MEMS光开关的研究及市场分析 .docx

精品名师归纳总结集成电路专业学年论文电子工程学院论文题目：MEMS 光开关的争辩及市场分析学院：年级：专业：姓名：学号：指导老师：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结毕业论文（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争辩工作及取得的争辩成果 . 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争辩成果. 对本论文（设计）的争辩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）作者完全明白红河学院有关保留、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答应论文（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：指导老师签名：日期：日期：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结摘要光开关是光通信网络的重要功能器件,MEMS 光开关是最具进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，并给出了争辩与进展情形和接受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.这三种光开关接受了静电力驱动，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运算机模拟与分析，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。光纤通信可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目录摘要 I Abstract.I.I.I.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 .1 0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1.3.4 三维阵列光开关11其次章 微机械光开关的原理、设计与分析.1 42.1 MEMS 光开关的工作原理 .1 42.1.1 水平驱动 2D 光开关 .1 42.1.2 垂直驱动 2D 光开关 .1 42.1.3 扭摆驱动 2D、3D 光开关 .1 52.1.4 2D 与 3D 耦合方式 .1 52.2 分析与设计 .1 6.2.2.1 水平驱动 2D 光开关 .1 62.2.2 垂直驱动 2D 光开关 .1 72.2.3 扭摆驱动 2D、3D 光开关 .1 82.3 试验 1.9.2.3.1 水平驱动 2D 光开关 .1 92.3.2 垂直驱动与扭摆驱动 2D、3D 光开关 1. 92.3.3 测试 .2 0.第三章 MEMS 光开关的把握 .2 23.1 MEMS 光开关把握原理 .2 23.1.1 MEMS 光开关简介 .2 23.1.2 把握原理与过程 .2 2.3.2 把握系统设计 .2 3.3.2.1 硬件设计方案 .2 3.3.2.2 软件设计方案 .2 4.第四章 光开关的市场分析 .2 6.4.1 光开关的技术优势 .2 6.4.2 国内外的技术现状 .2 7.4.2.1 国内情形 .2 7.4.2.2 国外情形 .2 8.4.3 进展动态25可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.4 市场潜力 .3.0.结论 .3.1.参考文献 .3.2.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结前言光纤通信技术的问世和进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，长途干线网和本的中继网也已广泛使用光纤 .同时，密集波分复用（ DWDM ）技术的进展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了宽敞的空间，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进展的趋势.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，就是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 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第一章 光开关的种类虽然光开关的历史并不悠久，但随着科学技术的进展，人们争辩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进展已比较成熟，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 ）。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，有时仍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、磁光效应来转变波导性质，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、偏振敏捷性等指标都较差.1.1.2 液晶光开关液晶光开关通过电场把握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，最终再合起来，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，但由于对光波长敏捷，需要进行温度把握。数字光开关性能更稳固，只要加热到确定温度，光开关就保持稳固的状态.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，但插入损耗较可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结大，一般为 3-4dB. 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.通过全息的势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.利用该技术可以简洁的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把握力使微镜或光闸产愤怒械运动，从而转变光的传播方向、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，各项性能足以中意 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，人们仍争辩过马赫-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、低偏振敏捷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，与将来光网络进展所要求的透亮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正确选择.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。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 .1.2.1 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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电压，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把握，所以光开关本的是无源的.该光开关驱动光功率仅 2.7 W， 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】，由美国加州高校戴维斯分校研制. 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，它接受体硅或LIGA 工艺，制造结构和制备方法较为简洁，可接受电磁驱动，驱动精度要求低，系统牢靠性和稳固性好，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，多用于网络自愈爱惜.图 2 加州高校研制的移动光纤对接型光开关示意图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1.3 微镜发射型 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把握，组成光开关 阵列.