MEMS光开关研究
MEMS光学开关的设计与分析
MEMS光学开关的设计与分析【摘要】由于传统机械结构设计的方法的种种缺点，本文提出了一种以系统级分析方法的方法实现MEMS光学开关的快速设计与优化。
通过采用Coventorware软件ARCHITECT模块建立MEMS光学开关模型，分析了多物理耦合场下MEMS光学开关的动态响应特性，得到位移和电压大小的对应关系曲线，以及固有频率分析曲线。
结合微机械工艺要求，通过系统级仿真，大大缩短了设计周期，同时提高机械结构的合理性。
【关键词】系统级仿真；微机电系统；频率分析；直流分析0 引言MEMS光学开光以微机械制造工艺与电子技术为依托，作为一种通断光路的微小器件。
由于其微型化、质量轻、损耗低、成本小、集成度高、可靠性好等一系列显著特点，被广泛使用于通讯网络，电子仪器，医疗器械以及军事领域目前广泛使用的MEMS光学微镜，方向可控性多为二维，虽技术成熟，但其可控方向为平面，大大局限了MEMS光学的使用范围。
而目前的3维MEMS 光学开关，以金属微工艺为依托，成本较高而无法普及，本文针对传统MEMS 光学开关的诸多不足，提出一种以硅加工工艺为依托，同时能实现空间扭转的新型三维MEMS光学开关，通过对此种光学开关物理基础的必要描述，依据动态分析与固有频率分析，对光学开关进行结构优化。
1 基本原理在微环境下，由于尺度效应，表面力对硅材料微机械的影响远大于体积力。
作者所讨论MEMS光学开关采用了如图1所示二轴单镜片结构，微镜由垂直梁支撑，垂直梁又由外围支撑环支撑，而外围支撑环由两水平梁固定，微镜覆盖在中间极板上，极板作为同时作为活动电极，与固定在基底电极构成一对电极板，当在两极板间施加直流偏压时，会在微镜与基底之间及其周围形成静电场。
微镜在静电力矩的作用下绕扭转梁向基底电极方向发生转动。
通过控制静电力矩的大小来控制微镜的扭转角度，进而达到转换光路的作用，在MEMS设计过程中，以静电驱动方式驱动，能简化结构，降低能耗，缩减成本。
mems光开关原理
mems光开关原理MEMS光开关是利用微型机械系统以及光学元件来控制光在通信系统中的传输，其原理主要是通过控制光学元件中的光路和波导，实现光信号的开关和控制。
本文将对MEMS光开关的原理进行详细介绍。
一、MEMS光开关的原理MEMS光开关是一种基于微机械系统和光学器件的光开关技术，其基本构造包括驱动电极、弯曲驱动膜、静电力电极、波导、反射镜等。
波导是在芯片上制造的，用于传输光信号；反射镜则是用来将光信号从一个波导转移到另一个波导。
在光学元件上会有一个电极，这个电极有两种状态，一种是关闭状态，一种是打开状态，这两种状态可以由微型加热器和电流进行控制。
MEMS光开关的工作原理是，当加上电压时，静电作用力会产生引力，将反射镜向波导方向平移。
由于光线的绕射效应，反射镜的平移可以改变光线的传输路径，使其从一个波导转移到另一个波导，实现光信号的开关和控制。
二、MEMS光开关的分类MEMS光开关根据其工作原理的不同可以分为机械光开关和全光开关两种类型。
1. 机械光开关机械光开关是使用微型机械系统来控制光的路由。
在机械光开关中，电极位置和反射镜之间的距离决定了光的路径，这种开关在路由时需要较大的功率和时间。
机械光开关主要用于制造低成本的和切换速度较慢的光开关器件。
2. 全光开关全光开关是利用非线性光学材料在电场作用下产生的折射率变化来控制光路的开关，光的传输不需要机械部件作为介质。
全光开关可以通过较小的功率和时间进行光路的路由和控制，因此速度比机械光开关快很多。
全光开关主要用于制造高速，高功能的光开关器件。
三、MEMS光开关的优缺点MEMS光开关的优点主要有以下几个方面：1. 小型化MEMS光开关器件可以在单个芯片上制造，由于微型机械系统集成技术的进步，器件尺寸越来越小，已经可以制造出毫米级别的MEMS光开关器件。
2. 具有较快的切换速度MEMS光开关器件的开关速度快，可以从纳秒到毫秒的时间范围内，可以快速实现光信号的切换和控制。
1X64 MEMS光开关
1×64MEMS光开关
1.产品简介
MEMS光开关是一种光路控制器件，起着控制光路和转换光路的作用。
在光通信应用中具有重要作用。
MEMS光开关主要应用于：光传输系统中的多路光监控、远程光纤测试系统以及光传感多点动态监测系统；光测试系统中用于光纤、光器件、网络和野外工程光缆测试；模块与系统集成及仪器仪表等。
2.产品特点
（1）、具有尺寸小、切换快和寿命长等特点。
（2）、可以通过TTL UART接口接收控制信号来实现自动测量或实时监控。
3.性能指标
2.所有参数均不包括连接头插入损耗，一对连接头增加0.3dB损耗。
4.数据位切换逻辑表
/RESET D7D6D5D4D3D2D1D0Channel 0X X X X X X X X0
