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1、集成电路专业学年论文论文题目：MEMS光开关的研究及市场分析学 院：电子工程学院年 级：专 业：姓 名：学 号：指导教师：毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将
2、论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 摘要光开关是光通信网络的重要功能器件,MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出了研究与发展情况和采用MEMS体硅工艺制作的三种结构的微机械光开关。它们的工作原理都基于硅数字微镜技术。这三种光开关采用了静电力驱动，具有较低的驱动电压。在硅基上制作了光纤自对准耦合槽，并对光开关的开关特性进行
3、了计算机模拟与分析，并进行结果分析。 关键词微机械；光开关；开关阵列；微镜；硅-玻璃键合；光纤通信 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 communicationIII目录摘要IAbstractII
7、前言3第一章 光开关的种类41.1 物理效应光开关41.1.1 固态波导光开关41.1.2 液晶光开关41.1.3 热光开关41.1.4 全息光栅开关51.2 微机械光开关51.2.1 光路遮挡型MEMS光开关61.2.2移动光纤对接型MEMS光开关61.3微镜发射型MEMS光开关71.3.1弹出式微镜光开关81.3.2扭转式微镜光开关91.3.3滑动式微镜光开关101.3.4三维阵列光开关11第二章 微机械光开关的原理、设计与分析142.1 MEMS光开关的工作原理142.1.1 水平驱动2D光开关142.1.2 垂直驱动2D光开关142.1.3 扭摆驱动2D、3D光开关152.1.4 2D
8、与3D耦合方式152.2 分析与设计162.2.1 水平驱动2D光开关162.2.2 垂直驱动2D光开关172.2.3 扭摆驱动2D、3D光开关182.3 实验192.3.1 水平驱动2D光开关192.3.2 垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关192.3.3 测试20第三章 MEMS光开关的控制223.1 MEMS光开关控制原理223.1.1 MEMS光开关简介223.1.2 控制原理与过程223.2 控制系统设计233.2.1 硬件设计方案233.2.2 软件设计方案24第四章 光开关的市场分析264.1 光开关的技术优势264.2 国内外的技术现状274.2.1 国内情况274.2.2 国
9、外情况284.3 发展动态284.4 市场潜力30结论31参考文献32学年论文题目（五号楷体居中书写）前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。同时，密集波分复用（DWDM）技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。光交叉互连（OXC） 技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。在众多种类的光开关中，微机械（MEMS）光开关被认为最有可能成为光开
10、关的主流器件。本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点收集与分析了国外研制的几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。光开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而基于微机电系统(MEMS)技术加工的二维阵列光开关更是一种很有前景的器件。这种二维阵列光开关在平面上布置有NN个微镜，每个微镜具有切入光路(反射)和离开光路两种位置状态。光开关与两组N根光纤相连，分别作为入射端和出射端。当微镜(i，j)位于反射位置时，由第i根光纤入射的光束经过微镜反射后由第j根光纤射出，从而实现光路的选择。第一章 光开关的种类虽然光开关的历史并不悠久，但随着科学技术的发展，人们研究开发了多种基于不同材料和
11、不同原理的光开关。1.1 物理效应光开关物理效应光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器。传统的机械式光开关插入损耗较低（2dB）；隔离度高（45dB）；不受偏振和波长的影响。其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。物理效应光开关以做成成品，国内外公司均有各自的产品。1.1.1 固态波导光开关 固态波导光开关是利用波导的热光、磁光效应来改变波导性质，从而实现开关动作的一种器件。它的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模的阵列，但插入损耗、隔离度、消光
12、比、偏振敏感性等指标都较差。1.1.2 液晶光开关液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能，适用于中等规模的开关阵列。目前液晶光开关的最大端口数为80，消光比可高达40-50dB，通过加热液晶可以使开关速度达到毫秒级，但也会使设备功耗增加。另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后再合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗，因此这种光开关的插损指标难以提高。1.1.3 热光开关热光开关是利用热光技术制造的小光开关。目前主要有两种类型的热光开关，干涉式光开关和数字光开关（DOS）。干涉式光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制；数字光开关性能更稳定，只
