MEMS光学器件— MEMS OXC（光交叉互连开关）

2020-05-08 17:55

HYC亿源通

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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。

MEMS光学器件— MEMS OXC（光交叉互连开关）

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。

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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。

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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。

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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。

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