面向OXC的MEMS光开关设计与分析技术

【摘要】：随着全社会信息化程度的普遍提高,通信网容量增长迅速,当前光纤通信网中光——电——光的交换方式已经成为限制通信容量的“电子瓶颈”。全光交换是光纤通信网的发展方向,光交叉连接(OXC)是全光交换的核心,光开关作为OXC的关键器件,是当前光通信领域的研究热点,同时,MEMS光开关由于其众多优点也已成为微机电系统的一个重要研究方向。本文针对OXC应用,提出了一种基于双轴微反射镜的自由空间自定位MEMS光开关,研究其设计、分析技术和工艺实现方法,主要内容包括: (1)MEMS光开关的集成化设计方法 论述了MEMS设计中的分层模拟和自底向上与自顶向下两种设计方法,结合MEMS集成化设计工具,讨论了光开关集成化设计方法的体系结构,建立了双轴微镜的机电模型和光开关的系统宏模型,奠定了系统级模拟分析的基础。 双轴微反射镜结构的数值分析 在阐述有限元分析思想方法的基础上,建立了双轴微反射镜结构的有限元模型,进行了模态、刚度和动响应分析;采用耦合场分析工具和方法,对双轴微反射镜在正常工作条件下的静电和结构耦合场进行了分析,同时分析了光开关结构的吸合与释放电压。 (3)微镜光学特性分析 讨论了多层镜面的反射、折射参数及表面粗糙度与光学特性的关系,结合光开关在OXC中的工作方式,以高斯激光束作光源,对于不同的镜面开孔尺寸和光纤高度,模拟分析了反射镜面和出射光纤端面的光能和光强分布,计算了不同条件下光开关的插入损耗、回波损耗和串扰等特性参数。 双轴微镜MEMS光开关的工艺实现 综合了当前MEMS硅工艺的步骤和方法,针对国内的两层多晶硅表面工艺,设计了光开关的工艺流程和加工版图;在分析一种标准的三层多晶硅表面工艺及其设计规则的基础上,进行了光开关的结构改进,设计了相应的工艺流程和加工版图,从而具备了流片条件。