4×4纵横交换微电机械系统光开关阵列
光开关
光传感系统:空分复用的光纤传感系统,节约解调系统,降 低成本。
作为开关的主要技术参数：
插入损耗：输入和输出端口间光功率的减少； 回波损耗：从输入端返回的光功率与输入光功率的比值
隔离度：两个相隔离输出端口光功率的比值
消光比：端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 开关时间：指开关端口从某一初始转为通或断所需的时 间从在开关上施加或撤去转换能量的时刻起测量。
定义：一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对 光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻 辑操作的器件。 主要功能：目前主要是光交换系统和主备倒换，即利 用光开关技术实现全光层的路由选择、波长选择、光 交叉连接以及自愈保护等功能。1，将某一光纤通道的 光信号切断或开通；2，将某波长光信号由一光纤通道 转换到另一光纤通道去；3，在同一光纤通道中将一种 波长的光信号转换为另一波长的光信号（波长转换器） 多信道光通信系统还需要光插／分复用技术和快速的 网间信息交换技术以及光的交叉连接（ＯＸＣ）技术 都需要超高速大规律集成的光开关矩阵。
光开关的应用范围
光纤测试中的光源控制：１ＸN光开关在光纤测 试技术中主要应用于控制光源的接通和切断。 光网络的自动保护倒换 光网络监控 光纤通信器件测试光交叉连接 光插分复用器 光传感系统 光学测试
保护倒换功能：光 开关通常用于网络 的故障恢复。当光 纤断裂或其他传输 故障发生时，利用 光开关实现信号迂 回路由，从主路由 切换到备用路由上。 这种保护通常只需 要最简单的1×2光 开关。 SNCP: 子网连接保护
( 1 ) 2 1 n 1 ( 2 ) 2 11 n ( 1 ) 21 n 2 3 31 1 ) 41 ( 2 4 n 51 ( 1 ) n 2 5 61 1) ( 2 6 n
基于三维微光机电系统光开关的研究
设计光学 系统时 ， 我们采用对称共焦光学系统 。即光束 束腰 正好处于光学系统的中心 ， 瞄准仪的准直透镜 对输 这样 入输 出端 口具有相 同的放大倍数 ， 而能补 偿光学 发散 ， 从 因
而具有 高的耦合效率 、 并且具有较大的装 配公差 。此外束腰
硕士研 究生
维普资讯
关 键 词 ： 型 光 机 电 系统 ； 分插 复 用 器 ； 开 关 ； 交叉 连 接 ； 网络 ； 微 光 光 光 光 波分 复 用 中 图分 类号 ￣ ９ ９ ｌ ＴＮ ２ 、 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
随着通信数据量的急剧增加和波分复用技术 （ Ｍ） ＷＤ 的
２ 新 型微镜 反射 型三维 ＭＥ ＭＳ光 开关 结构 和工 作
大容量 的光开关结构 ， 并与常规 结构的三维微光机 电系统的光开关进行对 比， 在保证设 计参数 不变的情况下 ， 保证
系统全连接的情 况下， 可以减 少微镜的最大偏转 角， 而实现快速的光路切换 ， 从 并且采用静 电梳状 微致动 器能进 一
步 降低工作 电压 ， 实现低 功耗 和快速 的交叉连接 ， 并对 系统设计需 注意的事项进行分析 。
反射到回射器 ， 经由回射器反射到第二个反射镜阵列的微反
射镜 ， 微反射镜对准光束 瞄准仪变成输出光。这里 任意光束 进入回射器将平行反射 回来 ， 但是具有确定的位置 平移。和 普通的平面镜相 比， 最基本 的不 同在于 ， 回射器具有“ 行位 平
图 Ｉ 三维微光机电系统大型多端 口开关结构 图
原 理
发展 ， 促进 了全光 网络的发展。作为全光 网核心器件 的光交
叉连接 （ Ｃ 和光分插复用器（ Ａ Ｍ）其关键技术在 于光 ０ｘ ） Ｏ Ｄ ，
光开关定义分类
1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。
2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。
3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。
而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。
4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。
今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。
因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。
但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。
目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。
目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。
容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。
