mems光开关

MEMS光开关研究1MEMS光开关研究袁矿英（深圳大学研究生一年级信息工程学院通信专业2100130220）摘要：光开关是光网络中完成全光交换的核心器件，它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。文章重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用，并就其他光开关作了简要介绍。文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，并详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和发展趋势，概述了光开关的各种性能指标。最后文章介绍了MEMS光开关的发展动态。关键词MEMS光开关全光网络1引言光开关是光纤通信系统重要的光器件之一，具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行互相转换或逻辑操作。光开关可用于光纤通信系统、光线测量系统、以及光纤传感系统中，起到切换光路的作用。交换作为光网络中的关键技术，而光交换系统的基本单元是光开关，作为光通信中的一种重要器件，人们对光开关的研究已有二三十年的历史。由于人们对器件材料、器件工作原理和加工工艺等多方面认识和研究的不断深化。光开关的类型呈现出多元化发展的趋势。当今通信研究中，如何实现大规模数据在任意两点的高速、高效、可靠的传输，一直是通信研究的方向。光纤通信的出现，为高速信息传输提供了巨大的频带资源，目前世界大约85%的通信业务京广线传输，长途干线网和本地网也已广泛使用光纤。同时，随着密集波分复用（DWDM）技术的应用和新型光通信器件技术的发展，光联网（OTN）已成为下一代高速度宽带通讯网络的发展趋势。光联网技术以新型光开关、光放大器、光衰减器、光限幅器等器件为核心技术。九十年代中期，密集波分复用技术（DWDM）的应用为宽带高速光联网的发展提供了可能，同时也对作为光通信网络连接的光交叉互联系统（OXCS）和波长上下路复用上下路技术的核心器件。OXCS中的光开关矩阵可实现动态光路经管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。Internet数据业务的迅猛增长产生了对光纤通信技术带宽资源的极大需求，同时，通信网络的发展对光开关提供了新的要求，未来的全光网络需求全光开关构成的光交换机完成信号路由功能，以实现网络的高速率和协议透明性。传统的机械光开关速度慢、体积大、不易大规模集成，难以适应光传输网的传输要求，这限制了其在未来光通信领域的应用。新型的以微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical-System）简称MEMS为基础的微机械光开关称为大容量光交换光网络开关发展的主流方向。MEMS是指采用微机械加工技术，可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批量制作、可集成等特点。具有广阔的应用前景。微机械光开关是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，他具有对数据格式透明、与偏振无关、插损小、速度慢、容易集成的优点。因此对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置光开关的主要性能指标参数有：交换速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等，这些因素在光开关进行级联时将影响网络的性能。1.1本文的主要工作文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，讲解了关开关的具体类型并。重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用，并就其他光开关作了简要介绍。研究了MEMS静MEMS光开关研究2电驱动扭臂式光开关的原理与运动过程，并对其进行分析，得出影响系统性能的因素。文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，包括微光机电系统,技术.气泡技术.液晶技术.全息光栅技术.热光技术及声光技术等并详细分析了各种技术相应的发展状况，技术特点和发展趋势，概述了光开关的各种性能指标。2光开关的应用范围光开关是全光交换的关键器件，可以实现全光层的路由选择、波长选择、交叉连接以及自愈保护功能。目前光开关主要应用在以下几个方面：·光交叉(0XC)在全光网络中，OXC是设备的交换核心，它的功用是将一个波分复用(WDM)系统输出的波长插入到另一个WDM系统中。OXC主要应用于若干王，对不同的业务进行汇聚和交换。·实现网络的自动保护光开关通常用于网络的故障恢复。这种保护通常只需要最简单的1x2光开关。·网络监视功能使用简单的1xN光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上(如OTDR)，通过光开关的动作实现网络在线监测。·光纤通讯器件测试通过1xN光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件，使用光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率。·光上/下路复用（OADM）0ADM是光网络关键设备之一，通常用于环行的城域网和骨干网，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2x2光开关。2.1光开关的主要性能参数光交叉互连(OXC)技术就是其中的一项关键技术，光开关则是OXC中的关键器件，尤其是无需光电、电光转换的全光交叉互连器件，其技术水平直接决定着光通讯网络的性能。因此对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置。全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等，这些因素在光开关进行级联时将影响网络的性能。2.2光开关的种类1：根据输入和输出端口数不同，光开关可分为1x2、1x2、1xN、2x2、MxN等多种，他们在不同场合中有不同用途。（1）1x1光开关：主要应用于光纤测试技术中，控制光源的接通和断开。（2）1x2光开关：其典型应用是光环路中的主备倒换，在光纤断裂或传输发生故障时，可通过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的自动保护。