光開關(guān)定義分類

1、光開關(guān)是按一定要求將一個(gè)光通道的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)光通道的器件。光開關(guān)可使光路之間進(jìn)行直接交換，是光網(wǎng)絡(luò)中完成全光交換的核心器件,在全光網(wǎng)絡(luò)中，光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)在全光層的 路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等重要功能。其中光交叉連接設(shè)備（OXC）和光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）可以說是全光網(wǎng)的核心。而光開關(guān)和光開關(guān)陣列恰恰是OXC 和OADM的核心技術(shù)。全光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的光開關(guān)應(yīng)具有快的響應(yīng)速度、低的插入損耗、低通道串音、對(duì)偏振不敏感、可集成性和可擴(kuò)展性、 低成本、低功耗、熱穩(wěn)定性好等特性。今后光開關(guān)發(fā)展的方向:光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)的技術(shù)發(fā)展較快,其開關(guān)時(shí)間具有幾個(gè)ps到10ps的開發(fā)潛

2、力， 可以滿足全光通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速光交換、光交叉連接的要求。因此光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)是今后光開關(guān)的發(fā) 展方向。但是，光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)串音大的缺點(diǎn)目前尚無技術(shù)突破還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，而且價(jià)格昂貴， 近幾年要達(dá)到實(shí)用化的水平并投入市場(chǎng)不太可能。目前采用較為成熟的MEMS技術(shù)研制開發(fā)光開關(guān)、光開關(guān)列陣，并 在此基礎(chǔ)上組建、完善全光交換機(jī)及其交換矩陣系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，具有非常大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。目前,MEMS技術(shù)還存在一些問題:一是迫切需要用于微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)的模擬工具和模型建立工具（大多數(shù)微 電子機(jī)械設(shè)備都是用功能差的不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)執(zhí)行情況的分析工具來建立的，這種方式

3、效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力），只有運(yùn)用合 適的開發(fā)工具，并配以連通高性能工作站以及本地的和遠(yuǎn)程的超級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)才能從根本上改變這種局面;其次,微電子 機(jī)械系統(tǒng)的包裝面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn),因?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械裝置形狀差異大,并且部分裝置還要求放置于特定的環(huán)境中，所以幾乎 每開發(fā)一套微電子機(jī)械系統(tǒng)就需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)專用的包裝。容許設(shè)計(jì)者從已有的標(biāo)準(zhǔn)包中挑選出新的微電子機(jī)械設(shè) 備的包裝也不失為一個(gè)較好的辦法。（應(yīng)用光學(xué)2005）常見的光開關(guān)：MEMS光開關(guān)：而MEMS光開關(guān)是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)構(gòu)筑在半導(dǎo)體基片上的微鏡陣列，即將電、機(jī)械和光 集成為一塊芯片，能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。目前已成為一種最流行的

4、光開關(guān)制作技術(shù)。其基本原理 通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的 功能，使任一輸入和輸出端口相連接，且1個(gè)輸出端口在同一時(shí)間只能和1個(gè)輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo) 技術(shù)的光開關(guān)相比,MEMS光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。MEMS光開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開關(guān)相比MEMS光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng) 絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。同時(shí)它既有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了光機(jī)械開關(guān)難以集成和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，它 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，且擴(kuò)展性較好。MEMS光開關(guān)特性：低插入損耗；低串

5、擾；與波長(zhǎng)、速率、調(diào)制方式無關(guān)；功耗低；堅(jiān)固、壽命長(zhǎng)；可集成擴(kuò)展成大 規(guī)模光開關(guān)矩陣；適中的響應(yīng)速度（開關(guān)時(shí)間從100ns10ms）。在光交叉連接及需要支持大容最交換的系統(tǒng)中，基于 MEMS技術(shù)的解決方案已是主流。MEMS光開關(guān)分類:MEMS光開關(guān)可以分為二維和三維光開關(guān)。二維光開關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組 成,光束在二維空間傳輸。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān)對(duì)于MXN的光開關(guān)矩陣，光開關(guān)具WMXN個(gè)微反 射鏡。二維光開關(guān)的微反射鏡具有兩個(gè)狀態(tài)0和1（通和斷），當(dāng)光開關(guān)處于1態(tài)時(shí)，反射鏡處于由輸入光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出 射的光束傳播通道內(nèi)，將光束反射至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入目

