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微机械设计 MEMS光开关 目录Contents MEMS光开关的研究背景cktoaddTitle 1 MEMS以及MEMS光开关的概念ClicktoaddTitle 2 MEMS光开关的分类及原理ClicktoaddTitle 3 MEMS光开关的应用toaddTitle 4 MEMS光开关的研究背景 20世纪90年代以来 光通信得到了快速的发展 作为光通信关键环节的光互联与光开关的地位也越来越重要 传统的以电为核心的开关已不能满足高速大容量光通信的需求 尤其是全光传输网 而将代之以全光开关 全光开关是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件 不存在光电的转换要成为传统开关的替代者 这种新型的全光开关必须具备低损耗和高稳定的特点 而MEMS光开关具备了这些优点 而且与传输的数据速率和信号协议无关 此MEMS光开关还具有体积小 成本低 易集成和容量大的优点 MEMS技术 微机电系统技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的平面制作工艺技术 利用这种技术可以制作微小而活动的机械系统 MEMS与微光学结合便构成了MOEMS MEMS光开关的概念 MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导体基片上的微镜阵列 即将电 机械和光集成为一块芯片 能透明地传送不同速率 不同协议的业务 目前已成为一种最流行的光开关制作技术 MEMS光开关的特点 微型化 高的交换速度 小的插入损耗 提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微米级定位精度 与IC工艺相容 可大规模生产 成本低 MEMS光开关的基本原理 通过静电力或电磁力的作用 使可以活动的微镜产生升降 旋转或移动 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能 使任一输入和输出端口相连接 且1个输出端口在同一时间只能和1个输入端口相连接 MEMS光开关的基本组成 活动微镜 驱动执行器 输入 出光纤 MEMS光开关的驱动方式 平行板电容静电驱动梳状静电驱动器驱动电致 磁致伸缩驱动形变记忆合金驱动光功率驱动热驱动 平行板电容静电驱动 采用平面下电极驱动结构的光开关示意图 主要包括上电极和下电极两部分 其中 微反射镜 悬臂和扭臂集中在上电极极板上 上下两电极相当于一个平行板电容器 当施加驱动电压时 光开关的上电极悬臂在静电力作用下会发生偏转 带动微反射镜发生移动 从而实现开关功能的转换 梳状静电驱动器驱动 梳状静电驱动即由大量的梳齿组成 一个简单的梳状静电驱动结构 上方的梳片是固定的 而下方的梳片是可以自由移动的 静电力F主要是由驱动电压V及梳齿个数n来决定的 静电梳状驱动力与下方梳齿个数成线性关系 若使用相当多的梳齿可以产生较大的静电力 靠这静电力可水平或者竖直推动微镜移动位置 从而达到开或关的效果 如图所示 即一个梳状驱动器水平方向驱动微镜的MEMS光开关 可动部分的悬臂梁侧壁可用作反射镜 在自然状态下光通过反射镜输出 上下梳齿受压后 静电力驱使可动悬梁沿力的方向移近不可动的悬梁位置 于是光直线通过一输出点 实现开关功能 驱动光开关具有响应时间快 可方便移动镜面位置等优势 但是它也存在一些不足 驱动电压较高 响应时间在0 5 4ms 梳状驱动往往需要通过减小梳齿之间距离来增大驱动力 梳齿之间太靠近容易造成电路短路现象 由于存在非线性弹性恢复力 梳状驱动往往受其尺寸限制在很多地方得不到应用 梳状驱动因为悬空结构而缺乏横向稳定性 电磁驱动 开关呈直通状态 此时铜线圈中通有正向电流 线圈产生的磁场方向与永磁体磁场方向相反 线圈与其下方永磁体之间产生排斥力 悬臂梁带动双面反射棱镜移出光路 因此由光纤准直器输出的光信号直接通过光开关而不被反射 开关呈反射状态 此时铜线圈中通有反向电流 线圈与永磁体之间产生的吸引力将悬臂梁吸附在基座上 光信号被双面反射棱镜的一面反射到窄带滤光片上 而从滤光片返回的光信号则通过双面反射棱镜的另一个反射面反射回到光纤准直器中 体硅工艺 表面工艺 LIGA工艺 MEMS光开关表面加工工艺 光开关的分类 光开关 mechanicalopticalswitch Solidlightswitch Otherlightswitch 声光开关 光纤开关 自由空间棱镜开关 热光开关 