学文网【摘要】光开关矩阵是智能光交叉连接设备和可重构光分插复用器核心技术，是构建自动交换光网络的基础。本文主要介绍了大规模商用的光开关矩阵的关键技术原理，并且详细分析了由技术原理所决定的性能指标。
【关键词】光开关矩阵MEMS技术压电光束导向技术自动光耦合技术性能分析
一、引言
自动交换光网络（ASON）是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行[1]。智能光交叉连接设备（IOXC）和可重构光分插复用器（ROADM）是自动光网络的核心器件[2，3]。而光开关阵列是IOXC和ROADM的核心技术。
随着光通信技术的飞速发展，ASON对光开关矩阵也提出了更高的要求。光开关矩阵技术是光通信研究的热点，不同交换原理和实现技术的光开关矩阵被广泛提出。基于不同原理和技术的光开关矩阵的具有不同的性能指标，适用于不同的场合。目前，实现规模商用的光开关矩阵技术主要有三种：基于MEMS技术，压电光束导向技术，自动光耦合技术。
二、光开关矩阵技术
2.1MEMS技术
基于MEMS技术研制的光开关矩阵一般被称为MOEMS（微光学电子机械系统，Micro-Opto-Electro-Mechanical System）。其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。
MEMS光开关矩阵可以分为二维和三维光开关矩阵。二维光开关矩阵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矩阵，对于M×N的光开关矩阵，具有M×N个微反射镜。二维光开关矩阵的微反射镜具有两个状态0和1（通和断），当处于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。这种二维光开关矩阵插人损耗小，控制电路简单，由于系统需要的微反射镜数量大，如果要想实现更高交叉容量，在技术上十分困难。
三维MEMS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MEMS输入微镜，同样的每根输出光纤也都有其对应的MEMS输出微镜[4，5]，如***1。因此，对于M×N三维MEMS光开关，则具有M+N个MEMS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MEMS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。三维光开关矩阵插入损耗相对要比二维光开关矩阵大，由于所需微镜数量少，所以容易实现更大的交叉容量，但控制电路复杂。
2.2压电光束导向技术
压电光束导向技术又称为直接光束控制技术（Direct Beam Steering）[6]。直接光束控制技术是将光纤准直器直接控制在一个机械结构上，然后将其排列成一面准直器阵列。将两面准直器阵列组成相对而列，这样就构成了光开关矩阵。在进行交叉连接时，控制需要连接2个光纤准直器，使其在同一条直线上，这样光信号就直接从一个准直器传入到另一个准直器里，而不需要经过任何微镜的反射，因此不会造成光信号的损耗。
实现光束直接控制技术的核心是固态驱动技术，即利用固体材料尺寸的改变产生的位移来驱动准直器的移动，改变光束的传输方向。压电陶瓷具有在电压控制下在某一轴向上改变尺寸的功能，并且根据电压的不同改变的尺寸不同，正好可以用来作为固态驱动材料。
Polatis公司的O***系列光开关矩阵采用压电光束导向技术，将光纤准直器固定在由压电陶瓷和MEMS位移放大器组成的驱动器上，然后将该驱动装置排列成两面相对的阵列，构成光开关矩阵。原理示意***如***2。
2.3自动光耦合技术
自动光耦合技术是一种与现有光纤连接技术最接近的一种光开关矩阵技术，它的基本原理是采用高精度步进马达驱动需要相互连接的两个光纤的特制连接头进行物理耦合。两个光纤连接头直接接触连接在一起，光路中不存在微反射镜、微透镜等光学器件，这样使光信号的损耗降到最低。从光信号传输机理上讲，利用自动光耦合技术设计的光开关矩阵的光学指标最优秀。
自动光耦合技术的核心是高精度锁定装置和高精度定位装置。高精度锁定装置使得光路的光学性能可以与高精度的光纤连接技术相媲美；同时，由于采用锁定装置，使得光连接可以抗击振动和冲击的干扰，而且即使在断电的情况下，也不会影响已有的光路连接。高可以精度定位装置能准确的驱动光纤连接头准确的插入锁定装置，完成光纤耦合。基于自动光耦合技术设计的光开关矩阵分为三层，光纤连接头被分在上下两层，构成主动交换层，由高精度步进马达控制；中间层为光纤锁定层，完成光路的物理耦合。需要特别说明的是，由于采用物理接触连接光路，造成其光开关矩阵切换寿命短，每个通路只有2000次的寿命。如***3。以色列Fiberzone-Network公司是自动光耦合技术的倡导者，基于该技术设计的AFM 360系列光开关矩阵已经成功面市。
三、光开关矩阵性能分析
3.1插入损耗
当光信号通过光开关时，将会产生插入损耗。光开关产生损耗的主要因素有：光开关矩阵端口耦合时产生损耗，光信号在光开关内部传输时光开关自身材料对光信号产生的损耗。自动光耦合技术光开关矩阵产生的插入损耗最小，小于0.5dB；其次是基于压电光束导向技术制作的光开关矩阵，插入损耗小于1.5dB；基于MEMS技术的光开关矩阵插入损耗最大，最大值在3.7dB左右。
