MEMS光开关的工作原理及应用

文章导读

• 什么是光开关？
• 简述MEMS光开关的工作原理
• MEMS光开关的结构
• MEMS光开关与机械式光开关
• MEMS光开关具有哪些优势
• MEMS光开关可应用于哪些领域
• 全光网络中的MEMS光开关

什么是光开关？
光开关是在一定范围内将光信号从一个光通道转换成另一个光通道的器件，具有一个或多个可选择的传输窗口，是实现光交叉连接、 光分插复用、网络监控以及自愈保护等功能的核心器件。

其实现技术多种多样，包括：机械光开关、热光开关、声光开关、电光开关、磁光开关、液晶光开关和MEMS光开关等。传统的以电为核心的开关逐渐的不能满足高速大容量光通信的需求， 慢慢的市场上出现了全光开关。其中MEMS光开关具有尺寸小、功耗低和扩展性好的特点，因而得到广泛的应用。

简述MEMS光开关的工作原理
什么是MEMS？MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统，微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等，同时在机械结构上制备了电极，以便通过电子技术进行控制。

MEMS是一种微电机系统，在制备微机械结构之后，需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。在MEMS器件的所有驱动机制中，静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗，得到最广泛的应用。

MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片，通过静电力或电磁力的作用，使微镜阵列产生转动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关切换光波路由是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部微镜片抬升与否来完成的。

MEMS光开关的工作原理

一般说来，MEMS光开关从空间结构上可分成这样两种，即2D开关和3D开关。

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

2D MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的旋转控制被接到指定的输出端。当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。在3D MEMS光开关中，微镜能沿着两个向的轴任意旋转，因此它可以用不同的角度来改变光路的输出，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。

MEMS光开关的结构
光开关是一种多端口光器件，端口配置情况有：2×2，1×N，N×N，其中N×N端口光开关又称OXC（光交叉连接开关、矩阵光开关）。基于MEMS技术的1×N端口光开关，其结构如图所示，它包括一个MEMS微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。MEMS微镜通常贴装在一个TO管座上，然后通过TO管帽将准直透镜与TO管座组装成一个组件，最后在有源调试状态下，将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。

基于MEMS技术的1×N端口光开关结构

MEMS光开关与机械式光开关
机械光开关的工作原理是借助机械装置物理地移动光纤来重定向光信号。通过移动棱镜或定向耦合器，将输入端的光导向所需要输出的端口。机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。

机械式光开关

MEMS光开关是 基 于 微 机 电 系 统（micro-electro-mechanical system），采用光学微镜或光学魏镜阵列来改变光束的传播方向实现光路的切换。MEMS光开关原理十分简单，当进行光交换时，通过静电力或磁电力的驱动，移动或改变MEMS微镜的角度，把输入光切换到光开关的不同输出端以实现光路的切换及通断。

MEMS光开关

机械式光开关 VS MEMS光开关

MEMS光开关具有哪些优势
MEMS光开关可实现对全光网的全面远程控制，具有可集成化、功耗低、成本低的主要优势。MEMS光开关同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。各项性能足以满足DWDM全光网络的技术要求，将会是大容量交换光网络开关发展的主流方向。 MEMS器件单批产量高，经济性好，且器件与器件之间重复性好，为降低系统成本提供了更多的可能性。

MEMS光开关可应用于哪些领域
MEMS光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围很广。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统，光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心，光插/分复用、光学测试、光传感系统等。

MEMS光开关应用领域

可应用于MCS（多播交换光开关）
基于PLC技术及MEMS技术的多播交换光开关（MCS），是下一代可重构光分插复用系统（ROADM）的关键组成部分；每个功能单元由M个独立的Splitter和N个独立的MEMS光开关组成；提供N个上路（或下路）端口至M个方向的连接。

可应用于iODF（智能光配）
通过光开关级联集成，可用于iODF（智能光配线架），来替代行业专网中传统配线架。

构建OXC（光交叉连接）设备的交换核心
在全光交换系统中，光开关是光交叉互连OXC的关键器件。通过光开关级联集成，可用于小规模的OXC，来满足行业专网和数据中心关键线路的需求。

可应用于光性能监控
与TOF或者OPM集成，结合监控软件，通过时分复用OPM，监测光缆中多芯光纤中DWDM通道的信号性能，广泛用于光传送网光缆监测、ROADM网络、DCI等。

可应用于光缆监测
与OTDR集成，结合监控软件，通过时分复用OTDR，监测光缆中多芯光纤的质量状态，广泛用于PON网络光缆监测、光传送网光缆监测、行业专网光缆监测等。

可应用于光纤传感
传感市场规模潜力较大，主要产品是1x4和1x8。

可应用于测试仪表和工厂自动化
测试仪表和工厂自动化市场规模相对不大，但附加值高，对光开关的光学性能，如插损，回损，重复性等要求高。

可应用于DWDM系统
信道功率均衡、链路节点功率衰减、光接收机的入光保护、光线路通断快速控制。

全光网络中的MEMS光开关
首先什么是全光网？全光网（AON， All Optical Network）指的是网络传输和交换过程全部通过光纤实现，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换。因为不必在其中实现电光和光电转换，因此能大大提高网速。全光网的主要技术有光纤技术、SDH、WDM、光交换技术、OXC、无源光网技术、光纤放大器技术等。

全光网结构

在全光网络各种设备器件当中，光交叉连接设备（OXC）和光分插复用设备（OADM）可以说是全光联网的核心器件技术。而光开关和光开关阵列又是OXC和OADM的核心技术。利用MEMS技术制作的新型光开关，体积小、重量轻、能耗低，可以与大规模集成电路制作工艺兼容，易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。