MEMS光開關(guān)的研究及市場(chǎng)分析

1、集成電路專業(yè)學(xué)年論文論文題目：mems光開關(guān)的研究及市場(chǎng)分析學(xué) 院：電子工程學(xué)院年 級(jí)：專 業(yè)：姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含其他個(gè)人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）授權(quán)使用說明本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解紅河學(xué)院有關(guān)保留、使用畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保留論文（設(shè)計(jì)）并向相關(guān)部門送交論文（設(shè)計(jì)）的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán)將

2、論文（設(shè)計(jì)）用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱。學(xué)校可以公布論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容。保密的論文（設(shè)計(jì)）在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 日期： 摘要光開關(guān)是光通信網(wǎng)絡(luò)的重要功能器件,mems光開關(guān)是最具發(fā)展前景的光開關(guān)之一。在簡(jiǎn)介不同種類光開關(guān)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了當(dāng)前主要的mems光開關(guān)的分類、結(jié)構(gòu)、工藝與性能特點(diǎn)，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(jī)械光開關(guān)。它們的工作原理都基于硅數(shù)字微鏡技術(shù)。這三種光開關(guān)采用了靜電力驅(qū)動(dòng)，具有較低的驅(qū)動(dòng)電壓。在硅基上制作了光纖自對(duì)準(zhǔn)耦合槽，并對(duì)光開關(guān)的開關(guān)特性進(jìn)行

3、了計(jì)算機(jī)模擬與分析，并進(jìn)行結(jié)果分析。 關(guān)鍵詞微機(jī)械；光開關(guān)；開關(guān)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 optical sw

4、itches, 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 are p

5、roduced 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 coupling a

6、re 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.key wordsmems; optical switch; switch array; micro mirror; silicon-on-glass bonding；optical fiber communication目錄摘要iabstractii前言3

7、第一章 光開關(guān)的種類41.1 物理效應(yīng)光開關(guān)41.1.1 固態(tài)波導(dǎo)光開關(guān)41.1.2 液晶光開關(guān)41.1.3 熱光開關(guān)41.1.4 全息光柵開關(guān)51.2 微機(jī)械光開關(guān)51.2.1 光路遮擋型mems光開關(guān)61.2.2移動(dòng)光纖對(duì)接型mems光開關(guān)61.3微鏡發(fā)射型mems光開關(guān)71.3.1彈出式微鏡光開關(guān)81.3.2扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關(guān)91.3.3滑動(dòng)式微鏡光開關(guān)101.3.4三維陣列光開關(guān)11第二章 微機(jī)械光開關(guān)的原理、設(shè)計(jì)與分析142.1 mems光開關(guān)的工作原理142.1.1 水平驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)142.1.2 垂直驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)142.1.3 扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)152.1.4 2d與3d

8、耦合方式152.2 分析與設(shè)計(jì)162.2.1 水平驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)162.2.2 垂直驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)172.2.3 扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)182.3 實(shí)驗(yàn)192.3.1 水平驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)192.3.2 垂直驅(qū)動(dòng)與扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)192.3.3 測(cè)試20第三章 mems光開關(guān)的控制223.1 mems光開關(guān)控制原理223.1.1 mems光開關(guān)簡(jiǎn)介223.1.2 控制原理與過程223.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)233.2.1 硬件設(shè)計(jì)方案233.2.2 軟件設(shè)計(jì)方案24第四章 光開關(guān)的市場(chǎng)分析264.1 光開關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)264.2 國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀274.2.1 國(guó)內(nèi)情況274.2.2 國(guó)外情況

9、284.3 發(fā)展動(dòng)態(tài)284.4 市場(chǎng)潛力30結(jié)論31參考文獻(xiàn)32前言光纖通信技術(shù)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(wù)經(jīng)光纖傳輸，長(zhǎng)途干線網(wǎng)和本地中繼網(wǎng)也已廣泛使用光纖。同時(shí)，密集波分復(fù)用（dwdm）技術(shù)的發(fā)展和成熟為充分應(yīng)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(shì)的dwdm光通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。光交叉互連（oxc） 技術(shù)在日益復(fù)雜的dwdm網(wǎng)中是關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是oxc中的關(guān)鍵部分。在眾多種類的光開關(guān)中，微機(jī)械（mems）光開關(guān)被認(rèn)為最有可能成為光開關(guān)的主流器件。本文在概述多種光開關(guān)原理

10、特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)收集與分析了國(guó)外研制的幾種主要的mems光開關(guān)，并闡述了各自的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)。光開關(guān)是寬帶光纖通訊系統(tǒng)中的重要器件，而基于微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)加工的二維陣列光開關(guān)更是一種很有前景的器件。這種二維陣列光開關(guān)在平面上布置有nn個(gè)微鏡，每個(gè)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(guān)與兩組n根光纖相連，分別作為入射端和出射端。當(dāng)微鏡(i，j)位于反射位置時(shí)，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(shí)現(xiàn)光路的選擇。第一章 光開關(guān)的種類雖然光開關(guān)的歷史并不悠久，但隨著科學(xué)技術(shù)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(guān)。1.1 物理效應(yīng)光開

