光开关（optical switch）的主要作用是在光网络节点处实现光信号的通断，或者信号在不同链路的切换，如下图所示。Switch本身就有切换的意思，但是翻译成中文，变成了开关，意思差了一点。光开关的输入端为1个或多个端口，输出端为2个或多个端口。
（图片来自 http://www.rfwireless-world.com/Terminology/Optical-Switching-basics-and-types-of-Optical-Switching.html）
实现光开关的途径比较多，这篇笔记主要介绍光芯片上光开关的实现，传统自由空间光学的方式这里不做介绍。片上光开关主要分为三类：1）SOA型，2）干涉型，3）MEMS型。小豆芽为大家一一道来。
1. SOA型光开关
SOA的全称是semiconductor optical amplifier, 即半导体光放大器。其典型结构如下图所示，
（图片来自http://www.fiber-optic-tutorial.com/introduction-of-optical-amplifier.html）
SOA与半导体激光器的结构非常相似，只是有源层两端不是高反射的薄膜，而是抗反射的薄膜。借助于III-V族材料的光增益性质，通过改变注入电流的大小来控制光信号的强弱，进而实现开关的功能，其典型光路结构如下图所示，使用时需配置好每一路中SOA的注入电流，完成光在指定光路的切换。
（图片来自文献1）
2. 干涉型光开关
干涉型光开关根据光路的结构细分为Mach-Zehnder型与micro-ring型。Mach-Zehnder型的基本结构如下图所示，
（图片来自文献2）
该类型光开关由两个2x2的定向耦合器与相移器构成，定向耦合器也可以替换为MMI_2x2。当相移器处的相位为0时，信号从cross端口输出；当相位为pi时，信号从through端口输出。通过改变相移器的相位即可实现信号在不同端口的切换。相移器可以是基于热光效应的theraml phase shifter, 也可以是基于载流子浓度变化的电光相移器。
以MZI_2x2为基本单元，可以构成端口更多的光开关阵列，下图为华为在OFC2018展示的32x32硅光开关阵列，共包含68个edge coupler, 896个MMI, 448个相移器，896个PD, 1856个crossing，相当复杂。图中红蓝两条线展示了不同情况下光信号在不同路径中的传输。
（图片来自文献3）
mirco-ring型光开关的结构如下图所示，
（图片来自文献2）
该结构主要由微环以及相移器构成，微环具有波长选择的功能，当输入波长为微环的共振波长时，信号从drop端口输出，当输入波长为其他波长时，信号从through端口输出。微环对工艺、温度等参数都比较敏感。
3. MEMS型光开关
MEMS型光开关的结构如下图所示，
（图片来自文献4）
在off状态下，coupler波导与bus波导相距1um, 信号从bus波导的through端口输出，在on状态下，MEMS结构加电后，coupler波导与bus波导相距125nm，光从bus波导耦合进coupler波导，从而导致信号从cross端口输出。借助于MEMS结构，实现了信号在两个端口的切换。
下图是几种类型光开关的比较，
（图片来自文献5）
SOA型光开关的速度为纳秒量级，插入损耗较小，串扰较小，但功耗较大（需注入电流）。Mach-Zehnder型基于电光效应的光开关，其开关速度为ns量级，但是由于其使用了较多的3dB耦合器，其插损较大，并且插损较大。Mach-Zehnder型基于热光效应的光开关，其开关速度为毫秒量级。基于MEMS的片上光开关，其速度为亚微妙量级，串扰较小。
SOA型与Mach-Zehnder E-O型光开光具有一定的优势，人们正在尝试将这两种类型结合起来，利用die-bonding的方式将SOA贴到硅光芯片上，进而构成光开关阵列，如下图所示，
（图片来自文献5）
以上是对片上光开关的简单介绍，文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。
参考文献：
- J. Wei, et.al., “Novel analysis of cross-talk peculiarity of semiconductor optical amplifier switches based on cross-gain modulation in optical packet-switched networks”, J. Opt. Soc. Am. B 22,2257(2007)
- Z.Lu, PhD thesis, "Silicon Photonic Switches for Optical Communication Applications"
- E. Burnier, et.al. , "Large-Scale Silicon Photonic Switch ", OFC 2018
- T. Seok, et.al., "Highly Scalable Digital Silicon Photonic MEMS Switches ", J. Lightwave Technol. 34, 365 (2016).
- Q. Cheng, et.al., "Photonic switching in high performance datacenters", Opt. Exp. 26,16022(2018)
