一种MEMS光开关的制作方法

本发明涉及一种光开关，尤其涉及一种基于mems技术的光开关。

背景技术：

光开关是光通信网络中的基础光器件，主要应用在光信号倒换保护、光网络监视、光器件测试、光交叉连接等领域。实现光开关的技术主要有电光晶体、电机、mems(微型机电系统)等。其中，基于电光晶体技术的光开关具有微秒级别的响应速度，但对环境温度、输入光信号偏振态等参数敏感，且成本较高，未能实现大规模的产业化应用。基于电机技术的mems光开关对环境温度、输入光偏振态等参数都不敏感，且性能稳定，缺点就是封装尺寸较大，不能满足光器件小型化的发展要求，限制了其进一步的推广应用。基于mems技术的光开关，具备基于电机技术光开关的性能优点，更具有小尺寸的显著优点，已成为光开关产品中的主流实现技术。

目前，基于mems技术的光开关基本都采用光纤二维阵列匹配二维mems芯片的设计，原理光路如图1至图3所示：二维光纤阵列是现有二维光纤阵列的圆形封装结构1或现有二维光纤阵列的方形封装结构2，作为光信号的输入和输出端，现有准直透镜3将输入光信号耦合至二维旋转mems反射镜4，通过二维旋转mems反射镜4，再经现有准直透镜3传输，可选择光信号至任意输出端口。为减小mems反射镜转角的要求，二维光纤阵列一般采用腐蚀光纤。封装腐蚀光纤的玻璃管有方形和圆形，分别如图2和图3所示。此种设计的mems光开关具有尺寸小、性能优等显著特点，但也存在以下几个问题：

1.二维光纤阵列采用穿插的封装方式，易造成光纤的折断，且其采用的是包层直径更小的腐蚀光纤，更易折断。

2.二维光纤阵列的穿插封装形式，易发生光纤的旋转，难以实现阵列光纤的同方向封装，会增加光开关的耦合损耗，也不能用于制作保偏光开关。

3.需匹配二维mems旋转微镜，会增加mems反射镜的制作工艺难度。

上述问题均较大地影响了mems光开关的生产效率和成本，限制了mems光开关市场领域的进一步推广。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：为克服现有mems光开关的技术不足，在现有二维光纤阵列匹配二维mems反射镜的基础上，提供一种一维光纤阵列匹配一维mems反射镜的方案。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的mems光开关，包括光纤、基于v形槽的一维光纤阵列、高折射率优化透镜、一维mems反射镜、保偏光纤和基于v形槽的二维光纤阵列，其中：将光纤压入v形槽，组成基于v形槽的一维光纤阵列，作为mems光开关的输入输出端口；从输入端口进入的光信号通过高折射率优化透镜，耦合至一维mems反射镜上面，一维mems反射镜发生一维旋转，从任意输出端口传输光信号，实现光信号的切换；将保偏光纤沿着相同的保偏方向逐一压入v形槽，可实现mems保偏光开关。

将多个基于v形槽的一维光纤阵列粘接在一起，扩展成基于v形槽的二维光纤阵列，用于制作更高端口数目的mems光开关。

输入光信号从一维光纤阵列的其中一路输入，经优化透镜耦合至一维mems微反射镜，后者在一维方向旋转，将输出光信号从指定的光纤输出，完成光信号的切换。

基于v形槽的一维光纤阵列可实现保偏光纤的方向对准，具体为：利用ccd/和显微镜等辅助放大设备，观察保偏光纤的配置方向，通过旋转各保偏光纤的配置方向，将所有光纤的偏振配置方向调试一致，用于保偏光开关的输入和输出端口。

在不改变光学系统其它参数的前提下，增加高折射率优化透镜的曲率半径，以有效降低光学系统的整体像差，提高光学系统的耦合效率。

通过粘接v形槽，实现基于v形槽的二维光纤阵列，匹配二维mems反射镜。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.现有mems光开关的输入和输出端口采用光纤束穿插进玻璃管的封装形式，易造成光纤的损伤和角度失配，不利于提升光开关的性能指标和扩展端口数目，本发明提出的光开关采用一维光纤阵列作为光开关的输入和输出端口，光纤阵列基于成熟的v形槽封装工艺，不会产生光纤损伤和角度失配，生产成品率会有较大提升。

2.现有mems光开关的的输入输出端口光纤不能精确控制旋转方向，不能保证所有输入输出光纤方向的一致性，无法实现保偏光开关的制作，本发明提出的光开关，输入输出光纤阵列基于v形槽的封装工艺，可精确控制光纤的旋转方向，确保输入输出光纤方向的一致性，实现保偏光开关的制作。

3.现有mems光开关的芯片采用的是二维旋转mems反射镜，相对难度更高，工艺较复杂，本发明提出的mems光开关采用一维mems反射镜作为光路切换元件，可降低mems反射镜的设计和加工工艺难度，有利于mems反射镜的成品率提升和成本降低。

4.现有mems光开关的耦合透镜采用常规玻璃透镜，折射率较低，光路有效耦合的尺寸较小，难以实现更高端口数目的光开关，本发明提出的光开关耦合透镜基于高折射率材料，在相同的耦合尺寸下，光学系统像差更小，耦合效率更高，有利于制作更高端口数目的光开关。

