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  • 2020-4-28 15:47
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    MEMS VOA光衰减器的工作原理
    文章导读: VOA的优势、类型 MEMS Shutter型VOA MEMS微镜型VOA MEMS微镜型VOA中的WDL问题 MEMS微镜型VOA的WDL优化 MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)技术被广泛应用于光纤通信系统中,MEMS技术与光学技术的结合,通常称作MOEMS技术。最为常用的MOEMS器件包括光衰减器VOA、光开关OS、可调光学滤波器TOF、动态增益均衡器DGE、波长选择开关WSS和矩阵光开关OXC。 VOA在光纤通信系统中常用于光功率均衡,在各种技术方案中,MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的优势。最常用的MEMS VOA有两类:MEMS Shutter型和MEMS微镜型,前者通常以热效应驱动,后者通常以静电力驱动。 MEMS Shutter型VOA 基于MEMS Shutter的VOA结构如图1所示,MEMS Shutter被插入两根光纤之间的光路,衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中,这种VOA也可以设计成反射型。 图1. 基于MEMS shutter的VOA结构 MEMS微镜型VOA 如图2所示为基于MEMS扭镜的VOA结构,它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入/输出端口,准直光束被MEMS微镜反射偏转,从而联通输入/输出端口之间的光路。扭动微镜让光束发生偏转,从而产生光功率的衰减。 图2. 基于MEMS扭镜的VOA结构 10V的驱动电压,后者可将驱动电压降至5V以下。然而,仅仅一个微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极,因此其生产良率较低。采用梳齿电极的MEMS微镜,通常需要在超净环境下封装。 图3. 两类MEMS扭镜:平板电极和梳齿电极 MEMS微镜型VOA中的WDL问题 基于MEMS shutter和MEMS微镜的VOA均有广泛应用,前者性能指标较好,但装配工艺相对复杂;后者易于装配但WDL(波长相关损耗)相对较大。在宽带应用中,此类VOA会对不同波长产生不同的衰减量,此现象定义为WDL。宽带应用中,要求WDL指标越小越好。 WDL问题源于单模光纤SMF中的模场色散,我们知道,光纤中的不同波长具有不同的模场直径,长波的模场直径更大一些。图4所示为光纤中模场的色散情况。 图4. 光纤中模场色散情况 如图4所示,光束被MEMS微镜反射偏转,不同波长的的光斑均偏离出射光纤的纤芯。在未经优化的VOA中,所有波长的光斑具有相同的偏移量。如式(1),衰减量A取决于偏移量X和模场半径ω。 (1) 在一个相对有限的波长范围内,如C波段(1.53~1.57μm),单模光纤中的模场色散情况可以式(2)作线性近似处理 。 (2) 对于常用的康宁公司SMF-28型单模光纤,上式中的系数为a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。当中心波长λc处的衰减量Ac给定时,得到光斑的偏移量Xc如式(3)。 (3) 综合式(1-3)可得到波长范围λs~λl内的WDL如式(4),其中下标s, c, l分别代表波段范围内的短波、中波和长波。 (4) 根据式(4),当VOA的衰减量Ac设置越大时,光斑的偏移量Xc也越大,因此会产生更大的WDL,如图5, 图6所示。根据图6,在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内,最大WDL可达0.96dB。