11、關(guān)物理效應(yīng)光開關(guān)發(fā)展已比較成熟，可分為移動(dòng)光纖、移動(dòng)套管、移動(dòng)準(zhǔn)直器、移動(dòng)反光鏡、移動(dòng)棱鏡和移動(dòng)耦合器。傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)插入損耗較低（2db）；隔離度高（45db）；不受偏振和波長(zhǎng)的影響。其缺陷在于開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為毫秒量級(jí)，有時(shí)還存在回跳抖動(dòng)和重復(fù)性較差的問題。另外其體積較大，不易做成大型的光開關(guān)矩陣。物理效應(yīng)光開關(guān)以做成成品，國(guó)內(nèi)外公司均有各自的產(chǎn)品。1.1.1 固態(tài)波導(dǎo)光開關(guān) 固態(tài)波導(dǎo)光開關(guān)是利用波導(dǎo)的熱光、磁光效應(yīng)來改變波導(dǎo)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作的一種器件。它的開關(guān)速度在微秒到亞毫秒量級(jí)，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(biāo)都較差。1.1.2

12、 液晶光開關(guān)液晶光開關(guān)通過電場(chǎng)控制液晶分子的方向?qū)崿F(xiàn)開關(guān)功能，適用于中等規(guī)模的開關(guān)陣列。目前液晶光開關(guān)的最大端口數(shù)為80，消光比可高達(dá)40-50db，通過加熱液晶可以使開關(guān)速度達(dá)到毫秒級(jí)，但也會(huì)使設(shè)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(huì)產(chǎn)生插入損耗，因此這種光開關(guān)的插損指標(biāo)難以提高。1.1.3 熱光開關(guān)熱光開關(guān)是利用熱光技術(shù)制造的小光開關(guān)。目前主要有兩種類型的熱光開關(guān)，干涉式光開關(guān)和數(shù)字光開關(guān)（dos）。干涉式光開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，但由于對(duì)光波長(zhǎng)敏感，需要進(jìn)行溫度控制；數(shù)字光開關(guān)性能更穩(wěn)定，只要加熱到一定溫度，光開關(guān)就保持穩(wěn)定的狀

13、態(tài)。它通常用硅或高分子聚合物制備，聚合物的導(dǎo)熱率較低而熱光系數(shù)高，因此需要的功率小，消光比可達(dá)20db，但插入損耗較大，一般為3-4db。熱光開關(guān)陣列可以和陣列波導(dǎo)光柵集成在一起組成光分插復(fù)用器，并利用聚合物進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)。熱光開關(guān)的缺點(diǎn)為響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此開關(guān)速度受到限制。1.1.4全息光柵開關(guān)全息光柵開關(guān)依靠布拉格光柵實(shí)現(xiàn)對(duì)光的選擇性反射。通過全息的形式在晶體內(nèi)部生成布拉格光柵，當(dāng)加電時(shí)，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(shù)可以容易地組成上千端口的光交換系統(tǒng)，且開關(guān)速度快，為納秒量級(jí)，但器件的功耗較大并需要高壓供電。mems光開關(guān)通過靜電或其他控制力使微鏡或光閘產(chǎn)

14、生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而改變光的傳播方向、實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。mems光開關(guān)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(diǎn)，各項(xiàng)性能足以滿足dwdm全光網(wǎng)的技術(shù)要求， 因此mems光開關(guān)顯示出良好的開發(fā)應(yīng)用前景。除上述光開關(guān)外，人們還研究過馬赫-曾德干涉儀開關(guān)，聲光、噴墨氣泡光開關(guān)及半導(dǎo)體光放大器（soa）光開關(guān)等。1.2 微機(jī)械光開關(guān)mems光開關(guān)既有機(jī)械式光開關(guān)的低插損、低串?dāng)_、低偏振敏感性和高消光比的優(yōu)點(diǎn)，又有波導(dǎo)開關(guān)的高開關(guān)速度、小體積、易于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)mems光開關(guān)與光信號(hào)的格式、波長(zhǎng)、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等均無關(guān)，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所要求的透明性和可擴(kuò)展等趨勢(shì)相符合，

15、因此，mems光開關(guān)極可能在光網(wǎng)絡(luò)中成為光開關(guān)的最佳選擇。mems光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有平行板電容靜電驅(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)等。mems光開關(guān)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；壓電材料及有機(jī)聚合物等其他材料。mems光開關(guān)所用工藝主要有體硅工藝，表面工藝和liga工藝。mems光開關(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)接型和微鏡反射型。1.2.1 光路遮擋型mems光開關(guān)具有代表性的光路遮擋型光開關(guān)是懸臂梁式光開關(guān)。圖1為朗訊公司研制的光驅(qū)動(dòng)微機(jī)械光開關(guān)1，整個(gè)器件尺寸約1

