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摘要綜述j光控光開關的發(fā)展狀況以及它在未來全光網(wǎng)絡中的應用；分析了幾種典型的光控光開關實現(xiàn)方案的結構及原理；詳細論述j光控光開關在全光網(wǎng)絡中的各種應用，并通過分析和論述指出光控光開關將在未來的太容量奎光網(wǎng)絡中發(fā)揮關鍵作用。

關鍵詞光開關非線性光學環(huán)路鏡全光網(wǎng)

中圖分類號TN253 文獻標識碼A

1前言

新型光開關主要分為電控光開關和光控光開關兩類。電控光開關有移動光纖式，各種形式的波導開關、熱光開關、液晶光開關、聲光光開關、MEMs光開關等等，以及由以上電控光開關構成的開關系統(tǒng)都是電開關矩陣，這意味著輸入的控制光信號要先變換成相應的電信號，才能對開關進行控制，不便于壘光網(wǎng)使用。*具發(fā)展?jié)摿Φ倪€是光控光開關，使用光控光開關是全光網(wǎng)的發(fā)展方向，盡管在目前大多數(shù)光控光開關還處于實驗室開發(fā)階段，相信不久將會生產(chǎn)出滿足核心光網(wǎng)絡所需交換密度的全光開關?，F(xiàn)在光控光開關已經(jīng)提出了多種方案，其中比較成熟的有非線性光學環(huán)路鏡NOLM和TAOD以及sOA等。

本文在分析各類光控光開關的結構及原理的基礎上，論述了光控光開關的發(fā)展現(xiàn)狀和應用范圍，并闡明了它在全光網(wǎng)中的應用前景。

2光控光開關的幾種實現(xiàn)方案

2．1 基于半導體光放大器soA光開關

基于半導體光放大器SOA的光開關有兩種基本結構，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+當輸入信號光(強光)變化時，sOA對連續(xù)光增益隨之變化，從而改變輸出光的光平。這種邏輯門結構簡單，可達40Gb／s的速率，但缺點是消光比較差，有自發(fā)輻射噪聲，信噪比較低，難于級聯(lián)。
在sOA．xPM型中，當輸入信號光變化時，改變sOA的折射率，從而改變兩個臂的相位差，經(jīng)干涉后改變輸出光的光平。這種結構比前一種的消光比有所改善，可達15dB，但sOA本身的噪聲特性仍然比較大，噪聲指數(shù)可達8～10dB，因與光纖耦臺較難，凈增益相對比EDFA小，不利于多級級聯(lián)。在實際構成Oxc時，其輸入端和輸出端仍需另加兩個EDFA，導
致總體積增大。而且在sOA中，xPM與xGM是同時存在的，控制光在引起相位變化的同時，幅度也隨之變化，這將導致干涉效果不穩(wěn)定。

2．2非線性級聯(lián)定向耦臺器全光開關

這類光開關是由多個定向波導耦臺器級聯(lián)而成，其結構如圖1，后面的級聯(lián)耦臺器通過整形來改善耦合器cl的輸出波形。這種級聯(lián)的耦臺器能實現(xiàn)包括與門、或門、非門、異或等許多復雜的邏輯操作功能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。當偏置光功率P2注入B端口同

時功率分別為P兒、P12的兩束信號光注入A端口，級聯(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端口而將兩柬信號光注入B端口，級聯(lián)耦合器能夠用作與或門和或非門。定向波導耦合器還可以作為光功率穩(wěn)定器和光學限幅器o]。實際上由于產(chǎn)生非線性耦臺需要的光功率極大，目前還不可能走向實用。

2．3非線性光纖環(huán)路鏡(NoLM)

圖2為NOLM光開關的結構示意圖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，連接耦臺器兩臂的光纖環(huán)路，將控制脈沖引入導出環(huán)路的波分復用(wDM)耦合器和偏振控制器(Pc)。光纖環(huán)路作為克爾介質，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輸入信號光在端口3、4分成具有等強度的相反方向傳輸?shù)膬墒?，并沿?/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。如果通過波分復用(wDM)耦合器順時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域上相互重疊的那部分脈沖信號光將經(jīng)歷更大的非線性相移。這樣導致兩個方向上脈沖信號光產(chǎn)生相位差，從而使NOLM輸出端有輸出，實現(xiàn)了開關操作。根據(jù)控制光與信號光波長與偏振方向的關系，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。前者結構簡單，開關速度快，開關能量低(<10“)，但級聯(lián)不方

便，不利于集成化。后者級聯(lián)相對比較方便，利于集成，但偏振控制復雜，控制光對相移的貢獻小。

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

TOAD是一種基于NOLM的光開關，它由NOLM衍生而來，是一種優(yōu)良的高速光解復用器，故此得名。它與NOLM的區(qū)別在于在光纖環(huán)中非對稱地布置了一個半導體光放大器(sOA)，當一個光脈沖由端口l注入環(huán)路，等分成沿順時針和逆時針方向

傳輸?shù)膬蓚€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sOA時存在時間差，它們通過sOA時將改變sOA的增益和折射率，這時兩個環(huán)向的信號光由于SOA的非對稱布置而產(chǎn)生了相位差。兩束脈沖在環(huán)路中運行一周后，回到耦合器時將發(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具有低的開關功率和大的開關窗口.

