一：引言

   可以說，沒有開關就沒有通信網絡。從第一代電信網絡開始，即電話交換系統就采用了大量的開關形成交換單元完成用戶間的電路交換。今天，以DWDM為基礎的全光網絡已稱為新一代電信網絡研究的熱點和發展方向，不同波長的光信號在網絡中要實現路由選擇必然要使用光開關，光開關時完成交換的核心器件，在目前廣泛使用的光網絡中具有不可替代的作用。

二：光開關的關鍵指標

   通信網絡的發展為光開關的應用提出了新的要求，未來的全光網絡需要全光開關構成的光交換機完成信號路由功能以實現網絡的高速率和協議透明性。評價新的光開關技術必須考慮七個指標。

    ①長期可靠性滿足大容量通信系統要求，必須保證高可靠性和非常低的故障率。

   ②低損耗和高耦合效率考慮光開關的大數量的應用，低損耗極為關鍵，與光纖保持較高的耦合效率也就是減少光功率損耗。

    ③串音小消光比大，串音直接影響信號傳輸質量，典型隔離度為40或50db。

   ④低驅動和溫度特性，低驅動減少光開關的功耗，溫度變化不敏感可拓寬光開關的應用環境和領域，使其工作穩定，往往通過精確的溫控電路實現。

    ⑤光開關的速率對應不同的應用場合，因此對光開關切換速率會有特別的要求。

    ⑥光開關工作帶寬對應于新的光纖、光濾波和放大器技術的DWDM工作窗口1300nm---1650nm，光開關同樣要與之吻合。

   ⑦光開關成本和可擴展性，光產品價格整體每年以10%---30%速度下降，并且要考慮長期成本的下降。光開關是否滿足大規模陣列擴展及相應性能參數的變化也需要注意。

三：光開關形式

   光開關以其高速度、高穩定性、低串擾等優勢成為各大通信公司和研究單位的研究重點。光開關有著廣闊的市場前景，是最具發展潛力的光無源器件之一。光開關采用的主要技術有機械式、MEMS、鐵電液晶、氣泡、熱光、全息、聲光、熱毛細管等。在光開關的性能上，主要指標有插損、隔離度、消光比、偏振敏感性、開關時間、開關規模及開關尺寸等。在各式各樣的光開關中，#p#分頁標題#e#MEMS光開關具有較好的性能，并且由于采用微電子工藝可以大量生產，適于產業化。特別是它的工作方式與光信號的格式、波長、偏振方向、傳輸方向、調制方式均無關，因此不受帶寬的限制可以處理任意波長的光信號。不僅如此，它還具有較低的插損與較高的擴展性，可以滿足未來光通信網絡發展所要求的透明性和擴展性。這里簡單介紹幾種光開關。

3.1 機械式光開關

   傳統的機械式光開關插入損耗較低（<2db）、隔離度高（>45db)，不受偏振和波長的影響。多路輸入輸出光束的機械光開關中的關鍵單元是具有光路二度對稱的復合反射鏡。復合反射鏡是由幾何形狀尺寸和光學性能完全形同的兩塊鏡子粘合在一起構成，以粘合面為對稱平面，具有二度鏡面對稱性。對單個復合反射鏡的往返運動的控制，可同時改變兩路輸入輸出光路的相互連接狀態，實現光路的平行或交叉連接，形成2X2光開關。采用多個復合反射鏡和合理的光路布局，可實現更多光路之間的相互連接狀態，形成多路輸入輸出光束無阻塞交換，同時大幅度減少光開關矩陣中的光學元件和相應驅動器數量，具有頻帶寬廣、結構緊湊、體積小的特點。

3.2 微電子機械光開關（MEMS）

   MEMS光開關是一種自由空間微型光開關，是目前全世界都十分關注的一項新技術，MEMS主要是利用移動光纖或利用微鏡反射原理進行光交換的光開關。MEMS是由半導體材料，如Si等組成的微機械結構。MEMS光開關結構緊湊、重量輕、易于擴展，此種光開關同時具有機械光開關和波導光開關的優點，又克服了它們的缺點。MEMS光開關的驅動方式主要有靜電驅動、電致伸縮、磁致伸縮、形變記憶合金、光功率驅動、熱驅動和光子開關等。其原理是微反射鏡和上電極連接在一起，在沒有電壓輸入時，上電極的位置不動，微反射鏡處在光通路上，從入射光纖發出的光被微反射鏡反射，改變方向后進入到鏡面同一側的出射光纖中，這是開關的反射狀態。當上電極和下電極之間有電壓輸入時，靜電力的作用下，上電極帶動微反射鏡移開光通路，入射光沿直線傳播進入前方的出射光纖，這是開關的直通狀態。作為一種全光開關，由于具有可移動的反射表面或反射鏡、可通過施加電或熱變化方法改變其反射角，光波長對準反射面按指令讓光子通過，或把光信號分流到另一個端口。

