光开关应用[2]
干涉仪型光开关主要指M-Z干涉仪型。主导思想是利用光相位特性。输入光被分为两束，通过两个分开的波导，再合并。其中一个波导被加热改变其光程。当两条路径长度相同时，光通过其中一个出口，当长度不同时，光线通过另一个出口。由于Si的导热系数较大，加热器的距离至少要100微米，这样才不会影响到相邻的开关。MZI型光开关结构如图8所示。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，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时，输入信号经过两个3dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出，在直通的输出端口发生相干相消，如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移，则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出，而在交叉端口发生干涉相消。从而通过控制加热器可实现开关的动作。
以1×2和2×2光开关单元为基础，其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成，有多种组网方式，其中，CLOS多级网络是最常用的一种，对N×N的开关矩阵，需要2N－1级的开关单元级联而成。如8×8的矩阵开关，一般都采用15级开关单元结构，其中，48个周边光开关用作衰减平衡器，始终处于交叉状态，而中间组成菱形的64个光开关构成8×8光开关的核心，每一级的光开关单元数目分别为7和8个交叉排列。从而构成严格无阻塞的8×8光开关矩阵，NTT公司最近采用双MZI串联的开关单元代替传统的单MZI型开关单元,仅用8级开关单元就构成了严格无阻塞的8×8开关矩阵，图9即为NTT公司制造的8×8光开关结构图。它有效地减小了波导长度，降低了开关损耗，提高了消光比，降低了串扰水平。工作带宽覆盖了整个EDFA增益谱。
NTT公司16×16热光开关已经商用，它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件，其交换速度依赖于对材料的加热时间。聚合物光开关交换时间大约是几个毫秒，Si材料光开关通常更慢，大约6-8ms。Lynxpn公司的8×8光开关是由128个1×2热光开关构成的，具有严格无阻塞特性，能支持广播功能，交换时间小于2ms，极化损耗小于0.4db，介入损耗小于1db。由于热光开关的操作是通过重复加热和冷却波导进行，因此这将减少光开关的寿命。Si材料光开关具有非常低的损耗，聚合物损耗更高。聚合物光开关需要较低的功率，典型的是5个微瓦，Si开关将是聚合物的100倍。
全息光开关
全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。KLTN晶体尺寸大约为2×2×1.5毫米，组成一个矩阵，构成光开关的核心。行对应于不同的光纤，列同交换的波长有关。全息图对照明不敏感，所以通常不会擦除存储的全息图。但光全息图能被擦除并重新写入。同时，多个全息光栅能高效地存储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交换速度达到纳秒量级，全息光开关可以在线动态监测每一路波长，因为当全息光栅被激活时，大约有95％被反射，剩余5％直通。这5％的信号可以用来监测，这对于网络管理具有很重要的意义。
利用这种技术可以很容易地组成上千个端口的光交换系统。并且它的开关速度非常快，只需几纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件，它的可靠性较高。掌握这种技术的TrellisPhotonics公司声称，240×240端口的交换系统的介入损耗低于4dB，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大（240×240功耗小于300瓦），并且需要高压供电。这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，但它更适合于单个波长的交换。纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于分组交换的光路由器中。
液体光栅开关
液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅（ESBG）技术。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。将液晶微滴悬浮于聚合体内，同时将它放置在Si波导上，当不加电压时，布拉格光栅工作并使特定的波长偏转从波导上端输出。当加上电压时，布拉格光栅消失，光线直通波导。这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体光栅开关的交换时间大约100微秒，比热光开关的交换时间快10倍，比气泡光开关或MEMS的交换时间快100倍。同样因没有移动部件，可靠性高、损耗低。DigiLens声称液体光栅开关的光损耗小于1db。其典型功耗大约50毫瓦左右。它对于波长交换具有灵活性，因为它能从波长群中选择需要的波长，可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。
声光开关
在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10祍。由于没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发自己的声光开关，其1×2光开关的交换速度是525ns，相对损耗为2.5db。
半导体光放大器开关
半导体光放大器开关利用SOA的放大特性，实现特定波长的交换。图11是由4个SOA阵列通过波导互联构成的2×2光开关。在关断状态，SOA是不透明的，即输入光被SOA吸收。在开启状态，光线允许通过SOA，同时被放大。通过调节SOA放大波长，输入端信号能到达任意输出端。此种光开关具有广播功能，通过调节SOA，输入信号能被广播到所有输出端，同时SOA提供的增益补偿了光开关的损耗。2×2光开关插入损耗为0db（典型光纤增益为12db）, 交换时间1ns左右，极化不敏感。
应用及前景分析
光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备（如OADM/OXC）的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：
保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。
