mems光开关

MEMS光开关研究

袁矿英

（深圳大学研究生一年级信息工程学院通信专业2100130220 ）

摘要：光开关是光网络中完成全光交换的核心器件，它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。文章重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用，并就其他光开关作了简要介绍。文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，并详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和发展趋势，概述了光开关的各种性能指标。最后文章介绍了MEMS光开关的发展动态。

关键词 MEMS光开关全光网络

1 引言

光开关是光纤通信系统重要的光器件之一，具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行互相转换或逻辑操作。光开关可用于光纤通信系统、光线测量系统、以及光纤传感系统中，起到切换光路的作用。交换作为光网络中的关键技术，而光交换系统的基本单元是光开关，作为光通信中的一种重要器件，人们对光开关的研究已有二三十年的历史。由于人们对器件材料、器件工作原理和加工工艺等多方面认识和研究的不断深化。光开关的类型呈现出多元化发展的趋势。

当今通信研究中，如何实现大规模数据在任意两点的高速、高效、可靠的传输，一直是通信研究的方向。光纤通信的出现，为高速信息传输提供了巨大的频带资源，目前世界大约85%的通信业务京广线传输，长途干线网和本地网也已广泛使用光纤。同时，随着密集波分复用（DWDM）技术的应用和新型光通信器件技术的发展，光联网（OTN）已成为下一代高速度宽带通讯网络的发展趋势。光联网技术以新型光开关、光放大器、光衰减器、光限幅器等器件为核心技术。九十年代中期，密集波分复用技术（DWDM）的应用为宽带高速光联网的发展提供了可能，同时也对作为光通信网络连接的光交叉互联系统（OXCS）和波长上下路复用上下路技术的核心器件。OXCS中的光开关矩阵可实现动态光路经管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。Internet数据业务的迅猛增长产生了对光纤通信技术带宽资源的极大需求，同时，通信网络的发展对光开关提供了新的要求，未来的全光网络需求全光开关构成的光交换机完成信号路由功能，以实现网络的高速率和协议透明性。

传统的机械光开关速度慢、体积大、不易大规模集成，难以适应光传输网的传输要求，这限制了其在未来光通信领域的应用。新型的以微电子机械系统

（Micro-Electro-Mechanical-System）简称MEMS为基础的微机械光开关称为大容量光交换光网络开关发展的主流方向。MEMS是指采用微机械加工技术，可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批量制作、可集成等特点。具有广阔的应用前景。微机械光开关是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，他具有对数据格式透明、与偏振无关、插损小、速度慢、容易集成的优点。

因此对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置光开关的主要性能指标参数有：交换速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等，这些因素在光开关进行级联时将影响网络的性能。

1.1 本文的主要工作

文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，讲解了关开关的具体类型并。重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用，并就其他光开关作了简要介绍。研究了MEMS静

电驱动扭臂式光开关的原理与运动过程，并对其进行分析，得出影响系统性能的因素。

文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，包括微光机电系统,技术.气泡技术.液晶技术.全息光栅技术.热光技术及声光技术等"并详细分析了各种技术相应的发展状况，技术特点和发展趋势，概述了光开关的各种性能指标。

2 光开关的应用范围

光开关是全光交换的关键器件，可以实现全光层的路由选择、波长选择、交叉连接以及自愈保护功能。目前光开关主要应用在以下几个方面：

·光交叉(0XC)

在全光网络中，OXC是设备的交换核心，它的功用是将一个波分复用(WDM)系统输出的波长插入到另一个WDM系统中。OXC主要应用于若干王，对不同的业务进行汇聚和交换。

·实现网络的自动保护

光开关通常用于网络的故障恢复。这种保护通常只需要最简单的1x2光开关。

·网络监视功能

使用简单的1xN光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上(如OTDR)，通过光开关的动作实现网络在线监测。

·光纤通讯器件测试

通过1xN光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件，使用光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率。

·光上/下路复用（OADM）

0ADM是光网络关键设备之一，通常用于环行的城域网和骨干网，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2x2光开关。

2.1 光开关的主要性能参数

光交叉互连(OXC)技术就是其中的一项关键技术，光开关则是OXC中的关键器件，尤其是无需光电、电光转换的全光交叉互连器件，其技术水平直接决定着光通讯网络的性能。因此对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置。

全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等，这些因素在光开关进行级联时将影响网络的性能。

2.2 光开关的种类

1：根据输入和输出端口数不同，光开关可分为1x2、1x2、1xN、2x2、MxN等多种，他们在不同场合中有不同用途。

（1）1x1光开关：主要应用于光纤测试技术中，控制光源的接通和断开。

（2）1x2光开关：其典型应用是光环路中的主备倒换，在光纤断裂或传输发生故障时，可通过光开关改变业务的传输路径，实现对业务的自动保护。

（3）1xN光开关：可用于光网络监控和光纤通信的测试中，在远端光纤测试点通过此种开关把多根光纤接到一个光时域反射仪（OTDR）,通过光开关倒换，实现对所有光纤监测，或者插入网络分析仪实现网络在线分析。当1xN光开关应用于光传感系统时，可实现空分复用和时分复用。

（4）2x2光开关：利用此开关可以组成MxN光开关矩阵，这种开关矩阵是OXCD的核心部件。OXC主要实现动态的光路径管理、全光网络的故障保护并可灵活增加新业务。

2：根据光开关的交换介质可分为自由空间光开关和波导交换光开关。