新型大容量光交换的关键技术和应用

　　2 大容量光交换的基石

　　可用于光交换的器件多种多样，工艺上有机械型、微机械型、波导型等，原理上有空间光学型、衍射光学型、导波光学型，物理效应上有电光型、磁光型、热光型、成像型等[8]。因此，与电交换技术相比，光交换展示出技术的多样性，带来了学术研究的繁荣，但也增添了市场定型的困境。既然节点容量是网络"瓶颈"，多端口的光交换器件-- 矩阵光开关就是大容量光交换之基石。在此，本文选取3 种代表性多端口光交换器件予以介绍。

　　2.1 微机电光开关

　　MEMS 是矩阵光开关的一座高峰。如前所述，1999 和2000 年，人们将硅基微电机系统工艺技术用于矩阵光开关，它由一系列可转动的微反射镜组成，通过静电力或其他控制力使微反射镜发生机械转动，改变每一路输入光束的传播方向，从面实现矩阵光开关功能。

　　二维MEMS 微反射镜呈平面方阵排列，因高斯光束光程的限制，微反射镜的平面方阵数量受到限制，端口数也受到限制（如32×32），扩展性也受到限制（反射镜是端口数的平方）。

　　于是，人们转而发明了三维光路。三维MEMS 光开关包含两个由二维微反射镜组成的方阵，每个微反射镜都具有两个自由度，能沿着两个维度的轴多角度地精确旋转，微反射镜和光纤不需要束缚在一个平面位置内，因此只需要在N 个输入光纤和N 个输出光纤之间使用2N 个微反射镜，就能实现N ×N 矩阵化光开关功能[9]。在保证低的插入损耗（缩短了光程）的前提下，可以达到几千个端口，目前已知所报道的端口数量达到1 152×1 152 甚至更高。

　　2.2 循环阵列波导光栅

　　与空分光开关（如MEMS）不同，循环阵列波导光栅（CAWG）是基于波长的交换器件。1988 年荷兰Delf大学M. K. Smit 教授将相位波导光栅（AWG）用于波分复用和解复用。1991 年贝尔实验室C. Dragone 将AWG的概念从1×N 推广到N×N ，称之为AWGR 路由器或循环阵列波导光栅（CAWG），目前有32×32 CAWG 商用产品，以自由谱宽度为周期，每端口可以支持32 个波长（或32 倍数），端口数可进一步增加（如80×80）[10]。

　　但是，CAWG 基于角色散原理，需要与可调谐波长变换器（TWC）配合，才能实现基于频域的空分光交换功能。CAWG 是无源光器件，不消耗能量，其交换态是由波长变换器所决定的。

　　2.3 波长选择开关

　　与单纯的空分光开关（如MEMS）或频域光开关（如CAWG）不同，波长选择开关（WSS）能够同时支持基于空间端口的任意波长的动态配置，即具有波长选择的空间交换能力。可以说，WSS 的发明是光交换技术的一次伟大创举，为光联网带来了更多的灵活性。