1000000001 000000012 000000103 000000114 (11111111256)
5.设备维护
产品的合理使用与妥善保管可长期保持良好的性能指标，延长其使用寿命，因此需要适当维护：（1）、设备应避免强烈的机械振动、碰撞、跌落及其他机械损伤。
运输时必须要有良好的包装和减振、防雨及防水措施；
（2）、应当经常保持设备清洁，工作环境应无酸、碱等腐蚀性气体存在。
可用沾有清水或肥皂水的干净毛巾轻轻擦洗机箱和面板。
禁止用酒精等溶剂擦洗。
（3）、卸下光纤连接线应及时盖上防尘帽，以防止硬物、灰尘或其它脏物触及光纤端面。
未尽事宜，请与我们联系。
我们将非常高兴听到您的宝贵意见。
Meomes 光开关
重庆大学的光开关SEM 北京Байду номын сангаас学的光开关SEM
清华大学应力诱导式光开关照片
Momes光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式 MOEMS光开关的驱动方式目前主要有两种，静 光开关的驱动方式目前主要有两种， 光开关的驱动方式目前主要有两种 电驱动和电磁驱动方式。 电驱动和电磁驱动方式。
全光网络图解
光开关在全光通信网络中的应用： 光开关在全光通信网络中的应用： 1.光路通断 光路通断 2.光纤通道的自愈保护 光纤通道的自愈保护 3.光开关在 光开关在OADM和OXC系统中的使用 光开关在 和 系统中的使用
Momes光开关结构设计： 光开关结构设计： 光开关结构设计
MOEMS光开关的指标主要有插入损耗、开关速度和驱动 光开关的指标主要有插入损耗、 光开关的指标主要有插入损耗 电压等，另外还要考虑MOEMS光开关的可靠性以及开关 电压等，另外还要考虑 光开关的可靠性以及开关 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容， 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容，开关速度 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。
Moemes
光开关
Company
LOGO
主要内容
1 2 3 4
课题研究背景 Momes技术简介 Momes光开关介绍 Momes光开关基本结构设计
研究背景
全光通信：
信息时代人们对信息获取和信息处理的极大需求， 又直接促进了光通信技术的进步。随着WDM， DWDM技术的应用虽然满足了大容量、高带宽、高 速率的网络需求，但同时对光通信技术提出了新的 挑战。传统的电交换网络已经不能满足大规模网络 信息交换的需求。 组建全光通信网络成为未来光通信网络发展的必然 趋势。
光通信中的光开关技术研究
光通信中的光开关技术研究随着城市化进程与信息化普及的加速，光通信技术的快速发展成为当下的一个热点话题。
其中一项关键技术——光开关技术，更是光通信系统中的一把“智能大门”，能够实现光信号的快速分发、交换和调度，是光通信系统中的“大脑”之一。
一、光开关技术的发展历程早在20世纪60年代，光开关技术就被广泛研究。
当时的“光开关”是指光学领域中可用于控制和调节光的开关系统，如电光、声光、磁光等。
随着发光二极管（LED）和半导体激光器的问世，光通信技术进入了一个全新的阶段。
在此之后，光开关技术也得到了进一步的发展。
1990年代，光网络技术的快速发展促进了光开关技术的研究。
2000年后，随着计算机技术的发展，光开关技术也得到了进一步的提高和发展。
目前，光开关技术已经进入了无源集成光芯片时代。
二、光开关技术的应用光开关技术在光通信系统中的应用范围非常广泛。
主要应用于光通信网络中的光交换设备（OXC）、光路交叉网（OXC）、多波长交叉网络等。
1. OXCOXC全称光交换设备，主要功能是通过光开关技术，将多个光通信网络中的光信号进行交换或分发，将传输业务从一条光纤线路切换到另外一条光纤线路，同时可以实现光信号的缓冲、转化、分析和监控。
2. OXCOXC全称光路交叉网，主要功能是实现光通信网络中不同光信号的交叉，将一个端口的光信号转换到另一个端口，同时可以实现激光器的开关、声光调制等功能。
3. 多波长交叉网络多波长交叉网络是一类基于光开关技术的光通信网络，其核心是多波长光开关。
在多波长交叉网络中，可以将不同波长的光信号分别经过不同波长的路由器进行交叉、转换和分发，从而实现高速、高带宽、大容量、高可靠性的传输。
三、光开关技术的研究进展随着光通信技术的发展，光开关技术也得到了很大的提升和发展。
目前，光开关技术主要包括机械式光开关、电光式光开关、热光式光开关和MEMS型光开关。
1. 机械式光开关机械式光开关是在光学领域中较为成熟的一种光开关技术。
