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北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關）

光開關是光通訊的關鍵部件，是近年來通訊領域的研究熱門。文章從光開關的實現方式等方面先容了光開關的研究與生產現狀，重點先容了MEMS光開關的研究與應用，對光開關發展趨勢作了分析。

1、 引言 

 光開關可以實現光束在時間、空間、波長上的切換，在光網絡中有很多應用場合，是光通訊、光計算機、光信息處理等光信息系統的關鍵器件之一。 廣義上來說，光開關可以分為兩個類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依靠于光路之中的相位關系，通過普克爾(Pockels)效應或熱效應一般就可以達到相位控制。這類器件對環境非常敏感，尤其是對環境溫度。它們對控制信號有循環響應，這些控制信號通常需要對光輸出進行探測，亦即反饋，以維持所要求的狀態。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對偏振、波長、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對于非干涉儀型光開關，開關功能的動態范圍(或開關比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關中的動態范圍，則依靠于干涉束的光功率的平衡，而且通常精度較低并較難保持。

2、 技術現狀

這里討論的光開關現狀，主要集中于已經取得的技術與應用或貿易上有希看接受的技術與應用。應用決定了要求，所以就從已經取得貿易成就的應用或近期有看實現的應用，來開始評述光開關。近年來，除了改進傳統類型光開關之外，光開關的研究與開發也采用了新的技術、新的機理和新的材料，光開關的規模越來越大(已達到上千乘上千的端口數)，切換速度不斷進步(如LiNbO3波導電光效應的光開關已達到納秒量級)，集成化程度越來越高。

2.1 非干涉儀型光開關

   非干涉儀型光開關可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態，光機型或某些熱開關就屬于這種類型。

2．1．1 微機械光開關

   微機械光開關技術是多學科交叉的新興領域，融合了微電子與精密機械加工技術，包含微傳感器、微執行器及信號處理、控制電路等，利用三維加工技術制造微米或納米標準的零件、部件或集光機電于一體，完成一定功能的復雜微細系統，是實現“片上系統”的發展方向。對于光纖系統來說，微機械光開關技術已經成為探討開關組件未來發展的一個極有希看的進門途徑。已經報道過的很多微機械光開關有兩個基本途徑：或者通過微機械器件把光線運載到與微機械器件相連的波導或光纖上，或者用微機械元件來引導在自由空間傳播的光束。微機械光開關現在處于研究或發展階段，某些類型的商品供給大概不會太遠了。

   使用準直光束和N×N交叉點上的微機械，可移動鏡面，非常直接地實現N×N交叉點光開關矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉，來截獲光束并使它改變方向。zui近這樣的開關已經采用微機械制造工藝實現了，如圖1所示[1]。其表現出的開關時間在100μs以內。這樣的光開關并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線，也可以使用前后側兩方面的鏡面來偏轉光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等光開關，其中N為被耦合的光束組的數目。同時這種構造導致了阻塞開關，而將這類開關裝配到多級無阻塞開關中的方法已經被找到[2]。

微機械開關還可用于以上所描述的光束制導開關類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關應建立在微鏡面的平面矩陣的基礎上，如德克薩斯儀器公司出品的執行1×N光開關功能的開關。微機械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把進射光束反射到多路輸出的一個位置。各種各樣的波導和基于光纖的微機械開關已經制成。基于光纖的微機械器件使用微機械宋產生移動光纖的驅動器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復雜的裝配，但是反映光纖特性的光學性質通常是很好的。已經報道過使用兩個V形槽陣列橫向地變換硅微臺面的1×N光開關3]。

盡管將MEMS光開關商用化的OMM公司在2003年3月因zui后獲得資金的希看幻滅而暫時封閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉向以及2001年Xros被Nor收購， 目前仍有不少的機構(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nor等)在進行MEMS光開關的應用開發。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關通過cordia(GR-1073-Core)可靠性測試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對MEMS技術可靠性的疑慮。

