全光通信中的光开关技术

三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位置要控制得非常精确，达到百万分之一度。三维MEMS阵列可能是大型交叉连接的正确选择，特别是当波长带同时从一根光纤交换到另一根光纤上。
三维MEMS主要靠2个N微镜阵列完成两个光纤阵列的光波空间连接，每个微镜都有多个可能的位置。由于MEMS光开关是靠镜面转动来实现交换，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏光开关。
虽然二维和三维MEMS都已有成熟的商品面世，但是MEMS光开关仍然面临众多挑战。由于MEMS采用了微镜系统，在制作工艺上要求较高，在经历百万甚至千万次的转换后会不会损坏其结构的完整性和微镜的转动灵活性，关系到光网络信息传输的稳定性和连续性。MEMS光开关要满足批量生产的要求，对工艺的稳定性也有很高的要求。另外由于MEMS要面对用户，其封装工艺和安装的自动化都是需要考虑的问题。
尽管MEMS面临以上问题，但是由于其既具备普通机械光开关损耗低、串扰小、偏振不敏感和消光比高的优点，又像波导开关一样开关速度较快、体积微小、易于大规模集成。对于未来的骨干光网络或大容量业务交换的应用场合，基于MEMS光开关技术的解决方案已成为主流选择。
2．3 热光开关
热光开关是利用热光效应制造的小型光开关。热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质中传播的折射率和相位发生改变的物理效应。折射率随温度的变化可用以下关系式表示：

式中no为温度变化之前的折射率，△T为温度的变化，α为热光系数，它与材料的种类有关。表1是几种材料的热光系数。

此类开关采用可调节热量的波导材料，如SiO2、Si和有机聚合物等。在硅衬底上，用蒸发、溅射、光刻、腐蚀等工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电流后，加热器的温度使下面的波导被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率下降，这样就将光耦合从主波导引导至分支波导。聚合波导技术是非常有吸引力的技术，它成本低、串扰低、功耗小、与偏振和波长无关。聚合物波导的热光系数很高，而导热率很低，因而能更有效地利用热来控制光的传播方向，开关时间相对减小可达1ms以内。热光开关的速度介于电光开关和MEMS之间。热光光开关技术主要是用来制造小型的光开关。通过集成多个1x2光开关也可组成较大的阵列。目前主要有2种类型热光光开关：干涉式光开关、数字光开关也叫分支器型热光开关。
干涉式光开关主要利用马赫-增德尔干涉原理制造，主导思想是利用光相位特性，光的相位与光的传输距离有关，输入光被分成两路，在两个分开的光波导里面进行传输，再合并。在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。MZI型光开关结构如图8所示。它包括1个MZI和2个3dB耦合器，两个波导臂具有相同的长度，在MZI的干涉臂上，镀上金属薄膜加热器形成相位延时器，波导一般生成在硅基底上，硅基底还可看作一个散热器。波导上的热量通过它来散发出去。当加热器未加热时，输入信号经过2个3 dB耦合器在交叉输出端口发生相干相长而输出，在直通的输出端口发生相干相消，如果加热器开始工作而使光信号发生了大小为π的相移，则输入信号将在直通端口发生相干相长而输出，而在交叉端口发生干涉相消。从而通过控制加热器可实现开关的动作。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。