MEMS光开关..

MEMS光开关的基本组成

活动微镜、驱动执行器、输入/出光纤
MEMS光开关的驱动方式
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

平行板电容静电驱动

采用平面下电极驱动结构 的光开关示意图，主要包 括上电极和下电极两部分， 其中，微反射镜、悬臂和 扭臂集中在上电极极板上， 上下两电极相当于一个平 行板电容器，当施加驱动 电压时，光开关的上电极 悬臂在静电力作用下会发 生偏转，带动微反射镜发 生移动，从而实现开关功 能的转换。

NTT公司电磁驱动型光纤开关
移动其他部件的光开关
棱镜
移动棱镜式：
自聚焦透镜
移动其他部件的光开关
• 移动反射镜、透射镜式

采用MOEMS技术移动微反射镜的光开关
MEMS光开关的分类
按功能实现方法可分为： 光路遮挡型：代表是悬臂梁式光开关 移动光纤对接型 微镜反射型
光路遮挡型MEMS光开关
体硅工艺 表面工艺 LIGA工艺

光开关的分类
MEMS光开关的分类

根据被驱动的部件不同，MEMS光开关可分两类
基于传统的机械式光开关
移动其他部件的光开关
对二者进行比较
基于传统的机械式光开关
移动光纤式：
套管
方空玻璃套筒
光 纤2
光纤1
光纤3 玻璃套筒 光纤2
光纤1
光纤3

电磁驱动光纤移动的光开关

来自百度文库
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
电磁驱动

右面的开关呈直通状态，此时 铜线圈中通有正向电流，线圈 产生的磁场方向与永磁体磁场 方向相反，线圈与其下方永磁 体之间产生排斥力，悬臂梁带 动双面反射棱镜移出光路，因 此由光纤准直器输出的光信号 直接通过光开关而不被反射. 右 面的开关呈反射状态，此时铜 线圈中通有反向电流，线圈与 永磁体之间产生的吸引力将悬 臂梁吸附在基座上，光信号被 双面反射棱镜的一面反射到窄 带滤光片上，而从滤光片返回 的光信号则通过双面反射棱镜 的另一个反射面反射回到光纤 准直器中.
MEMS光开关的特点

微型化； 高的交换速度； 小的插入损耗； 提供光功能器件和波导或光纤所需的亚微米级定 位精度； 与IC工艺相容，可大规模生产，成本低。
MEMS光开关的基本原理

通过静电力或电磁力的作用, 使可以活动的微镜产生升降、 旋转或移动, 从而改变输入光的传播方向以实现光路通断 的功能, 使任一输入和输出端口相连接, 且1 个输出端口 在同一时间只能和1个输入端口相连接。
MEMS技术


微机电系统技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的平面制 作工艺技术； 利用这种技术可以制作微小而活动的机械系统。 MEMS与微光学结合便构成了MOEMS。
MEMS光开关的概念

MEMS光开关是基于半导体微细加工技术构筑在半导 体基片上的微镜阵列, 即将电、机械和光集成为一块 芯片, 能透明地传送不同速率、不同协议的业务。目 前已成为一种最流行的光开关制作技术。
梳状静电驱动器驱动

驱动光开关具有响应时间 快，可方便移动镜面位置 等优势，但是它也存在一 些不足：驱动电压较高； 响应时间在0.5~4ms；梳 状驱动往往需要通过减小 梳齿之间距离来增大驱动 力，梳齿之间太靠近容易 造成电路短路现象；由于 存在非线性弹性恢复力， 梳状驱动往往受其尺寸限 制在很多地方得不到应用； 梳状驱动因为悬空结构而 缺乏横向稳定性。
特点
• 突变双态性 • TiNi合金内部发生的热弹性相变为严格的周而复始， 无残余变形而呈现完全弹性，因此驱动的完全重复性很 好，驱动精确重复 • 较大的力、行程，从而能量 •形状恢复时应力、位移——微执行器（电流加 热驱动） •热敏感——热动作型的开闭器 •能量贮存体
应用
MEMS光开关表面加工工艺
MEMS光开关
目录
MEMS光开关的研究背景 MEMS以及MEMS光开关的概念 MEMS光开关的分类及原理 MEMS光开关的应用

MEMS光开关的研究背景

20世纪90年代以来，光通信得到了快速的发展，作为 光通信关键环节的光互联与光开关的地位也越来越重 要，传统的以电为核心的开关已不能满足高速大容量 光通信的需求．尤其是全光传输网，而将代之以全光 开关．全光开关是以光为核心实现光的通断和交叉连 接的系统部件，不存在光电的转换要成为传统开关的 替代者，这种新型的全光开关必须具备低损耗和高稳 定的特点．而MEMS光开关具备了这些优点．而且与 传输的数据速率和信号协议无关．此MEMS光开关还 具有体积小、成本低、易集成和容量大的优点．
移动光纤对接型MEMS光开关




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。 采用体硅或LIGA工艺， 制造结构和制备方法 较为简单。 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， 可连接的最大端口数 受到限制，多用于网 络自愈保护。
普通热效应驱动
双金属结构 元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大于硅 热气动
流体加热膨胀实现动作
形状记忆合金（SMA）
工作原理：拉力和温度诱发相变 相变温度Mt —— Ms和Mf的平均值Mt TiNi冷却过程Ms以上奥氏体， Mf以下为马氏体，M s和Mf 之间（约为15℃ ）具有马氏体和两种相。Ms和Mf的平均 值Mt称为相变温度约为60-75℃ 材料 •铜基合金（如CuAlNi）——成本低、热导率极高、温度反 应时间短 •钛镍合金（如TiNi、TiNiCu、TiNiFe）——性能佳（强度、 重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高 •铁基合金——成本最低、刚性好、易加工。