CN111596413A - 一种基于mems反射器的多芯光纤开关 - Google Patents

一种基于mems反射器的多芯光纤开关 Download PDF

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CN111596413A CN202010282336.7A CN202010282336A CN111596413A CN 111596413 A CN111596413 A CN 111596413A CN 202010282336 A CN202010282336 A CN 202010282336A CN 111596413 A CN111596413 A CN 111596413A
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Abstract

本发明提供的是一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关。所述的多芯光纤开关由MEMS反射器基座、基座外壳、MEMS反射器、准直微透镜阵列、偏转光窗外壳、输入输出光纤阵列和MEMS反射器控制驱动板组成。所述输入输出光纤阵列由一根标准单模光纤和M根N芯光纤(M和N均为大于1的整数)组成。所述MEMS反射器可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动。经过输入输出光纤阵列输入的光，经准直微透镜阵列准直，由MEMS反射器偏转后被准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列输出。本发明作为多芯光纤开关或多芯光纤选通器可广泛用于多芯光纤传感，光通信等领域。

Description

一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，可用于自动保护倒换、元器件检测、网络监视，多芯选通开关等方面，属于光通信、无源光器件、多芯光纤器件和光纤传感技术领域。
(二)背景技术
生产力的发展和人们生活水平的提高对大容量高速的光通信网络提出了更高的要求，更进一步的也推动着光通信领域光器件向着更快、更小、更集成的方向发展。多芯光纤由于在一根光纤中集成了更多的纤芯，增加了空间复用维度，可大幅度提高通信系统容量，因此成为光通信发展的热点。
与此同时，如今光、机、电一体化技术的发展带动着光通信的迅猛发展，利用MEMS(Micro Electro-Mechanical System)技术可以实现对单个器件的小型化或者多个器件的高度集成，可以满足光通信及传感领域的发展需求，因此MEMS反射器已经成为光通信行业的前沿技术。目前国内在通信、传感、监测等领域仍然大量使用传统机械式光开关，但随着光技术集成化、小型化发展，利用MEMS反射器的开关将发挥很大的作用。多芯光纤开关是多芯光纤广泛发展和应用的关键器件，其小结构尺寸，低插损，低串扰，长期稳定性是其重要的性能指标。
专利号为CN105474059A的专利提出了一种利用一片MEMS反射镜将来自一条输入光纤的光有控制地反射到多条光纤阵列中的一条特定的目标输出光纤的光开关。这种光开关能够实现标准单模光纤的光通切换，但不能用于多芯光纤的光纤切换，也不能用于多芯光纤的不同纤芯选通。
专利号为CN106019490A的专利设计了一种1*N通道的光开关模块，将光纤阵列和阵列透镜的多芯准直器均安装于管帽内。但是该器件的缺点同样是不能用于多芯光纤的光纤切换，也不能用于多芯光纤的不同纤芯选通。
随着多芯光纤的发展，人们正越来越多的使用多芯光纤。在实际使用多芯光纤时，通常存在着使用多芯光纤的某个纤芯或者多芯光纤纤芯的选通问题；还比如随着传感技术的提高，通常在一根多芯光纤上的不同纤芯进行一些传感或者信息的采集，然后再对每个纤芯的信息单独分析，以避免不同信息的互相干扰，然后在对采集的信息进行统一分析处理，因此对多芯光纤开关就提出了巨大的现实需求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关如图1所示。所述基于MEMS反射器的多芯光纤开关主要包括MEMS反射器基座1、MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6、MEMS反射器控制驱动板。
所述MEMS反射器可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动，且与标准单模光纤的纤芯和对应的准直微透镜的中心对准。
所述的多芯光纤开关控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与MEMS反射器的基座1引出的针脚连接。
所述的准直微透镜阵列5由准直微透镜阵列基板5-2(基板中间间隔物未示出)和基座上面的准直微透镜5-1组成；每条多芯光纤的每个纤芯或者标准单模光纤的纤芯都正对一个准直微透镜5-1；正对多芯光纤纤芯的准直微透镜，光路斜向MEMS反射器2；准直微透镜阵列5安装在偏转光窗外壳4内且贴近输入输出光纤阵列6；准直微透镜阵列5能将光纤端出射的光准直为平行光入射到MEMS反射器2，也能将MEMS反射器2反射的平行光耦合进光纤纤芯。
所述的输入输出光纤阵列由一根位于阵列中心的标准单模光纤、围绕标准单模光纤的M根N芯光纤(M、和N均为大于等于1的整数)和硬质套管组成，N芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中；多芯光纤密集分布的数量M的最大值取决于MEMS反射器2的最大偏转角和光纤间分布间距。光纤间分布间距固定时，MEMS反射器2的最大偏转角越大，所述多芯光纤密集分布的数量M最大值越大；在MEMS反射器2的最大偏转角固定时，光纤间分布间距越小，所述多芯光纤密集分布的数量M最大值越大。
所述的输入输出光纤阵列的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。
所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
