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摘要綜述j光控光開關(guān)的發(fā)展?fàn)顩r以及它在未來全光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用；分析了幾種典型的光控光開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)構(gòu)及原理；詳細(xì)論述j光控光開關(guān)在全光網(wǎng)絡(luò)中的各種應(yīng)用，并通過分析和論述指出光控光開關(guān)將在未來的太容量奎光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞光開關(guān)非線性光學(xué)環(huán)路鏡全光網(wǎng)

中圖分類號(hào)TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

1前言

新型光開關(guān)主要分為電控光開關(guān)和光控光開關(guān)兩類。電控光開關(guān)有移動(dòng)光纖式，各種形式的波導(dǎo)開關(guān)、熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、聲光光開關(guān)、MEMs光開關(guān)等等，以及由以上電控光開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)都是電開關(guān)矩陣，這意味著輸入的控制光信號(hào)要先變換成相應(yīng)的電信號(hào)，才能對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制，不便于壘光網(wǎng)使用。*具發(fā)展?jié)摿Φ倪€是光控光開關(guān)，使用光控光開關(guān)是全光網(wǎng)的發(fā)展方向，盡管在目前大多數(shù)光控光開關(guān)還處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，相信不久將會(huì)生產(chǎn)出滿足核心光網(wǎng)絡(luò)所需交換密度的全光開關(guān)?，F(xiàn)在光控光開關(guān)已經(jīng)提出了多種方案，其中比較成熟的有非線性光學(xué)環(huán)路鏡NOLM和TAOD以及sOA等。

本文在分析各類光控光開關(guān)的結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上，論述了光控光開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用范圍，并闡明了它在全光網(wǎng)中的應(yīng)用前景。

2光控光開關(guān)的幾種實(shí)現(xiàn)方案

2．1 基于半導(dǎo)體光放大器soA光開關(guān)

基于半導(dǎo)體光放大器SOA的光開關(guān)有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是利用它的增益飽和特性，稱為sOA—xGM型；另一種利用它的交叉相位調(diào)制特性，稱為sOA—xPM型，在sOA—xGM型中+當(dāng)輸入信號(hào)光(強(qiáng)光)變化時(shí)，sOA對(duì)連續(xù)光增益隨之變化，從而改變輸出光的光平。這種邏輯門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可達(dá)40Gb／s的速率，但缺點(diǎn)是消光比較差，有自發(fā)輻射噪聲，信噪比較低，難于級(jí)聯(lián)。
在sOA．xPM型中，當(dāng)輸入信號(hào)光變化時(shí)，改變sOA的折射率，從而改變兩個(gè)臂的相位差，經(jīng)干涉后改變輸出光的光平。這種結(jié)構(gòu)比前一種的消光比有所改善，可達(dá)15dB，但sOA本身的噪聲特性仍然比較大，噪聲指數(shù)可達(dá)8～10dB，因與光纖耦臺(tái)較難，凈增益相對(duì)比EDFA小，不利于多級(jí)級(jí)聯(lián)。在實(shí)際構(gòu)成Oxc時(shí)，其輸入端和輸出端仍需另加兩個(gè)EDFA，導(dǎo)
致總體積增大。而且在sOA中，xPM與xGM是同時(shí)存在的，控制光在引起相位變化的同時(shí)，幅度也隨之變化，這將導(dǎo)致干涉效果不穩(wěn)定。

2．2非線性級(jí)聯(lián)定向耦臺(tái)器全光開關(guān)

這類光開關(guān)是由多個(gè)定向波導(dǎo)耦臺(tái)器級(jí)聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)如圖1，后面的級(jí)聯(lián)耦臺(tái)器通過整形來改善耦合器cl的輸出波形。這種級(jí)聯(lián)的耦臺(tái)器能實(shí)現(xiàn)包括與門、或門、非門、異或等許多復(fù)雜的邏輯操作功能L1]．非線性耦合器的輸出功率取決于耦合長度，初始相位差和輸入功率。通過改變這些參數(shù)就能獲得不同的輸入輸出特性。當(dāng)偏置光功率P2注入B端口同

時(shí)功率分別為P兒、P12的兩束信號(hào)光注入A端口，級(jí)聯(lián)耦合器能夠用作與門和或門；相反，如果將偏置光功率P2注入A端口而將兩柬信號(hào)光注入B端口，級(jí)聯(lián)耦合器能夠用作與或門和或非門。定向波導(dǎo)耦合器還可以作為光功率穩(wěn)定器和光學(xué)限幅器o]。實(shí)際上由于產(chǎn)生非線性耦臺(tái)需要的光功率極大，目前還不可能走向?qū)嵱谩?/span>

2．3非線性光纖環(huán)路鏡(NoLM)

