banner.jpg)
相關(guān)專題：
光開關(guān)是一種實(shí)現(xiàn)光信號通斷、路徑改變的光無源器件，是實(shí)現(xiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)信號交互的基礎(chǔ)器件之一，也是實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)中核心技術(shù)之一。目前光開關(guān)技術(shù)相對成熟，各類產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于光線路保護(hù)（OLP），光線路監(jiān)控（OLM），可配置光分插復(fù)用模塊（ROADM），網(wǎng)絡(luò)交叉連接（OXC）等系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的技術(shù)方案很多，除了傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)外，還有磁光開關(guān)，M-Z型干涉式光開關(guān)，熱光開關(guān)，聲光開關(guān)，液晶開關(guān)，MEMS開關(guān)等。不同的實(shí)現(xiàn)原理和工藝特點(diǎn)使其在性能指標(biāo)上各不相同，如插損（IL），串?dāng)_（Crosstalk），偏振相關(guān)度（PDL），波長相關(guān)度（WDL），溫度相關(guān)性（TDL），重復(fù)性等等上的差異導(dǎo)致各自應(yīng)用方式不同，同時(shí)成本也是供應(yīng)商和系統(tǒng)商非�？粗氐囊蛩刂�。本文將對各種開關(guān)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)做一次較為詳盡對比分析，并對光迅的相關(guān)光開關(guān)產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行說明。
表一 各種原理的光開關(guān)對比表
雖然目前商用領(lǐng)域還是以傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)為主，有著插損小、穩(wěn)定、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是隨著光網(wǎng)絡(luò)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(guān)將成為今后的主流目標(biāo)，大體積且端口數(shù)少的機(jī)械式光開關(guān)不適合構(gòu)建光開關(guān)矩陣和光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。
傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)
傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)由繼電器和馬達(dá)作為驅(qū)動元件，利用繼電器和馬達(dá)的機(jī)械性能，改變光學(xué)元件的位置，從而使光路發(fā)生偏折，達(dá)到開關(guān)切換的目的。
機(jī)械式光開關(guān)主要分為：動纖式，反射式，透射式等。
動纖型光開關(guān)使用TEC光纖，將光纖端面進(jìn)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(jìn)行耦合，達(dá)到開關(guān)切換的目的，具有成本低，插損低，功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于光纖端面的反射，回?fù)p指標(biāo)受到影響，同時(shí)可能存在回跳現(xiàn)象，重復(fù)性方面不是很好，且可靠性較差。
圖1 動纖式光開關(guān)
反射式光開關(guān)利用繼電器驅(qū)動高反鍍膜的玻璃片切入光路，實(shí)現(xiàn)反射與透射的切換功能，此類開關(guān)原理和結(jié)構(gòu)較簡單，作為最早應(yīng)用的機(jī)械式光開關(guān)，技術(shù)和工藝相對成熟，各方面指標(biāo)都較好，但是由于反射耦合的敏感性，反射鏡切換時(shí)的輕微位移容易造成重復(fù)性差。
透射式光開關(guān)利用繼電器驅(qū)動楔角或棱鏡實(shí)現(xiàn)光路偏折或偏移，此類開關(guān)目前應(yīng)用最為廣泛，有插損小，重復(fù)性小，穩(wěn)定相關(guān)損耗小的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 反射式光開關(guān) 圖3 透射式光開關(guān)
馬達(dá)一般用于輸出端口大于16個(gè)通道的光開關(guān)，由于傳統(tǒng)機(jī)械式光開關(guān)難以實(shí)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(dá)式光開關(guān)一般是將輸入端固定，通過驅(qū)動馬達(dá)將不同輸出端準(zhǔn)直器與輸入端耦合，但是由于馬達(dá)的工作原理，導(dǎo)致了此類開關(guān)非相鄰?fù)ǖ赖母咔袚Q延時(shí)，且由于馬達(dá)的制作工藝，導(dǎo)致此類開關(guān)高度較高，不利于集成和小型化。
圖4 馬達(dá)式光開關(guān)
磁光開關(guān)
磁光開關(guān)主要運(yùn)用的原理為晶體的雙折射和法拉第旋光效應(yīng)，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(dá)到切換光路的效果。
磁光開關(guān)一般由PBS(偏振分束器)，F(xiàn)R（法拉第旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為同種偏振態(tài)的光，當(dāng)兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)器一正一反加電時(shí)，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(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能的切換。
磁光開關(guān)作為一種全固態(tài)型開關(guān)，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(jī)械式開關(guān)，且具有插損小，重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在切換時(shí)間方面可以達(dá)到微秒級別，具有較高的商用價(jià)值。
圖5 磁光開關(guān)
馬赫－曾德干涉儀型光開關(guān)
當(dāng)相互平行的兩個(gè)波導(dǎo)互相靠近時(shí) ,波導(dǎo)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(guān)以鈮酸鋰為基底，在基底上制作一對平行光波導(dǎo)，并在波導(dǎo)兩端分別連接Y型50/50耦合器。通過電極對波導(dǎo)區(qū)施加電壓，使得耦合區(qū)兩波導(dǎo)的折射率發(fā)生變化，從而使光程相應(yīng)變化，當(dāng)折射率大小相同時(shí)，形成相干增強(qiáng)，折射率大小相反時(shí)，形成相消，達(dá)到開關(guān)切換的目的。
