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用于光通信的微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展論文
當(dāng)前國(guó)際上光纖通信領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)是全光網(wǎng)，它是光纖通信技術(shù)研究發(fā)展的最高階段全光網(wǎng)的建立是在干線上采用WDM技術(shù)擴(kuò)容，在交叉節(jié)點(diǎn)上采用光上下話路(OADM),光交叉連接(OXC和波長(zhǎng)路由交換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目前，我國(guó)開(kāi)展全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與研宄的重要步驟是:首先將在長(zhǎng)途干線上采用WDM技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)擴(kuò)容，接著在節(jié)點(diǎn)上采用OADMOXC技術(shù)上、下話新技術(shù)對(duì)光器件提出了更高的要求，如技術(shù)指標(biāo)上要求器件具有更高的工作速度、低插入損耗、長(zhǎng)工作壽命;體積上由于單元器件的増多，要求有更高集成度;成本上由于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，所需器件將大大増加，必須降低成本才能被用戶接受采用傳統(tǒng)手段制造的光器件難以滿足上述要求，器件己成為阻礙光纖通信發(fā)展的瓶頸，是當(dāng)前光網(wǎng)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題因此必須積極尋找新技術(shù)和新工藝，制造新型光器件，才能實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)。
1.近十幾年發(fā)展起來(lái)的微電子機(jī)械系統(tǒng)適的制造手段�；谖㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的光器件有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
1)技術(shù)性能好。如德克薩斯儀器公司研制的數(shù)字微鏡器件，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)1〇^s,比傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)快兩個(gè)量級(jí)，損耗小于3dB,經(jīng)過(guò)熱沖擊、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊等試驗(yàn)證明器件工作穩(wěn)定，壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)(12年)以上由于是通過(guò)微小機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，因此所需功耗非常小，只需5V電壓供電Bell實(shí)驗(yàn)室研制的使用微平面鏡的K16線陣開(kāi)關(guān)AT&T研制的用于光交叉連接的8<8光開(kāi)關(guān)也都具有非常優(yōu)越的性能指標(biāo)
2)集成度高。由于采用集成制造工藝，光器件尺寸很小，這對(duì)于光交叉連接使用的光開(kāi)關(guān)陣列非常必要,如采用傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)制作，當(dāng)N較大時(shí)，其體積將是很龐大的使用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題,德克薩斯儀器公司研制的微鏡800<600光開(kāi)關(guān)，其芯片尺寸只有1cmX1.5cm而且容易實(shí)現(xiàn)與微透鏡及單模光纖間的耦合，還可以與控制電路集成。
3)成本低基于微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的光器件由于采用集成制造工藝，在工藝定型后，可以大批量生產(chǎn),其成本必將極其低廉，這對(duì)日益發(fā)展的光通信產(chǎn)業(yè),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)在傳感器執(zhí)行器及控制器等方面已得到廣泛應(yīng)用，尤其是在傳感器方面，其市場(chǎng)占有率已達(dá)1/4以上。同時(shí)，人們也在不斷探索、開(kāi)拓微電子機(jī)械系統(tǒng)的新應(yīng)用領(lǐng)域，以發(fā)揮更大的作甩光通信產(chǎn)業(yè)為微電子機(jī)械系統(tǒng)提供了更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，由于光通信產(chǎn)業(yè)具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此將微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用到光通信系統(tǒng)必將帶動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)光通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,兩者的結(jié)合是非常有意義的近幾年甩于光通信的微電子機(jī)械系統(tǒng)器件在國(guó)際上受到廣泛重視,世界上重要的通信公司、研究機(jī)構(gòu)大學(xué)，如朗訊、AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室、加利福尼亞大學(xué)等已經(jīng)開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件。在1999年召開(kāi)的國(guó)際光纖通信大會(huì)(OFC99)上，微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件被列為一個(gè)專題
