CN111596412A - 基于阵列mems反射器的多芯光纤可编程多功能器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件。所述的器件包括阵列MEMS反射器基座、基座外壳、阵列MEMS反射器、偏转光窗外壳、准直微透镜阵列和输入输出光纤阵列和MEMS反射器控制驱动板。所述输入输出光纤阵列由至少两根N芯光纤(N为大于1的整数)和至少N根单模光纤组成。经过输入输出光纤阵列输入的光，经准直微透镜阵列准直，由阵列MEMS反射器偏转后被准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列输出。可实现的功能包括多芯光纤Fan‑in/out器件功能、多芯光纤开关功能、多芯光纤纤芯选通功能、多芯光纤交换器功能，具有体积小、响应快的优点，可广泛用于多芯光纤传感，光通信等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，属于光通信、无源光器件、多芯光纤器件和光纤传感技术领域。
(二)背景技术
当前，单根光纤传输容量已经出现瓶颈，进一步扩大容量的方案之一即是考虑将单一纤芯扩增到多个纤芯，因此对多芯光纤的研究引起了人们的关注。目前已经提出了几种不同类型的多芯光纤，并集中地进行了研究。这些研究不仅是针对大容量、长距离的应用，而且也关注大容量、短距离业务和大数据无源光网络***。近年来，随着互联网的崛起和普及，智能终端，物联网和云计算等新兴业务与应用的蓬勃发展，现代社会进入了一个信息***的时代，网络带宽需求日益增长。
以多芯光纤等为载体的新型空分复用技术充分地利用了“空间”这个维度，能够有效地提高单根光纤的传输容量并解决上述瓶颈问题，这在超高容量长距离光纤传输***中已经得到了验证并吸引了业界广泛的关注。微电子机械***(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能***，广泛应用于电子工程、信息工程以及生物工程等领域，其小结构尺寸，低插损，低串扰，长期稳定性等是重要的优点。
专利号为CN110441862A的专利提出了一种低***损耗的串扰抑制型多芯光纤分束器，是一种全光纤器件，熔接损耗较低，适用于高空间密度、多纤芯数量的多芯光纤的分束。但是该器件的缺点是不能够对多芯光纤的每个纤芯单一引出。
专利号为CN106019490A的专利设计了一种1*N通道的光开关模块，将光纤阵列和阵列透镜的多芯准直器均安装于管帽内。但是该器件的缺点是不能用于多芯光纤的光路切换，也不能用于多芯光纤的不同纤芯选通。
专利号为CN110868651A的专利提出了一种全光交换装置，包括外壳、光切换单元以及两组以上的输入准直器和输出准直器。采用机械控制方式实现全光交换装置的光路的切换，其不仅能够具有***损耗偏低、隔离度高、波长和偏振无关等特点，而且能够减小全光交换装置的体积和复杂度。这种器件能够实现标准单模光纤的间的光交换，但不能实现对两个以上多芯光纤的纤芯之间进行光交换，且仍然有较大的体积，不便于集成。
专利号为CN110658588A的专利提出了一种多功能光开关及其控制方法，包括输入光纤，耦合准直镜，离轴抛物镜，输出光纤。其专利是基于耦合准直镜与离轴抛物镜消像差光学特性，通过沿柱面中心轴旋转及移动离轴抛物镜，可实现中心轴与柱面中心轴同轴，面与离轴抛物镜焦点重合的圆柱面上任意位置输出光纤光束耦合，极大限度利用光开关输出耦合空间资源，降低光学耦合镜片数量及结构设计成本。当其缺点是主要适用于多种激光加工应用对光纤输出光束要求不同的单台光纤激光器多选项输出场合，不能实现对两个以上多芯光纤的纤芯之间进行光交换，同时，该多功能不是多个光器件功能的实现。
随着多芯光纤的发展以及传感技术的提高，通常一根多芯光纤的不同纤芯进行一些传感或者信息的采集，然后再对每个纤芯的信息单独分析，以避免不同信息的互相干扰，然后在对采集的信息进行统一分析处理，比如基于多芯光纤的三维形状传感技术，因此对多芯光纤的每个纤芯单一引出提出了巨大的现实需求。同时，基于多芯光纤器件的微型化，集成化，多功能化能明显的有效提高多芯光纤的使用。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件。
本发明的目的是这样实现的：
基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件如图1所示。所述的多芯光纤可编程多功能器件包括阵列MEMS反射器基座1、阵列MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6和多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板。可以对多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板的控制，以实现该多功能器件的各个功能，如多芯光纤Fan-in/out器件功能、多芯光纤开关、多芯光纤纤芯选通功能、多芯光纤交换器功能等。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的不同功能，由输入输出光纤阵列6中不同的光纤输入或者不同的光纤输出得到；经过输入输出光纤阵列6中输入光纤输入的光，经准直微透镜阵列5准直后进入偏转光窗4-1，随后被阵列MEMS反射器2反射回偏转光窗4-1后，由准直微透镜阵列5耦合进输入输出光纤阵列6中的输出光纤中。