基于MEMS技术的1×N端口光开关详解

互联网应用的快速发展推动了基于ROADM技术的智能光网络的建设，新一代的CDC（无色、无方向性和无竞争）ROADM，其主流技术方案是1×N端口WSS （波长选择开关）+ N×M端口WSS，或者1×N端口WSS+N×M端口MCS（多播开关），如图1所示。基于成本考量，后者即1×N端口WSS+N×M端口MCS更受电信运营商和设备制造商欢迎。因此随着基于ROADM的智能光网络的发展，市场对MCS光开关的需求增长迅猛，特别是当ROADM技术由骨干网下沉至城域网时。

图1． 基于1×N端口WSS + N×M端口WSS或者1×N端口WSS+N×M端口MCS的CDC ROADM节点

8×16端口MCS光开关的结构如图2所示，它包括8个1×16端口的PLC光分路器和16个8×1端口的光开关，光分路器通常以PLC技术制备，而1×N端口光开关通常采用MEMS技术。最常用的是1×8和1×16端口光开关。

图2． 8×16端口MCS光开关结构（PS：光分路器，SW：光开关）

基于MEMS技术的1×N端口光开关，其结构如图3所示，它包括一个MEMS微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。MEMS微镜通常贴装在一个TO管座上，然后通过TO管帽将准直透镜与TO管座组装成一个组件，最后在有源调试状态下，将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。

图3． 基于MEMS技术的1×N端口光开关结构

图3中的器件结构非常简单，然而，要制作一个大端口数、低损耗的1×N端口光开关并不容易。最大损耗发生在离轴距离最远（Δmax）的端口处，该端口受离轴像差的影响最大。随着光学系统的相对孔径Δmax/f（f为准直透镜的焦距）增加，光学像差劣化。增加焦距f有助于减小像差，但长焦距会增加入射在MEMS微镜上的准直光斑直径，如是（1）

其中ω0为光纤中的光斑半径，ωc为微镜上的光斑半径。

准直光斑的尺寸受限于MEMS微镜直径Ф，为了保证覆盖到准直光斑能量的99%，要求Ф》3ωc。然而，由于MEMS技术本身的限制，微镜的直径Ф与最大偏转角度θmax存在相互制约关系，比如一个典型的MEMS微镜参数为Ф=1mm、θmax=±4°。镜面直径Ф越大则最大偏角θmax=Δmax/f越小，从而反过来限制了光开关的端口数。因此我们知道，增加准直透镜的焦距f并不能提高光开关的端口数N。

考虑到上述困境，有三个途径可提高光开关的端口数，其一是改变多纤插针中的光纤排列方式，如图4所示，左图只需要单轴MEMS微镜，但端口数少一些;右图可以得到更多的端口数，但需要双轴MEMS微镜。一个双轴MEMS微镜的价格比单轴微镜贵得多。

图4． 多纤插针中的光纤排列方式

增加光开关端口数的第二个途径是减小光纤直径。我们知道，典型单模光纤的包层直径是125μm，通常以化学腐蚀工艺来减小光纤直径。腐蚀之后的光纤直径通常为60～80μm，但仍然不够小，因此光开关的端口数受限为N≤16。另外，腐蚀工艺的控制并不容易，这会增加多纤插针的成本。

增加光开关端口数的第三个途径是选用一个像差较小的准直透镜，非球面或者自聚焦透镜的性能，都会比C-Lens好一些。

随着运营商转型和用户需求对网络灵活性要求的增加， 基于WSS+MCS的ROADM技术实现方式，将成为城域网建设中的理想解决方案。而1×N MEMS光开关是MCS中的重要组成部分。

基于现有业务的需求以及面向未来网络发展的需求，亿源通推出了一系列自主研发的MEMS技术产品， 包括1×48通道的光开关。1×48 MEMS光开关是基于MEMS（微机电系统）技术和自由空间平台，具有体积小、延迟低、高效切换等特性，可广泛应用于光线路监控、OADM和测量仪器系统中。

图5． 1×48通道的光开关

关于亿源通

亿源通是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的国家级高新技术企业。公司主营产品为：光纤连接器（数据中心高密度光连接器），WDM波分复用器，PLC光分路器，MEMS光开关等四大核心光无源基础器件，广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。
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