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全光通信用MEMS光开关

第22卷第2期半导体光电Vol.22No.2 2001年4月Semiconductor OptoeIectronics Apr.2001

文章编号:1001-5868(2001)02-0073-05

全光通信用MEMS光开关

李向东,李福果,龙再川,王海卿

(重庆光电技术研究所,重庆400060)

摘要:在简要介绍了硅微机械加工技术的基础上,详细介绍了微透镜和微反射镜两种MEMS光开关的结构和工作原理。从发展和实用的角度对典型的波导调制型MZI光开关和MEMS 光开关的特性进行了比较,展望了MEMS光开关在未来全光通信中的应用前景。

关键词:光纤通信;微电子机械系统;光开关;光交叉互连;光耦合

中图分类号:TN256文献标识码:A

MEMS Optic Switches for Future Fiber Optic

Communication System

LI Xiang-dong,LI Fu-guo,LONG Zai-chuan,WANG Hai-ging

(Chongging Optoelectronics Research Institute,Chongging400060,China)

Abstract:Brief summarization of siIicon micro-eIectro-mechanicaI system(MEMS)technoIogies is pre-sented.Basic structures and mechanism of microIens and micro mirror MEMS optic switches are described in detaiI.A comparison between wave guide moduIation optic switch and MEMS optic switch is made.FinaIIy prospects of the MEMS optic switch for future optic communication system are forecasted.

Key words:fiber optic communication;MEMS;optic switch;optic cross connection;optic coupIing

1引言

诞生于20世纪80年代的现代光通信技术,由于其具有其他传统通信技术无可比拟的优越性,不仅在洲际和国家骨干网中广泛采用,而且越来越多地应用于宽带交换网及宽带接入网中。随着光通信和密集波分复用技术的迅猛发展,日益复杂的网络拓扑结构对可靠、灵活的网络管理方式要求越来越高,光交叉互连(OXC)技术,就是其中的一项关键技术,光开关则是OXC中的关键器件,尤其是无需光电、电光转换的全光交叉互连的器件,其技术水平直接决定着光通信网络的性能。因此,对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置。对光开关的要求是光波损耗小、通信带宽大、开关速度快、体积小、可靠性高和能批量生产。在各种光开关中,LiNbO3调制型光开关和MEMS光开关的研究最为人们所关注,尤其是MEMS光开关,由于它没有10Gb电通信带宽的上限,是公认的最为理想的全光通信用光开关。

2硅微机械加工技术

1969年,MiIIer[1]提出了集成光学的概念,其思想是将各种有源光学器件采用光波导连接起来,就像在集成电路中把许多晶体管用导线连接起来一样。经过多年的发展,虽然集成光学取得了很大的进展,但是,还是有许多自由空间光学系统不能被做成集成光学系统。

在20世纪80年代,北美和西欧一些科学家,采用硅材料,利用微电子技术中成熟的加工技术来制作微执行器。1987年,美国加州大学BerkeIey分校

收稿日期:2001-02-28

的范龙生等人[2]在第四届国际固态传感器与执行器会议上,报道了用表面微机械加工技术制作的多晶硅齿轮,引起了世界各国科学家的注意,此后微电子机械系统(MEMS)成为人们关注的新兴学科。经过10多年的发展,微机械加工技术现在已经形成了以体微机械加工技术和表面微机械加工技术为代表的两大类系统的制作技术[3~5]。

2.1体微机械加工技术

由于硅片具有良好的机械性能,长期以来,人们利用各向同性腐蚀液和各向异性腐蚀液对硅片进行加工,在硅片表面形成V形沟槽或者将硅片刻穿,以作为光电器件与光纤的耦合平台,得到各种各样的三维光机电一体微型系统。图1是使用KOH各向异性腐蚀液,对(100)取向的硅片进行刻蚀后,得到的V形沟槽和倒梯形凹空。形成图示的结果,是因为KOH腐蚀液对硅片(100)与(111)方向的腐蚀速度比为400:1,并且(111)晶面暴露的表面形成54.74

