互联网应用的快速发展推动了基于roadm技术的智能光网络的建设,新一代的cdc(无色、无方向性和无竞争)roadm,其主流技术方案是1×n端口wss (波长选择开关)+ n×m端口wss,或者1×n端口wss+n×m端口mcs(多播开关),如图1所示。基于成本考量,后者即1×n端口wss+n×m端口mcs更受电信运营商和设备制造商欢迎。因此随着基于roadm的智能光网络的发展,市场对mcs光开关的需求增长迅猛,特别是当roadm技术由骨干网下沉至城域网时。
图1． 基于1×n端口wss + n×m端口wss或者1×n端口wss+n×m端口mcs的cdc roadm节点
8×16端口mcs光开关的结构如图2所示,它包括8个1×16端口的plc光分路器和16个8×1端口的光开关,光分路器通常以plc技术制备,而1×n端口光开关通常采用mems技术。最常用的是1×8和1×16端口光开关。
图2． 8×16端口mcs光开关结构(ps:光分路器,sw:光开关)
基于mems技术的1×n端口光开关,其结构如图3所示,它包括一个mems微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。mems微镜通常贴装在一个to管座上,然后通过to管帽将准直透镜与to管座组装成一个组件,最后在有源调试状态下,将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。
图3． 基于mems技术的1×n端口光开关结构
图3中的器件结构非常简单,然而,要制作一个大端口数、低损耗的1×n端口光开关并不容易。最大损耗发生在离轴距离最远(δmax)的端口处,该端口受离轴像差的影响最大。随着光学系统的相对孔径δmax/f(f为准直透镜的焦距)增加,光学像差劣化。增加焦距f有助于减小像差,但长焦距会增加入射在mems微镜上的准直光斑直径,如是(1)
其中ω0为光纤中的光斑半径,ωc为微镜上的光斑半径。
准直光斑的尺寸受限于mems微镜直径ф,为了保证覆盖到准直光斑能量的99%,要求ф>3ωc。然而,由于mems技术本身的限制,微镜的直径ф与最大偏转角度θmax存在相互制约关系,比如一个典型的mems微镜参数为ф=1mm、θmax=±4°。镜面直径ф越大则最大偏角θmax=δmax/f越小,从而反过来限制了光开关的端口数。因此我们知道,增加准直透镜的焦距f并不能提高光开关的端口数n。
考虑到上述困境,有三个途径可提高光开关的端口数,其一是改变多纤插针中的光纤排列方式,如图4所示,左图只需要单轴mems微镜,但端口数少一些;右图可以得到更多的端口数,但需要双轴mems微镜。一个双轴mems微镜的价格比单轴微镜贵得多。
图4． 多纤插针中的光纤排列方式
增加光开关端口数的第二个途径是减小光纤直径。我们知道,典型单模光纤的包层直径是125μm,通常以化学腐蚀工艺来减小光纤直径。腐蚀之后的光纤直径通常为60～80μm,但仍然不够小,因此光开关的端口数受限为n≤16。另外,腐蚀工艺的控制并不容易,这会增加多纤插针的成本。
增加光开关端口数的第三个途径是选用一个像差较小的准直透镜,非球面或者自聚焦透镜的性能,都会比c-lens好一些。
随着运营商转型和用户需求对网络灵活性要求的增加, 基于wss+mcs的roadm技术实现方式,将成为城域网建设中的理想解决方案。而1×n mems光开关是mcs中的重要组成部分。
基于现有业务的需求以及面向未来网络发展的需求,亿源通推出了一系列自主研发的mems技术产品, 包括1×48通道的光开关。1×48 mems光开关是基于mems(微机电系统)技术和自由空间平台,具有体积小、延迟低、高效切换等特性,可广泛应用于光线路监控、oadm和测量仪器系统中。
图5． 1×48通道的光开关
关于亿源通
亿源通是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的国家级高新技术企业。公司主营产品为:光纤连接器(数据中心高密度光连接器),wdm波分复用器,plc光分路器,mems光开关等四大核心光无源基础器件,广泛应用于光纤到户、4g/5g移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。

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