光開關(guān)是光通訊的關(guān)鍵部件，是近年來通訊領(lǐng)域的研究熱門。文章從光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面先容了光開關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點(diǎn)先容了MEMS光開關(guān)的研究與應(yīng)用，對(duì)光開關(guān)發(fā)展趨勢(shì)作了分析。 kpreTeA]  
1、 引言 @p` CAB  
   光開關(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。 廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個(gè)類型：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)于非干涉儀型光開關(guān)，開關(guān)功能的動(dòng)態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(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。 V1b_z  
2、 技術(shù)現(xiàn)狀 0<]!G|;|  
這里討論的光開關(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，來開始評(píng)述光開關(guān)。近年來，除了改進(jìn)傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(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)的光開關(guān)已達(dá)到納秒量級(jí))，集成化程度越來越高。 /E  yg*#  
2.1 非干涉儀型光開關(guān) YU0HySP:  
      非干涉儀型光開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機(jī)型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。 ;gu>;_  
2．1．1 微機(jī)械光開關(guān) }GNH)-AG)$  
      微機(jī)械光開關(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)來說，微機(jī)械光開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個(gè)極有�？吹倪M(jìn)門途徑。已經(jīng)報(bào)道過的很多微機(jī)械光開關(guān)有兩個(gè)基本途徑：或者通過微機(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)械元件來引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供給大概不會(huì)太遠(yuǎn)了。 {
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      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)光開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。最近這樣的開關(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)出的開關(guān)時(shí)間在100μs以內(nèi)。這樣的光開關(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)等光開關(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)致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級(jí)無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。 hz|z&vyP  
微機(jī)械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(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光開關(guān)功能的開關(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)械開關(guān)已經(jīng)制成�；�于光纖的微機(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)道過使用兩個(gè)V形槽陣列橫向地變換硅微臺(tái)面的1×N光開關(guān)3]。 8sjHQ)<  
盡管率先將MEMS光開關(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光開關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過Telcordia(GR-1073-Core)可靠性測(cè)試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對(duì)MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。 o/[yA3^  
2．1．2 光機(jī)型光開關(guān) Fh4w0u*Q  
      光機(jī)型光開關(guān)通過光束路徑的實(shí)際位移而路由光線。這些光開關(guān)有賴于機(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、開關(guān)速度和可靠性等題目上。 PdN\0B`  
最普通的光機(jī)型光開關(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�；�于鏡面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的光開關(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光開關(guān)。使用棱鏡運(yùn)動(dòng)用于光開關(guān)達(dá)到1×8，而通常使用準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)用于較慢的光開關(guān)維數(shù)達(dá)到1×100。 "91Atb;hJ  
