光通信器件光开关

一、光开关的概念及作用、性能参数与分类
1.光开关的概念及作用
一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。

目前主要是：光交换系统和主备倒换，即利用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。

1，将某一光纤通道的光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器）
多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。

网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。

当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上（如OTDR），通过光开关的动作，可以实现网络在线监测。

光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。

光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降低成本。

2.光开关的性能参数
光开关的特性参数主要有插入损耗、消光比、开关时间、回波损耗、隔离度、远端串扰、近端串扰等。

插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少。

回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。

隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值。

消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。

开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。

3.光开关的分类
驱动方式可分为：机械式光开关、非机械式光开关。

原理可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。

交换介质可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。

二、机械式光开关
这是靠微型电磁铁或压电器件驱动光纤或反射光的光学元件发生机械移动，使光信号改变光纤通道的光开关。

传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。

特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。

在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。

下面介绍几种机械式光开关。

1.移动光纤式光开关
移动光纤式光开关结构简单、重复性好、插入损耗低。

移动式光纤的输入或输出端口中，一段光纤固定，而另一端光纤式活动的。

通过移动活动光纤，使之与固定光纤中的不同端口相耦合，从而实现光路切换。

如图1所示
图1移动光纤式光开关
2.移动套管式光开关
移动套管式光开关就是讲输入或输出光纤分别固定在两个套管之中，其中一个套管固定在其底座上，另一个套管以很高的精度定位在两个或多个位置上，带着光纤相对固定套管移动，从而实现光路的转换。

3.移动透镜型光开关
光纤被固定在输入和输出端口，依靠微透镜精密的准直而实现输入、输出光路的连接。

光从输入光纤进入装在一个由微处理器控制的步进电机或其他移动机构上的第一个透镜后变成平行光，移动该透镜，则第二个透镜将该透镜的平行光聚焦到相应输出光纤。

4.移动反射镜型光开关
输入输出端口的光纤都是固定的，依靠旋转球面或平面反射镜，使输入光与不同的输出端口接通。

如图2所示。

图2 移动反射镜式光开关
5.移动棱镜型光开关
输入输出光纤与起准直作用的光学元件如自聚焦透镜、平凸棒透镜、球透镜等相连接，并固定不动，通过移动棱镜而改变输入输出端口的光路。

6.移动自聚焦透镜型光开关
自聚焦透镜特别于各种光学器件中光纤与光纤的远场耦合。

三、非机械式光开关
非机械光开关是利用一些材料的电光、声光、磁光和热光效应，采用报道结构做成的。

这类开关具有体积小、重量轻、与光纤适配、易于扩展为开关阵列。

非机械式光开关包括电光开关、热光开关、声光开关、磁光效应光开关、液晶光开关、气泡光开关、MEMS光开关和全光开关。

1.电光开关
电光开关的原理一般是利用铁电体、化合物半导体、有机聚合物等材料的电光效应（Pockels效应）或电吸收效应（Franz-Keldysh效应）以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变。

表1是这两种电光材料的优质光开关器件的指标：
材料插损
dB
消光比
dB
偏振灵敏度
dB
开启时间
ns
InP/InGaAsP 5dB 15dB 0.5dB 0.2
有机聚合物 1dB >20dB 0.5dB
0.1
但由于半导体载流子复合时间的限制，开关时间一般要在10ns 以上。

与机械光开关相比，其主要优点除开关速度高之外，因为没有移动部件，重复率较高，寿命较长。

电光开关一般利用Pockels 效应，也就是折射率n 随光场E 而变化的电光效应。

折射率变化△n 与光场的变化△E 的关系
E n n γ2
3
-=∆。

(1)
而光波传播距离L 相应的相位变化为
nL ∆=
∆0
2λπ
φ
(2)
以下介绍五种典型的波导型电光开关的原理。

（1） 定向耦合器电光开关
这种开关是在电光材料（如LiNbO 3、化合物半导体、有机聚合物）的衬底上制作一对条形波导以及一对电极构成，如图3所示。

当不加电压时，也就是一个具有两条波导和四端口的定向耦合器。

一般称①-③和②-④为直通臂，①-④和②-③为交叉臂。

图3 定向耦合器型光开关
假设两波导的耦合较弱，各自保持独立存在时的场分布和传输系数，耦合的影响只表现在场的振幅随耦合长度的变化。

设两波导中的复数振幅分别为ε1(z)和ε2(z)，相位常数是
β1和β2，其变化规律可用以下一阶微分方程组表示{1}
：
)()
(2121z e ik dz
z d z i εεβ∆-=， (3) )()
(1212z e ik dz
z d z i εεβ∆--=，
(4)
式中△β＝β1－ β2为相位失配常数。