商用MEMS VOA可测得最大WDL为1.5dB,这是因为光学系统色散的影响,造成不同波长的光斑在输出光纤端面的偏移量不同。这种情况与图4所示情况不同,在图4中,所有光斑具有相同的偏移量。 图5. 对应不同衰减水平的WDL 图6. 对应不同衰减水平的WDL MEMS微镜型VOA的WDL优化 MEMS微镜型VOA中的WDL源于两个因素:模场色散和光学系统色散,两个因素的影响累加起来,让最大WDL达到1.5dB。那么这两个因素的影响能否相互抵消,以助于减小WDL呢?答案是可以,但需要精细的分析和设计。 根据式(1),长波具有更大的模场直径,因此其衰减量更小。如图4.16所示,如果光学系统能够对长波的光斑产生更大的偏移量,就可以增加长波的衰减量,从而对衰减谱线产生均衡作用。 图7. 光学系统的色散与模场色散相互抵消情况 然而,根据式(4),因两个因素产生的WDL,只能在某个特定的衰减水平Ac下完全相互抵消。当VOA器件的衰减量被设置为一个异于Ac的数值时,将会存在剩余WDL,如图8所示。 从图8中看到,在优化之前,最大WDL产生于衰减量为20dB时。如果通过优化,将衰减量为20dB时的WDL完全抵消,则最大WDL产生于衰减量为4dB时。 如果将衰减量为13dB时的WDL完全抵消,则在0~20dB的衰减范围内,最大WDL将<0.2dB。 图8. 两个引起WDL的因素相互抵消情况 10°(在现有器件中,这个角度通常为8°)。 图9 通过引入棱镜来优化WDL ; 图10 通过高色散的准直透镜来优化WDL 基于对光学系统色散的透彻分析,华中科技大学的万助军等人提出了第三种解决方案,准直透镜的材料为常用的N-SF11玻璃,透镜的曲率半径也是常用的R=1.419mm。为了优化WDL指标,得到准直透镜的其他参数之间的关联曲线如图4.20所示,曲线上任意一点给出准直透镜的一组参数:端面角度φ和透镜长度L。基于这些参数加工准直透镜,VOA器件的WDL指标将得到优化。注意图11中的端面角度φ均为负值,因此双光纤插针与准直透镜需要按照图12(d)中的方向进行装配,而非如图12(c)中的现有MEMS VOA装配方式。他们最终装配的MEMS微镜VOA如图13所示,据报道,在衰减范围0~20dB和波长范围1.53~1.57μm之内,测得最大WDL<0.4dB。 图11. WDL优化之后准直透镜参数之间的关系 图12. 通过调整准直透镜端面角度优化WDL指标 图13. MEMS微镜VOA样品 随着DWDM技术的快速发展,MEMS VOA的在光通信网络中的应用将越来越广泛。亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求,推出了一系列自主研发的MEMS技术产品, 包括1×48通道的光开关, 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块,以及MCS模块等。 亿源通,是一家专注于光通信无源基础器件研发、制造、销售与服务于一体的无源光通信器件OEM/ODM厂商,主要生产和销售光纤连接类产品(光纤连接器、适配器、跳线),WDM波分复用器,PLC光分路器,MEMS光开关等核心光无源基础器件,广泛应用于光纤到户、4G/5G移动通信、互联网数据中心、国防通信等领域。
  • 热度 5
    2019-12-1 22:16