4x4_mems_光开关阵列的的设计与实验研究_范文模板及概述
4x4 mems 光开关阵列的的设计与实验研究范文模板及概述1. 引言1.1 概述本文旨在设计与实验研究4x4 MEMS光开关阵列。
MEMS技术作为微纳制造领域的重要分支，具有体积小、功耗低、快速响应等优势，在光通信系统中得到了广泛应用。
而光开关作为其中的关键部件，在光网络中起着连接和调度光信号的作用，因此其性能的提高和优化对于光通信系统的发展具有重要意义。
1.2 文章结构本文将按照以下结构进行叙述：第二部分介绍MEMS技术的基本概念和原理，并对MEMS光开关阵列的设计过程进行详细说明；第三部分介绍了本文所采用的实验研究方法，并给出了实验结果以及相应的分析；最后一部分总结全文内容，提出结论并展望未来可能的研究方向。
1.3 目的本文旨在通过设计与实验研究4x4 MEMS光开关阵列，探索其工作原理和性能特点，并对不同设计方案进行比较和评估。
通过该研究，可以为进一步优化和改进MEMS光开关阵列的设计提供参考和指导，促进光通信系统的发展。
同时，本研究也可为其他相关领域的MEMS 光器件研究提供一定的借鉴和启示。
2. 正文:2.1 MEMS技术简介MEMS（微机电系统）是一种集成了机械元件、电子元件和传感器等部件的微型系统，它利用纳米级尺寸的微加工工艺制造。
这种技术具有体积小、低功耗、高灵敏度和高可靠性等优点，被广泛应用于光学通信领域。
2.2 MEMS光开关阵列设计原理MEMS光开关阵列是基于MEMS技术实现的一种光学组件，它可以在多个输入端口和输出端口之间实现光信号的切换和调控。
其设计原理基于驱动力矩的施加和电场的控制，通过微小的机械结构运动来实现光信号的转接和分配。
2.3 MEMS光开关阵列实验研究方法为了研究MEMS光开关阵列，我们首先需要设计并制备相应的微机电系统芯片，并在芯片上进行相关组装和测量。
然后，我们可以通过外部电压施加和控制，在不同输入端口和输出端口之间观察并记录光信号传输情况。
此外，我们还可以使用激光器及其探测系统进行光学性能的测试和分析。
MEMS光开关综述
MEMS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，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。
MEMS光开关结构分类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，光功率驱动和热驱动等。
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。
从目前国外各研究机构及公司发布的信息来看，MEMS光开关及其阵列的总体发展趋势为由2D结构向3D结构发展，其驱动方式重要集中在静电驱动、电磁驱动、热电驱动三种形式上，其中静电驱动方式是目前采用最为广泛的一种。
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。
例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约l~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2.7μW，传输距离达128 km，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。
2、移动光纤对接型MEMS光开关图3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，由美国加州大学戴维斯分校研制。
MEMS光开关切换时间测试报告
MEMS 光开关模块切换时间测试报告本报告分别对MEMS 1xN 和MxN 两种系列产品进行切换时间测试，具体结果见下文。
1. 1XN MEMS 光开关模块纯光路切换时间测试1.1. 测试原理框图MEMS 光开关模块纯光路切换测试，输入端接光源，待测通道经光电探测器后接示波器通道1和通道2；系统框图如下图所示：1.2. 测试步骤1）光源从端口COM端口输入，从端口CH1~CHn 输出，输出的光经光电转换器转换成电信号，最后将其显示在示波器上；2）示波器的纵轴为电压、横轴为时间，示波器设为扫描方式；3）对光开关进行通道切换，记录示波器在这段时间内的曲线，可从中计算出切换时间t ，电压时间光光1.3.测试结果1）电路未滤波，光开关在切换过程有轻微抖动通道1切换到通道2：通道2切换到通道1：3ms3ms通道1切换到通道5：通道5切换到通道1：3ms3ms通道1切换到通道8：通道8切换到通道1：3ms3ms小结：在电路未滤波的情况下，1xN MEMS光开关模块任意通道之间的切换时间约3ms 左右。
