全光通信中的光開關(guān)技術(shù)

三維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對(duì)出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)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(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光開關(guān)是靠鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)交換，所以任何機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)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(huì)不會(huì)損壞其結(jié)構(gòu)的完整性和微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)工藝的穩(wěn)定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面對(duì)用戶，其封裝工藝和安裝的自動(dòng)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(jī)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(diǎn)，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(duì)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(jī)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(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(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(shí)間相對(duì)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(gè)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(gè)分開的光波導(dǎo)里面進(jìn)行傳輸，再合并。在兩個(gè)波導(dǎo)臂上鍍有金屬薄膜加熱器形成相位延時(shí)器，通過控制加熱器實(shí)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(gè)MZI和2個(gè)3dB耦合器，兩個(gè)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(shí)器，波導(dǎo)一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個(gè)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(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過2個(gè)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(hào)發(fā)生了大小為π的相移，則輸入信號(hào)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(shí)現(xiàn)開關(guān)的動(dòng)作。干涉式光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但對(duì)光波長敏感，需要進(jìn)行精密溫度控制。