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mems光开关 目录 MEMS光开关的研究背景 1 光开关以及MEMS光开关的概念 2 MEMS光开关的分类及原理 3 MEMS光开关的应用 4 1 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 而将以全光开关代之 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 MEMS光开关还具有体积小 成本低 易集成和容量大的优点 2 光开关以及MEMS光开关的概念 光开关是按一定要求将光信号从一个光通道转换到另一个光通道的器件 使光传输由0 E 0变成0 0 0 已成为全光网络 AON 中的重要器件 光开关具有自动保护切换 实时监控网络性能 测试元器件 组成光分插复用设备和光交叉连接设备等具体功能 目前典型的光开关包括MEMS光开关 电光开关 声光开关 热光开关 磁光开关 喷墨气泡光开关 液晶光开关 全息光栅开关 液体光栅开关和半导体光放大器光开关等 注 OEO是OpticalElectricalOptical的缩写 意为光 电 光 光开关 2 光开关以及mems光开关的概念 MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片 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 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 3 MEMS光开关的分类及原理 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光开关的基本原理 3 MEMS光开关的分类及原理 活动微镜 驱动执行器 输入 出光纤 MEMS光开关的基本组成 3 MEMS光开关的分类及原理 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 MEMS光开关的驱动方式 3 MEMS光开关的分类及原理 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 平行板电容静电驱动 3 MEMS光开关的分类及原理 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 梳状静电驱动器驱动 3 MEMS光开关的分类及原理 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 电磁驱动 3 MEMS光开关的分类及原理 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 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 全息光开关 根据被驱动的部件不同 MEMS光开关可分两类 3 MEMS光开关的分类及原理 MEMS光开关的分类 移动光纤式 3 MEMS光开关的分类及原理 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 移动棱镜式 3 MEMS光开关的分类及原理 移动其他部件的光开关 1 2 3 移动反射镜 透射镜式 3 MEMS光开关的分类及原理 移动其他部件的光开关 采用MEMS技术移动微反射镜的光开关 3 MEMS光开关的分类及原理 移动其他部件的光开关 按功能实现方法可分为 光路遮挡型移动光纤对接型微镜反射型 3 MEMS光开关的分类及原理 MEMS光开关的分类 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 3 MEMS光开关的分类及原理 光路遮挡型MEMS光开关 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 3 MEMS光开关的分类及原理 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 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 微镜反射型MEMS光开关 3 MEMS光开关的分类及原理 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 三维 3D 3 MEMS光开关的分类及原理 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 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 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 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 4 MEMS光开关的应用 光开关的应用领域 4 MEMS光开关的应