MEMS光開關課件

1、MEMS光開關目錄nMEMS光開關的研究背景nMEMS以及MEMS光開關的概念nMEMS光開關的分類及原理nMEMS光開關的應用MEMS光開關的研究背景光開關的研究背景n20世紀90年代以來，光通信得到了快速的發(fā)展，作為光通信關鍵環(huán)節(jié)的光互聯(lián)與光開關的地位也越來越重要，傳統(tǒng)的以電為核心的開關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)，而將代之以全光開關全光開關是以光為核心實現(xiàn)光的通斷和交叉連接的系統(tǒng)部件，不存在光電的轉換要成為傳統(tǒng)開關的替代者，這種新型的全光開關必須具備低損耗和高穩(wěn)定的特點而MEMS光開關具備了這些優(yōu)點而且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號協(xié)議無關此MEMS光開關還具有體積小、成本低

2、、易集成和容量大的優(yōu)點MEMS技術技術n微機電系統(tǒng)技術是基于半導體微細加工技術而成長起來的平面制作工藝技術；n利用這種技術可以制作微小而活動的機械系統(tǒng)。nMEMS與微光學結合便構成了MOEMS。MEMS光開關的概念光開關的概念nMEMS光開關是基于半導體微細加工技術構筑在半導體基片上的微鏡陣列, 即將電、機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。目前已成為一種最流行的光開關制作技術。MEMS光開關的特點光開關的特點n微型化；微型化；n高的交換速度；高的交換速度；n小的插入損耗；小的插入損耗；n提供光功能器件和波導或光纖所需的亞微米級定提供光功能器件和波導或光纖所需的亞微米

3、級定位精度；位精度；n與與IC工藝相容，可大規(guī)模生產，成本低。工藝相容，可大規(guī)模生產，成本低。MEMS光開關的基本原理光開關的基本原理n通過靜電力或電磁力的作用, 使可以活動的微鏡產生升降、旋轉或移動, 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光開關的基本組成光開關的基本組成n活動微鏡、驅動執(zhí)行器、輸入/出光纖MEMS光開關的驅動方式光開關的驅動方式n平行板電容靜電驅動n梳狀靜電驅動器驅動n電致、磁致伸縮驅動n形變記憶合金驅動n光功率驅動n熱驅動 平行板電容靜電驅動平行板電容靜電驅動n采用平面下電

4、極驅動結構的光開關示意圖，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，上下兩電極相當于一個平行板電容器，當施加驅動電壓時，光開關的上電極懸臂在靜電力作用下會發(fā)生偏轉，帶動微反射鏡發(fā)生移動，從而實現(xiàn)開關功能的轉換。梳狀靜電驅動器驅動梳狀靜電驅動器驅動n驅動光開關具有響應時間快，可方便移動鏡面位置等優(yōu)勢，但是它也存在一些不足：驅動電壓較高；響應時間在0.54ms；梳狀驅動往往需要通過減小梳齒之間距離來增大驅動力，梳齒之間太靠近容易造成電路短路現(xiàn)象；由于存在非線性彈性恢復力，梳狀驅動往往受其尺寸限制在很多地方得不到應用；梳狀驅動因為懸空結構而缺乏橫向穩(wěn)定性。電磁驅動電

5、磁驅動n右面的開關呈直通狀態(tài)，此時銅線圈中通有正向電流，線圈產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，因此由光纖準直器輸出的光信號直接通過光開關而不被反射. 右面的開關呈反射狀態(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直器中.元件間熱膨脹系數(shù)失配，金屬的熱膨脹系數(shù)遠大于硅元件間熱膨脹系數(shù)失配，金屬的熱膨脹系數(shù)遠大于硅 熱氣動熱氣動 流體加熱膨脹實現(xiàn)動作流體加熱膨脹實現(xiàn)動作 雙金屬結構雙

