波长选择开光(WSS)

技术专题：波长选择开光（WSS）

一、技术背景：

本文我将以波长选择开光（WSS）为核心，做一个技术专题，为大家系统的回顾一下WSS技术产生的原因，发展的现状和实现方式。既然以WS S为题，首先我们必须明白什么是WSS。用最简单的语言描述，WSS可以表述为用以实现动态可重构光加/减复用（ROADM）的新一代技术，具有网状架构，能支持任意端口波长任意上下行的功能。

既然WSS是新一代的ROADM技术实现方式，我们先来回顾一下ROADM的发展历程。从ROADM概念首次被提出，到商用化，再到新一代的WSS技术，整个历程可以很好的用图1描述。

图1 ROADM技术发展历程

波分复用是当前最常见的光层组网技术，通过不同波长复用后在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统，大多数的光层组网只能通过终端站(TM)实现的光线路系统构建。ROADM概念被提出的初衷，就是要增强波分复用的灵活性，以实现不同节点信息间的交叉调度。图1中从1998年到2001年前后，是ROADM概念初步成型的阶段。图中所示的基于光交叉连接器（OXC）和光-电-光（O E O）再生器的结构，以及随后出现的基于环行器的结构和基于复用器- 开关矩阵- 解复用器（DSM）的结构是最初的实验模型。但这些系统使用分立元件构成，插入损耗大，性能不够稳定，运营成本也较高。因此，这些技术只在ROADM概念形成的初期被研究和实验，但并没有真正走入商业化。

首次商业化，也是被认为是ROADM第一代技术的是波长阻断器（WB）技术。其工作原理如图2所示。该技术通过使用功分器把全部波长的信号都按功率分为两束，一束经过WB模块，传输至下一个ROADM网络单元。另一束则传到下行支路。WB模块的作用是将需要下行的波长阻断。WB模块最常见的结构是使用解复用器-可变光衰减器（VOA）-复用器结构，即解复用后每个波长都接一个可程控的VOA，根据需要将已下行的波长衰减掉。剩余的波长在经波分复用器复用后传输到下一个网络元。图2所示的支路里，需下行的波长经解复用器分开，并使用光性能监控（OPM）来保证下行不同波长功率的均衡性。

图2 WB-ROADM原理示意图

目前WB技术很成熟、具有低成本，结构简单，模块化程度好，预留升级端口时可支持灵活扩展升级功能等优势，适合用于LH和ULH系统，支持广播业务（采用分功率的理念）。但是WB技术迫使运营商一次性购买多个波长。另外,这种结构需要采用外部滤波器进行波长下路,如果采用固定滤波器,则无法实现动态重构上、下路波长,只能重构直通波长，不易过渡至光交叉互连（OXC）。

图3 PLC-ROADM原理示意图

图3所示第二代ROADM是基于平面光集成（PLC）的技术。实际上它是图1中2000年前后出现的DSM-ROADM技术的发展和延续。通过集成波导技术，将解复用器（通常是AWG）、1X2光开关、VOA、复用器等集成在一块芯片上，规模化生产后能有效降低成本。因此PLC技术是成本相对最低的ROADM实现方案。由于使用了1X2或2X2的光开光，因此具有二维自由度。但PLC-ROADM和WB-ROADM很多方面还是很类似的，两种方案上、下路端口都与波长相关，无法重构上、下路波长。

应运而生的第三代ROADM技术就是本文的核心WSS。如图4所示，和WB相比，WSS最大的特点是不再需要WB模块，每个波长都可以被独立的交换。如图4所示，多端口的WSS模块能独立的将任意波长分配到任意路径。因此基于WSS的网络具有多个自由度，不再像WB或PLC那样需要对网络互连架构做预先设定。

