用于微机电系统光子交换机的装置和方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求于2013年11月21日提交的题为"Device and Method for Micro-El ectr〇-Mechanical_Sy stem Photonic Switch (用于微机电 系统光子交换机的装置和方 法)"的美国非临时申请No. 14/086,794的权益，所述申请通过引用合并到本文中。
技术领域
[0002] 本发明涉及光子学，并且具体地涉及用于微机电系统(MEMS)光子交换机的装置和 方法。
【背景技术】
[0003] 一种类型的光子交换机是三维(3D)微机电系统(MEMS)光子交换机。MEMS光子交换 机具有优异的性能例如有实现高端口数的能力。此外，MEMS光子交换机具有优异的光学性 能例如低损耗、低偏振依赖性、高线性度和低噪音。另外，MEMS光子交换机具有优异的关断 状态性能例如高隔离度和低串扰。
[0004] 然而，MEMS光子交换机具有一些问题例如低交换速度、需要复杂的控制方法来驱 动，这些问题限制了MEMS光子交换机的广泛使用。当MEMS光子交换机按照级联配置例如按 照三级CL0S交换机方式被使用或被用于建立跨越光子交换网络来传输多个节点的路径时， 问题尤其严重。此外，控制方法可能留下由交换机引入的残余调制，其会干扰交换机的级 联。
【发明内容】
[0005] 实施方式的微机电系统(MEMS)光子交换机包括第一多个准直器，所述第一多个准 直器包括第一准直器，第一准直器被配置成接收具有通信波长的第一通信光束以及具有控 制波长的第一控制光束，其中第一准直器在通信波长处的第一焦距不同于第一准直器在控 制波长处的第二焦距。MEMS光子交换机还包括光耦合至所述第一多个准直器的第一镜阵 列，其中第一镜阵列包括集成在第一基板上的第一多个第一 MEMS镜以及集成在第一基板上 的第一多个第一光电二极管，其中光电二极管被设置在MEMS镜之间的填隙空间中。
[0006] 实施方式的将微机电系统(MEMS)光子交换机的第一镜与第二镜对准的方法包括 通过第一多个准直器中的第一准直器接收具有控制波长的第一光控制信号，以及通过第一 准直器接收具有通信波长的第一光通信信号。所述方法还包括通过第一镜阵列上的第一镜 反射第一光控制信号以产生第一光控制光束，以及通过第一镜反射第一光通信信号以产生 第一光通信光束。另外，所述方法包括通过位于第二镜阵列上的第一位置处的第一光电二 极管来检测第一光控制光束的第一控制光束斑的第一强度以产生第一检测光信号，其中第 二镜阵列包括第二镜，并且其中第一控制光束斑的第一直径大于第二镜阵列处第一光通信 光束的第一通信光束斑的第二直径。
[0007] 实施方式的控制系统包括:第一注入光信号模块，其被配置成将第一控制光信号 注入微机电系统(MEMS)光子交换机的第一多个准直器中的第一准直器，以经由第一镜反射 而在第一MEMS镜阵列上形成第一光束斑；以及镜采集控制单元，其被配置成耦接至MEMS光 子交换机，其中镜采集控制单元被配置成接收来自与第一镜相关联的第一多个填隙光电二 极管的第一多个信号，其中所述第一多个填隙光电二极管具有第一多个位置，其中镜采集 控制单元被配置成当第一光束斑居中在第一镜上时检测第一光束斑。所述控制系统还包括 耦接至镜采集控制单元的镜驱动器，其中镜驱动器被配置成耦接至MEMS光子交换机，并且 其中镜驱动器被配置成根据所述第一多个信号与所述第一多个位置来控制MEMS光子交换 机的第二MEMS镜阵列中的第二镜。
[0008] 前述内容相当宽泛地概括了本发明的实施方式的特征，以便本发明的如下详细描 述可以被更好地理解。在下文中将描述本发明的实施方式的另外的特征和优点，这些特征 和优点形成了本发明的权利要求书的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的构思和具 体实施方式可以容易地被用作修改或设计用于实施本发明的相同目的的其他结构或过程 的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同构造未脱离本发明的按照在所附权利 要求书中提出的精神和范围。
【附图说明】
[0009] 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，在附图 中：
[00?0]图1不出了实施方式的微机电系统(MEMS)光子交换机；
[0011]图2示出了实施方式的MEMS镜结构；
[0012]图3示出了实施方式的用于MEMS镜的常平架；
[0013] 图4示出了另一实施方式的MEMS镜结构；
[0014] 图5示出了实施方式的MEMS镜阵列上的光束斑；
[0015] 图6示出了实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜阵列；
[0016] 图7示出了另一实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜阵列；
[0017] 图8示出了另外的实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜阵列；
[0018]图9示出了实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS模块；
[0019] 图10示出了消色差透镜的准直光束射线图；
