mems光開關(guān)講述.ppt

mems光開關(guān) 目錄 MEMS光開關(guān)的研究背景 1 光開關(guān)以及MEMS光開關(guān)的概念 2 MEMS光開關(guān)的分類及原理 3 MEMS光開關(guān)的應(yīng)用 4 1 MEMS光開關(guān)的研究背景 20世紀(jì)90年代以來 光通信得到了快速的發(fā)展 作為光通信關(guān)鍵環(huán)節(jié)的光互聯(lián)與光開關(guān)的地位也越來越重要 傳統(tǒng)的以電為核心的開關(guān)已不能滿足高速大容量光通信的需求 尤其是全光傳輸網(wǎng) 而將以全光開關(guān)代之 全光開關(guān)是以光為核心實現(xiàn)光的通斷和交叉連接的系統(tǒng)部件 不存在光電的轉(zhuǎn)換 要成為傳統(tǒng)開關(guān)的替代者 這種新型的全光開關(guān)必須具備低損耗和高穩(wěn)定的特點 而MEMS光開關(guān)具備了這些優(yōu)點 而且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號協(xié)議無關(guān) MEMS光開關(guān)還具有體積小 成本低 易集成和容量大的優(yōu)點 2 光開關(guān)以及MEMS光開關(guān)的概念 光開關(guān)是按一定要求將光信號從一個光通道轉(zhuǎn)換到另一個光通道的器件 使光傳輸由0 E 0變成0 0 0 已成為全光網(wǎng)絡(luò) AON 中的重要器件 光開關(guān)具有自動保護(hù)切換 實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能 測試元器件 組成光分插復(fù)用設(shè)備和光交叉連接設(shè)備等具體功能 目前典型的光開關(guān)包括MEMS光開關(guān) 電光開關(guān) 聲光開關(guān) 熱光開關(guān) 磁光開關(guān) 噴墨氣泡光開關(guān) 液晶光開關(guān) 全息光柵開關(guān) 液體光柵開關(guān)和半導(dǎo)體光放大器光開關(guān)等 注 OEO是OpticalElectricalOptical的縮寫 意為光 電 光 光開關(guān) 2 光開關(guān)以及mems光開關(guān)的概念 MEMS光開關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片 通過靜電力或電磁力的作用 使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降 旋轉(zhuǎn)或移動 從而改變輸入光的傳播方向以實現(xiàn)光路通斷的功能 將電 機(jī)械和光集成為一塊芯片 能透明地傳送不同速率 不同協(xié)議的業(yè)務(wù) 目前已成為一種最流行的光開關(guān)制作技術(shù) MEMS光開關(guān) 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 通過靜電力或電磁力的作用 使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降 旋轉(zhuǎn)或移動 從而改變輸入光的傳播方向以實現(xiàn)光路通斷的功能 使任一輸入和輸出端口相連接 且1個輸出端口在同一時間只能和1個輸入端口相連接 MEMS光開關(guān)的基本原理 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 活動微鏡 驅(qū)動執(zhí)行器 輸入 出光纖 MEMS光開關(guān)的基本組成 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 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)動熱驅(qū)動 MEMS光開關(guān)的驅(qū)動方式 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 采用平面下電極驅(qū)動結(jié)構(gòu)的光開關(guān)示意圖 主要包括上電極和下電極兩部分 其中 微反射鏡 懸臂和扭臂集中在上電極極板上 上下兩電極相當(dāng)于一個平行板電容器 當(dāng)施加驅(qū)動電壓時 光開關(guān)的上電極懸臂在靜電力作用下會發(fā)生偏轉(zhuǎn) 帶動微反射鏡發(fā)生移動 從而實現(xiàn)開關(guān)功能的轉(zhuǎn)換 平行板電容靜電驅(qū)動 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 梳狀靜電驅(qū)動即由大量的梳齒組成 一個簡單的梳狀靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu) 上方的梳片是固定的 而下方的梳片是可以自由移動的 靜電力F主要是由驅(qū)動電壓V及梳齒個數(shù)n來決定的 靜電梳狀驅(qū)動力與下方梳齒個數(shù)成線性關(guān)系 若使用相當(dāng)多的梳齒可以產(chǎn)生較大的靜電力 靠這靜電力可水平或者豎直推動微鏡移動位置 從而達(dá)到開或關(guān)的效果 如圖所示 即一個梳狀驅(qū)動器水平方向驅(qū)動微鏡的MEMS光開關(guān) 可動部分的懸臂梁側(cè)壁可用作反射鏡 在自然狀態(tài)下光通過反射鏡輸出 上下梳齒受壓后 靜電力驅(qū)使可動懸梁沿力的方向移近不可動的懸梁位置 于是光直線通過一輸出點 實現(xiàn)開關(guān)功能 梳狀靜電驅(qū)動器驅(qū)動 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 開關(guān)呈直通狀態(tài) 此時銅線圈中通有正向電流 線圈產(chǎn)生的磁場方向與永磁體磁場方向相反 線圈與其下方永磁體之間產(chǎn)生排斥力 懸臂梁帶動雙面反射棱鏡移出光路 因此由光纖準(zhǔn)直器輸出的光信號直接通過光開關(guān)而不被反射 開關(guān)呈反射狀態(tài) 此時銅線圈中通有反向電流 線圈與永磁體之間產(chǎn)生的吸引力將懸臂梁吸附在基座上 光信號被雙面反射棱鏡的一面反射到窄帶濾光片上 而從濾光片返回的光信號則通過雙面反射棱鏡的另一個反射面反射回到光纖準(zhǔn)直器中 電磁驅(qū)動 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 光開關(guān)的分類 光開關(guān) mechanicalopticalswitch