要求光信號(hào)不能低于-25dB，經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的要求輸入光功率不能低于-35dB。

四、總結(jié)

光開(kāi)關(guān)矩陣技術(shù)促進(jìn)了光傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向智能化邁進(jìn)，為ASON的建設(shè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。但是由于采用不同技術(shù)設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)矩陣具有不同的性能指標(biāo)，需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求選擇合適的光開(kāi)關(guān)矩陣?？梢灶A(yù)見(jiàn)，光開(kāi)關(guān)矩陣必將向具有更高的工作速度、更低的插入損耗、更大的交叉容量和更長(zhǎng)的工作壽命方向發(fā)展，同時(shí)其集成度會(huì)越來(lái)越高，每一端口的成本越來(lái)越低。

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