16、-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，光開關(guān)處于開通狀態(tài)，如無光信號(hào)，光發(fā)電機(jī)無電壓輸出，遮片下降，光開關(guān)關(guān)閉。該開關(guān)由遠(yuǎn)端的光信號(hào)控制，所以光開關(guān)本地是無源的。該光開關(guān)驅(qū)動(dòng)光功率僅2.7w， 傳輸距離達(dá)128km，開關(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統(tǒng)。圖1 朗訊公司研制的光路遮擋型光開關(guān)1.2.2 移動(dòng)光纖對(duì)接型mems光開關(guān)圖2所示為一種具有代表性的移動(dòng)光纖對(duì)接型光開關(guān)【2】

17、，由美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研制。它是一個(gè)1*4光開關(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，插入損耗大約為1db。與以微鏡為基礎(chǔ)的光開關(guān)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(jiǎn)單，可采用電磁驅(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)是開關(guān)速度較低，大約為10ms量級(jí)，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)。圖2 加州大學(xué)研制的移動(dòng)光纖對(duì)接型光開關(guān)示意圖1.3微鏡發(fā)射型mems光開關(guān)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關(guān)更加易于集成和控制，組成光開關(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關(guān)分成二維和三維兩種。在二維

18、（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)（開或關(guān)）。通過移動(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)。一個(gè)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)。它極大地簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)，一般只需要提供足夠的驅(qū)動(dòng)電壓使微鏡發(fā)生動(dòng)作即可。但是當(dāng)要擴(kuò)展成大型光開關(guān)陣列時(shí)，由于各個(gè)輸入輸出端口的光傳輸距離有所不同，所以各個(gè)端口的插入損耗也不同，這使得2d微鏡光開關(guān)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(gè)器件可以連接起來組成更大的開關(guān)陣列，最大可以達(dá)到512*512端口。圖3是由二維微鏡光開關(guān)組成的

19、開關(guān)陣列3， 圖4是4*4微鏡陣列的顯微照片。圖3微鏡反射型開關(guān)陣列圖44*4開關(guān)陣列顯微照片圖5 二維微鏡組成的$#$ 開關(guān)陣列1.3.1 彈出式微鏡光開關(guān)圖5為at&t實(shí)驗(yàn)室所研制的彈出式微鏡光開關(guān)$。它采用表面工藝加工，并利用scratch-drive驅(qū)動(dòng)器（sda，抓式驅(qū)動(dòng)器）驅(qū)動(dòng)。當(dāng)100v驅(qū)動(dòng)脈沖電壓加載到sda陣列上時(shí)，可滑動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器向支撐梁運(yùn)動(dòng)，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(shè)計(jì)能有效地將sda驅(qū)動(dòng)器的平移運(yùn)動(dòng)變成微鏡的彈出運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)速度較高，同時(shí)也可以減小微鏡所占的面

20、積。它的開關(guān)速度為0.5ms，該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于sda驅(qū)動(dòng)器與襯底之間的靜摩擦力往往會(huì)影響其效能，同時(shí)插損偏大，約3.1-3.5db。圖$ 565 研制的彈出式光開關(guān)1.3.2 扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關(guān)圖 為日本和法國(guó)共同研制的扭轉(zhuǎn)式微鏡光開關(guān)!。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(zhǎng)懸臂梁的前端， 并處于兩光纖的交叉點(diǎn)上。利用100晶向單晶硅腐蝕特性可精確地加工出相對(duì)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(dòng)，在懸臂梁底部粘合一塊100m厚透磁合金，在相對(duì)應(yīng)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

21、著線圈中電流的大小和方向而改變，從而使懸臂梁沿電磁力向一邊彎曲，帶動(dòng)微反射鏡移開原來的位置，實(shí)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(dòng)電流為1a，響應(yīng)時(shí)間為300s，插損為0.5db。該光開關(guān)的缺點(diǎn)在于微組裝電磁驅(qū)動(dòng)不利于集成制造， 而且要靠電磁力保持開或關(guān)狀態(tài)，耗能較大。因此，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外更廣泛地采用熱或靜電驅(qū)動(dòng)此類光開關(guān)，用熱驅(qū)動(dòng)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(gè)懸臂梁向一邊彎曲帶動(dòng)微鏡偏轉(zhuǎn)；若采用靜電驅(qū)動(dòng)，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(huì)使懸臂梁帶動(dòng)微鏡扭轉(zhuǎn)。圖! 日本和法國(guó)

