MOEMS相关知识Word文件下载.docx
- 文档编号:3710146
- 上传时间:2023-05-02
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:2.30MB
MOEMS相关知识Word文件下载.docx
《MOEMS相关知识Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《MOEMS相关知识Word文件下载.docx(37页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
满足叠加原理的介质称为线性介质。
在线性介质中,介质对光场的响应与场量成线性关系,这种系统称为线性光学系统。
真空及在普通光强照明下的一般介质均可认为是线性介质。
但是一般介质在强激光的作用下,或某些特殊材料(例如光折变晶体铌酸锂)在普通光强照明下,将会出现一系列违背叠加原理的非线性光学现象。
叠加原理对于线性介质中传播的各种波的叠加都是适合的,作为其应用的一例,我们讨论两列同频率的线偏振简谐波的叠加,如图1所示。
设S1和S2是两个点光源,它们发出的频率相同、振动方向夹角为θ的两列线偏简谐波。
场点p离点源很远,因而认为S1,S2在p点产生的是平面波,于是,两列波在p点所产生的振动为
图1.两列简谐波的叠加
(1)
式中,d1=S1P,d2=S2P,
和
分别是振源S1和S2的振动初相位。
简单起见,令
(2)
式
(1)可以写成
(3)
根据波的叠加原理,P点的合场
而
将上式两端对观察时间求平均得到,
(4)
上式
,第三项为交叉项,即
利用三角恒等式,并将上式求平均值得:
(5)
为S1和S2在P点产生的振动相位,即
(6)
式(4)可以写为,
(7)
如果S1和S2在P点的振动方向相同(例如垂直于纸面),
,上式成为
(8)
上式表明场中任意P点的强度决定于两列波在P点的相位差
。
由式(6),
决定于两振源的初相差和它们到P点的程差。
对于场中不同的点,
不同,强度不同。
因为余弦值可取+1和-1之间各种值,所以场中某些点的强度将大于两列波在该点单独产生的强度之和,而在另外一些点的强度则小于两列波单独产生的强度之和,这种因波的叠加而引起强度相长或相消的现象称为波的干涉现象,能够产生干涉的两列或数列波称为相干波。
8.1.3光的衍射
光的衍射和干涉一样是十分普遍的现象,是各种波诸如水波、声波、电磁波、物质波等能表现出的现象。
衍射定义为凡是不能用反射或折射予以解释的光偏离直线传播的现象称为光的衍射。
通常我们观察到的衍射现象是由不透明的障碍物引起的。
如图2所示,S为点光源,D为带有孔径可变的小圆孔的不透明屏,P为接收屏。
当圆孔足够大时,在屏上生成一个均匀照明的光斑,光斑有清晰的边界,它的大小就是圆孔的几何投影。
随着圆孔逐渐缩小,开始光斑也相应逐渐变小,然后光斑边缘开始模糊,并且在光斑周围出现若干比较淡的同心量环。
此后若在缩小圆孔,光斑以及圆孔不但不跟着变小,反而会扩大。
上述试验表明,点光源S发出的光遇到障碍物物后,进入了障碍物的几何阴影区域以内,引起障碍物后的光场的重新分布,产生了衍射。
需要指出的是,不仅不透明的平面障碍物(如小圆孔、圆环、狭缝等)会产生衍射现象,光通过光学厚度(nh)不等的完全透明的三维障碍物(如带有空气泡的玻璃片、透明的生物标本)时,在各处的相位延迟不一样,也会产生衍射现象。
例如,透过眼镜片上的小雨滴观看远处的路灯,就可以看见一系列量暗相间的衍射环。
总之,当光波在传播路径中遇到障碍物时,不管障碍物是透明还是不透明的,只要波前受阻区域的振幅和相位或二者之一的分布发生了改变,都会产生衍射现象。
S
P
D
