文章導讀
什么是光開(kāi)關(guān)？簡(jiǎn)述MEMS光開(kāi)關(guān)的工作原理MEMS光開(kāi)關(guān)的結構MEMS光開(kāi)關(guān)與機械式光開(kāi)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)具有哪些優(yōu)勢MEMS光開(kāi)關(guān)可應用于哪些領(lǐng)域全光網(wǎng)絡(luò )中的MEMS光開(kāi)關(guān)什么是光開(kāi)關(guān)？
光開(kāi)關(guān)是在一定范圍內將光信號從一個(gè)光通道轉換成另一個(gè)光通道的器件，具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口，是實(shí)現光交叉連接、 光分插復用、網(wǎng)絡(luò )監控以及自愈保護等功能的核心器件。
其實(shí)現技術(shù)多種多樣，包括：機械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)和MEMS光開(kāi)關(guān)等。傳統的以電為核心的開(kāi)關(guān)逐漸的不能滿(mǎn)足高速大容量光通信的需求， 慢慢的市場(chǎng)上出現了全光開(kāi)關(guān)。其中MEMS光開(kāi)關(guān)具有尺寸小、功耗低和擴展性好的特點(diǎn)，因而得到廣泛的應用。
簡(jiǎn)述MEMS光開(kāi)關(guān)的工作原理
什么是MEMS？MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）是指將微型機械、微型執行器、信號處理和控制電路等集于一體的可批量制作的微型器件或系統，微機械結構的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學(xué)腐蝕、晶片鍵合等，同時(shí)在機械結構上制備了電極，以便通過(guò)電子技術(shù)進(jìn)行控制。
MEMS是一種微電機系統，在制備微機械結構之后，需要以電子技術(shù)進(jìn)行驅動(dòng)。典型的驅動(dòng)機制包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。在MEMS器件的所有驅動(dòng)機制中，靜電引力結構因制備簡(jiǎn)單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應用。
MEMS光開(kāi)關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過(guò)靜電力或電磁力的作用，使微鏡陣列產(chǎn)生轉動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)現光路通斷的功能。MEMS光開(kāi)關(guān)切換光波路由是通過(guò)外部控制信息以及相應的高低電平控制內部微鏡片抬升與否來(lái)完成的。
MEMS光開(kāi)關(guān)的工作原理一般說(shuō)來(lái)，MEMS光開(kāi)關(guān)從空間結構上可分成這樣兩種，即2D開(kāi)關(guān)和3D開(kāi)關(guān)。
(a) 2-D(b) 3-D Source: ResearchGate2D MEMS的空間旋轉鏡通過(guò)表面微機械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準直光通過(guò)微鏡的旋轉控制被接到指定的輸出端。當微鏡為水平時(shí)，可使光束從該微鏡上面通過(guò)，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時(shí)，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出。在3D MEMS光開(kāi)關(guān)中，微鏡能沿著(zhù)兩個(gè)向的軸任意旋轉，因此它可以用不同的角度來(lái)改變光路的輸出，這些陣列通常是成對出現，輸入光線(xiàn)到達第一個(gè)陣列鏡面上被反射到第二個(gè)陣列的鏡面上，然后光線(xiàn)被反射到輸出端口。
MEMS光開(kāi)關(guān)的結構
光開(kāi)關(guān)是一種多端口光器件，端口配置情況有：2×2，1×N，N×N，其中N×N端口光開(kāi)關(guān)又稱(chēng)OXC（光交叉連接開(kāi)關(guān)、矩陣光開(kāi)關(guān)）?；贛EMS技術(shù)的1×N端口光開(kāi)關(guān)，其結構如圖所示，它包括一個(gè)MEMS微鏡、一個(gè)準直透鏡和一個(gè)多纖插針。MEMS微鏡通常貼裝在一個(gè)TO管座上，然后通過(guò)TO管帽將準直透鏡與TO管座組裝成一個(gè)組件，最后在有源調試狀態(tài)下，將多纖插針與前述組件對準并固定在一起。
基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開(kāi)關(guān)結構MEMS光開(kāi)關(guān)與機械式光開(kāi)關(guān)
機械光開(kāi)關(guān)的工作原理是借助機械裝置物理地移動(dòng)光纖來(lái)重定向光信號。通過(guò)移動(dòng)棱鏡或定向耦合器，將輸入端的光導向所需要輸出的端口。機械式光開(kāi)關(guān)分主要有3種類(lèi)型：一是采用棱鏡切換光路技術(shù)，二是采用反射鏡切換技術(shù)，三是通過(guò)移動(dòng)光纖切換光路。
機械式光開(kāi)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)是 基 于 微 機 電 系 統（micro-electro-mechanical system），采用光學(xué)微鏡或光學(xué)魏鏡陣列來(lái)改變光束的傳播方向實(shí)現光路的切換。MEMS光開(kāi)關(guān)原理十分簡(jiǎn)單，當進(jìn)行光交換時(shí)，通過(guò)靜電力或磁電力的驅動(dòng)，移動(dòng)或改變MEMS微鏡的角度，把輸入光切換到光開(kāi)關(guān)的不同輸出端以實(shí)現光路的切換及通斷。