图4 WSS-ROADM原理示意图

图5 WSS模块功能示意图

如图5所示，每个波长信号被独立可编程控制，根据实际需要，或者被传送到Express端口或者到下行支路端口。然后Express端口将混合新的上行信号一起传送到ROADM输出模块。和WB技术一样，在系统末端也使用OPM来保证多波长信号的功率均衡性。

二、WSS-ROADM系统构成：

图6 2自由度WSS-ROADM示意图

图6所示的基于WSS技术的ROADM系统分别由一个1×N和一个N×1的WSS模块构成。其中1×N 的WSS能够将输入端口的波分复用信号中的任意波长组合输出到任意输出端口上；相反，N×1 型WSS可以将任意一个输入端口的光信号选择任意波长组合与其他输入端口的波长组合合并后输出。这种结构的ROADM 设备在上下行端口都具有波长无关的特征，任意下行端口可以实现任意波长信号下行，在上行端口上行任意波长信号。

注意图6所示结构数据流都是东西方向的，因此有两个自由度。但注意到在这种结构中，WSS 的输出端口除直通端口外其余的端口只选择单波长输出。因此一个2-自由度的ROADM是很容易升级到最多N-1个自由度的，如图7所示。

图7 多自由度WSS-ROADM结构示意图（a基于WSS模块； b基于分束器下行和WSS模块上行； c基于WSS下行和合束器上行结构）

图8 典型WSS-ROADM应用实例

如图7（a）所示，在N个WSS服务端口中，一个被专用于本地信号上下行服务，而其余N-1个被用于在N-1个ROADM模块间的网络交叉互连。图7（b）和（c）是为了降低成本，减少开关数目而对图（a）做的一种简化。图（a）中上下行的服务是通过一对WSS实现的，而（b）和（c）则使用一个WSS和一个分束器（或合束器）的组合，这样的方案更加简单，成本更低，性能上却保持了和（a）方案相同的灵活性，都能实现N-1个自由度的可重构加减互连。我们可以把（a）和（b/c）看做WSS-ROADM的两种基本互连方案。

这样看来是否（b）或（c）相比方案（a）就更具优势了呢？其实不然，两种方案其实互有优劣，需根据实际情况做出综合选择。由于使用了分束器或合束器而相应产生的额外损耗也明显大于（a）方案，因此（b）和（c）还必须使用EDFA来对信号再放大。另外，方案（a）使用了一对互为反向的WSS，因此除了低损耗外，还保持了非常好的端口间信号隔离度，因此系统串扰非常小。但是，方案（a）和图2所示的WB-ROADM相比，已不具备广播式服务能力。但方案（b）或（c）由于使用了功分器，则和WB-ROADM一样也兼具了广播式网络服务能力。

为了更形象化的描述WSS-ROADM的工作模式，给出了图8所示的示意图。如图所示，WSS模块能提供C/DWDM网络环和城域骨干网DWDM 环间信号的任意交叉互连。注意图8中WSS模块是三个环的相切处，右边显示了放大的工作模式图，这和图7（a）所示的原理是一致的。

事实上，我们可以在图7基础上进一步增加波长交叉互连的能力。即结合使用WSS和功分器技术。让系统兼具点对多点的交叉互连能力，以及广播式服务能力。类似图7，仍使用1X N的WSS模块实现互连，而分束器（或合束器）的分束比（或合束比）为1：m（或m：1）。那么作为W

SS-ROADM系统将具有m*(N-1)个自由度。这时候，对照图7（a）的结构进行扩展，则将需要(m+m2)*（N-1）个WSS模块。而使用类似图7（b）和（c）的方案，由于使用分束器或合束器来取代上行或下行互连功能，也就是说将有m*(N-1)个WSS模块将被分束器或合束器来取代，这时候系统共需要m2*(N-1)个WSS模块。这是WSS用于可重构加减互连最具普遍意义的系统模型。

对WSS-ROADM，接入损耗和节点间的串扰是系统的两个基本参数。当采用普遍系统模型时，我们可以将类似图7（a）、（b）和（c）三种模式下的接入损耗和串扰理论大小列于表1：

