（光学工程专业论文）用于光交叉连接的三维mems的研究.pdf

南京邮 也学院坝l 学位论文摘要 摘要 随着d w d m 技术的迅速发展，在高速光传送网中，光交换设备逐渐成为限制网络通 信速度的瓶颈，而基于微电子机械系统( m e m s ) 技术的光交叉连接设备被认为是未来高速 光网络中节点设备的首选。征是因此原因，论文对m e m s 的光交叉连接结构作了全面介 绍，并对三维m e m s 的光交叉连接结构的部分性能进行了研究和分析，最后，作者讨论 了基于三维m e m s 结构的光分插复用器在全光通信网中的应用。 论文主要包括以下内容： 在光交叉连接器的发展和市场调查的基础上，分析了光交叉连接器的研究前景，并介 绍了微电子机械系统( m e m s ) 技术特点和国内外研究和发展的现状，为下面m e m s 结 构的介绍做铺垫； 作者首先介绍了一维m e m s 和二维m e m s 结构及工作原理，说明了它们存在的缺点， 重点分析了三维m e m s 光交叉连接的结构和相关部件的参数，根据它的工作原理，讨论 了它应用在高速光网络中的优势； 建立了三维m e m s 结构中微反射镜倾斜的数学模型，分析计算三维m e m s 结构的交 换端口数，得出了光交叉连接可实现的交换容量，从电压与偏转角度的关系，计算最大驱 动电压，从数学角度论证了反射镜的转动过程，分析了交换时延； 用三维m e m s 结构的光交叉连接器构成了重构型的光分播复用器，分析它的工作原 理，并根据它在全光网络中的位置，分析在全光通信网中应用： 最后对整个文章进行系统的总结，并对未来的发展提出了展望。 关键词：微电子机械系统，密集波分复用，光交叉连接，光分插复用，重构型光分 插复用 南京邮电学院硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p me n to ft h et e c h n o i o g y0 fd w d m ，o p f c a is w i t c h i n g d e v i c ei sb e i n gab o t t i e n e c kf oi i m i tc o m m u n i c a t i n gs p e e dg r a d u a i l y o p f i c a c r o s s c o n n e c td e v i c eb a s e do nm i c r o e f e c t f 。m e c h a n i c a fs y s t e m s( m e m s ) l e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nb e l i e v e dt h a ti t i st h ef i r s tc h o i c ea san o d eo ff u f u r eo p t i c a n e t w o r kw i t hh i g hc a p a c i t y 0 na c c o u n to ft h er e a s o n ，f i r s l f y ，0 p “c a fc r o s s c o n n e c t a r c h i f e c t u r eb a s e do nm e m sh a sb e e ni n t r o d u c e de n t i r e i yi nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d l y ，t h ea u f h o rh a sr e s e a r c h e da n da n a i y z e ds o m ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a cr o s s c o n n e c ta r c h i t e c t ur eb a s e do n3 dm e l v l s a li a s t ，t h ea u t h o rd l s c u s s e st h a t o p t l c a la d d dr o pmu l l i p i ed e v i c eb a s e d3 dm e m sa r c h i t e c t u r e i su s e di nl h e a 1 卜0 d t l c a ln e l w o r k t h l sd i s s e r l a t i o ni n c l u d e sm a i n l yt h ef o | 1 0 w i n gc o n t e n t b a s e do nf h ed e v e l o p m e n la n dm a r k e lr e s e a r c ho f0 p l j c a lc r o s s c o n n e c i d e v i c e ，t h ef or e gr o u n do fo p l i c a lc r o s s c o n n e c td e v i c eh a sb e e na n a l y z e d t h e c h a r a c f e r so fm j c r o e i e c t r o m e c h