mems光開(kāi)關(guān)講述.ppt

mems光開(kāi)關(guān) 目錄 MEMS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 2 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用 4 1 MEMS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) 2 光開(kāi)關(guān)以及MEMS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)體光放大器光開(kāi)關(guān)等 注 OEO是OpticalElectricalOptical的縮寫(xiě) 意為光 電 光 光開(kāi)關(guān) 2 光開(kāi)關(guān)以及mems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) 3 MEMS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 3 MEMS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 3 MEMS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)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 3 MEMS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) 3 MEMS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 靠這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) 可動(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) 3 MEMS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) 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 光開(kāi)關(guān)的分類 光開(kāi)關(guān) mechanicalopticalswitch Solidlightswitch Otherlightswitch 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) ClicktoaddTitle ClicktoaddTitle 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) 根據(jù)被驅(qū)動(dòng)的部件不同 MEMS光開(kāi)關(guān)可分兩類 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類 移動(dòng)光纖式 3 MEMS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 移動(dòng)棱鏡式 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān) 1 2 3 移動(dòng)反射鏡 透射鏡式 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān) 采用MEMS技術(shù)移動(dòng)微反射鏡的光開(kāi)關(guān) 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 移動(dòng)其他部件的光開(kāi)關(guān) 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 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類 整個(gè)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(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 7 W 傳輸距離達(dá)128km 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 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 光路遮擋型MEMS光開(kāi)關(guān) 移動(dòng)光纖對(duì)接型MEMS光開(kāi)關(guān) 一個(gè)l 4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 采用體硅或LIGA工藝 制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡(jiǎn)單 采用電磁驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)精度要求低 系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性好 穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎不耗能 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 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 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MEMS光開(kāi)關(guān) 3 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 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 N N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 MEMS光開(kāi)關(guān)的分類及原理 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 保護(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1 2光開(kāi)關(guān) 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能 使用簡(jiǎn)單的1 N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)1 N光開(kāi)關(guān) 可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光開(kāi)關(guān)的每個(gè)通道信號(hào)來(lái)測(cè)試器件 光開(kāi)關(guān)可用于光纖通信系統(tǒng) 光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 光線測(cè)量系統(tǒng)或儀器以及光纖傳感系統(tǒng) 4 MEMS光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用 光開(kāi)關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域 4 MEMS光開(kāi)關(guān)的應(yīng)