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的阵列MEMS反射器2由N(N为大于1的整数)片可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动的MEMS反射器组成阵列；每一片MEMS反射器都与其所对应的纤芯和准直微透镜的中心对准。阵列MEMS反射器2中的每一片MEMS反射器转动角度都可被多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板单独控制。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与阵列MEMS反射器2的基座1引出的针脚连接。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的准直微透镜阵列5由准直微透镜阵列基板5-2(基板中间间隔物未示出)和基板上面的准直微透镜5-1组成；每个准直微透镜5-1都与一个光纤纤芯对应，其能将光纤端出射的光准直为平行光入射到阵列MEMS反射器2，也能将阵列MEMS反射器2反射的平行光耦合进光纤纤芯。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6由一根位于阵列中心的N芯光纤7-1、围绕N芯光纤的至少一根N芯光纤7-2和至少N根标准单模光纤以及硬质套管组成，多芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中；多芯光纤纤芯数N的最大值取决于MEMS反射器2的最大偏转角和分布间距。多芯光纤纤芯距固定时，MEMS反射器2的最大偏转角越大，所述多芯光纤纤芯数N最大值越大；在MEMS反射器2的最大偏转角固定时，多芯光纤纤芯距越小，所述多芯光纤纤芯数N最大值越大。
所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
所述的基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件的多芯光纤Fan-in/out器件功能，由中心多芯光纤7-1输入可编程多功能器件的光信号，从多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后通过偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入对应的标准单模光纤；由多根标准单模光纤输入可编程多功能器件的光信号，从标准单模光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5分别耦合进入中心多芯光纤7-1的对应纤芯中。
所述的基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件作为多芯光纤开关功能时，由一根标准单模光纤输入多芯光纤开关的光信号，从标准单模光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后通过偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入中心多芯光纤7-1的一个纤芯。
所述的基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件作为多芯光纤选通器功能时，由输入输出光纤阵列6中心多芯光纤7-1的一根纤芯输入多芯光纤开关的光信号，从多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以一对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入一根单模光纤。
所述的基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件作为多芯光纤交换器时，由输入输出光纤阵列6中心的多芯光纤7-1各个纤芯输入多芯光纤交换器的光信号，从多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后通过偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入输入输出光纤阵列6对应的周围多芯光纤7-2的纤芯；由输入输出光纤阵列6周围的多芯光纤7-2的各个纤芯输入多芯光纤交换器的光信号，从周围多芯光纤出射后，立即经准直微透镜阵列5准直后斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1，再被阵列MEMS反射器2以分别以对应的偏转角度反射回偏转光窗4-1，再经准直微透镜阵列5耦合进入输入输出光纤阵列6的中心的多芯光纤7-1各个纤芯。
本发明的有益效果是：
1、器件集成度高，通过高度集成的器件，能有效的提高多芯光纤的纤芯密度。
2、基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，由于每片MEMS反射器都能单独进行调节，且受外界环境的温度湿度等影响小，因此能有效的长期保持各个纤芯通道的一致性或者特殊要求的差异，因此尤其适应于多芯光纤传感应用。
3、由于封装完成后，只需要调节阵列MEMS反射器的角度即可完成多芯光纤可编程多功能器件的制作，提升多芯光纤可编程多功能器件的成品率，且方便冗余设计，便于后期器件维护。
4、本发明能够实现基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，能用于多芯光纤的多芯光纤Fan-in/out、多芯光纤光开关、多芯光纤选通器和多芯光纤间的纤芯光交换，将四个器件集中于本发明的一个器件上，能够极大的丰富多芯光纤器件功能，缩小体积，提高器件的使用率。
