MEMS光学器件 - MEMS光开关

光开关​在光纤通信系统中有着广泛的应用,其实现技术多种多样,包括:机械光开关、热光开关、声光开关、电光开关、磁光开关、液晶光开关和MEMS光开关,等等。其中MEMS光开关具有尺寸小、功耗低和扩展性好的特点,因而得到广泛的应用。

光开关是一种多端口光器件,端口配置情况有:2×2,1×N,N×N,其中N×N端口光开关又称OXC(光交叉连接开关、矩阵光开关)。根据光开关的端口配置不同,需要采用不同的MEMS芯片来实现,本文先讨论2×2和1×N端口光开关。

2×2 端口光开关

2×2端口光开关被用于光纤环网的保护。基于ROADM技术的智能光网络如图1所示,它是一种三层架构,包括:骨干网、城域网和接入网[1-3]

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图1. 基于ROADM技术的智能光网络架构[3]

城域网是一个以ROADM节点连接的双光纤环网,图2是一个ROADM节点结构,它包括以两个2×2端口光开关连接的ROADM模块和光放大器(OA)。光开关为光纤环网提供保护,当光纤链路或者ROADM节点发生故障时,可通过光开关的直通→交叉状态切换,将故障节点旁路[4]

随着互联网应用的快速发展,对带宽的需求也迅速增长,进而推动了基于ROADM技术的额城域网的建设。因此,2×2端口光开关的市场前景较好。

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图2. 双光纤环网中的ROADM节点结构[4]

基于MEMS技术的2×2端口光开关的原理如图3所示,四根光波导被设置于四个方向,一个竖直的MEMS微镜被设置成45°角方向。当微镜未介入光路时,来自波导1和2的光束分别耦合到波导3和4中,端口连接状态为1→3和2→4,此为直通状态;当微镜插入光路时,来自波导1和2的光束经微镜反射,分别耦合至端口4和3,端口连接状态为1→4和2→3,此为交叉状态[5]

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图3. 2×2端口MEMS光开关的工作原理,左图:直通状态,右图:交叉状态[5]

MEMS微镜的行程有限,通常只有数十微米。光无源器件中常用到光纤准直器,其输出光束的直径通常为数百微米,该MEMS微镜不能对其进行交换。该MEMS微镜仅能对光纤输出的直径约10微米的光束进行控制,而光纤必须精确对准才能保证光信号的耦合效率。两根光纤横向错位引起的耦合损耗如图4所示,其容差<1μm。

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图4. 两根光纤横向错位因其的耦合损耗

此外,被MEMS微镜切换的光束是未经准直的,发散角比较大。光纤之间的纵向间距会引起显著的耦合损耗,如图5所示,光纤间距必须<20μm。

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图5. 耦合损耗与两根光纤纵向间距的关系

基于以上考虑,在制备MEMS微镜时,同时制备了四个光纤定位槽,如图6所示。为了保证光纤的精确排列定位,在每个槽中加工了一个弹簧结构,用以卡住光纤,弹簧结构见图6红色圈中。

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图6. MEMS芯片及光纤定位槽的扫描电镜照片[1]

瑞士Neuchael大学的科学家设计和制备了此2×2 端口MEMS光开关,其响应速度<1ms,然而损耗还是有点大,特别是在交叉状态。光开关在交叉状态下,光束经MEMS微镜反射实现耦合,而经离子束刻蚀制备的竖直微镜,其表面粗糙度远不如抛光表面,且未经镀膜处理,因而产生较大损耗。

1×N端口光开关

我们知道,互联网应用的快速发展推动了基于ROADM技术的智能光网络的建设,新一代的CDC(无色、无方向性和无竞争)ROADM,其主流技术方案是1×N端口WSS (波长选择开关)+ N×M端口WSS,或者1×N端口WSS+N×M端口MCS(多播开关),如图7所示[6]。基于成本考量,后者即1×N端口WSS+N×M端口MCS更受电信运营商和设备制造商欢迎。因此随着基于ROADM的智能光网络的发展,市场对MCS光开关的需求增长迅猛,特别是当ROADM技术由骨干网下沉至城域网时。

