MEMS光開關的研究與市場分析報告

1、 . . . 集成電路專業(yè)學年論文論文題目：MEMS光開關的研究與市場分析學 院：電子工程學院年 級：專 業(yè)：姓 名：學 號：指導教師：29 / 33畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設計）是我在導師的指導下進行的研究工作與取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文（設計）不包含其他個人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示意。 作者簽名： 日期：畢業(yè)論文（設計）授權(quán)使用說明本論文（設計）作者完全了解紅河學院有關保留、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，學校有權(quán)保留論文（設計）并向相關部門送交論文（設計）的

2、電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將論文（設計）用于非贏利目的的少量復制并允許論文（設計）進入學校圖書館被查閱。學校可以公布論文（設計）的全部或部分容。的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導教師簽名：日期： 日期：摘要光開關是光通信網(wǎng)絡的重要功能器件,MEMS光開關是最具發(fā)展前景的光開關之一。在簡介不同種類光開關原理特點的基礎上，詳細分析了當前主要的MEMS光開關的分類、結(jié)構(gòu)、工藝與性能特點，并給出了研究與發(fā)展情況和采用MEMS體硅工藝制作的三種結(jié)構(gòu)的微機械光開關。它們的工作原理都基于硅數(shù)字微鏡技術。這三種光開關采用了靜電力驅(qū)動，具有較低的驅(qū)動電壓。在硅基上制作了光纖自對準耦合槽，并對光開關的

3、開關特性進行了計算機模擬與分析，并進行結(jié)果分析。關鍵詞微機械；光開關；開關陣列；微鏡；硅-玻璃鍵合；光纖通信 AbstractOptical switch is an important functional device in optical fibre communication networks, MEMS optical switch is one of the most promiseful optical switches. This paper introduces basic principles and characters of several kinds of optic

4、al switches, and illustrates the classification, structures, fabrication methods and functional characters of current MEMS optical switch in details. And recent development and progress on this research area are presented and three kinds of MEMS optical switches with different mechanical structures

5、are produced by the bulk-micromachining processes. Their principles of operation are all based on silicon digital micro mirrors technology. The electrostatic actuators with low driving voltage are used in the three kinds of optical switch. The grooves used for optical fibers being self-aligned coupl

6、ing are made on silicon substrate for device. Computer simulation and analysis of on-off characteristic show that the second and the third optical switches have switching time.KeywordsMEMS; optical switch; switch array; micro mirror; silicon-on-glass bonding；optical fiber communication目錄摘要IAbstractI

7、I前言3第一章光開關的種類41.1 物理效應光開關41.1.1 固態(tài)波導光開關41.1.2 液晶光開關41.1.3 熱光開關41.1.4 全息光柵開關51.2 微機械光開關51.2.1 光路遮擋型MEMS光開關61.2.2移動光纖對接型MEMS光開關61.3微鏡發(fā)射型MEMS光開關71.3.1彈出式微鏡光開關81.3.2扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關91.3.3滑動式微鏡光開關101.3.4三維陣列光開關11第二章微機械光開關的原理、設計與分析142.1 MEMS光開關的工作原理142.1.1 水平驅(qū)動2D光開關142.1.2 垂直驅(qū)動2D光開關142.1.3 扭擺驅(qū)動2D、3D光開關152.1.4 2D與

8、3D耦合方式152.2 分析與設計162.2.1 水平驅(qū)動2D光開關162.2.2 垂直驅(qū)動2D光開關172.2.3 扭擺驅(qū)動2D、3D光開關182.3 實驗192.3.1 水平驅(qū)動2D光開關192.3.2 垂直驅(qū)動與扭擺驅(qū)動2D、3D光開關192.3.3 測試20第三章MEMS光開關的控制223.1 MEMS光開關控制原理223.1.1 MEMS光開關簡介223.1.2 控制原理與過程223.2 控制系統(tǒng)設計233.2.1 硬件設計方案233.2.2 軟件設計方案24第四章光開關的市場分析264.1 光開關的技術優(yōu)勢264.2 國外的技術現(xiàn)狀274.2.1 國情況274.2.2 國外情況28

9、4.3 發(fā)展動態(tài)284.4 市場潛力30結(jié)論31參考文獻32前言光纖通信技術的問世和發(fā)展給通信業(yè)帶來了革命性的變革，目前世界大約85%的通信業(yè)務經(jīng)光纖傳輸，長途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時，密集波分復用（DWDM）技術的發(fā)展和成熟為充分應用光纖傳輸?shù)膸捄腿萘块_拓了廣闊的空間，具有高速率、大帶寬明顯優(yōu)勢的DWDM光通信網(wǎng)絡已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。光交叉互連（OXC）技術在日益復雜的DWDM網(wǎng)中是關鍵技術之一，而光開關作為切換光路的功能器件，則是OXC中的關鍵部分。在眾多種類的光開關中，微機械（MEMS）光開關被認為最有可能成為光開關的主流器件。本文在概述多種光開關原理特點的

