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光开关是一种实现光信号通断、路径改变的光无源器件，是实现光通信网络信号交互的基础器件之一，也是实现全光网络中核心技术之一。目前光开关技术相对成熟，各类产品被广泛应用于光线路保护（OLP），光线路监控（OLM），可配置光分插复用模块（ROADM），网络交叉连接（OXC）等系统和网络节点。
实现光开关的技术方案很多，除了传统的机械式光开关外，还有磁光开关，M-Z型干涉式光开关，热光开关，声光开关，液晶开关，MEMS开关等。不同的实现原理和工艺特点使其在性能指标上各不相同，如插损（IL），串扰（Crosstalk），偏振相关度（PDL），波长相关度（WDL），温度相关性（TDL），重复性等等上的差异导致各自应用方式不同，同时成本也是供应商和系统商非常看重的因素之一。本文将对各种开关的原理和优缺点做一次较为详尽对比分析，并对光迅的相关光开关产品特点进行说明。
表一 各种原理的光开关对比表
虽然目前商用领域还是以传统的机械式光开关为主，有着插损小、稳定、工艺成熟等优点，但是随着光网络大容量化、高速化的发展趋势，多端口数，高速切换，集成性好的光开关将成为今后的主流目标，大体积且端口数少的机械式光开关不适合构建光开关矩阵和光网络节点。
传统机械式光开关
传统机械式光开关由继电器和马达作为驱动元件，利用继电器和马达的机械性能，改变光学元件的位置，从而使光路发生偏折，达到开关切换的目的。
机械式光开关主要分为：动纤式，反射式，透射式等。
动纤型光开关使用TEC光纤，将光纤端面进行抛光和镀膜，使用继电器将可动纤抬起与落下，与不同的固定纤进行耦合，达到开关切换的目的，具有成本低，插损低，功耗小的优点，但是由于光纤端面的反射，回损指标受到影响，同时可能存在回跳现象，重复性方面不是很好，且可靠性较差。
图1 动纤式光开关
反射式光开关利用继电器驱动高反镀膜的玻璃片切入光路，实现反射与透射的切换功能，此类开关原理和结构较简单，作为最早应用的机械式光开关，技术和工艺相对成熟，各方面指标都较好，但是由于反射耦合的敏感性，反射镜切换时的轻微位移容易造成重复性差。
透射式光开关利用继电器驱动楔角或棱镜实现光路偏折或偏移，此类开关目前应用最为广泛，有插损小，重复性小，稳定相关损耗小的优点。
图2 反射式光开关 图3 透射式光开关
马达一般用于输出端口大于16个通道的光开关，由于传统机械式光开关难以实现多端口输出，解决了级联方案的繁琐，高成本，可靠性差等问题，马达式光开关一般是将输入端固定，通过驱动马达将不同输出端准直器与输入端耦合，但是由于马达的工作原理，导致了此类开关非相邻通道的高切换延时，且由于马达的制作工艺，导致此类开关高度较高，不利于集成和小型化。
图4 马达式光开关
磁光开关
磁光开关主要运用的原理为晶体的双折射和法拉第旋光效应，通过驱动引脚施加电压从而改变外加磁场来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，达到切换光路的效果。
磁光开关一般由PBS(偏振分束器)，FR（法拉第旋转器），displace（偏振光分离器），PBC(偏振合束器)组成，光通过PBS后分为偏振态相互正交的o光和e光，通过波片作用转换为同种偏振态的光，当两个法拉第旋转器一正一反加电时，光偏振态分别以两种状态通过偏振分离器，在不同位置再经由PBC合束导出，实现了开关功能的切换。
磁光开关作为一种全固态型开关，内部没有任何可移动部件，可靠性及稳定性优于传统的机械式开关，且具有插损小，重复性好的优点，同时在切换时间方面可以达到微秒级别，具有较高的商用价值。
图5 磁光开关
马赫－曾德干涉仪型光开关
当相互平行的两个波导互相靠近时 ,波导中的传播模式会在传输过程中发生耦合并产生功率交换。
M-Z干涉仪型光开关以铌酸锂为基底，在基底上制作一对平行光波导，并在波导两端分别连接Y型50/50耦合器。通过电极对波导区施加电压，使得耦合区两波导的折射率发生变化，从而使光程相应变化，当折射率大小相同时，形成相干增强，折射率大小相反时，形成相消，达到开关切换的目的。
