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用于光纤通信的MEMS光开关

许高攀  
【摘要】: 随着光纤通信网络的快速发展,对光无源器件包括光开关的需求越来越大,光开关是用来重新配置光网络或增加其可靠性的。对于局域网来说,降低光无源器件的成本是关键。近阶段,大家正在把MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术用在制造光开关上面,因为用MEMS技术可提高光开关的性能,同时减小器件的体积、成本,最为重要的一点是它可以把光开关做在一块硅片上,能够大规模集成光开关阵列,这对于波分复用器DWDM(Dense Wavelength-Division Multiplexing)是很重要的。 MEMS光开关是采用表面微细机械加工技术制作而成,硅表面微机械加工技术是以CMOS集成电路工艺为基础的,它可以灵活地把光开关集成在一块硅片上。作者利用硅表面微加工技术设计出一种磁力驱动悬臂梁式光开关,此MEMS微光开关的特性是光与光直接转接,不再通过光—电—光转换,使光的传输和转接达到最佳状态。 磁力驱动方式在MEMS领域得到越来越多的应用,因为磁力驱动有以下好处,首先磁力驱动所需要的电压远远小于静电力驱动电压。其次,磁力驱动可以得到自锁定的光开关,实现在保持“开”、“关”状态都不需要电压,大大节省能源,达到环保的效果。再次,磁力驱动的控制方法比静电驱动、热驱动、压电驱动简单得多,而且对于要求实现大挠度的应用来说,是最为理想的驱动方式。最后,最为关键的是磁驱动的基本材料与微机械加工技术是相兼容的,它们可以采用微机械加工方法进行加工。 光开关的切换可以通过悬臂梁下端的电磁铁线圈中的电流进行控制。该光开关的一些重要特性可总结如下:首先是采用磁力驱动可实现双稳态,而且在两个状态下都可以不施加任何电压;其次是低损耗,开关切换电流仅为80mA~100mA左右,电压为2~5V左右;再其次是平面镜与光纤可以实现自校正,大大降低了损耗和校正成本。 本文的主要研究工作如下: 1、前言。首先对光开关市场及发展进行调研,其次简单介绍MEMS技术及MEMS技术在光通讯中的应用,接着概述MEMS光开关研究现状,提出MEMS光开关现存在的问题,探讨静电和电磁驱动方式,最后提出课题的意文、主要内容和研究方法。 2、光开关结构设计。首先根据电磁铁的非线性特性和梁的抗弯曲力的线性特性,设计出磁力驱动悬臂梁式光开关结构,然后根据提出的结构,从理论上对悬臂梁的参数进行模拟分析选出合适的悬臂梁参数,紧接着分析平面镜的厚度、表面粗糙度、垂直度对光开关性能的影响;最后对磁路系统,明确选择具有矩形磁滞回线的材料,设计出电磁铁的结构。 3、优化系统参数。首先用ANSYS软件对光开关系统进行磁-力耦合场分析,得出系 厦门大学硕士学位论文 摘要 统的整体优化曲线和耦合图;接着用能量法估算出悬臂梁的基振频率;最后分析光 开关的性能。 4、工艺:首先简单地介绍硅单晶的晶向以及各向异性腐蚀工艺中的清洗、氧化、光刻 等基本知识;然后分析了TMAH各向异性腐蚀原理如TMAH对晶体晶向的选择性, 腐蚀速率与溶液温度和浓度的关系,溶液浓度对被腐蚀晶体表面粗糙度的影响。最; 后提出光开关工艺的设计方案,画出工艺流程图,模版,开始送实验室制作。 5、总结。就本论文的工作进行总结。


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