图2.光的衍射现象
8.2
1.MEMS光开关
光开关是光系统和网络中实现光路切换的重要元件,它是使传输通路中的光信号实现通或断,或进行路由转换的一种光器件。
光开关具有自动保护切换、实时监控网络性能、测试元器件、组成光分插复用设备和光交叉连接设备等具体功能。
目前典型的光开关包括MEMS光开关、电光开关、声光开关、热光开关、磁光开关、喷墨气泡光开关、液晶光开关、全息光栅开关、液体光栅开关和半导体放大器光开关等。
MEMS是以微电子、微机械、微光学以及材料科学等为基础,可批量制作集微型机构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路以及接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统,组成原理如图3所示[1]。
MEMS和常规系统在工作原理、处理对象、环境关联度、尺度效应和设计、制造、检测方法等方面的侧重点不同,具有差异性。
图3.MEMS光开关的原理图
MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片,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。
MEMS光开关较其他光开关具有明显优势:
开关时间一般在数ms量级;
使用了IC制造技术,体积小、集成度高;
工作方式与光信号的格式、协议、波长、传输方向、偏振方向、调制方式均无关,可以处理任意波长的光信号;
同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。
到目前为止,利用MEMS技术加工制作的光开关已有多种结构类型。
(1)按功能实现方法,可将MEMS光开关分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。
微镜反射型MEMS光开关方便集成和控制,易于组成光开关阵列,是MEMS光开关研究的重点,可分为二维MEMS光开关和三维MEMS光开关,并已提出一维MEMS光开关的概念。
1)二维MEMS光开关。
二维MEMS光开关由二维微小镜面阵列组成,对于M×
N的光开关阵列,光开关在平面上布置有M×
N个微反射镜,结构如图4所示。
光束在二维空间传输,每个微反射镜只有开(“0”态)和关(“1”态)两种状态。
光开关分别与输入光纤组和输出光纤组连接。
当控制微反射镜(i,j)处于“1”态时,由第i根光纤输入的光信号经反射后由第j根光纤输出,实现光路选择;
当控制微反射镜(i,1),(i,2),…,(i,N)处于“0”态时,与输入光纤i相关的所有微反射镜全开,由第i根光纤输入的关信号直接由其对面的光纤输出。
二维MEMS光开关可接受简单的数字信号控制,一般只需要提供足够的驱动电压使微反射镜发生动作即可,简化了控制电路的设计。
当二维MEMS光开关扩展成大型光开关阵列时,由于各端口间的传输距离不同,导致插入损耗不同,因此只能用在端口较少的环路里,最大可实现32×
32端口。
以二维MEMS光开关单元为基础,可以通过级联的方式实现大规模的光开关矩阵。
光开关矩阵的集成,有多种组网方式,其中,Clos多级网络是最常用的一种,它由贝尔实验室的C.Clos于1953年提出。
对于N×
N的Clos开关矩阵,通常使用三级对称的方式进行集成。
例如,可以使用32×
32端口的二维MEMS光开关为基础搭建1024×
1024端口的大规模Clos开关。
图4.二维MEMS光开关
2)三维光开关。
三维MEMS光开关由三维微小镜面阵列组成,微反射镜能沿着两个方向的轴任意旋转,微反射镜和光纤不被束缚在平面位置,每根输入光纤有一个对应的输入微反射镜,每根输出光纤也都有一个对应的输出微反射镜,结构如图5所示,为日本NTT提出的三维MEMS光开关模型。