a n j c a is y s t e m s( m e m s )a n df h er e s e a r g h j n g s i l u a t i o ni nn a t i o n a la n di n t e r n a 引o n a li n s l i t u t eh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c hi s p r e p a r e df o rf h ef o f i o w i n gs e g m e n t t h ea u t h ori n t r o d u c e st h ea r c h i l e c l u r ea n dt h e o r yo f1dm e m sa n d2 dm e m s a n de x p f a n st h e i rd i s a d v a n t a g e s f ti sm a i n f ys “j d i e da b o u tt h ea r c h i t e c f u r eo f 0 d t i c a ic r o s s c o n n e c tb a s e do n3 dm e m s a d d i t i o n a i i y ， 0 na c c o u n fo fi l s o d e r a l i o n a lt h e o r y ， i t i sd i s c u s s e dl h a to p t i c a fc r o s s c o n n e c ta r c h i t e c t u r e s a d v a n t a g e si nt h eo p t i c a ln e t w o r kw i l hh i g hc a p a c i t y 堕塞业鱼堂堕堡主兰鱼堡塞 一一一一一一一垫蔓 t h ea u t h o rc r e a l e sam a t h e m a t i cm o d e la b o u tm i c r o m ir r o r s t i | t i n gp r o c e s s a n dc o m o u l e s 睦ss w i t c hc a p a c i t yb a s e do nm a x i m a ip o r tc o u n t ，a n dc a l c u i a t e st h e m a x i r n a idr i v i n gv o i t a g eb yt h er e l a t i o n s h i po fv o l 【a g ea n dt i l ta n g i e m o r e 0 v e r ，t h e a u t h o rl e s t e st h er o t a t i o n a lp r o c e s so fm i c r o m i r r o r sb yl h em a t 卜1 e m a t i cm e a n s a n da n a i y z e ss w i t c hs p e e do fo p f i c a ic r o s s c o n n e c t t h ea p p i i c a t i o na b o u to p t i c a ia d d dr o pmu i t j p l e x i n ga r c h i t e c t u r eb a s e d0 n3 d m e m si 几t h eo d t i c a ln e t w o r k h a sb e e ne x p o u n d e d a fi a s t t h ea u t h o rs u m m a r i z e sl h ew h 0 1 ear t i c i e ，a n dv i e w st h ep r o s p e c to f 0 d t i c a ls w 1 c hj nt h ef u t ur e k e y w o r d s ： m l cr o e i e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ， d e n s ew a v e i e n g t h d i v i s i o nm u i t i p l e x i n g ，0 p f i c a lc r o s s c 0 n n e c t ，o p t i c a ia d dd r o pm u i t i p i e x i n g r e c o n 引g u r a b l e0 p t i c a ia d dd r o pm u i l i p l e l n g i i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 y7 6 5 3 0 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名：硷盘日期：丝! ：生 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：盗丝 导师签名： 南京邮电学院硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着密集波分复用( d w d m ) 系统在远程传输和城市网络中的快速推广应用，每根光纤 可以复用4 0 个波长，每个波长可承载4 0 g b s 的信息，单根光纤的信息传输速率可达 1 6 t b s 。