光開關(guān)定義分類

1、1.光開關(guān)是按一定要求將一個光通道的光信號轉(zhuǎn)換到另一個光通道的器件。2.光開關(guān)可使光路之間進(jìn)行直接交換, 是光網(wǎng)絡(luò)中完成全光交換的核心器件,在全光網(wǎng)絡(luò)中, 光開關(guān)可實(shí)現(xiàn)在全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護(hù)等重要功能。3.其中光交叉連接設(shè)備(OXC) 和光分插復(fù)用設(shè)備(OADM) 可以說是全光網(wǎng)的核心。而光開關(guān)和光開關(guān)陣列恰恰是OXC 和OADM的核心技術(shù)。4.全光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的光開關(guān)應(yīng)具有快的響應(yīng)速度、低的插入損耗、低通道串音、對偏振不敏感、可集成性和可擴(kuò)展性、低成本、低功耗、熱穩(wěn)定性好等特性。今后光開關(guān)發(fā)展的方向：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

2、s 到10ps的開發(fā)潛力,可以滿足全光通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(diǎn)目前尚無技術(shù)突破,還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,而且價格昂貴,近幾年要達(dá)到實(shí)用化的水平并投入市場不太可能。目前采用較為成熟的MEMS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(diǎn)設(shè)備，具有非常大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。目前,MEMS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(jì)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

3、建立的,這種方式效率低下,費(fèi)時費(fèi)力),只有運(yùn)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(jì)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(dú)特的挑戰(zhàn),因?yàn)槲㈦娮訖C(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(jì)一個專用的包裝。容許設(shè)計(jì)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。（應(yīng)用光學(xué)2005）常見的光開關(guān)： 1.MEMS光開關(guān)：而MEMS光開關(guān)是基于半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)構(gòu)筑在半導(dǎo)體基片上的微鏡陣列, 即將電、機(jī)械和光集成為一塊芯片, 能透明地傳送不同速率、不同協(xié)議的業(yè)務(wù)。目前已

4、成為一種最流行的光開關(guān)制作技術(shù)。其基本原理通過靜電力或電磁力的作用, 使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動, 從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現(xiàn)光路通斷的功能, 使任一輸入和輸出端口相連接, 且1 個輸出端口在同一時間只能和1個輸入端口相連接。與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開關(guān)相比, MEMS 光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。 MEMS光開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：與現(xiàn)有的基于光波導(dǎo)技術(shù)的光開關(guān)相比, MEMS 光開關(guān)具有低串音、低插損的優(yōu)點(diǎn)成為全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵光器件。同時它既有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn), 又克服了光機(jī)械開關(guān)難以集成和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn), 它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕, 且擴(kuò)展性較好。

5、MEMS光開關(guān)特性：低插入損耗; 低串?dāng)_; 與波長、速率、調(diào)制方式無關(guān); 功耗低; 堅(jiān)固、壽命長; 可集成擴(kuò)展成大規(guī)模光開關(guān)矩陣; 適中的響應(yīng)速度(開關(guān)時間從100ns10ms)。在光交叉連接及需要支持大容最交換的系統(tǒng)中, 基于MEMS 技術(shù)的解決方案已是主流。 MEMS光開關(guān)分類：MEMS 光開關(guān)可以分為二維和三維光開關(guān)。二維光開關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成,光束在二維空間傳輸。準(zhǔn)直光束和旋轉(zhuǎn)微鏡構(gòu)成多端口光開關(guān), 對于M×N 的光開關(guān)矩陣, 光開關(guān)具有M×N個微反射鏡。二維光開關(guān)的微反射鏡具有兩個狀態(tài)0和1(通和斷), 當(dāng)光開關(guān)處于1 態(tài)時, 反射鏡處于由輸

6、入光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的光束傳播通道內(nèi), 將光束反射至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)輸出光纖;當(dāng)光開關(guān)處于0 態(tài)時, 微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi), 由輸入通道光纖出射的光束直接進(jìn)入其對面的光纖。三維MEMS 的微鏡固定在一個萬向支架上, 可以沿任意方向偏轉(zhuǎn)。每根輸入光纖都有一個對應(yīng)的MEMS 輸入微鏡, 同樣, 每根輸出光纖也都有其對應(yīng)的MEMS 輸出微鏡17。因此, 對于M×N 三維MEMS 光開關(guān), 則具有M+N 個MEMS 微反射鏡。由每根輸出光纖出射的光束可以由其對應(yīng)的輸入微鏡反射到任意一個輸出微鏡, 而相應(yīng)的輸出微鏡可以將來自任一輸入微鏡的光束反射到其對應(yīng)的輸出光纖。對于M

7、×N 三維MEMS 光開關(guān), 每個輸入微鏡有N 個態(tài), 而輸出微鏡則具有M個狀態(tài)。目前, Iolon 利用MEMS 實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)的大量自動化生產(chǎn)。該結(jié)構(gòu)開關(guān)時間小余5ms。Xeros 基于MEMS 微鏡技術(shù), 設(shè)計(jì)了能升級到1152×1152 的光交叉連接設(shè)備, 交換時間小余50ms。隨著全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展, 三維MEMS 陣列可成為大型交叉連接的最佳候選者之一?；贛OEMS技術(shù)的光開關(guān)主要有微反射鏡型光開關(guān)、靜電驅(qū)動型光開關(guān)、自由空間交換型光開關(guān)、無透鏡型光纖光開關(guān)等,光開關(guān)的驅(qū)動方式主要有平行板電容靜電驅(qū)動,梳狀靜電驅(qū)動器驅(qū)動,電致、磁致伸縮驅(qū)動,形變記憶合金驅(qū)動,光功率