所述的一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，作为多芯光纤开关功能时，由标准单模光纤输入多芯光纤开关的光信号，从标准单模光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后通过偏转光窗4-1，再被MEMS反射器2以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入对应的多芯光纤的一个纤芯。
所述的一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，作为多芯光纤选通器功能时，由输入输出光纤阵列6中的一根多芯光纤的一根纤芯输入多芯光纤开关的光信号，从多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后斜向MEMS反射器2进入偏转光窗4-1，再被MEMS反射器2以一对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入标准单模光纤。
本发明的有益效果是：
1、器件集成度高，结构紧凑，体积小，且所需元器件数量少，通过高度集成的器件，能有效的提高集成的多芯光纤的数量。
2、由于采用MEMS反射器且受外界环境的温度湿度等影响小，因此能长期保持稳定的性能。
3、提供了一种能用于多芯光纤的开关，能够实现多芯光纤的光通选择。丰富了多芯光纤的相关器件，并且结合其他多芯光纤器件能丰富多芯光纤的应用范围；同时本发明的多芯光纤开关还能作为多芯光纤的纤芯选通器，能有效的方便多芯光纤的日常使用。
(四)附图说明
图1是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关结构示意图。该实施例是以标准单模光纤和八根七芯光纤组成的输入输出光纤阵列6。图中标号为：MEMS反射器的基座1，MEMS反射器2，基座外壳3，偏转光窗外壳4，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列5，准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，输入输出光纤阵列6，七芯光纤6-1到6-8，标准单模光纤6-9。
图2是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关的MEMS反射器2结构示意图。
图3是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关的方案流程图。
图4是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关的一种工作光路图。
图5是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关封装图。
图6是一种基于MEMS反射器的双芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图7是一种基于MEMS反射器的三芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图8是一种基于MEMS反射器的四芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图。其中图8(a)中的四芯光纤是中心对称四芯光纤；图8(b)中的四芯光纤是纤芯矩形分布的四芯光纤。
图9是一种基于MEMS反射器的五芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图10是一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图；图10(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤开关；图10(b)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤开关；图10(c)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤开关；图10(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤开关。
图11是一种基于MEMS反射器的19芯光纤开关的输入输出光纤阵列6的横截面图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来说明本发明的工作原理，进一步阐述本发明。
实施例1：一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关。
基于MEMS反射器的七芯光纤开关结构示意图如图1所示，包括MEMS反射器的基座1、MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6、MEMS反射器控制驱动板(未示出)。其中输入输出光纤阵列6包括一根标准单模光纤和八根七芯光纤。
制造MEMS反射器2的技术是公知的，优选的是具有较高性能的MEMS反射器2，具有尺寸小，速度快，稳定迅速，反射面积大，偏转角度大的特点。关于MEMS反射器2，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图2所示的MEMS反射器2结构，作为多芯光纤开关，为了可以集成更多的多芯光纤，MEMS反射器2拥有相当大的反射面积，且覆盖整个输入输出光纤阵列6中的所有光纤截面。为了达到良好的效果，保持对称的偏转角度，MEMS反射器2和基座面保持平行，且MEMS反射器2的偏转中心正对标准单模光纤的中心，。
在本实施例中，提供了如图1所示的准直微透镜阵列5，该准直微透镜阵列5可以利用平板刻蚀等技术进行精确的制造，具有直径小，焦距短的特点，这些准直微透镜5-1在一个准直微透镜阵列基板5-2上(中间间隔基板未示出)，基板可以是石英的，方便加工制作和安装。在安装准直微透镜基板5-2时，该基板是唯一限定的安装在偏转光窗内，同时，将基板上的准直微透镜阵列5精确的限定在了准确的位置。
