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    2021-4-8 11:06
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    MEMS光开关的工作原理及应用
    文章导读 什么是光开关? 简述MEMS光开关的工作原理 MEMS光开关的结构 MEMS光开关与机械式光开关 MEMS光开关具有哪些优势 MEMS光开关可应用于哪些领域 全光网络中的MEMS光开关 什么是光开关? 光开关是在一定范围内将光信号从一个光通道转换成另一个光通道的器件,具有一个或多个可选择的传输窗口,是实现光交叉连接、 光分插复用、网络监控以及自愈保护等功能的核心器件。 其实现技术多种多样,包括:机械光开关、热光开关、声光开关、电光开关、磁光开关、液晶光开关和MEMS光开关等。传统的以电为核心的开关逐渐的不能满足高速大容量光通信的需求, 慢慢的市场上出现了全光开关。其中MEMS光开关具有尺寸小、功耗低和扩展性好的特点,因而得到广泛的应用。 简述MEMS光开关的工作原理 什么是MEMS?MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)是指将微型机械、微型执行器、信号处理和控制电路等集于一体的可批量制作的微型器件或系统,微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等,同时在机械结构上制备了电极,以便通过电子技术进行控制。 MEMS是一种微电机系统,在制备微机械结构之后,需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。在MEMS器件的所有驱动机制中,静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗,得到最广泛的应用。 MEMS光开关是在硅晶上刻出若干微小的镜片,通过静电力或电磁力的作用,使微镜阵列产生转动,从而改变输入光的传播方向以实现光路通断的功能。MEMS光开关切换光波路由是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部微镜片抬升与否来完成的。 MEMS光开关的工作原理 一般说来,MEMS光开关从空间结构上可分成这样两种,即2D开关和3D开关。 (a) 2-D(b) 3-D Source: researchgate.net 2D MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术单片集成在硅基底上,准直光通过微镜的旋转控制被接到指定的输出端。当微镜为水平时,可使光束从该微镜上面通过,当微镜旋转到与硅基底垂直时,它将反射入射到它表面的光束,从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。在3D MEMS光开关中,微镜能沿着两个向的轴任意旋转,因此它可以用不同的角度来改变光路的输出,这些阵列通常是成对出现,输入光线到达第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上,然后光线被反射到输出端口。 MEMS光开关的结构 光开关是一种多端口光器件,端口配置情况有:2×2,1×N,N×N,其中N×N端口光开关又称OXC(光交叉连接开关、矩阵光开关)。基于MEMS技术的1×N端口光开关,其结构如图所示,它包括一个MEMS微镜、一个准直透镜和一个多纤插针。MEMS微镜通常贴装在一个TO管座上,然后通过TO管帽将准直透镜与TO管座组装成一个组件,最后在有源调试状态下,将多纤插针与前述组件对准并固定在一起。 基于MEMS技术的1×N端口光开关结构 MEMS光开关与机械式光开关 机械光开关的工作原理是借助机械装置物理地移动光纤来重定向光信号。通过移动棱镜或定向耦合器,将输入端的光导向所需要输出的端口。机械式光开关分主要有3种类型:一是采用棱镜切换光路技术,二是采用反射镜切换技术,三是通过移动光纤切换光路。 机械式光开关 MEMS光开关是 基 于 微 机 电 系 统(micro-electro-mechanical system),采用光学微镜或光学魏镜阵列来改变光束的传播方向实现光路的切换。MEMS光开关原理十分简单,当进行光交换时,通过静电力或磁电力的驱动,移动或改变MEMS微镜的角度,把输入光切换到光开关的不同输出端以实现光路的切换及通断。 MEMS光开关 机械式光开关 VS MEMS光开关 MEMS光开关具有哪些优势 MEMS光开关可实现对全光网的全面远程控制,具有可集成化、功耗低、成本低的主要优势。