光通信器件-光開關

1、一、光開關的概念及作用、性能參數(shù)與分類1.光開關的概念及作用 一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。 目前主要是：光交換系統(tǒng)和主備倒換，即利用光開關技術實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等功能。1，將某一光纖通道的光信號切斷或開通；2，將某波長光信號由一光纖通道轉(zhuǎn)換到另一光纖通道去；3，在同一光纖通道中將一種波長的光信號轉(zhuǎn)換為另一波長的光信號（波長轉(zhuǎn)換器） 多信道光通信系統(tǒng)還需要光插分復用技術和快速的網(wǎng)間信息交換技術以及光的交叉連接（）技術都需要超高速大規(guī)律集成的光開關矩陣。 網(wǎng)絡監(jiān)視功能：使用簡單的1N光開關可

2、以將多纖聯(lián)系起來。當需要監(jiān)視網(wǎng)絡時，只需在遠端監(jiān)測點將多纖經(jīng)光開關連接到網(wǎng)絡監(jiān)視儀器上（如OTDR），通過光開關的動作，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡在線監(jiān)測。 光器件的測試：可以將多個待測光器件通過光纖連接，通過1N光開關，可以通過監(jiān)測光開關的每個通道信號來測試器件。 光傳感系統(tǒng):空分復用的光纖傳感系統(tǒng),節(jié)約解調(diào)系統(tǒng),降低成本。2.光開關的性能參數(shù) 光開關的特性參數(shù)主要有插入損耗、消光比、開關時間、回波損耗、隔離度、遠端串擾、近端串擾等。 插入損耗：輸入和輸出端口間光功率的減少。 回波損耗：從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值。 隔離度：兩個相隔離輸出端口光功率的比值。 消光比：端口處于導通和非導通狀態(tài)的插

3、入損耗之差。 開關時間：指開關端口從某一初始轉(zhuǎn)為通或斷所需的時間從在開關上施加或撤去轉(zhuǎn)換能量的時刻起測量。3.光開關的分類 驅(qū)動方式可分為：機械式光開關、非機械式光開關。 原理可分為：機械光開關、熱光開關、電光開關和聲光開關。 交換介質(zhì)可分為：自由空間交換光開關和波導交換光開關。二、機械式光開關 這是靠微型電磁鐵或壓電器件驅(qū)動光纖或反射光的光學元件發(fā)生機械移動，使光信號改變光纖通道的光開關。傳統(tǒng)機械光開關的工作原理：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(guī)模集成的缺點限制了其在未來光通信領域的應用。在此

4、基礎上，近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開關，它是微機電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術相結合的新型開關，特別是具有光信號的數(shù)據(jù)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(yōu)點。下面介紹幾種機械式光開關。1.移動光纖式光開關 移動光纖式光開關結構簡單、重復性好、插入損耗低。移動式光纖的輸入或輸出端口中，一段光纖固定，而另一端光纖式活動的。通過移動活動光纖，使之與固定光纖中的不同端口相耦合，從而實現(xiàn)光路切換。如圖1所示圖1移動光纖式光開關2.移動套管式光開關 移動套管式光開關就是講輸入或輸出光纖分別固定在兩個套管之中，其中一個套管固定在其底座上，另一個套管以很高的精度定位在兩個或多個位置上，帶著光纖

5、相對固定套管移動，從而實現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)換。3.移動透鏡型光開關 光纖被固定在輸入和輸出端口，依靠微透鏡精密的準直而實現(xiàn)輸入、輸出光路的連接。光從輸入光纖進入裝在一個由微處理器控制的步進電機或其他移動機構上的第一個透鏡后變成平行光，移動該透鏡，則第二個透鏡將該透鏡的平行光聚焦到相應輸出光纖。4.移動反射鏡型光開關 輸入輸出端口的光纖都是固定的，依靠旋轉(zhuǎn)球面或平面反射鏡，使輸入光與不同的輸出端口接通。如圖2所示。圖2 移動反射鏡式光開關5.移動棱鏡型光開關 輸入輸出光纖與起準直作用的光學元件如自聚焦透鏡、平凸棒透鏡、球透鏡等相連接，并固定不動，通過移動棱鏡而改變輸入輸出端口的光路。6.移動自聚焦透鏡型