表1 WSS-ROADM接入损耗和串扰理论结果比较

三、WSS技术实现：

这一部分里，我将为大家总结一下WSS模块最常用的实现方式，并评述各种方案的优缺点。

1.基于微机电（MEMs）技术的WSS模块：

WSS模块的技术方案有许多，其中最普遍的是使用解复用器和MEMs微反射镜的组合。最早的基于MEMs的WSS模块于1999年由Ford提出，当时他们使用的是数字式MEMs镜，因此能实现1X2的互连。后来的研究拓展了该技术，采用阵列式模拟MEMs，可实现更高自由度的互连，如图9所示：

图9 使用解复用器和MEMS镜组合的WSS模块

图9所示技术方案是WSS模块受关注最多的方案之一。它包括解复用器、1X N的MEMs光开关和波长再复用功能。输入光纤端口的波分复用信号经过光栅实现波长分离，然后聚焦于透镜焦平面上。单轴反射镜组安放于焦平面，每一个透镜对应一个波长。通过调整反射镜角度，将对应波长光信号反射到特定输出光纤。这种方案结构简单，使用方便。在这个结构中，输出光纤耦合功率直接依赖于MEMs镜角度控制的精确性。因此该方案保持MEMs微镜长期工作的稳定性和可重复性是最关键的问题。目前已经有报导，材料介质层的残余电荷会导致MEMs镜累计静电荷，导致系统可靠性恶化。

图10 面阵式MEMs基WSS模块示意图

注意到图9中MEMs镜是单轴的，因此只能实现直线的光束扫描。如果我们MEMS镜改成两轴向扫描，同时使用二维准直器阵列，那么我们也很容易将图9的节点互连数扩展到N2。如图10所示。最普遍的实现方式之一是采用4f成像系统，使用两个正交的单向扫描来构造系统。但是要设计和制作两维WSS难度相当大，所以这种方案只限于科研院校研究，还无法实用。此方面一项很出色的研究来自台湾大学的蔡睿哲博士，发表了一系列高水平的研究论文。他们细节给出了二维扫描阵列的设计方法和实验方案，实验交换时间小于700μs，但输入光纤-输出光纤的接入损耗相当大，在6-18 dB左右，尚显过大。

目前基于MEMs的WSS已有产品，图11是康宁用于WSS的一维线性微镜阵列图片。

图11 线性阵列MEMs微镜实物图

2.基于PLC技术的WSS模块：

前面提到的MEMs技术用于WSS模块，特点是结构灵活，容易实现，由于采用空间光学器件，甚至可以向二维面阵扩展互连数目。对WSS模块，另一个很受关注的实现方案是PLC技术。由于全部元件被集成在一块芯片上，且是平面结构，自然就不能像前面MEMs那样二维扩展，实现N2数目的扩容。但是，由于全部元件被集成在一块芯片上，因此可靠性明显增强，不存在前面提到，由于静电累计造成的性能恶化。并且MEMs基的WSS元件最大性能缺点是损耗大，而基于PLC的元件通常具有损耗低的优势。

PLC元件用于WSS模块，有许多实现方式。最常见也是最简单的是基于微环形共振器的结构。如图12所示，为使用硅基二氧化硅结构制作的1 X 2微环形共振WSS模块结构图。其原理是直线波导中传输多波长信号，与其非常靠近的环形波导半径恰好能与某个特定波长共振时，该波长将沿环形回路传播，再共振耦合到相邻的通道输出。注意，图中共振换附近使用了Cr加热头，通过外加电流变化，可以控制芯片温度，利用热光效应

使共振条件发生变化。因此共振滤波的波长是可以随着外加电流大小实时可调的。因此该结构具备和MEMs一样的实时可调性能，符合WSS概念的初衷。使用微共振环的WSS开关时间大致在100多微秒左右，比MEMs开关速度要高很多。目前这种技术波长共振调谐范围大概在十几到二十几个纳米左右。