3光控光開關的應用及發(fā)展

全光網(wǎng)的關鍵技術是wDM傳輸技術和全光交換技術，在這兩方面，光開關都起著重要作用。在wDM傳輸技術中，波長切換．波長適配，光定時的提取，光碼流再生，光RZ碼與NRz碼的轉換等功能，將需要多種不同類型的光開關來完成。在wDM全光交換技術中，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所必需的波長交

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

隨著光網(wǎng)絡規(guī)模的迅速擴展，光傳送網(wǎng)的作用從原來的大容量帶寬傳送轉變?yōu)樘峁┒说蕉说姆者B接，如何支持這種光網(wǎng)絡是我們面臨的主要問題，其實質就是如何把相對粗顆粒的wDM技術和光交換技術的優(yōu)勢結合起來，形成一個大吞吐量的光網(wǎng)絡平臺來有效地支持各種業(yè)務。據(jù)預測，在21世紀初，通信的發(fā)展趨勢將改變現(xiàn)存的交換體制，更多采用在光鲆上直接進行IP通信，即IP over Optics。一個通信網(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wDM網(wǎng)的波長、路由及功率等進行管理，對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。這就需要對每路碼流的目的地址、信息特征(通常稱之為“信頭”)進行識別和處理。屆時，光交換機的功能被光路由器所取代，這是因為分散于網(wǎng)上各節(jié)點的路由器，不僅可以充分發(fā)揮光纖極寬帶寬的優(yōu)勢，而且可以把交換局的巨額投資降下來，使組阿更加靈活。在光路由器當中對光碼流的信頭或信元的識別與處理，將是一個關鍵的技術問題?，F(xiàn)存的必須光電轉換后才由電子器件處理的技術，顯然不能適應未來發(fā)展的需要。

沒有光域中直接對光信號進行識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離不開光開關。

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

3．1邏輯功能

上面介紹的所有光控光開關實現(xiàn)方案均能實現(xiàn)一定的邏輯功能。NOLM也能實現(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可以用作一個與門，只有當l、5端口都有光脈沖時，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可以用作一個異或門，當5、6端口中一個有光脈沖時，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可以用作一個非門。沒有見到用NOLM實現(xiàn)或門的報道。

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利用，提高網(wǎng)絡管理的靈活性，常常在全光網(wǎng)中采用波長轉換來實現(xiàn)虛波長通道。可咀利用半導體光放大器(sOA)中的xGM和xPM[“列或NOLM進行壘光波長轉換o“∞。基于sOA的波長轉換由于sOA中的載流子生存壽命相對較低，變換后的信號消光比較小，使變換速度受到限制。利用NOLM進行全波長變換可以實現(xiàn)比特率透明的波長變換，輸出信號的消光比與輸入信號相比有所改善，***長變換間距大于35nm[1”。

3．3解復用和時鐘提取

隨著近年來光時分復用技術的迅速發(fā)展，復用信號的碼率已經(jīng)可達100Gb／s以上，由于電子“瓶頸”的存在，用傳統(tǒng)的電學復用方法實現(xiàn)解復用和時鐘提取變得越來越困難，利用全光光開關可以實現(xiàn)解復用功能。許多學者在NoLM方面做了大量理論和實驗工作，井在實驗室實現(xiàn)了超高速解復用“”“]。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。高能量超短脈沖會產(chǎn)生其它非線性效應而引起時間抖動，并且還要采取措施補償控制脈沖和信號脈沖的走離咀及群速度色散(GVD)。由于NOLM的固有特點使之很難集成，因此人們紛紛尋求可用于集成的具有商業(yè)價值的解復用器件。J．P．sok010“[“1在環(huán)形鏡中插入一非線性光學器件(NLE)提出了太赫茲光非對稱解復用器(TOAD)的構想，引起了廣泛的關注‘?1”。盡管許多學者提出了各種光控光開關的解決方案，而且其理論也已基本成熟，但光控光開關距實用化還有一段距離，其穩(wěn)定性還有待進一步提高。目前還有許多問題需要解決，如偏振控制、開關速率、級聯(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用。因此，開發(fā)適應不同需要的光

開關并推進其實用化進程是實現(xiàn)全光互聯(lián)網(wǎng)的必要條件。

4結論

總之，光網(wǎng)絡的擴大，使得光開關技術的發(fā)展和市場的崛起。由于光網(wǎng)絡容量的持續(xù)擴展，電控光開關已不適應高速通信網(wǎng)的要求，開發(fā)高速高性能的光控光開關已成必然，光控光開關將在未來的大容量光網(wǎng)絡中發(fā)揮關鍵作用，并為光開關生產(chǎn)廠家?guī)碚T人的市場機會。

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