依据组成 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.它极大的简化了把握电路的设计，一般只需要供应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.图3是由二维微镜光开关组成的开关阵列3，图4是4*4 微镜阵列的显微照片 .图3微镜反射型开关阵列可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图44*4 开关阵列显微照片图5 二维微镜组成的 $#$ 开关阵列1.3.1 弹出式微镜光开关图 5为AT&T 试验室所研制的弹出式微镜光开关$ .它接受表面工艺加工，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位置置，从而使光路从直通状态转换到反射状态.这样的设计能有效的将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 3.1-3.5dB.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图$ 56研5 制的弹出式光开关1.3.2 扭转式微镜光开关图 为日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关. .该结构接受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的加工出相对光纤呈$.% 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 .悬臂梁接受电磁驱动，在悬臂梁底部粘合一块100m厚透磁合金，在相对应 的衬底位置，微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转变，从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲，带动微反射镜移开原先位置置，实现光路的转变. 微镜沿电磁力方向可产生约100m位置移，驱动电流为 1A ，响应时间为 300s，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.因此，现在国内外更广泛的接受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。如接受静电驱动，就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.图. 日本和法国共同研制的扭转式光开关1.3.3 滑动式微镜光开关图- 所示为新加坡南洋理工高校设计的滑动式微镜光开关-，它的基本结构与转动式很相像，驱动电压为 30V ，开关速度小于 100s，插损小于 0.9dB,. 它也具有单层体硅结构，接受深反应可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结离子蚀刻（ DRIE ）工艺，这种技术可以对硅作深度达200m蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20m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，静电力使悬臂梁在力的方向上产生约45m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 工艺牵涉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确定的影响 .图- 南洋理工高校研制的滑动式光开关1.3.4 三维阵列光开关在三维（ 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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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&A 公司推出的著名的Wave Star 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，其接受体硅工艺制成的3D 微镜光开关阵列如图 > 和图. 所示 .图> 三维光开关阵列示意图图. +,-, 公司研制的三维光开关阵列显微照片图。 所示为韩国国立争辩试验室设计的三维光开关阵列的一个微镜单元> .它以表面工艺为基础，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. 构成阵列时接受两组微镜相对安装 .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的把握光束，它的把握电路和结构设计较为复杂.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图。 韩国研制的三维光开关微镜单元其次章 微机械光开关的原理、设计与分析接受 MEMS体硅工艺，制作MEMS一共有三种结构微机械光开关：水平驱动光开关，垂直驱动光开关和扭摆驱动光开关.虽然它们的工作原理都基于硅数字微镜技术，但由于它们都具有不 同的结构，因此原理也具有差异.2.1 MEMS光开关的工作原理2.1.1 水平驱动 2D 光开关图 是光开关真累的一个单元，具有单层体硅结构.争辩中接受正面释放深刻蚀浅扩散工艺在Si上制作出光开关的基本结构【】，它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，在两电极间加上电压，在静电力的作用下可移动部分的悬梁在力的方向上将生产一位移【】，悬臂梁的端部将可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结不再对光有阻断作用，这时悬梁侧壁的反射输出为零，从而实现光的开关.图2.1.2 垂直驱动 2D 光开关如以下图，接受MEMS 硅-玻璃键合工艺，在硅和玻璃上分别制作可动和固定的两电极，在可动电极上制作悬梁式光挡板，此悬梁式光挡板侧壁相当一个反射镜.动作器由可动电极和悬梁式挡板组成，在静电力的作用下可动电极产生运动，使悬梁式挡板有一位移，挡板对光起到阻挡和反射作用，从而实现光的开关.图2.1.3 扭摆驱动 2D、3D 光开关如以下图，和前一种光开关具有相像的结构，在静电力矩的作用下，硅电极将产生扭转，这样挡板对光起到偏转作用，从而在3D 空间实现光的开关.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图2.1.42D 与 3D 耦合方式图 是 2D 与 3D 耦合方式示意图 .对于 2D 形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纤自对准槽，光纤与动作器所在基片在同一个平面内，光的通断有硅悬梁挡板把握，对光阻断或反射，这种形式的光开关实现光耦合较简洁，具有自对准的特点，但这种方法不利于形成大的开关阵列.对于 3D 形式，光纤与动作器所在基片不在同一个平面内，光的通断有硅质量块表面反射来完成，这种光开关实现光的耦合比较困难，但有利于大规模集成.水平驱动光开关与垂直驱动光开关可形成二维开关阵列，而扭摆驱动光开关同时可形成二维与三维开关阵列.图2.2 分析与设计光开关接受静电力驱动，具有较低的驱动电压，其中扭摆式光开关的驱动电压小于15V.对于2D 开关阵列，在硅基上制作了光纤自对准耦合槽.对开关特性进行运算机模拟和分析，分析光开关的开关时间 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.2.1 水平驱动 2D 光开关开关速度是光开关的一个重要指标，要有高的开关速度，就要有高的谐振频率.对于图 所示的结构，谐振频率可表示为f0=其中 Mmirror 、Mtruss 和 Mbeam 分别是悬梁镜、端部构架和折叠梁的质量。kfolded 是折叠梁的弹性系数，有kfolded=其中 n 为梳齿电极数。 0为真空介电常数。 y 为位移。 y0 为电极初始重合长度。d 为电极间间隙. 由上式可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，就要增加悬臂梁的长度和减小宽度，这与提高谐振频率的要求相冲突.对于芯径为10m的单模光纤，依据高斯束理论，要降低衍射损耗，悬梁的侧壁反射镜尺寸应大于 30m,设计中接受近似图所示的结构，为了便于集成并实现光开关阵列，设计中保证输入光纤与反射镜成45o角，并在硅片上设计自对准V 形槽 .2.2.2 垂直驱动 2D 光开关和前一种光开关一样，开关速度和驱动电压是考虑的重要因素，动和定极板间的静电力F xV2=-v2其中 C 为动和定极板间的电容。0为真空介电常