图12 基于微共振环的WSS模块

图13 N X N的微共振环WSS模块示意图

类似的，我们也可以通过将这些微共振环级联构造成N个输入端，N个输出端的面阵式WSS模块。图13所示是Tokyo Inst. Tech.基于此原理设计的WSS工作原理图。之所以很多研究都使用微共振环，主要是因为该结构是基于共振原理，因此具有非常高的品质因数，图13所示的模块实际测试显示，消光比高达39.0到46.6dB，带间串扰大致维持在19.3-24.5dB左右。

图14 1X2微共振环光开光用于WSS实际结构图

Nortel网络的研究者已经对微共振环WSS用于实际接入网的性能做了测试。他们使用图14所示的1X2开光。注意图中比例尺单位为微米。整个芯片大小在200X200 μm2左右。测试使用10Gbit/s的NRZ信号，发现经过微共振环可调交换后，调制信号几乎没有任何变化，误码率维持在10-1 2以下。该测试ON和OFF态消光比比前面例子要低，只有12dB左右，但带间串扰类似，也在20dB左右。该测试在2005年开展，是PLC特别是微共振环结构可有效用于WSS的最早也是最具说服力的结果之一。

图15 基于AWG元件的WSS模块

使用PLC元件制作WSS模块，除了微共振环还有其他一些方法，其中最有代表性的是基于阵列波导光栅（AWG）结构的实现方式。如图15所示的结构是NTT的建议的WSS方案。图示1X4的WSS是由4个AWG和热光相位漂移结构组成的。显然和前面的微共振环一样，是通过热光效应改变相位变化，进而改变不同波长的路由路径。看起来图示结构会比微共振环复杂很多，尺寸也庞大很多。比较有优势的地方是该结构损耗很小，经测试只有平均2.7dB的损耗。

3.基于液晶的WSS：

除了MEMS和PLC，目前另一类使用较广泛的WSS实现方式是基于液晶技术。这种方案很简单，就像空间光调制器的原理一样，通过将不同波长的光照射在不同的像素上，进而控制相应像素液晶取向，调节光的偏振态改变，再使用检偏器就能控制输出光的强度。在这方面最突出的研究成果来自澳大利亚Optium公司的研究者，他们使用的系统结构如图16所示，

图16 基于LCOS的WSS工作原理图

图17 LCOS用于WSS相位改变选路原理示意图

从图16可以看到，系统工作原理和图9所示MEMs-WSS是非常接近的。系统都是通过输入光纤后，再经过一光栅基的波分复用器，将各个波长按空间不同位置解复用开。所不同的是波长选择单元，图9是靠独立的控制反射镜角度来实时改变某个波长的行进方向，以实现任意波长任意路径的上下行。而图16控制光的行进是靠相位变化。液晶的空间光调制器可以根据需要改变某个波长的相位，注意图16中所有光束路线是可逆的。比如所有光波长从图中第一跟光纤输入，通过空间相位调制（SLM），其他N-1个波长改变相位相同，反射回去重新复用后从第二根光纤输出。而需要下行的相位可以改变不一样，则可从第三根光纤输出，相应信号可以传到下行支路。为了更好的理解这个过程，给出了图17的示意图，注意这里简化了波分复用等元件。

之所以这种WSS实现方式近来广受关注，主要是因为该方案灵活性相当高。我们看到MEMs反射镜只改变光的传播方向，而图16的SLM是通过相位改变来调节光路。在相位改变改变光方向的同时，还可以通过相位调节来矫正色散。Optium公司的研究者已经尝试对80Gb/s的高速信号，实现了最多60ps/nm的色散补偿。此外除了补偿色散，我们知道靠调相还可以做很多事情，比如用于脉冲整形等等。因此图16-17所示方案是具有无限衍生功能的WSS，相信未来会受到更多的关注。

