MEMS光開(kāi)關(guān)的性能與發(fā)展狀況

光開(kāi)關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò )的重要功能器件，MEMS光開(kāi)關(guān)是最具發(fā)展前景的光開(kāi)關(guān)之一。在簡(jiǎn)介不同種類(lèi)光開(kāi)關(guān)原理特點(diǎn)的基礎上，詳細分析了當前主要的MEMS光開(kāi)關(guān)的分類(lèi)、結構、工藝與性能，并給出這一領(lǐng)域的研究與發(fā)展狀況。

一、前言

光纖通信技術(shù)的問(wèn)世和發(fā)展給通信業(yè)帶來(lái)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(cháng)途干線(xiàn)網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時(shí)，密集波分復用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應用光纖傳輸的帶寬和容量開(kāi)拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優(yōu)勢的DWDM光通信網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的趨勢。特別是近幾年，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)呈現爆炸性增長(cháng)，這種增長(cháng)趨勢不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò )層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò )的關(guān)系，而且對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)方式、節點(diǎn)設計、管理和控制提出了新的要求。一種智能化網(wǎng)絡(luò )體系結構—自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )(ASON：automatic switched optical networks)成為當今系統研究的熱點(diǎn)，它的核心節點(diǎn)由光交叉連接(OXC：optical cross connect)設備構成，通過(guò)OXC，可實(shí)現動(dòng)態(tài)波長(cháng)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(kāi)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(kāi)關(guān)矩陣是OXC的核心部分，它可實(shí)現動(dòng)態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò )的故障保護、波長(cháng)動(dòng)態(tài)分配等功能，對解決目前復雜網(wǎng)絡(luò )中的波長(cháng)爭用，提高波長(cháng)重用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )靈活配置均有重要的意義。

光開(kāi)關(guān)不僅是OXC中的核心器件，它還廣泛應用于以下領(lǐng)域。

(1)光網(wǎng)絡(luò )的保護倒換系統，實(shí)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(kāi)關(guān)將主信號自動(dòng)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(jué)不到網(wǎng)路已出了故障，其會(huì )將網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)連成環(huán)形以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò )的生存性。

(2)網(wǎng)絡(luò )性能的實(shí)時(shí)監控系統，在遠端光纖測試點(diǎn)，通過(guò)1×N多路光開(kāi)關(guān)把多根光纖接到光時(shí)域反射儀上，進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )監控，通過(guò)計算機控制光開(kāi)關(guān)倒換順序和時(shí)間，實(shí)現對所有光纖的檢測，并將檢測結果傳回網(wǎng)絡(luò )控制中心，一旦發(fā)現某一路出現問(wèn)題，可在網(wǎng)管中心直接進(jìn)行處理。

(3)光開(kāi)關(guān)還應用在光纖通信器件測試系統以及城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的差/分復用和交換設備中。光開(kāi)關(guān)的引入使未來(lái)全光網(wǎng)絡(luò )更具靈活性、智能性、生存性。光開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù)，在通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。

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

二、光開(kāi)關(guān)的原理及種類(lèi)

光開(kāi)關(guān)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(lǐng)域對它的要求也各不相同。其種類(lèi)有保護、切換系統中常用的傳統光機械開(kāi)關(guān)，也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開(kāi)關(guān)，如：熱光開(kāi)關(guān)、液晶開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、微光機電系統光開(kāi)關(guān)(MOEMS，micro optic electro mechanical systems)、氣泡開(kāi)關(guān)等。在超高速光通信領(lǐng)域，還有馬赫-曾德?tīng)?Maeh-Zehnder)干涉型光開(kāi)關(guān)、非線(xiàn)性環(huán)路鏡(NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光開(kāi)關(guān)等光控開(kāi)關(guān)。

1、機械光開(kāi)關(guān)

傳統機械光開(kāi)關(guān)的工作原理：通過(guò)熱、靜電等動(dòng)力，旋轉微反射鏡，將光直接送到或反射到輸出端。特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度比較慢、性?xún)r(jià)比好，在很多領(lǐng)域有市場(chǎng)前景，但體積大、不易規模集成的缺點(diǎn)限制了其在未來(lái)光通信領(lǐng)域的應用。在此基礎上，近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開(kāi)關(guān)，它是微機電系統和傳統光技術(shù)相結合的新型開(kāi)關(guān)，特別是具有光信號的數據格式透明、與偏振無(wú)關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點(diǎn)。

2、電光效應開(kāi)關(guān)

電光效應光開(kāi)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(shí)現了光的通斷。它的特點(diǎn)是速度快，但與偏振有關(guān)，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(kāi)關(guān)

對于3dB耦合器，兩光波滿(mǎn)足模耦合方程，令兩個(gè)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(guān)，改變電壓，則Ф改變，從而使光強得到調諧。其開(kāi)關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時(shí)間，即光波導中折射率變化時(shí)間。

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

3、光控開(kāi)關(guān)

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

圖2 利用SOA-XPM實(shí)現光開(kāi)光的實(shí)驗裝置

將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂，開(kāi)關(guān)控制脈沖注入一臂，脈沖的變化會(huì )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(cháng);dn/dN—折射率隨載流子密度的變化量;L—SOA的腔長(cháng);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。