13、要加热到一定温度，光开关就保持稳定的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功率小，消光比可达20dB，但插入损耗较大，一般为3-4dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产。热光开关的缺点为响应时间较长，因此开关速度受到限制。1.1.4全息光栅开关全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。利用该技术可以容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度快，为纳秒量级，但器件的功耗较大并需要高压供电。MEMS光
14、开关通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。MEMS光开关具有制作成本低、加工工艺多样化、系统单片集成化等诸多优点，各项性能足以满足DWDM全光网的技术要求， 因此MEMS光开关显示出良好的开发应用前景。除上述光开关外，人们还研究过马赫-曾德干涉仪开关，声光、喷墨气泡光开关及半导体光放大器（SOA）光开关等。1.2 微机械光开关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
15、展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合，因此，MEMS光开关极可能在光网络中成为光开关的最佳选择。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；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。1.2.1 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。图1为朗讯公司研制的
16、光驱动微机械光开关1，整个器件尺寸约1-2mm，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2.7W， 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。图1 朗讯公司研制的光路遮挡型光开关1.2.2 移动光纤对接型MEMS光开关图2所示为一种
17、具有代表性的移动光纤对接型光开关【2】，由美国加州大学戴维斯分校研制。它是一个1*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1dB。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10ms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。图2 加州大学研制的移动光纤对接型光开关示意图1.3微镜发射型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
18、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*5
19、12端口。图3是由二维微镜光开关组成的开关阵列3， 图4是4*4微镜阵列的显微照片。图3微镜反射型开关阵列图44*4开关阵列显微照片图5 二维微镜组成的$#$ 开关阵列1.3.1 弹出式微镜光开关图5为AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关$。它采用表面工艺加工，并利用scratch-drive驱动器（SDA，抓式驱动器）驱动。当100V驱动脉冲电压加载到SDA阵列上时，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的铰链扣住，将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态。这样的设计能有效地将SDA驱动器的平移运动变成微镜的弹出运动，使得整个装置的运
20、动速度较高，同时也可以减小微镜所占的面积。它的开关速度为0.5ms，该结构的缺点在于SDA驱动器与衬底之间的静摩擦力往往会影响其效能，同时插损偏大，约3.1-3.5dB。图$ 565 研制的弹出式光开关1.3.2 扭转式微镜光开关图 为日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关!。该结构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$!%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100m厚透磁合金，在相对应的衬底位置， 微组装一块线
21、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100m的位移，驱动电流为1A，响应时间为300s，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。因此，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
