光互连中光开关与光探测器件的分析

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1、1绪论1.1引言过去的数十年是社会信息呈爆炸式增长的数十年。直到七十年代中期，电信业务一直局限于话音和书写形式的通信，即电话和电报通信。但近十几年来，社会对信息的需求迅速增长，人们所憧憬的实时图象传送、电视会议、远程购物、多媒体信息服务等不会仅仅是一个梦想，随着通信和计算机技术的进步，不久的将来这些美好的设想将出现在家庭和办公室内。当越来越多的人们开始使用高速率数据网络，对网络带宽的要求将变得愈来愈迫切。世界各国政府和科学工程界一直将关注的焦点集中在研制高性能计算机和高速宽带网上。电子作为信息的载体，曾经

2、且正在信息传输和信息处理领域发挥重要的作用。然而对未来通信网络宽带宽和高速率问题的解决将依赖于另一种信息载体—光波。事实上，自从八十年代以来，光波在长距离网络传输系统中已逐步取代电子；光波自身的特性和优点也将引导计算机和通信领域中的互连和交换技术发生一次深远的变革。尽管目前在计算机和通信领域中电子线互连和电交换占有绝对的统治地位，但由于电子信息传递过程中永远存在着R.L.C.分布参数，这就决定了电子技术在某些应用场合有难以克服的缺陷：带宽受限、时钟歪斜、严重串话、高功耗、I/O能力受限等。光波作为信息载体

3、，具有极高的时空带宽积、高度并行性和无干扰性等特点，使得凭借于光波，高性能计算机系统中普遍存在的瓶颈效应能够得以解决，通信系统中大容量、高速率数据交换得以实现。光互连和光交换与电互连和电交换相比，具有能传输极大容量、高速率的信息、光互连通道路径的等程性、无干扰、[1,2]低功耗、I/O功能强大等优点。同时，光互连与光交换能通过集成接收模块、光发射模块、铁电液晶空间光调制器等很好地与电系统连接，充分利用电系统提供的强大的逻辑处理能力，实现复杂的系统功能，其一般结构如图1-1所示。由于以上优点，各国政府和科研

4、机构争相进行光互连与光交换的研究，目前已出现各种实验系统，如：光学背板系统、光学总线系统、光互连交换网络系统已用实验证明了光互连的优越性。随着网络构成技术、器件技术、大规模制造工艺的逐步成熟，光互连与光交换将逐步走向商品化，通信与计算机系统中的互连与交换将发生一次深刻的变革。1光光光光发调交接射制换收模模模模块块块块图1-1光互连与光交换系统一般结构光互连与交换技术包括两方面的技术，一是器件技术，二是网络构成技术。器件技术包含光源列阵技术、列阵光调制与探测技术、光逻辑开关列阵技术、平面微光学器件技术等。网

5、络系统构成技术则包含网络拓扑设计与光学实现等技术。光互连与光交换系统的发展史实际上是光电子器件的发展史。光互连与光交换系统的实现有赖于光开关，激光器，EDFA，光探测器等光电子器件的进展。本文将就其中的光开关和光探测器等器件进行设计与研究。1.2课题研究的意义1.2.1研究光开关的意义光开关本身不仅是光逻辑开关阵列中的关键器件，同时它也构成了波分复用[3]光网络中关键设备（OXC/OADM）的交换核心。其应用范围主要有：（1）光交叉连接（OXC）：在DWDM网络中，OXC实际上是在M×N的光纤输入输出矩阵

6、之间提供连接的动态交换板，见图1-2。这样，OXC开关就能在解复用器开关阵列复用器111............444......NNM图1-2带有开关阵列的OXC2矩阵结构中提供无阻塞的一到多连接，OXC能提供极高的网络生存性，降低网络管理成本，在光层重新配置信号路由，这样就不需要复杂而昂贵的数字交换机了。由于OXC运行于光域，具有对波长、速率和协议透明的特性，可适合未来Tbit/s级的数据流的传输。（2）光分插复用（OADM）：光分插复用是波分复用全光网的核心节点技术，通常用于城域网和骨干网。它在光域

7、内完成了原来由电交换设备（如SDH/SONET的ADM）所完成的交换功能，为网络带来了灵活的上下路机制。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM介电的灵活性，同时，使得OADM介电能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护恢复能力。图1-3为OADM模块化设计示意图。2×2光开关解2×2光开关信号

8、入复信号出复用λ用器λ,λ,⋯,λ1,λ2,⋯,λn2×2光开关12n器2×2光开关λ,λ,⋯,λλ,λ,⋯,λ12n12n信号上信号下图1-3带有2×2光开关的OADM（3）保护倒换功能：在光纤断开或转发设备发生故障时能够自动进行恢复。现在大多数光纤网络都有两条以上的路由连接到关键节点上，一旦光纤或节点设备发生故障，通过光开关，信号可以避开故障，选择合适的路由到达目的地，这在高速通信系统中尤为重要，这是一种简单的开关方式，通