6、標(biāo)輸出光纖；當(dāng)光開關(guān)處于0態(tài)時(shí)，微反射 鏡不在光束傳播通道內(nèi)，由輸入通道光纖出射的光束直接進(jìn)入其對(duì)面的光纖。三維MEMS的微鏡固定在一個(gè)萬向支架上, 可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MEMS輸入微鏡，同樣，每根輸出光纖也都有其對(duì)應(yīng)的MEMS輸出 微鏡17因此，對(duì)于MXN三維MEMS光開關(guān)，則具有M+N 個(gè)MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對(duì) 應(yīng)的輸入微鏡反射到任意一個(gè)輸出微鏡，而相應(yīng)的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對(duì)應(yīng)的輸出光 纖。對(duì)于MXN三維MEMS光開關(guān)，每個(gè)輸入微鏡有N個(gè)態(tài)，而輸出微鏡則具有M個(gè)狀態(tài)。目前，lolon利用MEMS實(shí)現(xiàn) 了光開關(guān)

7、的大量自動(dòng)化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開關(guān)時(shí)間小余5mso Xeros基于MEMS微鏡技術(shù)，設(shè)計(jì)了能升級(jí)到1152X 1152的光 交叉連接設(shè)備，交換時(shí)間小余50ms。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，三維MEMS陣列可成為大型交叉連接的最佳候選者之一。 基于MOEMS技術(shù)的光開關(guān)主要有微反射鏡型光開關(guān)、靜電驅(qū)動(dòng)型光開關(guān)、自由空間交換型光開關(guān)、無透鏡型光纖光開關(guān) 等，光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有平行板電容靜電驅(qū)動(dòng)，梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，電致、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)，形變記憶合金驅(qū)動(dòng)，光功 率驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)等4.MOEMS光開關(guān)所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料Au、 Al等金屬材料，壓電材料及有機(jī)聚合物等其他

8、材料.MOEMS光開關(guān)所用工藝主要有體硅工藝、表面加工工藝和 LIGA（Lithographie,Galvano-formung and Abformung，即光刻、電鑄和注塑）工藝.熱光開關(guān)：利用熱光效應(yīng)制造的小型光開關(guān)。熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在 介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化關(guān)系為：it7 ） = % 4 川 T） = % 4 AT = Jin + uA IdT式中n0為溫度變化前的介質(zhì)的折射率，AT為溫度的變化，a為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。此類開關(guān)采用可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料，如$102、Si和有機(jī)聚合物等。在硅襯底上，

9、用蒸發(fā)、濺射、光刻、腐蝕等 工藝形成分支波導(dǎo)陣列，然后在每個(gè)分支上蒸發(fā)金屬薄膜加熱器和電極。電極加上電流后，加熱器的溫度使下面的波 導(dǎo)被加熱，溫度上升，熱光效應(yīng)引起波導(dǎo)折射率下降，這樣就將光耦合從主波導(dǎo)引導(dǎo)至分支波導(dǎo)。聚合波導(dǎo)技術(shù)是非 常有吸引力的技術(shù)，它成本低、串?dāng)_低、功耗小、與偏振和波長(zhǎng)無關(guān)。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)很高，而導(dǎo)熱率很低，因 而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向，開關(guān)時(shí)間相對(duì)減小可達(dá)lms以內(nèi)。熱光開關(guān)的速度介于電光開關(guān)和MEMS之 間。熱光開關(guān)一種是基于SoS（Silica- on- Silicon）技術(shù),該光開關(guān)具有透明性、高可靠性、亞毫秒級(jí)恢復(fù)能力和無阻 塞特性，速度可達(dá)到