K 12、K 21是两波导的耦合常数，决定于波导的材料与结构，也与波长λ有关。

两波导完全对称，未加电压时，K 12＝K 21＝k ；β1＝ β2，△β＝0，耦合方程简化为：
)()
(21z ik dz
z d εε-=， (5)
)()
(12z ik dz
z d εε-=， (6)
联立解方程（5）和（6），设在两波导输入端的波振幅各为ε1(0)和ε2(0)，可得：
112()(0)cos (0)sin z kz i kz εεε=-，
(7)
kz i kz z sin )0(cos )0()(122εεε-=。

(8)
写成功率形式（P ＝ε2
）则有：
kz p kz p z p 22211sin )0(cos )0()(+=， (9) kz p kz p z p 22212cos )0(sin )0()(+=，
(10)
其中P 1(0)、P 2(0)、P 1(z)、P 2(z)各为波导1和2中始端和z 处的光功率。

设光信号只从①端输入，ε2(0)＝0，此时z 处两波导的光功率分别为： kz p z p 2
11cos )0()(=，
(11) kz p z p 212sin )0()(=。

(12)
图4绘出两波导中光功率随z 的变化规律。

可见能量在两波导间周期性地转换。

从z ＝0到z ＝L 0，波导1的光功率从最大值变为零；而波导2的光功率从零变为最大值，全部光功率由波导1耦合进入波导2。

相应的长度L 0＝π/2k 叫做耦合长度。

一般光耦合开关取此长度。

图4 定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换
当加电压时，两波导相位失配，△β≠0，且k 12≠k 21。

对式（3）和（4）求导后得到
0)()()(12
12
12=+∆-z k dz
z d i dz z d εεβε， (13)
0)()
()(2222
22=+∆+z k dz
z d i dz z d εεβε， (14)
其中
(15)
联立(13)和(14)，考虑Z ＝0时的ε1(0)和ε2(0)，并设ε2(0)＝0得解为
(16)
(17)
其中
(18)
波导1和2在z 处的光功率则为
(19)
(20)
设器件长度为耦合长度L 0,
并定义③端的功率转换比为
(21)
利用（28）式，则得
(22)
式中△φ=△βL 0处，τ3=1最大；在
3=0最小。

现在求功率转换比与控制电压的关系。

设两波导的电极间距皆为d ，其上加电压分别为
V 和-V ，它们所产生的电场分别为E1＝V/d
和E2＝-V/d 。

引起两波导折射率的差为：
(23)
相应的相位差为
(24)
其中
3
02
3
L
n
d
V
γ
λ
=。

(25) 为完成功率从③端转变到④端需要π
φ3
=
∆所对应的电压称之为开关电压。

由（38）和（40），τ3-V关系则为
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
+
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
2
2
2
3
1
2
sin
2
)
(
V
V
c
V
π
π
τ, (26) 画出τ3-V曲线，如图5。

图5 电光定向耦合器的φ
τ∆
-
3
曲线
电压从V从0变到V0，τ3从1变到0，即完成开关动作。

典型的开关电压为10V。

（2）M-Z干涉仪电光开关
波导型Mach-Zehnder干涉仪是一种广泛应用的光开关。

它由两个3dB耦合器DC1、DC2和两个臂L1、L2组成，如图6所示。

图6 M-Z干涉仪型光开关
由端口①输入的光，被第一个定向耦合器按1:1的光强比例分成两束，通过干涉仪两臂进行相位调制。

在两光波导臂的电极上分别加上电压V和－V，各产生相应电场E1和E2。

因此以上波导臂所产生的折射率变化为：
d
V
n
E
E
n
nγ
γ3
2
1
3)
(
2
1
=
-
=
∆。

(27) 对于对称的M-Z干涉仪，L1=L2＝L，两臂的相位差为：
(28)
式中△n=n 2
-n 1。

令△φ=π时所对应的电压为半波电压：
(29)
则（28）变为
(30)
设从①端输入的信号的电场强度为ε1，从③、④端输出信号的电场强度为ε3、ε4，
考虑KZ ＝450
,利用定向耦合器和光纤段的传输方程，可导出ε3、ε4与ε1的关系为
， (31)
(32)
由于①端输入功率为P 1＝ε1·ε1,③、④端输出功率为P 3＝ε3·ε3,、P 4
＝ε4·ε4,利用三角公式，可由（31）和（32）算出③、④输出端的输出功率为：
(33)
(34)
而直通臂和交叉臂的功率转换比为
(35)
(36)
当未加电压时，V ＝0，因此τ3＝0，τ4＝1；加上半波电压，V ＝V π，则τ3＝1，
τ4＝0，从而实现了开关。

