用于光子网络的moems光开关

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1、用于光子网络的MOEMS光开关～教育资源库　　摘要：介绍光子网络用的MOEMS光开关的基本结构和制作技术，同时简介它在光子网络中的几个重要应用。　　关键词：微电子机械系统，微光机电系统，光开关，光插/分复用，光交叉连接　　光开关是光网络的重要无源器件，它的功能主要是实现光路切换，例如主/备光路切换、路由选择、光路保护和自愈等。随着数据通信和密集波分复用（D）系统的发展，迫切需要尺寸小、端口数多的光开关。以机械式光开关为主要产品的光开关，由于其尺寸大，面临着光网络应用的诸多困难。目前，微电子机械系统（MEMS）技术已从实验室走

2、出来，并在光开关领域得到有效地应用。　　基于MEMS的微光机电系统（MOEMS）是MEMS与光器件融合一体的机械系统，用它制得的光器件融合一体的幑机械系统，用它制得的光开关使得数据公路变得畅通无阻，数千个光学数据端口的光交换指日可待。　　MEMS是一种较新颖技术，它可以构造出小至微米量级的复杂的机械系统。典型的MOEMS光开关的关键部件是微镜（微反射镜或微透镜）和微致动器，这些部件都是采用已经成熟的CMOS超大规模集成电路基本工艺制作在Si片上的。　　MOEMS光开关的工作原理很简单，光开关将光束从一根光纤经路由选择而传至另

3、一根光纤，即从准直透镜出来的光在可动微反射镜上进行反射或者在微透镜上使光束偏转，然后被定向至N个待选端口的目标端口。　　采用MOEMS工艺制作的微型光开关与传统机械时光开关相比，不仅体积小、插损低、开关时间短、可批量生产和低成本，而且光开关对波长、数据速率和信号格式都是透明的。　　一、MOEMS光开关的设计方案　　MOEMS光开关有两种设计方案：二维（2D）数字方案和三维模拟方案。　　所谓二维方案，即微反射镜和光纤位于同一平面上，且微反射镜在任一给定时刻要么处于开态，要么处于关态。在这种方案中，微反射镜阵列与N根输入光纤和N

4、根输出光纤相连，采用的微反射镜数为N2，因此这种方案也称N2结构方案。例如一个88的2D光开关中有64个微反射镜。这种方案最主要优点是控制十分简单，组成控制系统的主要元件是双极晶体管逻辑（TTL）驱动器，辅以电平提升电路，它可给每个微反射镜提供所需的各种电平。2D方案能够制作出44、88、1616和3232光开关。2D方案最大的缺点是难以实现最高的端口数，这是因为当端口数加一倍时，则光在自由空间中的传播距离增加为原来距离的平方。此外，随着微反射镜间距增大，光束直径也增大，这给准直器性能和微反射镜排列容差提出更高要求。因此，在

5、目前技术水平下，单芯片2D光开关的最大端口数只能达到32。如果采用2D光开关的级联方式，也可实现数百的端口数。　　三维（3D）模拟方案是通过光束偏转的方案，其工作原理也是通过移动微反射镜来改变光束方向，它所需的微反射镜数为2N。在两组由N个反射镜组成的阵列中的任一个反射镜与N根输入光纤和N根输出光纤相连。在3D方案中，每个微反射镜至少有N个可能的位置。3D方案制约了光束传播距离与端口数增加的关系，因此，这种方案可实现数千乘数千的端口数。图1示出3DMOEMS光开关的交叉连接示意图。然而，3D方案的优点是以增加其驱动结构的复杂

6、性为代价的。因为每个微反射镜都有多个可能的位置。　　　　二、MOEMS光开关的基本结构　　MOEMS光开关的基本结构是由微反射镜（或微透镜）和微致动器构成。图2示出由微透镜和微致动器构成的光开关单元示意图。如图所示，铰链将反射镜固定在Si衬底上，铰链接头的拉杆将反射镜与移动平台连接起来。移动平台是通过抓扒传动机构（Scratchdriveactuator,SDA）来致动的。这样的结构能有效地将微致动器的移动转换为反射镜的旋转。反射镜的旋转改变光束方向，从而实现光路的切换。图3示出利用这种旋转微反射镜的矩阵式自有空间光开关示意

7、图。　　　　　　三、MOEMS光开关的制作技术　　MOEMS光开关的芯片采用了Si微机械加工新技术，利用了牺牲层腐蚀技术实现微可动结构。　　微机械加工技术分为两类：体微机械加工技术和表面微机械加工技术。　　体微机械加工技术利用Si片的各向同性腐蚀和异性腐蚀技术，在Si表面形成V形沟槽或将Si片刻穿，以作为光电器件与光纤耦合的平台。在这类微机械加工技术中，常常采用重掺杂的Si自中止腐蚀机制来制作更为复杂的结构，例如在Si中掺入高浓度硼，利用KOH腐蚀液对重掺杂区的慢腐蚀速度，从而制作出悬梁结构，如图4所示。而表面微机械加工技术

8、是利用Si上交叠淀积多层结构材料（如多晶硅）和牺牲层材料（如氧化硅）来制作各种悬梁结构，如图5所示。首先在Si片上沉积一层SiO2，然后在SiO2层上淀积多晶硅几个，接着再用反应离子腐蚀（RIE）工艺腐蚀出所需图形，最后使用SiO2腐蚀液将SiO2腐蚀掉，形成如图所示的悬梁结构。由于表面微