MEMS光开关的工作原理及应用
文章导读
什么是光开关? 光开关是在一定范围内将光信号从一个光通道转换成另一个光通道的器件,具有一个或多个可选择的传输窗口,是实现光交叉连接、 光分插复用、网络监控以及自愈保护等功能的核心器件。 其实现技术多种多样,包括:机械光开关、热光开关、声光开关、电光开关、磁光开关、液晶光开关和MEMS光开关等。传统的以电为核心的开关逐渐的不能满足高速大容量光通信的需求, 慢慢的市场上出现了全光开关。其中MEMS光开关具有尺寸小、功耗低和扩展性好的特点,因而得到广泛的应用。 简述MEMS光开关的工作原理 什么是MEMS?MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统,微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等,同时在机械结构上制备了电极,以便通过电子技术进行控制。 MEMS是一种微电机系统,在制备微机械结构之后,需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。在MEMS器件的所有驱动机制中,静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗,得到最广泛的应用。 MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片,通过静电力或电磁力的作用,使微镜阵列产生转动,从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关切换光波路由是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部微镜片抬升与否来完成的。 MEMS光开关的工作原理 一般说来,MEMS光开关从空间结构上可分成这样两种,即2D开关和3D开关。 (a) 2-D(b) 3-D Source: researchgate.net 2D MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上,准直光通过微镜的旋转控制被接到指定的输出端。当微镜为水平时,可使光束从该微镜上面通过,当微镜旋转到与硅基底垂直时,它将反射入射到它表面的光束,从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。在3D MEMS光开关中,微镜能沿着两个向的轴任意旋转,因此它可以用不同的角度来改变光路的输出,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。 MEMS光开关的结构 光开关是一种多端口光器件,端口配置情况有:2×2,1×N,N×N,其中N×N端口光开关又称OXC(光交叉连接开关、矩阵光开关)。基于MEMS技术的1×N端口光开关,其结构如图所示,它包括一个MEMS微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。MEMS微镜通常贴装在一个TO管座上,然后通过TO管帽将准直透镜与TO管座组装成一个组件,最后在有源调试状态下,将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。 基于MEMS技术的1×N端口光开关结构 MEMS光开关与机械式光开关 机械光开关的工作原理是借助机械装置物理地移动光纤来重定向光信号。通过移动棱镜或定向耦合器,将输入端的光导向所需要输出的端口。机械式光开关分主要有3种类型:一是采用棱镜切换光路技术,二是采用反射镜切换技术,三是通过移动光纤切换光路。 机械式光开关 MEMS光开关是 基 于 微 机 电 系 统(micro-electro-mechanical system),采用光学微镜或光学魏镜阵列来改变光束的传播方向实现光路的切换。MEMS光开关原理十分简单,当进行光交换时,通过静电力或磁电力的驱动,移动或改变MEMS微镜的角度,把输入光切换到光开关的不同输出端以实现光路的切换及通断。 MEMS光开关 |