因此,对于M×
N阵列的三维MEMS光开关,仅需M+N个微反射镜。
光束在三维空间传输,输入光纤的光束由其对应的输入微反射镜反射到任意一个输出微反射镜,输出微反射镜可以将任意输入微反射镜的光束反射到对应的输出光纤上。
图5.三维MEMS光开关
三维MEMS光开关的设计、制造和配置难度相对于二维结构较高。
在电路控制方面,为了保证光束的精确对准,必须使用复杂的闭环控制系统,利用角度传感检测和反馈微反射镜的位置,并且每个独立的微镜都需要单独的控制系统,这使得方案过于庞大,价格昂贵,功耗也大;
在加工制作方面,为了获得足够能用的微镜需要设计加工更多的后备微镜;
此外,对微镜进行数目众多的交换组合、测试以及校准往往也要更多大量时间;
最后,根据开光尺寸的不同,这要在开光与光纤以及其它器件之间进行几百甚至几千次的连接。
3)一维光开关。
由于二维、三维MEMS光开关都是端口开关,完成对DWDM信号的波长交换必须先对输入光进行全部解复用,在交换完成后再对输出光纤进行波长复用。
这就加大了端口管理的难度并影响了器件的可靠性。
针对这种情况又有研究人员提出了一维光开关的概念,即将光交换与DWDM解复用和复用集成在一起。
在结构实现上,一维光开关由透镜、分波元件和一维MEMS微镜组合而成。
输入光纤的光束经过透镜校准后由分波元件将波长分开,分开后的每个波长对应一个长方形微镜,由微镜将各波长导入所要输出的光纤,并在输出光纤内与其它导入波长完成复用并输出,其结构如图6所示。
图6.一维MEMS光开关
由于二维MEMS光开关和三维MEMS光开关都是端口开关,完成对密集波分复用DWDM光信号的波长交换必须对输入光进行全部解复用,在交换完成后再对光进行波长复用,影响了器件的性能和可靠性,加大了端口管理的难度。
而一微MEMS光开关将光交换与DWDM的解复用和复用集成在一起,提高了器件的性能和可靠性,简化了端口管理,但制造工艺与控制方法复杂。
(2)按驱动方式的不同有静电驱动、磁致伸缩驱动、形状记忆合金驱动、光功率驱动和热驱动等MEMS光开关。
1)静电驱动型光开关。
新加坡南洋理工的A.Q.Liu等人研制了一种静电驱动的4×
4光开关[2]。
如图所示是该开光多晶硅悬臂梁实现弯曲的原理。
多晶硅与金属组合成复合梁,复合层内的内应力使复合层在被释放后弯曲,在静电力的作用下,复合梁产生运动,引起利用铰链手动安装在复合梁上的微镜上下运动。
手工安装微镜过程可靠性不高,但这种设计思想比较新颖,制成的光开关性能比较优异。
该微光开关的插入损耗为0.55~0.7dB(单模光纤),路间串音衰减为-80dB(针对1550nm工作波长),谐振频率为1KHz,开光时间为600us,在20V偏置电压作用下,微镜在微梁带动下位移可达300um,可靠性疲劳试验结果为14M个周期。
该MEMS光开关的SEM如图所示。
静电驱动4×
4光开关
静电驱动的光开关原理图
如图所示是C.Marxer等人设计的静电驱动梳齿驱动微反射型2×
2光开关结构原理图,结构上采用了双面反射的垂直微镜来实现开光。
将微镜与一根长梁相连,长梁由梳状电极静电驱动。
只要施加一个电压脉冲,微镜在长梁的带动下就会做进入或弹出光路的水平运动,实现光路切换。
研制得到的器件如图所示。
因为梳状电极本身不具备自定位能力,为了保持反射镜的进入状态,可制作成利用压曲现象的棘轮结构,如图所示。
该开关的插入损耗在0.3~0.5dB,开关时间大约为500us,在85oC测试时寿命为5×
109个周期,光纤之间的串扰为-70dB[3][4]。
静电梳齿驱动式2×
2光纤光开关原理
