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1、1,。级光科 主讲人：。,光开关（optical switch）,其余小组成员：。,目 录,1 概述,2 光开关的作用,3 光开关的应用范围,4 光开关类型的研究,5 光开关的额技术评价指标,6 总结,概 述,光开关是实现全光交换的核心器件，光开关的研究已成为全光通信领域研究的焦点。我们将首先对光开关的原理进行归纳，总结光开关的应用范围，对传统的机械式光开关、微电子机械式光开关、热光开关进行了进一步地划分，分析了它们的结构形式和性能特点，设计了光开关性能评价指标体系。最后依据全光通信网的发展趋势，指出大容量、高速、透明、低损耗是光开关的重点发展方向。,光开关的作用,光纤通信技术的问世和发展给通
2、信业带来了革命性的变革，目前世界大约 85%的通信业务经光纤传输、长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。特别是近几年，以 IP 为主的 Internet 业务呈现爆炸性增长。这种增长趋势不仅改变了 IP 网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。,一种智能化网络体系结构，自动交换光网络(Automatic Switched Optical Networks)ASON 成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(Optical Cross-connect)OXC设备构成，通过OXC可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。,光开关(Op
3、tical Switch)OS是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，是可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关基本的形式是2：2形式，即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态，平行连接和交叉连接，如图 1 所示。,光开关的应用范围,6,光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分(Wavelength Division Multiplexing)WDM 传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取，在光时分复用(Optical Time Division Multiplex)OTDM系统中，光开关可用于解复用。在全光交换系统中，光开关是光交叉连接(Opti
4、cal Cross-connect)OXC 的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为 1：1、1：2、1：N、2：N、N:M等多种。,光开关的应用范围,7,它们在不同场合中有不同用途，其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统，光纤测试中的光源控制，网络性能的实时监控系统，光器件的测试、构建 OXC 设备的交换核心、光插/分复用、光学测试、光传感系统等。,光开关的应用范围,传统机械光开光,热光开关,微电子机械系统光开关,液晶光开关,光开关类型的研究,电光开关,全光开关,磁光开关,传统机械光开光,光开关类型的研究,目前应用最为广泛的仍是传统的1x2和2x2机械式光开关
5、，传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合到输出端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。,传统机械光开光,光开关类型的研究,机械型光开关的优点是插入损耗低(1dB)、隔离度高(45dB)、与波长和偏振无关、制作技术成熟。缺点在于开关动作时间较长(ms量级)、体积偏大、且不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。,传统机械光开光,光开关类
6、型的研究,微机电系统简称MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)是指集微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路、接口、通信及电源等于一体的可批量制作的微型器件或系统。而MOEMS是Micro 0ptical Electro Mechanical System的缩写，译为中文为微光机电系统，把微光学说应用到了微机电系统中，可以说是MEMS的一争重要研究方向。是MEMS在光通信中的重要应用。,微电子机械系统光开关,微电子机械系统光开关,光开关类型的研究,MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在数ms量级，使用了IC制造技术，体积小，集成度高，工作方
7、式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信，同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点，是目前全光交换的一种解决方法。,微电子机械系统光开关,光开关类型的研究,热光开关是利用热光效应制造的小型光开关。热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。目前主要有2种类型热光光开关：干涉式光开关、数字光开关也叫分支器型热光开关。,热光开关,干涉式光开关,数字式光开关,热光开关,光开关类型的研究,干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感
8、，需要进行精密温度控制。数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20dB。但插入损耗较大，一般为34dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小，可实现微秒级的交换速度。,热光开关,光开关类型的研究,液晶光开关,液晶材料有非常高的电光系数，它主要利用外部电场控制液晶分子取向而实现光的开关功能。,液晶光开关,液晶光开关,光开关类型的研究,液晶光开关的主要优点在于其网络重复性好：由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，然后合并起来，如果传输路径
9、略有偏差，便会产生一定的插入损耗。和其它光开关相比液晶光开关具有能耗低、隔离度高、使用寿命长、无偏振依赖性等优点。缺点是插入损耗较大。,液晶光开关,光开关类型的研究,电光开关,理想的开关要求实现光信号的完全打开或关断，其对应的折射率变化很大。实现载流子浓度变化的电学结构主要有pin，pn和mos三种，其中效率最高的为pin型，适合应用于光开关。其工作原理是：通过外加正向偏压，向i区(即波导核心区)注入大量载流子，实现高效的折射率变化。,电光开关,光开关类型的研究,IBMT.J.Waston研究中心已实现了开关时间小于 4ns，功耗约为3mW的电光开关。目前Kotura公司给出了一种实现低功耗电
10、光开关的方案，他们实现功耗仅为0.6mW的电光开关，其工作电压为0.83V。因此，与热光开关相比，电光开关在速度方面占有明显的优势。,电光开关,光开关类型的研究,全光开关,全光开关是以光控光的开关。由于光子不带电，光子间不能直接相互作用，必须通过非线性光学的方法实现光开关。即用控制光或泵浦光的高功率改变介质的参量，如折射率或吸收系数，从而实现对信号光的开关控制。只要控制光的作用保持不变或信号光保持高功率状态，输出信号光将维持在开启通道。,全光开关,光开关类型的研究,全光开关的工作原理除了非线性光学原理之外，还有一种光致相变原理。在强光作用下，可能改变组成介质的物理状态或分子结构。例如使材料在光
11、照下发生固态液态气态的转变，或者使某一波长的透射率变化、光致变色，从而改变介质的折射率或吸收系数。但是改变介质的物态或分子结构不但要消耗较大的光功率，而且开关速度较慢。因此光致相变方法有一定的局限性。大部分全光开关器件的工作原理还是基于非线性光学效应。,全光开关,光开关类型的研究,磁光开关,磁光开关依据的物理机理是法拉第效应，通过控制磁光晶体的磁化强度而控制传输光偏振面的旋转。通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，切换光路起到开关的作用。它具有开关速度快、稳定性高、驱动电压低、串扰小等优势。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩
12、阵的大小,升级能力,光开关的技术性能指标,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。随着通信业务需求的急剧增长，光开关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过10001000 的交换容量，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。,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,升级能力,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,升级能力,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
13、，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对同步数字序列/同步光纤网络(SynchronousDigitalHierarchy/Synchronous Optical Network)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。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,升级能力,当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
14、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。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导交换的光开关，如液晶光开关和MEMS 光开关的损耗较低，大约12dB，而铌酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右，损耗特性影响到了光开关的级联，限制了光开关的扩容能力。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,升级能力,不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交换粒度也有所不同。交换粒度可分为 3类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度反映了光开关交换业务的灵活性，这对于考虑网络的各种业务需求，网络保
15、护和恢复具有重要意义。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,升级能力,无阻塞特性是指光开关的任一输入端能在任意时刻将光波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显，光开关要求具有严格无阻塞特性。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,交换矩阵的大小,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8-8或32-32，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
16、上。,光开关的技术性能指标,交换矩阵的大小,交换速度,交换粒度,损耗,无阻塞特性,可靠性,升级能力,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。,总结,光开关是全光通信网的关键部件。光开光技术还在迅速发展，有一些趋势值得关注。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。,Thanks！,
