光开关定义分类

1、光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。光开关可使光路之间进行直接交换，是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中，光开关可实现在全光层的 路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。其中光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）可以说是全光网的核心。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、 低成本、低功耗、热稳定性好等特性。今后光开关发展的方向:光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps到10ps的开发潜

2、力， 可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。因此光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发 展方向。但是，光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破还处于实验室研究阶段，而且价格昂贵， 近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵，并 在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具（大多数微 电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的，这种方式

3、效率低下，费时费力），只有运用合 适的开发工具，并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子 机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中，所以几乎 每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设 备的包装也不失为一个较好的办法。（应用光学2005）常见的光开关：MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列，即将电、机械和光 集成为一块芯片，能透明地传送不同速率、不同协议的业务。目前已成为一种最流行的

4、光开关制作技术。其基本原理 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，使任一输入和输出端口相连接，且1个输出端口在同一时间只能和1个输入端口相连接。与现有的基于光波导 技术的光开关相比,MEMS光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。MEMS光开关优点：与现有的基于光波导技术的光开关相比MEMS光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网 络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点，又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点，它 结构紧凑、重量轻，且扩展性较好。MEMS光开关特性：低插入损耗；低串

5、扰；与波长、速率、调制方式无关；功耗低；坚固、寿命长；可集成扩展成大 规模光开关矩阵；适中的响应速度（开关时间从100ns10ms）。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中，基于 MEMS技术的解决方案已是主流。MEMS光开关分类:MEMS光开关可以分为二维和三维光开关。二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组 成,光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关对于MXN的光开关矩阵，光开关具WMXN个微反 射镜。二维光开关的微反射镜具有两个状态0和1（通和断），当光开关处于1态时，反射镜处于由输入光纤准直系统出 射的光束传播通道内，将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目

6、标输出光纤；当光开关处于0态时，微反射 镜不在光束传播通道内，由输入通道光纤出射的光束直接进入其对面的光纤。三维MEMS的微镜固定在一个万向支架上, 可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的MEMS输入微镜，同样，每根输出光纤也都有其对应的MEMS输出 微镜17因此，对于MXN三维MEMS光开关，则具有M+N 个MEMS微反射镜。由每根输出光纤出射的光束可以由其对 应的输入微镜反射到任意一个输出微镜，而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光 纤。对于MXN三维MEMS光开关，每个输入微镜有N个态，而输出微镜则具有M个状态。目前，lolon利用MEMS实现 了光开关

7、的大量自动化生产。该结构开关时间小余5mso Xeros基于MEMS微镜技术，设计了能升级到1152X 1152的光 交叉连接设备，交换时间小余50ms。随着全光网络的发展，三维MEMS阵列可成为大型交叉连接的最佳候选者之一。 基于MOEMS技术的光开关主要有微反射镜型光开关、静电驱动型光开关、自由空间交换型光开关、无透镜型光纤光开关 等，光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功 率驱动和热驱动等4.MOEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料Au、 Al等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他

8、材料.MOEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺、表面加工工艺和 LIGA（Lithographie,Galvano-formung and Abformung，即光刻、电铸和注塑）工艺.热光开关：利用热光效应制造的小型光开关。热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在 介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。折射率随温度的变化关系为：it7 ） = % 4 川 T） = % 4 AT = Jin + uA IdT式中n0为温度变化前的介质的折射率，AT为温度的变化，a为热光系数，它与材料的种类有关。此类开关采用可调节热量的波导材料，如$102、Si和有机聚合物等。在硅衬底上，

9、用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等 工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后，加热器的温度使下面的波 导被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率下降，这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。聚合波导技术是非 常有吸引力的技术，它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波导的热光系数很高，而导热率很低，因 而能更有效地利用热来控制光的传播方向，开关时间相对减小可达lms以内。热光开关的速度介于电光开关和MEMS之 间。热光开关一种是基于SoS（Silica- on- Silicon）技术,该光开关具有透明性、高可靠性、亚毫秒级恢复能力和无阻 塞特性，速度可达到

10、100uso随着高密度、高集成度光路的产生SoS开关的优势更明显。目前主要有两种类型的热光 开关，M-Z干涉型光开关和数字光开关。干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制；数字光 开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热 率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20dB，但插入损耗较大，一般为34dB。热光开关阵列可以和阵 列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小,可实现微秒级的交换速度。Y分支有机聚合物热光开关（1x2,通过提高一个通道的温度使其有效折射率下降，能量转移到一个通道中）液晶光

11、栅开关：液晶光栅开关是基于布喇格光栅技术，利用液晶材料的电光效应，采用了更为新颖的结构。液晶 开关内包含液晶片、偏振光束分离器（PBS）或光束调相器。液晶片的作用是旋转入射光的极化角。液晶光开关的基本原 理是：将液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上，形成液体光栅。当加上电压时，光栅消失，晶体是全透 明的，光信号将直接通过光波导。当没有施加电压时，光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。这表明该光栅具有 两种功能：取出光束中某个波长并实现交换。声光光开关：声光光开关是利用介质的声光效应。即一定频率的声波在声光介质中传播时，该介质会产生与该声 波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从