带棘轮结构的静电驱动式光纤光开关
静电驱动式光纤光开关
根据上述原理,瑞士Neuchatel大学利用深层反应离子刻蚀(DRIE)技术和牺牲层腐蚀工艺,刻出梳状静电驱动器和垂直微镜。
微镜的垂直度可达89.3o,微镜表面涂上40nm的铝,表面粗糙度为40nm,镜面反射率达76%,静电驱动电压为30V,开光时间小于0.2ms,插入损耗小于1.4dB。
密西根大学也研制了类似结构的微型光开关,采用深层刻蚀、浅层扩散工艺制作,控制腐蚀出的垂直微镜表面粗糙度在5nm以内,不用涂敷金属反射层,就可以直接作为反射微镜。
在30V静电电压驱动下,微镜能做34um的水平移动。
2)电磁驱动型微光开关。
如图所示是加州理工学院设计的一种电磁驱动2×
2光纤的原理示意图。
当开关处于开状态时,电磁驱动器带着双面微镜向上运动,将微镜置于光纤之间,每个输入光纤的光信号经反射后从相邻的输出光纤输出,如图所示;
在关状态,微镜在光纤之下,输入光纤的信号直接从正前方的输出光纤输出。
该微光开关的驱动器采用悬臂梁式结构,是一个四条悬臂梁(25um厚,40um)支撑的硅平面(4mm×
4mm×
25um),在其下面有一个70匝的平面铜线圈,如图所示。
电磁驱动2×
2光纤开关原理示意图
为了使微镜表面更加平整光滑,该微镜的制作采用了湿法腐蚀加工工艺:
将一块带图形化氮化硅掩膜的硅圆片通过TMAH腐蚀形成垂直的平整微镜,得到的微镜高度270um,长1.8mm,厚5um,在其表面图上一层30nm的金,使其平均粗糙度达到80nm。
整个光开关的照片如图所示[5]。
电磁驱动2×
如下图所示,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。
它是一个1×
4光开关,利用光纤的移动缸和对准实现光信号的切换,插入损耗大约为1dB。
它采用体硅或LIGA工艺加工,制造结构和制备方法较微镜结构简单,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,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。
加州大学研制的移动光纤对接光开关示意图
3)形状记忆合金驱动型光开关。
日本东北大学研制了一种用形状记忆合金驱动的移动光纤微型光开关[6]。
它利用在(100)硅片上腐蚀出的V型槽作为光纤对准槽,形状记忆合金微驱动粘在驱动器梁上,芯片的尺寸为7mm×
18mm×
0.3mm。
但是形状记忆合金驱动的频率响应较慢,开关时间为1.5s,上升时间为0.3s,插入损耗为2dB,路间串扰衰减大于-60dB。
4)热光驱动型和气泡/液泡驱动型光开关。
我国北方交通大学研制了一种基于石英的热光型2×
2波导光开关,无可动部件。
利用平面光波回路技术(PLC)制造,在硅衬底上进行热沉积(FHD)工艺和反应离子刻蚀(RIE)工艺,采用了马赫曾德尔干涉仪结构,由两个3dB定向耦合器(50%耦合率)和两个等长的波导臂组成,插入损耗为0.5dB,响应时间为1~2ms。
对于采取不同结构、不同驱动方式的光开关影响最大的就是开关速度。
一般说来,采用电磁驱动和热驱动或者形状记忆合金驱动的光开关速度较慢一般在毫秒量级甚至更长,而采用静电驱动方式的则较快。
光开关,尤其是大规模的光开关阵列是构建大型交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素,而MEMS光开关的可扩展性,理论上可以达到上千端口,足以满足目前基于DWDM的全光通信网的要求。
但我们也应看到,MEMS光开关也存在系统级联后会使插损增大和可靠性较差的缺点,随着人们对光通信网络的要求越来越高,MEMS光开关的缺点如速度较慢、机械摩擦等问题也必将成为阻碍其进一步发展的绊脚石。