（应用光学2005）常见的光开关：1.MEMS光开关：而MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。
第36节微机械及其微细加工技术
➢ 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
➢ 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
27
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。 微机械器件体积极小，封装后几乎
可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
8
3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。 完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
21
3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用 生物细胞的典型尺寸为1～10um，生
物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
29
3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
30
光 开 关
1.1 光开关的主要技术参量
光开关的主要技术参量有插入损耗、开关时间、消 光比、串扰、回波损耗、功耗、寿命（开关次数）等。
Pin1
Pout1
Pin2
Pout2
图 4.30 一个 2×2 光开关的示意图
消光比（也可称作开关比）：由于光开关的各种非理想因素，在某一光路 被光开关关断时仍有少量输入光功率从该光路传送到输出处。按照图 4.30
6.微电光机械系统（MEMS）光开关
图4.35 一个8×8的MEMS光开关矩阵示意图
由图可见，此种光开关也是一种空间光开关。其中右 端一排光纤和下方一排光纤分别为输出和输入光纤， 用微透镜将空间光束与光纤偶合。光束的交换是由自 由旋转的反射镜实现的。图中可以看到，该反射镜可 以按箭头所示方向旋转，可以立起，也可以倒下。当 反射镜倒下时，光束不受阻挡，继续直线传输；当反 射镜立起来时光束正好射在反射镜上被反射，光束向 右转弯并耦合到输出光纤中。此种光开关的开关时间 可以做到亚毫秒量级。
串扰：仍按图 4.30 的符号，设 Pin2 0 ，则串扰定义为
CT
ห้องสมุดไป่ตู้
10
log(
P Bar out 2
/ Pin1 )
(4.89)
P Bar out 2
为光开关处于“Bar”状态时，输出端口
2
的输出功率，
该功率是输入端口１串到输出端口２的功率。 插入损耗：假定光开关的各种可能光路的插入损耗都一样 （如果不一样，则需对每一个光路进行定义），则可选择某 一光路进行定义。则插入损耗定义为
L
10
log(
P Bar out1
/
Pin1 )
(4.90)
光开关介绍
光
开
关
微透镜型
微反射型MEMS光开关
微反射型MEMS光开关通过偏转微反射镜来 改变入射光束的方向，从而实现光开关的目的。
二维微反射镜MEMS光开关阵列
耦合损耗随微反射镜半径的减少而迅速增大， 因此，微反射镜的半径需要大于400um方可得到耦 合损耗小的微反射镜MEMS光开关阵列。
另外，保持微反射镜的平整度是非常重要的。
光开关介绍
内容
前言 一 光开关的概念 二 光开关的性能参数 三 光开关的分类 四 光开关的发展现状及未来趋势
前言
光无源器件是信息光电子技术，特别是光通信设备的重要组 成部分，也是光纤传感和其他光纤应用领域不可缺少的光器件， 起工作原理遵守光线理论和电磁波理论，各项技术指标、计算
公式、测试方法等与纤维光学、集成光学息息相关。
2x2光开关
光开关可用于光纤通信系统，光纤网络系统，
光线测量系统或仪器以及光纤传感系统。
光通信无源器件技术—— 光开关
10121920 伦建超 光电所
二 光开关的特性参数
2.1插入损耗
输入和输出端口之间以分贝数表示的光功率的减少
IL=-10lgPout/P0 P P 式中， 0为进入输入端光功率， out为输出端光功率
插入损耗与开关的状态有关。
2.2 回波损耗（也称为反射损耗或反射率）
从输入端返回的光功率与输入光功率的比值，以分贝表
示
RL=-10lgPr/Po
式中，Po为进入输入端的光功率，Pr为在输入端口接收 到的返回光功率。
回波损耗也与开关的状态有关。
经 典 实 用 光 开 关
2.3 隔离度
两个相隔输出端口以分贝数表示的光功率的比值
光开关
光开关是较为重要的光无源器件，在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。
光开关在光分/插复用(OADM)、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）中有着广泛的应用。
光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。
光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。
一、光开关与全光网络近几年，随着远程通信和计算机通信的飞速发展，特别是Internet/Intranet业务的爆炸式崛起，传统的基于电子领域的传输系统已难以满足日益增加的业务需要。