我们会发现图16中的SLM使用的是二维LCOS阵列。LCOS是硅基液晶的英文字母缩写。LCOS是近来研究比较火的液晶显示技术之一。有兴趣的朋友可以自己查阅相关材料，由于和本文无关，我就不详细描述了。

除了LCOS，理论上任何SLM都可以用于WSS。法国的研究者提供了一个思路很有参考价值，如图18所示。

图18 基于液晶光栅的WSS原理示意图

图19 液晶光栅基WSS实物图

图18和图16相比紧凑了很多。因为该方案直接在液晶上使用全息技术制作数字光栅。因此该方案中的液晶板将波分复用系统与空间光调制系统合二为一了。系统一下子紧凑了很多。但相位调控要求却也高了很多。系统容错率降低。图19是采用图18原理实际制得的WSS模块照片。图中S 为SLM液晶光栅调相模块，L为凸透镜，F为输入输出光纤阵列。和图9一样，由于使用空间光器件，尽管该方案相比图16已经紧凑了很多，但整体模块仍比基于PLC的WSS要大几个数量级。但是液晶调相具有无限的功能扩展能力。

4.其他WSS技术：

除了上面介绍的技术，还有许多方案可以用于WSS。因为我们知道光学原理非常多，干涉、衍射、双折射、电光、磁光、声光、热光等等，任意光学效应的排列组合都可以诞生新的应用。因此光学器件相比电子元件具有的鲜明特点就是同一功能可以有多种原理实现方案。关于WSS，前面三种是受关注最多，也可以说是主流的技术方案。当然其他方法也有很多。这里我就不多说了，只举一例，如图20所示。该方案是上海光机所的研究者提出的。该模块是通过光纤光栅（FBG）和光纤环形镜构成的。模块里的PZT是压电陶瓷，可看到光经光栅沿两个相反方向传输，在3dB耦合器处顺时针与逆时针光相遇会发生干涉，最后光是从OUTPUT端输出还是从图中的THROUGH端输出，取决于两个路径间的光程差。而PZT的作用就是调相，进而改变其中一个回路光的光程差，来实现光在两个路径间的实时切换选择。

以上是我对WSS技术的一个总结回顾。希望能让光纤在线对此感兴趣的朋友初步对WSS的发展有个了解。

光开关定义分类

1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。 2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。 3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。 4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。 今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。 目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。（应用光学2005） 常见的光开关： 1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。目前已成为一种最流行的光开关制作技术。其基本原理通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且1 个输出端口在同一时间只能和1个输入端口相连接。与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。 MEMS光开关优点：与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点, 它结构紧凑、重量轻, 且扩展性较好。 MEMS光开关特性：低插入损耗; 低串扰; 与波长、速率、调制方式无关; 功耗低; 坚固、寿命长; 可集成扩展成大规模光开关矩阵; 适中的响应速度(开关时间从100ns～10ms)。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中, 基于MEMS 技术的解决方案已是主流。 MEMS光开关分类：MEMS 光开关可以分为二维和三维光开关。二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成,光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关, 对于M×N 的光开关矩阵, 光开关具有M×N个微反射镜。二维光开关的微反射镜具有两个状态0和1(通和断), 当光开关处于1 态时, 反射镜处于由输入光纤准直系统出射的光束传播通道内, 将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤;当光开关处于0 态时, 微反射镜不在光束传播通道内, 由输入通道光纤出射的光束直接进入其对面的光纤。三维MEMS 的微镜固定在一个万向支架上, 可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的MEMS 输入微镜, 同样, 每根输出光纤也都有其对应的MEMS 输出微镜[17]。因此, 对于M×N 三维MEMS 光开关, 则具有M+N 个MEMS 微反射镜。由每根输出光纤出射的光束可以由其对应的输入微镜反射到任意一个输出微镜, 而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光纤。对于M×N 三维MEMS 光开关, 每个输入微镜有N 个态, 而输出微镜则具有M个状态。目前, Iolon 利用MEMS 实现了光开关的大量自动化生产。该结构开关时间小余5ms。Xeros 基于MEMS 微镜技术, 设计了能升级到1152×1152 的光

