【正文】 的頻率相同但相位不同進行干涉的干涉計，外加電壓引入相位的變化可以轉(zhuǎn)換為幅度的變化。在圖4(a)表示的由兩個Y形波導(dǎo)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，在理想的情況下，輸入光功率在C點平均分配到兩個分支傳輸，在輸出端D干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著一個干涉計的作用，其輸出幅度與兩個分支光通道的相位差有關(guān)。兩個理想的背對背相位調(diào)制器，在外電場的作用下，能夠改變兩個分支中待調(diào)制傳輸光的相位。由于加在兩個分支中的電場方向相反，如圖4(b)表示(a)圖的截面圖所示，所以在兩個分支中的折射率和相位變化也相反，例如若在A分支中引入π／2的相位變化，那么在B分支則引入π／2相位的變化，因此 A、B分支將引入相位π的變化。 假如輸入光功率在C點平均分配到兩個分支傳輸，其幅度為A，在輸出端D的光場為Eoutput∝Acos(ωt+φ)+Acos(ωtφ)=2Acosφcos(ωt) (1)輸出功率與E2output成正比，所以由式(1)可知，當時輸出功率最大，當φ=π/2時，兩個分支中的光場相互抵消干涉，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。于是Eout(φ)/Eout(0)=cos2φ (2)圖4 馬赫曾德爾幅度調(diào)制器 圖5 電吸收波導(dǎo)調(diào)制器的工作原理 由于外加電場控制著兩個分支中干涉波的相位差，所以外加電場也控制著輸出光的強度，雖然它們并不成線性關(guān)系。 外腔調(diào)制器的性能由開關(guān)比(消光比)和調(diào)制帶寬度量。LiNbO3調(diào)制器的消光比大于20，調(diào)制帶寬可達 20GHz。 2．2 電吸收波導(dǎo)調(diào)制器 電吸收調(diào)制器(EAM，ElectroAbsorption Modulator)是一種pin半導(dǎo)體器件，其i層由多量子阱 (MQW)波導(dǎo)構(gòu)成。i層對光的吸收損耗與外加的調(diào)制電壓有關(guān)，當調(diào)制電壓使pin反向偏置時，入射光完全被i層吸收，換句話說，因勢壘的存在，入射光不能通過i層，相當于輸出“0”碼；反之，當偏置電壓為零時，勢壘消失，入射光不被i層吸收而讓其通過，相當于輸出“1”碼，從而實現(xiàn)對入射光的調(diào)制，如圖5所示。EA調(diào)制器有著許多優(yōu)點，雖然在高速和啁啾特性方面不如LiNiO3調(diào)制器，但具有體積小、驅(qū)動電壓低，通過這種調(diào)制器與激光器進行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點，激光器與調(diào)制器之間亦不需要光耦合裝置，并且可以降低損耗，從而達到高可靠性和高效率。目前已有將EA調(diào)制器和λ/4相移的 MQW DFB激光器集成在一起的器件，工作波長為1．5μm、調(diào)制速率為2．5Gb／s，內(nèi)置光隔離器、檢測光電二極管、熱敏電阻和熱電制冷器。激光器工作在連續(xù)波(CW)，當調(diào)制電壓為2Vpp時，消光比大于10dB，傳輸距離達到400km。用戶可以按照ITUT關(guān)于DWDM的標準選擇波長。波長工作在1．3μm的EA調(diào)制器在 CATV系統(tǒng)和微波副載波(SCM)系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用前景。3 光開關(guān) 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實現(xiàn)光信號的交換。對光開關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。 光開關(guān)可以分為兩大類：一類是利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖或透鏡來實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換的機械式光開關(guān)。這類光開關(guān)技術(shù)比較成熟，在插入損耗(典型值0．5dB)、隔離度(可達80dB)、消光比和偏振敏感性方面具有良好的性能，也不受調(diào)制速率和方式的限制，但開關(guān)時間較長(幾十毫秒到毫秒量級)，開關(guān)尺寸較大，而且不易集成。