mems光開(kāi)關(guān)學(xué)習(xí)課程

1、目錄MEMS光開(kāi)關(guān)的研究背景光開(kāi)關(guān)的研究背景1光開(kāi)關(guān)以及MEMS光開(kāi)關(guān)的概念2MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理3MEMS光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用4第1頁(yè)/共25頁(yè)第一頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。1.MEMS光開(kāi)關(guān)的研究背景光開(kāi)關(guān)的研究背景 20世紀(jì)90年代以來(lái)，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(kāi)關(guān)的地位也越來(lái)越重要，傳統(tǒng)的以電為核心的開(kāi)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(kāi)關(guān)代之，全光開(kāi)關(guān)是以光為核心實(shí)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(kāi)關(guān)的替代者，這種新型的全光開(kāi)關(guān)必須具備低損耗和高穩(wěn)定的特點(diǎn)而MEMS光開(kāi)關(guān)具備

2、了這些優(yōu)點(diǎn)而且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號(hào)協(xié)議無(wú)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)還具有體積小、成本低、易集成和容量大的優(yōu)點(diǎn)第2頁(yè)/共25頁(yè)第二頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。2.2.光開(kāi)關(guān)以及光開(kāi)關(guān)以及MEMSMEMS光開(kāi)關(guān)的概念光開(kāi)關(guān)的概念 光開(kāi)關(guān)是按一定要求將光信號(hào)從一個(gè)光通道轉(zhuǎn)換到另一個(gè)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(kāi)關(guān)具有自動(dòng)保護(hù)切換、實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能、測(cè)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(kāi)關(guān)包括MEMS光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、聲光開(kāi)關(guān)、熱光開(kāi)關(guān)、磁光開(kāi)關(guān)、噴墨氣泡光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、全息光柵開(kāi)關(guān)、液體光柵開(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體

3、光放大器光開(kāi)關(guān)等。注：OEO是Optical Electrical Optical的縮寫(xiě)， 意為光-電-光； 光開(kāi)關(guān)第3頁(yè)/共25頁(yè)第三頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。2.2.光開(kāi)關(guān)以及光開(kāi)關(guān)以及memsmems光開(kāi)關(guān)的概念光開(kāi)關(guān)的概念 MEMS光開(kāi)關(guān)是在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過(guò)靜電力或電磁力的作用，使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)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(kāi)關(guān)制作技術(shù)。 MEMS光開(kāi)關(guān)第4頁(yè)/共25頁(yè)第四頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)

4、的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 通過(guò)靜電力或電磁力的作用, 使可以活動(dòng)的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng), 從而改變輸入光的傳播方向以實(shí)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(gè)輸出端口在同一時(shí)間只能和1個(gè)輸入端口相連接。MEMS光開(kāi)關(guān)的基本原理第5頁(yè)/共25頁(yè)第五頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 活動(dòng)微鏡、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器、輸入/出光纖MEMS光開(kāi)關(guān)的基本組成第6頁(yè)/共25頁(yè)第六頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 平行板電容靜電驅(qū)動(dòng) 梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 電致、磁致伸縮驅(qū)

5、動(dòng) 形變記憶合金驅(qū)動(dòng) 光功率驅(qū)動(dòng) 熱驅(qū)動(dòng) MEMS光開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式第7頁(yè)/共25頁(yè)第七頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 采用平面下電極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的光開(kāi)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(gè)平行板電容器，當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，光開(kāi)關(guān)的上電極懸臂在靜電力作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)微反射鏡發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能的轉(zhuǎn)換。平行板電容靜電驅(qū)動(dòng)第8頁(yè)/共25頁(yè)第八頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 梳狀靜電驅(qū)動(dòng)即由大量的梳齒組

6、成。一個(gè)簡(jiǎn)單的梳狀靜電驅(qū)動(dòng)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(dòng)的。靜電力 F 主要是由驅(qū)動(dòng)電壓 V及梳齒個(gè)數(shù) n 來(lái)決定的。靜電梳狀驅(qū)動(dòng)力與下方梳齒個(gè)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?？窟@靜電力可水平或者豎直推動(dòng)微鏡移動(dòng)位置，從而達(dá)到開(kāi)或關(guān)的效果，如圖 所示，即一個(gè)梳狀驅(qū)動(dòng)器水平方向驅(qū)動(dòng)微鏡的 MEMS 光開(kāi)關(guān)?？蓜?dòng)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(guò)反射鏡輸出，上下梳齒受壓后，靜電力驅(qū)使可動(dòng)懸梁沿力的方向移近不可動(dòng)的懸梁位置，于是光直線通過(guò)一輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。 梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)第9頁(yè)/共25頁(yè)第九頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.ME

7、MS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 開(kāi)關(guān)呈直通狀態(tài)，此時(shí)銅線圈中通有正向電流，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與永磁體磁場(chǎng)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(dòng)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(hào)直接通過(guò)光開(kāi)關(guān)而不被反射. 開(kāi)關(guān)呈反射狀態(tài)，此時(shí)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(hào)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(hào)則通過(guò)雙面反射棱鏡的另一個(gè)反射面反射回到光纖準(zhǔn)直器中. 電磁驅(qū)動(dòng)第10頁(yè)/共25頁(yè)第十頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理

