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。MEMS在光纤通信领域的应用范围十分宽广，几乎所有光网络中的各个组成单元都能采用MEMS制作器件，并由此产生了一个新名词：微光电子机械系统（MOEMS），它是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合。综观光纤通信器件的发展历程，可以看出器件的发展趋势为：块状堆集型光纤型 MOEMS型集成型。前两种已经形成产业化，并正在向小型化方向发展。在目前集成型器件还不十分成熟的情况下，MEMS （或MOEMS）型光器件已出现了商业化的产品。利用MEMS技术可以制作光纤通信传输网中的许多器件，如：光分插复用器（OADM）、光交叉连接开关矩阵（OXC-AS）、光调制器、光滤波器、波分复用解复用器、可调谐微型垂直腔表面发射半导体激光器（VCSEL）、可变光衰减器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透镜阵列等多种微型化光器件。
2.MEMS光开关的优势
MEMS技术在光纤通信网络中的一个重要应用就是利用微动微镜制作光开关矩阵，微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS 技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能，如：低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中，与波长、偏振、速率及调制方式无关，寿命长、
可靠性高，并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。
MEMS光开关有2D(二维)数字和3D(三维)模拟两种结构。在2D结构中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能，如图1所示，所以2D结构又称为数字型。一个N N的2D光开关需要N2个微反射镜，2D结构的优点是控制简单，缺点是由于受光程和微镜面积的限制，交换端口数不能做得很大。在3D结构中，所有微反射镜处于相向的两个平面上，通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换，如图2所示。一个N N的3D光开关只需要2N个微反射镜，但每个微反射镜至少需要N个可精确控制的可动位置，所以3D结构又称为模拟型。与2D结构相反，3D结构的优点是交换端口数能做得很大，可实现上千端口数的交换能力，缺点是控制机理和驱动结构相当复杂，控制部分的成本很高。
MEMS光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL（偏振相关损耗）和串扰方面，MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。比如基于MEMS技术制作的2×2光开关模块的插入损耗可达0.4dB，PDL小于0.1dB，串扰小于-70dB。在功能方面，微镜具有可靠的闭锁功能，能够保证光路切换的准确性。在规模方面，采用2D结构的MEMS光开关已有64 64的商用产品，采用3D结构的MEMS光开关也有上千端口数的样品，从而使构建中等规模和大规模光纤网络节点成为可能。在可靠性方面，单晶硅极好的机械性能可使制成的器件能够抗疲劳，由于单晶硅中没有位错，所以从本质上它不会产生疲劳，是一种完美的弹性材料。MEMS光开关的寿命已超过3800万次，并且在温度循环、冲击、振动和长期高温贮存等可靠性指标方面，均满足Telcordia GR-1073-Core标准。在成本方面，MEMS光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。MEMS器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。执行器与光器件集成在单个芯片上，可以在一个硅片上重复多次，从而可以提供价格更低的光器件。这些在成本方面的节约将使器件价格下降，最终降低设备和营运成本。
3.发展动态
尽管率先将MEMS光开关商用化的OMM公司在今年（2003）3月因最后获得资金的希望破灭而暂时关闭，去年（2002）Onix关门、IMMI转向以及采用3D-MEMS技术曾研制出1152 1152光开关的Xros前年（2001）被Nortel收购。目前仍有不少的机构（包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等）在进行MEMS光开关的应用开发。目前全球有60家左右的MEMS制造工厂，上百家MEMS领域的新兴公司以及更多的大学和研究机构。世界领先的Coventor公司的MEMS 计算机辅助设计（CAD）软件工具，目前全球的用户已超过300家。除MEMS光开关外，据笔者不完全统计，目前拥有MEMS技术设备并能提供相关光器件的公司主要有：JDSU、Santec、Memscap、Intpax、Umachines、Baynet、Avanex、Agere、InLight、Bandwidth9、Fujitsu、Go4fiber、lucent、networkelements、nortel、Olympus、NetworkPhotonics、Siemens、Teraoptix、Finisar、MCI、chromux、AXSUN、MegaSense、Sercalo、Molecular、Bookham、LIGHTech、Dicon、Lightconnect、Cypress、Novera等。最近Fujitsu宣布将发展一项采用MEMS技术的80通道的光开关，其切换速度将是1微秒，这是截至目前多通