6、光開關 自聚焦透鏡特別于各種光學器件中光纖與光纖的遠場耦合。三、非機械式光開關 非機械光開關是利用一些材料的電光、聲光、磁光和熱光效應，采用報道結構做成的。這類開關具有體積小、重量輕、與光纖適配、易于擴展為開關陣列。非機械式光開關包括電光開關、熱光開關、聲光開關、磁光效應光開關、液晶光開關、氣泡光開關、MEMS光開關和全光開關。1.電光開關電光開關的原理一般是利用鐵電體、化合物半導體、有機聚合物等材料的電光效應（Pockels效應）或電吸收效應（Franz-Keldysh效應）以及硅材料的等離子體色散效應，在電場的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強突變或光路轉(zhuǎn)

7、變。表1是這兩種電光材料的優(yōu)質(zhì)光開關器件的指標：表1 兩種電光開關的指標材料插損dB消光比dB偏振靈敏度dB開啟時間nsInP/InGaAsP5dB15dB0.5dB0.2有機聚合物1dB20dB0.5dB0.1但由于半導體載流子復合時間的限制，開關時間一般要在10ns以上。與機械光開關相比，其主要優(yōu)點除開關速度高之外，因為沒有移動部件，重復率較高，壽命較長。電光開關一般利用Pockels效應，也就是折射率n隨光場E而變化的電光效應。折射率變化n與光場的變化E的關系。(1)而光波傳播距離L相應的相位變化為(2)以下介紹五種典型的波導型電光開關的原理。（1） 定向耦合器電光開關這種開關是在電光材

8、料（如LiNbO3、化合物半導體、有機聚合物）的襯底上制作一對條形波導以及一對電極構成，如圖3所示。當不加電壓時，也就是一個具有兩條波導和四端口的定向耦合器。一般稱-和-為直通臂，-和-為交叉臂。圖3 定向耦合器型光開關假設兩波導的耦合較弱，各自保持獨立存在時的場分布和傳輸系數(shù)，耦合的影響只表現(xiàn)在場的振幅隨耦合長度的變化。設兩波導中的復數(shù)振幅分別為1(z)和2(z)，相位常數(shù)是1和2，其變化規(guī)律可用以下一階微分方程組表示1：， (3)， (4)式中12為相位失配常數(shù)。K12、K21是兩波導的耦合常數(shù)，決定于波導的材料與結構，也與波長有關。兩波導完全對稱，未加電壓時，K12K21k；12，0，耦

9、合方程簡化為：， (5)， (6)聯(lián)立解方程（5）和（6），設在兩波導輸入端的波振幅各為1(0)和2(0)，可得： ， (7) 。 (8)寫成功率形式（P2）則有：， (9) ， (10)其中P1(0)、P2(0)、P1(z)、P2(z)各為波導1和2中始端和z處的光功率。設光信號只從端輸入，2(0)0，此時z處兩波導的光功率分別為： ， (11) 。 (12)圖4繪出兩波導中光功率隨z的變化規(guī)律?？梢娔芰吭趦刹▽чg周期性地轉(zhuǎn)換。從z0到zL0，波導1的光功率從最大值變?yōu)榱?；而波?的光功率從零變?yōu)樽畲笾?，全部光功率由波?耦合進入波導2。相應的長度L0/2k叫做耦合長度。一般光耦合開關取此長

10、度。圖4 定向耦合器中兩耦合波導光功率周期性相互轉(zhuǎn)換當加電壓時，兩波導相位失配，0，且k12k21。對式（3）和（4）求導后得到， (13)， (14)其中。(15)聯(lián)立(13)和(14)，考慮Z0時的1(0)和2(0)，并設2(0)0得解為，(16)， (17)其中。(18)波導1和2在z處的光功率則為，(19) 。(20)設器件長度為耦合長度L0,并定義端的功率轉(zhuǎn)換比為 ， (21)利用（28）式，則得。(22)式中=L0，為兩波導間的相位差。由（22）可見，在=0處，3=1最大；在處，3=0最小。現(xiàn)在求功率轉(zhuǎn)換比與控制電壓的關系。設兩波導的電極間距皆為d，其上加電壓分別為V和-V，它們所

