OXC的應(yīng)用領(lǐng)域

光交叉互連開關(guān)（OXC）是一種N×N端口的矩陣光開關(guān)，可用于構(gòu)建CDC ROADM（無色、無方向性、無競爭的可重構(gòu)光上/下路復(fù)用器），如圖1所示。

圖1. 基于WSS和OXC的CDC ROADM結(jié)構(gòu)

基于1×N端口光開關(guān)構(gòu)建的OXC

OXC可以通過1×N端口的光開關(guān)來構(gòu)建，如圖2所示，為了構(gòu)建一個(gè)N×N端口的OXC模塊，需要2N個(gè)1×N端口的光開關(guān)，隨著端口數(shù)N的增加，OXC模塊的尺寸和成本急劇增加，因此這種OXC的端口數(shù)通常限于32×32端口。

圖2. 以16個(gè)1×8端口光開關(guān)構(gòu)建8×8端口OXC

基于2D MEMS 技術(shù)的OXC

實(shí)現(xiàn)OXC的第二種技術(shù)方案是基于MEMS微鏡陣列的Cross-Bar光開關(guān)，日本東京大學(xué)的H. Toshiyoshi和H. Fujita于1996年報(bào)道了第一個(gè)基于MEMS技術(shù)、具有端口擴(kuò)展?jié)摿Φ腃ross-Bar光開關(guān)，如圖3所示。所報(bào)道的器件只有2個(gè)輸入端口和2個(gè)輸出端口，光路切換是通過4個(gè)MEMS微鏡來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)微鏡有兩個(gè)狀態(tài)，平置于基片上讓光束通過（Off狀態(tài)）或者直立于基片上以反射光束（On狀態(tài)）。

圖3. 第一個(gè)基于MEMS扭鏡的Cross-Bar矩陣光開關(guān)

MEMS芯片和單個(gè)微鏡的SEM照片，以及扭鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。微鏡以多晶硅梁支撐，當(dāng)電極未加偏置電壓時(shí)，微鏡保持平置狀態(tài)；加電時(shí)在靜電引力的驅(qū)動(dòng)下，微鏡直立于基片上。

圖4. MEMS扭鏡的SEM照片和結(jié)構(gòu)示意圖

AT&T實(shí)驗(yàn)室的L.Y. Lin等人于1998年報(bào)道了第一個(gè)基于2D MEMS技術(shù)的矩陣光開關(guān)，如圖5所示，為了實(shí)現(xiàn)N×N端口光開關(guān)，需要一個(gè)N×N規(guī)模的微鏡陣列。該器件的所有光路都在一個(gè)平面內(nèi)，這也是為何它被稱為2D MEMS光開關(guān)。

圖5. 第一個(gè)2D MEMS矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)

光路的切換是通過圖6所示的微鏡來實(shí)現(xiàn)的，微鏡被鉸鏈結(jié)構(gòu)連接在基底上，兩個(gè)拉桿的一端鏈接微鏡，另一端鏈接一個(gè)位移臺，位移臺被一個(gè)刮板式微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，把微鏡向前拉。微鏡在被拉動(dòng)的過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖6. 微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

OMM公司的Li Fan等人于2002年報(bào)道了另一種用于矩陣開關(guān)的MEMS微鏡陣列，如圖7所示。

圖7. OMM公司的Li Fan等人報(bào)道的2D MEMS微鏡陣列

基于2D MEMS微鏡陣列的矩陣光開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單和易于封裝的優(yōu)勢，但是其擴(kuò)展性有限。從圖5中可以看到，對不同的端口鏈接關(guān)系，光路長度差別很大，這將會(huì)引入耦合損耗和影響損耗均勻性。對光程差異的容差取決于自由空間光學(xué)結(jié)構(gòu)中的光束尺寸，根據(jù)式（1），光斑ω0越小則其越發(fā)散，根據(jù)式（2）得到其準(zhǔn)直距離越短。

兩根單模光纖SMF之間的耦合情況如圖8（a）所示，隨著光纖端面之間的間距增大，耦合損耗劇增，兩根單模光纖之間的間距，通常限于<20μm。為了增加光纖間距以容許放置各種自由空間光學(xué)元件，通常會(huì)采用熱擴(kuò)芯（TEC）光纖或者透鏡光纖，分別如圖8（b）和圖8（c）所示。TEC光纖和透鏡光纖都能擴(kuò)大光斑尺寸，以適于自由空間光傳輸。兩根TEC光纖之間的間距可達(dá)~10mm，而兩根透鏡光纖之間的間距可達(dá)~50mm。對于一些需要更長自由空間光路的應(yīng)用領(lǐng)域（比如下文將要提到的3D MEMS光開關(guān)），往往需要準(zhǔn)直透鏡，如圖8（d）所示。