(四)附图说明
图1是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件结构示意图。该实施例是以两根七芯光纤和七根标准单模光纤组成的输入输出光纤阵列6。图中标号为：阵列MEMS反射器的基座1，阵列MEMS反射器2，基座外壳3，偏转光窗外壳4，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列5，准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，输入输出光纤阵列6，位于输入输出光纤阵列6中心的七芯光纤7-1，七芯光纤7-1的纤芯7-1-1到7-1-7；位于周围的七芯光纤7-2，标准单模光纤8-1到8-7。
图2是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件的阵列MEMS反射器2结构示意图。图中标号为：MEMS反射器2-1到2-7。
图3是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件端面结构示意图。图中标号为：七芯光纤7-2的纤芯7-2-1到7-2-7。
图4是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件的七芯光纤Fan-in/out功能方案框图。
图5是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤Fan-in/out功能的一种纤芯光路对应示意图。
图6是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤Fan-in/out功能的工作光路图。
图7是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件的七芯光纤开关功能方案框图。
图8是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤开关功能的工作光路图。
图9是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件的七芯光纤交换器功能方案框图。
图10是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤交换器功能的工作光路图。
图11是基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件封装图。
图12是基于阵列MEMS反射器的双芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的横截面图；图12(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的双芯光纤可编程多功能器件；图12(b)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的双芯光纤可编程多功能器件；图12(c)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的双芯光纤可编程多功能器件；图12(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的双芯光纤可编程多功能器件。
图13是基于阵列MEMS反射器的三芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图14是基于阵列MEMS反射器的四芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的横截面图；其中图14(a)中的四芯光纤是中心对称四芯光纤；图14(b)中的四芯光纤是纤芯矩形分布的四芯光纤。
图15是基于阵列MEMS反射器的五芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
图16是基于阵列MEMS反射器的19芯光纤可编程多功能器件的输入输出光纤阵列6的横截面图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来说明本发明的工作原理，进一步阐述本发明。
实施例1：基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤Fan-in/out功能。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件结构示意图如图1所示，包括阵列MEMS反射器2、基座外壳3、偏转光窗外壳4、准直微透镜阵列5、输入输出光纤阵列6、MEMS反射器控制驱动板(未示出)。其中输入输出光纤阵列6包括两根七芯光纤和七根标准单模光纤。
制造MEMS反射器2的技术是公知的，优选的是具有较高性能的阵列MEMS反射器2，阵列中的每一片反射器都能单独控制的二维反射器，具有尺寸小，速度快，稳定迅速的特点。关于阵列MEMS反射器2，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图2阵列MEMS反射器2结构示意图所示的特殊的阵列MEMS反射器2分布形式，作为多芯光纤可编程多功能器件，为了匹配不同纤芯数的多芯光纤，阵列MEMS反射器2几乎和该器件使用的多芯光纤的纤芯分布保持高度一致，以减小阵列中不同的MEMS反射器2偏转角度，来保证所有的阵列MEMS反射器2保持在同一平面，以便采用阵列制造，能有效的降低批量制造难度和安装的难度。
