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2005年前的光开关市场与前景
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The Trend of Optical Switch Market
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■信息产业部电子第44所 孙志君
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由于通信带宽需求急剧增长，发展全光网络技术变的日益迫切。随着微电子集成电路技术、微机械加工技术和微光学技术的迅速发展和相互结合已导致了新一代全光学开关技术的出现，从而将最终实现全光开关的低成本、大容量和高速数据、声音和视频图像的光通信网络，使这一领域产生革命性的变革。
激烈的市场竞争
正如密集波分复用（DWDM）技术使目前光通信网络容量剧增一样，光开关和光互连将会大大提高传输干线和局域网络的传输容量，并大幅度降低其成本。
目前的光通信网络传输采用的是光学-电学-光学（OEO）的模式，即把光信号先转换成为电信号，经传输后再还原成光信号，从而导致了昂贵的系统成本。有关专家指出，采用全光开关这样的新型光网络系统技术可节约70%的费用，同时还可高速传输大量的数据、声音和视频信号，大大提高网络系统的通信容量。因此，各有关厂商都看准了其广阔的市场前景，纷纷投资进行开发和生产，竞争变得极为激烈。据美国KMI公司提供的研究报告，仅2000～2001年间，全世界就有141家以上的公司投资发展全光开关技术，其投资额达近30亿美元。
各公司厂家采用的技术途径 这种全透明的开关技术以光学形式控制通过网络干线进入各局域网的所有光信号，但需要极为复杂的管理软件。采用这种技术可取代目前标准光学网络/同步数字体系管理，取消互连使用的电学转换模式。各公司厂家采用的实施方案主要有：微机电系统（MEMS），平面光波导电路（PLC），喷墨气泡，液晶系统，电全息成像技术和热电技术。
1. MEMS系统
这是目前全世界都十分关注的新技术，在短短的几年时间内已发展了几种全光开关技术。
作为一种全光开关，由于具有可移动的反射表面或反射镜，可通过施加电或热变化方法改变其反射角，光波长对准反射面按指令让光子通过，或把光信号分流到另一个端口。目前处于发展中和已提供使用的MEMS开关结构有两种：机械型MEMS开关和微射流型光开关。前者采用的是机械反射镜阵列，其反射镜配置可为二维或三维的阵列，仅反射镜数可多达数十万或上百万个，其格式为N2，即N
N，例如可为8 8，32 32，64 64，甚至可实现1024 1024，可单片集成。微射流开关则无任何可移动部件。施加给MEMS芯片上的控制信号确定各反射镜的位置引导入射光信号到达所需的输出口，这种精确控制方法使通过开关引起的光功率损耗减到最小。图2就是8
8互连的二维微反射镜阵列。这种反射镜只可在两个位置移动工作，即上下和侧-侧，Cronos集成系统公司发展的就是这种二维开关。再就是贝尔实验室和新泽西州Lucent技术公司发展的三维（3-D）256
256开关，如图3所示，这是由二轴微透射镜、光纤/透镜阵列和引导光信号从入口到出口的折叠式反射镜阵列。绝大多数公司都采用微反射镜阵列途径实现全光开关工作。
2.平面光波电路（PLC）光开关
平面光波电路（PLC）光开关是一种平面波导型开关。这是用集成电路工艺淀积材料层，经腐蚀后形成光子分流和通过的信道。信道壁材料按指令反射光子信号，不需任何移动部件即可完成。
这种平面波导型开关有两种：热-光开关和全内反射型开关。
2.1 热光开关
热光开关是利用硅波导的热感应折射变化制作的，其Machzehnder干涉计（MZI）是由二个3dB定向耦合器和二个波导臂组成的，臂上还有一个用作热光相移位器的薄膜加热器。未受热时这种单元结构处于分叉态，当受热时，即对热光移相器加上加热功率时，开关为条形状完成开关功能。其开关时间小于4ms。适用于大多数波分复用（WDM），如插/分复用或互连开关。可实现N
N的这种矩阵开关。