2）电路滤波，光开关在切换过程未有抖动通道1切换到通道2：通道2切换到通道1：5ms5ms通道1切换到通道5：通道5切换到通道1：5ms5ms通道1切换到通道8：通道8切换到通道1：5ms5ms小结：去抖动的情况下，1xN MEMS光开关模块任意通道之间的切换时间约5ms左右。
综上所述，1xN MEMS光开关模块任意通道的切换时间建议设置为5ms。
2. 1XN MEMS 光开关模块含控制信号时间的切换测试2.1. 测试原理框图光开关的COM 端接光电探测器，然后再接示波器通道1，控制信号接示波器通道2，； 系统框图如下图所示：2.2. 测试步骤1）光源从端口CH1~CHn端口输入，从端口COM 输出，输出的光经光电转换器转换成电信号，最后与控信号同时显示在示波器上；2）示波器的纵轴为电压、横轴为时间，示波器设为扫描方式；3）通过控制信号，对光开关进行通道切换，记录示波器在这段时间内的曲线，可从中计算出切换时间t ，电压时间2.3.测试结果1）TTL数据位电平控制切换通道1切换到通道2：通道2切换到通道1：10ms10ms通道1切换到通道5：通道5切换到通道1：10ms10ms通道1切换到通道8：通道8切换到通道1：10ms10ms小结：根据上述波形图可知，整个模块从接收信号到切换完毕总时间约10ms，其中模块内部TTL软硬件处理时间需要5ms，光路切换时间约5ms。
一种新颖的MEMS光开关测量平台的设计与实现
一种新颖的MEMS光开关测量平台的设计与实现随着光通信技术的快速进展，光开关因为具有插入损耗和串话小、消光比高、稳定性好、透亮性和可扩展性好、易于集成、偏振不敏捷等优点，将成为核心光交换器件的主流。
其静电驱动是目前广泛讨论的一种，频繁的静电驱动方式有：梳状电极、SDA（scratch drive actuator）、悬臂驱动和扭臂驱动等。
悬臂和扭臂驱动的驱动高于前两者，但结构容易、工艺上简单实现。
在选取其微反射镜最佳工作状态时，需要电压、频率，占空比延续可调的方波信号为激励源。
传统的选取办法需要、脉冲，直流稳压源三台仪器协调工作才干完成，并且存在诸多弊端，如：测量仪器成本高、操作繁琐、测试周期长、测量精度低等。
而在本文介绍的测量平台中，通过高幅值利用控制脉冲频率的办法来挑选器件。
与当前同类办法相比，具有精度高、牢靠性强、成本低、易操作等优点。
2 光开关工作原理图1为2×2微机械光开关的结构暗示图，可以采纳体硅微机械加工的办法在（100）硅片上制作。
微反射镜和上电极连在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，转变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是开关的反射状态。
当上电极和下电极之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传扬进入前方的出射光纤，这是开光的直通状态。
图2为阈值电压随扭梁的厚度变幻曲线，图3为驱动电压与悬梁位移之间的关系曲线。
3 计划设计与分析其工作原理是先由单片机产生频率占空比可调的脉冲信号，但因终于信号的电压幅值在40～70V，远大于单片机的工作电压（5V），故将单片机产生的信号先接光耦隔离，再输出到后级的放大，然后按照放大电路的调节，输出峰峰值可调的信号。
由此可见系统设计主要涉及三个关键部分：产生频率和占空比可调的方波信号、信号放大以及终于信号幅值的测量。
3.1方波信号源的设计方波信号的产生电路主要由AT89C20、晶振电路、键盘参数输入和状态显示等部分组成。
mems光开关剖析
3.MEMS光开关的分类及原理
微镜反射型MEMS光开关
O 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 利用微镜反射原理的光开关分成二维数字逼近方式和三维模拟逼近 方式两种。
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。
光 纤2
光纤2
光纤1 光纤3
3.MEMS光开关的分类及原理
移动其他部件的光开关 O移动棱镜式：
棱镜
1
2 3
自聚焦透镜
3.MEMS光开关的分类及原理
移动其他部件的光开关 O移动反射镜、透射镜式
3.MEMS光开关的分类及原理
移动其他部件的光开关 O采用MEMS技术移动微反射镜的光开关
3.MEMS光开关的分类及原理
4.MEMS光开关的应用
光开关的应用领域