圖8. 光纖之間的耦合方式

因此我們知道，將TEC光纖或者透鏡光纖應(yīng)用于2D MEMS光開關(guān)中，有助于增加自由空間光路長度，以容納更多的MEMS微鏡，實(shí)現(xiàn)光開關(guān)端口的擴(kuò)展。然而，允許的最大光斑尺寸受限于微鏡的尺寸，而微鏡尺寸取決于MEMS設(shè)計(jì)和工藝。通常要求微鏡直徑Ф>3ω0（ω0為光斑半徑）以反射99%以上的光功率。因此，2D MEMS光開關(guān)的最大端口數(shù)通常限于32×32。

基于3D MEMS 技術(shù)的OXC

為了進(jìn)一步擴(kuò)展OXC的端口數(shù)，人們開發(fā)了3D MEMS光開關(guān)。3D MEMS OXC的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示，它包括兩個(gè)MEMS微鏡陣列和兩個(gè)二維光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)輸入光纖準(zhǔn)直器與第一個(gè)MEMS芯片中的一個(gè)微鏡對應(yīng)，而每個(gè)輸出光纖準(zhǔn)直器與第二個(gè)MEMS芯片中的一個(gè)微鏡對應(yīng)，MEMS芯片上的所有微鏡都能兩軸偏轉(zhuǎn)，如圖10所示。

圖9. NTT實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的3D MEMS OXC的基本結(jié)構(gòu)

圖10. MEMS微鏡陣列和雙軸微鏡的掃描電鏡SEM照片

來自每個(gè)輸入端口的光束被第一個(gè)MEMS芯片上的一個(gè)微鏡獨(dú)立控制，通過雙軸偏轉(zhuǎn)指向第二個(gè)MEMS芯片上的另一個(gè)微鏡（該微鏡對應(yīng)輸出的目標(biāo)端口），第二個(gè)微鏡通過雙軸偏轉(zhuǎn)，調(diào)整反射光束的方向，指向輸出端口。因此通過兩個(gè)MEMS芯片的控制，可以將光信號從任意輸入端口交換至任意輸出端口。該3D MEMS OXC由NTT實(shí)驗(yàn)室于2003年10月報(bào)道，樣機(jī)照片如圖11所示。

圖11. NTT實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的3D MEMS OXC樣機(jī)照片

貝爾實(shí)驗(yàn)室的V. A. Aksyuk等人于2003年4月報(bào)道了另一種3D MEMS OXC，比NTT實(shí)驗(yàn)室的報(bào)道時(shí)間更早，此處先提到NTT實(shí)驗(yàn)室的工作，因其OXC結(jié)構(gòu)相對簡單且易于分析。貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的OXC結(jié)構(gòu)和樣機(jī)照片分別如圖12和圖13所示，它包括兩個(gè)MEMS微鏡陣列、兩個(gè)二維光纖陣列和一個(gè)傅里葉透鏡，每條輸入—輸出鏈路通過第一個(gè)MEMS芯片上的一個(gè)微鏡和第二個(gè)MEMS芯片上的另一個(gè)微鏡構(gòu)建。

圖12. 貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的3D MEMS OXC結(jié)構(gòu)

圖13. 貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的3D MEMS OXC樣機(jī)照片

NTT實(shí)驗(yàn)室的Yuko Kawajiri等人于2012年報(bào)道了另一個(gè)3D MEMS OXC，如圖14和圖15所示，其中以一個(gè)環(huán)形凹面反射鏡代替傅里葉透鏡。采用環(huán)形凹面鏡可減少邊緣端口的離軸像差，以減小插入損耗。

圖14. NTT實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的第二種3D MEMS OXC結(jié)構(gòu)

圖15. NTT實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的第二種3D MEMS OXC樣機(jī)照片

圖12和圖14中的OXC原理相似，相對于圖9中的OXC結(jié)構(gòu)，自由空間光路中的光束尺寸更大，因此可減小損耗。另外，圖9中的OXC結(jié)構(gòu)，要求MEMS微鏡具有更大的偏轉(zhuǎn)角度，這會(huì)增加MEMS芯片的設(shè)計(jì)難度。

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