CN1528103A - 用于远程光通信网络的具有3d-mems的模块化交叉连接系统 - Google Patents
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Abstract
用于远程光通信网络的模块化交叉连接系统(10),具有被分为至少两个主机身的光学单位,其中一个用于连接的部分(11)包括准直仪(28),另一个主通信部分(12)具有MEMS设备。第一部分是一个固定部分,而第二部分是一个易于拆除的部分。这两部分通过一个窗口(13)互相面对,并且在第一部分中提供了一个光学装置(14),用于将来自主MEMS单元(12)和去往主MEMS单元(12)的所有或部分光信号导引至一个MEMS备用或者防护面上,以允许更换主MEMS单元而不中断服务。
Description
本发明涉及基于3D-MEMS的新型远程通信交叉连接结构。用于在远程通信系统中为光信号选择路由的称为交叉连接交换机(OXC)的光交换设备是众所周知的。较为常规的OXC通过如下步骤执行光信号的路由选择:首先把它们转换成电信号,通过电子电路将这些电信号择路发送至适当的输出端口,然后重新转换成光信号。以此方式对电信号执行交换。随着传输速度、带宽和网络复杂性的提高,从光到电再转到光的信号转换变得越来越困难、昂贵和麻烦。
因此,已经提议使用OXC,其中使用所谓的MEMS(微机电系统)部件直接对光信号执行交换。这些MEMS部件实质上是通过与集成电路生产相类似的技术方便地在硅片上实现的微反射镜阵列,通过电的方式进行控制而使该阵列定向,以便将光信号引至适当的输出端口。这样,就有可能在许多端口之间进行交换,而不必通过把光信号转换成电信号。在使用MEMS系统中,3D-MEMS技术显得是最有前景的。
在更现代的远程通信网络中,必须管理非常高速的数据流,并且这要求高度可靠的设备。由于这个原因,系统的保护是不得不面对的要点之一。另一个重要的特征是低插入损耗,以允许在具有长或很长部分的环境中进行完全透明的光交换。这两个要求通常彼此冲突。事实上,为了提供充分的保护,需要具有相关损耗的附加光电路和互连。另外,附加光电路给具有MEMS的OXC体系结构增加了成本。
典型的体系结构包括光板的光交换机,其具有检测光输入和输出功率所必需的附加电路。此体系结构的主要结构块是两个具有相关控制电子装置的MEMS单元、具有输入输出端口的各种光板以及关联的交换机和控制出口。
在所有结构块之间需要具有相关的高损耗和复杂性的大规模光互连。因此,光纤的管理是在OXC发展中的另一个关键点。
在现有技术中,即使在MEMS单元中也部分地实现了光板的功能以检测光功率反馈,从而在操作时执行反射镜的精确设置。可选地,可以添加更多的光电路。
无论如何,结果总是导致增加的成本和信号损耗。
因为所有的结构块占据了相当大的空间,所以MEMS单元和光板经常位于不同的机架上。这在光纤排列的管理中导致了相当多的问题。
本发明的主要目的是通过提供具有MEMS交换单元的新型OCX结构来弥补上面提到的缺点,其中MEMS交换单元的主要特点在于:模块化、较低成本和易于更新及维护,同时提供高性能。
考虑到此目的,根据本发明寻求提供一种用于远程光通信网络的交叉连接系统,其包括输入和输出端口,这些端口通过交换部件以不同的方式互相连接,其特征在于它包括:包含按顺序排列的所述端口的连接部分;以及,包括以MEMS设备形式存在的交换部件的主交换部分,该交换部分置于可快速拆除的盒中,并且该连接部分包括光交换装置,其根据命令截断两部分之间的光路,以便将它们从主交换部分偏转向保护交换部分。
为了阐明本发明的创新原理以及与现有技术相比的优势,下面借助附图、通过应用所述原理的非限定性的实例描述了可能的实施例。附图中:
图1图解说明了根据本发明的具有MEMS的OXC,
图2图解说明了在正常操作情况下的图1的设备,
图3图解说明了在主MEMS单元发生故障后,紧急操作情况下的图1的设备,
