用于微机电系统光开关的设备和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案交叉申请
[0002] 本发明申请要求于2013年8月12日递交的发明名称为"用于微机电系统光开关 的设备和方法"的第13/964,437号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容 以引入的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及光子学，尤其涉及一种用于微机电系统（简称MEMS)光开关的设备和 方法。
【背景技术】
[0004] -种光开关为三维（简称3D)微机电系统（简称MEMS)光开关。MEMS光开关具有 良好属性，例如能够支持大量的端口。同时，MEMS光开关具有良好的光属性，例如低损耗、 低极化依赖性、高线性以及低噪声。此外，MEMS光开关具有良好的关态属性，例如高隔离度 以及低串扰。
[0005] 然而，MEMS光开关也存在一些问题限制了其广泛使用，例如切换速度慢以及由复 杂控制方法驱动。当MEMS光开关在级联配置中使用时，例如在三级CL0S开关中，或在建立 由跨光子交换网络的多个节点组成的通路时，这个问题特别突出。同时，控制方法可能会遗 留所述开关引进的残余调制，从而干扰开关的级联。
【发明内容】
[0006] 在一实施例中，微机电系统（简称MEMS)光开关包括第一组准直器；第一微镜阵 列，光耦合至所述第一组准直器。所述第一微镜阵列包括第一基板上集成的第一组第一 MEMS微镜和所述第一基板上集成的第一组第一光电二极管，其中，所述光电二极管设置于 所述MEMS微镜之间的间隙空间内。
[0007] 在一实施例中，用于校准微机电系统（简称MEMS)光开关第一微镜和第二微镜的 方法包括：第一组准直器的第一准直器接收第一控制光信号，以及第一微镜阵列的第一微 镜反射所述第一控制光信号以生成第一控制光束。所述方法还包括：在第二微镜阵列上具 有第一位置的第一光电二极管检测所述第一控制光束的第一光束点，以生成第一检测光信 号，其中，所述第二微镜阵列包括第二微镜。
[0008] 在一实施例中，控制系统包括：微镜获取控制单元，用于耦合至微机电系统（简称 MEMS)光开关，其中，所述微镜获取控制单元用于从在所述MEMS光开关的第一MEMS微镜阵 列上具有第一组位置的第一组间隙光电二极管接收第一组信号；耦合至所述微镜获取控制 单元的微镜驱动器，其中，所述微镜驱动器用于耦合至所述MEMS光开关，所述微镜驱动器 用于根据所述第一组信号和所述第一组位置，控制所述MEMS光开关的第二MEMS微镜阵列 的第一微镜。
[0009] 上述大体上概述了本发明实施例的特征，以便能够更好理解以下本发明的详细描 述。下面将描述本发明实施例中构成本发明权利要求主体的其他特征和优点。本领域的技 术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例易被用作修改或设计其他实现与本发明相同 的目的的结构或过程的基础。本领域的技术人员还应当意识到，这种等同构造不脱离所附 权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0010] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
[0011] 图1不出了一实施例中的微机电系统（简称MEMS)光开关；
[0012] 图2示出了 一实施例中的MEMS微镜结构；
[0013] 图3a_b示出了一实施例中的MEMS微镜的万向支架；
[0014] 图4示出了另一实施例中的MEMS微镜结构；
[0015] 图5示出了 一实施例中的MEMS微镜阵列上的光束点；
[0016] 图6A和图6B示出了MEMS光开关的驱动信号、输出调制以及光束位置；
[0017] 图7示出了一实施例中的用于校准MEMS微镜的方法流程图；
[0018] 图8示出了另一实施例中的用于校准MEMS微镜的方法流程图；
[0019] 图9示出了另一实施例中的用于校准MEMS微镜的方法流程图；
[0020] 图10示出了一实施例中的用于校准MEMS微镜的控制系统；
[0021] 图11不出了一实施例中的具有间隙光电二极管的MEMS微镜阵列；
[0022] 图12示出了另一实施例中的具有间隙光电二极管的MEMS微镜阵列；
[0023] 图13示出了一实施例中的具有间隙光电二极管的MEMS微镜阵列的MEMS光开关 系统；
[0024] 图14示出了一实施例中的具有间隙光电二极管的MEMS微镜阵列上的光束点；
[0025] 图15示出了一实施例中的用于校准具有间隙光电二极管的MEMS微镜的控制系 统；
[0026] 图16示出了另一实施例中的用于校准具有间隙光电二极管的MEMS微镜的控制系 统；
[0027] 图17示出了一实施例中的用于校准具有间隙光电二极管的MEMS微镜的方法流程 图。
[0028] 除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是 为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
【具体实施方式】
[0029] 首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系 统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明 决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性 设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。
