MEMS光開關的性能與發展狀況

光開關是光通信網絡的重要功能器件，MEMS光開關是最具發展前景的光開關之一。在簡介不同種類光開關原理特點的基礎上，詳細分析了當前主要的MEMS光開關的分類、結構、工藝與性能，并給出這一領域的研究與發展狀況。

一、前言

光纖通信技術的問世和發展給通信業帶來了革命性的變革，目前世界大約85%的通信業務經光纖傳輸，長途干線網和本地中繼網也已廣泛使用光纖。同時，密集波分復用(DWDM)技術的發展和成熟為充分應用光纖傳輸的帶寬和容量開拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優勢的DWDM光通信網絡已經成為目前通信網絡發展的趨勢。特別是近幾年，以IP為主的Internet業務呈現爆炸性增長，這種增長趨勢不僅改變了IP網絡層與底層傳輸網絡的關系，而且對整個網絡的組網方式、節點設計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網絡體系結構—自動交換光網絡(ASON：automatic switched optical networks)成為當今系統研究的熱點，它的核心節點由光交叉連接(OXC：optical cross connect)設備構成，通過OXC，可實現動態波長選路和對光網絡靈活、有效的管理。光交叉互連(OXC)技術在日益復雜的DWDM網中是關鍵技術之一，而光開關作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關鍵部分。光開關矩陣是OXC的核心部分，它可實現動態光路徑管理、光網絡的故障保護、波長動態分配等功能，對解決目前復雜網絡中的波長爭用，提高波長重用率，進行網絡靈活配置均有重要的意義。

光開關不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應用于以下領域。

(1)光網絡的保護倒換系統，實際的光纜傳輸系統中都留有備用光纖，當工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度，光開關將主信號自動轉至備用光纖系統傳輸，從而使接收端能接收到正常信號而感覺不到網路已出了故障，其會將網絡節點連成環形以進一步改善網絡的生存性。

(2)網絡性能的實時監控系統，在遠端光纖測試點，通過1×N多路光開關把多根光纖接到光時域反射儀上，進行實時網絡監控，通過計算機控制光開關倒換順序和時間，實現對所有光纖的檢測，并將檢測結果傳回網絡控制中心，一旦發現某一路出現問題，可在網管中心直接進行處理。

(3)光開關還應用在光纖通信器件測試系統以及城域網、接入網的差/分復用和交換設備中。光開關的引入使未來全光網絡更具靈活性、智能性、生存性。光開關技術已經成為未來光聯網、光交換的關鍵技術，在通信、自動控制等領域發揮著越來越重要的作用。

在眾多種類的光開關中，微機械(MEMS)光開關被認為最有可能成為光開關的主流器件。本文在概述多種光開關原理特點的基礎上，重點分析了幾種主要的MEMS光開關，并闡述了各自的結構與性能特點。

二、光開關的原理及種類

光開關性能參數有多種，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，不同領域對它的要求也各不相同。其種類有保護、切換系統中常用的傳統光機械開關，也有這幾年飛速發展的新型光開關，如：熱光開關、液晶開關、電光開關、聲光開關、微光機電系統光開關(MOEMS，micro optic electro mechanical systems)、氣泡開關等。在超高速光通信領域，還有馬赫-曾德爾(Maeh-Zehnder)干涉型光開關、非線性環路鏡(NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光開關等光控開關。

1、機械光開關

傳統機械光開關的工作原理：通過熱、靜電等動力，旋轉微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點是開關速度比較慢、性價比好，在很多領域有市場前景，但體積大、不易規模集成的缺點限制了其在未來光通信領域的應用。在此基礎上，近幾年發展很快的是MOEMS光開關，它是微機電系統和傳統光技術相結合的新型開關，特別是具有光信號的數據格式透明、與偏振無關、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優點。

2、電光效應開關

電光效應光開關多由光電晶體材料(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干涉結構，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，利用干涉效應實現了光的通斷。它的特點是速度快，但與偏振有關，成本較高。工作原理如圖1所示。

圖1 基于Mach-Zehnder結構的電光效應光開關

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，改變電壓，則Ф改變，從而使光強得到調諧。其開關速度取決于兩路光之間產生相位差的時間，即光波導中折射率變化時間。

在現代通信系統向高速率、智能化發展的階段，為解決電子交換機響應時間慢、無法和超高速傳輸數據相匹配的矛盾，實現更快的開關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制或交叉相位調制效應改變折射率的方法，即光控光開關技術。

3、光控開關

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

圖2 利用SOA-XPM實現光開光的實驗裝置

將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂，開關控制脈沖注入一臂，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;△S—載流子密度變化幅值;q—載流子密度變化和調制信號之間的相位延遲。