在如此高速的通信网络中，势必对网络交换节点提出了更高的要求。光交叉连 接设备的交换端口必须成百上千个，而且要有良好的扩展性，才能满足未来网络发展的需 要 1 。在未来的太比特率通信网，只有使用全光交换技术才能满足网络容量的要求。应 用于光交换中三维m e m s 技术就是一种典型的全光交换技术。 微电子机械系统( m i c r o e 1 e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) ) 代表了一种未来改 变整个工业和带来下一次技术革命的不平凡技术，有人认为m e m s 技术将是一次新的工业 革命。基于m e m s 技术的器件代替一般的传感器和体激励，在微米范围内产生相同效果， 同时可以进行大批量生产。它可降低成本、体积、重量、功耗，在性能，生产批量。功能 性上可提高几个数量级。 另外， i e m s 技术应用广泛，可以普遍应用于多种领域，包括遗传和疾病测试、制导 和导航系统，功率产生，网络通信，r f 器件( 特别是蜂窝电话技术) 、军事系统、生物和 化学添加剂的检测和数据存储。由于目前m e m s 技术的研究仍不够完善，所以产品仅局限 于少数几个领域。基于m e m s 技术的三维空间光交换系统就是在通信领域很好的应用。 基于三维m e m s 技术的光交换系统是一种可实现光信道大规模交叉连接的交换系统， 它具有上千个交换端口，可以实现上千条光路同时进行交换，适合大容量通信的要求。如 果这种元件能使光信号无损耗的在通路上前进和转向，那么从理论上讲，信息就可以以光 速进行处理。然而基于m e m s 技术采用静电驱动的光交换设备在传输和交换信息时，需要 通过电信号来控制光信号的转向和交换，通信速度仍然超不过半导体。虽然m e m s 光交换 器在通信速度上没有优势，但是它具有良好的扩展性，与通信协议无关，对波长信号透明 传输的优点，这些特点正是未来的全光网络中节点设备所需要的。m e m s 的前景正越来越 吸引新老企业的目光，有关m e m s 存在的问题也越来越多的得到解决。 本章首先从市场的角度分析光交换技术的发展和设备的需求，说明采用m e m s 技术的 光交换器有着良好的市场前景。接着初步介绍了m e m s 的技术特点、制造工艺和研究课题， 然后介绍国内外新型光交换器的发展现状，最后介绍本课题的研究意义和本论文各章的主 1 南豪邮电学院删上学位论文 第一章绪论 要内容，并概括地给出本文的研究工作和成果。 1 2 光交换技术的发展和设备的市场调研 在光通信界，全光网络是最热门的课题。目前我国国内的电信市场，网上传输的数据 业务流量已大大超越了传统的话音业务：同时由于i n t e r n e t 、电子商务、数字音频、视 频分布业务的飞速发展，用户对网络带宽的需求越来越大，这对现有的电信传输网络带来 了巨大的带宽压力。专家估计，我国骨干网带宽需求按每年5 0 的速度增长，这种需求也 给器件生产商、设备供应商以及网络运营商带来了无限的商机，同时也面临巨大的挑战。 目前光交叉连接设备大多仍采用基于电路交换的交叉连接设备，这种元件性能稳定， 控制方便，但在核心网络中无法满足高交换密度和容量的要求，不能适应未来的通信网络。 为了占领市场，国外许多著名的生产厂商正在开发各种新型光交叉连接( o x c ) 设备，其 中最引人注目的就是用微机电系统( m e m s ) 技术开发的o x c 设备。m e m s 技术使用了i c 制 造技术，可以实现低成本的生产。可以把模拟的、数字的微电子器件集成在一块芯片上。 - e m s 光开关可以实现大容量的光交换，对波长和数据格式透明，满足网络未来的升级要 求，而且具有体积小，集成度高的优点，能像集成电路那样大规模生产 2 。 目前m e m s 技术在光通讯产业中的率先应用是在光交换机和相关元件。随着全光网络 的兴起、发展，经济信息化过程加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需 求猛增，对基于m e m s 的光交换器需求也将会迅速增长。据工研院经资中心i t i s 统计 3 ， 2 0 0 3 年全球二维m e m s 光交换器的销售量超过1 5 万颞，三维m e m s 光交换器超过1 5 0 0 颗， 而在2 0 0 1 年二维m e m s 光交换器件的销售量只有5 5 万颗左右，三维光交换器的销售量不 到1 0 0 颗。据通讯工业研究者公司( c i r ) 统计 4 ，尽管当前电信消费仍处于低迷期，希 望销售光纤刀关子系统和元件的公司仍按照2 0 0 5 年美国市场将从增长到1 1 亿荧元的估计 来调整其未来方向。 因此可见，由于光通讯市场的巨大需求，形形色色的m e m s 工艺技术也应运而生，m e m s 技术在此领域将得到更广泛的应用，将成为带动光通讯产业技术进步的关键技术之一。对 于m e m s 工艺技术而言，最大的挑战并不是推出精巧与众不同的设计，而是如何将整个的 生产制造流程简化，缩短批量生产所需的时间以及提高成品率。 