mems光開(kāi)關(guān)綜述

1、MEMS光開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)MEMS光開(kāi)關(guān)既有機(jī)械式光開(kāi)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(kāi)關(guān)的高開(kāi)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(kāi)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(wú)關(guān)，與未來(lái)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。MEMS光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)分類(lèi)MEMS光開(kāi)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)和熱驅(qū)動(dòng)等。M

2、EMS光開(kāi)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(kāi)關(guān)所用工藝主要有體硅工藝，表面工藝和LIGA工藝。MEMS光開(kāi)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。從目前國(guó)外各研究機(jī)構(gòu)及公司發(fā)布的信息來(lái)看，MEMS光開(kāi)關(guān)及其陣列的總體發(fā)展趨勢(shì)為由2D結(jié)構(gòu)向3D結(jié)構(gòu)發(fā)展，其驅(qū)動(dòng)方式重要集中在靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、熱電驅(qū)動(dòng)三種形式上，其中

3、靜電驅(qū)動(dòng)方式是目前采用最為廣泛的一種。日本和法國(guó)共同研制的扭轉(zhuǎn)式微鏡光開(kāi)關(guān)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。利用晶向單晶硅腐蝕特性可精確地加工出相對(duì)光纖呈45o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100μm厚透磁合金，在相對(duì)應(yīng)的襯底位置，組裝一塊線圈電磁體，懸臂梁和線圈之間的電磁力便隨著線圈中電流的大小和

4、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(kāi)原來(lái)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100μm的位移，響應(yīng)時(shí)間為300μs，插損為0.5dB。該光開(kāi)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(kāi)或關(guān)狀態(tài)，耗能較大。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外更廣泛地采用熱或靜電驅(qū)動(dòng)此類(lèi)光開(kāi)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)，

5、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)。新加坡南洋理工大學(xué)設(shè)計(jì)的滑動(dòng)式微鏡光開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)速度小于100μs，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)200μm蝕刻，同時(shí)蝕刻出寬度小到20μm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

6、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，靜電力會(huì)使懸臂梁沿力的方向上產(chǎn)生約45μm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(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)在于工作頻率受到諧振頻率影響，使得開(kāi)關(guān)速度受到限制，微鏡平動(dòng)位移也有限，而且DRIE工藝涉及到對(duì)材料的各向同性和異性刻蝕問(wèn)題，對(duì)鏡面表面粗糙度有著一定的影響。在三維(3D)也稱為模擬光束偏轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)中，輸入輸出光纖均成二維排列，兩組可以繞

7、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，NN轉(zhuǎn)換僅需要2N個(gè)反射鏡。通過(guò)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11521152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&T公司則推出了著名的WaveStarLamdaRouter全