22、共同研制的扭轉(zhuǎn)式光開關(guān)1.3.3 滑動(dòng)式微鏡光開關(guān)圖- 所示為新加坡南洋理工大學(xué)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)式微鏡光開關(guān)-，它的基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)式很相似，驅(qū)動(dòng)電壓為30v，開關(guān)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(yīng)離子蝕刻（drie）工藝，這種技術(shù)可以對(duì)硅作深度達(dá)200m蝕刻，同時(shí)蝕刻出寬度小到20m并接近理想狀態(tài)的垂直墻、窄溝道及孔。該結(jié)構(gòu)包括可動(dòng)和固定兩部分，可動(dòng)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(dòng)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(dòng)位移，懸臂梁的端部就不再對(duì)光有阻斷作用。這種光開關(guān)的缺

23、點(diǎn)在于工作頻率受到諧振頻率影響，使得開關(guān)速度受到限制，微鏡平動(dòng)位移也有限，而且drie工藝牽涉到對(duì)材料的各向同性和異性刻蝕問題，對(duì)鏡面表面粗糙度有著一定的影響。圖- 南洋理工大學(xué)研制的滑動(dòng)式光開關(guān)1.3.4 三維陣列光開關(guān)在三維（3d），也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開關(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(guó)xros公司利用兩個(gè)相對(duì)放置的各有1152個(gè)微鏡的陣列實(shí)現(xiàn)了115

24、2*1152的大型交叉連接，其總?cè)萘恳呀?jīng)比傳統(tǒng)電交叉連接器提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。at&a公司推出的著名的wave star lamda router全光波長(zhǎng)路由系統(tǒng)， 其光交叉連接系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)256*256的交叉連接， 可節(jié)約25%的運(yùn)行費(fèi)用和99%的能耗，其采用體硅工藝制成的3d微鏡光開關(guān)陣列如圖 和圖? 所示。圖 三維光開關(guān)陣列示意圖圖? +,-, 公司研制的三維光開關(guān)陣列顯微照片圖; 所示為韓國(guó)國(guó)立研究實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的三維光開關(guān)陣列的一個(gè)微鏡單元。它以表面工藝為基礎(chǔ)，利用3d光刻鍍銅技術(shù)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

25、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軸和y軸運(yùn)動(dòng)，從而使輸入光束產(chǎn)生不同方向上的輸出。在244v驅(qū)動(dòng)電壓下微鏡最大偏轉(zhuǎn)角可達(dá)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(shí)采用兩組微鏡相對(duì)安裝。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是由光程差所引起的插入損耗對(duì)光開關(guān)陣列端口數(shù)的擴(kuò)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(guān)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(shè)計(jì)較為復(fù)雜。圖; 韓國(guó)研制的三維光開關(guān)微鏡單元第二章 微機(jī)械光開關(guān)的原理、設(shè)計(jì)與分析采用mems體硅工藝，制作mems一共有三種結(jié)構(gòu)微機(jī)械光開關(guān)：水平驅(qū)動(dòng)光開關(guān)，垂

26、直驅(qū)動(dòng)光開關(guān)和扭擺驅(qū)動(dòng)光開關(guān)。雖然它們的工作原理都基于硅數(shù)字微鏡技術(shù)，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(guān)的工作原理2.1.1 水平驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)圖 是光開關(guān)真累的一個(gè)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(kuò)散工藝在si上制作出光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)【】，它包括可動(dòng)和固定兩部分，可動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)光有阻斷作用，這時(shí)懸梁側(cè)壁的反射輸出為零，從而實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)。圖2.1.2 垂直

27、驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)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(dòng)和固定的兩電極，在可動(dòng)電極上制作懸梁式光擋板，此懸梁式光擋板側(cè)壁相當(dāng)一個(gè)反射鏡。動(dòng)作器由可動(dòng)電極和懸梁式擋板組成，在靜電力的作用下可動(dòng)電極產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使懸梁式擋板有一位移，擋板對(duì)光起到阻擋和反射作用，從而實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)。圖2.1.3 扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)如圖所示，和前一種光開關(guān)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(duì)光起到偏轉(zhuǎn)作用，從而在3d空間實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)。圖2.1.4 2d與3d耦合方式圖 是2d與3d耦合方式示意圖。對(duì)于2d形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纖自對(duì)準(zhǔn)槽，光纖與動(dòng)作器所在基片

28、在同一個(gè)平面內(nèi)，光的通斷有硅懸梁擋板控制，對(duì)光阻斷或反射，這種形式的光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光耦合較容易，具有自對(duì)準(zhǔn)的特點(diǎn)，但這種方法不利于形成大的開關(guān)陣列。對(duì)于3d形式，光纖與動(dòng)作器所在基片不在同一個(gè)平面內(nèi)，光的通斷有硅質(zhì)量塊表面反射來完成，這種光開關(guān)實(shí)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(dòng)光開關(guān)與垂直驅(qū)動(dòng)光開關(guān)可形成二維開關(guān)陣列，而扭擺驅(qū)動(dòng)光開關(guān)同時(shí)可形成二維與三維開關(guān)陣列。圖2.2 分析與設(shè)計(jì)光開關(guān)采用靜電力驅(qū)動(dòng)，具有較低的驅(qū)動(dòng)電壓，其中扭擺式光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓小于15v。對(duì)于2d開關(guān)陣列，在硅基上制作了光纖自對(duì)準(zhǔn)耦合槽。對(duì)開關(guān)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和分析，分析光開關(guān)的開關(guān)時(shí)間。2.2.1 水平驅(qū)

