MEMS光開關(guān)的工作原理是什么，它的應(yīng)用有哪些

什么是光開關(guān)？光開關(guān)是在一定范圍內(nèi)將光信號從一個光通道轉(zhuǎn)換成另一個光通道的器件，具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，是實(shí)現(xiàn)光交叉連接、 光分插復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控以及自愈保護(hù)等功能的核心器件。

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。傳統(tǒng)的以電為核心的開關(guān)逐漸的不能滿足高速大容量光通信的需求， 慢慢的市場上出現(xiàn)了全光開關(guān)。其中MEMS光開關(guān)具有尺寸小、功耗低和擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。

簡述MEMS光開關(guān)的工作原理

什么是MEMS？MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）是指將微型機(jī)械、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路等集于一體的可批量制作的微型器件或系統(tǒng)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學(xué)腐蝕、晶片鍵合等，同時在機(jī)械結(jié)構(gòu)上制備了電極，以便通過電子技術(shù)進(jìn)行控制。MEMS是一種微電機(jī)系統(tǒng)，在制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)之后，需要以電子技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動。典型的驅(qū)動機(jī)制包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。在MEMS器件的所有驅(qū)動機(jī)制中，靜電引力結(jié)構(gòu)因制備簡單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應(yīng)用。

MEMS光開關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使微鏡陣列產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能。MEMS光開關(guān)切換光波路由是通過外部控制信息以及相應(yīng)的高低電平控制內(nèi)部微鏡片抬升與否來完成的。

一般說來，MEMS光開關(guān)從空間結(jié)構(gòu)上可分成這樣兩種，即2D開關(guān)和3D開關(guān)。

(a) 2-D(b) 3-D Source: researchgate.net

2D MEMS的空間旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機(jī)械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過微鏡的旋轉(zhuǎn)控制被接到指定的輸出端。當(dāng)微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應(yīng)的輸出端口輸出。在3D MEMS光開關(guān)中，微鏡能沿著兩個向的軸任意旋轉(zhuǎn)，因此它可以用不同的角度來改變光路的輸出，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)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。

MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)

光開關(guān)是一種多端口光器件，端口配置情況有：2×2，1×N，N×N，其中N×N端口光開關(guān)又稱OXC（光交叉連接開關(guān)、矩陣光開關(guān)）。基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個MEMS微鏡、一個準(zhǔn)直透鏡和一個多纖插針。MEMS微鏡通常貼裝在一個TO管座上，然后通過TO管帽將準(zhǔn)直透鏡與TO管座組裝成一個組件，最后在有源調(diào)試狀態(tài)下，將多纖插針與前述組件對準(zhǔn)并固定在一起。

MEMS光開關(guān)與機(jī)械式光開關(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，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。

MEMS光開關(guān)具有哪些優(yōu)勢

MEMS光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)對全光網(wǎng)的全面遠(yuǎn)程控制，具有可集成化、功耗低、成本低的主要優(yōu)勢。MEMS光開關(guān)同時具備了機(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)。各項性能足以滿足DWDM全光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求，將會是大容量交換光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)發(fā)展的主流方向。 MEMS器件單批產(chǎn)量高，經(jīng)濟(jì)性好，且器件與器件之間重復(fù)性好，為降低系統(tǒng)成本提供了更多的可能性。

MEMS光開關(guān)可應(yīng)用于哪些領(lǐng)域

MEMS光開關(guān)及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應(yīng)用范圍很廣。其應(yīng)用范圍主要有：光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換系統(tǒng)，光纖測試中的光源控制、網(wǎng)絡(luò)性能的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)、光器件的測試、構(gòu)建OXC設(shè)備的交換核心，光插/分復(fù)用、光學(xué)測試、光傳感系統(tǒng)等。

可應(yīng)用于MCS（多播交換光開關(guān)）

基于PLC技術(shù)及MEMS技術(shù)的多播交換光開關(guān)（MCS），是下一代可重構(gòu)光分插復(fù)用系統(tǒng)（ROADM）的關(guān)鍵組成部分；每個功能單元由M個獨(dú)立的Splitter和N個獨(dú)立的MEMS光開關(guān)組成；提供N個上路（或下路）端口至M個方向的連接。

可應(yīng)用于iODF（智能光配）

通過光開關(guān)級聯(lián)集成，可用于iODF（智能光配線架），來替代行業(yè)專網(wǎng)中傳統(tǒng)配線架。

構(gòu)建OXC（光交叉連接）設(shè)備的交換核心

在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是光交叉互連OXC的關(guān)鍵器件。通過光開關(guān)級聯(lián)集成，可用于小規(guī)模的OXC，來滿足行業(yè)專網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵線路的需求。

可應(yīng)用于光性能監(jiān)控

與TOF或者OPM集成，結(jié)合監(jiān)控軟件，通過時分復(fù)用OPM，監(jiān)測光纜中多芯光纖中DWDM通道的信號性能，廣泛用于光傳送網(wǎng)光纜監(jiān)測、ROADM網(wǎng)絡(luò)、DCI等。

可應(yīng)用于光纜監(jiān)測

與OTDR集成，結(jié)合監(jiān)控軟件，通過時分復(fù)用OTDR，監(jiān)測光纜中多芯光纖的質(zhì)量狀態(tài)，廣泛用于PON網(wǎng)絡(luò)光纜監(jiān)測、光傳送網(wǎng)光纜監(jiān)測、行業(yè)專網(wǎng)光纜監(jiān)測等。

可應(yīng)用于光纖傳感

傳感市場規(guī)模潛力較大，主要產(chǎn)品是1x4和1x8。

可應(yīng)用于測試儀表和工廠自動化

測試儀表和工廠自動化市場規(guī)模相對不大，但附加值高，對光開關(guān)的光學(xué)性能，如插損，回?fù)p，重復(fù)性等要求高。

可應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)

信道功率均衡、鏈路節(jié)點(diǎn)功率衰減、光接收機(jī)的入光保護(hù)、光線路通斷快速控制。

全光網(wǎng)絡(luò)中的MEMS光開關(guān)

首先什么是全光網(wǎng)？全光網(wǎng)（AON， All Optical Network）指的是網(wǎng)絡(luò)傳輸和交換過程全部通過光纖實(shí)現(xiàn)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸過程都在光域內(nèi)進(jìn)行，只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時才進(jìn)行電/光和光/電的變換。因為不必在其中實(shí)現(xiàn)電光和光電轉(zhuǎn)換，因此能大大提高網(wǎng)速。全光網(wǎng)的主要技術(shù)有光纖技術(shù)、SDH、WDM、光交換技術(shù)、OXC、無源光網(wǎng)技術(shù)、光纖放大器技術(shù)等。

在全光網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備器件當(dāng)中，光交叉連接設(shè)備（OXC）和光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）可以說是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術(shù)。而光開關(guān)和光開關(guān)陣列又是OXC和OADM的核心技術(shù)。利用MEMS技術(shù)制作的新型光開關(guān)，體積小、重量輕、能耗低，可以與大規(guī)模集成電路制作工藝兼容，易于大批量生產(chǎn)、集成化、方便擴(kuò)展、有利于降低成本。

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