2．1．2 光機型光開關

   光機型光開關通過光束路徑的實際位移而路由光線。這些光開關有賴于機械驅動，諸如電子繼電器、步進電機和壓電元件等。光機型開關可提供性能的光學參數，諸如損耗、串擾、色散和其他的光譜與偏振相關性等。其他的技術競爭僅僅在尺寸、開關速度和可靠性等題目上。

zui普通的光機型光開關的途徑，就是典型的梯度折射率型透鏡，它使到達輸進光纖的光線準直，形成了在自由空間中的傳播束。準直器可被移動，或準直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖。基于鏡面的系統通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的光開關，準直器的棱鏡運動和實際運動都是典型的大范圍1×N光開關。使用棱鏡運動用于光開關達到1×8，而通常使用準直器的運動用于較慢的光開關維數達到1×100。

2．1．3 盡熱光開關

    通過半導體中的載流子注進，或在LiNbO3中的普克爾效應，對折射率的控制是可實現的，但是器件的長度很大，由于開關過程限于非常小的分支角度。在答應器件很長而不受本錢限制的材料中，制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛伏地提供了一種使用非晶態材料的方式，但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎的波導，由于它們的折射率對溫度的強烈依靠關系，都極其適合熱光應用。可是，不能使用標準的現成的聚合物，由于它們在通訊中所用的波長窗口中的損耗太大了。一些公司諸如Akzo Nobel公司等，已經為此目的而發展了具有非常低的本征光吸收損耗的專業光學聚合物，對于1．3和1．5μm兩個窗口都很好地低于0．1dB／cm。已經驗證了以這種材料為基礎的片型波導具有的損耗大約為0．08dB／cm。

    建立在盡熱模展開基礎上的聚合物波導開關以1×2到1×8光開關的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個1×2s或4個2×2s光開關集成陣列，都有現成的商品(JDS Uniphase)。這些盡熱聚合物光開關，一般都有毫秒級開關時間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設計的zui重要的優點，可能是由于這類光開關曲線的“數字”本性，它導致了偏振、波長、驅動電壓等與溫度低的依靠性。例如，這些盡熱開關可被同時用于1．3和1．5μm窗口中的光信號，具有相同的串擾與隔離值。還有，更復雜的器件，諸如盡熱光開關技術中集成的8×8光開關等，都僅要求一個普通的驅動電壓來驅動每個獨立的光開關單元，而不像干涉儀型開關組件那樣，所有的開關經常需要有一組的電壓設定。對于集成的路由器-選擇器矩陣，這一點成為主要優點，由于一個8×8光開關有112個基本的1×2光開關單元，這就意味著要驅動224個電極。

2．1．4 液晶偏振光開關

    大部分液晶偏振光開關是根據用外電場控制液晶分子的取向而實現開關功能的，如圖2所示。在液晶盒內裝著相列液晶。通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場時，液晶分子沿電極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片A和B的偏振方向成45°，如圖2(a)所示。這樣液晶具有旋光性，進射光通過起偏器A先變為線偏振光，經過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同(速度不同)，有一定相位差，在盒內傳播盒長間隔上后，引起光的偏振面發生90°旋轉，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開啟狀態。當施加電場召時，液晶分子平行于電場方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時光的透射率接近于零，處于封閉態，如圖2(b)所示。撤往電場，由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復原開啟態。這種開關靠分子轉動，因此開關速度較慢(μs量級)。

2．2 干涉儀型光開關

   干涉儀型光開關通過將輸進光分開成兩個或者更多的波導通路，這些光線在輸出端再重新組合。由于器件很小，并且光纖中的光信號的相干長度經常很大，于是重新組合時形成干涉條紋。輸出波導會接收到對應于開關的“關”狀態的暗條紋，或對應于“開”狀態的亮條紋，這樣就產生了門功能。對器件的控制要求，是能夠控制在不伺臂中傳播的光相位差。