6、金屬結構 普通熱效應驅動普通熱效應驅動 工作原理：拉力和溫度誘發(fā)相變工作原理：拉力和溫度誘發(fā)相變銅基合金（如銅基合金（如CuAlNiCuAlNi）成本低、熱導率極高、溫度反成本低、熱導率極高、溫度反應時間短應時間短鈦鎳合金（如鈦鎳合金（如TiNiTiNi、TiNiCuTiNiCu、TiNiFeTiNiFe）性能佳（強度、性能佳（強度、重復性、壽命）；導熱率低；加工困難、成本高重復性、壽命）；導熱率低；加工困難、成本高鐵基合金鐵基合金成本最低、剛性好、易加工。成本最低、剛性好、易加工。 材料材料 相變溫度相變溫度Mt Ms和和Mf的平均值的平均值MtTiNi冷卻過程冷卻過程Ms以上奧氏體，以上奧

7、氏體， Mf以下為馬氏體，以下為馬氏體，M s和和Mf之間（約為之間（約為15 ）具有馬氏體和兩種相。）具有馬氏體和兩種相。M Ms s和和M Mf f的平均值的平均值M Mt t稱為相變溫度約為稱為相變溫度約為60-75 60-75 形狀記憶合金（形狀記憶合金（SMASMA）特點特點 突變雙態(tài)性突變雙態(tài)性 TiNiTiNi合金內部發(fā)生的熱彈性相變?yōu)閲栏竦闹芏鴱褪迹辖饍炔堪l(fā)生的熱彈性相變?yōu)閲栏竦闹芏鴱褪?，無殘余變形而呈現(xiàn)完全彈性，因此驅動的完全重復性很無殘余變形而呈現(xiàn)完全彈性，因此驅動的完全重復性很好，驅動精確重復好，驅動精確重復 較大的力、行程，從而能量較大的力、行程，從而能量 應用應用

8、形狀恢復時應力、位移形狀恢復時應力、位移微執(zhí)行器（電流加微執(zhí)行器（電流加熱驅動）熱驅動） 熱敏感熱敏感熱動作型的開閉器熱動作型的開閉器 能量貯存體能量貯存體 MEMS光開關表面加工工藝n體硅工藝n表面工藝nLIGA工藝 光開關的分類光開關的分類MEMS光開關的分類光開關的分類n根據(jù)被驅動的部件不同，根據(jù)被驅動的部件不同，MEMS光開關可分兩類光開關可分兩類 基于傳統(tǒng)的機械式光開關基于傳統(tǒng)的機械式光開關 移動其他部件的光開關移動其他部件的光開關對二者進行比較對二者進行比較基于傳統(tǒng)的機械式光開關基于傳統(tǒng)的機械式光開關光纖光纖1玻璃套筒玻璃套筒方空玻璃套筒方空玻璃套筒套管套管光光 纖纖2光纖光纖3光

9、纖光纖1光纖光纖2光纖光纖3移動光纖式：移動光纖式：n電磁驅動光纖移動的光開關電磁驅動光纖移動的光開關nNTT公司電磁驅動型光纖開關公司電磁驅動型光纖開關移動其他部件的光開關移動其他部件的光開關棱棱 鏡鏡自聚焦透鏡自聚焦透鏡移動棱鏡式：移動棱鏡式：移動反射鏡、透射鏡式移動反射鏡、透射鏡式移動其他部件的光開關移動其他部件的光開關n采用采用MOEMS技術移動微反射鏡的光開關技術移動微反射鏡的光開關MEMS光開關的分類光開關的分類按功能實現(xiàn)方法可分為：n光路遮擋型：代表是懸臂梁式光開關 n移動光纖對接型n微鏡反射型 光路遮擋型光路遮擋型MEMS光開關光開關n整個器件尺寸約l2mm，材料由金、氮化硅和

10、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，在光信號的作用下，產生3V電壓，電容板受到電場力吸引，將遮片升起，光開關處于開通狀態(tài)，如無光信號，光發(fā)電機無電壓輸出，遮片下降，光開關關閉。該開關由遠端的光信號控制，所以光開關本地是無源的。該光開關驅動光功率僅2.7W，傳輸距離達128 km，開關速度3.7ms，插損小于0.5dB。但串擾比較大，隔離度不高，一般用于組成光纖線路倒換系 移動光纖對接型移動光纖對接型MEMS光開關光開關 n一個l4光開關，利用光纖的移動和對準實現(xiàn)光信號的切換。n采用體硅或LIGA工藝，制造結構和制備方法較為簡單