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    我在大学里学的是机械电子工程,最近 10 来年的工作集中在 MCU 领域,因此一直对 MEMS 这个跨学科的新产业非常感兴趣。《一砂一世界》帮我打开了 MEMS 进阶学习的大门。这本书易懂易入门,包含的知识点非常详尽,不仅分类讲解了 MEMS 的技术要点,更从全球产业大视角上分析了 MEMS 各主要厂家的最新动态。 在 51Job 上搜索关键词 MEMS ,一个月内江浙沪的专本硕有效职位仅 211 条(作为参考, Python 关联的有效职位超过 9000 条)。进一步观察, MEMS 的 211 条招聘,主力来自民营企业和国企, 87% 的月薪超过 1 万,中位数在 1.5 万。 MEMS 人才的供给侧,江浙沪的综合性大学里,我只看到东南大学和苏州大学有专门的 MEMS 实验室,复旦和浙大有关联的研究细项。粗略来看,中高端人才的供给和需求都不够大。 MEMS 全球市场规模接近 150 亿美元。中国消耗了近 50% ,而国产传感器占比却只有 10% 左右。从市场的大容量、快速增长率和新应用场景的涌现趋势来看,国产化将有巨大的扩展空间,只是目前还未进入量变或质变的飞速上升期。 MEMS 的主要用量集中在汽车电子和以手机为主的消费类电子上,中小体量的国内 fabless 公司很难在整个产品路线图上和 ST, BOSCH 等外资巨头抗衡,是否可以在某个新兴的细分领域实现突破呢?毕竟中国是个海量的消费大国,不断涌现新的市场需求,不难排除某个新应用能带来一个全新的市场空间,例如国内的指纹识别芯片厂家汇顶科技。 MEMS 的创新应用也经常让我耳目一新,我觉得这个也是 MEMS 产业有趣的地方。比如重庆金山科技的胶囊内窥镜和硅微型泵,常州微传智能科技基于磁传感器的智慧停车系统。我个人很期待在智能家居、出行、健康护理、育儿养老等场景有更多 MEMS 的新科技。这 3 年,国产分离器件、 MCU 、射频和存储等芯片有了飞跃发展,这其中离不开大资本并购和上下游技术协作。 MEMS 的大发展也自然不能靠企业单打独斗。希望三五年后冯博士再写 MEMS 新书时会有更多国产 MEMS 的案例。
  • 热度 8
    2019-11-29 15:52
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    《一砂一世界 一书读懂MEMS产业的现状与未来》读后感(4) 想破脑袋的变态“旋转” ---------------------------------------------------- 首先非常感谢面包板社区,提供给我这次试读机会。这是我最后一次发表读后感。 第一期: (1)封印在芯片中的机械 第二期: (2)测量速度的流数 第三期: (3)关于加速传感器轴数的一点说明 ---------------------------------------------------- 上期想要诸位老铁的点赞没有成功呀。 真的很遗憾。 1)传感器类型很多,各种效应,还有很多探头外露于芯片之外的传感器; 2)另外,《一砂一世界》书中商战部分着墨最多,古今中外的商战, 读起来津津有味,好想写一套春秋战国故事评书... ... 不过呢,就这样,那么,好吧,本期我们就来结束这个系列。 ---------------------------------------------------- 上期说到了 加速度的测量,测量加速度有什么用呢? 1) 测量重力加速度,可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。苹果手机倾斜时屏幕会随之旋转 手机的水准仪工具,屏幕上的气泡就会移到合适位置,就像一个物理上真实的水准仪一样 2)测量动态加速度,可以计算出设备的移动速度。高速路导航时就能知道自己是不是超速了 3)对行走的机器人来说,必须要通过MEMS加速度计才能知道自己是爬坡呢还是下坡?是不是在摔倒? 4)对无人机来说更加重要,需要极快频率读取这些数据并快速响应,才能在风吹过时位置正确的飞行姿势 5)最新的笔记本电脑里内置了MEMS加速度计,当笔记本跌落时,能及时关闭硬盘,避免磁头磕碰 6)汽车行业是MEMS加速度计的大用户,例如各种速度仪,针对发动机的各种振动传感器,馈入行车控制电脑 7)安防领域里的,汽车碰撞发生时检测到极大的加速度,膨胀开防撞气囊 《一砂一世界 一书读懂MEMS产业的现状与未来》书对加速度传感器部分,讲得比较详尽。 