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北京邮电大学硕上学位论文 m e m s 可调激光器和光开关的研究 摘要 m e m s ( m i c r o e l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统) 技术 日趋成熟，其光学透明性强，体积小，集成性强和便于大规模生产等 特点都使其在光通信领域有着很大的发展潜力。本文分别对基于m e m s 技术的可调激光器和光开关，进行新的设计和改进，使之更好地与目 前的光通信系统结合。 通过分析m e m s 可调激光器的原理，联系目前m e m s 可调激光器设 计和实验，总结了影响连续可调谐的原因。通过对跳模原理的分析， 得到了利用跳模来实现0 8 r i m 跳模间隔的可调激光器的设计参数，使 其应用到w d m 系统中基于传统的光栅选模，提出了一种新的后腔镜 结构，进行了理论推导求出后腔镜的轨迹，并进行具体数值计算，确 定了光栅周期、器件间距离等具体光学设计参数，可以实现至少在光 通信c 波段范围1 5 2 5 d 5 6 5 n m 范围内连续可调谐，并且可以扩展到s 和l 波段。该结构把转动调谐转化为平动调谐，加强了调谐的可靠性， 位移对波长的调谐精度为0 7 z m n m ，具有非常高的调谐的稳定性。 通过分析影响m e m s 光开关插入损耗的原因，抓住了目前研究中制约 m e m s 关开关发展的架构问题，通过归纳推导，提出了两种新的4 4 开关的架构，仅使用5 个开关单元实现4 4 开关功能，理论上插入 损耗降至1 8 d b 以下，具有很高的通道均衡性，响应速度在4 3 9 s 左 右，并进行拓展性研究，给出了两种8 8 的拓展开关架构。 关键词：m e m s 、可调激光器、跳模、连续可调谐、光开关、开关架构 北京邮电人学硕一f j 学位论义 r e s e a r c ho n m st u n a b l el a s e r a n do p t i c a ls 厂i t c h a bs t r a c t a sm e m s ( m i c r o e l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ) b e c o m e sam a t u r e t e c h n o l o g y , i t ss t r e n g t h so fo p t i c a lt r a n s p a r e n c y , s m a l ls t r u c t u r e ，e a s y i n t e g r a t i n ga n ds i m p l em a n u f a c t u r i n gm a k ei t s e l fal a r g ep o t e n t i a l i n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t w oo ft h em o s ti m p o r t a n to p t i c a l d e v i c e s ，t u n a b l el a s e ra n do p t i c a ls w i t c h ，a r ea n a l y z e da n di m p r o v e d b a s e do nm e l s t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw d ms y s t e m b yr e v i s i n gt h ep r i n c i p l eo ft u n a b l el a s e r t h ef a c t o r st h a tp r e v e n t l a s e rf r o mc o n t i n u o u s l yt u n i n ga r es u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t s o ft h e1 a t e s tr e s e a r c h e s 0 8 n mm o d e - h o p p i n gt u n a b l el a s e ri sa n a l y z e d ， a n dp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e dt oa p p l yt h el a s e ri nw d ms y s t e m an e w d e s i g no f m i r r o ri sc a l c u l a t e