TW455721B - Wavelength selective cross-connect switch using a MEMS shutter array - Google Patents

Description

^ 5 57 21 A7 五、發明説明（I ) 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 發明領域： 本發明係關於波長選擇性叉接切換器（wsxc),及特別 是關於WSXC切換器，其使用微電機械系統(memS )光閘陣列。 發明背景.· 通訊網路主要依靠高速及低價格傳送。光纖原先設計 作為以光學方式替代電子傳送介質例如為高速同軸線^以 及低速之絞線線缓。不過，高速光纖受限於傳送及接收端 部之電子元件，其速率通常為數十億(G)位元每秒，雖然4叱 位元/秒系統已發展出。該高速電子系統為昂貴的以及尚 未完全地利用光纖系統原有之頻寬。另外一方面，只由光 學元件所構成通訊網路提供許多本質性之優點優於主要傳 送路徑任何零件使用電子元件之系統。 波長區分多工(WDM)在光學通訊系統相當普遍的。通 常電子性長區'分多工(WDM)藉由不同運載頻率傳送不同的 數據訊號，其全部可藉由單一光纖運送。目前研究以及發 展建議所有光學網路能夠製造為具有切換節點，其能夠二 不同方向切換各別WDM頻道(運載頻率）而不需要將光學訊 號轉變為電子1仏號。假如該切換能夠利用簡單光學元件達 成，複雜的光學網路能夠以相當低費用製造出。除此，光學 網路之高速電子元件能夠局限於系統終端，其只規範各別 頻道之速率以及並不規範系統之整個流通量。 發明大要： 本發明一項係關於光學切換器選擇性地切換波長頻道 於兩個光學訊號之間。光學切換器包含兩個色散性元件，

I--------^------1T------線 ~ t f (請先聞讀背面之注意事項再填寫本λ } 55 2 A7 B7 經濟部中央橾準局員工消费合作社印裝 五、發明説明（L) 其中每一色散性元件接收光學輸入訊號以及分散為一組多 個分離輸入頻道，以及微電機械系統(MEMS)光閘陣列由每 —色散性元件接收一組多個分離的輸入頻道以及有效地作 為選擇性地切換一個或多個分離波長之輸入頻道於多個光 學訊號之間。 本發明其他特性以及優點將由下列詳細說明揭示出， 其部份說明為熟知此技術者了解或藉由實施本發明說明而 明白，該說明包含下列詳細說明申請專利範圍以及附圖。 人們了解先前一般性說明以及下列詳細說明只作為本 發明範例，以及提供整體架構以了解本發明原理及特性。 附圖提供作為更進一步了解本發明，以及構成說明書之一 部份。附圖顯示出本發明多個實施例，以及隨同說明作為 說明本發明之原理及操作。 附圖簡單說明： 第一圖（圖1)為本發明波長選擇性叉連切換器之頂視 圖。 第二圖（圖2)為本發明波長選擇性叉連切換器之侧視 圖。 第三圖A及B(圖3A及3B)為本發明微電機械系統(MEMS) 光閘陣列分解側視圖，其分別顯示出光閘關位置以及光閘 開位置中之反射鏡元件。 第四圖（圖4)顯示出範例性共振梳式驅動器以及本發 明MEMS光閘陣列。 第五圖（圖5)顯示出範例性熱促動驅動器以及本發明 本紙張尺反通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ----------装------訂------線 . ' - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 455721 A7 ____________B7 五、發明説明（$ ) 4 經濟部中央棣準局貝工消費合作·社印装 MEMS光閘陣列。 第六圖（圖6)顯示出範例性磨擦驅動器以及本發明抓MS 光閘陣列 附圖元件數字符號說明： 波長選擇性叉連切換器1〇;色散元件12, 14;輸入光 纖16,18;聚焦透鏡20;偏極色散元件24, 26;切換陣列構 件30;切換結構32;反射鏡34;孔徑36;基質38;輸出光 纖42, 44;促動裝置50;梳式驅動器52;光閘陣列54;光 閣55;抑制標柱56;彈簧58;磨擦驅動器60;工作床62; 拉引系列64;電熱促動器70;機械滑座72;熱促動器74; 支臂76。 