O O O 光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中关键设的交换 核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有： 保护倒换功能：当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从 主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1×2光开关。 网络监视功能：使用简单的1×N光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网络时，只需 在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上，通过光开关的动作，可以实现网络在 线监测。 光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1×N光开关，可以通过监测 光开关的每个通道信号来测试器件。 光开关可用于光纤通信系统，光纤网络系统，光线测量系统或仪器以及光纤传感系统。
MEMS光开关的研究及市场分析
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 switches, 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 produced 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 are 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目录摘要 (I)Abstract (II)前言 (3)第一章光开关的种类 (4)1.1 物理效应光开关 (4)1.1.1 固态波导光开关 (4)1.1.2 液晶光开关 (4)1.1.3 热光开关 (4)1.1.4 全息光栅开关 (5)1.2 微机械光开关 (5)1.2.1 光路遮挡型MEMS光开关 (6)1.2.2移动光纤对接型MEMS光开关 (6)1.3微镜发射型MEMS光开关 (7)1.3.1弹出式微镜光开关 (8)1.3.2扭转式微镜光开关 (9)1.3.3滑动式微镜光开关 (10)1.3.4三维阵列光开关 (11)第二章微机械光开关的原理、设计与分析 (14)2.1 MEMS光开关的工作原理 (14)2.1.1 水平驱动2D光开关 (14)2.1.2 垂直驱动2D光开关 (14)2.1.3 扭摆驱动2D、3D光开关 (15)2.1.4 2D与3D耦合方式 (15)2.2 分析与设计 (16)2.2.1 水平驱动2D光开关 (16)2.2.2 垂直驱动2D光开关 (17)2.2.3 扭摆驱动2D、3D光开关 (18)2.3 实验 (19)2.3.1 水平驱动2D光开关 (19)2.3.2 垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关 (19)2.3.3 测试 (20)第三章 MEMS光开关的控制 (22)3.1 MEMS光开关控制原理 (22)3.1.1 MEMS光开关简介 (22)3.1.2 控制原理与过程 (22)3.2 控制系统设计 (23)3.2.1 硬件设计方案 (23)3.2.2 软件设计方案 (24)第四章光开关的市场分析 (26)4.1 光开关的技术优势 (26)4.2 国内外的技术现状 (27)4.2.1 国内情况 (27)4.2.2 国外情况 (28)4.3 发展动态 (28)4.4 市场潜力 (30)结论 (31)参考文献 (32)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。
mems光开关的工作原理及应用
MEMS光开关的工作原理及应用1. 简介MEMS光开关是一种基于微机电系统（MEMS）技术的光学元件，常用于光纤通信和光学网络中。
它具有微小尺寸、低功耗、快速响应和高可靠性等优点，因此在通信领域得到广泛应用。
2. 工作原理MEMS光开关的工作原理基于光学的电光效应和MEMS技术的微加工制造。
下面将详细介绍其工作原理。
2.1 光学的电光效应光学的电光效应是指一些材料在电场的作用下会发生光学性质发生改变的现象。
其中最常用的光学的电光效应是Pockels效应。
Pockels效应是指在一些特定晶体材料中，当施加电场时，其光学折射率将会发生改变，从而实现光信号的调控。
2.2 MEMS技术的应用于光开关MEMS技术通过精密的微加工工艺，制造出微小的机械元件，将其应用于光学领域。
MEMS光开关利用微机电系统中的微机械执行机构，通过对电光效应材料施加电场调控光信号的传输路径。
3. MEMS光开关的结构MEMS光开关的结构主要包括以下几个部分：3.1 光学通道光学通道是指光信号的传输路径，通常通过光纤或波导实现。