d ，w h i c hc a np r o v i d et u n i n gr a n g eo fcb a n d ， 1 5 2 5 n mt o1 5 6 5 n m ，a n dc a na l s ob ed e v e l o p e dt osa n dlb a n d s t r a n s l a t i o nt a k e st h e p l a c e o fr o t a t i o nt or e a l i z et u n i n g ，w i t h a d i s p l a c e m e n t w a v e l e n g t hr e s o l u t i o no f 玖7 p m n m ，e n h a n c i n gt h et u n i n g s t a b i l i t y a f t e rs t u d y i n gt h el a t e s ts t u d yo ns w i t c ha r c h i t e c t u r e s ，n e w a r c h i t e c t u r e so f4 4s w i t c ha r ed e s i g n e dw i t ho n l y5s w i t c hu n i t s ，t o b a l a n c et h ei n s e r t i o nl o s so fd i f f e r e n tc h a n n e l s t h ep e r f o r m a n c eo ft h e n e wa r c h i t e c t u r e si ss i m u l a t e d a n dw e l lb a l a n c e di n s e r t i o nl o s so fl e s s t h a n1 8 d ba n ds w i t c h i n gt i m eo fa b o u t43u sa r eo b t a i n e d ，w h i c h 、sm u c h m o r ea d v a n c e dt h a nt h a to fo t h e ra r c h i t e c t u r e s t h ee x p a n d a b i l i t yo ft h e s w i t c hi sa n a l y z e d ，a n dt w oa r c h i t e c t u r e so f8x8s w i t c ha r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：m e m s ，m o d e h o p p i n g ，t u n a b l el a s e r , c o n t i n u o u s l yt u n i n g ， o p t i c a ls w i t c h ，s w i t c ha r c h i t e c t u r e 1 1 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：塑型鬟! ：三兰 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：，uf 。啦 北京邮电人学硕：l 学位论文 2 3 2 跳模的利用 跳模是影响可调激光器实现连续可调的一个最大的问题。但是，也要看到跳 模可以带来的优点： ( 1 ) 跳模间隔在很大范围内近似为常量。联系到d w d m 系统中，需要的光 源正是要求固定间隔为0 8 n m 。如果通过调整装置的参数，使相临两次跳模正好 为0 8 n m ，则仍然可以用于d w d m 系统中，这样就可以绕开跳模的影响了。 ( 2 ) 模式在较大范围内近似恒定。也就是说，在调谐过程中，输出激光的 波长在一定的外腔调谐范围内变化非常小，可近似为恒定值，对于d w d m 系统 来说，这正是提供了一个稳定的、不易受外界干扰的光源。 经过以上分析，如果可以控制好跳模，其中是有很大的利用空间的。所以， 针对上述的情况，设法求出参数，使之运用到d w d m 系统中。 关于跳模的原理中已经提到，跳模的产生是由两腔的长短不同造成的。所以， 管理跳模，也以调整两腔的腔长为主。 经过估算，当内腔长为l ，= 4 2 5 【f m ，外腔长历= 2 私所附近时，恰好满足d w d m 系统c 波段的要求，即信道间隔0 8 r i m ，宽度为4 0 n t o 。如图2 3 6 。 吕 d 立1 5 6 5 鲻 寻| 1 5 6 0 簿 图2 3 6 利用跳模实现0 8 n m 的波长间隔 1 9 外腔腔长“m 弱 钙 踮 巧 加 垢 屿 垢 屿 屿 巧 垢 坫 北京邮电火学顾i ：学位论文 目前市场上激光芯片有些产品是可以用户自行切割的，只需在相应的截面上 进行镀膜，便可以达到如上的尺寸要求。