CN109445037A - 一种基于阵列光波导和mems微镜的1×n端口光开关 - Google Patents

一种基于阵列光波导和mems微镜的1×n端口光开关 Download PDF

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丁诗磊
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Abstract

本发明公开了一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关，它由两个阵列光波导芯片、一个准直聚焦透镜以及一个MEMS微镜组成，两个阵列光波导芯片贴装在一起，阵列光波导的端面和MEMS微镜分别置于透镜的前后焦面上。光信号从一条中心光波导输入，经过透镜准直后，在MEMS微镜表面发生发射，再次通过透镜聚焦后到达相应的输出波导。通过控制MEMS微镜的偏置电压，可控制微镜在x、y方向上的偏转角度，从而达到选择输出波导的目的。阵列光波导芯片的左侧波导间距与常规光纤阵列相同，右侧波导间距通过弯曲波导减到足够小，以不发生光信号的串扰为限。在MEMS微镜最大偏角受限的情况下，本发明的1×N端口光开关，可实现更大的输出端口数。

Description

一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关
技术领域
本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关。
背景技术
光开关是一种多端口光无源器件，可控制光信号在多个光纤端口之间切换，在光纤通信系统和光纤测试仪表中得到广泛应用。随着光纤通信网络的智能化发展，光开关的需求随之迅速增长。
光开关按端口数划分，有简单的1×2、2×2端口光开关，在光纤通信系统中，主要用于光纤线路的保护倒换，其技术方案主要是机械式光开关，通过微型继电器驱动棱镜、反射镜来切换光路。大规模的N×N端口光开关，主要用于智能光网络的交换节点中，其技术方案主要有热光开关矩阵和MEMS微镜阵列。另一类1×N端口光开关，输出端口数N一般在4-128之间，其技术方案有两类，其一采用旋转步进电机驱动反射镜来切换光路，可实现高达1×128的端口数，缺点是器件尺寸非常大；其二采用一个MEMS微镜来切换光路，可实现1×16端口数。
对基于MEMS微镜的1×N端口光开关，制约端口数的因素是MEMS微镜的最大偏转角度和光纤阵列的间距。在MEMS微镜偏转角度受限的情况下，可通过腐蚀部分光纤包层来减小光纤间距，提高端口数，但腐蚀后的光纤外径不易控制，一般只能减小到60-80微米。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关，在MEMS微镜偏转角度和器件尺寸受限的情况下，大幅度提高光开关的端口数，同时实现了器件小型化和低成本化。
本发明提供了一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关，包括：两个阵列光波导芯片，准直聚焦透镜和MEMS微镜；两个阵列光波导芯片贴装在一起，且上层的中心光波导作为信号光的输入端，其他波导均作为可选择的输出端；阵列光波导芯片靠近所述准直聚焦透镜的一端位于准直聚焦透镜的前焦面上；MEMS微镜位于准直聚焦透镜的后焦面上。
在本发明实施例中，为减少端面反射光的影响，阵列光波导芯片靠近准直聚焦透镜的一端可以被研磨成一定的倾斜角度，且准直聚焦透镜靠近阵列光波导的一端被研磨成一定的倾斜角度，以减少反射光的影响；其中，一定的倾斜角度优选为8°。
其中，工作时，信号光从上层阵列光波导芯片的中心光波导输入，经过透镜准直后，在微镜表面发生反射，再次经过透镜聚焦后到达相应的输出波导，通过调节MEMS微镜的偏置电压，可控制微镜绕x轴和y轴的偏转角度，从而达到选择输出波导的目的。
在本发明实施例中，阵列光波导芯片的左侧波导间距与常规光纤阵列相同(通常为127微米)，右侧波导间距通过弯曲波导减到足够小以不发生光信号的串扰为限。同时，在MEMS微镜最大偏角受限的情况下，本发明的1×N端口光开关，可实现更大的输出端口数。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于使用了阵列光波导，在所采用MEMS微镜的最大偏角受限的情况下，可实现更大的输出端口数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的1×N端口光开关结构的侧视图；
图2为本发明实施例提供的1×N端口光开关结构的参数标注；
图3为本发明实施例提供的1×N端口光开关光路切换示意图；
图4为本发明实施例中使用的阵列光波导芯片的端面图；
图5为本发明实施例中使用的阵列光波导芯片的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关结构，通过集成光学技术和MEMS技术的混合集成，在MEMS微镜偏转角度受限和器件尺寸受限的情况下，可大幅度提高光开关的端口数，并实现器件的简化和低成本化。