关于准直微透镜阵列5，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图1所示的特殊的准直微透镜阵列5分布形式，作为多芯光开关，为了达到保证从标准单模光纤中出射的光束能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器2，然后从MEMS反射器2反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进某一个多芯光纤的一个纤芯中，同时还要匹配不同数量不同纤芯数的多芯光纤，保证从任意一个多芯光纤中的一个纤芯出射的光束都能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器，然后从MEMS反射器反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进标准单模光纤中的目的。因此准直微透镜阵列5必须和该开关使用的多芯光纤和标准单模光纤的分布以及多芯光纤的不同纤芯分布一一对应，保证每个纤芯都正对一个准直微透镜5-1才能实现标准单模光纤和多芯光纤的准直及耦合。
下面举一优选的参数来具体说明其工作方式。
输入输出光纤阵列6横截面结构示意图如图1所示，标准单模光纤和七芯光纤如图所示为“田”字形分布，其中标准单模光纤位于田字中心，其编号为6-9，其余的八根七芯光纤则分布在“田”字四周，编号从左上起分别为6-1到6-8，光纤与光纤之间的横纵间距均为150微米；选用的七芯光纤7纤芯分布示意如图1，以七芯光纤6-4为例，其纤芯编号从左下起分别为6-4-1到6-4-7，中间芯为6-4-4，中间芯6-4-4位于七芯光纤中心，其余六芯分布在正六边形的六个顶点，光纤直径为125微米，纤芯距为35微米。在输入输出光纤阵列6横截面上，选取标准单模光纤6-9的中心为坐标原点，选取七芯光纤6-5所在方向为X轴正方向，选取七芯光纤6-2所在方向为Y轴正方向，建立平面直角坐标系。此时标准单模光纤纤芯中心和七根七芯光纤各个纤芯的纤芯中心横纵坐标如下表所示：
单位：微米
Figure BDA0002447168090000051
Figure BDA0002447168090000061
MEMS反射器2如图2所示，且MEMS反射器2有两个互相垂直的转轴，为了便于表述和后期的参数展示，将多芯光纤开关水平正放，水平方向的转轴为b轴，MEMS反射器2向上转动规定为b轴正方向，此时b轴转动角度为正数，MEMS反射器2向下转动规定为b轴负方向，此时b轴转动角度为负数；竖直方向的转轴为a轴，MEMS反射器2向右转动规定为a轴正方向，此时a轴转动角度为正数，MEMS反射器2向左转动规定为a轴负方向，此时a轴转动角度为负数。
基于MEMS反射器的七芯光纤开关的基本工作流程如图3所示，具体来说是这么实现的。在启动多芯光纤开关后，可以根据用户选择需要转换的通道信号，也可以根据预设或者用户自行编好的程序读出自动切换通道的信号，利用控制器控制接口7-1匹配上提前校正预设的MEMS反射器2的偏转角度，输出对应的控制信号，传输至MEMS驱动板7-2，MEMS驱动板7-2根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至MEMS反射器2，控制MEMS反射器2的偏转到该预设的角度。
如果该器件的功能是作为多芯光纤开关，需要将标准单模光纤6-9的中的光信号发送到某根多芯光纤的一个纤芯时，以将标准单模光纤6-9的光信号发送至七芯光纤6-2的中间芯6-2-4时，光路基本原理以多芯光纤开关的中轴剖面示意图为例如图4所示。标准单模光纤6-9的纤芯出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2，经过MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤6-2的中间芯6-2-4中。再比如将标准单模光纤6-9的光信号发送至七芯光纤6-2的上边芯6-2-5时。标准单模光纤6-9的纤芯出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的比刚才发送到中间芯6-2-4更大角度的MEMS反射器2，经过MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤6-2的上边芯6-2-5中。
基于相同的原理，标准单模光纤6-9的光信号发送至其他七芯光纤不同纤芯光路也是按照标准单模光纤6-9到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，任意七芯光纤的任意纤芯。为了完成标准单模光纤6-9到任意七芯光纤的任意纤芯切换的光路，若在偏转光窗的长度为2500微米时，此时到各个纤芯，MEMS反射器所需的理论偏转角度对应如下：
单位：度
Figure BDA0002447168090000071
Figure BDA0002447168090000081
如果该器件的功能是作为多芯光纤的纤芯选通器，则是将某一七芯光纤的某一纤芯的光信号引出到中心的标准单模光纤6-9中，那么此时光路原理就不同于图4，光路是先倾斜射向MEMS反射器2，再被反射向位于中心的标准单模光纤。因为在需要保证光功率，减小损耗的前提下，从标准单模光纤到多芯光纤的任一纤芯和从该多芯光纤的该纤芯到标准单模光纤的光路是有微小差异。以七芯光纤6-2的上下边芯为例，七芯光纤6-2的上边芯6-2-5出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的多芯光纤选通器对应角度的MEMS反射器2，经过MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤6-9中。七芯光纤6-2的下边芯6-2-3出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的多芯光纤选通器对应角度的MEMS反射器2，此时MEMS反射器的偏转角度不同于之前的偏转角度，经过MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进标准单模光纤6-9中。
基于相同的原理，任意七芯光纤的任意纤芯光路也是按照该七芯光纤的该纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，标准单模光纤6-9的路径传输。为了完成作为多芯光纤选通器的功能，任意七芯光纤的任意纤芯到标准单模光纤6-9切换的光路，若在偏转光窗的长度为2500微米时，此时各个多芯光纤纤芯到标准单模光纤6-9，MEMS反射器偏转所需的理论偏转角度对应如下：
