用于微机电系统光子交换机的装置和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年11月21日提交的题为"DeviceandMethodfor Micro-Electro-Mechanical-SystemPhotonicSwitch(用于微机电系统光子交换机的装 置和方法）"的美国专利申请第14/086, 776号的优先权，其通过引用如同以其整体再现的 方式合并到本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及光子学，并且更特别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】
[0004] -种类型的光子交换机为三维（3D)微机电系统（MEMS)光子交换机。MEMS光子交 换机具有极好的性能，例如，实现高的端口数的能力。此外，MEMS光子交换机具有极好的光 学性能，例如，低损耗、低偏振依赖性、高线性度和低噪声。另外，MEMS光子交换机具有极好 的断开状态特性，例如，高隔离度和低串扰。
[0005] 然而，MEMS光子交换机存在一些问题（例如，低的切换速度、通过复杂的控制方法 来驱动），限制了MEMS光子交换机的广泛使用。在MEMS光子交换机用在级联架构中（例 如，用在三级CL0S交换机中）或用于建立跨光交换网络的经过多个节点的路径的情况下， 问题尤为严重。此外，控制方法可能引起由交换机引入的残余调制，该残余调制可能会干扰 交换机的级联。
【发明内容】
[0006] -种不例性微机电系统（MEMS)光子交换机包括第一多个准直器和与第一多个准 直器光耦合的第一镜阵列，其中，第一镜阵列包括第一多个镜，并且其中，所述第一多个镜 中的第一镜包括集成在第一镜上的第一多个光电二极管。
[0007] -种使微机电系统（MEMS)光子交换机的第一镜与第二镜对准的不例性方法包 括：通过第一多个准直器中的第一准直器接收第一光控制信号；以及通过第一镜阵列中的 第一镜反射第一光控制信号以产生第一光控制光束。该方法还包括通过位于第二镜阵列中 的第二镜上的第一位置处的第一光电二极管检测第一光控制光束的第一光束斑以产生第 一检测信号。
[0008] -种示例性控制系统包括配置成耦接至微机电系统（MEMS)光子交换机的镜采集 控制单元，其中，镜采集控制单元被配置成接收来自位于MEMS光子交换机的第一MEMS镜阵 列中的第一MEMS镜上的第一多个位置处的第一多个光电二极管的第一多个信号。该控制 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第一多个信号与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。
[0009] 前述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领会，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如所附权利要求书中阐述的本 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，现在结合附图参考下面的描述，在附图中：
[0011] 图1不出了实施方式的微机电系统（MEMS)光子交换机；
[0012] 图2示出了实施方式的MEMS镜；
[0013] 图3示出了用于MEMS镜的实施方式的常平架；
[0014] 图4示出了实施方式的MEMS镜；
[0015] 图5示出了实施方式的MEMS镜阵列上的光束斑；
[0016] 图6示出了具有镜光电二极管的实施方式的MEMS镜结构；
[0017] 图7示出了具有镜光电二极管的实施方式的MEMS镜阵列；
[0018] 图8示出了用于使具有镜光电二极管的MEMS镜对准的实施方式的控制结构；
[0019] 图9示出了使具有镜光电二极管的MEMS镜对准的实施方式的方法的流程图；
[0020] 图10不出了具有镜光电二极管和填隙光电二极管的实施方式的MEMS镜阵列；
[0021] 图11不出了具有镜光电二极管和填隙光电二极管的另一实施方式的MEMS镜阵 列；
[0022] 图12不出了具有镜光电二极管和填隙光电二极管的又一实施方式的MEMS镜阵 列；
[0023] 图13示出了使具有镜光电二极管和填隙光电二极管的MEMS镜对准的实施方式的 方法的流程图；以及
[0024] 图14不出了具有镜光电二极管的实施方式的MEMS镜阵列上的光束斑。
[0025] 除非另外指出，不同的附图中的相应的附图标记通常指代相应的部分。附图被绘 制成清楚地示出实施方式的相关方面，而且不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
[0026] -开始就应当理解的是，虽然下面提供了一个或更多个实施方式的说明性实现方 式，但是可以使用当前已知或现有的许多技术来实现所公开的系统和/或方法。本公开内 容决不应当限于下面示出的说明性实现方式、附图和技术（包括本文中示出和描述的示例 性设计和实现方式），而是可以在所附权利要求书的范围及所附权利要求书的等同内容的 全部范围内进行修改。
