MEMS光開關(guān)研究

光開關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)的重要功能器件，MEMS光開關(guān)是最具發(fā)展前景的光開關(guān)之一。在簡介不同種類光開關(guān)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了當(dāng)前主要的MEMS光開關(guān)的分類、結(jié)構(gòu)、工藝與性能特點(diǎn)，并給出這一領(lǐng)域的研究與發(fā)展?fàn)顩r。

一、前言

光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85%的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸，長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時(shí)，密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應(yīng)用光纖傳輸?shù)膸捄腿萘块_拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優(yōu)勢的DWDM光通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。特別是近幾年，以IP為主的 Internet業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，而且對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)—自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON：automatic switched optical networks)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)，它的核心節(jié)點(diǎn)由光交叉連接(OXC：optical cross connect)設(shè)備構(gòu)成，通過OXC，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效的管理。光交叉互連(OXC)技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關(guān)鍵部分。光開關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實(shí)現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、波長動態(tài)分配等功能，對解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長爭用，提高波長重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。

光開關(guān)不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

(1)光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng)，實(shí)際的光纜傳輸系統(tǒng)中都留有備用光纖，當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度，光開關(guān)將主信號自動轉(zhuǎn)至備用光纖系統(tǒng)傳輸，從而使接收端能接收到正常信號而感覺不到網(wǎng)路已出了故障，其會將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連成環(huán)形以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性。

(2)網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)端光纖測試點(diǎn)，通過1×N多路光開關(guān)把多根光纖接到光時(shí)域反射儀上，進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通過計(jì)算機(jī)控制光開關(guān)倒換順序和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對所有光纖的檢測，并將檢測結(jié)果傳回網(wǎng)絡(luò)控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)某一路出現(xiàn)問題，可在網(wǎng)管中心直接進(jìn)行處理。

(3)光開關(guān)還應(yīng)用在光纖通信器件測試系統(tǒng)以及城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的差/分復(fù)用和交換設(shè)備中。光開關(guān)的引入使未來全光網(wǎng)絡(luò)更具靈活性、智能性、生存性。光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù)，在通信、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

在眾多種類的光開關(guān)中，微機(jī)械(MEMS)光開關(guān)被認(rèn)為最有可能成為光開關(guān)的主流器件。本文在概述多種光開關(guān)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了幾種主要的MEMS光開關(guān)，并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。

二、光開關(guān)的原理及種類

光開關(guān)性能參數(shù)有多種，如：快切換速度、高隔離度、小插入損耗、對偏振不敏感及可靠性，不同領(lǐng)域?qū)λ囊笠哺鞑幌嗤?。其種類有保護(hù)、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光機(jī)械開關(guān)，也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開關(guān)，如：熱光開關(guān)、液晶開關(guān)、電光開關(guān)、聲光開關(guān)、微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)(MOEMS，micro? optic? electro　 mechanical systems)、氣泡開關(guān)等。在超高速光通信領(lǐng)域，還有馬赫-曾德爾(Maeh-Zehnder)干涉型光開關(guān)、非線性環(huán)路鏡 (NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光開關(guān)等光控開關(guān)。

1、機(jī)械光開關(guān)

傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)的工作原理：通過熱、靜電等動力，旋轉(zhuǎn)微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點(diǎn)是開關(guān)速度比較慢、性價(jià)比好，在很多領(lǐng)域有市場前景，但體積大、不易規(guī)模集成的缺點(diǎn)限制了其在未來光通信領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開關(guān)，它是微機(jī)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型開關(guān)，特別是具有光信號的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點(diǎn)。

2、電光效應(yīng)開關(guān)

電光效應(yīng)光開關(guān)多由光電晶體材料(如LiNbO3或其他半導(dǎo)體材料)波導(dǎo)材料制成，兩條波導(dǎo)通路連接成M-Z干涉結(jié)構(gòu)，外加電壓可改變波導(dǎo)材料的折射率，從而控制兩臂的相位差，利用干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光的通斷。它的特點(diǎn)是速度快，但與偏振有關(guān)，成本較高。工作原理如圖1所示。

圖1 基于Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)

對于3dB耦合器，兩光波滿足模耦合方程，令兩個(gè)光波導(dǎo)的傳播常數(shù)相等，B0=0，在3dB耦合器2的輸出端得到：

|A3|2=|A0|2sin2(Ф/2)

|B32=|A0|2cos2(Ф/2)

式中：A0、B0——輸入的光波振幅;A3、B3——輸出的光波振幅;Ф——光波相位。

從上式看出，Ф和施加電壓有關(guān)，改變電壓，則Ф改變，從而使光強(qiáng)得到調(diào)諧。其開關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時(shí)間，即光波導(dǎo)中折射率變化時(shí)間。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段，為解決電子交換機(jī)響應(yīng)時(shí)間慢、無法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾，實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗，還可以利用石英光纖和半導(dǎo)體光放大器的自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制效應(yīng)改變折射率的方法，即光控光開關(guān)技術(shù)。

3、光控開關(guān)

現(xiàn)在比較成熟的型號有：基于NOLM原理和SOA非線性效應(yīng)(如XPM：cross phase modulation)制作的全光開關(guān)。它們不僅用于超快開關(guān)交換，而且還可用于全光信號再生與超快波長轉(zhuǎn)換，是目前很有前途的全光交換技術(shù)。一般，各種超快全光開關(guān)歸根結(jié)底都離不開光的非線性效應(yīng)，這里以SOA-XPM為例加以說明，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 利用SOA-XPM實(shí)現(xiàn)光開光的實(shí)驗(yàn)裝置

將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂，開關(guān)控制脈沖注入一臂，脈沖的變化會引起SOA折射率的改變，從而引起兩臂相位差△Ф的改變，即:

△Ф=-(2π/l)(dn/dN)(τe/[1+(wτe)2]1/2L×Vg×g×△S×cos(wτ-q)

其中，l——信號波長;dn/dN—折射率隨載流子密度的變化量;L—SOA的腔長;τe—載流子壽命;Vg—群速度;g—增益系數(shù);△S—載流子密度變化幅值;q—載流子密度變化和調(diào)制信號之間的相位延遲。

△Ф=0，π時(shí)，兩臂的輸出端產(chǎn)生通斷。由于SOA的開關(guān)速度能達(dá)到皮秒量級，可用于超高速光纖通信系統(tǒng)。除SOA之外， M-Z干涉儀的兩條支路若由非線性光波導(dǎo)材料如GaAs/AlGaAs組成，也可達(dá)到開關(guān)的目的。