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：I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）
2、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： II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
3、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 IIIAbstractOptical 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 kin
4、ds 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
5、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-al
6、igned 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
7、摘 要 .IAbstract .II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
8、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 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
9、.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）3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
10、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
11、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。学年论文题目（五号楷体居中书写）4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
12、） ；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
13、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，需学年论文题目（五号楷体居中书写）5要进行温度控制；数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，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-
14、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
15、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
16、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。学年论文题目（五号楷体居中书写）6MEMS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
17、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。
