MEMS光开关研究

光开关是光通信网络的重要功能器件，MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出这一领域的研究与发展状况。

一、前言

光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。特别是近几年，以IP为主的 Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。

光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。

(1)光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。

(2)网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。

(3)光开关还应用在光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的差/分复用和交换设备中。光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。

在众多种类的光开关中，微机械(MEMS)光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点分析了几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。

二、光开关的原理及种类

光开关性能参数有多种，如：快切换速度、高隔离度、小插入损耗、对偏振不敏感及可靠性，不同领域对它的要求也各不相同。其种类有保护、切换系统中常用的传统光机械开关，也有这几年飞速发展的新型光开关，如：热光开关、液晶开关、电光开关、声光开关、微光机电系统光开关(MOEMS，micro? optic? electro　 mechanical systems)、气泡开关等。在超高速光通信领域，还有马赫-曾德尔(Maeh-Zehnder)干涉型光开关、非线性环路镜 (NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光开关等光控开关。

1、机械光开关

传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域的应用。在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。

2、电光效应开关

电光效应光开关多由光电晶体材料(如LiNbO3或其他半导体材料)波导材料制成，两条波导通路连接成M-Z干涉结构，外加电压可改变波导材料的折射率，从而控制两臂的相位差，利用干涉效应实现了光的通断。它的特点是速度快，但与偏振有关，成本较高。工作原理如图1所示。

图1 基于Mach-Zehnder结构的电光效应光开关

对于3dB耦合器，两光波满足模耦合方程，令两个光波导的传播常数相等，B0=0，在3dB耦合器2的输出端得到：

|A3|2=|A0|2sin2(Ф/2)

|B32=|A0|2cos2(Ф/2)

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

从上式看出，Ф和施加电压有关，改变电压，则Ф改变，从而使光强得到调谐。其开关速度取决于两路光之间产生相位差的时间，即光波导中折射率变化时间。

在现代通信系统向高速率、智能化发展的阶段，为解决电子交换机响应时间慢、无法和超高速传输数据相匹配的矛盾，实现更快的开关速度和更低的插入损耗，还可以利用石英光纤和半导体光放大器的自相位调制或交叉相位调制效应改变折射率的方法，即光控光开关技术。

3、光控开关

现在比较成熟的型号有：基于NOLM原理和SOA非线性效应(如XPM：cross phase modulation)制作的全光开关。它们不仅用于超快开关交换，而且还可用于全光信号再生与超快波长转换，是目前很有前途的全光交换技术。一般，各种超快全光开关归根结底都离不开光的非线性效应，这里以SOA-XPM为例加以说明，实验原理如图2所示。

图2 利用SOA-XPM实现光开光的实验装置

将SOA分别置在M-Z干涉仪的两臂，开关控制脉冲注入一臂，脉冲的变化会引起SOA折射率的改变，从而引起两臂相位差△Ф的改变，即:

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

其中，l——信号波长;dn/dN—折射率随载流子密度的变化量;L—SOA的腔长;τe—载流子寿命;Vg—群速度;g—增益系数;△S—载流子密度变化幅值;q—载流子密度变化和调制信号之间的相位延迟。

△Ф=0，π时，两臂的输出端产生通断。由于SOA的开关速度能达到皮秒量级，可用于超高速光纤通信系统。除SOA之外， M-Z干涉仪的两条支路若由非线性光波导材料如GaAs/AlGaAs组成，也可达到开关的目的。