图4图解说明了监测所述设备的输入和输出光功率的第一解决方案,
图5图解说明了监测所述设备的输入和输出光功率的第二解决方案,
图6图解说明了根据本发明的设备的装配细节,
图7图解说明了根据本发明的设备的第二装配细节,
图8图解说明了根据本发明的设备的第三装配细节,
图9图解说明了根据本发明的装备了定位误差检测系统的装置,
图10图解说明了图9的定位系统的装配细节,
图11图解说明了根据本发明的1∶1的OXC的实施例,
图12图解说明了根据本发明的N∶1的OXC的实施例,
图13图解说明了根据本发明的设备的一部分的另外一种形式的实施例,
图14图解说明了图13的另一种形式的细节,
图15和16图解说明了包含应用本发明原理的OXC的模块化的实施例的子机架的正视图和侧视图,以及
图17和18图解说明了包含应用本发明原理的OXC的模块化的实施例的机架的正视图和侧视图。
参考这些图,图1通过例子示意性地图示根据本发明的OXC的第一实施例,OXC用附图标记10来整体标注。光学单位被分成两个主机身,也就是说一个用于连接并且包括准直仪28的部分11,以及用于与MEMS交换的部分12。第一部分是设计为不可更换的、相对简单的固定部分,因而是可靠的。第二部分是可更换部分,包含具有MEMS技术和相关控制部件的可移动的反光镜。此两部分通过窗口13彼此相对。如下所述,可更换的MEMS部分也包括用于精确地将该结构与固定部分中的准直仪阵列重新对准的设备。为简化起见,仅示意性地示出一条MEMS光路。
窗口13可以用具有适当的防反射涂层的玻璃板密封,或可包括保护性的遮光器(未显示),其在两部分分离之时关闭,并且在两部分接合之时打开。该第二解决方案进一步减少了沿着光束路径的损耗。在装配之前被去除的保护罩或膜也可被提供作为选择。
在工厂,精密地制造并装配准直仪和MEMS单元,并且分别测试它们。由位于MEMS单元中的机械设备现场完成准直仪与MEMS的对准。
在准直仪的部分11中存在光学装置14,用于将所有或部分来自和去往MEMS部分12的光信号导引到MEMS备用或防护面,其在图1中为了简化起见未显示,但与单元12相似。
光学装置14实质上可以是任何已知的类型,例如平板LCD、MEMS、机械遮光器等等。正如对那些本领域的技术人员很明显的,如果使用LCD技术,可有选择地在各个通道的基础上实现导引,并且增加设备的多功能性。
与客户的接口16要求各个光纤的连接器能够分别地断开每个光束。为了减少损耗,这些连接器有利地被连接到准直仪15的阵列,而没有任何其它的内部连接器。此损耗减少能补偿导引装置14的引入。
图2图示了正常操作时的设备10。当平板MEMS正常工作时,导引装置14对在MEMS单元12和准直仪15之间的光束提供完全透明度。
如果仅有导引设备的光学部件位于准直仪结构块中,而没有电子部件,将是有利的。
如下面所阐明的,可以采用每个输入和输出光纤上的引出线来检测输入和输出光功率,尽管这会导致设计复杂性的增加;或在MEMS结构中的固定的中央反射镜下使用CCD设备,实现所述具有部分反射的反射镜,或者作为选择地可以在准直仪部分或MEMS中提供附加的半透明反射镜。在任何情况下,将电子装置保持在不可拆卸部分之外以提高可靠性是有利的。
在MEMS部分出现可由上述提及的功率监测设备检测出的问题的情况下,激活导引装置14向来自和去往准直仪的光束提供全反射,以使得主MEMS部分与光路隔离。这在图3中示出。
在此条件下,能够去除并用新单元代替主MEMS部分,同时可由防护面来确保交换功能,其中装置14将光路偏转至该防护面。
图4图解说明了检测MEMS单元输入和输出信号功率的第一解决方案。在此解决方案中,在MEMS部分中提供了部分反射镜17和CCD设备18。这样,发送一小部分来自和去往MEMS核心的光束到CCD,其允许电子装置测量输入和输出功率,并检测任何异常或故障。
图5显示了一个不同实施例,其中在准直仪部分11中应用相似的概念。在此第二情况下,CCD设备18由半反射镜17照明,其可以与被适当实现和控制的导引装置14相一致。有利地,为了提高系统可靠性,可将CCD传感器实现为容易更换的。