10、基礎上，重點收集與分析了國外研制的幾種主要的MEMS光開關，并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點。光開關是寬帶光纖通訊系統(tǒng)中的重要器件，而基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術加工的二維陣列光開關更是一種很有前景的器件。這種二維陣列光開關在平面上布置有NN個微鏡，每個微鏡具有切入光路(反射)和離開光路兩種位置狀態(tài)。光開關與兩組N根光纖相連，分別作為入射端和出射端。當微鏡(i，j)位于反射位置時，由第i根光纖入射的光束經(jīng)過微鏡反射后由第j根光纖射出，從而實現(xiàn)光路的選擇。第一章 光開關的種類雖然光開關的歷史并不悠久，但隨著科學技術的發(fā)展，人們研究開發(fā)了多種基于不同材料和不同原理的光開關。1.1 物理效應光開關物理

11、效應光開關發(fā)展已比較成熟，可分為移動光纖、移動套管、移動準直器、移動反光鏡、移動棱鏡和移動耦合器。傳統(tǒng)的機械式光開關插入損耗較低（2dB）；隔離度高（45dB）；不受偏振和波長的影響。其缺陷在于開關時間較長，一般為毫秒量級，有時還存在回跳抖動和重復性較差的問題。另外其體積較大，不易做成大型的光開關矩陣。物理效應光開關以做成成品，國外公司均有各自的產(chǎn)品。1.1.1 固態(tài)波導光開關固態(tài)波導光開關是利用波導的熱光、磁光效應來改變波導性質(zhì)，從而實現(xiàn)開關動作的一種器件。它的開關速度在微秒到亞毫秒量級，體積小且易于集成為大規(guī)模的陣列，但插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性等指標都較差。1.1.2液晶光開關

12、液晶光開關通過電場控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關功能，適用于中等規(guī)模的開關陣列。目前液晶光開關的最大端口數(shù)為80，消光比可高達40-50dB，通過加熱液晶可以使開關速度達到毫秒級，但也會使設備功耗增加。另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同的兩束光，最后再合起來，如果兩束光的傳播路徑稍有不同，便會產(chǎn)生插入損耗，因此這種光開關的插損指標難以提高。1.1.3熱光開關熱光開關是利用熱光技術制造的小光開關。目前主要有兩種類型的熱光開關，干涉式光開關和數(shù)字光開關（DOS）。干涉式光開關結(jié)構(gòu)緊湊，但由于對光波長敏感，需要進行溫度控制；數(shù)字光開關性能更穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關就保持穩(wěn)定的狀態(tài)。它通常用硅

13、或高分子聚合物制備，聚合物的導熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功率小，消光比可達20dB，但插入損耗較大，一般為3-4dB。熱光開關陣列可以和陣列波導光柵集成在一起組成光分插復用器，并利用聚合物進行規(guī)模生產(chǎn)。熱光開關的缺點為響應時間較長，因此開關速度受到限制。1.1.4全息光柵開關全息光柵開關依靠布拉格光柵實現(xiàn)對光的選擇性反射。通過全息的形式在晶體部生成布拉格光柵，當加電時，布拉格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過晶體。利用該技術可以容易地組成上千端口的光交換系統(tǒng)，且開關速度快，為納秒量級，但器件的功耗較大并需要高壓供電。MEMS光開關通過靜電或其他控制力使微鏡或光閘產(chǎn)生機械運動，從而

14、改變光的傳播方向、實現(xiàn)開關功能。MEMS光開關具有制作成本低、加工工藝多樣化、系統(tǒng)單片集成化等諸多優(yōu)點，各項性能足以滿足DWDM全光網(wǎng)的技術要求，因此MEMS光開關顯示出良好的開發(fā)應用前景。除上述光開關外，人們還研究過馬赫-曾德干涉儀開關，聲光、噴墨氣泡光開關與半導體光放大器（SOA）光開關等。1.2 微機械光開關MEMS光開關既有機械式光開關的低插損、低串擾、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點，又有波導開關的高開關速度、小體積、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點。同時MEMS光開關與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等均無關，與未來光網(wǎng)絡發(fā)展所要求的透明性和可擴展等趨勢相符合，因此，MEMS光開

15、關極可能在光網(wǎng)絡中成為光開關的最佳選擇。MEMS光開關的驅(qū)動方式主要有平行板電容靜電驅(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)動等。MEMS光開關所用材料大致分為單晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料；Au、Al等金屬材料；壓電材料與有機聚合物等其他材料。MEMS光開關所用工藝主要有體硅工藝，表面工藝和LIGA工藝。MEMS光開關按功能實現(xiàn)方法可分為光路遮擋型、移動光纖對接型和微鏡反射型。1.2.1光路遮擋型MEMS光開關具有代表性的光路遮擋型光開關是懸臂梁式光開關。圖1為朗訊公司研制的光驅(qū)動微機械光開關1，整個器件尺寸約1-2mm，材料由金、

