光開關定義分類

1、光開關是按一定要求將一個光通道的光信號轉換到另一個光通道的器件。光開關可使光路之間進行直接交換，是光網(wǎng)絡中完成全光交換的核心器件,在全光網(wǎng)絡中，光開關可實現(xiàn)在全光層的 路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等重要功能。其中光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）可以說是全光網(wǎng)的核心。而光開關和光開關陣列恰恰是OXC 和OADM的核心技術。全光網(wǎng)絡中應用的光開關應具有快的響應速度、低的插入損耗、低通道串音、對偏振不敏感、可集成性和可擴展性、 低成本、低功耗、熱穩(wěn)定性好等特性。今后光開關發(fā)展的方向:光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關的技術發(fā)展較快,其開關時間具有幾個ps到10ps的開發(fā)潛

2、力， 可以滿足全光通信網(wǎng)絡實現(xiàn)高速光交換、光交叉連接的要求。因此光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關是今后光開關的發(fā) 展方向。但是，光調(diào)制光開關和波導調(diào)制光開關串音大的缺點目前尚無技術突破還處于實驗室研究階段，而且價格昂貴， 近幾年要達到實用化的水平并投入市場不太可能。目前采用較為成熟的MEMS技術研制開發(fā)光開關、光開關列陣，并 在此基礎上組建、完善全光交換機及其交換矩陣系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡節(jié)點設備，具有非常大的現(xiàn)實應用價值。目前,MEMS技術還存在一些問題:一是迫切需要用于微電子機械系統(tǒng)設計的先進的模擬工具和模型建立工具（大多數(shù)微 電子機械設備都是用功能差的不能準確預測執(zhí)行情況的分析工具來建立的，這種方式

3、效率低下，費時費力），只有運用合 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程的超級計算機網(wǎng)絡才能從根本上改變這種局面;其次,微電子 機械系統(tǒng)的包裝面臨獨特的挑戰(zhàn),因為微電子機械裝置形狀差異大,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)一套微電子機械系統(tǒng)就需要為其設計一個專用的包裝。容許設計者從已有的標準包中挑選出新的微電子機械設 備的包裝也不失為一個較好的辦法。（應用光學2005）常見的光開關：MEMS光開關：而MEMS光開關是基于半導體微細加工技術構筑在半導體基片上的微鏡陣列，即將電、機械和光 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。目前已成為一種最流行的

4、光開關制作技術。其基本原理 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，使任一輸入和輸出端口相連接，且1個輸出端口在同一時間只能和1個輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導 技術的光開關相比,MEMS光開關具有低串音、低插損的優(yōu)點成為全光網(wǎng)絡中的關鍵光器件。MEMS光開關優(yōu)點：與現(xiàn)有的基于光波導技術的光開關相比MEMS光開關具有低串音、低插損的優(yōu)點成為全光網(wǎng) 絡中的關鍵光器件。同時它既有機械光開關和波導光開關的優(yōu)點，又克服了光機械開關難以集成和擴展性差等缺點，它 結構緊湊、重量輕，且擴展性較好。MEMS光開關特性：低插入損耗；低串

5、擾；與波長、速率、調(diào)制方式無關；功耗低；堅固、壽命長；可集成擴展成大 規(guī)模光開關矩陣；適中的響應速度（開關時間從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技術的解決方案已是主流。MEMS光開關分類:MEMS光開關可以分為二維和三維光開關。二維光開關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。準直光束和旋轉微鏡構成多端口光開關對于MXN的光開關矩陣，光開關具WMXN個微反 射鏡。二維光開關的微反射鏡具有兩個狀態(tài)0和1（通和斷），當光開關處于1態(tài)時，反射鏡處于由輸入光纖準直系統(tǒng)出 射的光束傳播通道內(nèi)，將光束反射至相應的輸出通道并經(jīng)準直系統(tǒng)進入目

6、標輸出光纖；當光開關處于0態(tài)時，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入其對面的光纖。三維MEMS的微鏡固定在一個萬向支架上, 可以沿任意方向偏轉。每根輸入光纖都有一個對應的MEMS輸入微鏡，同樣，每根輸出光纖也都有其對應的MEMS輸出 微鏡17因此，對于MXN三維MEMS光開關，則具有M+N 個MEMS微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對 應的輸入微鏡反射到任意一個輸出微鏡，而相應的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對應的輸出光 纖。對于MXN三維MEMS光開關，每個輸入微鏡有N個態(tài)，而輸出微鏡則具有M個狀態(tài)。目前，lolon利用MEMS實現(xiàn) 了光開關

7、的大量自動化生產(chǎn)。該結構開關時間小余5mso Xeros基于MEMS微鏡技術，設計了能升級到1152X 1152的光 交叉連接設備，交換時間小余50ms。隨著全光網(wǎng)絡的發(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技術的光開關主要有微反射鏡型光開關、靜電驅動型光開關、自由空間交換型光開關、無透鏡型光纖光開關 等，光開關的驅動方式主要有平行板電容靜電驅動，梳狀靜電驅動器驅動，電致、磁致伸縮驅動，形變記憶合金驅動，光功 率驅動和熱驅動等4.MOEMS光開關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，壓電材料及有機聚合物等其他