（3）1xN光开关：可用于光网络监控和光纤通信的测试中，在远端光纤测试点通过此种开关把多根光纤接到一个光时域反射仪（OTDR）,通过光开关倒换，实现对所有光纤监测，或者插入网络分析仪实现网络在线分析。当1xN光开关应用于光传感系统时，可实现空分复用和时分复用。（4）2x2光开关：利用此开关可以组成MxN光开关矩阵，这种开关矩阵是OXCD的核心部件。OXC主要实现动态的光路径管理、全光网络的故障保护并可灵活增加新业务。2：根据光开关的交换介质可分为自由空间光开关和波导交换光开关。MEMS光开关研究33：根据其工作原理不同，光开关可分为机械式和非机械式两大类如图一所示。机械式光开关是依靠光纤或光学元件移动，使光路发生变化。这类光开关技术比较成熟，其优点是插入损耗低、隔离度高、不受偏振和波长的影响，也不受调制速率和调制方式的限制。不足之处是光开关时间较长，一般为毫秒数量级，开关尺寸较大，而且不易集成，有的还存在回跳抖动和重复性较差等问题。非机械式光开关是依靠物理效应来改变波导折射率，使光路发生改变，完成开关功能。这类光开关的功能是时间短，达到毫微秒数量级甚至更低；体积小，便于光集成或光电集成。缺点是插入损耗大，隔离度低。3MEMS光开关的工作原理和结构3.1原理概述新一代全光网络的核心技术是全光交换，光开关是全网交换中的关键器件，它主要用来实现在全光层的路由选择、波长选择、光的交叉连接以及自愈保护等功能。光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氧化硅等硅基材料，Au、Al等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS关开关由于具有插入损耗和串扰小，隔离度高、消光比高、稳定性好、透明性和可扩展性好、易于集成、对波长不敏感等优点，将成为核心光交换器件的主流。MEMS光开关，其原理是通过静电或者其他控制力使可以活动的微镜发生机械运动，以改变输入光的传播方向，从而实现光开关功能。MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡性、移动光纤对接型、和微镜反射型。在驱动结构方面，静电驱动和磁感应驱动逐渐成为MEMS光开关的主要选择。与静电驱动相比较，磁感应驱动能提供较大的驱动力。但是存在较大的能量损耗、电磁干扰、系统的电磁屏蔽等问题。静电驱动的原理都是通过静电作用使弹性机械结构发生形变，使为平面反射镜发生移动或转动，从而改变光路，起到开关功能。3.2MEMS关开关结构3.2.1二维和三维光开关光开关技术经过多年的发展已渐趋成熟，根据其微镜的转向，光开关器件可分为二维MEMS光开关研究4（2-D）结构和三维(3-D)结构’如图3.1、3.2所示。二维方法提供了非常简单的控制接口，微镜和光纤被排成平面的形式，而且这些反射镜只能处在两种状态之一（开或关），因此其控制电路较简单，但由于二维MEMS技术需要2N个微镜来完成2N个自由空间的光交叉连接.当输入输出端光纤数增加时,光通道路径增加,光束展宽，而且当微镜数量增加,所占面积扩大，这MEMS的角度公差及均匀性都提出了极高的要求,因此二维MEMS光开关规模受到限制。目前商用产品的最大开关矩阵规模只有1616X为进一步提高开关规模。近几年开发了所谓的三维MEMS光开关技术。三维方法的原理也是通过移动反射镜来改变光的方向，但反射镜不被约束在两个位置，而是可以移动到三维空间中的任意位置，这是一个2N的结构,需要两组具有N个镜面的微镜阵列来连接N个输入光束到达N个输出光纤，每一个镜面需独立控制，并且至少要有N个定位，镜面的位置要控制得非常精确，甚至要达到百万分之一度，这种方案的优点是光束传输路径不会对输入输出数目的增加造成限制，可以实现超过1000x1000的光互连。2000年Lucent公司推出了采用三维MEMS技术的WaveStsrLamdaRouter的全光路由系统。其光交叉连接容量可达到224x224，在OFC2001会议上Lucent公司又推出了基于三维MEMS技术的1296X1396端口的光交叉连接原形机，其单端口传送容量达1.6Tbit/s(单纤复用信道数为40个信道,每个信道传送40Gbit/s信号)总传送容量达到(1296x40x40Gbit/s=2.07Pbit/s,)具有严格无阻塞特性,插入损耗为5.1db，串话为-38db(最坏情况)，它使光开关的总交换容量达到了新的数量级。图3.1二维光开关阵列MEMS光开关研究5图3.2三维光开关阵列3.2.2光路遮挡型MEMS光开关MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。具有代表性的光路遮挡性光开关时悬臂式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动为机械光开关，整个器件尺寸约为1-2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并有体硅工艺加工悬梁臂。他利用8个多晶硅pin电池（一种非晶体太阳电池）串联组成发电池。在光信号的作用下，产生3V电压，电容板收到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于光开通状态，如无信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关有远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7uw、开关时间3.7ms、插损小于0.5db。但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。3.2.3移动对接型MEMS光开关图3.3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，又美国加州大学城维斯学校研制。它是一个1x4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约1db.图3.3移动光纤对接型光开关示意图与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不损耗，缺点是开关速度较低，大约为10ms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。MEMS光开关研究63.2.4微镜反射型MEMS光开关相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根