因此未来MEMS光开关应向着响应时间短、可扩展能力强的方向发展。
2.VOA
可调式光衰减器(VOA)已广泛应用于波分复光纤网络(WDMFiberOpticalNetworks)中用来调整各信道信号的强弱。
VOA还可用于模拟光纤长距离传输或检测传输系统的动态范围。
采用MEMS技术制造的VOA具有损耗小,与光波长、偏振、数据格式无关等优点。
它与市场上已有的机械式器件相比,具有体积小、重量轻、成本较低、同时适于大批量生产等特点[7]。
国外如LG、JDSU-niphase以及圣德科等都已推出MEMS可调衰减器。
圣德科的可调衰减器各通道的衰减值线性范围为30dB,分辨率高于0.1dB,插入损耗为0.8dB,偏振损耗小于0.2dB[8]。
OMM公司的二维OCX照片
目前国内也已经有通讯公司提供该产品,如广州永大光通讯技术发展有限公司提供的动态可调光衰减器尺寸为16mm×
9.1mm(L×
D),衰减值线性范围为40dB,驱动电压小于15V,驱动功率小于10mW,插入损耗小于0.7dB,偏振损耗小于0.2dB。
有关MEMS可调衰减器的研究成果层出不穷,大多采用静电驱动方式。
根据工作原理,又可分为光路遮挡型、平面波导型和MARS型等几种。
(1)光路遮挡型VOA。
光路遮挡型VOA[9]是在入射光纤和出射光纤之间插入衰减片或光
片,其通光量可以完全通光与不通光之间调整,从而达到调整衰减量的目的。
光路遮挡型可调衰减器的典型结构如图所示。
两根单模光纤固定在光纤对准支架的V形定位槽中,两光纤端面间距约为20um。
挡光片垂直固定在硅弹簧承载平台上表面,并通过光纤对准支架中央的通孔插入两单模光纤的光路中。
坡莫合金驱动片粘附于承载台下表面。
平面线圈位于坡莫合金驱动片的正下方,间距约为200um。
光路遮挡型可调光衰减器的工作原理
在初始状态,两单模光纤的光路正好通过挡光片上的其中一个通过孔,此时两单模光纤的损耗很小。
当平面线圈中通入电流时,在平面线圈上就会产生磁场,坡莫合金驱动片在此磁场的作用下发生磁化,并受到垂直向下移动一段距离。
这样会带动垂至于承载平台上的挡光片也向下移动一段距离。
当加大通入线圈的电流时,挡光片上的通光孔上部分会切入光路中,阻挡部分输入光,从而使传输到输出光纤中的光功率衰减。
精密调节通入平面线圈中的电流强度,能够对传输的光功率实现连续可调的衰减。
如图所示,是美国朗讯公司研制的基于表面微机械加工工艺的VOA。
由弹簧支撑的电容板通过转轴带动挡光片在两根相对光纤之间上下移动,改变遮光面积来调整衰减量。
其插入损耗小于1dB,动态范围大于5dB,响应时间小于100us,配合反馈控制,当输入光功率波动12dB时,其输出波动小于0.26dB。
但是,它的驱动电压过高,大于30V[10]。
瑞士UniversityofNeuchatel研制了基于深反应离子刻蚀工艺的VOA[11],制作了静态梳齿驱动器以及挡光片,如图所示,其插入损耗小于1.5dB,动态范围大于50dB,响应时间小于5ms,但驱动电压也高于30V。
基于深反应离子刻蚀工艺的VOA
此外,德国InstituteofMicrostructureTechnology提出的基于LIGA工艺制作的压电驱动VOA也很有特色。
在压电材料基底上利用LIGA工艺制作的位移放大机构,能够将压电材料产生的位移放大近30倍,驱动挡板片在输入输出光纤之间移动,调整衰减量。
其动态范围可达到75dB,但插入损耗和驱动电压过高,分别为6.4dB及上百伏,有待于进一步完善。
(2)平面波导型VOA。
平面波导型VOA的优点在于没有可动部分,易于光源、探测器等
有源器件集成,构成真正意义上的集成光路。
