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光開關(guān)的技術(shù)現(xiàn)狀和展望
、 引言
光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)光束在時(shí)間、空間、波長(zhǎng)上的切換，在光網(wǎng)絡(luò)中有許多應(yīng)用場(chǎng)合，是光通信、光計(jì)算機(jī)、光信息處理等光信息系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。 廣義上來說，光開關(guān)可以分為兩個(gè)類型：干涉儀型和非干涉儀型。干涉儀型依賴于光路之中的相位關(guān)系，通過普克爾(Pockels)效應(yīng)或熱效應(yīng)一般就可以達(dá)到相位控制。這類器件對(duì)環(huán)境非常敏感，尤其是對(duì)環(huán)境溫度。它們對(duì)控制信號(hào)有循環(huán)響應(yīng)，這些控制信號(hào)通常需要對(duì)光輸出進(jìn)行監(jiān)視，亦即反饋，以維持所要求的狀態(tài)。方向耦合器就是典型的干涉儀型開關(guān)。非干涉儀型可用多種多樣的方式制成，它們對(duì)偏振、波長(zhǎng)、溫度和其他影響的敏感性低于干涉儀型器件，要控制這些影響很困難。對(duì)于非干涉儀型開關(guān)，開關(guān)功能的動(dòng)態(tài)范圍(或開關(guān)比)可以非常高，而另一方面，在干涉儀型開關(guān)中的動(dòng)態(tài)范圍，則依賴于干涉束的光功率的平衡，而且通常精度較低并較難保持。
2、 技術(shù)現(xiàn)狀
這里討論的光開關(guān)現(xiàn)狀，主要集中于已經(jīng)取得的技術(shù)與應(yīng)用或商業(yè)上有希望接受的技術(shù)與應(yīng)用。應(yīng)用決定了要求，所以就從已經(jīng)取得商業(yè)成就的應(yīng)用或近期有望實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，來開始評(píng)述光開關(guān)。近年來，除了改進(jìn)傳統(tǒng)類型光開關(guān)之外，光開關(guān)的研究與開發(fā)也采用了新的技術(shù)、新的機(jī)理和新的材料，光開關(guān)的規(guī)模越來越大(已達(dá)到上千乘上千的端口數(shù))，切換速度不斷提高(如LiNbO3波導(dǎo)電光效應(yīng)的光開關(guān)已達(dá)到納秒量級(jí))，集成化程度越來越高。
2.1 非干涉儀型開關(guān)
非干涉儀型開關(guān)可用較大變化的方式做出，通常不要求反饋來確定狀態(tài)，光機(jī)型或某些熱開關(guān)就屬于這種類型。
2．1．1 微機(jī)械開關(guān)
微機(jī)械開關(guān)技術(shù)是多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)，包含微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機(jī)電于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。對(duì)于光纖系統(tǒng)來說，微機(jī)械開關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為探討開關(guān)組件未來發(fā)展的一個(gè)極有希望的入門途徑。已經(jīng)報(bào)道過的很多微機(jī)械光開關(guān)有兩個(gè)基本途徑：或者通過微機(jī)械器件把光線運(yùn)載到與微機(jī)械器件相連的波導(dǎo)或光纖上，或者用微機(jī)械元件來引導(dǎo)在自由空間傳播的光束。微機(jī)械光開關(guān)現(xiàn)在處于研究或發(fā)展階段，某些類型的商品供應(yīng)大概不會(huì)太遠(yuǎn)了。
使用準(zhǔn)直光束和N×N交叉點(diǎn)上的微機(jī)械，可移動(dòng)鏡面，非常直接地實(shí)現(xiàn)N×N交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣。鏡面通常位于襯底上，在光束以外，但是可翻轉(zhuǎn)，來截獲光束并使它改變方向。zui近這樣的開關(guān)已經(jīng)采用微機(jī)械制造工藝實(shí)現(xiàn)了，如圖1所示[1]。其表現(xiàn)出的開關(guān)時(shí)間在100μs以內(nèi)。這樣的開關(guān)并不限于把一組光束耦合到需要傳播的角度上的另外一組光束，例如該器件可切換按60°間隔安排的三束光線，也可以使用前后側(cè)兩方面的鏡面來偏轉(zhuǎn)光束。在所有的情況中，單一器件作用就如同N／2(1×2)或N／2(2×2)等開關(guān)，其中N為被耦合的光束組的數(shù)量。同時(shí)這種構(gòu)造導(dǎo)致了阻塞開關(guān)，而將這類開關(guān)裝配到多級(jí)無阻塞開關(guān)中的方法已經(jīng)被找到[2]。
微機(jī)械開關(guān)還可用于以上所描述的光束制導(dǎo)開關(guān)類似的方式，利用自由空間傳播。這類開關(guān)應(yīng)建立在微鏡面的平面矩陣的基礎(chǔ)上，如德克薩斯儀器公司出品的執(zhí)行1×N開關(guān)功能的開關(guān)。微機(jī)械鏡面通常并排放在襯底上，但是可被傾斜在平面以外，以把入射光束反射到多路輸出的一個(gè)位置。各種各樣的波導(dǎo)和基于光纖的微機(jī)械開關(guān)已經(jīng)制成。基于光纖的微機(jī)械器件使用微機(jī)械宋產(chǎn)生移動(dòng)光纖的驅(qū)動(dòng)器。這些要求用比純集成光器件所需要的更復(fù)雜的裝配，但是反映光纖特性的光學(xué)性質(zhì)通常是很好的。已經(jīng)報(bào)道過使用兩個(gè)V形槽陣列橫向地變換硅微臺(tái)面的1×N光纖開關(guān)[3]。
