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第二章光开关随着Internet的迅速普及和宽带综合业务数字网体系的发展，全光网络应运而生，而实现全光网络必须依赖于超高速率、超大容量信息比特的载入与传送、用户信息上／下话路与分插复用、网络间信息的快速交换与共享和高效率经济的路由选择，这一切都离不开光开关或光开关矩阵。就目前而言，光开关主要应用是光交换系统和主备倒换系统，即利用光开关实现全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等功能。随着全光网络的日益成熟和完善，100信道以上的光通信系统还需要光分／插复用（OADM）技术和快速的网间信息交换技术以及光的交叉连接（OXC）技术，这些都离不开超高速大规模集成的光开关矩阵。2.1光开关的应用范围光开关（OpticalSwitching: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。光开关基本的形式光开关基本的形式是2×2: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a)平行状态b)交叉状态大型的空分光交换单元可以由基本的2×2光开关以及相应的1×2光开关级联、组合构成。光开关和光开关矩阵在全光网络中起着重要作用。在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（TDM）系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是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。光开关应用范围主要有：(1)光网络的保护倒换系统(2)光纤测试中的光源控制(3)网络性能的实时监控系统(4)光器件的测试(5)构建OXC设备的交换核心(6)光分／插复用(7)光传感系统(8)光学测试2.2光开关的分类和主要性能参数按其工作原理:机械式和非机械式两大类;按光开关利用光自由度的方式:空分型、波分型、时分型、自由空间型;依据光开关的交换介质:自由空间交换光开关、波导光开关、全光开关和其它类型的开关。光开关主要性能参数1.交换矩阵的大小光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开关处于网络不同位置，对交换矩阵大小的要求也不同。在高速、大容量DWDM光传送网中，随着通信业务的急剧增长，光域内需要交换的波长数量大大增加。为适应将来电信业务的发展，需要提高光开关的交换能力，如在骨干网上要有超过1000×1000的交换容量。2.交换速度交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度上有两个重要的量级，当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个ms时，对业务故障的重新路由时间已经够了。对SDH来说，当故障业务重新选路时，50ms的交换时间几乎可以使用户感觉不到故障。当交换时间到达ns量级时，可以支持光因特网的分组交换，这也是光路由器的目标。但目前由于读取光信头和光存储技术的不成熟，光路由器仍有很大困难。3.插入损耗光信号通过光开关时，能量将被损耗。插入损耗:输入端口到输出端口的光功率的损耗光开关损耗的产生主要有两个原因：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间光开关的插入损耗低于波导型光开关的损耗。如液晶光开关和MEMS光开关的损耗较低，大约1-2dB.而妮酸锂和固体光开关的损耗较大，大约4dB左右。损耗特性影响到光开关的级联数，限制了光开关的扩容能力。4.串扰：由于光开关性能的不完善，开关中接通的主光通道的功率会泄露到其他通道，形成串扰，影响输出信号的质量。串扰和开关的隔离度、消光比特性有直接的关系。5.阻塞特性：严格无阻塞特性指光开关的任一输入端能在任意时刻接通到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为重要。光开关要求具有严格无阻塞特性。6.升级能力基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为8×8或32×32，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建OADM或城域网的OXC，而不适用于骨干网上7.稳定性和可靠性光开关应具有良好的稳定性和可靠性。在长时间使用和频繁动作的情况下，光开关应有良好的连接的稳定性、重复性和可靠性。有些情况（如用做保护倒换开关时），光开关动作的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。2.3MEMS光开关2.3.1传统的机械光开关机械光开关:依靠光纤或光学元件（透镜或反射镜）的移动使光路发生改变，将光直接送到或反射到输出端。1.棱镜式光开关示意图2.反射镜型光开关示意图3.移动光纤型光开关机械式光开关优缺点优点是插入损耗低(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已得到广泛应用，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。微机电系统微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MichanicalSystems)构成的微机电光开关已成为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140m150m，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5ms)，插入损耗小于1dB。微机械光开关优缺点具有机械光开关和波导光开关的优点，却克服了它们所固有的缺点；采用了机械光开关的原理，但又能象波导开关那样，集成在单片硅基上；基于围绕微机械中枢转动的自由移动镜面。主要开发商有美国Lucent、德克萨斯仪表公司和康宁等公司。微电机系统(MEMS)光开关MEMS（micro-electro-mechanical-systems）是指一种在半导体材料（如Si）上制作微机械结构的集成工艺。将MEMS技术应用于光子交换领域，出现了新型的微机械光开关(MEOMS)。基本原理：利用静电效应将外部激励转化为某种机械动作，通过微传动装置牵引光路中的自由镜面，使之发生旋转，从而改变光束传播方向。MEOMS器件将电子、机械和光路功能集合于同一芯片，既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于MEMS光开关技术的解决方案已成为主流选择。二维微电机系统(MEMS)光开关示意图二维MEMS开关需要N2个微镜来完成N×N自由空间光交叉连接二维微镜转动示意图三维MEMS光开关三维是通过光束偏转改变光束方向，实现光交叉互连。其在N路输入光纤和N路输出光纤之间使用了2N个微镜，每个微镜有N个可能的位置，从而实现N×N开关矩阵。开关微镜及其阵列的显微照片在2001年的OFC会议上，朗讯公司已报导他们研制的1296×1296端口的MEMS光交叉连接节点，其单纤端口传送容量为1.6Tbit/s（单纤复用40个信道，每路信道传送40Gbit/s信号），总吞吐容量达到2.07Pbit/s,具有严格无阻塞特性，插入损耗为5.1dB,串扰（最坏情况）为-38dB,这使光开关的交换总容量达到新的量级。商用的4×4的MEMS的开关速度为10ms左右，损耗约为3dB；而16×16光开关的损耗为7dB，开关时间约20ms作业1、光开关基本的形式是?有那两种连接状态?画图说明.