最近出現(xiàn)的微機械光開關(guān)，采用機械光開關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，所以很有發(fā)展前途。另一類光開關(guān)是利用固體物理效應(yīng)(如電光、磁光、熱光和聲光效應(yīng))的固體光開關(guān)，其中電光式、磁光式光開關(guān)突出的優(yōu)點是開關(guān)速度快(毫秒到亞毫秒量級)，體積非常小，而且易于大規(guī)模集成，但其插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標都比較差。聲光開關(guān)雖然沒有這些缺點，但開關(guān)的操作需要較大的驅(qū)動電功率。 3．1 機械光開關(guān) 機械光開關(guān)有移動光纖式光開關(guān)、移動套管式光開關(guān)和移動透鏡(包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡)式光開關(guān)。圖6(a)表示lxN移動光纖式機械光開關(guān)，它用電磁鐵驅(qū)動活動臂移動，切換到不同的固定臂光纖。圖6(b)表示１2移動反射鏡光開關(guān)。光開關(guān)有1lN和MN等幾種。圖6 機械式光開關(guān) 微機電系統(tǒng)(MEMS)構(gòu)成的微機電光開關(guān)已成為 DWDM網(wǎng)中大容量光交換技術(shù)的主流。它是一種在半導(dǎo)體襯底材料上，用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制造出可以前傾后仰、上下移動或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動力的作用下，對輸入光信號可切換到不同輸出光纖的微機電系統(tǒng)。通常微反射鏡的尺寸只有140μml50μm，驅(qū)動力可以利用熱力效應(yīng)、磁力效應(yīng)和靜電效應(yīng)產(chǎn)生。這種器件的特點是體積小、消光比大(60dB左右)、對偏振不敏感、成本低、開關(guān)速度適中(約5ms)、插人損耗小于1dB。 圖7表示一種可上下移動微反射鏡的MEMS光開關(guān)，它有一個用鎳制成的微反射鏡(80μm高120μm寬30μm厚)，裝在用鎳制成的懸臂(2000μm長100μm寬2μm厚)末端。當懸臂升起來時，入射光可以直通過去，開關(guān)處于平行連接狀態(tài)，如圖7(a)所示；當懸臂放下時，開關(guān)處于交叉連接狀態(tài)，如圖7(b)所示。平行連接狀態(tài)轉(zhuǎn)變到交叉連接狀態(tài)是靠靜電力將懸臂吸引到襯底上實現(xiàn)的，靜電力由加在懸臂和襯底間的電壓產(chǎn)生(30～40V)。襯底上有一個寬約50μm的溝渠，以便讓懸臂上的微反射鏡插入。圖7 可升降微反射鏡MEMS光開關(guān) 圖8 可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)圖9 可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān) 圖10 馬赫曾德爾11光開關(guān) 圖8表示可旋轉(zhuǎn)微反射鏡的MEMS光開關(guān)，當反射鏡取向1時，輸入光從輸出波導(dǎo)1輸出；當反射鏡取向2時，輸入光從輸出波導(dǎo)2輸出，如該圖所示。微反射鏡的旋轉(zhuǎn)由控制電壓完成，通常為100～200V。圖 9表示可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)，當反射鏡立起時，輸入光從輸出光纖1輸出，如該圖所示；當反射鏡臥倒時，輸入光從輸出波導(dǎo)2輸出。這類器件的插入損耗小于IdB、消光比大于60dB、切換功率為 2mW，其開關(guān)速度約10ms，比波導(dǎo)開關(guān)慢。3．2 波導(dǎo)光開關(guān) 利用電光效應(yīng)原理也可以構(gòu)成波導(dǎo)光開關(guān)。圖 10表示由兩個Y形波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫—曾德爾11光開關(guān)，它與圖4的幅度調(diào)制器類似，在理想的情況下，輸入光功率在C點平均分配到兩個分支傳輸，在輸出端D干涉，其輸出幅度與兩個分支光通道的相位差有關(guān)。當A、B分支的相位差φ=0時輸出功率最大，當φ=π/2時，兩個分支中的光場相互抵消，使輸出功率最小，在理想的情況下為零。相位差的改變由外加電場控制。