11、產(chǎn)生的電場分別為E1V/d和E2-V/d。引起兩波導折射率的差為： (23) 相應的相位差為。 (24)其中。 (25)為完成功率從端轉(zhuǎn)變到端需要所對應的電壓稱之為開關電壓。由（38）和（40），3-V關系則為,(26)畫出3-V曲線，如圖5。圖5 電光定向耦合器的曲線電壓從V從0變到V0，3從1變到，即完成開關動作。典型的開關電壓為10V。（2） M-Z干涉儀電光開關波導型Mach-Zehnder干涉儀是一種廣泛應用的光開關。它由兩個3dB耦合器DC1、DC2和兩個臂L1、L2組成，如圖6所示。圖6 M-Z干涉儀型光開關由端口輸入的光，被第一個定向耦合器按的光強比例分成兩束，通過干涉儀兩臂進

12、行相位調(diào)制。在兩光波導臂的電極上分別加上電壓V和V，各產(chǎn)生相應電場E1和E2。因此以上波導臂所產(chǎn)生的折射率變化為：。(27)對于對稱的M-Z干涉儀，L1=L2L，兩臂的相位差為：。(28)式中n=n2-n1。令=時所對應的電壓為半波電壓：, (29)則（28）變?yōu)椤?30)設從端輸入的信號的電場強度為1，從、端輸出信號的電場強度為3、4，考慮KZ450,利用定向耦合器和光纖段的傳輸方程，可導出3、4與1的關系為，(31)，(32)由于端輸入功率為P111,、端輸出功率為P333,、P444,利用三角公式，可由（31）和（32）算出、輸出端的輸出功率為：，(33)，(34)而直通臂和交叉臂的功率

13、轉(zhuǎn)換比為，(35)。(36)當未加電壓時，V0，因此30，41；加上半波電壓，VV，則31，40，從而實現(xiàn)了開關。對于這類光開關，半波電壓越小所需開關能量越小。(3)電光偏振調(diào)制波導電光開關這種光開關由電光相位調(diào)制器、起偏器P和檢偏器Q組成，如圖7所示。起偏器和檢偏器正交，相位調(diào)制晶體的光軸與兩偏振器的偏振方向成45角。圖7 偏振強度調(diào)制型光開關各向同性的非偏振光經(jīng)過起偏器后變?yōu)檎駝臃较蚺c波導光軸成45的線偏振光。將在波導中同時激起偏振方向正交的TE波和TM波。波導介質(zhì)對兩者的折射率不同，各為n1、n2；電光系數(shù)不同，各為1、2。于是在外加電場的作用下，光傳輸L長后，兩個偏振正交波的相位差為：

14、 。 (37)該電場是由加于相距為d的兩電極上的電壓所產(chǎn)生，有EV/d。定義半波電壓和初始相移分別為：； (38)和， (39)其中V0為偏置電壓, (40)則式(37)可寫成： (41)以下求出光功率與電壓的關系。自然光經(jīng)過P后所產(chǎn)生的平面偏振光為。 (42)設光的傳播方向平行于Z軸；起偏器P和檢偏器Q的光軸方向與Y軸的夾角分別為和，且/4，如圖8所示。圖8 光通過電光偏振光強調(diào)制器的偏振方向變化示意圖外電場使晶體的光軸方向平行于X軸。光通過晶體時產(chǎn)生雙折射：o光的振動方向垂直于主截面（光軸與光線所構成的平面），即垂直xz面，e光的振動方向在主截面內(nèi)，即xz面內(nèi)。由于o光和e光在介質(zhì)中的折射

15、率不同，所以傳播速度不同，通過一定厚度L的介質(zhì)到達輸出端時，有一定的相位差。因此，o光和e光在介質(zhì)輸出端的表達式分別為： , (43) 。 (44)當o、e光達到Q時，只有平行于Q光軸的分量能通過，垂直分量則被阻擋。所以通過Q的光為， (45) 。 (46)因此，。(47)而/4，因,此時輸出最強，上式變?yōu)椋?(48)式中Esin/2為通過檢偏器Q的光的振幅。由于輸出光功率等于光振幅的平方，則有(49)這里PiE2為輸入光功率。據(jù)式(49)和(41)，該開關器件的功率轉(zhuǎn)變比為,(50)V曲線如圖9所示。改變電壓V，使(VV0)從0至V變化，則從0至1變化。從而實現(xiàn)開關閉動作。圖9 相位調(diào)制器的