M-Z干涉仪型光开关的优点在于体积小，开关切换速度快，目前商用水平可以达到0.2ns以下，但是相应的缺点是插损较大，且消光比低，同时可以承受的输入光功率小。
热光开关
通过电流加热使介质的温度发生变化，折射率改变，使得光在介质中传播的相位发生改变，这就是热光效应。目前热光开关按原理分为：M-Z型光开关和数字光开关两种。
热光开关一般使用铌酸锂，硅，二氧化硅和有机聚合物作为可调节热量的波导材料，在基底上通过各种工艺形成分支波导并沉积金属钛或铬形成加热器。对波导阵列的一个分支加热使得波导温度上升，波导折射率下降，阻止光沿该分支的传输，使得光由主波导引导至分支波导。
热光开关的优点是成本较低，串扰较低，功耗较小，体积小，可以与AWG集成在一起组成OADM。但是M-Z型热光开关对波长敏感，数字光开关插损较大，且热光OSW目前切换速度较慢，商用一般只能制作1x2,大大限制了应用范围。
声光开关
声光开关利用的是声光衍射原理，首先将输入的电信号转化为超声波传输到声光互作用的波导介质内，光波导的折射率发生周期变化，形成一个运动的波长选择性布拉格光栅，当输入光波满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，实现开关的功能。
该类器件可靠性好，切换速度快。但是插入损耗较大且成本较高。
液晶开关
液晶光开关利用晶体的电光效应，通过外加电压改变光的折射率及偏振态，经由液晶分子的方向改变来改变光的透过率，实现开关的通断。
目前商用主流就是基于以上原理的偏振分束液晶光开关，其原理和实现方式类似于磁光开关。
液晶开关的优势在于能量低，响应速度快，可以实现1xN和NxN的功能，但是由于在液晶中光会分束及合束，多端口应用时容易产生因光的传输路径偏差带来的插入损耗，因此多端口插损较大，而且对温度较敏感。
MEMS 开关
MEMS技术是由半导体材料构成微机械结构，将电、机械和光集成为一块芯片。MEMS的基本原理就是通过静电或其他驱动力改变微旋转镜产生机械运动。使得光路的传播方向发生改变从而实现开关功能。
MEMS开关主要分为2D和3D两种, 2D NxN MEMS OSW 需要N2个微旋转镜来完成N2个通道的切换，其控制电路简单，目前被广泛应用。而3D NxN MEMS OSW的镜面不局限于一个平面，能向任何方向偏转，每一个旋转镜都有N种状态，输入光可以通过一系列阵列反射最后到输出端口，通过精密的机械控制微旋转镜，可以仅需要2N个微旋转镜就可以完成 N2个通道的切换，更利于容量的扩展，但是其控制电路和监控设备要复杂的多。
光迅公司设计并生产多种类型的光开关，经过严格的指标测试及长期的可靠性验证，得到各运营商与器件商的一致认可与好评，产品水平处于业界领先地位，产品主要包括如下几类：
1)常规机械式2x2全通光开关
图6 常规机械式光开关
常规机械式光开关通过继电器带动机械组件控制反射镜运动达到切换反射光路与透射光路的目的，实现2x2光路可逆全通， 精确简单的机械设计保证了开关的切换时间、稳定性及寿命。
表二 常规机械式光开关指标
2)自由空间式1xN光开关
图7 自由空间式1x8光开关
自由空间式1xN光开关通过从结构和光路方面精巧设计，将传统的级联变通到自由空间的范畴，省略了常规级联各开关的耦合和接续，不仅降低了单位通道的成本，更大大减小了器件的体积。开关具有良好的切换寿命和切换重复性，1x4,1x8系列光开关基本指标如下：
表三 自由空间式1x4/1x8光开关指标
3)超小型机械式光开关
图8 超小型光开关
超小型机械式光开关体积仅为17.3mmx10.4mmx7.9mm(LxWxH),通过驱动活动楔角片的方式改变光路，透射式的光路设计保证了开关的重复性及温度相关损耗，该开关同侧出纤便于模块和单盘的应用，低插损，高串扰，优秀的切换速度(<4ms)，处于机械式光开关一流水平。
表四 超小型光开关指标
结束语
光开关(OSW)是光通信网络中最为重要的基础元器件之一，近几年随着光网络的建设，系统对高速、扩容、高集成度等的要求也越来越高，小型化，集成化，高端口数将成为未来光开关的发展趋势。