道光开关的最高切换速度。此外，日本Olympus也开始进行MEMS研发部门新的整合计划，其计划不仅包括可变光衰减器、光MEMS开关等光通信MEMS芯片，而且还包括设计、制造和封装用于光网络、生物、医药和工业用途的MEMS产品。目前，全球已有数十家公司将MEMS技术作为光器件的基本开发技术，现已有的产品包括光开关、可变光衰减器、可调滤波器、可调激光器、共振腔探测器、增益均衡器、调制器及光斩波器等。据市场调研公司CIR预测：光MEMS市场将从2003年的5.6亿美元增加到2007年的17亿美元，其中，基于MEMS的小型光开关将取代传统的机械式光开关，而依赖光MEMS构建的设备的实际市场总额则将达到数十亿美元。
4.结语
全球光纤通信市场在经历了近三年的冬眠期之后，随着朗讯市场份额的好转和市值的抬头，使人们重新燃起了春天的希望。尽管近年来MEMS光器件制造商风云变幻，潮起潮落，但MEMS技术的应用领域不仅仅是光通信，依然保持着强劲的生命力。以其研究方向多元化、加工工艺多样化、系统单片集成化、制造与封装统一化、应用领域全面化为标志的固有特征和先天优势，必将在通信、导航、传感、医用、交通、航空航天等军事和民用领域得到广泛的推广和应用。
1.光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。 2.光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件,在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能。 3.其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。 4.全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性。 今后光开关发展的方向：光调制光开关和波导调制光开关的技术发展较快,其开关时间具有几个ps 到10ps的开发潜力,可以满足全光通信网络实现高速光交换、光交叉连接的要求。因此,光调制光开关和波导调制光开关是今后光开关的发展方向。但是,光调制光开关和波导调制光开关串音大的缺点目前尚无技术突破,还处于实验室研究阶段,而且价格昂贵,近几年要达到实用化的水平并投入市场不太可能。目前采用较为成熟的MEMS技术研制开发光开关、光开关列阵,并在此基础上组建、完善全光交换机及其交换矩阵系统等全光网络节点设备，具有非常大的现实应用价值。 目前,MEMS技术还存在一些问题:一是迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具(大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的,这种方式效率低下,费时费力),只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机网络才能从根本上改变这种局面;其次,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中,所以几乎每开发一套微电子机械系统就需要为其设计一个专用的包装。容许设计者从已有的标准包中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为一个较好的办法。（应用光学2005） 常见的光开关： 1.MEMS光开关：而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。其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。与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。 MEMS光开关优点：与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点, 它结构紧凑、重量轻, 且扩展性较好。 MEMS光开关特性：低插入损耗; 低串扰; 与波长、速率、调制方式无关; 功耗低; 坚固、寿命长; 可集成扩展成大规模光开关矩阵; 适中的响应速度(开关时间从100ns～10ms)。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中, 基于MEMS 技术的解决方案已是主流。 MEMS光开关分类：MEMS 光开关可以分为二维和三维光开关。二维光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成,光束在二维空间传输。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关, 对于M×N 的光开关矩阵, 光开关具有M×N个微反射镜。二维光开关的微反射镜具有两个状态0和1(通和断), 当光开关处于1 态时, 反射镜处于由输入光纤准直系统出射的光束传播通道内, 将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤;当光开关处于0 态时, 微反射镜不在光束传播通道内, 由输入通道光纤出射的光束直接进入其对面的光纤。三维MEMS 的微镜固定在一个万向支架上, 可以沿任意方向偏转。每根输入光纤都有一个对应的MEMS 输入微镜, 同样, 每根输出光纤也都有其对应的MEMS 输出微镜[17]。因此, 对于M×N 三维MEMS 光开关, 则具有M+N 个MEMS 微反射镜。由每根输出光纤出射的光束可以由其对应的输入微镜反射到任意一个输出微镜, 而相应的输出微镜可以将来自任一输入微镜的光束反射到其对应的输出光纤。对于M×N 三维MEMS 光开关, 每个输入微镜有N 个态, 而输出微镜则具有M个状态。目前, Iolon 利用MEMS 实现了光开关的大量自动化生产。该结构开关时间小余5ms。Xeros 基于MEMS 微镜技术, 设计了能升级到1152×1152 的光
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。三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。