对于这类光开关，半波电压越小所需开关能量越小。

(3)电光偏振调制波导电光开关
这种光开关由电光相位调制器、起偏器P 和检偏器Q 组成，如图7所示。

起偏器和检偏器正交，相位调制晶体的光轴与两偏振器的偏振方向成45°角。

图7 偏振强度调制型光开关
各向同性的非偏振光经过起偏器后变为振动方向与波导光轴成45°的线偏振光。

将在波导中同时激起偏振方向正交的TE 波和TM 波。

波导介质对两者的折射率不同，各为n 1、n 2；电光系数不同，各为γ1、γ2。

于是在外加电场的作用下，光传输L 长后，两个偏振正交波的相位差为：
LE n n )()0(3113
220
γγλπφφ--
∆=∆。

(37)
该电场是由加于相距为d 的两电极上的电压所产生，有E ＝V/d 。

定义半波电压和初始相移分别为：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛
-=
32231
10n n L d V γγλπ； (38)
和
π
π
λπ
λπ
φV V nL L n n 0
210
2)(2)0(-=∆-
=-=
， (39)
其中V 0为偏置电压,
3
113
2202n n nd
V γγ-∆=
(40)
则式(37)可写成：
π
π
φV V V 0
-=∆ (41)
以下求出光功率与电压的关系。

自然光经过P 后所产生的平面偏振光为
t E E P ω=sin 。

(42)
设光的传播方向平行于Z 轴；起偏器P 和检偏器Q 的光轴方向与Y 轴的夹角分别为α和－β，且α＝︱β︱＝π/4，如图8所示。

图8 光通过电光偏振光强调制器的偏振方向变化示意图
外电场使晶体的光轴方向平行于X 轴。

光通过晶体时产生双折射：o 光的振动方向垂直于主截面（光轴与光线所构成的平面），即垂直xz 面，e 光的振动方向在主截面内，即xz 面内。

由于o 光和e 光在介质中的折射率不同，所以传播速度不同，通过一定厚度L 的介质到达输出端时，有一定的相位差△φ。

因此，o 光和e 光在介质输出端的表达式分别为：
αωsin )sin(t E E PX = ,
(43)
αφωcos sin(）∆+=t E E PY 。

(44)
当o 、e 光达到Q 时，只有平行于Q 光轴的分量能通过，垂直分量则被阻挡。

所以通过Q 的
光为
βsin PX PXQ E E -=，
(45)
βcos PY PYQ E E =。

(46)
因此，
]sin sin )sin(cos cos )[sin(βαωβαφωt t E E E E PYQ PXQ Q -∆+=+=。

(47)
而α＝β＝π/4，因2
2
cos cos sin sin =
===βαβα,此时输出最强，上式变为：
1
[sin()sin ]2
sin cos()
22
Q E E t t E t ωφωφφω=
+∆-∆∆=+
(48)
式中E sin △Φ/2为通过检偏器Q 的光的振幅。

由于输出光功率等于光振幅的平方，则有
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛∆
=
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛∆
=
2
sin
2
sin2
2
2
φ
φ
i
o
P
E
P(49)
这里P i＝E2为输入光功率。

据式(49)和(41)，该开关器件的功率转变比为
]
)
(
2
[
sin0
2
π
π
τ
V
V
V
P
P
i
o
-
=
=, (50)
τ—V曲线如图9所示。

改变电压V，使(V－V0)从0至Vπ变化，则τ从0至1变化。

从而实现开关闭动作。

图9 相位调制器的V
-
τ特性曲线
(4)半导体放大器电光开关
半导体光放大器(SOA)门控型光开关利用SOA对光的吸收和放大可实现任意光路的切换。

也就是说，只有在半导体光放大器加上偏置时，才会产生受激辐射，是输入光信号得以放大；反之，如果去掉偏置，则半导体光放大器处于光吸收状态，此时输入光信号无法达到输出端。

