億源通丨基于MEMS技術(shù)的1×N光開(kāi)關(guān)

  ICC訊 光開(kāi)關(guān)在光纖通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)多種多樣，包括：機(jī)械光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)和MEMS光開(kāi)關(guān)，等等。其中MEMS光開(kāi)關(guān)具有尺寸小、功耗低和擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。

  光開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)又稱OXC（光交叉連接開(kāi)關(guān)、矩陣光開(kāi)關(guān)）。根據(jù)光開(kāi)關(guān)的端口配置不同，需要采用不同的MEMS芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文討論2×2和1×N端口光開(kāi)關(guān)。

  2×2 端口光開(kāi)關(guān)

  2×2端口光開(kāi)關(guān)被用于光纖環(huán)網(wǎng)的保護(hù)。基于ROADM技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，它是一種三層架構(gòu)，包括：骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)。

圖1. 基于ROADM技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

  城域網(wǎng)是一個(gè)以ROADM節(jié)點(diǎn)連接的雙光纖環(huán)網(wǎng)，圖2是一個(gè)ROADM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，它包括以兩個(gè)2×2端口光開(kāi)關(guān)連接的ROADM模塊和光放大器（OA）。光開(kāi)關(guān)為光纖環(huán)網(wǎng)提供保護(hù)，當(dāng)光纖鏈路或者ROADM節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)光開(kāi)關(guān)的直通→交叉狀態(tài)切換，將故障節(jié)點(diǎn)旁路。

  隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，對(duì)帶寬的需求也迅速增長(zhǎng)，進(jìn)而推動(dòng)了基于ROADM技術(shù)的額城域網(wǎng)的建設(shè)。因此，2×2端口光開(kāi)關(guān)的市場(chǎng)前景較好。

圖2. 雙光纖環(huán)網(wǎng)中的ROADM節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

  基于MEMS技術(shù)的2×2端口光開(kāi)關(guān)的原理如圖3所示，四根光波導(dǎo)被設(shè)置于四個(gè)方向，一個(gè)豎直的MEMS微鏡被設(shè)置成45°角方向。當(dāng)微鏡未介入光路時(shí)，來(lái)自波導(dǎo)1和2的光束分別耦合到波導(dǎo)3和4中，端口連接狀態(tài)為1→3和2→4，此為直通狀態(tài)；當(dāng)微鏡插入光路時(shí)，來(lái)自波導(dǎo)1和2的光束經(jīng)微鏡反射，分別耦合至端口4和3，端口連接狀態(tài)為1→4和2→3，此為交叉狀態(tài)。

圖3. 2×2端口MEMS光開(kāi)關(guān)的工作原理，左圖：直通狀態(tài)，右圖：交叉狀態(tài)

  MEMS微鏡的行程有限，通常只有數(shù)十微米。光無(wú)源器件中常用到光纖準(zhǔn)直器，其輸出光束的直徑通常為數(shù)百微米，該MEMS微鏡不能對(duì)其進(jìn)行交換。該MEMS微鏡僅能對(duì)光纖輸出的直徑約10微米的光束進(jìn)行控制，而光纖必須精確對(duì)準(zhǔn)才能保證光信號(hào)的耦合效率。兩根光纖橫向錯(cuò)位引起的耦合損耗如圖4所示，其容差<1μm。

圖4. 兩根光纖橫向錯(cuò)位因其的耦合損耗

  此外，被MEMS微鏡切換的光束是未經(jīng)準(zhǔn)直的，發(fā)散角比較大。光纖之間的縱向間距會(huì)引起顯著的耦合損耗，如圖5所示，光纖間距必須<20μm。

圖5. 耦合損耗與兩根光纖縱向間距的關(guān)系

  基于以上考慮，在制備MEMS微鏡時(shí)，同時(shí)制備了四個(gè)光纖定位槽，如圖6所示。為了保證光纖的精確排列定位，在每個(gè)槽中加工了一個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)，用以卡住光纖，彈簧結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6紅色圈中。

圖6. MEMS芯片及光纖定位槽的掃描電鏡照片

  瑞士Neuchael大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)和制備了此2×2 端口MEMS光開(kāi)關(guān)，其響應(yīng)速度<1ms，然而損耗還是有點(diǎn)大，特別是在交叉狀態(tài)。光開(kāi)關(guān)在交叉狀態(tài)下，光束經(jīng)MEMS微鏡反射實(shí)現(xiàn)耦合，而經(jīng)離子束刻蝕制備的豎直微鏡，其表面粗糙度遠(yuǎn)不如拋光表面，且未經(jīng)鍍膜處理，因而產(chǎn)生較大損耗。

  1×N端口光開(kāi)關(guān)