光网络市场的扩大，导致新型光交换器技术的发展和市场的崛起。由于光网络通信量 的持续发展，传统的基于电路交换的交换器件已经无法适应当前通信网的要求，研究新型 2 堕皇! ! ! ! ! 皇兰堕堡主兰垡笙塞笙二童堕堡 的高传输速度的光交换器件已成必然，光交叉连接器在光传送网中发挥着至关重要的作 用。这种前景，将为光交叉连接器生产厂商带来诱人的市场机会。 1 3m e m s 的技术概述 1 3 1m e m s 的主要技术特点和发展目标 m e m s 技术的英文全称是：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，一般也称作微机电系 统技术，其含义是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理 和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。m e m s 是随着半导体集 成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的 2 4 1 。 m e m s 技术的特点主要是： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密 度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或 完整的m e m s 。批量生产可大大降低生产成本。 4 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成 于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成 复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的 m e m s 。 5 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学 和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 m e m s 发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统， 开辟了一个崭新技术领域和产业。m e m s 可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也 可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。】i l e m s 在工 业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领 域有着潜在的巨大应用前景。目前，m e m s 的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境； 正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化：还在萌芽的有：家用安全、化学配药和 食品加工。二十一世纪m e m s 将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物 1 南京邮电学院硕：l 学位论文第一章绪论 工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响 5 6 4 0 。 1 3 2m e 惦的主要制造工艺介绍 目前，m e m s 的主要制造工艺可分为三类：表面机械加工工艺，体微机械加工工艺和 软x 射线深层光刻电铸成形技术。这些工艺都是在制作集成芯片的光刻技术的基础上发展 起来的 7 2 6 4 1 。 表面微机械加工工艺是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下面 的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。表面微加工不同于体加工，它不 对基片本身进行加工。在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择地保留或去除以形成所需的 图形。表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。薄膜( 主要是多晶硅、 氧化硅和氮化硅等) 微器件提供敏感元件、电接触、结构层、掩模层和牺牲层。牺牲层的 刻蚀是表面微加工的基础。牺牲层是指做在淀积的图形材料层下的可溶解的淀积薄膜，通 常是二氧化硅，它可用湿法进行刻蚀。牺牲层被刻蚀后，留下的是无支撑的薄膜结构。图 1 1 是表面微机械加工过程示意图。首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层( 例如s i o 。) ，如 图i 1 ( a ) 所示；然后淀积结构层( 例如多晶硅) 经光刻得到微结构图形，如图1 1 ( b ) 所示。对此进行湿法刻蚀，把牺牲层s i 0 。去除，便可得到无支撑的微结构 8 。 l ( b ) 微结构 ( c ) 图1 1 表面微机械加工过程示意图 微结构层 ( 多晶硅) 体微机械加工技术与表面微加工技术都是基于原先制造集成微电子体系的技术，用于 制造固态传感器、执行器和微机电系统。