但是,对 MEMS陀螺仪 的工作原理的介绍 就~太~简~单~了~~~! 我实在是想象不出来,三环套月的那套东西是如何微缩到芯片中的? 首先,不能像直线加速度那样,只做一个方向的陀螺仪。陀 螺仪必须是三维的 。一维二维的陀螺仪,原理就不正确。 其次, 旋转件的不行 。别的不说,光是旋转件的中心轴,是不可能微缩到微米尺度的。 固态硬盘以后,日本那家生产机械硬盘轴的公司,好像是转行生产电动汽车马达去了。 千万不要小看了硬盘和光盘的这个旋转轴。如果缩小到毫米,微米尺度,而且不能用特种钢,除非轴和轴套全部用微缩金刚石,如果只能用砂子SiO2什么的,兄弟我用人头担保,你这种旋转件如果长时间连续转动起来一定到最后是碎得稀里哗啦的! 除了机械强度外,润滑,散热,质量的均匀分布,以及旋转件的电路引线,都绝对无法解决! 掩卷长思,怎么也想不到 如何去实现 “微缩的旋转”?? 我认为:MEMS 里面的微雕结构,是绝对不可能有“旋转件”这种东西的,除非真的可以微缩金刚石的轴和轴套进去。 ---------------------------------------------------- 面包板社区 有这篇文章: https://forum.mianbaoban.cn/topic/70965_1_1.html 多图解析,MEMS陀螺仪工作原理; 感觉好 隔靴搔痒呀,没搔到痒处,反而搔得浑身更痒啦。写这篇文档的兄弟,对不住啦~! ---------------------------------------------------- 后来仔细研读 原书中P55 的这几句话: 在设计上按照一个音叉机制运转。 电机驱动部分通过静电驱动的方法,使机械原件前后振荡,产生谐振。 利用科里奥利力把角速度转换成一个特定感应结构的位移,两个正在运动的质点向相反方向做连续运动。 只要从外部施加一个角速度,就会出现一个力,力的方向垂直于质点的运动方向。 各位小伙伴们,关于MEMS陀螺仪工作原理的这些关键技术内容描述,大家看懂这些了吗? ---------------------------------------------------- 后来我无意中想到了: 正弦是圆周运动的投影 ,感觉有点拨云见日。 MEMS的结构,有执行部分,这个执行部分可不是吃闲饭的。在直线加速度,可能可有可无吧;但在陀螺仪部分,是必不可少的。 MEMS产生周期性的正弦波来控制 陀螺仪的运动构建产生正弦式的振动,并测量运动结果。 如果没有角速度变化,接收到的信号就是控制信号的一个变形,记下这个信号作为参照标准; 如果有角速度变化,则接收到不同的信号;减去参考信号,得到的其实是 科里奥利力的一个分量; 如果在X-Y-Z三个坐标方向,同步测试,然后把三个方向的 科里奥利力分量 进行整合, 就能够得到还原出 X-Y-Z 三个坐标方向的角速度变化 所以 MEMS陀螺仪,必须要求 执行结构,反馈测试,还要有 计算单元,能够规整三个方向的测试; 这样就不需要 旋转结构了。三个方向的正弦振荡,就相当于有个三环套月的小玩意啦! 从这个原理上来看,MEMS陀螺仪应该必须是三维的; 不过如果有一天,没准哪里冒出来一个 二维陀螺仪,我可又得想破脑袋啦。 我这样理解对不对,诸位老铁们可以在评论区留言呀! ------------------------------------------ 好啦,本系列终结,暂时就写到这里啦,搁笔 ;-)
  • 热度 4
    2019-11-27 18:27
