基于3D MEMS OXC的基本結構與應用范圍分析

OXC的應用領域

光交叉互連開關（OXC）是一種N×N端口的矩陣光開關，可用于構建CDC ROADM（無色、無方向性、無競爭的可重構光上/下路復用器），如圖1所示。

圖1. 基于WSS和OXC的CDC ROADM結構

基于1×N端口光開關構建的OXC

OXC可以通過1×N端口的光開關來構建，如圖2所示，為了構建一個N×N端口的OXC模塊，需要2N個1×N端口的光開關，隨著端口數(shù)N的增加，OXC模塊的尺寸和成本急劇增加，因此這種OXC的端口數(shù)通常限于32×32端口。

圖2. 以16個1×8端口光開關構建8×8端口OXC

基于2D MEMS 技術的OXC

實現(xiàn)OXC的第二種技術方案是基于MEMS微鏡陣列的Cross-Bar光開關，日本東京大學的H. Toshiyoshi和H. Fujita于1996年報道了第一個基于MEMS技術、具有端口擴展?jié)摿Φ腃ross-Bar光開關，如圖3所示。所報道的器件只有2個輸入端口和2個輸出端口，光路切換是通過4個MEMS微鏡來實現(xiàn)的，每個微鏡有兩個狀態(tài)，平置于基片上讓光束通過（Off狀態(tài)）或者直立于基片上以反射光束（On狀態(tài)）。

圖3. 第一個基于MEMS扭鏡的Cross-Bar矩陣光開關

MEMS芯片和單個微鏡的SEM照片，以及扭鏡的結構示意圖，如圖4所示。微鏡以多晶硅梁支撐，當電極未加偏置電壓時，微鏡保持平置狀態(tài)；加電時在靜電引力的驅動下，微鏡直立于基片上。

圖4. MEMS扭鏡的SEM照片和結構示意圖

AT&T實驗室的L.Y. Lin等人于1998年報道了第一個基于2D MEMS技術的矩陣光開關，如圖5所示，為了實現(xiàn)N×N端口光開關，需要一個N×N規(guī)模的微鏡陣列。該器件的所有光路都在一個平面內，這也是為何它被稱為2D MEMS光開關。

圖5. 第一個2D MEMS矩陣光開關結構

光路的切換是通過圖6所示的微鏡來實現(xiàn)的，微鏡被鉸鏈結構連接在基底上，兩個拉桿的一端鏈接微鏡，另一端鏈接一個位移臺，位移臺被一個刮板式微致動器驅動，把微鏡向前拉。微鏡在被拉動的過程中發(fā)生偏轉。

圖6. 微鏡結構示意圖

OMM公司的Li Fan等人于2002年報道了另一種用于矩陣開關的MEMS微鏡陣列，如圖7所示。

圖7. OMM公司的Li Fan等人報道的2D MEMS微鏡陣列

基于2D MEMS微鏡陣列的矩陣光開關，具有結構簡單和易于封裝的優(yōu)勢，但是其擴展性有限。從圖5中可以看到，對不同的端口鏈接關系，光路長度差別很大，這將會引入耦合損耗和影響損耗均勻性。對光程差異的容差取決于自由空間光學結構中的光束尺寸，根據式（1），光斑ω0越小則其越發(fā)散，根據式（2）得到其準直距離越短。

兩根單模光纖SMF之間的耦合情況如圖8（a）所示，隨著光纖端面之間的間距增大，耦合損耗劇增，兩根單模光纖之間的間距，通常限于《20μm。為了增加光纖間距以容許放置各種自由空間光學元件，通常會采用熱擴芯（TEC）光纖或者透鏡光纖，分別如圖8（b）和圖8（c）所示。TEC光纖和透鏡光纖都能擴大光斑尺寸，以適于自由空間光傳輸。兩根TEC光纖之間的間距可達~10mm，而兩根透鏡光纖之間的間距可達~50mm。對于一些需要更長自由空間光路的應用領域（比如下文將要提到的3D MEMS光開關），往往需要準直透鏡，如圖8（d）所示。

圖8. 光纖之間的耦合方式

因此我們知道，將TEC光纖或者透鏡光纖應用于2D MEMS光開關中，有助于增加自由空間光路長度，以容納更多的MEMS微鏡，實現(xiàn)光開關端口的擴展。然而，允許的最大光斑尺寸受限于微鏡的尺寸，而微鏡尺寸取決于MEMS設計和工藝。通常要求微鏡直徑Ф》3ω0（ω0為光斑半徑）以反射99%以上的光功率。因此，2D MEMS光開關的最大端口數(shù)通常限于32×32。

基于3D MEMS 技術的OXC

為了進一步擴展OXC的端口數(shù)，人們開發(fā)了3D MEMS光開關。3D MEMS OXC的基本結構如圖9所示，它包括兩個MEMS微鏡陣列和兩個二維光纖準直器陣列，每個輸入光纖準直器與第一個MEMS芯片中的一個微鏡對應，而每個輸出光纖準直器與第二個MEMS芯片中的一個微鏡對應，MEMS芯片上的所有微鏡都能兩軸偏轉，如圖10所示。

圖9. NTT實驗室開發(fā)的3D MEMS OXC的基本結構

圖10. MEMS微鏡陣列和雙軸微鏡的掃描電鏡SEM照片

來自每個輸入端口的光束被第一個MEMS芯片上的一個微鏡獨立控制，通過雙軸偏轉指向第二個MEMS芯片上的另一個微鏡（該微鏡對應輸出的目標端口），第二個微鏡通過雙軸偏轉，調整反射光束的方向，指向輸出端口。因此通過兩個MEMS芯片的控制，可以將光信號從任意輸入端口交換至任意輸出端口。該3D MEMS OXC由NTT實驗室于2003年10月報道，樣機照片如圖11所示。

圖11. NTT實驗室開發(fā)的3D MEMS OXC樣機照片

貝爾實驗室的V. A. Aksyuk等人于2003年4月報道了另一種3D MEMS OXC，比NTT實驗室的報道時間更早，此處先提到NTT實驗室的工作，因其OXC結構相對簡單且易于分析。貝爾實驗室開發(fā)的OXC結構和樣機照片分別如圖12和圖13所示，它包括兩個MEMS微鏡陣列、兩個二維光纖陣列和一個傅里葉透鏡，每條輸入—輸出鏈路通過第一個MEMS芯片上的一個微鏡和第二個MEMS芯片上的另一個微鏡構建。

圖12. 貝爾實驗室開發(fā)的3D MEMS OXC結構

圖13. 貝爾實驗室開發(fā)的3D MEMS OXC樣機照片

NTT實驗室的Yuko Kawajiri等人于2012年報道了另一個3D MEMS OXC，如圖14和圖15所示，其中以一個環(huán)形凹面反射鏡代替傅里葉透鏡。采用環(huán)形凹面鏡可減少邊緣端口的離軸像差，以減小插入損耗。

圖14. NTT實驗室開發(fā)的第二種3D MEMS OXC結構

圖15. NTT實驗室開發(fā)的第二種3D MEMS OXC樣機照片

圖12和圖14中的OXC原理相似，相對于圖9中的OXC結構，自由空間光路中的光束尺寸更大，因此可減小損耗。另外，圖9中的OXC結構，要求MEMS微鏡具有更大的偏轉角度，這會增加MEMS芯片的設計難度。

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