密集波分复用（DWDM）技术利用单模光纤的低损耗窗口，在一根光纤中同时传输多路波长载波，并采用掺铒光纤放大器（EDFA）来取代传统的光电中继系统。
不但在不增加光纤的基础上使容量成倍增加，还摆脱了由于光电转换过程中“电子瓶颈”所带来的单根光纤传输速率制约。
因而被认为是提高光纤通信容量的一种有效途径，如图1所示。
从图2中我们看到，光交叉连接器（OXC）和光上/下路复用器（OADM）是全光网络的关键。
OADM和OXC可以管理任意波长的信号，从而更充分地利用带宽。
而且，环状网络拓扑结构增强了WDM设备的可靠性以及数据的生存性。
光交叉连接矩阵是OXC的核心，它要求无阻塞、低延迟、宽带和高可靠性，并且要具有单向、双向和广播形式的功能，如图3所示。
而光开关又是光交换和光互连中最基本的器件，它的性能、价格将直接影响到OXC系统的商用化进程。
二、光开关概述目前，在光传送网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出。
不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合。
依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、磁光开关、热光开关、电光开关和声光开关。
依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。
机械式光开关：机械式光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。
mems光开关的控制
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System s，微机电系统）是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。
而MOEMS是 Micro-Opto-Electro- Mechanical Sy ST em的缩写，意为微光机电系统，把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。
微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。
随着光通信的快速发展，作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要。
光交换器件是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件，不存在光电转换。
MEMS光开关具备了低损耗和高稳定的优点，且与传输的数据速率和信号协议无关。
实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光直接送到或反射到光开关的不同输出端。
MEMS光开关是利用机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。
MEMS光开关响应速度和可靠性大大提高，插入损耗和串音低，偏振和波长相关损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能。
2 MEMS光开关控制原理2.1 MEMS光开关简介典型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。
二维MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。
微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接可平移梳妆电极。
转换状态通过调节梳妆电极使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。
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万方数据
９３８
中
国
激
光
关插入损耗的因素有多种，其中横向位置失调、输入 与输出端口纵向间距、角度失调是其关键。控制好 这些失调的制作容差，对于保证微电机械系统光开 关性能具有重要意义。
２微电机械系统光开关阵列结构
图１所示为４×４微电机械系统光开关阵列结 构示意图。按照４×４纵横交换网络，微镜排列成４ ×４列阵，４路输入与４路输出各排成一列，并互相 垂直。输入单模光纤中的光信号经输人准直透镜准 直，以４５。人射角射向微镜阵列，相应的微镜对光束 进行反射，最后折转９０。的光束经输出准直透镜耦 合至输出单模光纤。
利用带球透镜的单模光纤作为微电机械系统光
开关阵列的输入、输出端口，可以获得大的准直距 离，减小插入损耗。球透镜单模光纤准直器结构如 图３所示，它是将球透镜熔融连接在单模光纤端部 形成。输入／输出单模光纤中，只有基模高斯光束被 激励并约束传输。准直球透镜对高斯光束的变换仍 为高斯光束。从球透镜端面出射的高斯光束模场半 径为叫，，经过工作距离Ｄ的传输，到达束腰位置， 束腰半径为侧。，此后，高斯光束扩散传输。
摘要 微电机械系统（ＭＥＭｓ）光开关是微电机系统技术与传统光学技术相结合的新型机械式光开关。采用纵横