  我們知道，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展推動(dòng)了基于ROADM技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，新一代的CDC（無(wú)色、無(wú)方向性和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)）ROADM，其主流技術(shù)方案是1×N端口WSS （波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)）+ N×M端口WSS，或者1×N端口WSS+N×M端口MCS（多播開(kāi)關(guān)），如圖7所示?；诔杀究剂浚笳呒?×N端口WSS+N×M端口MCS更受電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商歡迎。因此隨著基于ROADM的智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)MCS光開(kāi)關(guān)的需求增長(zhǎng)迅猛，特別是當(dāng)ROADM技術(shù)由骨干網(wǎng)下沉至城域網(wǎng)時(shí)。

圖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節(jié)點(diǎn)

  8×16端口MCS光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，它包括8個(gè)1×16端口的PLC光分路器和16個(gè)8×1端口的光開(kāi)關(guān)，光分路器通常以PLC技術(shù)制備，而1×N端口光開(kāi)關(guān)通常采用MEMS技術(shù)。最常用的是1×8和1×16端口光開(kāi)關(guān)。

圖8. 8×16端口MCS光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)（PS：光分路器，SW：光開(kāi)關(guān)）

  基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示，它包括一個(gè)MEMS微鏡、一個(gè)準(zhǔn)直透鏡和一個(gè)多纖插針。MEMS微鏡通常貼裝在一個(gè)TO管座上，然后通過(guò)TO管帽將準(zhǔn)直透鏡與TO管座組裝成一個(gè)組件，最后在有源調(diào)試狀態(tài)下，將多纖插針與前述組件對(duì)準(zhǔn)并固定在一起。

圖9. 基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

  圖9中的器件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，然而，要制作一個(gè)大端口數(shù)、低損耗的1×N端口光開(kāi)關(guān)并不容易。最大損耗發(fā)生在離軸距離最遠(yuǎn)（Δmax）的端口處，該端口受離軸像差的影響最大。隨著光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑Δmax/f（f為準(zhǔn)直透鏡的焦距）增加，光學(xué)像差劣化。增加焦距f有助于減小像差，但長(zhǎng)焦距會(huì)增加入射在MEMS微鏡上的準(zhǔn)直光斑直徑，如是（1）

  (1)

  其中ω0為光纖中的光斑半徑，ωc為微鏡上的光斑半徑。

  準(zhǔn)直光斑的尺寸受限于MEMS微鏡直徑Ф，為了保證覆蓋到準(zhǔn)直光斑能量的99%，要求Ф>3ωc。然而，由于MEMS技術(shù)本身的限制，微鏡的直徑Ф與最大偏轉(zhuǎn)角度θmax存在相互制約關(guān)系，比如一個(gè)典型的MEMS微鏡參數(shù)為Ф=1mm、θmax=±4°。鏡面直徑Ф越大則最大偏角θmax=Δmax/f越小，從而反過(guò)來(lái)限制了光開(kāi)關(guān)的端口數(shù)。因此我們知道，增加準(zhǔn)直透鏡的焦距f并不能提高光開(kāi)關(guān)的端口數(shù)N。

  考慮到上述困境，有三個(gè)途徑可提高光開(kāi)關(guān)的端口數(shù)，其一是改變多纖插針中的光纖排列方式，如圖10所示，左圖只需要單軸MEMS微鏡，但端口數(shù)少一些；右圖可以得到更多的端口數(shù)，但需要雙軸MEMS微鏡。一個(gè)雙軸MEMS微鏡的價(jià)格比單軸微鏡貴得多。

圖10. 多纖插針中的光纖排列方式

  增加光開(kāi)關(guān)端口數(shù)的第二個(gè)途徑是減小光纖直徑。我們知道，典型單模光纖的包層直徑是125μm，通常以化學(xué)腐蝕工藝來(lái)減小光纖直徑。腐蝕之后的光纖直徑通常為60~80μm，但仍然不夠小，因此光開(kāi)關(guān)的端口數(shù)受限為N≤16。另外，腐蝕工藝的控制并不容易，這會(huì)增加多纖插針的成本。

  增加光開(kāi)關(guān)端口數(shù)的第三個(gè)途徑是選用一個(gè)像差較小的準(zhǔn)直透鏡，非球面或者自聚焦透鏡的性能，都會(huì)比C-Lens好一些。

  關(guān)于億源通

  億源通科技（HYC Co., Ltd）立足于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求以及面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術(shù)產(chǎn)品， 包括1×48通道的光開(kāi)關(guān)， 與 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS光開(kāi)關(guān)模塊，以及MCS模塊等。億源通科技，是一家專注于光通信無(wú)源基礎(chǔ)器件研發(fā)、制造、銷售與服務(wù)于一體的無(wú)源光通信器件OEM/ODM廠商。