光開關矩陣技術及其性能分析

【摘要】光開關矩陣是智能光交叉連接設備和可重構光分插復用器核心技術，是構建自動交換光網絡的基礎。本文主要介紹了大規模商用的光開關矩陣的關鍵技術原理，并且詳細分析了由技術原理所決定的性能指標。

【關鍵詞】光開關矩陣MEMS技術壓電光束導向技術自動光耦合技術性能分析

一、引言

自動交換光網絡（ASON）是指用戶與用戶之間的信號傳輸與交換全部采用光技術，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行[1]。智能光交叉連接設備（IOXC）和可重構光分插復用器（ROADM）是自動光網絡的核心器件[2，3]。而光開關陣列是IOXC和ROADM的核心技術。

隨著光通信技術的飛速發展，ASON對光開關矩陣也提出了更高的要求。光開關矩陣技術是光通信研究的熱點，不同交換原理和實現技術的光開關矩陣被廣泛提出。基于不同原理和技術的光開關矩陣的具有不同的性能指標，適用于不同的場合。目前，實現規模商用的光開關矩陣技術主要有三種：基于MEMS技術，壓電光束導向技術，自動光耦合技術。

二、光開關矩陣技術

2.1MEMS技術

基于MEMS技術研制的光開關矩陣一般被稱為MOEMS（微光學電子機械系統，Micro-Opto-Electro-Mechanical System）。其基本原理通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡產生升降、旋轉或移動從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能。

MEMS光開關矩陣可以分為二維和三維光開關矩陣。二維光開關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。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關矩陣，對于M×N的光開關矩陣，具有M×N個微反射鏡。二維光開關矩陣的微反射鏡具有兩個狀態0和1（通和斷），當處于1狀態時，反射鏡處于由輸入光纖準直系統射出的光束傳播通道內，將光束反射至相應的輸出通道并經準直系統進入目標輸出光纖。當處于0狀態時，微反射鏡不在光束傳播通道內，由輸入通道光纖射出的光束直接進入其對面的光纖。這種二維光開關矩陣插人損耗小，控制電路簡單，由于系統需要的微反射鏡數量大，如果要想實現更高交叉容量，在技術上十分困難。

三維MEMS的微鏡固定在一個萬向支架上，可以沿任意方向偏轉。每根輸入光纖都有一個對應的MEMS輸入微鏡，同樣的每根輸出光纖也都有其對應的MEMS輸出微鏡[4，5]，如圖1。因此，對于M×N三維MEMS光開關，則具有M+N個MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖射出的光束可以由其對應的輸入微鏡反射到任意一個輸出微鏡，而相應的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對應的輸出光纖。對于M×N三維MEMS光開關，每個輸入微鏡有N個狀態，而輸出微鏡則具有M個狀態。三維光開關矩陣插入損耗相對要比二維光開關矩陣大，由于所需微鏡數量少，所以容易實現更大的交叉容量，但控制電路復雜。

2.2壓電光束導向技術

壓電光束導向技術又稱為直接光束控制技術（Direct Beam Steering）[6]。直接光束控制技術是將光纖準直器直接控制在一個機械結構上，然后將其排列成一面準直器陣列。將兩面準直器陣列組成相對而列，這樣就構成了光開關矩陣。在進行交叉連接時，控制需要連接2個光纖準直器，使其在同一條直線上，這樣光信號就直接從一個準直器傳入到另一個準直器里，而不需要經過任何微鏡的反射，因此不會造成光信號的損耗。

實現光束直接控制技術的核心是固態驅動技術，即利用固體材料尺寸的改變產生的位移來驅動準直器的移動，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，并且根據電壓的不同改變的尺寸不同，正好可以用來作為固態驅動材料。

Polatis公司的OSM系列光開關矩陣采用壓電光束導向技術，將光纖準直器固定在由壓電陶瓷和MEMS位移放大器組成的驅動器上，然后將該驅動裝置排列成兩面相對的陣列，構成光開關矩陣。原理示意圖如圖2。

2.3自動光耦合技術

自動光耦合技術是一種與現有光纖連接技術最接近的一種光開關矩陣技術，它的基本原理是采用高精度步進馬達驅動需要相互連接的兩個光纖的特制連接頭進行物理耦合。兩個光纖連接頭直接接觸連接在一起，光路中不存在微反射鏡、微透鏡等光學器件，這樣使光信號的損耗降到最低。從光信號傳輸機理上講，利用自動光耦合技術設計的光開關矩陣的光學指標最優秀。

自動光耦合技術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性能可以與高精度的光纖連接技術相媲美；同時，由于采用鎖定裝置，使得光連接可以抗擊振動和沖擊的干擾，而且即使在斷電的情況下，也不會影響已有的光路連接。高可以精度定位裝置能準確的驅動光纖連接頭準確的插入鎖定裝置，完成光纖耦合。基于自動光耦合技術設計的光開關矩陣分為三層，光纖連接頭被分在上下兩層，構成主動交換層，由高精度步進馬達控制；中間層為光纖鎖定層，完成光路的物理耦合。需要特別說明的是，由于采用物理接觸連接光路，造成其光開關矩陣切換壽命短，每個通路只有2000次的壽命。如圖3。以色列Fiberzone-Network公司是自動光耦合技術的倡導者，基于該技術設計的AFM 360系列光開關矩陣已經成功面市。