10、100uso隨著高密度、高集成度光路的產(chǎn)生SoS開關(guān)的優(yōu)勢(shì)更明顯。目前主要有兩種類型的熱光 開關(guān)，M-Z干涉型光開關(guān)和數(shù)字光開關(guān)。干涉型光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對(duì)光波長(zhǎng)敏感，需要進(jìn)行精密溫度控制；數(shù)字光 開關(guān)性能更穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導(dǎo)熱 率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功率小，消光比可達(dá)20dB，但插入損耗較大，一般為34dB。熱光開關(guān)陣列可以和陣 列波導(dǎo)光柵集成在一起組成光分插復(fù)用器。熱光開關(guān)體積非常小,可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的交換速度。Y分支有機(jī)聚合物熱光開關(guān)（1x2,通過提高一個(gè)通道的溫度使其有效折射率下降，能量轉(zhuǎn)移到一個(gè)通道中）液晶光

11、柵開關(guān)：液晶光柵開關(guān)是基于布喇格光柵技術(shù)，利用液晶材料的電光效應(yīng)，采用了更為新穎的結(jié)構(gòu)。液晶 開關(guān)內(nèi)包含液晶片、偏振光束分離器（PBS）或光束調(diào)相器。液晶片的作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。液晶光開關(guān)的基本原 理是：將液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導(dǎo)上，形成液體光柵。當(dāng)加上電壓時(shí)，光柵消失，晶體是全透 明的，光信號(hào)將直接通過光波導(dǎo)。當(dāng)沒有施加電壓時(shí)，光柵把一個(gè)特定波長(zhǎng)的光反射到輸出端口。這表明該光柵具有 兩種功能：取出光束中某個(gè)波長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)交換。聲光光開關(guān)：聲光光開關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)。即一定頻率的聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與該聲 波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從

12、而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化，形成等效的衍射光柵。其光 柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)，當(dāng)入射光束滿足布喇格衍射條件時(shí)，就可引起光的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角由聲波的頻率和入射光波長(zhǎng)決 定。因而能提供一種方便地控制光的強(qiáng)度、頻率和傳播方向的手段。半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)：半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)在半導(dǎo)體量子阱帶間躍遷（ISB- T）中，有超快馳豫時(shí) 間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長(zhǎng)可調(diào)諧大的特點(diǎn)。在一種材料InGaAs/AIAsSb多量子阱中的通信波長(zhǎng)上得到了 1.2ps 的響應(yīng)時(shí)間，而在另外一種GaN/AIGaN多量子阱中，得到7150fs的超快響應(yīng)時(shí)間，而這有可能制作成fs級(jí)超快 光開關(guān)。目前已商用化的磁光開關(guān)原理是利

13、用法拉第旋光效應(yīng)通過外加磁場(chǎng)的變化來改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏 振面的作用，從而達(dá)到切換光路的作用。由于無機(jī)械移動(dòng)部件，可靠性高，并且開關(guān)速度快（亞毫秒），更兼有隔離 器和環(huán)行器的功能，使全固態(tài)的光路調(diào)節(jié)成為可能。MEMS是通過微制造技術(shù)將微型機(jī)械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器和信號(hào)處理及控制電路等在普通硅基底上集成。;七 isfdln。neoscrAv5) 1x2 型(b) I x49 (c) 2 x2 型基本單元先開美類型1x22x21x4插入哉括/1B0711小砒AIB -60 -60 -60開關(guān)電壓/球8001 ono1 000/1 500開知寸間/n】s400 400 400外形尺寸/

14、mm32 4x543 9x5414x54光通信網(wǎng)的要求.執(zhí)打零是M0EWS光開關(guān)中的核心部 分，利川微制地技術(shù)可以制作用對(duì)級(jí)性位移屈角脩較大 的如謖能醐足光開關(guān)憾計(jì)要求15晌栗用 深度話性離子蝴法（DR e制作的線性位移ftfrSH： 儀移蛔士 120阮七舟|執(zhí)行器命度偏轉(zhuǎn)超過士 M種開關(guān)的撅柜榔小了。5 dlKOOfc移開關(guān) 的開關(guān)時(shí)間約為700以角仙開關(guān)的開關(guān)時(shí)間小F 5ms光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間受執(zhí)行器和反射餓共同體的機(jī)械 i肘6掀整限制.值性但移光開關(guān)，咒開美時(shí)間大約是及射 眥 站他移到丹-端的時(shí)間.對(duì)諧報(bào)額宰為1 HH的 粕謁，開美時(shí)初、約為700頃滿開關(guān)是就控制 反財(cái)銳的偏轉(zhuǎn)孫廢完成開關(guān)

