机械光开关& MEMS光开关

Posted 2020-12-20

光纤通信系统中，光开关（Optical Switch，OS）主要用于光路中实现光信号的物理切换或其他逻辑操作，多用于光交叉连接OXC（Optical Cross-connect）技术中作为切换光路的关键器件。

光开关具有一个或多个可选择的传输窗口，可分为2×2，1×N，M×N多种端口配置形式。光开关在光纤通信系统中有着广泛的应用，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，等等。其中机械光开关和MEMS光开关是目前应用较为广泛的两种光开关。

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。其原理图如下图所示：

MEMS光开关工作原理

基于MEMS技术的2×2端口光开关的原理如图所示，四根光波导被设置于四个方向，一个竖直的MEMS微镜被设置成45°角方向。当微镜未介入光路时，来自波导1和2的光束分别耦合到波导3和4中，端口连接状态为1→3和2→4，此为直通状态；当微镜插入光路时，来自波导1和2的光束经微镜反射，分别耦合至端口4和3，端口连接状态为1→4和2→3，此为交叉状态。

2×2端口MEMS光开关的工作原理，左图：直通状态，右图：交叉状态

MEMS光开关

MEMS光开关&机械光开关优缺点对比

随着光通信的快速发展，作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要，光开关的应用也越来越广泛。MEMS光开关具有紧凑、切换速度快、易于扩展的优点，同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。将会是大容量交换光网络开关发展的主流方向。