關(guān)鍵詞: 　微機(jī)電系統(tǒng); 光開關(guān); 光通信

Abstract: M EM S (m icro2elect ro2mechanical system ) is a new fabricating technique, Which is widely used in the optical communication and has a great value in the communication market. The optical switch is animportant passive device,which can selectively control optical signals in the optical communication of opticalnetwo rk system. The new type of optical switch, which is made with M EM S, has many advantages, such as small size, light weight, low consump t ion and high integralization. Therefore, the research on the optical switch has become an object which more and more expertsare hunting for. In th is paper, theM EM S and its main characterist ics are briefly int roduced, the app licat ion ofM EM S in the optical communication tho rough ly described, and the st ructure, the trend of development and the main p roblem s of the M EM S optical switch are analyzed respect ively.
Keywords: M EM S; optical switch; optical communication
1　M EM S 技術(shù)
M EM S (M icro2Elect ro2M echan ical Sys2tem )
技術(shù)也稱作微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù), 是指可批量制作并集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理及控制電路、接口、電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。M EM S 是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。M EM S技術(shù)的主要特點如下。
1) 微型化。M EM S 器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。
2) 以硅為主要材料的機(jī)械電器性能優(yōu)良。硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng), 密度類似鋁, 熱
傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。
3) 可批量生產(chǎn)。用硅微加工工藝可在一塊硅片上同時制造成百上千個微型機(jī)電裝置或完整的
M EM S。
4) 集成化�？梢园巡煌�功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體, 或形
成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列, 甚至可以把多種功能的器件集成在一起, 形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。
5) 多學(xué)科交叉。M EM S 涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科, 并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。
2　M EM S 光開關(guān)
2. 1　M EM S 光開關(guān)在光纖通信中的應(yīng)用光纖通信在實現(xiàn)了高速、大容量點對點的傳輸
后, 于上世紀(jì)末已進(jìn)入了光纖網(wǎng)絡(luò)時代。M EM S 在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分寬廣, 幾乎所有光網(wǎng)絡(luò)中的各個組成單元都能采用M EM S 制作器件,并由此產(chǎn)生了一個新名詞: 微光電機(jī)械系統(tǒng)(MO 2EM S)。利用M EM S 技術(shù)可以制作光纖通信傳輸網(wǎng)中的許多器件, 如光分插復(fù)用器(OADM )、光交叉連接開關(guān)矩陣(OXC2A S)、光調(diào)制器、光濾波器、波分復(fù)用解復(fù)用器、可調(diào)諧微型垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL )、可變光衰減器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透鏡陣列等多種微型光學(xué)器件。光開關(guān)是較為重要的無源光學(xué)器件, 它可在光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中對光信號進(jìn)行選擇性開關(guān)操作。隨著光信號傳送業(yè)務(wù)量的快速增長, 以及接入網(wǎng)和高速數(shù)據(jù)網(wǎng)大容量高速交換的需求, 組建全光傳輸網(wǎng)絡(luò)成為光通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。光交叉連接(OXC) 技術(shù)是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。OXC 系統(tǒng)作為全光網(wǎng)絡(luò)不可缺少的節(jié)點設(shè)備, 可以使全光網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行直接交換和交叉連接。它與當(dāng)前應(yīng)用的電交叉連接相比, 省去了光2電及電2光變換過程, 設(shè)備相應(yīng)簡化。采用直接交換和交叉連接不僅可以減少干擾的可能性, 而且可以盡
