MEMS光開關(guān)研究

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1、MEMS光開關(guān)研究光開關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)的重要功能器件，MEMS光開關(guān)是最具發(fā)展前景的光開關(guān)之一。在簡介不同種類光開關(guān)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了當(dāng)前主要的MEMS光開關(guān)的分類、結(jié)構(gòu)、工藝與性能特點(diǎn)，并給出這一領(lǐng)域的研究與發(fā)展?fàn)顩r。光開關(guān)是寬帶光纖通訊系統(tǒng)中的重要器件，而基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)加工的二維陣列光開關(guān)更是一種很有前景的器件。這種二維陣列光開關(guān)在平面上布置有NXN個微鏡,每個微鏡具有切入光路（反射）和離開光路兩種位置狀態(tài)。光開關(guān)與兩組N根光纖相連，分別作為入射端和岀射端。當(dāng)微鏡（i,j）位于反射位置時，由第i根光纖入射的光束經(jīng)過微鏡反射后

2、由第j根光纖射出，從而實(shí)現(xiàn)光路的選擇?；贛EMS光開關(guān)的應(yīng)用，可以從小型光交叉連接直到大型光交叉連接。這種光開關(guān)利用了做在硅片上的微型可動鏡片來操縱通過光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)的光束，可適用于網(wǎng)絡(luò)的所有環(huán)節(jié)。而口在光通信網(wǎng)絡(luò)中，MEMS光開關(guān)具有光路選擇、多條光纖線路的交叉互連、上下光路及對故障光纖線路進(jìn)行旁路等重要功能，因此，它是光通信網(wǎng)絡(luò)中許多設(shè)備（如光分插復(fù)用設(shè)備OADM、光交叉連接設(shè)備OXC、光交換機(jī)和光波長路由器等）的關(guān)鍵光器件，其響應(yīng)速度和光損耗將影響通信速度和質(zhì)量。MEMS光開關(guān)既有機(jī)械式光開關(guān)的低插損、低串?dāng)_、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點(diǎn)，

3、又有波導(dǎo)開關(guān)的高開關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)。同時MEMS光開關(guān)與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等均無關(guān)，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展等趨勢相符合，因此，MEMS光開關(guān)極可能在光網(wǎng)絡(luò)中成為光開關(guān)的最佳選擇。MEMS光開關(guān)的驅(qū)動方式主要有平行板電容靜電驅(qū)動，梳狀靜電驅(qū)動器驅(qū)動，電致、磁致伸縮驅(qū)動，形變記憶合金驅(qū)動，光功率驅(qū)動和熱驅(qū)動等。MEMS光開關(guān)所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au、A1等金屬材料，壓電材料及有機(jī)聚合物等其他材料。MEMS光開關(guān)所用工藝主要有體硅工藝，表面工藝

4、和LIGA工藝。MEMS光開關(guān)按功能實(shí)現(xiàn)方法可分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。1、光路遮擋型MEMS光開關(guān)具有代表性的光路遮擋型光開關(guān)是懸臂梁式光開關(guān)。例如朗訊公司研制的光驅(qū)動微機(jī)械光開關(guān)，整個器件尺寸約r2mm,材料由金、氮化硅和多晶硅組成，并由體硅工藝加工岀懸臂梁。它利用8個多晶硅PiN電池（一種非晶硅太陽電池）串聯(lián)組成光發(fā)電機(jī)，在光信號的作用下，產(chǎn)生3V電壓，電容板受到電場力吸引，將遮片升起，光開關(guān)處于開通狀態(tài)，如無光信號，光發(fā)電機(jī)無電壓輸出，遮片下降，光開關(guān)關(guān)閉。該開關(guān)由遠(yuǎn)端的光信號控制，所以光開關(guān)本地是無源的。該光開關(guān)驅(qū)動光功率僅

5、2.7uW,傳輸距離達(dá)128km,開關(guān)速度3.7ms,插損小于0.5dBo但串?dāng)_比較大，隔離度不高，一般用于組成光纖線路倒換系統(tǒng)。2、移動光纖對接型MEMS光開關(guān)圖3所示為一種具有代表性的移動光纖對接型光開關(guān)，由美國加州大學(xué)戴維斯分校研制。0入建纖輸出光纖圖3加州大學(xué)研制的一動光纖對接型光電開光示意圖它是一個1X4光開關(guān)，利用光纖的移動和對準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光信號的切換，插入損耗大約為ldB。與以微鏡為基礎(chǔ)的光開關(guān)相比，它采用體硅或LIGAI藝，制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡單,可采用電磁驅(qū)動，驅(qū)動精度要求低，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)時兒乎不耗能，缺點(diǎn)是開關(guān)速度較低，

6、大約為10ms量級，可連接的最大端口數(shù)受到限制，多用于網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù)。3、微鏡反射型MEMS光開關(guān)相對于移動光纖對接的方法，利用微鏡反射原理的光開關(guān)更加易于集成和控制，組成光開關(guān)陣列。根據(jù)組成0XC矩陣的方法，可以把利用微鏡反射原理的光開關(guān)分成二維和三維兩種。在二維（2D）也稱數(shù)字方式中，微鏡和光纖在同一個平面上，微鏡只有兩種狀態(tài)（開或關(guān)）。通過移動適當(dāng)位置的反射鏡使其反射光束可將任意輸入光束耦合為輸出信號。一個NXN的MEMS微鏡矩陣用來連接N條輸入光纖和N條輸出光纖，這種結(jié)構(gòu)為N?結(jié)構(gòu)。它極大地簡化了控制電路的設(shè)計，一般只需要提供足夠的驅(qū)動電壓使微鏡

7、發(fā)生動作即可。但是當(dāng)要擴(kuò)展成大型光開關(guān)陣列時，由于各個輸入輸出端口的光傳輸距離有所不同，所以各個端口的插入損耗也不同，這使得2D微鏡光開關(guān)只能使用在端口數(shù)較少的環(huán)路里。目前二維系統(tǒng)最大容量是32X32端口，多個器件可以連接起來組成更大的開關(guān)陣列，最大可以達(dá)到512X512端口。二維微鏡光開關(guān)屮微鏡的運(yùn)動方式主要有彈出式、扭轉(zhuǎn)式和滑動式。AT&T實(shí)驗(yàn)室所研制的彈出式微鏡光開關(guān)采用表面工藝加工，并利用scratch-drive驅(qū)動器（SDA,抓式驅(qū)動器）驅(qū)動。當(dāng)100V驅(qū)動脈沖屯壓加載到SDA陣列上吋，可滑動的驅(qū)動器向支撐梁運(yùn)動，使支撐梁和微鏡之間的較鏈扣

8、住，將帶有錢鏈的微反射鏡從襯底表面抬升到與表面垂直的位置，從而使光路從直通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到反射狀態(tài)。