光开关定义分类
光开关的原理及种类
一、前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP 网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
06 光开关
原理——种类1
机械式 光开关种类
移动光纤式 移动套管式 移动透镜型 移动反射镜 型 移动棱镜型 移动自聚焦透镜 型
极化旋转器型 波导型
非机械式
机械式光开关是通过光纤和光学元件的移动或旋 转，使光路断开或关闭，开关时间在毫秒量级（较 长），还会有回跳抖动和重复性差等问题。
非机械式光开关一般是通过电光效应、热光效应、液晶、 磁光效应以及声光效应等改变波导折射率使光路収生改变完 成开关功能，具有开关时间短，体积小，便于集成的优点， 但插入损耗大，隔离度低。
参数指标——消光比(Extinction Ratio)
消光比是指输入输出两个端口处于导通（开启） 和非导通（关闭）状态的插入损耗之差，它的数学 表达式为：
ERn,m ILnm IL0 nm
消光比。 消光比是指光开关处于通（开）状态时 输出的光功率和处于断（关）状态时的输出光功率之 比。 消光比越大, 光开关性能越好， 这对外调制器 尤为重要。 机械开关的消光比大约为40～50 dB。
金属薄膜 衬垫 波导芯层 底包层 衬底 衬垫
（a）未加电压时 （b）加电压时 金属薄膜光开关结构
种类——机械式：金属薄膜光开关
金属薄膜MZ型光开关结 构示意图。如果不加电压， 金属薄膜跷起，MZ干涉仪两 个臂的相移相同，此时光信 号从端口2输出；如果加电 压，金属薄膜与波导接触， 引起该臂 的相移，光信 号从端口1输出。
种类——非机械式：电光开关
电光效应光开关是基于电光效应的光开关。 如果对晶体施加适当的外电场，则晶体的双 折射性质将収生改变，从而使通过晶体的光 波产生相位延迟或偏振态的改变。
电光效应示意图
种类——非机械式：电光开关
2×2 的电光开关也可以利用耦合器实现， 但它不是通过改变光纤的长度而是通过改变耦 合区材料的折射率来实现的。常用的一种材料 是铌酸锂（LiNbO3）。 电光开关的开关速度快， ＋U 易于集成。 其结构如图所示。
六、光开关
电光效应开关（5）
• Y型支路开关 ：通过Y分支的两个输出分支的折射 率改变，实现数字式输出。 • LiNbO3电光开关 • 具有大的电光系数，而且具有宽的光透明度 （0.4~5.0µm)，是制作光调制器和光开关的理想 材料。 定向耦合器型、ＭＺＩ型和Ｙ分支型。 • ＬiNbO3电光开关都是制作在LiNbO3晶体底上， 首先通过Ｔｉ内扩散或质子交换技术在基片上形 成图案化的光波导，然后在波导上形成电极而成。
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
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热光效应开关（1）
• 热光开关的材料和基本类型 • 热光效应：光介质的光学性质（如折射率）随着 温度变化而发生变化的物理效应。典型材料如下：
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
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热光效应开关（2）
• 制作简单、成品率高、成本低、易于集成等。 • 但开关时间长、功耗大、器件尺寸较大等。 • 分为：干涉型光波导热光调制开光和非干涉型光 波导热光调制开关，ＭＺＩ 热光调制光开光和Y 分支热光数字开关 • 分为：SI基热光开关、SIO2基热光开关、聚合物 热光开关
2007-2-27 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院 4
光开关分类（原理和结构）
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
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光开光主要技术参数（１）
• 插入损耗：输入和输出端口之间光功率的减少； • 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
2007-2-27
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院
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电光效应开关（4）
光开关介绍
光
开
关
微透镜型
微反射型MEMS光开关
微反射型MEMS光开关通过偏转微反射镜来 改变入射光束的方向，从而实现光开关的目的。
二维微反射镜MEMS光开关阵列
耦合损耗随微反射镜半径的减少而迅速增大， 因此，微反射镜的半径需要大于400um方可得到耦 合损耗小的微反射镜MEMS光开关阵列。
另外，保持微反射镜的平整度是非常重要的。
光开关介绍
内容
前言 一 光开关的概念 二 光开关的性能参数 三 光开关的分类 四 光开关的发展现状及未来趋势
前言
光无源器件是信息光电子技术，特别是光通信设备的重要组 成部分，也是光纤传感和其他光纤应用领域不可缺少的光器件， 起工作原理遵守光线理论和电磁波理论，各项技术指标、计算
公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。
2x2光开关
光开关可用于光纤通信系统，光纤网络系统，
光线测量系统或仪器以及光纤传感系统。
光通信无源器件技术—— 光开关
10121920 伦建超 光电所
二 光开关的特性参数
2.1插入损耗
输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少
IL=-10lgPout/P0 P P 式中， 0为进入输入端光功率， out为输出端光功率
插入损耗与开关的状态有关。
2.2 回波损耗（也称为反射损耗或反射率）
从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表
示
RL=-10lgPr/Po
式中，Po为进入输入端的光功率，Pr为在输入端口接收 到的返回光功率。
回波损耗也与开关的状态有关。
经 典 实 用 光 开 关
2.3 隔离度
两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值
光开关
光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。
光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。