2用于光通信系統(tǒng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件在城域網(wǎng)、長(zhǎng)途網(wǎng)、接入網(wǎng)(無(wú)源光網(wǎng)PON)和海底網(wǎng)中均可以得到應(yīng)甩下面介紹幾種主要的微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀。
2.1光開(kāi)關(guān)
光開(kāi)關(guān)是使傳輸通路中的光信號(hào)通或斷，或進(jìn)行路由轉(zhuǎn)換的一種光器件，在系統(tǒng)保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及全光交換技術(shù)中具有重要的作甩傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)根據(jù)其工作原理分為機(jī)械式和電子式兩類(lèi)。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)是在外力作用下，通過(guò)光纖的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光通路的導(dǎo)通和關(guān)閉，串音低、插入損耗小,但由于采用大型驅(qū)動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)，開(kāi)關(guān)速度低,體積大，不易集成。采用非線性光學(xué)效應(yīng)的電子式開(kāi)關(guān)速度快、可靠性高、易于集成，但串話高、消光比低微機(jī)械技術(shù)的迅猛發(fā)展，使光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和制造重新受到重視，圖1給出了微電子機(jī)械系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)的典型原理示意圖。
微電子機(jī)械系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)具有突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)亞毫秒的開(kāi)關(guān)時(shí)間;(2)可忽略的串話;(3)可忽略的偏振損耗;(4)可忽略的波長(zhǎng)關(guān)系;(5)標(biāo)準(zhǔn)IC制作，低損耗微電子機(jī)械系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式主要有：(1)靜電驅(qū)動(dòng)(庫(kù)侖靜電引力);(2)電致伸縮;(3)磁致伸縮;(4)形變記憶合金;(5)光功率驅(qū)動(dòng);(6)熱驅(qū)動(dòng);(7)熱光驅(qū)動(dòng)。
微電子機(jī)械系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)所用材料大致有：(1)單晶桂、多晶桂、氧化桂、氣氧化桂、氮化硅等硅基材料;(2)AuAl等金屬材料;(3)壓電材料及有機(jī)聚合物等其他材料。
微電子機(jī)械系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的方法主要有：(1)光路遮擋;(2)光纖移動(dòng)對(duì)接;(3)微透鏡移動(dòng)，改變光傳輸方向;(4)微反射鏡移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，改變光傳輸方向;(5)衍射方法，改變光傳輸方向;(6)改變?nèi)瓷錀l件;(7)其他
下面介紹幾種典型的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)技術(shù)
2.1.1光路遮擋
懸臂梁方式的光開(kāi)關(guān)：在光波導(dǎo)路徑上采用懸臂梁式的光開(kāi)關(guān)，用體微機(jī)械加工技術(shù)作出懸臂梁后，在其上淀積和成型波導(dǎo)，通過(guò)控制懸臂梁的工作狀態(tài)達(dá)到對(duì)光進(jìn)行開(kāi)和關(guān)功能能這種光開(kāi)關(guān)有一定缺點(diǎn)，如工作電壓高(達(dá)50V)，可獲得的隔離度不大光驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械開(kāi)關(guān)(朗訊公司):利用硅微細(xì)加工工藝可制成光控的微型開(kāi)關(guān)，整個(gè)尺寸約1~2mm材料由金、氮化硅、多晶硅層組成其工作機(jī)理是:用8個(gè)多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機(jī)，在光信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，可產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場(chǎng)吸引，把遮片升起，光纖開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通狀態(tài)如無(wú)光信號(hào)，光發(fā)電機(jī)無(wú)電壓輸出，遮片下降，光纖開(kāi)關(guān)關(guān)閉，如圖2所示用此開(kāi)關(guān)可組成光纖線路倒換系統(tǒng)該開(kāi)關(guān)是由遠(yuǎn)端的光信號(hào)控制，所以光開(kāi)關(guān)本地是無(wú)源的據(jù)報(bào)道，驅(qū)動(dòng)光功率僅2.7MW，傳輸距離達(dá)128km，工作波長(zhǎng)為950~1650nm，開(kāi)關(guān)速度3.7ms，損耗小于0.5dB
2.1.2光纖移動(dòng)對(duì)接
熱驅(qū)動(dòng)光開(kāi)關(guān):是一種K2熱驅(qū)動(dòng)的光纖開(kāi)關(guān)。它由一厚的鍍Ni熱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來(lái)移動(dòng)光纖，在硅片上各向異性刻蝕出U或V形槽，用以輸入光纖與輸出光纖之間的對(duì)準(zhǔn)。這種設(shè)計(jì)不需要耦合光波導(dǎo)或透鏡，并能達(dá)到理想的低損耗開(kāi)關(guān)功能?