16、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(qū)動光功率僅2.7W，傳輸距離達128km，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統(tǒng)。圖1朗訊公司研制的光路遮擋型光開關1.2.2移動光纖對接型MEMS光開關圖2所示為一種具有代表性的移動光纖對接型光開關2，由美國加州大學戴維斯分校研制

17、。它是一個1*4光開關，利用光纖的移動和對準實現(xiàn)光信號的切換，插入損耗大約為1dB。與以微鏡為基礎的光開關相比，它采用體硅或LIGA工藝，制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡單，可采用電磁驅(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，缺點是開關速度較低，大約為10ms量級，可連接的最大端口數(shù)受到限制，多用于網(wǎng)絡自愈保護。圖2加州大學研制的移動光纖對接型光開關示意圖1.3微鏡發(fā)射型MEMS光開關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和三維兩種。在二維（2D）也稱數(shù)字方式中，微鏡和光

18、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。一個N*N的MEMS微鏡矩陣用來連接N條輸入光纖和N條輸出光纖，這種結(jié)構(gòu)為N2結(jié)構(gòu)。它極簡化了控制電路的設計，一般只需要提供足夠的驅(qū)動電壓使微鏡發(fā)生動作即可。但是當要擴展成大型光開關陣列時，由于各個輸入輸出端口的光傳輸距離有所不同，所以各個端口的插入損耗也不同，這使得2D微鏡光開關只能使用在端口數(shù)較少的環(huán)路里。目前二維系統(tǒng)最大容量是32*32端口，多個器件可以連接起來組成更大的開關陣列，最大可以達到512*512端口。圖3是由二維微鏡光開關組成的開關陣列3，圖4是4*4微鏡陣列的顯

19、微照片。圖3微鏡反射型開關陣列圖44*4開關陣列顯微照片圖5 二維微鏡組成的$#$ 開關陣列1.3.1彈出式微鏡光開關圖5為AT&T實驗室所研制的彈出式微鏡光開關$。它采用表面工藝加工，并利用scratch-drive驅(qū)動器（SDA，抓式驅(qū)動器）驅(qū)動。當100V驅(qū)動脈沖電壓加載到SDA陣列上時，可滑動的驅(qū)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(zhuǎn)換到反射狀態(tài)。這樣的設計能有效地將SDA驅(qū)動器的平移運動變成微鏡的彈出運動，使得整個裝置的運動速度較高，同時也可以減小微鏡所占的面積。它的開關速度為0.5ms，該結(jié)構(gòu)的缺

20、點在于SDA驅(qū)動器與襯底之間的靜摩擦力往往會影響其效能，同時插損偏大，約3.1-3.5dB。圖$ 565 研制的彈出式光開關1.3.2扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關圖為日本和法國共同研制的扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關!。該結(jié)構(gòu)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100晶向單晶硅腐蝕特性可精確地加工出相對光纖呈$!%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100m厚透磁合金，在相對應的襯底位置，微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

21、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100m的位移，驅(qū)動電流為1A，響應時間為300s，插損為0.5dB。該光開關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狀態(tài)，耗能較大。因此，現(xiàn)在國外更廣泛地采用熱或靜電驅(qū)動此類光開關，用熱驅(qū)動就是在懸臂梁背面加工一層主要起加熱作用的金屬膜電阻，通電后，金屬膜受熱膨脹，使整個懸臂梁向一邊彎曲帶動微鏡偏轉(zhuǎn)；若采用靜電驅(qū)動，則在襯底上沉積一層金屬電極，和懸臂梁末端組成平行板電容器，在靜電力的作用下，同樣會使懸臂梁帶動微鏡扭轉(zhuǎn)。圖! 日本和法國共同研制的扭轉(zhuǎn)式光開關1.3.3滑動式微鏡光開關圖-

22、 所示為新加坡南洋理工大學設計的滑動式微鏡光開關-，它的基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動式很相似，驅(qū)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(jié)構(gòu)，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、窄溝道與孔。該結(jié)構(gòu)包括可動和固定兩部分，可動部分的懸梁側(cè)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，靜電力使懸臂梁在力的方向上產(chǎn)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，

23、微鏡平動位移也有限，而且DRIE工藝牽涉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。圖- 南洋理工大學研制的滑動式光開關1.3.4三維陣列光開關在三維（3D），也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開關中，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。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1152*1152的大型交叉連接，其總?cè)萘恳呀?jīng)比傳統(tǒng)電交叉連接