3.3 波導型光開關

   波導型光開關是近年來發展起來的一種光開關，它采用波導結構。波導型光開關同樣利用電光、聲光、熱光、磁光效應來進行控制。最一般的介質波導是平板波導結構，它由襯底、薄膜層和覆蓋層組成。平面波導型開關主要有兩種，熱光型和全內反射型。熱光型開關，是利用Si波導的熱感應折射率變化原理制作的，其M-Z干設計是由兩個3db#p#分頁標題#e#定向耦合器和兩個波導臂組成，臂上還有一個用作熱光移相器的薄膜加熱器。其工作原理是未受熱時這種單元結構處于分叉態，當對熱光移相器加熱時，開關為條形狀，完成開關功能。全內反射型開關的原理是利用在交叉波導中制作的槽里內反射，實現大型的廣播電路開關。

3.4 液晶光開關

   液晶光開關是根據其偏振特性來完成交換的，其工作狀態時基于對偏振的控制，工作時，一路偏振光被反射。而另一路可以通過。

3.5 熱光效應開關

   熱光技術主要用來制作小的光開關。現在主要有兩種類型的熱光開關，數字型光開關和干涉型光開關。干涉型光開關具有結構緊湊的優點，缺點是對波長敏感，因此，通常需要進行溫度控制。它們都是在介質材料上先做上波導結構，通過改變波導折射率實現光的開關動作。

3.6 聲光開關

   在聲光開關結構中，控制信號采用聲波，主要作用是用來控制光線的偏轉。聲光開關的交換速度從500ns到10us。由于在聲光開關中沒有課移動的部分，因此，1x2聲光開關的可靠性比較高。

3.7 磁光開關

   磁光開關的原理是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的變化來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，從而達到切換光路的作用。相對于傳統的機械式光開關，慈光開關具有開關速度快、穩定性高等優勢，而相對于其他的非機械式光開關，它又具有驅動電壓低、串擾小等優點，因此，磁光開關將是一種具有競爭力的光開關。

四：應用及前景分析

   光開關在光網絡中起到十分重要的作用，它不僅構成了波分復用網絡中關鍵設備的交換核心，本身也是光網絡中的關鍵器件。其應用范圍主要有：

   保護倒換功能：光開關通常用于網絡的故障恢復。當光纖斷裂或其他傳輸故障發生時，利用光開關實現信號迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護通常只需要最簡單的1X2光開關。

   網絡監視功能：在遠端光纖測試點通過1xN光開關把多根光纖接到一個光時域反射儀上，通過光開關倒換實現對所有光纖的監測。另外，利用光開關也可以在光纖線路中插入網絡分析儀，實現網絡在線分析。這種光開關也可以用于光纖器件測試。

   #p#分頁標題#e#光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連接，通過1xN光開關，可以通過監測光開關的每個通道信號來測試器件。

   應用于OADM和光交叉連接：光上下復用器主要應用于環形的城域網中，實現單個波長和多個波長從光路上自由上下，而不需要電解復用或復用過程。用光開關實現的OADM可以通過軟件控制動態上下任意波長，這樣大大增加了網絡配置的靈活性。OXC由光開關矩陣組成，它主要用于核心光網絡的交叉連接，實現光網絡的故障保護，動態的光路徑管理，靈活增加新業務等。

   隨著光傳送網技術的發展，新型的光開關技術不斷出現。同時，原有的光開關技術性能不斷地改進。隨著光傳送網向超高速、超大容量的方向發展，網絡的生存能力、網絡的保護倒換和恢復問題成為網絡關鍵問題，而光開關在光層的保護倒換對業務的保護和恢復起到了更為重要的作用。未來的光傳送網事能支持多業務的透明光傳送平臺，要求對各種速率業務能透明傳送。同時，隨著業務需求的急劇增長，骨干網業務交換容量也急劇增長。因此，光開關的交換矩陣的大小也要不斷提高。同時由于IP業務的急劇增長，要求未來的光傳送網能支持光分組交換業務，未來的核心路由器能在光層交換。這樣，對光開關的交換速度提出更高的要求（ns數量級）。總之，大容量、高速交換、透明、低損耗的關開關將在光網絡發展中起到更為重要的作用。