光交換機技術動向
2019-11-03 10:13:33
供稿：網友
光交換機技術動向（黃智偉、李富英） 光纖通信技術的發展為解決傳輸容量的問題提供了極佳的方案，從理論上講，光纖在1.3μm和1.5μm兩個波長窗口能夠提供幾十THz的可用帶寬，隨著通信網絡逐漸向全光平臺發展，網絡的優化、路由、保護和自愈功能在光通信領域中越來越重霎。光交換機能夠保證網絡的可靠性和提供靈活的信號路由平臺，盡管現有的通信系統都采用電路交換，但發展中的全光網絡卻需要由純光交換機來完成信號路由功能以實現網絡的高速率和協議透明性。目前已有多種商用光電和光機械交換機，基于熱學、液晶、聲學、微機電技術的光交換機也在研究開發中。 光電交換機內包含帶有光電晶體材料（如鋰鈮）的波導。交換機通常在輸入輸出端各有兩個波導，波導之間有兩個波導通路，構成MachZennder干涉結構。這種結構可實現1×2和2×2的交換配置。最近采用鋇鈦材料的波導交換機已開發成功，這種交換機使用了一種分子束取相附生的技術，與鋰鈮交換機相比，新的交換機使用的驅動電能少。光電交換機的主要優點就是交換速度較快，可達到納秒級。缺點是：介入損耗、依極化損耗和串音都比較嚴重，對電漂移較為敏感，需要較高工作電壓，這些限制了光電交換機的商業應用。 光機械交換機是目前常見的交換機，基于成熟的光機械技術。在交換機中，通過移動光纖終端或棱鏡來來將線引導或反射到輸出光纖，實現輸入光信號的機械交換。光機械交換機交換速度為毫秒級，但它成本較低，設計簡單和光性能較好，而得到廣泛應用。光機械交換機最適合應用于1×2和2×2的配置中，可以很方便地構建小規模的矩陣無阻塞M×N光交換機。通過使用多級的配置也可以實現大規模（如64×64）的局部阻塞交換機。 熱光交換機采用可調節熱量的聚合體波導。交換由分布于聚合體堆中的薄膜加熱元素控制。當電流通過加熱器時，它改變波導分支區域內的熱量分布，從而改變折射率，將光從主波導引導自目的分支波導。熱光交換機體積非常小，能實現微秒級的交換速度。缺點是介入損耗較高、一串育較嚴重、消光率較低。耗電量較大，并要求散熱良好。 過去，液晶被認為是一種很難成為光交換機的材料，其主要原因是其溫度特性和開關速度的局限性。在液晶材料和交換結構上取得的進展大大提高了液晶光交換機的溫度和頻率特性。液晶光交換機內包含有液晶片、極化光束分離器（PBS）成光束調相器。液晶片的作用是旋轉入射光的極化角。當電極上沒有電壓時，經過液晶片的光線極化角為90°，當有電壓加在液晶片的電極上時，入射光束將維持它的極化狀態不變。PBS或光束調相器起路由器的作用，將信號引導到目的端口。對極化敏感或不敏感的矩陣交換機都能利用這種技術。當使用向列的液晶時，交換機的交換速度大約為100毫秒，當使用鐵電的液晶時，交換速度為10微秒。使用液晶技術可以構造多通路交換機，缺點是損耗、熱漂移量較大，串音較嚴重，驅動電路復雜。 基于聲光技術的光交換機，通過在光介質（如TeO2晶體）中加入橫向聲波，可以將光線從一根光纖準確地引導到另一根光纖。聲光交換機可以實現微秒級的交換速度，可方便地構成端口較少的交換機。但它不適合用于矩陣交換機。因為這需要復雜的系統來改變頻率控制交換機。聲光交換機衰耗隨波長變化，驅動電路復雜。 目前已開發出多種MEM交換機，它們采用了不同類型的特殊微光器件，這些器件由小型化的機械系統激活。MEM交換機的優點在于體積小，集成度高，可大規模生產，但這需要生產工藝技術的進一步提高。 據預測，光子網絡將是下一代光互聯網的基礎，需要不受限地承載數字信息，這些將促進交光換技術的不斷發展。在評價一種新的光交換技術時，必須考慮以下幾個關鍵指標：（1）系統具有5個9以上的長期可靠性；2、低損耗；3、低串音，典型的隔離度要求為40或50dB；4、保持對溫度的穩定性，不需精確溫控電路；5、快速切換，切換速率必須控制在毫秒級以下；6、寬工作窗口，光開關需要工作在從1300nm到1650nm的整個帶寬上；7、低的技術成本。摘自《通信機世界》
