3.6 光开关

光开关（Optic Switch）的功能是转换光路，以实现光信号的交换。对光开关的要求是插入损耗小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小型化和操作方便。

光开关可以分为两大类。一类是利用电磁铁或步进电动机驱动光纤或透镜来实现光路转换的机械式光开关，这类光开关技术比较成熟，在插入损耗（典型值0.5dB）、隔离度（可达80dB）、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能，也不受调制速率和方式的限制，但开关时间较长（几十毫秒到毫秒量级），开关尺寸较大，而且不易集成。微机电系统（Micro Electro Mechanical System, MEMS）光开关，采用机械光开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，所以很有发展前途。另一类光开关是利用固体物理效应（如电光、磁光、热光和声光效应）的固体光开关，其中电光式、磁光式光开关突出的优点是开关速度快（毫秒到亚毫秒量级），体积非常小，而且易于大规模集成，但其插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。

3.6.1 机械式光开关

机械光开关有移动光纤式光开关、移动套管式光开关和移动透镜（包括反射镜、棱镜和自聚焦透镜）式光开关。图3.6.1a表示1×N移动光纤式机械光开关，它用电磁铁驱动活动臂移动，切换到不同的固定臂光纤。图3.6.1b表示1×2移动反射镜光开关。光开关有1×1、1×N和M×N等几种，图3.6.1c即为1×N多通道光开关。

微机电系统光开关已成为DWDM网中大容量光交换技术的主流，它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输入光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。通常微反射镜的尺寸只有140μm×150μm，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。这种器件的特点是体积小、消光比大（60dB左右）、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中（约5 ms），插入损耗小于1dB。

图3.6.2表示一种可上下移动微反射镜的MEMS光开关，它有一个用镍制成的微反射镜（高80μm×宽120μm×厚30μm），装在用镍制成的悬臂（长2mm×宽100μm×厚2μm）末端。当悬臂升起来时，入射光可以直通过去，开关处于平行连接状态，如图3.6.2a所示；当悬臂放下时，入射光被反射出去，开关处于交叉连接状态，如图3.6.2b所示。平行连接状态转变到交叉连接状态是靠静电力将悬臂吸引到衬底上实现的，静电力由加在悬臂和衬底间的30～40V电压产生。衬底上有一个宽约50μm的沟渠，以便让悬臂上的微反射镜插入。

图3.6.3为可旋转微反射镜的MEMS光开关，当反射镜取向1时，入射光从输出波导1输出；当反射镜取向2时，入射光从输出波导2输出。微反射镜的旋转由控制电压完成，通常为100～200V。图3.6.4为可立卧微反射镜MEMS光开关，当反射镜立起时，入射光从输出光纤1输出；当反射镜卧倒时，入射光从输出波导2输出，这类器件的插入损耗小于1dB，消光比大于60dB，切换功率为2mW，其开关速度约10ms，比波导开关慢。

3.6.2 电光开关

在3.5.1节中，已介绍了电光效应，利用其原理也可以构成波导电光开关（Electro-Optic Switches）。图3.6.5表示由两个Y形LiNbO₃波导构成的马赫-曾德尔1×1电光开关，它与图3.5.5的幅度调制器类似，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D干涉，其输出幅度与两个分支光通道的相位差有关。由式（3.5.6）可知，当A、B分支的相位差ϕ=0时，输出功率最大；当ϕ=π/2时，两个分支中的光场相互抵消，使输出功率最小，在理想的情况下为零。相位差的改变由外加电场控制。

3.6.3 热电效应及热光开关

在图3.6.5所示的波导电光开关中，用一个薄膜加热器代替控制电压的电极，就可构成热光开关（Thermo Optic Switches, TOS），如图3.6.6a和图3.6.6b所示，它具有马赫-曾德尔干涉仪（M-ZI）结构形式，包含两个3dB定向耦合器和两个长度相等的波导臂，每个臂上具有Cr薄膜加热器。该器件的交换原理是基于在硅介质波导内的热电效应（Thermoelectric Effect），不加热时，器件处于交叉连接状态；但在通电加热Cr薄膜时，由式（1.2.8）可知，引起它下面A和B波导间的相位变化为

式中，L为薄膜加热器长度，Δn=αΔT为A和B波导间的折射率变化，这里α为折射率受热变化系数，ΔT为温度变化。通常只对一个Cr薄膜通电加热。图3.6.6c表示该器件的输出特性和驱动功率的关系。由图可见，热驱动功率由0变为0.5 W时，可引起输出状态的切换，即由交叉连接状态切换到平行连接状态。这种器件的优点是插入损耗小（0.5dB）、稳定性好、可靠性高、成本低，适合作大规模集成，但是它的响应时间较长（1～2 ms）。利用这种器件已制成空分交换系统用的8×8光开关。

表3.6.1给出几种光开关的工作原理和性能的简要比较。