1×N端口MEMS光开关的工作原理及应用

2019-12-13 14:17

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。

1×N端口MEMS光开关的工作原理及应用

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。

1×N端口MEMS光开关的工作原理及应用

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)

1×N端口MEMS光开关的工作原理及应用

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。

1×N端口MEMS光开关的工作原理及应用