［何建興 胡銳 陽揚 詹曉敏 吳錦虹 楊萬里］

1 引言

光開關是一種多端口光學器件，端口配置具體情況有：2×2，1×N，M×N，其中M×N 端口光開關又稱OXC（Optical Cross-Connect，光交叉連接開關、矩陣光開關），其作用使對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行邏輯操作或物理切換。光開關作為光纖通信系統(tǒng)中比較重要組成部分，廣泛應用于光纖通信網絡中對光信號進行選擇性開關操作?，F今，隨著數字化轉型的加速和全球互聯網用戶數量的持續(xù)增長，光通信市場將向大規(guī)模數據中心、云計算、5G 移動通信、物聯網等方向快速增長。光纖通信不僅向大容量、高速率快速發(fā)展，而且其應用已經從傳統(tǒng)的傳輸網向接入網擴展，從干線系統(tǒng)到環(huán)路系統(tǒng)，從電信網到廣播電視網和計算機網，到進入實用化的全光通信網絡，都需要光開關完成系統(tǒng)信道交換、信號的上傳下載以及系統(tǒng)保護等功能。光纖通信系統(tǒng)技術的高速發(fā)展促進了光開關的需求，光開關的應用及完善，又推動了光纖通信系統(tǒng)技術的發(fā)展[1]。

目前，在光傳送網中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，適用于不同的場合。依據光開關不同的原理，目前技術比較成熟應用較廣光開關為：機械光開關、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）光開關、磁光開關。

2 機械式光開關

機械式光開關發(fā)展已比較成熟，可分為移動準直器、移動光纖、移動套管、移動反光鏡、移動耦合器和移動棱鏡。傳統(tǒng)的全光通信機械式光開關包括馬達式（如圖1 左邊）和繼電器式（如圖1 右邊）光開關，其插入損耗較低(≤1.5 dB)、隔離度高(≥50 dB)、不受偏振和波長的影響。其缺陷在于開關時間較長，一般為毫秒量級，偶爾回跳抖動和重復性較差的問題。另外其體積較大，不易集成大規(guī)模的光開關矩陣。

圖1 機械式光開關實物圖

馬達式光開關通過小型步進馬達帶動一根光纖進行微步轉動,分別與呈扇形分布的N 個光纖對中準直，以實現光路的耦合和切換。由于光纖的模場直徑很小，只有幾個微米，數值孔徑也很小，要實現兩根光纖在轉動中的對中準直，是非常困難。為滿足馬達式光開關單元實用化要求,在進行光學系統(tǒng)設計時,采用了光纖準直器來擴束光路,以確保其的性能指標。其基本原理如圖2 所示。

圖2 馬達式光開關基本原理圖

根據擴束型耦合原理，影響馬達式光開關單元插入損耗的主要來源于兩個方面：一個是光纖準直器本身的附加損耗，目前光纖準直器本身的附加損耗一般可達到≤0.1 dB；另一個是兩光纖準直器之間的耦合失配產生的附加損耗,其主要表現在光纖準直器之間的角度偏差、橫向錯位、軸向間距等三個方面。根據模場耦合理論及高斯光束傳輸理論和實驗表明:兩光纖準直器間的橫向錯位和軸間間距對光纖準直器的耦合效率影響較小,而角度偏差相對影響較大[2]。選擇插入損耗小的光纖準直器進行光耦合，而且要求兩準直器的端面間隙大于20 mm 以上，這樣就可減少轉臂的長度，以減少切換時的抖動現象。選用微米級的高精度光學微調架對光纖準直器進行調節(jié)，使兩準直器的光軸盡量保持一致，確保兩準直器的光耦合損耗指標滿足設計要求。選用溫度穩(wěn)定性好的銀錫焊接或膠水封裝，并進行老化，以減少準直器之間相對位置的漂移，確保器件的可靠性。

繼電器式光開關主要采用非球面透鏡、棱鏡(楔形片)和反射鏡組成光學部分，用通信級微型繼電器驅動鏡片作光路切換。繼電器式光開關采用小型化的金屬封裝，此種封裝可直接應用于PCB 板上，并可通過讀取管腳電接觸狀態(tài)來獲知實際開關狀態(tài)。繼電器式光開關由于采用激光焊接技術和氣密性密封封裝工藝，在光學、機械、電學方面都有優(yōu)異性能，且使用方便，可廣泛應用于多種場合，是一種極具競爭力的性能優(yōu)異的光開關產品。

“1×2、2×2 光開關”為主要繼電器式光開關，采用準直器和反射片來完成輸入光纖與輸出光纖的耦合，驅動方式采用目前比較成熟的電磁驅動反射片的方式切換，即通過對線圈通電產生電磁力，驅動運動件（反射片固定在運動件上）前后運動，實現對光路的反射或者不反射達到切換光路的目的。下面以2×2 為例說明光開關原理。

如圖3 所示為2×2 光開關的基本光學結構，光開關有兩種狀態(tài)。

圖3 2×2 光開關的原理圖

第一種，光路交叉狀態(tài)：一路光信號從輸入1 端輸入，直通輸出2 端輸出；另一路光信號從輸入2 端輸入，直通輸出1 端輸出。如圖3(a)所示。

第二種，光路反射狀態(tài)：一路光信號從輸入1 端輸入，經反射片反射，由輸出1 端輸出；另一路從輸入2 端輸入，經反射片反射，由輸出2 端輸出。如圖3(b)所示。

1×2 光開關原理與2×2 光開關類似，把圖3 中某一端的雙芯準直器換成單芯準直器即可實現1×2 光開關的功能。

3 MEMS 光開關

MEMS 是以微電子、微機械、微光學及材料科學為基礎，可批量制作集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路以及接口、通信和電源等于一體的微型光學器件或系統(tǒng)。MEMS 光開關較其他光開關具有明顯的優(yōu)勢：開關時間一般在ms 數量級；體積小、集成度高；工作方式與光信號的格式、波長、協(xié)議、偏振方向、傳輸方向、調制方式均無關[3]。