29、動(dòng)2d光開關(guān)開關(guān)速度是光開關(guān)的一個(gè)重要指標(biāo)，要有高的開關(guān)速度，就要有高的諧振頻率。對(duì)于圖 所示的結(jié)構(gòu)，諧振頻率可表示為 f0=12kfoldedmmirror+0.5mtruss+2.74mbeam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=2ehb3l3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(zhǎng)度；d為電極間間隙。由上式可以看出，要增加開關(guān)靈敏度和隔離度，減小功耗，就要增加懸臂梁的長(zhǎng)度和減小寬度，這與提高諧振頻率的要求相矛盾。對(duì)于芯徑為10m的單模光纖，根據(jù)高斯束理論，要降低

30、衍射損耗，懸梁的側(cè)壁反射鏡尺寸應(yīng)大于30m,設(shè)計(jì)中采用近似圖所示的結(jié)構(gòu)，為了便于集成并實(shí)現(xiàn)光開關(guān)陣列，設(shè)計(jì)中保證輸入光纖與反射鏡成45角，并在硅片上設(shè)計(jì)自對(duì)準(zhǔn)v形槽。2.2.2 垂直驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)和前一種光開關(guān)一樣，開關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)電壓是考慮的重要因素，動(dòng)和定極板間的靜電力f12xcdv2=-0s2d2v2其中c為動(dòng)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yf4kfolded=-sl3016ehb3v2其中e為楊氏模量；h、b和l分別為固支梁的厚度、寬度和長(zhǎng)度；v為驅(qū)動(dòng)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

31、關(guān)靈敏度和隔離度，減小功耗，說法要增加固支梁的長(zhǎng)度和減小寬度，郵于lb，因此長(zhǎng)度對(duì)彈性的影響遠(yuǎn)大于寬度。為此設(shè)計(jì)了折疊梁，增加了梁的長(zhǎng)度，同時(shí)減小了芯片面積。質(zhì)量塊的諧振頻率可表示為f0=12km由公式可以看出增加懸臂梁的長(zhǎng)度和減小寬度，諧振頻率將降低，不利于提高開關(guān)速度，這與減小功耗又矛盾。因此應(yīng)綜合考慮這些因素，此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的f02khz。如圖是垂直式光開關(guān)的計(jì)算機(jī)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(guān)速度（小于1ms），驅(qū)動(dòng)電壓小于30v。圖2.2.3 扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)對(duì)于扭擺式結(jié)構(gòu)如圖所示，設(shè)計(jì)了扭擺式固支梁，在靜電力的作用下，由于固支梁不是連接

32、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(dòng)電壓，應(yīng)盡量減小梁的寬度和增加梁的長(zhǎng)度，和垂直驅(qū)動(dòng)式一樣，同時(shí)也要考慮結(jié)構(gòu)對(duì)開關(guān)速度的影響。圖示是垂直式光開關(guān)的計(jì)算機(jī)有限元分析結(jié)果，分析表明此結(jié)構(gòu)有高的開關(guān)速度（小于1ms）和低的驅(qū)動(dòng)電壓（小于15v）。圖2.3 實(shí)驗(yàn)2.3.1 水平驅(qū)動(dòng)2d光開關(guān)在傳統(tǒng)的mems體硅工藝中，由于存在較大的應(yīng)力，而使結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)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(kuò)散新工藝，此工藝縮短了濃硼擴(kuò)散的時(shí)間，極大限度地減小了擴(kuò)散時(shí)引入的應(yīng)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(duì)

33、準(zhǔn)特點(diǎn)，減小了光開關(guān)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(dòng)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(kuò)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(jìn)行p+擴(kuò)散，擴(kuò)散深度為4m。擴(kuò)散目的有兩個(gè)，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(kuò)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(guān)和光纖自對(duì)

34、準(zhǔn)v形槽sem照片。2.3.2 垂直驅(qū)動(dòng)與扭擺驅(qū)動(dòng)2d、3d光開關(guān)這兩種光開關(guān)具有相同的工藝條件，在本研究中盡量縮短濃硼擴(kuò)散時(shí)間以減少應(yīng)力的影響，擴(kuò)散層的深度在1015m，濃度大小11019，這種擴(kuò)散層形成濕法腐蝕的自停止層，即形成硅動(dòng)作器結(jié)構(gòu)。由于濃硼擴(kuò)散層對(duì)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(yīng)離子刻蝕（rie）工藝。采用靜電鍵合工藝對(duì)硅和玻璃進(jìn)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(jìn)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(shí)應(yīng)嚴(yán)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(shí)加攪拌。圖示是垂直式與扭擺式光

