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摘要综述j光控光开关的发展状况以及它在未来全光网络中的应用；分析了几种典型的光控光开关实现方案的结构及原理；详细论述j光控光开关在全光网络中的各种应用，并通过分析和论述指出光控光开关将在未来的太容量奎光网络中发挥关键作用。
关键词光开关非线性光学环路镜全光网
中图分类号TN253 文献标识码A
1前言
新型光开关主要分为电控光开关和光控光开关两类。电控光开关有移动光纤式，各种形式的波导开关、热光开关、液晶光开关、声光光开关、MEMs光开关等等，以及由以上电控光开关构成的开关系统都是电开关矩阵，这意味着输入的控制光信号要先变换成相应的电信号，才能对开关进行控制，不便于垒光网使用。*具发展潜力的还是光控光开关，使用光控光开关是全光网的发展方向，尽管在目前大多数光控光开关还处于实验室开发阶段，相信不久将会生产出满足核心光网络所需交换密度的全光开关。现在光控光开关已经提出了多种方案，其中比较成熟的有非线性光学环路镜NOLM和TAOD以及sOA等。
本文在分析各类光控光开关的结构及原理的基础上，论述了光控光开关的发展现状和应用范围，并阐明了它在全光网中的应用前景。
2光控光开关的几种实现方案
2．1 基于半导体光放大器soA光开关
基于半导体光放大器SOA的光开关有两种基本结构，一种是利用它的增益饱和特性，称为sOA—xGM型；另一种利用它的交叉相位调制特性，称为sOA—xPM型，在sOA—xGM型中+当输入信号光(强光)变化时，sOA对连续光增益随之变化，从而改变输出光的光平。这种逻辑门结构简单，可达40Gb／s的速率，但缺点是消光比较差，有自发辐射噪声，信噪比较低，难于级联。
在sOA．xPM型中，当输入信号光变化时，改变sOA的折射率，从而改变两个臂的相位差，经干涉后改变输出光的光平。这种结构比前一种的消光比有所改善，可达15dB，但sOA本身的噪声特性仍然比较大，噪声指数可达8～10dB，因与光纤耦台较难，净增益相对比EDFA小，不利于多级级联。在实际构成Oxc时，其输入端和输出端仍需另加两个EDFA，导
致总体积增大。而且在sOA中，xPM与xGM是同时存在的，控制光在引起相位变化的同时，幅度也随之变化，这将导致干涉效果不稳定。
2．2非线性级联定向耦台器全光开关
这类光开关是由多个定向波导耦台器级联而成，其结构如图1，后面的级联耦台器通过整形来改善耦合器cl的输出波形。这种级联的耦台器能实现包括与门、或门、非门、异或等许多复杂的逻辑操作功能L1]．非线性耦合器的输出功率取决于耦合长度，初始相位差和输入功率。通过改变这些参数就能获得不同的输入输出特性。当偏置光功率P2注入B端口同
时功率分别为P儿、P12的两束信号光注入A端口，级联耦合器能够用作与门和或门；相反，如果将偏置光功率P2注入A端口而将两柬信号光注入B端口，级联耦合器能够用作与或门和或非门。定向波导耦合器还可以作为光功率稳定器和光学限幅器o]。实际上由于产生非线性耦台需要的光功率极大，目前还不可能走向实用。
2．3非线性光纤环路镜(NoLM)
图2为NOLM光开关的结构示意图D]，它是根据光纤的sagnac干涉原理制成，其中包括功率耦合比为50：50的2×2耦合器，连接耦台器两臂的光纤环路，将控制脉冲引入导出环路的波分复用(wDM)耦合器和偏振控制器(Pc)。光纤环路作为克尔介质，非线性作用(交叉相位调制)就在其中完成。如不加控制光，从图中的NOLM端口l输入信号光在端口3、4分成具有等强度的相反方向传输的两束光，并沿光纤环路绕行一周反射回1端口，2端口(NOLM的输出端)完全没有输出，就象全反射镜一样。如果通过波分复用(wDM)耦合器顺时针方向引入控制光脉冲到光纤环路中，由于交叉相位调制，与控制光同方向传输并在时域上相互重叠的那部分脉冲信号光将经历更大的非线性相移。这样导致两个方向上脉冲信号光产生相位差，从而使NOLM输出端有输出，实现了开关操作。根据控制光与信号光波长与偏振方向的关系，一般将NoLM分为两类：一是波长不同，偏振方向相同；二是波长相同，偏振方向正交。前者结构简单，开关速度快，开关能量低(<10“)，但级联不方
便，不利于集成化。后者级联相对比较方便，利于集成，但偏振控制复杂，控制光对相移的贡献小。
2．4 ToAD(Te珀hertz opticaI Asymmetric Demul—tipkxer)
TOAD是一种基于NOLM的光开关，它由NOLM衍生而来，是一种优良的高速光解复用器，故此得名。它与NOLM的区别在于在光纤环中非对称地布置了一个半导体光放大器(sOA)，当一个光脉冲由端口l注入环路，等分成沿顺时针和逆时针方向
传输的两个光脉冲。由于sOA位置稍稍偏离环路中心，使得这两相向传输的脉冲到达sOA时存在时间差，它们通过sOA时将改变sOA的增益和折射率，这时两个环向的信号光由于SOA的非对称布置而产生了相位差。两束脉冲在环路中运行一周后，回到耦合器时将发生干涉。如果相位差为”，则从2端口输出，否则，从l端口反射。TOAD具有低的开关功率和大的开关窗口.
