機(jī)械光開關(guān)和MEMS光開關(guān)的工作原理及應(yīng)用對比

光纖通信系統(tǒng)中，光開關(guān)（Optical Switch，OS）主要用于光路中實(shí)現(xiàn)光信號的物理切換或其他邏輯操作，多用于光交叉連接OXC（Optical Cross－connect）技術(shù)中作為切換光路的關(guān)鍵器件。

光開關(guān)具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可分為2×2，1×N，M×N多種端口配置形式。光開關(guān)在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)多種多樣，包括：機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)、聲光開關(guān)、電光開關(guān)、磁光開關(guān)、液晶光開關(guān)和MEMS光開關(guān)，等等。其中機(jī)械光開關(guān)和MEMS光開關(guān)是目前應(yīng)用較為廣泛的兩種光開關(guān)。

機(jī)械光開關(guān)的工作原理是借助機(jī)械裝置物理地移動光纖來重定向光信號。通過移動棱鏡或定向耦合器，將輸入端的光導(dǎo)向所需要輸出的端口。機(jī)械式光開關(guān)分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術(shù)，二是采用反射鏡切換技術(shù)，三是通過移動光纖切換光路。

MEMS光開關(guān)是 基 于 微 機(jī) 電 系 統(tǒng)（micro－electro－mechanical system），采用光學(xué)微鏡或光學(xué)魏鏡陣列來改變光束的傳播方向?qū)崿F(xiàn)光路的切換。MEMS光開關(guān)原理十分簡單，當(dāng)進(jìn)行光交換時(shí)，通過靜電力或磁電力的驅(qū)動，移動或改變MEMS微鏡的角度，把輸入光切換到光開關(guān)的不同輸出端以實(shí)現(xiàn)光路的切換及通斷。其原理圖如下圖所示：

MEMS光開關(guān)工作原理

基于MEMS技術(shù)的2×2端口光開關(guān)的原理如圖所示，四根光波導(dǎo)被設(shè)置于四個方向，一個豎直的MEMS微鏡被設(shè)置成45°角方向。當(dāng)微鏡未介入光路時(shí)，來自波導(dǎo)1和2的光束分別耦合到波導(dǎo)3和4中，端口連接狀態(tài)為1→3和2→4，此為直通狀態(tài)；當(dāng)微鏡插入光路時(shí)，來自波導(dǎo)1和2的光束經(jīng)微鏡反射，分別耦合至端口4和3，端口連接狀態(tài)為1→4和2→3，此為交叉狀態(tài)。

2×2端口MEMS光開關(guān)的工作原理，左圖：直通狀態(tài)，右圖：交叉狀態(tài)

機(jī)械光開關(guān)＆MEMS光開關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)對比

隨著光通信的快速發(fā)展，作為光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的光互連與光交換的地位越來越重要，光開關(guān)的應(yīng)用也越來越廣泛。MEMS光開關(guān)具有緊湊、切換速度快、易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備了機(jī)械式光開關(guān)的低插損、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比和波導(dǎo)開關(guān)的高開關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成的優(yōu)點(diǎn)。將會是大容量交換光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)發(fā)展的主流方向。

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