光开关

光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。 一、光开关与全光网络 近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。 从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。 光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。 二、光开关概述 目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。 机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开关插入损耗较低（≤2dB）；隔离度高（>45dB）；不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。机械式光开关，已经做成产品，在国内市场上主要有康顺公司生产的1×2，1×4，2×2机械式光开关，国外的主要有E-TEK,JDS,Dicon,Lightech,Oplink等公司的产品。 微电子机械光开关（MEMS）：MEMS是由半导体材料，如Si等，构成的微机械结构。它将电、机械和光集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。MEMS已广泛应用在工业领域。MEMS器件的结构很像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。从而改变输入光的传播方向。MEMS既有机械光开关的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关

光开关主流技术

光开关主流技术 北京锦坤科技有限公司w https://www.wendangku.net/doc/a55566092.html, 陈希明，周平( 重庆邮电学院光电工程学院, 重庆400065) 摘要：光开关是光网络中完成全光交换的核心器件，它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。文章重点介绍了光开关在全光网络中的应用、MEMS 光开关和 热光开关的基本工作原理及两种光开关技术的进展，并就其他光开关作了简要介绍。 关键词：全光网络；光开关；光通信.中图分类号: TN929.11 文献标志码: A 1 前言 全光网络是指上、下载的业务信号及交换过程均以光波的形式进行, 没有任何的光电及电光转换, 全部过程都在光域范围内完成[1, 2]。光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件, 随着全光网络市场的扩大, 光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能,因此光开关是全光通信许多设备中的关键光器件, 其响应速度、串音、插入损耗等性能将直接影响全光通信的质量[3- 6]。其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心[7]。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。研制全光的交叉连接OXC 和分插复用OADM设备, 成为建设大容量通信干线网络十分重要的一环。全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性[6- 8]。 2 光开关在全光网络中的应用 当前业已成熟的、且已实现商品化的微电子机械光开关和热光开关, 集中了机械式光开关和波导光开关的优点, 同时又克服了它们固有的缺点。此类光开关主要采用硅微加工技术将开关集成在单片硅基底上并能构成大规模矩阵阵列。另外, 此类开关批量生产时成本较低, 在开关损耗、串扰、消光比、开关尺寸等性能方面优势明显, 是光开关的较佳选择。 2.1 微电子机械系统(MEMS - micro - electro - mechanical-sys tems ) MEMS 是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通硅基底上集成。我国的MEMS 研究始于1989 年, 经过十几年的发展, 在多种微型传感器、微执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备, 开发出了若干小批量、多品种、高质量的MEMS 器件和系统, 目前已广泛应用于工业领域[9]。而MEMS 光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。目前已成为一种最流行的光开关制作技术。其基本原理通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且1 个输出端口在同一时间只能和1 个输入端口相连接。与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点[10- 13], 它结构 紧凑、重量轻, 且扩展性较好。MEMS 光开关的特性可概括为[14- 16]: 低插入损耗; 低串扰; 与波长、速率、调制方式无关; 功耗低; 坚固、寿命长; 可集成扩展成大规模光开关矩阵; 适中的响应速度(开关时间从100ns～10ms)。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中, 基于MEMS 技术的解决方案已是主流。MEMS 光开关可以分为二维和三维光开关。二维