单位：度
Figure BDA0002447168090000091
Figure BDA0002447168090000101
基于MEMS反射器的七芯光纤开关封装完成后如图5所示，在完成器件封装后，可以利用在线监测的方式，校正到各个纤芯的MEMS反射器的偏转角度，以使器件达到最佳使用条件。
实施例2：一种基于MEMS反射器的双芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的双芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图6所示，原理同实施例1，但是此种多芯光纤开关是利用标准单模光纤和两根双芯光纤作为输入输出光纤。
实施例3：一种基于MEMS反射器的三芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的三芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图7所示，原理同实施例1，但是此种多芯光纤开关是利用标准单模光纤和三根三芯光纤作为输入输出光纤。
实施例4：一种基于MEMS反射器的四芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的四芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图8(a)所示，原理同实施例1，但是此种多芯光纤开关是利用标准单模光纤和四根中心对称四芯光纤作为输入输出光纤。
一种基于MEMS反射器的四芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图8(b)所示，原理同实施例1，但是此种多芯光纤开关是利用标准单模光纤和四根纤芯矩形分布的四芯光纤作为输入输出光纤。
实施例5：一种基于MEMS反射器的五芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的五芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图9所示，原理同实施例1，但是此种多芯光纤开关是利用标准单模光纤和五根五芯光纤作为输入输出光纤。
实施例6：一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的七芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图10所示，原理同实施例1，图10(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤开关；图10(b)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤开关；图10(c)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的七芯光纤开关；图10(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的七芯光纤开关。
实施例7：一种基于MEMS反射器的19芯光纤开关。
一种基于MEMS反射器的19芯光纤开关，其输入输出光纤阵列6的横截面如图11所示，原理同实施例1，该实施例是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的1根标准单模光纤和18根19芯光纤为三角形排列。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的基于MEMS反射器的多芯光纤开关由MEMS反射器基座、MEMS反射器、基座外壳、偏转光窗外壳、准直微透镜阵列、输入输出光纤阵列和多芯光纤开关控制驱动板组成，经过输入输出光纤阵列中输入光纤输入的光，经准直微透镜阵列准直后进入偏转光窗，随后被MEMS反射器反射后，由准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列中的输出光纤中，通过对多芯光纤开关控制驱动板的控制，以实现多芯光纤开关的功能。
2.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述MEMS反射器可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动，且与标准单模光纤的纤芯和对应的准直微透镜的中心对准。
3.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的多芯光纤开关控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与MEMS反射器的基座引出的针脚连接。
4.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的准直微透镜阵列由准直微透镜阵列基板和基板上面的准直微透镜组成，每个准直微透镜都与一个光纤纤芯对应，其能将光纤端出射的光准直为平行光入射到MEMS反射器，也能将MEMS反射器反射的平行光耦合进光纤纤芯。
5.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的输入输出光纤阵列由一根位于阵列中心的标准单模光纤、围绕标准单模光纤的M根N芯光纤(M、和N均为大于等于1的整数)和硬质套管组成，N芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中。
6.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的输入输出光纤阵列的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。
7.根据权利要求1所述一种基于MEMS反射器的多芯光纤开关，其特征是：所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
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