从而来完成开启和关闭的功能，构成基本门型光开关单元。

SOA中，利用光放大，补偿光损耗。

半导体放大器电光开关具有低串扰(-40dB)、低工作电流(~10mA)、宽带宽(30nm)、高速切换（<1ns)。

如图10所示。

图10 SOA 门阵列构成的光开关
(5)聚合物电光开关
聚合物电光开关：有机聚合物材料制作光电子和集成光学器件，最突出的优点是低廉、工艺流程简便。

可以沉积在半导体衬底上，便于光路和电路的集成；具有较低的波导传输损耗和与光纤的低耦合损耗；可以有效使用电子折射获得幅度和相位调制。

可以根据人们需要，通过调节有机材料的组分以满足电光特性、热光特性和吸收谱特性。

2.热光开关
热光开关和电光开关的结构可以是相同的，但是产生开关效应的机理不同。

这里的热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。

折射率随温度的变化可用以下关系式表示： T a n T T n n T n n T n ∆+=∆∂∂+=∆+=000)()( (51)
式中n 0为温度变化之前的折射率，△T 为温度的变化，α为热光系数，它与材料的种类有关。

表2是几种材料的热光系数。

材料
LiNbO 3 Si SiO 2 聚合物 热光系数 4.3×10-6/K 2×10-4/K 1.1×10-4/K 1×10-4
/K △n 将引起相位变化
00/22λπλπφT aL nL ∆=∆=∆， (52)
导致信号从一个端口输出变为从另一个端口输出。

以下介绍几种典型的波导热光开关。

(1)M-Z 干涉型热光开关
该开关结构如图11所示。

它是由两个3dB 耦合器构成的对称M-Z 干涉仪型。

两个波导在硅基底上生成。

在其中一臂上镀有金属薄膜加热器，形成相位延时器。

硅基底可看作一个散热器。

由于Si 的导热系数较大,加热器的距离L 大于100微米即可。

臂长的设计使加热器未加热时,在交叉臂输出端口4发生相长干涉输出，而在直通臂的输出端口发生相消干涉无输出。

加热器工作时输入信号则从直通端口3相长干涉输出
图11 M-Z 干涉型热光开关
据（33）与（34）式，从1端输入；从3端与4端输出的功率转变比分别为：
2
sin 2133φτ∆==P P ， (53)
2cos 2
144φτ∆==
P P 。

(54)
应用（52）式，并设 aL T 200λ=
∆， (55)
则得 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆==021432sin T T P P πτ, (56)
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆==021442cos T T P P πτ。

(57)
可见， 当ΔT＝0时，τ3＝0，τ4＝1；而当ΔT＝ΔT 0时，τ3＝1，τ4＝0，从而实现光开关。

日本NTT 近年来采用SOI 材料为光波导和Ti 金属膜为相移区的加热膜，采用双M-Z 干
涉仪结构[2]，我们增加一个环形器，可构成2×2热光开关，如图12。

图12 双M-Z 干涉型热光开关
光波从1和2入口，当不通电流加热时，光波通过交叉臂，分别从1→2’和2→1’出口；当两干涉仪同时通电流加热时，光波通过直通臂，分别改从1→1’和2→2’出口。

这种开关有以下优点：1）由于泄漏光被第二个干涉仪阻止，消光比是传统结构的两倍；2）器件制作的容差能力加大；3）相当于两个带通滤波器并联，有较大的带宽，有益于DWDM 网络。

4）这种2×2开关做成阵列，大大减少单元开关数量，例如16×16开关阵列由普通1×2开关组成需要156个器件，而用这种器件只需64个。

该器件的平均参数列于表4。

表4 双M-Z 干涉热光开关的特性指标
性能
插入损耗 dB 串音 dB 开关时间 ms 消光比 dB 功耗 mW 数值
6.6 －46 2 55 17
以上介绍的干涉型热光开关属于周期性干涉型开关，具有高消光比、低功率损耗等优点，但它存在着对偏振和波长具有敏感性，以及要求有较高的制造精度等缺点。

(2)Y 和X 数字型热光开关
Y 和X 分支型热光开关的结构见图13[3]。

这类开关一般是通过模式重组来实现开关动作。

通过加热改变分支的折射率，从而改变控制光的走向。

为了实现模式选择的绝热状态，要求分支角很小，一般在零点几度或零点零几度。

图13 数字热光开关（a ）X 型（21⨯开关）和(b)Y 型（22⨯）开关
对Y 结构而言，不加热时，主臂的有效折射率n b 大于支臂的有效折射率n s ，光从主臂通过；当对支臂加热时,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即
b C s n T T dT dn n >-+)(0， (58)
则光束通过支臂。