在本实施例中，提供了如图1所示的准直微透镜阵列5，该准直微透镜阵列5可以利用平板刻蚀等技术进行精确的制造，具有直径小，焦距短的特点，这些准直微透镜5-1在一个准直微透镜阵列基板5-2上(中间间隔基板未示出)，基板可以是石英的，方便加工制作和安装。在安装准直微透镜基板5-2时，该基板是唯一限定的安装在偏转光窗内，同时，将基板上的准直微透镜阵列5精确的限定在了准确的位置。
关于准直微透镜阵列5，本发明有特别的特征，采用这些特征以产生本发明各较佳实施方式的优越性能。在本实施例中，本器件采用了如图1所示的特殊的准直微透镜阵列5分布形式，作为多芯光纤可编程多功能器件，为了达到匹配不同纤芯数的多芯光纤，保证从每一个多芯光纤中出射的光束都能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器2，然后从MEMS反射器2反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进标准单模光纤中；同时保证从每一根标准单模光纤中出射的光束都能通过一个准直微透镜5-1，并被很好的准直后射向MEMS反射器2，然后从MEMS反射器2反射出来的平行光束能通过准直微透镜5-1被耦合进多芯光纤的一个纤芯中的目的。因此准直微透镜阵列5必须和该器件使用的多芯光纤的纤芯分布，多芯光纤以及标准单模光纤的分布一一对应，才能实现多芯光纤和标准单模光纤的准直及耦合。
下面举一优选的参数来具体说明。
输入输出光纤阵列6横截面结构示意图如图1所示，硬质套管截面为圆形，光纤排列方式为矩形，七芯光纤和标准单模光纤如图所示为“田”字形分布，其中一根七芯光纤位于田字中心，其编号为7-1，其余的一根七芯光纤和七根标准单模光纤则分布在“田”字四周，其中的七芯光纤编号为7-2，七根标准单模光纤编号则从左上起分别为8-1到8-7，光纤与光纤之间的横纵间距均为100微米；选用的七芯光纤7-1纤芯分布示意如图1，编号从左下起分别为7-1-1到7-1-7，中间芯为7-1-4，中间芯7-1-4位于七芯光纤中心，其余六芯分布在正六边形的六个顶点，光纤直径125微米，纤芯距为35微米。在输入输出光纤阵列6横截面上，选取七芯光纤7-1的中间芯7-1-4为坐标原点，七芯光纤7-2所在方向为X轴正方向，标准单模光纤8-2所在方向为Y轴正方向，建立平面直角坐标系。此时七芯光纤和标准单模光纤各个纤芯的纤芯中心坐标如下表所示：
单位：微米
阵列MEMS反射器2中的每片MEMS反射器都能独立控制，如图2所示，且每片MEMS反射器有两个互相垂直的转轴，为了便于表述，将可编程多功能器件水平正放，水平方向的转轴为b轴，MEMS反射器向上转动规定为b轴正方向，此时b轴转动角度为正数，MEMS反射器向下转动规定为b轴负方向，此时b轴转动角度为负数；竖直方向的转轴为a轴，MEMS反射器向右转动规定为a轴正方向，此时a轴转动角度为正数，MEMS反射器向左转动规定为a轴负方向，此时a轴转动角度为负数。阵列MEMS反射器2的分布，与多芯光纤的纤芯分布严格对应，编号自从左下起为2-1到2-7。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件的基本工作流程如图4所示，具体来说是这么实现的。在启动可编程多功能器件后，选择多芯光纤Fan-in/out功能，也可以根据预设或者用户自行编好的程序读出多芯光纤不同纤芯需要对应的标准单模光纤，利用控制器控制接口匹配上提前校正预设的MEMS反射器2的偏转角度，输出对应的控制信号，传输至MEMS驱动板，MEMS驱动板根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至MEMS驱动板，驱动板根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至MEMS反射器2，控制每片MEMS反射器的偏转到各自预设好的角度。
如果该器件的功能是需要将多芯光纤的中的光信号单独引出到每个标准单模光纤，那么此时可以采用但不是唯一的一种引出方式是这样的，如图5所示。光路基本原理以可编程多功能器件的中轴剖面示意图为例，如图6所示。以七芯光纤7-1的上下芯为例，七芯光纤的上边芯7-1-5出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-5，经过MEMS反射器2-5的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤8-2中。七芯光纤7-1的下边芯7-1-3出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-3，经过MEMS反射器2-3的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤8-6中。
基于相同的原理，七芯光纤7-1的其他纤芯光路也是按照七芯光纤不同纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，标准单模光纤的路径传输。对应关系如下：
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度对应如下：
单位：度
如果该器件的功能是需要将标准单模光纤的光单独的引入到七芯光纤7-1中的不同纤芯，若按照图5的方式但不是唯一的对应方式时。对应关系如下：