M-Z干涉儀型光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于體積小，開關(guān)切換速度快，目前商用水平可以達(dá)到0.2ns以下，但是相應(yīng)的缺點(diǎn)是插損較大，且消光比低，同時(shí)可以承受的輸入光功率小。
熱光開關(guān)
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(yīng)。目前熱光開關(guān)按原理分為：M-Z型光開關(guān)和數(shù)字光開關(guān)兩種。
熱光開關(guān)一般使用鈮酸鋰，硅，二氧化硅和有機(jī)聚合物作為可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料，在基底上通過各種工藝形成分支波導(dǎo)并沉積金屬鈦或鉻形成加熱器。對波導(dǎo)陣列的一個(gè)分支加熱使得波導(dǎo)溫度上升，波導(dǎo)折射率下降，阻止光沿該分支的傳輸，使得光由主波導(dǎo)引導(dǎo)至分支波導(dǎo)。
熱光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，串?dāng)_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(guān)對波長敏感，數(shù)字光開關(guān)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(yīng)用范圍。
聲光開關(guān)
聲光開關(guān)利用的是聲光衍射原理，首先將輸入的電信號轉(zhuǎn)化為超聲波傳輸?shù)铰暪饣プ饔玫牟▽?dǎo)介質(zhì)內(nèi)，光波導(dǎo)的折射率發(fā)生周期變化，形成一個(gè)運(yùn)動的波長選擇性布拉格光柵，當(dāng)輸入光波滿足布拉格衍射條件時(shí)，就可引起光的偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)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(guān)
液晶光開關(guān)利用晶體的電光效應(yīng)，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(shí)現(xiàn)開關(guān)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(guān)，其原理和實(shí)現(xiàn)方式類似于磁光開關(guān)。
液晶開關(guān)的優(yōu)勢在于能量低，響應(yīng)速度快，可以實(shí)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(yīng)用時(shí)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(guān)
MEMS技術(shù)是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成微機(jī)械結(jié)構(gòu)，將電、機(jī)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(zhuǎn)鏡產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動。使得光路的傳播方向發(fā)生改變從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。
MEMS開關(guān)主要分為2D和3D兩種, 2D NxN MEMS OSW 需要N2個(gè)微旋轉(zhuǎn)鏡來完成N2個(gè)通道的切換，其控制電路簡單，目前被廣泛應(yīng)用。而3D NxN MEMS OSW的鏡面不局限于一個(gè)平面，能向任何方向偏轉(zhuǎn)，每一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(jī)械控制微旋轉(zhuǎn)鏡，可以僅需要2N個(gè)微旋轉(zhuǎn)鏡就可以完成 N2個(gè)通道的切換，更利于容量的擴(kuò)展，但是其控制電路和監(jiān)控設(shè)備要復(fù)雜的多。
光迅公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)多種類型的光開關(guān)，經(jīng)過嚴(yán)格的指標(biāo)測試及長期的可靠性驗(yàn)證，得到各運(yùn)營商與器件商的一致認(rèn)可與好評，產(chǎn)品水平處于業(yè)界領(lǐng)先地位，產(chǎn)品主要包括如下幾類：
1)常規(guī)機(jī)械式2x2全通光開關(guān)
圖6 常規(guī)機(jī)械式光開關(guān)
常規(guī)機(jī)械式光開關(guān)通過繼電器帶動機(jī)械組件控制反射鏡運(yùn)動達(dá)到切換反射光路與透射光路的目的，實(shí)現(xiàn)2x2光路可逆全通， 精確簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)保證了開關(guān)的切換時(shí)間、穩(wěn)定性及壽命。
表二 常規(guī)機(jī)械式光開關(guān)指標(biāo)
2)自由空間式1xN光開關(guān)
圖7 自由空間式1x8光開關(guān)
自由空間式1xN光開關(guān)通過從結(jié)構(gòu)和光路方面精巧設(shè)計(jì)，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(guān)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(guān)具有良好的切換壽命和切換重復(fù)性，1x4,1x8系列光開關(guān)基本指標(biāo)如下：
表三 自由空間式1x4/1x8光開關(guān)指標(biāo)
3)超小型機(jī)械式光開關(guān)
圖8 超小型光開關(guān)
超小型機(jī)械式光開關(guān)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(shè)計(jì)保證了開關(guān)的重復(fù)性及溫度相關(guān)損耗，該開關(guān)同側(cè)出纖便于模塊和單盤的應(yīng)用，低插損，高串?dāng)_，優(yōu)秀的切換速度(<4ms)，處于機(jī)械式光開關(guān)一流水平。
表四 超小型光開關(guān)指標(biāo)
結(jié)束語
光開關(guān)(OSW)是光通信網(wǎng)絡(luò)中最為重要的基礎(chǔ)元器件之一，近幾年隨著光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，系統(tǒng)對高速、擴(kuò)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(guān)的發(fā)展趨勢。