一、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。特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP 网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构—自动交换光网络(ASON：automatic switched optical networks)成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接(OXC：optical cross connect)设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效的管理。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。光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、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。 光开关不仅是OXC中的核心器件，它还广泛应用于以下领域。 （1）光网络的保护倒换系统，实际的光缆传输系统中都留有备用光纤，当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度，光开关将主信号自动转至备用光纤系统传输，从而使接收端能接收到正常信号而感觉不到网路已出了故障，其会将网络节点连成环形以进一步改善网络的生存性。 （2）网络性能的实时监控系统，在远端光纤测试点，通过1×N多路光开关把多根光纤接到光时域反射仪上，进行实时网络监控，通过计算机控制光开关倒换顺序和时间，实现对所有光纤的检测，并将检测结果传回网络控制中心，一旦发现某一路出现问题，可在网管中心直接进行处理。 （3）光开关还应用在光纤通信器件测试系统以及城域网、接入网的差／分复用和交换设备中。光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。 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，重点分析了几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。 二、光开关的原理及种类 光开关性能参数有多种，如：快切换速度、高隔离度、小插入损耗、对偏振不敏感及可靠性，不同领域对它的要求也各不相同。其种类有保护、切换系统中常用的传统光机械开关，也有这几年飞速发展的新型光开关，如：热光开关、液晶开关、电光开关、声光开关、微光机电系统光开关(MOEMS，micro optic electro mechanical systems)、气泡开关等。在超高速光通信领域，还有马赫-曾德尔(Maeh-Zehnder)干涉型光开关、非线性环路镜(NOLM，nonlinear optical fiber loop mirror)光开关等光控开关。
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System s，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 Sy ST em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。三维MEMS的镜面能向任何方向偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。 在多种可能的驱动方法中，静电和磁感应法为主选方案。静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引，这是MEMS技术中使用的主要的驱动方法，它具有可重复性和容易屏蔽等优点。磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度，但由于磁感应应用中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最
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。
光开关主流技术 北京锦坤科技有限公司w https://www.doczj.com/doc/854569502.html, 陈希明，周平( 重庆邮电学院光电工程学院, 重庆400065) 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。文章重点介绍了光开关在全光网络中的应用、MEMS 光开关和 热光开关的基本工作原理及两种光开关技术的进展，并就其他光开关作了简要介绍。 关键词：全光网络；光开关；光通信.中图分类号: TN929.11 文献标志码: A 1 前言 全光网络是指上、下载的业务信号及交换过程均以光波的形式进行, 没有任何的光电及电光转换, 全部过程都在光域范围内完成[1, 2]。光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件。光开关可使光路之间进行直接交换, 是光网络中完成全光交换的核心器件, 随着全光网络市场的扩大, 光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点。在全光网络中, 光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能,因此光开关是全光通信许多设备中的关键光器件, 其响应速度、串音、插入损耗等性能将直接影响全光通信的质量[3- 6]。其中光交叉连接设备(OXC) 和光分插复用设备(OADM) 可以说是全光网的核心[7]。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC 和OADM的核心技术。研制全光的交叉连接OXC 和分插复用OADM设备, 成为建设大容量通信干线网络十分重要的一环。全光网络中应用的光开关应具有快的响应速度、低的插入损耗、低通道串音、对偏振不敏感、可集成性和可扩展性、低成本、低功耗、热稳定性好等特性[6- 8]。 