MEMS光开关同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。各项性能足以满足DWDM全光网络的技术要求,将会是大容量交换光网络开关发展的主流方向。 MEMS器件单批产量高,经济性好,且器件与器件之间重复性好,为降低系统成本提供了更多的可能性。 MEMS光开关可应用于哪些领域 MEMS光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围很广。其应用范围主要有:光网络的保护倒换系统,光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心,光插/分复用、光学测试、光传感系统等。 MEMS光开关应用领域 可应用于MCS(多播交换光开关) 基于PLC技术及MEMS技术的多播交换光开关(MCS),是下一代可重构光分插复用系统(ROADM)的关键组成部分;每个功能单元由M个独立的Splitter和N个独立的MEMS光开关组成;提供N个上路(或下路)端口至M个方向的连接。 可应用于iODF(智能光配) 通过光开关级联集成,可用于iODF(智能光配线架),来替代行业专网中传统配线架。 构建OXC(光交叉连接)设备的交换核心 在全光交换系统中,光开关是光交叉互连OXC的关键器件。通过光开关级联集成,可用于小规模的OXC,来满足行业专网和数据中心关键线路的需求。 可应用于光性能监控 与TOF或者OPM集成,结合监控软件,通过时分复用OPM,监测光缆中多芯光纤中DWDM通道的信号性能,广泛用于光传送网光缆监测、ROADM网络、DCI等。 可应用于光缆监测 与OTDR集成,结合监控软件,通过时分复用OTDR,监测光缆中多芯光纤的质量状态,广泛用于PON网络光缆监测、光传送网光缆监测、行业专网光缆监测等。 可应用于光纤传感 传感市场规模潜力较大,主要产品是1x4和1x8。 可应用于测试仪表和工厂自动化 测试仪表和工厂自动化市场规模相对不大,但附加值高,对光开关的光学性能,如插损,回损,重复性等要求高。 可应用于DWDM系统 信道功率均衡、链路节点功率衰减、光接收机的入光保护、光线路通断快速控制。 全光网络中的MEMS光开关 首先什么是全光网?全光网(AON, All Optical Network)指的是网络传输和交换过程全部通过光纤实现,即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行,只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换。因为不必在其中实现电光和光电转换,因此能大大提高网速。全光网的主要技术有光纤技术、SDH、WDM、光交换技术、OXC、无源光网技术、光纤放大器技术等。 全光网结构 在全光网络各种设备器件当中,光交叉连接设备(OXC)和光分插复用设备(OADM)可以说是全光联网的核心器件技术。而光开关和光开关阵列又是OXC和OADM的核心技术。利用MEMS技术制作的新型光开关,体积小、重量轻、能耗低,可以与大规模集成电路制作工艺兼容,易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。 近年来,MEMS光开关厂家亿源通聚焦大通道多芯光纤准直器的研究,突破了高密度光纤规则紧凑排布工艺难题。同时掌握了多维光开关的光学系统设计能力。目前亿源通已经具备1×48光开关批量生产能力,未来亿源通将发布1×64 MEMS光开关等更高通道光开关。
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    2020-10-28 18:00
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    机械光开关& MEMS光开关
    光纤通信系统中,光开关(Optical Switch,OS)主要用于光路中实现光信号的物理切换或其他逻辑操作,多用于光交叉连接OXC(Optical Cross-connect)技术中作为切换光路的关键器件。 光开关具有一个或多个可选择的传输窗口,可分为2×2,1×N,M×N多种端口配置形式。光开关在光纤通信系统中有着广泛的应用,其实现技术多种多样,包括:机械光开关、热光开关、声光开关、电光开关、磁光开关、液晶光开关和MEMS光开关,等等。其中机械光开关和MEMS光开关是目前应用较为广泛的两种光开关。 机械光开关的工作原理是借助机械装置物理地移动光纤来重定向光信号。通过移动棱镜或定向耦合器,将输入端的光导向所需要输出的端口。机械式光开关分主要有3种类型:一是采用棱镜切换光路技术,二是采用反射镜切换技术,三是通过移动光纤切换光路。 