mems光開關講述.ppt

mems光開關 目錄 MEMS光開關的研究背景 1 光開關以及MEMS光開關的概念 2 MEMS光開關的分類及原理 3 MEMS光開關的應用 4 1 MEMS光開關的研究背景 20世紀90年代以來 光通信得到了快速的發(fā)展 作為光通信關鍵環(huán)節(jié)的光互聯(lián)與光開關的地位也越來越重要 傳統(tǒng)的以電為核心的開關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) 而將以全光開關代之 全光開關是以光為核心實現(xiàn)光的通斷和交叉連接的系統(tǒng)部件 不存在光電的轉換 要成為傳統(tǒng)開關的替代者 這種新型的全光開關必須具備低損耗和高穩(wěn)定的特點 而MEMS光開關具備了這些優(yōu)點 而且與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和信號協(xié)議無關 MEMS光開關還具有體積小 成本低 易集成和容量大的優(yōu)點 2 光開關以及MEMS光開關的概念 光開關是按一定要求將光信號從一個光通道轉換到另一個光通道的器件 使光傳輸由0 E 0變成0 0 0 已成為全光網(wǎng)絡 AON 中的重要器件 光開關具有自動保護切換 實時監(jiān)控網(wǎng)絡性能 測試元器件 組成光分插復用設備和光交叉連接設備等具體功能 目前典型的光開關包括MEMS光開關 電光開關 聲光開關 熱光開關 磁光開關 噴墨氣泡光開關 液晶光開關 全息光柵開關 液體光柵開關和半導體光放大器光開關等 注 OEO是OpticalElectricalOptical的縮寫 意為光 電 光 光開關 2 光開關以及mems光開關的概念 MEMS光開關是在硅晶上刻出若干微小的鏡片 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 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制作技術 MEMS光開關 3 MEMS光開關的分類及原理 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光開關的基本原理 3 MEMS光開關的分類及原理 活動微鏡 驅動執(zhí)行器 輸入 出光纖 MEMS光開關的基本組成 3 MEMS光開關的分類及原理 平行板電容靜電驅動梳狀靜電驅動器驅動電致 磁致伸縮驅動形變記憶合金驅動光功率驅動熱驅動 MEMS光開關的驅動方式 3 MEMS光開關的分類及原理 采用平面下電極驅動結構的光開關示意圖 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 當施加驅動電壓時 光開關的上電極懸臂在靜電力作用下會發(fā)生偏轉 帶動微反射鏡發(fā)生移動 從而實現(xiàn)開關功能的轉換 平行板電容靜電驅動 3 MEMS光開關的分類及原理 梳狀靜電驅動即由大量的梳齒組成 一個簡單的梳狀靜電驅動結構 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主要是由驅動電壓V及梳齒個數(shù)n來決定的 靜電梳狀驅動力與下方梳齒個數(shù)成線性關系 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 從而達到開或關的效果 如圖所示 即一個梳狀驅動器水平方向驅動微鏡的MEMS光開關 可動部分的懸臂梁側壁可用作反射鏡 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)開關功能 梳狀靜電驅動器驅動 3 MEMS光開關的分類及原理 開關呈直通狀態(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而不被反射 開關呈反射狀態(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 電磁驅動 3 MEMS光開關的分類及原理 光開關的分類 光開關 mechanicalopticalswitch Solidlightswitch Otherlightswitch 聲光開關 光纖開關 自由空間棱鏡開關 熱光開關 電光開關 ClicktoaddTitle ClicktoaddTitle 氣泡開關 液晶開關 機械光開關 固體光開關 其他光開關 磁光開關 宏機械開關 光子開關 全息光開關 根據(jù)被驅動的部件不同 MEMS光開關可分兩類 3 MEMS光開關的分類及原理 MEMS光開關的分類 移動光纖式 3 MEMS光開關的分類及原理 基于傳統(tǒng)的機械式光開關 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 移動棱鏡式 3 MEMS光開關的分類及原理 移動其他部件的光開關 1 2 3 移動反射鏡 透射鏡式 3 MEMS光開關的分類及原理 移動其他部件的光開關 采用MEMS技術移動微反射鏡的光開關 3 MEMS光開關的分類及原理 移動其他部件的光開關 按功能實現(xiàn)方法可分為 光路遮擋型移動光纖對接型微鏡反射型 3 MEMS光開關的分類及原理 MEMS光開關的分類 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 該光開關驅動光功率僅2 7 W 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 3 MEMS光開關的分類及原理 光路遮擋型MEMS光開關 移動光纖對接型MEMS光開關 一個l 4光開關 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 制造結構和制備方法較為簡單 采用電磁驅動 驅動精度要求低 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 可連接的最大端口數(shù)受到限制 多用于網(wǎng)絡自愈保護 3 MEMS光開關的分類及原理 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 微鏡反射型MEMS光開關 3 MEMS光開關的分類及原理 在三維 3D 也稱為模擬光束偏轉開關中 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 在這種結構中 N N轉換僅需要2N個反射鏡 通過將反射鏡偏轉至合適的角度 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光開關的分類及原理 光開關在光網(wǎng)絡中起到十分重要的作用 它不僅構成了波分復用光網(wǎng)絡中關鍵設的交換核心 本身也是光網(wǎng)絡中的關鍵器件 其應用范圍主要有 保護倒換功能 當光纖斷裂或其他傳輸故障發(fā)生時 利用光開關實現(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 網(wǎng)絡監(jiān)視功能 使用簡單的1 N光開關可以將多纖聯(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)光開關連接到網(wǎng)絡監(jiān)視儀器上 通過光開關的動作 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 可以通過監(jiān)測光開關的每個通道信號來測試器件 光開關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) 4 MEMS光開關的應用 光開關的應用領域 4 MEMS光開關的應