MEMS光開(kāi)關(guān)機械式光開(kāi)關(guān) VS MEMS光開(kāi)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)具有哪些優(yōu)勢
MEMS光開(kāi)關(guān)可實(shí)現對全光網(wǎng)的全面遠程控制，具有可集成化、功耗低、成本低的主要優(yōu)勢。MEMS光開(kāi)關(guān)同時(shí)具備了機械式光開(kāi)關(guān)的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開(kāi)關(guān)的高開(kāi)關(guān)速度、小體積、易于大規模集成的優(yōu)點(diǎn)。各項性能足以滿(mǎn)足DWDM全光網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)要求，將會(huì )是大容量交換光網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)發(fā)展的主流方向。 MEMS器件單批產(chǎn)量高，經(jīng)濟性好，且器件與器件之間重復性好，為降低系統成本提供了更多的可能性。
MEMS光開(kāi)關(guān)可應用于哪些領(lǐng)域
MEMS光開(kāi)關(guān)及其陣列在現有光通信中的應用范圍很廣。其應用范圍主要有：光網(wǎng)絡(luò )的保護倒換系統，光纖測試中的光源控制、網(wǎng)絡(luò )性能的實(shí)時(shí)監控系統、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心，光插/分復用、光學(xué)測試、光傳感系統等。
MEMS光開(kāi)關(guān)應用領(lǐng)域可應用于MCS（多播交換光開(kāi)關(guān)）
基于PLC技術(shù)及MEMS技術(shù)的多播交換光開(kāi)關(guān)（MCS），是下一代可重構光分插復用系統（ROADM）的關(guān)鍵組成部分；每個(gè)功能單元由M個(gè)獨立的Splitter和N個(gè)獨立的MEMS光開(kāi)關(guān)組成；提供N個(gè)上路（或下路）端口至M個(gè)方向的連接。
可應用于iODF（智能光配）
通過(guò)光開(kāi)關(guān)級聯(lián)集成，可用于iODF（智能光配線(xiàn)架），來(lái)替代行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)中傳統配線(xiàn)架。
構建OXC（光交叉連接）設備的交換核心
在全光交換系統中，光開(kāi)關(guān)是光交叉互連OXC的關(guān)鍵器件。通過(guò)光開(kāi)關(guān)級聯(lián)集成，可用于小規模的OXC，來(lái)滿(mǎn)足行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)和數據中心關(guān)鍵線(xiàn)路的需求。
可應用于光性能監控
與TOF或者OPM集成，結合監控軟件，通過(guò)時(shí)分復用OPM，監測光纜中多芯光纖中DWDM通道的信號性能，廣泛用于光傳送網(wǎng)光纜監測、ROADM網(wǎng)絡(luò )、DCI等。
可應用于光纜監測
與OTDR集成，結合監控軟件，通過(guò)時(shí)分復用OTDR，監測光纜中多芯光纖的質(zhì)量狀態(tài)，廣泛用于PON網(wǎng)絡(luò )光纜監測、光傳送網(wǎng)光纜監測、行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)光纜監測等。
可應用于光纖傳感
傳感市場(chǎng)規模潛力較大，主要產(chǎn)品是1x4和1x8。
可應用于測試儀表和工廠(chǎng)自動(dòng)化
測試儀表和工廠(chǎng)自動(dòng)化市場(chǎng)規模相對不大，但附加值高，對光開(kāi)關(guān)的光學(xué)性能，如插損，回損，重復性等要求高。
可應用于DWDM系統
信道功率均衡、鏈路節點(diǎn)功率衰減、光接收機的入光保護、光線(xiàn)路通斷快速控制。
全光網(wǎng)絡(luò )中的MEMS光開(kāi)關(guān)
首先什么是全光網(wǎng)？全光網(wǎng)（AON， All Optical Network）指的是網(wǎng)絡(luò )傳輸和交換過(guò)程全部通過(guò)光纖實(shí)現，即數據從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的傳輸過(guò)程都在光域內進(jìn)行，只是在進(jìn)出網(wǎng)絡(luò )時(shí)才進(jìn)行電/光和光/電的變換。因為不必在其中實(shí)現電光和光電轉換，因此能大大提高網(wǎng)速。全光網(wǎng)的主要技術(shù)有光纖技術(shù)、SDH、WDM、光交換技術(shù)、OXC、無(wú)源光網(wǎng)技術(shù)、光纖放大器技術(shù)等。
全光網(wǎng)結構在全光網(wǎng)絡(luò )各種設備器件當中，光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）可以說(shuō)是全光聯(lián)網(wǎng)的核心器件技術(shù)。而光開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)陣列又是OXC和OADM的核心技術(shù)。利用MEMS技術(shù)制作的新型光開(kāi)關(guān)，體積小、重量輕、能耗低，可以與大規模集成電路制作工藝兼容，易于大批量生產(chǎn)、集成化、方便擴展、有利于降低成本。
近年來(lái)，MEMS光開(kāi)關(guān)廠(chǎng)家億源通聚焦大通道多芯光纖準直器的研究，突破了高密度光纖規則緊湊排布工藝難題。同時(shí)掌握了多維光開(kāi)關(guān)的光學(xué)系統設計能力。目前億源通已經(jīng)具備1×48光開(kāi)關(guān)批量生產(chǎn)能力，未來(lái)億源通將發(fā)布1×64 MEMS光開(kāi)關(guān)等更高通道光開(kāi)關(guān)。