24、器提高了約兩個數(shù)量級。AT&A公司推出的著名的Wave Star Lamda Router全光波長路由系統(tǒng)，其光交叉連接系統(tǒng)可實現(xiàn)256*256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的3D微鏡光開關陣列如圖和圖?所示。圖 三維光開關陣列示意圖圖? +,-, 公司研制的三維光開關陣列顯微照片圖; 所示為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。它以表面工藝為基礎，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(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

25、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2.65，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。圖; 國研制的三維光開關微鏡單元第二章 微機械光開關的原理、設計與分析采用MEMS體硅工藝，制作MEMS一共有三種結(jié)構(gòu)微機械光開關：水平驅(qū)動光開關，垂直驅(qū)動光開關和扭擺驅(qū)動光開關。雖然它們的工作原理都基于硅數(shù)字微鏡技術

26、，但由于它們都具有不同的結(jié)構(gòu)，因此原理也具有差異。2.1 MEMS光開關的工作原理2.1.1水平驅(qū)動2D光開關圖 是光開關真累的一個單元，具有單層體硅結(jié)構(gòu)。研究中采用正面釋放深刻蝕淺擴散工藝在Si上制作出光開關的基本結(jié)構(gòu)，它包括可動和固定兩部分，可動部分的懸梁側(cè)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，在兩電極間加上電壓，在靜電力的作用下可移動部分的懸梁在力的方向上將生產(chǎn)一位移，懸臂梁的端部將不再對光有阻斷作用，這時懸梁側(cè)壁的反射輸出為零，從而實現(xiàn)光的開關。圖2.1.2垂直驅(qū)動2D光開關如圖所示，采用MEMS硅-玻璃鍵合工藝，在硅和玻璃上分別制作可動和

27、固定的兩電極，在可動電極上制作懸梁式光擋板，此懸梁式光擋板側(cè)壁相當一個反射鏡。動作器由可動電極和懸梁式擋板組成，在靜電力的作用下可動電極產(chǎn)生運動，使懸梁式擋板有一位移，擋板對光起到阻擋和反射作用，從而實現(xiàn)光的開關。圖2.1.3扭擺驅(qū)動2D、3D光開關如圖所示，和前一種光開關具有相似的結(jié)構(gòu)，在靜電力矩的作用下，硅電極將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，這樣擋板對光起到偏轉(zhuǎn)作用，從而在3D空間實現(xiàn)光的開關。圖2.1.42D與3D耦合方式圖 是2D與3D耦合方式示意圖。對于2D形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纖自對準槽，光纖與動作器所在基片在同一個平面，光的通斷有硅懸梁擋板控制，對光阻斷或反射，這種形式的光開關實現(xiàn)光耦合較

28、容易，具有自對準的特點，但這種方法不利于形成大的開關陣列。對于3D形式，光纖與動作器所在基片不在同一個平面，光的通斷有硅質(zhì)量塊表面反射來完成，這種光開關實現(xiàn)光的耦合比較困難，但有利于大規(guī)模集成。水平驅(qū)動光開關與垂直驅(qū)動光開關可形成二維開關陣列，而扭擺驅(qū)動光開關同時可形成二維與三維開關陣列。圖2.2 分析與設計光開關采用靜電力驅(qū)動，具有較低的驅(qū)動電壓，其中扭擺式光開關的驅(qū)動電壓小于15V。對于2D開關陣列，在硅基上制作了光纖自對準耦合槽。對開關特性進行計算機模擬和分析，分析光開關的開關時間。2.2.1水平驅(qū)動2D光開關開關速度是光開關的一個重要指標，要有高的開關速度，就要有高的諧振頻率。對于圖

29、所示的結(jié)構(gòu)，諧振頻率可表示為f0=其中Mmirror、Mtruss和Mbeam分別是懸梁鏡、端部構(gòu)架和折疊梁的質(zhì)量；kfolded是折疊梁的彈性系數(shù)，有kfolded=其中n為梳齒電極數(shù)；0為真空介電常數(shù)；y為位移；y0為電極初始重合長度；d為電極間間隙。由上式可以看出，要增加開關靈敏度和隔離度，減小功耗，就要增加懸臂梁的長度和減小寬度，這與提高諧振頻率的要求相矛盾。對于芯徑為10m的單模光纖，根據(jù)高斯束理論，要降低衍射損耗，懸梁的側(cè)壁反射鏡尺寸應大于30m,設計中采用近似圖所示的結(jié)構(gòu)，為了便于集成并實現(xiàn)光開關陣列，設計中保證輸入光纖與反射鏡成45角，并在硅片上設計自對準V形槽。2.2.2垂直

