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MEMS光开关MEMS光开关既有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点,又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关,与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。MEMS光开关结构分类MEMS光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动,梳状静电驱动器驱动,电致、磁致伸缩驱动,形变记忆合金驱动,光功率驱动和热驱动等。MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料,Au、Al等金属材料,压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺,表面工艺和LIGA工艺。MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。从目前国外各研究机构及公司发布的信息来看,MEMS光开关及其阵列的总体发展趋势为由2D结构向3D结构发展,其驱动方式重要集中在静电驱动、电磁驱动、热电驱动三种形式上,其中静电驱动方式是目前采用最为广泛的一种。1、光路遮挡型MEMS光开关具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关,整个器件尺寸约l~2mm,材料由金、氮化硅和多晶硅组成,并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用8个多晶硅PiN电池(一种非晶硅太阳电池)串联组成光发电机,在光信号的作用下,产生3V电压,电容板受到电场力吸引,将遮片升起,光开关处于开通状态,如无光信号,光发电机无电压输出,遮片下降,光开关关闭。该开关由远端的光信号控制,所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7μW,传输距离达128km,开关速度3.7ms,插损小于0.5dB。但串扰比较大,隔离度不高,一般用于组成光纤线路倒换系统。2、移动光纤对接型MEMS光开关图3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关,由美国加州大学戴维斯分校研制。图3加州大学研制的一动光纤对接型光电开光示意图它是一个l×4光开关,利用光纤的移动和对准实现光信号的切换,插入损耗大约为ldB。与以微镜为基础的光开关相比,它采用体硅或LIGA工艺,制造结构和制备方法较为简单,可采用电磁驱动,驱动精度要求低,系统可靠性和稳定性好,稳态时几乎不耗能,缺点是开关速度较低,大约为lOms量级,可连接的最大端口数受到限制,多用于网络自愈保护。3、微镜反射型MEMS光开关相对于移动光纤对接的方法,利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制,组成光开关阵列。根据组成OXC矩阵的方法,可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。在二维(2D)也称数字方式中,微镜和光纤在同一个平面上,微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个N×N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤,这种结构为N2结构。它极大地简化了控制电路的设计,一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时,由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同,所以各个端口的插入损耗也不同,这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是32×32端口,多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列,最大可以达到512×512端口。二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关采用表面工艺加工,并利用scratch-drive驱动器(SDA,抓式驱动器)驱动。当100V驱动脉冲电压加载到SDA阵列上时,可滑动的驱动器向支撑梁运动,使支撑梁和微镜之间的铰链扣住,将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置,从而使光路从直通状态转换到反射状态。这样的设计能有效地将SDA驱动器的平移运动变成微镜的弹出运动,使得整个装置的运动速度较高,同时也可以减小微镜所占的面积。它的开关速度为0.5ms,该结构的缺点在于SDA驱动器与衬底之间的静摩擦力往往会影响其效能,同时插损偏大,约3.1~3.5dB。日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关采用单晶硅体硅工艺加工,光纤呈交叉垂直放置,微反射镜垂直放置在一长悬臂梁的前端,并处于两光纤的交叉点上。利用100晶向单晶硅腐蚀特性可精确地加工出相对光纤呈45o的镜面,把从一根光纤中射出的光反射到另一根与之垂直的光纤中。悬臂梁采用电磁驱动,在悬臂梁底部粘合一块100μm厚透磁合金,在相对应的衬底位置,组装一块线圈电磁体,悬臂梁和线圈之间的电磁力便随着线圈中电流的大小和方向而改变,从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲,带动微反射镜移开原来的位置,实现光路的改变。微镜沿电磁力方向可产生约100μm的位移,响应时间为300μs,插损为0.5dB。该光开关的缺点在于微组装电磁驱动不利于集成制造,而且要靠电磁力保持开或关状态,耗能较大。现在国内外更广泛地采用热或静电驱动此类光开关,用热驱动就是在悬臂梁背面加工一层主要起加热作用的金属膜电阻,通电后,金属膜受热膨胀,使整个悬臂梁向一边弯曲带动微镜偏转;若采用静电驱动,则在衬底上沉积一层金属电极,和悬臂梁末端组成平行板电容器,在静电力的作用下,同样会使悬臂梁带动微镜扭转。新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关的基本结构与转动式很相似,驱动电压为30V,开关速度小于100μs,插损小于0.9dB。它也具有单层体硅结构,采用深反应离子蚀刻(DRIE)工艺,这种技术可以对硅作深度达200μm蚀刻,同时蚀刻出宽度小到20μm并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔。该结构包括可动和固定两部分,可动部分的悬梁侧壁可用作反射镜,在自然状态下光有一反射输出。在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极,在两电极之间加上电压,静电力会使悬臂梁沿力的方向上产生约45μm的平动位移,悬臂梁的端部就不再对光有阻断作用。