1、· 一、前言  光纖通信技術(shù)的問(wèn)世和發(fā)展給通信業(yè)帶來(lái)了革命性的變革，目前世界大約85的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長(zhǎng)途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時(shí)，密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應(yīng)用光纖傳輸?shù)膸捄腿萘块_(kāi)拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優(yōu)勢(shì)的DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，而且對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON：automatic switched

2、 optical networks)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，它的核心節(jié)點(diǎn)由光交叉連接(OXC：optical cross connect)設(shè)備構(gòu)成，通過(guò)OXC，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)選路和對(duì)光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效的管理。光交叉互連(OXC)技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開(kāi)關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。光開(kāi)關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分配等功能，對(duì)解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)爭(zhēng)用，提高波長(zhǎng)重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。 光開(kāi)關(guān)不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域。 （1）光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換

3、系統(tǒng)，實(shí)際的光纜傳輸系統(tǒng)中都留有備用光纖，當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度，光開(kāi)關(guān)將主信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)至備用光纖系統(tǒng)傳輸，從而使接收端能接收到正常信號(hào)而感覺(jué)不到網(wǎng)路已出了故障，其會(huì)將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連成環(huán)形以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性。（2）網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)端光纖測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)1×N多路光開(kāi)關(guān)把多根光纖接到光時(shí)域反射儀上，進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制光開(kāi)關(guān)倒換順序和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有光纖的檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳回網(wǎng)絡(luò)控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)某一路出現(xiàn)問(wèn)題，可在網(wǎng)管中心直接進(jìn)行處理。 （3）光開(kāi)關(guān)還應(yīng)用在光纖通信器件測(cè)試系統(tǒng)以及城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的差分復(fù)用和交換設(shè)備中。光開(kāi)關(guān)的引入使未來(lái)

4、全光網(wǎng)絡(luò)更具靈活性、智能性、生存性。光開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù)，在通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 在眾多種類的光開(kāi)關(guān)中，微機(jī)械(MEMS)光開(kāi)關(guān)被認(rèn)為最有可能成為光開(kāi)關(guān)的主流器件。本文在概述多種光開(kāi)關(guān)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了幾種主要的MEMS光開(kāi)關(guān)，并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。 二、光開(kāi)關(guān)的原理及種類 光開(kāi)關(guān)性能參數(shù)有多種，如：快切換速度、高隔離度、小插入損耗、對(duì)偏振不敏感及可靠性，不同領(lǐng)域?qū)λ囊笠哺鞑幌嗤?。其種類有保護(hù)、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光機(jī)械開(kāi)關(guān)，也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開(kāi)關(guān)，如：熱光開(kāi)關(guān)、液晶開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、聲

5、光開(kāi)關(guān)、微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)(MOEMS，micro optic electro mechanical systems)、氣泡開(kāi)關(guān)等。在超高速光通信領(lǐng)域，還有馬赫-曾德?tīng)?Maeh-Zehnder)干涉型光開(kāi)關(guān)、非線性環(huán)路鏡(NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光開(kāi)關(guān)等光控開(kāi)關(guān)。· 1、機(jī)械光開(kāi)關(guān) 傳統(tǒng)機(jī)械光開(kāi)關(guān)的工作原理：通過(guò)熱、靜電等動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度比較慢、性價(jià)比好，在很多領(lǐng)域有市場(chǎng)前景，但體積大、不易規(guī)模集成的缺點(diǎn)限制了其在未來(lái)光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，近幾年發(fā)展很快的是MO

6、EMS光開(kāi)關(guān)，它是微機(jī)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型開(kāi)關(guān)，特別是具有光信號(hào)的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無(wú)關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點(diǎn)。 2、電光效應(yīng)開(kāi)關(guān)  電光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)多由光電晶體材料（如LiNbO3或其他半導(dǎo)體材料）波導(dǎo)材料制成，兩條波導(dǎo)通路連接成M-Z干涉結(jié)構(gòu)，外加電壓可改變波導(dǎo)材料的折射率，從而控制兩臂的相位差，利用干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光的通斷。它的特點(diǎn)是速度快，但與偏振有關(guān)，成本較高。工作原理如圖1所示。 圖1 基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開(kāi)關(guān) 對(duì)于3dB耦合器，兩光波滿足模耦合方程，令兩個(gè)光波導(dǎo)的傳播常數(shù)相等，B

7、0=0，在3dB耦合器2的輸出端得到：  |A3|2=|A0|2sin2(/2)  |B32=|A0|2cos2(/2)  式中：A0、B0輸入的光波振幅；A3、B3輸出的光波振幅；光波相位。  從上式看出，和施加電壓有關(guān)，改變電壓，則改變，從而使光強(qiáng)得到調(diào)諧。其開(kāi)關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時(shí)間，即光波導(dǎo)中折射率變化時(shí)間。 在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段，為解決電子交換機(jī)響應(yīng)時(shí)間慢、無(wú)法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾，實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的插入損耗，還可以利用石英光纖和半導(dǎo)體光放大器的自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制效應(yīng)改變折射率的

8、方法，即光控光開(kāi)關(guān)技術(shù)。3、光控開(kāi)關(guān) 現(xiàn)在比較成熟的型號(hào)有：基于NOLM原理和SOA非線性效應(yīng)(如XPM：cross phase modulation)制作的全光開(kāi)關(guān)。它們不僅用于超快開(kāi)關(guān)交換，而且還可用于全光信號(hào)再生與超快波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，是目前很有前途的全光交換技術(shù)。一般，各種超快全光開(kāi)關(guān)歸根結(jié)底都離不開(kāi)光的非線性效應(yīng)，這里以SOA-XPM為例加以說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。 圖2 利用SOA-XPM實(shí)現(xiàn)光開(kāi)光的實(shí)驗(yàn)裝置 將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂，開(kāi)關(guān)控制脈沖注入一臂，脈沖的變化會(huì)引起SOA折射率的改變，從而引起兩臂相位差的改變，即:   =-(2/l)(dn/dN)(e/1+(we)21/2L×Vg×g×S×cos(w-q)  其中，l信號(hào)波長(zhǎng)；dn/dN折射率隨載流子密度的變化量；LSOA的腔長(zhǎng)；e載流子壽命；Vg群速度；g增益系數(shù)；S載流子密度變化幅值；