8、光開(kāi)關(guān)的分類光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)mechanical optical switchSolid light switchOther light switch聲光開(kāi)關(guān)光纖開(kāi)關(guān)自由空間棱鏡開(kāi)關(guān)熱光開(kāi)關(guān)電光開(kāi)關(guān)Click to add TitleClick to add Title氣泡開(kāi)關(guān)液晶開(kāi)關(guān)機(jī)械光開(kāi)關(guān)固體光開(kāi)關(guān)其他光開(kāi)關(guān)磁光開(kāi)關(guān)宏機(jī)械開(kāi)關(guān)光子開(kāi)關(guān)全息光開(kāi)關(guān)第11頁(yè)/共25頁(yè)第十一頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 根據(jù)被驅(qū)動(dòng)的部件不同，MEMS光開(kāi)關(guān)可分兩類3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類基于傳統(tǒng)基于傳統(tǒng)的機(jī)械式的機(jī)械式光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)移動(dòng)其他

9、部件的光開(kāi)關(guān)第12頁(yè)/共25頁(yè)第十二頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 移動(dòng)光纖式：3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理基于傳統(tǒng)的機(jī)械式光開(kāi)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第13頁(yè)/共25頁(yè)第十三頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 移動(dòng)棱鏡式：3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān)棱 鏡自聚焦透鏡123第14頁(yè)/共25頁(yè)第十四頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 移動(dòng)反射鏡、透射鏡式3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān)第15頁(yè)/共25頁(yè)第十五頁(yè)，編輯于星

10、期六：七點(diǎn) 三十四分。 采用MEMS技術(shù)移動(dòng)微反射鏡的光開(kāi)關(guān)3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān) 第16頁(yè)/共25頁(yè)第十六頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 按功能實(shí)現(xiàn)方法可分為： 光路遮擋型 移動(dòng)光纖對(duì)接型 微鏡反射型 3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類第17頁(yè)/共25頁(yè)第十七頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 整個(gè)器件尺寸約l2mm，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(gè)多晶硅PiN電池(一種非晶硅太陽(yáng)電池)串聯(lián)組成光發(fā)電機(jī)，在光信號(hào)的作用下，產(chǎn)生3V電壓，電容板受到電

11、場(chǎng)力吸引，將遮片升起，光開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通狀態(tài)，如無(wú)光信號(hào)，光發(fā)電機(jī)無(wú)電壓輸出，遮片下降，光開(kāi)關(guān)關(guān)閉。該開(kāi)關(guān)由遠(yuǎn)端的光信號(hào)控制，所以光開(kāi)關(guān)本地是無(wú)源的。該光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)光功率僅2.7W，傳輸距離達(dá)128 km，開(kāi)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.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理光路遮擋型MEMS光開(kāi)關(guān)第18頁(yè)/共25頁(yè)第十八頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。移動(dòng)光纖對(duì)接型MEMS光開(kāi)關(guān)O一個(gè)l4光開(kāi)關(guān)，利用光纖的移動(dòng)和對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的切換。O采用體硅或LIGA工藝，制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡(jiǎn)單。O采用電磁驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)精度要

12、求低，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎不耗能，O缺點(diǎn)是開(kāi)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.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理第19頁(yè)/共25頁(yè)第十九頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 相對(duì)于移動(dòng)光纖對(duì)接的方法，利用微鏡反射原理的光開(kāi)關(guān)更加易于集成和控制，組成光開(kāi)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(kāi)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(gè)平面上，微鏡只有 兩種狀態(tài)(開(kāi)或關(guān))。通過(guò)移動(dòng)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(hào)。微鏡反射型MEM

13、S光開(kāi)關(guān)3.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理第20頁(yè)/共25頁(yè)第二十頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 在三維(3D)也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開(kāi)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(gè)輸入和輸出光纖都有相對(duì)應(yīng)的反射鏡。在這種結(jié)構(gòu)中，NN轉(zhuǎn)換僅需要2N個(gè)反射鏡。通過(guò)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.MEMS3.MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理光開(kāi)關(guān)的分類及原理第21頁(yè)/共25頁(yè)第二十一頁(yè)，編輯于星期六：七點(diǎn) 三十四分。 光開(kāi)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： 護(hù)倒換功能：當(dāng)光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時(shí)，利用光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jiǎn)單的12光開(kāi)關(guān)。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能：使用簡(jiǎn)單的1N光開(kāi)關(guān)可以將多纖聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)需要監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需在遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)將多纖經(jīng)光開(kāi)關(guān)連接到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視儀器上，通過(guò)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)。 光器件的測(cè)試：可以將多個(gè)待測(cè)光器件通過(guò)光纖連接，通過(guò)1N光開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道