体微加工技术是为制造微三维结构而发展起来的， 郎按照设计图形在硅片( 或其它材料) 上有选择地去除一部分归材料，形成微机械结构， 它是m e m s 技术中最成熟的，已广泛用于硅微加速器，并用于流体传感器、墨水喷嘴和微 4 南京| | | | ：l u 学院硕 j 学位论文第一章绪论 阀等。制造集成微电子体系的技术主要包括：晶体生长与制造基片、薄膜制备、光刻、刻 蚀和切块、封装等。 体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法两类刻蚀法。对于硅片，鉴于其 在多晶或单晶( 具有不同的晶像) 或其他环境下在刻蚀液里具有不同的刻蚀力，因而刻蚀 分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是指刻蚀时，刻蚀速率在各个方向相同。 各向异性刻蚀的刻蚀速率与多方面的因素有关。对硅片的( 1 0 0 ) 面的刻蚀速率可以在它 的( 1 1 1 ) 免得高1 0 0 倍。也可以采用掺杂法( 重掺杂区的刻蚀速率相对来说要小得多) 和电化学止停刻蚀法( 刻蚀将在p n 结不同极性区停止) 进行有选择性的刻蚀。许多微机 械结构均须将硅片刻蚀出深腔，形成隔膜。图1 2 示出了体微加工工艺制造的硅压力传感 器 8 。 ( i o o ) 晶面上的隔膜 n - 型处延层( 中止p n ) p ，型 s i 基片 ( 1 1 1 ) 晶 图1 2 体微加工工艺制造的硅压力传感器中的硅隔膜 软x 射线深层光刻电铸成形技术l i g a ( l i g a 是德文l i t h o g r a p i e ( 光刻) 、 g a v a n o f o r m u n g ( 电铸) 和a b f 。r m u n g ( 塑铸) 三个词的缩写) 是x 光深度光刻、微电铸 和微塑铸三种工艺的有机结合，是利用短波段高强度的同步辐射x 光制造三维微器件的先 进制造技术。l i g a 技术被认为是最佳高深宽比的微加工技术，加工深度高达1 0 0 0 微米， 加工宽度为几微米，且可实现微器件的批量生产 8 9 。 1 3 3m e m s 的研究课题介绍 当元件表面微观尺寸达到纳米级时，已超出了宏观理论极限，而进入介于宏观和微观 之间的所谓“介观”领域，在微观结构以及微观表面会发生许多特殊的非经典物理现象。 5 堕塞业皇兰堕塑：! 兰竺堕苎 墨= 翌堕堡 因此，研究纳米状态下的客观规律成了重要的研究课题。国外为此开创了纳米电子学、纳 米材料学、纳米机械学、纳米制造学以及纳米测量学等高技术领域。m e m s 技术是种典 型的多学科交叉的前沿性研究课题，他几乎涉及到自然和工程科学的所有领域，如电子技 术、机械技术、物理学、生物医学、化学、材料科学、能源科学等。m e m s 技术的研究方 向主要有以下几个部分： 1 理论基础：随着m e m s 尺寸的缩小，有些宏观的特性发生了改变，很多原来的宏观理 论都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦等等。 2 ， 技术基础：为了制作m e m s 系统需要开发、研究许多新的设计、工艺加工( 高身宽比 多层微结构) 、微装配工艺、微系统测量等技术。 3 应用研究：人们不仅要开发制造m e m s 的各种技术，更重要的是如何将制成的m e m s 器件用于实际系统中，并从中受益。目前可以预见的应用领域可以包括汽车、航天航 空、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、消费品及国防等。 1 4 国内外关于m e m s 结构的0 x c 器件的研究现状 九十年代朱，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的光交叉连接器 ( 0 x c ) ，其中部分设备已经过现场实验，并取得很大成功。o x c 作为全光网络中的交换节 点，研制开发0 x c 设备己成为通信领域的热点之一，美国、日本以及欧洲的少数著名公司 已经完成了o x c 传输设备的一些现场实验，在系统与网络间的兼容性、o x c 设备的级联特 性、系统的保护倒换能力、网络管理等方面取得了不少成功的经验。法国阿尔卡特研究中 心在1 0 0 。公里的无色散位移光纤上用w d m 传送方式对无代价的o x c 级联进行了实验，速 率为2 5 g b p s ，实验中采用3 个4 x4 的8 信道o x c 设各；2 0 0 0 年，美国世界通信公司建 成了第一条o x c 运行网络，该网络是美国3 家公司联合进行的现场试验，。此o x c 网络为多 模系统，可接收7 2 个收发往返信号，提供1 0 0 m s 的交换，插入损耗小于2 5 d b 。 构成o x c 结构的方式很多，但关键在于开发先进的光器件，包括光交换器件和光波长 转换器件。可实现光交换的器件有很多种，根据不同的光交换原理，光交换可分为：m e m s 光交换、热光交换、电光交换和声光交换。在光波长转换方面有用a m 无源器件、波长可 选择激光器的光一电一光转换器件以及利用四波混频效应的半导体激光放大器( s 0 a ) 实 矗 南京邮电学院硕十学位论文第章绪论 现光一光转换的全光波长转换器件等。