但也存在插入损耗大、动态范围有限等缺点,目前波导型VOA大多通过改变波导材料的温度引起折射率变化大,即热光效应,调整输出光功率。
按照调整的实现路径又可分为泄露式和干涉式两大类。
韩国LG公司设计了泄露式波导VOA方案[12],如图所示。
泄露式波导VOA原理图
对干涉波导型VOA的研究,日本NTT较为典型[13],其基本结构为马赫曾德尔干涉仪形式,其中的干涉臂上安装了热光相位调制器。
通过加热分别改变两条干涉臂上波导材料的折射率来改变光波经过时的光程差,从而改变干涉后输出的光功率,如图所示。
干涉型波导VOA原理图
目前,材料领域的进展为波导VOA的研究提供了新的思路。
如美国AlliedSignal公司开发的基于丙烯酸脂单体、低聚物以及多种添加剂的新一代聚合物,低损耗,热稳定性好,潮湿而且折射率、硬度、黏附性都可以根据特定要求灵活调整,加工简便,是研制新一代波导器件的理想材料。
此外,近年来出现的玻璃态液晶,能够在-40~+80℃范围内保持稳定,而且具备撤去外加电场后仍保持加电状态时的能力,使得进一步降低器件的功耗称为可能[9]。
(3)MARS型VOA。
微机械反射MARS型光衰减器的基本结构是一个Fabry-Perot干涉腔,
包括硅衬底、一层厚度为d的空气间隙以及可变形的光学厚度为λ/4的悬浮氮化硅薄膜。
当在干涉腔两侧的悬浮薄膜和衬底之间施加电压,就会产生静电力。
受静电力的吸引作用,悬浮膜与衬底之间的空气间隙厚度发生改变,从而改变干涉腔的长度,使反射光的强度发生相应的变化。
当空气间隙分别等于入射波长的偶数或者奇数倍时,由光的干涉作用可分别实现高反射和高透射,其原理如图所示。
MARS可调试光衰减器原理图
美国贝尔实验室提出的MARS衰减方案[14],是利用反射镜的偏转或变形使反射到输出光纤的光功率发生变化,从而调整衰减量。
此外还有一种基于MEMS技术的功率均衡方案用光栅光阀GLV的器件代替MARS器件实现衰减量的调整。
GLV器件由一系列悬浮在基地上的氮化硅带阵列构成。
氮化硅上涂上一层铝以增加反射率,氮化硅阵列由可动条带和固定条带间隔排列而成,条带下面、衬底之上是驱动电极,当在可动条带和驱动电极之间施加电压时,可动条带向衬底的方向移动,而固定条带则保持不动,氮化硅条带阵列变成衍射光栅,入射光在其表面发生衍射,其程度可以通过控制外加电压大小以调整可动条带在垂直方向上的位置来控制,从而改变反射光的衰减量。
3.微镜
在2000年,美国朗讯(Lucent)公司开发了用于光交叉连接器(OXC)的微镜结构[15],如图所示。
这种微镜结构可以实现双轴倾斜,是采用表面微机械技术加工工艺制作的。
其结构上,采用了金属和多晶硅组成的复合梁(Assemblyarm)和可以旋转的、进行精确定位的铰链(Hingedsidewall)。
当利用湿法腐蚀去除表面工艺中的牺牲层PSG时,复合梁在残余应力的作用下,就会向上发生偏转,带动微镜的镜框向上移动,同时铰链结构在其带动作用下发生旋转,旋转角度经过精确的设计可以达到90度。
燕尾槽(Dovetail)的位置决定了镜面可以上升的高度,而铰链的锥形切口(Taperedcut)可以锁定镜框的位置。
之所以利用这样复杂的结构,就是为了增大微镜在x和y方向的旋转角度。
基于表面牺牲层技术的微镜
8.3
1.DMD
数字微镜器件DMD(DigitalMicromirrorDevice),由美国德州仪器公司(Ti)的LarryJ.Hornbeck于1987年发明。
作为一种新型的全数字化的平板显示器件,DMD将微反射镜阵列以及CMOSSRAM集成在同
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- MOEMS 相关 知识