MEMS光開關(guān).ppt

微機械設計 MEMS光開關(guān) 目錄Contents MEMS光開關(guān)的研究背景cktoaddTitle 1 MEMS以及MEMS光開關(guān)的概念ClicktoaddTitle 2 MEMS光開關(guān)的分類及原理ClicktoaddTitle 3 MEMS光開關(guān)的應用toaddTitle 4 MEMS光開關(guān)的研究背景 20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(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) 而將代之以全光開關(guān) 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) 此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 MEMS技術(shù) 微機電系統(tǒng)技術(shù)是基于半導體微細加工技術(shù)而成長起來的平面制作工藝技術(shù) 利用這種技術(shù)可以制作微小而活動的機械系統(tǒng) MEMS與微光學結(jié)合便構(gòu)成了MOEMS MEMS光開關(guān)的概念 MEMS光開關(guān)是基于半導體微細加工技術(shù)構(gòu)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(guān)制作技術(shù) MEMS光開關(guān)的特點 微型化 高的交換速度 小的插入損耗 提供光功能器件和波導或光纖所需的亞微米級定位精度 與IC工藝相容 可大規(guī)模生產(chǎn) 成本低 MEMS光開關(guān)的基本原理 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)的基本組成 活動微鏡 驅(qū)動執(zhí)行器 輸入 出光纖 MEMS光開關(guān)的驅(qū)動方式 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 平行板電容靜電驅(qū)動 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 上下兩電極相當于一個平行板電容器 當施加驅(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 梳狀靜電驅(qū)動器驅(qū)動 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 驅(qū)動光開關(guān)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(qū)動電壓較高 響應時間在0 5 4ms 梳狀驅(qū)動往往需要通過減小梳齒之間距離來增大驅(qū)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(qū)動往往受其尺寸限制在很多地方得不到應用 梳狀驅(qū)動因為懸空結(jié)構(gòu)而缺乏橫向穩(wěn)定性 電磁驅(qū)動 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直器中 體硅工藝 表面工藝 LIGA工藝 MEMS光開關(guān)表面加工工藝 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) 全息光開關(guān) 機械光開關(guān) 固體光開關(guān) 其他光開關(guān) 磁光開關(guān) 宏機械開關(guān) 光子開關(guān) MEMS光開關(guān)的分類 根據(jù)被驅(qū)動的部件不同 MEMS光開關(guān)可分兩類 基于傳統(tǒng)的機械式光開關(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 移動光纖式 電磁驅(qū)動光纖移動的光開關(guān) 移動其他部件的光開關(guān) 移動棱鏡式 移動反射鏡 透射鏡式 移動其他部件的光開關(guān) 采用MOEMS技術(shù)移動微反射鏡的光開關(guān) MEMS光開關(guān)的分類 按功能實現(xiàn)方法可分為 光路遮擋型 代表是懸臂梁式光開關(guān)移動光纖對接型微鏡反射型 光路遮擋型MEMS光開關(guān) 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 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)電機無電壓輸出 遮片下降 光開關(guān)關(guān)閉 該開關(guān)由遠端的光信號控制 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128km 開關(guān)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MEMS光開關(guān) 一個l 4光開關(guān) 利用光纖的移動和對準實現(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(guān)示意圖 微鏡反射型MEMS光開關(guān) 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 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(guān) 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 N N型光開關(guān) 日本和法國共同研制的扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關(guān) 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45 的鏡面 把從一根光纖中射出的光反射到另一根與之垂直的光纖中 懸臂梁采用電磁驅(qū)動 在懸臂梁底部粘合一塊100 m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(chǎn)生約100 m的位移 響應時間300 s 插損為0 5dB 該光開關(guān)的缺點在于微組裝電磁驅(qū)動不利于集成制造 而且要靠電磁力保持開或關(guān)狀態(tài) 耗能較大 三維 3D 