基本光路以标准单模光纤8-1,8-4为例，标准单模光纤8-1出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，向阵列MEMS反射器2倾斜进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-2，经过MEMS反射器2-2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的边芯7-1-2中。标准单模光纤8-4出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，向阵列MEMS反射器2倾斜进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-4，此时为了保证更好的耦合，MEMS反射器2-4的偏转角度不同于之前同样对应关系的多芯光纤7-1到标准单模光纤的偏转角度，经过MEMS反射器2-4的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的中间芯7-1-4中。
基于相同的原理，其他标准单模光纤的光路也是按照标准单模光纤光纤到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器5，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，七芯光纤7-1的不同纤芯的路径传输。
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度由于光路的细微变化，对应如下：
单位：度
实施例2：基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤开关功能。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤开关功能是在基于实施例1的基础上的另一个功能，因此相应的参数同实施例1一致。基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤开关的基本工作流程如图7所示，具体来说是这么实现的。在启动七芯光纤可编程多功能器件后，选择多芯光纤功能，可以根据用户选择需要转换的通道信号，也可以根据预设或者用户自行编好的程序读出自动切换通道的信号，利用控制器控制接口匹配上提前校正预设的阵列MEMS反射器2的偏转角度，输出对应的控制信号，传输至MEMS驱动板，MEMS驱动板根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至阵列MEMS反射器2，控制阵列MEMS反射器2的偏转到该预设的角度。
该器件的功能是作为多芯光纤开关，需要将标准单模光纤的中的光信号发送到某根多芯光纤的一个纤芯时，以将标准单模光纤8-4的光信号发送至七芯光纤7-1的中间芯7-1-4时，光路基本原理以多芯光纤开关的横剖面示意图为例如图8所示。标准单模光纤8-4的纤芯出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的阵列MEMS反射器2，经过阵列MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的中间芯7-1-4中。再比如将标准单模光纤8-4的光信号发送至七芯光纤7-1的边芯7-1-7时。标准单模光纤8-4的纤芯出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的比刚才发送到中间芯7-1-4更大角度的阵列MEMS反射器2，经过阵列MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的上边芯7-1-7中。
基于相同的原理，标准单模光纤8-4的光信号发送至其他七芯光纤不同纤芯光路也是按照标准单模光纤8-4到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，任意七芯光纤的任意纤芯。为了完成标准单模光纤8-4到任意七芯光纤的任意纤芯切换的光路，若在偏转光窗的长度为2000微米时，此时到各个纤芯，阵列MEMS反射器2所需的理论偏转角度对应如下：
单位：度
如果该器件的功能是作为多芯光纤的纤芯选通器，则是将某一七芯光纤的某一纤芯的光信号引出到中心的标准单模光纤8-4中，因为在需要保证光功率，减小损耗的前提下，从标准单模光纤到多芯光纤的任一纤芯和从该多芯光纤的该纤芯到标准单模光纤的光路是有微小差异。以七芯光纤7-2的上下边芯为例，七芯光纤7-2的上边芯7-2-5出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的多芯光纤选通器对应角度的阵列MEMS反射器2，经过阵列MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入标准单模光纤8-4中。七芯光纤7-2的下边芯7-2-3出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设的多芯光纤选通器对应角度的阵列MEMS反射器2，此时MEMS反射器的偏转角度不同于之前的偏转角度，经过阵列MEMS反射器2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进标准单模光纤8-4中。
基于相同的原理，任意七芯光纤的任意纤芯光路也是按照该七芯光纤的该纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，标准单模光纤8-4的路径传输。为了完成作为多芯光纤选通器的功能，任意七芯光纤的任意纤芯到标准单模光纤8-4切换的光路，若在偏转光窗的长度为2000微米时，此时各个多芯光纤纤芯到标准单模光纤8-4，阵列MEMS反射器2偏转所需的理论偏转角度对应如下：