（58）式中T 0为室温，T c 为光改变通路的临界温度，dn/dT 为材料的折射率温度系数。

对X 结构而言，不加热时，主臂的有效折射率大于支臂的有效折射率，n b ＞n s ，光束1和2分别通过支臂和主臂；当对支臂加热时,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即满足公式（58），则光束1和2的通路被交换。

这类开关的优点是结构简单；制作容差大：当输入电压变化时输出光强呈阶跃特性，故称为数字光开关。

这个特点降低了对开关电压控制精度的要求，并大大降低了集成器件制作的复杂性，可做成列阵器件。

有机聚合物材料有更大的温度敏感性，只需100mW 左右的开关功率，特别适合做热光器件。

缺点是热稳定性差和抗湿性差。

3、声光开关
这是利用声光效应制作的光开关，声光效应是指声波通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。

利用声致光栅使光偏转做成光开关。

如图14，在y 方向，用电声换能器在介质中激励一束声波：
)sin(1t K t S S a a a -=ω (59)
式中，S α、ωα、K α分别为声波的振幅、角频率、传播常数。

类似于电光效应，声波引起介质的折射率的变化为：
a PS n n 321=∆ (60)
其中P 为应变弹性系数。

在声波的作用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向(y)呈周期性变化，在介质中形成一个相位光栅。

图14声光开关原理
如果平面光波与z 轴成θ角的方向入射，通过宽度为L 的声波区域后，因声光效应而产生的相位变化为： )sin(cos 20y K n L a ∆=∆λθ
πφ (61)
由于这一相位光栅的衍射作用，使介质中光的传播方向发生变化，从而实现光的开关。

该器件可以实现波导化，用叉指电极产生表面声波。

该开关的优点是开关速度比较快，为纳秒量级；缺点是插损比较大，而且成本比较高。

4、磁光效应光开关
这里介绍利用法拉第磁光效应的光开关。

这种磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受外磁场的作用其偏振面发生旋转的一种物理现象。

实验证明，当在磁性材料上施加平行光传播方向的外磁场时，设偏振光振动面的旋转角度为θ，磁感应强度为B ，光在材料中传播的长度为L ，则有：
VBL =θ
(62)
式中V 称为费尔德常数，是表明物质磁光特性的物理量，它与光的波长有关。

磁光物质旋光的方向与光的传播方向无关，只由外加磁场方向决定：当迎着磁场方向观察，偏振光总是按反时针方向旋转。

旋光物质一般采用钇铁石榴石（YIG ）晶体材料，它在长波长波段有较大的费尔德常数和较小的损耗。

以下介绍一种磁光效应光开关。

它的基本结构如图15。

构成光开关的部件有：用Gd:YIG 厚膜构成的45°法拉第旋转器，45°石英旋转器，两块YVO 4晶体，一块偏振分束镜和一块全反三角棱镜。

图15 法拉第磁光效应光开关
当在法拉第旋转器上施加右旋的磁场时,法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转分别为－45°和+45°,所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为零。

由第一块YVO4晶体分解的两束偏振光P光束和S光束在第二块YVO4晶体中合成一束，从上端口输出；当在法拉第旋转器上施加左旋的磁场时,法拉第旋转器和石英旋转器对光束偏振面的旋转皆为
+45°，所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为90°，因此由第一块YVO4晶体分解的两束偏振光在第二块YVO4晶体中分开：P光束转化为S光束，S光束转化为P光束，分别输出，再经过三角棱镜和偏振分束镜合成一束光从下端口输出。

这种光开关在1.3um的性能见表3，表中插入损耗包括Gd:YIG吸收损耗和透镜耦合损耗。

在电磁铁的驱动电压为±5V时磁场达到饱和，开关开始运行。

电压为±20V时，开关时间为30sμ。

串音主要来自Gd:YIG的质量。

性能插入损耗
dB
串音
dB
开关时间
µs
最小电压
V
数值 1.3～1.7 -25 30 ±5
5、液晶光开关
大部分液晶光开关是根据用外电场控制液晶分子的取向而实现开关功能的，如图16所示。

在液晶盒内装着相列液晶。

通光的两端安置两块透明的电极。

未加电场时，液晶分子沿电极平板方向排列，与液晶盒外的两块正交的偏振片P和A的偏振方向成450，如图16(a)。

这样液晶具有旋光性，入射光通过起偏器P先变为线偏光，经过液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，两者的折射率不同（速度不同），有一定相位差，在盒内传播盒长距离L之后，引起光的偏振面发生900旋转，因此不受检偏器A阻挡，器件为开启状态。

