光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85％的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，而且對整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點設(shè)計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——自動交換光網(wǎng)絡(luò)(Automatic SwitchedOptical Networks，ASON)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點，它的核心節(jié)點由光交叉連接(Optical Cross—connect，OXC)設(shè)備構(gòu)成，通過OXC，可實現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效地管理。OXC技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。
    光開關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護、波長動態(tài)分配等功能，對解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長爭用，提高波長重用率，進行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。隨著光傳送網(wǎng)向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的生存能力、網(wǎng)絡(luò)的保護倒換和恢復(fù)問題成為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題，而光開關(guān)在光層的保護倒換對業(yè)務(wù)的保護和恢復(fù)起到了更為重要的作用。

1 光開關(guān)的應(yīng)用范圍
    光開關(guān)(Optical Switch，OS)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。光開關(guān)基本的形式是2x2：即入端和出端各有兩條光纖，可以完成兩種連接狀態(tài)：平行連接和交叉連接，如圖1所示。較大型的空分光交換單元可由基本的2x2光開關(guān)以及相應(yīng)的1x2光開關(guān)級聯(lián)、組合構(gòu)成。

    光開關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，在波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長適配、再生和時鐘提??；在光時分復(fù)用(OptcalTime Division Multiplex，OTDM)系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用；在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是光交叉連接(Optical Cross-connect，OXC)的關(guān)鍵器件，也是波長變換的重要器件。根據(jù)光開關(guān)的輸入和輸出端口數(shù)，可分為1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多種，它們在不同場合中有不同用途。其應(yīng)用范圍主要有：光網(wǎng)絡(luò)的保護倒換系統(tǒng)、光纖測試中的光源控制、網(wǎng)絡(luò)性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)、光器件的測試、構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心、光插／分復(fù)用、光學(xué)測試、光傳感系統(tǒng)等。

2 主要光開關(guān)類型研究
    依據(jù)不同的光開關(guān)原理，光開關(guān)的實現(xiàn)方法有多種，如：傳統(tǒng)機械光開關(guān)、微機械光開關(guān)、熱光開關(guān)、液晶光開關(guān)、電光開關(guān)和聲光開關(guān)等。其中傳統(tǒng)機械光開關(guān)、微機械光開關(guān)、熱光開關(guān)因其各自的特點在不同場合得到廣泛應(yīng)用。
2．1 傳統(tǒng)機械光開光
    目前應(yīng)用最為廣泛的仍是傳統(tǒng)的1x2和2x2機械式光開關(guān)。傳統(tǒng)機械式光開關(guān)可通過移動光纖將光直接耦合到輸出端，采用棱鏡、反射鏡切換光路，將光直接送到或反射到輸出端。
    機械式光開關(guān)分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術(shù)，二是采用反射鏡切換技術(shù)，三是通過移動光纖切換光路。移動棱鏡光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。光纖與起準直作用的透鏡(準直器)相連，并固定不動，通過移動棱鏡改變輸入、輸出端口間的光路。反射鏡型光開關(guān)工作原理如圖3所示。當(dāng)反射鏡未進入光路時，光開關(guān)處于直通狀態(tài)，光纖1進入的光進入光纖4，光纖2進入的光進入光纖3；當(dāng)反射鏡處于兩光線的交點位置時，光開關(guān)處于交叉狀態(tài)，光纖1進入的光進入到光纖3，光纖2進入的光進入光纖4從而實現(xiàn)光路的切換。移動光纖型光開關(guān)如圖4所示，是固定一端的光纖，移動另一端的光纖與固定光纖的不同端口相耦合，實現(xiàn)光路的切換。這類光開關(guān)回波損耗低，且受外界環(huán)境溫度影響大，并沒有形成真正意義上的商用化產(chǎn)品。我國國內(nèi)商用化光開關(guān)主要是移動棱鏡和反射鏡型的。