单位：度
实施例3：基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤交换器功能。
基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤交换器功能是在基于实施例1的基础上的另一个功能，因此相应的参数同实施例1一致。基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件七芯光纤交换器的基本工作流程如图9所示，具体来说是这么实现的。在启动七芯光纤可编程多功能器件后，选择交换器功能，可以根据用户选择的需要光交换的纤芯，也可以根据预设或者用户自行编好的程序读出需要光交换的纤芯，利用控制器控制接口匹配上提前校正预设的阵列MEMS反射器2的偏转角度，输出对应的控制信号，传输至MEMS驱动板，MEMS驱动板根据接收到的控制信号，转换为对应的驱动电压或电流，传输至阵列MEMS反射器2，控制阵列MEMS反射器2的偏转到该预设的角度。
如果该器件的功能是需要将输入输出光纤阵列6中间的七芯光纤7-1的中的光信号交换到周围的七芯光纤7-2的不同纤芯中，那么此时可以采用但不是唯一的一种交换方式是这样的，其光路基本原理以交换器的横切剖面示意图为例，如图10所示。以中间七芯光纤7-1的边芯7-1-2和中间芯7-1-4为例，七芯光纤7-1的边芯7-1-2出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-2，经过MEMS反射器2-2的反射，进入偏转光窗4-1的空间，通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-2的边芯7-2-7中。七芯光纤7-1的中间芯7-1-4出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-4，经过MEMS反射器2-4的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-2的边芯7-2-2中。
基于相同的原理，七芯光纤7-1的其他纤芯光路也是按照七芯光纤7-1不同纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，七芯光纤7-2的对应纤芯路径传输，完成多芯光纤的交换。完整的对应关系如下：
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度对应如下：
单位：度
如果该器件的功能是需要将输入输出光纤阵列6的旁边七芯光纤7-2中的光交换到输入输出光纤阵列6的中间七芯光纤7-1中的不同纤芯，其中一种交换的方式但不是唯一的交换方式时。对应关系如下：
如果该器件的功能是需要将输入输出光纤阵列6旁边的七芯光纤7-2的中的光信号交换到中间的七芯光纤7-1的不同纤芯中，那么此时可以采用但不是唯一的一种交换方式是这样的。以七芯光纤7-2的边芯7-2-1和中间芯7-2-4为例，七芯光纤7-2的边芯7-2-2出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-7，经过MEMS反射器2-7的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的边芯7-1-7中。七芯光纤7-2的中间芯7-2-4出射的光，经过准直微透镜5-1后，被准直为平行光，通过准直微透镜阵列基板5-2，斜向阵列MEMS反射器2进入偏转光窗4-1的空间，抵达已经偏转到预设角度的MEMS反射器2-3，经过MEMS反射器2-3的反射，进入偏转光窗4-1的空间，再通过准直微透镜阵列基板5-2，再被准直微透镜5-1耦合进入七芯光纤7-1的边芯7-1-3中。
基于相同的原理，七芯光纤7-2的其他纤芯光路也是按照七芯光纤7-2不同纤芯到准直微透镜5-1，准直微透镜阵列基板5-2，偏转光窗4-1，阵列MEMS反射器2，偏转光窗4-1，准直微透镜阵列基板5-2，准直微透镜5-1，七芯光纤7-1的对应纤芯路径传输，完成多芯光纤的交换。
为了完成上述的光路，若偏转光窗的长度为2000微米时，此时各片MEMS反射器的理论偏转角度由于光路的细微变化，对应如下：
单位：度
为了保证器件的良好工作状态，可以采用冗余设计，可以使单模光纤数量多于多芯光纤纤芯数。基于阵列MEMS反射器的七芯光纤可编程多功能器件封装完成后如图11所示，在完成器件封装后，可以利用在线监测的方式，校正各个MEMS反射器的偏转角度，以使器件达到最佳使用条件。
实施例4：基于阵列MEMS反射器的双芯光纤可编程多功能器件。
基于阵列MEMS反射器的双芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图12所示，原理同实施例1、2、3。图12(a)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的双芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6包含两根双芯光纤和七根标准单模光纤；图12(b)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为矩形排列的双芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6包含两根双芯光纤和七根标准单模光纤；图12(c)是一种采用圆形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的双芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6包含两根双芯光纤和五根标准单模光纤；图12(d)是一种采用矩形截面硬质套管且输入输出光纤阵列6中的光纤为三角形排列的双芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6包含两根双芯光纤和五根标准单模光纤。