光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。
光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。
一、光开关与全光网络近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。
密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。
不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。
因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。
从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。
OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。
而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。
光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。
而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。
二、光开关概述目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。
不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。
依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。
依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。
机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。
光开关
光开关的作用：
光开关是一种光路控制器件，其作用是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，最主要的作用是转换 光路。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器，LAN，多光源， 探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，光开关用于光纤， 光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测系统。
光开关的分类
光纤 可动光纤 光纤固定装置
图1.b
2、非机械式光开关
非机械式光开关依靠电光、磁光、热光等效应来改变波导的 折射率，使光路发生变化。此类开关有电光式开关、磁光式开关 和热光式开关。 电光式开关
热光式开关
磁光式开关
非机械式光开关
三类非机械式光开关简介：
电光式开关：这类光开关是电控光开关，有两种类型，一 种是利用某些晶体具有很强的电光效应制作的电控光开关，如 钕酸锂(LiNdO3)、钽酸锂(LiTaO3)、铋硅氧化物(BSO)等，它们 有很高的电光系数，不仅可以做成电光开关，而且可以做成调 制器和光分路器等；另一种是液晶结构的光开关，如采用液晶 作旋光材料的电光开关。 磁光式开关：它是靠外磁场影响磁畴的宽度和角度，进而 影响磁畴的有效光衍射和方位角来达到转换即开关目的的，即 利用外磁场作用下的法拉第旋光效应。 热光式开关：它是利用热量转换达到开关目的的，用一个 薄膜加热器代替加控制电压的电极,就可构成热光开关。
光开关的应用前景
光开关在光通信、光计算机、光信息处理和全光数据处理、高 速摄影、影视制作等领域得到广泛使用。随着光联网概念的提出， 光开关技术已经成为未来光联网的关键技术，他不仅构成了波分复 用光网络中关键设备（如光分插复用设备（OADM）/光交叉连接设 备（OXC））的交换核心，而其本身也是光网络中的关键器件。 在各种光开关中，热光开光列阵、微机械光开关列阵、液晶光 开关、气泡式光开关列阵以及光子集成（PIC）光开关列阵由于集 成度较大，因而将是大规模阵列光开关的发展方向。而铌酸锂电光 光开关、电光聚合物光开关等，将是高速光开关的发展方向。同时， MEMS光开关的集成化和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。 随着光开关技术的不断进步，特别是多功能集成光开关在关键技术 上的突破，必将对全光通信网的发展起到巨大的促进作用。
光开关的工作原理
光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是什么?2010年03月20日 17:30 www.elecfans.co 作者：佚名用户评论（0）关键字：光开关(7)光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是什么?光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，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。
机械式光开关：插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；开关时间长(ms)，重复性较差。
其它光开关：开关时间短(ms)；体积小；插入损耗大；隔离度低。
光开关的特性参数1.插入损耗(Insertion loss)2.回波损耗（Return loss）从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。
3.隔离度两个相隔离的输出端口光功率的比值。
4. 串扰输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值。
5.消光比两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。
ER＝IL－IL06.开关时间开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。
从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。
光开关的工作原理：1. 机械式光开关移动光纤式光开关移动反射镜式光开关以上两种体积大，难实现集成化的开关网络。
近年正大力发展一种集成的微机电系统(MEMS)开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。