在MEMS光开关中，光学通道的连接状态可以通过机械运动来切换，从而实现光信号的调控。
3.2 电光效应材料电光效应材料是实现MEMS光开关工作的关键材料。
常用的电光效应材料包括锂钽酸铌（LiNbO3）、锂钕酸铌（LiNdO3）等。
这些材料在施加电场时可以改变光的折射率，从而控制光信号的传输。
3.3 微机械执行机构微机械执行机构是MEMS光开关的核心部件，它通过微小的机械运动实现光学通道的切换。
常见的执行机构包括微镜、微电机、微弹簧等，它们可以控制光学通道的连接状态。
4. MEMS光开关的应用MEMS光开关在通信领域具有广泛的应用，主要应用于光网络、光纤通信设备和光学传感器等方面。
以下是其常见的应用场景。
4.1 光纤通信在光纤通信中，MEMS光开关可以用于实现光路的切换和光信号的调控，从而提高通信网络的可靠性和灵活性。
mems光开关
MEMS光开关研究袁矿英（深圳大学研究生一年级信息工程学院通信专业2100130220 ）摘要：光开关是光网络中完成全光交换的核心器件，它的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。
文章重点介绍了MEMS光开关的结构和工作原理以及在全光网络中的应用，并就其他光开关作了简要介绍。
文章比较全面地综述了近几年来各种光开关技术的研究进展，并详细分析了各种技术相应的发展状况、技术特点和发展趋势，概述了光开关的各种性能指标。
最后文章介绍了MEMS光开关的发展动态。
关键词 MEMS光开关全光网络1 引言光开关是光纤通信系统重要的光器件之一，具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行互相转换或逻辑操作。
光开关可用于光纤通信系统、光线测量系统、以及光纤传感系统中，起到切换光路的作用。
交换作为光网络中的关键技术，而光交换系统的基本单元是光开关，作为光通信中的一种重要器件，人们对光开关的研究已有二三十年的历史。
由于人们对器件材料、器件工作原理和加工工艺等多方面认识和研究的不断深化。
光开关的类型呈现出多元化发展的趋势。
当今通信研究中，如何实现大规模数据在任意两点的高速、高效、可靠的传输，一直是通信研究的方向。
光纤通信的出现，为高速信息传输提供了巨大的频带资源，目前世界大约85%的通信业务京广线传输，长途干线网和本地网也已广泛使用光纤。
同时，随着密集波分复用（DWDM）技术的应用和新型光通信器件技术的发展，光联网（OTN）已成为下一代高速度宽带通讯网络的发展趋势。
光联网技术以新型光开关、光放大器、光衰减器、光限幅器等器件为核心技术。
九十年代中期，密集波分复用技术（DWDM）的应用为宽带高速光联网的发展提供了可能，同时也对作为光通信网络连接的光交叉互联系统（OXCS）和波长上下路复用上下路技术的核心器件。
OXCS中的光开关矩阵可实现动态光路经管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。
MEMS光开关静电驱动结构的研究
光开关
。 目前又 出现应用 于 超高 速光 通信 领域
的全光超 快光开 关 。静 电驱动 微反射镜 型光 开关
由于具有 结构简 单 ， 干扰 ， 复性 好 ， 于集 成 和 无 重 易
微 平面加 工等优 点 ， 其他 光 开关 相 比具 有很 强 的 与
竞争力 ， 为研 究 的热点 。 成
２ 悬臂驱动结构
图 ２是传统 的扭 臂 与微 反射 镜垂 直 的开关 结 构 示意 图 ， 用 静 电驱 动 的方 式 实 现 开 关 状 态 。微 反 采 射镜 大多 是依 据 硅 的 结 晶学 特 性 ， 用 各 向异 性 湿 采
通 信 技 术
ＭＥ ＭＳ光开 关 静 电驱 动结构 的研 究
贾翠 萍 朱海丰
（ 国石 油 大 学 （ 东 ） 中 华 物理 科 学 与 技术 学 院 ， 岛 ２６ ５ ） 青 ６５ ５
摘
要
对 ＭＥ ＭＳ光开关的悬臂驱动结构进行 了设计 ， 虑到采用 湿法腐蚀 技术制作 的微反 射镜 与设计尺寸偏差较 大， 考 会对
在驱 动过程 中 ， 反射 镜 偏移 距 离 一定 的情 况 下 ， 微 与 图 ２结构相 比 ， 动 电压 较小 ， 且 可 以适 当地 增 大 驱 并 悬臂 宽度 以增加反 射镜 的尺 寸 ， 而不 影 响光 开关 的驱
（ ）反 射 状 态 ａ （ ）直 通 状 态 ｂ
动 电压 。为避免悬 臂过大引起 自重 变形 ， 可 以适 当 还
５期
贾翠 萍 ， ： Ｅ 等 Ｍ ＭＳ光开关静 电驱动结构 的研究
１５ ２３
对 图 ２所示 的光开关 驱动结 构进行 改进 ， 提出 现 ／
反 射 镜
