CN101408647B

CN101408647B - 一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2mems光开关

Info

Publication number: CN101408647B
Application number: CN2008102032853A
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 黄占喜
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Sirui Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: CN101408647A

Abstract

本发明涉及一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2 MEMS光开关。其特征在于：(1)光开关采用一对双光纤椭圆光斑准直器和MEMS微镜耦合而成；(2)双光纤椭圆光斑准直器的出射光束束腰光斑为椭圆形光斑，即在两个互相垂直方向上的光斑半径不相等；(3)双光纤椭圆光斑准直器的准直透镜包含柱面，将圆形光斑变成椭圆光斑；(4)准直透镜表面镀增透膜以增加回波损耗；(5)椭圆光斑准直器为双光纤准直器，输入光纤为双光纤；(6)MEMS微镜为MEMS梳齿驱动平动微镜；(7)MEMS微镜放置在椭圆光斑准直器出射光束的束腰位置，驱动方向与光斑短轴方向一致。本发明可以大大减小2×2光开关对MEMS微镜驱动行程的要求，几十微米的行程即可获得足够低的光信号串扰。

Description

一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关

技术领域

本发明涉及一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关，采用双光纤椭圆光斑准直器与MEMS平动微镜耦合，并固定在一个套筒中。本发明属于光通信器件领域。

背景技术

光开关在光通信网络中起到十分重要的作用。其中2×2光开关有着广泛的应用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备(如OADM、OXC)的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：

保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。

构建OADM设备核心：OADM是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM节点的灵活性，同时，使得OADM节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。

构建OXC设备的交换核心：OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。

目前的2×2光开关有多种实现方案，主要有：

机械式光开关：机械式光开关用机械驱动器改变光学元件的位置以达到改变光路的目的，是发展最早的2×2光开关种类。优点是工艺成熟，插入损耗低，串扰小；缺点是体积大，开关速度慢，重复性差。

波导型光开关：波导型光开关利用波导的电光、热光、声光等特性改变波导的折射率来改变光路，从而实现开关功能。优点是体积小，易于集成，开关速度快；缺点是串扰较大。

全息光开关：全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。优点是插入损耗低，开关速度快；缺点是功耗大，波长相关。

液体光栅开关：液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅(ESBG)技术。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。它对于波长交换具有灵活性，因为它能从波长群中选择需要的波长，可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。

MEMS光开关：MEMS光开关是采用MEMS驱动微镜来改变光路，实现开关功能的。其具有插入损耗低，串扰小，开关速度快，重复性好等优点。MEMS微镜驱动方式有平动和转动两种，但是只有平动驱动方式能实现2×2光开关功能。采用光纤和MEMS微镜直接耦合的光开关通常插入损耗较大，工艺容差小。为了降低插入损耗，MEMS光开关通常采用光纤准直器进行耦合。但是常规的光纤准直器出射光束束腰光斑半径较大(200um～300um)，因此需要MEMS微镜平动驱动的行程也较大，这对于MEMS是很难实现的。本发明试图从双光纤椭圆光斑准直器出发，设计一种MEMS光开关以克服以上所有光开关的不足而体现出MEMS光开关的优点。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关。具体地，设计了一种准直透镜(即带柱面的G-lens或C-lens)，使准直器的出射光束的光斑由圆形变为椭圆形，从而使得光束一个方向的束腰半径减小，另一方向的束腰半径不变，如图1所示。这样，在不改变插入损耗和回波损耗的情况下有效的减小了光斑一个方向上的尺寸，从而大大减小2×2光开关对MEMS微镜驱动行程的要求，几十微米的行程即可获得足够低的光信号串扰。由于MEMS微镜驱动行程受MEMS器件结构和工艺的限制，通常驱动行程为几微米至几十微米，达到几百微米存在很大的技术难度。对于常规的光纤准直器出射光束束腰光斑半径达到200μm～300μm，要实现了低串扰的2×2光开关需要微镜行程几千微米，这是MEMS工艺难以实现的。本发明提供的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2光开关可以有效减少对MEMS微镜驱动行程的要求，将一对双光纤椭圆光斑准直器和MEMS梳齿驱动微镜耦合起来，就可以实现高质量的2×2MEMS光开关，如图5。

