全光通信中的光開(kāi)關(guān)技術(shù)

三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉，這些陣列通常是成對出現，輸入光線(xiàn)到達第一個(gè)陣列鏡面上被反射到第二個(gè)陣列的鏡面上，然后光線(xiàn)被反射到輸出端口。鏡面的位置要控制得非常精確，達到百萬(wàn)分之一度。三維MEMS陣列可能是大型交叉連接的正確選擇，特別是當波長(cháng)帶同時(shí)從一根光纖交換到另一根光纖上。
三維MEMS主要靠2個(gè)N微鏡陣列完成兩個(gè)光纖陣列的光波空間連接，每個(gè)微鏡都有多個(gè)可能的位置。由于MEMS光開(kāi)關(guān)是靠鏡面轉動(dòng)來(lái)實(shí)現交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動(dòng)都可能損壞光開(kāi)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(kāi)關(guān)仍然面臨眾多挑戰。由于MEMS采用了微鏡系統，在制作工藝上要求較高，在經(jīng)歷百萬(wàn)甚至千萬(wàn)次的轉換后會(huì )不會(huì )損壞其結構的完整性和微鏡的轉動(dòng)靈活性，關(guān)系到光網(wǎng)絡(luò )信息傳輸的穩定性和連續性。MEMS光開(kāi)關(guān)要滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的要求，對工藝的穩定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面對用戶(hù)，其封裝工藝和安裝的自動(dòng)化都是需要考慮的問(wèn)題。
盡管MEMS面臨以上問(wèn)題，但是由于其既具備普通機械光開(kāi)關(guān)損耗低、串擾小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點(diǎn)，又像波導開(kāi)關(guān)一樣開(kāi)關(guān)速度較快、體積微小、易于大規模集成。對于未來(lái)的骨干光網(wǎng)絡(luò )或大容量業(yè)務(wù)交換的應用場(chǎng)合，基于MEMS光開(kāi)關(guān)技術(shù)的解決方案已成為主流選擇。
2．3 熱光開(kāi)關(guān)
熱光開(kāi)關(guān)是利用熱光效應制造的小型光開(kāi)關(guān)。熱光效應是指通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應。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，它與材料的種類(lèi)有關(guān)。表1是幾種材料的熱光系數。

此類(lèi)開(kāi)關(guān)采用可調節熱量的波導材料，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陣列，然后在每個(gè)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被加熱，溫度上升，熱光效應引起波導折射率下降，這樣就將光耦合從主波導引導至分支波導。聚合波導技術(shù)是非常有吸引力的技術(shù)，它成本低、串擾低、功耗小、與偏振和波長(cháng)無(wú)關(guān)。聚合物波導的熱光系數很高，而導熱率很低，因而能更有效地利用熱來(lái)控制光的傳播方向，開(kāi)關(guān)時(shí)間相對減小可達1ms以?xún)?。熱光開(kāi)關(guān)的速度介于電光開(kāi)關(guān)和MEMS之間。熱光光開(kāi)關(guān)技術(shù)主要是用來(lái)制造小型的光開(kāi)關(guān)。通過(guò)集成多個(gè)1x2光開(kāi)關(guān)也可組成較大的陣列。目前主要有2種類(lèi)型熱光光開(kāi)關(guān)：干涉式光開(kāi)關(guān)、數字光開(kāi)關(guān)也叫分支器型熱光開(kāi)關(guān)。
干涉式光開(kāi)關(guān)主要利用馬赫-增德?tīng)柛缮嬖碇圃?，主導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(gè)分開(kāi)的光波導里面進(jìn)行傳輸，再合并。在兩個(gè)波導臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，通過(guò)控制加熱器實(shí)現干涉的相長(cháng)或相消，達到開(kāi)關(guān)的目的。MZI型光開(kāi)關(guān)結構如圖8所示。它包括1個(gè)MZI和2個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)波導臂具有相同的長(cháng)度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，波導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個(gè)散熱器。波導上的熱量通過(guò)它來(lái)散發(fā)出去。當加熱器未加熱時(shí)，輸入信號經(jīng)過(guò)2個(gè)3 dB耦合器在交叉輸出端口發(fā)生相干相長(cháng)而輸出，在直通的輸出端口發(fā)生相干相消，如果加熱器開(kāi)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(cháng)而輸出，而在交叉端口發(fā)生干涉相消。從而通過(guò)控制加熱器可實(shí)現開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。干涉式光開(kāi)關(guān)結構緊湊，但對光波長(cháng)敏感，需要進(jìn)行精密溫度控制。