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用于光通信的微电子机械系统技术进展论文 当前国际上光纤通信领域研究开发的热点是全光网，它是光纤通信技术研究发展的最高阶段全光网的建立是在干线上采用WDM技术扩容，在交叉节点上采用光上下话路(OADM),光交叉连接(OXC和波长路由交换技术来实现目前，我国开展全光网络应用与研宄的重要步骤是:首先将在长途干线上采用WDM技术进行点到点扩容，接着在节点上采用OADMOXC技术上、下话新技术对光器件提出了更高的要求，如技术指标上要求器件具有更高的工作速度、低插入损耗、长工作寿命;体积上由于单元器件的増多，要求有更高集成度;成本上由于网络的扩大，所需器件将大大増加，必须降低成本才能被用户接受采用传统手段制造的光器件难以满足上述要求，器件己成为阻碍光纤通信发展的瓶颈，是当前光网发展亟待解决的问题因此必须积极寻找新技术和新工艺，制造新型光器件，才能实现全光网。 1.近十几年发展起来的微电子机械系统适的制造手段。基于微电子机械系统技术的光器件有以下显著优点： 1)技术性能好。如德克萨斯仪器公司研制的数字微镜器件，开关速度高达1s,比传统机械开关快两个量级，损耗小于3dB,经过热冲击、温度循环、机械冲击等试验证明器件工作稳定，寿命可达10万小时(12年)以上由于是通过微小机械部件的运动来实现开关功能，因此所需功耗非常小，只需5V电压供电Bell实验室研制的使用微平面镜的K16线阵开关AT&T研制的用于光交叉连接的88光开关也都具有非常优越的性能指标 2)集成度高。由于采用集成制造工艺，光器件尺寸很小，这对于光交叉连接使用的光开关阵列非常必要,如采用传统机械开关制作，当N较大时，其体积将是很庞大的使用微电子机械系统技术可以很好地解决这个问题,德克萨斯仪器公司研制的微镜800600光开关，其芯片尺寸只有1cmX1.5cm而且容易实现与微透镜及单模光纤间的耦合，还可以与控制电路集成。 3)成本低基于微电子机械系统技术的光器件由于采用集成制造工艺，在工艺定型后，可以大批量生产,其成本必将极其低廉，这对日益发展的光通信产业,具有重要的现实意义。 微电子机械系统技术在传感器执行器及控制器等方面已得到广泛应用，尤其是在传感器方面，其市场占有率已达1/4以上。同时，人们也在不断探索、开拓微电子机械系统的新应用领域，以发挥更大的作甩光通信产业为微电子机械系统提供了更为广阔的应用领域，由于光通信产业具有巨大的社会效益和经济效益，因此将微电子机械系统应用到光通信系统必将带动微电子机械系统技术和产业的发展，同时也会推动光通信技术和产业的发展,两者的结合是非常有意义的近几年甩于光通信的微电子机械系统器件在国际上受到广泛重视,世界上重要的通信公司、研究机构大学，如朗讯、AT&T贝尔实验室、加利福尼亚大学等已经开始研究和开发微电子机械系统光器件。在1999年召开的国际光纤通信大会(OFC99)上，微电子机械系统光器件被列为一个专题 2用于光通信系统的微电子机械系统研究现状 微电子机械系统光器件在城域网、长途网、接入网(无源光网PON)和海底网中均可以得到应甩下面介绍几种主要的微电子机械系统光器件特点及研究现状。 2.1光开关 光开关是使传输通路中的光信号通或断，或进行路由转换的一种光器件，在系统保护、系统监测及全光交换技术中具有重要的作甩传统光开关根据其工作原理分为机械式和电子式两类。机械式光开关是在外力作用下，通过光纤的移动来实现光通路的导通和关闭，串音低、插入损耗小,但由于采用大型驱动和定位机构，开关速度低,体积大，不易集成。采用非线性光学效应的电子式开关速度快、可靠性高、易于集成，但串话高、消光比低微机械技术的迅猛发展，使光开关设计和制造重新受到重视，图1给出了微电子机械系统光开关的典型原理示意图。 微电子机械系统光开关具有突出的优点：(1)亚毫秒的开关时间;(2)可忽略的串话;(3)可忽略的偏振损耗;(4)可忽略的波长关系;(5)标准IC制作，低损耗微电子机械系统光开关的驱动方式主要有：(1)静电驱动(库仑静电引力);(2)电致伸缩;(3)磁致伸缩;(4)形变记忆合金;(5)光功率驱动;(6)热驱动;(7)热光驱动。 微电子机械系统光开关所用材料大致有：(1)单晶桂、多晶桂、氧化桂、氣氧化桂、氮化硅等硅基材料;(2)AuAl等金属材料;(3)压电材料及有机聚合物等其他材料。 