许高攀[1]2002年在《用于光纤通信的MEMS光开关》文中进行了进一步梳理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。
赵波[2]2004年在《面向OXC的MEMS光开关设计与分析技术》文中认为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;在分析一种标准的叁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。
赵继德, 李应良[3]2005年在《全光网络中的MEMS光开关》文中提出介绍了目前国内外光纤通信系统中所涉及的电磁驱动移动式MEMS光开关、静电驱动式光开关、基于MEMS光大器的可扩展型光开关矩阵、喷墨气泡MEMS光开关、开环式1×N波长选择MEMS光开关。对这些器件的结构原理,制造方法及其性能指标作了分析。把这些器件的性能指标和当前光纤通信系统中的光开关的性能要求进行比较,分析了这些器件的应用前景。最后,对MEMS光开关做出了展望,指出了今后MEMS光开关的进一步研究方向。
梁宏军, 张兴社[4]2005年在《MEMS与MEMS光开关》文中研究表明微机电系统 (MEMS)技术是一种新型制造技术 ,在光通信的发展中得到广泛的应用 ,有极大的市场价值。在整个光通信中 ,光开关是较为重要的光无源器件 ,在光网络系统中可对光信号进行选择性操作。随着光通信的日益发展 ,对光开关的技术要求也日益提高 ,利用 MEMS技术制作的新型光开关具有体积小、重量轻、能耗低、集成化程度高等特点 ,从而日益成为研究的热点。本文简单介绍了 MEMS技术和其主要特点 ,并较详细地阐述了MEMS技术在光通信中的应用 ,以及 MEMS光开关的结构、发展趋势和目前存在的主要问题
罗元[5]2003年在《光通信MEMS光开关关键技术的研究》文中研究说明基于光纤的全光网络，是新一代高速宽带综合业务网的首选方案，全光光开关是全光网络的基石，MEMS光开关则是众多光开关方案中竞争力最强的技术之一，因此，开展MEMS光开关关键结构及其性能的研究，有着重要的理论意义和潜在应用价值。本文对2D MEMS光开关的关键技术进行了探讨，采用体微加工和表面微加工技术和新型MEMS结构材料，研制出2D MEMS光开关的微镜及其驱动结构，主要研究工作如下：系统地对MEMS技术，尤其是MEMS微加工技术进行了研究，为MEMS器件设计奠定理论基础。系统地研究了MEMS光开关的核心技术－微镜结构与驱动技术，选定了静电直接驱动水平扭力式微镜光开关单元为研究重点。对以多晶硅为结构材料的静电直接驱动水平扭力式微镜光开关进行尺寸设计和工艺设计，并对其制作进行工艺实验研究，尤其是DRIE的替代工艺－TMAH湿法深槽刻蚀技术，提出了TMAH湿法深槽的工艺参数，实现了与集成电路工艺兼容的MEMS体微加工工艺。对多晶硅微镜进行应力实验，认为减小和消除多晶硅薄膜的残余应力成为多晶硅微镜技术的关键。对非硅结构材料的静电直接驱动水平扭力式微镜光开关进行研究，提出了镍铬金微结构方案，并进行了理论分析和实验研究，成功地制作出基于硅基的镍铬金光开关单元，并对其进行了测试，包括微镜表面粗糙度、微镜的反射率光谱曲线、微镜的静电驱动扭转及循环实验等，测试结果表明，该光开关微镜单元光学性能良好，在15V电压驱动下可实现15度的扭转，性能稳定，可实现光开关功能。对电极进行改进，对采用倾斜电极结构的光开关单元进行了理论分析，计算结果表明，改进后的结构将有助于进一步降低驱动电压，对提高光开关工作的稳定性与可靠性也是有利的。本文的主要创新点包括：1、提出TMAH湿法刻蚀代替DRIE的工艺技术，并得到了TMAH刻蚀光滑表面的一组重要工艺流程参数。2、提出了采用镍铬金材料的金属微镜光开关结构方案，得到镍铬金光开关微镜单元，通过测试表明该微镜单元光学性能良好，机械性能稳定，能够实现光开关功能。<WP=6>通过本文的研究，采用镍铬金材料制作的金属微镜单元具有良好的光学性能和机械性能，能够实现光开关功能，对2D MEMS的研究及其实用化，具有重要意义。
柳葆[6]2004年在《利用MEMS光开关实现高性能光互连网络》文中研究指明光开关技术已成为光网络的关键技术之一。特别是利用微机电技术制造的无堵塞MEMS光传输开关，消除了光－电转换，提供的开关方式与数据的波长、速率和信号格式无关。因而，MEMS光开关已在光通信领域中得到重要的应用。在课题组已完成的PCI全带宽网络接口卡设计的基础上，用光开关和PCI全带宽接口卡构建一个高速的吉比特传输结构的高性能光互连机群网络，为结点机间的通信提供一个高带宽、低延迟的硬件平台。本文完成的工作：研制了2×2机械式光开关的驱动电路板。一个基于RS232串行接口的电路设计，一个是基于并行接口驱动电路的设计，同时分别进行了针对并口和串行接口的光开关驱动程序设计。完成了MEMS光开关驱动控制电路板的设计，并以此为基础，设计了基于8×8MEMS光开关的局域计算机光互连网络。进行了光互连网络数据传输实验，分别对光开关的性能和网络的通信性能进行测试，并对测试结果进行了分析。