1×N埠MEMS光開關的工作原理及應用

網際網路應用的快速發展推動了基於ROADM技術的智能光網絡的建設,新一代的CDC(無色、無方向性和無競爭)ROADM,其主流技術方案是1×N埠WSS (波長選擇開關)+ N×M埠WSS,或者1×N埠WSS+N×M埠MCS(多播開關),如圖1所示。基於成本考量,後者即1×N埠WSS+N×M埠MCS更受電信運營商和設備製造商歡迎。因此隨著基於ROADM的智能光網絡的發展,市場對MCS光開關的需求增長迅猛,特別是當ROADM技術由骨幹網下沉至城域網時。

圖1． 基於1×N埠WSS + N×M埠WSS或者1×N埠WSS+N×M埠MCS的CDC ROADM節點

8×16埠MCS光開關的結構如圖2所示,它包括8個1×16埠的PLC光分路器和16個8×1埠的光開關,光分路器通常以PLC技術製備,而1×N埠光開關通常採用MEMS技術。最常用的是1×8和1×16埠光開關。

圖2． 8×16埠MCS光開關結構(PS:光分路器,SW:光開關)

基於MEMS技術的1×N埠光開關,其結構如圖3所示,它包括一個MEMS微鏡、一個準直透鏡和一個多纖插針。MEMS微鏡通常貼裝在一個TO管座上,然後通過TO管帽將準直透鏡與TO管座組裝成一個組件,最後在有源調試狀態下,將多纖插針與前述組件對準並固定在一起。

圖3． 基於MEMS技術的1×N埠光開關結構

圖3中的器件結構非常簡單,然而,要製作一個大埠數、低損耗的1×N埠光開關並不容易。最大損耗發生在離軸距離最遠(Δmax)的埠處,該埠受離軸像差的影響最大。隨著光學系統的相對孔徑Δmax/f(f為準直透鏡的焦距)增加,光學像差劣化。增加焦距f有助於減小像差,但長焦距會增加入射在MEMS微鏡上的準直光斑直徑,如是(1)

其中ω0為光纖中的光斑半徑,ωc為微鏡上的光斑半徑。

準直光斑的尺寸受限於MEMS微鏡直徑Ф,為了保證覆蓋到準直光斑能量的99%,要求Ф>3ωc。然而,由於MEMS技術本身的限制,微鏡的直徑Ф與最大偏轉角度θmax存在相互制約關係,比如一個典型的MEMS微鏡參數為Ф=1mm、θmax=±4°。鏡面直徑Ф越大則最大偏角θmax=Δmax/f越小,從而反過來限制了光開關的埠數。因此我們知道,增加準直透鏡的焦距f並不能提高光開關的埠數N。

考慮到上述困境,有三個途徑可提高光開關的埠數,其一是改變多纖插針中的光纖排列方式,如圖4所示,左圖只需要單軸MEMS微鏡,但埠數少一些;右圖可以得到更多的埠數,但需要雙軸MEMS微鏡。一個雙軸MEMS微鏡的價格比單軸微鏡貴得多。

圖4． 多纖插針中的光纖排列方式

增加光開關埠數的第二個途徑是減小光纖直徑。我們知道,典型單模光纖的包層直徑是125μm,通常以化學腐蝕工藝來減小光纖直徑。腐蝕之後的光纖直徑通常為60～80μm,但仍然不夠小,因此光開關的埠數受限為N≤16。另外,腐蝕工藝的控制並不容易,這會增加多纖插針的成本。

增加光開關埠數的第三個途徑是選用一個像差較小的準直透鏡,非球面或者自聚焦透鏡的性能,都會比C-Lens好一些。

隨著運營商轉型和用戶需求對網絡靈活性要求的增加, 基於WSS+MCS的ROADM技術實現方式,將成為城域網建設中的理想解決方案。而1×N MEMS光開關是MCS中的重要組成部分。

基於現有業務的需求以及面向未來網絡發展的需求,億源通推出了一系列自主研發的MEMS技術產品, 包括1×48通道的光開關。1×48 MEMS光開關是基於MEMS(微機電系統)技術和自由空間平臺,具有體積小、延遲低、高效切換等特性,可廣泛應用於光線路監控、OADM和測量儀器系統中。

圖5． 1×48通道的光開關

關於億源通

億源通是一家專注於光通信無源基礎器件研發、製造、銷售與服務於一體的國家級高新技術企業。公司主營產品為:光纖連接器(數據中心高密度光連接器),WDM波分復用器,PLC光分路器,MEMS光開關等四大核心光無源基礎器件,廣泛應用於光纖到戶、4G/5G移動通信、網際網路數據中心、國防通信等領域。