30、驅(qū)動2D光開關和前一種光開關一樣，開關速度和驅(qū)動電壓是考慮的重要因素，動和定極板間的靜電力FxV2=-v2其中C為動和定極板間的電容；0為真空介電常數(shù)；s為質(zhì)量塊面積；d為電極間間隙，如圖所示，由公式可得縱向位移y=-V2其中E為氏模量；h、b和L分別為固支梁的厚度、寬度和長度；V為驅(qū)動電壓；kfolded是固支梁沿z方向的彈性系數(shù)。由公式可以看出，要增加開關靈敏度和隔離度，減小功耗，說法要增加固支梁的長度和減小寬度，郵于Lb，因此長度對彈性的影響遠大于寬度。為此設計了折疊梁，增加了梁的長度，同時減小了芯片面積。質(zhì)量塊的諧振頻率可表示為f0=由公式可以看出增加懸臂梁的長度和減小寬度，諧振頻率將

31、降低，不利于提高開關速度，這與減小功耗又矛盾。因此應綜合考慮這些因素，此設計結(jié)構(gòu)的f02kHz。如圖是垂直式光開關的計算機有根元分析（FEA）結(jié)果，分析表明此結(jié)構(gòu)有高的諧振頻率從而可得到高的開關速度（小于1ms），驅(qū)動電壓小于30V。圖2.2.3扭擺驅(qū)動2D、3D光開關對于扭擺式結(jié)構(gòu)如圖所示，設計了扭擺式固支梁，在靜電力的作用下，由于固支梁不是連接在質(zhì)量塊邊沿的中心，因此質(zhì)量塊以固支梁為軸產(chǎn)生一扭轉(zhuǎn)。理論研究表明，要減小驅(qū)動電壓，應盡量減小梁的寬度和增加梁的長度，和垂直驅(qū)動式一樣，同時也要考慮結(jié)構(gòu)對開關速度的影響。圖示是垂直式光開關的計算機有限元分析結(jié)果，分析表明此結(jié)構(gòu)有高的開關速度（小于1m

32、s）和低的驅(qū)動電壓（小于15V）。圖2.3 實驗2.3.1水平驅(qū)動2D光開關在傳統(tǒng)的MEMS體硅工藝中，由于存在較大的應力，而使結(jié)構(gòu)變形，嚴重阻礙了體硅工藝的發(fā)展。本研究采用正面釋放深刻蝕淺擴散新工藝，此工藝縮短了濃硼擴散的時間，極大限度地減小了擴散時引入的應力，而且本工藝不需要硅玻璃鍵合，只需一塊掩膜板，可一次完成反射鏡、V形槽的制作，具有自對準特點，減小了光開關損耗，縮短了工藝流程，提高了成品率。由于不存在硅玻璃鍵合，因此動和定電極間需要采用pn結(jié)隔離。選n型硅材料，在制作過程中擴B，形成p+n結(jié)。采用ICP在硅片上刻蝕出懸梁和梳齒結(jié)構(gòu)，刻蝕深度為50m，然后進行P+擴散，擴散深度為4m。

33、擴散目的有兩個，一是作體硅腐蝕的自停止層，二是形成p+n結(jié)的p+極。再用ICP刻蝕掉表面的濃硼擴散區(qū)，而留下懸側(cè)壁的濃硼區(qū)。用EPW腐蝕液將硅片的輕摻硼區(qū)腐蝕掉，釋放出結(jié)構(gòu)，n=150,d=3m，b=3m，L=900m。為了降低散射損耗，懸梁側(cè)壁反射鏡要非常光滑，為此可采用氧化削尖和濺射Au工藝，來增加反射鏡的平整度，圖示是水平式光開關和光纖自對準V形槽SEM照片。2.3.2垂直驅(qū)動與扭擺驅(qū)動2D、3D光開關這兩種光開關具有一樣的工藝條件，在本研究中盡量縮短濃硼擴散時間以減少應力的影響，擴散層的深度在1015m，濃度大小11019，這種擴散層形成濕法腐蝕的自停止層，即形成硅動作器結(jié)構(gòu)。由于濃硼

34、擴散層對濕法腐蝕具有自停止結(jié)果，因此硅片正面的結(jié)構(gòu)形成需用干法刻蝕，在本研究采用反應離子刻蝕（RIE）工藝。采用靜電鍵合工藝對硅和玻璃進行貼合，為了提高鍵合成品率，硅和玻璃要有良好的表面狀態(tài)，并進行表面處理。結(jié)構(gòu)的釋放采用濕法腐蝕，選擇EDP腐蝕液，腐蝕時應嚴格控制腐蝕液的比例和腐蝕溫度，為保證腐蝕的均勻性，腐蝕時加攪拌。圖示是垂直式與扭擺式光開關的SEM照片，d=10m，b=10m，h=10m，L2000m，質(zhì)量塊面積為500m1000m，厚度等同于折疊梁、硅懸梁擋板的厚度。對于2D耦合，可利用雙面光刻在硅上制作光纖自對準V形槽。為提高反射率，大硅表面鍍金屬薄膜。2.3.3測試選用直徑約為1