詳細說明： 現在參考附圖對本發明優先實施例詳細加以說明。儘 可能地，整個附圖相同或類似零件使用相同的參考數字。 本發明波長選擇性叉連(WSXC)切換器10顯示於圖1及2 中。WSXC切換器10包含兩個波長色散元件丨2及13,以及切 換陣列構件陣列30位於兩個色散性元件之間。每一色散性 元件12,14接收光學訊號以及將其分散為一組多個波長分 離輸入頻道。切換陣列構件30由每一色散元件12,14依序 地接收一組多個波長分離輸入頻道，以及有效作為選擇性 地切換選擇地切換一個或多個波長分離輸入頻道於多個光 學訊號之間。 更特別地，第一色散性元件12接收第一輸入光纖16運 載之第一光學訊號，然而第二色散性元件14接收第二輸入 ----------餐------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫.才Λ ) 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS > A4規格（2丨0X297公釐） b 5 57 2 1 Α7 Β7 經濟部中央棕準局員工消资合作社印策 五、發明説明（+ ) 光纖18運載之第一光學訊號。每一光學訊號投射至相對色 散性元件12,14,因而將光學訊號空間性地分離為一組多個 波長分離之輸入頻道。雖然色散性元件12, 14優先地為繞 射光栅，其他主動或被動色散性元件（例如為稜鏡）亦可使 用於本發明中。熟知此技術者了解輸入頻道數目決定於 WDM訊號分量之數目，該訊號分量合併為光學訊號。 除此聚焦透鏡2 〇放置於每一色散性元件以及切換陣列 構件30之間。每一透鏡2〇將波長分離輸入光束聚焦於切換 陣列構件30之各別切換構件上。 切換陣列構件30之優先實施例為微電機械系統(MEMS) 光閘陣列。MEMS光閘陣列使用一組多個切換構件製造出， 使得每一切換構件相對於一個分離波長之輸入頻道^各別 切換構件32顯示於圖3A及3B中。在該構件中，反射鏡34或 其他反射性元件懸吊於形成於適當基質38中之孔徑36上。 在一項實施例中，反射鏡34能夠為一層金薄膜或其他反射 性材料，其沉積於聚石夕構件35—側或兩側。通過孔徑36藉 由使用深度離子鞋刻，濕式姓刻或其他已知姓刻技術蚀刻 基質38而形成。熟知此技術者了解MEMS光閘陣列能夠使用 整體或表面微機械加工技術製造出。由頻道分離以及光學 系統其他設計規範決定，在光閘陣列中每一反射鏡34分離 50至200微米（中心至中心）。 操作時，反射鏡34可側向地移動於開光閘位置（圖3A) 以及關光閘位置（圖3B) °在開光閘位置時，每一輸入光束 通過切換結構礼徑36如圖3Α所示。因而，輸入光束通過相 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 2S7公釐） ----------------1------ir------0 - - - {锖先閱讀背面之注意事項再填寫/S ) 5 ! . _ _ _ 5 5 7 2 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（f) 對輪出頻道。例如由第一輸入光纖16發出輸入光朿通過第 —輪出光纖42及由第二輸入光纖18發出輸入光朿通過第二 輪出光纖44(圖1)。在關光閘位置時，兩個輸入光束入射於 圖3B所顯示之反射鏡34。在該情況下，每一輸入光束切換 至其他輸出光纖中之相對輸出頻道^如底下更詳細說明反 射鏡34促動能夠藉由使用系列促動器裝置而達成。 參考圖2,由切換陣列構件30發出之輸出光束通過適當 的聚焦透鏡20。每一聚焦透鏡20作為再將輸出光束準直。 在聚焦透鏡20橫向移動後，每一輸出光束投射至色散性元 件12及14之一。