基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開關(guān)的原理結(jié)構(gòu)與用途分析

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（無色、無方向性和無競爭）ROADM，其主流技術(shù)方案是1×N端口WSS （波長選擇開關(guān)）+ N×M端口WSS，或者1×N端口WSS+N×M端口MCS（多播開關(guān)），如圖1所示?；诔杀究剂?，后者即1×N端口WSS+N×M端口MCS更受電信運(yùn)營商和設(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，市場對MCS光開關(guān)的需求增長迅猛，特別是當(dāng)ROADM技術(shù)由骨干網(wǎng)下沉至城域網(wǎng)時(shí)。

圖1． 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光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括8個(gè)1×16端口的PLC光分路器和16個(gè)8×1端口的光開關(guān)，光分路器通常以PLC技術(shù)制備，而1×N端口光開關(guān)通常采用MEMS技術(shù)。最常用的是1×8和1×16端口光開關(guān)。

圖2． 8×16端口MCS光開關(guān)結(jié)構(gòu)（PS：光分路器，SW：光開關(guān)）

基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3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準(zhǔn)并固定在一起。

圖3． 基于MEMS技術(shù)的1×N端口光開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖3中的器件結(jié)構(gòu)非常簡單，然而，要制作一個(gè)大端口數(shù)、低損耗的1×N端口光開關(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，但長焦距會增加入射在MEMS微鏡上的準(zhǔn)直光斑直徑，如是（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，從而反過來限制了光開關(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4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4． 多纖插針中的光纖排列方式

增加光開關(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，這會增加多纖插針的成本。

增加光開關(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，都會比C-Lens好一些。

隨著運(yùn)營商轉(zhuǎn)型和用戶需求對網(wǎng)絡(luò)靈活性要求的增加， 基于WSS+MCS的ROADM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，將成為城域網(wǎng)建設(shè)中的理想解決方案。而1×N MEMS光開關(guān)是MCS中的重要組成部分。

基于現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求以及面向未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求，億源通推出了一系列自主研發(fā)的MEMS技術(shù)產(chǎn)品， 包括1×48通道的光開關(guān)。1×48 MEMS光開關(guān)是基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和自由空間平臺，具有體積小、延遲低、高效切換等特性，可廣泛應(yīng)用于光線路監(jiān)控、OADM和測量儀器系統(tǒng)中。

圖5． 1×48通道的光開關(guān)

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