    機械型光開關(guān)的優(yōu)點是插入損耗低(<1 dB)、隔離度高(>45 dB)與波長和偏振無關(guān)，制作技術(shù)成熟。缺點在于開關(guān)動作時間較長(ms量級)，體積偏大，且不易做成大型的光開關(guān)矩陣，有時還存在回跳抖動和重復(fù)性差的問題。機械型光開關(guān)在最近幾年得到廣泛應(yīng)用，但隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，這種開關(guān)難以適應(yīng)未來高速、大容量光傳送網(wǎng)發(fā)展的需求。
2．2 徽電子機械系統(tǒng)光開關(guān)
    近幾年發(fā)展很快的是微電子機械光開關(guān)，它是半導(dǎo)體微細加工技術(shù)與微光學(xué)和微機械技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生的一個新型微機-電-光一體化的的新型開關(guān)，是大容量交換光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)發(fā)展的主流方向。
    MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光開關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動，從而改變輸入光的傳播方向以實現(xiàn)光路通斷的功能。MEMS光開關(guān)較其他光開關(guān)具有明顯優(yōu)勢：開關(guān)時間一般在數(shù)ms量級；使用了IC制造技術(shù)，體積小、集成度高；工作方式與光信號的格式、協(xié)議、波長、傳輸方向、偏振方向、調(diào)制方式均無關(guān)，可以處理任意波長的光信；同時具備了機械式光開關(guān)的低插損、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比和波導(dǎo)開關(guān)的高開關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成的優(yōu)點。
    按功能實現(xiàn)方法，可將MEMS光開關(guān)分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。微鏡反射型MEMS光開關(guān)方便集成和控制，易于組成光開關(guān)陣列，是MEMS光開關(guān)研究的重點，可分為二維MEMS光開關(guān)和三維MEMS光開關(guān)，并已提出一維MEMS光開關(guān)的概念。
    所謂2D是指活動微鏡和光纖位于同一平面上，且活動微鏡在任一給定時刻要么處于開態(tài)，要么處于關(guān)態(tài)。在這種方式中，活動微鏡陣列與N根輸入光纖和N根輸出光纖相連。對一個NxN光開關(guān)矩陣而言，所需的活動微鏡數(shù)為N2。因此，這種方式也稱為N2結(jié)構(gòu)方案。例如，一個4x4的2D光開關(guān)有16個活動微鏡，而4個4x4光開關(guān)可組成1個8×8的光開關(guān)，其中有64個活動微鏡。圖5、圖6分別是4x4和8x8的光開關(guān)的配置圖。

    基于鏡面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機械底座上。典型的尺寸是10cm。準直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān)。二維MEMS的空間微調(diào)旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆恕Ｎq鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接平移盤鉸接點。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過SDA(Scr-atch Drive Actuator)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)平移盤使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)微鏡為水平時，可使光束通過該徽鏡，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該徽鏡對應(yīng)的輸出端口輸出。
    三維微電機系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)工作原理如圖7所示，是一個4x4光開關(guān)的光路圖。這種構(gòu)方式最主要優(yōu)點是控制十分簡單，組成控制系統(tǒng)的主要元件是雙極晶體管邏輯(TTL)驅(qū)動器，輔以電平提升電路，它可給每個微(反射)鏡提供所需的各種電平。

    三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達到百萬分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當(dāng)波長帶同時從一根光纖交換到另一根光纖上。
    三維MEMS主要靠2個N微鏡陣列完成兩個光纖陣列的光波空間連接，每個微鏡都有多個可能的位置。由于MEMS光開關(guān)是靠鏡面轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動都可能損壞光開關(guān)。
    雖然二維和三維MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光開關(guān)仍然面臨眾多挑戰(zhàn)。由于MEMS采用了微鏡系統(tǒng)，在制作工藝上要求較高，在經(jīng)歷百萬甚至千萬次的轉(zhuǎn)換后會不會損壞其結(jié)構(gòu)的完整性和微鏡的轉(zhuǎn)動靈活性，關(guān)系到光網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。MEMS光開關(guān)要滿足批量生產(chǎn)的要求，對工藝的穩(wěn)定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面對用戶，其封裝工藝和安裝的自動化都是需要考慮的問題。
    盡管MEMS面臨以上問題，但是由于其既具備普通機械光開關(guān)損耗低、串?dāng)_小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導(dǎo)開關(guān)一樣開關(guān)速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng)絡(luò)或大容量業(yè)務(wù)交換的應(yīng)用場合，基于MEMS光開關(guān)技術(shù)的解決方案已成為主流選擇。
2．3 熱光開關(guān)
    熱光開關(guān)是利用熱光效應(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可用以下關(guān)系式表示：
   
