全光通信中的光開關(guān)技術(shù)
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基于鏡面的MEMS二維器件由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，并安裝在機械底座上。典型的尺寸是10cm。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān)。二維MEMS的空間微調(diào)旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng)?shù)妮敵龆?。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接平移盤鉸接點。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過SDA(Scr-atch Drive Actuator)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)平移盤使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)微鏡為水平時，可使光束通過該徽鏡，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該徽鏡對應(yīng)的輸出端口輸出。
三維微電機系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)工作原理如圖7所示，是一個4x4光開關(guān)的光路圖。這種構(gòu)方式最主要優(yōu)點是控制十分簡單，組成控制系統(tǒng)的主要元件是雙極晶體管邏輯(TTL)驅(qū)動器，輔以電平提升電路，它可給每個微(反射)鏡提供所需的各種電平。本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/156378.htm
三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達(dá)到百萬分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當(dāng)波長帶同時從一根光纖交換到另一根光纖上。
三維MEMS主要靠2個N微鏡陣列完成兩個光纖陣列的光波空間連接，每個微鏡都有多個可能的位置。由于MEMS光開關(guān)是靠鏡面轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動都可能損壞光開關(guān)。
雖然二維和三維MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光開關(guān)仍然面臨眾多挑戰(zhàn)。由于MEMS采用了微鏡系統(tǒng)，在制作工藝上要求較高，在經(jīng)歷百萬甚至千萬次的轉(zhuǎn)換后會不會損壞其結(jié)構(gòu)的完整性和微鏡的轉(zhuǎn)動靈活性，關(guān)系到光網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。MEMS光開關(guān)要滿足批量生產(chǎn)的要求，對工藝的穩(wěn)定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面對用戶，其封裝工藝和安裝的自動化都是需要考慮的問題。
盡管MEMS面臨以上問題，但是由于其既具備普通機械光開關(guān)損耗低、串?dāng)_小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導(dǎo)開關(guān)一樣開關(guān)速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng)絡(luò)或大容量業(yè)務(wù)交換的應(yīng)用場合，基于MEMS光開關(guān)技術(shù)的解決方案已成為主流選擇。
2．3 熱光開關(guān)
熱光開關(guān)是利用熱光效應(yīng)制造的小型光開關(guān)。熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化可用以下關(guān)系式表示：
式中no為溫度變化之前的折射率，△T為溫度的變化，α為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關(guān)。表1是幾種材料的熱光系數(shù)。
此類開關(guān)采用可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料，如SiO2、Si和有機聚合物等。在硅襯底上，用蒸發(fā)、濺射、光刻、腐蝕等工藝形成分支波導(dǎo)陣列，然后在每個分支上蒸發(fā)金屬薄膜加熱器和電極。電極加上電流后，加熱器的溫度使下面的波導(dǎo)被加熱，溫度上升，熱光效應(yīng)引起波導(dǎo)折射率下降，這樣就將光耦合從主波導(dǎo)引導(dǎo)至分支波導(dǎo)。聚合波導(dǎo)技術(shù)是非常有吸引力的技術(shù)，它成本低、串?dāng)_低、功耗小、與偏振和波長無關(guān)。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)很高，而導(dǎo)熱率很低，因而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向，開關(guān)時間相對減小可達(dá)1ms以內(nèi)。熱光開關(guān)的速度介于電光開關(guān)和MEMS之間。熱光光開關(guān)技術(shù)主要是用來制造小型的光開關(guān)。通過集成多個1x2光開關(guān)也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關(guān)：干涉式光開關(guān)、數(shù)字光開關(guān)也叫分支器型熱光開關(guān)。
干涉式光開關(guān)主要利用馬赫-增德爾干涉原理制造，主導(dǎo)思想是利用光相位特性，光的相位與光的傳輸距離有關(guān)，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導(dǎo)里面進行傳輸，再合并。在兩個波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時器，通過控制加熱器實現(xiàn)干涉的相長或相消，達(dá)到開關(guān)的目的。MZI型光開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖8所示。它包括1個MZI和2個3dB耦合器，兩個波導(dǎo)臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導(dǎo)上的熱量通過它來散發(fā)出去。當(dāng)加熱器未加熱時，輸入信號經(jīng)過2個3 dB耦合器在交叉輸出端口發(fā)生相干相長而輸出，在直通的輸出端口發(fā)生相干相消，如果加熱器開始工作而使光信號發(fā)生了大小為π的相移，則輸入信號將在直通端口發(fā)生相干相長而輸出，而在交叉端口發(fā)生干涉相消。從而通過控制加熱器可實現(xiàn)開關(guān)的動作。干涉式光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。
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