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MEMS光开关的优势和发展动态

吴国锋 陈希明?? 2009年04月10日 ?? 收藏0

1.概述

  微电子机械系统(MEMS)就是将几何尺寸或操作尺寸仅在微米、亚微米甚至纳米量级的微机电装置(如微机构、微驱动器等)与控制电路高度集成在硅基或非硅基材料上的一个非常小的空间里,构成一个机电一体化的器件或系统。MEMS器件具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、响应时间短,可把多个不同功能、不同敏感方向或致动方向的微机构大规模地集成在一起,并且可以通过微电铸的方法进行批量复制和大规模生产。

  MEMS加工技术主要分为三类:非硅基材料上以X光深度光刻的LIGA技术;硅基或非硅基材料上的精密机械刻划技术;在半导体集成电路技术之上发展起来的硅MEMS加工技术。

  硅MEMS加工技术最早出现于二十世纪六十年代,所采用的主要技术是单晶硅各向异性腐蚀技术(体硅微机械),其代表产品是硅压力传感器。八十年代美国率先开发出以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的表面牺牲层技术(表面微机械),并开发出微硅静电马达,使得MEMS技术得到质的飞跃发展。表面微机械加工技术与半导体集成电路技术最为相近,其主要特点是在薄膜淀积的基础上,利用光刻、刻蚀等集成电路常用工艺制备微机械结构,最终利用选择腐蚀技

术释放结构单元,获得可微动结构。进入九十年代,随着深槽刻蚀技术、键合技术及其它关键技术的成功应用,体硅微机械又得到了飞速发展,并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。特别是开发出利用感应耦合等离子体(ICP)和侧壁钝化(SPP)的先进硅刻蚀工艺(ASE),可对硅材料进行很大深宽比的三维微加工,其加工厚度可达几百微米,侧壁垂直度可接近九十度。这使得MEMS技术不仅在传感器领域的应用得到迅速发展,而且在光纤通信、微型化学分析系统、DNA分析及微型机器人等领域的应用研究也得到空前发展。

  光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后,上世纪末已进入了光纤网络时代。MEMS在光纤通信领域的应用范围十分宽广,几乎所有光网络中的各个组成单元都能采用MEMS制作器件,并由此产生了一个新名词:微光电子机械系统(MOEMS),它是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合。综观光纤通信器件的发展历程,可以看出器件的发展趋势为:块状堆集型?光纤型?MOEMS型?集成型。前两种已经形成产业化,并正在向小型化方向发展。在目前集成型器件还不十分成熟的情况下,MEMS(或MOEMS)型光器件已出现了商业化的产品。利用MEMS技术可以制作光纤通信传输网中的许多器件,如:光分插复用器(OADM)、光交叉连接开关矩阵(OXC-AS)、光调制器、光滤波器、波分复用解复用器、可调谐微型垂直腔表面发射半导体激光器(VCSEL)、可变光衰减器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透镜阵列等多种微型化光器件。

2.MEMS光开关的优势

  MEMS技术在光纤通信网络中的一个重要应用就是利用微动微镜制作光开关矩阵,微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成,结构紧凑、重量轻,易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能,如:低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中,与波长、偏振、速率及调制方式无关,寿命长、可靠性高,并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。

  MEMS光开关有2D(二维)数字和3D(三维)模拟两种结构。在2D结构中,所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上,通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式处于光路和弹出光路的工作方式来实现“开”和“关”的功能,如图1所示,所以2D结构又称为数字型。一个N?N的2D光开关需要N2个微反射镜,2D结构的优点是控制简单,缺点是由于受光程和微镜面积的限制,交换端口数不能做得很大。在3D结构中,所有微反射镜处于相向的两个平面上,通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换,如图2所示。一个N?N的3D光开关只需要2N个微反射镜,但每个微反射镜至少需要N个可精确控制的可动位置,所以3D结构又称为模拟型。与2D结构相反,3D结构的优点是交换端口数能做得很大,可实现上千端口数的交换能力,缺点是控制机理和驱动结构相当复杂,控制部分的成本很高。

如图1所示所以2D结构又称为数字型

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  MEMS光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL(偏振相关损耗)和串扰方面,MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。比如基于MEMS技术制作的2×2光开关模块的插入损耗可达0.4dB,PDL小于0.1dB,串扰小于-70dB。在功能方面,微镜具有可靠的闭锁功能,能够保证光路切换


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MEMS? MOEMS? 光开关? 表面牺牲层?

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