[0020] 图11示出了与在通信波长处相比在控制波长处具有较长的有效焦距的透镜的准 直光束射线图；
[0021] 图12示出了与在通信波长处相比在控制波长处具有较短的有效焦距的透镜的准 直光束射线图；
[0022] 图13示出了实施方式的具有消色差准直器的MEMS模块；
[0023] 图14示出了实施方式的与在通信波长处相比在控制波长处具有较长的有效焦距 的MEMS模块；
[0024] 图15示出了具有光电二极管的MEMS镜上的居中的控制光束和通信光束的图；
[0025] 图16示出了具有光电二极管的MEMS镜上的偏移的控制光束和通信光束的图；
[0026] 图17示出了另一实施方式的与在通信波长处相比在控制波长处具有较短的有效 焦距的MEMS模块；
[0027]图18示出了具有填隙光电二极管的MEMS镜上的居中的控制光束和通信光束的图；
[0028]图19示出了具有填隙光电二极管的MEMS镜上的偏移的控制光束和通信光束的图； [0029]图20示出了另外的实施方式的具有色变焦距准直透镜的MEMS模块；
[0030] 图21示出了具有填隙光电二极管的MEMS镜上的居中的控制光束和通信光束的图；
[0031] 图22示出了具有填隙光电二极管的MEMS镜上的居中的控制光束和通信光束的图；
[0032] 图23示出了实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜单元；
[0033] 图24示出了实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜阵列；
[0034]图25示出了另一实施方式的具有填隙光电二极管的MEMS镜阵列；
[0035]图26示出了实施方式的MEMS模块；
[0036]图27示出了实施方式的透镜；
[0037]图28示出了实施方式的复合透镜的射线追迹模型；
[0038]图29示出了实施方式的用于具有填隙光电二极管和扩展控制光束的MEMS镜阵列 的控制系统；
[0039]图30示出了实施方式的具有填隙光电二极管和扩展控制光束的MEMS镜阵列上的 光束斑；以及
[0040] 图31示出了实施方式的用于控制具有填隙光电二极管和扩展控制光束的MEMS镜 阵列的方法的流程图。
[0041] 除非另外指出，否则不同附图中对应的附图标记通常指代对应的部分。绘制附图 以清楚地说明实施方式的相关方面，并且不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
[0042]自始应当理解，尽管下面提供了一种或更多种实施方式的示意性实现，但是还可 以使用任意多种技术一一无论当前是否已知或是否存在一一来实现所公开的系统和/或方 法。本公开内容决不应当局限于下面示出的示意性实现、附图和技术一一包括本文所示出 和描述的示例性设计和实现，并且可以在所附权利要求的范围及所附权利要求的等同物的 完整范围内进行修改。
[0043]在实施方式中，在微机电系统(MEMS)光子交换机中的镜之间的MEMS基板上填隙地 布置有光电二极管。控制波长处的光束通过光子交换机双向传播，仅照射相对基板上的光 电二极管。在输入端和输出端处的准直器阵列中的准直器在控制波长和通信波长处具有不 同的焦距，以使得在控制波长处第二MEMS镜阵列上的光束斑大于通信波长处的光束斑。这 通过使用在控制波长和通信波长处具有不同折射率的准直器来完成。控制光束以通信光束 为中心并且与通信光束共轴。因此，当镜被对准时，填隙光电二极管被控制光束照射但是不 被通信光束照射。
[0044] 三维（3D)MEMS光子交换机可以使用一个或两个可操纵镜阵列以在准直器阵列之 间形成可切换的光路。当使用一个镜阵列时，该镜阵列被布置成与静态的平面或近似平面 的后向反射镜相对。在该示例中，控制波长通过光子交换机双向传播，仅照射在每个控制载 波路径上遇到的第二镜周围的光电二极管。
[0045] 图1示出了MEMS光子交换机100,其是具有两个可操纵镜阵列的三维(3D)MEMS光子 交换机。MEMS光子交换机100包括镜阵列104和镜阵列106。光例如从光纤经由准直器阵列 102进入，并且打到镜阵列104中的镜上。沿两个面调整镜阵列104中的镜的角度以使光打到 镜阵列106中的合适的镜上。镜阵列106中的镜与准直器阵列108中的特定输出端口相关联。 此外，沿两个面调整镜阵列106中的镜的角度以使其耦合至合适的输出端口。然后，光沿着 准直器阵列108中的准直器射出例如耦合至光纤。类似地，光进入准直器阵列108,经由镜阵 列106中的镜反射，再经由镜阵列104中的镜反射，然后通过准直器阵列102射出。
[0046]镜阵列具有可操纵的3D-MEMS镜(在此被称为MEMS镜）的阵列，其反射由相关联的 准直器投射到其上的光束。然后，所反射的光束在相对镜阵列上的相对镜上被反射。因此，N XN MEMS光子交换机模块包括N个输入镜，上述N个输入镜中的每一个可以访问相对镜阵列 上的N个镜中的任一个，相对镜阵列上的N个镜中的每一个也可以访问上述N个输入镜中的 任一个。这使得镜数随着交换机的端口数线性地增长，对于N X N交换机使用2N个可操纵镜。 对于构建光子交换机的许多其他方法，镜数或交叉点数随着端口计数的平方增长。因此， MEMS光子交换机能够扩展至很大的端口数，而一些其他方法受限于镜数或交叉点数。然而， 随着MEMS光子交换机中的端口数的增长，镜之间的合适的最小光路长度和/或合适的最大 镜偏转角度增大。
[0047] MEMS光子交换机100中的MEMS镜按照改进的硅晶片工艺来制造。图2示出了