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    上篇主要写了些个人感悟,这次简单谈谈传感器尤其是运动传感器的融合应用。书中第二、三章主要介绍了MEMS技术的分类以及MEMES在生活中的应用,个人涉猎的主要是运动传感器,包括加速度计,陀螺仪,磁力计,气压计等,本文就这几类MEMS传感器的融合应用展开讨论下。 书中介绍的手机,可穿戴式设备(手表,手环),无人机,扫地机器人等应用都需要得到设备的全时姿态,进一步可分解为静止姿态+平动,转动。一个物体的静止姿态可以用欧拉角表示,水平角度Yaw,上下角度Pitch,左右角度Roll。其中加速度计可以根据重力分量计算出Pitch和Roll,磁力计根据地磁场计算出Yaw。此外加速度计还可以粗略算出距离,得到平动,转动则由陀螺仪通过角速度对时间积分得到。 气压计主要提供垂直方向的信息,可以根据气压读数得到高度信息(气压和海拔高度有关系),尤其是相对高度的应用。比如TDK的电容式气压计,精度非常高,可以检测几cm的高度变化,从而可以用在防摔倒检测,上下楼梯,爬山,无人机等应用上。 每种MEMS传感器都有自身擅长检测的领域,当然各种传感器数据的融合更能提高用户的体验。传统手机,手环等设备一开始只有加速度计用来做抬起唤醒,敲击,计步等应用;后面加上磁力计用作指南针应用;再加上陀螺仪数据融合来做游戏应用,做各种运动姿势识别,做惯导等;加上气压计还可以优化计步应用,配合其他传感器用作更精确的惯导,更准确的运动检测,还可以辅助计算运动能量的消耗。 未来多传感器的数据融合是趋势,在各家硬件都越来越同质化的情况下,可以提供更完善的传感器整体解决方案的公司就能走得更远。所以国家在加大半导体产业投入的同时,除了关注硬件本身外,更要完善知识产权的保护,让传感器软件在市场是能有一席之地,从而推动软硬件的完美融合。毕竟多传感器融合最后还是得靠软件算法的优化,才能给客户带来更亮眼的解决方案,推动传感器在AI+IOT, Robotics等市场发光发热!
  • 热度 3
    2019-11-20 00:12
    8137 次阅读|
    2 个评论
    首先感谢面包板社区提供的这次试读机会,《一砂一世界 一文读懂MEMS产业的现状与未来》让我受益匪浅,在这里也跟大家分享下个人心得。 转眼间毕业工作六年多了,从大学专业到现在的第三份工作,可以说一直没离开过半导体这个领域。借助书中第5章的标题,我也发现自己这六年来在半导体行业里也算酸甜苦辣都经历过了。虽然文笔欠佳,但还是想把自己的这段经历体会写出来,主要也是对自己的一次反思总结。 书中的酸甜苦辣指的是MEMS企业的并购整合,软银收购ARM的酸,TDK、AMS买买买的甜,高通并购NXP的苦,美新半导体的一波三折。基本书中提到的公司都跟自己或多或少有些关系,所以读此书时非常有代入感,所谓感同身受不过如此。 踏进社会的第一份工作时做手机方案的,彼时智能手机可谓如日中天,除了iPhone、三星双寡头,本土中华酷联各个品牌也是各种厮杀。短短几年现在变成了HOVX,令人唏嘘不已。奈何当时初出茅庐,也没能够在大平台上快速成长,所做工作基本是一个项目接一个项目调好手机平板驱动,996的工作强度并没有让自己对行业有更深刻的认知,甚至除了高通、MTK外其他那些传感器公司都没什么了解。 浑浑噩噩两年过去了,酸甜苦辣个般滋味也都尝过了,自己也终于做出了改变。从方案到原厂也是想可以做的更深入一些,同时,跟更多的客户接触也可以拓展自己的视野。在AKM不到四年的时间里,甜字是主旋律。这也算半只脚踏进了MEMS的世界。 AKM是Hall和音频领域的领导者,书中介绍全球磁传感器厂商时第一个说的就是AKM。不管是全球还是国内消费类磁领域,AKM基本是占着七成以上的份额,在我离开的那个年度甚至做到了八成以上。这也是得益于半导体工艺的进步,可以利用Hall原理直接在晶圆上生成磁传感器,再加上ASIC电路就可以做成单芯片方案。成本低,性能好,稳定性高。真的是技术创造奇迹的一个示例。 有了磁传感器的基础,自己更有信心踏出了下一步。现在终于有机会更全面更深入的了解MEMS了,下一份报告会结合书中的一些章节重点介绍TDK-InvenSense的MEMS Motion,Pressure,Microphone,Fingerprint,Ultrasonic,Gas Sensors等。跟大家一起探讨MEMS传感器在手机,AI+IoT, Robotics等方面的应用。
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