外腔则可以自由设计。从调节精度上， 要求外腔的调节精度为0 0 2 比m ，这个要求完全可以通过机械的设计及目前电压控 制的水平所而达到，将在2 5 节进行计算说明。 2 4 连续可调谐腔的设计 从2 3 可知，利用传统的l i t t m a n 结构很难实现完全的连续可调谐，其它几个 经典结构也存在此类问题。这里抛开l i t t m a n 、l i t t r o w 等结构，设计一种新的结 构来实现连续可调谐。 通过前面的分析，确定了光栅在可调激光器中的重要作用，所以，光栅的分 光结构是要予以保留的。这里主要通过设计一种新的腔镜，仅通过调节腔镜的位 置来实现连续可调谐，而固定光栅的位置。这样做的考虑是，腔镜较之光栅的结 构调更轻，调谐起来更为灵活。如图2 4 1 所示。 图2 4 1 连续可调激光器的结构 外腔 所要满足的条件是： ( 1 ) 腔镜在任意一个位置时，均只有在某一方向的光在腔镜上反射，沿原 路返回激光谐振腔放大输出。这一点保证了激光输出模式的唯一性。这相当于传 统l i t t m a n 结构中的光栅方程条件。 ( 2 ) 腔镜在运动过程中，只有在腔镜上反射可以原路返回的这个模式，可 以满足驻波条件。这一点保证了输出模式的可调性。这相当于传统l i t t m a n 结构 2 0 北京邮电人学颀：i ：学位论文 中的驻波条件。 通过以上两个条件，可以保证求出的镜面可以实现激光的连续可调谐的单纵 模输出。这样就可以进求解这个腔镜的形状。 2 4 1 连续可调谐腔镜的设计推导 y k 、 w 、 图2 4 2 连续可调谐腔镜的设计 从图2 4 2 中可以看出，如果考虑腔镜移动的话，也就是所要求的腔镜表面的 轨迹也要整体做沿) ，轴的平动，这样求出轨迹方程之后，还要对) ，进行变换才能确 实腔镜的形状，对于求解来讲很不方便。所以，在求解时，不妨假设腔镜固定， 而把光栅考虑成移动的，这样求出的轨迹方程直接就反应出了腔镜的形状。很容 易看出，两者等效的，如图2 4 3 。 w y 。型曼三幺! 图2 4 3 连续可调后腔镜设计的等效图 北京邮电人学硕r i 二学位论文 分别根据上面提到的两个条件，分别列出方程， ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中目为入射角，为谐振时的波数，4 为入射到光栅之前的光程，这三者都 是常量。当使用的衍射级确定后，聊值也是确定的。腔镜轨迹的坐标为似一是变 量，妒是衍射角，为参变量。由闪耀光栅的特点决定，只使用在法线右侧的反射 级，这样妒 d 。由于几何关系可以看出，轨迹的切线是与妒的方向垂直的，所以， 轨迹上每点的斜率都为负值，且由于够 d ，所以所求的轨迹是完全在第四象限。 可得至_ l j x , y 与妒的关系， 字：一t a n 妒 二，_ = 一 仂 d x ( 2 1 8 ) 首先，把前2 1 6 代入2 1 7 式，可得， + 三：n a ( s i n 擘o - s i n9 ) s i n o 2 m 、 。 ( 2 1 9 ) 整理成为以s i n o 为变量的一元二次方程可得， n z 聊as i n 2 o - ( + n 2 研as i n 伊) s i n 矽一石= 。 ( 2 2 。) 由求根公式可得， 咖伊：鉴n a 当曝塑竺 m ( 2 2 1 ) 令， ：+ 尝s i n 秒( 2 - 2 2 ) 则， 咖缈：军、l2 2 n a x m ( 2 2 3 ) 由于矽 口，所以s m 伊 o ，而因为x 移，衍射使用正级，m o ， 所以， 2 2 竺人 ： 刀卜， 一2 伊 = n 一矽 咖 l 叩 = 一m 缈 + m 北京邮电人学硕上学位论文 因此， 两边同时取微分， 由2 2 4 可得， 代入式2 2 5 得， 所以， 又因为， 所以， 因此， 可以解出， c o s q , = 三 4 。咒所，即竺2 l 4 0 n t o 其中l ，是外腔的腔长，需要满足， 三t b 联合求解可得， i 口：人2 + a x a 2 - 2 2 1 6 ：人2 一a 4 万- 2 ：一 ( 2 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) 因为目前要保证工业中s o l ( s i l i c o no ni s o l a t o r ，硅一绝缘体结构) ) j n - r _ 的质 量，则最小尺度为0 1 1 t m 。 而当彳= 缸m 时，求得a = 2 6 1 t m ，b = 1 5 1 t m ，取此数值时，且相对误差均在0 0 1 北京邮i 也人学硕l j 学位论文 以下。 