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。
构建OADM设备核心：OADM是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM节点的灵活性，同时，使得OADM节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。
构建OXC设备的交换核心：OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。
以1×2和2×2光开关单元为基础，其它4×4、8×8、16×16等光开关矩阵可通过这两种光开关单元集成而得到。光开关矩阵的集成，有多种组网方式，其中，CLOS多级网络是最常用的一种，对N×N的开关矩阵，需要2N－1级的开关单元级联而成。如8×8的矩阵开关，一般都采用15级开关单元结构，其中，48个周边光开关用作衰减平衡器，始终处于交叉状态，而中间组成菱形的64个光开关构成8×8光开关的核心，每一级的光开关单元数目分别为7和8个交叉排列。从而构成严格无阻塞的8×8光开关矩阵，NTT公司最近采用双MZI串联的开关单元代替传统的单MZI型开关单元,仅用8级开关单元就构成了严格无阻塞的8×8开关矩阵，图9即为NTT公司制造的8×8光开关结构图。它有效地减小了波导长度，降低了开关损耗，提高了消光比，降低了串扰水平。工作带宽覆盖了整个EDFA增益谱。
NTT公司16×16热光开关已经商用，它是在一个Si晶片上集成500个以上的开关元件，其交换速度依赖于对材料的加热时间。聚合物光开关交换时间大约是几个毫秒，Si材料光开关通常更慢，大约6-8ms。Lynxpn公司的8×8光开关是由128个1×2热光开关构成的，具有严格无阻塞特性，能支持广播功能，交换时间小于2ms，极化损耗小于0.4db，介入损耗小于1db。由于热光开关的操作是通过重复加热和冷却波导进行，因此这将减少光开关的寿命。Si材料光开关具有非常低的损耗，聚合物损耗更高。聚合物光开关需要较低的功率，典型的是5个微瓦，Si开关将是聚合物的100倍。
全息光开关
全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进行选路。KLTN晶体尺寸大约为2×2×1.5毫米，组成一个矩阵，构成光开关的核心。行对应于不同的光纤，列同交换的波长有关。全息图对照明不敏感，所以通常不会擦除存储的全息图。但光全息图能被擦除并重新写入。同时，多个全息光栅能高效地存储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交换速度达到纳秒量级，全息光开关可以在线动态监测每一路波长，因为当全息光栅被激活时，大约有95％被反射，剩余5％直通。这5％的信号可以用来监测，这对于网络管理具有很重要的意义。
利用这种技术可以很容易地组成上千个端口的光交换系统。并且它的开关速度非常快，只需几纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件，它的可靠性较高。掌握这种技术的TrellisPhotonics公司声称，240×240端口的交换系统的介入损耗低于4dB，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大（240×240功耗小于300瓦），并且需要高压供电。这种技术可以跟三维MEMS技术竞争，但它更适合于单个波长的交换。纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于分组交换的光路由器中。
液体光栅开关
液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅（ESBG）技术。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。将液晶微滴悬浮于聚合体内，同时将它放置在Si波导上，当不加电压时，布拉格光栅工作并使特定的波长偏转从波导上端输出。当加上电压时，布拉格光栅消失，光线直通波导。这样液体光栅完成选出特定波长并交换的功能。液体光栅开关的交换时间大约100微秒，比热光开关的交换时间快10倍，比气泡光开关或MEMS的交换时间快100倍。同样因没有移动部件，可靠性高、损耗低。DigiLens声称液体光栅开关的光损耗小于1db。其典型功耗大约50毫瓦左右。它对于波长交换具有灵活性，因为它能从波长群中选择需要的波长，可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。
声光开关
在这种开关中，声波用来控制光线的偏转。交换速度从500ns到10祍。由于没有移动部分，可靠性较高。1×2光开关损耗低于2.5db。LMGR公司声称其光纤线性声光开关没有机械部分，使用电和计算机控制声光偏转装置，能在几个微秒内将输入信号送到输出端，转向器可以任意转向。Brimrose公司也开发自己的声光开关，其1×2光开关的交换速度是525ns，相对损耗为2.5db。
半导体光放大器开关
半导体光放大器开关利用SOA的放大特性，实现特定波长的交换。图11是由4个SOA阵列通过波导互联构成的2×2光开关。在关断状态，SOA是不透明的，即输入光被SOA吸收。在开启状态，光线允许通过SOA，同时被放大。通过调节SOA放大波长，输入端信号能到达任意输出端。此种光开关具有广播功能，通过调节SOA，输入信号能被广播到所有输出端，同时SOA提供的增益补偿了光开关的损耗。2×2光开关插入损耗为0db（典型光纤增益为12db）, 交换时间1ns左右，极化不敏感。
应用及前景分析
光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备（如OADM/OXC）的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：
保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。
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。
构建OADM设备核心：OADM是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM节点的灵活性，同时，使得OADM节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。
构建OXC设备的交换核心：OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。