磁力效應(yīng)開(kāi)關(guān):利用微機(jī)械技術(shù)與磁力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)KN開(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)采用了一種具有“燕尾”連接的移動(dòng)微平臺(tái)，平臺(tái)上刻蝕出V形槽，用以固定輸入光纖與輸出光纖輸入光纖的移動(dòng)平臺(tái)上淀積一層磁材料，磁場(chǎng)的作用將這個(gè)微平臺(tái)沿著“燕尾”連接機(jī)構(gòu)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對(duì)準(zhǔn)這種開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間小于10ms，插入損耗達(dá)到1dB還有一種2<2微機(jī)械光開(kāi)關(guān)，其插入損耗小于3.1dB，串音小于40dB，工作電壓為100V，開(kāi)關(guān)時(shí)間可達(dá)0.5ms左右
2.1.3改變?nèi)瓷錀l件
微泵開(kāi)關(guān):在以矩陣形式配置的光波導(dǎo)的各差點(diǎn)具有滿足全反射條件的差點(diǎn)槽當(dāng)差點(diǎn)槽有與光波導(dǎo)相同折射率的匹配油時(shí)，則光穿透槽。無(wú)匹配油時(shí)，光在差點(diǎn)槽的壁面全反射進(jìn)入交叉的光波導(dǎo)中，達(dá)到光交換的目的要實(shí)現(xiàn)這種光開(kāi)關(guān)陣列，將涉及控制毫微升注入量的微泵以及光纖陣列的高精度連接技術(shù)，這種光開(kāi)關(guān)為已研制成功的微泵提供了應(yīng)用場(chǎng)所。
日本電報(bào)電話公司研制的全反射控制光開(kāi)關(guān)示意風(fēng)波導(dǎo)內(nèi)有氣泡和折射率匹配油，通過(guò)兩個(gè)加熱器分別導(dǎo)通來(lái)控制光纖交叉點(diǎn)波導(dǎo)內(nèi)的物質(zhì)。當(dāng)加熱器1開(kāi)時(shí)，交叉點(diǎn)為氣泡，入射光被反射;當(dāng)加熱器2開(kāi)時(shí)，交叉點(diǎn)為折射率匹配油，入射光投射己通過(guò)原理性驗(yàn)證,還沒(méi)有具體指標(biāo)報(bào)道21.4微鏡移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)這種開(kāi)關(guān)采用靜電驅(qū)動(dòng)微平面鏡陣列來(lái)改變自由空間傳輸?shù)墓馐较�，以進(jìn)行輸入光與輸出光之間的多路轉(zhuǎn)換。它與米用非線性光學(xué)效應(yīng)的固體式光開(kāi)關(guān)相比，長(zhǎng)度、寬度尺寸都要小1/10多，消光比提高，串話減小。而且機(jī)械式光開(kāi)關(guān)具有不影響波長(zhǎng)和偏振面、自穩(wěn)定性、高消光比低串話以及無(wú)光損耗等優(yōu)點(diǎn)過(guò)去的光開(kāi)關(guān)采用大型驅(qū)動(dòng)和定位機(jī)構(gòu)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度慢、尺寸大，限制了它的使用。利用適合于光控制的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)研制微型、廉價(jià)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，可望用于光通信系統(tǒng)中光交叉連接。比較典型的有：
給出了瑞士納沙泰爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的2X2光開(kāi)關(guān)，通過(guò)雙面反射鏡移動(dòng)實(shí)現(xiàn)2<2光交叉連接，反射鏡通過(guò)60V電壓形成靜電驅(qū)動(dòng)位移20^m交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)間0.5ms,比傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)快一個(gè)量級(jí)，串話衰減60dB,美國(guó)德克薩斯儀器公司研制的用于大型投影顯示的微鏡光開(kāi)關(guān)陣列單元結(jié)構(gòu)示意風(fēng)在CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器基片上使用微機(jī)械技術(shù)制造微鏡及其轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。微鏡通過(guò)其支架與一薄片式柔性扭轉(zhuǎn)鉸鏈連接，當(dāng)支架受存儲(chǔ)器釋放的電荷吸引時(shí),將通過(guò)鉸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其范圍為±1(°微鏡為16Mm的正方形，600<800象素的開(kāi)關(guān)陣列尺寸為1〇^1.5〔:瓜,開(kāi)關(guān)時(shí)間小于10卜8,工作壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。目前SVGA型(800X600)和XGA型(1024<768)己在批量生產(chǎn)中，SXGA型(1280<1024)己完成試作貝爾實(shí)驗(yàn)室研制了使用微平面鏡的K16線陣開(kāi)關(guān)，每一個(gè)平面鏡可以通過(guò)20V電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)9°微平面鏡的尺寸非常小，寬10Mm,長(zhǎng)60Mm開(kāi)關(guān)時(shí)間約20Ms在其測(cè)試系統(tǒng)中，16路信號(hào)間隔1.6nm,Pass通射光透過(guò)空氣層和Si基層透射過(guò)去。
機(jī)械光柵光開(kāi)關(guān);是斯坦福大學(xué)報(bào)道的,其結(jié)構(gòu)如圖9所示，在氮化硅基板上淀積鋁膜的帶狀層分為可移動(dòng)和固定兩種當(dāng)不施加電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，所有帶狀層是平行排列的，入射光被沿原光路反射回去，相當(dāng)于“關(guān)”狀態(tài)當(dāng)對(duì)帶狀層施加電壓時(shí)，可移動(dòng)帶狀層向下移動(dòng)1/4,此時(shí)將發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光方向與入射光方向不同，相當(dāng)于“開(kāi)”狀態(tài)其突出特點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)20ns
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