光开关

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，探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，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。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(Automatic Switched Optical Networks，ASON)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(Optical Cross-connect,OXC)设备构成,通过OXC,可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。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。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、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。

光开关(Optical Switch,OS)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。光开关基本的形式是2X2即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态，平行连接和交叉连接，如图2所示。较大型的空分光交换单元可由基本的2X2光开关以及相应的1X2光开关级联、组合构成。

光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取，在光时分复用(Optical Time Division Multiplex,OTDM)系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接(Optical Cross-connect，OXC)的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2、1×N、2×2、2×N、M×N等多种，它们在不同场合中有不同用途。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统，光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心，光插/分复用、光学测试、光传感系统等。

图1 光开关的平行连接和交叉连接

依据不同的光开关原理!光开关的实现方法有多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。

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。

机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。移动棱镜光开关的基本结构如图2所示。光纤与起准直作用的透镜(准直器)相连，并固定不动，通过移动棱镜改变输入、输出端口间的光路。反射镜型光开关工作原理如图3所示，当反射镜未进入光路时，光开关处于直通状态，光纤1进入的光进入光纤4，光纤2进入的光进入光纤3；当反射镜处于两光线的交点位置时，光开关处于交叉状态，光纤1进入的光进入到光纤3，光纤2进入的光进入光纤4从而实现光路的切换。移动光纤型光开关如图5所示，是固定一端的光纤，移动另一端的光纤与固定光纤的不同端口相耦合，实现光路的切换。这类光开关回波损耗低，且受外界环境温度影响大，并没有形成真正意义上的商用化产品。我国国内商用化光开关主要是移动棱镜和反射镜型的。

图3 反射镜型光开关示意图

图2 棱镜式光开关示意图

机械型光开关的优点是插入损耗低(<1dB)隔离度高(>45dB)与波长和偏振无关，制作技术成熟。缺点在于开关动作时间较长(ms量级)，体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。

图4 移动光纤型光开关

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，是大容量交换光网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。

按功能实现方法，可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。 微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点，可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关，并已提出一维MEMS光开关的概念。 所谓2D是指活动微镜和光纤位于同一平面上，且活动微镜在任一给定时刻要么处于开态，要么处于关态。在这种方式中，活动微镜阵列与N根输入光纤和M根输出光纤相连。对一个N×N光开关矩阵而言!所需的活动微镜数为N²。因此!这种方式也称为N²结构方案

光开关从制造工艺来分类

光开关从制造工艺来分类，可分成机械式,微光机电MEMS系统方式开关和其他方式开关。前两种光开关是目前最成熟,市场应用最多的产品,最后一类可细分为

液晶式光开关；–电光式光开关；–热光式光开关；–声光式光开关。

机械光开关具备:n

小的串音；n

大的消光比；

n低的插入损耗；

n小的驱动电压；

n无极化依赖性；

n与光纤有高的耦合效率；

n紧凑的器件尺寸

n开关速度和频率带宽可设定。

光开关按用途 来分类

机械光开关

机架式光开关

台式光开关

微机械式光开关

手持光开关仪表

光纤环路、自动测量、光纤网络远程监控、光路切换、系统监测、实验室研发、动态配置分插复用、光路监控系统、光环路保护切换试验、光纤传感系统、光器件测试与研究

国内外知名厂家:绵阳超光通信 CORERAY , JDSU , OPLINK, DICON , SERCALO

1、1×1光开关具有使光路通断的功能，通常用于光路中阻断光传输的作用.

2、1×2光开关具有保护倒换功能，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。具体实例，如图一所示：

图一 1×2光开关保护倒换功能示例图

3、2×2光开关是光开关系列中最常用的一种，广泛应用于FDDI、光节点旁路、回路测试传感系统等方面，还可以与其他类型的光开关组合起来使用，使开关系统更完善，更灵活。具体实例，如图二所示(图二是2×2光开关应用的典型例子，图中光开关的2路和4路处于旁路状态，即子环或者工作站不与主光纤环路接通，光开的关1路和3路是插入状态, 即子环或者工作站与主光纤环路接通)。

图二 2×2关开关在光网络中的应用实例

2×2光开关的另一个用法是构建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。具体实例，如图三所示：

图三 2×2关开关在光网络中的应用实例

1、网络监视功能：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)，当光路需要监测时，利用光开关对每一条光纤进行循环切换，让光源对每一条光纤进行测试，就可以实现网络在线监测。光开关在光缆监测项目中主要起到的是跳测的作用，使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。具体实例，如图四所示：

图四 1×N光开关在网络监视系统中的使用

2、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。具体实例，如图五所示：

图五 1×N光开关在器件测试系统中的使用

3、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进行交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务功能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。具体实例，如图六所示：

图六 M×N光开关在OXC中的使用