35、開關(guān)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(duì)于2d耦合，可利用雙面光刻在硅上制作光纖自對(duì)準(zhǔn)v形槽。為提高反射率，大硅表面鍍金屬薄膜。2.3.3 測(cè)試選用直徑約為125m，芯徑約為10m的單模光纖，測(cè)試光弄錯(cuò)關(guān)的開關(guān)速度、壽命和損耗。對(duì)于2d光開關(guān)，測(cè)試較容易進(jìn)行，因?yàn)樵O(shè)計(jì)了光纖自對(duì)準(zhǔn)v型槽，光纖的一端入v形槽，另一端和光源或者光功率計(jì)相連，對(duì)于扭鏡結(jié)構(gòu)3d光開關(guān)，測(cè)試遇到的最大困難是精確耦合，因此需要設(shè)計(jì)合適的封裝形式。根據(jù)扭鏡可能的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，設(shè)計(jì)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

36、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓與懸梁位移的關(guān)系曲線。第三章 mems光開關(guān)的控制本章闡述的控制方案針對(duì)的是二維結(jié)構(gòu)、采用靜電法驅(qū)動(dòng)的mems光開關(guān)。3.1 mems光開關(guān)控制原理3.1.1 mems光開關(guān)簡(jiǎn)介典 型的mems光開關(guān)器件可分為二維和三維結(jié)構(gòu)。二維mems的空間旋轉(zhuǎn)鏡通過表面微機(jī)械制造技術(shù)單片集成在硅基底上，準(zhǔn)直光通過微鏡的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)被接到適當(dāng) 的輸出端。微鉸鏈把微鏡鉸接在硅基底上，微鏡兩邊有兩個(gè)推桿，推桿一端連接微鏡鉸接點(diǎn)，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(dòng)，當(dāng)微鏡為水平時(shí)，可使光束從該微鏡上面通過，當(dāng)微鏡旋轉(zhuǎn)到與硅基底垂直時(shí)，它將反射入射到它表面的光束，從而使該光

37、束從該微鏡對(duì)應(yīng)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(duì)出現(xiàn)，輸入光線到達(dá)第一個(gè)陣列鏡面上被反射到第二個(gè)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(dòng)方法中，靜電和磁感應(yīng)法為主選方案。靜電法依賴于電荷極性相反的機(jī)械元素之間的相互吸引，這是mems技術(shù)中使用的主要的驅(qū)動(dòng)方 法，它具有可重復(fù)性和容易屏蔽等優(yōu)點(diǎn)。磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)依賴于磁體或者電磁體之間的相互吸引。盡管磁感應(yīng)驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力并具有較高的線性度，但由于磁 感應(yīng)應(yīng)用中還有許多問題有待于解決，所以目前靜電驅(qū)動(dòng)方案仍然是可靠設(shè)備的最佳選擇。3.1.2 控制原理與過程mems 44光開關(guān)是oxc節(jié)點(diǎn)設(shè)備

38、中的核心子系統(tǒng)之一。其在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將4種波長(zhǎng)的光按照要求進(jìn)行路由切換，以達(dá)到光交換的目的。mems光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)在于光波路由的切換是通過外部控制信息以及相應(yīng)的高低電平控制內(nèi)部16塊微鏡片抬升與否來完成的。我們選用的mems光開關(guān)規(guī)定在控制信息的格式上，不管其內(nèi)部有多少個(gè)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(guān)的具體工作原理以及所需數(shù)字信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系，所需的64位控制信息、以及其他信號(hào)（如clk、ena信號(hào)）可以由高速單片機(jī)單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（single-chip microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是一種將中央處理器cpu隨機(jī)存儲(chǔ)器ram、只讀

39、存儲(chǔ)器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可 能還包括顯示驅(qū)動(dòng)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(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)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(tái)pc機(jī)的相應(yīng)程序模擬本地控制，發(fā)出相應(yīng)的路由信息。pc機(jī)的信息通過串口串口串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議，大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于rs232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備的通信協(xié)議，并可用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行進(jìn)一步的控制動(dòng)作。mems光開關(guān)路由成功與否等信息由單片機(jī)讀取其內(nèi)部寄存器中的64位控制數(shù)據(jù)，與原始的正

40、確的64位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比完成。操作完成后，又由單片機(jī)通過串口向pc機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信息。形成人機(jī)、遠(yuǎn)程與本地之間的交互。 為了保持與整個(gè)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(jī)，應(yīng)該還可以由專門的主控制電路中的fpgafpga現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（fpga, field programmable gate array），是一個(gè)含有可編輯元件的半導(dǎo)體設(shè)備，可供使用者現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)上進(jìn)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(shè)計(jì)上也將為其保留接口。3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于前述

