一種N×N通道的MEMS光開關模塊的製作方法

2023-05-29 08:32:42

本實用新型涉及光通信和光測試技術領域，具體是一種N×N通道的MEMS光開關模塊。

背景技術：

微機電光開關，即MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)光開關，是將電氣元件和機械元件、微光學元件結合在一起的微型化的新型光開關，是大容量全光交換網絡開關發展的主流方向。

MEMS光開關是在矽晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電或其他控制力使微鏡片產生機械運動，從而改變光的傳播方向，實現光路選擇的開關功能。MEMS光開關較其他光開關具有明顯優勢，其開關時間一般在ms數量級，使用IC製造技術體積小、集成度高，可以處理任意波長的光信號；既有機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振相關損耗和高消光比的優點，又有波導開關的高開關速度、小體積、低成本、加工工藝多樣化、易於大規模集成等優點。

N×N通道的MEMS光開關是一種基於MEMS技術開發的新型自由空間光交換器件，由陣列MEMS晶片和陣列多芯準直器組成，廣泛用於光路傳輸和轉換，以實現N×N全通道任意切換，實現數據在N×N通道中的全光交換。

現有2×2通道的MEMS光開關，仍存在體積較大的問題。若按其結構將通道數增加至N×N，體積將更龐大，功耗過高，切換時間過長，插入損耗大等缺陷使其無法實際應用。

技術實現要素：

本實用新型的目的是設計一種N×N通道的MEMS光開關模塊，其陣列MEMS晶片和陣列多芯準直器共同安裝於基板上。其輸入光纖與輸出光纖位於陣列MEMS晶片的同一側的兩個陣列多芯準直器內，結構簡單可靠，通道數多，體積小，重量輕，功耗小，插損低，穩定性高。

本實用新型設計的一種N×N通道的MEMS光開關模塊包括MEMS晶片和N芯準直器，N芯準直器含有N根光纖的陣列和相配合的N個透鏡的陣列，所述N為整數，取值範圍為2≤N≤16。兩個相同的MEMS晶片和兩個相同的N芯準直器安裝於同一基板上，處於相同的高度。所述MEMS晶片含有N個微型反射鏡片，N個鏡片在同一平面上排布為陣列。所述MEMS晶片N個鏡片的陣列與N芯準直器N根光纖的陣列相配合。

所述兩個N芯準直器互相平行，其一為第一N芯準直器，其N根光纖為輸入光纖，配合輸入光纖的N個透鏡排布為平面矩陣，該平面與基板垂直；另一為第二N芯準直器，其N根光纖為輸出光纖，配合輸出光纖的N個透鏡排布為平面矩陣，該平面與基板垂直。所述兩個N芯準直器的透鏡平面相互平行。

所述兩個MEMS晶片的鏡片安裝平面垂直於基板且相互呈90°夾角，分別為第一MEMS晶片和第二MEMS晶片。第一N芯準直器的透鏡矩陣平面與第一MEMS晶片的鏡片安裝平面相對，二者的交角為45°，每個透鏡與第一MEMS晶片的一個鏡片正相對。第二MEMS晶片的鏡片安裝平面與第二N芯準直器的透鏡矩陣平面相對，第二N芯準直器接收第二MEMS晶片的鏡片反射的光束，第二N芯準直器的透鏡矩陣平面與第二MEMS晶片的鏡片安裝平面間交角為45°。

所述兩個MEMS晶片的鏡片安裝平面夾角、第一MEMS晶片的鏡片安裝平面與第一N芯準直器的透鏡矩陣平面之間的交角以及第二MEMS晶片的鏡片安裝平面與第二N芯準直器的透鏡矩陣平面之間的交角的誤差小於或等於±0.1°。

盒體扣在基板上包容安裝於基板上的第一、第二MEMS晶片和第一、第二N芯準直器，盒體與基板固定連接，盒體壁上有輸入光纖和輸出光纖的過孔。

第一N芯準直器的某根輸入光纖導入的輸入光經過其陣列透鏡準直後，到達與之相對的第一MEMS晶片的鏡片、被其反射，改變光的行進方向，反射光到達第二MEMS晶片的某個鏡片，再次被反射，改變光的行進方向，光進入第二N芯準直器的透鏡陣列中的某個透鏡，並由其所接輸出光纖輸出。控制第一MEMS晶片的鏡片轉動，即可改變光的行進方向，使之反射到第二MEMS不同鏡片，控制第二MEMS晶片的鏡片轉動，即可改變二次反射光的行進方向，使之反射到第二N芯準直器的不同透鏡，使輸入光進入選定的不同的輸出光纖，實現全光路切換。

所述第一MEMS晶片和第二MEMS晶片各固定於一個晶片基座上，所述晶片基座為LCC陶瓷基座，即可與標準電路板直接相連接的無引腳陶瓷型基座。MEMS晶片固定於LCC型陶瓷基座上直接與轉接電路板連接，輸出其電信號。

所述晶片基座連接轉接電路板，MEMS晶片轉接件將轉接電路板轉接固定於基板基座，基板基座固定安裝於基板。

所述轉接電路板為柔性電路板，MEMS晶片輸出的電信號經轉接電路板引出。

所述第一N芯準直器和第二N芯準直器各固定於一個準直器基座上，準直器基座經基板基座固定安裝於基板。

所述基板基座可在基板上調整定位和可靠固定。

與現有技術相比，本實用新型一種N×N通道的MEMS光開關模塊的優點為：1、輸入光纖與輸出光纖位於MEMS晶片同一側，方便使用；2、通道數多，結構緊湊，體積小，重量輕；3、多個通道的輸入光纖導入的光可同時進行光路切換；4、每束輸入光只需兩次反射即實現多光路的轉換，極大提高了響應速度，減少了切換時間，且插損低、穩定性好。