12、而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的衍射光栅。其光 栅常数等于声波波长，当入射光束满足布喇格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决 定。因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段。半导体多量子阱超快光开关：半导体多量子阱超快光开关在半导体量子阱带间跃迁（ISB- T）中，有超快驰豫时 间和大的跃迁偶极矩及跃迁波长可调谐大的特点。在一种材料InGaAs/AIAsSb多量子阱中的通信波长上得到了 1.2ps 的响应时间，而在另外一种GaN/AIGaN多量子阱中，得到7150fs的超快响应时间，而这有可能制作成fs级超快 光开关。目前已商用化的磁光开关原理是利

13、用法拉第旋光效应通过外加磁场的变化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作用。由于无机械移动部件，可靠性高，并且开关速度快（亚毫秒），更兼有隔离 器和环行器的功能，使全固态的光路调节成为可能。MEMS是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通硅基底上集成。;七 isfdln。neoscrAv5) 1x2 型(b) I x49 (c) 2 x2 型基本单元先开美类型1x22x21x4插入哉括/1B0711小砒AIB -60 -60 -60开关电压/球8001 ono1 000/1 500开知寸间/n】s400 400 400外形尺寸/

14、mm32 4x543 9x5414x54光通信网的要求.执打零是M0EWS光开关中的核心部 分，利川微制地技术可以制作用对级性位移屈角脩较大 的如谡能醐足光开关憾计要求15晌栗用 深度话性离子蝴法（DR e制作的线性位移ftfrSH： 仪移蛔士 120阮七舟|执行器命度偏转超过士 M种开关的撅柜榔小了。5 dlKOOfc移开关 的开关时间约为700以角仙开关的开关时间小F 5ms光开关的开关时间受执行器和反射饿共同体的机械 i肘6掀整限制.值性但移光开关，咒开美时间大约是及射 眦 站他移到丹-端的时间.对谐报额宰为1 HH的 粕谒，开美时初、约为700顷满开关是就控制 反财锐的偏转孙废完成开关

15、功眼花开关时桐布对级性 世移开关婆稍长-也眦执福的ilf醐率斜妇H 务倘开美需要更*的时时以便将元柬精确控制到预JW 输出牌.附1地基T M伽略技术设计的被机械位转角 偷执行器阵列开关的开犬时间曲线.从曲线可以看出实 队光纤I到光纤2开关耗时购3 5岬损耗小T项 （III图1而偏执行器阵列开关的开关时何曲与（M光纤I到光纤2转换）2基于M0硼娥术的光开关基J： MOFMS技术制作的光开关，将微机械结枸成 架动器和做光学元件成在同时威匕结构紧渣益W 容易建成.此种光开却时具有机械光开却波导光图2基本单元光开关最构示蠢图图3 22型基*单元光开关般合端示意图表I基本单元升关性能指标 合醐.山间就开

16、奸耶剖蛔懒光开关瓜 部皿BL21獭狄毓*ST的叫娥术虹眦型光野开关耽下撇 |XX?X4型队单元*开关.这蝶伸元光开 欷慎觥他 JF斓缺砌* 俄毓制吠X2N光开耕州叫K甲崩入采用1100廊螂 淌触斜类型曜杵亓光开关气如用2醐3 而.这蛭抻双开辫用MO瑚谶术融，雌 wmmi I iKl 脂帐游新州戢鼬它曲料蹴56wKmm觥DW EM技术在捋献畅广既用,凯空 一f （3。加 5 顷.注 M0EM嵌糊作祯开知颇应町输空何相 伊如LYLh等人收用MOBlSftt A 8M 融州光做开关伽81 4丽）驰姗T 16X10 GI山的WDM系瓠并且好瓶虹州展到64Tb/s 的DWDM瓣，具愀tiy舸以豪楸献3|

17、.mmn鼬服抵城靠剧袖可力，故开独储 申觥财网舫起&做方融光耿多 涸雁聊掀早麻柯期妇演邮鼬懒(a) 8x8自曲空间交换光开关) 2V x 2.自由空间交换光开关图4自由空间交换光开关方向，以进行输入光与输出流之间的多路转换.图5所示 为,种铮地驱动的1X4型光开关，设计中采阁了多个线 性静电驱动执行器来驱动对应反射魇4个反射兢呈45“倾斜，并贴在相互.独立：的线性静电执行器I每个都能将 准rt光束转向iit入特定的输出光纤中.这种开关结构不 需要设计光束偏转的精确伺要控制系统.ExtendedMirrrnSelectedOulpulFiberCollimated I jbncv Benm(l)线性粉电执行器的阳1图口)开关原理结构图图5 1x4型静电驱动光开关原理国静电驷动方式也可以用厂制作角偏执行器，如图6 所