2 光开关在全光网络中的应用 当前业已成熟的、且已实现商品化的微电子机械光开关和热光开关, 集中了机械式光开关和波导光开关的优点, 同时又克服了它们固有的缺点。此类光开关主要采用硅微加工技术将开关集成在单片硅基底上并能构成大规模矩阵阵列。另外, 此类开关批量生产时成本较低, 在开关损耗、串扰、消光比、开关尺寸等性能方面优势明显, 是光开关的较佳选择。 2.1 微电子机械系统(MEMS - micro - electro - mechanical-sys tems ) MEMS 是通过微制造技术将微型机械元件、微型传感器、微型执行器和信号处理及控制电路等在普通硅基底上集成。我国的MEMS 研究始于1989 年, 经过十几年的发展, 在多种微型传感器、微执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备, 开发出了若干小批量、多品种、高质量的MEMS 器件和系统, 目前已广泛应用于工业领域[9]。而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。其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。与现有的基于光波导技术的光开关相比, MEMS 光开关具有低串音、低插损的优点成为全光网络中的关键光器件。同时它既有机械光开关和波导光开关的优点, 又克服了光机械开关难以集成和扩展性差等缺点[10- 13], 它结构 紧凑、重量轻, 且扩展性较好。MEMS 光开关的特性可概括为[14- 16]: 低插入损耗; 低串扰; 与波长、速率、调制方式无关; 功耗低; 坚固、寿命长; 可集成扩展成大规模光开关矩阵; 适中的响应速度(开关时间从100ns～10ms)。在光交叉连接及需要支持大容最交换的系统中, 基于MEMS 技术的解决方案已是主流。MEMS 光开关可以分为二维和三维光开关。二维
光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是 什么 2010年03月20日 17:30 作者：佚名用户评论（0） 关键字：光开关(7) 光开关,光开关的分类,光开关的工作原理是什么 光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。 机械式光开关：插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；开关时间长(ms)，重复性较差。 其它光开关：开关时间短(ms)；体积小；插入损耗大；隔离度低。 光开关的特性参数 1.插入损耗(Insertion loss) 2.回波损耗（Return loss） 从输入端返回的光功率与输入光功率的比值。 3.隔离度
两个相隔离的输出端口光功率的比值。 4. 串扰 输入光功率与从非导通端口输出的光功率的比值。 5.消光比 两个端口处于导通和非导通状态的插入损耗之差。 ER＝IL－IL0 6.开关时间 开关端口从某一初状态转为通或者断所需的时间。从在开关上施加或撤去能量的时刻算起。 光开关的工作原理： 1. 机械式光开关 移动光纤式光开关
移动反射镜式光开关 以上两种体积大，难实现集成化的开关网络。近年正大力发展一种集成的微机电系统(MEMS)开关，在硅片上用微加工技术做出大量可移动的微型镜片构成的开关阵列。 用16 个移动反射镜光开关构成的两组4 4MEMS开关阵列 2 电光开关 电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。
电光开关一般利用泡克耳斯(Pockels)效应，即折射率n随光场E而变化的电光效应。折射率变化与光场的变化关系为： 而光波传输距离L相应的相位变化为： 定向耦合型光开关 定向耦合器中两耦合波导光功率周期性相互转换
浅谈MEMS在光通信及光传感中的应用 摘要：随着半导体集成技术以及机械微加工技术的发展，衍生出的MEMS技术正逐步应用到生产生活的各个领域。本文主要介绍MEMS技术在光通信以及光传感中典型应用，MEMS凭借微小易于集成等特点，发挥出在通信及传感领域的独特优势，将成为光通信、光传感以后发展的变革性力量。 关键词：MEMS；光通信；光传感 Discussion on the applicationsof MEMSinoptical communications and optical sensing Abstract: With the development of Semiconductor Integrated Technology and Mechanical micromachining,the MEMS technology is gradually applied to all areas of production and life.This articleFocuses on MEMS technology in optical communication and optical sensing,with the feature of Small-scale and easy to Integrate has exerted unique advantages incommunications and sensing,and will be a revolutionary forces in the area of optical communications and optical sensing. Key words:MEMS;optical communications;optica sensing 1引言 微机电系统是Micro-Electro-Mechanical-System的英文缩写，简称MEMS。是指几何尺寸仅在毫米，微米，乃至纳米级别的的机电装置，包括微型机械，微型执行器，微型驱动器