圖2為NOLM光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖D]，它是根據(jù)光纖的sagnac干涉原理制成，其中包括功率耦合比為50：50的2×2耦合器，連接耦臺(tái)器兩臂的光纖環(huán)路，將控制脈沖引入導(dǎo)出環(huán)路的波分復(fù)用(wDM)耦合器和偏振控制器(Pc)。光纖環(huán)路作為克爾介質(zhì)，非線性作用(交叉相位調(diào)制)就在其中完成。如不加控制光，從圖中的NOLM端口l輸入信號(hào)光在端口3、4分成具有等強(qiáng)度的相反方向傳輸?shù)膬墒猓⒀毓?/span>纖環(huán)路繞行一周反射回1端口，2端口(NOLM的輸出端)完全沒有輸出，就象全反射鏡一樣。如果通過波分復(fù)用(wDM)耦合器順時(shí)針方向引入控制光脈沖到光纖環(huán)路中，由于交叉相位調(diào)制，與控制光同方向傳輸并在時(shí)域上相互重疊的那部分脈沖信號(hào)光將經(jīng)歷更大的非線性相移。這樣導(dǎo)致兩個(gè)方向上脈沖信號(hào)光產(chǎn)生相位差，從而使NOLM輸出端有輸出，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)操作。根據(jù)控制光與信號(hào)光波長與偏振方向的關(guān)系，一般將NoLM分為兩類：一是波長不同，偏振方向相同；二是波長相同，偏振方向正交。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)速度快，開關(guān)能量低(<10“)，但級(jí)聯(lián)不方

便，不利于集成化。后者級(jí)聯(lián)相對(duì)比較方便，利于集成，但偏振控制復(fù)雜，控制光對(duì)相移的貢獻(xiàn)小。

2．4 ToAD(Te珀hertz opticaI Asymmetric Demul—tipkxer)

TOAD是一種基于NOLM的光開關(guān)，它由NOLM衍生而來，是一種優(yōu)良的高速光解復(fù)用器，故此得名。它與NOLM的區(qū)別在于在光纖環(huán)中非對(duì)稱地布置了一個(gè)半導(dǎo)體光放大器(sOA)，當(dāng)一個(gè)光脈沖由端口l注入環(huán)路，等分成沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向

傳輸?shù)膬蓚€(gè)光脈沖。由于sOA位置稍稍偏離環(huán)路中心，使得這兩相向傳輸?shù)拿}沖到達(dá)sOA時(shí)存在時(shí)間差，它們通過sOA時(shí)將改變sOA的增益和折射率，這時(shí)兩個(gè)環(huán)向的信號(hào)光由于SOA的非對(duì)稱布置而產(chǎn)生了相位差。兩束脈沖在環(huán)路中運(yùn)行一周后，回到耦合器時(shí)將發(fā)生干涉。如果相位差為”，則從2端口輸出，否則，從l端口反射。TOAD具有低的開關(guān)功率和大的開關(guān)窗口.

3光控光開關(guān)的應(yīng)用及發(fā)展

全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是wDM傳輸技術(shù)和全光交換技術(shù)，在這兩方面，光開關(guān)都起著重要作用。在wDM傳輸技術(shù)中，波長切換．波長適配，光定時(shí)的提取，光碼流再生，光RZ碼與NRz碼的轉(zhuǎn)換等功能，將需要多種不同類型的光開關(guān)來完成。在wDM全光交換技術(shù)中，用于光交叉連接的光交換矩陣，控制交叉連接的全光邏輯以及選擇波長路由時(shí)所必需的波長交

換．都離不開光開關(guān)。因此，光開關(guān)是全光網(wǎng)的基本器件之一，也是當(dāng)前阻礙壘光網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的迅速擴(kuò)展，光傳送網(wǎng)的作用從原來的大容量帶寬傳送轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┒说蕉说姆?wù)連接，如何支持這種光網(wǎng)絡(luò)是我們面臨的主要問題，其實(shí)質(zhì)就是如何把相對(duì)粗顆粒的wDM技術(shù)和光交換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，形成一個(gè)大吞吐量的光網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來有效地支持各種業(yè)務(wù)。據(jù)預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)初，通信的發(fā)展趨勢(shì)將改變現(xiàn)存的交換體制，更多采用在光鲆上直接進(jìn)行IP通信，即IP over Optics。一個(gè)通信網(wǎng)的新的層面——“光傳送網(wǎng)”已經(jīng)形成。國際電聯(lián)ITu—T的G．872建議規(guī)

定，光傳送網(wǎng)的功能是對(duì)wDM網(wǎng)的波長、路由及功率等進(jìn)行管理，對(duì)每路傳送的碼流分配波長，選擇路由，以便充分使用好有限的波長資源。這就需要對(duì)每路碼流的目的地址、信息特征(通常稱之為“信頭”)進(jìn)行識(shí)別和處理。屆時(shí)，光交換機(jī)的功能被光路由器所取代，這是因?yàn)榉稚⒂诰W(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)的路由器，不僅可以充分發(fā)揮光纖極寬帶寬的優(yōu)勢(shì)，而且可以把交換局的巨額投資降下來，使組阿更加靈活。在光路由器當(dāng)中對(duì)光碼流的信頭或信元的識(shí)別與處理，將是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題?，F(xiàn)存的必須光電轉(zhuǎn)換后才由電子器件處理的技術(shù)，顯然不能適應(yīng)未來發(fā)展的需要。

