光迅科技：光開關介紹[圖]

光開關是一種實現(xiàn)光信號通斷、路徑改變的光無源器件，是實現(xiàn)光通信網(wǎng)絡信號交互的基礎器件之一，也是實現(xiàn)全光網(wǎng)絡中核心技術之一。目前光開關技術相對成熟，各類產(chǎn)品被廣泛應用于光線路保護（OLP），光線路監(jiān)控（OLM），可配置光分插復用模塊（ROADM），網(wǎng)絡交叉連接（OXC）等系統(tǒng)和網(wǎng)絡節(jié)點。

實現(xiàn)光開關的技術方案很多，除了傳統(tǒng)的機械式光開關外，還有磁光開關，M-Z型干涉式光開關，熱光開關，聲光開關，液晶開關，MEMS開關等。不同的實現(xiàn)原理和工藝特點使其在性能指標上各不相同，如插損（IL），串擾（Crosstalk），偏振相關度（PDL），波長相關度（WDL），溫度相關性（TDL），重復性等等上的差異導致各自應用方式不同，同時成本也是供應商和系統(tǒng)商非�？粗氐囊蛩刂�一。本文將對各種開關的原理和優(yōu)缺點做一次較為詳盡對比分析，并對光迅的相關光開關產(chǎn)品特點進行說明。

表一 各種原理的光開關對比表

雖然目前商用領域還是以傳統(tǒng)的機械式光開關為主，有著插損小、穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點，但是隨著光網(wǎng)絡大容量化、高速化的發(fā)展趨勢，多端口數(shù)，高速切換，集成性好的光開關將成為今后的主流目標，大體積且端口數(shù)少的機械式光開關不適合構建光開關矩陣和光網(wǎng)絡節(jié)點。

傳統(tǒng)機械式光開關

傳統(tǒng)機械式光開關由繼電器和馬達作為驅(qū)動元件，利用繼電器和馬達的機械性能，改變光學元件的位置，從而使光路發(fā)生偏折，達到開關切換的目的。

機械式光開關主要分為：動纖式，反射式，透射式等。

動纖型光開關使用TEC光纖，將光纖端面進行拋光和鍍膜，使用繼電器將可動纖抬起與落下，與不同的固定纖進行耦合，達到開關切換的目的，具有成本低，插損低，功耗小的優(yōu)點，但是由于光纖端面的反射，回損指標受到影響，同時可能存在回跳現(xiàn)象，重復性方面不是很好，且可靠性較差。

圖1 動纖式光開關

反射式光開關利用繼電器驅(qū)動高反鍍膜的玻璃片切入光路，實現(xiàn)反射與透射的切換功能，此類開關原理和結構較簡單，作為最早應用的機械式光開關，技術和工藝相對成熟，各方面指標都較好，但是由于反射耦合的敏感性，反射鏡切換時的輕微位移容易造成重復性差。

透射式光開關利用繼電器驅(qū)動楔角或棱鏡實現(xiàn)光路偏折或偏移，此類開關目前應用最為廣泛，有插損小，重復性小，穩(wěn)定相關損耗小的優(yōu)點。

   圖2 反射式光開關                                       圖3 透射式光開關

馬達一般用于輸出端口大于16個通道的光開關，由于傳統(tǒng)機械式光開關難以實現(xiàn)多端口輸出，解決了級聯(lián)方案的繁瑣，高成本，可靠性差等問題，馬達式光開關一般是將輸入端固定，通過驅(qū)動馬達將不同輸出端準直器與輸入端耦合，但是由于馬達的工作原理，導致了此類開關非相鄰通道的高切換延時，且由于馬達的制作工藝，導致此類開關高度較高，不利于集成和小型化。

圖4 馬達式光開關

磁光開關

磁光開關主要運用的原理為晶體的雙折射和法拉第旋光效應，通過驅(qū)動引腳施加電壓從而改變外加磁場來改變磁光晶體對入射偏振光偏振面的作用，達到切換光路的效果。

磁光開關一般由PBS(偏振分束器)，F(xiàn)R（法拉第旋轉器），displace（偏振光分離器），PBC(偏振合束器)組成，光通過PBS后分為偏振態(tài)相互正交的o光和e光，通過波片作用轉換為同種偏振態(tài)的光，當兩個法拉第旋轉器一正一反加電時，光偏振態(tài)分別以兩種狀態(tài)通過偏振分離器，在不同位置再經(jīng)由PBC合束導出，實現(xiàn)了開關功能的切換。

磁光開關作為一種全固態(tài)型開關，內(nèi)部沒有任何可移動部件，可靠性及穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)的機械式開關，且具有插損小，重復性好的優(yōu)點，同時在切換時間方面可以達到微秒級別，具有較高的商用價值。

圖5 磁光開關

馬赫－曾德干涉儀型光開關

當相互平行的兩個波導互相靠近時 ,波導中的傳播模式會在傳輸過程中發(fā)生耦合并產(chǎn)生功率交換。

M-Z干涉儀型光開關以鈮酸鋰為基底，在基底上制作一對平行光波導，并在波導兩端分別連接Y型50/50耦合器。通過電極對波導區(qū)施加電壓，使得耦合區(qū)兩波導的折射率發(fā)生變化，從而使光程相應變化，當折射率大小相同時，形成相干增強，折射率大小相反時，形成相消，達到開關切換的目的。

