超光MEMS光开关技术

MEMS技术被认为是一项革命性技术，给光通信领域的应用带来了一系列前所未有的MEMS研究热潮．这些研究被称为MOEMS〔微光学电子机械系统〕。人们对MEMS光开关研究始于20世纪90年代中期．虽然起步较晚，但发展较快，而且研究单位和研究者众多．成为一种最流行的光开关制作技术．贝尔实验室的“跌挠板”式光开关，被称为世界上第一个有实用价值的MEMS光开关；美国的OMM公司的“Cros-GuaN”光开关号称世界第一个MEMS光开关，该公司的小阵列(4×4和8×8)光开关产品已进入实用阶段，大于32×32阵列的光开关也在开发之中；另外。美国的Onix公司也制作了基于微镜技术的光开关，其中微镜技术是该公司的专利技术．在MEMS光开关的制作中，这些国外的研究单位和公司大多采用了MEMS平面工艺。
      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。这两种结构在如何控制和引导光束的能力方面有很大的差别，可以在光通讯网络中发挥各自不同的作用。在2D开关中，微镜的排列只有两个位置，即开和关两种状态，其结构如图3所示。这样极大地减化了控制电路的设计，一般只需提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，这种结构的弱点便显露出来了。因为各个输入输出端口之间的光路传输距离各有不同，所以各端口的插入损耗也不同，这就使2D光开关只能用在端口较少的环路里。这种二维光开关阵列插人损耗小于4dB，开关时间小于10ms。由于受光程损耗的限制，最大可以实现32x32端口。如果要想实现更高端口密度，则在技术上十分困难。
      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，这样在N×N的阵列中它只需要N或2N个微镜即可。但是如果只有N个微镜，则每个镜的有限旋转角度将会引入新的插入损耗。因此，现在多采用两组微镜阵列(2N)，如图4所示。这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展将不会产生很大的影响。但是另一方面，它所需要的控制电路和结构设计将会变得较为复杂。
      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。此外MEMS光开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行光处理过程中不需要进行光／电或电／光转换。特别是大规模光开关阵列，几乎非MEMS技术而不能实现。而OXC必需使用大规模光开关阵列。因此大规模MEMS光开关阵列已经成为目前发展全光通信技术中极其重要的技术路线。
      另外MEMS光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围也很广。长途传输网中的光开关／均衡器，发射功率限幅器；城域网中的监控保护开关、信道均衡器、增益均衡器；无源网中的调制器等都需要光开关及其阵列。