电光开关 ClicktoaddTitle ClicktoaddTitle 气泡开关 液晶开关 全息光开关 机械光开关 固体光开关 其他光开关 磁光开关 宏机械开关 光子开关 MEMS光开关的分类 根据被驱动的部件不同 MEMS光开关可分两类 基于传统的机械式光开关 光纤1 玻璃套筒 方空玻璃套筒 套管 光纤2 光纤3 光纤1 光纤2 光纤3 移动光纤式 电磁驱动光纤移动的光开关 移动其他部件的光开关 移动棱镜式 移动反射镜 透射镜式 移动其他部件的光开关 采用MOEMS技术移动微反射镜的光开关 MEMS光开关的分类 按功能实现方法可分为 光路遮挡型 代表是悬臂梁式光开关移动光纤对接型微镜反射型 光路遮挡型MEMS光开关 整个器件尺寸约l 2mm 材料由金 氮化硅和多晶硅组成 并由体硅工艺加工出悬臂梁 它利用8个多晶硅PiN电池 一种非晶硅太阳电池 串联组成光发电机 在光信号的作用下 产生3V电压 电容板受到电场力吸引 将遮片升起 光开关处于开通状态 如无光信号 光发电机无电压输出 遮片下降 光开关关闭 该开关由远端的光信号控制 所以光开关本地是无源的 该光开关驱动光功率仅2 7 W 传输距离达128km 开关速度3 7ms 插损小于0 5dB 但串扰比较大 隔离度不高 一般用于组成光纤线路倒换系 移动光纤对接型MEMS光开关 一个l 4光开关 利用光纤的移动和对准实现光信号的切换 采用体硅或LIGA工艺 制造结构和制备方法较为简单 采用电磁驱动 驱动精度要求低 系统可靠性和稳定性好 稳态时几乎不耗能 缺点是开关速度较低 可连接的最大端口数受到限制 多用于网络自愈保护 美国加州大学戴维斯分校研制的移动光纤对接型光开关示意图 微镜反射型MEMS光开关 相对于移动光纤对接的方法 利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制 组成光开关阵列 根据组成OXC矩阵的方法 可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维数字逼近方式和三维模拟逼近方式两种 二维 2D 在二维 2D 也称数字方式中 微镜和光纤在同一个平面上 微镜只有两种状态 开或关 通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号 N N型光开关 日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关 采用单晶硅体硅工艺加工 光纤呈交叉垂直放置 微反射镜垂直放置在一长悬臂梁的前端 并处于两光纤的交叉点上 利用晶向单晶硅腐蚀特性可精确地加工出相对光纤呈45 的镜面 把从一根光纤中射出的光反射到另一根与之垂直的光纤中 悬臂梁采用电磁驱动 在悬臂梁底部粘合一块100 m厚透磁合金 在相对应的衬底位置 组装一块线圈电磁体 悬臂梁和线圈之间的电磁力便随着线圈中电流的大小和方向而改变 从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲 带动微反射镜移开原来的位置 实现光路的改变 微镜沿电磁力方向可产生约100 m的位移 响应时间300 s 插损为0 5dB 该光开关的缺点在于微组装电磁驱动不利于集成制造 而且要靠电磁力保持开或关状态 耗能较大 三维 3D 在三维 3D 也称为模拟光束偏转开关中 输入输出光纤均成二维排列 两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中 每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜 在这种结构中 N N转换仅需要2N个反射镜 通过将反射镜偏转至合适的角度 在三维空间反射光束 可将任意输入反射镜 光纤与任意输出反射镜 光纤交叉连接 例子 韩国国立研究实验室设计的三维光开关阵列的一个微镜单元以表面工艺为基础 利用3D光刻镀铜技术制成 与CMOS工艺有着良好的兼容性 它由5层结构组成 由底层往上依次是电连接用底部电极 底部支撑柱 扭转梁和被抬起的电极 顶部微镜支撑柱 微镜 在静电力作用下 微镜可以绕x轴和y轴运动 从而使输入光束产生不同方向上的输出 在244V驱动电压下微镜最大偏转角可达到2 65o 镜面的曲率半径3 8cm 镜面的表面粗糙度为12nm 构成阵列时采用两组微镜相对安装 这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展不产生很大的影响 有利于集成并组成大规模光开关阵列 但另一方面 