用16 个移动反射镜光开关构成的两组4 4MEMS开关阵列2 电光开关电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。
电光开关一般利用泡克耳斯(Pockels)效应，即折射率n随光场E而变化的电光效应。
折射率变化与光场的变化关系为：而光波传输距离L相应的相位变化为：定向耦合型光开关定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换定向耦合器的开关特性M-Z型干涉仪光开关波导型M-Z干涉仪是一种广泛应用的光开关。
它由两个3dB耦合器级联而成。
工作原理：在两个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。
光开关的用途
光开关的用途光开关是一种新型的电子开关器件，它的工作原理是基于光电效应。
在光开关中，通过控制光的传输与阻隔来实现电路结构的开关。
光开关具有高速、高稳定性、低噪声、低功耗等特点，广泛应用于通信、光电传感、计算机、医疗器械等领域。
本文将在介绍光开关的工作原理基础上，分别阐述其在通信、光电传感、计算机和医疗器械等领域的应用和发展前景。
一、光开关的工作原理光开关是一种基于光电效应的电子开关器件。
通俗地讲，就是通电后能够控制光的开合。
以最常见的工作方式为例，将光源（LED或激光器）、电路控制部件和光敏器件（例如光电二极管或光敏电阻）等器件连接起来，构成一个简单的光开关电路。
电路通电后，电流会经过控制部件（如晶体管），控制部件即使得基极与发射极垂直放置的光源没有电流通过，因此不发光；当电控部件发生改变时，光源开始发出光。
光源发出的光线会经过透镜或光纤等传输媒介，最终达到光敏器件。
在光线照射下，光敏器件的导电性质会有所改变，电路便会开关，从而实现对信号的控制。
二、光开关在通信领域中的应用1. 光纤通信随着互联网技术的发展，传统的铜缆线路已经无法满足快速、高清、大容量数字信息传输的需求。
光开关在光纤通信中具有重要意义。
光开关是将光信号转换成电信号的核心组成部分之一，用于控制信号的发送和接收。
由于光开关具有高速、高稳定性、低噪声、低功耗等特点，在光纤通信的传输过程中具有重要作用，能够实现数字信息高速传输。
2. 光波导技术光开关在光波导技术中也有广泛的应用。
光波导技术是一种采用光的全反射原理在非晶态材料中制作出来的光导器件。
通过在光波导上集成光开关器件，可以实现光路切换、光电转换、光信号处理等多种功能的实现。
在光电子学、光通信、光计算、光传感等领域均有重要应用。
光电传感领域与安防技术、健康医疗等领域有着密不可分的联系。
在安防系统中，光开关具有感应灯、安全光幕、激光雷达等功能；在健康医疗领域中，光开关则有着血液分析、遗传检测、光学成像等多种应用。
光开关基础知识培训
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产品光路
1×1
Page ▪ 22
1×2
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管脚定义说明举例（1×2光开关）：
型号 1×2 锁定 非锁
状态 光 路
A P1-P2 B P1-P3 A P1-P2 B P1-P3
工作原理
反射型
当反射镜置入光路时，光束被反射 进一光路，该光路称为反射通道， 反射镜退出光路时光束耦合进另一 光路，称这一光路为直通通道
透射型
当棱镜置入光路时，光束经过棱镜的折 射，出射光束相对入射光束产生一个错 位，光束耦合进一个光路，该通道称为 透射通道；棱镜退出光路时光束直接耦 合进另一通道，该通道称为直通通道
非锁定式：加电驱动后，保持在一种通光状态，如需保持该状态，需 长期加电。无电驱动或断电后恢复另一种通断状态
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特性参数
光纤类型：SM9/125
MM50/125
MM62.5/125
工作电压：实质就是驱动继电器切换工作状态的控制电压，有3V和5V两种 开关类型：实质就是继电器的控制方式，有锁定和非锁定两种
184×78×66-DB25 (N≤45)
184×156×66-DB25 (N≤88)
184×220×66-DB25 (N≤128)
140×77.5×32-DB15-C (N≤16) 140×77.5×64-DB15-C (N≤32)
135×95×32-DB9-CF (M≤3，N≤16)
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Pin 1
-V+ -V+
电驱动
状态监测
光开关
目前应用最为广泛的仍是传统的1×2和2×2机械式光开关。传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合 到输出端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。
光开关
光路转换器件
目录
01 简介
03 的应用范围
02 背景 04 主要类型研究
目录
05 微电子机械系统
07 应用场合
06 分类
光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进 行物理切换或逻辑操作.
简介
光开关
光开关是一种光路转换器件。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太 的转换。在光纤测试系统，用于光纤，光纤设备测试和络测试，光纤传感多点监测系统。
微电子机械系统
近几年发展很快的是微电子机械光开关，它是半导体微细加工技术与微光学和微机械技术相结合，产生的一 个新型微机-电-光一体化的的新型开关，是大容量交换光络开关发展的主流方向。
MEMS(Micro Electro-Mechanical System)光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片,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。MEMS光开 关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在ms数量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与 光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信号；同时具备了 机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成 的优点。
光电开关(光纤开关)..
