随着信息流量的快速膨胀和5G技术的落地推广,光纤通信网络也处于智能化升级的当口。光开关作为光纤通信网络中的核心器件,其市场需求量不断增长。本文设计了一种基于角锥棱镜和步进电机的1×N端口机械式光开关;同时对1×N端口MEMS光开关进行了优化设计,一定程度上解决了其端口数量受限的问题。论文的主要内容如下:分析了现有机械式光开关存在的问题,即二维网格的布置与体积的限制,使光开关无法做到更多的端口数量。在此基础上,提出将角锥棱镜引入到机械式光开关的转动维度之中,避免了直角屋脊棱镜或反射镜组对角向失配高度敏感的不利影响,大幅提高了光开关工作的稳定性与可靠性,使端口数量的扩充变得方便,令N×N端口光开关的构建更简易可行。设计了1×48端口的具体解决方案,并利用Zemax软件进行仿真优化,其耦合效率为94.837%。由此推算出光开关系统引入的理论插入损耗仅为-0.23d B左右。完成了光学器件选型,设计加工了机械装配组件。为MEMS方案完成了高精度光波导芯片的设计布版,设计加工了51种不同型号的光开关波导芯片。设计了多种MEMS光开关结构,利用Zemax软件分析了双透镜方案相较于C-Lens的像差优势。对于1×16端口光开关,给出一种除最边缘的一个端口外,其他端口耦合效率均在95%以上的双透镜方案;还给出了一种端口耦合效率均在93%～94%之间,且最大差值只有0.76%的损耗一致性方案。对于1×32端口光开关,以双透镜优化外侧端口的形式,其单侧16个端口的耦合效率均在60%以上。完成了机械式光开关的装配调整,以及整个光路、电路、控制系统的搭建。受限于实验材料和条件,实验测得系统的插入损耗在-1.07d B和-2.06d B之间。在角锥棱镜镀增透膜、采用工艺更好的准直器之后,依照本文的结构设计与实验表现,系统的全部损耗有望降低至-0.60d B以内。验证了方案的可行性,指出了改进方向和巨大潜力。