MEMS光开关是 基 于 微 机 电 系 统(micro-electro-mechanical system),采用光学微镜或光学魏镜阵列来改变光束的传播方向实现光路的切换。MEMS光开关原理十分简单,当进行光交换时,通过静电力或磁电力的驱动,移动或改变MEMS微镜的角度,把输入光切换到光开关的不同输出端以实现光路的切换及通断。其原理图如下图所示: 基于MEMS技术的2×2端口光开关的原理如图所示,四根光波导被设置于四个方向,一个竖直的MEMS微镜被设置成45°角方向。当微镜未介入光路时,来自波导1和2的光束分别耦合到波导3和4中,端口连接状态为1→3和2→4,此为直通状态;当微镜插入光路时,来自波导1和2的光束经微镜反射,分别耦合至端口4和3,端口连接状态为1→4和2→3,此为交叉状态。 2×2端口MEMS光开关的工作原理,左图:直通状态,右图:交叉状态 随着光通信的快速发展,作为光网络节点的光互连与光交换的地位越来越重要,光开关的应用也越来越广泛。MEMS光开关具有紧凑、切换速度快、易于扩展的优点,同时具备了机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性、高消光比和波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成的优点。将会是大容量交换光网络开关发展的主流方向。
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    2020-5-12 16:27
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    关于MEMS的技术简介
    MEMS全称Micro Electromechanical System(微机电系统),是一种通常在硅晶圆上以IC工艺制备的微机电系统,微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等,同时在机械结构上制备了电极,以便通过电子技术进行控制。 生活中有哪些MEMS器件? 第一个可转动的MEMS马达于1988年诞生于加州大学伯克利分校,如图1所示;之后于1989年,美国桑迪亚国家实验室研制了第一个横向梳齿驱动器,微机械结构可以在垂直于表面的方向移动。 图.1 加州大学伯克利分校研制的第一个可转动的MEMS马达 图.2 美国桑迪亚国家实验室研制的第一个横向梳齿驱动器 经过30年的发展,MEMS器件已经渗透于我们的生活之中。转屏是智能手机中的一项基本功能,如图.3所示,这项功能是通过MEMS陀螺仪来实现的。图.4展示了传统机械陀螺仪与MEMS陀螺仪的对比,后者比前者小得多,因而得以在智能手机和平板电脑中广泛应用。如图.5所示,出于安全考虑,气囊是汽车中的必备装备,它们会在发生撞车时自动充气膨胀,保护乘客的安全。安全气囊对撞车事件的迅速检测得益于其中的MEMS器件,图.6展示了MEMS加速度计的芯片结构。用于传感检测的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一个壳体里面。此外,MEMS技术在生活中的其他应用包括MEMS麦克风、MEMS投影仪、MEMS压力传感器,等等。 图.3 MEMS陀螺仪在智能手机中的应用—转屏功能 图.4 传统的机械陀螺仪(左)与MEMS陀螺仪(右) 图.5 汽车中的安全气囊(内有MEMS器件) 图.6 MEMS加速度计的芯片(左)和封装形式(右) MEMS技术的特有工艺 MEMS器件与IC芯片的制备工艺非常相似,但MEMS器件有两个重要特征:高深宽比的微结构和悬臂结构,因此需要一些特有的工艺来制备。 第一项特有工艺是用于制备高深宽比结构的LIGA技术,LIGA是X射线光刻技术的德语简称,于1982年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发出来。LIGA技术的工艺步骤如图4.7所示,包括对基片上光刻胶的X射线光刻、光刻胶显影、在光刻胶结构上的金属电铸、从光刻胶结构中剥模、以结构材料充模(图4.7中的结构材料是聚合物)和脱模,从而制备出最终的微机械结构。 图.7 LIGA技术的工艺步骤 第二项特有工艺是制备悬臂结构表面微加工技术,该技术于1980年代由加州大学伯克利分校的研究人员开发出来。表面微加工技术的工艺步骤如图.8所示,第一步是对带有牺牲层的基片涂覆光刻胶并进行光刻,然后依次对光刻胶和牺牲层进行显影操作。第三步是沉积结构层的材料,然后在第四步,通过光刻将微结构的图形投影于结构层之上的光刻胶。第五步通过刻蚀工艺制备出结构层,然后通过化学腐蚀工艺释放结构层之下的牺牲层,得到最终的悬臂式微结构。 