随着信息技术的发展，光通信成为数据通信的主要方式。光开关是光通信系统中的核心组件。微机电系统（MEMS）具有微型化、集成化等特点，已被广泛应用于光学领域。MEMS光开关不仅保留了传统的机械式光开关低损耗、低串扰的优点，还具有体积小、质量轻、开关时间短等优势。

武汉大学的科研团队介绍了MEMS光开关的原理结构及MEMS光开关的研究进展，分析了MEMS光开关的优势。MEMS光开关具有响应速度快、集成度高、插入损耗低以及可扩展性好等特点，相比传统的光开关有明显优势，展现出巨大的应用潜力。相关研究内容以“MEMS光开关的研究进展”为题发表在《光学与光电技术》期刊上。

MEMS光开关的基本原理

MEMS是一种集成微机械、微执行器、信号处理模块和控制电路的微型器件或系统。其制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀和晶片键合等技术。MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的反射镜片，通过施加电压控制反射镜的偏转，从而改变光束的传播路径，实现光束在输入、输出端口间的切换。N×N MEMS光开关可连接N个输入光纤和N个输出光纤，分为二维和三维结构。

二维N×N MEMS光开关

二维N×N MEMS光开关具有N个输入端口、N个输出端口和N²个微镜。其光学组件都在一个二维空间，图1为二维N×N MEMS开关架构的示意图。其中每个微镜只有两种状态（ON和OFF）。当微镜处于ON状态时，微镜将来自输入端口的入射光束反射到输出端口。当微镜处于OFF状态时，微镜将允许入射光束通过。因此，反射镜的状态为二进制，通过ON或OFF状态将入射光束从输入端口切换到特定的输出端口，极大简化了控制方案。

图1 二维N×N MEMS光开关结构的示意图

三维N×N MEMS光开关

如图2所示，三维N×N MEMS光开关包括输入光纤阵列、输入透镜阵列、两个平行的MEMS反射镜阵列、输出透镜阵列和输出光纤阵列。其微反射镜的直径通常为几百微米，可绕两个正交轴旋转，并通过静电场或磁场驱动。与二维MEMS光开关不同，二维MEMS光开关仅需控制微镜开关的两种状态，而三维MEMS光开关则需控制微镜的旋转角度。

图2 三维MEMS光开关示意图

1×N MEMS光开关

图3展示了一种典型的1×N MEMS光开关，其结构包括一个输入光纤和N个输出光纤。输出光纤排列成一列或圆周状，光信号由输入端口输入，经准直透镜和MEMS微镜反射后从相应端口输出。该结构的优势在于只需要一个MEMS微镜，构成N×N端口仅需两个1×N光开关，大大降低了器件成本。然而，由于纤芯间距、微镜尺寸和旋转角度的限制，端口数量无法做到很大，这是其劣势。

图3 经典1×N MEMS光开关结构示意图

MEMS光开关的研究进展

二维N×N MEMS光开关

1996年，Toshiyoshi等人提出了一种二维2×2 MEMS光开关。如图4所示，开关采用了静电扭转微镜，使用球透镜尾纤到单模光纤准直。其反射镜可以在自由空间中旋转，并通过静电驱动反射镜的ON和OFF状态控制光束反射或通过。

图4 二维2×2 MEMS光开关示意图

二维MEMS光开关主要通过两种技术实现状态切换（即在ON和OFF之间切换）。第一种技术中反射镜最初平行于衬底（OFF状态），致动器将反射镜旋转出平面实现ON状态。这个过程通常通过静电致动器和磁致动器实现。第二种技术中反射镜垂直于衬底。同样通过静电致动器或磁致动器旋转或平移反射镜控制光束反射或通过。在致动器处于任一状态时，反射镜保持其相对于基板的垂直度。其中梳状致动器应用广泛，相关研究如图5所示。

图5 梳状致动光开关

三维N×N MEMS光开关

由于网络服务需求的快速增长，实际部署中需要100×100级的光开关。三维MEMS光开关适合多端口光开关得以迅速发展。三维MEMS光开关注重大端口数、低插入损耗、低功率、低成本和小尺寸。一些研究实现了端口数从64×64到1 296×1 296的光开关。与二维光开关架构相比，三维光开关实现了更低且更均匀的插入损耗。如图6所示，三维MEMS光开关架构主要有两种。

