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光开关主要性能指标及各类光开关比较【内容摘要】：前面已经讲到光开关是光交换的关键器件，其主要任务是切换光 路，是全光网中全光交换的核心器件本文讲述如何评价光开关质量优劣的主要 性能参数并对现有光开关作一定的比较，希望帮助读者对光开关有一个更好的理 解关键字】：光开关 性能参数 质量比较【正文】：一、 光开关的主要性能参数1、开关时间：开关时间是光开关的主要指标不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同如下图是实现一些特定功能对光开关的时间需求：应用开关时间需求光路的交换及管理 (OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10 ms光包交换1ns外调制10ps2、损耗：光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗依据功率预算设计网络时 光开关及其级联损耗对网络性能的影响很大损耗和干扰将影响到功率预算光 开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身 材料对光信号产生的损耗在这里主要强调插入损耗插入损耗：光信号通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比率的分贝 数PIL = —101g 尹(dB)in其中Pin为进入开关的光功率，Pout为出开关的光功率一个好的光开关要求有较低的插入损耗。

3、 光路回波损耗：反射损耗，光纤连接处，后向反射光相对输入光的比率的分贝数： pRL = —10览卡(dB)in其中Pt表示回射波的功率，Pl表示入射波的功率光路回波损耗是源于光开关与电缆链路中由于阻抗不匹配而产生反射的而造成 的损耗4、 交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力光开关 处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同对于大交换容量的光开关， 可以通过较多的小光开关叠加而成HP/Agilent Bubble 开关阵列5、 交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标交换速度有两个重要的 量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对因故障而重新 选择路由的时间已经够了如SDH/SONET来说，因故障而重新选路时，50ms 的交换时间几乎可以使上层感觉不到当交换时间到达ns量级时，可以支持光 互联网的分组交换这对于实现光互联网是十分重要的6、 升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同一些技术允 许运营商根据需要随时增加光开关的容量很多开关结构可容易地升级为8x8 或32x32,但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城 域网的OXC，而不适用于骨干网上。

7、 可靠，性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性在某些极端情况下，光开 关可能需要完成几千几万次的频繁动作有些情况(如保护倒换)，光开关倒换的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素如喷墨气泡光开关, 如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题除此之外还有很多因素会影响光开关的性能,如光开关之间的串扰、隔离度、 消光比等都是影响网络性能的重要因素二、 各类光开关的比较在这部分我将分析现在市场上主要的几种光开关技术及其优缺点、技术发 展状况l、微电机械光开关MEMS基于镜面的MEMS是一种受静电控制的二维或三维 器件，安装在机械底座上MEMS器件的结构很像硅 IC的结构，它的基本原理就是通过静电的作用使可以 活动的微镜面发生转动，从而改变入射光的传播方向 优点：・MEMS可以利用1C工艺成批艇工技术来生产，制造 过程可能包括多工序的复杂工艺，但是它可以批量生产，所以单个成本并不高多个子系统可以连接起来形成大的交叉矩阵，最大可以达到512X512端口•不受光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振传输方向的限制缺点：・开关时间比较慢;•可靠性低：由于MEMS开关是通过镜面的机械转动来改变光路的传输方向，所以 任何机械摩擦、磨损以及振动都可能使它的可靠性降低。

•损耗较大，OMM公司4X4光开关的插损可能达到3 dB，16X16矩阵的插损增加 到7dB随着连接的子系统数目的增加，插损也随之增加•插损变化大，由于光束在MEMS系统中可能沿着不同的路径传输，各种路径的传 输距离也可能不同，结果导致端到端的插损可能因为光传输的路径不同而变化 OMM公司16X16 MEMS矩阵中的插损变化可能达烈3dB，尽管在小的子系统中这种 变化很小MEMS的功耗比其他几种光开关的功耗要大MEMS技术在其他工业领域已经得到很广泛的应用；在电信领域，MEMS解决方案似乎已经是主要潮流，受到业界的推崇和追捧目前主要供应商包括 OMM、Lucent、Nortel、IMM、Cronos、Menscap、 Calient 等2、喷墨气泡光开关Agilent通过综合他们的热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种 二维光交叉连接系统该设备由许多交叉的 硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕 里填兖一种折射率匹配的液体用以允许缺 省条件下的无交换传输当 有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体 中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的 光信号全反射至输出波导Agilent把这种技 术称为“光子交换平台”。

优点：•升级能力高：Agilent公司已经制造出32X32和32X16端口光开关子系统，并 且可以把这些子系统连接起来组成更大的交换矩阵（具体能做到多大还得有待究 人员的证实）•开关时间短：Agilent公司声称，他们的光开关响应时问远小于lOms，可以用于 光纤保护倒换•这种光开关对偏振相关损耗和偏振模色散都不敏感•这种光开关的可靠性很好，开关几百万次都没有出现问题由于器件本身没有 可活动部件，因此可以远远满足电信应用中时间可靠性要求•可大批量生产，利用成熟的硅平面光波电路技术，使光纤的耦合变成一种标准 的流程，同时大大降低了这种光开关器件的成本这种光开关可以应用在光上下复用设备中，实觋任意一根光纤或单波长的上 下路也可以用于光交叉连接设备中，由于子系统中任意一根波导可以连接到另 外一根波导上，所以，由其组成的网络具有很好的重构性目前供应商有Agilent公司3、液晶光开关大部分液晶光开关是根据光的偏振特性来完成交换的典型的液晶器件包括 无源和有源部分，它实现光交换主要由四个步骤来进行：首先，无源器件（如光 滤波器）把输入光分为两路偏振光；然后，把光输入液晶内，液晶根搌是否加电 压来改变光的偏振状态或者不改变，由于光电效应，在液晶上加电压将改变非常 光的折射率，从而改变光的偏振状态；最后，光射到无源光器件上，无源器件根 据光的偏振方向把光输出到预定的输出端口。

