MEMS光開關(guān)性能與發(fā)展

　　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。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)成為當今系統(tǒng)研究的熱點，它的核心節(jié)點由光交叉連接(OXC：optical cross connect)設(shè)備構(gòu)成，通過OXC，可實現(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，它可實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護、波長動態(tài)分配等功能，對解決目前復雜網(wǎng)絡(luò)中的波長爭用，提高波長重用率，進行網(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)的保護倒換系統(tǒng)，實際的光纜傳輸系統(tǒng)中都留有備用光纖，當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)點連成環(huán)形以進一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性。

　　(2)網(wǎng)絡(luò)性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)，在遠端光纖測試點，通過1×N多路光開關(guān)把多根光纖接到光時域反射儀上，進行實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通過計算機控制光開關(guān)倒換順序和時間，實現(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，微機械(MEMS)光開關(guān)被認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)原理特點的基礎(chǔ)上，重點分析了幾種主要的MEMS光開關(guān)，并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點。

　　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、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光機械開關(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、機械光開關(guān)

　　傳統(tǒng)機械光開關(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。特點是開關(guān)速度比較慢、性價比好，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。

　　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或其他半導體材料)波導材料制成，兩條波導通路連接成M-Z干涉結(jié)構(gòu)，外加電壓可改變波導材料的折射率，從而控制兩臂的相位差，利用干涉效應(yīng)實現(xiàn)了光的通斷。它的特點是速度快，但與偏振有關(guān)，成本較高。工作原理如圖1所示。

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　　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，令兩個光波導的傳播常數(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)生相位差的時間，即光波導中折射率變化時間。

　　在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段，為解決電子交換機響應(yīng)時間慢、無法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾，實現(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，實驗原理如圖2所示。

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　　圖2 利用SOA-XPM實現(xiàn)光開光的實驗裝置

　　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，兩臂的輸出端產(chǎn)生通斷。由于SOA的開關(guān)速度能達到皮秒量級，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材料如GaAs/AlGaAs組成，也可達到開關(guān)的目的。