CN1395122A - 多路可扩展的微机械式光开关阵列 - Google Patents
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Abstract
一种多路可扩展的微机械式光开关阵列，其特征是该光开关阵列由一个基板(1)、m×n个微反射单元(2)、一个盖板(3)、m个输出准直器(4)、n个输入准直器(5)构成，微反射单元(2)由轴(2a)、轴承(2b)、摆杆(2c)、微镜(2d)、线圈(2e)、永久磁铁(2f)组成。同现有技术比较，本发明的突出优点是：集成度高，体积小，光路转换准确可靠，不受光波波长限制，工作稳定，切换速度快，易扩展成为多路光开关阵列，工艺简单，有利于大批量生产，特别适合于宽带高速大容量综合业务数字网的全光网络中光信号的切换和互联的场合。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光波导的耦合，特别涉及一种多路可扩展的微机械式光开关阵列。
背景技术：
随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式亦日趋多样化，图像传输与处理技术日益发展，高速大容量的宽带综合业务数字网已经成为现代光通信网络的发展趋势。而光信号在光纤网络中的切换与互联，传统上往往利用光—电—光的方式进行，这种方式速度低下，器件结构复杂，可靠性低，体积相对巨大，已经远远无法满足现代光纤通信技术的要求，而利用现存的和将要铺设的光纤网络构建大容量的全光网络，实现光—光直接交叉互联，实现光纤到户，全面解决由于电子处理介入光交换而造成的信息传输瓶颈问题，已经成为光纤通信技术发展的关键。制约全光网络发展的一个非常重要的原因，就是光纤到户需要大量的光纤通信器件，包括光开关，光纤连接器，光纤耦合器，光复用器，光分路器，光环形器与光隔离器等，这些器件价格昂贵，用户难以大量采用。其中，光开关，尤其是多路光开关，是全光网络中用量最大的关键器件之一。
在全光网络中，一个节点所交换的光路数量非常巨大，全光交叉连接(OXC)是组成全光网络的关键技术，起着非常重要的作用，而(N×N)多路光开关是实现全光交叉连接的核心器件，其功能是进行光路转换， 实现光信号交换，广泛用以传输网路的转换与控制，用户网分路转换和城市环保护线路。光开关和波分复用器(Wavelength multiplexer/demultiplexer)结合成为广泛用于城市环的光分插复用器Optical Add/Drop Multiplexer。
光开关可分为两大类：一类是利用电磁铁或步进电机驱动光纤或适当形状的光学元件，如棱镜或反射镜，来实现光路转换的机械式光开关。另一类是利用固体物理效应，如电光，磁光，声光效应的波导型光开关。
在各种类型光开关中，波导型光开关具有较高的开关速度，利用微电子技术，可以做到高密度集成，但是，也具有插入损耗及串扰太大，消光比低，功率和发热量过高的缺点，且价格昂贵，技术不成熟，远远没有达到实用水平。机械式光开关技术比较成熟，插入损耗小，串音低，技术稳定可靠，适用于各类光纤，在现有的光通信网络中被普遍应用。
机械光开关又可以进一步分成两大类，一类是由继电器或步进电机驱动的棱镜或反射镜，缺点是体积较大，局限于1×2、2×2及1×n(n＝8，16)类型的光开关，很难扩展为m×n型，且成本较高，工艺相对复杂，若需要多路交换，则必须使用级联，设备成本将急剧上升，只能用于干线光通信以及一些特殊场合，无法在光纤接入网及光交换等领域大量应用。另一类是微机械式MEMS，MEMS(micro-electro-mechanical system)即微电子机械系统，是受集成电路工艺启发而发展起来的。