M-Z干涉儀型光開關的優(yōu)點在于體積小，開關切換速度快，目前商用水平可以達到0.2ns以下，但是相應的缺點是插損較大，且消光比低，同時可以承受的輸入光功率小。

熱光開關

通過電流加熱使介質(zhì)的溫度發(fā)生變化，折射率改變，使得光在介質(zhì)中傳播的相位發(fā)生改變，這就是熱光效應。目前熱光開關按原理分為：M-Z型光開關和數(shù)字光開關兩種。

熱光開關一般使用鈮酸鋰，硅，二氧化硅和有機聚合物作為可調(diào)節(jié)熱量的波導材料，在基底上通過各種工藝形成分支波導并沉積金屬鈦或鉻形成加熱器。對波導陣列的一個分支加熱使得波導溫度上升，波導折射率下降，阻止光沿該分支的傳輸，使得光由主波導引導至分支波導。

熱光開關的優(yōu)點是成本較低，串擾較低，功耗較小，體積小，可以與AWG集成在一起組成OADM。但是M-Z型熱光開關對波長敏感，數(shù)字光開關插損較大，且熱光OSW目前切換速度較慢，商用一般只能制作1x2,大大限制了應用范圍。

聲光開關

聲光開關利用的是聲光衍射原理，首先將輸入的電信號轉化為超聲波傳輸?shù)铰暪饣プ饔玫牟▽Ы橘|(zhì)內(nèi)，光波導的折射率發(fā)生周期變化，形成一個運動的波長選擇性布拉格光柵，當輸入光波滿足布拉格衍射條件時，就可引起光的偏轉，實現(xiàn)開關的功能。

該類器件可靠性好，切換速度快。但是插入損耗較大且成本較高。

液晶開關

液晶光開關利用晶體的電光效應，通過外加電壓改變光的折射率及偏振態(tài)，經(jīng)由液晶分子的方向改變來改變光的透過率，實現(xiàn)開關的通斷。

目前商用主流就是基于以上原理的偏振分束液晶光開關，其原理和實現(xiàn)方式類似于磁光開關。

液晶開關的優(yōu)勢在于能量低，響應速度快，可以實現(xiàn)1xN和NxN的功能，但是由于在液晶中光會分束及合束，多端口應用時容易產(chǎn)生因光的傳輸路徑偏差帶來的插入損耗，因此多端口插損較大，而且對溫度較敏感。

MEMS 開關

MEMS技術是由半導體材料構成微機械結構，將電、機械和光集成為一塊芯片。MEMS的基本原理就是通過靜電或其他驅(qū)動力改變微旋轉鏡產(chǎn)生機械運動。使得光路的傳播方向發(fā)生改變從而實現(xiàn)開關功能。

MEMS開關主要分為2D和3D兩種, 2D NxN MEMS OSW 需要N2個微旋轉鏡來完成N2個通道的切換，其控制電路簡單，目前被廣泛應用。而3D NxN MEMS OSW的鏡面不局限于一個平面，能向任何方向偏轉，每一個旋轉鏡都有N種狀態(tài)，輸入光可以通過一系列陣列反射最后到輸出端口，通過精密的機械控制微旋轉鏡，可以僅需要2N個微旋轉鏡就可以完成 N2個通道的切換，更利于容量的擴展，但是其控制電路和監(jiān)控設備要復雜的多。

光迅公司設計并生產(chǎn)多種類型的光開關，經(jīng)過嚴格的指標測試及長期的可靠性驗證，得到各運營商與器件商的一致認可與好評，產(chǎn)品水平處于業(yè)界領先地位，產(chǎn)品主要包括如下幾類：

1)常規(guī)機械式2x2全通光開關

圖6 常規(guī)機械式光開關

常規(guī)機械式光開關通過繼電器帶動機械組件控制反射鏡運動達到切換反射光路與透射光路的目的，實現(xiàn)2x2光路可逆全通， 精確簡單的機械設計保證了開關的切換時間、穩(wěn)定性及壽命。

表二 常規(guī)機械式光開關指標

2)自由空間式1xN光開關

圖7 自由空間式1x8光開關

自由空間式1xN光開關通過從結構和光路方面精巧設計，將傳統(tǒng)的級聯(lián)變通到自由空間的范疇，省略了常規(guī)級聯(lián)各開關的耦合和接續(xù)，不僅降低了單位通道的成本，更大大減小了器件的體積。開關具有良好的切換壽命和切換重復性，1x4,1x8系列光開關基本指標如下：

表三 自由空間式1x4/1x8光開關指標

3)超小型機械式光開關

圖8 超小型光開關

超小型機械式光開關體積僅為17.3mmx10.4mmx7.9mm(LxWxH),通過驅(qū)動活動楔角片的方式改變光路，透射式的光路設計保證了開關的重復性及溫度相關損耗，該開關同側出纖便于模塊和單盤的應用，低插損，高串擾，優(yōu)秀的切換速度(<4ms)，處于機械式光開關一流水平。

表四 超小型光開關指標

結束語

光開關(OSW)是光通信網(wǎng)絡中最為重要的基礎元器件之一，近幾年隨著光網(wǎng)絡的建設，系統(tǒng)對高速、擴容、高集成度等的要求也越來越高，小型化，集成化，高端口數(shù)將成為未來光開關的發(fā)展趨勢。