如上所述,准直仪部分与MEMS部分的对准需要高精度的定位。在两部分的通路方向(Z)上以及在横切于所述通路方向的两个方向(X,Y)上的定位应当是精确的。
在方向Z上,可以提供一个在两部分的通路导轨上运行的简单系统,在行程的终端具有一个机械制动器,以想要的精度——例如接近100m的精度,将这两部分锁定在一起。图6图解说明了一个相似的运行结构,其中MEMS部分的容器12沿着导轨20运行,所述导轨在通路方向Z延伸并从准直仪部分或单元11伸出。
图7和8显示了MEMS单元沿着轴X精确定位的示意图。在此实施例中,反射镜平面和相关的辅助光学部件固定在具有低热漂移的单个平板21上。如图中所见,借助于具有适合精度并由容器中适当的控制逻辑电路24控制的传动器22、23,该平板可以相对于MEMS单元容器沿着方向X和Y移动。
可首先手动地大致定位精确的横切平板,并随后借助于例如是压电的、用于同轴位置控制的最终调整部分进行微调。
为了控制定位误差,可考虑误差检测系统,用于通过对平板位置的反馈控制来进行误差检测。
误差来源可能是多方面的。但可以假设对准的角误差和沿着z轴的误差是由机械精度限制的。另外,可由MEMS反射镜的振荡结构内在地补偿角误差,如果与光的传播相比,则沿着z轴的误差并不是重要的。
因此,需要通过控制系统补偿的重大误差基本上是那些沿着轴x和y的误差。
当然可以增加额外的位置控制以补偿未预料到的误差。
图9显示了可能实现的、有利的位置误差检测系统。此系统包括激光源24,其固定到准直仪的子单元并产生指向位于MEMS反射镜平面上的固定反射镜的照明光束。该光束随后被反射到具有四个象限的传感器25,如在图10更容易看到的,它在MEMS单元支撑板上位于X-Y平面中。基本的假设是精确地装配每个准直仪和MEMS模块,并且仅有相对定位是未知的。
控制逻辑电路24借助于闭环来控制x-y定位传动器,以连续地补偿例如由于元件的老化和温度漂移造成的机械位移。
图11图解说明了1∶1的OXC的简化实施例,其中MEMS工作面12和MEMS防护面12b都被连接到相同的准直仪单元。为了简化起见,仅显示了一个光束方向。在图11的实施例中,增加了另一个反光镜30,以使两个MEMS模块都能够安装在基本准直仪模块的同一侧上。
正如可从图中看到的,这种设置允许采用两个可拆除的集成MEMS矩阵实现完整和紧凑的OXC。大量地降低插入损耗从而避免了附加的连接器和/或准直仪。借助于多光纤带状连接器可以实现与客户端的接口。借助于位于专用框架上的单个光纤连接器可以实现接入单个信道。
机架结构的装配可以(例如)使用在后部包含准直仪单元和在前部包含两个MEMS模块的机架来实现,以便于在需要时可容易地抽出并替换后者。
图12图解说明了与图11中的OXC相似的模块化OXC,但是推广为N个模块。为了简化起见,该图将数量限定为N=4,并仅显示了MEMS中光束的输入方向。
如在图中所见,可使用单个3D-MEMS模块来保护任何一个其余的MEMS板。准直仪可以密封在配备了水平窗口的单个单元中,这些水平窗口将不同的MEMS单元光连接到准直仪,每个MEMS单元都在它自己的可拆除的容器中。
在各种实施例中,尤其是在N∶1的OXC实施例中,把各种导引装置14放置在准直仪装配中是有利的,并如果需要可把所有装置都密封到专用的容器中以易于替换。
图13显示了相似的实施例,其具有包含准直仪阵列28和导引设备14的模块化容器31,并且其装备有用于与MEMS模块光连接的前面窗口13,以及相对的侧面窗口32,用以允许偏离的光束穿过容器。
容器31可并排地包装在一起以实现图12的结构。
在图13还可以看出,每个单元31可装备激光器33以向并排的模块提供对准光束。如图14中所示,它显示了图13的平面图所显示的模块的侧视图,准直仪、激光器和导引设备可固定到相同的子机架上,该子机架借助于精确的横切平板提供在水平面上可移动的框架,如果需要的话,提供可通过电的方式调节的操作装置35、36,以便允许使用对准激光器33(如果需要则使用一个未显示的适当的接收传感器)来进行模块的精确对准。可通过接收该模块的机械框架结构的精度确保垂直方向位置(Y)的精度。