多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。光电开关的重要功 能是能够处理光的强度变化：利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变 化；利用光束来反射物体；使光束放射经过长距离后瞬间返回。
光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：利用光 学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来 反射物体；使光束放射经过长距离后瞬间返回。光电开 关是由放射器、接收器和检测电路三局部组成。放射器 对准目标放射光束，放射的光束一般来源于发光二极管 〔LED〕和激光二极管。光束不连续地放射，或者转变 脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在放射中经过屡 次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管 或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如 透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效 信号和应用该信号。光电式接近开关广泛应用于自动计 数、安全爱护、自动报警和限位掌握等方面。 分类：光
电开关可分为对射型；漫反射型；镜面反射型；槽式光 电开关；光纤式光电开关。
一.对射型光电开关：由放射器和接收器组成，构造上是两者相互分别的， 在光束被中断的状况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同 一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。 特征：区分不透亮的反光物体；有效距离大，由于光束跨越感应距离的 时间仅一次；不易受干扰，可以牢靠适宜的使用在野外或者有灰尘的环 境中；装置的消耗高，两个单元都必需敷设电缆。 二.漫反射型光电开关：是当开关放射光束时，目标产生漫反射，放射器 和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关 状态发生变化，作用距离的典型值始终到3米。 特征：有效作用距离是由目标的反射力量打算，由目标外表性质和和颜 色打算；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以到达 粗定位；承受背景抑制功能调整测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目 标变化了的反射性能敏感。
光开关分类
光开关分类一、引言光开关是一种用于控制光信号传输的关键设备，广泛应用于光纤通信、光电子器件等领域。
光开关的分类对于研究和应用具有重要意义。
本文将深入探讨光开关的分类方法以及各类光开关的特点和应用。
二、光开关的分类方法2.1 按照工作原理分类光开关根据其工作原理可以分为以下几类： 1. 电光开关：通过外加电场来控制光信号的传输。
常见的电光开关有PN结光开关、Mach-Zehnder干涉仪光开关等。
2. 热光开关：通过热效应来控制光信号的传输。
常见的热光开关有热光波导开关、热光晶体开关等。
3. 机械光开关：通过机械结构来控制光信号的传输。
常见的机械光开关有微型机械光开关、MEMS光开关等。
4. 光学开关：通过光学效应来控制光信号的传输。
常见的光学开关有波导光开关、光学开关阵列等。
2.2 按照工作方式分类光开关根据其工作方式可以分为以下几类： 1. 全光开关：光信号在光开关中全程保持光传输状态，无需光电转换。
全光开关具有低损耗、高速传输等优点，适用于光通信等领域。
2. 光电光开关：光信号需要在光开关中进行光电转换才能实现控制。
光电光开关具有较高的控制精度和灵活性，适用于光电子器件等领域。
2.3 按照结构分类光开关根据其结构可以分为以下几类： 1. 波导光开关：利用波导结构来控制光信号的传输。
波导光开关具有较小的尺寸和较高的集成度，适用于集成光学器件等领域。
2. 光纤光开关：利用光纤来控制光信号的传输。
光纤光开关具有较好的光损耗特性和较高的稳定性，适用于光通信等领域。
3. 自由空间光开关：利用自由空间传输光信号并进行控制。
自由空间光开关具有较大的传输距离和较高的自由度，适用于光电子器件等领域。
三、各类光开关的特点和应用3.1 电光开关电光开关是利用外加电场对光信号进行调控的一类光开关。
其特点包括： - 高速响应：电光开关的调控速度快，适用于高速光通信等领域。
- 低功耗：电光开关的能耗较低，适用于低功耗设备和系统。
光开关的原理及种类(终审稿)
光开关的原理及种类文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-一、前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。
一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。
光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
光不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。
（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。
（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N 多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。
光开关详解
体光学器件组成的光开关 以波导为基础的光开关
2.光开关的类型2
从目前看，可以把所有光开关归为以下几 大类：
– 机械式光开关； – 液晶式光开关； – 电光式光开关； – 热光式光开关； – 声光式光开关。 我们重点讲述第一种
3对光开关及光开关阵列的要求：
小的串音； 大的消光比； 低的插入损耗； 小的驱动电压； 无极化依赖性； 与光纤有高的耦合效率； 紧凑的器件尺寸； 开关速度和频率带宽可设定。
我 和你
你和 我
注：作业在11月16日交。
2、磁光、电光效应式光开关
3、集成光学光开关 • 集成光波导光开关（电光、热光）
M-Z型光开关
用DWDM+光开关可构成OADM、OXC等光交换系统
1
输入光纤
1234
2
DEM 3
4
1
输出光纤
2
1234
3 MUX
4
TX 本节点信息 RX
利用这种技术可以制作微小而活动的机械 系统。
MEMS与微光学结合便构成了MOEMS。
4.1.3 MOEMS优点