交换网络和通断型微镜实现４×４微电机械系统光开关阵列，利用球透镜单模光纤准直器作为微电机械系统光开
关阵列的输入、输出端口。运用高斯光束耦合理论对光开关阵列插入损耗（ＩＬ）进行了理论计算，并对引起插入损 耗的主要因素进行了分析。对于失调容限：输入与输出光纤准直器位置失调２肚ｍ，定位角度失调ｏ．１５。，微镜非垂
直反射角度失调ｏ．１５。，制作了４×４微电机械系统光开关阵列，对其各个通道的插入损耗进行了实验测试，其中最 大值为２．７７ ｄＢ。
关键词光通信；光开关；光动态器件；微电机械系统
中图分类号ＴＮ９２９．１
文献标识码 Ａ
４×４ Ｃｒｏｓｓｂａｒ Ｍｉｃｒ０一Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ
ＨＵ Ｑｉａｏ—ｙａｎｌ，ＹＵＡＮ Ｊｉｎ９２，ＬＩ Ｊｉｎ９１，ＬＩ Ｂａｏ＿ｊｕｎｌ
１ Ｓ￡口￡Ｐ ＫＰｙ Ｌｎ６０，‘。￡ｏｒｙ ｏ，Ｏ户￡ｏ已ｚＰｆ￡，＋ｏ以ｉｃ Ｍｎ￡Ｐｒｉｎｚ５口行ｄ Ｔ■ｃ＾”ｏｚｏｇｙ，Ｓ“行Ｙ砬￡一ＳＰ挖Ｌ７矗ｉ说ｒｓｉ￡ｙ，
Ｇ“口竹ｇｚ＾ｏ“，Ｇ“血竹ｇｄｏ竹ｇ ５ １０２７５，Ｃ＾ｉｎｎ ２ Ｓ￡口￡Ｐ ＫＰｙ Ｌｎ６０ｒｎ￡ｏｒｙ ｏ，ＬⅡｓＰｒ ＴＰｃ，ｚ心ｏＺｏｇｙ，Ｈ“ｎｚ＾ｏ行ｇ Ｕ行ｉｚ吧ｒｓｉ￡ｙ ｏ厂ＳｃｉＰ以ｃＰ ｎ＂ｄ Ｔ０ｆ＾＂ｏＺｏｇｙ，
Ｅ ｃ圳㈡一Ｅ。嵩ｅｘｐ㈦眨叫训＿ｒ２［赤＋ｉ志］），
（２）
此处忽略了时间因子ｅｘｐ（ｉ叫￡），其中Ｅ束腰中心处的振幅，叫。为
光纤准直器的束腰半径，，一为点（ｚ，ｙ，ｚ）到ｚ轴的距 离。且有
志一２丁ｃ／Ａ，
（３ａ）
扯）一ｔａｎ。１（急），
（３ｂ）
砜ｚ，一叫ｊ［ｔ＋（蠡）‘］， 溆，
ｍｉｒｍｒｓ ａｒｅ ａｒｒａｎｇｅｄ ｗｉｔｈ ｃｍｓｓｂａｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｈｌ卜ｌｅｎｓｅｄ ｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｌｌｉｎｌａｔｏｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ
ｍｔｒｉｘ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｒｔｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ（ＩＬ）ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ
２．０
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；７
∞１．２ 乏 ＿０．８
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／
．▲
Ｏ １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００
ｓ／ＬＬｍ
图５插入损耗与微镜间距的关系
Ｆｉｇ．５ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｌ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｒｒｌｏｎｇ ｍｉｃｒ。ｒｍｉｒｒｏｒｓ
微电机械系统光开关阵列制作过程以及光纤准 直器装配过程中都会引起一定的位置偏差和角度偏 差，致使插入损耗性能大大恶化。
Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｍｉｒｒｏｒ （ａ）“ｏｎ”ｓｔａｔｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｍｉｒｒｏｒ，（ｂ）“ｏｆｆ”ｓｔａｔｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ
微镜采用通断型动作，控制模块控制各个微镜 所加电压。如图２（ａ）所示，当微镜电极间不加电 压，则微镜翘起，不切入光路，光束直接通过，即“通” 状态。如图２（ｂ）所示，当微镜电极间加上电压时， 微梁带着微镜吸附在硅衬底上，微镜切人光路，对人 射光束反射，即“断”状态。
９３９
ｚ—ｚ ７ｃｏｓ口一ｚ７ｓｉｎ口＋Ｘｏ≈ｚ７一ｚ７ｓｉｎ口＋Ｘｏ，
（１ａ）
ｙ—ｙ’， ｚ—ｚ７ｃｏｓ口＋ｚ７ｓｉｎ口＋Ｚｏ≈ｚ７＋ｚ７ｓｉｎ口＋Ｚｏ，
（１ｂ） （１ｃ）
ｒ２一ｚ２＋ｙ２一（ｚ７ｃｏｓ口一ｚ７ｓｉｎ臼＋Ｘ。）２＋ｙ７ ２≈（ｚ７一ｚ７ｓｉｎ口＋Ｘ。）２＋ｙ。。
（１ｄ）
取光场矢量的ｚ分量进行分析，贝０光纤准直器输出光束在空间某点的光场为
．斗
３ ２
叩吡 ｌ
ｏｕｔｐｕｔ ｌ
２
３
４
图１ ４×４微电机械系统光开关阵列纵横光交换网络
Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓｂａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒ ４×４ ＭＥＭＳ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ ｓｗｉｔｃｈｅｓ
∥辞
（ａ）
（ｂ）
图２微镜结构与状态 （ａ）“通”状态，（ｂ）“断”状态