快消除同步網(wǎng)絡(luò)中的干擾, 提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性, 還可以使光傳輸系統(tǒng)無中繼傳送更長的距離。在OXC 設(shè)備中, 光開關(guān)及更為復(fù)雜的光開關(guān)矩陣系統(tǒng)是其關(guān)鍵器件。傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)雖然串音小, 重復(fù)性好, 插入損耗低, 價格相對便宜, 但隨著現(xiàn)代光通信的發(fā)展, 要求光開關(guān)器件具有更高的工作速度、更低的插入損耗和更長的工作壽命。在器件的體積上, 由于全光網(wǎng)單元器件的增多, 為使器件小型化, 就要求器件有更高的集成度; 在成本方面, 由于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充, 所需器件將會大大增加新的光網(wǎng)絡(luò)核心器件技術(shù), 并對光開關(guān)提出更高的要求。由此也帶來了光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高昂的成本。因此,必須采取技術(shù)措施發(fā)展新技術(shù), 降低光學(xué)器件的成本, 這樣才能被用戶所接受。用傳統(tǒng)手段制造的光開關(guān)難以滿足上述要求, 在此情況下,M EM S 光開關(guān)應(yīng)運而生。M EM S 光開關(guān)技術(shù)被認(rèn)為是一項革命性技術(shù), 給光通信領(lǐng)域帶來了一系列前所未有的M EM S 研究熱。人們對M EM S 光開關(guān)研究始于20世紀(jì)90 年代中期。雖然起步較晚, 但發(fā)展較快, 而且研究單位和研究者眾多, 成為一種最流行的光開關(guān)制作技術(shù)。貝爾實驗室的“跌撓板”式光開關(guān), 被稱為世界上第一個有實用價值的M EM S 光開關(guān);美國OMM 公司的“Cro2GuaN ”光開關(guān)號稱世界上
第一個M EM S 光開關(guān), 該公司的小陣列(4×4 和8×8) 光開關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入實用階段, 大于32×32 陣列的光開關(guān)也在開發(fā)之中; 另外, 美國O n ix 公司也制作了基于微鏡技術(shù)的光開關(guān), 其中微鏡技術(shù)是該公司的專利技術(shù)。在M EM S 光開關(guān)的制作中, 這些國外的研究單位和公司大多采用了M EM S 平面工藝。
2. 2　M EM S 光開關(guān)技術(shù)
一般說來,M EM S 光開關(guān)從空間結(jié)構(gòu)上可分成兩種: 2D 開關(guān)和3D 開關(guān)。這兩種結(jié)構(gòu)在如何控
制和引導(dǎo)光束的能力方面有很大的差別, 可以在光通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮各自不同的作用。在2D 開關(guān)中, 微鏡的排列只有兩個位置, 即開和關(guān)兩種狀態(tài)。這種排列極大地減化了控制電路的設(shè)計, 一般只需提供足夠的驅(qū)動電壓使微鏡發(fā)生動作即可, 但是當(dāng)要擴(kuò)展成大型光開關(guān)陣列時, 這種結(jié)構(gòu)的弱點便顯露出來了。因為各個輸入輸出端口之間的光路傳輸距離各有不同, 所以各端口的插入損耗也不同, 這就使2D 光開關(guān)只能用在端口較少的環(huán)路里。這種二維光開關(guān)陣列插入損耗小于4dB, 開關(guān)時間小于10m s。由于受光程損耗的限制, 最大可以實現(xiàn)32×32 端口。如果要想實現(xiàn)更高端口密度, 則在技術(shù)上十分困難。在3D M EM S 光開關(guān)中, 微鏡能沿著兩個方向的軸任意旋轉(zhuǎn), 因此可以用不同的角度來改變光路應(yīng)用光學(xué)的輸出。在N ×N 的陣列中, 它只需要N 或2N 個
微鏡即可; 但是如果只有N 個微鏡, 則每個鏡的有限旋轉(zhuǎn)角度將會引入新的插入損耗。因此, 現(xiàn)在多采用兩組微鏡陣列(2N )。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是由光程差所引起的插入損耗對光開關(guān)陣列端口數(shù)的擴(kuò)展將不會產(chǎn)生很大的影響。但是, 另一方面, 它所需要的控制電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計將會變得較為復(fù)雜。利用M EM S 技術(shù)制作的新型光開關(guān)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)和集成化, 方便擴(kuò)展, 有利于降低成本。此外,M EM S 光開關(guān)與信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振作用、傳輸方向等均無關(guān),并在進(jìn)行光處理過程中不需要進(jìn)行光2電或電2光轉(zhuǎn)換。特別是大規(guī)模光開關(guān)陣列, 幾乎非M EM S 技術(shù)而不能實現(xiàn), 而OXC 必須使用大規(guī)模光開關(guān)陣列。因此, 大規(guī)模M EM S 光開關(guān)陣列已經(jīng)成為目前發(fā)展全光通信技術(shù)中極其重要的技術(shù)路線。
3　M EM S 光開關(guān)的發(fā)展和目前存在的主要問題隨著光通信的發(fā)展, 一些國際通信公司也大力
開發(fā)制造新型光開關(guān)。其中光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)的技術(shù)發(fā)展較快, 其開關(guān)時間具有幾個p s到10p s 的開發(fā)潛力, 可以滿足全光通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速光交換、光交叉連接的要求。因此, 光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)是今后光開關(guān)的發(fā)展方向。但是, 光調(diào)制光開關(guān)和波導(dǎo)調(diào)制光開關(guān)串音大的缺點目前尚無技術(shù)突破, 還處于實驗室研究階段, 而且價格昂貴, 近幾年要達(dá)到實用化的水平并投入市場不太可能。目前采用較為成熟的M EM S 技術(shù)研制開發(fā)光開關(guān)、光開關(guān)列陣, 并在此基礎(chǔ)上組建、完善全光交換機(jī)及其交換矩陣系統(tǒng)等全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備, 具有非常大的現(xiàn)實應(yīng)用價值。目前,M EM S 技術(shù)還存在一些問題: 一是迫切需要用于微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的先進(jìn)的模擬工具和模型建立工具(大多數(shù)微電子機(jī)械設(shè)備都是用功能差的不能準(zhǔn)確預(yù)測執(zhí)行情況的分析工具來建立的, 這種方式效率低下, 費時費力) , 只有運用合適的開發(fā)工具, 并配以連通高性能工作站以及本地的和遠(yuǎn)程的超級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)才能從根本上改變這種局面; 其次, 微電子機(jī)械系統(tǒng)的包裝面臨獨特的挑戰(zhàn), 因為微電子機(jī)械裝置形狀差異大, 并且部分裝置還要求放置于特定的環(huán)境中, 所以幾乎每開發(fā)一套微電子機(jī)械系統(tǒng)就需要為其設(shè)計一個專用的包裝。容許設(shè)計者從已有的標(biāo)準(zhǔn)包中挑選出新的微電子機(jī)械設(shè)備的包裝也不失為一個較好的辦法。
4　結(jié)論
目前,M EM S 光開關(guān)及其陣列在現(xiàn)有光通信中的應(yīng)用越來越廣泛。長途傳輸網(wǎng)中的光開關(guān)ö均
衡器、發(fā)射功率限幅器, 城域網(wǎng)中的監(jiān)控保護(hù)開關(guān)、信道均衡器、增益均衡器, 以及無源網(wǎng)中的調(diào)制器等都需要光開關(guān)及其陣列�？傊�, 大力發(fā)展M EM S技術(shù)和M EM S 光開關(guān)具有非常大的市場價值和理論價值。