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OXC的應用領(lǐng)域 光交叉互連開(kāi)關(guān)（OXC）是一種N×N端口的矩陣光開(kāi)關(guān)，可用于構建CDC ROADM（無(wú)色、無(wú)方向性、無(wú)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(kāi)關(guān)構建的OXC OXC可以通過(guò)1×N端口的光開(kāi)關(guān)來(lái)構建，如圖2所示，為了構建一個(gè)N×N端口的OXC模塊，需要2N個(gè)1×N端口的光開(kāi)關(guān)，隨著(zhù)端口數N的增加，OXC模塊的尺寸和成本急劇增加，因此這種OXC的端口數通常限于32×32端口。
圖2. 以16個(gè)1×8端口光開(kāi)關(guān)構建8×8端口OXC 基于2D MEMS 技術(shù)的OXC 實(shí)現OXC的第二種技術(shù)方案是基于MEMS微鏡陣列的Cross-Bar光開(kāi)關(guān)，日本東京大學(xué)的H. Toshiyoshi和H. Fujita于1996年報道了第一個(gè)基于MEMS技術(shù)、具有端口擴展潛力的Cross-Bar光開(kāi)關(guān)，如圖3所示。所報道的器件只有2個(gè)輸入端口和2個(gè)輸出端口，光路切換是通過(guò)4個(gè)MEMS微鏡來(lái)實(shí)現的，每個(gè)微鏡有兩個(gè)狀態(tài)，平置于基片上讓光束通過(guò)（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(gè)基于MEMS扭鏡的Cross-Bar矩陣光開(kāi)關(guān) MEMS芯片和單個(gè)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(shí)，微鏡保持平置狀態(tài)；加電時(shí)在靜電引力的驅動(dòng)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(shí)驗室的L.Y. Lin等人于1998年報道了第一個(gè)基于2D MEMS技術(shù)的矩陣光開(kāi)關(guān)，如圖5所示，為了實(shí)現N×N端口光開(kāi)關(guān)，需要一個(gè)N×N規模的微鏡陣列。該器件的所有光路都在一個(gè)平面內，這也是為何它被稱(chēng)為2D MEMS光開(kāi)關(guān)。
圖5. 第一個(gè)2D MEMS矩陣光開(kāi)關(guān)結構 光路的切換是通過(guò)圖6所示的微鏡來(lái)實(shí)現的，微鏡被鉸鏈結構連接在基底上，兩個(gè)拉桿的一端鏈接微鏡，另一端鏈接一個(gè)位移臺，位移臺被一個(gè)刮板式微致動(dòng)器驅動(dòng)，把微鏡向前拉。微鏡在被拉動(dòng)的過(guò)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，具有結構簡(jiǎn)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(guān)系，光路長(cháng)度差別很大，這將會(huì )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(xué)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(zhù)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(xué)元件，通常會(huì )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(cháng)自由空間光路的應用領(lǐng)域（比如下文將要提到的3D MEMS光開(kāi)關(guān)），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(kāi)關(guān)中，有助于增加自由空間光路長(cháng)度，以容納更多的MEMS微鏡，實(shí)現光開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)的最大端口數通常限于32×32。 基于3D MEMS 技術(shù)的OXC 為了進(jìn)一步擴展OXC的端口數，人們開(kāi)發(fā)了3D MEMS光開(kāi)關(guān)。3D MEMS OXC的基本結構如圖9所示，它包括兩個(gè)MEMS微鏡陣列和兩個(gè)二維光纖準直器陣列，每個(gè)輸入光纖準直器與第一個(gè)MEMS芯片中的一個(gè)微鏡對應，而每個(gè)輸出光纖準直器與第二個(gè)MEMS芯片中的一個(gè)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(shí)驗室開(kāi)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(lái)自每個(gè)輸入端口的光束被第一個(gè)MEMS芯片上的一個(gè)微鏡獨立控制，通過(guò)雙軸偏轉指向第二個(gè)MEMS芯片上的另一個(gè)微鏡（該微鏡對應輸出的目標端口），第二個(gè)微鏡通過(guò)雙軸偏轉，調整反射光束的方向，指向輸出端口。因此通過(guò)兩個(gè)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(shí)驗室于2003年10月報道，樣機照片如圖11所示。
圖11. NTT實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的3D MEMS OXC樣機照片 貝爾實(shí)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(shí)驗室的報道時(shí)間更早，此處先提到NTT實(shí)驗室的工作，因其OXC結構相對簡(jiǎn)單且易于分析。貝爾實(shí)驗室開(kāi)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(gè)MEMS微鏡陣列、兩個(gè)二維光纖陣列和一個(gè)傅里葉透鏡，每條輸入—輸出鏈路通過(guò)第一個(gè)MEMS芯片上的一個(gè)微鏡和第二個(gè)MEMS芯片上的另一個(gè)微鏡構建。
圖12. 貝爾實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的3D MEMS OXC結構
圖13. 貝爾實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的3D MEMS OXC樣機照片 NTT實(shí)驗室的Yuko Kawajiri等人于2012年報道了另一個(gè)3D MEMS OXC，如圖14和圖15所示，其中以一個(gè)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(shí)驗室開(kāi)發(fā)的第二種3D MEMS OXC結構
圖15. NTT實(shí)驗室開(kāi)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(huì )增加MEMS芯片的設計難度。 關(guān)于億源通 億源通，是一家專(zhuān)注于光通信無(wú)源基礎器件研發(fā)、制造、銷(xiāo)售與服務(wù)于一體的無(wú)源光通信器件OEM/ODM廠(chǎng)商，主要生產(chǎn)和銷(xiāo)售光纖連接類(lèi)產(chǎn)品（光纖連接器、適配器、跳線(xiàn)），WDM波分復用器，PLC光分路器，MEMS光開(kāi)關(guān)等核心光無(wú)源基礎器件，廣泛應用于光纖到戶(hù)、4G/5G移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)數據中心、國防通信等領(lǐng)域。 |