MEMS技术近年来与光学技术大规模结合，产生了微光电机械系统(MOEMS)，以MOEMS技术研制的光开关，就是MEMS型光开关。此类开关主流技术一般是由深反应离子蚀刻技术以及表面微机械加工技术刻制出移动或者扭动的微型小镜子，由静电或热伸缩驱动。这类开关优点在于结构紧凑，插入损耗较小，电气及机械性能优良，成本低廉，适于批量生产，集成度比较高，易于扩展为多路开关，在未来全光网络通信中将发挥重要的作用。但目前技术还未成熟，工艺复杂，需用50多层掩膜及刻蚀过程，工艺要求高，定位精度难以控制，且成品率低。
发明内容：
本发明的目的是提供一种结构紧凑，低插入损耗，低串音，易于成批制造的多路可扩展的微机械式光开关阵列。
一种多路可扩展的微机械式光开关阵列，包括基板，输出准直器，输入准直器，其特征在于：该光开关阵列由一个基板1、m×n个微反射单元2、一个盖板3、m个输出准直器4、n个输入准直器5构成，其中基板1上开有凹槽1a，微反射单元2由轴2a、轴承2b、摆杆2c、微镜2d、线圈2e、永久磁铁2f组成，两端装有轴承2b的轴2a布置在凹槽1a上，轴承2b与基板1固定连接，摆杆2c的下端部固定在轴2a上，微镜2d固定在摆杆2c的上端部，线圈(2e)固定在基板(1)上，永久磁铁2f布置在线圈2e的顶部；盖板3上开有m×n个与微反射单元2位置相对应的通孔，盖板3固定在基板1上，m个输出准直器4和n个输入准直器5有序地布置在盖板3上，m和n为正整数；所述的凹槽1a选用v型槽、梯型槽、楔形槽中的一种，采用微机械加工的轴2a其长度为0.3～4mm，采用微机械加工的轴承2b其直径为0.5～2mm，摆杆2c采用软磁材料制成，微镜2d的镜面与摆杆2c的运动方向平行，盖板3可以用支架或者垫块替代。
微反射单元2的工作原理为：当线圈2e两端接通一个电脉冲的时，线圈1将使摆杆2c磁化，此时，摆杆2c上装有微镜2d的一端，将同时受到永久磁铁2f两极的合力作用，摆杆2c停靠在与自身极性相异的磁极一端，线圈1两端电脉冲的方向决定了摆杆2c的磁化极性，同时也决定的微镜2d的状态，设定正向脉冲使微镜2d处于光路中，反向脉冲使微镜2d不在光路中。当线圈2e不通电时，摆杆2c受到所停靠磁极的吸引，保持状态不变，实现自锁。
图3是一种1×2微机械式光开关，采用一个微反射单元2，线圈2e接通反向脉冲信号，微镜2d偏离光路，实现输出准直器4与输入准直器5′工作连接；若线圈接通正向脉冲信号，则微镜2d位于光路中，实现输出准直器4与输入准直器5工作连接。
图4表示微镜2d离开光路，实现输出准直器4与输入准直器5′工作连接。
图5表示微镜2d处在光路中，实现输出准直器4与输入准直器5工作连接。
图6是一种4×4微机械式光开关阵列，采用16个微反射单元2，4个输入准直器5和4个输出准直器4，具有16种工作连接方式。
本发明的多路可扩展的微机械式光开关阵列与在先技术相比，具有以下的优点：
1.由于本发明的微反射单元2采用了线圈2e电磁驱动，而非在先技术机械式光开关所使用的继电器或者步进电机驱动，使得此微反射单元2落地面积非常小，仅为7～12mm2(直径3mm～4mm)，使本发明光开关的可扩展性大大优于在先技术机械式光开关，可以实现N×N多路光开关矩阵，体积也比在先技术机械式光开关大大减小。
2.本发明的光路切换作用是通过摆杆2c带动微镜2d的摆动完成的，只要求微镜2d进入或离开光路，对于运动方式和距离没有要求，容易控制。
3.本发明所采用的结构的可复制性好，运动机构行程小，并可以精确定位，与在先技术的微机械式光开关相比，工艺简单，有利于大批量生产。
