【正文】 的頻率相同但相位不同進(jìn)行干涉的干涉計(jì)，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(gè)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(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，在輸出端D干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著一個(gè)干涉計(jì)的作用，其輸出幅度與兩個(gè)分支光通道的相位差有關(guān)。兩個(gè)理想的背對(duì)背相位調(diào)制器，在外電場(chǎng)的作用下，能夠改變兩個(gè)分支中待調(diào)制傳輸光的相位。由于加在兩個(gè)分支中的電場(chǎng)方向相反，如圖4(b)表示(a)圖的截面圖所示，所以在兩個(gè)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(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，其幅度為A，在輸出端D的光場(chǎng)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(dāng)時(shí)輸出功率最大，當(dāng)φ=π/2時(shí)，兩個(gè)分支中的光場(chǎng)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?tīng)柗日{(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(chǎng)控制著兩個(gè)分支中干涉波的相位差，所以外加電場(chǎng)也控制著輸出光的強(qiáng)度，雖然它們并不成線性關(guān)系。 外腔調(diào)制器的性能由開(kāi)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(dá) 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(duì)光的吸收損耗與外加的調(diào)制電壓有關(guān)，當(dāng)調(diào)制電壓使pin反向偏置時(shí)，入射光完全被i層吸收，換句話說(shuō)，因勢(shì)壘的存在，入射光不能通過(guò)i層，相當(dāng)于輸出“0”碼；反之，當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，勢(shì)壘消失，入射光不被i層吸收而讓其通過(guò)，相當(dāng)于輸出“1”碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的調(diào)制，如圖5所示。EA調(diào)制器有著許多優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)電壓低，通過(guò)這種調(diào)制器與激光器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)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(zhǎng)為1．5μm、調(diào)制速率為2．5Gb／s，內(nèi)置光隔離器、檢測(cè)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(dāng)調(diào)制電壓為2Vpp時(shí)，消光比大于10dB，傳輸距離達(dá)到400km。用戶可以按照ITUT關(guān)于DWDM的標(biāo)準(zhǔn)選擇波長(zhǎng)。波長(zhǎng)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(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的交換。對(duì)光開(kāi)關(guān)的要求是插入損耗小、串音低、重復(fù)性高、開(kāi)關(guān)速度快、回波損耗小、消光比大、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)小型化和操作方便。 光開(kāi)關(guān)可以分為兩大類：一類是利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖或透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)。這類光開(kāi)關(guān)技術(shù)比較成熟，在插入損耗(典型值0．5dB)、隔離度(可達(dá)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(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)(幾十毫秒到毫秒量級(jí))，開(kāi)關(guān)尺寸較大，而且不易集成。最近出現(xiàn)的微機(jī)械光開(kāi)關(guān)，采用機(jī)械光開(kāi)關(guān)的原理，但又能象波導(dǎo)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，其中電光式、磁光式光開(kāi)關(guān)突出的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快(毫秒到亞毫秒量級(jí))，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(biāo)都比較差。聲光開(kāi)關(guān)雖然沒(méi)有這些缺點(diǎn)，但開(kāi)關(guān)的操作需要較大的驅(qū)動(dòng)電功率。 3．1 機(jī)械光開(kāi)關(guān) 機(jī)械光開(kāi)關(guān)有移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān)、移動(dòng)套管式光開(kāi)關(guān)和移動(dòng)透鏡(包括反射鏡、棱鏡和自聚焦透鏡)式光開(kāi)關(guān)。圖6(a)表示lxN移動(dòng)光纖式機(jī)械光開(kāi)關(guān)，它用電磁鐵驅(qū)動(dòng)活動(dòng)臂移動(dòng)，切換到不同的固定臂光纖。圖6(b)表示１2移動(dòng)反射鏡光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)有1lN和MN等幾種。圖6 機(jī)械式光開(kāi)關(guān) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)構(gòu)成的微機(jī)電光開(kāi)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(dòng)或旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，對(duì)輸入光信號(hào)可切換到不同輸出光纖的微機(jī)電系統(tǒng)。通常微反射鏡的尺寸只有140μml50μm，驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是體積小、消光比大(60dB左右)、對(duì)偏振不敏感、成本低、開(kāi)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(dòng)微反射鏡的MEMS光開(kāi)關(guān)，它有一個(gè)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(zhǎng)100μm寬2μm厚)末端。