35、25m，芯徑約為10m的單模光纖，測試光弄錯關的開關速度、壽命和損耗。對于2D光開關，測試較容易進行，因為設計了光纖自對準V型槽，光纖的一端入V形槽，另一端和光源或者光功率計相連，對于扭鏡結(jié)構(gòu)3D光開關，測試遇到的最大困難是精確耦合，因此需要設計合適的封裝形式。根據(jù)扭鏡可能的轉(zhuǎn)動角度，設計帶有一定輸入、輸出角度光纖槽的管殼和管座。圖示是垂直式光開關驅(qū)動電壓與懸梁位移的關系曲線。第三章 MEMS光開關的控制本章闡述的控制方案針對的是二維結(jié)構(gòu)、采用靜電法驅(qū)動的MEMS光開關。3.1 MEMS光開關控制原理3.1.1MEMS光開關簡介典 型的MEMS光開關器件可分為二維和三維結(jié)構(gòu)。二維MEMS的空間

36、旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機械制造技術單片集成在硅基底上，準直光通過微鏡的適當旋轉(zhuǎn)被接到適當 的輸出端。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點，另一端連接可平移梳妝電極。轉(zhuǎn)換狀態(tài)通過調(diào)節(jié)梳妝電極使微鏡發(fā)生轉(zhuǎn) 動，當微鏡為水平時，可使光束從該微鏡上面通過，當微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光束從該微鏡對應的輸出端口輸出。三 維MEMS的鏡面能向任何方向偏轉(zhuǎn)，這些陣列通常是成對出現(xiàn)，輸入光線到達第一個陣列鏡面上被反射到第二個陣列的鏡面上，然后光線被反射到輸出端口。在多種可能的驅(qū)動方法中，靜電和磁感應法為主選方案。靜電法依賴于電荷極性相反的機械元素

37、之間的相互吸引，這是MEMS技術中使用的主要的驅(qū)動方 法，它具有可重復性和容易屏蔽等優(yōu)點。磁感應驅(qū)動依賴于磁體或者電磁體之間的相互吸引。盡管磁感應驅(qū)動能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動力并具有較高的線性度，但由于磁 感應應用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動方案仍然是可靠設備的最佳選擇。3.1.2控制原理與過程MEMS 44光開關是OXC節(jié)點設備中的核心子系統(tǒng)之一。其在整個系統(tǒng)中負責將4種波長的光按照要求進行路由切換，以達到光交換的目的。MEMS光開關的優(yōu)點在于光波路由的切換是通過外部控制信息以與相應的高低電平控制部16塊微鏡片抬升與否來完成的。我們選用的MEMS光開關規(guī)定在控制信息的格式上，不管其部

38、有多少個微鏡片，都需要由一系列1和0組成的 64位串行數(shù)據(jù)來完成控制。依據(jù)MEMS光開關的具體工作原理以與所需數(shù)字信號間的時序關系，所需的64位控制信息、以與其他信號（如CLK、ENA信號）可以由高速單片機單片機單片機是單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可 能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)。 全文來提供。本控制系統(tǒng)在單板調(diào)試期間，由一臺PC機的相應程

39、序模擬本地控制，發(fā)出相應的路由信息。PC機的信息通過串口串口串口是計算機上一種非常通用的設備通信協(xié)議，大多數(shù)計算機包含兩個基于RS232的串口。串口同時也是儀器儀表設備的通信協(xié)議，并可用于獲取遠程采集設備的數(shù)據(jù)。發(fā)送給單片機，單片機再進行進一步的控制動作。MEMS光開關路由成功與否等信息由單片機讀取其部寄存器中的64位控制數(shù)據(jù)，與原始的正確的64位數(shù)據(jù)進行對比完成。操作完成后，又由單片機通過串口向PC機產(chǎn)生相應的反饋信息。形成人機、遠程與本地之間的交互。為了保持與整個OXC系統(tǒng)的兼容性，MEMS 子系統(tǒng)除了可以受控于本地單片機，應該還可以由專門的主控制電路中的FPGAFPGA現(xiàn)場可編程邏輯門陣

40、列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一個含有可編輯元件的半導體設備，可供使用者現(xiàn)場程式化的邏輯門陣列元件。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編輯器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。芯片直接控制。如此一來就可以做到確保子系統(tǒng)萬無一失。為此，電路設計上也將為其保留接口。3.2 控制系統(tǒng)設計基于前述原理，該子系統(tǒng)的設計將分為硬件和軟件設計兩方面。3.2.1硬件設計方案試驗階段將為MEMS設計四個控制通道，其中保留廠家的測試版電路并以此作為一個控制通道 ；為本地單片機不同類型的控制信息提供兩個通道；此外，為將來可能用到的FPGA芯片控制信息預留一個通道。實際