22、使悬臂梁带动微镜扭转。图! 日本和法国共同研制的扭转式光开关1.3.3 滑动式微镜光开关图- 所示为新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关-，它的基本结构与转动式很相似，驱动电压为30V，开关速度小于100s，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200m蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20m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，静电力使悬臂梁在力的方向上产生约45m的平动位移，悬臂梁的端
23、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工艺牵涉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。图- 南洋理工大学研制的滑动式光开关1.3.4 三维阵列光开关在三维（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
24、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&A公司推出的著名的Wave Star Lamda Router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的3D微镜光开关阵列如图 和图? 所示。图 三维光开关阵列示意图图? +,-, 公司研制的三维光开关阵列显微照片图; 所示为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。它以表面工艺为基础，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
25、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2.65，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。图; 韩国研制的三维光开关微镜单元第二章 微机械光开关的原理、设计与分析采用MEMS体硅工艺，制作MEMS一共有三
26、种结构微机械光开关：水平驱动光开关，垂直驱动光开关和扭摆驱动光开关。虽然它们的工作原理都基于硅数字微镜技术，但由于它们都具有不同的结构，因此原理也具有差异。2.1 MEMS光开关的工作原理2.1.1 水平驱动2D光开关图 是光开关真累的一个单元，具有单层体硅结构。研究中采用正面释放深刻蚀浅扩散工艺在Si上制作出光开关的基本结构【】，它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，在两电极间加上电压，在静电力的作用下可移动部分的悬梁在力的方向上将生产一位移【】，悬臂梁的端部将不再对光有阻断作用，这时悬梁侧壁的反射输出为零
27、，从而实现光的开关。图2.1.2 垂直驱动2D光开关如图所示，采用MEMS硅-玻璃键合工艺，在硅和玻璃上分别制作可动和固定的两电极，在可动电极上制作悬梁式光挡板，此悬梁式光挡板侧壁相当一个反射镜。动作器由可动电极和悬梁式挡板组成，在静电力的作用下可动电极产生运动，使悬梁式挡板有一位移，挡板对光起到阻挡和反射作用，从而实现光的开关。图2.1.3 扭摆驱动2D、3D光开关如图所示，和前一种光开关具有相似的结构，在静电力矩的作用下，硅电极将产生扭转，这样挡板对光起到偏转作用，从而在3D空间实现光的开关。图2.1.4 2D与3D耦合方式图 是2D与3D耦合方式示意图。对于2D形式，在硅或者玻璃上挖槽，
28、形成光纤自对准槽，光纤与动作器所在基片在同一个平面内，光的通断有硅悬梁挡板控制，对光阻断或反射，这种形式的光开关实现光耦合较容易，具有自对准的特点，但这种方法不利于形成大的开关阵列。对于3D形式，光纤与动作器所在基片不在同一个平面内，光的通断有硅质量块表面反射来完成，这种光开关实现光的耦合比较困难，但有利于大规模集成。水平驱动光开关与垂直驱动光开关可形成二维开关阵列，而扭摆驱动光开关同时可形成二维与三维开关阵列。图2.2 分析与设计光开关采用静电力驱动，具有较低的驱动电压，其中扭摆式光开关的驱动电压小于15V。对于2D开关阵列，在硅基上制作了光纤自对准耦合槽。对开关特性进行计算机模拟和分析，分
29、析光开关的开关时间。2.2.1 水平驱动2D光开关开关速度是光开关的一个重要指标，要有高的开关速度，就要有高的谐振频率。对于图 所示的结构，谐振频率可表示为 f0=其中Mmirror、Mtruss和Mbeam分别是悬梁镜、端部构架和折叠梁的质量；kfolded是折叠梁的弹性系数，有 kfolded=其中n为梳齿电极数；0为真空介电常数；y为位移；y0为电极初始重合长度；d为电极间间隙。由上式可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，就要增加悬臂梁的长度和减小宽度，这与提高谐振频率的要求相矛盾。对于芯径为10m的单模光纤，根据高斯束理论，要降低衍射损耗，悬梁的侧壁反射镜尺寸应大于30m,设计
30、中采用近似图所示的结构，为了便于集成并实现光开关阵列，设计中保证输入光纤与反射镜成45角，并在硅片上设计自对准V形槽。2.2.2 垂直驱动2D光开关和前一种光开关一样，开关速度和驱动电压是考虑的重要因素，动和定极板间的静电力FxV2=-v2其中C为动和定极板间的电容；0为真空介电常数；s为质量块面积；d为电极间间隙，如图所示，由公式可得纵向位移y=-V2其中E为杨氏模量；h、b和L分别为固支梁的厚度、宽度和长度；V为驱动电压；kfolded是固支梁沿z方向的弹性系数。由公式可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，说法要增加固支梁的长度和减小宽度，邮于Lb，因此长度对弹性的影响远大于宽度。