Q开关NdYAG激光

KL-M型Q开关Nd：Y AG激光治疗机临床资料 一咨询 激光手术前，医生应详细向每位患者介绍疾病信息、治疗选责、风险、优势、并发症和预期结果。咨询过程中医生应注意患者的禁忌症信息。 二相关警告： 1）禁忌症 使用KL-M型Q开关Nd：Y AG激光治疗机系统祛除良性色素性病变和/或文身有禁忌症，医生针对这些禁忌症应特别注意，否则可能产生副作用。 ⊕因糖尿病蜜剂、结缔组织疾病、放疗或化疗引起的愈合障碍； ⊕对局麻、抗生素或其他药物有过敏反应； ⊕亮光引起的突发疾病； ⊕心理性神经病患者，包括酒精或滥用药物； ⊕期望不切实际的患者； ⊕无法或不愿遵循术后护理要求的患者； ⊕患有癌症或预恶性疾病的患者。 2）适应症 ⊕皮肤软组织的切割、切除、消融和汽化 ⊕ 532nm波长 ﹡祛除淡红色墨水文身﹡祛除痣 ﹡祛除微小血管性病变﹡祛除咖啡斑 ﹡脂溢性角化症 ⊕ 1064nm波长 ﹡祛除黑色和蓝色文身﹡祛除太田痣 ﹡祛除普通痣﹡祛文眉和祛老年斑 3）医生应告知患者下述可能并发症： (1)暂时性色素减退。大多数患者术后治疗部位会出现色素减退，皮肤颜色变淡。该现象是暂时性的，一般最多持续4周。然而，若进行后续治疗，则色素减退可能会持续最多8个月或更长时间。 (2)色素沉着。患者术后可能会因为愈合反应出现色素沉着的风险，该现象Nd:YAG激光不常见。如果发生此现象，可能持续6个月。建议发生色素沉着的患者每天晚上涂抹对苯二酚进行治疗，并且白天涂防晒霜( SPF >15)。 (3) 结疤。手术可能在极少数情况下引起结疤，包括肥厚性疤痕和非常少见的疤痕疙瘩。为了最大限度降低疤痕发生率，患者应该严格遵循规定进行术后皮肤护理。 (4)纹理变化。治疗过程中，患者真皮和表皮因受到激光冲击波的作用造成机械损伤。该损伤可造成皮肤部分纹理发生变化。不过，绝大多数患者皮肤在术后4-6周内恢复正常。(5)持久文身或色素。一些文身颗粒位于真皮内，无法彻底祛除。尽管进行了多次治疗，但一些患者可能因为文身中含有金属墨水颗粒而对激光照射无反应，也有一些患者可能在照射后文身发生变色。尤其是含有氧化铁的文身，开始文身可能是红色，治疗后变成了黑色。这些文身不能用激光进行治疗。一些色素性病变，例如黄褐斑，在手术治疗后可能恢复原状。重复治疗可能会对病变有所改善，也可能不会改善。 三有效预期（成功以及失败的可能性） Q开关Nd:YAG激光治疗是一种无创伤或微创伤、安全性高的治疗手段，许多患者治疗后都有很好的效果，但少数患者可能术后效果不佳。对介于二者之间的患者，应告知其具体情况，使其不要对手术效果的预期不切实际。

第五章 光开关

光开关 光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件，并广泛应用于光路监控系统和光纤传感系统。光纤通信器件包括光传输器件和光交换器件两大类。波分复用光传输器件经过近几年的努力，已日趋成熟，已有一批可供使用的产品。特别是波分复用器、波分复用光源和波分复用光放大器的巨大进步，使光传输由0-E-0转变成0-0-0，使光纤通信向全光化迈进了一大步。但是光交换器件，包括光交叉连接器（OXC）和光分插复用器（OADM），及其基础器件——光开关，基本上还是光电混合的。光开关已有一定的产品问世，但还不太成熟，有待进一步完善。 光开关在光通信中的作用有三类：其一是将某一光纤通道的光信号切断或开通；其二是将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；其三是在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）。 光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间等。有些参数与其它器件的定义相同，有的则是光开关特有的。 1．微机电开关 这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。其原理如图1和图2所示。 图1移动光纤式光开关 图2 移动反射镜式光开关 以上这两种器件体积较大，很难实现组成集成化的开关网络。 近年来正大力发展一种集成化的微机电系统（MEMS）开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。例如采用硅在绝缘层上（SOI）的硅片生长一层