3光控光开关的应用及发展
全光网的关键技术是wDM传输技术和全光交换技术，在这两方面，光开关都起着重要作用。在wDM传输技术中，波长切换．波长适配，光定时的提取，光码流再生，光RZ码与NRz码的转换等功能，将需要多种不同类型的光开关来完成。在wDM全光交换技术中，用于光交叉连接的光交换矩阵，控制交叉连接的全光逻辑以及选择波长路由时所必需的波长交
换．都离不开光开关。因此，光开关是全光网的基本器件之一，也是当前阻碍垒光网发展的关键技术之一。
随着光网络规模的迅速扩展，光传送网的作用从原来的大容量带宽传送转变为提供端到端的服务连接，如何支持这种光网络是我们面临的主要问题，其实质就是如何把相对粗颗粒的wDM技术和光交换技术的优势结合起来，形成一个大吞吐量的光网络平台来有效地支持各种业务。据预测，在21世纪初，通信的发展趋势将改变现存的交换体制，更多采用在光鲆上直接进行IP通信，即IP over Optics。一个通信网的新的层面——“光传送网”已经形成。国际电联ITu—T的G．872建议规
定，光传送网的功能是对wDM网的波长、路由及功率等进行管理，对每路传送的码流分配波长，选择路由，以便充分使用好有限的波长资源。这就需要对每路码流的目的地址、信息特征(通常称之为“信头”)进行识别和处理。届时，光交换机的功能被光路由器所取代，这是因为分散于网上各节点的路由器，不仅可以充分发挥光纤极宽带宽的优势，而且可以把交换局的巨额投资降下来，使组阿更加灵活。在光路由器当中对光码流的信头或信元的识别与处理，将是一个关键的技术问题。现存的必须光电转换后才由电子器件处理的技术，显然不能适应未来发展的需要。
没有光域中直接对光信号进行识别与处理的光逻辑门，就不可能有全光IP通信，而全光逻辑门的基础离不开光开关。
现在各种类型的光控光开关已经可以用来实现多种复杂功能，如各种逻辑门、波长转换、解复用功能、信号再生、时钟提取“⋯、信号码型变换(如Rz和NRz码的转换)以及信头识别和处理m1等。尤其NOLM和在其基础上衍生而来的TOAD，不但简单稳定而且具有低的开关功率，能做成比较理想的波长转换器、解复用器等。
3．1逻辑功能
上面介绍的所有光控光开关实现方案均能实现一定的逻辑功能。NOLM也能实现多种逻辑功能m“，如图2所示。如果将l、5端口作为输入端口，则NOLM可以用作一个与门，只有当l、5端口都有光脉冲时，2端口才有输出，否则2端口将无输出；如果将5、6端口作为输入端口，1端口保持一直有光脉冲，则NoLM可以用作一个异或门，当5、6端口中一个有光脉冲时，2端口才有输出，否则2端口将无输出；同样如果保持1、6端口一直有光脉冲，则NOLM可以用作一个非门。没有见到用NOLM实现或门的报道。
3．2波长变换
为了防止波长阻塞，使有限的波长资源得以重复利用，提高网络管理的灵活性，常常在全光网中采用波长转换来实现虚波长通道。可咀利用半导体光放大器(sOA)中的xGM和xPM[“列或NOLM进行垒光波长转换o“∞。基于sOA的波长转换由于sOA中的载流子生存寿命相对较低，变换后的信号消光比较小，使变换速度受到限制。利用NOLM进行全波长变换可以实现比特率透明的波长变换，输出信号的消光比与输入信号相比有所改善，***长变换间距大于35nm[1”。
3．3解复用和时钟提取
随着近年来光时分复用技术的迅速发展，复用信号的码率已经可达100Gb／s以上，由于电子“瓶颈”的存在，用传统的电学复用方法实现解复用和时钟提取变得越来越困难，利用全光光开关可以实现解复用功能。许多学者在NoLM方面做了大量理论和实验工作，井在实验室实现了超高速解复用“”“]。但NoLM利用了交叉相位调制(xPM)这一光纤中很弱的非线性现象，需要很长的保偏光鲆或高能量脉冲。高能量超短脉冲会产生其它非线性效应而引起时间抖动，并且还要采取措施补偿控制脉冲和信号脉冲的走离咀及群速度色散(GVD)。由于NOLM的固有特点使之很难集成，因此人们纷纷寻求可用于集成的具有商业价值的解复用器件。J．P．sok010“[“1在环形镜中插入一非线性光学器件(NLE)提出了太赫兹光非对称解复用器(TOAD)的构想，引起了广泛的关注‘⋯1”。尽管许多学者提出了各种光控光开关的解决方案，而且其理论也已基本成熟，但光控光开关距实用化还有一段距离，其稳定性还有待进一步提高。目前还有许多问题需要解决，如偏振控制、开关速率、级联特性、可集成化、稳定性等，且还没有一种光逻辑门能满足各种不同的应用。因此，开发适应不同需要的光
开关并推进其实用化进程是实现全光互联网的必要条件。
4结论
总之，光网络的扩大，使得光开关技术的发展和市场的崛起。由于光网络容量的持续扩展，电控光开关已不适应高速通信网的要求，开发高速高性能的光控光开关已成必然，光控光开关将在未来的大容量光网络中发挥关键作用，并为光开关生产厂家带来诱人的市场机会。
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