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图7. 基于1×N端口WSS + N×M端口WSS或者1×N端口WSS+N×M端口MCS的CDC ROADM节点[6]

8×16端口MCS光开关的结构如图8所示,它包括8个1×16端口的PLC光分路器和16个8×1端口的光开关,光分路器通常以PLC技术制备,而1×N端口光开关通常采用MEMS技术。最常用的是1×8和1×16端口光开关。

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图8. 8×16端口MCS光开关结构(PS:光分路器,SW:光开关)

基于MEMS技术的1×N端口光开关,其结构如图9所示,它包括一个MEMS微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。MEMS微镜通常贴装在一个TO管座上,然后通过TO管帽将准直透镜与TO管座组装成一个组件,最后在有源调试状态下,将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。

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图9. 基于MEMS技术的1×N端口光开关结构

图9中的器件结构非常简单,然而,要制作一个大端口数、低损耗的1×N端口光开关并不容易。最大损耗发生在离轴距离最远(Δmax)的端口处,该端口受离轴像差的影响最大。随着光学系统的相对孔径Δmax/f(f为准直透镜的焦距)增加,光学像差劣化。增加焦距f有助于减小像差,但长焦距会增加入射在MEMS微镜上的准直光斑直径,如是(1)

image020.gif(1)

其中ω0为光纤中的光斑半径,ωc为微镜上的光斑半径。

准直光斑的尺寸受限于MEMS微镜直径Ф,为了保证覆盖到准直光斑能量的99%,要求Ф>3ωc。然而,由于MEMS技术本身的限制,微镜的直径Ф与最大偏转角度θmax存在相互制约关系,比如一个典型的MEMS微镜参数为Ф=1mm、θmax=&plusmn;4&deg;。镜面直径Ф越大则最大偏角θmax=Δmax/f越小,从而反过来限制了光开关的端口数。因此我们知道,增加准直透镜的焦距f并不能提高光开关的端口数N。

考虑到上述困境,有三个途径可提高光开关的端口数,其一是改变多纤插针中的光纤排列方式,如图10所示,左图只需要单轴MEMS微镜,但端口数少一些;右图可以得到更多的端口数,但需要双轴MEMS微镜。一个双轴MEMS微镜的价格比单轴微镜贵得多。

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图10. 多纤插针中的光纤排列方式

增加光开关端口数的第二个途径是减小光纤直径。我们知道,典型单模光纤的包层直径是125μm,通常以化学腐蚀工艺来减小光纤直径。腐蚀之后的光纤直径通常为60~80μm,但仍然不够小,因此光开关的端口数受限为N≤16。另外,腐蚀工艺的控制并不容易,这会增加多纤插针的成本。

增加光开关端口数的第三个途径是选用一个像差较小的准直透镜,非球面或者自聚焦透镜的性能,都会比C-Lens好一些。

参考文献

[1]L. Eldada, Advances in ROADM technologies and subsystems, Proc of SPIE, Toronto, Canada, 2005: 597022-1.

[2]L. Eldada, 40-channel ultra-low-power compact PLC-based ROADM subsystem, Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, Anaheim, USA, 2006: NThC4.

[3]Zhujun Wan, Research on Interleaving Filters and Thermo-Optic Switches Based on Planar Lightwave Circuit, Doctoral Dissertation, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, 2007

J. J. O. Pires, Constraints on the design of 2-fiber bi-directional WDM rings with optical multiplexer section protection, Advanced Semiconductor Lasers and Applications/Ultraviolet 

[4]and Blue Lasers and Their Applications/Ultralong Haul DWDM Transmission and Networking/WDM Components, the LEOS Summer Topical Meetings, San Diego, USA, 2001: MC3.2.

[5]Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij, Micro-Opto-Mechanical 2×2 Switch for Single-Mode Fibers Based on Plasma-Etched Silicon Mirror, Journal of Lightwave Technology, 17(1): 2-6, 1999

[6]Manish Sharma, Per Hansen, Bimal Nayar, and Peter Wigley, Next-Generation ROADM Technologies and Architecture, Proc. of SPIE Vol.8283: 828309, 2012

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