41、原理，該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面。3.2.1 硬件設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)階段將為mems設(shè)計(jì)四個(gè)控制通道，其中保留廠家的測(cè)試版電路并以此作為一個(gè)控制通道 ；為本地單片機(jī)不同類型的控制信息提供兩個(gè)通道；此外，為將來可能用到的fpga芯片控制信息預(yù)留一個(gè)通道。實(shí)際應(yīng)用階段將只保留一個(gè)單片機(jī)通道與一個(gè)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(jī)軟件，而在實(shí)際應(yīng)用中，一切路由與管理信息將來自主控制板。圖1是硬件設(shè)計(jì)框圖。圖雖然試驗(yàn)與實(shí)用階段控制通道不止一個(gè)，但某一時(shí)期起作用的只有一個(gè)通道。通道的切換通過手動(dòng)跳線完成。單片機(jī)選用高速低耗雙串口多中斷的單片機(jī)。此單片機(jī)將為mem

42、s光開關(guān)提供64位控制信息以及所需的其他控制信號(hào)，如時(shí)鐘clk信號(hào)、路由使能信號(hào)等。 并-串轉(zhuǎn)換電路用于將單片機(jī)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(jī)和并-串轉(zhuǎn)換芯片共同完成 ；串-并轉(zhuǎn)換電路用于單片機(jī)并行讀入mems內(nèi)部寄存器中的串行原始路由信息。這一功能由單片機(jī)和串-并轉(zhuǎn)換芯片共同完成。3.2.2 軟件設(shè)計(jì)方案因?yàn)樵谡{(diào)試中需要人機(jī)交互，所以需要pc機(jī)程序和單片機(jī)控制程序各一套。兩套程序通過rs-232接口進(jìn)行通信。程序間的通信協(xié)議制定如下：pc機(jī)程序采用圖形界面，收發(fā)的各種信息將會(huì)在程序界面上給管理員作出相應(yīng)的實(shí)時(shí)提示。圖2給出pc機(jī)網(wǎng)管模擬程序流程圖。單片機(jī)控制

43、程序與pc機(jī)程序相比，難度在于其既要發(fā)送mems需要的時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)等，又要發(fā)送64位微鏡片控制數(shù)據(jù)。這些信號(hào)之間有著嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。編程時(shí)應(yīng)該特別注意延時(shí)程序和指令編寫技巧。單片機(jī)程序流程圖，如圖3所示。 第四章 光開關(guān)的市場(chǎng)分析mems技術(shù)在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要應(yīng)用就是利用微動(dòng)微鏡制作光開關(guān)矩陣，微動(dòng)微鏡可以采用上下折疊方式、左右移動(dòng)方式或旋轉(zhuǎn)方式來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo) 通和斷開功能。mems技術(shù)制作的光開關(guān)是將機(jī)械結(jié)構(gòu)、微觸動(dòng)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(kuò)展。4.1 光開關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)mems器件具有體積小、重量輕、能耗低、慣性小、響應(yīng)時(shí)間短，可把多個(gè)不同功能、不同

44、敏感方向或致動(dòng)方向的微機(jī)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(jìn)行批量復(fù)制和大規(guī)模生產(chǎn)。光纖通信在實(shí)現(xiàn)了高速、大容量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸后，上世紀(jì)末已進(jìn)入了光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。mems在光纖通信領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分寬廣，幾乎所有光網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)組 成單元都能采用mems制作器件，并由此產(chǎn)生了一個(gè)新名詞：微光電子機(jī)械系統(tǒng)（moems），它是機(jī)、電、光、磁、化學(xué)、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)與信息處理等 多種技術(shù)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(shì)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moem

45、s）型光器件已出現(xiàn)了商業(yè)化的產(chǎn)品。利用mems技術(shù)可以制作光纖通信傳輸網(wǎng)中的許多器件，如：光分插復(fù)用器（oadm）、光交叉連接開關(guān)矩陣（oxc-as）、光調(diào)制器、光濾波器、波 分復(fù)用解復(fù)用器、可調(diào)諧微型垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（vcsel）、可變光衰減器、增益均衡器及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(jī)械式光開關(guān)和波導(dǎo)型光開關(guān)具有很好的性能，如：低插損、小串音、高消光比、重復(fù)性好、響應(yīng)速度適中，與波長(zhǎng)、偏振、速率及調(diào)制方式無關(guān)，壽命長(zhǎng)、可靠性高，并可擴(kuò)展成大規(guī)模光交叉連接開關(guān)矩陣。mems光開關(guān)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在性能、功能、規(guī)模、可靠性和成本等幾個(gè)方面。在關(guān)鍵的性能指標(biāo)如插入損

46、耗、波長(zhǎng)平坦度、pdl（偏振相關(guān)損耗）和串?dāng)_方 面，mems技術(shù)能達(dá)到的性能可與其他技術(shù)所能達(dá)到的最高性能相比。比如基于mems技術(shù)制作的22光開關(guān)模塊的插入損耗可達(dá)0.4db，pdl小于 0.1db，串?dāng)_小于-70db。在功能方面，微鏡具有可靠的閉鎖功能，能夠保證光路切換的準(zhǔn)確性。在規(guī)模方面，采用2d結(jié)構(gòu)的mems光開關(guān)已有6464的商用產(chǎn)品，采用3d結(jié)構(gòu)的mems光開關(guān)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(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。在可靠性方面，單晶硅極好的機(jī)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(cuò)，所以從本質(zhì)上它不會(huì)產(chǎn)生疲勞，是一種完美的彈性材料。mems 光開關(guān)的壽命