随着新技术的发展，将会有更多类型的光交换器出 现。基于微电子机械系统的光交换器在交换吞吐量、响应速率、可靠性、集成规模等方面 具有无可比拟的优越性，因而成为目前研究的热点。 m e m s 是由半导体材料，如s i ，g e 等，构成的微机械结构。它将电、机械、光集成为 一块芯片，能透明的传送不同速率、不同协议的业务。它的基本原理就是通过静电或磁电 的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输出光的传播方向。m e m s 既有机械光交 换的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导光交换的高交换速度、 小体积、易于大规模集成等优点。+ 基于m e m s 的光交换技术的解决方案已开始应用于骨干 网和大型交换网。 典型的m e m s 光交换器分为二维和三维结构，基于镜面的二维m e m s 器件由受静电控制 的二维微反射镜阵列组成，并安装在硅材料的底座上。准直光束通过微反射镜的适当旋转 被接到适当的输出端，微铰链把微反射镜铰接在硅底板上，微反射镜可以在两个状态上转 换。转换状态通过s d a 调节器( s c r a t c hd r i v ea c t u a t o r ) 调节使微反射镜发生转动，当 镜予为水平时，可以使光束通过微镜，而不发生反射，当镜子旋转到与硅底板垂直时，它 将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜子对应的端口输出。 二维m m s 光交换器需要2 个反射镜来完成个自由空间的光交叉连接，镜子只 有两个活动状态，其控制电路比较简单，可以t t l 驱动器和电压变换器来提供镜子活动所 需的电压。但对于大端口数量的交换，所需要的镜子数量太庞大，不适合未来高速率的通 信网络 1 0 。 三维m e m s 光交换器的镜面可以向任何个方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输 入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端 口。镜面的位置控制的非常准确，达到百分之一度。三维m e m s 阵列可能是大型光交叉连 接的正确选择，特别是当波长带从根光纤交换到另一根光纤上。三维m e m s 主要靠2 n 个微镜阵列完成两个光纤阵列的光束空间连接 1 0 1 8 2 3 2 8 3 2 。 年前o m m 公司在一个无人值守的端局内的现场试验第一次演示了基于m e m s 子系统 的光交换机成功地传送了业务数据流。现场试验提供了一套包括4 4 和8 8 全光交叉连 接交换机的光交叉连接子系统。这次试验是由美透明光网络联盟( n t o n c ) 主持，n t o n c 包括北电网络、g s t 电信公司、s p r i n t 通信公司、l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室和b a r t 公司等。在整个试验过程中光交换机的工作都很正常。据了解，目前业界已经有超过5 0 家制造商展示了这方面的技术和产品。如美国朗讯( l u c e n t ) 科技公司分离出来并独立的 塑室业堕兰堕堡主堂垡笙苎 笙二! 堕丝 美国a g e r es y s t e n s 公司演示了通道数为6 4 6 4 的3 维反射镜型光开关。该公司从2 0 0 1 年第2 季度开始提供工业样品，而第3 季度开始提供量产品。该产品的切换时间为l o m s 。 l u c e n t 公司己研制出了1 2 9 6 1 2 9 6 端口的m e m s 光开关，其单端口传送容量为1 ，6 t b s ( 单 根光纤复用4 0 个信道，每路信道传送4 0 g b s 信号) ，总传送容量达到2 0 7 p b s 2 0 2 2 。 c a e n tn e t w o r k s 公司的d i a i i l o n dw a v e2 5 6 2 5 6 三维m e m s 光交换机的插入损耗一般约 为1 5 分贝，最大为3 d b 4 2 。北电网络公司以3 2 5 亿美元收购了美国x r o s 公司。该公 司拥有优秀的光交换技术，其光交换系统可交换1 1 5 2 个波长的业务，并突破了光交换设 备1 0 0 0 个端口的门限，而且对速率协议透明，允许高带宽数据流透明交换，无需光电转 换，交换时间小于5 0 m s ，其微镜的控制精度达到百万分之五度。目前制作的m e m s 光交换 器主要的光学参数如表卜l 所示 1 9 。 表卜1m e m s 光交换器的主要光学参数 插入损耗 4 0d b 回波损耗 3 0d b p d l a ) ，所 以，我们可近似认为l 约为2 0 0 m m 。 由于平面镜的偏转临界角见= o | 2 2 4 5 弧度，反射光线偏转的i l 各界角2 以= 0 4 4 9 弧度。 入射光线经底板l 反射到底板2 ，在底板2 平面上扫过的水平范围西： ：2 上吼5 2 0 0 0 4 4 9 2 8 9 8 帆 ( 3 1 5 ) 比较底板长度a 的尺寸， a ，即经底板l 上反射镜反射的光线扫过的水平范围超过底 板的宽度。当两块底板上均放置1 2 2 5 个反射镜时，底板1 上的每块平面反射镜都可以反 射到底板2 上的任意一块镜子上。