把以上计算的设计中具体数据代入，并且数值计算反射镜的形状如图2 4 5 。 i x = 1 8 0 0 s i n2 伊一9 0 0 s i n ( 0 【y29 0 0 s i n 2 ( 0 - 1 8 0 0 ( 0 9 0 0 c o s ( 0 + c ( 2 4 1 ) 图2 4 5 反射镜形状 可以由光栅方程计算出，当波长在j 5 2 5 1 t m 至j 5 6 5 # m 间调谐时，需要衍射角 变化为0 5 3 3 2 0 5 4 8 8 r a d ，即3 n 5 5 q j 私d o 这个角度变化是非常小的，因为 d 0 4 # m 的变化范围是远远小于5 4 5 1 2 m 这个中心波长的，这也是任何基于光栅选 模的结构所共用的问题。而传统的结构中，要实现这个小角度的微调来实现可调 谐激光的输出，则对机械的要求极为柯刻，若调谐间隔为0 8 n m ，则每次需要调 谐d 0 1 80 0m e m s 的转动驱动结构是远不如平动驱动结构成熟的，并且在转动过 程中会出现结构的扭曲而产生转动的误差，因此是难以实现稳定调谐的。而这种 新的结构，巧妙地将转动转化为平动。而在这个结构中，通过式2 3 3 可求出，在 4 0 n m 的调谐过程中，反射镜移动的距离为2 8 1 m ，则每次调谐的距离为o 5 6 弘m ， 这在目前的技术下，是非常容易实现的。如图2 4 6 所示。 2 6 北京邮f u 人学硕j 二学位论文 图2 4 6 波长随调谐距离变化 表2 4 1 连续可调激光器的设计参数 调谐距离i j t m ， 激光芯片长度 2 5 0 # m n激光芯片折射率3 j 7 彳 光栅周期 3 o n 口 光栅钜齿长边 2 6 西坍 6 光栅钜齿短边 j 5 1 a m 彳一n l 激光芯片到光栅距离 i o z 5 p m 无 反射镜顶点到光栅距离变化的中心位置 5 5 1 t m 无 反射镜顶点到光栅距离变化的范围 一6 7 - 4 6 1 a m 2 5m e m s 可调激光器的机械设计 m e m s 光开关中常用的驱动方式是静电转镜和梳状驱动器滑镜两种结构。静 电转镜是表面机械结构，它可以提供较大的镜面面积，驱动部分占据空间小等优 点，但是这种多层的结构，对于可调激光器结构中的最重要的选模器件光栅来说， 其制作过程更为复杂，且加工起来周期较长，并且对驱动的电路的精确度较高， 且，环境适应力差，稳定性不高。而梳状驱动器所使用的体机械结构的设计和制 作更为简便，只用一层结构就可以实现驱动器和光栅等，是可调激光器的设计的 2 7 北京邮i u 学$ 学位论女 首选。 梳状驱动嚣的结构如图251 所示包括以梳齿和电极等组成的静电力部分 和机械梁及附属结构组成的机械力部分。工作时，两力受力平衡。 激光芯 图2 51 梳状驱动嚣的姑构 静电力部分是由外界电压改变而改变的，主要是借助一系列的平板电容的级 联结构来实现的，将这一结构做平板电容器近似。忽略边缘效应。如果平板电容 器的电容为c ，板间距离为d ，所加电压为v ，真空中介电常数为跏相对介电常 数为o ，梳齿的数目为”，机械梁长如，梁宽为w o ，杨氏模量为f ，根据静电力学 和机械的理论得到装置的位移与电压之间的关系【1 7 1 a x = 薏筹矿( 2 - 4 2 ) 其中硅的相对介电常数e r = l l9 ，杨氏模量e - 7 x l o “p a ，真空中的介电常数 e o = & 8 5 4 x l f f7 ：f m ，在实际设计中，常采用的粱的宽度怫= 知m 。t h - ：粱的长度 实际上和梳齿部分长度是相当的，这里不妨取一个以梳齿数目为函数的变量，梳 齿的结构单元的长度是6 t z m 则梳舞部分总长度，即梁的长度t ：1 2 n , u m 。把各个 常数代入 ：式，可得 缸= 8 26 n 4 v 2 x 1 0 一“a n 若令n - 5 0 ，则， 北京邮电大学硕：学位论文 a x = 0 0 0 5 2 v 2 t m 由2 3 节求出的跳模激光器，若使跳模可以满足d w d m 系统0 8 n m 信道间隔的 要求，则需要反射镜移动的距离为l g m ，精度为0 0 2 9 m 。则需要加最大电压，可 通上式计算出，为4 9 v 而精度可以通过对上式求导得到， d ( 酬= 0 0 8 3 蹦矿 m a x ( l g ( g ，z g ) ，l 。( 聊，z 。) ) ，则， l = n r 。( l d ( d ) + l ，( 秒，i 丁) ) + l 月( n ，) + l ： ( 3 - 6 ) 如果l ： m a x ( l g ( g ，z g ) ，。( 聊，z 。) ) ，则， l = l ：( z o ) + n r 。( l d ( d ) + l ，( 护，仃) ) + l 尺( n ，) + m a x ( l g ( g ，z 窖) ，l 。