多晶硅，再镀金制成反射镜，然后通过化学刻蚀或反应离子刻蚀方法除去中间的氧化层，保留反射镜的转动支架。通过静电力使微镜发生转动。图3是一个MEMS实例，它采用16个可以转动的微型反射镜，实现两组光纤束间的4×4光互连。 图3 用16个移动反射镜光开关构成的两组4×4 MEMS开关阵列 机电光开关的优点是：结构简单；插入损耗低(<2dB)；消光比高(>60dB)；隔离度好（>45dB）；而且不受偏振和波长的影响。缺点是：开关时间较长，一般为1ms-0.1ms数量级；开关结构有移动部分，因而开关寿命有限和重复性较差，有的还存在着回跳抖动等问题。 图3的MEMS可达到如下技术指标（见表1）： 2．电光开关 电光开关的原理一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应（Pockels效应）或电吸收效应（Franz-Keldysh效应）以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。表2是这两种电光材料的优质光开关器件的指标： 但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在10ns以上。主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。

波长选择开光(WSS)

技术专题：波长选择开光（WSS） 一、技术背景： 本文我将以波长选择开光（WSS）为核心，做一个技术专题，为大家系统的回顾一下WSS技术产生的原因，发展的现状和实现方式。既然以WS S为题，首先我们必须明白什么是WSS。用最简单的语言描述，WSS可以表述为用以实现动态可重构光加/减复用（ROADM）的新一代技术，具有网状架构，能支持任意端口波长任意上下行的功能。 既然WSS是新一代的ROADM技术实现方式，我们先来回顾一下ROADM的发展历程。从ROADM概念首次被提出，到商用化，再到新一代的WSS技术，整个历程可以很好的用图1描述。 图1 ROADM技术发展历程 波分复用是当前最常见的光层组网技术，通过不同波长复用后在一根光纤中传输，很容易实现Gbit/s甚至Tbit/s的传输容量，但是当前的波分复用系统，其本质上还是一个点到点的线路系统，大多数的光层组网只能通过终端站(TM)实现的光线路系统构建。ROADM概念被提出的初衷，就是要增强波分复用的灵活性，以实现不同节点信息间的交叉调度。图1中从1998年到2001年前后，是ROADM概念初步成型的阶段。图中所示的基于光交叉连接器（OXC）和光-电-光（O E O）再生器的结构，以及随后出现的基于环行器的结构和基于复用器- 开关矩阵- 解复用器（DSM）的结构是最初的实验模型。但这些系统使用分立元件构成，插入损耗大，性能不够稳定，运营成本也较高。因此，这些技术只在ROADM概念形成的初期被研究和实验，但并没有真正走入商业化。 首次商业化，也是被认为是ROADM第一代技术的是波长阻断器（WB）技术。其工作原理如图2所示。该技术通过使用功分器把全部波长的信号都按功率分为两束，一束经过WB模块，传输至下一个ROADM网络单元。另一束则传到下行支路。WB模块的作用是将需要下行的波长阻断。WB模块最常见的结构是使用解复用器-可变光衰减器（VOA）-复用器结构，即解复用后每个波长都接一个可程控的VOA，根据需要将已下行的波长衰减掉。剩余的波长在经波分复用器复用后传输到下一个网络元。图2所示的支路里，需下行的波长经解复用器分开，并使用光性能监控（OPM）来保证下行不同波长功率的均衡性。

光开关主要性能指标及各类光开关比较

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： 2、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。 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。 10lg (dB)out in P IL P =-

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： 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 10lg (dB)R in P RL P =-

光电探测器的选择

要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。 1.光电探测器 光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。 普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。 2.红外探测器 光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。 红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。 红外探测器的分类： 按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。 按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。 被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。 按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。 点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等 线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等 面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。 四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。