当施加电场E时，液晶分子平行于电场方向，因此液晶不影响光的偏振特性，此时光的透射率接近于零，处于关闭态，见图16（b）。

撤去电场由于液晶分子的弹性和表面作用又恢复原开启态。

图16 液晶光开关工作原理
设右旋波速度v R 快于左旋波速度v L ，则右旋波电矢量旋转角度R ϕ大于左旋波电矢量旋转角度L ϕ。

此两角与偏振面转角φ的关系为 φϕφϕ+=-L R 或 2L
R φϕφ-= (63)
若右旋波和左旋波的折射率用n R 和n L 表示，则偏转角可表为 nL L
R ∆=-=02λπϕϕφ (64)
这里λ0为真空的波长，Δn ＝n R －n L 。

欲取偏转角φ=π/2，因此液晶盒的长度可据以下公式设计：
n L ∆=20
λ (65)
这里没有考虑液晶对光的吸收。

这种开关靠分子转动，因此开关速度较慢（μs 量级）。

6、气泡开关
安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种二维光交叉连接系统，见图17。

他们把这种技术称为“光子交换平台”。

其光开关包括两部分：下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。

上下之间抽真空密封，小沟道内充特定的折射率匹配液，每一个沟道中部都有一个微型电阻，通过电阻加热匹配液形成气泡，对光产生全反射，实现关态；不加电时由于折射率匹配，光信号直接通过，为开态。

HP 的喷墨打印技术主要用于精密控制微电阻产生气泡。

气泡是封闭的不会溢出，通过控制蒸气压，保持液体和气体共存的温度和压力。

气泡的产生到消失约2ms,最大开关速度为10ms 。

32×32开关模块的插损为
4.5db ，消光比小于-50db 。

由于没有可移动部分，可靠性较好，具有偏振不敏感性，而且成本不高。

图17 喷墨气泡热光开关模块
7、MEMS光开关
MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。

目前已成为一种最流行的光开关制作技术。

其基本原理通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且1 个输出端口在同一时间只能和1个输入端口相连接。

与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。

MEMS光开关优点：与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。

同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点, 它结构紧凑、重量轻, 且扩展性较好。

MEMS光开关特性：低插入损耗; 低串扰; 与波长、速率、调制方式无关; 功耗低; 坚固、寿命长; 可集成扩展成大规模光开关矩阵; 适中的响应速度(开关时间从100ns～10ms)。

在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中, 基于MEMS 技术的解决方案已是主流。

MEMS光开关分类：MEMS 光开关可以分为二维和三维光开关。

二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成,光束在二维空间传输。

准直光束和旋转微镜构成多端口光开关, 对于M×N 的光开关矩阵, 光开关具有M×N个微反射镜。

二维光开关的微反射镜具有两个状态0和1(通和断), 当光开关处于1 态时, 反射镜处于由输入光纤准直系统出射的光束传播通道内, 将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤;当光开关处于0 态时, 微反射镜不在光束传播通道内, 由输入通道光纤出射的光束直接进入其对面的光纤。

三维MEMS 的微镜固定在一个万向支架上, 可以沿任意方向偏转。

每根输入光纤都有一个对应的MEMS 输入微镜, 同样, 每根输出光纤也都有其对应的MEMS 输出微镜[17]。

因此, 对于M×N 三维MEMS 光开关, 则具有M+N 个MEMS 微反射镜。

由每根输出光纤出射的光束可以由其对应的输入微镜反射到任意一个输出微镜, 而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光纤。

对于M×N 三维MEMS 光开关, 每个输入微镜有N 个态, 而输出微镜则具有M个状态。

目前, Iolon 利用MEMS 实现了光开关的大量自动化生产。

该结构开关时间小余5ms。

Xeros 基于MEMS 微镜技术, 设计了能升级到1152×1152 的光交叉连接设备, 交换时间小余50ms。

随着全光网络的发展, 三维MEMS 阵列可成为大型交叉连接的最佳候选者之一。

基于MEMS技术的光开关主要有微反射镜型光开关、静电驱动型光开关、自由空间交换型光开关、无透镜型光纤光开关等,光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动,梳状静电驱动器驱动,电致、磁致伸缩驱动,形变记忆合金驱动,光功率驱动和热驱动等[4].MOEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料,Au、Al等金属材料,压电材料及有机聚合物等其他材料.MOEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺、表面加工。