什么是光開關？光開關是在一定范圍內將光信號從一個光通道轉換成另一個光通道的器件，具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，是實現光交叉連接、 光分插復用、網絡監控以及自愈保護等功能的核心器件。

其實現技術多種多樣，包括：機械光開關、熱光開關、聲光開關、電光開關、磁光開關、液晶光開關和MEMS光開關等。傳統的以電為核心的開關逐漸的不能滿足高速大容量光通信的需求， 慢慢的市場上出現了全光開關。其中MEMS光開關具有尺寸小、功耗低和擴展性好的特點，因而得到廣泛的應用。

簡述MEMS光開關的工作原理

什么是MEMS？MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）是指將微型機械、微型執行器、信號處理和控制電路等集于一體的可批量制作的微型器件或系統，微機械結構的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學腐蝕、晶片鍵合等，同時在機械結構上制備了電極，以便通過電子技術進行控制。MEMS是一種微電機系統，在制備微機械結構之后，需要以電子技術進行驅動。典型的驅動機制包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。在MEMS器件的所有驅動機制中，靜電引力結構因制備簡單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應用。

MEMS光開關是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使微鏡陣列產生轉動，從而改變輸入光的傳播方向以實現光路通斷的功能。MEMS光開關切換光波路由是通過外部控制信息以及相應的高低電平控制內部微鏡片抬升與否來完成的。

一般說來，MEMS光開關從空間結構上可分成這樣兩種，即2D開關和3D開關。

(a) 2-D(b) 3-D Source: researchgate.net

2D MEMS的空間旋轉鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的旋轉控制被接到指定的輸出端。當微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出。在3D MEMS光開關中，微鏡能沿著兩個向的軸任意旋轉，因此它可以用不同的角度來改變光路的輸出，這些陣列通常是成對出現，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。

MEMS光開關的結構

光開關是一種多端口光器件，端口配置情況有：2×2，1×N，N×N，其中N×N端口光開關又稱OXC（光交叉連接開關、矩陣光開關）。基于MEMS技術的1×N端口光開關，其結構如圖所示，它包括一個MEMS微鏡、一個準直透鏡和一個多纖插針。MEMS微鏡通常貼裝在一個TO管座上，然后通過TO管帽將準直透鏡與TO管座組裝成一個組件，最后在有源調試狀態下，將多纖插針與前述組件對準并固定在一起。

MEMS光開關與機械式光開關

機械光開關的工作原理是借助機械裝置物理地移動光纖來重定向光信號。通過移動棱鏡或定向耦合器，將輸入端的光導向所需要輸出的端口。機械式光開關分主要有3種類型：一是采用棱鏡切換光路技術，二是采用反射鏡切換技術，三是通過移動光纖切換光路。

MEMS光開關是 基 于 微 機 電 系 統（micro-electro-mechanical system），采用光學微鏡或光學魏鏡陣列來改變光束的傳播方向實現光路的切換。MEMS光開關原理十分簡單，當進行光交換時，通過靜電力或磁電力的驅動，移動或改變MEMS微鏡的角度，把輸入光切換到光開關的不同輸出端以實現光路的切換及通斷。

MEMS光開關具有哪些優勢

MEMS光開關可實現對全光網的全面遠程控制，具有可集成化、功耗低、成本低的主要優勢。MEMS光開關同時具備了機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性、高消光比和波導開關的高開關速度、小體積、易于大規模集成的優點。各項性能足以滿足DWDM全光網絡的技術要求，將會是大容量交換光網絡開關發展的主流方向。 MEMS器件單批產量高，經濟性好，且器件與器件之間重復性好，為降低系統成本提供了更多的可能性。

MEMS光開關可應用于哪些領域

MEMS光開關及其陣列在現有光通信中的應用范圍很廣。其應用范圍主要有：光網絡的保護倒換系統，光纖測試中的光源控制、網絡性能的實時監控系統、光器件的測試、構建OXC設備的交換核心，光插/分復用、光學測試、光傳感系統等。

可應用于MCS（多播交換光開關）

基于PLC技術及MEMS技術的多播交換光開關（MCS），是下一代可重構光分插復用系統（ROADM）的關鍵組成部分；每個功能單元由M個獨立的Splitter和N個獨立的MEMS光開關組成；提供N個上路（或下路）端口至M個方向的連接。

可應用于iODF（智能光配）

通過光開關級聯集成，可用于iODF（智能光配線架），來替代行業專網中傳統配線架。

構建OXC（光交叉連接）設備的交換核心

在全光交換系統中，光開關是光交叉互連OXC的關鍵器件。通過光開關級聯集成，可用于小規模的OXC，來滿足行業專網和數據中心關鍵線路的需求。

可應用于光性能監控

與TOF或者OPM集成，結合監控軟件，通過時分復用OPM，監測光纜中多芯光纖中DWDM通道的信號性能，廣泛用于光傳送網光纜監測、ROADM網絡、DCI等。

可應用于光纜監測

與OTDR集成，結合監控軟件，通過時分復用OTDR，監測光纜中多芯光纖的質量狀態，廣泛用于PON網絡光纜監測、光傳送網光纜監測、行業專網光纜監測等。

可應用于光纖傳感

傳感市場規模潛力較大，主要產品是1x4和1x8。

可應用于測試儀表和工廠自動化

測試儀表和工廠自動化市場規模相對不大，但附加值高，對光開關的光學性能，如插損，回損，重復性等要求高。

可應用于DWDM系統

信道功率均衡、鏈路節點功率衰減、光接收機的入光保護、光線路通斷快速控制。

全光網絡中的MEMS光開關

首先什么是全光網？全光網（AON， All Optical Network）指的是網絡傳輸和交換過程全部通過光纖實現，即數據從源節點到目的節點的傳輸過程都在光域內進行，只是在進出網絡時才進行電/光和光/電的變換。因為不必在其中實現電光和光電轉換，因此能大大提高網速。全光網的主要技術有光纖技術、SDH、WDM、光交換技術、OXC、無源光網技術、光纖放大器技術等。

在全光網絡各種設備器件當中，光交叉連接設備（OXC）和光分插復用設備（OADM）可以說是全光聯網的核心器件技術。而光開關和光開關陣列又是OXC和OADM的核心技術。利用MEMS技術制作的新型光開關，體積小、重量輕、能耗低，可以與大規模集成電路制作工藝兼容，易于大批量生產、集成化、方便擴展、有利于降低成本。

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