2.2 全内反射开关
利用在交叉波导中制作的槽里内反射可实现大型的光波电路（PLC）开关。通过使受热的折射率匹配油移动，即加热使槽内油产生气泡实现开关功能。在波导的交叉点上垂直形成窄矩形槽，槽内封入少量折射率匹配油，薄/膜金属加热器淀积在槽的端上，槽上封盖玻片。这是通过热毛细现象来控制槽内油的位置实现开关的。当油在波导交叉点时，信号直通沟槽，通过对油附近的加热器施加电压使油移动，一旦油移到另一侧，在不施加电功率的情况下油的位置保持不变。当油不在交叉点时，信号被沟槽壁的全部反射到交叉波导开关。这种波导的光学特性好，光损耗低，宽的工作波长区，高的消光比，其光反射损耗小于1.0dB。
3.液晶系统
液晶系统光开关也是一种基于集成电路工艺制造技术的开关系统，是使用聚合物材料在特定的液体中悬浮，通过施加一定的电压使这种聚合物改变其对准位置，从而实现使光信号分流或通过的工作。Chorum和光谱开关两家公司就是采用这种液晶开关技术的领头开发商。
4. 电全息成像开关
电全息成像开关是一种基于可在微晶体内存储全息图像的特殊微晶技术。这种全息图像处在"关"位置时通过光子，而在"开"位置时受到反射，根据指令分流光子信息。Trellis公司目前正在发展这种技术。
发展现状
目前有的公司已拟定销售计划，如Tellium这家从事OEO和MEMS技术发展的公司已准备直接销售所有网络开关应用的OEO和MEMS开关和互连产品，其端口数可多达1000
1000。但超过1000 1000时，OEO技术的工作效率不及MEMS全光开关。MEMS和电全息成像技术是发展1000 1000以上端口规模全光开关技术的主要选择方案。但目前大多数公司厂商发展的全光开关数都不大。厂家虽然都在努力发展1000端口以上的器件，但MEMS开关目前大多数为32，双向端口极少，主要是厂家间存在着分歧：即大型开关阵列是否就一定比小型开关模块好。目前厂商可采用小型开关模块，如32
32，64 64的器件组合成大型开关，可达1024 1024的非封闭型互连系统。一些厂商认为这种小模块组成的大阵列灵活性强，用户需要更大的网络开关容量时，可加大器件规模，在这种网络中如有开关失效，只有小范围受到损失，而大型开关网络则不同，一旦出了问题就会是灾难性的，而且小模块易于更换。而另有一些厂商则认为这种小模块组合的大型开关并不是一种有效的方案，最好的方案还是单片集成的大型阵列开关（如1000
1000端口以上），因为这种开关功耗小,而模块组合的大型开关功耗损失大，模块失效时需要花大量时间更换，而且难度大。日本NTT已制作了16
16的热光开关和全内反射型开关，二者都是采用PLC技术制作的两面型波导开关。前者平均插入损耗为6.6dB，平均消光比55dB，单元开关功耗1.1W，总功耗为17W；后者已演示了32
32的器件，还演示了112 112的光互连开关，美国贝尔已发展了256 256元的互连开关。目前报导的典型MEMS互连开关在1550nm时的开关时间为10ms，插入损耗为10dB，串扰低于-50dB。而8
8的MEMS芯片尺寸为1 1cm2，开关时间约为0.5ms，插入损耗约3.5dB，消光比小于-60dB，串扰小于-60dB。
市场前景
随着光开关技术，特别是微机电全光开关技术的迅速发展，众多公司都参与这一领域的竞争。预计小端口数的全光开关系统不久将开始用于网络主干线，有些小型系统也将出现在小型网络中，大型MEMS和电全息成像开关和互连系统要在三年后才能成为市场主产品。有机构预测，如果MEMS器件的性能进一步改进而投入使用，同时制造技术也得到相应提高，则中大型器件将在价格较为敏感的小型网络市场中得到广泛应用，取得极好的经济效益，从而使DWDM技术获得的潜力得到充分发挥。据美国KMI公司提供的"DWDM世界市场预测报告"指出，2005年，全世界DWDM系统市场将达到540亿美元，2006年前的综合年度增长率为43%。由于这一发展趋势，DWDM市场十分活跃。据估计，整个MEMS的总市场到2005年前将达到71亿美元，其中MEMS全光开关市场将达到10
30亿美元。
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