由于需要精确和快速稳定地控制光束 它的控制电路和结构设计较为复杂 光开关的应用领域 光开关在光网络中起到十分重要的作用 它不仅构成了波分复用光网络中关键设 OADM OXC 的交换核心 本身也是光网络中的关键器件 其应用范围主要有 保护倒换功能 光开关通常用于网络的故障恢复 当光纤断裂或其他传输故障发生时 利用光开关实现信号迂回路由 从主路由切换到备用路由上 这种保护通常只需要最简单的1 2光开关 网络监视功能 使用简单的1 N光开关可以将多纤联系起来 当需要监视网络时 只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上 如OTDR 通过光开关的动作 可以实现网络在线监测 光器件的测试 可以将多个待测光器件通过光纤连接 通过1 N光开关 可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件 构建OADM设备核心 OADM是光网络关键设备之一 通常用于城域网和骨干网 实现OADM光信号上下路的具体方式很多 但大多数情况下都应用了光开关 主要是2 2光开关 来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能 由于光开关的使用 使OADM能动态配置业务 增强了OADM节点的灵活性 同时 使得OADM节点能支持保护倒换 当网络出现故障时 节点将故障业务切换到备用路由中 增强了网络的生存能力和网络的保护和恢复能力 构建OXC设备的交换核心 OXC主要应用于骨干网 对不同子网的业务进行汇聚和交换 因此 需要对不同端口的业务交换 同时 光开关的使用使OXC具有动态配置交换业务和支持保护倒换功能 在光层支持波长路由的配置和动态选路 由于OXC主要用于高速大容量密集波分复用光骨干网上 要求光开关具有透明性 高速 大容量和多粒度交换的特点 MEMS光开关的应用 光开关可用于光纤通信系统 光纤网络系统 光线测量系统或仪器以及光纤传感系统 微机械设计 ThankYou 参考文献 1 张文栋 熊继军 微光电系统 机械工业出版社 2006 2 美 莫塔麦迪 微光机电系统 国防工业出版社 2010 3 清华大学学报 自然科学版 1999S1期 4 杨艺榕 刘文平 王跃林 吴亚明 转动竖直镜面的微机械光开关 J 功能材料与器件学报 2004年01期 5 THirano TFuruhata KJGabrial HFujita Design FabricationandOperationofSubmicronGapComb driveMicroactuatours IEEEJ Microelectromech 1992 1 52 60 6 GZhou PDowd TiltedFolded beamSuspensionforExtendingTheStableTravelRangeofComb driveActuators J Micromech 2003 13 178 183 附页 名词解释 MOEMS 微光机电系统 MOEMS 是近几年在微机电系统 MEMS 中发展起来的一支极具活力的新技术系统 它是由微光学 微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统 微光机电系统是一种可控的微光学系统 该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚 衍射和反射等控制 从而可最终实现光开关 衰减 扫描和成像等功能 该系统把微光学元件 微电子和微机械装置有机地集成在一起 能够充分发挥三者的综合性能 亚微米级 粒度直径100nm 1 0 mIC工艺 ic即intergartedcircuit 集成电路 统称 所以ic工艺即是制造集成电路的工艺 有很多种 比如最早的bipolar工艺 后来的nmos工艺 pmos工艺以及现阶段被广泛使用的cmos工艺 cmos工艺就是在一套制程种能同时生产两种mos nmos和pmos 另外还有集成了cmos和bipolar的bi cmos工艺等等LIGA工艺 LIGA工艺是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术 主要包括X光深度同步辐射光刻 电铸制模和注模复制三个工艺步骤 由于X射线有非常高的平行度 极强的辐射强度 连续的光谱 使LIGA技术能够制造出高宽比达到500 厚度大于1500 m 结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构 这是其