8、材料.MOEMS光開關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：利用熱光效應制造的小型光開關。熱光效應是指通過電流加熱的方法，使介質的溫度變化，導致光在 介質中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應。折射率隨溫度的變化關系為：it7 ） = % 4 川 T） = % 4 AT = Jin + uA IdT式中n0為溫度變化前的介質的折射率，AT為溫度的變化，a為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關。此類開關采用可調(diào)節(jié)熱量的波導材料，如$102、Si和有機聚合物等。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 導被加熱，溫度上升，熱光效應引起波導折射率下降，這樣就將光耦合從主波導引導至分支波導。聚合波導技術是非 常有吸引力的技術，它成本低、串擾低、功耗小、與偏振和波長無關。聚合物波導的熱光系數(shù)很高，而導熱率很低，因 而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向，開關時間相對減小可達lms以內(nèi)。熱光開關的速度介于電光開關和MEMS之 間。熱光開關一種是基于SoS（Silica- on- Silicon）技術,該光開關具有透明性、高可靠性、亞毫秒級恢復能力和無阻 塞特性，速度可達到

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

11、柵開關：液晶光柵開關是基于布喇格光柵技術，利用液晶材料的電光效應，采用了更為新穎的結構。液晶 開關內(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入射光的極化角。液晶光開關的基本原 理是：將液晶微滴置于高分子層面上，然后沉積在硅波導上，形成液體光柵。當加上電壓時，光柵消失，晶體是全透 明的，光信號將直接通過光波導。當沒有施加電壓時，光柵把一個特定波長的光反射到輸出端口。這表明該光柵具有 兩種功能：取出光束中某個波長并實現(xiàn)交換。聲光光開關：聲光光開關是利用介質的聲光效應。即一定頻率的聲波在聲光介質中傳播時，該介質會產(chǎn)生與該聲 波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變，從

12、而導致介質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，當入射光束滿足布喇格衍射條件時，就可引起光的偏轉，偏轉角由聲波的頻率和入射光波長決 定。因而能提供一種方便地控制光的強度、頻率和傳播方向的手段。半導體多量子阱超快光開關：半導體多量子阱超快光開關在半導體量子阱帶間躍遷（ISB- T）中，有超快馳豫時 間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長可調(diào)諧大的特點。在一種材料InGaAs/AIAsSb多量子阱中的通信波長上得到了 1.2ps 的響應時間，而在另外一種GaN/AIGaN多量子阱中，得到7150fs的超快響應時間，而這有可能制作成fs級超快 光開關。目前已商用化的磁光開關原理是利

13、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。由于無機械移動部件，可靠性高，并且開關速度快（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是通過微制造技術將微型機械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器和信號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光開關中的核心部 分，利川微制地技術可以制作用對級性位移屈角脩較大 的如謖能醐足光開關憾計要求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)行器命度偏轉超過士 M種開關的撅柜榔小了。5 dlKOOfc移開關 的開關時間約為700以角仙開關的開關時間小F 5ms光開關的開關時間受執(zhí)行器和反射餓共同體的機械 i肘6掀整限制.值性但移光開關，咒開美時間大約是及射 眥 站他移到丹-端的時間.對諧報額宰為1 HH的 粕謁，開美時初、約為700頃滿開關是就控制 反財銳的偏轉孫廢完成開關

15、功眼花開關時桐布對級性 世移開關婆稍長-也眥執(zhí)福的ilf醐率斜婦H 務倘開美需要更*的時時以便將元柬精確控制到預JW 輸出牌.附1地基T M伽略技術設計的被機械位轉角 偷執(zhí)行器陣列開關的開犬時間曲線.從曲線可以看出實 隊光纖I到光纖2開關耗時購3 5岬損耗小T項 （III圖1而偏執(zhí)行器陣列開關的開關時何曲與（M光纖I到光纖2轉換）2基于M0硼娥術的光開關基J： MOFMS技術制作的光開關，將微機械結枸成 架動器和做光學元件成在同時威匕結構緊渣益W 容易建成.此種光開卻時具有機械光開卻波導光圖2基本單元光開關最構示蠢圖圖3 22型基*單元光開關般合端示意圖表I基本單元升關性能指標 合醐.山間就開

16、奸耶剖蛔懶光開關瓜 部皿BL21獺狄毓*ST的叫娥術虹眥型光野開關耽下撇 |XX?X4型隊單元*開關.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氣如用2醐3 而.這蛭抻雙開辮用MO瑚讖術融，雌 wmmi I iKl 脂帳游新州戢鼬它曲料蹴56wKmm觥DW EM技術在捋獻暢廣既用,凱空 一f （3。加 5 頃.注 M0EM嵌糊作禎開知頗應町輸空何相 伊如LYLh等人收用MOBlSftt A 8M 融州光做開關伽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3|

17、.mmn鼬服抵城靠劇袖可力，故開獨儲 申觥財網(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) 2V x 2.自由空間交換光開關圖4自由空間交換光開關方向，以進行輸入光與輸出流之間的多路轉換.圖5所示 為,種錚地驅動的1X4型光開關，設計中采閣了多個線 性靜電驅動執(zhí)行器來驅動對應反射魘4個反射兢呈45“傾斜，并貼在相互.獨立：的線性靜電執(zhí)行器I每個都能將 準rt光束轉向iit入特定的輸出光纖中.這種開關結構不 需要設計光束偏轉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)開關原理結構圖圖5 1x4型靜電驅動光開關原理國靜電駟動方式也可以用廠制作角偏執(zhí)行器，如圖6 所