这种光开关的缺点在于工作频率受到谐振频率影响,使得开关速度受到限制,微镜平动位移也有限,而且DRIE工艺涉及到对材料的各向同性和异性刻蚀问题,对镜面表面粗糙度有着一定的影响。在三维(3D)也称为模拟光束偏转开关中,输入输出光纤均成二维排列,两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中,每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中,N×N转换仅需要2N个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的角度,在三维空间反射光束,可将任意输入反射镜/光纤与任意输出反射镜/光纤交叉连接。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1152个微镜的阵列实现了1152×1152的大型交叉连接,其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级。AT&T公司则推出了著名的WaveStarLamdaRouter全光波长路由系统,其光交叉连接系统可实现256×256的交叉连接,可节约25%的运行费用和99%的能耗,其采用体硅工艺制成。韩国国立研究实验室设计的三维光开关阵列的一个微镜单元以表面工艺为基础,利用3D光刻镀铜技术制成,与CMOS工艺有着良好的兼容性。它由5层结构组成,由底层往上依次是电连接用底部电极、底部支撑柱、扭转梁和被抬起的电极、顶部微镜支撑柱、微镜。在静电力作用下,微镜可以绕x轴和y轴运动,从而使输入光束产生不同方向上的输出。在244V驱动电压下微镜最大偏转角可达到2.65o,镜面的曲率半径3.8cm,镜面的表面粗糙度为12nm。构成阵列时采用两组微镜相对安装,这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展不产生很大的影响,有利于集成并组成大规模光开关阵列。但另一方面,由于需要精确和快速稳定地控制光束,它的控制电路和结构设计较为复杂。MEMS光开关的应用1.概述微电子机械系统(MEMS)就是将几何尺寸或操作尺寸仅在微米、亚微米甚至纳米量级的微机电装置(如微机构、微驱动器等)与控制电路高度集成在硅基或非硅基材料上的一个非常小的空间里,构成一个机电一体化的器件或系统。MEMS器件具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、响应时间短,可把多个不同功能、不同敏感方向或致动方向的微机构大规模地集成在一起,并且可以通过微电铸的方法进行批量复制和大规模生产。MEMS加工技术主要分为三类:非硅基材料上以X光深度光刻的LIGA技术;硅基或非硅基材料上的精密机械刻划技术;在半导体集成电路技术之上发展起来的硅MEMS加工技术。硅MEMS加工技术最早出现于二十世纪六十年代,所采用的主要技术是单晶硅各向异性腐蚀技术(体硅微机械),其代表产品是硅压力传感器。八十年代美国率先开发出以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的表面牺牲层技术(表面微机械),并开发出微硅静电马达,使得MEMS技术得到质的飞跃发展。表面微机械加工技术与半导体集成电路技术最为相近,其主要特点是在薄膜淀积的基础上,利用光刻、刻蚀等集成电路常用工艺制备微机械结构,最终利用选择腐蚀技术释放结构单元,获得可微动结构。进入九十年代,随着深槽刻蚀技术、键合技术及其它关键技术的成功应用,体硅微机械又得到了飞速发展,并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。特别是开发出利用感应耦合等离子体(ICP)和侧壁钝化(SPP)的先进硅刻蚀工艺(ASE),可对硅材料进行很大深宽比的三维微加工,其加工厚度可达几百微米,侧壁垂直度可接近九十度。这使得MEMS技术不仅在传感器领域的应用得到迅速发展,而且在光纤通信、微型化学分析系统、DNA分析及微型机器人等领域的应用研究也得到空前发展。光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后,上世纪末已进入了光纤网络时代。MEMS在光纤通信领域的应用范围十分宽广,几乎所有光网络中的各个组成单元都能采用MEMS制作器件,并由此产生了一个新名词:微光电子机械系统(MOEMS),它是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合。综观光纤通信器件的发展历程,可以看出器件的发展趋势为:块状堆集型光纤型MOEMS型集成型。前两种已经形成产业化,并正在向小型化方向发展。在目前集成型器件还不十分成熟的情况下,MEMS(或MOEMS)型光器件已出现了商业化的产品。利用MEMS技术可以制作光纤通信传输网中的许多器件,如:光分插复用器(OADM)、光交叉连接开关矩阵(OXC-AS)、光调制器、光滤波器、波分复用解复用器、可调谐微型垂直腔表面发射半导体激光器(VCSEL)、可变光衰减器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透镜阵列等多种微型化光器件。2.MEMS光开关的优势MEMS技术在光纤通信网络中的一个重要应用就是利用微动微镜制作光开关矩阵,微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成,结构紧凑、重量轻,易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能,如:低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中,与波长、偏振、速率及调制方式无关,寿命长、可靠性高,并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。MEMS光开关有2D(二维)数字和3D(三维)模拟两种结构。在2D结构中,所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上,通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能,如图1所示,所以2D结构又称为数字型。一个NN的2D光开关需要N2个微反射镜,2D结构的优点是控制简单,缺点是由于受光程和微镜面积的限制,交换端口数不能做得很大。在3D结构中,所有微反射镜处于相向的两个平面上,通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换,如图2所示。一个NN的3D光开关只需要2N个微反射镜,但每个微反射镜至少需要N个可精确控制的可动位置,所以3D结构又称为模拟型。与2D结构相反,3D结构的优点是交换端口数能做得很大,可实现上千端口数的交换能力,缺点是控制机理和驱动结构相当复杂,控制部分的成本很高。MEMS光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL(偏振相关损耗)和串扰方面,MEMS技
本文标题:MEMS光开关综述
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