[发明专利]一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关，采用双光纤椭圆光斑准直器与MEMS平动微镜耦合，并固定在一个套筒中。本发明属于光通信器件领域。

背景技术

光开关在光通信网络中起到十分重要的作用。其中2×2光开关有着广泛的应用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设备(如OADM、OXC)的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：

保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。

构建OADM设备核心：OADM是光网络关键设备之一，通常用于城域网和骨干网。实现OADM光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2×2光开关，来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使OADM能动态配置业务，增强了OADM节点的灵活性，同时，使得OADM节点能支持保护倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力。

构建OXC设备的交换核心：OXC主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。因此，需要对不同端口的业务交换，同时，光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能，在光层支持波长路由的配置和动态选路。由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上，要求光开关具有透明性、高速、大容量和多粒度交换的特点。

目前的2×2光开关有多种实现方案，主要有：

机械式光开关：机械式光开关用机械驱动器改变光学元件的位置以达到改变光路的目的，是发展最早的2×2光开关种类。优点是工艺成熟，插入损耗低，串扰小；缺点是体积大，开关速度慢，重复性差。

波导型光开关：波导型光开关利用波导的电光、热光、声光等特性改变波导的折射率来改变光路，从而实现开关功能。优点是体积小，易于集成，开关速度快；缺点是串扰较大。

全息光开关：全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入KLTN晶体内部，利用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到KLTN晶体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通晶体。当有电压时，光纤光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。优点是插入损耗低，开关速度快；缺点是功耗大，波长相关。

液体光栅开关：液体光栅开关是一种液晶和电全息开关技术的结合体。它基于电交换光栅(ESBG)技术。通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失。它对于波长交换具有灵活性，因为它能从波长群中选择需要的波长，可作为OADM核心。但其对于多波长群交换或光纤级交换就远不如MEMS了。

MEMS光开关：MEMS光开关是采用MEMS驱动微镜来改变光路，实现开关功能的。其具有插入损耗低，串扰小，开关速度快，重复性好等优点。MEMS微镜驱动方式有平动和转动两种，但是只有平动驱动方式能实现2×2光开关功能。采用光纤和MEMS微镜直接耦合的光开关通常插入损耗较大，工艺容差小。为了降低插入损耗，MEMS光开关通常采用光纤准直器进行耦合。但是常规的光纤准直器出射光束束腰光斑半径较大(200um～300um)，因此需要MEMS微镜平动驱动的行程也较大，这对于MEMS是很难实现的。本发明试图从双光纤椭圆光斑准直器出发，设计一种MEMS光开关以克服以上所有光开关的不足而体现出MEMS光开关的优点。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2MEMS光开关。具体地，设计了一种准直透镜(即带柱面的G-lens或C-lens)，使准直器的出射光束的光斑由圆形变为椭圆形，从而使得光束一个方向的束腰半径减小，另一方向的束腰半径不变，如图1所示。这样，在不改变插入损耗和回波损耗的情况下有效的减小了光斑一个方向上的尺寸，从而大大减小2×2光开关对MEMS微镜驱动行程的要求，几十微米的行程即可获得足够低的光信号串扰。由于MEMS微镜驱动行程受MEMS器件结构和工艺的限制，通常驱动行程为几微米至几十微米，达到几百微米存在很大的技术难度。对于常规的光纤准直器出射光束束腰光斑半径达到200μm～300μm，要实现了低串扰的2×2光开关需要微镜行程几千微米，这是MEMS工艺难以实现的。本发明提供的基于双光纤椭圆光斑准直器的2×2光开关可以有效减少对MEMS微镜驱动行程的要求，将一对双光纤椭圆光斑准直器和MEMS梳齿驱动微镜耦合起来，就可以实现高质量的2×2MEMS光开关，如图5。