4.本发明的光开关阵列与先技术的微机械式光开关相比，具有自锁功能，只需利用电脉冲即可实现工作状态的转换，无须稳恒电压维持其工作状态，由此可以降低器件功率，提高工作稳定性。在先技术微机械式光开关，如专利CN2461012Y，由于需要稳恒电压维持工作状态，使得功率过高，热量在器件内部积蓄，对工作稳定性有很大的影响。
5.本发明的光开关采用线圈电磁驱动机构，实现了低电压(≤5V)驱动，大大低于在先技术的微机械式光开关。在先技术的驱动电压高达100V，见参考文献1。
6.本发明中微镜4表面可以涂覆宽带高反射膜，与在先技术的干涉型光开关阵列相比，没有波长控制的要求，具有宽带特性。
附图说明：
图1为本发明的多路可扩展的微机械式光开关阵列结构示意图。
图2为图1的A-B向剖视图。
图3为本发明的1×2微机械式光开关结构示意图。
图4为1×2微机械式光开关的一种工作状态图。
图5为1×2微机械式光开关的另一种工作状态图。
图6为一种4×4微机械式光开关阵列示意图。
具体实施方式：
一种4×4微机械式光开关阵列，其结构如图1、图2所示。采用排列有序的16个微反射单元2，每个单元直径为4mm，基板1的材质为铝合金，基板1上的4×4个V型槽由电火花加工成型。输出准直器4和输入准直器5固定在盖板3上，盖板3上的通孔其孔径为4mm，线圈2e固定在基板(1)上，轴2由硬质合金制成，长度为2.8mm，轴承直径为1.1mm，厚度为0.3mm，微镜5为1.5×1.5mm硅片，镜面反射率为99％，线圈的阻抗为150欧姆，工作脉冲电压为5伏。微镜2d、输出准直器4、输入准直器5在基板上的相对位置如图6所示。此光开关阵列外形尺寸为30×30×1Omm，切换时间小于1ms，最大插入损耗不大于0.5dB，串音小于50dB。
文献1：IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.5，NO.1，JANUARY/FEBRUARY 1999“Free-Space Micromachined OpticalSwitches for Optical Networking”
Claims (6)
1.一种多路可扩展的微机械式光开关阵列，包括基板，输出准直器，输入准直器，其特征在于：该光开关阵列由一个基板(1)、m×n个微反射单元(2)、一个盖板(3)、m个输出准直器(4)、n个输入准直器(5)构成，其中基板(1)上开有凹槽(1a)，微反射单元(2)由轴(2a)、轴承(2b)、摆杆(2c)、微镜(2d)、线圈(2e)、永久磁铁(2f)组成，两端装有轴承(2b)的轴(2a)布置在凹槽(1a)上，轴承(2b)与基板(1)固定连接，摆杆(2c)的下端部固定在轴(2a)上，微镜(2d)固定在摆杆(2c)的上端部，线圈(2e)固定在基板(1)上，永久磁铁(2f)布置在线圈(2e)的顶部；盖板(3)上开有m×n个与微反射单元(2)位置相对应的通孔，盖板(3)固定在基板(1)上，m个输出准直器(4)和n个输入准直器(5)有序地布置在盖板(3)上，m和n为正整数。
2.根据权利要求1所述的光开关阵列，其特征在于：凹槽(1a)选用v型槽、梯型槽、楔形槽中的一种。
3.根据权利要求1所述的光开关阵列，其特征在于：采用微机械加工的轴(2a)其长度为0.3～4mm，采用微机械加工的轴承(2b)其直径为0.5～2mm。
4.根据权利要求1所述的光开关阵列，其特征在于：摆杆(2c)采用软磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的光开关阵列，其特征在于：微镜(2d)的镜面与摆杆(2c)的运动方向平行。
6.根据权利要求1所述的光开关阵列，其特征在于：盖板(3)可以用支架或者垫块替代。
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