按功能實現方法，可將MEMS 光開關分為光路遮擋型、移動光線對接型和微反射鏡型。微反射鏡型MEMS光開關方便集成和控制，易于組成光開關陣列，是MEMS光開關研究的重點。MEMS 光開關是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使微鏡陣列產生轉動，從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能[4]。MEMS 光開關切換光波路由是通過外部控制信息以及相應的高低電平控制內部微鏡片抬升與否來完成。常規(guī)MEMS 光開關從空間結構上可分成這樣兩種，即二維光開關和三維光開關，如圖4 所示。

圖4 MEMS 空間結構圖

二維MEMS 光開關由二維微小鏡片陣列組成，對于M×N 的光開關陣列，光開關在平面上的布置有M×N 個微反射鏡，結構如圖4(a)所示。光束在二維空間傳輸，每個微反射鏡只有‘開’和‘關’兩種狀態(tài)。光開關分別與輸入光纖組和輸出光纖組連接。準直光通過微鏡的旋轉控制被接到指定的輸出端。當微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出[5]。二維MEMS 光開關可接受簡單的數字信號控制，一般只需提供足夠的驅動電壓使微反射鏡產生運動即可，簡化了控制電路的設計。當二維MEMS 光開關擴展成大型光開關陣列時，由于各端口間的傳輸距離不同，因此只能用在端口較少的環(huán)路里[6]。

三維MEMS 光開關由三維微小鏡片陣列組成，微反射鏡能沿著兩個方向的軸任意旋轉，微反射鏡和光纖不被束縛在平面位置，每根輸入光纖有一個對應的輸出微反射鏡，結構如圖4(b)所示。因此，對于M×N 陣列的三維MEMS 光開關，僅需M+N 個微反射鏡。光束在三維空間傳輸，輸入光纖的光束由其對應的輸入微反射鏡反射到任意一個輸出微反射鏡，輸出微反射鏡可以將任意輸入微反射鏡的光束反射到其對應的輸出光纖。

4 磁光開關

磁光開關就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，從而達到全光切換的效果。其外形如圖5 所示。相對于傳統(tǒng)的機械式光開關，它具有開關速度快，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，而相對于其它的非機械式光開關，它又具有驅動電壓低、串擾小等優(yōu)勢，可以預見在不久的將來，磁光開關將是未來一種極具競爭力的光開關。

圖5 磁光開關實物圖

法拉第旋光效應就是線偏振光沿外加磁場方向通過介質時偏振面發(fā)生旋轉的想象。對于一個順著介質中M 方向傳播的線偏振光，可分解成兩個相反方向轉動的圓偏振光，若為實數，這意味著介質對光波沒有吸收，那么這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種稍微不同的速度向前傳播，出射后它們之間僅存在相位差，從而合成的仍為線偏光，但其偏振面相對于入射線偏振發(fā)生了一定的旋轉。這就說明了外加磁場作用于磁光晶體上時，入射線偏光通過后可以改變其偏振態(tài)。

如圖6 所示，入射光矢量旋轉的角度β 與沿著光傳播方向作用在非磁性物質上的磁感強度B 及光在磁場中所通過的物質長度d 成正比，即

圖6 法拉第磁光效應圖

其中，V 是費爾德(Verdet)常數，它與波長有關，且非常接近該材料的吸收諧振,故不同的波長應選取不同的材料。大多數物質的V 值都很小，近些年出現了一些極強磁致旋光能力的新型材料，這些材料屬于鐵磁性物質，線偏振光通過在磁場中被磁化的材料時，振動面會發(fā)生旋轉。當磁化強度未達到飽和時，振動面旋轉角度θ 目與磁化強度M 及通過的距離d 成正比[7]。

以上公式中M0 是飽和磁化強度，F 為法拉第旋光系數，表示磁化強度達到飽和后振動面每通過單位距離所轉過的角度。強磁性金屬合金及金屬化臺物(如Fe，Co 及Ni)有極高的F 值，但同時吸收系數a 的值也非常大；強磁性化合物由于一般存在a 極小的波長區(qū)域，使得它具有很高的旋光性能指數，同時，磁致旋光的方向只與磁場的方向有關，而與光的傳播方向無關，光束往返通過磁致旋光物質時，旋轉角度往同一方向累加。

磁光開關結構上由3 個部分構成：光路部分、磁路部分和驅動電路部分，如圖7 所示。

圖7 磁光開關結構方框圖

5 幾種光開關對比

光開關的性能是由業(yè)務量、運行條件和現場環(huán)境等因素共同決定。實際應用中對光開關的要求是：一方面必須在插入損耗、消光比、串擾、開關速度、開關規(guī)模和開關尺寸等方面具有良好的性能；另一方面必須能夠集成為大規(guī)模的開關矩陣，以適應現代網絡的要求。

很多因素會影響光開關的性能.如光開關之間的串擾、隔離度、消光比等都是影響網絡性能的重要因素。當光開關進行級聯時.這些參數將影響網絡性能。光開關要求對速率和業(yè)務類型保持透明。在構建絕對無阻塞的大型光開關矩陣時.減小串擾、降低損耗、實現低成本是需要研究的問題。部分光開關的性能對比結果如表1 所示。

表1 部分光開關的性能對比

6 結束語

光開關是全光通信網絡的關鍵器件。本文對光開關的主要類型：機械光開關、MEMS 光開關、磁光開關的結構形式和性能特點進行了詳細分析與對比，總結了不同類型光開關的優(yōu)點和不足之處。