用于光纤通信的MEMS光开关

【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。