光栅光阀MEMS光开关系统设计

ｊ心愀Ⅱ 厉射抱 舭ｎ¨妙
图２ ＧＬＶ通电时的工作状态
图３通电时ＧＬＶ的光学模型 Nhomakorabea光程差△计算可由式（２）表示：
Ａ＝ＬＢＤ＋Ｌ∞一Ｌ＾ｃ。—ＣＯ上Ｓ—Ｏｉ＋
（ｓ—ｔｔａｎ品）ｓｉｎ岛＋ｔｃｏｓ ６ｌｎ—ｓｓｉｎ钆＝
ｔ（ｃｏｓ岛＋ＣＯＳ ６ｌｎ）＋ｓ（ｓｉｎ８＋ｓｉｎ ６ｌｎ）， （２）
式中Ｌ肋、Ｌ∞、Ｌ＾ｃ分别表示线段ＢＤ、ＢＧ、ＡＣ的 长度。
辐条和可动辐条之间就具有了高度差，形成反射型 衍射光栅。用固定波长的单色光照射衍射光栅时， 就会产生衍射光，在衍射光射出的路径上设置接收 装置即可接收衍射光，这样就实现了光开关作用，从 而可设计出ｌ×２光栅光阀ＭＥＭＳ光开关。
２光开关光学特性分析
２．１ ＧＬＶ未通电时 未通电时，辐条都处于同一平面，此时光阀相当
叩＝虿１ ｓｉｎ ｃｚ（号）（１－－ＣＯＳｐ
依据上述分析，设计光开关结构如图７所示。
当光开关未通电时，光信号从光纤１输出，通电时光
信号从光纤２输出。
将辐条等效为弹性电容体，则对开关时间进行 保守估计。开关时间简化计算式为
Ｃ＝－
Ｔ＝２ｎ．／≠，
（７）
Ｖ冠
式中：ｍ为电容体（辐条）的质量；五为等效弹性系数，愚
口出４ｄ４ｙＥ一，ｄ击一 磐＝鲁日，’
㈣…
式中：Ｅ是梁的杨氏模量；Ｉ是转动惯量；Ｆ（ｙ）是单
位长度上的作用力；Ｔ是作用于梁上的张力。 方程（５）中的Ｆ（ｙ）由非线性平板电容公式给出
“力＝圮瓦Ｌｅ耳ｏ，彘十１￡１Ｌ，—＝ｙ两Ｊ，，
（６）
式中：Ｋ。一Ｅ下ｎＥＯＷ；Ｕ是电压；ｅ。和ｅ分别是自由空间
代替计算，式中：
在光网络系统中对光信号进行选择性操作的光 开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而利用微 机电系统（ＭＥＭＳ）技术加工的光开关以其所具有的 体积小、插入损耗低、消光比高、稳定性好、串话小和 可扩展性好、易于集成、偏振不灵敏、成本低等优点 而倍受关注［１‘６］。
目前广泛研究的ＭＥＭＳ光开关从空间结构上
分为２Ｄ和３Ｄ开关。２Ｄ开关中，微镜的排列只有 开和关２种状态；３Ｄ开关中，微镜沿着２个方向的 轴任意旋转，用不同的角度来改变光路的输出。它 们主要依靠反射微镜的移动或转动来实现光路的切 换，微镜移动距离大于１０“ｍ，开关时间在５ ｍｓ左 右口．８］。众所周知，任何机械摩擦、磨损或震动都可 能损坏光开关，影响ＭＥＭＳ光开关的可靠性。由微
通电时，在静电力作用下，可动辐条下降，光栅 光阀相当于一个反射式衍射光栅，如图３所示。利 用图解法来分析任意两相邻光束之间的光程差，根 据标量衍射理论推导出衍射效率的计算公式。
图１光栅光阀结构
ＧＬＶ单元在没有通电的状态下，条带的表面共 同形成一个平面镜，此时ＧＬＶ起到一个平面反射镜 的作用，反射方向为光开关的一个路径。通电时（见 图２），ＧＬＶ的可动辐条被静电力吸引下降，固定的
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ（ＧＬＶ）ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａ ＧＬＶ．Ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ＧＬＶ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｔｒａｉｔｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａ １×２ ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ） ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＭＥＭＳ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ’Ｓ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｅａｓｙ ｗｅａｒ，ｓｌｏｗ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅｓ，ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｉｖｅｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｃｈｉｅｖｅｓ ５０％ａｎｄ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉＳ ａｔ ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ ｌｅｖｅｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ １．５５ ｐｍ ｌｉｇｈｔ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｉｎ ｎｏｒｍａｌ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＧＬＶ ａｒｅ ａｓｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ；ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ；ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ；ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ； ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ
摘 要：分析了光栅光阀（ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ，ＧＬＶ）的光学特性，对ＧＬＶ结构进行了计算机
仿真。利用ＧＬＶ在静电力驱动下具有较高的光学效率、快速的调制速率等优点，基于平行平板电 容模型的ＧＬＶ模拟算法，设计了光栅光阀１×２ ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ，微机电
由式（２）得相位差
艿：穹么一孥［￡（ｃｏｓ鼠＋ｃ。ｓ先）＋
＾
＾
ｓ（ｓｉｎ晓＋ｓｉｎ ６ｌｎ）］，
（３）
此时，光栅光阀衍射效率
万方数据
第６期
喻洪麟，等：光栅光闽ＭＥＭＳ光开关系统设计
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＇７＝２Ｒ（学觜ｎ ’
＼ 口 ｓ１ 日 １／２（１＋ｃｏｓ趴（４）
翌丛生生冬型；卢是间隔单缝相位差，卢一 式中：Ｒ是铝膜表面反射率；ａ是单缝相位差，口一
系统）光开关，经ＣｏｖｅｎｔｏｒＷａｒｅ仿真表明，在１．５５＂ｍ光波长正入射及给定ＧＬＶ参数时，所设计
的光开关１级衍射效率达到５０％，开关时间为微秒级，并具有耐磨损、时间快、寿命长等特点。 关键词：光栅光阀；ＭＥＭＳ；光开关；衍射效率；开关时间
中图分类号：ＴＮ２５６
文献标志码：Ａ
Ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ
第３１卷第６期 ２００８年６月
重庆大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
文章编号：１０００—５８２Ｘ（２００８）０６—０６１９—０４
光栅光阀ＭＥＭＳ光开关系统设计
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００８
喻洪麟，鲁双全
（重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００３０）
于一个平面镜，对入射光进行反射。根据菲涅耳公
式知 Ｒ。＝兰黼，Ｒ。一詈黼；ｃ－，
式中：舅是入射角；０。是透射角；Ｒ。是Ｓ波在铝膜表 面的反射率；Ｒ。是Ｐ波在铝膜表面的反射率。
根据折射定律：，２ｉ ｓｉｎ ０ｉ＝咒。ｓｉｎ ０。（其中咒ｉ、行。分 别为入射界面和折射界面的折射率），便可求出反 射率。
当光正入射时，反射光中只有一种偏振光波，既 简化了计算公式，又保证了有较高的反射率。 ２．２ ＧＬＶ通电时
＼＼；／乞射光
３结 语
笔者利用ＧＬＶ具有响应速度快、插损低、精度 高、稳定性好、易集成线性阵列等优点，将ＧＬＶ用于 光开关，设计了一种新型的１×２ ＭＥＭＳ光开关，当 可动辐条下降至入射波长的１／１１时，就可实现光路 切换，且开关时间为微秒级。该光开关有待解决的 关键问题是驱动电路和结构的设计，实际开关时间 也需要通过样品试验来确定。
万方数据
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重庆大学学报
第３１卷
镜式光开关的这一特性，使得开关时间、开关寿命等 成为制约微镜式光开关发展的主要因素之一。
而已成功应用于投影机和计算机直接制版机的 光栅光阀（ＧＬＶ），具有光学效率高、插入损失低、可 靠性高（单个ＧＬＶ器件可经受过６×１ ０１２的开关 周期）、响应速度快（对于ｌ ＭＨｚ方波脉冲的响应时 间已经减小到了２０ ｎｓ）等优点［９１ ３｜。ＧＬＶ诸多的优 点，如此快的速度，无论对于可见光还是紫外光的应 用场合都很合适，更重要的是没有其它的ＭＥＭＳ器 件可以工作在这个速度下［１４。引。所以，将ＧＬＶ技术 应用于光开关具有非常好的应用前景和实用价值。
—４ｎ—ｗ—（ｓ—ｉｎ＿０ｍ—－－—ｓｉ—ｎ＆）；Ｎ是辐条数目；硼为辐条宽度。
根据光栅方程：
ｄ（ｓｉｎ ０ｉ—ｓｉｎ Ｏｒ．）一嘲，ｍ一０，土１，±２，… 及以式（１）一（４）即可求出通电时光开关的衍射效率。
３光开关结构仿真分析与设计
ＧＬＶ光开关的设计需要综合力学、热学、电学 和光学等多学科知识进行分析，参数选择难度大。 现有２种ＭＥＭＳ模拟方法：一种是建立器件力学模 型，用有限元方法进行计算，这是当前使用较广泛的 方法，计算结果精度高，但过程相当繁琐，每一部分 分析均包括建模、加载、求解、后处理等步骤；另一种 是Ｆｕｒｌａｎｉ提出的基于平行平板电容模型的ＧＬＶ 模拟算法。笔者采用第２种算法。该算法只需求解 一个非线性四阶力学方程
收稿日期：２００８—０１—０７ 基金项目：教育部博士学科点专项科研基金资助项目（２００６０６１１０３１）；重庆市自然科学基金资助项目（ＣｓＴＣ２００７ＢＢ２２０２） 作者简介：喻洪麟（１９５４一），女，重庆大学教授，博士生导师，主要从事光电技术及系统、光学测量及光电信号检测等研究，
（Ｔｅｌ）０２３—６５１０６９６７；（Ｅ—ｍａｉｌ）ｈｌｙｕ＠ｃｑｕ．ｅｄｕ．ｃａ。
１光开关原理
ＧＬＶ是采用ＭＥＭＳ工艺、利用传统ＣＭＯＳ （ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）材料 和设备加工成型的微型反射式相位光栅新器件，它 基于光的反射及衍射效应的光学原理，其基本结构 是条状结构组成的器件单元，每个单元由彼此隔开 的偶数个平行的可动辐条和固定辐条组成，如图１ 所示。其基底材料为硅，可动辐条材料为Ｓｉ。Ｎ．，具 有较好的张力和耐用性，条带表面镀一层很薄的铝 膜，具有很高的反射率和电导率。辐条与基底间有 很小的空气间隙，在两者之间施加电压时，可动辐条 在电场力的作用下会下移，辐条的运动通过静电引 力或斥力实现。