2．2．1 普克爾效應光開關

    在鈮酸鋰中制造的高速馬赫-曾德爾調制器[4]，作為已經有商品供給的普克爾效應光開關，是通過修整盡緣緩沖層的電性能，或通過用沒有直流偏置來調整器件運行，已經給器件提出了電壓穩定性題目。這些器件被用來作為2．5Gb／s和10Gb／s的通訊系統的外部調整器，并已經示范過工作在40Gb／s的研究器件。這些器件在整個直接調制或電吸收調制上有幾個優點，首先，外部調制器把光產生與光調制分開，增強了光源的波長穩定性。隨著可調激光器被用于通訊系統，這個優點會變得日益重要。其次，外部調制器可設計成具有特殊啁啾值，或具有可變啁啾，來補償光纖色散。一般這種器件有3-4dB的插損、5V的調制電壓和15-20dB的衰減比。在很多器件中，其他功能諸如相位調制器或可變衰減器等，都被與調制器集成在一起，以增強系統的功能和性能。

2．2．2 克爾效應光開關

    克爾效應，亦即由光強度通過材料中的三階光非線性度直接控制折射率，逐一提供光信號的直接控制。它支撐著在目前還是研究課題的甚高速光邏輯器件的技術發展。現在能很輕易產生的甚短(fs)、甚強的多種光信號，可直接在光纖或半導體波導中相互影響，已經達到了數百Gb／s的光數字式運行。可是，由于強度拖累，克爾效應光開關在廣泛使用的帶寬與強度的路由光信號方面并沒有作用。

2．2．3 熱驅動干涉儀光開關

    熱驅動干涉儀光開關陣列在矩陣大小、串擾和損耗等方面，已經達到可與鈮酸鋰技術相比較的能力，而且這些器件對于偏振相對不敏感。另一方面它們很慢，需要很大功率，并且要求非常地制造一個基于“平面光路”設計的8×8全交叉點矩陣，已經驗證損耗為-14dB，zui壞情況的串擾為-18dB和重新配置時間低至1．3ms。與聚合物波導中的8×8盡熱開關的性能相比較是有很大意義的，盡熱開關的損耗為-10．7dB，zui壞情況的串擾為-30dB和1ms的重新配置時間。

3、 技術展看

    光開關包含了各種各樣的技術，某些處在發展之中，而某些則處在具有貿易使用價值的成熟階段。目前，機電式光開關支配著商品的供給，在光通訊領域中，光開關可以集成在各種光網絡設備(OXC、OADM等)中。另外光開關在光纖測試系統、光纖網絡、光信息處理等領域也有廣泛的應用。例如，用于光交叉連接設備(OXC)，可直接進行光路切換，避免了光-電—光的轉換過程，對不同的數據速率和協議是透明的，不僅節省了用度，而且進步了系統的信噪比。光開關矩陣還可以使任一輸進端與任一輸出端連接，由光開關矩陣構成的OXC主要用于核心光網絡的交叉連接，實現光網絡的故障保護、動態的路由治理、靈活地增加新業務等。根據Frost＆Sullivan公司的市場分析報告，2001年骨干網和城域網上的OXC銷售額為3．36億美元，預計到2006年將達到60億美元。還可以用于光分插復用(OADM)，直接在光路上對不同波長的信號實現分出或插進功能。此外，用于光網絡的保護倒換，當光纖斷裂或網絡發生傳輸故障時，利用光開關將光信號切換到備用通路，實現對業務的保護和網絡的及時修復。據美國CIR公司的新市場報告，僅美國保護光開關的市場將由2001年的1．26億美元躍升到2005年的4．79億美元。在光纖測試系統中，在光纖測試點通過N×1光開關把多根光纖連接到一個光時域反射計(OTDR)上，通過光開關的倒換實現對所有光纖的監測，也可以用于光纖器件的調試。

   波分復用傳輸的出現，被廣泛地看作是光開關發展新階段的預兆，其中在速度、尺寸、可靠性、容量和制造的經濟性等方面新的要求將開始起作用。現在在很多研究機構中，正在探索第二代開關技術，但是目前還不清楚究竟需要什么技術。在21世紀，和目前在世界范圍上的波分復用技術的發展相類似，光開關將很輕易呈現出商機與科學的機會。

4、 結語

    文中對光開關技術的現狀和發展趨勢作了分析先容，其發展趨勢總體說來是向著高可靠、低損耗、小功耗、小體積以及大規模方向發展。光開關可以與其他無源或有源器件構成組合模塊，以進步集成性，降低本錢，比如與波分復用／解復用構成OADM、OXC等。

北京錦坤科技有限公司（ns高速光開關）