的角度。

图1各向异性腐蚀后的硅片形状

Fig.1Schematic diagrams of porfiies of anisotropicaiiy etched siii-con substrate

在体微机械加工技术中,还常常采用重掺杂硅自停止腐蚀机制,来制作更为复杂的结构。具体地说,就是在硅片中掺入高浓度的硼,KOH腐蚀液对重掺杂的区域的腐蚀速度很慢,因此可以制作出复杂的悬梁结构,如图2

所示。

图2在重掺杂硅片上制作的悬梁结构

Fig.2Suspended beams fabricated on siiicon wafer heaviiy doped with boron

2.2表面微机械加工技术

表面微机械加工技术是在硅片上交叠淀积多层结构层材料(多晶硅)和牺牲层材料(氧化硅),来制作各种MEMS器件。采用表面微机械加工技术来制作悬梁结构(如图3所示),首先是在硅片上淀积一层SiO2,然后再在氧化硅层上淀积多晶硅结构层材料,再用反应离子刻蚀工艺(RIE)腐蚀出需要的图形,最后使用SiO2腐蚀液将SiO2氧化层腐蚀到所设

计的大小。

图3表面微机械加工技术制作的悬梁结构

Fig.3Cantiiever fabricated by surface micromachining process

图4所示的是采用表面微机械加工技术制作的微腔结构,其制作过程是首先在硅片上淀积一层氧化硅,并把它刻蚀成图4(a)所示的图形,然后在它上面淀积一层多晶硅,并用RIE在多晶硅层上刻蚀出一小孔,最后把硅片浸在SiO2腐蚀液中,将多晶硅下的氧化硅全部除去。

表面微机械加工技术可以比体微机械加工技术制作出更为复杂的三维结构,比如微齿轮、微电机和微铰链等,在光通信中使用的MEMS光开关大多是

采用表面微机械加工技术制作的。

图4表面微机械加工技术制作的微腔结构

Fig.4Microchamber fabricated by surface micromachining process 3MEMS光开关

采用MEMS技术可以制作许多微机械系统,但其制作的机械部件的机械强度很低,难以与传统的机械系统相比。而开关器件对机械强度要求较低,尤其是在制作微型光机电一体执行器的应用中,比如全光通信用的光开关,MEMS技术是最为理想的加工技术。采用MEMS技术将自由空间的光学系统微型化成微米级的微光学系统,可以提高器件间的耦合效率、降低器件的功耗,制作出真正意义上的集成光学系统。

与传统的波导调制型光开关相比,MEMS光开关具有耦合损耗小、串音干扰低、与工作的光波长和偏振态无关,以及不受通信中所采用的数据格式的限制等优点。1992年[6],ATST报道了其采用体微机械加工技术开发的2X2光开关,它的耦合损耗仅为0.7dB,开关速度小于10ms,但是这种MEMS光开关需要十分精确的封装技术。与1992年ATST MEMS光开关不同的是,现在各国研制的光开关,大

47半导体光电2001年4月

多是采用表面微机械加工技术,而且,往往采用一种新开发出来的自组装封装技术,使MEMS 光开关开始走出了实验室。这里就两种具有代表性的MEMS 光开关:微透镜和微反射镜MEMS 光开关为例来对其结构和工作原理做一介绍。

3.l 微透镜MEMS 光开关

[7]

所谓MEMS 光开关,就是利用MEMS 技术制作的微型化的自由空间光学平台,它能够将光束从一根光纤转移到另一根光纤。微透镜MEMS 光开关就是通过移动微型透镜,使传播光束发生偏转,从而实现光开关的目的。如图5所示是采用MEMS 结构控制的聚合物微透镜光开关的结构,这种MEMS 光开关采用了830nm 的垂直腔表面发射激光器(VCSEL )和光电二极管阵列分别作为光发射端和接收端,利用移动聚合物微透镜来偏转入射光束,再经过滤波光栅,

