MEMS光开关..

MEMS光开关目录MEMS光开关的研究背景MEMS以及MEMS光开关的概念MEMS光开关的分类及原理MEMS光开关的应用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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右面的开关呈直通状态，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.右面的开关呈反射状态，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.元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大于硅热气动流体加热膨胀实现动作双金属结构普通热效应驱动工作原理：拉力和温度诱发相变•铜基合金（如CuAlNi）——成本低、热导率极高、温度反应时间短•钛镍合金（如TiNi、TiNiCu、TiNiFe）——性能佳（强度、重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高•铁基合金——成本最低、刚性好、易加工。材料相变温度Mt——Ms和Mf的平均值MtTiNi冷却过程Ms以上奥氏体，Mf以下为马氏体，Ms和Mf之间（约为15℃）具有马氏体和两种相。Ms和Mf的平均值Mt称为相变温度约为60-75℃形状记忆合金（SMA）特点•突变双态性•TiNi合金内部发生的热弹性相变为严格的周而复始，无残余变形而呈现完全弹性，因此驱动的完全重复性很好，驱动精确重复•较大的力、行程，从而能量应用•形状恢复时应力、位移——微执行器（电流加热驱动）•热敏感——热动作型的开闭器•能量贮存体MEMS光开关表面加工工艺体硅工艺表面工艺LIGA工艺光开关的分类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移动其他部件的光开关对二者进行比较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NTT公司电磁驱动型光纤开关移动其他部件的光开关棱镜自聚焦透镜移动棱镜式：•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2.7μW，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）N×N型光开关AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关当100V驱动脉冲电压加载到SDA阵列上时，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的铰链扣住，将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态。优点：反应迅速，体积小缺点：SDA驱动器效能小，插损偏大。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100晶向单晶硅腐蚀特性可精确地加工出相对光纤呈45o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100μm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100μm的位移，响应时间300μs，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。新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关驱动电压为30V，开关速度小于100μs，插损小于0.9dB。它也具有单层体硅结构，采用深反应离子蚀刻(DRIE)工艺，这种技术可以对硅作深度达200μm蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20μm并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔。该结构包括可动和固定两部分，可动部分的悬梁侧壁可用作反射镜，在自然状态下光有一反射输出。在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极，在两电极之间加上电压，静电力会使悬臂梁沿力的方向上产生约45μm的平动位移，悬臂梁的端部就不再对光有阻断作用。这种光开关的缺点在于工作频率受到谐振频率影响，使得开关速度受到限制，微镜平动位移也有限，而且DRIE工艺涉及到对材料的各向同性和异性刻蚀问题，对镜面表面粗糙度有着一定的影响。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美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152×1152的大型交叉连接，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级。AT&T公司则推出了著名的WaveStarLamdaRouter全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现256×256的交叉连接，可节约25％的运行费用和99％的能耗，其采用体硅工艺制成。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。