光開關(guān)是光通訊的關(guān)鍵部件，是近年來通訊領(lǐng)域的研究熱門。文章從光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面先容了光開關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點(diǎn)先容了MEMS光開關(guān)的研究與應(yīng)用，對(duì)光開關(guān)發(fā)展趨勢作了分析。
.Kg|f~InO 1、 引言
XTIu(f|d_; 光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)光束在時(shí)間、空間、波長上的切換，在光網(wǎng)絡(luò)中有很多應(yīng)用場合，是光通訊、光計(jì)算機(jī)、光信息處理等光信息
系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。 廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個(gè)類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依靠于光路之中的相位關(guān)系，通過普克爾(Pockels)效應(yīng)或熱效應(yīng)一般就可以達(dá)到相位控制。這類器件對(duì)環(huán)境非常敏感，尤其是對(duì)環(huán)境溫度。它們對(duì)控制信號(hào)有循環(huán)響應(yīng)，這些控制信號(hào)通常需要對(duì)光輸出進(jìn)行監(jiān)視，亦即反饋，以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對(duì)偏振、波長、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對(duì)于非干涉儀型開關(guān)，開關(guān)功能的動(dòng)態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(guān)中的動(dòng)態(tài)范圍，則依靠于干涉束的光功率的精確平衡，而且通常精度較低并較難保持。
<[/PyNYK 2、 技術(shù)現(xiàn)狀
$hyqYp"/; 這里討論的光開關(guān)現(xiàn)狀，主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應(yīng)用或貿(mào)易上有希看接受的技術(shù)與應(yīng)用。應(yīng)用決定了要求，所以就從已經(jīng)取得貿(mào)易成就的應(yīng)用或近期有看實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，來開始評(píng)述光開關(guān)。近年來，除了改進(jìn)傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù))，切換速度不斷進(jìn)步(如LiNbO3波導(dǎo)電光效應(yīng)的光開關(guān)已達(dá)到納秒量級(jí))，集成化程度越來越高。
>~.Zr3P6kC 2.1 非干涉儀型開關(guān)
(QA-"9v#i, 非干涉儀型開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機(jī)型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。
B#| Z`mZ 2．1．1 微機(jī)械開關(guān)
],H1 微機(jī)械開關(guān)技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)，包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米標(biāo)準(zhǔn)的零件、部件或集光機(jī)電于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對(duì)于
光纖系統(tǒng)來說，微機(jī)械開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個(gè)極有希看的進(jìn)門途徑。已經(jīng)報(bào)道過的很多微機(jī)械光開關(guān)有兩個(gè)基本途徑：或者通過微機(jī)械器件把
光線運(yùn)載到與微機(jī)械器件相連的波導(dǎo)或光纖上，或者用微機(jī)械元件來引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供給大概不會(huì)太遠(yuǎn)了。
r.Y*{!t 使用準(zhǔn)直光束和N×N交叉點(diǎn)上的微機(jī)械，可移動(dòng)鏡面，非常直接地實(shí)現(xiàn)N×N交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。最近這樣的開關(guān)已經(jīng)采用微機(jī)械制造工藝實(shí)現(xiàn)了，如圖1所示[1]。其表現(xiàn)出的開關(guān)時(shí)間在100μs以內(nèi)。這樣的開關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線，也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等開關(guān)，其中N為被耦合的光束組的數(shù)目。同時(shí)這種構(gòu)造導(dǎo)致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級(jí)無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。
JTSq{NN 微機(jī)械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(guān)應(yīng)建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上，如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1×N開關(guān)功能的開關(guān)。微機(jī)械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把進(jìn)射光束反射到多路輸出的一個(gè)位置。各種各樣的波導(dǎo)和基于光纖的微機(jī)械開關(guān)已經(jīng)制成。基于光纖的微機(jī)械器件使用微機(jī)械宋產(chǎn)生移動(dòng)光纖的驅(qū)動(dòng)器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復(fù)雜的裝配，但是反映光纖特性的
光學(xué)性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報(bào)道過使用兩個(gè)V形槽陣列橫向地變換硅微臺(tái)面的1×N光纖開關(guān)[3]。
AB/,S 盡管率先將MEMS光開關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因最后獲得資金的希看幻滅而暫時(shí)封閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nortel收購， 目前仍有不少的機(jī)構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等)在進(jìn)行MEMS光開關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過Telcordia(GR-1073-Core)可靠性測試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對(duì)MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。
DN4fP-m- 2．1．2 光機(jī)型開關(guān)
=W;t@"6>2 光機(jī)型開關(guān)通過光束路徑的實(shí)際位移而路由光線。這些開關(guān)有賴于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，諸如電子繼電器、步進(jìn)電機(jī)和壓電元件等。光機(jī)型開關(guān)可提供性能卓越的光學(xué)
參數(shù)，諸如損耗、串?dāng)_、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競爭僅僅在尺寸、開關(guān)速度和可靠性等題目上。
7=$+k]U8 最普通的光機(jī)型開關(guān)的途徑，就是典型的梯度折射率型
透鏡，它使到達(dá)輸進(jìn)光纖的光線準(zhǔn)直，形成了在自由空間中的傳播束。準(zhǔn)直器可被移動(dòng)，或準(zhǔn)直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖。基于鏡面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的開關(guān)，準(zhǔn)直器的棱鏡運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)都是典型的大范圍1×N開關(guān)。使用棱鏡運(yùn)動(dòng)用于開關(guān)達(dá)到1×8，而通常使用準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)用于較慢的開關(guān)維數(shù)達(dá)到1×100。
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