基于3D MEMS OXC的基本结构与应用范围分析

OXC的应用领域

光交叉互连开关（OXC）是一种N×N端口的矩阵光开关，可用于构建CDC ROADM（无色、无方向性、无竞争的可重构光上/下路复用器），如图1所示。

图1. 基于WSS和OXC的CDC ROADM结构

基于1×N端口光开关构建的OXC

OXC可以通过1×N端口的光开关来构建，如图2所示，为了构建一个N×N端口的OXC模块，需要2N个1×N端口的光开关，随着端口数N的增加，OXC模块的尺寸和成本急剧增加，因此这种OXC的端口数通常限于32×32端口。

图2. 以16个1×8端口光开关构建8×8端口OXC

基于2D MEMS 技术的OXC

实现OXC的第二种技术方案是基于MEMS微镜阵列的Cross-Bar光开关，日本东京大学的H. Toshiyoshi和H. Fujita于1996年报道了第一个基于MEMS技术、具有端口扩展潜力的Cross-Bar光开关，如图3所示。所报道的器件只有2个输入端口和2个输出端口，光路切换是通过4个MEMS微镜来实现的，每个微镜有两个状态，平置于基片上让光束通过（Off状态）或者直立于基片上以反射光束（On状态）。

图3. 第一个基于MEMS扭镜的Cross-Bar矩阵光开关

MEMS芯片和单个微镜的SEM照片，以及扭镜的结构示意图，如图4所示。微镜以多晶硅梁支撑，当电极未加偏置电压时，微镜保持平置状态；加电时在静电引力的驱动下，微镜直立于基片上。

图4. MEMS扭镜的SEM照片和结构示意图

AT&T实验室的L.Y. Lin等人于1998年报道了第一个基于2D MEMS技术的矩阵光开关，如图5所示，为了实现N×N端口光开关，需要一个N×N规模的微镜阵列。该器件的所有光路都在一个平面内，这也是为何它被称为2D MEMS光开关。

图5. 第一个2D MEMS矩阵光开关结构

光路的切换是通过图6所示的微镜来实现的，微镜被铰链结构连接在基底上，两个拉杆的一端链接微镜，另一端链接一个位移台，位移台被一个刮板式微致动器驱动，把微镜向前拉。微镜在被拉动的过程中发生偏转。

图6. 微镜结构示意图

OMM公司的Li Fan等人于2002年报道了另一种用于矩阵开关的MEMS微镜阵列，如图7所示。

图7. OMM公司的Li Fan等人报道的2D MEMS微镜阵列

基于2D MEMS微镜阵列的矩阵光开关，具有结构简单和易于封装的优势，但是其扩展性有限。从图5中可以看到，对不同的端口链接关系，光路长度差别很大，这将会引入耦合损耗和影响损耗均匀性。对光程差异的容差取决于自由空间光学结构中的光束尺寸，根据式（1），光斑ω0越小则其越发散，根据式（2）得到其准直距离越短。

两根单模光纤SMF之间的耦合情况如图8（a）所示，随着光纤端面之间的间距增大，耦合损耗剧增，两根单模光纤之间的间距，通常限于《20μm。为了增加光纤间距以容许放置各种自由空间光学元件，通常会采用热扩芯（TEC）光纤或者透镜光纤，分别如图8（b）和图8（c）所示。TEC光纤和透镜光纤都能扩大光斑尺寸，以适于自由空间光传输。两根TEC光纤之间的间距可达~10mm，而两根透镜光纤之间的间距可达~50mm。对于一些需要更长自由空间光路的应用领域（比如下文将要提到的3D MEMS光开关），往往需要准直透镜，如图8（d）所示。

图8. 光纤之间的耦合方式

因此我们知道，将TEC光纤或者透镜光纤应用于2D MEMS光开关中，有助于增加自由空间光路长度，以容纳更多的MEMS微镜，实现光开关端口的扩展。然而，允许的最大光斑尺寸受限于微镜的尺寸，而微镜尺寸取决于MEMS设计和工艺。通常要求微镜直径Ф》3ω0（ω0为光斑半径）以反射99%以上的光功率。因此，2D MEMS光开关的最大端口数通常限于32×32。

基于3D MEMS 技术的OXC

为了进一步扩展OXC的端口数，人们开发了3D MEMS光开关。3D MEMS OXC的基本结构如图9所示，它包括两个MEMS微镜阵列和两个二维光纤准直器阵列，每个输入光纤准直器与第一个MEMS芯片中的一个微镜对应，而每个输出光纤准直器与第二个MEMS芯片中的一个微镜对应，MEMS芯片上的所有微镜都能两轴偏转，如图10所示。

图9. NTT实验室开发的3D MEMS OXC的基本结构

图10. MEMS微镜阵列和双轴微镜的扫描电镜SEM照片

来自每个输入端口的光束被第一个MEMS芯片上的一个微镜独立控制，通过双轴偏转指向第二个MEMS芯片上的另一个微镜（该微镜对应输出的目标端口），第二个微镜通过双轴偏转，调整反射光束的方向，指向输出端口。因此通过两个MEMS芯片的控制，可以将光信号从任意输入端口交换至任意输出端口。该3D MEMS OXC由NTT实验室于2003年10月报道，样机照片如图11所示。

图11. NTT实验室开发的3D MEMS OXC样机照片

贝尔实验室的V. A. Aksyuk等人于2003年4月报道了另一种3D MEMS OXC，比NTT实验室的报道时间更早，此处先提到NTT实验室的工作，因其OXC结构相对简单且易于分析。贝尔实验室开发的OXC结构和样机照片分别如图12和图13所示，它包括两个MEMS微镜阵列、两个二维光纤阵列和一个傅里叶透镜，每条输入—输出链路通过第一个MEMS芯片上的一个微镜和第二个MEMS芯片上的另一个微镜构建。

图12. 贝尔实验室开发的3D MEMS OXC结构

图13. 贝尔实验室开发的3D MEMS OXC样机照片

NTT实验室的Yuko Kawajiri等人于2012年报道了另一个3D MEMS OXC，如图14和图15所示，其中以一个环形凹面反射镜代替傅里叶透镜。采用环形凹面镜可减少边缘端口的离轴像差，以减小插入损耗。

图14. NTT实验室开发的第二种3D MEMS OXC结构

图15. NTT实验室开发的第二种3D MEMS OXC样机照片

图12和图14中的OXC原理相似，相对于图9中的OXC结构，自由空间光路中的光束尺寸更大，因此可减小损耗。另外，图9中的OXC结构，要求MEMS微镜具有更大的偏转角度，这会增加MEMS芯片的设计难度。

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