16、特性曲線(4)半導體放大器電光開關 半導體光放大器(SOA)門控型光開關利用SOA對光的吸收和放大可實現(xiàn)任意光路的切換。也就是說，只有在半導體光放大器加上偏置時，才會產(chǎn)生受激輻射，是輸入光信號得以放大；反之，如果去掉偏置，則半導體光放大器處于光吸收狀態(tài)，此時輸入光信號無法達到輸出端。從而來完成開啟和關閉的功能，構成基本門型光開關單元。SOA中，利用光放大，補償光損耗。半導體放大器電光開關具有低串擾(-40dB)、低工作電流(10mA)、寬帶寬(30nm)、高速切換（1ns)。如圖10所示。圖10 SOA門陣列構成的光開關(5)聚合物電光開關 聚合物電光開關：有機聚合物材料制作光電子和集成光學器

17、件，最突出的優(yōu)點是低廉、工藝流程簡便?？梢猿练e在半導體襯底上，便于光路和電路的集成；具有較低的波導傳輸損耗和與光纖的低耦合損耗；可以有效使用電子折射獲得幅度和相位調(diào)制。可以根據(jù)人們需要，通過調(diào)節(jié)有機材料的組分以滿足電光特性、熱光特性和吸收譜特性。2.熱光開關 熱光開關和電光開關的結構可以是相同的，但是產(chǎn)生開關效應的機理不同。這里的熱光效應是指通過電流加熱的方法，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系式表示： (51) 式中n0為溫度變化之前的折射率，T為溫度的變化，為熱光系數(shù)，它與材料的種類有關。表2是幾種材料的熱光系數(shù)。表2 幾種

18、材料的熱光系數(shù)材料LiNbO3SiSiO2聚合物熱光系數(shù)4.310-6/K210-4/K1.110-4/K110-4/Kn將引起相位變化，(52)導致信號從一個端口輸出變?yōu)閺牧硪粋€端口輸出。以下介紹幾種典型的波導熱光開關。(1)M-Z干涉型熱光開關該開關結構如圖11所示。它是由兩個3dB耦合器構成的對稱M-Z干涉儀型。兩個波導在硅基底上生成。在其中一臂上鍍有金屬薄膜加熱器，形成相位延時器。硅基底可看作一個散熱器。由于Si的導熱系數(shù)較大,加熱器的距離L大于100微米即可。臂長的設計使加熱器未加熱時,在交叉臂輸出端口4發(fā)生相長干涉輸出，而在直通臂的輸出端口發(fā)生相消干涉無輸出。加熱器工作時輸入信號則

19、從直通端口3相長干涉輸出圖11 M-Z干涉型熱光開關據(jù)（33）與（34）式，從1端輸入；從3端與4端輸出的功率轉(zhuǎn)變比分別為：，(53)。(54)應用（52）式，并設，(55)則得,(56)。 (57)可見， 當T0時，30，41；而當TT0時，31，40，從而實現(xiàn)光開關。日本NTT近年來采用SOI材料為光波導和Ti金屬膜為相移區(qū)的加熱膜，采用雙M-Z干涉儀結構2，我們增加一個環(huán)形器，可構成22熱光開關，如圖12。圖12 雙M-Z干涉型熱光開關光波從1和2入口，當不通電流加熱時，光波通過交叉臂，分別從12和21出口；當兩干涉儀同時通電流加熱時，光波通過直通臂，分別改從11和22出口。這種開關有以

20、下優(yōu)點：1）由于泄漏光被第二個干涉儀阻止，消光比是傳統(tǒng)結構的兩倍；2）器件制作的容差能力加大；3）相當于兩個帶通濾波器并聯(lián)，有較大的帶寬，有益于DWDM網(wǎng)絡。4）這種22開關做成陣列，大大減少單元開關數(shù)量，例如1616開關陣列由普通12開關組成需要156個器件，而用這種器件只需64個。該器件的平均參數(shù)列于表4。表4 雙M-Z干涉熱光開關的特性指標性能插入損耗dB串音dB開關時間ms消光比dB功耗mW數(shù)值6.64625517以上介紹的干涉型熱光開關屬于周期性干涉型開關，具有高消光比、低功率損耗等優(yōu)點，但它存在著對偏振和波長具有敏感性，以及要求有較高的制造精度等缺點。(2)Y和X數(shù)字型熱光開關Y和

21、X分支型熱光開關的結構見圖133。這類開關一般是通過模式重組來實現(xiàn)開關動作。通過加熱改變分支的折射率，從而改變控制光的走向。為了實現(xiàn)模式選擇的絕熱狀態(tài)，要求分支角很小，一般在零點幾度或零點零幾度。圖13 數(shù)字熱光開關（a）X型（開關）和(b)Y型（）開關 對Y結構而言，不加熱時，主臂的有效折射率nb大于支臂的有效折射率ns，光從主臂通過；當對支臂加熱時,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即 ，(58)則光束通過支臂。（58）式中T0為室溫，Tc為光改變通路的臨界溫度，dn/dT為材料的折射率溫度系數(shù)。對X結構而言，不加熱時，主臂的有效折射率大于支臂的有效折射率，nbns，光

22、束1和2分別通過支臂和主臂；當對支臂加熱時,增加了它的折射率,使之有效折射率大于主臂的有效折射率，即滿足公式（58），則光束1和2的通路被交換。這類開關的優(yōu)點是結構簡單；制作容差大：當輸入電壓變化時輸出光強呈階躍特性，故稱為數(shù)字光開關。這個特點降低了對開關電壓控制精度的要求，并大大降低了集成器件制作的復雜性，可做成列陣器件。有機聚合物材料有更大的溫度敏感性，只需100mW左右的開關功率，特別適合做熱光器件。缺點是熱穩(wěn)定性差和抗?jié)裥圆睢?、聲光開關這是利用聲光效應制作的光開關，聲光效應是指聲波通過材料產(chǎn)生機械應變，引起材料的折射率周期性變化，形成布拉格光柵，衍射一定波長的輸入光的現(xiàn)象。利用聲致光

23、柵使光偏轉(zhuǎn)做成光開關。如圖14，在y方向，用電聲換能器在介質(zhì)中激勵一束聲波： (59)式中，S、K分別為聲波的振幅、角頻率、傳播常數(shù)。類似于電光效應，聲波引起介質(zhì)的折射率的變化為： (60)其中P為應變彈性系數(shù)。在聲波的作用下，晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向(y)呈周期性變化，在介質(zhì)中形成一個相位光柵。圖14聲光開關原理如果平面光波與z軸成角的方向入射，通過寬度為L的聲波區(qū)域后，因聲光效應而產(chǎn)生的相位變化為： (61)由于這一相位光柵的衍射作用，使介質(zhì)中光的傳播方向發(fā)生變化，從而實現(xiàn)光的開關。該器件可以實現(xiàn)波導化，用叉指電極產(chǎn)生表面聲波。該開關的優(yōu)點是開關速度比較快，為納秒量級；缺點是插損比較

24、大，而且成本比較高。4、磁光效應光開關這里介紹利用法拉第磁光效應的光開關。這種磁光效應是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時，受外磁場的作用其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。實驗證明，當在磁性材料上施加平行光傳播方向的外磁場時，設偏振光振動面的旋轉(zhuǎn)角度為，磁感應強度為B，光在材料中傳播的長度為L，則有： (62) 式中V稱為費爾德常數(shù)，是表明物質(zhì)磁光特性的物理量，它與光的波長有關。磁光物質(zhì)旋光的方向與光的傳播方向無關，只由外加磁場方向決定：當迎著磁場方向觀察，偏振光總是按反時針方向旋轉(zhuǎn)。旋光物質(zhì)一般采用釔鐵石榴石（YIG）晶體材料，它在長波長波段有較大的費爾德常數(shù)和較小的損耗。以下介紹一種磁光效應光開關

