光开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而基于微机电系统(MEMS)技术加工的二维阵列光开关更是一种很有前景的器件。这种二维阵列光开关在平面上布置有N×N个微镜，每个微镜具有切入光路(反射)和离开光路两种位置状态。光开关与两组N根光纤相连，分别作为入射端和出射端。当微镜(i，j)位于反射位置时，由第i根光纤入射的光束经过微镜反射后由第j根光纤射出，从而实现光路的选择。

    基于MEMS光开关的应用，可以从小型光交叉连接直到大型光交叉连接。这种光开关利用了做在硅片上的微型可动镜片来操纵通过光导纤维网络交叉点的光束，可适用于网络的所有环节。而且在光通信网络中，MEMS光开关具有光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路及对故障光纤线路进行旁路等重要功能，因此，它是光通信网络中许多设备(如光分插复用设备OADM、光交叉连接设备OXC、光交换机和光波长路由器等)的关键光器件，其响应速度和光损耗将影响通信速度和质量。

    MEMS光开关既有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合，因此，MEMS光开关极可能在光网络中成为光开关的{zj0}选择。

    MEMS光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au、Al等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和LIGA工艺。MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。

    1、光路遮挡型MEMS光开关

    具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约l~2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用8个多晶硅PiN电池(一种非晶硅太阳电池)串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生3V电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7μW，传输距离达128 km，开关速度3.7ms，插损小于0.5dB。但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。

    2、移动光纤对接型MEMS光开关

    图3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，由美国加州大学戴维斯分校研制。

加州大学研制的一动光纤对接型光电开光示意图

    它是一个l×4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为ldB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为lOms量级，可连接的{zd0}端口数受到限制，多用于网络自愈保护。

    3、微镜反射型MEMS光开关

    相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根据组成OXC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。在二维(2D)也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个N×N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N²结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统{zd0}容量是32×32端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，{zd0}可以达到512×512端口。二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。

    AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关采用表面工艺加工，并利用scratch-drive驱动器(SDA，抓式驱动器)驱动。当100V驱动脉冲电压加载到SDA阵列上时，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的铰链扣住，将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态。这样的设计能有效地将SDA驱动器的平移运动变成微镜的弹出运动，使得整个装置的运动速度较高，同时也可以减小微镜所占的面积。它的开关速度为0.5ms，该结构的缺点在于SDA驱动器与衬底之间的静摩擦力往往会影响其效能，同时插损偏大，约3.1~3.5 dB。

    日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关采用单晶硅体硅工艺加工，光纤呈交叉垂直放置，微反射镜垂直放置在一长悬臂梁的前端，并处于两光纤的交叉点上。利用<100>晶向单晶硅腐蚀特性可xx地加工出相对光纤呈45o的镜面，把从一根光纤中射出的光反射到另一根与之垂直的光纤中。悬臂梁采用电磁驱动，在悬臂梁底部粘合一块100μm厚透磁合金，在相对应的衬底位置，组装一块线圈电磁体，悬臂梁和线圈之间的电磁力便随着线圈中电流的大小和方向而改变，从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲，带动微反射镜移开原来的位置，实现光路的改变。微镜沿电磁力方向可产生约100μm的位移，响应时间为300μs，插损为0.5dB。该光开关的缺点在于微组装电磁驱动不利于集成制造，而且要靠电磁力保持开或关状态，耗能较大。

    现在国内外更广泛地采用热或静电驱动此类光开关，用热驱动就是在悬臂梁背面加工一层主要起加热作用的金属膜电阻，通电后，金属膜受热膨胀，使整个悬臂梁向一边弯曲带动微镜偏转；若采用静电驱动，则在衬底上沉积一层金属电极，和悬臂梁末端组成平行板电容器，在静电力的作用下，同样会使悬臂梁带动微镜扭转。

    新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关的基本结构与转动式很相似，驱动电压为30V，开关速度小于100μs，插损小于0.9dB。它也具有单层体硅结构，采用深反应离子蚀刻(DRIE)工艺，这种技术可以对硅作深度达200μm蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20μm并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔。该结构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，在自然状态下光有一反射输出。在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极，在两电极之间加上电压，静电力会使悬臂梁沿力的方向上产生约45μm的平动位移，悬臂梁的端部就不再对光有阻断作用。这种光开关的缺点在于工作频率受到谐振频率影响，使得开关速度受到限制，微镜平动位移也有限，而且DRIE工艺涉及到对材料的各向同性和异性刻蚀问题，对镜面表面粗糙度有着一定的影响。

    在三维(3D)也称为模拟光束偏转开关中，输入输出光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中，N×N转换仅需要2N个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜／光纤与任意输出反射镜／光纤交叉连接。

    美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152×1152的大型交叉连接，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级。AT&T公司则推出了xx的WaveStar Lamda Router全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现256×256的交叉连接，可节约25％的运行费用和99％的能耗，其采用体硅工艺制成。

    韩国国立研究实验室设计的三维光开关阵列的一个微镜单元以表面工艺为基础，利用3D光刻镀铜技术制成，与CMOS工艺有着良好的兼容性。它由5层结构组成，由底层往上依次是电连接用底部电极、底部支撑柱、扭转梁和被抬起的电极、顶部微镜支撑柱、微镜。在静电力作用下，微镜可以绕x轴和y轴运动，从而使输入光束产生不同方向上的输出。在244V驱动电压下微镜{zd0}偏转角可达到2.65^o，镜面的曲率半径3.8cm,镜面的表面粗糙度为12nm。构成阵列时采用两组微镜相对安装，这种结构的{zd0}优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展不产生很大的影响，有利于集成并组成大规模光开关阵列。但另一方面，由于需要xx和快速稳定地控制光束，它的控制电路和结构设计较为复杂。

    MEMS光开关的应用

   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、Myri.net、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4×4MEMS光开关和商用PC实现机群全光互连结构；利用8×8MEMS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。

    结束语

    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光开关的集成化和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。然而要实现MEMS光开关器件的产业化，还需要解决提供标准工艺流程、标准工艺参数和标准设计规则，同时解决多用户加工途径和测试封装技术等一系列问题。

注：本文转载于互联网，目的xx于光通讯知识的学习与交流。