优点：•理论上网络的升级能力高，但是目前最大端口数为8 0,因此液晶被认为更适 合用于较小的交换系统中缺点：•插入损耗高由于在液晶中，光被分成偏振方向不同的两束光，在最后把它们合 起来，如果束光的传播路径稍有不同，便会产生插损（对1x2开关ldB,l x8开关2.5dB）•消光比较低，目前消光比为4 0〜5 0dB同时，开关速度是个问题有的 厂商希望通过加热液晶来加快开关速度，但不可避免地使设备的功耗增加目前供应商包括Corning、Chorum、Kent Optronics等公司4、热光效应光开关热光技术主要用来制造小的光开关：如1X2、2X2等，尽管有的供应商认为 通过在一块晶片上集成基本的1X2光开关可以组成较大的交换系统，如64X64 端口的交换系统是可能实现的现在主要有两种类型的热光开关：数字光开关和 干涉仪光开关干涉仪光开关一般用硅做成，它主要利用Mach Zehnder干涉原 理，也就是利用光的相位特性，光的相位跟光的传输距离相关输入光被分蔽两 路，在成两路，在两根光波导里传DCi输，然后合在一起其中一根波导 被加热来改变波导的折射率，从而 改变光传输距离，使得一束光到达 时与另一束光不同相，破坏性的干 涉作用会使合成的光束减弱甚至关 断。

干涉仪开关:优点：•结构紧凑的优点缺点：•对光波长敏感，因此需要进行温度控制数字光开关的优点：•开关性能稳定，因为只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态，不管是 处于开还是关状态最简单的器件是1X2开关，叫做Y型分路器对Y型的一个 分支加热时，材料的折射率会发生改变，将阻止光沿着这个分支传输热光开关阵列可以和阵列波导光栅(AWG )集成在一起组成光上下复用器 (OADM)聚合物可能是这种器件最好的材料，因为AWG对温度敏感，而聚合 物把热量保持在光开关部分有阿尔卡特牵头组成的一个合作研究机构正在开发 一种具有综合硅和聚物优点的光开关技术，它用低损耗的硅作为波导，把光信号 通过聚合物实现交叉，从而降低功耗但是这种产品还处于研发阶段目前供应商包括 NTT Electronics、JDSU、Croning、Alcatel、AKZO NOBE 等 公司5、全息光栅开关通过全息的形式在晶体内部生成一个电子供能的布拉 格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口， 反之，光就直接通过晶体能面波前优点：•升级能力高：利用这种技术可以很容易地组成成千端 口的光交换系统•开关时间短:只需几个ns就可以把一个波长交换到另一个波长。

•可靠性高：由于没有可移动器件，它的可靠性可能比较好•低损耗：掌握这种技术的7IkUisPholomcs公司声称，240X240端口的交换系统 的插损低于4 dB，端到端的重复性也比较好缺点：•功耗比较大，需要高电压供电这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，但它更适合单个波长的交换纳秒量级的 交换速度可以用在未来的基于报文交换的光路由器中目前供应商有Trellis Photonics等公司6、液体光栅开关液体光栅技术是前面所说的液晶技术和电子全息开关技术的一个综合产物， 现在这种技术只有Digile璐公司掌握这种光开关基于布拉格光栅技术，加上电 压时，光栅消失，晶体是全透明的，光信号直接通过光波导如果没有电压，光 栅就把一个特定波长的光反射到输出端口这意味着这种光栅具有两种功能：取 出光束中某个波长并实现交换优点：・开关时间短•插损小于l dB由于能从一束光中交换其中单个波长，所以比较适合于OADM三、小结随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现同时，原有的光开 关技术性能不断地改进随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的 生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保 护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。

未来的光传送网是能支持多 业务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送；同时，随着业务需求 的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长因此，光开关的交换矩阵的大小 也要不断提高同时由于IP业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分 组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换这样，对光开关的交换速度提出 更高的要求（纳秒数量级）总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的光开关 将在光网络发展中起到更为重要的作用从上面的光开关制造商可见目前国内在 光开关这方面并不具有优势，而外国处于领先水平目前光开关在国内光无源器 件市场所占份额较小，但是随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市场需求 量将会大幅度增长对于国内厂商而言，是难得的机遇，更是巨大的挑战参考文献：1．《光纤通信》主编：王辉 电子工业出版社 20092．《光纤通信用新型光无源器件》主编：黄章勇 北京邮电大学出版社 2003 3．通信工程丛书 光网络—系统、器件与联网技术 中国通信。