11、。n采用電磁驅動，驅動精度要求低，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)時幾乎不耗能，n缺點是開關速度較低，可連接的最大端口數(shù)受到限制，多用于網(wǎng)絡自愈保護。 美國加州大學戴維斯分校研制的移動光纖對接型光開關示意圖微鏡反射型微鏡反射型MEMS光開關光開關 n相對于移動光纖對接的方法，利用微鏡反射原理的光開關更加易于集成和控制，組成光開關陣列。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分成二維數(shù)字逼近方式和三維模擬逼近方式兩種。 二維（二維（2D）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)。通過移動適當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

12、。 NN型光開關AT&T實驗室所研制的彈出式微鏡光開關實驗室所研制的彈出式微鏡光開關 n當100V驅動脈沖電壓加載到SDA陣列上時，可滑動的驅動器向支撐梁運動，使支撐梁和微鏡之間的鉸鏈扣住，將帶有鉸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)轉換到反射狀態(tài)。n優(yōu)點：反應迅速，體積小 缺點：SDA驅動器效能小，插損偏大。日本和法國共同研制的扭轉式微鏡光開關日本和法國共同研制的扭轉式微鏡光開關 n采用單晶硅體硅工藝加工，光纖呈交叉垂直放置，微反射鏡垂直放置在一長懸臂梁的前端，并處于兩光纖的交叉點上。利用晶向單晶硅腐蝕特性可精確地加工出相對光纖呈45o的鏡面，把從一根光纖中射出

13、的光反射到另一根與之垂直的光纖中。懸臂梁采用電磁驅動，在懸臂梁底部粘合一塊100m厚透磁合金，在相對應的襯底位置，組裝一塊線圈電磁體，懸臂梁和線圈之間的電磁力便隨著線圈中電流的大小和方向而改變，從而使懸臂梁沿電磁力向一邊彎曲，帶動微反射鏡移開原來的位置，實現(xiàn)光路的改變。微鏡沿電磁力方向可產生約100m的位移，響應時間300s，插損為0.5dB。該光開關的缺點在于微組裝電磁驅動不利于集成制造，而且要靠電磁力保持開或關狀態(tài)，耗能較大。 新加坡南洋理工大學設計的滑動式微鏡光開關新加坡南洋理工大學設計的滑動式微鏡光開關 n驅動電壓為30V，開關速度小于100s，插損小于0.9dB。它也具有單層體硅結構

14、，采用深反應離子蝕刻(DRIE)工藝，這種技術可以對硅作深度達200m蝕刻，同時蝕刻出寬度小到20m并接近理想狀態(tài)的垂直墻、窄溝道及孔。該結構包括可動和固定兩部分，可動部分的懸梁側壁可用作反射鏡，在自然狀態(tài)下光有一反射輸出。在可動和固定部分之間有梳齒式的交叉電極，在兩電極之間加上電壓，靜電力會使懸臂梁沿力的方向上產生約45m的平動位移，懸臂梁的端部就不再對光有阻斷作用。這種光開關的缺點在于工作頻率受到諧振頻率影響，使得開關速度受到限制，微鏡平動位移也有限，而且DRIE工藝涉及到對材料的各向同性和異性刻蝕問題，對鏡面表面粗糙度有著一定的影響。 三維(3D)在三維(3D)也稱為模擬光束偏轉開關中，

15、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的反射鏡。在這種結構中，NN轉換僅需要2N個反射鏡。通過將反射鏡偏轉至合適的角度，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。 例子例子n美國Xros公司利用兩個相對放置的各有1152個微鏡的陣列實現(xiàn)了11521152的大型交叉連接，其總容量已經比傳統(tǒng)電交叉連接器提高了約兩個數(shù)量級。AT&T公司則推出了著名的WaveStar Lamda Router全光波長路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實現(xiàn)256256的交叉連接，可節(jié)約25的運行費用和99的能耗，其采用體硅工藝制成。 例子例子n韓國國立研究實驗室設計的三維光開關陣列的一個微鏡單元以表面工藝為基礎，利用3D光刻鍍銅技術制成，與CMOS工藝有著良好的兼容性。它由5層結構組成，由底層往上依次是電連接用底部電極、底部支撐柱、扭轉梁和被抬起的電極、頂部微鏡支撐柱、微鏡。在靜電力作用下，微鏡可以繞x軸和y軸運動，從而使輸入光束產生不同方向