光交换基本器件研究：反法西斯战争时期的中国与世界-太平洋战争

9．1．3　光交换基本器件

光交换的实现有赖于各种光交换器件的正常工作。光交换基本器件包括光开关、光波长转换器、光存储器、光调制器和光滤波器等。

1．光开关

光开关是完成光交换最基本的功能元件。光开关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。光开关的类型很多，主要分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关靠光纤或者光学元件移动，使光路发生改变。非机械式光开关依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变。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。

衡量各种光开关性能的指标有：插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关响应速度、开关时间和功耗等。

目前常用的光开关有以下几种：微机械光开关、耦合波导开关、热光开关、硅衬底平面光波导开关、液晶光开关和全息光开关等。随着新技术的发展，将有更多类型的光开关出现。

2．光波长转换器

全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网中的关键器件。它把带有信号的光波从一个波长转换成另一个波长输出，波长转换是解决相同波长争用同一个端口时发生阻塞的关键。

波长转换器有直接波长转换和外调制器波长转换两种。直接波长转换是光/电/光转换，如图9．1（a）所示。将波长为λ_i的输入光信号，由光电探测器转变成电信号，然后再驱动一个波长为λ_o的激光器，使得输出光信号的输出波长为λ_o。直接转换利用激光器的注入电流随承载信息的信号而变化的特性，少量电流的变化就可以调制激光器的光频（波长），通过不同信号的注入电流可以产生不同波长的信号输出。

图9．1　光波长转换器结构示意图(www.xing528.com)

利用外调制器实现间接的波长转换如图9．1（b）所示。它是在外调制的控制端施加适当的直流偏置，使得波长为λ_i的输入光调制成波长为λ_o的输出光。

激光外调制器采用具有光电效应的某些特定材料制造，是最重要的一类外调制波长转换器。激光外调制器采用的材料包括半导体、绝缘晶体和有机聚合物。其中最常见的是采用钛扩散的铌酸锂LiNbO₃波导构成的M－Z干涉型外调制器。在半导体中，相位滞后的变化受到随注入电流而变化的折射率的影响。在晶体和各向异性的聚合物中，利用光电效应，即电光材料的折射率随施加的外电压而变化，从而实现对激光的调制。

3．光存储器

光存储器是时分光交换系统的关键器件，它可以实现光信号的存储，以进行光信号的时隙交换。目前常用的光存储器有双稳态激光二极管和光纤延迟线两种。双稳态激光器可以用作光缓存器，但是它只能按位存储，而且还需要解决高速化和容量扩充等问题。光纤延迟线利用光信号在光纤中传播时存在延时的特性，用不同长度的光纤作为介质来延迟输入光信号，实现将信号瞬时存储在不同长度光纤构成的延迟线单元中，存储时间的长短与光纤长度成正比。光纤延迟线是无源器件，比双稳态存储器稳定，所以在时分、频分和ATM光交换系统中应用广泛。光纤延迟线的缺陷是由于长度固定导致灵活性差。

4．光调制器

光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。国内外光调制器技术已经取得很大的进展，其性能不断提高，不仅大大提高了速率，增大了带宽，还增加了集成密度。此外，随着光调制器技术的不断提高，还开发出不少新型光调制器件和集成模块。目前，10 Gbit/s速率的光调制器已经成熟，40 Gbit/s的光调制器已经成为主流。

在各种调制器技术中，铌酸锂（LiNbO₃）光电调制器、马赫－曾德尔（Mach－Zehnder，M－Z）调制器和电吸收调制器是几种主要的竞争技术。铌酸锂光调制器是高速光通信系统中最有前途的器件，一直是国内外研发的热门器件。目前国际上铌酸锂光调制器的调制带宽已经达到100 GHz以上，一些新型的铌酸锂调制器也已经被开发出来。

5．光滤波器

光滤波器在WDM系统中是一种重要器件，与波分复用有着密切关系，用来进行波长选择。它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而且滤除所需波长之外的其他波长光信号。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡和光复用/解复用等。

光滤波器的类型主要有两种：基于干涉原理的滤波器和基于光栅原理的滤波器。其中，基于干涉原理的滤波器包括熔锥光纤滤波器、法布里－帕罗（F－P）滤波器、多层介质膜滤波器、马赫－增德尔（M－Z）干涉滤波器等；基于光栅原理的滤波器包括体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器、光纤光栅滤波器和声光可调谐滤波器等。