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机械式光开关【内容摘要】：光开关通过改变光路的折射率或者通过介质界面对光束的作用，实现光路改变，本文主要介绍了金属薄膜光开关，微光机电系统光开关（MEMS，Micro Electro Mechanical Systems）原理，分类以及应用。【关键字】： 微机电光开关 分类 原理 应用【正文】：一、机械式光开关的种类机械式光开关是依靠光纤或者光学元件的移动，使光路发生改变。新型的机械式光开关有微光机电系统光开关和金属薄膜光开关两大类。根据设计原理的不同，机械光开关还可以分为移动光纤式光开关、移动套管式光开关和移动透镜（包括反射镜、棱镜和自聚焦透镜）式光开关。下图1（a）表示1N移动光纤式机械光开关，它用电磁铁驱动活动臂移动，切换到不同的固定臂光纤。图1（b）表示12移动反射镜光开关。光开关有11、1N和NN等几种。图1二、金属薄膜光开关波导芯层下面是底包层，上面则是金属薄膜，金属薄膜与波导之间为空气。通过施加在金属薄膜与衬底之间的电压，是金属薄膜获得静电力，在他的作用下，金属薄膜向下移动和波导接触在一起，使波导的折射率发生改变，从而改变了通过波导光信号的相移。下图为金属薄膜M-Z型光开关结构。如果不加电压，金属薄膜翘起，M-Z干涉仪两个臂的相移相同，此时光信号从端口2输出；如果加电压，金属薄膜与波导接触，引起该臂的相移，光信号从端口1输出。三、MEMS光开关概述MEMS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者系统。微机电系统（MEMS）构成的微机电光开关已经成为DWDM网中大容量光交换技术的主流。它是一种在半导体衬底材料上，用传统的半导体工艺制造出可以前倾后仰、上下移动或旋转的微反射镜阵列，在驱动力的作用下，对输出光信号可切换到不同输出光纤的微机电系统。通常微反射镜的尺寸只有140m150m，驱动力可以利用热力效应、磁力效应和静电效应产生。这种器件的特点是体积小，消光比大（60dB左右）、对偏振不敏感、成本低，其开关速度适中（约5ms），插入损耗小于1dB。实用化的MEMS光开关原理非常的简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或者改变镜片的角度，把光直接送到或者是反射到光开关的不同输出端。MEMS光开关是利用机械式光开关的原理，但又能够想波导开关那样集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点。四、MEMS光开关工作原理MEMS光开关有2D(二维)数字和3D(三维)模拟两种结构。在2D结构中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能。（一）、水平驱动2D光开关图a是光开关阵列的一个单元，具有单层体硅结构。它包括可动和固定两部分，可动部分的悬梁侧壁可用作反射镜，在自然状态下光反射输出。在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极，在光信号的作用下，两级间产生电压，可动部分的悬梁在电场力的作用下将产生位移，悬臂梁的端部将不再对光有阻断作用，这时悬梁侧壁的反射输出为零。如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。（二）、垂直输出2D光开关如图b所示，在硅和玻璃上分别制作可动和固定的两电极，在可动电极上制作悬梁式光挡板，此悬梁式光挡板侧壁当一个反射镜。动作器由可动电极和悬梁式挡板组成，在静电力的作用下可动电极产生运动，使悬梁式挡板有一位移，挡板对光起到阻挡和反射的作用，从而实现光的开关。（三）、扭摆驱动2D，3D光开关如图c所示，和前一种光开关具有相似的结构，在静电力的作用下，硅电极将产生扭转，这样挡板对光起到阻挡和反射作用，而硅电极表面也可以用作硅反射镜对光起到偏转的作用，从而在3D空间实现光的开关。（四）、2D与3D的耦合方式如下图是2D与3D耦合方式示意图。对于2D形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纤自对准槽，光纤与动作器所在基片在同一个平面内，光的通断由硅悬梁挡板控制，对光阻断或者反射，这种形式的光开关实现耦合比较容易，具有自对准的特点，但是这种方法不利于形成大的开关阵列；对于3D形式，光纤与动作器所在基片不在同一个平面内，光的通断由硅质量块表面反射来完成，这种光开关实现光的耦合比较困难，但是有利于大规模集成。水平驱动光开关与垂直驱动光开关可形成二维阵列，而扭摆驱动光开关同时可形成二维和三维开关阵列。五、发展动态与应用随着高性能计算机的发展，出现了以网络连接为结构的计算机机群系统。机群系统是利用商用PC机或工作站作为节点，通过互连网络构成的并行处理系统。由于其高度的可扩展性和实用性，机群系统已经成为高性能并行计算系统的一个重要发展方向，机群系统网络性能的提高主要是增加传输速率和带宽，减少网络和交换器件中的延迟，由于光的低延迟、高密度、高时空带宽积、抗电磁干扰和空间并行性等诸多特点，光互连已广泛运用于并行处理及机群系统中。在机群系统中采用了PCI总线全带宽网络接口卡和微机电系统(micro electromechanical system，MEMS)光开关构成光互连链路的设计思路，即用MEMS光开关阵列和千兆位PCI全带宽接口卡构建机群互连结构，使带宽和传输速率得以提升，并明显缩小了链路延迟，极大提高了机群系统网络性能。要实现机群系统的高性能，需要高性能互连网络、低开销的通信协议及软件系统，或采用多重网络，来达到其快速通信要求。目前已有Infiniband、SCI、M、Qsnet等硬件系统及VIA等软件协议应用于高速计算机互连。利用44MEMS光开关和商用PC实现机群全光互连结构；利用88MEMS光开关和商用PC组成星型和环型网络二级混合光互连拓扑，通过Ethernet局域网对MEMS光开关进行动态配置，结合两种拓扑结构的优点，实现了高可用性和可扩展性的PC机群系统。MEMS光开关是目前最有发展前景，最能适应DWDM全光通信网要求的光开关。由于MEMS技术具有兼容性强、易集成、设计灵活、可大规模生产的优势，MEMS光开关