Solidlightswitch Otherlightswitch 聲光開關(guān) 光纖開關(guān) 自由空間棱鏡開關(guān) 熱光開關(guān) 電光開關(guān) ClicktoaddTitle ClicktoaddTitle 氣泡開關(guān) 液晶開關(guān) 機(jī)械光開關(guān) 固體光開關(guān) 其他光開關(guān) 磁光開關(guān) 宏機(jī)械開關(guān) 光子開關(guān) 全息光開關(guān) 根據(jù)被驅(qū)動的部件不同 MEMS光開關(guān)可分兩類 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 MEMS光開關(guān)的分類 移動光纖式 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 基于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān) 光纖1 玻璃套筒 方空玻璃套筒 套管 光纖2 光纖3 光纖1 光纖2 光纖3 移動棱鏡式 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 移動其他部件的光開關(guān) 1 2 3 移動反射鏡 透射鏡式 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 移動其他部件的光開關(guān) 采用MEMS技術(shù)移動微反射鏡的光開關(guān) 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 移動其他部件的光開關(guān) 按功能實現(xiàn)方法可分為 光路遮擋型移動光纖對接型微鏡反射型 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 MEMS光開關(guān)的分類 整個器件尺寸約l 2mm 材料由金 氮化硅和多晶硅組成 并由體硅工藝加工出懸臂梁 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2 7 W 傳輸距離達(dá)128km 開關(guān)速度3 7ms 插損小于0 5dB 但串?dāng)_比較大 隔離度不高 一般用于組成光纖線路倒換系 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 光路遮擋型MEMS光開關(guān) 移動光纖對接型MEMS光開關(guān) 一個l 4光開關(guān) 利用光纖的移動和對準(zhǔn)實現(xiàn)光信號的切換 采用體硅或LIGA工藝 制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡單 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)時幾乎不耗能 缺點是開關(guān)速度較低 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 MEMS光開關(guān)的分類及原理 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OXC矩陣的方法 可以把利用微鏡反射原理的光開關(guān)分成二維數(shù)字逼近方式和三維模擬逼近方式兩種 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 微鏡反射型MEMS光開關(guān) 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 在三維 3D 也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開關(guān)中 輸入輸出光纖均成二維排列 兩組可以繞軸改變傾斜角度的微反射鏡安裝在二維陣列中 每個輸入和輸出光纖都有相對應(yīng)的反射鏡 在這種結(jié)構(gòu)中 N N轉(zhuǎn)換僅需要2N個反射鏡 通過將反射鏡偏轉(zhuǎn)至合適的角度 在三維空間反射光束 可將任意輸入反射鏡 光纖與任意輸出反射鏡 光纖交叉連接 三維 3D 3 MEMS光開關(guān)的分類及原理 光開關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用 它不僅構(gòu)成了波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵設(shè)的交換核心 本身也是光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件 其應(yīng)用范圍主要有 保護(hù)倒換功能 當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時 利用光開關(guān)實現(xiàn)信號迂回路由 從主路由切換到備用路由上 這種保護(hù)通常只需要最簡單的1 2光開關(guān) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能 使用簡單的1 N光開關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來 當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時 只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測點將多纖經(jīng)光開關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上 通過光開關(guān)的動作 可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測 光器件的測試 可以將多個待測光器件通過光纖連接 通過1 N光開關(guān) 可以通過監(jiān)測光開關(guān)的每個通道信號來測試器件 光開關(guān)可用于光纖通信系統(tǒng) 光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 光線測量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng) 4 MEMS光開關(guān)的應(yīng)用 光開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域 4 MEMS光開關(guān)的應(yīng)