mems光开关原理

MEMSVOA光衰减器的工作原理

文章导读：

VOA的优势、类型

MEMSShutter型VOA

MEMS微镜型VOA

MEMS微镜型VOA中的WDL问题

MEMS微镜型VOA的WDL优化

MEMS（MicroElectroMechanicalSystem，微机电系统）技术被广泛应用于光纤通信系

统中，MEMS技术与光学技术的结合，通常称作MOEMS技术。最为常用的MOEMS器

件包括光衰减器VOA、光开关OS、可调光学滤波器TOF、动态增益均衡器DGE、波长选

择开关WSS和矩阵光开关OXC。

VOA在光纤通信系统中常用于光功率均衡，在各种技术方案中，MEMSVOA具有尺寸小、

成本低和易于制造的优势。最常用的MEMSVOA有两类：MEMSShutter型和MEMS微

镜型，前者通常以热效应驱动，后者通常以静电力驱动。

MEMSShutter型VOA

基于MEMSShutter的VOA结构如图1所示，MEMSShutter被插入两根光纤之间的光

路，衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中，这种VOA也可以设计成反射型。

图1.基于MEMSshutter的VOA结构

MEMS微镜型VOA

如图2所示为基于MEMS扭镜的VOA结构，它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入/输出

端口，准直光束被MEMS微镜反射偏转，从而联通输入/输出端口之间的光路。扭动微镜让

光束发生偏转，从而产生光功率的衰减。

图2.基于MEMS扭镜的VOA结构

MEMS扭镜通常有两种结构，即平板电极和梳齿电极，如图3所示。考虑0~20dB的衰减

范围，前者通常需要>10V的驱动电压，后者可将驱动电压降至5V以下。然而，仅仅一个

微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极，因此其生产良率较低。采用梳齿电极的MEMS微镜，通常需要在超净环境下封装。

图3.两类MEMS扭镜：平板电极和梳齿电极

MEMS微镜型VOA中的WDL问题

基于MEMSshutter和MEMS微镜的VOA均有广泛应用，前者性能指标较好，但装配工

• 一、前言

光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。同时，密集波分复用(DWDM)技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched

optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical

cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。光交叉互连(OXC)技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。

光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。

（1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。

（2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。

1 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical

Systems，微机电系统）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系统。而MOEMS是 Micro-Opto-Electro- Mechanical SySTem的缩写，意为微光机电系统，把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。

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。光交换器件是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件，不存在光电转换。MEMS光开关

具 备了低损耗和高稳定的优点，且与传输的数据速率和信号协议无关。实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换 时，通过移动或改变镜片角度，把光直接送到或反射到光开关的不同输出端。MEMS光开关是利用机械开关的原理，但又能像波导开关那样，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，同时克服了它们所固有的缺点。MEMS光开关响应速度和可靠性大大提高，插入损耗和串音低，偏振和波长相关损 耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能。

2 MEMS光开关控制原理

2.1 MEMS光开关简介

典 型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。二维MEMS的空间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，另一端连接可平移梳妆电极。转换状态通过调节梳妆电极使微镜发生转 动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，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，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。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。

MEMS光开关

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。

MEMS光开关结构分类

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。

从目前国外各研究机构及公司发布的信息来看，MEMS光开关及其阵列的总体发展趋势为由2D结构向3D结构发展，其驱动方式重要集中在静电驱动、电磁驱动、热电驱动三种形式上，其中静电驱动方式是目前采用最为广泛的一种。

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。