、 引言 

光開關(guān)可以實現(xiàn)光束在時間、空間、波長上的切換，在光網(wǎng)絡中有許多應用場合，是光通信、光計算機、光信息處理等光信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。 廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依賴于光路之中的相位關(guān)系，通過普克爾(Pockels)效應或熱效應一般就可以達到相位控制。這類器件對環(huán)境非常敏感，尤其是對環(huán)境溫度。它們對控制信號有循環(huán)響應，這些控制信號通常需要對光輸出進行監(jiān)視，亦即反饋，以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對偏振、波長、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對于非干涉儀型開關(guān)，開關(guān)功能的動態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(guān)中的動態(tài)范圍，則依賴于干涉束的光功率的平衡，而且通常精度較低并較難保持。 

2、 技術(shù)現(xiàn)狀 

這里討論的光開關(guān)現(xiàn)狀，主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應用或商業(yè)上有希望接受的技術(shù)與應用。應用決定了要求，所以就從已經(jīng)取得商業(yè)成就的應用或近期有望實現(xiàn)的應用，來開始評述光開關(guān)。近年來，除了改進傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(已達到上千乘上千的端口數(shù))，切換速度不斷提高(如LiNbO3波導電光效應的光開關(guān)已達到納秒量級)，集成化程度越來越高。 

2.1 非干涉儀型開關(guān) 

非干涉儀型開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。 

2．1．1 微機械開關(guān) 

微機械開關(guān)技術(shù)是多學科交叉的新興領(lǐng)域，融合了微電子與精密機械加工技術(shù)，包含微執(zhí)行器及信號處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機電于一體，完成一定功能的復雜微細系統(tǒng)，是實現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對于光纖系統(tǒng)來說，微機械開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個極有希望的入門途徑。已經(jīng)報道過的很多微機械光開關(guān)有兩個基本途徑：或者通過微機械器件把光線運載到與微機械器件相連的波導或光纖上，或者用微機械元件來引導在自由空間傳播的光束。微機械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供應大概不會太遠了。 

使用準直光束和N×N交叉點上的微機械，可移動鏡面，非常直接地實現(xiàn)N×N交叉點開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。zui近這樣的開關(guān)已經(jīng)采用微機械制造工藝實現(xiàn)了，如圖1所示[1]。其表現(xiàn)出的開關(guān)時間在100μs以內(nèi)。這樣的開關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線，也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等開關(guān)，其中N為被耦合的光束組的數(shù)量。同時這種構(gòu)造導致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。 

微機械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(guān)應建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上，如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1×N開關(guān)功能的開關(guān)。微機械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把入射光束反射到多路輸出的一個位置。各種各樣的波導和基于光纖的微機械開關(guān)已經(jīng)制成。基于光纖的微機械器件使用微機械宋產(chǎn)生移動光纖的驅(qū)動器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復雜的裝配，但是反映光纖特性的光學性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報道過使用兩個V形槽陣列橫向地變換硅微臺面的1×N光纖開關(guān)[3]。 

盡管將MEMS光開關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因zui后獲得資金的希望破滅而暫時關(guān)閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nor收購， 目前仍有不少的機構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nor等)在進行MEMS光開關(guān)的應用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過cordia(GR-1073-Core)可靠性測試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。 

2．1．2 光機型開關(guān) 

光機型開關(guān)通過光束路徑的實際位移而路由光線。這些開關(guān)有賴于機械驅(qū)動，諸如電子、步進電機和壓電元件等。光機型開關(guān)可提供性能的光學參數(shù)，諸如損耗、串擾、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競爭僅僅在尺寸、開關(guān)速度和可靠性等問題上。 

zui普通的光機型開關(guān)的途徑，就是典型的梯度折射率型透鏡，它使到達輸入光纖的光線準直，形成了在自由空間中的傳播束。準直器可被移動，或準直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖。基于鏡面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的開關(guān)，準直器的棱鏡運動和實際運動都是典型的大范圍1×N開關(guān)。使用棱鏡運動用于開關(guān)達到1×8，而通常使用準直器的運動用于較慢的開關(guān)維數(shù)達到1×100。 

2．1．3 絕熱開關(guān) 

通過半導體中的載流子注入，或在LiNbO3中的普克爾效應，對折射率的控制是可實現(xiàn)的，但是器件的長度很大，因為開關(guān)過程限于非常小的分支角度。在允許器件很長而不受成本限制的材料中，制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛在地提供了一種使用非晶態(tài)材料的方式，但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎(chǔ)的波導，由于它們的折射率對溫度的強烈依賴關(guān)系，都極其適合熱光應用。可是，不能使用標準的現(xiàn)成的聚合物，因為它們在通信中所用的波長窗口中的損耗太大了。一些公司諸如Akzo Nobel公司等，已經(jīng)為此目的而發(fā)展了具有非常低的本征光吸收損耗的專業(yè)光學聚合物，對于1．3和1．5μm兩個窗口都很好地低于0．1dB／cm。已經(jīng)驗證了以這種材料為基礎(chǔ)的片型波導具有的損耗大約為0．08dB／cm。 

建立在絕熱模展開基礎(chǔ)上的聚合物波導開關(guān)以1×2到1×8開關(guān)的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個1×2s或4個2×2s開關(guān)集成陣列，都有現(xiàn)成的商品(JDS Uniphase)。這些絕熱聚合物開關(guān)，一般都有毫秒級開關(guān)時間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設(shè)計的zui重要的優(yōu)點，可能是由于這類開關(guān)曲線的“數(shù)字”本性，它導致了偏振、波長、驅(qū)動電壓等與溫度低的依賴性。例如，這些絕熱開關(guān)可被同時用于1．3和1．5μm窗口中的光信號，具有相同的串擾與隔離值。還有，更復雜的器件，諸如絕熱開關(guān)技術(shù)中集成的8×8開關(guān)等，都僅要求一個普通的驅(qū)動電壓來驅(qū)動每個獨立的開關(guān)單元，而不像干涉儀型開關(guān)組件那樣，所有的開關(guān)經(jīng)常需要有一組的電壓設(shè)定。對于集成的路由器-選擇器矩陣，這一點成為主要優(yōu)點，因為一個8×8開關(guān)有112個基本的1×2開關(guān)單元，這就意味著要驅(qū)動224個電極。