( m ，z 。) ) ( 3 - 7 ) 其中n r 。是反射次数。当给定所有参数时，总的损耗可以由数值方法求出。 北京邮电大学碗i 学位论立 整个m e m s 光开关的插入损耗的计算是复杂的，但是，可以清楚地看到，产 生损耗的主要原因是光束在自由空间中的传播，反射镜的反射。 通过对开关结构，特别是对于大规模开关来说，对开关的架构进行优化，可 以缩短传播距离，减小反射的损耗，大大提高m e m s 关开关的性能。所以在2 0 0 0 年之后，对关开关的研究，逐渐转向了对架构的设计上来。 3 2m e m s 光开关架构的研究 321 m e m s 光开关架构的发展 在2 0 0 0 年之前的m e m s 光开关都处在研制初期，端口都很少，以2 x 2 的开关 为主，对阵列的研究不多【l ”。之前提到的2 0 0 0 年由l yl i n 发表的1 6 x 1 6 的m e m s 光开关【4 j ，如图32 1 虽然利用准直等结构，使最长通道的损耗降到了z 9 d b ，但 是，这个结构由四个8 8 的m e m s 光开关阵列组成，共有2 5 6 个开关单元组成。这 种设计显得过于“笨重”，如果设计更多通道的开关，无疑过多的开关控制会使 可靠性和稳定性明显下降，并且成本会大大增高。而在光学设计中，这也使光束 在自由空间的传播距离由1 个到3 1 个单元结构不等，插入损耗在信道间的差异也 相当巨大。l yl i n 的z g d b 的损耗是使用了光纤准直器，在最长通道，即3 1 个单 元结构上传播得到的结果，而在最短的通道内，若用同样的光纤准直器，则损耗 可达l o d b 以上。这种矩阵形式的光开关显然在实际应用中存在很大的问题。 图32 18 x 8 的m e m s 光开关阵列 仅以4 x 4 矩阵光”关为例。4 x 4 矩阵开关共有1 6 个光开关单元结构，其中每次 有4 个反射镜工作，所有光束均发牛一次反射后到达输出端 1 。在光束所通过的 路径中，最短的为1 个结构单元，最长的为7 个结构单元。通过3l4 节的插入损耗 北京邮 乜人学颀i ：学位论文 计算方法，可得到每个通道的损耗，如图3 2 2 ( b ) 所示。a l 表示从a 至1 l 端的路程， 以此类推。可见，通道问的损耗差别很大，会导致各个信道信号较大的差异。可 见，某一通道低损耗不代表所有通道都可以达到低损耗。这种矩阵开关是不适合 大规模拓展的。 损耗d b d c b a 1234 ( a ) a la 2a 3a 4b ib zb 3b 4c ic 2c 3c 4d ld 2l ) jd 4 通道 ( b ) 图3 2 24 x 4 矩阵开关的性能分析 2 0 0 2 年t w y e o w 在数学上建立t n x nl 型m e m s 开关架构【2 5 】，j 1 1 3 2 3 所 示，这种架构是由开关单元组合而成的l 型阵列实现的。2 0 0 3 年，他又把l 型的 3 6 北京邮电大学硕：仁学位论文 架构的具体设计应用到4 4 的m e m s 光开关中【2 6 1 。 t l ，i ， o 掣2 l 讲，1 ) l 。n ，动铡撇秭器l 埝 1 1 ，狮 们n ) 了么 图3 2 3l 型架构n nl v i e m s 光开关 同样地，这里用数值方法模拟4 x 4 的l 型架构光开关。4 x 4 l 型架构光开关共有 1 2 个光开关单元结构，所有光束均发生1 2 次反射后到达输出端口。在光束所通 过的路径中，最短的为2 个结构单元，最长的为5 个结构单元。由于输出端重叠， 会给实际的封装造成很大的难度，实际上也很少会采用这种重叠的方式，即使成 功了，也会对光的耦合造成很大的影响。所以，实际制作出来的这种架构的光开 关中，光所通过的路程为5 7 个结构单元。通过数值计算，可得到每个通道的损 耗，如图3 2 4 ( b ) 所示。可见，通道间的插入损耗差异得到了一定程度的控制， 但并不明显，并且由于光所通过路程较长，各通道的损耗都很高。 cd b a 3 7 2 l 34 北京邮l 【1 人学颂i j 学位论义 损耗d b a l a 2 a 3a 4 b lb 2b jb 4c lc zc 3c 4d ld 2 d 3d 4 通道 ( b ) 图3 2 4l 型架构光开关的性能分析 早在2 0 世纪6 0 年代，ve b e n e s 关于通信理论的著作中【2 0 1 ，就从数学的方法 提出了用小型开关阵列组成大型开关的方法，如图3 2 5 ( a ) ，是由6 个2 x 2 组成4 x 4 开关的结构示意图。1 9 8 7 年，r a s p a n k e 和v e b e n e s 提出了s p a r k e b e n e s 架构 ( 2 ，如图3 2 5 ( b ) 。