25、。它的基本結構如圖15。構成光開關的部件有：用Gd:YIG厚膜構成的45法拉第旋轉(zhuǎn)器，45石英旋轉(zhuǎn)器，兩塊YVO4晶體，一塊偏振分束鏡和一塊全反三角棱鏡。圖15 法拉第磁光效應光開關當在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加右旋的磁場時,法拉第旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對光束偏振面的旋轉(zhuǎn)分別為45和+45,所以光束通過這兩個元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為零。由第一塊YVO4晶體分解的兩束偏振光P光束和S光束在第二塊YVO4晶體中合成一束，從上端口輸出；當在法拉第旋轉(zhuǎn)器上施加左旋的磁場時,法拉第旋轉(zhuǎn)器和石英旋轉(zhuǎn)器對光束偏振面的旋轉(zhuǎn)皆為+45，所以光束通過這兩個元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為90，因此由第一塊YVO4晶體分解的兩束偏振光在第二塊

26、YVO4晶體中分開：P光束轉(zhuǎn)化為S光束，S光束轉(zhuǎn)化為P光束，分別輸出，再經(jīng)過三角棱鏡和偏振分束鏡合成一束光從下端口輸出。這種光開關在1.3um的性能見表3，表中插入損耗包括Gd:YIG吸收損耗和透鏡耦合損耗。在電磁鐵的驅(qū)動電壓為5V時磁場達到飽和，開關開始運行。電壓為20V時，開關時間為30s。串音主要來自Gd:YIG的質(zhì)量。表3 磁光式光開關的特性指標性能插入損耗dB串音dB開關時間s最小電壓V數(shù)值1.31.7-253055、液晶光開關大部分液晶光開關是根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向而實現(xiàn)開關功能的，如圖16所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶。通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場時，液晶分子沿電

27、極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片P和A的偏振方向成450，如圖16(a)。這樣液晶具有旋光性，入射光通過起偏器P先變?yōu)榫€偏光，經(jīng)過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同（速度不同），有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長距離L之后，引起光的偏振面發(fā)生900旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開啟狀態(tài)。當施加電場E時，液晶分子平行于電場方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時光的透射率接近于零，處于關閉態(tài)，見圖16（b）。撤去電場由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復原開啟態(tài)。圖16 液晶光開關工作原理設右旋波速度vR快于左旋波速度vL，則右旋波電矢量旋轉(zhuǎn)角度大于左旋波電矢量旋

28、轉(zhuǎn)角度。此兩角與偏振面轉(zhuǎn)角的關系為 或 (63)若右旋波和左旋波的折射率用nR和nL表示，則偏轉(zhuǎn)角可表為(64)這里0為真空的波長，nnRnL。欲取偏轉(zhuǎn)角=/2，因此液晶盒的長度可據(jù)以下公式設計：(65)這里沒有考慮液晶對光的吸收。這種開關靠分子轉(zhuǎn)動，因此開關速度較慢（s量級）。6、氣泡開關安捷倫公司結合熱噴墨打印和硅平面光波電路兩種技術，開發(fā)出一種二維光交叉連接系統(tǒng)，見圖17。他們把這種技術稱為“光子交換平臺”。其光開關包括兩部分：下半部是硅襯底的玻璃波導，上半部是硅片。上下之間抽真空密封，小溝道內(nèi)充特定的折射率匹配液，每一個溝道中部都有一個微型電阻，通過電阻加熱匹配液形成氣泡，對光產(chǎn)生全反

29、射，實現(xiàn)關態(tài)；不加電時由于折射率匹配，光信號直接通過，為開態(tài)。HP的噴墨打印技術主要用于精密控制微電阻產(chǎn)生氣泡。氣泡是封閉的不會溢出，通過控制蒸氣壓，保持液體和氣體共存的溫度和壓力。氣泡的產(chǎn)生到消失約2ms,最大開關速度為10ms。3232開關模塊的插損為4.5db，消光比小于-50db。由于沒有可移動部分，可靠性較好，具有偏振不敏感性，而且成本不高。圖17 噴墨氣泡熱光開關模塊7、MEMS光開關 MEMS光開關是基于半導體微細加工技術構筑在半導體基片上的微鏡陣列, 即將電、機械和光集成為一塊芯片, 能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務。目前已成為一種最流行的光開關制作技術。其基本原理通過靜電