微型化； 高的交换速度； 小的插入损耗； 提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微
米级定位精度； 与IC工艺相容，可大规模生产，成本低。
4.1.4 MOEMS分类
4 几种类型光开关简介
4.1 机械式光开关 4.2 电光式光开关 4.3 热光式光开关 ……
4.1 机械式光开关
机械式光开关是目前光通信系统最传统、 技术最成熟的光开关。
一种实用化的机械式多模光纤光开关的插 入损耗已达到小于1dB，开关时间小于1ms
最具成效的光开关
光开关
• 半导体光放大器开关：它利用半导体材料 的离子效应使得复合材料的折射率发生变 化，导致光传播方向的变化，实现光开关 的功能。
市场
• 光开关在通信领域的应用非常广泛,具有非 常好的市场前景,对光开关及开关阵列技术 的掌握程度可以作为衡量一个公司今后在 光通信领域里发展潜力的重要指标
光开关综述
一.光开关概述 二.光开关的类型 三.光开关的应用 四．总结
一.光开关概述
• 光开关是一种具有一个或多个传输端口， 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。
• 光开关可以实现光束在时间、空间、波长 上的切换，在光网络中有许多应用场合， 是光通信、光计算机、光信息处理等光信 息系统的关键器件之一。
数字型光开关：当加热器温度加热到一定
温度，开关将保持固定状态，最简单的设 备1×2光开关，成为Y型分支热光开关，如 图四所示。当对Y型的一个臂加热时，它改 变折射率，阻断了光通过此臂。
干涉仪型光开关：干涉型光开关具有结构紧凑
的优点。干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型。 它包括一个MZI和两个3dB耦合器，两个波导 臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上 金属薄膜加热器形成相位延时器。
四．总结
• 随着光传送网向超高速、超大容量的方向 发展，网络的生存能力，保护倒换和恢复 问题成为网络的关键问题，而光开关在光 层的保护倒换对业务的保护和恢复起了更 为重要的作用。同时，随着业务需求的急 剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长， 光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。 光开关的发展趋势总体说来是向着高可靠、 低损耗、小功耗、小体积以及大规模方向 发展。
• MEMS光开关的驱动方式有静电驱动、电致 伸缩、磁致伸缩、光功率驱动、热驱动等, 切换功能的实现有光路遮挡、光纤移动对
光开关分类
光开关分类光开关是一种通过光信号控制电路开关状态的装置。
它具有快速、可靠、安全等优点，在现代化的电力系统中得到了广泛应用。
根据其工作原理和应用场景的不同，光开关可以分为多种类型。
本文将对光开关的分类进行详细介绍。
一、机械式光开关机械式光开关是通过机械结构实现光信号控制电路开关状态的装置。
它通常由一个发射器和一个接收器组成，发射器向接收器发射光信号，当有物体遮挡住它们之间的空间时，接收器无法接收到发射器发出的光信号，此时电路就会自动断开。
机械式光开关具有结构简单、使用方便等优点，但是由于其受环境因素影响较大，如灰尘、湿度等会影响其正常工作，因此在某些特殊场景下需要考虑使用其他类型的光开关。
二、反射型光开关反射型光开关是指将发射器和接收器集成在一起，并通过物体对反射面反弹回来的信号来判断物体是否存在的光开关。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个反射面组成，发射器向反射面发射光信号，当有物体遮挡住它们之间的空间时，光信号被阻挡，无法照射到反射面上，此时接收器无法接收到反弹回来的光信号，电路就会自动断开。
反射型光开关具有结构简单、使用方便等优点，并且不受环境因素影响，因此在工业自动化等领域得到了广泛应用。
三、散射型光开关散射型光开关是指将发射器和接收器分别安装在物体两侧，并通过物体对光线的散射来判断物体是否存在的光开关。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个透镜组成，发射器向物体表面发出一束平行的光线，在物体表面上被散射后照向接收器，当有物体遮挡住它们之间的空间时，被遮挡部分的光线无法照向接收器，此时电路就会自动断开。
散射型光开关具有结构简单、使用方便等优点，并且适用于检测各种形状的物体，因此在工业自动化等领域得到了广泛应用。
四、光电隔离器光电隔离器是一种将输入信号和输出信号通过光信号隔离的装置。
它通常由一个发射器、一个接收器和一个光电耦合器组成，输入信号通过光电耦合器转换成光信号，经过光纤传输到接收端，再通过光电耦合器转换成输出信号。
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1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。
2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。
3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。
而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。
4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。
今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。
因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。
但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。
目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。
目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。
容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。
（应用光学2005）
常见的光开关：
1.MEMS光开关：而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MOEMS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、表面加工工艺和LIGA(Lithographie,Galvano-formung and Abformung,即光刻、电铸和注塑)工艺.