如 图 ３所示 的光开关悬 臂驱 动结构 ， 在该结 构 中扭 臂 与微反射 镜 平行 。微 反射 镜 位 于悬 臂 的末 端 ， 样 ， 这
MEMS光开关控制原理解析
MEMS光开关控制原理解析MEMS光开关控制原理解析1 引言MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。
而MOEMS是Micro-Opto-Electro- Mechanical System的缩写，意为微光机电系统，把微光学应用到微机电系统中，这是MEMS在光通信中的重要应用。
微光电机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统，其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。
随着光通信的快速发展，作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要。
光交换器件是以光为核心实现光的通断和交叉连接的系统部件，不存在光电转换。
MEMS光开关具备了低损耗和高稳定的优点，且与传输的数据速率和信号协议无关。
实用化的MEMS光开关原理十分简单，其结构实质上是一个二维微镜片阵列，当进行光交换时，通过移动或改变镜片角度，把光直接送到或反射到光开关的不同输出端。
MEMS光开关是利用机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。
MEMS光开关响应速度和可靠性大大提高，插入损耗和串音低，偏振和波长相关损耗也非常低，对不同环境的适应能力良好，功率和控制电压较低，并具有闭锁功能。
2 MEMS光开关控制原理2.1 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。
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MEMS光开关研究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，并给出这一领域的研究与发展状况。
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N×N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。
基于MEMS光开关的应用，可以从小型光交叉连接直到大型光交叉连接。
这种光开关利用了做在硅片上的微型可动镜片来操纵通过光导纤维网络交叉点的光束，可适用于网络的所有环节。
而且在光通信网络中，MEMS光开关具有光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路及对故障光纤线路进行旁路等重要功能，因此，它是光通信网络中许多设备(如光分插复用设备OADM、光交叉连接设备OXC、光交换机和光波长路由器等)的关键光器件，其响应速度和光损耗将影响通信速度和质量。
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，光功率驱动和热驱动等。
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、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。
例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约l~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2.7μW，传输距离达128 km，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。
2、移动光纤对接型MEMS光开关图3所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，由美国加州大学戴维斯分校研制。
图3 加州大学研制的一动光纤对接型光电开光示意图它是一个l×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ldB。
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lOms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。
3、微镜反射型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512×512端口。
二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。
