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光开关的应用与结构和性能特点0

2016-03-17 14:32:58

光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有很多应用场合，是光通讯、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件之一。在光开关技术、以及其它关键光器件技术上有所突破，是建设全光网的关键所在。

可以说，没有开关就没有通信网络。从第一代电信网络开始，即电话交换系统就采用了大量的开关形成交换单元完成用户间的电路交换。今天，以DWDM为基础的全光网络已称为新一代电信网络研究的热点和发展方向，不同波长的光信号在网络中要实现路由选择必然要使用光开关，光开关时完成交换的核心器件，在目前广泛使用的光网络中具有不可替代的作用。下面我们一起来说说关于光开关的相关知识。

光开关涉及的领域：

1.光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。

2.网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。

3.光开关还应用在光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的差／分复用和交换设备中。光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。

简单介绍几种光开关结构与性能特点：

1.机械式光开关

传统的机械式光开关插入损耗较低（<2db）、隔离度高（>45db)，不受偏振和波长的影响。多路输入输出光束的机械光开关中的关键单元是具有光路二度对称的复合反射镜。复合反射镜是由几何形状尺寸和光学性能完全形同的两块镜子粘合在一起构成，以粘合面为对称平面，具有二度镜面对称性。对单个复合反射镜的往返运动的控制，可同时改变两路输入输出光路的相互连接状态，实现光路的平行或交叉连接，形成2X2光开关。采用多个复合反射镜和合理的光路布局，可实现更多光路之间的相互连接状态，形成多路输入输出光束无阻塞交换，同时大幅度减少光开关矩阵中的光学元件和相应驱动器数量，具有频带宽广、结构紧凑、体积小的特点。

2.微电子机械光开关（MEMS）

MEMS光开关是一种自由空间微型光开关，是目前全世界都十分关注的一项新技术，MEMS主要是利用移动光纤或利用微镜反射原理进行光交换的光开关。MEMS是由半导体材料，如Si等组成的微机械结构。MEMS光开关结构紧凑、重量轻、易于扩展，此种光开关同时具有机械光开关和波导光开关的优点，又克服了它们的缺点。MEMS光开关的驱动方式主要有静电驱动、电致伸缩、磁致伸缩、形变记忆合金、光功率驱动、热驱动和光子开关等。其原理是微反射镜和上电极连接在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，静电力的作用下，上电极带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开关的直通状态。作为一种全光开关，由于具有可移动的反射表面或反射镜、可通过施加电或热变化方法改变其反射角，光波长对准反射面按指令让光子通过，或把光信号分流到另一个端口。

3.波导型光开关

波导型光开关是近年来发展起来的一种光开关，它采用波导结构。波导型光开关同样利用电光、声光、热光、磁光效应来进行控制。最一般的介质波导是平板波导结构，它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。平面波导型开关主要有两种，热光型和全内反射型。热光型开关，是利用Si波导的热感应折射率变化原理制作的，其M-Z干设计是由两个3db定向耦合器和两个波导臂组成，臂上还有一个用作热光移相器的薄膜加热器。其工作原理是未受热时这种单元结构处于分叉态，当对热光移相器加热时，开关为条形状，完成开关功能。全内反射型开关的原理是利用在交叉波导中制作的槽里内反射，实现大型的广播电路开关。

4.液晶光开关

液晶光开关是根据其偏振特性来完成交换的，其工作状态时基于对偏振的控制，工作时，一路偏振光被反射。而另一路可以通过。

5.热光效应开关

热光技术主要用来制作小的光开关。现在主要有两种类型的热光开关，数字型光开关和干涉型光开关。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感，因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料上先做上波导结构，通过改变波导折射率实现光的开关动作。

6.声光开关

在声光开关结构中，控制信号采用声波，主要作用是用来控制光线的偏转。声光开关的交换速度从500ns到10us。由于在声光开关中没有课移动的部分，因此，1x2声光开关的可靠性比较高。