2 0 0 0 年以来，由于m e m s 光开关技术的成熟，随之而来的与 通信基础理论相关的开关阵列的架构多了起来。许多新的开关结构被过渡到 m e m s 光开关中的应用。 北京邮电人学硕上学位论文 科 4 a t 4b o n al r l m t u l l q r k ( a ) b e n e s 架构 l 砷 4 m a 髯埔蝴- 辔i - 鼬协p a ，簟 ( b ) s p a r k e - b e n e s 架构 图3 2 5 架构原型【2 2 】 2 0 0 6 年，g u i d om a i e r 等人把b e n e s 架构应用到了m e m s 的开关阵列形式，分 别设计t 4 x 4 t 2 3 1 ，8 x 8 架构，如图3 2 6 ，开关的互联转化成了反射镜间的互联。 2 0 0 8 年，g u o m e iz h u 等人又把s p a r k e - b e i l e s 架构应用到了m e m s 结构中【2 4 1 ，如图 3 2 7 为1 6 x 1 6 的s p a r k e b e n e s 架构m e m s 光开关。 0 1 0 2 o 墨 o 图3 2 6b e n e s 架构的m e m s 阵列形式 3 9 北京邮i 乜人学顺：l ：学位论文 图3 2 71 6 x 1 6 的s p a r k e - b e n e s 架构 由于b e n e s 和s p a r k e b e n e s 两种架构存在着一定的相似性，这里仅将4 x 4 s p a r k e b e n e s 架构进行模拟运算。这种架构光开关共有6 个光开关单元结构，所有 光束均发生o 3 次反射后到达输出端口。在光束所通过的路径中，最短的为3 个结 构单元，最长的为4 个结构单元。由于输出端重叠，实际制作出来的这种架构的 光开关中，光束通过的路程为3 5 个结构单元。通过数值计算，可得到每个通道 的损耗，如图3 2 8 ( b ) 所示。可见，由于这种结构平衡了光所走的路程，所以各 通道间损耗的差异并不显著，且整体上都在较低的水平上，大都在3 d b 以下。 b a cd 琶 、l 。 、 名 2 、， 4 北京邮电大学硕：t 学位论文 a l a 2 a 3 a 4 b 1 b 2 b 3 b 4 c l c 2c 3c 4d id 2d 3d 4 通道 ( b ) 图3 2 84 x 4s p a r k e - b e n e s 型架构光开关的性能分析 3 2 2l 型架构的优化 在l 型架构中，反射镜的数目多于b e n e s 和s p a r k e b e n e s 架构。这个结构显然 是可以简化的。把l 型架构分成两部分来单独分析，如图3 2 9 。 第一部分是位于左上角的4 个反射镜组合，总共可以将4 个输入信号编成两 组，共有6 种情况。如图3 2 1 0 所示，4 个开关共有1 6 种开关状态，但由于这4 个开 关只起到把两组信号分成两组的功能，所以，在这1 6 种开关状态中，有效的状态 只有6 种：第一种为输出l 和输出2 对应信号l 和2 的状态，则输出3 和4 对应的是信 号3 和4 ，对应图中g 、h 、l 、m 、o 的情况；第二种为输出1 和输出2 对应信号1 和3 的状态，则输出3 和4 对应的是信号2 和4 ，对应图中的b 、e 情况；第三种为输 出l 和输出2 对应信号l 和4 的状态，则输出3 和4 对应的是信号2 和3 ，对应图中a 的 情况；第四种为输出1 和输出2 对应信号2 和3 的状态，则输出3 和4 对应的是信号l 和4 ，对应图中d 、i 、j 、k 、n 的情况；第五种为输出l 和输出2 对应信号2 和4 的 状态，则输出3 和4 对应的是信号l 和3 ，对应图中c 、f 的情况；第六种为输出1 和 输出2 对应信号3 和4 的状态，则输出3 和4 对应的是信号1 和2 ，对应图中p 的情况。 4 l 北京邮i 乜人学颂l ：学位论文 分组部 a 叫q q 、r、r l 4 e l l qq 、，r l3 i l q键 卜 qu 冷 、 ， 32 i v 啼卜 qu 卜 、r l2 3 2 4 2 4 l 4 3 等效2 x 2 开关部分 图3 2 9l 型架构的原理 d l 键 仝令 、r、r 3 r i qi 、b q 卜 1 r 1 2 24 j l 心 心 键 k 2 3 l q 、 q 、 、 ， 23 4 2 3 l g 效2 2 开关部分 l q心 怜 心 卜心 l 2 k ll 42 4 0 1 2 24 34 心 心 全 朱 s l2 34 q键 卜 u 1卜 2 3 34 ll 柚卜 卜 u j、卜 2l 图3 2 1 0l 型开关状态分析 4 2 d l1 32 3 4 4 l 4 3 34 32 1 il 刘l 1 刊 全 s 、 ， 2l l 心 、心 、k 2l l q斜 qq 心 r、r 34 4 4 3 4 2 北京邮电人学颀士学位论文 第二部分为其余的两个4 个开关为一组的等效2 x 2 开关组合。