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。Internet数据业务的迅猛增长产生了对光纤通信技术带宽资源的极大需求，同时，通信网络的发展对光开关提供了新的要求，未来的全光网络需求全光开关构成的光交换机完成信号路由功能，以实现网络的高速率和协议透明性。 传统的机械光开关速度慢、体积大、不易大规模集成，难以适应光传输网的传输要求，这限制了其在未来光通信领域的应用。新型的以微电子机械系统 （Micro-Electro-Mechanical-System）简称MEMS为基础的微机械光开关称为大容量光交换光网络开关发展的主流方向。MEMS是指采用微机械加工技术，可以批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、能实现复杂功能、可批量制作、可集成等特点。具有广阔的应用前景。微机械光开关是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，他具有对数据格式透明、与偏振无关、插损小、速度慢、容易集成的优点。 因此对各种光开关的研究被提到了极为重要的位置光开关的主要性能指标参数有：交换速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等。很多因素会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等，这些因素在光开关进行级联时将影响网络的性能。 1.1 本文的主要工作 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，讲解了关开关的具体类型并。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。研究了MEMS静
MEMS光开关及主要工艺技术的研究 作者：罗元， 张毅， 黄尚廉 作者单位：罗元(重庆大学光电工程学院,重庆,400044;重庆邮电学院,重庆,400065)， 张毅(重庆邮电学院,重庆,400065)， 黄尚廉(重庆大学光电工程学院,重庆,400044) 刊名： 激光杂志 英文刊名：LASER JOURNAL 年，卷(期)：2001,22(6) 被引用次数：6次 参考文献(12条) 1.Minfan Pai;Norman c Tien Polysilicon Actuated Micromirror for Large Matrix Optical Cross-Conneects, Technical Report 1999 2.Hiroshi Toshiyoshi;Hiroyuki Fujita Electrostatic Micro Torsion Mirrors for an Optical Switch Matrix[外文期刊] 1996(04) 3.Adisorn Tuantranont;Victor M Bright;Jianglong Zhang;Wenge Zhang,John Neff and Y C Lee MEMS-Controllable Microlens Array for Beam Steering and Precision Alignment in Optical interconnect Systems 4.Agilent Photonic Switching Platform 5.OMM Photonic Switching Subsystem 6.Mirrors bubbles lead race to pure optical switching 7.张光照;刘焱微机加工技术 1997(01) 8.Franck Choller A journey in the micro-world of the MEMS,PE21 Forum 2000 9.Gregory T A Kovacs、Nadim 1. Maluf、 Kurt E. Petersen,Bulk Micromachining of Silicon 1998(08) 10.John H Comtois;M Adrian Michalicek Carole Craig Barron, Fabrication Micro-Instruments in Surface-Micromachined Polycrystalline Silicon 1997 11.Noel MacDonald;Multiple Depth Single Crystal Silicon MicroActuators for Large Displacement Fabricated by Deep Reactive lon Etching 12.Hiroyuki Fujita Hiroshi toshiyoshi, Optical mems, ieice trans 2000(09) 本文读者也读过(10条) 1.蒋庄德.赵则祥.王海容基于MEMS的光开关研发与产业化问题[期刊论文]-微细加工技术2001(4) 2.胡剑.李刚炎.HU Jian.LI Gang-yan基于MEMS的光开关技术研究[期刊论文]-半导体技术2007,32(4) 3.赵波.李宏生MEMS光开关的研究与进展[期刊论文]-微纳电子技术2004,41(2) 4.李苹.王俊华.万红光开关技术研究[期刊论文]-光通信技术2004,28(4) 5.刘梅刚.万江文全光网络中的MEMS光开关研究新进展[期刊论文]-微纳电子技术2004,41(5) 6.喻洪麟.鲁双全.YU Hong-lin.LU Shuang-quan光栅光阀MEMS光开关系统设计[期刊论文]-重庆大学学报（自然科学版）2008,31(6) 7.赵兴海.高杨.程永生.ZHAO Xing-hai.GAO Yang.CHENG Yong-sheng光纤直接连接型MEMS光开关的设计方法研究[期刊论文]-传感技术学报2008,21(3) 8.梁宏军.张兴社MEMS与MEMS光开关[期刊论文]-应用光学2005,26(1) 9.赵继德.李应良.ZHAO Ji-de.LI Ying-liang全光网络中的MEMS光开关[期刊论文]-激光杂志2005,26(3) 10.罗元.张正元.付红桥.黄尚廉一种静电MEMS光开关的理论与实验研究[期刊论文]-微电子学2003,33(5)