从而使光束到达目标探测器。

图5二维微透镜MEMS 光开关阵列

Fig.52-D micrOiens MEMS Opticai switch array

微透镜对光束的偏转角度与微透镜的横向位移

!和其焦距有关,

如图6所示,这个关系是!"arctan

(!!#$)(l

)图6

微透镜的偏转角度

Fig.6

The steering angie Of a decentered micrOiens

微透镜是采用BCB 光刻胶来制作的,其焦距值

为52.5"m ,直径是30"m 。微透镜的焦距可通过控制BCB 光刻胶的厚度来调节。在制作微透镜前,首先计算出给定大小微透镜所需要的BCB 光刻胶用量。用这种方法制作的微透镜,可以使95%以上的入射光束透过,形状偏差仅有5%,由于在光开关中,只有透镜的很小一部分参与了对入射光束的折射,微透镜的球差等因素可以忽略。

图7所示是多晶硅微平台上的微透镜横向移动

的工作原理,采用宽冷臂及窄热臂的“U ”形电热驱动器来驱动多晶硅可动微平台,并且将热臂和冷臂固定在自由端,一起连接到多晶硅微平台上。由于热臂较窄,其电阻则较大,通过电流后膨胀得更大;而冷臂电阻较小,通过电流后,膨胀较少,这样当图

7中右边的冷热臂通电后,

微平台就会向左移动;而当图7中左边的冷热臂通电后,微平台就会向右边移动。微平台的移动距离和所消耗的电能成比例,因此,

对微动平台移动的控制电路比较简单。

图7电热驱动可动多晶硅微平台的工作原理

Fig.7

MOvabie pOiy-siiicOn micrOpiate by eiectrO-thermai actuatOr

光开关制作的第一步,是将MEMS 器件用SiO 2氧化层“粘”在硅片衬底上(如图8(a )所示);第二步,在一透明衬底(如石英玻璃)上通过光刻形成图8(b )

所示的图形,并加上金焊点;第三步,采用倒焊工艺把以上两片压焊起来,如图8(c )所示;最后,把压焊好的器件浸在HF 腐蚀液中,

腐蚀掉硅衬底,

图8微透镜MEMS 光开关的倒焊封装工艺Fig.8

Fiip-chip asssembiy prOcess Of MEMS

5

7

制作成微透镜MEMS 光开关。采用这种方法制作的MEMS 光开关,

对入射光束的偏转可以达到70mrad (约4 ),插入损耗小于2dB ,开关速度可高达1000Hz 。

3.2微反射镜MEMS 光开关

[4,8]

与微透镜MEMS 光开关不同,微反射镜MEMS 光开关是通过偏转微反射镜来改变入射光束的方向,从而实现光开关的目的。图9是二维微反射镜MEMS 光开关阵列,图10给出了其微铰链和推动杆

的详细结构。

图9二维微反射镜MEMS 光开关阵列

Fig.9

Schematic drawing of 2-D MEMS optic switch

array

图10微铰链和推动杆的详细结构

Fig.10

DetaiIs of the microhinge and the push bar

若设如图9所示的MEMS 光开关阵列中,没有采用诸如GRIN 和单模光纤用的微透镜之类的光学元件,那么,此光学系统可以用高斯光学来描述,光开关阵列中传输的最低一级光波可以表示为

E (x ,y ,z )=E 0w 0w (z )exp -r 2

w 2

(z []{}

)?exp - kz tan -1z z ()[

]{}0exp - kr 22R

(z [

]

)(2)式中:z 为高斯光束的传播方向;r x 2 y !2为与高斯光束轴心间距离;k 2! !;w 0为光束1 e 半宽度;z 0的值定义为

z 0=

!w 2

!

(3)对自由空间传播的高斯光束来讲,1 e 半宽w (z )由下式给出:

w

(z )=w 01+z

z ()0

!

2

(4)

相应的光波的波前半径R (z )为

R

(z )=z 1+z 0

()z

[

]

2

(5)

耦合因子"为

"=

I

"

E #(x ,y ,z =i )?E (x ,y ,z =0)I 2

I E

(x ,y ,z =i )I 2I E (x ,y ,z =0)I 2(6)