在該情況下，每一色散性元件相互地作為 再合併分離波長輸出光束為單一光束。每一輸出光束再由 第一輸出光纖42或第二輸出光纖44運載。 為了將偏極相關損耗減為最低，本發明WSXC切換器10 可選擇性地包含偏極色散元件24及26。熟知此技術者立即 了解偏極色散性元件24, 26作為空間分離每一輸入光束之 不同偏極分量。優先地，偏極色散性元件24, 26為雙折射性 晶體(例如為方解石）沿著光纖16,18與波長色散性元件12, 14間之光學路徑放置。為了使偏極狀態同步，半波板28亦 可加入於一個偏極色散性元件例如元件24内。熟知此技術 者了解其他光學元件能夠使用作為導引輸入光束由偏極元 件24, 26至波長色散性元件12, 14。 使用於本發明MEMS光閘陣列中之範例性促動器顯示於 圖4-6中。例如，共振梳式促動裝置50顯示於圖4中。在該 實施例中，反射鏡34.放置於兩個梳式驅動器52之間。共振 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0><297公釐） 裝------訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫頁) 五、發明説明（t) A7 B7 躂濟部中央標率局貝工消費合作社印製 梳式驅動器52提供反射鏡34最初之位移。嵌位電壓施加於 一個或多個光閘陣列54,其位於反射鏡34與一個梳式驅動 器52之間。嵌位電壓吸引以及固定靠近光閘光闌54附近反 射鏡34,因而促動反射鏡34至開光閘位置。為了防止短路, 抑制標柱56位於反射鏡34與光閘光闌54之間。為了促動反 射鏡34至關光閘位置，谈位電壓施加於其他組之光間光闌 55。因而，反射鏡34使用儲存於彈簧58中之能量作相反方 向之位移》同時上述說明係參考共振梳式促動器說明，人 們立即地了解本發明MEMS光閘陣列30中能夠使用其他形式 之電動促動器裝置。 如圖5所示，磨擦驅動器60為另外一種能夠使用於本發 明之電動促動器裝置。磨擦驅動器6〇包含熱促動工作床62 連接至磨擦驅動拉引系列64。如先前所說明之適當反射鏡 連接至拉引系列64 °彈簧58亦連接至反射鏡構件34以輔助 反射鏡34之移動。 使用於MEMS光閘陣列30中微促動器裝置優先形式為電 熱促動器70。參考圖6,反射鏡34連接至機械滑座72—端。 為了促動反射緯34於開光閘與閉光閘位置之間，兩個或多 個熱促動器74放置於機械滑座72相對端部。每一熱促動器 74製造成具有兩個支臂76形成於u形對稱性結構内。由於 支臂76斷面積不同，支臂間電阻亦不同。在操作時，電流跨 越施加於熱促動器74之支臂76。結構體不相等膨脹性促使 促動器74橫向移動。在該情況下，反射鏡34促動至開光閑 位置。參考本公司另外一個專利申請案，其詳細說明類似 本紙张尺度適用巾關家辟（CNS ) A4規格（2UJX297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -" 8455721 A7 B7 五、發明説明（η 電熱促動器，該專利之說明在此加入作為參考。 熟知此技術者能夠對本發明作出各種變化及改變而並 不會脫離本發明精神與範圍。下列申請專利範圍含蓋這此 變化及改變。 ~ (請先閲讀背面之注意事項畀填寫木頁} •裝 ,-11 經濟部中央標準局負工消費合作社印裳 本紙張尺度通用中國國家橾準（CNS ) Α4规格（210 X 297公釐） 1°

Claims (1)