參考文獻：（略）Optical Modulators and Optical SwitchesYuan Rong(Guilin Institute of Optical Communications,Guilin 541004)Abstract This paper first introduces the principle,types and devices of optical modulators,then describes the principle and characteristics of optical switches.Keywords optical modulation。IM/DD。MachZehnder modulator。SCM。elctroabsorption modulator。MEMS本文取自《光通信技術(shù)》2003年 第3期 p49～52.微光開關(guān)研究與發(fā)展現(xiàn)狀魏仁選 姜德生 周祖德(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國家重點工業(yè)性實驗基地，武漢 430070)摘 要 光開關(guān)是光通信的關(guān)鍵部件，是近年來通信領(lǐng)域的研究熱點。文章介紹了微電子機械系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)的特點，從光開關(guān)的實現(xiàn)方式等方面分析了基于MEMS的光開關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點介紹了國外MEMS光開關(guān)的研究與制作方法、應(yīng)用水平，對發(fā)展我國的MEMS光開關(guān)提出了建議。關(guān)鍵詞 微電子機械系統(tǒng)；光開關(guān)；光通信 光開關(guān)在系統(tǒng)通信保護、系統(tǒng)監(jiān)測及全光交換技術(shù)中具有重要的作用．在光通信網(wǎng)絡(luò)中直接使用光開關(guān)切換光信號可避免光／電和電／光的轉(zhuǎn)換過程，從而提高光通信容量和開關(guān)速度，并可保持光波長不變。用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的光開關(guān)，將微機械結(jié)構(gòu)、微致動器和微光學(xué)元件集成在同一襯底上，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、易于擴展，此種光開關(guān)同時具有機械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點，又克服了它們的缺點．據(jù)美國通信工業(yè)研究會預(yù)測， MEMS光開關(guān)產(chǎn)品將逐步超過傳統(tǒng)光開關(guān)數(shù)量，成為市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。1 MEMS光開關(guān)研究現(xiàn)狀。 MEMS光開關(guān)是國內(nèi)外研究的熱點．目前 MEMS光開關(guān)的驅(qū)動方式主要有；靜電驅(qū)動(庫侖靜電引力)、電致伸縮、磁致伸縮、形變記憶合金、光功率驅(qū)動、熱驅(qū)動、熱光驅(qū)動和光子開關(guān)等。MEMS光開關(guān)所用材料大致有：單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等硅基材料；Au、A1等金屬材料；壓電材料及有機聚合物等其他材料．目前微機械光開關(guān)中的連接材料主要是光纖或光波導(dǎo)管。 國外在大規(guī)模光開關(guān)如646128128的光開關(guān)的研究上已取得了一定的進展[1～4]。而國內(nèi)在這方面的研究則與國外存在較大的差距．我國 MEMS光開關(guān)的研究水平處于1214光開關(guān)原理樣機水平。1．1 光路遮擋圖1是朗訊公司研制的光驅(qū)動的微機械開關(guān)．利用硅微細加工工藝制成光控的微型開關(guān)，整個尺寸約1～2 mm。材料由金、氮化硅、多晶硅層組成。其工作機理是：用8個多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機，在光信號的驅(qū)動下產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場吸引，把遮光片升起，光開關(guān)處于開通狀態(tài)。