AT&T实验室所研制的弹出式微镜光开关采用表面工艺加工，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3.1~3.5 dB。
日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关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45o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100μm厚透磁合金，在相对应的衬底位置，组装一块线圈电磁体，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100μm的位移，响应时间为300μs，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。
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，同样会使悬臂梁带动微镜扭转。
新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关的基本结构与转动式很相似，驱动电压为30V，开关速度小于100μs，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200μm蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20μm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，静电力会使悬臂梁沿力的方向上产生约45μm的平动位移，悬臂梁的端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工艺涉及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。
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&T公司则推出了著名的WaveStar 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。
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2.65o，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。
MEMS光开关的应用1.概述微电子机械系统（MEMS）就是将几何尺寸或操作尺寸仅在微米、亚微米甚至纳米量级的微机电装置（如微机构、微驱动器等）与控制电路高度集成在硅基或非硅基材料上的一个非常小的空间里，构成一个机电一体化的器件或系统。
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。
MEMS加工技术主要分为三类：非硅基材料上以X光深度光刻的LIGA技术；硅基或非硅基材料上的精密机械刻划技术；在半导体集成电路技术之上发展起来的硅MEMS加工技术。
硅MEMS加工技术最早出现于二十世纪六十年代，所采用的主要技术是单晶硅各向异性腐蚀技术（体硅微机械），其代表产品是硅压力传感器。
八十年代美国率先开发出以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的表面牺牲层技术（表面微机械），并开发出微硅静电马达，使得MEMS技术得到质的飞跃发展。
表面微机械加工技术与半导体集成电路技术最为相近，其主要特点是在薄膜淀积的基础上，利用光刻、刻蚀等集成电路常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获得可微动结构。
进入九十年代，随着深槽刻蚀技术、键合技术及其它关键技术的成功应用，体硅微机械又得到了飞速发展，并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。
特别是开发出利用感应耦合等离子体（ICP）和侧壁钝化（SPP）的先进硅刻蚀工艺（ASE），可对硅材料进行很大深宽比的三维微加工，其加工厚度可达几百微米，侧壁垂直度可接近九十度。
这使得MEMS技术不仅在传感器领域的应用得到迅速发展，而且在光纤通信、微型化学分析系统、DNA分析及微型机器人等领域的应用研究也得到空前发展。
光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后，上世纪末已进入了光纤网络时代。