41、應用階段將只保留一個單片機通道與一個FPGA控制通道。在單板調(diào)試期間，路由與管理信息來自模擬網(wǎng)管的PC機軟件，而在實際應用中，一切路由與管理信息將來自主控制板。圖1是硬件設計框圖。圖雖然試驗與實用階段控制通道不止一個，但某一時期起作用的只有一個通道。通道的切換通過手動跳線完成。單片機選用高速低耗雙串口多中斷的單片機。此單片機將為MEMS光開關提供64位控制信息以與所需的其他控制信號，如時鐘CLK信號、路由使能信號等。 并-串轉(zhuǎn)換電路用于將單片機并行發(fā)出的控制信息轉(zhuǎn)換成MEMS要求的串行數(shù)據(jù)。這一功能由單片機和并-串轉(zhuǎn)換芯片共同完成 ；串-并轉(zhuǎn)換電路用于單片機并行讀入MEMS部寄存器中的串行原始

42、路由信息。這一功能由單片機和串-并轉(zhuǎn)換芯片共同完成。3.2.2軟件設計方案因為在調(diào)試中需要人機交互，所以需要PC機程序和單片機控制程序各一套。兩套程序通過RS-232接口進行通信。程序間的通信協(xié)議制定如下：PC機程序采用圖形界面，收發(fā)的各種信息將會在程序界面上給管理員作出相應的實時提示。圖2給出PC機網(wǎng)管模擬程序流程圖。單片機控制程序與PC機程序相比，難度在于其既要發(fā)送MEMS需要的時鐘信號、使能信號等，又要發(fā)送64位微鏡片控制數(shù)據(jù)。這些信號之間有著嚴格的時序關系。編程時應該特別注意延時程序和指令編寫技巧。單片機程序流程圖，如圖3所示。 第四章 光開關的市場分析MEMS技術在光纖通信網(wǎng)絡中的一

43、個重要應用就是利用微動微鏡制作光開關矩陣，微動微鏡可以采用上下折疊方式、左右移動方式或旋轉(zhuǎn)方式來實現(xiàn)開關的導 通和斷開功能。MEMS技術制作的光開關是將機械結(jié)構(gòu)、微觸動器和微光元件在同一襯底上集成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，易于擴展。4.1 光開關的技術優(yōu)勢MEMS器件具有體積小、重量輕、能耗低、慣性小、響應時間短，可把多個不同功能、不同敏感方向或致動方向的微機構(gòu)大規(guī)模地集成在一起，并且可以通過微電鑄的方法進行批量復制和大規(guī)模生產(chǎn)。光纖通信在實現(xiàn)了高速、大容量點對點的傳輸后，上世紀末已進入了光纖網(wǎng)絡時代。MEMS在光纖通信領域的應用圍十分寬廣，幾乎所有光網(wǎng)絡中的各個組 成單元都能采用MEMS制作器件，

44、并由此產(chǎn)生了一個新名詞：微光電子機械系統(tǒng)（MOEMS），它是機、電、光、磁、化學、自動控制、傳感技術與信息處理等 多種技術的綜合。綜觀光纖通信器件的發(fā)展歷程，可以看出器件的發(fā)展趨勢為：塊狀堆集型？光纖型？MOEMS型？集成型。前兩種已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化，并正在向小型化方向發(fā)展。在目前集成型器件還不十分成熟的情況下，MEMS（或MOEMS）型光器件已出現(xiàn)了商業(yè)化的產(chǎn)品。利用MEMS技術可以制作光纖通信傳輸網(wǎng)中的許多器件，如：光分插復用器（OADM）、光交叉連接開關矩陣（OXC-AS）、光調(diào)制器、光濾波器、波 分復用解復用器、可調(diào)諧微型垂直腔表面發(fā)射半導體激光器（VCSEL）、可變光衰減器、增益均衡器與

45、用于光路分配和耦合的微透鏡陣列等多種微型化光器件。它比機械式光開關和波導型光開關具有很好的性能，如：低插損、小串音、高消光比、重復性好、響應速度適中，與波長、偏振、速率與調(diào)制方式無關，壽命長、可靠性高，并可擴展成大規(guī)模光交叉連接開關矩陣。MEMS光開關的優(yōu)勢體現(xiàn)在性能、功能、規(guī)模、可靠性和成本等幾個方面。在關鍵的性能指標如插入損耗、波長平坦度、PDL（偏振相關損耗）和串擾方 面，MEMS技術能達到的性能可與其他技術所能達到的最高性能相比。比如基于MEMS技術制作的22光開關模塊的插入損耗可達0.4dB，PDL小于 0.1dB，串擾小于-70dB。在功能方面，微鏡具有可靠的閉鎖功能，能夠保證光路

