什么是MEMS光开关(MEMS Optical Switches)?

发布时间:2023-04-20 00:00:00.000Z

光开关是能够有选择地将光信号从一根光纤切换到另一根光纤的装置,而无需将信号转换为电信号。它们可以基于不同的原理,如电光、热光、声光和微机电系统(MEMS)技术。

微机电系统,或称MEMS,指的是融合了微机械、微执行器、信号处理和控制电路的微型设备或系统。它们是光通信系统中的重要组成部分,能够实现光信号的路由和切换。微机械结构的创建涉及各种技术,如光刻、离子束蚀刻、化学蚀刻、晶圆粘接等等。


图1:MEMS光开关的示意图

电子技术是通过静电吸引、电磁力、电摩擦和热电偶等机制来驱动MEMS器件。静电吸引涉及使用电荷来吸引或排斥MEMS结构,而电磁力则利用磁场来产生运动。另一方面,电致伸缩取决于外加电场导致的材料变形,而热电偶则是将温度梯度转换为电信号以产生机械运动。在这些机制中,静电吸引是MEMS设备中最常用的技术,因为其制备简单,易于控制,且功耗低。MEMS光学开关的原理图见图1。

为了制造一个MEMS光学开关,一些小镜子被蚀刻在硅晶体上。在MEMS光学开关中,微镜被用来反射光束。通过利用静电或电磁力,微阵列可以被旋转以改变输入光的方向,有效地打开或关闭光路。

MEMS光学开关的结构


图2:MEMS光学开关的结构

MEMS光开关有两种基本类型的端口配置: 矩阵式配置和扇出式配置。在矩阵型或对称配置中,有多个输入和输出端口,以矩阵形式排列。2 x 2和N x N是这种类型配置的例子。当光交换机有N x N个端口时,通常被称为光交叉连接(OXC)。在扇出型或不对称配置的情况下,有一个输入端口和多个输出端口以扇出模式排列。这种类型的一些例子是1×1、1×2、1×3、1×4等。

一个MEMS光开关的结构如图2所示。


图3:1 x N MEMS光开关的结构

基于MEMS的1 x N光学开关的结构,由MEMS扭转镜、准直透镜和多光纤尾纤组成。MEMS镜通常装配在TO(晶体管外形)底座上,然后准直透镜通过TO帽连接到子组件上。因此,该子组件与多纤维尾纤主动对齐。一个1x N MEMS光学开关的结构如图3所示。
 

基于MEMS的光学开关的原理

光开关的工作原理取决于开关中使用的具体技术,它可以基于不同的原理,如电光、热光、声光和微机电系统(MEMS)技术。当光信号进入开关时,它被引导到开关元件,然后将信号重新定向到所需的输出光纤。开关元件由外部信号控制,如电信号或声信号,这决定了光信号的路由。


图4:基于MEMS的光开关示意图

在MEMS光开关的情况下,它基于微电子机械系统运作,采用光学微镜或微镜阵列来操纵光束的方向和改变光路。它们的工作原理非常简单,使用可以通过电或磁力移动的微小镜子来控制光束的方向。通过改变这些镜子的角度,开关可以将光送到不同的地方,根据需要打开或关闭光。基于MEMS的光学开关的原理图见图4。

当输入的光信号入射到微镜上时,镜子的角度就会改变,光就会反射到不同的输出端。镜子的这种移动是通过向集成在镜子结构中的静电致动器施加电压或磁场来控制的。

 

MEMS光学开关的工作原理


图5:MEMS光学开关的工作原理

MEMS光学开关的工作原理如图5所示。来自输入光纤的光被准直到第一个旋转镜上。然后,它以第一面镜子的位置决定的不同角度被引导到第二面镜子上。这导致了不同的光配置,每个光都在一个独特的方向上移动。在每个输出通道上,光被准直带回光纤中。MEMS微控制器通过机械地将镜子倾斜到用户定义的开关位置来控制其方向。

MEMS光学开关的类型

就空间结构而言,基于MEMS的光开关可分为两种类型:2D开关和3D开关。

二维开关的镜面只在一个平面上旋转,而三维开关的镜面可以在多个平面上旋转,为光信号的路由提供了更大的灵活性。


图6:二维MEMS光学开关的结构

二维MEMS光学开关通过利用表面微机械制造技术在硅衬底上集成了一个旋转镜。通过控制微镜的旋转,准直的光线可以被引导到指定的输出端。当微镜处于水平状态时,光束可以通过它。而且,当微镜垂直于硅衬底旋转时,它反射入射光束,使光能通过微镜的相应输出端口。

添加和删除端口通常位于开关的边缘,远离二维MEMS光学开关的输入和输出端口的主网格。它们用于从多通道光信号中添加或删除单个通道。一个添加端口用于为现有的光信号添加一个新的通道,另一方面,一个删除端口用于从多通道光信号中删除一个特定通道。


图7:三维MEMS光开关的结构

在3D MEMS光开关的情况下,微镜可以沿两个轴旋转,允许不同的角度来改变光路的输出。这种三维开关的多个微镜以网格模式排列,每个镜面可以沿两个方向旋转,为光信号的路由提供更多的自由度。这些阵列通常成对出现,输入光到达第一个阵列镜,反射到第二个阵列镜,然后再次反射到输出端口。

MEMS光开关的优势

插入损耗
低串扰
低偏振敏感性
高消光比
高开关速度
高可靠性
低功率消耗
尺寸紧凑
高集成度
 

MEMS光开关的劣势    

成本高
可扩展性有限
对环境因素很敏感
波长范围有限


MEMS光开关的应用

MEMS光开关用于光交叉连接,以实现不同输入和输出光纤之间的光信号路由。

这些设备可以从一个多波长的光信号中增加和减少单个波长的光。它们可用于将单个波长的光切换到不同的输出光纤。

MEMS光开关可用于在光包交换网络中的不同输入和输出光纤之间切换光包。它们也可用于光学测试和测量设备中,在不同的光通道之间进行切换,以进行测试和分析。

这些光开关还可用作光学传感器,检测特定光纤或通道中是否有光。

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