MEMS光开关研究

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1、MEMS光开关研究光开关是光通信网络的重要功能器件，MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出这一领域的研究与发展状况。光开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而基于微机电系统（MEMS）技术加工的二维阵列光开关更是一种很有前景的器件。这种二维阵列光开关在平面上布置有NXN个微镜,每个微镜具有切入光路（反射）和离开光路两种位置状态。光开关与两组N根光纤相连，分别作为入射端和岀射端。当微镜（i,j）位于反射位置时，由第i根光纤入射的光束经过微镜反射后

2、由第j根光纤射出，从而实现光路的选择。基于MEMS光开关的应用，可以从小型光交叉连接直到大型光交叉连接。这种光开关利用了做在硅片上的微型可动镜片来操纵通过光导纤维网络交叉点的光束，可适用于网络的所有环节。而口在光通信网络中，MEMS光开关具有光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路及对故障光纤线路进行旁路等重要功能，因此，它是光通信网络中许多设备（如光分插复用设备OADM、光交叉连接设备OXC、光交换机和光波长路由器等）的关键光器件，其响应速度和光损耗将影响通信速度和质量。MEMS光开关既有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，

3、又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未來光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合，因此，MEMS光开关极可能在光网络中成为光开关的最佳选择。MEMS光开关的驱动方式主要有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，光功率驱动和热驱动等。MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au、A1等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺

4、和LIGA工艺。MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。1、光路遮挡型MEMS光开关具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约r2mm,材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工岀悬臂梁。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

5、2.7uW,传输距离达128km,开关速度3.7ms,插损小于0.5dBo但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。2、移动光纤对接型MEMS光开关图3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，由美国加州大学戴维斯分校研制。0入建纤输出光纤图3加州大学研制的一动光纤对接型光电开光示意图它是一个1X4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为ldB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGAI艺，制造结构和制备方法较为简单,可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时儿乎不耗能，缺点是开关速度较低，

6、大约为10ms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。3、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0XC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。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。一个NXN的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N?结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜

7、发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是32X32端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512X512端口。二维微镜光开关屮微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关采用表面工艺加工，并利用scratch-drive驱动器（SDA,抓式驱动器）驱动。当100V驱动脉冲屯压加载到SDA阵列上吋，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的较链扣

8、住，将带有钱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。