1. 4 5572 1 A8 B8 C8 D8 7T、申請專利範圍 1_種光學切換器，其具有兩個色散性元件以選擇性地切 換波長頻道於兩個光學訊號之間，兩個色散性元件均接收 光學輪入城以及將紳輪人訊號紐為—衫個波長分 離之輸入頻道，光學切換器包含： 微電機械系統光閘陣列，由兩個色散性元件之每一元件 接收一組多個分離波長之輸入頻道，微電機械系統光閘有 效作為選雜地切換-組或纽波長分離輸人頻道於兩個 光學訊號之間。 2. 依據申請專利範圍第1項之光學切換器，其中微電機械系 統光閘陣列包含每一波長分離輸入頻道之可移動切換元件 ，可移動切換器元件接收由兩個色散性元件之每一元件發 出之輸入光束，輸入光束相當於一組多個波長分離輸入頻 道之一個頻道。 3. 依據申請專利範圍第2項之光學切換器，其中可移動切換 器元件選擇性地移動於開位置或關位置之間，因而可移動 切換器元件在開位置時將一組多個分離輪入頻道之一個頻 道發出輸入光束通過第一輸出頻道以及在關位置時將輸入 光束反射至第二輸出頻道。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4. 依據申請專利範圍第3項之光學切換器，其中可移動切換 器元件包含反射性構件以及促動器。 5 ·依據申請專利範圍第3項之光學切換器，其中反射性構件 為MEMS可移動反射鏡。 6_依據申請專利範圍第4項之光學切換器，其中促動器由熱 促動器，電動促動器裝置，梳式驅動促動器，磨擦驅動促動 本紙張尺度適用中國國家橾丰（CNS) Α4規格（2i〇X297公釐） 455721 A8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 器種類選取出。 7. 依據申請專利範圍第丨項之光學切換器，其中更進一步包 含： 聚焦透鏡位於微電機械系統光閘陣列與兩個色散性元件 之間。 8, 依據申請專利範圍第丨項之光學切換器其中光學輸入訊 號具有不同的偏極元件光學切換器更進一步包含： 偏極色散性元件空間性地分離每一光學輸入訊號之不同 偏極分量= 9·.種光學切換器，其選擇性地切換波長頻道於兩個訊號 之間，其包含： 經濟部中央橾率局員工消費合作杜印裝 第一色散性元件，接收第一光學輸入訊號以及將第一光 學輸入訊號色散為一組多個第一波長分離之輸入頻道； 第一聚焦透鏡，接收一組多個第一波長分離之輸入頻道; 第二色散性元件，接收第二光學輸入訊號以及將第二光 學輸入訊號色散為一組多個第二波長分離之輸入頻道； 第二聚焦透鏡，接收一組多個第二波長分離之輸入頻道； 切換唪列構件位於第一聚焦元件與第二聚焦元件之間以 選擇性地切換波長分離輸入頻道於第一光學訊號與第二光 學訊號之間。 ' 10. 依據申請專利範圍第9項之光學切換器，其中第—色散 性元件以及第二色散性元件均包含繞射光柵。 11. 依據申請專利範圍第9項之光學切換器，其中第—聚焦 透鏡以及第二聚焦透鏡位於距離切換陣列構件一段距離 表紙張尺度適用中國國家標车（CNS ) A4規格（210X297公釐） 455721 A8 B8 C8 _____ D8 夂、申請專利範圍 該距離等於焦距。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 12.依據申請專利範圍第9項之光學切換器，其中切換陣列 包含微電機械系統光閘陣列。 13_依據申請專利範圍第9項之光學切換器，其中切換陣列 構件包含每一波長分離輸入頻道之可移動切換器元件，可 移動切換器元件選擇性地移動於開位置與關位置之間使得 可移動切換器元件在開位置時通過輸入光束由一組多個波 長分離輸入頻道之一個頻道至第一輸出頻道以及在關位置 時反射輸入光束至第二輸出頻道。 14. 依據申請專利範圍第13項之光學切換器，其中可移動切 換器元件包含反射構件以及促動器。 15. 依據申請專利範圍第14項之光學切換器，其中反射構件 為MEMS可移動反射鏡。 16. 依據申請專利範圍第14項之光學切換器，其中促動器由 熱促動器，電動促動器裝置，梳式驅動促動器，磨擦驅動促 動器種類選取出。 經濟部中央標準局負工消費合作社印裝 17_依據申請專利範圍第9項之光學切換器，其中光學輸入 訊號具有不同的偏極分量，光學切換器更進一步包含： 偏極色散性元件放置於第一色散性元件之前以空間性地 分離第一光學輪入訊號之不同偏極分量。 衣紙浪尺度適用t國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐）