第2章 MEMS光开关

本章导读

自动交换光网络（ASON）和光交叉连接（OXC）是目前光纤通信网中成熟的商用技术，MEMS光开关作为切换光路的功能器件，广泛用于ASON和OXC设备中。本章将介绍MEMS光开关的工作原理及二维、三维结构，同时介绍设计MEMS光开关时需要考虑的性能参数和制作工艺，最后介绍集成大型MEMS光开关矩阵采用的各种架构。

MEMS技术的英文全称是：Micro-Electro-Mechanical-Systems，一般也称做微机电系统技术，是20世纪80年代后期发展起来的新技术体系。一般认为MEMS是指运用微细加工技术，在一块普通的硅片基体上制造出尺寸在微米级的集微执行器、微型传感器以及信号处理和控制电路及通信接口和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以处理的电信号，再通过电路处理这些信号并发出指令，由相应的指令控制执行部分完成所需要的操作。MEMS不仅具有体积小、重量轻和响应时间短等出色的机械性能，并且成熟的半导体制造工艺可以使MEMS进行大批量的低成本的生产，因此MEMS技术对光交换技术的发展起到了十分重要的作用。本章将在介绍MEMS技术的基本原理的基础上，详细介绍MEMS光开关的工作原理、设计制作、结构以及集成架构。

2.1 MEMS光开关的工作原理和驱动方式

典型的MEMS包括微传感元件、信号处理电路和微执行器3大部分。但是实际上，MEMS光开关只包括了信号处理电路和微执行器两部分。本节着重讲述MEMS光开关微执行器的工作原理和驱动方式。

2.1.1 MEMS光开关的工作原理

MEMS光开关从原理上大体可分为两类，第一类是通过反射或者折射装置对光的强度或方向进行控制；另一类是通过衍射或者干涉调整光的相位，从而实现开关功能。举例来说，将一面小镜子放置到光路中，控制全部或者部分光波的方向，就属于第一类MEMS光开关；基于可调光栅的MEMS光开关就属于第二类。

几种MEMS光开关的工作原理如图2-1所示，其中图2-1（a）使用了旋转型镜子，图2-1（b）使用了线性镜子，图2-1（c）使用光栅构成分波前干涉器，图2-1（d）使用薄膜结构构成分振幅干涉器。图2-1（a）和（b）属于第一类由小镜子控制的光开关，图2-1（c）和图2-1（d）属于由干涉现象实现的MEMS光开关。

第二类MEMS光开关很大程度上依赖于光波的特性并且大多是波长相关的，所以要达到理想的开关状态，就要对相位进行精确控制，并且通过破坏性干涉消除不需要的信号。总的来说，通过这种方式只能对特定波长进行开光控制。而第一类MEMS光开关对波长不敏感，能够在谱宽很宽的情况下对广播进行开关控制，所以这一类光开关更适于构造大规模、低损耗、波长不敏感的光开关。

对于第一类光开关，一种经典的设计如图2-2示。由梳状驱动器驱动的滑镜来控制开关。当驱动器在初始状态时，反射镜收回，信号1从输出1端输出，信号2从输出2端输出；当驱动开启时，信号1从输出2端输出，信号2从输出1端输出，由此形成了开关的功能。

上面所述是MEMS光开关的一个结构单元，多对多的光开关则是由2×2开关通过一定的方式拓展得到的。因此，研究MEMS光开关可以从最简单的2×2开关展开。

2.1.2 MEMS光开关的驱动技术

MEMS器件实现其预期的功能，要通过驱动装置的机械传动方式来实现。而这些驱动装置的传动方式有些是由常规尺度的机械演化而来的，有些则是根据MEMS的特点，新设计出来的。实现驱动的方式主要有以下几种。

● 压电驱动器：利用压电效应的反效应，通过改变压电材料两端的电压，使压电材料发生形变，从而进行机械结构的驱动；

● 热驱动器：利用材料的热胀冷缩等性质，通过改变材料的温度使其发生形变而驱动装置；

● 电磁驱动器：利用运动电荷的结构在磁场中发生的洛伦兹力为动力，驱动其他结构；

● 静电驱动器：利用带不同种电荷的机械元素之间的相互吸引来进行驱动。

其中，静电驱动利用改变电压，使开关结构运动，从而实现开关的功能。由于电荷的运动速度快，所以开关速度仅与结构自身的频率有关，并且是完全的波长透明，可以适应大多数环境，具有很强的稳定性，并且结构整齐，可以排成大规模阵列，是迄今为止唯一广泛应用的MEMS光开关驱动方法。

在静电驱动的结构中，目前常用的方式是梳状电极驱动。当电极板错开放置时，加电压后它们会沿平行极板的方向发生相对运动，如图2-3（a）所示。电极带动可以活动的微镜面发生转动，从而改变或阻挡光的传播，实现开关的功能。梳状电极的结构比较复杂，但是它可以提供较大的驱动力，而且各部分受力比较均匀，因而得到了广泛的应用。图2-3（b）所示的是一个采用梳状电极驱动的光开关的结构模型。图2-4和图2-5中展示了梳状电极驱动器以及其他一些静电MEMS驱动器的照片。