8、驅(qū)動和熱驅(qū)動等4.MOEMS光開關(guān)所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料,Au、Al等金屬材料,壓電材料及有機(jī)聚合物等其他材料.MOEMS光開關(guān)所用工藝主要有體硅工藝、表面加工工藝和LIGA(Lithographie,Galvano-formung and Abformung,即光刻、電鑄和注塑)工藝. 2.熱光開關(guān)：利用熱光效應(yīng)制造的小型光開關(guān)。熱光效應(yīng)是指通過電流加熱的方法, 使介質(zhì)的溫度變化, 導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變的物理效應(yīng)。折射率隨溫度的變化關(guān)系為：式中n0為溫度變化前的介質(zhì)的折射率, T 為溫度的變化, 為熱光系數(shù), 它與材料的種類有關(guān)

9、。此類開關(guān)采用可調(diào)節(jié)熱量的波導(dǎo)材料, 如Si02、Si和有機(jī)聚合物等。在硅襯底上, 用蒸發(fā)、濺射、光刻、腐蝕等工藝形成分支波導(dǎo)陣列, 然后在每個分支上蒸發(fā)金屬薄膜加熱器和電極。電極加上電流后, 加熱器的溫度使下面的波導(dǎo)被加熱, 溫度上升, 熱光效應(yīng)引起波導(dǎo)折射率下降, 這樣就將光耦合從主波導(dǎo)引導(dǎo)至分支波導(dǎo)。聚合波導(dǎo)技術(shù)是非常有吸引力的技術(shù), 它成本低、串?dāng)_低、功耗小、與偏振和波長無關(guān)。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)很高, 而導(dǎo)熱率很低, 因而能更有效地利用熱來控制光的傳播方向, 開關(guān)時間相對減小可達(dá)lms 以內(nèi)。熱光開關(guān)的速度介于電光開關(guān)和MEMS之間。熱光開關(guān)一種是基于SoS(Silica- on-

10、Silicon)技術(shù),該光開關(guān)具有透明性、高可靠性、亞毫秒級恢復(fù)能力和無阻塞特性, 速度可達(dá)到100s。隨著高密度、高集成度光路的產(chǎn)生, SoS開關(guān)的優(yōu)勢更明顯。目前主要有兩種類型的熱光開關(guān), M- Z 干涉型光開關(guān)和數(shù)字光開關(guān)。干涉型光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊, 但對光波長敏感, 需要進(jìn)行精密溫度控制; 數(shù)字光開關(guān)性能更穩(wěn)定, 只要加熱到一定溫度, 光開關(guān)就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備, 聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高, 因此需要的功率小, 消光比可達(dá)20dB, 但插入損耗較大,一般為34dB。熱光開關(guān)陣列可以和陣列波導(dǎo)光柵集成在一起組成光分插復(fù)用器。熱光開關(guān)體積非常小,可實(shí)現(xiàn)微秒級的交

11、換速度。Y分支有機(jī)聚合物熱光開關(guān)（1x2，通過提高一個通道的溫度使其有效折射率下降，能量轉(zhuǎn)移到一個通道中） 3.液晶光柵開關(guān)：液晶光柵開關(guān)是基于布喇格光柵技術(shù), 利用液晶材料的電光效應(yīng), 采用了更為新穎的結(jié)構(gòu)。液晶開關(guān)內(nèi)包含液晶片、偏振光束分離器(PBS)或光束調(diào)相器。液晶片的作用是旋轉(zhuǎn)入射光的極化角。液晶光開關(guān)的基本原理是: 將液晶微滴置于高分子層面上, 然后沉積在硅波導(dǎo)上, 形成液體光柵。當(dāng)加上電壓時, 光柵消失, 晶體是全透明的, 光信號將直接通過光波導(dǎo)。當(dāng)沒有施加電壓時, 光柵把一個特定波長的光反射到輸出端口。這表明該光柵具有兩種功能: 取出光束中某個波長并實(shí)現(xiàn)交換。 4.聲光光開關(guān)：

12、聲光光開關(guān)是利用介質(zhì)的聲光效應(yīng)。即一定頻率的聲波在聲光介質(zhì)中傳播時, 該介質(zhì)會產(chǎn)生與該聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期變化的彈性形變, 從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化, 形成等效的衍射光柵。其光柵常數(shù)等于聲波波長, 當(dāng)入射光束滿足布喇格衍射條件時, 就可引起光的偏轉(zhuǎn), 偏轉(zhuǎn)角由聲波的頻率和入射光波長決定。因而能提供一種方便地控制光的強(qiáng)度、頻率和傳播方向的手段。 5.半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)：半導(dǎo)體多量子阱超快光開關(guān)在半導(dǎo)體量子阱帶間躍遷( ISB- T) 中, 有超快馳豫時間和大的躍遷偶極矩及躍遷波長可調(diào)諧大的特點(diǎn)。在一種材料InGaAs/AIAsSb 多量子阱中的通信波長上得到了1.2ps 的響應(yīng)時間, 而在另外一種GaN/AIGaN 多量子阱中, 得到了150fs 的超快響應(yīng)時間, 而這有可能制作