被分成两组的4 个光信号再经过这两组开关组合将组内的信号分别在两个通道输出，这样构成了 6 x 2 x 2 = 2 4 种的开关状态。 2 x 2 的开关可以由2 x 2 = 4 个开关单元来组成，也可以由一个开关单元直接构 成。在l 型的架构中，保留4 个双面镜构成的分组部分，优化两组2 x 2 的开关部分 便可得如图3 2 1 1 的改进l 型架构，左下角和右上角为两个固定的反射镜，此结构 共由6 个双面可移动反射镜组成，与经典l 型架构4 x 4 光开关的1 2 个可移动反射镜 相比减少了一半，并且，所占的空间，也由原来的4 x 4 个开关结构单元缩小为3 x 3 结构单元，所占空间也减小了近一半，光在通过整个开关结构时所走的光程也得 到了一定地统一。如果考虑到架构中输出1 和输出3 两根光纤可能重叠，加大了封 装的难度，也可以把架构中输出端进行调整，把2 x 2 开关的方向进行调转，得到 ( b ) 的结构。( a ) 结构实际上就是s p a r k e - b e n e s 架构，而( b ) 则是一种新的架构 由于之前已列出了分组部分4 个开关组合的开关状态，则改进的l 型架构开关 的2 4 种状态可以简单地得出，这里不做列举。 输入1 输入2 输入3 输入4输入3 输入4 输出3 输出2 ( a ) 输入l 输出4 输入2 七尊出3 输出l 输出1 。 翮耥4 险斟翌l i i 椤l 输出2 图3 2 1 1 改砒型架构 3 2 35 镜架构 从排列组合的角度来考虑m e m s 光开关的架构问题，又可以得到一种新的 开关架构。4 x 4 开关共有41 = 2 4 种开关状态，如果考虑每个可控制的反射镜都有开 和关两个状态，则5 个单元结构就有关2 5 = 3 2 种状态，完全可以满足2 4 种开关状态。 而上面提到的结构中，需要控制开关的反射镜都超过了5 个，b e n e s ，s p a r k e - b e n e s 和改进l 型架构都有6 个可控制单元，而传统的l 型架构需要1 2 个可控单元，传统 的方阵则需要1 6 只开关。所以，这些结构都或多或少存在着开关利用率低的缺陷。 而1 9 8 8 年a e 1f a t a t r y 在讨论基于马赫曾得耳干涉结构的光开关的架构时，提出 一个5 个结构单元组成的4 x 4 开关的架构【2 7 】，如图3 2 1 2 。虽然这个架构不是应用 4 3 北京邮i 也人学硕：l ：学位论文 到m e m s 上的，但是经过适当地变形，是可以用到以反射镜为开关结构的m e m s 开关形式的。把结构中的2 x 2 开关进行编号，依次为a 、b 、c 、d 、e 。 。口嘲剐搴 a bd t 图3 2 1 25 个2 x 2 开关单元结成的4 x 4 开关 把这一结构改成反射镜的光路结构，便得到了可以用于m e m s 光开关的架 构，如图3 2 1 3 ，其中的输入端a 、b 、c 、d 和输出端1 、2 、3 、4 分别与原结 构对应，反射镜a 、b 、c 、d 、e 也与原结构中的5 个2 2 开关单元对应。称这 个结构为5 镜架构。 a 、：j j ，、：一，l 、7 一4 旷、善娑，3 一 ； ： 、 c ，。、誓、2 ，i ：。二：、 图3 2 1 35 镜架构的推导 把如上的结构进行旋转，可以得到标准的5 镜架构，如图3 2 1 4 ( a ) 。而与 l 型改进结构相似地，考虑封装的问题，可以再把5 镜架构两侧的反射镜方向调 转，则得到了图3 2 1 4 ( b ) 中的结构。这些架构中有5 个可移动的反射镜，比改 进l 型架构少1 个，结构也为3 3 个结构单元。这里形象地将称( a ) 为坦克型5 镜架构，称( b ) 为飞机型5 镜架构。 北京邮电人学顾。 ：学位论文 输入，l i l 、阻4 输入，l l l 阻4 输入2 i ii i 输入2 i ll 刁 区困黜输虮区囫 输出2 输出2 ( a )( b ) 图3 2 1 45 镜架构图 通过观察可以发现，l 型架构与5 镜架构中，只相差在中心的开关结构上。 再由图3 2 1 0l 型开关状态分析可知，该反射镜对应的d 、g 、i 、j 、k 、l 、m 、 o 情况时，d 、i 、j 、k 情况可由不含该结构的n 情况代替，g 、l 、m 、o 情况可 由不含该结构的h 情况代替。通过这样的替代过程，改进的l 型架构和5 镜架构 得到了统一，也验证了两种架构的合理性。 下面研究4 x 4 飞机型5 镜架构的插入损耗。这种架构光开关共有5 个光开关单 元结构，所有光束均发生o 2 次反射后到达输出端口。