    式中no為溫度變化之前的折射率，△T為溫度的變化，α為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。表1是幾種材料的熱光系數(shù)。

    此類開關(guān)采用可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料，如SiO2、Si和有機聚合物等。在硅襯底上，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)時間相對減小可達1ms以內(nèi)。熱光開關(guān)的速度介于電光開關(guān)和MEMS之間。熱光光開關(guān)技術(shù)主要是用來制造小型的光開關(guān)。通過集成多個1x2光開關(guān)也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關(guān)：干涉式光開關(guān)、數(shù)字光開關(guān)也叫分支器型熱光開關(guān)。
    干涉式光開關(guān)主要利用馬赫-增德爾干涉原理制造，主導(dǎo)思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關(guān)，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導(dǎo)里面進行傳輸，再合并。在兩個波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達到開關(guān)的目的。MZI型光開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖8所示。它包括1個MZI和2個3dB耦合器，兩個波導(dǎo)臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導(dǎo)上的熱量通過它來散發(fā)出去。當(dāng)加熱器未加熱時，輸入信號經(jīng)過2個3 dB耦合器在交叉輸出端口發(fā)生相干相長而輸出，在直通的輸出端口發(fā)生相干相消，如果加熱器開始工作而使光信號發(fā)生了大小為π的相移，則輸入信號將在直通端口發(fā)生相干相長而輸出，而在交叉端口發(fā)生干涉相消。從而通過控制加熱器可實現(xiàn)開關(guān)的動作。干涉式光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。

    數(shù)字光開關(guān)的原理和結(jié)構(gòu)都很簡單，如圖9所示，最基本的1x2熱光開關(guān)由在硅基底上制作的Y形分支矩形波導(dǎo)構(gòu)成。在波導(dǎo)分支表面沉積金屬鈦或鉻，形成微加熱器。當(dāng)對Y形的一個分支加熱時，相應(yīng)波導(dǎo)的折射率會發(fā)生改變，從而阻止光沿該分支的傳輸。數(shù)字光開關(guān)的性能穩(wěn)定，在于只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就保持同樣的狀態(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，因此需要的功耗小，但插入損耗較大，一般為4 dB。

    干涉型光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制；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20 dB，但插入損耗較大，一般為3～4 dBc。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，可實現(xiàn)微秒級的交換速度。