本发明是基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关，其特征在于：由一对双光纤椭圆光斑准直器和MEMS微镜耦合而成，并固定在一个套筒中。(1)所述的准直器为双光纤椭圆光斑准直器；(2)MEMS微镜为梳齿驱动平动微镜；(3)MEMS微镜驱动方向与椭圆光斑光纤准直器出射光斑短轴方向一致。

所述的双光纤椭圆光斑准直器，包括光纤、微准直透镜、套筒，其特征在于，(1)准直器出射光束的束腰光斑为椭圆形；(2)微准直透镜的一个端面为柱面；(3)光纤和微准直透镜外面有一个套筒。

所述的微准直透镜可以是G-lens或C-lens，柱面光学面可以是直接在G-lens或C-lens的一个端面上加工出来，也可以将微小柱透镜胶合或安装到G-lens或C-lens上；光纤出射光束经过微准直透镜准直后，出射光束的束腰光斑在两个垂直的方向上光斑半径不同：一个方向上的光斑半径为200～300微米，另一个方向上的光斑半径为几到几十微米。

所述的双光纤椭圆光斑准直器沿着光轴存在两个不同的方向，使用时与圆光斑准直器不同。

所述的双光纤椭圆光斑准直器耦合损耗对准直器与准直器、准直器与微镜的位置和距离较为敏感。

所述的双光纤椭圆光斑准直器输入光纤为双光纤，两根光纤的排列方式为两根光纤光轴所在平面必须平行于柱面的母线或垂直与柱面的母线。

所述的双光纤椭圆光斑准直器的准直透镜表面镀增透膜以减小反射损耗、增大回波损耗。

所述的双光纤椭圆光斑准直器在与另一个双光纤椭圆光斑准直器耦合时，它们的出射光束的的束腰要重合，束腰光斑长短轴的方向要一致。

所述的MEMS微镜采用MEMS工艺制成，镜面镀金或其他金属薄膜以提高反射率。微镜驱动方式为静电梳齿驱动，运动方式为平动。其驱动方向与与双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰光斑短轴方向一致，驱动行程为双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰光斑短轴半径的2～8倍。微镜放置在两个双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰重合的位置上。

本发明的实施方案分为三个方面：

(1)双光纤椭圆光斑准直器：与常规的准直器不同，双光纤椭圆光斑准直器的准直透镜是在常规的G-lens(渐变折射率材料，透镜两个端面均为平面)或C-lens(均匀折射率材料，透镜一个端面为平面，另一个端面为球面)上加工一个柱面而得到的。该准直透镜在柱面母线方向和与母线垂直的方向上对光束的变换作用不同，使得出射光束束腰光斑变为椭圆形。

(2)MEMS梳齿驱动微镜：MEMS梳齿驱动微镜是采用MEMS工艺制作而成的，如图3。微镜与梳齿相连成整体由几根梁连接到衬底上。当电源施加电压时，梳齿在静电力的作用下吸合，使梁发生弹性形变从而带动微镜平移；当电源施加的电压消失时，微镜和梳齿就会被变形的梁的弹性应力拉回原来的位置。

(3)安装调试：该2×2光开关由两个双光纤椭圆准直器和一个MEMS梳齿驱动微镜耦合而成，如图5，安装对准的精度直接影响光开关的插入损耗。安装时两个双光纤椭圆光斑准直器出射光束的束腰要重合，MEMS梳齿驱动微镜要放置在束腰位置上。亦即MEMS微镜放置在两个双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰重合的位置上。

