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使用吊桥微镜的光交叉连接
摘要
自由空间光交叉连接（OXC）是全光网络的关键组件之一。本文研制了了不同配置的微机械吊桥反射镜，以实现自由空间中的光学动作，并具有角度对准准确、工作距离大、开关速度高、长期可靠运行以及开关元件尺寸小的优点。一种原型为4times;4光学交叉连接OXC的尺寸约为4毫米times;4毫米的光开关经测试可用，且该OXC可扩展到较大的端口号。最后研究了光交叉连接结构、插入损耗和微镜运动类型因素对光交叉连接设计的影响。
关键词：光交叉连接；光开关；数字波分复用；微机电系统
1.光交叉连接简介
光学交叉连接（OXC）是具有较大端口号的光学交换机，可以在多个输入和多个输出之间互连光信号。这是一个快速发展的主流组件，可以在密集波分复用（DWDM）网络和全光网络（AON）[1-4]中进行交换和路由，如图1(a)所示。AON关键节点内的OXC启用了骨干网内的光透明连接，并将光信号路由到核心网络边缘的区域网络。包含许多不同波长的多个光输入首先被多路分解，然后由OXC重定向，如图1（b）所示，接着信号被多路复用器进一步多路复用到其所需的输出光纤。尽管OXC在物理上仅具有重定向光路的切换功能，但它们在光复用器/解复用器的帮助下实现了波长路由。另外，本地光信号可以同时添加到OXC或从OXC丢弃，原理如图1（b）所示。
图1 自由空间光交叉连接
在普通的电子交叉连接中，来自输入光纤的光信号需要转换为电信号进以处理数据，然后再将电信号转换回光学形式将其传送到所需的输出光纤。两次光电转换可能会引起延迟和拥塞，尤其是在负担沉重的时候。相反，OXC能够以其原始形式处理光信号，并直接将它们从多个输入光纤切换到所需的输出，而无需进行任何光电转换，这大大提高了交换速率。预计OXC将在光纤通信系统的骨干网中扮演重要角色，而电子设备仍处于网络边缘。尽管常规的光机电交叉连接实现了低插入损耗和高消光比，但其开关元件的体积限制了端口数量和开关速度，并导致了高功耗。对于基于波长的交换和路由，目前已经研制出基于波导的OXC，并获得了较大的端口数量和较高的交换速度。然而，它们存在高串扰、低消光比的切线，且与偏振相关。即使是使用热毛细管气泡的OXC也容易形成非常大的阵列。
自由空间微机械OXC的出现有望满足AON的需求。实际上，它们可能是唯一的解决方案。其制造方法类似于集成电路（IC）的制造，采用微加工方法在一系列处理步骤中进行掺杂，沉积，构图和蚀刻，使用诸如单晶硅，多晶硅，氧化硅和金属之类的材料为基底来制造OXC，用抛光法来改善镜面的平面度和粗糙度。最后，应释放OXC中的牺牲层以释放结构。微加工的OXC具有紧凑，坚固，开关速度快，功耗低，成本低且可大量生产的优点，这些优点通常与微机电系统（MEMS）技术相关。OXC元件的小尺寸使其非常适合构建端口号非常大的OXC。例如的OXC N2类型的端口号可能高达32times;32（受路径限制，取决于损耗），2N的OXC的端口号可能会达到数百到一千甚至更多。此外，OXC的自由空间操作使其不受波长和偏振的影响，并且对位速率和数据格式透明，这对于OXC在复杂的网络环境中处理多种波长和不同的服务非常有用。
目前已经有各种具有小端口号（1times;2和2times;2）的微机械自由空间光开关，其中大多数是通过深蚀刻制造的。然而，由于侧壁表面质量随着蚀刻深度而迅速降低的原因，我们难以通过使用深蚀刻来获得大面积的镜子。因此，光束应具有较小的尺寸，并且输入光纤和输出光纤必须非常近地对准，以实现低插入损耗，最终限制端口的数量。表面微加工技术让制造具有大端口号的自由空间OXC产生新的希望，因为利用此法制造具有高表面质量和大尺寸的反射镜是可行的。微加工自由空间OXC N2体系结构已被证明可用于光网络中的恢复和供应。目前已经研发了使用两轴微镜在大量端口之间进行光学互连的2N结构OXC。
在本文中，将微机械吊桥反射镜作为大型OXC的开关元件。OXC的结构，插入损耗和切换镜的运动类型将在第二节以设计角度进行讨论。此外，微机械吊桥结构可产生反射镜的垂直平移以实现光学开关功能，第三节将演示4times;4 OXC，作为使用微机械吊桥镜形成大型阵列OXC的图解。