31、为此设计了折叠梁，增加了梁的长度，同时减小了芯片面积。质量块的谐振频率可表示为f0=由公式可以看出增加悬臂梁的长度和减小宽度，谐振频率将降低，不利于提高开关速度，这与减小功耗又矛盾。因此应综合考虑这些因素，此设计结构的f02kHz。如图是垂直式光开关的计算机有根元分析（FEA）结果，分析表明此结构有高的谐振频率从而可得到高的开关速度（小于1ms），驱动电压小于30V。图2.2.3 扭摆驱动2D、3D光开关对于扭摆式结构如图所示，设计了扭摆式固支梁，在静电力的作用下，由于固支梁不是连接在质量块边沿的中心，因此质量块以固支梁为轴产生一扭转。理论研究表明，要减小驱动电压，应尽量减小梁的宽度和增加梁的
32、长度，和垂直驱动式一样，同时也要考虑结构对开关速度的影响。图示是垂直式光开关的计算机有限元分析结果，分析表明此结构有高的开关速度（小于1ms）和低的驱动电压（小于15V）。图2.3 实验2.3.1 水平驱动2D光开关在传统的MEMS体硅工艺中，由于存在较大的应力，而使结构变形，严重阻碍了体硅工艺的发展。本研究采用正面释放深刻蚀浅扩散新工艺，此工艺缩短了浓硼扩散的时间，极大限度地减小了扩散时引入的应力，而且本工艺不需要硅玻璃键合，只需一块掩膜板，可一次完成反射镜、V形槽的制作，具有自对准特点，减小了光开关损耗，缩短了工艺流程，提高了成品率。由于不存在硅玻璃键合，因此动和定电极间需要采用pn结隔离
33、。选n型硅材料，在制作过程中扩B，形成p+n结。采用ICP在硅片上刻蚀出悬梁和梳齿结构，刻蚀深度为50m，然后进行P+扩散，扩散深度为4m。扩散目的有两个，一是作体硅腐蚀的自停止层，二是形成p+n结的p+极。再用ICP刻蚀掉表面的浓硼扩散区，而留下悬侧壁的浓硼区。用EPW腐蚀液将硅片的轻掺硼区腐蚀掉，释放出结构，n=150,d=3m，b=3m，L=900m。为了降低散射损耗，悬梁侧壁反射镜要非常光滑，为此可采用氧化削尖和溅射Au工艺，来增加反射镜的平整度，图示是水平式光开关和光纤自对准V形槽SEM照片。2.3.2 垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关这两种光开关具有相同的工艺条件，在本研究中尽量
34、缩短浓硼扩散时间以减少应力的影响，扩散层的深度在1015m，浓度大小11019，这种扩散层形成湿法腐蚀的自停止层，即形成硅动作器结构。由于浓硼扩散层对湿法腐蚀具有自停止结果，因此硅片正面的结构形成需用干法刻蚀，在本研究采用反应离子刻蚀（RIE）工艺。采用静电键合工艺对硅和玻璃进行贴合，为了提高键合成品率，硅和玻璃要有良好的表面状态，并进行表面处理。结构的释放采用湿法腐蚀，选择EDP腐蚀液，腐蚀时应严格控制腐蚀液的比例和腐蚀温度，为保证腐蚀的均匀性，腐蚀时加搅拌。图示是垂直式与扭摆式光开关的SEM照片，d=10m，b=10m，h=10m，L2000m，质量块面积为500m1000m，厚度等同于折
35、叠梁、硅悬梁挡板的厚度。对于2D耦合，可利用双面光刻在硅上制作光纤自对准V形槽。为提高反射率，大硅表面镀金属薄膜。2.3.3 测试选用直径约为125m，芯径约为10m的单模光纤，测试光弄错关的开关速度、寿命和损耗。对于2D光开关，测试较容易进行，因为设计了光纤自对准V型槽，光纤的一端入V形槽，另一端和光源或者光功率计相连，对于扭镜结构3D光开关，测试遇到的最大困难是精确耦合，因此需要设计合适的封装形式。根据扭镜可能的转动角度，设计带有一定输入、输出角度光纤槽的管壳和管座。图示是垂直式光开关驱动电压与悬梁位移的关系曲线。第三章 MEMS光开关的控制本章阐述的控制方案针对的是二维结构、采用静电法驱
36、动的MEMS光开关。3.1 MEMS光开关控制原理3.1.1 MEMS光开关简介典 型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。二维MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当 的输出端。微铰链把微镜铰接在硅基底上，微镜两边有两个推杆，推杆一端连接微镜铰接点，另一端连接可平移梳妆电极。转换状态通过调节梳妆电极使微镜发生转 动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。三 维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵
37、列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。在多种可能的驱动方法中，静电和磁感应法为主选方案。静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引，这是MEMS技术中使用的主要的驱动方 法，它具有可重复性和容易屏蔽等优点。磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度，但由于磁 感应应用中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最佳选择。3.1.2 控制原理与过程MEMS 44光开关是OXC节点设备中的核心子系统之一。其在整个系统中负责将4种波长的光按照要求进行路由切换，以达到光交换的目的。MEMS光开关的优
