全光通信中的光開關技術

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(xiàn)，輸入光線到達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光開關是靠鏡面轉動來實現(xiàn)交換，所以任何機械摩擦、磨損或震動都可能損壞光開關。
雖然二維和三維MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光開關仍然面臨眾多挑戰(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換后會不會損壞其結構的完整性和微鏡的轉動靈活性，關系到光網(wǎng)絡信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和連續(xù)性。MEMS光開關要滿足批量生產的要求，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損耗低、串擾小、偏振不敏感和消光比高的優(yōu)點，又像波導開關一樣開關速度較快、體積微小、易于大規(guī)模集成。對于未來的骨干光網(wǎng)絡或大容量業(yè)務交換的應用場合，基于MEMS光開關技術的解決方案已成為主流選擇。
2．3 熱光開關
熱光開關是利用熱光效應制造的小型光開關。熱光效應是指通過電流加熱的方法，使介質的溫度變化，導致光在介質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：

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。表1是幾種材料的熱光系數(shù)。

此類開關采用可調節(jié)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。聚合波導技術是非常有吸引力的技術，它成本低、串擾低、功耗小、與偏振和波長無關。聚合物波導的熱光系數(shù)很高，而導熱率很低，因而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向，開關時間相對減小可達1ms以內。熱光開關的速度介于電光開關和MEMS之間。熱光光開關技術主要是用來制造小型的光開關。通過集成多個1x2光開關也可組成較大的陣列。目前主要有2種類型熱光光開關：干涉式光開關、數(shù)字光開關也叫分支器型熱光開關。
干涉式光開關主要利用馬赫-增德爾干涉原理制造，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，輸入光被分成兩路，在兩個分開的光波導里面進行傳輸，再合并。在兩個波導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，達到開關的目的。MZI型光開關結構如圖8所示。它包括1個MZI和2個3dB耦合器，兩個波導臂具有相同的長度，在MZI的干涉臂上，鍍上金屬薄膜加熱器形成相位延時器，波導一般生成在硅基底上，硅基底還可看作一個散熱器。波導上的熱量通過它來散發(fā)出去。當加熱器未加熱時，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)開關的動作。干涉式光開關結構緊湊，但對光波長敏感，需要進行精密溫度控制。