2.设计细节
设计OXC时应考虑某些可能影响性能的重要方面。这包括架构的选择，影响光损耗的输入准直光束的直径，开关元件的工作距离和反射镜尺寸。此外，应考虑影响OXC性能的开关元件中反射镜的运动类型。以下各节将简要说明这些方面。
2.1 OXC体系结构
已经报道了在OXC中广泛使用的两种不同的体系结构[4,11,16-18,20]。它们被称为2D型（N2型）和3D型（2N型），由光束在自由空间中的移动来定义。N 2架构的OXC使用Ntimes;N阵列中的反射镜将N个光输入重定向到N个输出，如图2所示。为了将输入互连到期望的输出，在交叉位置需要安装一个镜子以切断光路并将光反射到输出（ON状态）。为了构建完全无阻塞的OXC，相对于是否存在反射镜，开关元件仅需要ON和OFF状态。在2N体系结构中，接合了两个反射镜阵列，如图2（b）所示。每个阵列具有N个反射镜，这些反射镜能够围绕某些轴连续旋转。第一阵列中的每个镜像与一个输入具有特定的一对一关系，类似地，第二阵列中的每个镜像对应于一个输出。在输入和输出之间交叉连接，例如，第i个输入到j个输出，则入射光束经第一阵列中第i个镜反射到第二阵列中第j个镜，该中继的光束到在第j个输出光纤。为了将一个输入无障碍地重定向到N个输出中的任何一个，每个反射镜应该能够旋转到N个位置。两个反射镜阵列简化了位置控制，尽管一个具有N个反射镜的反射镜阵列足以形成Ntimes;N OXC。
图2 自由空间光交叉连接的架构
(a)架构；(b)2N架构
随着N变大，N 2OXC的总镜像数将急剧增加，并且需要2个N 1个附加镜像才能将OXC从Ntimes;N缩放到（N 1）times;（N 1）。相反，2N体系结构的OXC具有更好的可伸缩性。形成OXC只需2个N镜，而将Ntimes;N OXC升级到（N 1）times;（N 1）。然而，这种可扩展性是以精确的角度控制的困难为代价的。比例尺越大，所需的角度控制越精确。尽管可以通过反馈来改善角度对准精度，但是反光镜的动态响应却变差了。此外，考虑到诸如在静电驱动下镜的角旋转是非线性的以及现有的速降现象[21]，角控制变得更加困难。相反，N2 体系结构的OXC只需要简单地控制反射镜，即ON或OFF。并且添加/删除光信号功能易于实现，如图2（b）所示。此外，N2体系结构的OXC具有良好的模块化性能。例如，可以通过合并四个8times;8 OXC模块来实现16times;16 OXC[18]。在2N体系结构中，不存在这种模块化。在N2 OXC中，从不同的输入到不同的输出的距离是不同的，因此插入损耗是变化的。即使在输出端，来自不同输入端的光信号也会遭受不同的损耗。在2N OXC中，光束从任何输入到任何输出的传播距离几乎相同，从而导致几乎相同的插入损耗。通常N2体系结构适用于端口号非常大的OXC。在本文中，由于其简单性而选择了N2体系结构。
2.2光束尺寸和插入损耗
在N2体系的OXC中，来自输入光纤的激光束在到达输出之前必须在自由空间中传播一定距离。光束的散布和光纤的机械不对准引起仅输入光能量的一部分可以耦合到输出中，从而导致插入损耗。当激光束传播最大距离时，例如图2（a）中的I1至O1，插入损耗达到最大。如果反射镜的角度未对准，则来自I1 的激光束会遭受最大的横向位移在输出O1处，插入损耗达到其最大值。激光束的散布取决于入射光束的大小，它决定了开关镜的工作距离，并影响开关元件的致动和配置。
考虑到激光束的高斯光束传播，并假设它从z= 0开始传播并沿着正z轴传播，则振幅分布可以表示为[22]：
其中U（x，y，z）表示位置（x，y，z）上的振幅分布，x和y代表高斯光束横截面中的坐标，w（z）表示模场半径由[22]给出：