微电子机械系统光开关功能实现的方法主要有：(1)光路遮挡;(2)光纤移动对接;(3)微透镜移动，改变光传输方向;(4)微反射镜移动或转动，改变光传输方向;(5)衍射方法，改变光传输方向;(6)改变全反射条件;(7)其他 下面介绍几种典型的基于微电子机械系统的光开关技术 2.1.1光路遮挡 悬臂梁方式的光开关：在光波导路径上采用悬臂梁式的光开关，用体微机械加工技术作出悬臂梁后，在其上淀积和成型波导，通过控制悬臂梁的工作状态达到对光进行开和关功能能这种光开关有一定缺点，如工作电压高(达50V)，可获得的隔离度不大光驱动的微机械开关(朗讯公司):利用硅微细加工工艺可制成光控的微型开关，整个尺寸约12mm材料由金、氮化硅、多晶硅层组成其工作机理是:用8个多晶硅PIN电池串联组成的光发电机，在光信号的驱动下，可产生3V电压，使电容板受到电场吸引，把遮片升起，光纤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，光纤开关关闭，如图2所示用此开关可组成光纤线路倒换系统该开关是由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的据报道，驱动光功率仅2.7MW，传输距离达128km，工作波长为9501650nm，开关速度3.7ms，损耗小于0.5dB 2.1.2光纤移动对接 热驱动光开关:是一种K2热驱动的光纤开关。它由一厚的镀Ni热驱动执行器来移动光纤，在硅片上各向异性刻蚀出U或V形槽，用以输入光纤与输出光纤之间的对准。这种设计不需要耦合光波导或透镜，并能达到理想的低损耗开关功能? 磁力效应开关:利用微机械技术与磁力效应实现KN开关。这种开关采用了一种具有“燕尾”连接的移动微平台，平台上刻蚀出V形槽，用以固定输入光纤与输出光纤输入光纤的移动平台上淀积一层磁材料，磁场的作用将这个微平台沿着“燕尾”连接机构移动，实现输入光纤与输出光纤之间的对准这种开关的开关时间小于10ms，插入损耗达到1dB还有一种22微机械光开关，其插入损耗小于3.1dB，串音小于40dB，工作电压为100V，开关时间可达0.5ms左右 2.1.3改变全反射条件 微泵开关:在以矩阵形式配置的光波导的各差点具有满足全反射条件的差点槽当差点槽有与光波导相同折射率的匹配油时，则光穿透槽。无匹配油时，光在差点槽的壁面全反射进入交叉的光波导中，达到光交换的目的要实现这种光开关阵列，将涉及控制毫微升注入量的微泵以及光纤阵列的高精度连接技术，这种光开关为已研制成功的微泵提供了应用场所。 日本电报电话公司研制的全反射控制光开关示意風波导内有气泡和折射率匹配油，通过两个加热器分别导通来控制光纤交叉点波导内的物质。当加热器1开时，交叉点为气泡，入射光被反射;当加热器2开时，交叉点为折射率匹配油，入射光投射己通过原理性验证,还没有具体指标报道21.4微镜移动或转动这种开关采用静电驱动微平面镜阵列来改变自由空间传输的光束方向，以进行输入光与输出光之间的多路转换。它与米用非线性光学效应的固体式光开关相比，长度、宽度尺寸都要小1/10多，消光比提高，串话减小。而且机械式光开关具有不影响波长和偏振面、自稳定性、高消光比低串话以及无光损耗等优点过去的光开关采用大型驱动和定位机构，开关转换速度慢、尺寸大，限制了它的使用。利用适合于光控制的半导体技术来研制微型、廉价的机械开关，可望用于光通信系统中光交叉连接。比较典型的有： 给出了瑞士纳沙泰尔大学开发的2X2光开关，通过双面反射镜移动实现22光交叉连接，反射镜通过60V电压形成静电驱动位移20m交叉槽充满匹配油，以减小后向散射及插入损耗，开关时间0.5ms,比传统机械开关快一个量级，串话衰减60dB,美国德克萨斯仪器公司研制的用于大型投影显示的微镜光开关阵列单元结构示意風在CMOS静态随机存储器基片上使用微机械技术制造微镜及其转动机构。微镜通过其支架与一薄片式柔性扭转铰链连接，当支架受存储器释放的电荷吸引时,将通过铰链发生转动，其范围为1(微镜为16Mm的正方形，600800象素的开关阵列尺寸为11.5:瓜,开关时间小于10卜8,工作寿命可达10万小时。目前SVGA型(800X600)和XGA型(1024768)己在批量生产中，SXGA型(12801024)己完成试作贝尔实验室研制了使用微平面镜的K16线阵开关，每一个平面镜可以通过20V电压驱动转动9微平面镜的尺寸非常小，宽10Mm,长60Mm开关时间约20Ms在其测试系统中，16路信号间隔1.6nm,Pa