三种技术的光开关矩阵在端口耦合时产生的损耗没有差异，插入损耗的差别主要体现在光开关矩阵内部结构对插入损耗的影响。自动光耦合技术采用物理接触方式连接光通路，插入损耗产生在光纤连接头接触点，插入损耗很小；压电光束导向技术由两个准直器对准来连接光通路，其插入损耗主要由两个准直器中心点对准程度决定；基于MEMS技术的光开关矩阵的插入损耗除了受光纤和微镜的对准精度影响外，微镜转动角度的精确度和微镜镜面的光滑度及材料性能对插入损耗影响也非常大[7]，光路要经过三次反射必然会造成更多的损耗，致使插入损耗增大。
3.2回波损耗
回波损耗是指从输入端口返回的光功率与输入光功率的比值。返回光信号是指光路传输过程中，在介质端面处反射回的光信号。主要包括输入端口连接头端面反射回光信号和光开关矩阵内部反射回光信号。在采用PC连接头时，基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵回波损耗值相近，小于-45dB；基于MEMS技术的光开关矩阵回波损耗最大，最大值在-30dB左右。
同插入损耗一样，回波损耗指标的差异性由光开关矩阵内部结构造成。基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵内部光路由两个连接头或准直器直接相连，中间不经过任何光学器件，反射端面少，所以回波损耗小；基于MEMS技术的光开关矩阵内部光路经过多次反射，反射端面多，造成反射回的光信号较强。另外，MEMS光开关矩阵内部微镜表面涂层材料对回波损耗也有较大的影响。
3.3临路串扰
指串入相邻端口的输出光功率与光开关接通端口的输出光功率的比值。为保证传输质量，光开关端口之间的串扰必须非常小。基于MEMS技术和压电光束导向技术的光开关矩阵临路串扰指标相近，均大于60dB，造成串扰的原因是所有的输入光信号在同一内部空间进行交叉连接，光器件的散射效应造成光信号从其他端口输出；基于自动光耦合技术的光开关矩阵内部光路不会在同一空间内进行交叉连接，而是由固定连接装置将两个连接器锁定进行物理连接，因此几乎不存在临路串扰，其指标要大于80dB。
3.4开关时间
指光开关端口从某一初始态转换为另一状态所需的时间，一般从光开关矩阵上施加或撤去控制信号的时刻起测量。当开关时间达到毫秒量级时，能够满足自动交换光网络重新选择路由的要求；当开关时间达到纳秒量级时，可以支持光互联网的分组交换。
基于MEMS技术和压电光束导向技术的光开关矩阵的光器件驱动电路均采用MEMS技术制造，其开关速度相近，在20ms左右；由于采用高精度的步进马达控制光连接头的移动，其移动速度较慢，所以基于自动光耦合技术的光开关矩阵开关时间在30s左右。
3.5最小输入光功率
最小输入光功率是指光开关矩阵所能传输的最弱光信号功率，如果光信号低于该值，就不能正确无误的通过光开关矩阵。基于自动光耦合技术和压电光束导向技术制作的光开关矩阵内部光路由两个连接头或准直器直接相连，中间不经过任何光学器件，对光信号功率没有要求，均支持暗光传输。光信号经过基于MEMS技术的光开关矩阵时，要经过多次微镜的反射，镜面涂层的材料影响光信号的传输。因此，MEMS技术的光开关矩阵要求光信号不能低于-25dB，经过特殊工艺处理的要求输入光功率不能低于-35dB。
四、总结
光开关矩阵技术促进了光传输网络进一步向智能化迈进，为ASON的建设提供了强大的技术支持。但是由于采用不同技术设计的光开关矩阵具有不同的性能指标，需要根据应用环境的要求选择合适的光开关矩阵。可以预见，光开关矩阵必将向具有更高的工作速度、更低的插入损耗、更大的交叉容量和更长的工作寿命方向发展，同时其集成度会越来越高，每一端口的成本越来越低。
参考文献
[1]许国亚，赵季红.智能光网络的生存性研究及关键技术[J].光通信技术，2004，28（9）：41-45
[2] SU Y Chandrasekhar，RYF S，et al.A multirate upgadable l.6-Tb/s hicrarhical OADM network，Photonics Technology Letters. IEEE，2004，16（1）：317-319.
[3]陈希明，梁斌.全光网络中光开关技术及其应用[J].重庆邮电大学学报，2007，19（6）：702-705
[4]谌贵辉，张万里，彭斌，等.通信领域中的MEMS器件及发展动态[J].电讯技术，2004，44（2）：19-24
[5]胡剑，李刚炎.基于MEMS的光开关技术研究[J].半导体技术，2007，32（4）：332-334
[6] Todd A. Truex，Aaron A. Bent，Nesbitt W. Hagood. Beam-Steering Optical Switch Fabric Utilizing Piezoelectric Actuation Technology[C]. American：NFOEC 2003 Technical Proceedings，2003. 251-260
[7] Chen Qinghua，Wu Wengang，Wang Ziqian. A 16×16 Micro Mirror Array for Optical Switches [J]，JOURNAL OF SEMICONDUCTORS，2008，28（8）：1496-1503
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