三、光開關矩陣性能分析

3.1插入損耗

當光信號通過光開關時，將會產生插入損耗。光開關產生損耗的主要因素有：光開關矩陣端口耦合時產生損耗，光信號在光開關內部傳輸時光開關自身材料對光信號產生的損耗。自動光耦合技術光開關矩陣產生的插入損耗最小，小于0.5dB；其次是基于壓電光束導向技術制作的光開關矩陣，插入損耗小于1.5dB；基于MEMS技術的光開關矩陣插入損耗最大，最大值在3.7dB左右。

三種技術的光開關矩陣在端口耦合時產生的損耗沒有差異，插入損耗的差別主要體現在光開關矩陣內部結構對插入損耗的影響。自動光耦合技術采用物理接觸方式連接光通路，插入損耗產生在光纖連接頭接觸點，插入損耗很小；壓電光束導向技術由兩個準直器對準來連接光通路，其插入損耗主要由兩個準直器中心點對準程度決定；基于MEMS技術的光開關矩陣的插入損耗除了受光纖和微鏡的對準精度影響外，微鏡轉動角度的精確度和微鏡鏡面的光滑度及材料性能對插入損耗影響也非常大[7]，光路要經過三次反射必然會造成更多的損耗，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。返回光信號是指光路傳輸過程中，在介質端面處反射回的光信號。主要包括輸入端口連接頭端面反射回光信號和光開關矩陣內部反射回光信號。在采用PC連接頭時，基于自動光耦合技術和壓電光束導向技術制作的光開關矩陣回波損耗值相近，小于-45dB；基于MEMS技術的光開關矩陣回波損耗最大，最大值在-30dB左右。

同插入損耗一樣，回波損耗指標的差異性由光開關矩陣內部結構造成。基于自動光耦合技術和壓電光束導向技術制作的光開關矩陣內部光路由兩個連接頭或準直器直接相連，中間不經過任何光學器件，反射端面少，所以回波損耗小；基于MEMS技術的光開關矩陣內部光路經過多次反射，反射端面多，造成反射回的光信號較強。另外，MEMS光開關矩陣內部微鏡表面涂層材料對回波損耗也有較大的影響。

3.3臨路串擾

指串入相鄰端口的輸出光功率與光開關接通端口的輸出光功率的比值。為保證傳輸質量，光開關端口之間的串擾必須非常小。基于MEMS技術和壓電光束導向技術的光開關矩陣臨路串擾指標相近，均大于60dB，造成串擾的原因是所有的輸入光信號在同一內部空間進行交叉連接，光器件的散射效應造成光信號從其他端口輸出；基于自動光耦合技術的光開關矩陣內部光路不會在同一空間內進行交叉連接，而是由固定連接裝置將兩個連接器鎖定進行物理連接，因此幾乎不存在臨路串擾，其指標要大于80dB。

3.4開關時間

指光開關端口從某一初始態轉換為另一狀態所需的時間，一般從光開關矩陣上施加或撤去控制信號的時刻起測量。當開關時間達到毫秒量級時，能夠滿足自動交換光網絡重新選擇路由的要求；當開關時間達到納秒量級時，可以支持光互聯網的分組交換。

基于MEMS技術和壓電光束導向技術的光開關矩陣的光器件驅動電路均采用MEMS技術制造，其開關速度相近，在20ms左右；由于采用高精度的步進馬達控制光連接頭的移動，其移動速度較慢，所以基于自動光耦合技術的光開關矩陣開關時間在30s左右。

3.5最小輸入光功率

最小輸入光功率是指光開關矩陣所能傳輸的最弱光信號功率，如果光信號低于該值，就不能正確無誤的通過光開關矩陣。基于自動光耦合技術和壓電光束導向技術制作的光開關矩陣內部光路由兩個連接頭或準直器直接相連，中間不經過任何光學器件，對光信號功率沒有要求，均支持暗光傳輸。光信號經過基于MEMS技術的光開關矩陣時，要經過多次微鏡的反射，鏡面涂層的材料影響光信號的傳輸。因此，MEMS技術的光開關矩陣要求光信號不能低于-25dB，經過特殊工藝處理的要求輸入光功率不能低于-35dB。

四、總結

光開關矩陣技術促進了光傳輸網絡進一步向智能化邁進，為ASON的建設提供了強大的技術支持。但是由于采用不同技術設計的光開關矩陣具有不同的性能指標，需要根據應用環境的要求選擇合適的光開關矩陣。可以預見，光開關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的工作壽命方向發展，同時其集成度會越來越高，每一端口的成本越來越低。

參考文獻

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