38、点在于光波路由的切换是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部16块微镜片抬升与否来完成的。我们选用的MEMS光开关规定在控制信息的格式上，不管其内部有多少个微镜片，都需要由一系列1和0组成的 64位串行数据来完成控制。依据MEMS光开关的具体工作原理以及所需数字信号间的时序关系，所需的64位控制信息、以及其他信号（如CLK、ENA信号）可以由高速单片机单片机单片机是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）的简称，是一种将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可 能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多
39、路转换器、A/D转换器等电路）采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上构成的微型计算机系统。 全文来提供。本控制系统在单板调试期间，由一台PC机的相应程序模拟本地控制，发出相应的路由信息。PC机的信息通过串口串口串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。发送给单片机，单片机再进行进一步的控制动作。MEMS光开关路由成功与否等信息由单片机读取其内部寄存器中的64位控制数据，与原始的正确的64位数据进行对比完成。操作完成后，又由单片机通过串口向PC机产生相应的反馈信息。形成人机、远程与本地
40、之间的交互。 为了保持与整个OXC系统的兼容性，MEMS 子系统除了可以受控于本地单片机，应该还可以由专门的主控制电路中的FPGAFPGA现场可编程逻辑门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现场程式化的逻辑门阵列元件。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编辑器件的基础上进一步发展的产物。芯片直接控制。如此一来就可以做到确保子系统万无一失。为此，电路设计上也将为其保留接口。3.2 控制系统设计基于前述原理，该子系统的设计将分为硬件和软件设计两方面。3.2.1 硬件设计方案试验阶段将为MEMS设计四个控制通
41、道，其中保留厂家的测试版电路并以此作为一个控制通道 ；为本地单片机不同类型的控制信息提供两个通道；此外，为将来可能用到的FPGA芯片控制信息预留一个通道。实际应用阶段将只保留一个单片机通道与一个FPGA控制通道。在单板调试期间，路由与管理信息来自模拟网管的PC机软件，而在实际应用中，一切路由与管理信息将来自主控制板。图1是硬件设计框图。图虽然试验与实用阶段控制通道不止一个，但某一时期起作用的只有一个通道。通道的切换通过手动跳线完成。单片机选用高速低耗双串口多中断的单片机。此单片机将为MEMS光开关提供64位控制信息以及所需的其他控制信号，如时钟CLK信号、路由使能信号等。 并-串转换电路用于将
42、单片机并行发出的控制信息转换成MEMS要求的串行数据。这一功能由单片机和并-串转换芯片共同完成 ；串-并转换电路用于单片机并行读入MEMS内部寄存器中的串行原始路由信息。这一功能由单片机和串-并转换芯片共同完成。3.2.2 软件设计方案因为在调试中需要人机交互，所以需要PC机程序和单片机控制程序各一套。两套程序通过RS-232接口进行通信。程序间的通信协议制定如下：PC机程序采用图形界面，收发的各种信息将会在程序界面上给管理员作出相应的实时提示。图2给出PC机网管模拟程序流程图。单片机控制程序与PC机程序相比，难度在于其既要发送MEMS需要的时钟信号、使能信号等，又要发送64位微镜片控制数据。
43、这些信号之间有着严格的时序关系。编程时应该特别注意延时程序和指令编写技巧。单片机程序流程图，如图3所示。 第四章 光开关的市场分析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。4.1 光开关的技术优势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。光纤通信在
44、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（O
45、ADM）、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。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技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能
46、相比。比如基于MEMS技术制作的22光开关模块的插入损耗可达0.4dB，PDL小于 0.1dB，串扰小于-70dB。在功能方面，微镜具有可靠的闭锁功能，能够保证光路切换的准确性。在规模方面，采用2D结构的MEMS光开关已有6464的商用产品，采用3D结构的MEMS光开关也有上千端口数的样品，从而使构建中等规模和大规模光纤网络节点成为可能。在可靠性方面，单晶硅极好的机械性能可使制成的器件能够抗疲劳，由于单晶硅中没有位错，所以从本质上它不会产生疲劳，是一种完美的弹性材料。MEMS 光开关的寿命已超过3800万次，并且在温度循环、冲击、振动和长期高温贮存等可靠性指标方面，均满足Telcordia GR-1073-Core标准。在成本方面，MEMS光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。MEMS器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。执行器与光器件集成在单个芯片上，可以在一个硅片上重复多次，从而可以提供价格更低的光器件。这些在成本方面的节约将使器件价格下降，最终降低设备和营运成本。4.2 国内外的技术现状MEMS光开关及其应用技术，在国内外正处在从研究向市场转化时期，目前尚无