附圖說明：

圖1為本N×N通道的MEMS光開關模塊實施例結構示意圖；

圖2為圖1中第一MEMS晶片的結構示意圖；

圖3為圖1中第一MEMS晶片與第一N芯準直器的結構關係示意圖；

圖4為本N×N通道的MEMS光開關模塊實施例輸入光經過兩次反射後輸出的光路示意圖；

圖5為本N×N通道的MEMS光開關模塊實施例輸入光經過轉動後的反射鏡反射後的輸出光路示意圖。

圖中標號：1、盒體，2、第一MEMS晶片，21、MEMS晶片轉接件，22、轉接電路板，23、晶片基座，24、反射鏡片，3、第二MEMS晶片，4、第二N芯準直器，41、輸出光纖，5、第一N芯準直器，51、輸入光纖，52、準直器基座，6、基板，61、基板基座。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明。

本N×N通道的MEMS光開關模塊實施例為8×8通道的MEMS光開關模塊，如圖1至3所示，兩個相同的MEMS晶片和兩個相同的8芯準直器安裝於同一基板6上，處於相同的高度。本例MEMS晶片含有8個微型反射鏡片，8個鏡片在同一平面上排布為2×4矩形陣列，與8芯準直器8根光纖的2×4陣列相配合。

本例兩個8芯準直器互相平行，其一為第一8芯準直器5，其8根光纖為輸入光纖51，配合輸入光纖51的8個透鏡排布為平面2×4矩陣，該平面與基板6垂直；另一為第二8芯準直器4，其8根光纖為輸出光纖41，配合輸出光纖41的8個透鏡排布為2×4平面矩陣，該平面與基板6垂直。兩個8芯準直器的透鏡平面相互平行。

本例兩個MEMS晶片的鏡片安裝平面垂直於基板6且相互呈90°夾角，分別為第一MEMS晶片2和第二MEMS晶片3。第一8芯準直器5的透鏡矩陣平面與第一MEMS晶片2的鏡片安裝平面相對，二者的交角為45°角，第一8芯準直器5的每個透鏡與第一MEMS晶片2的一個鏡片正相對。第二MEMS晶片3的鏡片安裝平面與第二8芯準直器4的透鏡矩陣平面相對，第二8芯準直器4接收第二MEMS晶片3的鏡片反射的光束，第二8芯準直器4的透鏡矩陣平面與第二MEMS晶片3的鏡片安裝平面間交角為45°角。第一MEMS晶片2、第一8芯準直器5和第二MEMS晶片3、第二8芯準直器4呈左右對稱固定安裝於基板6上。

盒體1扣在基板6上包容安裝於基板6上的兩個MEMS晶片2、3和兩個N芯準直器5、4，盒體1與基板6固定連接，盒體壁上有輸入光纖51和輸出光纖41的過孔。

兩個MEMS晶片2、3的鏡片安裝平面夾角、第一MEMS晶片的鏡片安裝平面與第一8芯準直器5的透鏡矩陣平面之間的交角以及第二MEMS晶片3的鏡片安裝平面與第二8芯準直器4的透鏡矩陣平面之間的交角的誤差小於等於±0.1°。

第一MEMS晶片2和第二MEMS晶片3各固定於一個晶片基座23上，本例晶片基座23為LCC陶瓷基座，MEMS晶片採用貼片工藝與陶瓷基座固定，通過金絲鍵合實現電互連。

本例晶片基座23連接轉接電路板22，MEMS晶片轉接件21將轉接電路板22轉接固定於基板基座61，基板基座61固定安裝於基板6。

本例轉接電路板22為柔性電路板，MEMS晶片輸出的電信號經轉接電路板22引出。

如圖4所示，本例第一8芯準直器5和第二8芯準直器4各固定於一個準直器基座上，準直器基座經基板基座61與基板6固定。第一8芯準直器5輸入光纖的2×4陣列中的第一行第一列輸入光纖51導入的入射光經其第一行第一列的透鏡準直後，送出到達第一MEMS晶片2的反射鏡陣列的第一行第一列的鏡片24，控制該鏡片24的角度，使其反射光到達第二MEMS晶片3的第一行第一列的反射鏡，控制該反射鏡片，使第二次反射光到達第二8芯準直器5的第一行第二列透鏡，並由第一行第二列輸出光纖51輸出，實現光路切換。

圖5所示，第一8芯準直器5第一行第二列輸入光纖51導入的入射光，經其第一行第二列的透鏡準直後，到達第一MEMS晶片2的第一行第二列的反射鏡片24，控制該反射鏡片24轉動，使反射光到達第二MEMS晶片3的第四行第一列的反射鏡片，控制該反射鏡片轉動，使第二次反射光到達第二8芯準直器4的第四行第二列的透鏡，並由其第四行第二列的輸出光纖41輸出，實現光路切換。

圖4，圖5為部分光路演示，由此可見，本N×N通道的MEMS光開關模塊可由N根輸入光纖中的任意一通道導入光，通過控制兩個MEMS晶片反射鏡片的轉動，即可由選定的N根輸出光纖中的任意一通道輸出光，實現N通道的全通光。

上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型並非限定於此。凡在本實用新型的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護範圍之內。