【正文】 一、光開(kāi)關(guān)的概念及作用、性能參數(shù)與分類 一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。 目前主要是：光交換系統(tǒng)和主備倒換，即利用光開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等功能。1，將某一光纖通道的光信號(hào)切斷或開(kāi)通；2，將某波長(zhǎng)光信號(hào)由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；3，在同一光纖通道中將一種波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一波長(zhǎng)的光信號(hào)（波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器） 多信道光通信系統(tǒng)還需要光插／分復(fù)用技術(shù)和快速的網(wǎng)間信息交換技術(shù)以及光的交叉連接（ＯＸＣ）技術(shù)都需要超高速大規(guī)律集成的光開(kāi)關(guān)矩陣。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的1N光開(kāi)關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將多纖經(jīng)光開(kāi)關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過(guò)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)。 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)1N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。 光傳感系統(tǒng):空分復(fù)用的光纖傳感系統(tǒng),節(jié)約解調(diào)系統(tǒng),降低成本。 光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、消光比、開(kāi)關(guān)時(shí)間、回波損耗、隔離度、遠(yuǎn)端串?dāng)_、近端串?dāng)_等。 插入損耗：輸入和輸出端口間光功率的減少。 回波損耗：從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值。 隔離度：兩個(gè)相隔離輸出端口光功率的比值。 消光比：端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差。 開(kāi)關(guān)時(shí)間：指開(kāi)關(guān)端口從某一初始轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間從在開(kāi)關(guān)上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時(shí)刻起測(cè)量。 驅(qū)動(dòng)方式可分為：機(jī)械式光開(kāi)關(guān)、非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。 原理可分為：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)和聲光開(kāi)關(guān)。 交換介質(zhì)可分為：自由空間交換光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)交換光開(kāi)關(guān)。二、機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 這是靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動(dòng)光纖或反射光的光學(xué)元件發(fā)生機(jī)械移動(dòng)，使光信號(hào)改變光纖通道的光開(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MOEMS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)。下面介紹幾種機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。 移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、插入損耗低。移動(dòng)式光纖的輸入或輸出端口中，一段光纖固定，而另一端光纖式活動(dòng)的。通過(guò)移動(dòng)活動(dòng)光纖，使之與固定光纖中的不同端口相耦合，從而實(shí)現(xiàn)光路切換。如圖1所示圖1移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān) 移動(dòng)套管式光開(kāi)關(guān)就是講輸入或輸出光纖分別固定在兩個(gè)套管之中，其中一個(gè)套管固定在其底座上，另一個(gè)套管以很高的精度定位在兩個(gè)或多個(gè)位置上，帶著光纖相對(duì)固定套管移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)換。 光纖被固定在輸入和輸出端口，依靠微透鏡精密的準(zhǔn)直而實(shí)現(xiàn)輸入、輸出光路的連接。光從輸入光纖進(jìn)入裝在一個(gè)由微處理器控制的步進(jìn)電機(jī)或其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的第一個(gè)透鏡后變成平行光，移動(dòng)該透鏡，則第二個(gè)透鏡將該透鏡的平行光聚焦到相應(yīng)輸出光纖。 輸入輸出端口的光纖都是固定的，依靠旋轉(zhuǎn)球面或平面反射鏡，使輸入光與不同的輸出端口接通。如圖2所示。圖2 移動(dòng)反射鏡式光開(kāi)關(guān) 輸入輸出光纖與起準(zhǔn)直作用的光學(xué)元件如自聚焦透鏡、平凸棒透鏡、球透鏡等相連接，并固定不動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)棱鏡而改變輸入輸出端口的光路。 自聚焦透鏡特別于各種光學(xué)器件中光纖與光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)耦合。三、非機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 非機(jī)械光開(kāi)關(guān)是利用一些材料的電光、聲光、磁光和熱光效應(yīng)，采用報(bào)道結(jié)構(gòu)做成的。這類開(kāi)關(guān)具有體積小、重量輕、與光纖適配、易于擴(kuò)展為開(kāi)關(guān)陣列。非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)包括電光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、磁光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、氣泡光開(kāi)關(guān)、MEMS光開(kāi)關(guān)和全光開(kāi)關(guān)。電光開(kāi)關(guān)的原理一般是利用鐵電體、化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物等材料的電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）或電吸收效應(yīng)（FranzKeldysh效應(yīng)）以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下改變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強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變。表1是這兩種電光材料的優(yōu)質(zhì)光開(kāi)關(guān)器件的指標(biāo)：表1 兩種電光開(kāi)關(guān)的指標(biāo)材料插損dB消光比dB偏振靈敏度dB開(kāi)啟時(shí)間nsInP/InGaAsP5dB15dB有機(jī)聚合物1dB20dB但由于半導(dǎo)體載流子復(fù)合時(shí)間的限制，開(kāi)關(guān)時(shí)間一般要在10ns以上。與機(jī)械光開(kāi)關(guān)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)除開(kāi)關(guān)速度高之外，因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)部件，重復(fù)率較高，壽命較長(zhǎng)。電光開(kāi)關(guān)一般利用Pockels效應(yīng)，也就是折射率n隨光場(chǎng)E而變化的電光效應(yīng)。折射率變化△n與光場(chǎng)的變化△E的關(guān)系。 (1)而光波傳播距離L相應(yīng)的相位變化為 (2)以下介紹五種典型的波導(dǎo)型電光開(kāi)關(guān)的原理。（1） 定向耦合器電光開(kāi)關(guān)這種開(kāi)關(guān)是在電光材料（如LiNbO化合物半導(dǎo)體、有機(jī)聚合物）的襯底上制作一對(duì)條形波導(dǎo)以及一對(duì)電極構(gòu)成，如圖3所示。當(dāng)不加電壓時(shí)，也就是一個(gè)具有兩條波導(dǎo)和四端口的定向耦合器。一般稱①③和②④為直通臂，①④和②③為交叉臂。圖3 定向耦合器型光開(kāi)關(guān)假設(shè)兩波導(dǎo)的耦合較弱，各自保持獨(dú)立存在時(shí)的場(chǎng)分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響只表現(xiàn)在場(chǎng)的振幅隨耦合長(zhǎng)度的變化。設(shè)兩波導(dǎo)中的復(fù)數(shù)振幅分別為ε1(z)和ε2(z)，相位常數(shù)是β1和β2，其變化規(guī)律可用以下一階微分方程組表示{1}：， (3)， (4)式中△β＝β1－　β2為相位失配常數(shù)。K1K21是兩波導(dǎo)的耦合常數(shù)，決定于波導(dǎo)的材料與結(jié)構(gòu)，也與波長(zhǎng)λ有關(guān)。兩波導(dǎo)完全對(duì)稱，未加電壓時(shí)，K12＝K21＝k；β1＝　β2，△β＝0，耦合方程簡(jiǎn)化為：， (5)，