當(dāng)懸臂升起來(lái)時(shí)，入射光可以直通過(guò)去，開(kāi)關(guān)處于平行連接狀態(tài)，如圖7(a)所示；當(dāng)懸臂放下時(shí)，開(kāi)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(shí)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(gè)寬約50μm的溝渠，以便讓?xiě)冶凵系奈⒎瓷溏R插入。圖7 可升降微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān) 圖8 可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)圖9 可立臥微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān) 圖10 馬赫曾德?tīng)?1光開(kāi)關(guān) 圖8表示可旋轉(zhuǎn)微反射鏡的MEMS光開(kāi)關(guān)，當(dāng)反射鏡取向1時(shí)，輸入光從輸出波導(dǎo)1輸出；當(dāng)反射鏡取向2時(shí)，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(kāi)關(guān)，當(dāng)反射鏡立起時(shí)，輸入光從輸出光纖1輸出，如該圖所示；當(dāng)反射鏡臥倒時(shí)，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(kāi)關(guān)速度約10ms，比波導(dǎo)開(kāi)關(guān)慢。3．2 波導(dǎo)光開(kāi)關(guān) 利用電光效應(yīng)原理也可以構(gòu)成波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)。圖 10表示由兩個(gè)Y形波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫—曾德?tīng)?1光開(kāi)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(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，在輸出端D干涉，其輸出幅度與兩個(gè)分支光通道的相位差有關(guān)。當(dāng)A、B分支的相位差φ=0時(shí)輸出功率最大，當(dāng)φ=π/2時(shí)，兩個(gè)分支中的光場(chǎng)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(chǎng)控制。參考文獻(xiàn)：（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(kāi)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(guó)家重點(diǎn)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)基地，武漢 430070)摘 要 光開(kāi)關(guān)是光通信的關(guān)鍵部件，是近年來(lái)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文章介紹了微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)光開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，從光開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式等方面分析了基于MEMS的光開(kāi)關(guān)的研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了國(guó)外MEMS光開(kāi)關(guān)的研究與制作方法、應(yīng)用水平，對(duì)發(fā)展我國(guó)的MEMS光開(kāi)關(guān)提出了建議。關(guān)鍵詞 微電子機(jī)械系統(tǒng)；光開(kāi)關(guān)；光通信 光開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)通信保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)切換光信號(hào)可避免光／電和電／光的轉(zhuǎn)換過(guò)程，從而提高光通信容量和開(kāi)關(guān)速度，并可保持光波長(zhǎng)不變。用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的光開(kāi)關(guān)，將微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微致動(dòng)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(kuò)展，此種光開(kāi)關(guān)同時(shí)具有機(jī)械光開(kāi)關(guān)和波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了它們的缺點(diǎn)．據(jù)美國(guó)通信工業(yè)研究會(huì)預(yù)測(cè)， MEMS光開(kāi)關(guān)產(chǎn)品將逐步超過(guò)傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)數(shù)量，成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。1 MEMS光開(kāi)關(guān)研究現(xiàn)狀。 MEMS光開(kāi)關(guān)是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)．目前 MEMS光開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有；靜電驅(qū)動(dòng)(庫(kù)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(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)、熱光驅(qū)動(dòng)和光子開(kāi)關(guān)等。MEMS光開(kāi)關(guān)所用材料大致有：?jiǎn)尉Ч琛⒍嗑Ч?、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(jī)聚合物等其他材料．目前微機(jī)械光開(kāi)關(guān)中的連接材料主要是光纖或光波導(dǎo)管。 國(guó)外在大規(guī)模光開(kāi)關(guān)如646128128的光開(kāi)關(guān)的研究上已取得了一定的進(jìn)展[1～4]。而國(guó)內(nèi)在這方面的研究則與國(guó)外存在較大的差距．我國(guó) MEMS光開(kāi)關(guān)的研究水平處于1214光開(kāi)關(guān)原理樣機(jī)水平。1．