实施例5：基于阵列MEMS反射器的三芯光纤可编程多功能器件。
基于阵列MEMS反射器的三芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图13所示，原理同实施例1、2、3，但是此种光纤可编程多功能器件是利用两根三芯光纤和七根标准单模光纤作为输入输出。
实施例6：基于阵列MEMS反射器的四芯光纤可编程多功能器件。
基于阵列MEMS反射器的四芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图14(a)所示，原理同实施例1、2、3，但是此种光纤可编程多功能器件是利用两根中心对称四芯光纤和七根标准单模光纤作为输入输出。基于阵列MEMS反射器的四芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图14(b)所示，原理同实施例1、2、3，但是此种光纤可编程多功能器件是利用两根纤芯矩形分布的四芯光纤和七根标准单模光纤作为输入输出。
实施例7：基于阵列MEMS反射器的五芯光纤可编程多功能器件。
基于阵列MEMS反射器的五芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图15所示，原理同实施例1、2、3，但是此种光纤可编程多功能器件是利用两根五芯光纤和七根标准单模光纤作为输入输出。
实施例8：基于阵列MEMS反射器的19芯光纤可编程多功能器件。
基于阵列MEMS反射器的19芯光纤可编程多功能器件，其输入输出光纤阵列6的横截面如图16所示，原理同实施例1、2、3，但是此种光纤可编程多功能器件是利用三根19芯光纤和29根标准单模光纤作为输入输出。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
Claims (8)
1.基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的多芯光纤可编程多功能器件由阵列MEMS反射器基座、阵列MEMS反射器、基座外壳、偏转光窗外壳、准直微透镜阵列、输入输出光纤阵列和多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板组成，经过输入输出光纤阵列中输入光纤输入的光，经准直微透镜阵列准直后进入偏转光窗，随后被阵列MEMS反射器反射后，由准直微透镜阵列耦合进输入输出光纤阵列中的输出光纤中，通过对多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板的控制，以实现该多功能器件的各个功能，如多芯光纤Fan-in/out器件功能、多芯光纤开关、多芯光纤纤芯选通功能、多芯光纤交换器功能等。
2.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述阵列MEMS反射器由N(N为大于1的整数)片可以沿两个互相垂直的转轴在一定角度内转动的反射器组成，每一片反射器都与其所对应的纤芯和准直微透镜的中心对准。
3.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述阵列MEMS反射器中的每一片反射器转动角度都可被多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板单独控制。
4.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的多芯光纤可编程多功能器件控制驱动板由控制器接口和MEMS驱动板组成，MEMS驱动板与阵列MEMS反射器的基座引出的针脚连接。
5.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的准直微透镜阵列由准直微透镜阵列基板和基板上面的准直微透镜组成，每个准直微透镜都与一个光纤纤芯对应，其能将光纤端出射的光准直为平行光入射到阵列MEMS反射器，也能将阵列MEMS反射器反射的平行光耦合进光纤纤芯。
6.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的输入输出光纤阵列由一根位于阵列中心的N芯光纤、围绕N芯光纤的N芯光纤和多根标准单模光纤以及硬质套管组成，多芯光纤和标准单模光纤固定在硬质套管中。
7.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的输入输出光纤阵列的光纤排列方式可以是三角形排列也可以是矩形排列、圆形排列；硬质套管截面可以是圆形截面也可以是三角形截面、矩形截面。
8.根据权利要求1所述基于阵列MEMS反射器的多芯光纤可编程多功能器件，其特征是：所述的多芯光纤可以是双芯光纤、三芯光纤等少芯光纤，也可以是密度更高、纤芯数更多的多芯光纤，如38芯光纤等。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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