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4×4MEMS光开关阵列的设计与实验研究

牛凯  
【摘要】:光通讯技术的快速发展使得全光网络成为可能,作为全光网络重要器 件的光开关,具有非常广阔的市场前景。基于 MEMS 技术的光开关阵列具 有高性能、低损耗等突出优点。本论文从理论和实验两个方面系统研究了 基于弯曲悬臂梁静电致动器的 MEMS 光开关阵列,并提出了关键问题的解 决方案。论文主要包括以下内容: 建立了 MEMS 光开关阵列的光学模型,通过仿真计算对光开关的主要 光学参数进行了优化设计。利用高斯光束传输理论进行了光纤耦合设计; 根据光束传播的 ABCD 矩阵推导出了光束通过球透镜的传播规律,计算了 光纤与光纤之间通过两个球透镜进行耦合的效率,分析了影响耦合效率的 因素;通过设计计算确定了球透镜的直径和光纤端部的位置,使整个损耗 得到优化。另外,分析了 MEMS 光开关阵列中引起插入损耗的各种原因和 减少损耗的方法。 设计了基于悬臂梁静电致动器的 4×4 光开关阵列及其加工工艺流程, 对其中的几个重要工艺进行了深入地研究:PSG 的生长与牺牲层腐蚀、隔 离槽的剥落与金的图形化以及金的钻蚀。最后进行了 SU-8 微镜垂直度与 粗糙度的分析。 采用有限元方法对静电驱动器的应力分布、翘起高度以及固有频率进 行了数值计算。采用降阶建模(ROM)的方法对多晶硅/氮化硅复合悬臂 梁静电致动器吸下电压的多物理场耦合问题进行了计算。通过提取系统的 各阶模态及其对系统的贡献,对各阶模态进行组合来取代该结构的耦合 域,从而达到对耦合问题降阶的目的。实验测量了致动器的翘起高度、固 有频率以及吸下电压等重要参数,发现了吸下电压不稳定的现象,并对其 进行了分析。 分析了引起光开关失效的几种主要形式:粘连、机械断裂、分层、疲 劳等,并对光开关阵列的封装进行了设计。


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