[0030] 在一实施例中，光电二极管间隙地置于MEMS光开关中微镜间的微机电系统（简称 MEMS)基板上。在建立阶段时使用所述光电二极管，以便以高精度检测对侧基板上初始光束 落点来校准微镜，以便直接进行矢量计算以确保正确指向。可以采用抖动技术来进一步校 准微镜。具有控制波长的光束经过光开关在两个方向传播，仅照射了对侧基板上的光电二 极管。因此，相对的两块微镜可以同时进行独立的校准。
[0031] 三维（简称3D)MEMS光开关可以采用一个或两个可调控微镜阵列，以形成准直器 阵列间可切换的光路。当采用一个微镜阵列时，将微镜阵列设置在静止平面的对面或邻近 于平面逆反射微镜。在该示例中，控制波长通过光开关在两个方向传播，仅照射了每条控制 载波路径上出现的第二微镜周围的光电二极管。
[0032] 图1示出了MEMS光开关100,具有两个可调控微镜阵列的三维（简称3D)MEMS光 开关。MEMS光开关100包括微镜阵列104和106。光线经过准直器阵列102,例如从光纤进 入，然后投射到微镜阵列104的微镜上。以两个平面所成的角度调整微镜阵列104的微镜， 以使光线投射到微镜阵列106的合适微镜上。微镜阵列106的微镜与准直器阵列108的特 定输出端口相关联。同时，以两个平面所成的角度调整微镜阵列106的微镜，以耦合至合适 输出端口。然后，光线从准直器阵列108的准直器离开，例如耦合至的光纤。同样，光线进 入准直器阵列108,被微镜阵列106的微镜反射，被微镜阵列104的微镜反射，然后从准直器 阵列102离开。
[0033] 微镜阵列具有可调控3D-MEMS微镜（简称MEMS微镜）阵列，该微镜阵列会通过相 关联的准直器反射投射至自己的光束。然后，反射的光束会反射至对侧微镜阵列的对侧微 镜上。因此，一个NxNMEMS光开关模块包括N个输入微镜，每块微镜能够接入对侧微镜阵列 的N块微镜中任意一个，反之亦然。这使得微镜总数随着开关的端口总数变化而线性增长， 从而一个NxN开关可采用2N块可调控微镜。在许多其他建立光开关的方法中，微镜总数或 交叉点总数随着端口总数的平方而增长。因此，MEMS光开关能够缩放至较大端口总数，而 一些其他方法则受限于微镜总数或交叉点总数。然而，随着MEMS光开关中端口总数增长， 微镜之间的光路长度和/或最大微镜偏转角度会增加。
[0034] MEMS光开关100中的MEMS微镜是在改进的硅片过程中制造的。图2示出了MEMS 微镜结构110的示例，该结构的直径可以为大约550μm至大约2. 5mm，例如大约1mm。MEMS 微镜结构110包括悬挂在轴承114和116的两个轴上的微镜112,使微镜随轴承的扭簧作用 而倾斜，以试图将微镜112保持在特定位置。微镜112,1_大小的微镜，下面大约80μm至 100μm处为3个或4个分离的板极偏转电极。当采用4个电极时，每个电极与一微镜象限 相关联。当电极上施加电压时，微镜112通过静电吸附被该电极所吸引，随着硅质扭簧的弹 性作用而扭转。通过调整一个或多个电极上施加的驱动电压，可以在角度方向和大小上控 制该偏转。驱动电压可以高达几百伏特，微镜偏转出平面最大5-7度，光束偏离静止状态最 大10-14度，或峰至峰光束偏离20-28度。
[0035] 图3a示出了万向支架120,图3b示出了万向支架122,可以用作轴承114或轴承 116的万向支架的两个示例。万向支架120和万向支架122可以由硅质扭簧制成，以试图将 微镜返回至其平面位置。随着微镜的移动，与渐增的弹簧张力相对的驱动电压的引力决定 了微镜的最终指向角度。
[0036] 图4示出了微镜结构130,该结构包括由具有y向旋转轴和X向旋转轴的万向支架 环131支撑的可移动平衡微镜132。X轴上的移动是由作为转轴的弹簧135和137带动的， y轴上的移动是由作为正交坐标轴上转轴的弹簧134和136带动的。
[0037] 通过采用电极138、139、140以及141，沿着弹簧135和137之间以及弹簧134和 136之间形成的这两个轴来调整微镜的偏转角度。将驱动电压施加至电极138会导致微镜 被该电极所吸引，使得微镜随着扭簧135和137的弹性作用而扭转，直至电极的引力被弹簧 的扭力所平衡，从而使微镜向X负方向偏转。同样，分别施加至电极139、140以及141的驱 动电压能够产生y负方向、X正方向或者y正方向偏转。该引力与微镜和电极之间的电位 差成正比。因此，对于地电位微镜，微镜驱动电压的电极性微不足道，且相对的两个电极并 非有差异地进行驱动。然而，能够驱动X轴上的电极之一以及y轴上的电极之一以产生包 含任何X向和y向分量的偏转角度。通过合适的X向和y向电极驱动电压，微镜能够指向 "四面八方"。
[0038] 通过分析输出光线，可以控制MEMS光开关中的微镜校准。在输出端口接收到来自 输入端口的至少一些光线之前，无法检测到光线，因此，校准也无法得到优化。因此，最需要 的是建立初始盲连接，以便输出端口获得一些光线。通过涉及需产生特定偏转角度的偏转 电压预测量的复杂方法以及被称为进动的循环搜寻方法，可以实现上述过程。这些数值都 保存起来以便今后参考和使用。在MEMS阵列/模块制造过程中或者设备现场调试时，每个 阵列中的每块MEMS微镜都通过反复试验的方法链接至对侧阵列中的每块微镜。在形成连 接之前，X向和y向驱动电压都围绕预期驱动电压而逐步增大。然后，保存用于将每块微镜 连接至对侧微镜阵列每块微镜的X向和y向驱动电压。这项活动非常耗时，并且会产生大 量的值表。因此，通过采用模拟驱动和模拟角度偏转系统，在初始制造或调试建立中采用驱 动电压以链接阵列中的其他所有微镜。在制造测试时或者作为调试过程的一部分，通过此 方式，可以创建一张具有用于将一个微镜阵列的每块微镜与对侧微镜阵列的每块微镜校准 的驱动电压的详细查找表，并保存至存储器中。或者，当极为一致的微镜偏转灵敏度与复杂 的精度计算算法相结合时，可直接计算出初始驱动电压近似值。
[0039] 一旦微镜对连通性已经大致校准后，使得光线通过输入端口至输出端口