2．1．3 盡熱光開關(guān) =
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      通過半導(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，由于開關(guān)過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�？墒�，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�用的波長(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。 |3lAye,t)a  
      建立在盡熱模展開基礎(chǔ)上的聚合物波導(dǎo)開關(guān)以1×2到1×8光開關(guān)的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個(gè)1×2s或4個(gè)2×2s光開關(guān)集成陣列，都有現(xiàn)成的商品(JDS Uniphase)。這些盡熱聚合物光開關(guān)，一般都有毫秒級(jí)開關(guān)時(shí)間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設(shè)計(jì)的最重要的優(yōu)點(diǎn)，可能是由于這類光開關(guān)曲線的“數(shù)字”本性，它導(dǎo)致了偏振、波長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓等與溫度低的依靠性。例如，這些盡熱開關(guān)可被同時(shí)用于1．3和1．5μm窗口中的光信號(hào)，具有相同的串?dāng)_與隔離值。還有，更復(fù)雜的器件，諸如盡熱光開關(guān)技術(shù)中集成的8×8光開關(guān)等，都僅要求一個(gè)普通的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)每個(gè)獨(dú)立的光開關(guān)單元，而不像干涉儀型開關(guān)組件那樣，所有的開關(guān)經(jīng)常需要有一組精確的電壓設(shè)定。對(duì)于集成的路由器-選擇器矩陣，這一點(diǎn)成為主要優(yōu)點(diǎn)，由于一個(gè)8×8光開關(guān)有112個(gè)基本的1×2光開關(guān)單元，這就意味著要驅(qū)動(dòng)224個(gè)電極。 ~U*N'>'=)  
2．1．4 液晶偏振光開關(guān) :a!a  
      大部分液晶偏振光開關(guān)是根據(jù)用外電場(chǎng)控制液晶分子的取向而實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的，如圖2所示。在液晶盒內(nèi)裝著相列液晶。通光的兩端安置兩塊透明的電極。未加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子沿電極平板方向排列，與液晶盒外的兩塊正交的偏振片A和B的偏振方向成45°，如圖2(a)所示。這樣液晶具有旋光性，進(jìn)射光通過起偏器A先變?yōu)榫�偏振光，經(jīng)過液晶后，分解成偏振方向相互垂直的左旋和右旋光，兩者的折射率不同(速度不同)，有一定相位差，在盒內(nèi)傳播盒長(zhǎng)間隔上后，引起光的偏振面發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，因此不受檢偏器A阻擋，器件為開啟狀態(tài)。當(dāng)施加電場(chǎng)召時(shí)，液晶分子平行于電場(chǎng)方向，因此液晶不影響光的偏振特性，此時(shí)光的透射率接近于零，處于封閉態(tài)，如圖2(b)所示。撤往電場(chǎng)，由于液晶分子的彈性和表面作用又恢復(fù)原開啟態(tài)。這種開關(guān)靠分子轉(zhuǎn)動(dòng)，因此開關(guān)速度較慢(μs量級(jí))。 l \n:"*To  
2．2 干涉儀型光開關(guān) JOne&{h]J"  
      干涉儀型光開關(guān)通過將輸進(jìn)光分裂成兩個(gè)或者更多的波導(dǎo)通路，這些光線在輸出端再重新組合。由于器件很小，并且光纖中的光信號(hào)的相干長(zhǎng)度經(jīng)常很大，于是重新組合時(shí)形成干涉條紋。輸出波導(dǎo)會(huì)接收到對(duì)應(yīng)于開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)的暗條紋，或?qū)��?yīng)于“開”狀態(tài)的亮條紋，這樣就產(chǎn)生了門功能。對(duì)器件的控制要求，是能夠控制在不伺臂中傳播的光相位差。 Iybpk?,M+  
2．2．1 普克爾效應(yīng)光開關(guān) Olh%"=*;  
      在鈮酸鋰中制造的高速馬赫-曾德爾調(diào)制器[4]，作為已經(jīng)有商品供給的普克爾效應(yīng)光開關(guān)，是通過修整盡緣緩沖層的電性能，或通過用沒有直流偏置來調(diào)整器件運(yùn)行，已經(jīng)給器件提出了電壓穩(wěn)定性題目。這些器件被用來作為2．5Gb／s和10Gb／s的通訊系統(tǒng)的外部調(diào)整器，并已經(jīng)示范過工作在40Gb／s的研究器件。這些器件在整個(gè)直接調(diào)制或電吸收調(diào)制上有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先，外部調(diào)制器把光產(chǎn)生與光調(diào)制分開，增強(qiáng)了光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。隨著可調(diào)激光器被用于通訊系統(tǒng)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得日益重要。其次，外部調(diào)制器可設(shè)計(jì)成具有特殊啁啾值，或具有可變啁啾，來補(bǔ)償光纖色散。一般這種器件有3-4dB的插損、5V的調(diào)制電壓和15-20dB的衰減比。在很多器件中，其他功能諸如相位調(diào)制器或可變衰減器等，都被與調(diào)制器集成在一起，以增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和性能。 F$y