15、功眼花開關(guān)時(shí)桐布對(duì)級(jí)性 世移開關(guān)婆稍長(zhǎng)-也眥執(zhí)福的ilf醐率斜婦H 務(wù)倘開美需要更*的時(shí)時(shí)以便將元柬精確控制到預(yù)JW 輸出牌.附1地基T M伽略技術(shù)設(shè)計(jì)的被機(jī)械位轉(zhuǎn)角 偷執(zhí)行器陣列開關(guān)的開犬時(shí)間曲線.從曲線可以看出實(shí) 隊(duì)光纖I到光纖2開關(guān)耗時(shí)購3 5岬損耗小T項(xiàng) （III圖1而偏執(zhí)行器陣列開關(guān)的開關(guān)時(shí)何曲與（M光纖I到光纖2轉(zhuǎn)換）2基于M0硼娥術(shù)的光開關(guān)基J： MOFMS技術(shù)制作的光開關(guān)，將微機(jī)械結(jié)枸成 架動(dòng)器和做光學(xué)元件成在同時(shí)威匕結(jié)構(gòu)緊渣益W 容易建成.此種光開卻時(shí)具有機(jī)械光開卻波導(dǎo)光圖2基本單元光開關(guān)最構(gòu)示蠢圖圖3 22型基*單元光開關(guān)般合端示意圖表I基本單元升關(guān)性能指標(biāo) 合醐.山間就開

16、奸耶剖蛔懶光開關(guān)瓜 部皿BL21獺狄毓*ST的叫娥術(shù)虹眥型光野開關(guān)耽下撇 |XX?X4型隊(duì)單元*開關(guān).這蝶伸元光開 欷慎觥他 JF斕缺砌* 俄毓制吠X2N光開耕州叫K甲崩入采用1100廊螂 淌觸斜類型曜杵亓光開關(guān)氣如用2醐3 而.這蛭抻雙開辮用MO瑚讖術(shù)融，雌 wmmi I iKl 脂帳游新州戢鼬它曲料蹴56wKmm觥DW EM技術(shù)在捋獻(xiàn)暢廣既用,凱空 一f （3。加 5 頃.注 M0EM嵌糊作禎開知頗應(yīng)町輸空何相 伊如LYLh等人收用MOBlSftt A 8M 融州光做開關(guān)伽81 4麗）馳姍T 16X10 GI山的WDM系瓠并且好瓶虹州展到64Tb/s 的DWDM瓣，具愀tiy舸以豪楸獻(xiàn)3|

17、.mmn鼬服抵城靠劇袖可力，故開獨(dú)儲(chǔ) 申觥財(cái)網(wǎng)舫起&做方融光耿多 涸雁聊掀早麻柯期婦演郵鼬懶(a) 8x8自曲空間交換光開關(guān)) 2V x 2.自由空間交換光開關(guān)圖4自由空間交換光開關(guān)方向，以進(jìn)行輸入光與輸出流之間的多路轉(zhuǎn)換.圖5所示 為,種錚地驅(qū)動(dòng)的1X4型光開關(guān)，設(shè)計(jì)中采閣了多個(gè)線 性靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)反射魘4個(gè)反射兢呈45“傾斜，并貼在相互.獨(dú)立：的線性靜電執(zhí)行器I每個(gè)都能將 準(zhǔn)rt光束轉(zhuǎn)向iit入特定的輸出光纖中.這種開關(guān)結(jié)構(gòu)不 需要設(shè)計(jì)光束偏轉(zhuǎn)的精確伺要控制系統(tǒng).ExtendedMirrrnSelectedOulpulFiberCollimated I jbncv Benm(l)線性粉電執(zhí)行器的陽1圖口)開關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖圖5 1x4型靜電驅(qū)動(dòng)光開關(guān)原理國(guó)靜電駟動(dòng)方式也可以用廠制作角偏執(zhí)行器，如圖6 所