在微电机械系统光开关阵列设计中，微镜间距ｓ 是一个很重要的设计参量，需要考虑单个微镜本身的 物理尺寸，还涉及到输入、输出光功率耦合效率问题， 减小微镜间距ｓ的大小可以减小光开关阵列整体面
积，或增大其开关端口数。对于如图１所示的纵横交 换微电机械系统光开关阵列，图５所示为没有任何位 置和角度失调情况下输入端口４到输出端口４插入 损耗与微镜间距ｓ之间的关系，图中曲线在 ｓ一３５０ ｕｍ处有一个最小值，当微镜间距偏离该最小 值时，插入损耗均随之迅速增大。但考虑到微镜本身 物理尺寸难以达到该值，在实际光开关设计中选取微 镜间距ｓ一７００ ｕｍ，此时对应插入损耗为１．２０２ ｄＢ。
收稿日期：２００４一０３一０３；收到修改稿日期：２００４—１０一１８
基金项目：广东省自然科学基金（０４３００４３２）资助项目。
）
作者简介：胡巧燕（１９７４一），女，湖北人，中山大学光电材料与技术国家重点实验室博士后，主要从事光通信器件与微电
机械系统的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉａｏｙａｎｈｕ＠１６３．ｃｏｍ
图６为没有角度失调情况下，输入端口４到输 出端口４插入损耗与横向位置失调ｚ之间的关系。 随着横向位置失调增大，插入损耗也随之增加，特别 是当横向位置失调大于２肚ｍ后，插入损耗增加更 加迅速。
加工工艺技术，制作出微小而活动的机械系统，具有 结构紧凑、集成度高、矩阵规模大、便于批量生产的 特点；同时具有传统光学技术全面的光性能，如插损 低、串话小、偏振无关等，已逐渐成为实用化大型光 交叉连接采用的核心器件。
插入损耗是评价光开关阵列性能的一个重要参 数，同时直接限制了光开关阵列的规模。引起光开
第３２卷第７期 ２００５年７月
中国激光 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
文章编号：０２５８—７０２５（２００５）０７一０９３７一０５
Ｖ０１．３２，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２００５
４×４纵横交换微电机械系统光开关阵列
胡巧燕１，袁 菁２，李 静１， 李宝军１
／１中山大学光电材料与技术国家重点实验室，广东广州５１０２７５、 ＼２华中科技大学激光技术国家重点实验室，湖北武汉４３００７４／
煦，一ｚ［，＋（警）‘］。
ｃｓｄ，
根据模场耦合理论，输入与输出光纤准直器在ｚ方
向上的耦合效率为
２ 、，
孕一忑汪瓦三瓦＝＾
Ｅ＿：（ｚ，ｙ，ｚ）Ｉ：，一。Ｅｉ（ｚ７，ｙ７，ｚ７）Ｉ／：。ｄｚ７ｄｙ７，（４）
其中训…。和叫。～。分别为输入和输出光纤准直器
束腰半径。从输入准直器至输出准直器的传输系数
Ｔ及插入损耗Ｌ（单位：ｄＢ）分别为
图４光纤准直器耦合失调 Ｆ遍．４ Ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ
１）径向失调：输入、输出高斯光束的横向位移 Ｘ。主要由输入、输出光纤准直器横向位置失调以 及微镜对光束非垂直反射引起；
２）轴向失调：两个光纤准直器束腰的纵向间距 Ｚ。主要包括光纤准直器端面到束腰的距离，以及 输入、输出光纤准直器端面问的距离；
图３球透镜单模光纤准直器结构
Ｆｉｇ．３ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｍｏｄｅ ｂａｌｌ ｌｅｎｓｅｄ ｆｉｂｅｒ ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ
３高斯光束传输与耦合
根据模场耦合理论，两个完全相同的准直器相 互耦合，当二者束腰重合时，模场完全匹配，不会引 起耦合损耗。两个参数不同的准直器相互耦合，或 者两个准直器存在各种耦合失调时，会产生一定的 附加耦合损耗。实际工作中，通常存在三种耦合失 调［９｜，如图４所示。
ｓｗｉｔｃｈｅｓ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｔｓ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ觚ｓａｌｉｇ啪ｅｎｔｓ ｍａｉｎ ｏｒｉｇｉｎｓ，ｉ．ｅ． ｔｈｅ
ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｇｕｌａｒ ｒｎｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ， ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｂｍｅ ｕｓｅｆｕｌ
ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｒａｗｎ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｕｃｈ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ： ２肛ｍ ｏｆ ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ ｌａｔｅｒａｌ
Ｔ—ｌ孕Ｉ ２一孕叩［＊，
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Ｌ一一１０ｌｇ（丁），