清华大学MEMS课程讲义

微电子学研究所InstituteofMicroelectronicsMEMS与微系统第七章OpticalMEMS王喆垚[e-mail]„概述„MechanicalOpticalMEMS„MEMS光开关„显示器件„光学平台„SemiconductorOpticalMEMS„可调激光器„可调探测器2/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„MOEMS:„Microopticalelectromechanicalsystems„MEMSforopticalapplications„AMarriageofThreeTechnologies„Optics„Reflective,Refractive„Diffractive,Waveguiding„SemiconductorDevices„OptoelectronicIII-VDevices„ControlElectronics„Microfabrication„Si-CMOSProcessing„Micromachining定义3/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„按照功能„光控制器件MEMSforopticalcontrol„Switches(开关),DMD(数字微镜),attenuators(衰减器)„光传感器MEMSforopticalsensors„Nearfieldopticalmicroscope(近场光学显微镜)„光执行器和制造Opticalactuationandfabrication„Lithographyandlasercontrol„按照应用„光通信器件„光开关、调制器、飞秒激光器„光互连与光存储„影像再现„显示器件、打印机、扫描仪„适应光学„光传感器与执行„光谱和仪器分类4/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件举例5/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件举例6/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„基本光学功能工作原理7/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„有源器件„有源MOEMS器件工作原理AllActiveDevicesareSurfaceNormal8/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„CoupledCavity:AirGap+SemiconductorCavity工作原理ElectrostaticForcebalancewithelasticrestoringforce:Effectivecavitylength:Lightemissionrestrictedtocavitymodes9/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„优异的光学性能„微镜Mirror„优异的驱动性能„MEMS是“lightdevices”，输出功率小，光是更轻的物质„高频、长寿命、可靠性好„精确的尺寸和位移控制„微位移控制λ/4„精确微位移„微加工技术+控制电路集成„多功能集成„高密度、大批量、低成本„体积小、重量轻„减少安装对准过程优点10/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„简介„MEMS光开关„简介„一维光开关„二维光开关„三维光开关„显示器件光开关11/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„远距离通信简介12/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„远距离通信简介„Slow„Complex„PoorScalability13/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„光网络MEMS器件„MEMSopticalswitches(光学开关)„Opticalcross-connect(OXC,光学交叉连接)„OpticalAdd/dropmultiplexer(OADM,光学分插复用器)„Variableattenuator(可调衰减器)„……„发展历史„1979,Petersen,firstopticaldevice,cantilevermirror„1993,Gustafson&Hok,firstMEMSapplicationinopticalcommunication,V-groove„UCLA,Tohoku,UCBerkeley……„ADI,Lucent,Nortel,TI,Corning,Tellium,OMM,ONIX……简介14/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„历史简介15/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„光开关Opticalswitches„Devicestoswitchtheopticalsignalfromoneporttoanother„O－O－O简介16/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„Dispersivegratings色散光栅„Separatedifferentwavelengths„微镜沿面内某一单轴做小角度倾斜运动，控制光束反射方向„Applications„add/dropmultiplexer一维光开关17/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„驱动一维光开关18/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„nxn阵列:将任意输入端口入射光切换到任意输出端口二维光开关19/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„nxn阵列:将任意输入端口入射光切换到任意输出端口„Possiblemirrormovements二维光开关20/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„活塞式：水平插入„梳状驱动器二维光开关21/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„活塞式：垂直插入„平板电容二维光开关22/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„活塞式：平行移动„梳状电容二维光开关23/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„扭转式二维光开关24/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„处理n路输入、n路输出，二维光开关需要多少个？„N2!„尺寸、光传输距离（衰减）和复杂度决定最大的二维光开关32x32.„三维光开关:2n微镜阵列三维光开关25/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„双轴扭转微镜„Lucent,LambdaRouter„平板电容驱动三维光开关Gimbal万向节26/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„双轴扭转微镜„梳状电容驱动三维光开关27/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„双轴扭转微镜„梳状电容驱动三维光开关28/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„扭转微镜建模„BOlength:„Arclength:„Electricalfield:„Electricalforce:三维光开关/sinRdθ=()aRxθ=−sinVVEdaxθθ==⎛⎞−⎜⎟⎝⎠22EPε=29/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„Torsion:integration:„3-orderexpansion:„Mechanicalforce:三维光开关22220sinsinln122sinsinLexVWLLTVWdxdLddxεεθθθθϑθ⎡⎤⎛⎞==+−⎜⎟⎢⎥−⎝⎠⎣⎦⎡⎤⎛⎞−⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦∫()232221sin2sin223eVWLLTOddεθθθθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=++⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎢⎥⎣⎦3521921tanh32mmGwttwTKlwtπθθπ⎡⎤⎛⎞=⋅=−⋅⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦30/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„Equilibrium:electricalforce=mechanicalforce„Dynamic:„Frequency:三维光开关MmeIKTθθ+=meTT=203mmKVItdεωρ=−31/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„Surfacemicromachining„Bulkmicromachining„KOHetching„DRIE„Flatness„Multilayerpolysilicon„SOI+DRIE微镜制造32/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„体微加工技术„KOHetching微镜制造11011010033/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„体微加工技术„SOI＋DRIE微镜制造34/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„OpticalapplicationofMEMS„Switches„1Dswitches:smallanglerotation,verysmallscale.„2Dswitches:multiplemovements,smallerthan1024.„3Dswitches:rotation,verylargescale.„Fabrication„Surfacemicromachining„Bulkmicromachining„SOIwafer+DRIE„Modeling„Actuation:staticelectricalforce.„Resistance:mechanicalrestorationforce„Equilibrium:electricalforce=mechanicalforce小结35/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„简介„MEMS光开关„显示器件„概述„DigitalMirrorDevice：DMD„GratingLightValve：GLV36/51微电子学研究所InstituteofMicroelectronics概述光开关显示器件„CRT:CathodeRayTube阴极射线管„Threecolorguns„Poorperformance,limitpanelsize„LCD:LiquidCrystalDisplay液晶显示„Voltagecontrolledliquidcrystal„Compact,poorcolorperformance„PDP:PlasmaDisplayPanel等离子显示„Gasesdischarge=Plasma=excitedfluorescence„Largepanel,goodcolorperformanc