基本介紹
- 中文名：光學開關
- 外文名：Optical Switching
- 基本形式：2×2
- 連線狀態：平行連線和交叉連線
- 分類：機械式和非機械式
- 所屬領域：光學
發展概況,分類,傳統的機械式光開關,微電子機械系統光開關,磁光開關,套用,
發展概況
最新研發的裝備有GPS和網路接口的電信、無線通信和行動電話，要求光通信中有較大的頻寬性能，並且通過先進的波分復(WDM)技術和密集波分復(DWDM)技術有效地利用波長。光學傳輸線路使用的纖維光學裝置需要聚光器、光束成形器、光學轉換器、分束器和光束掃描器，所有這些光學元件或多或少都需要光學開關。許多研究機構已經製造出不同類型的光學開關。下面將討論該領域的一些最新發展。
Bishop等人介紹了諸如光學開關、可變光學衰減器、主動均衡器、加/減多路復用器、光學互聯器、增益傾斜均衡器、數據發射器及其他器件等一類MOEMS裝置，並且正在尋求先進的光波系統中的常規套用。Bishop等人展示出這些器件的實例，為了使這種技術有大批量的市場需求，提出了一些帶有挑戰性的問題。美國朗訊科技公司(原AT&T實驗室)研發了WavestarⅢ路由器，從而幫助使用者降低成本，同時以較小的空間和較高的效率完成傳輸功能。
德國卡斯魯爾(Kadstuhe)微結構技術研究所報導過一個利用2×2纖維光學的開關矩陣，其中使用機電微電動機。這份報告闡述了利用LIGA技術(譯者註：德文Lithograph．ic，Galvanoformung und Abformung的縮寫，代表平板印刷術、壓模填充和注模複製)研發的全光學開關原理樣機。
在這種卡斯魯爾開關中，利用可移動微反射鏡將光學信號限定在一個微光具座中傳播。一個LIGA結構導塊被動地將微光具座內所有鏡座與裝有光纖的止動器對準，利用靜電擺鏡控制這些反射鏡。2×2開關矩陣的尺寸是10mm×10mm，再加上6個直徑為1.7mm的微電動機。所有對準都是被動的，開關速度約為30ms，通道間的串擾低於-90dB，開關的插入損失是7dB。
Goering等人描述了一種適合於纖維光學開關和開關矩陣的混合MOEMS方法。這種開關矩陣在輸入光束的光路中使用可移動微稜鏡，將每束光衍射到其輸出光纖中，並通過一個聚焦微透鏡陣列。開關速度約為2ms，插入損失是1.5dB，串擾低於-70dB。
Dormund大學Voges教授領導的研究小組，成功研製了一種自鎖型纖維光學開關陣列，該開關以高精度各向異性蝕刻技術散體微電機矽為基礎。
分類
目前，各種不同交換原理和實現技術的光開關被廣泛地提出。不同原理和技術的光開關具有不同的特性。適用於不同的場合。如按其工作原理可分為機械式和非機械式兩大類。機械型光開關依靠光纖或光學元件的移動，使光路斷開或關閉。而非機械式光開關則是依靠電光效應、磁光效應、聲光效應和熱光效應來改變波導折射率使光路發生改變，完成開關功能。
傳統的機械式光開關
傳統的機械式光開關是依靠光纖或光學元件(透鏡或反射鏡)的移動使光路發生改變，將光直接送到或反射到輸出端。機械式光開關雖然體積偏大，開關時間偏長，不適合用於大規模開關矩陣及套用，但其插人損耗低、串擾小、重複性好、與使用的光波長和偏振態無關且價格便宜。低連線埠1×2、2×2機械式光開關是用戶的最佳選擇。即使是N×N(N>2)的陣列，光開關也可以由1×2、2×2開關組裝而成。在全光網路的初級實驗階段，機械式光開關仍有不可替代的作用。
微電子機械系統光開關
機械式光開關速度比較慢，一般為毫秒量級，體積大、不易規模集成的缺點限制了其在未來光通信領域的套用。在此基礎上，近幾年發展很快的是微電子機械系統(MicroElectro-Mechanical System，MEMS)光開關，它是半導體微細加工技術與微光學和微機械技術相結合產生的一個新型微機-電-光一體化的開關，它具有光信號的數據格式透明、與偏振無關、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優點，成為大容量交換光網路開關發展的主流方向。
MEMS光開關是在矽晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡產生升降、旋轉或移動，從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能。MEMS光開關較其他光開關具有明顯優勢：開關時間一般在數毫秒量級；使用了IC製造技術，體積小、集成度高；工作方式與光信號的格式、協定、波長、傳輸方向、偏振方向、調製方式均無關，可以處理任意波長的光信號；同時具備了機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開關的高開關速度、小體積、易於大規模集成的優點。
按功能實現方法，可將MEMS光開關分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。微鏡反射型MEMS光開關方便集成和控制，易於組成光開關陣列，是MEMS光開關研究的重點，可分為二維MEMS光開關和三維MEMS光開關，並已提出一維MEMS光開關的概念。
磁光開關
磁光開關是利用法拉第旋光效應，通過外加磁場的改變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效果。相對於傳統的機械式光開關，它具有開關速度快、穩定性高等優勢，而相對於其他的非機械式光開關．它又具有驅動電壓低、串擾小等優勢，可以預見在不久的將來，磁光開關將是一種極具競爭力的光開關。
套用
(1)光網路的保護倒換系統
實際的光纜傳輸系統中都留有備用光纖，當工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度，光開關將主信號自動轉至備用光纖系統傳輸，從而使接收端能接收到正常信號而感覺不到網路已出了故障，其會將網路節點連成環形以進一步改善網路的生存性。這種保護通常只需要最簡單的1×2光開關。
(2)光纖測試中的光源控制
1×2光開關在光纖測試技術中主要套用於控制光源的接通和切斷。
(3)網路性能的實時監控系統
在遠端光纖測試點，通過1×N多路光開關把多根光纖接到光時域反射儀上，進行實時網路監控，通過計算機控制光開關倒換順序和時間，實現對所有光纖的檢測，並將檢測結果傳回網路控制中心，一旦發現某一路出現問題，可在網管中心直接進行處理。
(4)光器件的測試
利用1×N光開關可以實現元器件的生產和檢驗測試。每一個通道對應一個特定的測試參數，這樣不用把每個器件都單獨與儀表連線，就可以測試多種光器件。從而測試得到簡化，效率得到提高。
(5)構建OXC設備的交換核心
OXC主要套用於骨幹網，對不同子網的業務進行匯聚和交換。因此。需要對不同連線埠的業務進行交換，同時，光開關的使用使OXC具有動態配置交換業務和支持保護倒換功能，在光層支持波長路由的配置和動態選路。由於OXC主要用於高速大容量密集波分復用光骨幹網上，因此要求光開關具有透明性、高速、大容量和多粒度交換的特點。例如，利用2×2光開關單元可以組成諸如8x 8、16×16、32×32、64×64、256×256等N×N光開關矩陣，而這些光開關矩陣正是OXC的核心部件。OXC主要實現動態的光路徑管理、光網路的故障保護，並可靈活增加新業務。
(6)光分插復用
光分插復用(0ADM)主要套用於環形的城域網中，實現單個波長和多個波長從光路自由上/下話路。光開關矩陣是0ADM的關鍵部分，用光開關OADM可以通過軟體控制動態上/下任意波長．這樣將增加網路配置的靈活性。
(7)光感測系統
1×N光開關還可套用於點感測系統，實現空分復用和時分復用。
(8)光學測試
1×N和N×1光開關還可組成光學掃描鏡陣列。