2.热光开关：利用热光效应制造的小型光开关。
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关系为：
式中n0为温度变化前的介质的折射率, ΔT 为温度的变化, α为热光系数, 它与材料的种类有关。
此类开关采用可调节热量的波导材料, 如Si02、Si和有机聚合物等。
在硅衬底上, 用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等工艺形成分支波导阵列, 然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。
电极加上电流后, 加热器的温度使下面的波导被加热, 温度上升, 热光效应引起波导折射率下降, 这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。
聚合波导技术是非常有吸引力的技术, 它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。
聚合物波导的热光系数很高, 而导热率很低, 因而能更有效地利用热来控制光的传播方向, 开关时间相对减小可达lms 以内。
热光开关的速度介于电光开关和MEMS之间。
热光开关一种是基于SoS(Silica- on- Silicon)技术,该光开关具有透明性、高可靠性、亚毫秒级恢复能力和无阻塞特性, 速度可达到100μs。
随着高密度、高集成度光路的产生, SoS开关的优势更明显。
目前主要有两种类型的热光开关, M- Z 干涉型光开关和数字光开关。
干涉型光开关结构紧凑, 但对光波长敏感, 需要进行精密温度控制; 数字光开关性能更稳定, 只要加热到一定温度, 光开关就保持稳定的状态。
它通常用硅或高分子聚合物制备, 聚合物的导热率较低而热光系数高, 因此需要的功率小, 消光比可达20dB, 但插入损耗较大,一般为3～4dB。
热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。
热光开关体积非常小,可实现微秒级的交换速度。
Y分支有机聚合物热光开关（1x2，通过提高一个通道的温度使其有效折射率下降，能量转移到一个通道中）
3.液晶光栅开关：液晶光栅开关是基于布喇格光栅技术, 利用液晶材料的电光效应, 采用了更为新颖的结构。
液晶开关内包含液晶片、偏振光束分离器(PBS)或光束调相器。
液晶片的作用是旋转入射光的极化角。
液晶光开关的基本原理是: 将液晶微滴置于高分子层面上, 然后沉积在硅波导上, 形成液体光栅。
当加上电压时, 光栅消失, 晶体是全透明的, 光信号将直接通过光波导。
当没有施加电压时, 光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。
这表明该光栅具有两种功能: 取出光束中某个波长并实现交换。
4.声光光开关：声光光开关是利用介质的声光效应。
即一定频率的声波在声光介质中传播时, 该介质会产生与该声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变, 从而导致介质折射率的周期性变化, 形成等效的衍射光栅。
其光栅常数等于声波波长, 当入射光束满足布喇格衍射条件时, 就可引起光的偏转, 偏转角由声波的频率和入射光波长决定。
因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段。
5.半导体多量子阱超快光开关：半导体多量子阱超快光开关在半导体量子阱带间跃迁( ISB- T) 中, 有超快驰豫时间和大的跃迁偶极矩及跃迁波长可调谐大的特点。
在一种材料InGaAs/AIAsSb 多量子阱中的通信波长上得到了1.2ps 的响应时间, 而在另外一种GaN/AIGaN 多量子阱中, 得到了150fs 的超快响应时间, 而这有可能制作成fs 级超快
光开关。
目前已商用化的磁光开关原理是利用法拉第旋光效应, 通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用, 从而达到切换光路的作用。
由于无机械移动部件, 可靠性高, 并且开关速度快( 亚毫秒) , 更兼有隔离器和环行器的功能, 使全固态的光路调节成为可能。
MEMS是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通硅基底上集成。