3 幾種光開光比較
3．1 光開關(guān)的技術(shù)評價指標
    光開關(guān)的性能是由業(yè)務(wù)量、運行條件和現(xiàn)場環(huán)境等因素共同決定的，對光開關(guān)的要求是：一方面必須在插入損耗、串?dāng)_、消光比、開關(guān)速度、開關(guān)規(guī)模和開關(guān)尺寸等方面具有良好的性能；另一方面必須能夠集成為大規(guī)模的開關(guān)陣列，以適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的要求。一般主要用以下參數(shù)評價光開關(guān)：
    1)交換矩陣的大小光開關(guān)交換矩陣的大小反映了光開關(guān)的交換能力。光開關(guān)處于網(wǎng)絡(luò)不同位置，對其交換矩陣大小要求也不同。隨著通信業(yè)務(wù)需求的急劇增長，光開關(guān)的交換能力也需要大大提高，如在骨干網(wǎng)上要有超過1000x1000的交換容量。對于大交換容量的光開關(guān)，可以通過較多的小光開關(guān)疊加而成。
    2)交換速度交換速度是衡量光開關(guān)性能的重要指標。交換速度有兩個重要的量級，當(dāng)從一個端口到另一個端口的交換時間達到幾個ms時，對因故障而重新選擇路由的時間已經(jīng)夠了。如對同步數(shù)字序列／同步光纖網(wǎng)絡(luò)(Synchronous Digital Hierarchy／Synchronous Optical Network，SDH／SONET)來說，因故障而重新選路時，50 ms的交換時間幾乎可以使上層感覺不到。當(dāng)交換時間到達ns量級時，可以支持光互聯(lián)網(wǎng)的分組交換。這對于實現(xiàn)光互聯(lián)網(wǎng)是十分重要的。
    3)損耗 當(dāng)光信號通過光開關(guān)時，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預(yù)算設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，光開關(guān)及其級聯(lián)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響很大。損耗和干擾將影響到功率預(yù)算。光開關(guān)損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個：光纖和光開關(guān)端口耦合時的損耗和光開關(guān)自身材料對光信號產(chǎn)生的損耗。一般來說，自由空間交換的光開關(guān)的損耗低于波導(dǎo)交換的光開關(guān)。如液晶光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的損耗較低。大約l～2 dB c．而鈮酸鋰和固體光開關(guān)的損耗較大，大約4 dB左右。損耗特性影響到了光開關(guān)的級聯(lián)，限制了光開關(guān)的擴容能力。
    4)交換粒度不同的光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，對交換的需求和光域內(nèi)使用的交換粒度也有所不同。交換粒度可分為3類：波長交換、波長組交換和光纖交換。交換粒度反映了光開關(guān)交換業(yè)務(wù)的靈活性。這對于考慮網(wǎng)絡(luò)的各種業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)保護和恢復(fù)具有重要意義。
    5)無阻塞特性無阻塞特性是指光開關(guān)的任一輸入端能在任意時刻將光波輸出到任意輸出端的特性。大型或級聯(lián)光開關(guān)的阻塞特性更為明顯。光開關(guān)要求具有嚴格無阻塞特性。
    6)升級能力 基于不同原理和技術(shù)的光開關(guān)，其升級能力也不同。一些技術(shù)允許運營商根據(jù)需要隨時增加光開關(guān)的容量。很多開關(guān)結(jié)構(gòu)可容易地升級為8x8或32x32，但卻不能升級到成百或上千的端口，因此只能用于構(gòu)建OADM或城域網(wǎng)的OXC，而不適用于骨干網(wǎng)上。
7)可靠性光開關(guān)要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開關(guān)可能需要完成幾千、幾萬次的頻繁動作。有些情況(如保護倒換)，光開關(guān)倒換的次數(shù)可能很少，此時，維持光開關(guān)的狀態(tài)是更主要的因素。如噴墨氣泡光開關(guān)，如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問題。
    很多因素會影響光開關(guān)的性能，如光開關(guān)之間的串?dāng)_、隔離度、消光比等都是影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素。當(dāng)光開關(guān)進行級聯(lián)時，這些參數(shù)將影響網(wǎng)絡(luò)性能。光開關(guān)要求對速率和業(yè)務(wù)類型保持透明。在構(gòu)建絕對無阻塞的大型光開關(guān)矩陣時，減小串?dāng)_、降低損耗、實現(xiàn)低成本是需要研究的問題。

4 結(jié)束語
    光開關(guān)是全光通信網(wǎng)的關(guān)鍵部件，本文對光開關(guān)的主要類型：傳統(tǒng)機械式光開關(guān)、微電子機械式光開關(guān)、熱光開關(guān)進行了詳細分析，總結(jié)了各種子類型的基本原理、結(jié)構(gòu)形式，指出它們在應(yīng)用時所存在的問題。提出了一套光開關(guān)性能評價指標體系，并對4種常見的光開關(guān)進行了具體比較，為工程應(yīng)用中的類型選擇提供了參考依據(jù)。
    光開光技術(shù)還在迅速發(fā)展，有一些趨勢值得關(guān)注。隨著業(yè)務(wù)需求的急劇增長，骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)交換容量也急劇增長，因此光開關(guān)的交換矩陣的大小也要不斷提高。同時由于IP業(yè)務(wù)的急劇增長，要求未來的光傳送網(wǎng)能支持光分組交換業(yè)務(wù)，未來的核心路由器能在光層交換。這樣，對光開關(guān)的交換速度提出更高的要求(納秒數(shù)量級)。熱光開關(guān)列陣、微機械光開關(guān)列陣由于集成度較大，因而將是大規(guī)模陣列光開關(guān)的發(fā)展方向。MEMS光開關(guān)目前最有發(fā)展前景，最能適應(yīng)DWDM全光通信網(wǎng)要求。由于MEMS技術(shù)具有兼容性強、易集成、設(shè)計靈活、可大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，MEM5光開關(guān)的集成化和產(chǎn)業(yè)化將是未來MEMS光開關(guān)的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的機械式光開關(guān)在光信號監(jiān)測領(lǐng)域有較大的市場應(yīng)用前景。總之，大容量、高速交換、透明、低損耗的光開關(guān)將在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中起到更為重要的作用。