如無光信號，光發(fā)電機無電壓輸出，遮光片下降，光開關(guān)關(guān)閉。用此開關(guān)可組成光纖線路倒換系統(tǒng)。魏仁選，男，1965年出生，副研究員，博士，研究方向為MEMS、微光開關(guān)等. 圖1 朗訊公司研制的光驅(qū)動光開關(guān) 圖2 具有一個雙金屬光纖夾的12光開關(guān)開關(guān) 過程（只示出下半部） 該開關(guān)是由遠端的光信號控制，所以光開關(guān)本身是無源的。據(jù)報道，驅(qū)動光功率僅2．7μW、傳輸距離達128 km、工作波長為950～1650 nm、開關(guān)速度 3．7 ms、損耗小于0．5dB。1．2 光纖移動對接 光纖移動對接是目前研究較多、較為活躍的一種光開關(guān)技術(shù)。1．2．1 熱驅(qū)動 這種光開關(guān)不需要耦合光波導(dǎo)或透鏡，并能達到理想的低損耗開關(guān)功能．它是由一個厚的鍍Ni的可彎曲熱驅(qū)動執(zhí)行器來移動光纖，在硅片上各向異性刻蝕出U或V形槽，用以實現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對準．德國的一所大學(xué)利用體硅加工技術(shù)制作出一種雙穩(wěn)態(tài)熱驅(qū)動光開關(guān)，它利用金屬的熱脹和雙金屬效應(yīng)實現(xiàn)光纖移動．插入損耗為(2177。0．5dB)、交叉串擾小于60dB、驅(qū)動功率700mW。所用光纖為單模光纖，定位精度1μm，圖2為其開關(guān)周期。在穩(wěn)態(tài)Ⅰ，輸入光纖定位于輸出光纖的左側(cè)，光纖夾在雙金屬的驅(qū)動下張開，此時處于自由狀態(tài)的光纖在側(cè)向熱驅(qū)動器的驅(qū)動下移動到另一個開關(guān)狀態(tài)，然后，雙金屬光纖夾閉合，此后處于穩(wěn)態(tài)的光開關(guān)不再需要能量維持開關(guān)狀態(tài)．光纖靠與單模光纖直徑125μm大小一致的V型槽精確定位，達到穩(wěn)態(tài)Ⅱ。1．2．2 磁力驅(qū)動日本NTT利用平面波導(dǎo)研制了一種磁力驅(qū)動的 24微機械光開關(guān)，其插入損耗小于3．1dB、串音小于40 dB、工作電壓為100 V、開關(guān)速度可達0．5ms左右．如圖3所示，光開關(guān)由微加工技術(shù)制作的硅平面波導(dǎo)和磁力驅(qū)動器構(gòu)成．由磁力驅(qū)動器驅(qū)動微系統(tǒng)部件以實現(xiàn)開關(guān)功能，微型移動部件由位于輸入波導(dǎo)光路上的一對驅(qū)動梁和兩個梁共用的驅(qū)動頭組成。梁主要用來側(cè)向移動輸入波導(dǎo)，使其與兩個輸出波導(dǎo)中的一個對準。驅(qū)動器由連接于驅(qū)圖3 NTT24磁力驅(qū)動光開關(guān)（a）頂視圖（b）剖面圖 圖4 基于旋轉(zhuǎn)反射鏡的光纖交叉連接器動頭的鐵磁板和磁力電路組成，磁力電路由電磁線圈和一個永久磁鐵組成。當A、B兩個線圈中的一個施加電流后，驅(qū)動頭由開關(guān)電流驅(qū)動而被吸向一邊，實現(xiàn)開關(guān)功能。1．3 微反射鏡改變光傳輸方向 基于微反射鏡的光開關(guān)的顯著特點是對偏振不敏感，能耗低和帶寬較寬．因此出現(xiàn)了多種基于微鏡的光開關(guān)，如基于可傾斜微鏡的一維、二維光開關(guān)及基于MEMS的反射式光開關(guān)。前兩種結(jié)構(gòu)的光開關(guān)中微鏡的轉(zhuǎn)動角度為177。9176。，因而其兩種開關(guān)狀態(tài)之間的反射光最大角度差為18176。這種小角度不僅可實現(xiàn)不同的光通路，而且可消除光路之間的串擾，并可實現(xiàn)光開關(guān)矩陣，是目前研究最為活躍的光開關(guān)制作方法之一。 這種開關(guān)多采用靜電驅(qū)動微平面鏡陣列來改變自由空間傳輸?shù)墓馐较颍赃M行輸入光與輸出光之間的多路轉(zhuǎn)換．由于目前微光機電系統(tǒng)(MOEMS)體系結(jié)構(gòu)的限制，自由空間光開關(guān)只能利用光纖或光波導(dǎo)作為傳光材料。由于光傳輸過程中的發(fā)散，自由空間光開關(guān)損耗較大。1．3．1 微鏡移動型 瑞士納沙泰爾大學(xué)開發(fā)了一種22光開關(guān)，通過雙面反射鏡移動實現(xiàn)22光交叉連接，反射鏡通過60V電壓形成靜電驅(qū)動位移20μm。交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開關(guān)時間 0