光開(kāi)關(guān)是光通訊的關(guān)鍵部件,是近年來(lái)通訊領(lǐng)域的研究熱門(mén)。文章從光開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面先容了光開(kāi)關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀,重點(diǎn)先容了MEMS光開(kāi)關(guān)的研究與應(yīng)用,對(duì)光開(kāi)關(guān)發(fā)展趨勢(shì)作了分析。
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35 1、 引言
@Ex;9F,Q 光開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)光束在時(shí)間、空間、波長(zhǎng)上的切換,在光網(wǎng)絡(luò)中有很多應(yīng)用場(chǎng)合,是光通訊、光計(jì)算機(jī)、光信息處理等光信息
系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。 廣義上來(lái)說(shuō),光開(kāi)關(guān)可以分為兩個(gè)類(lèi)型:干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依靠于光路之中的相位關(guān)系,通過(guò)普克爾(Pockels)效應(yīng)或熱效應(yīng)一般就可以達(dá)到相位控制。這類(lèi)器件對(duì)環(huán)境非常敏感,尤其是對(duì)環(huán)境溫度。它們對(duì)控制信號(hào)有循環(huán)響應(yīng),這些控制信號(hào)通常需要對(duì)光輸出進(jìn)行監(jiān)視,亦即反饋,以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開(kāi)關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成,它們對(duì)偏振、波長(zhǎng)、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件,要控制這些影響很困難。對(duì)于非干涉儀型開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)功能的動(dòng)態(tài)范圍(或開(kāi)關(guān)比)可以非常高,而另一方面,在干涉儀型開(kāi)關(guān)中的動(dòng)態(tài)范圍,則依靠于干涉束的光功率的精確平衡,而且通常精度較低并較難保持。
?}vzLgp 2、 技術(shù)現(xiàn)狀
-<Jq 這里討論的光開(kāi)關(guān)現(xiàn)狀,主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應(yīng)用或貿(mào)易上有?唇邮艿募夹g(shù)與應(yīng)用。應(yīng)用決定了要求,所以就從已經(jīng)取得貿(mào)易成就的應(yīng)用或近期有看實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用,來(lái)開(kāi)始評(píng)述光開(kāi)關(guān)。近年來(lái),除了改進(jìn)傳統(tǒng)類(lèi)型光開(kāi)關(guān)之外,光開(kāi)關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料,光開(kāi)關(guān)的規(guī)模越來(lái)越大(已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù)),切換速度不斷進(jìn)步(如LiNbO3波導(dǎo)電光效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)已達(dá)到納秒量級(jí)),集成化程度越來(lái)越高。
/Q?~Q0{)es 2.1 非干涉儀型開(kāi)關(guān)
S:ls[9G[3 非干涉儀型開(kāi)關(guān)可用較大變化的方式做出,通常不要求反饋來(lái)確定狀態(tài),光機(jī)型或某些熱開(kāi)關(guān)就屬于這種類(lèi)型。
S8O)/Sg= 2.1.1 微機(jī)械開(kāi)關(guān)
=~J"kC 微機(jī)械開(kāi)關(guān)技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域,融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù),包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等,利用三維加工技術(shù)制造微米或納米標(biāo)準(zhǔn)的零件、部件或集光機(jī)電于一體,完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng),是實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對(duì)于
光纖系統(tǒng)來(lái)說(shuō),微機(jī)械開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開(kāi)關(guān)組件未來(lái)發(fā)展的一個(gè)極有希看的進(jìn)門(mén)途徑。已經(jīng)報(bào)道過(guò)的很多微機(jī)械光開(kāi)關(guān)有兩個(gè)基本途徑:或者通過(guò)微機(jī)械器件把
光線運(yùn)載到與微機(jī)械器件相連的波導(dǎo)或光纖上,或者用微機(jī)械元件來(lái)引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開(kāi)關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段,某些類(lèi)型的商品供給大概不會(huì)太遠(yuǎn)了。
