热光光开关技术及其器件

深圳电信 孙嵘

　　光开关是光交换的核心器件,也是影响光网络性能的主要因素之一。光开关作为新一代全光网络的关键器件,主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。依据不同的光开关原理,光开关的实现方法有：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关等。由于热光开关可以集成在玻璃波导上,没有可移动的部分,近年来在热光开关的研究上取得了不少进展和重大成果。本文将介绍几种较为成熟的利用热光效应制作的光开关器件。

一、热光效应开关原理

　　热光效应光开关的原理十分简单,即通过改变交换介质的波导折射率,实现交换目的。热光技术一般用于制作小型光开关。典型的如1×1、1×2、2×2等,更大的光开关可由1×2光开关元件在同一晶片上集成--planar lightguide circuit (PLC) technology集成光器件（平面电路）,即微型光和电元件集成在同一个硅基片上构成的。

　　热光开关主要有两种基本类型：数字型光开关（DOS：Digital optical switches）和干涉型光开关(Interferometric switches)。干涉型光开关具有结构紧凑的优点,缺点是对波长敏感,因此,通常需要进行温度控制。这两种光开关都是在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构,然后,再在波导上蒸镀金属薄膜加热器。光信号的交换由分布于聚合体堆中的薄膜加热元素控制。当电流通过加热器时,金属薄膜通电发热,改变了波导分支区域内的热量分布,导致其下面的波导的折射率发生变化,这样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导,从而实现光的开关动作。

　　热光开关使用的波导材料在开始阶段经常采用Si或SiO2,而现在人们则把更多的研究转向了聚合物波导,这主要是由于聚合物的导热率很低,而热光系数却很高；插入损耗一般为3-4dB,消光比为20dB左右。热光开关交换速度依赖于对材料的加热时间。聚合物光开关交换时间大约是几个毫秒,Si材料光开关通常更慢,大约6-8ms。
A、数字型光开关

　　当加热器温度加热到一定温度,开关将保持固定状态。最简单的设备 1×2光开关,称为Y型分支热光开关。当对Y型的一个臂加热时,它改变折射率,阻断了光线通过此臂。数字型光开关可由硅或聚合物制造。聚合物比硅具有更低的功耗和更高的光损耗。

　　Y型分支器是在硅基底或SiO2基底上生成矩形波导,微加热器由Ti或Cr在波导分支表面沉积而成,金属层一般采用光刻法或湿式化学刻蚀,为减小在水平方向的热传播,电极旁的SiO2层非常薄。当其中一个分支上的加热器通电时,在该加热器下面的波导的折射率减小,相应的,光功率被转向另一分支,即处于开的状态。同时,在有源加热器的分支则处于关的状态。

B、干涉仪型光开关

　　干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型Mach-Zehnder interferometer (MZI),利用光相位特性实现光开关。输入光被分为两束,通过两个分开的波导,再合并。其中一个波导被加热改变其光程。当两条路径长度相同时,光通过其中一个出口,当长度不同时,光线通过另一个出口。由于Si的导热系数较大,加热器的距离至少要100微米,这样才不会影响到相邻的开关。MZI型光开关结构如图1所示。它包括一个MZI和两个3dB耦合器,两个波导臂具有相同的长度,在MZI的干涉臂上,镀上金属薄膜加热器形成相位延时器,波导一般生成在硅基底上,硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时,输入信号经过两个3dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出,在直通的输出端口发生相干相消,如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移,则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出,而在交叉端口发生干涉相消,从而通过控制加热器可实现开关的动作。

　　以1×2和2×2光开关单元为基础,其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可通过这两种最基本的光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成,有多种组网方式。4× 4交叉连接矩阵内部的一种结构如图2所示。它由24个1×2开关单元组成严格无阻塞的8×8光开关矩阵。

二、NTT公司的产品

　　NTT Electronics Corporation (NEL)在热光技术上研发时间较长,有成熟的产品。NEL's的热光开关主要采用M-Z干涉仪型结构。现有的产品包括8×8 optical matrix switch和8-arrayed 2×2 optical switch等。普遍体积较小,能耗比微机械光开关或O/E-SW-EO等形式的光开关低。驱动电压在+5V TTL-level就可以实现。
该公司热光开关的特点是采用双MZI串联的开关单元代替传统的单MZI型开关单元,只需用8级开关单元就构成了无阻塞的8×8开关矩阵。同时,NTT公司16×16热光开关已经商用,它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件。

　　该8×8光开关模块产品具备8个输入/输出端口,支持8个输入波长和8个输出波长的交换。NTT打算发展256×256的光开关模块,该方案仍为8个输入和输出端口,但每端口支持32个波长,通过配置在2个子架的32块板实现波长路由的交换。

A、8 × 8 Optical Matrix Switch

B、 8-Arrayed 2×2 Optical Switch

C、2-Arrayed 1× 8 Optical Switch

三、Lynx Photonic Networks (Calabasas Hills, CA)公司的产品

　　2001年第四季度,Lynx发布了基于热光开关技术的PCSS (The photon photonic communications subsystem)系列产品,包括The Photon 8×8光开关等；16×16、32×32的产品正在研发中。

　　Lynx 的The Photon 8×8 PCSS光开关是由128个1×2热光开关构成的,该光开关是一种silica-on-silicon switches材料结构。具有严格无阻塞特性,能支持广播功能,交换时间小于2ms,极化损耗小于0.4dB,插入损耗小于1dB。

　　该光开关支持骨干网中从OC-48（2.5Gb/s）, OC-192（10Gb/s）到 OC-768（40Gb/s）的光信号的交换。具备8个输入口和8个输出端口,每个端口均支持1~12个波长,能实现动态的波长路由选择。

　　Lynx计划于ECOC October,2002展出其the Photon.16x16 PCSS光开关产品。该产品同样可用于2.5Gb/s以上骨干网环境下应用,如全动态的可重构的OADM或OXC等。交换时间小于2 ms,可以实现1：1、1+1、1：N的保护方式,以适应网络保护和恢复中严格的要求。Lynx还计划在两年内实现32×32的光开关产品。

　　总结：热光效应光开关是目前研究较多,应用价值较高的一种光开关技术。与机械式光开关相比,具有稳定性好,尺寸小,易于集成,适合大规模生产。可以预计,伴随全光网络的发展及OADM、OXC的应用需求,高性能的基于热光技术的光开关产品将在光网络中得到越来越广泛的应用。

摘自《光电产品世界》