盡管將MEMS光開關(guān)商用化的OMM公司在2003年3月因zui后獲得資金的希望破滅而暫時(shí)關(guān)閉，2002年Onix倒閉，IMMI轉(zhuǎn)向以及2001年Xros被Nor收購， 目前仍有不少的機(jī)構(gòu)(包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nor等)在進(jìn)行MEMS光開關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。2001年7月OMM公司的二維MEMS光開關(guān)通過cordia(GR-1073-Core)可靠性測(cè)試，工作3800萬次無一失效，消除了人們對(duì)MEMS技術(shù)可靠性的疑慮。
2．1．2 光機(jī)型開關(guān)
光機(jī)型開關(guān)通過光束路徑的實(shí)際位移而路由光線。這些開關(guān)有賴于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，諸如電子、步進(jìn)電機(jī)和壓電元件等。光機(jī)型開關(guān)可提供性能的光學(xué)參數(shù)，諸如損耗、串?dāng)_、色散和其他的光譜與偏振相關(guān)性等。其他的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)僅僅在尺寸、開關(guān)速度和可靠性等問題上。
zui普通的光機(jī)型開關(guān)的途徑，就是典型的梯度折射率型透鏡，它使到達(dá)輸入光纖的光線準(zhǔn)直，形成了在自由空間中的傳播束。準(zhǔn)直器可被移動(dòng)，或準(zhǔn)直光束可被鏡面或棱鏡橫斷，以指引光線到第二透鏡，第二透鏡將光束聚焦到輸出光纖。基于鏡面的系統(tǒng)通常被用于要求1×1、1×2或2×2等路由的開關(guān)，準(zhǔn)直器的棱鏡運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)都是典型的大范圍1×N開關(guān)。使用棱鏡運(yùn)動(dòng)用于開關(guān)達(dá)到1×8，而通常使用準(zhǔn)直器的運(yùn)動(dòng)用于較慢的開關(guān)維數(shù)達(dá)到1×100。
2．1．3 絕熱開關(guān)
通過半導(dǎo)體中的載流子注入，或在LiNbO3中的普克爾效應(yīng)，對(duì)折射率的控制是可實(shí)現(xiàn)的，但是器件的長(zhǎng)度很大，因?yàn)殚_關(guān)過程限于非常小的分支角度。在允許器件很長(zhǎng)而不受成本限制的材料中，制造這樣的器件是有益的。折射率熱控制潛在地提供了一種使用非晶態(tài)材料的方式，但是要求非常大的熱效率就不能使用玻璃了。以聚合物為基礎(chǔ)的波導(dǎo)，由于它們的折射率對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴關(guān)系，都極其適合熱光應(yīng)用。可是，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成的聚合物，因?yàn)樗鼈冊(cè)谕ㄐ胖兴玫牟ㄩL(zhǎng)窗口中的損耗太大了。一些公司諸如Akzo Nobel公司等，已經(jīng)為此目的而發(fā)展了具有非常低的本征光吸收損耗的專業(yè)光學(xué)聚合物，對(duì)于1．3和1．5μm兩個(gè)窗口都很好地低于0．1dB／cm。已經(jīng)驗(yàn)證了以這種材料為基礎(chǔ)的片型波導(dǎo)具有的損耗大約為0．08dB／cm。
建立在絕熱模展開基礎(chǔ)上的聚合物波導(dǎo)開關(guān)以1×2到1×8開關(guān)的配置，以及諸如在單一密封外殼中的4個(gè)1×2s或4個(gè)2×2s開關(guān)集成陣列，都有現(xiàn)成的商品(JDS Uniphase)。這些絕熱聚合物開關(guān)，一般都有毫秒級(jí)開關(guān)時(shí)間及普遍良好的光特性，勝過干涉儀型設(shè)計(jì)的zui重要的優(yōu)點(diǎn)，可能是由于這類開關(guān)曲線的“數(shù)字”本性，它導(dǎo)致了偏振、波長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓等與溫度低的依賴性。例如，這些絕熱開關(guān)可被同時(shí)用于1．3和1．5μm窗口中的光信號(hào)，具有相同的串?dāng)_與隔離值。還有，更復(fù)雜的器件，諸如絕熱開關(guān)技術(shù)中集成的8×8開關(guān)等，都僅要求一個(gè)普通的驅(qū)動(dòng)電壓來驅(qū)動(dòng)每個(gè)獨(dú)立的開關(guān)單元，而不像干涉儀型開關(guān)組件那樣，所有的開關(guān)經(jīng)常需要有一組的電壓設(shè)定。對(duì)于集成的路由器-選擇器矩陣，這一點(diǎn)成為主要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)8×8開關(guān)有112個(gè)基本的1×2開關(guān)單元，這就意味著要驅(qū)動(dòng)224個(gè)電極。