图11给出的是MEMS 光开关阵列的耦合损耗与传播距离和反射镜半径间的关系。可见耦合损耗随微反射镜半径的减小而迅速增大,

因此,微反射镜的半径需要大于400"m ,方可得到耦合损耗小的微反射镜MEMS 光开关阵列。

图11不同传输距离和不同反射镜尺寸下的耦合损耗Fig.11

Loss versus propagation distance with various micro mirror radii

在微反射镜MEMS 光开关的设计中,除了考虑微反射镜的尺寸大小外,还要考虑到微反射镜MEMS 光开关的角度偏差及反射镜的平整度。通过坐标变换,可以计算出耦合效率与角度间的关系。图12示出了由于角度的偏差,在不同半径反射镜的情况下引起的附加耦合损耗。保持微反射镜的平整度,在微反射镜MEMS 光开关阵列的制作中也是非常重要的,从简化工艺的角度来看,平整化的反射镜表面是最为理想的。但是,在第一代微反射镜的制作中,是在1.5"m 厚的多晶硅上面直接淀积约500nm

的金薄膜来充当反射镜,如图13(a )所示,由于存在于较厚的金薄膜与较薄的多晶硅薄膜间的内应力,微反射镜表面会在中心凹下去。为了提高反射镜的平整

图12不同尺寸微反射镜由于角度偏差引起的附加耦合损耗Fig.12

AdditionaI Ioss due to anguIar misaIignment for various mirror radii

67半导体光电2001年4月

度,采用如图13(b)所示的夹心式结构,在两层多晶硅薄膜间增加一层硼硅玻璃(PSG)层,通过调整各层的厚度,就可以使微反射镜的表面形成很好的平整度。还有,反射镜对入射光的反射率,也是影响微反射镜MEMS光开关性能的重要指标,对于金薄膜来说,50~500nm的厚度对光束的反射率均是97%,而当金膜仅有30nm时,对入射光束的反射率则只有52%

图13微反射镜的剖面图

Fig.13Micro-sIab cross sections

综上所述,在微反射镜MEMS光开关的设计中,需要综合考虑如下因素[4,8,9]:微反射镜的尺寸大小、角度偏差、平整度以及反射率;制作工艺的复杂程度;还要考虑到其集成度,甚至是三维结构的光开关阵列。

4MEMS光开关与光波导调制型MZI 光开关的比较

以LinbO3基的MZI光开关为代表的波导调制型光开关,具有很高的开关速度(可高达纳秒级)和较为成熟的制作工艺等优点;而MEMS光开关则具有更为成熟的硅平面工艺基础、大批量生产能力、小耦合损耗、低串音干扰、与工作的光波长和偏振态无关,以及不受通信中所采用的数据格式的限制等优点。现将这两类光开关的主要指标做一比较[4~8,10,11],如表1所示。

表1MZI波导调制型光开关与MEMS光开关的比较Tab.1Comparison between waveguide modulation MZI OS and MEMS OS

MZI光开关MEMS光开关材料LinbO3,Ge/GeSi,SOI,Si

体Si,GaAs

制作技术较难成熟

集成度低高

批量能力小大

频带限制10Gb无

响应时间纳秒级毫秒级

插入损耗较大小

光能损耗度大小

综合性能良优

注:光能损耗度就是对通过光开关的光波能量的损耗程度。

5结论

随着人类进入信息时代速度的加快,人们对通信带宽的需求越来越高,全光通信技术是极为理想的宽带通信技术。从广义上讲,全光通信不但在电信长途通信网、有线电视网和计算机网络中有重要的应用,而且在计算机内部的板卡间通信,甚至芯片间的通信都有极大的应用前景。作为全光通信用的理想光开关器件,MEMS光开关的发展必将对信息技术的发展起到极大的推动作用。

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作者简介:

李向东(1969-),男,工程师。

1993年毕业于四川大学物理系并

获硕士学位。毕业后一直在重庆

光电技术研究所工作。目前主要

从事有机电致发光器件和有机紫

外图像传感器及MEMS技术的研究。

77

全光通信用MEMS光开关

作者:李向东, 李福果, 龙再川, 王海卿, LI Xiang-dong, LI Fu-guo, LONG Zai-chuan,WANG Hai-qing

作者单位:重庆光电技术研究所,

刊名:

半导体光电

英文刊名:SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS

年,卷(期):2001,22(2)

被引用次数:9次

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本文链接:https://www.doczj.com/doc/414932705.html,/Periodical_bdtgd200102001.aspx

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