本发明涉及一种基于双光纤椭圆光斑准直器(collimator)的2×2MEMS(微电子机械系统)光开关。其特征在于：(1)光开关采用一对双光纤椭圆光斑准直器和MEMS微镜耦合而成；(2)双光纤椭圆光斑准直器的出射光束束腰光斑为椭圆形光斑，即在两个互相垂直方向上的光斑半径不相等；(3)双光纤椭圆光斑准直器的准直透镜包含柱面，将圆形光斑变成椭圆光斑；(4)准直透镜表面镀增透膜以增加回波损耗；(5)椭圆光斑准直器为双光纤准直器，输入光纤为双光纤；(6)MEMS微镜为MEMS梳齿驱动平动微镜；(7)MEMS微镜放置在椭圆光斑准直器出射光束的束腰位置，驱动方向与光斑短轴方向一致。

附图说明

图1是两种光斑的示意图。(a)圆光斑；(b)椭圆光斑。

图2是双光纤椭圆光斑准直器(C-lens)的结构示意图。(a)主视图，(b)左视图。

图中：1—光纤；2—光纤头；3—玻璃管；4—微准直透镜；5—球面；6—柱面。

图3是MEMS梳齿驱动微镜结构示意图。

图中：7—反射镜面；8—梳齿；9—驱动电源；10—梁。

图4是MEMS梳齿驱动微镜制作工艺流程示意图。

图中：11—Si衬底；12—涂胶光刻，腐蚀/刻蚀窗口；13—背面减薄抛光；14—溅射Cr-Au制作镜面反射层和电极；15涂胶光刻，刻蚀镜面。

图5是一对双光纤椭圆光斑准直器与MEMS梳齿驱动微镜耦合而成的2×2光开关示意图。当微镜没有挡住光束时，端口1与端口3、端口2与端口4连通；当微镜挡住光束时，端口1与端口2、端口3与端口4连通。

图6是双光纤椭圆光斑准直器装配示意图。

图中：A—双光纤椭圆光斑准直；B—MEMS梳齿驱动微镜器；C—套筒；D—胶。

具体实施方式

(1)双光纤椭圆光斑准直器(C-lens)的安装调试：如图2所示，将准直透镜和带8度斜面的双光纤头安装在玻璃管中，调整位置后用胶固定。

(2)MEMS梳齿驱动微镜的制作：先在一片硅衬底上涂胶光刻，然后腐蚀或者刻蚀出一个窗口；溅射Cr-Au，制作镜面反射层和电极；背面减薄抛光后涂胶光刻，刻蚀出微镜和梳齿结构，如图4。

(3)光开关的安装调试：将两个双光纤椭圆光斑准直器和MEMS微镜安装在套筒中，调整位置后用胶固定，如图6。

Claims

1.一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于由两个双光纤椭圆光斑准直器和MEMS微镜耦合而成，并固定在一个套筒中、MEMS微镜放置在两个双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰重合的位置上，驱动方向与光斑短轴方向一致，所述的双光纤椭圆光斑准直器，包括光纤、微准直透镜和套筒，双光纤椭圆光斑准直器的束腰光斑为椭圆形，微准直透镜的一个端面为柱面，光纤和微准直透镜外面有一个玻璃管。

2.按权利要求1所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于所述的微准直透镜为在G-lens或C-lens上加工一个柱面光学面，所述的柱面光学面直接加工在G-lens或C-lens的一个端面上，或将微小柱透镜胶合后安装到G-lens或C-lens上。

3.按权利要求1所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于光纤出射光束经微准直透镜后，出射光束的束腰光斑在两个垂直方向上的光斑半径不同：一个方向上的光斑半径为200-300微米，另一个方向上的光斑半径为几微米到几十微米。

4.按权利要求1所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于微准直透镜表面镀增透膜。

5.按权利要求1所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于所述的MEMS微镜为梳齿驱动平面微镜，微镜与梳齿相连成整体，且是由几根梁连接到衬底上，其驱动方向与双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰光斑短轴方向一致。

6.按权利要求5所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于MEMS微镜的驱动行程为双光纤椭圆光斑准直器出射光束束腰光斑短轴半径的2-8倍。

7.按权利要求1、5或6所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于在MEMS微镜的镜面上镀金。

8.按权利要求1所述的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS开关，其特征在于不同光纤的束腰光斑的长轴与长轴的方向一致，短轴与短轴的方向一致。