一：引言

   可以說(shuō)，沒(méi)有開(kāi)關(guān)就沒(méi)有通信網(wǎng)絡(luò)。從第一代電信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，即電話(huà)交換系統(tǒng)就采用了大量的開(kāi)關(guān)形成交換單元完成用戶(hù)間的電路交換。今天，以DWDM為基礎(chǔ)的全光網(wǎng)絡(luò)已稱(chēng)為新一代電信網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向，不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中要實(shí)現(xiàn)路由選擇必然要使用光開(kāi)關(guān)，光開(kāi)關(guān)時(shí)完成交換的核心器件，在目前廣泛使用的光網(wǎng)絡(luò)中具有不可替代的作用。

二：光開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

   通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用提出了新的要求，未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)需要全光開(kāi)關(guān)構(gòu)成的光交換機(jī)完成信號(hào)路由功能以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速率和協(xié)議透明性。評(píng)價(jià)新的光開(kāi)關(guān)技術(shù)必須考慮七個(gè)指標(biāo)。

    ①長(zhǎng)期可靠性滿(mǎn)足大容量通信系統(tǒng)要求，必須保證高可靠性和非常低的故障率。

   ②低損耗和高耦合效率考慮光開(kāi)關(guān)的大數(shù)量的應(yīng)用，低損耗極為關(guān)鍵，與光纖保持較高的耦合效率也就是減少光功率損耗。

    ③串音小消光比大，串音直接影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，典型隔離度為40或50db。

   ④低驅(qū)動(dòng)和溫度特性，低驅(qū)動(dòng)減少光開(kāi)關(guān)的功耗，溫度變化不敏感可拓寬光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用環(huán)境和領(lǐng)域，使其工作穩(wěn)定，往往通過(guò)精確的溫控電路實(shí)現(xiàn)。

    ⑤光開(kāi)關(guān)的速率對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，因此對(duì)光開(kāi)關(guān)切換速率會(huì)有特別的要求。

    ⑥光開(kāi)關(guān)工作帶寬對(duì)應(yīng)于新的光纖、光濾波和放大器技術(shù)的DWDM工作窗口1300nm---1650nm，光開(kāi)關(guān)同樣要與之吻合。

   ⑦光開(kāi)關(guān)成本和可擴(kuò)展性，光產(chǎn)品價(jià)格整體每年以10%---30%速度下降，并且要考慮長(zhǎng)期成本的下降。光開(kāi)關(guān)是否滿(mǎn)足大規(guī)模陣列擴(kuò)展及相應(yīng)性能參數(shù)的變化也需要注意。

三：光開(kāi)關(guān)形式

   光開(kāi)關(guān)以其高速度、高穩(wěn)定性、低串?dāng)_等優(yōu)勢(shì)成為各大通信公司和研究單位的研究重點(diǎn)。光開(kāi)關(guān)有著廣闊的市場(chǎng)前景，是最具發(fā)展?jié)摿Φ墓鉄o(wú)源器件之一。光開(kāi)關(guān)采用的主要技術(shù)有機(jī)械式、MEMS、鐵電液晶、氣泡、熱光、全息、聲光、熱毛細(xì)管等。在光開(kāi)關(guān)的性能上，主要指標(biāo)有插損、隔離度、消光比、偏振敏感性、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)規(guī)模及開(kāi)關(guān)尺寸等。在各式各樣的光開(kāi)關(guān)中，#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#MEMS光開(kāi)關(guān)具有較好的性能，并且由于采用微電子工藝可以大量生產(chǎn)，適于產(chǎn)業(yè)化。特別是它的工作方式與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、偏振方向、傳輸方向、調(diào)制方式均無(wú)關(guān)，因此不受帶寬的限制可以處理任意波長(zhǎng)的光信號(hào)。不僅如此，它還具有較低的插損與較高的擴(kuò)展性，可以滿(mǎn)足未來(lái)光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和擴(kuò)展性。這里簡(jiǎn)單介紹幾種光開(kāi)關(guān)。

3.1 機(jī)械式光開(kāi)關(guān)

   傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)插入損耗較低（<2db）、隔離度高（>45db)，不受偏振和波長(zhǎng)的影響。多路輸入輸出光束的機(jī)械光開(kāi)關(guān)中的關(guān)鍵單元是具有光路二度對(duì)稱(chēng)的復(fù)合反射鏡。復(fù)合反射鏡是由幾何形狀尺寸和光學(xué)性能完全形同的兩塊鏡子粘合在一起構(gòu)成，以粘合面為對(duì)稱(chēng)平面，具有二度鏡面對(duì)稱(chēng)性。對(duì)單個(gè)復(fù)合反射鏡的往返運(yùn)動(dòng)的控制，可同時(shí)改變兩路輸入輸出光路的相互連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)光路的平行或交叉連接，形成2X2光開(kāi)關(guān)。采用多個(gè)復(fù)合反射鏡和合理的光路布局，可實(shí)現(xiàn)更多光路之間的相互連接狀態(tài)，形成多路輸入輸出光束無(wú)阻塞交換，同時(shí)大幅度減少光開(kāi)關(guān)矩陣中的光學(xué)元件和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器數(shù)量，具有頻帶寬廣、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)。

3.2 微電子機(jī)械光開(kāi)關(guān)（MEMS）

   MEMS光開(kāi)關(guān)是一種自由空間微型光開(kāi)關(guān)，是目前全世界都十分關(guān)注的一項(xiàng)新技術(shù)，MEMS主要是利用移動(dòng)光纖或利用微鏡反射原理進(jìn)行光交換的光開(kāi)關(guān)。MEMS是由半導(dǎo)體材料，如Si等組成的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。MEMS光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于擴(kuò)展，此種光開(kāi)關(guān)同時(shí)具有機(jī)械光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)。MEMS光開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有靜電驅(qū)動(dòng)、電致伸縮、磁致伸縮、形變記憶合金、光功率驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)和光子開(kāi)關(guān)等。其原理是微反射鏡和上電極連接在一起，在沒(méi)有電壓輸入時(shí)，上電極的位置不動(dòng)，微反射鏡處在光通路上，從入射光纖發(fā)出的光被微反射鏡反射，改變方向后進(jìn)入到鏡面同一側(cè)的出射光纖中，這是開(kāi)關(guān)的反射狀態(tài)。當(dāng)上電極和下電極之間有電壓輸入時(shí)，靜電力的作用下，上電極帶動(dòng)微反射鏡移開(kāi)光通路，入射光沿直線(xiàn)傳播進(jìn)入前方的出射光纖，這是開(kāi)關(guān)的直通狀態(tài)。作為一種全光開(kāi)關(guān)，由于具有可移動(dòng)的反射表面或反射鏡、可通過(guò)施加電或熱變化方法改變其反射角，光波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)反射面按指令讓光子通過(guò)，或把光信號(hào)分流到另一個(gè)端口。

3.3 波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)

   波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種光開(kāi)關(guān)，它采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)型光開(kāi)關(guān)同樣利用電光、聲光、熱光、磁光效應(yīng)來(lái)進(jìn)行控制。最一般的介質(zhì)波導(dǎo)是平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它由襯底、薄膜層和覆蓋層組成。平面波導(dǎo)型開(kāi)關(guān)主要有兩種，熱光型和全內(nèi)反射型。熱光型開(kāi)關(guān)，是利用Si波導(dǎo)的熱感應(yīng)折射率變化原理制作的，其M-Z干設(shè)計(jì)是由兩個(gè)3db#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#定向耦合器和兩個(gè)波導(dǎo)臂組成，臂上還有一個(gè)用作熱光移相器的薄膜加熱器。其工作原理是未受熱時(shí)這種單元結(jié)構(gòu)處于分叉態(tài)，當(dāng)對(duì)熱光移相器加熱時(shí)，開(kāi)關(guān)為條形狀，完成開(kāi)關(guān)功能。全內(nèi)反射型開(kāi)關(guān)的原理是利用在交叉波導(dǎo)中制作的槽里內(nèi)反射，實(shí)現(xiàn)大型的廣播電路開(kāi)關(guān)。

3.4 液晶光開(kāi)關(guān)

   液晶光開(kāi)關(guān)是根據(jù)其偏振特性來(lái)完成交換的，其工作狀態(tài)時(shí)基于對(duì)偏振的控制，工作時(shí)，一路偏振光被反射。而另一路可以通過(guò)。

3.5 熱光效應(yīng)開(kāi)關(guān)