图15和16显示了子机架内模块化部件的有利的排列。如所看到的,存在准直仪单元(不可更换的)和用于每个导引设备14和每个MEMS12、12b的抽屉单元。
自然地,如果认为不用快速替换导引设备,则可以将这些设备永久地插入到准直仪单元11中。
如果导引设备位于可更换的模块中,提供适当的窗口40,用于光连接到其它模块。
图17和18图解说明了机架中部件的可能实现的、有利的排列,以实现根据本发明的完整的OXC系统。为了简化起见,显示了1∶1的OXC实施例。在其基础上,本领域技术人员可以很容易想象出N∶1的实施例。
如在图中所见,从顶部到底部提供了重叠的主控制和操作板40、控制和操作备用板41、用于客户端接口(LC或MU)的连接器42、可拆除的主MEM模块43和可拆除的保护MEM模块44。现在很清楚,通过提供具有MEMS、具有高性能、易于维护和扩展、相对低成本的模块化OXC,就可以实现预定的目的。
自然地,通过在这里所要求的排他性权利的范围内的所述原理的非限定性的实例,给出了应用本发明创新原理的实施例的上述说明。
例如,准直仪单元中安置的导引装置可实现为可拆除的,例如支撑于与另外两个部分相分离的第三部分中,从而便于维修。可采用已知的接合系统实现准直仪部分中的连接器单元,使其有选择地拉出和替换,而不会相互干扰。
Claims (15)
1.用于远程光通信网络的交叉连接系统,包括借助于交换部件以不同方式互连的输入和输出端口,其特征在于:该系统具有包括按顺序排列的所述端口的连接部分、以及包括以MEMS设备形式存在的交换部件的主交换部分,该交换部分被包含在可快速拆除的盒中,并且该连接部分包括光导引装置,所述光导引装置根据命令截断两部分之间的光路,以便将所述光路从主交换部分导引向保护交换部分。
2.根据权利要求1的系统,其特征在于:保护交换部分也包括以MEMS设备形式存在的交换部件,该交换部分也安装在可拆除的盒子中。
3.根据权利要求1的系统,其特征在于:光导引装置被置于准直仪和与主交换部分光连接的窗口之间的光路上。
4.根据权利要求1的系统,其特征在于:在交换部分中存在用于检测输入至该部分和从该部分输出的光功率的传感器。
5.根据权利要求1的系统,其特征在于:在连接部分中存在用于检测输入至主交换部分和从主交换部分输出的光功率的传感器。
6.根据权利要求4或5的系统,其特征在于:传感器是截断部分光路的半反射镜照明的CCD。
7.根据权利要求1的系统,其特征在于:MEMS设备在盒子中由受控的移动装置支撑,以便与来自和去往连接部分的光路精确地对准。
8.根据权利要求7的系统,其特征在于:在连接部分中存在一个激光源,该激光源发送光束到交换部分中的位置传感器,以便验证所述对准并对所述受控移动装置进行反馈控制。
9.根据权利要求2的系统,其特征在于:主交换部分和保护交换部分的盒子被并排放置,以便各自面对在相应的连接部分窗口上它自己的光路通道窗口。
10.根据权利要求1的系统,其特征在于:有多个交换部分,并且连接部分包括一个由用于每一个交换部分的光导引装置和准直仪阵列单元组成的单元。
11.根据权利要求10的系统,其特征在于:每一个准直仪阵列和光导引装置单元依次安装在可快速更换的盒子中。
12.根据权利要求11的系统,其特征在于:每一个可拆除的盒子包括对准检测装置和对准调整装置。
13.根据权利要求10的系统,其特征在于:至少每一个单元的导引装置被安装在可快速更换、拆除的盒子中。
14.根据权利要求2的系统,其特征在于:至少交换装置被安装在可快速拆除的盒子中以便更换。
15.远程通信系统,包括根据前述任何一项权利要求的交叉连接系统。
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