47、已超過3800萬次，并且在溫度循環(huán)、沖擊、振動(dòng)和長(zhǎng)期高溫貯存等可靠性指標(biāo)方面，均滿足telcordia gr-1073-core標(biāo)準(zhǔn)。在成本方面，mems光開關(guān)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(luò)設(shè)置和架構(gòu)以及光纖層的保護(hù)成為可能。mems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(diǎn)占用的地盤。mems器件的單批產(chǎn)量很高，經(jīng)濟(jì)性好，而且器件與器件之間重復(fù)性好。執(zhí)行器與光器件集成在單個(gè)芯片上，可以在一個(gè)硅片上重復(fù)多次，從而可以提供價(jià)格更低的光器件。這些在成本方面的節(jié)約將使器件價(jià)格下降，最終降低設(shè)備和營(yíng)運(yùn)成本。4.2 國(guó)內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀mems光

48、開關(guān)及其應(yīng)用技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外正處在從研究向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化時(shí)期，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我們要在未來的通信市場(chǎng)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(yīng)用單位結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，就會(huì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和跨躍式發(fā)展。國(guó)家提出“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)的跨越式發(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(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)。結(jié)合國(guó)家“十五”期間建設(shè)寬帶高速信息網(wǎng)的需求，抓住發(fā)展mems光開關(guān)的大好機(jī)遇，大力發(fā)展這一技術(shù)，就會(huì)掌握未來通信領(lǐng)域的核心技術(shù)，確定我國(guó)在未來信息領(lǐng)域的大國(guó)地位。4.2.1 國(guó)內(nèi)情況我國(guó)對(duì)mems的研究雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但也取得了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，目前從事這

49、一研究工作的單位多數(shù)是一流的高校和技術(shù)力量雄厚的研究所。特別是“九五”期間在國(guó)家的大力支持下，已經(jīng)建立了良好餓的理論技術(shù)基礎(chǔ)和試驗(yàn)條件。據(jù)國(guó)外權(quán)威公司spc的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)mems的研究處于世界第八位。我國(guó)已具備了研究光通信用mems器件的條件。目前進(jìn)行著得光通信mems研究主要有mems光開關(guān)，微結(jié)構(gòu)陣列型纖維開關(guān)，可調(diào)諧陣列光學(xué)濾波器及光耦合器等。4.2.2 國(guó)外情況國(guó)外一些大研究機(jī)構(gòu)從80年代就開始了光mems的研究及mems在通信方面的應(yīng)用研究。最近，mems已經(jīng)開始在光通信中的應(yīng)用，使光通信進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。同時(shí)也使mems成為了光通信技術(shù)熱點(diǎn)之一。光mems技術(shù)被認(rèn)為是開啟全光通信之

50、門的鑰匙。以mems光開關(guān)為代表的光mems技術(shù)已經(jīng)成為mems領(lǐng)域最熱門和生長(zhǎng)最快的研究方向。4.3 發(fā)展動(dòng)態(tài)mems加工技術(shù)主要分為三類：非硅基材料上以x光深度光刻的liga技術(shù)；硅基或非硅基材料上的精密機(jī)械刻劃技術(shù)；在半導(dǎo)體集成電路技術(shù)之上發(fā)展起來的硅mems加工技術(shù)。硅mems加工技術(shù)最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)六十年代，所采用的主要技術(shù)是單晶硅各向異性腐蝕技術(shù)（體硅微機(jī)械），其代表產(chǎn)品是硅壓力傳感器。八十年代美國(guó)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(shù)（表面微機(jī)械），并開發(fā)出微硅靜電馬達(dá)，使得mems技術(shù)得到質(zhì)的飛躍發(fā)展。表面微機(jī)械加工技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)最為相近，其主要特點(diǎn)是在薄膜淀積的基礎(chǔ)上，利用光刻、刻蝕等集成電路常用工藝制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術(shù)釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可微動(dòng)結(jié)構(gòu)。進(jìn)入九十年代，隨著深槽刻蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)及其它關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，體硅微機(jī)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(jī)械工藝相互結(jié)合的 新工藝。特別是開發(fā)出利用感應(yīng)耦合等離子體（icp）和側(cè)壁鈍化（spp）的先進(jìn)硅刻蝕工藝（ase），可對(duì)硅材料進(jìn)行很大深寬比的三維微加工，其加工厚 度可達(dá)幾百微米，側(cè)壁垂直度可接近九十度。這使得mems技術(shù)不僅在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，而