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体硅微机械光开关的设计与制作工艺的研究

董玮  
【摘要】:随着光纤通信技术的发展和密集波分复用(DWDM)系统的应用,全光 交换已经成为一种趋势,光开关是实现全光交换的关键器件,它可以实现 全光层的路由选择,波长选择,光交叉连接,自愈保护等功能。随着 MEMS 技术的发展,MEMS 与光器件融合于一体的 MOEMS 光开关阵列将成为全光网 络的主流器件。国外的研究机构都以极大的力度投入微光电子机械开关阵 列的研究,并取得了很大突破。我国对 MOEMS 光开关的研究虽然时间不 长,但也取得了相当的进展,从事这一研究工作的单位多数是一流的高校 和技术力量雄厚的研究所,电子科技集团公司十三所、吉林大学、上海交 通大学、清华大学和上海微系统与信息技术研究所等。目前主要进行研究 的是 1×2 和 2×2 等小型微机械结构光开关。但由于力量分散,投入不 足,尽管已有不少成果,但在产品质量,性能价格比及实用化等方面与国 外还有很大差距。   本文研制了 2×2 微机械光开关,它是利用微反射镜的移动来改变入射 光的传播方向实现光开关的功能。主要包括微反射镜,自对准光纤槽以及 驱动结构。微反射镜、光纤槽和静电驱动扭臂结构的上电极是在(100)硅 片(或(110)硅片)上制作,制作工艺简单,反射镜和光纤槽是通过一次 掩膜在 KOH 溶液中腐蚀出来。驱动部分的下电极是在另一片硅片上制作。  采用单模光纤连接损耗理论对光开关的插入损耗进行了分析,在直通 状态时引起插入损耗的主要原因是:两根单模光纤连接时的轴向、径向和 角度偏移。而反射状态时引起插入损耗的原因除了光纤连接引起的损耗以 外,还包括反射镜的表面粗糙和反射镜的厚度引起的损耗。并且指出若要 求反射状态的插入损耗小于 2dB,使用普通的单模光纤耦合的难度是相当 大,因此需要在光纤的端部进行适当的加工处理。  108 WP=117 吉林大学博士学位论文 对微机械光开关的驱动结构进行了设计和优化,给出了悬臂驱动结构 和普通平面下电极的扭臂结构的驱动电压和结构尺寸的关系,提出了一种 倾斜下电极的扭臂驱动结构,理论分析表明,倾斜下电极的 pull-in 电压 仅为平面下电极的一半,从而能有效地降低驱动电压。计算了倾斜下电极 扭臂驱动结构开关时间。  确定了制作光开关的工艺条件,设计并制作了硅各向异性湿法腐蚀过 程中晶向对准图形,在(100)和(110)硅片上制作了微反射镜,光纤槽 和扭臂驱动结构的上电极部分。本文提出了一种倾斜下电极制作的新方 法,选取了偏 2.5°的(111)硅片,制作了倾斜下电极。利用五维光纤调 节架和测量显微镜等设备,对微机械光开关进行了组装,将上下电极粘和 在一起,光纤固定在光纤槽中。  建立了驱动电压和开关时间的测试系统,对光开关的驱动电压和开关 时间进行了测试,开关的 pull-in电压为 35.7V,开关从直通到反射和从反 射到直通状态的时间均小于或等于 5ms,开关的寿命大于 100万次。测试 结果和理论计算值之间有一定的误差,这主要是由器件的设计尺寸和制作 尺寸之间的偏差引起的。利用稳定化光源和光功率计对光开关的插入损耗 和串话进行了测量,直通状态下的插入损耗小于 2dB,反射状态下的插入 损耗小于 3dB,串话小于-50 dB。 在制作开关单元的基础上,提出了 8×8 阵列光开关的制作方案,通过 各向异性湿法腐蚀工艺制作静电驱动扭臂结构微反射镜型二维结构的 8×8 光开关阵列。使用(110)硅片制作了 8×8 阵列光开关的微反射镜阵列, 共有 64 个微反射镜。  与国内其它单位的研究方案相比,我们提出 8×8 光开关阵列的研究方 案具有可以同时实现微反射镜的镜面平整垂直、各单元的微镜平面间平 行、扭臂的结构尺寸准确控制等优点。这种设计方案和工艺路线是目前我 们所见到的 MOEMS 光开关工艺中最为简单的,它不仅能简化工艺流程,提 高成品率,降低制作成本,更重要的是提高光开关的制作精度,降低光损 耗,容易做成阵列,实现光开关阵列的实用化生产。 


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