在光束所通过的路径中， 最短的为2 个结构单元，最长的为4 个结构单元。通过数值计算，可得到每个通道 的损耗，如图3 2 1 5 ( b ) 所示。可见，由于这种结构既缩小了开关的规模，又将输 入输出端进行了重新安排，平衡了光所走的路程，所以各通道间损耗的差异并不 显著，且整体i - i ；匕s p a r k e 。b e n e s 还要更低，全部在j 8 d b 以下，大部分在j 4 d b 以 下。可见这种架构比传统的矩阵架构和简化而成的l 型架构、s p a r k e - b e n e s 架构 的都要优越，具有非常低的插入损耗，且通信间损耗平衡性更好。 cd3 ， l 、爹、 一 卜 ji o ，爹 、 4 5 4 北京邮f 【1 人学硕l 学位论文 a ia 2a 3a 4b 1b 2b 3b 4c ic 2c 3 【xd id 2d 3d 4 通道 ( b ) 图3 2 1 5 飞机型5 镜架构光开关的性能分析 总结之前几种架构4 x 4m e m s 关开关的模拟结果，可以得到，如表3 3 1 。可 见，新设计的5 镜架构的光开关，在相同的响应时间的基础上，无论是总体损耗 还是通道间差异上，均有更好的表现。 表3 3 1 四种架构的插入损耗比较 反射次数，损耗 自由空间( 单位：结构单元) 总损耗 4 x 4 矩阵jl 一71 13 8 3 6 d b l 型架构l 2s 一72 6 5 8 3 7 d b s p a r k b e n e s 架构 o 3 3 52 0 4 3 0 4 d b 飞机型5 镜架构o 22 4o 7 7 1 7 8 d b 光开关的性能中，除了插入损耗外，响应时间也是很重要的参数。开关的响 应时间【1 7 】 ( 3 - 8 ) 万一2 i i 辱 三2玎 r 知可以，j詹再的 械 i l h 杪 过通中其 北京邮电人学硕f ：学位论文 m = m m b 。七q s mr t 昏畦+ 2 - 4 mb ei。(3-9) 在使用如上各种架构中，2 x 2 开关单元考虑为相同结构，则估算响应时间， 通过估算可得，均为t = 4 3 1 t s ，这个速度虽然没有绝对的优势，但是根据光开关 的应用，在与信号的调制无关的情况下，还是可以满足要求的，特别是o a d m 等器件的结构陷。 这里设计的梳状驱动器由7 0 个梳齿组成，移动范围为1 4 0 1 u r n ，则根据2 6 中的 讨论结果，可求出，所需加的最大电压是3 0 v ，这里只需要d 嘞3 d 两个电压值， 不必考虑电压调谐的精度。 3 2 4 开关架构的拓展 通过分析l 型开关的原理可知，4 x 4 的开关可以简单地分解成一个分组结构 和两个2 x 2 开关结构，由此类推，8 x 8 的开关结构可以分解成一个分组结构和两 个4 x 4 开关结构，同理1 6 x1 6 等等。 若暂不考虑简化分组部分，8 x 8 开关可以由一个4 x 4 开关阵列的分组部分和 两个4 x 4 开关组成。如图3 2 1 6 所示，a h 的字母代表输入端，l 一8 的数字代表输 出端，该架构中共有2 6 个可移动反射镜，与经典l 型架构的4 8 个可移动反射镜， 8 x 8 矩阵的6 4 个可移动反射镜相对，大大低了操作的简便性，也与s p a r k e b e n e s 架构的2 4 个可移动反射镜相当。当然，这还不是最简的架构。 e f g h abcd 、。曳 、 、。、。、 。、。、，气 j 、。、 、j 气，。、 6 7 、 、， 4 5 j 2 3 图3 2 1 68 x 8 开关的拓展 8 若参考g u i d om a i e r 等人设计的b e n e s 架构 2 3 】，把坦克形的5 镜架构应用到其 中，即可得到新的架构，如图3 2 1 7 。在这个结构中，a h 的字母代表输入端， 1 8 的数字代表输出端，共有1 8 个可移动的反射镜，远少 ：s p a r k e b e n e z 架构的 4 7 北京邮l u 火学顺：i ：学位论文 2 4 个，很大程度地简化线路封装上的复杂程度。由此还可以向1 6 1 6 的拓展。 abc defg h 、 ， 。爹 爹、 爹爹、 。、 ，爹。爹、。、， 爹。、龟， 。、， 、。气 。、 j 、 、， ， i 。、 鹣i 、n 图3 2 1 78 8m e m s 光开关更少开关单元的拓展 5 镜架构的基本结构除了在插入损耗方面有着很好的表现，还具有很强的拓 展性，必将给大规模m e m s 光开关的设主提供更好的支持。 4 8 北京邮电大学硕_ = 学位论文 第四章论文工作总结及展望 本文通过对m e m s 光学透明性、集成性等在光学方面的优点的总结，阐述了 m e m s 应用于光通信的广泛前景。以m e m s 技术为基础，通过分析传统的m e m s 可调激光器和光开关，提出了新的设计方案。在m e m