国内外光控电路研究：一文读懂微电子机械光开关的发展趋势

国内外光控电路研究：一文读懂微电子机械光开关的发展趋势干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制；数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就能保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20 dB，但插入损耗较大，一般为3～4 dBc。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小，可实现微秒级的交换速度。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

近几年发展很快的是微电子机械光开关，它是半导体微细加工技术与微光学和微机械技术相结合，产生的一个新型微机-电-光一体化的的新型开关，是大容量交换光网络开关发展的主流方向。
MEMS(Micro Electro-Mechanical System)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，使可以活动的微镜产生升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关较其他光开关具有明显优势：开关时间一般在数ms量级；使用了IC制造技术，体积小、集成度高；工作方式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关，可以处理任意波长的光信；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。

按功能实现方法，可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制，易于组成光开关阵列，是MEMS光开关研究的重点，可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关，并已提出一维MEMS光开关的概念。
所谓2D是指活动微镜和光纤位于同一平面上，且活动微镜在任一给定时刻要么处于开态，要么处于关态。在这种方式中，活动微镜阵列与N根输入光纤和N根输出光纤相连。对一个NxN光开关矩阵而言，所需的活动微镜数为N2。因此，这种方式也称为N2结构方案。例如，一个4x4的2D光开关有16个活动微镜，而4个4x4光开关可组成1个8×8的光开关，其中有64个活动微镜。图5、图6分别是4x4和8x8的光开关的配置图。

基于镜面的MEMS二维器件由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。典型的尺寸是10cm。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。二维MEMS的空间微调旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接平移盘铰接点。转换状态通过SDA(Scr-atch Drive Actuator)调节器调节平移盘使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束通过该徽镜，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，从而使该光束从该徽镜对应的输出端口输出。
三维微电机系统(MEMS)光开关工作原理如图7所示，是一个4x4光开关的光路图。这种构方式最主要优点是控制十分简单，组成控制系统的主要元件是双极晶体管逻辑(TTL)驱动器，辅以电平提升电路，它可给每个微(反射)镜提供所需的各种电平。

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。

数字光开关的原理和结构都很简单，如图9所示，最基本的1x2热光开关由在硅基底上制作的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬，形成微型加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定，在于只要加热到一定温度，光开关就能保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，但插入损耗较大，一般为4 dB。

干涉型光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制；数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就能保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20 dB，但插入损耗较大，一般为3～4 dBc。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器。热光开关体积非常小，可实现微秒级的交换速度。