图6 三维MEMS光开关架构

1×N MEMS光开关

1×N光开关是光开关结构中的一个重要组成部分，实现1个输入端口和N个输出端口之间的光束切换。世界上第一个可实用化的MEMS光开关是美国Lucent公司贝尔实验室于1999年研制的一种称为“跷跷板”的1×2光开关，在此基础上Lucent公司于2000年7月5日推出了第一个全光波长交换的OXC WaveStar LambdaRouter（波长路由器）。Grade等人提出了带旋转镜的1×N光开关。此光开关由一根输入光纤、N根输出光纤和一个中心透镜组成，如图7所示。Grade等人还提出了带平移镜的1×N光开关。该开关具有一个输入光纤、N个输出光纤和N个微镜，每个微镜属于单个输出光纤，如图8所示。可扩展性是1×N MEMS光开关的主要目标，这就要求光开关将输入光束切换到开关中的任何输出端口。Yassen等人设计并制造了一个旋转1×8 MEMS光开关，使用装配在微电机顶部的MEMS，如图9所示。梁海涵等人提出了一种无阻塞MEMS光开关，如图10所示。

图7 带旋转镜的1×N MEMS光开关

图8 带平移镜的1×N MEMS光开关

图9 （a）旋转的扫描电镜；（b）使用旋转开关的1×8 MEMS开关原理图

图10 无阻塞MEMS光开关示意图

MEMS光开关的优势

MEMS光开关作为一种前沿技术正在迅速发展，并在光通信、光网络和光传感等领域展现出了巨大的潜力。相较于传统的机械式光开关、热光开关、电光开关以及液晶光开关，MEMS光开关凭借其独特的优势在光学信号控制领域备受关注。

机械式光开关

机械式光开关是第一个商用的光开关技术，其基本原理是依靠机械装置的物理移动来实现对光路径的切换。这类装置主要包括棱镜、反射镜和定向耦合器等。图11是比较典型的2×2机械式光开关，通过轴承控制动臂从而实现反射镜的移动。机械式光开关因其低插入损耗、低偏振依赖损耗、低串扰和低生产成本等优点而受到重视。但其缺点是开关速度相对较慢，不能满足某些需求快速响应的应用场景。此外，机械式光开关的另一个缺点是缺乏可扩展性。

图11 典型2×2机械式光开关

热光开关

热光开关是一种基于热光效应的光学设备，其工作原理是利用材料本身的温度变化来引起电介质材料折射率的变化。常见的热光开关包括马赫-曾德干涉仪（MZI）型光开关、Y型波导光开关等。与机械式光开关类似，热光开关的端口数量通常较少，主要包括1×1、1×2和2×2等类型。其中2×2端口的热光开关原理等效于MZI干涉仪。如图12所示，MZI干涉仪光开关利用温度变化调节分支的折射率，导致不同分支间光信号的相位差发生变化，实现端口选择。热光开关具有成本低廉、功耗小的特点，但对环境温度敏感，且需要一定时间建立温度差，因此其响应速度较慢。与之相比，MEMS光开关更易于大规模集成，而且反应速度快。

图12 MZI干涉仪型光开关示意图

电光开关

电光开关通常采用定向耦合器，通过调节耦合区域中材料的折射率来实现光路转换。常用的材料之一是铌酸锂（LiNbO3）。图13展示了基于铌酸锂的电开关结构。施加在电极上的电压可改变衬底的折射率，从而调节光信号通过适当的波导路径到达目标输出端口。

图13 电开关结构示意图

液晶光开关

液晶光开关是一种基于施加电场改变液晶对入射光偏振状态的技术。通过液晶的偏振变化结合偏振选择性分束器，实现光路切换。输入光被分解为横向电场和纵向电场分量，在光开关中分别处理。在输出端，横向分量和纵向分量被重新组合。图14展示了一个1×2液晶光开关的结构。

图14 液晶光开关结构示意图

结论

MEMS光开关是光通信系统中的核心组件。本文阐述了MEMS光开关的基本原理，包括二维MEMS光开关、三维MEMS光开关和1×N MEMS光开关的结构。介绍了MEMS光开关的研究现状及关键技术。分析了MEMS光开关相比于传统的机械式光开关、热光开关、电光开关以及液晶光开关的优势。MEMS光开关具有响应速度快、集成度高、插入损耗低以及可扩展性好等优势，展现出巨大的应用潜力。