进行PCI全带宽网络接口卡数据传输软件系统的设计。在深刻理解S5933PCI总线控制芯片结构和寄存器的操作的基础上，成功利用VxD开发了基于Windows98的设备驱动程序，实现以S5933为控制芯片的PCI全带宽接口卡之间的数据的传输。介绍了MEMS光开关的主要技术和基本结构，通过对光通信网络的相关理论的研究，详细研究了MEMS光开关在光纤数字传输系统中的具体应用。工作中的创新点：根据机群系统局域互连特点，使用光开关设计了互连网络拓扑结构，在光路交叉互连处，消除了光－电转换，并且光开关提供的光路转换的开关方式与数据的波长、速率和信号格式无关。针对光开关的结构和机群光互连网的特点，设计了不同传输模式下的测试方案，并根据测试的结果对光开关的性能和光互连网的通信性能进行了分析。
吕亮[7]2009年在《MEMS光开关提高稳定性的研究》文中提出新型的以MEMS为基础的微机械光开关以其具有体积小、易于集成、对波长、折射率、温度等物理参数不敏感的特性,成为大容量交换光网络开关发展的主流方向。但相关设计理论和设计工具尚不能满足设计需求,设计中仍然以反复试验(trial and error)方法为主,导致成品率低,可靠性差,制约了产品的研发速度和产业化水平。本文针对静电梳齿驱动结构的MEMS光开关,以平行板电容理论为基础,基于虚位移原理,导出了静电梳齿的静电力(或力矩)的计算模型;分析了因微结构弹性力与静电力的耦合作用而产生的吸合效应(pull-in or snap-down);求解了微梁的临界挠度(pull-in deflection);分析了气膜阻尼对微镜响应速度的影响;设计了具有较大阻尼的静电驱动MEMS光开关,并建立光开关的系统仿真模型。提出了在光开关系统中加入反馈电容的方法,使静电驱动力的非线性得到改善,降低了微镜在移动过程中加速度的变化,从而提高了光开关的稳定性,并突破了静电驱动吸合效应的限制,在不改变光开关的紧凑性的前提下,增加微镜的移动距离。
李向东, 李福果, 龙再川, 王海卿[8]2001年在《全光通信用MEMS光开关》文中进行了进一步梳理在简要介绍了硅微机械加工技术的基础上 ,详细介绍了微透镜和微反射镜两种MEMS光开关的结构和工作原理。从发展和实用的角度对典型的波导调制型MZI光开关和MEMS光开关的特性进行了比较 ,展望了MEMS光开关在未来全光通信中的应用前景
郑洁, 周日凯, 马洪勇, 胡强高, 江山[9]2009年在《兼具VOA功能的1×2 MEMS光开关》文中研究说明光开关和可变光衰减器(VOA)是光通信系统中的关键器件,而微电子机械系统(MEMS)技术是一种具有发展前景的光开关技术。文章提出一种兼具VOA功能的1×2 MEMS光开关,详细介绍了其原理,并且利用矩阵光学推导了插入损耗的计算公式。在设计了透镜的各项参数的基础上制作出了光开关样品,并且将样品的测试结果与计算的结果进行对比分析,指出这种光开关是具有实用价值的。
徐永青[10]2006年在《2×2微机械（MEMS）光开关》文中研究指明本文通过对MEMS光开关工作原理的系统分析，根据静电驱动MEMS光开关对机电特性和光耦合特性的要求，主要以2DMEMS光开关为研究方向，开展了新型MEMS工艺加工技术研究、机械结构设计研究、光耦合技术研究。设计实现了一种新型的体硅微机械加工工艺，并在工艺实验的基础上，通过ANSYS软件，利用有限元分析方法，优化设计了几种具有大位移、低电压驱动特性的1×2、2×22DMEMS光开关结构单元，完成了一种新型的1×2和一种2×2 2DMEMS光开关设计加工，对其机电特性和光纤耦合特性进行了测试。其中2×2静电梳齿电容驱动2DMEMS光开关具有在驱动电压22V作用下，驱动位移＞50μm，开关时间小于1.5ms的良好机电性能；1×2静电梳齿电容驱动2DMEMS光开关在采用直接切割光纤光耦合方式下，具有在驱动电压38V作用下，开关时间小于1ms、最大插损小于2.5dB、隔离度＜-50dB的综合光开关性能指标。
参考文献：
[1]. 用于光纤通信的MEMS光开关[D]. 许高攀. 厦门大学. 2002
[2]. 面向OXC的MEMS光开关设计与分析技术[D]. 赵波. 东南大学. 2004
[3]. 全光网络中的MEMS光开关[J]. 赵继德, 李应良. 激光杂志. 2005
[4]. MEMS与MEMS光开关[J]. 梁宏军, 张兴社. 应用光学. 2005
[5]. 光通信MEMS光开关关键技术的研究[D]. 罗元. 重庆大学. 2003
[6]. 利用MEMS光开关实现高性能光互连网络[D]. 柳葆. 天津大学. 2004
[7]. MEMS光开关提高稳定性的研究[D]. 吕亮. 西安电子科技大学. 2009
[8]. 全光通信用MEMS光开关[J]. 李向东, 李福果, 龙再川, 王海卿. 半导体光电. 2001
[9]. 兼具VOA功能的1×2 MEMS光开关[J]. 郑洁, 周日凯, 马洪勇, 胡强高, 江山. 光通信研究. 2009
[10]. 2×2微机械（MEMS）光开关[D]. 徐永青. 西安电子科技大学. 2006