总之，本发明提出的一维光纤阵列匹配一维mems反射镜的技术方案，弥补了现有mems光开关的技术缺陷和不足，有助于mems光开关市场领域的进一步推广。

附图说明

图1为现有mems光开关的原理光路图。

图2为二维光纤阵列的圆形封装结构示意图。

图3为二维光纤阵列的方形封装结构示意图。

图4为本发明提出的mems光开关的原理光路图。

图5为基于v形槽的一维光纤阵列示意图。

图6为保偏光开关的光纤方向配置示意图。

图7为现有透镜的输出光斑形状。

图8为高折射率优化透镜的输出光斑形状。

图9为基于v形槽的二维扩展光纤阵列示意图。

图中：1.现有二维光纤阵列的圆形封装结构；2.现有二维光纤阵列的方形封装结构；3.现有准直透镜；4.二维旋转mems反射镜；5.光纤；6.基于v形槽的一维光纤阵列；7.高折射率优化透镜；8.一维mems反射镜；9.v形槽；10.保偏光纤；11.基于v形槽的二维光纤阵列。

具体实施方式

一维光纤阵列采用现有成熟的v形槽封装工艺，可采用标准光纤，也可采用腐蚀光纤。相对二维光纤阵列，对相同的光开关输出端口数目而言，一维光纤阵列要求更大的光切换距离，会引入更大的光学像差，从而增大耦合损耗。针对该问题，本发明提出了一种基于高折射率材料的透镜，在满足相同透镜焦距的前提下，高折射率材料对应的曲率半径更大，像差更小，可达到理想的耦合效率。

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限于本发明。

本发明提供的一种mems光开关，其结构如图4至图6所示，包括光纤5、基于v形槽的一维光纤阵列6、高折射率优化透镜7、一维mems反射镜8、保偏光纤10和基于v形槽的二维光纤阵列11，其中：将光纤5压入v形槽，组成基于v形槽的一维光纤阵列6，作为mems光开关的输入输出端口；从输入端口进入的光信号通过高折射率优化透镜7，耦合至一维mems反射镜8上面，一维mems反射镜8发生一维旋转，从任意输出端口传输光信号，实现光信号的切换；将保偏光纤10沿着相同的保偏方向逐一压入v形槽，可实现mems保偏光开关；将基于v形槽的一维光纤阵列6粘接在一起，可扩展成基于v形槽的二维光纤阵列11，用于制作更高端口数目的mems光开关。

所述基于v形槽的一维光纤阵列6作为光开关的输入和输出端口，高折射率优化透镜7作为光束准直耦合元件，一维mems反射镜8作为光路的切换元件，原理结构如图4所示。输入光信号从一维光纤阵列6的其中一路输入，经优化透镜7耦合至一维mems微反射镜8，后者在一维方向旋转，将输出光信号从指定的光纤输出，完成光信号的切换。如图5所示，基于v形槽的一维光纤阵列6是光器件行业中的基础产品，制作工艺非常成熟，且价格低廉。

传统的光开关采用的是玻璃管穿插式封装，在封装的过程中，易发生光纤的旋转，难以制作保偏光开关。基于v形槽的一维光纤阵列6可实现保偏光纤10的方向对准，如图6所示，利用ccd/和显微镜等辅助放大设备，可观察保偏光纤10的配置方向，通过旋转各保偏光纤的配置方向，可将所有光纤的偏振配置方向调试一致，用于保偏光开关的输入和输出端口。图6所示的保偏方向仅为示意，实际可根据需要，将保偏方向旋转至任意方向。

所述一维mems反射镜8区别于传统光开关所采用的二维mems反射镜4，结构设计相对简单，制作工艺流程也相对简便，有利于降低成本，其驱动原理可采用静电式、热电式等任意实现方式。

为优化光开关切换角度过大而引入的像差，本发明提出了一种基于高折射率材料的优化透镜7。对光开关而言，像差的来源主要是轴外球差和慧差，而轴外球差和慧差的产生原因主要是曲率半径过小和轴外光路高度过大。当光开关的端口数目确定时，轴外光路高度和透镜焦距也就确定了，要想优化透镜像差，可通过选用高折射率优化透镜7，在不改变其他参数的前提下，可增加曲率半径，有效地降低了光学系统的整体像差。图7是传统光开关透镜引入的耦合输出光斑，存在较大的光斑畸变，图8是采用高折射率材料优化透镜7引入的耦合输出光斑，光斑可达到理想的形状，实现较高效率的光耦合输出。

本发明提出的基于v形槽的光纤阵列，也可通过粘接v形槽9，实现基于v形槽的二维光纤阵列11，匹配二维mems反射镜4。此设计可实现更加稳定的、更高端口数目的光开关，有利于光开关器件在光交叉互连网络中的推广应用。

本发明提供的一种mems光开关，其工作过程是：基于v形槽的一维光纤阵列6作为光开关的输入输出端口，通过旋转一维mems反射镜8，将输入光信号从任意指定输出端口输出，实现光信号的切换；通过旋转v形槽中的保偏光纤方向，使所有光纤的保偏方向一致，可用于制作mems保偏光开关；通过采用高折射优化透镜7，可以有效地降低耦合损耗，提升光开关整体指标；通过粘接基于v形槽的一维光纤阵列6，制作基于v形槽的二维光纤阵列11，可实现端口数目的二维扩展，实现更高端口数目的光开关。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内，可以在形式上和细节上做出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。