MEMS光学器件 — 2×2 端口MEMS光开关

HYC亿源通

2019-12-04 17:31

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。

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。

MEMS光学器件—2×2 端口MEMS光开关

图1. 基于ROADM技术的智能光网络架构

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。

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。

MEMS光学器件—2×2 端口MEMS光开关

图2. 双光纤环网中的ROADM节点结构

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。

MEMS光学器件—2×2 端口MEMS光开关

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

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

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。

亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求,推出了一系列自主研发的MEMS技术产品, 包括1×48通道的光开关,1×N光开关器件, 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块,以及MCS模块等。

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图7. 1×N MEMS光开关

亿源通是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的国家级高新技术企业。公司长期坚守“精品制造”的理念,力争在光通信领域具备国际竞争力,成为引领行业前沿技术发展的光无源基础器件制造商。

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