本发明提出了一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关，如图1所示，它由两片贴装在一起的阵列光波导芯片，准直聚焦透镜和MEMS微镜构成。如图2所示，图中虚线5、6表示光波导在芯片中的位置。由上层的中心波导作为信号光的输入端，其他波导均作为可选择的输出端。阵列光波导芯片靠近透镜的一端位于透镜的前焦面上，为减少端面反射光的影响，可研磨一定的倾斜角度(通常为8°)；准直聚焦透镜靠近多层阵列光波导的一端，可研磨一定的倾斜角度(通常为8°)，以减少反射光的影响；MEMS微镜位于准直聚焦透镜的后焦面上。
工作过程中，光信号从上层阵列光波导芯片的中心光波导输入，在图中以实心箭头表示，经过透镜准直后，在MEMS微镜表面发生反射，再次经过透镜聚焦后到达相应的输出波导，在图中以空心箭头表示。本发明中，各部件的结构和尺寸相对固定，MEMS微镜在x、y轴的偏转角度与所给的两对输入偏置电压有一定的数量关系，即可使用外部电路来控制输入的偏置电压，从而达到控制微镜反射角度的效果。不加偏置电压时，MEMS微镜不发生转动，光信号经反射后沿原光路和原输入波导射出。通过控制MEMS的偏置电压，来控制微镜绕x、y轴的偏转角度，反射光到达波导芯片端面上时，就会产生一定的位移量。通过控制MEMS的偏置电压精确控制位移量，就可以达到选择输出波导的目的。
如图2所示，图中准直聚焦透镜的长度为l，焦距为f，距离波导芯片右端面的距离为b＝f-l/n(其中n为透镜折射率，此时光波导芯片右端面位于透镜前焦面上)，MEMS微镜最大偏转角度为θ，同一波导芯片中，相邻的波导中心间距为d1，则可求得MEMS微镜由不加偏置电压的平衡状态偏转至最大偏角的过程中，光斑在波导端面上移动的位移Δ为：
Δ＝2·f·θ
则可知此过程中覆盖的波导数量N为(MEMS微镜可双侧偏转)：
则可知在器件尺寸相对固定，且MEMS微镜偏转角度受限的情况下，为增加输出端口的数量N，需在不产生信号串扰的前提下，尽量减小波导间距d1。如采用曲率半径R＝1.419mm的透镜，相应的透镜焦距f＝R/(n-1)＝1.909mm，MEMS微镜一维最大偏转角度为±4.5°，波导间距d1＝20μm，则可计算得到N＝30。考虑到波导芯片的双层贴装，则可容纳的输出信道总数为60。由此可知，通过较小的波导间距，可极大地增加输出端口的数量。
图3为本发明实施例提供的1×N端口光开关光路切换示意图。其中3为准直聚焦透镜的示意图，4表示MEMS微镜，7表示输入光束，8表示图3(a)中的输出光束，9表示图3(b)中的输出光束。由图3，信号光经透镜准直，MEMS微镜以某一角度反射后，再次经过透镜聚焦，最后与原输入光光束平行输出。通过控制MEMS的偏置电压，来控制微镜绕x、y轴的偏转角度，反射光到达波导芯片端面上时，就会产生一定的位移。通过控制MEMS的偏置电压精确控制位移量，从而达到选择输出波导的目的。
图4为本发明实施例中使用的阵列光波导芯片的端面图，表示贴装在一起的两片阵列光波导芯片。图4(a)表示掩埋矩形光波导，以薄膜生长和离子刻蚀工艺制备，即通过薄膜生长技术，在硅层表面生长一层二氧化硅，再生长一层掺杂Ge的二氧化硅作为高折射率的波导部分；再通过离子刻蚀技术除去多余的掺Ge二氧化硅部分，最后通过生长二氧化硅完成整个波导的制造。图4(b)为玻璃光波导，在玻璃基底上，以离子交换或者离子注入工艺制备。图中10和12表示波导芯片，11与13表示其中的波导。由上述分析可知，为增加输出端口的数量N，需在不产生信号串扰的前提下，应尽量减小波导间距d1。同一片波导芯片中，在靠近准直聚焦透镜的一侧，相邻波导中心间距减至d1最小，以不产生信号串扰为限，d1约为20μm。另外，波导距离波导芯片上表面的距离约为20μm，从而可知两片贴装的波导芯片中，上下相邻波导的间距d2约为40μm。由上述分析可知，利用较小的波导间距，在MEMS微镜最大偏角受限的情况下，可实现更大的输出端口数。
图5为本发明实施例中设计的阵列光波导芯片的俯视图。图中14表示光波导芯片，15表示其中的光波导，N表示波导间距的数目，在此图例中N＝8。阵列光波导芯片的左侧波导间距D与常规光纤阵列相同(通常为127微米)。右侧波导间距通过弯曲波导减到足够小，以不发生光信号的串扰为限，且波导右侧端面被置于准直聚焦透镜的前焦面上。
本领域的技术人员容易理解，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或者替换，都应当视为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于阵列光波导和MEMS微镜的1×N端口光开关，其特征在于，包括：两个阵列光波导芯片(1-2)，准直聚焦透镜(3)和MEMS微镜(4)；
所述两个阵列光波导芯片(1-2)贴装在一起，且上层的中心光波导作为信号光的输入端，其他波导均作为可选择的输出端；
所述阵列光波导芯片(1-2)靠近所述准直聚焦透镜(3)的一端位于所述准直聚焦透镜(3)的前焦面上；所述MEMS微镜(4)位于准直聚焦透镜(3)的后焦面上。
2.如权利要求1所述的1×N端口光开关，其特征在于，工作时，信号光从上层阵列光波导芯片的中心光波导输入，经过透镜准直后，在微镜表面发生反射，再次经过透镜聚焦后到达相应的输出波导，通过调节MEMS微镜的偏置电压，可控制微镜绕x轴和y轴的偏转角度，从而达到选择输出波导的目的。
3.如权利要求1-2任一项所述的1×N端口光开关，其特征在于，阵列光波导芯片的左侧波导间距与常规光纤阵列相同，右侧波导间距通过弯曲波导减到足够小以不发生光信号的串扰为限。
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