亿源通丨基于MEMS技术的1×N光开关

  ICC讯 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

  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。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。

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

  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。

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。

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）

  (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=±4°。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。

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。

  关于亿源通

  亿源通科技（HYC Co., Ltd）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， 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS光开关模块，以及MCS模块等。亿源通科技，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无源光通信器件OEM/ODM厂商。