[发明专利]一种多级MEMS光开关单元和光交叉装置

说明书

一种多级MEMS光开关单元和光交叉装置。在多级MEMS光开关单元中，悬臂梁，用于在N个电极都未产生作用力时使得微反射镜保持初始状态；在N个电极中的至少一个电极产生作用力时使得微反射镜处于目标偏转状态；当作用力为零时，使微反射镜恢复初始状态；N个电极中的至少一个电极，用于产生作用力，控制微反射镜进入偏转状态；微反射镜，用于在N个电极中的至少一个电极的作用力下进入偏转状态；M个阻挡器中的至少一个阻挡器，用于阻挡微反射镜，使得微反射镜停止到目标偏转状态。

技术领域

本申请实施例涉及光通信领域，尤其涉及一种多级微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光开关单元和光交叉装置。

背景技术

近年来，随着光开关技术的发展和波分复用(Wavelength Division Multiplex，WDM)的规模应用，光网络节点设备的容量越来越大，对网络的生存性提出了更高的要求，光交叉连接(Optical Cross-connect，OXC)集传输与交换于一体，具有传输容量大、组网灵活、网络具有可扩展性和可重构性、易于升级、可透明传输各种格式的不同速率等级的信号，能够同时适应用户信号种类和服务种类不断增长的需求等诸多优点，是构成光传送网络(Optical Transport Network，OTN)的重要节点设备。

实现OXC的关键在于开发应用先进的光器件，其中，在光开关方面有机械光开关、聚合物开关(polymer)、半导体光开关、平面光波导光开关(Planar Lightwave Circuit，PLC)和MEMS等，特别是MEMS光开关，技术发展很快。OXC光开关正在向低损耗、高隔离度、灵活动态、功耗低、体积小和成本低等优点于一身的方向发展。

目前被成熟商业化多为基于MEMS技术的OXC。利用微动微反射镜制作OXC光开关矩阵，微动微反射镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现光开关的导通和断开功能。MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微动微反射镜在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。MEMS光开关可包括基于二维(2Dimensional，2D)和三维(3Dimensional，3D)的MEMS光开关。其中，2D的MEMS光开关为数字结构，3D的MEMS光开关为模拟结构。

在2D的MEMS光开关中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微反射镜直立和倒下或使微反射镜以“翘翘板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能，所以2D结构又称为数字型。

一个N×N的2D光开关需要N²个微反射镜，2D结构的优点是控制简单，缺点是由于受光程和微反射镜面积的限制，交换端口数不能做得很大。在3D结构中，所有微反射镜处于相向的两个平面上，通过改变每个微反射镜的不同位置来实现光路的切换。

一个N×N的3D光开关只需要2N个微反射镜，但每个微反射镜至少需要N个可精确控制的可动位置，所以3D结构又称为模拟型。与2D结构相反，3D结构的优点是交换端口数能做得很大，可实现上千端口数的交换能力。

在大规模OXC中主要应用3D的MEMS结构，而3D MEMS是模拟的微反射镜切换后的状态为悬空状态，存在切换的振荡时间较长、切换速度慢的问题，例如3D模拟式MEMS的切换时，当控制微反射镜偏转到设计位置时，微反射镜最终处于悬空状态，所以微反射镜需要一定时间振荡后才能达到稳定状态。微反射镜的振荡时间一般为大于10毫秒(millisecond，ms)，受限于微反射镜的振荡时间，微反射镜的切换速度一般都是10ms或者100ms量级。严重影响了微反射镜的状态切换时间，导致基于3D模拟MEMS的OXC切换速度受限制受限于MEMS的切换速度。

另外，现有技术提供的MEMS结构为模拟式的MEMS，还存在控制机理和驱动结构相当复杂的问题，其工作方式为模拟式，所以控制电路需要能精准控制电极所加电压来控制微反射镜的偏转状态，控制部分复杂，成本较高。

发明内容