MEMS光開關(guān)的性能與發(fā)展?fàn)顩r
光開關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)的重要功能器件,MEMS光開關(guān)是最具發(fā)展前景的光開關(guān)之一。在簡介不同種類光開關(guān)原理特點的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了當(dāng)前主要的MEMS光開關(guān)的分類、結(jié)構(gòu)、工藝與性能,并給出這一領(lǐng)域的研究與發(fā)展狀況。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/186333.htm一、前言
光纖通信技術(shù)的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革,目前世界大約85%的通信業(yè)務(wù)經(jīng)光纖傳輸,長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時,密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應(yīng)用光纖傳輸?shù)膸捄腿萘块_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(xiàn)爆炸性增長,這種增長趨勢不僅改變了IP網(wǎng)絡(luò)層與底層傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系,而且對整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點設(shè)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(jié)構(gòu)—自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON:automatic switched optical networks)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點,它的核心節(jié)點由光交叉連接(OXC:optical cross connect)設(shè)備構(gòu)成,通過OXC,可實現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡(luò)靈活、有效的管理。光交叉互連(OXC)技術(shù)在日益復(fù)雜的DWDM網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一,而光開關(guān)作為切換光路的功能器件,則是OXC中的關(guān)鍵部分。光開關(guān)矩陣是OXC的核心部分,它可實現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)的故障保護(hù)、波長動態(tài)分配等功能,對解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長爭用,提高波長重用率,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置均有重要的意義。
光開關(guān)不僅是OXC中的核心器件,它還廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域。
(1)光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng),實際的光纜傳輸系統(tǒng)中都留有備用光纖,當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度,光開關(guān)將主信號自動轉(zhuǎn)至備用光纖系統(tǒng)傳輸,從而使接收端能接收到正常信號而感覺不到網(wǎng)路已出了故障,其會將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連成環(huán)形以進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的生存性。
(2)網(wǎng)絡(luò)性能的實時監(jiān)控系統(tǒng),在遠(yuǎn)端光纖測試點,通過1×N多路光開關(guān)把多根光纖接到光時域反射儀上,進(jìn)行實時網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,通過計算機控制光開關(guān)倒換順序和時間,實現(xiàn)對所有光纖的檢測,并將檢測結(jié)果傳回網(wǎng)絡(luò)控制中心,一旦發(fā)現(xiàn)某一路出現(xiàn)問題,可在網(wǎng)管中心直接進(jìn)行處理。
(3)光開關(guān)還應(yīng)用在光纖通信器件測試系統(tǒng)以及城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的差/分復(fù)用和交換設(shè)備中。光開關(guān)的引入使未來全光網(wǎng)絡(luò)更具靈活性、智能性、生存性。光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為未來光聯(lián)網(wǎng)、光交換的關(guān)鍵技術(shù),在通信、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
在眾多種類的光開關(guān)中,微機械(MEMS)光開關(guān)被認(rèn)為最有可能成為光開關(guān)的主流器件。本文在概述多種光開關(guān)原理特點的基礎(chǔ)上,重點分析了幾種主要的MEMS光開關(guān),并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點。
二、光開關(guān)的原理及種類
光開關(guān)性能參數(shù)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?qū)λ囊笠哺鞑幌嗤F浞N類有保護(hù)、切換系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)光機械開關(guān),也有這幾年飛速發(fā)展的新型光開關(guān),如:熱光開關(guān)、液晶開關(guān)、電光開關(guān)、聲光開關(guān)、微光機電系統(tǒng)光開關(guān)(MOEMS,micro optic electro mechanical systems)、氣泡開關(guān)等。在超高速光通信領(lǐng)域,還有馬赫-曾德爾(Maeh-Zehnder)干涉型光開關(guān)、非線性環(huán)路鏡(NOLM,nonlinear optical fiber loop mirror)光開關(guān)等光控開關(guān)。
1、機械光開關(guān)
傳統(tǒng)機械光開關(guān)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(guān)速度比較慢、性價比好,在很多領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,近幾年發(fā)展很快的是MOEMS光開關(guān),它是微機電系統(tǒng)和傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型開關(guān),特別是具有光信號的數(shù)據(jù)格式透明、與偏振無關(guān)、差損小、可靠性好、速度快、容易集成的優(yōu)點。
2、電光效應(yīng)開關(guān)
電光效應(yīng)光開關(guān)多由光電晶體材料(如LiNbO3或其他半導(dǎo)體材料)波導(dǎo)材料制成,兩條波導(dǎo)通路連接成M-Z干涉結(jié)構(gòu),外加電壓可改變波導(dǎo)材料的折射率,從而控制兩臂的相位差,利用干涉效應(yīng)實現(xiàn)了光的通斷。它的特點是速度快,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(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)光開關(guān)
對于3dB耦合器,兩光波滿足模耦合方程,令兩個光波導(dǎo)的傳播常數(shù)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(diào)諧。其開關(guān)速度取決于兩路光之間產(chǎn)生相位差的時間,即光波導(dǎo)中折射率變化時間。
在現(xiàn)代通信系統(tǒng)向高速率、智能化發(fā)展的階段,為解決電子交換機響應(yīng)時間慢、無法和超高速傳輸數(shù)據(jù)相匹配的矛盾,實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗,還可以利用石英光纖和半導(dǎo)體光放大器的自相位調(diào)制或交叉相位調(diào)制效應(yīng)改變折射率的方法,即光控光開關(guān)技術(shù)。
3、光控開關(guān)
現(xiàn)在比較成熟的型號有:基于NOLM原理和SOA非線性效應(yīng)(如XPM:cross phase modulation)制作的全光開關(guān)。它們不僅用于超快開關(guān)交換,而且還可用于全光信號再生與超快波長轉(zhuǎn)換,是目前很有前途的全光交換技術(shù)。一般,各種超快全光開關(guān)歸根結(jié)底都離不開光的非線性效應(yīng),這里以SOA-XPM為例加以說明,實驗原理如圖2所示。
圖2 利用SOA-XPM實現(xiàn)光開光的實驗裝置
將SOA分別置在M-Z干涉儀的兩臂,開關(guān)控制脈沖注入一臂,脈沖的變化會引起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;dn/dN—折射率隨載流子密度的變化量;L—SOA的腔長;τe—載流子壽命;Vg—群速度;g—增益系數(shù);△S—載流子密度變化幅值;q—載流子密度變化和調(diào)制信號之間的相位延遲。
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