30、力或電磁力的作用, 使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動, 從而改變輸入光的傳播方向以實現(xiàn)光路通斷的功能, 使任一輸入和輸出端口相連接, 且1 個輸出端口在同一時間只能和1個輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導技術的光開關相比, MEMS 光開關具有低串音、低插損的優(yōu)點成為全光網(wǎng)絡中的關鍵光器件。 MEMS光開關優(yōu)點：與現(xiàn)有的基于光波導技術的光開關相比, MEMS 光開關具有低串音、低插損的優(yōu)點成為全光網(wǎng)絡中的關鍵光器件。同時它既有機械光開關和波導光開關的優(yōu)點, 又克服了光機械開關難以集成和擴展性差等缺點, 它結構緊湊、重量輕, 且擴展性較好。 MEMS光開關特性：低插入損耗; 低串擾; 與波長

31、、速率、調(diào)制方式無關; 功耗低; 堅固、壽命長; 可集成擴展成大規(guī)模光開關矩陣; 適中的響應速度(開關時間從100ns10ms)。在光交叉連接及需要支持大容最交換的系統(tǒng)中, 基于MEMS 技術的解決方案已是主流。 MEMS光開關分類：MEMS 光開關可以分為二維和三維光開關。二維光開關由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成,光束在二維空間傳輸。準直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構成多端口光開關, 對于MN 的光開關矩陣, 光開關具有MN個微反射鏡。二維光開關的微反射鏡具有兩個狀態(tài)0和1(通和斷), 當光開關處于1 態(tài)時, 反射鏡處于由輸入光纖準直系統(tǒng)出射的光束傳播通道內(nèi), 將光束反射至相應的輸出通道并經(jīng)準直系

32、統(tǒng)進入目標輸出光纖;當光開關處于0 態(tài)時, 微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi), 由輸入通道光纖出射的光束直接進入其對面的光纖。三維MEMS 的微鏡固定在一個萬向支架上, 可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個對應的MEMS 輸入微鏡, 同樣, 每根輸出光纖也都有其對應的MEMS 輸出微鏡17。因此, 對于MN 三維MEMS 光開關, 則具有M+N 個MEMS 微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對應的輸入微鏡反射到任意一個輸出微鏡, 而相應的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對應的輸出光纖。對于MN 三維MEMS 光開關, 每個輸入微鏡有N 個態(tài), 而輸出微鏡則具有M個狀態(tài)。目前,

33、 Iolon 利用MEMS 實現(xiàn)了光開關的大量自動化生產(chǎn)。該結構開關時間小余5ms。Xeros 基于MEMS 微鏡技術, 設計了能升級到11521152 的光交叉連接設備, 交換時間小余50ms。隨著全光網(wǎng)絡的發(fā)展, 三維MEMS 陣列可成為大型交叉連接的最佳候選者之一。 基于MEMS技術的光開關主要有微反射鏡型光開關、靜電驅(qū)動型光開關、自由空間交換型光開關、無透鏡型光纖光開關等,光開關的驅(qū)動方式主要有平行板電容靜電驅(qū)動,梳狀靜電驅(qū)動器驅(qū)動,電致、磁致伸縮驅(qū)動,形變記憶合金驅(qū)動,光功率驅(qū)動和熱驅(qū)動等4.MOEMS光開關所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料,Au、A

34、l等金屬材料,壓電材料及有機聚合物等其他材料.MOEMS光開關所用工藝主要有體硅工藝、表面加工工藝和LIGA(Lithographie,Galvano-formung and Abformung,即光刻、電鑄和注塑)工藝.MEMS開關，在硅片上用微加工技術做出大量可移動的微型鏡片構成的開關陣列。例如采用硅在絕緣層上（SOI）的硅片生長一層多晶硅，再鍍金制成反射鏡，然后通過化學刻蝕或反應離子刻蝕方法除去中間的氧化層，保留反射鏡的轉(zhuǎn)動支架。通過靜電力使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動。圖18是一個MEMS實例，它采用16個可以轉(zhuǎn)動的微型反射鏡，實現(xiàn)兩組光纖束間的44光互連。圖18 用16個移動反射鏡光開關構成的兩組44 MEMS開關陣列機電光開關的優(yōu)點是：結構簡單；插入損耗低(60dB)；隔離度好（45dB）；而且不受偏振和波長的影響。缺點是：開關時間較長，一般為1ms-0.1ms數(shù)量級；開關結構有移動部分，因而開關壽命有限和重復性較差，有的還存在著回跳抖動等問題。圖18的MEMS可達