沒有光域中直接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與處理的光邏輯門，就不可能有全光IP通信，而全光邏輯門的基礎(chǔ)離不開光開關(guān)。

現(xiàn)在各種類型的光控光開關(guān)已經(jīng)可以用來實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜功能，如各種邏輯門、波長轉(zhuǎn)換、解復(fù)用功能、信號(hào)再生、時(shí)鐘提取“?、信號(hào)碼型變換(如Rz和NRz碼的轉(zhuǎn)換)以及信頭識(shí)別和處理m1等。尤其NOLM和在其基礎(chǔ)上衍生而來的TOAD，不但簡(jiǎn)單穩(wěn)定而且具有低的開關(guān)功率，能做成比較理想的波長轉(zhuǎn)換器、解復(fù)用器等。

3．1邏輯功能

上面介紹的所有光控光開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案均能實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能。NOLM也能實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能m“，如圖2所示。如果將l、5端口作為輸入端口，則NOLM可以用作一個(gè)與門，只有當(dāng)l、5端口都有光脈沖時(shí)，2端口才有輸出，否則2端口將無輸出；如果將5、6端口作為輸入端口，1端口保持一直有光脈沖，則NoLM可以用作一個(gè)異或門，當(dāng)5、6端口中一個(gè)有光脈沖時(shí)，2端口才有輸出，否則2端口將無輸出；同樣如果保持1、6端口一直有光脈沖，則NOLM可以用作一個(gè)非門。沒有見到用NOLM實(shí)現(xiàn)或門的報(bào)道。

3．2波長變換

為了防止波長阻塞，使有限的波長資源得以重復(fù)利用，提高網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性，常常在全光網(wǎng)中采用波長轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)虛波長通道?？删桌冒雽?dǎo)體光放大器(sOA)中的xGM和xPM[“列或NOLM進(jìn)行壘光波長轉(zhuǎn)換o“∞?；趕OA的波長轉(zhuǎn)換由于sOA中的載流子生存壽命相對(duì)較低，變換后的信號(hào)消光比較小，使變換速度受到限制。利用NOLM進(jìn)行全波長變換可以實(shí)現(xiàn)比特率透明的波長變換，輸出信號(hào)的消光比與輸入信號(hào)相比有所改善，***長變換間距大于35nm[1”。

3．3解復(fù)用和時(shí)鐘提取

隨著近年來光時(shí)分復(fù)用技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)用信號(hào)的碼率已經(jīng)可達(dá)100Gb／s以上，由于電子“瓶頸”的存在，用傳統(tǒng)的電學(xué)復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)解復(fù)用和時(shí)鐘提取變得越來越困難，利用全光光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能。許多學(xué)者在NoLM方面做了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作，井在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了超高速解復(fù)用“”“]。但NoLM利用了交叉相位調(diào)制(xPM)這一光纖中很弱的非線性現(xiàn)象，需要很長的保偏光鲆或高能量脈沖。高能量超短脈沖會(huì)產(chǎn)生其它非線性效應(yīng)而引起時(shí)間抖動(dòng)，并且還要采取措施補(bǔ)償控制脈沖和信號(hào)脈沖的走離咀及群速度色散(GVD)。由于NOLM的固有特點(diǎn)使之很難集成，因此人們紛紛尋求可用于集成的具有商業(yè)價(jià)值的解復(fù)用器件。J．P．sok010“[“1在環(huán)形鏡中插入一非線性光學(xué)器件(NLE)提出了太赫茲光非對(duì)稱解復(fù)用器(TOAD)的構(gòu)想，引起了廣泛的關(guān)注‘?1”。盡管許多學(xué)者提出了各種光控光開關(guān)的解決方案，而且其理論也已基本成熟，但光控光開關(guān)距實(shí)用化還有一段距離，其穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高。目前還有許多問題需要解決，如偏振控制、開關(guān)速率、級(jí)聯(lián)特性、可集成化、穩(wěn)定性等，且還沒有一種光邏輯門能滿足各種不同的應(yīng)用。因此，開發(fā)適應(yīng)不同需要的光

開關(guān)并推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程是實(shí)現(xiàn)全光互聯(lián)網(wǎng)的必要條件。

4結(jié)論

總之，光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，使得光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的崛起。由于光網(wǎng)絡(luò)容量的持續(xù)擴(kuò)展，電控光開關(guān)已不適應(yīng)高速通信網(wǎng)的要求，開發(fā)高速高性能的光控光開關(guān)已成必然，光控光開關(guān)將在未來的大容量光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并為光開關(guān)生產(chǎn)廠家?guī)碚T人的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

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