:T_'n, 使用準(zhǔn)直光束和N×N交叉點(diǎn)上的微機(jī)械,可移動(dòng)鏡面,非常直接地實(shí)現(xiàn)N×N交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上,在光束以外,但是可翻轉(zhuǎn),來(lái)截獲光束并使它改變方向。最近這樣的開(kāi)關(guān)已經(jīng)采用微機(jī)械制造工藝實(shí)現(xiàn)了,如圖1所示[1]。其表現(xiàn)出的開(kāi)關(guān)時(shí)間在100μs以?xún)?nèi)。這樣的開(kāi)關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束,例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線,也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來(lái)偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中,單一器件作用就如同N/2(1×2)或N/2(2×2)等開(kāi)關(guān),其中N為被耦合的光束組的數(shù)目。同時(shí)這種構(gòu)造導(dǎo)致了阻塞開(kāi)關(guān),而將這類(lèi)開(kāi)關(guān)裝配到多級(jí)無(wú)阻塞開(kāi)關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。
9nn>O? 微機(jī)械開(kāi)關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開(kāi)關(guān)類(lèi)似的方式,利用自由空間傳播。這類(lèi)開(kāi)關(guān)應(yīng)建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上,如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1×N開(kāi)關(guān)功能的開(kāi)關(guān)。微機(jī)械鏡面通常并排放在襯底上,但是可被傾斜在平面以外,以把進(jìn)射光束反射到多路輸出的一個(gè)位置。各種各樣的波導(dǎo)和基于光纖的微機(jī)械開(kāi)關(guān)已經(jīng)制成;诠饫w的微機(jī)械器件使用微機(jī)械宋產(chǎn)生移動(dòng)光纖的驅(qū)動(dòng)器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復(fù)雜的裝配,但是反映光纖特性的
光學(xué)性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報(bào)道過(guò)使用兩個(gè)V形槽陣列橫向地變換硅微臺(tái)面的1×N光纖開(kāi)關(guān)[3]。
}0QN[$H! 盡管率先將MEMS光開(kāi)關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因最后獲得資金的?椿脺缍鴷簳r(shí)封閉,2002年Onix倒閉,IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nortel收購(gòu), 目前仍有不少的機(jī)構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等)在進(jìn)行MEMS光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開(kāi)關(guān)通過(guò)Telcordia(GR-1073-Core)可靠性測(cè)試,工作3800萬(wàn)次無(wú)一失效,消除了人們對(duì)MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。
xC-BqVJ%_T 2.1.2 光機(jī)型開(kāi)關(guān)
{Q)dU-\ 光機(jī)型開(kāi)關(guān)通過(guò)光束路徑的實(shí)際位移而路由光線。這些開(kāi)關(guān)有賴(lài)于機(jī)械驅(qū)動(dòng),諸如電子繼電器、步進(jìn)電機(jī)和壓電元件等。光機(jī)型開(kāi)關(guān)可提供性能卓越的光學(xué)
參數(shù),諸如損耗、串?dāng)_、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)僅僅在尺寸、開(kāi)關(guān)速度和可靠性等題目上。
4P|$LkI 最普通的光機(jī)型開(kāi)關(guān)的途徑,就是典型的梯度折射率型
透鏡,它使到達(dá)輸進(jìn)光纖的光線準(zhǔn)直,形成了在自由空間中的傳播束。準(zhǔn)直器可被移動(dòng),或準(zhǔn)直光束可被鏡面或棱鏡橫斷,以指引光線到第二透鏡,第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖;阽R面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的開(kāi)關(guān),準(zhǔn)直器的棱鏡運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)都是典型的大范圍1×N開(kāi)關(guān)。使用棱鏡運(yùn)動(dòng)用于開(kāi)關(guān)達(dá)到1×8,而通常使用準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)用于較慢的開(kāi)關(guān)維數(shù)達(dá)到1×100。
#G3` p!" 2.1.3 盡熱開(kāi)關(guān)
Q[M (Wqg 通過(guò)
半導(dǎo)體中的載流子注進(jìn),或在LiNbO3中的普克爾效應(yīng),對(duì)折射率的控制是可實(shí)現(xiàn)的,但是器件的長(zhǎng)度很大,由于開(kāi)關(guān)過(guò)程限于非常小的分支角度。在答應(yīng)器件很長(zhǎng)而不受本錢(qián)限制的材料中,制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛伏地提供了一種使用非晶態(tài)材料的方式,但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎(chǔ)的波導(dǎo),由于它們的折射率對(duì)溫度的強(qiáng)烈依靠關(guān)系,都極其適合熱光應(yīng)用。可是,不能使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成的聚合物,由于它們?cè)谕ㄓ嵵兴玫牟ㄩL(zhǎng)窗口中的損耗太大了。一些公司諸如Akzo Nobel公司等,已經(jīng)為此目的而發(fā)展了具有非常低的本征光吸收損耗的專(zhuān)業(yè)光學(xué)聚合物,對(duì)于1.3和1.5μm兩個(gè)窗口都很好地低于0.1dB/cm。已經(jīng)驗(yàn)證了以這種材料為基礎(chǔ)的片型波導(dǎo)具有的損耗大約為0.08dB/cm。
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