   熱光技術(shù)主要用來(lái)制作小的光開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)在主要有兩種類(lèi)型的熱光開(kāi)關(guān)，數(shù)字型光開(kāi)關(guān)和干涉型光開(kāi)關(guān)。干涉型光開(kāi)關(guān)具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)波長(zhǎng)敏感，因此，通常需要進(jìn)行溫度控制。它們都是在介質(zhì)材料上先做上波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變波導(dǎo)折射率實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

3.6 聲光開(kāi)關(guān)

   在聲光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)中，控制信號(hào)采用聲波，主要作用是用來(lái)控制光線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)。聲光開(kāi)關(guān)的交換速度從500ns到10us。由于在聲光開(kāi)關(guān)中沒(méi)有課移動(dòng)的部分，因此，1x2聲光開(kāi)關(guān)的可靠性比較高。

3.7 磁光開(kāi)關(guān)

   磁光開(kāi)關(guān)的原理是利用法拉第旋光效應(yīng)，通過(guò)外加磁場(chǎng)的變化來(lái)改變磁光晶體對(duì)入射偏振光偏振面的作用，從而達(dá)到切換光路的作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，慈光開(kāi)關(guān)具有開(kāi)關(guān)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，而相對(duì)于其他的非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，它又具有驅(qū)動(dòng)電壓低、串?dāng)_小等優(yōu)點(diǎn)，因此，磁光開(kāi)關(guān)將是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的光開(kāi)關(guān)。

四：應(yīng)用及前景分析

   光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，它不僅構(gòu)成了波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵設(shè)備的交換核心，本身也是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件。其應(yīng)用范圍主要有：

   保護(hù)倒換功能：光開(kāi)關(guān)通常用于網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)。當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時(shí)，利用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)迂回路由，從主路由切換到備用路由上。這種保護(hù)通常只需要最簡(jiǎn)單的1X2光開(kāi)關(guān)。

   網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：在遠(yuǎn)端光纖測(cè)試點(diǎn)通過(guò)1xN光開(kāi)關(guān)把多根光纖接到一個(gè)光時(shí)域反射儀上，通過(guò)光開(kāi)關(guān)倒換實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的監(jiān)測(cè)。另外，利用光開(kāi)關(guān)也可以在光纖線(xiàn)路中插入網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)分析。這種光開(kāi)關(guān)也可以用于光纖器件測(cè)試。

   #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#光器件的測(cè)試：可以將多個(gè)待測(cè)光器件通過(guò)光纖連接，通過(guò)1xN光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái)測(cè)試器件。

   應(yīng)用于OADM和光交叉連接：光上下復(fù)用器主要應(yīng)用于環(huán)形的城域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)單個(gè)波長(zhǎng)和多個(gè)波長(zhǎng)從光路上自由上下，而不需要電解復(fù)用或復(fù)用過(guò)程。用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的OADM可以通過(guò)軟件控制動(dòng)態(tài)上下任意波長(zhǎng)，這樣大大增加了網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性。OXC由光開(kāi)關(guān)矩陣組成，它主要用于核心光網(wǎng)絡(luò)的交叉連接，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)，動(dòng)態(tài)的光路徑管理，靈活增加新業(yè)務(wù)等。

   隨著光傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新型的光開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷出現(xiàn)。同時(shí)，原有的光開(kāi)關(guān)技術(shù)性能不斷地改進(jìn)。隨著光傳送網(wǎng)向超高速、超大容量的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的生存能力、網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換和恢復(fù)問(wèn)題成為網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問(wèn)題，而光開(kāi)關(guān)在光層的保護(hù)倒換對(duì)業(yè)務(wù)的保護(hù)和恢復(fù)起到了更為重要的作用。未來(lái)的光傳送網(wǎng)事能支持多業(yè)務(wù)的透明光傳送平臺(tái)，要求對(duì)各種速率業(yè)務(wù)能透明傳送。同時(shí)，隨著業(yè)務(wù)需求的急劇增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)交換容量也急劇增長(zhǎng)。因此，光開(kāi)關(guān)的交換矩陣的大小也要不斷提高。同時(shí)由于IP業(yè)務(wù)的急劇增長(zhǎng)，要求未來(lái)的光傳送網(wǎng)能支持光分組交換業(yè)務(wù)，未來(lái)的核心路由器能在光層交換。這樣，對(duì)光開(kāi)關(guān)的交換速度提出更高的要求（ns數(shù)量級(jí)）。總之，大容量、高速交換、透明、低損耗的關(guān)開(kāi)關(guān)將在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中起到更為重要的作用。