集成电路专业学年论文论文题目：MEMS光开关的研究及市场分析学院：电子工程学院年级：2008级专业：集成电路设计与集成系统姓名：刘欣学号：20083410指导教师：窦雁巍2011年7月8日摘要光开关是光通信网络的重要功能器件,MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。
在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出了研究与发展情况和采用MEMS体硅工艺制作的三种结构的微机械光开关。
它们的工作原理都基于硅数字微镜技术。
这三种光开关采用了静电力驱动，具有较低的驱动电压。
在硅基上制作了光纤自对准耦合槽，并对光开关的开关特性进行了计算机模拟与分析，并进行结果分析。
关键词微机械；光开关；开关阵列；微镜；硅-玻璃键合；光纤通信AbstractOptical switch is an important functional device in optical fibre communication networks, MEMS optical switch is one of the most promiseful optical switches. This paper introduces basic principles and characters of several kinds of optical switches, and illustrates the classification, structures, fabrication methods and functional characters of current MEMS optical switch in details. And recent development and progress on this research area are presented and three kinds of MEMS optical switches with different mechanical structures are produced by the bulk-micromachining processes. Their principles of operation are all based on silicon digital micro mirrors technology. The electrostatic actuators with low driving voltage are used in the three kinds of optical switch. The grooves used for optical fibers being self-aligned coupling are made on silicon substrate for device. Computer simulation and analysis of on-off characteristic show that the second and the third optical switches have switching time.Key wordsMEMS; optical switch; switch array; micro mirror; silicon-on-glass bonding; ptical fiber communication目录摘要 (I)Abstract (II)前言 (1)第一章光开关的种类与介绍 (2)1.1 微机械光开关 (2)1.1.1 光路遮挡型MEMS光开关 (2)1.1.2移动光纤对接型MEMS光开关 (2)1.2微镜发射型MEMS光开关 (2)1.2.1弹出式微镜光开关 (3)1.2.2扭转式微镜光开关 (3)1.2.3滑动式微镜光开关 (4)1.2.4三维阵列光开关 (4)第二章微机械光开关的设计与分析 (5)2.1水平驱动2D光开关 (5)2.2 垂直驱动2D光开关 (6)2.3扭摆驱动2D、3D光开关 (6)第三章MEMS光开关的控制 (7)3.1 MEMS光开关控制原理 (7)3.2 控制系统设计 (7)3.2.1硬件设计方案 (7)3.2.2软件设计方案 (8)第四章光开关的市场分析 (9)4.1光开关的优势 (9)4.2发展动态及潜力 (9)结论 (11)参考文献 (12)前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。
同时，密集波分复用（DWDM）技术的发展和成熟为充分应用光纤传输的带宽和容量开拓了广阔的空间，具有高速率、大带宽明显优势的DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展的趋势。
光交叉互连（OXC）技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。
在众多种类的光开关中，微机械（MEMS）光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。
本文在概述多种光开关原理特点的基础上，重点收集与分析了国外研制的几种主要的MEMS光开关，并阐述了各自的结构与性能特点。
光开关是宽带光纤通讯系统中的重要器件，而基于微机电系统(MEMS)技术加工的二维阵列光开关更是一种很有前景的器件。
这种二维阵列光开关在平面上布置有N×N 个微镜，每个微镜具有切入光路(反射)和离开光路两种位置状态。
光开关与两组N根光纤相连，分别作为入射端和出射端。
当微镜(i，j)位于反射位置时，由第i根光纤入射的光束经过微镜反射后由第j根光纤射出，从而实现光路的选择。
第一章光开关的种类与介绍虽然光开关的历史并不悠久，但随着科学技术的发展，人们研究开发了多种基于不同材料和不同原理的光开关。
1.1 微机械光开关1.1.1 光路遮挡型MEMS光开关具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关[1]，整个器件尺寸约1-2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。
它利用8个多晶硅PiN电池（一种非晶硅太阳电池）串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生3V电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。
该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。
该光开关驱动光功率仅2.7μW，传输距离达128km，开关速度3.7ms，插损小于0.5dB。
但串扰比较大，隔离度不高。
一般用于组成光纤线路倒换系统。
1.1.2移动光纤对接型MEMS光开关具有代表性的移动光纤对接型光开关[2]，由美国加州大学戴维斯分校研制。
它是一个1*4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为1dB。
与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为10ms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。
1.2微镜发射型MEMS光开关相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。
根据组成OXC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。
在二维（2D）也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态（开或关）。
通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。
一个N*N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N2结构。
它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。
但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。
目前二维系统最大容量是32*32端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512*512端口。
1.2.1弹出式微镜光开关它采用表面工艺加工，并利用scratch-drive驱动器（SDA，抓式驱动器）驱动。
当100V驱动脉冲电压加载到SDA阵列上时，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的铰链扣住，将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态。
这样的设计能有效地将SDA驱动器的平移运动变成微镜的弹出运动，使得整个装置的运动速度较高，同时也可以减小微镜所占的面积。
它的开关速度为0.5ms，该结构的缺点在于SDA驱动器与衬底之间的静摩擦力往往会影响其效能，同时插损偏大，约3.1-3.5dB[3]。
1.2.2扭转式微镜光开关它的结构采用单晶硅体硅工艺加工，光纤呈交叉垂直放置，微反射镜垂直放置在一长悬臂梁的前端，并处于两光纤的交叉点上。
悬臂梁采用电磁驱动，在悬臂梁底部粘合一块100μm厚透磁合金，在相对应的衬底位置，微组装一块线圈电磁体，悬臂梁和线圈之间的电磁力便随着线圈中电流的大小和方向而改变，从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲，带动微反射镜移开原来的位置，实现光路的改变。
微镜沿电磁力方向可产生约100μm的位移，驱动电流为1A，响应时间为300μs，插损为0.5dB。
该光开关的缺点在于微组装电磁驱动不利于集成制造，而且要靠电磁力保持开或关状态，耗能较大。
因此，现在国内外更广泛地采用热或静电驱动此类光开关，用热驱动就是在悬臂梁背面加工一层主要起加热作用的金属膜电阻，通电后，金属膜受热膨胀，使整个悬臂梁向一边弯曲带动微镜偏转；若采用静电驱动，则在衬底上沉积一层金属电极，和悬臂梁末端组成平行板电容器，在静电力的作用下，同样会使悬臂梁带动微镜扭转[4]。
1.2.3滑动式微镜光开关它的基本结构与转动式很相似，驱动电压为30V，开关速度小于100μs，插损小于0.9dB,。
它也具有单层体硅结构，采用深反应离子蚀刻（DRIE）工艺，这种技术可以对硅作深度达200μm蚀刻，同时蚀刻出宽度小到20μm并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔。
该结构包括可动和固定两部分，可动部分的悬梁侧壁可用作反射镜，在自然状态下光有一反射输出。
在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极，在两电极之间加上电压，静电力使悬臂梁在力的方向上产生约45μm的平动位移，悬臂梁的端部就不再对光有阻断作用。
这种光开关的缺点在于工作频率受到谐振频率影响，使得开关速度受到限制，微镜平动位移也有限，而且DRIE工艺牵涉到对材料的各向同性和异性刻蚀问题，对镜面表面粗糙度有着一定的影响[5]。
1.2.4三维阵列光开关在三维（3D），也称为模拟光束偏转开关中，输入输出光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。