因此，从镜子偏转临界角上分析，镜子的偏转角度可以 达到1 2 2 j 块反射镜矩阵中的任一块，实现交换的功能。设由上述m e m s 结构构成的光交叉 连接结构输入输出端口每块反射镜均与每根光纤耦合连接，每根光纤复用4 0 个波长，每 个波长承载4 0 g b s 光信号，则交换容量可达c ： c = 4 0 g 6 5 4 0 x 1 2 2 5 = 1 9 6 p 6 5( 3 1 6 ) 基于三维m e m s 的光交叉连接结构发展迅速，目前国外已经成功研制出的三维m e m s 交 叉连接结构的交换端口可达1 2 9 6 个端口，他可以交叉连接的光波长范围在 1 3 0 0 n m 一1 6 0 0 n m ，交换容量达到2 0 7 p b s 。他们为了让三维m e m s 的光交叉连接器达到更 大的交换端口，在两组反射镜阵列中安放了光学透镜，增加了反射光线的移动范围，但同 南京邮电学院硕士学位论文第三章基于三维m e m s 结构的光交叉连接器的性能分析 时也增加了制作成本和精度要求 2 0 。 3 3 最大驱动电压( v 。) 由3 4 所示，当阡，c = o 8 7 1 时，电极与镜片之间所施加的电压达到最大临界值。从图 3 5 中得知，对于1 2 2 5 个交换端口的光交换器，并非每个端口间的交换所需的最大电压 都达到临界值，仅当底板l 上顶部的平面反射镜偏转一个角度，使反射角度从底板2 的项 部移到底部，此时镜子的偏转角度才达到该交换器的最大值，而所旌加的电压也相应达到 最大，其他中间部分反射镜间交换所需的转角和所施加的驱动电压，则并非也要达到其最 大值。 由第一节中得知，1 2 2 5 1 2 2 5 的光交叉连接结构中镜片所能达到的最大偏转角见，： 见，= 3 5 4 0 0 2 0 0 8 7 5 弧度 ( 3 1 7 ) 由式( 3 1 4 ) 得 口。= 0 ，1 7 5 弧度 ( 3 1 8 ) 从式( 3 1 3 ) 和图3 4 可求出 = o 5 6 7 6 ( 3 1 9 ) 由式( 3 1 2 ) ，得出其电压的计算公式为： 州等爷2 z 。， 其中，r = 5 0 0 u m d = 2 5 0 u m k 一偏转倔强系数 肛，m = o 5 6 7 6 o = 8 8 5 1 0 一1 2 从文献 2 5 】中得知，k 的计算公式为： 彭= 学 ，一詈丢t 劬学) c s z ， 从第二章第三节得知： 查室塑垒兰壁堡兰：兰竺笙塞 蔓三兰墨量兰堡坚! 坚! 堕塑箜垄窒墨垄鳖壁箜丝! ! 坌堑 h 一悬梁臂的厚度( h = 3 u m ) t 一悬梁臂的宽度( t = 1 2 u m ) f 一悬梁臂的长度( ，= 1 0 0 u m ) g 一悬梁臂的弹性模量( g = 5 1 0 7 n m 2 ) 经过计算得出， k = 1 6 8 4 x 1 0 “n + m r a d 把上述参数代入( 3 2 0 ) 式，从而得出， 吃z 1 6 4 v 因此，1 2 2 5 1 2 2 5 的m e m s 三维光交换器所需最大驱动电压为1 6 4 伏。国外研究机构 在采用三维m e m s 结构的光交叉连接器实现大容量交换时，所施加的最大电压在】5 0 伏一2 0 0 伏范围内。 1 1 3 。 3 4 交换时延( t ) m e m s 光交换器的交换时延就是指从平面反射镜受静电力作用开始转动起直到镜子趋 于稳定的一段时间间隔。时延的大小直接体现着交换器交换速度的快慢，也是在设计光交 换器不可忽略的一项重要性能。在某些应用领域，比如通讯、军事、医学等等，选择交换 器的关键就是交换器的交换速度。m e m s 光交换器由于采用的是机械式的光交换技术，所 以，在交换时延( 或交换速度) 上并不是它的优势。随着新材料的不断涌现和工艺技术的 不断改良，m e m s 光交换器能逐渐被应用到高速交换的应用领域。下面对m e m s 三维光交换 器的交换时延进行计算。 平面反射镜偏转的物理模型如图3 6 。 南京邮电学院硕士学位论文第三章基于三维m e m s 结构的光交叉连接器的性能分析 图3 6 平面反射镜偏转的物理模型 图中，当受外力作用时悬梁臂形变力矩与镜子偏转角度臼成正比，k 是比例系数( 也 可以认为是悬梁臂形变的倔强系数，单位- m m d ) ，r 表示镜子的半径，i 表示镜子的 转动惯量，e 为电极与镜子之间的电场强度，q 为电极与镜子所带的电荷量，x 表示镜面 上任取一点距离镜面中心的距离，臼表示镜子转动任意一个小角度，d 为镜子水平时与电 极之间的距离，民为空气中介电常数。为了方便，我们考虑镜子所受的粘性阻力矩p 与 镜子角速度成正比，即 p ：加：厂掣 ( 3 2 2 ) 日f 其中， f 一比例系数 卯一镜子转动角速度 由刚体力学知识，镜子转动惯量i ： ，= 二卅r 2 ( 3 2 3 ) 4 其中， m 一平面反射镜的质量 从图3 6 中分析得出，微平面反射镜的转动过程如下：初始状态时，微反射镜处在水 平位置，与反射镜两端相连的悬梁臂未发生形变，所受的总力矩为o 。