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 例子 韓國國立研究實驗室設計的三維光開關(guān)陣列的一個微鏡單元以表面工藝為基礎(chǔ) 利用3D光刻鍍銅技術(shù)制成 與CMOS工藝有著良好的兼容性 它由5層結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǎn)生不同方向上的輸出 在244V驅(qū)動電壓下微鏡最大偏轉(zhuǎn)角可達到2 65o 鏡面的曲率半徑3 8cm 鏡面的表面粗糙度為12nm 構(gòu)成陣列時采用兩組微鏡相對安裝 這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是由光程差所引起的插入損耗對光開關(guān)陣列端口數(shù)的擴展不產(chǎn)生很大的影響 有利于集成并組成大規(guī)模光開關(guān)陣列 但另一方面 由于需要精確和快速穩(wěn)定地控制光束 它的控制電路和結(jié)構(gòu)設計較為復雜 光開關(guān)的應用領(lǐng)域 光開關(guān)在光網(wǎng)絡中起到十分重要的作用 它不僅構(gòu)成了波分復用光網(wǎng)絡中關(guān)鍵設 OADM OXC 的交換核心 本身也是光網(wǎng)絡中的關(guān)鍵器件 其應用范圍主要有 保護倒換功能 光開關(guān)通常用于網(wǎng)絡的故障恢復 當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 這種保護通常只需要最簡單的1 2光開關(guān) 網(wǎng)絡監(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 當需要監(jiān)視網(wǎng)絡時 只需在遠端監(jiān)測點將多纖經(jīng)光開關(guān)連接到網(wǎng)絡監(jiān)視儀器上 如OTDR 通過光開關(guān)的動作 可以實現(xiàn)網(wǎng)絡在線監(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 構(gòu)建OADM設備核心 OADM是光網(wǎng)絡關(guān)鍵設備之一 通常用于城域網(wǎng)和骨干網(wǎng) 實現(xiàn)OADM光信號上下路的具體方式很多 但大多數(shù)情況下都應用了光開關(guān) 主要是2 2光開關(guān) 來實現(xiàn)對密集波分復用光網(wǎng)絡中光信號的上下路功能 由于光開關(guān)的使用 使OADM能動態(tài)配置業(yè)務 增強了OADM節(jié)點的靈活性 同時 使得OADM節(jié)點能支持保護倒換 當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時 節(jié)點將故障業(yè)務切換到備用路由中 增強了網(wǎng)絡的生存能力和網(wǎng)絡的保護和恢復能力 構(gòu)建OXC設備的交換核心 OXC主要應用于骨干網(wǎng) 對不同子網(wǎng)的業(yè)務進行匯聚和交換 因此 需要對不同端口的業(yè)務交換 同時 光開關(guān)的使用使OXC具有動態(tài)配置交換業(yè)務和支持保護倒換功能 在光層支持波長路由的配置和動態(tài)選路 由于OXC主要用于高速大容量密集波分復用光骨干網(wǎng)上 要求光開關(guān)具有透明性 高速 大容量和多粒度交換的特點 MEMS光開關(guān)的應用 光開關(guān)可用于光纖通信系統(tǒng) 光纖網(wǎng)絡系統(tǒng) 光線測量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng) 微機械設計 ThankYou 參考文獻 1 張文棟 熊繼軍 微光電系統(tǒng) 機械工業(yè)出版社 2006 2 美 莫塔麥迪 微光機電系統(tǒng) 國防工業(yè)出版社 2010 3 清華大學學報 自然科學版 1999S1期 4 楊藝榕 劉文平 王躍林 吳亞明 轉(zhuǎn)動豎直鏡面的微機械光開關(guān) J 功能材料與器件學報 2004年01期 5 THirano TFuruhata KJGabrial HFujita Design FabricationandOperationofSubmicronGapComb driveMicroactuatours IEEEJ Microelectromech 1992 1 52 60 6 GZhou PDowd TiltedFolded beamSuspensionforExtendingTheStableTravelRangeofComb driveActuators J Micromech 2003 13 178 183 附頁 名詞解釋 MOEMS 微光機電系統(tǒng) MOEMS 是近幾年在微機電系統(tǒng) MEMS 中發(fā)展起來的一支極具活力的新技術(shù)系統(tǒng) 它是由微光學 微電子和微機械相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型的微光學結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 微光機電系統(tǒng)是一種可控的微光學系統(tǒng) 該系統(tǒng)中的微光學元件在微電子和微機械裝置的作用下能夠?qū)馐M行匯聚 衍射和反射等控制 從而可最終實現(xiàn)光開關(guān) 衰減 掃描和成像等功能 該系統(tǒng)把微光學元件 微電子和微機械裝置有機地集成在一起 能夠充分發(fā)揮三者的綜合性能 亞微米級 粒度直徑100nm 1 0 mIC工藝 ic即intergartedcircuit 集成電路 統(tǒng)稱 所以ic工藝即是制造集成電路的工藝 有很多種 比如最早的bipolar工藝 后來的nmos工藝 pmos工藝以及現(xiàn)階段被廣泛使用的cmos工藝 cmos工藝就是在一套制程種能同時生產(chǎn)兩種mos nmos和pmos 另外還有集成了cmos和bipolar的bi cmos工藝等等LIGA工藝 LIGA工藝是一種基于X射線光刻技術(shù)的MEMS加工技術(shù) 主要包括X光深度同步輻射光刻 電鑄制模和注模復制三個工藝步驟 由于X射線有非常高的平行度 極強的輻射強度 連續(xù)的光譜 使LIGA技術(shù)能夠制造出高寬比達到500 厚度大于1500 m 結(jié)構(gòu)側(cè)壁光滑且平行度偏差在亞微米范圍內(nèi)的三維立體結(jié)構(gòu) 這是其