光学开关

光开关(Optical Switching，OS)是一种具有一个或多个可选择的传输窗口、可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关基本的形式是2×2，即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接。

发展概况

最新研发的装备有GPS和网络接口的电信、无线通信和移动电话，要求光通信中有较大的带宽性能，并且通过先进的波分复(WDM)技术和密集波分复(DWDM)技术有效地利用波长。光学传输线路使用的纤维光学装置需要聚光器、光束成形器、光学转换器、分束器和光束扫描器，所有这些光学元件或多或少都需要光学开关。许多研究机构已经制造出不同类型的光学开关。下面将讨论该领域的一些最新发展。

Bishop等人介绍了诸如光学开关、可变光学衰减器、主动均衡器、加/减多路复用器、光学互联器、增益倾斜均衡器、数据发射器及其他器件等一类MOEMS装置，并且正在寻求先进的光波系统中的常规应用。Bishop等人展示出这些器件的实例，为了使这种技术有大批量的市场需求，提出了一些带有挑战性的问题。美国朗讯科技公司(原AT&T实验室)研发了WavestarⅢ路由器，从而帮助使用者降低成本，同时以较小的空间和较高的效率完成传输功能。

德国卡斯鲁尔(Kadstuhe)微结构技术研究所报道过一个利用2×2纤维光学的开关矩阵，其中使用机电微电动机。这份报告阐述了利用LIGA技术(译者注：德文Lithograph．ic，Galvanoformung und Abformung的缩写，代表平板印刷术、压模填充和注模复制)研发的全光学开关原理样机。

在这种卡斯鲁尔开关中，利用可移动微反射镜将光学信号限定在一个微光具座中传播。一个LIGA结构导块被动地将微光具座内所有镜座与装有光纤的止动器对准，利用静电摆镜控制这些反射镜。2×2开关矩阵的尺寸是10mm×10mm，再加上6个直径为1.7mm的微电动机。所有对准都是被动的，开关速度约为30ms，通道间的串扰低于-90dB，开关的插入损失是7dB。

Goering等人描述了一种适合于纤维光学开关和开关矩阵的混合MOEMS方法。这种开关矩阵在输入光束的光路中使用可移动微棱镜，将每束光衍射到其输出光纤中，并通过一个聚焦微透镜阵列。开关速度约为2ms，插入损失是1.5dB，串扰低于-70dB。

Dormund大学Voges教授领导的研究小组，成功研制了一种自锁型纤维光学开关阵列，该开关以高精度各向异性蚀刻技术散体微电机硅为基础。

器件分类

各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。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。如按其工作原理可分为机械式和非机械式两大类。机械型光开关依靠光纤或光学元件的移动，使光路断开或关闭。而非机械式光开关则是依靠电光效应、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，完成开关功能。

传统的机械式光开关

传统的机械式光开关是依靠光纤或光学元件(透镜或反射镜)的移动使光路发生改变，将光直接送到或反射到输出端。机械式光开关虽然体积偏大，开关时间偏长，不适合用于大规模开关矩阵及应用，但其插人损耗低、串扰小、重复性好、与使用的光波长和偏振态无关且价格便宜。低端口1×2、2×2机械式光开关是用户的最佳选择。即使是N×N(N>2)的阵列，光开关也可以由1×2、2×2开关组装而成。在全光网络的初级实验阶段，机械式光开关仍有不可替代的作用。

微电子机械系统光开关

机械式光开关速度比较慢，一般为毫秒量级，体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。在此基础上，近几年发展很快的是微电子机械系统(MicroElectro-Mechanical System，MEMS)光开关，它是半导体微细加工技术与微光学和微机械技术相结合产生的一个新型微机-电-光一体化的开关，它具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点，成为大容量交换光网络开关发展的主流方向。

MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在数毫秒量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信号；同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。

按功能实现方法，可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点，可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关，并已提出一维MEMS光开关的概念。

磁光开关

磁光开关是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的效果。相对于传统的机械式光开关，它具有开关速度快、稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关．它又具有驱动电压低、串扰小等优势，可以预见在不久的将来，磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。

器件应用

(1)光网络的保护倒换系统

实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。

(2)光纤测试中的光源控制

1×2光开关在光纤测试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。

(3)网络性能的实时监控系统

在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。

(4)光器件的测试

利用1×N光开关可以实现元器件的生产和检验测试。每一个通道对应一个特定的测试参数，这样不用把每个器件都单独与仪表连接，就可以测试多种光器件。从而测试得到简化，效率得到提高。

(5)构建OXC设备的交换核心

OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此。需要对不同端口的业务进行交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，因此要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。例如，利用2×2光开关单元可以组成诸如8x 8、16×16、32×32、64×64、256×256等N×N光开关矩阵，而这些光开关矩阵正是OXC的核心部件。OXC主要实现动态的光路径管理、光网络的故障保护，并可灵活增加新业务。

(6)光分插复用

光分插复用(0ADM)主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路自由上/下话路。光开关矩阵是0ADM的关键部分，用光开关OADM可以通过软件控制动态上/下任意波长．这样将增加网络配置的灵活性。

(7)光传感系统

1×N光开关还可应用于点传感系统，实现空分复用和时分复用。

(8)光学测试

1×N和N×1光开关还可组成光学扫描镜阵列。

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