46、切換的準確性。在規(guī)模方面，采用2D結(jié)構(gòu)的MEMS光開關已有6464的商用產(chǎn)品，采用3D結(jié)構(gòu)的MEMS光開關也有上千端口數(shù)的樣品，從而使構(gòu)建中等規(guī)模和大規(guī)模光纖網(wǎng)絡節(jié)點成為可能。在可靠性方面，單晶硅極好的機械性能可使制成的器件能夠抗疲勞，由于單晶硅中沒有位錯，所以從本質(zhì)上它不會產(chǎn)生疲勞，是一種完美的彈性材料。MEMS 光開關的壽命已超過3800萬次，并且在溫度循環(huán)、沖擊、振動和長期高溫貯存等可靠性指標方面，均滿足Telcordia GR-1073-Core標準。在成本方面，MEMS光開關為降低系統(tǒng)成本提供了多種可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的網(wǎng)絡設置和架構(gòu)以與光纖層的保護成為可能。MEM

47、S尺寸小和功耗低的特性使得系統(tǒng)的外形可以縮小，節(jié)省了中繼器和終端節(jié)點占用的地盤。MEMS器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟性好，而且器件與器件之間重復性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個芯片上，可以在一個硅片上重復多次，從而可以提供價格更低的光器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價格下降，最終降低設備和營運成本。4.2 國外的技術現(xiàn)狀MEMS光開關與其應用技術，在國外正處在從研究向市場轉(zhuǎn)化時期，目前尚無統(tǒng)一的標準和規(guī)。我們要在未來的通信市場上占有一席之地，將MEMS、光電子和光通信研究生產(chǎn)單位和應用單位結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，就會實現(xiàn)創(chuàng)新和跨躍式發(fā)展。國家提出“以信息化帶動工業(yè)化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，努力實現(xiàn)技術的

48、跨越式發(fā)展”的發(fā)展戰(zhàn)略。信息產(chǎn)業(yè)特別是通信產(chǎn)業(yè)必然成為今后國家發(fā)展的重點。結(jié)合國家“十五”期間建設寬帶高速信息網(wǎng)的需求，抓住發(fā)展MEMS光開關的大好機遇，大力發(fā)展這一技術，就會掌握未來通信領域的核心技術，確定我國在未來信息領域的大國地位。4.2.1國情況我國對MEMS的研究雖然時間不長，但也取得了相當?shù)陌l(fā)展，目前從事這一研究工作的單位多數(shù)是一流的高校和技術力量雄厚的研究所。特別是“九五”期間在國家的大力支持下，已經(jīng)建立了良好餓的理論技術基礎和試驗條件。據(jù)國外權(quán)威公司SPC的統(tǒng)計，我國MEMS的研究處于世界第八位。我國已具備了研究光通信用MEMS器件的條件。目前進行著得光通信MEMS研究主要有M

49、EMS光開關，微結(jié)構(gòu)陣列型纖維開關，可調(diào)諧陣列光學濾波器與光耦合器等。4.2.2國外情況國外一些大研究機構(gòu)從80年代就開始了光MEMS的研究與MEMS在通信方面的應用研究。最近，MEMS已經(jīng)開始在光通信中的應用，使光通信進入了一個新的時代。同時也使MEMS成為了光通信技術熱點之一。光MEMS技術被認為是開啟全光通信之門的鑰匙。以MEMS光開關為代表的光MEMS技術已經(jīng)成為MEMS領域最熱門和生長最快的研究方向。4.3 發(fā)展動態(tài)MEMS加工技術主要分為三類：非硅基材料上以X光深度光刻的LIGA技術；硅基或非硅基材料上的精密機械刻劃技術；在半導體集成電路技術之上發(fā)展起來的硅MEMS加工技術。硅ME

50、MS加工技術最早出現(xiàn)于二十世紀六十年代，所采用的主要技術是單晶硅各向異性腐蝕技術（體硅微機械），其代表產(chǎn)品是硅壓力傳感器。八十年代美國率先開發(fā)出以多晶硅為結(jié)構(gòu)層、二氧化硅為犧牲層的表面犧牲層技術（表面微機械），并開發(fā)出微硅靜電馬達，使得MEMS技術得到質(zhì)的飛躍發(fā)展。表面微機械加工技術與半導體集成電路技術最為相近，其主要特點是在薄膜淀積的基礎上，利用光刻、刻蝕等集成電路常用工藝制備微機械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可微動結(jié)構(gòu)。進入九十年代，隨著深槽刻蝕技術、鍵合技術與其它關鍵技術的成功應用，體硅微機械又得到了飛速發(fā)展，并發(fā)展出多種體硅工藝與表面微機械工藝相互結(jié)合的 新工藝。特別是開發(fā)出利用感應耦合等離子體（ICP）和側(cè)壁鈍化（SPP）的先進硅刻蝕工藝（ASE），可對硅材料進行很大深寬比的三維微加工，其加工厚 度可達幾百微米，側(cè)壁垂直度可接近九十度。這使得MEMS技術不僅在傳感器領域的應用得到迅速發(fā)展，而且在光纖通信、微型化