[0027] 在实施方式中，在微机电系统（MEMS)光子交换机中的MEMS镜的表面上设置有光 电二极管。光电二极管也可以填隙地位于MEMS镜之间的基板上。光电二极管用于在建立 阶段期间通过检测在相对基板上的光束落斑来使镜高精确度地对准，使得能够直接计算正 确指向的矢量。控制波长下的光束沿双向经过光子交换机传播，仅照射相对基板上的光电 二极管。因此，相对的两个镜可以独立地且同时地对准。
[0028] 三维（3D)MEMS光子交换机可以使用一个可操纵镜阵列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。在使用一个镜阵列的情况下，镜阵列被布置成与固定 的平面或近似平面的后向反射镜相对。在该示例中，控制波长沿双向经过光子交换机传播， 仅照射在各控制载体路径上遇到的第二镜周围的光电二极管。
[0029] 图1示出了MEMS光子交换机100--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。光经由准直器阵列102 (例 如从光纤引出）进入，并且打在镜阵列104中的镜上。沿两个面调整镜阵列104中的镜的 角度以使光打在镜阵列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中的镜的角度以与合适的输出端口耦 合。然后，光在准直器阵列108中的准直器（例如与光纤耦合）中出射。类似地，光进入准 直器阵列108,从镜阵列106中的镜反射，从镜阵列104中的镜反射，通过准直器阵列102出 射。
[0030]镜阵列具有可操纵的3D-MEMS镜（在此称为MEMS镜）阵列，MEMS镜反射通过相 关联的准直器投射到MEMS镜上的光束。然后，经反射的光束在相对镜阵列上的相对镜上被 反射。因此，NXNMEMS光子交换机模块包括N个输入镜，所述N个输入镜中的每个输入镜 可以访问相对镜阵列上的N个镜中的任一镜，相对镜阵列上的N个镜中的每个镜也可以访 问所述N个输入镜中的任一输入镜。这使得镜数随着交换机的端口数线性增长，对于NXN 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 口数的平方增长。因此，MEMS光子交换机能够扩展至大的端口数，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，镜之间的光路长度和/或 最大镜偏转角度增大。
[0031]MEMS光子交换机100中的MEMS镜在修改的硅晶片工艺中制造。图2示出了示例 MEMS镜结构110,其可以具有从约550μπι至约2. 5mm的直径，例如大约1mm。MEMS镜结构 110包括镜112,镜112悬停在支架114和116的两个轴上，以使得镜112能够对抗支架的 扭转弹簧作用倾斜，支架的扭转弹簧作用试图将镜112保持在特定位置。在镜112的下方 (例如对于1mm的镜，约80μπι至100μπι)为三个或四个隔离的板式偏转电极。在使用四个 电极的情况下，每个电极与镜的四分之一圆相关联。当向电极施加电压时，镜112通过静电 吸引被吸引向所述电极，并且对抗硅扭转弹簧的弹簧作用而扭转。可以通过调整施加在所 述电极中的一个或者更多个电极上的驱动电压来在角方向和幅度两个方面操纵该偏转。对 于出平面5度至7度的最大镜偏转一一对应于从休止状态开始的10度至14度的最大光束 偏转，或者20度至28度的峰到峰光束偏转，驱动电压可以高至数百伏特。
[0032] 图3示出了常平架120--可以用作支架114或支架116的示例常平架。常平架 120可以由硅扭转弹簧制造，硅扭转弹簧试图使镜返回其平面位置。在一个或更多个四分之 一圆电极上的驱动电压的吸引力与随着镜的移动而增加的弹簧扭转力的对抗确定了镜的 最终指向角度。
[0033] 图4示出了镜结构130,其包括由具有y轴枢轴和X轴枢轴的常平架环131支承的 装有常平架的可动镜132。通过用作枢轴的弹簧135和弹簧137来有利于绕X轴的移动，并 且通过正交轴上的用作枢轴的弹簧134和弹簧136来有利于绕y轴的移动。
[0034] 通过使用四分之一圆电极138、139、140和141沿着形成在弹簧135与弹簧137之 间以及形成弹簧134与弹簧136之间的两个轴来调整镜的偏转角度。向电极138施加驱动 电压使镜被吸引向该电极，从而使镜对抗弹簧134和弹簧136(扭转弹簧）的弹簧作用而扭 转，直到电极的吸引力与弹簧的扭转力达到平衡，从而得到正y镜偏转。以类似的方式，分 别向四分之一圆电极139、140和141施加驱动电压可以产生负y、正X或负X偏转。吸引力 与电场成比例，该电场通过镜与电极之间的电势差除以镜与电极之间的间距给出。因此，对 于接地电势镜，电场的极性以及镜上的驱动电压无关紧要，因而相对的电极对没有被区别 地驱动。然而，可以驱动沿X轴的电极之一与沿y轴的电极之一以产生包含X分量和y分 量的任意组合的偏转角度。可以通过X电极驱动电压和y电极驱动电压的合适的组合使镜 指向"四面八方"。
[0035] 可以通过分析输出光来控制MEMS光子交换机中的镜的对准