机械式光开关的研究与比较

   随着光通信技术的飞速发展，DWDM技术的广泛应用，光纤不仅在骨干网上得到广泛应用，目前正在向城域网、接入网部分延伸，并逐步深入千家万户（FTTH）。光开关能够在光域直接实现网络中光路自愈保护、路由选择等功能，克服光－电－光转换的电子瓶颈，充分体现光网络大容量、高速度传输与交换的特点。它可广泛应用于光网络保护、光信号上下话路复用/解复用（OADM）、光交叉连接器（OXC），光纤通信系统器件的测试，光纤网络的通道监控与测试等，日渐成为光网络中信息交换的基础元件。
      从工作原理角度方面划分，光开关可分为机械式和非机械式两大类，机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光路改变；非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率，使光路发生改变，完成开关功能[1-5]。从目前的主流技术看，性价比高的低端口1×2，2×2机械式光开关是用户的最佳选择，即使N×N（N>2）阵列开关也可以通过1×2，2×2开关组装而成。在众多机械式光开关实现工艺中，基于微型反射镜、棱镜的光开关目前市场的主流产品，同时这两种光开关也是研制其它任意工艺的开关或者模块的基础，具有较好的机械性能和光学性能。本文主要讨论基于反射镜的反射型光开关和棱镜的透射型光开关的特点。
      光开关的光束耦合过程及其影响因素
      光开关通过改变光路的折射率或者通过介质界面对光束的作用，实现光路改变，因此有必要首先对光路耦合过程进行讨论。光路中光束用基模高斯光束来近似，因此可用高斯光束的特征参数（束腰半径、共焦参数）来描述光束的耦合特征。
      对不同的机械式光开关，表现形式还有所不同。对1×2反射型开关而言，当反射镜置入光路时，光束被反射进一光路，该光路称为反射通道，反射镜退出光路时光束耦合进另一光路，称这一光路为直通道。直通道的光学性能不受反射镜的影响，指标一般不会改变，只有反射通道光束耦合较复杂.对1×2透射型开关而言，主要是利用棱镜的透射实现光束的光路改变，当棱镜置入光路时，光束经过棱镜的折射，出射光束相对入射光束产生一个错位，光束耦合进一个光路，该通道称为透射通道；棱镜退出光路时光束直接耦合进另一通道，该通道称为直通道。
      透射型开关与反射型开关性能比较
      在工艺实现方面，这两种开关有着各自不同的特征。反射型开关实现难度较大，因为影响耦合效率的因素是角度.导致这一角度变化的关键因素包括反射镜的面形及表面垂直度、装配过程中的一致性、机械运行部分的运动一致性等。透射型光开关的重复性比反射型光开关好，试验结果也证明这点。另外棱镜的运动范围较大导致其驱动装置的体积难以做小，使得开关的体积较大，这是其缺点之一。
      绵阳超光通信研制的1x2、2x2机械式反射型光开关采用反射切换技术和磁保持技术相结合，具有很好的重复性，磁保持技术还可减小电功耗。这类开关还具有较小的温度相关性，波长无关性、和偏振无关性，使得这类开关性能稳定，同时精巧的设计，小巧的体积，便于组装成阵列开关模块。利用这种工艺设计，其光学性能和机械性能可以达到如下的指标要求：插损<0.6dB，串扰>70dB, 回损>55dB,开关速度5~10ms, 重复性<±0.05dB@1000次, 开关次数>1，000，000次，并且可同时工作于1310和1550窗口。影响反射型光开关性能的因素通过我们的工艺技术已经解决，器件的重复性达到20000次小于0.1dB，并且插损相当稳，1,000,000次小于0.3dB 。透射型开关的插损、重复性等参数也可以达到以上指标。
      商用化光开关必须经过Telcordia GR-1073-CORE、 Telcordia GR-1221-CORE、Telcordia GR-1209-CORE规定的一系列试验和测试，这些标准中的测试包括高温存储，低温存储、湿热试验、振动试验等【6-8】，同时针对不同应用环境的光开关各项要求也不同，这要求我们在工艺实现过程中必须严格按照这些标准的要求不断优化、完善，结合不同的工艺，克服各种影响因素，提高光开关的各项指标。
      机械式开关虽然原理简单，但是其实现工艺也各自不同，并且不同的工艺存在不同的影响因素，如何消除和弥补这些影响因素是工艺实现的关键。本文通过对两种机械式开关的特征进行比较，分析它们各自的影响因素，使我们能更好的研制性能稳定的光器件，更好的为光网络服务。