文章導讀
什么是光開關？簡述MEMS光開關的工作原理MEMS光開關的結構MEMS光開關與機械式光開關MEMS光開關具有哪些優(yōu)勢MEMS光開關可應用于哪些領域全光網(wǎng)絡中的MEMS光開關什么是光開關？
光開關是在一定范圍內(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，是實現(xiàn)光交叉連接、 光分插復用、網(wǎng)絡監(jiān)控以及自愈保護等功能的核心器件。
其實現(xiàn)技術多種多樣，包括：機械光開關、熱光開關、聲光開關、電光開關、磁光開關、液晶光開關和MEMS光開關等。傳統(tǒng)的以電為核心的開關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。其中MEMS光開關具有尺寸小、功耗低和擴展性好的特點，因而得到廣泛的應用。
簡述MEMS光開關的工作原理
什么是MEMS？MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）是指將微型機械、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)，微機械結構的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學腐蝕、晶片鍵合等，同時在機械結構上制備了電極，以便通過電子技術進行控制。
MEMS是一種微電機系統(tǒng)，在制備微機械結構之后，需要以電子技術進行驅(qū)動。典型的驅(qū)動機制包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。在MEMS器件的所有驅(qū)動機制中，靜電引力結構因制備簡單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應用。
MEMS光開關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現(xiàn)光路通斷的功能。MEMS光開關切換光波路由是通過外部控制信息以及相應的高低電平控制內(nèi)部微鏡片抬升與否來完成的。
MEMS光開關的工作原理一般說來，MEMS光開關從空間結構上可分成這樣兩種，即2D開關和3D開關。
(a) 2-D(b) 3-D Source: ResearchGate2D MEMS的空間旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的旋轉(zhuǎn)控制被接到指定的輸出端。當微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉(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的輸出端口輸出。在3D MEMS光開關中，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光開關的結構
光開關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端口光開關又稱OXC（光交叉連接開關、矩陣光開關）?；贛EMS技術的1×N端口光開關，其結構如圖所示，它包括一個MEMS微鏡、一個準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并固定在一起。
基于MEMS技術的1×N端口光開關結構MEMS光開關與機械式光開關
機械光開關的工作原理是借助機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，將輸入端的光導向所需要輸出的端口。機械式光開關分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術，二是采用反射鏡切換技術，三是通過移動光纖切換光路。
機械式光開關MEMS光開關是 基 于 微 機 電 系 統(tǒng)（micro-electro-mechanical system），采用光學微鏡或光學魏鏡陣列來改變光束的傳播方向?qū)崿F(xiàn)光路的切換。MEMS光開關原理十分簡單，當進行光交換時，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的不同輸出端以實現(xiàn)光路的切換及通斷。
MEMS光開關機械式光開關 VS MEMS光開關MEMS光開關具有哪些優(yōu)勢
MEMS光開關可實現(xiàn)對全光網(wǎng)的全面遠程控制，具有可集成化、功耗低、成本低的主要優(yōu)勢。MEMS光開關同時具備了機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開關的高開關速度、小體積、易于大規(guī)模集成的優(yōu)點。各項性能足以滿足DWDM全光網(wǎng)絡的技術要求，將會是大容量交換光網(wǎng)絡開關發(fā)展的主流方向。 MEMS器件單批產(chǎn)量高，經(jīng)濟性好，且器件與器件之間重復性好，為降低系統(tǒng)成本提供了更多的可能性。
MEMS光開關可應用于哪些領域
MEMS光開關及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應用范圍很廣。其應用范圍主要有：光網(wǎng)絡的保護倒換系統(tǒng)，光纖測試中的光源控制、網(wǎng)絡性能的實時監(jiān)控系統(tǒng)、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心，光插/分復用、光學測試、光傳感系統(tǒng)等。
MEMS光開關應用領域可應用于MCS（多播交換光開關）
基于PLC技術及MEMS技術的多播交換光開關（MCS），是下一代可重構光分插復用系統(tǒng)（ROADM）的關鍵組成部分；每個功能單元由M個獨立的Splitter和N個獨立的MEMS光開關組成；提供N個上路（或下路）端口至M個方向的連接。
可應用于iODF（智能光配）
通過光開關級聯(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。
構建OXC（光交叉連接）設備的交換核心
在全光交換系統(tǒng)中，光開關是光交叉互連OXC的關鍵器件。通過光開關級聯(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)中心關鍵線路的需求。
可應用于光性能監(jiān)控
與TOF或者OPM集成，結合監(jiān)控軟件，通過時分復用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、DCI等。
可應用于光纜監(jiān)測
與OTDR集成，結合監(jiān)控軟件，通過時分復用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，對光開關的光學性能，如插損，回損，重復性等要求高。
可應用于DWDM系統(tǒng)
信道功率均衡、鏈路節(jié)點功率衰減、光接收機的入光保護、光線路通斷快速控制。
全光網(wǎng)絡中的MEMS光開關
首先什么是全光網(wǎng)？全光網(wǎng)（AON， All Optical Network）指的是網(wǎng)絡傳輸和交換過程全部通過光纖實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程都在光域內(nèi)進行，只是在進出網(wǎng)絡時才進行電/光和光/電的變換。因為不必在其中實現(xiàn)電光和光電轉(zhuǎn)換，因此能大大提高網(wǎng)速。全光網(wǎng)的主要技術有光纖技術、SDH、WDM、光交換技術、OXC、無源光網(wǎng)技術、光纖放大器技術等。
全光網(wǎng)結構在全光網(wǎng)絡各種設備器件當中，光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）可以說是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術。而光開關和光開關陣列又是OXC和OADM的核心技術。利用MEMS技術制作的新型光開關，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、方便擴展、有利于降低成本。
近年來，MEMS光開關廠家億源通聚焦大通道多芯光纖準直器的研究，突破了高密度光纖規(guī)則緊湊排布工藝難題。同時掌握了多維光開關的光學系統(tǒng)設計能力。目前億源通已經(jīng)具備1×48光開關批量生產(chǎn)能力，未來億源通將發(fā)布1×64 MEMS光開關等更高通道光開關。