当左边电极上施加 了一定的电压( 这里我们考虑电极电压的增加是阶跃性的) ，反射镜受到电极的静电力吸 引，此时镜子所受的总力矩为逆时针方向的静电力矩，镜片绕中心轴逆时针转动，同时悬 梁臂发生形变，抵抗静电力的吸引，微镜子受到与转动方向相反的悬梁臂的应变力和空气 中的粘性阻力作用，但镜子所受的总力矩方向仍为逆时针方向，镜子的转动角速度增大： 随着镜子的偏转角度和转动角速度增大，悬梁臂的应变力和在空气中转动所受的粘性阻力 相应增大，当镜子偏转到一定的角度后，镜子所受的总力矩方向改为顺时针方向，镜子的 3 t d 上 塑塞些皇兰堕堡主兰望笙奎 蔓三童薹王三丝塑塑丝塑箜垄奎墨垄塑堡塑墨! ! 坌堑 转动角速度减小，直至降为0 ，此时镜子所受的总力矩方向为顺时针方向，镜子改向顺时 针方向转动，同理镜子转动到一定角度后，所受的总力矩改变方向，镜子减速，直至为0 ： 反射镜经过几个来回的振荡后，趋于平衡，稳定在一个偏转角度上。镜子的转动过程可以 认为是一个带阻尼的振荡过程。 通过上述分析，我们利用刚体绕定轴转动定理： m = 船( 3 2 4 ) 其中， m 一镜子所受的总力矩 i 一镜子的转动惯量 口一镜子的转动角加速度 当镜子转动角度口时， m ：7 1 一足口一厂皇旦( 3 2 5 ) 其中， t 一镜子所受的静电力矩 k 口一镜子所受到的悬梁臂应变力矩 ，霉一镜子所受的粘性阻力矩 “f 卢= 害 ( 32 6 ) 把( 3 2 5 ) 、( 3 2 6 ) 代入( 3 2 4 ) ，从而得到平面反射镜转动的动力学微分方程为： ，堡：丁一k 口一厂塑( 3 2 7 ) d zd t 式( 3 9 ) 代入式( 3 2 7 ) 得 ，害呐y2 南a x + 压需斗肌厂警c s z s ， 令z = 委，口= 鲁口 式( 3 2 8 ) 化简后得 窘= 譬 f _ 0 南d z + f 。，焉斗争手警 z 。， 我们讨论搿与时间t 的关系，而等式( 3 2 9 ) 是关于口、t 的微分方程，所以，( 3 2 9 ) 南京邮电学院暖士学位论文第三章基于三维m e m s 结构的光交叉连接器的性能分析 式中右边各项中的系数( 包括鱼，等，等) 均与口、t 无关，可以看作常数，微分 方程化为： 窘竭旷南乩，焉十妒g 鲁姐。， 其中， c ，：三芝里 i d i c ：墨 ， ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) c ，= 等 ( 33 3 ) 我们假设电极上施加的应用电压v ：1 2 0 伏，镜子偏转过程中，镜子的初始状态为 口1 仁o = o 粤h ：o 曲j 。 叫。= 1 2 0 伏( 在交换过程中，电压保持不变) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) 由于( 3 3 0 ) 的微分方程不是一般的微分方程( 定积分中含有微分变量) ，无法求出 微分方程的解析解，但可以使用四阶龙格一库塔公式 2 7 来求( 3 3 0 ) 微分方程的数值解， 并利用数学工具( m a t l a b ) ，画出口随时间t 的变化益线。根据微分方程( 3 3 0 ) ，我们可 以模拟出微反射镜在施加电压后的转动过程。 为了减少篇幅，我在此略去高阶微分方程龙格一库塔公式的原型，详细推导大家可参 考附录。这里直接给出( 3 2 1 ) 化简后的龙格一库塔公式： 其中， 目：旦口 舻虿( 3 3 7 ) ，弧慨+ 铷屿坞) “” 吼+ l = 仉+ 尝0 l + 2 工：+ 2 厶+ 工4 ) o 南京邮电学院f i ! i i 士学位论文 第三章基于三维m e m s 结构的光交叉连接器的性能分析 f ( a 。， 帕咱矿南吼，焉十印。 三i = f ( 口。， 三：= f c 口。+ 尝妒。， 如砸。+ 和+ 等 l = f ( + + 等上：，+ 地) h 为离散时间t 的步长， 利用关系式：口：墨口 d 我们画出偏转角度口与时间t 的关系曲线如下图 图3 7 施加应用电压后，镜子偏转角度a 随时间t 的变化曲线 3 6 833 l 一 一2 十 矗卜： 0 南京邮电学院硕士学位论文第三章基于三维m e m s 结构的光交叉连接器的性能分析 鞘竖k 黑瓣秽缢鬓 弋毫雾需尸磊 。电极i 从图3 7 中可以看出，在电极上施加应用电压后，微反射镜的偏转角度臼和偏转角速 度甜都从o 开始增加，从图3 8 可知，镜子开始向逆时针方向转动时，偏转角度增大。当 镜子偏转角度伊为吼( 镜面平衡位置，从图3 7 可知，岛= 0 0 4 3 r a d ) 时，偏转角速度国达 到最大，随后，偏转角速度开始减小，当镜子偏转角臼为o 0 6 4 r a d 时，目达到顶峰，逆 时针方向的偏转角速度印降为o ，镜子开始向顺时针方向转动，偏转角度变小，镜子又偏 转到p = o 0 3 3 r a d 左右，镜子再向逆时针方向转动，这样经过几个来回振荡后，镜子趋于 稳定，处于平衡位置鼠。图3 7 中，镜子偏转角度变化过程与我们分析的镜子运动过程 一致。从图3 7 中可以看出，镜子从初始状态偏转到平衡位置，并趋于稳定，所耗费的时 间大约是l o m s ，即光束进行交叉连接所需的时延为l o m s 。 当光信号交叉连接完成后，微反射镜的运动过程：当施加在电极上的电压消失，镜子 在平衡位置失去平衡，所受到的总力矩为颁时针方向，镜子顺时针转动，角速度增加，镜 子除受到顺时针方向的悬梁臂应变力矩外，还受到逆时针方向的空气粘性阻力矩，当镜子 顺时针转动超过水平线时，悬梁臂应变力矩改为逆时针方向，镜子所受的总力矩也改为逆 时针方向，角速度减小，直至为o ，镜子由于受到逆时针方向的力矩。镜子再向逆时针方