1 光路遮擋圖1是朗訊公司研制的光驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械開(kāi)關(guān)．利用硅微細(xì)加工工藝制成光控的微型開(kāi)關(guān)，整個(gè)尺寸約1～2 mm。材料由金、氮化硅、多晶硅層組成。其工作機(jī)理是：用8個(gè)多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機(jī)，在光信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場(chǎng)吸引，把遮光片升起，光開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通狀態(tài)。如無(wú)光信號(hào)，光發(fā)電機(jī)無(wú)電壓輸出，遮光片下降，光開(kāi)關(guān)關(guān)閉。用此開(kāi)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?yàn)镸EMS、微光開(kāi)關(guān)等. 圖1 朗訊公司研制的光驅(qū)動(dòng)光開(kāi)關(guān) 圖2 具有一個(gè)雙金屬光纖夾的12光開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 過(guò)程（只示出下半部） 該開(kāi)關(guān)是由遠(yuǎn)端的光信號(hào)控制，所以光開(kāi)關(guān)本身是無(wú)源的。據(jù)報(bào)道，驅(qū)動(dòng)光功率僅2．7μW、傳輸距離達(dá)128 km、工作波長(zhǎng)為950～1650 nm、開(kāi)關(guān)速度 3．7 ms、損耗小于0．5dB。1．2 光纖移動(dòng)對(duì)接 光纖移動(dòng)對(duì)接是目前研究較多、較為活躍的一種光開(kāi)關(guān)技術(shù)。1．2．1 熱驅(qū)動(dòng) 這種光開(kāi)關(guān)不需要耦合光波導(dǎo)或透鏡，并能達(dá)到理想的低損耗開(kāi)關(guān)功能．它是由一個(gè)厚的鍍Ni的可彎曲熱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來(lái)移動(dòng)光纖，在硅片上各向異性刻蝕出U或V形槽，用以實(shí)現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對(duì)準(zhǔn)．德國(guó)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(dòng)光開(kāi)關(guān)，它利用金屬的熱脹和雙金屬效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光纖移動(dòng)．插入損耗為(2177。0．5dB)、交叉串?dāng)_小于60dB、驅(qū)動(dòng)功率700mW。所用光纖為單模光纖，定位精度1μm，圖2為其開(kāi)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(dòng)下張開(kāi)，此時(shí)處于自由狀態(tài)的光纖在側(cè)向熱驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到另一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)不再需要能量維持開(kāi)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(dá)到穩(wěn)態(tài)Ⅱ。1．2．2 磁力驅(qū)動(dòng)日本NTT利用平面波導(dǎo)研制了一種磁力驅(qū)動(dòng)的 24微機(jī)械光開(kāi)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(kāi)關(guān)速度可達(dá)0．5ms左右．如圖3所示，光開(kāi)關(guān)由微加工技術(shù)制作的硅平面波導(dǎo)和磁力驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成．由磁力驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微系統(tǒng)部件以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，微型移動(dòng)部件由位于輸入波導(dǎo)光路上的一對(duì)驅(qū)動(dòng)梁和兩個(gè)梁共用的驅(qū)動(dòng)頭組成。梁主要用來(lái)側(cè)向移動(dòng)輸入波導(dǎo)，使其與兩個(gè)輸出波導(dǎo)中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)器由連接于驅(qū)圖3 NTT24磁力驅(qū)動(dòng)光開(kāi)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(dòng)頭的鐵磁板和磁力電路組成，磁力電路由電磁線圈和一個(gè)永久磁鐵組成。當(dāng)A、B兩個(gè)線圈中的一個(gè)施加電流后，驅(qū)動(dòng)頭由開(kāi)關(guān)電流驅(qū)動(dòng)而被吸向一邊，實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)關(guān)的顯著特點(diǎn)是對(duì)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(kāi)關(guān)，如基于可傾斜微鏡的一維、二維光開(kāi)關(guān)及基于MEMS的反射式光開(kāi)關(guān)。前兩種結(jié)構(gòu)的光開(kāi)關(guān)中微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為177。9176。，因而其兩種開(kāi)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(shí)現(xiàn)不同的光通路，而且可消除光路之間的串?dāng)_，并可實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)矩陣，是目前研究最為活躍的光開(kāi)關(guān)制作方法之一。 這種開(kāi)關(guān)多采用靜電驅(qū)動(dòng)微平面鏡陣列來(lái)改變自由空間傳輸?shù)墓馐较?，以進(jìn)行輸入光與輸出光之間的多路轉(zhuǎn)換．由于目前微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)體系結(jié)構(gòu)的限制，自由空間光開(kāi)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(guò)程中的發(fā)散，自由空間光開(kāi)關(guān)損耗較大。1．3．1 微鏡移動(dòng)型 瑞士納沙泰爾大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種22光開(kāi)關(guān)，通過(guò)雙面反射鏡移動(dòng)實(shí)現(xiàn)22光交叉連接，反射鏡通過(guò)60V電壓形成靜電驅(qū)動(dòng)位移20μm。交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)間 0