其中w0=w（0）表示高斯光束的腰围，而lambda;是波长。对于直接来自单模光纤（SMF）或通过使用梯度折射率（GRIN）透镜的准直光束的激光束的自由空间传播有效。给定传播距离z，最小模式场半径w=2lambda;z/pi;可以在以下条件下获得 w0=lambda;z/pi;。例如，在光学4times;4交叉连接中，开关元件为1个毫米times;1毫米 到最近的反射镜之间的距离为1毫米，光纤之间的距离为1mm，从输入到切换反射镜的最大距离为5mm，并且如果入射光束的腰围为w0= 70.2mu;m，则可以获得的最小半径为wmin=49.7微米。在这种情况下，切换镜的最小工作距离可以为140.4mu;m。4times;4 OXC采用直径为150mu;m的微机械镜，这将在第3节说明。
来自SMF的激光束具有与SMF基本模式相同的模式场，并且其腰部半径约为5mu;m，并且将在自由空间中非常迅速地传播。因此，应使用GRIN透镜或其他等效的微透镜来扩展激光束。当光纤端面直接与1/4节距GRIN透镜接触时，出射的高斯光束的腰围半径wg由[22]给出：
其中，n0 表示周围环境的折射率，w0表示SMF基本模式的光束腰，nc表示GRIN透镜的轴上折射率，并且一种A是折射率梯度常数。
在N2 OXC中，通常在输入和输出端口使用相同的GRIN透镜和SMF，从而实现如图3所示的对称布置。来自第一个GRIN透镜的准直激光束在自由空间中扩散，然后被第二个GRIN透镜聚焦在输出光纤的接收面上。输出光纤端面上的高斯光束将不同于SMF的基本模式，从而通过模式失配导致插入损耗。此外，任何反射镜的角度失准不仅会引起输出端口的角度失配，还会引起横向位移，从而进一步增加插入损耗。
图3 光交叉连接中输入光纤和输出光纤之间的光耦合
目前已经有两种方法来计算插入损耗[22,23,24]。一种是简单的方法，分别处理分离、侧向位移和角度不对中[23]，另一种则使用考虑了三个不对中的组合的通用公式[22,23,24]。尽管有无需准直就可以在两根光纤之间耦合的简单方法，但它只适用于通过GRIN透镜准直的两根光纤。在OXC中，简单方法提供的值要比通式提供的值大。在4毫米times;4毫米尺寸的OXC中，假设输出光纤的横向偏差为10mu;m，切换镜的角度偏差为0.1°，如果输入光束的直径为127.2mu;m，则简单方法会产生大约5.1dB的插入损耗，而通用公式产生4.1dB插入损耗。如果输入光束的腰围为49.7mu;m，则简单方法和通用公式分别给出14.2和5.3dB，这表明差异很大。当OXC大小增加或束腰减小时，此差异会变得更大。因此，简单的方法不适合处理OXC的插入损耗。
在OXC中，反射镜的角度失准会影响输出的横向位移和角度失准，而在通常情况下，分离，横向位移和角度失准会独立发生。在这种特殊情况下，根据[24]中的分析，可以得出插入损耗L的一般公式如下：
文中对4毫米times;4毫米OXC进行了设计分析，并将腰部半径为49.7和127.2mu;m的激光束作为输入，插入损耗如图4所示。对于腰围为49.7mu;m的光束，当切换镜的角度偏差较小时，插入损耗具有较大的值（约4dB），但随着角度偏差的增加，插入损耗将缓慢增加。相反，对于腰部半径为127.2mu;m的输入光束，在角度偏差较小的情况下，插入损耗非常小（约0.3dB），但是随着角度偏差的增加，插入损耗会迅速增加。腰部49.7mu;m的激光束在传输127.2光束时由于传输距离和横向位移而遭受高插入损耗，这是由于角度未对准导致的插入损耗占总插入损耗的主导。为了获得最小的总损耗，角度对准的精度限制了光束尺寸的选择，并且光束尺寸限制了角度偏差。无论光束大小如何，都必须对切换镜进行精确的角度对准。即使在这种小的OXC中，如果使用127.2mu;m的光束，当角度未对准变为0.2°时，插入损耗也将达到15dB。为了获得5db的插入损耗，仅允许0.1°的角度偏差。
图4 OXC中的最大插入损耗与切换镜角度图
2.3垂直镜的运动类型
在N2OXC中，每个开关镜必须在ON状态下出现在正确的位置，而在OFF状态下不存在。旋转或移动镜子都可以实现镜子在光路中的存在与否，他们的基本动作类型如图5所示。图5中的实线镜表示ON状态，这时镜子进入光路以重定向它们，而虚线镜子表示它们处于OFF状态的位置。如图5a-c所示，镜子可以通过绕轴旋转来改变其状态。这些旋转类型已用于光开关[12]，
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