图.8 表面微加工技术的工艺步骤 MEMS器件的驱动机制 MEMS是一种微电机系统,在制备微机械结构之后,需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制如图.9所示,包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。 图.9 MEMS器件的驱动机制 在图9(a)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电极,当两个电极加载偏压时,产生静电吸引,悬臂梁变形,从而实现电信号对机械动作的控制。在图9(b)中,悬臂梁底部和基底上部均制备了电磁线圈,当线圈中通电流时,产生电磁力使悬臂梁发生形变。电磁力可以是引力或者斥力,取决于所通电流的方向。在9(c)中,悬臂梁以磁致伸缩材料制备,当悬臂梁的两端加载电压时会产生伸缩效应。在9(d)中,悬臂梁为双层结构,两层以不同热膨胀系数的金属材料制备。当悬臂梁通电流时,因热电偶效应,将会弯向热膨胀系数较小的材料一侧。 在MEMS器件的所有驱动机制中,静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗,得到最广泛的应用。 关于亿源通 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 28
    2020-5-9 09:55
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    MEMS光学器件— MEMS OXC(光交叉互连开关)
    OXC的应用领域 光交叉互连开关(OXC)是一种N×N端口的矩阵光开关,可用于构建CDC ROADM(无色、无方向性、无竞争的可重构光上/下路复用器),如图1所示。 图1. 基于WSS和OXC的CDC ROADM结构 基于1×N端口光开关构建的OXC OXC可以通过1×N端口的光开关来构建,如图2所示,为了构建一个N×N端口的OXC模块,需要2N个1×N端口的光开关,随着端口数N的增加,OXC模块的尺寸和成本急剧增加,因此这种OXC的端口数通常限于32×32端口。 图2. 以16个1×8端口光开关构建8×8端口OXC 基于2D MEMS 技术的OXC 实现OXC的第二种技术方案是基于MEMS微镜阵列的Cross-Bar光开关,日本东京大学的H. Toshiyoshi和H. Fujita于1996年报道了第一个基于MEMS技术、具有端口扩展潜力的Cross-Bar光开关,如图3所示。所报道的器件只有2个输入端口和2个输出端口,光路切换是通过4个MEMS微镜来实现的,每个微镜有两个状态,平置于基片上让光束通过(Off状态)或者直立于基片上以反射光束(On状态)。 图3. 第一个基于MEMS扭镜的Cross-Bar矩阵光开关 MEMS芯片和单个微镜的SEM照片,以及扭镜的结构示意图,如图4所示。微镜以多晶硅梁支撑,当电极未加偏置电压时,微镜保持平置状态;加电时在静电引力的驱动下,微镜直立于基片上。 图4. MEMS扭镜的SEM照片和结构示意图 AT&T实验室的L.Y. Lin等人于1998年报道了第一个基于2D MEMS技术的矩阵光开关,如图5所示,为了实现N×N端口光开关,需要一个N×N规模的微镜阵列。该器件的所有光路都在一个平面内,这也是为何它被称为2D MEMS光开关。 图5. 第一个2D MEMS矩阵光开关结构 光路的切换是通过图6所示的微镜来实现的,微镜被铰链结构连接在基底上,两个拉杆的一端链接微镜,另一端链接一个位移台,位移台被一个刮板式微致动器驱动,把微镜向前拉。微镜在被拉动的过程中发生偏转。 图6. 微镜结构示意图 OMM公司的Li Fan等人于2002年报道了另一种用于矩阵开关的MEMS微镜阵列,如图7所示。 图7. OMM公司的Li Fan等人报道的2D MEMS微镜阵列 基于2D MEMS微镜阵列的矩阵光开关,具有结构简单和易于封装的优势,但是其扩展性有限。从图5中可以看到,对不同的端口链接关系,光路长度差别很大,这将会引入耦合损耗和影响损耗均匀性。对光程差异的容差取决于自由空间光学结构中的光束尺寸,根据式(1),光斑ω0越小则其越发散,根据式(2)得到其准直距离越短。 两根单模光纤SMF之间的耦合情况如图8(a)所示,随着光纤端面之间的间距增大,耦合损耗剧增,两根单模光纤之间的间距,通常限于<20μm。为了增加光纤间距以容许放置各种自由空间光学元件,通常会采用热扩芯(TEC)光纤或者透镜光纤,分别如图8(b)和图8(c)所示。TEC光纤和透镜光纤都能扩大光斑尺寸,以适于自由空间光传输。两根TEC光纤之间的间距可达~10mm,而两根透镜光纤之间的间距可达~50mm。对于一些需要更长自由空间光路的应用领域(比如下文将要提到的3D MEMS光开关),往往需要准直透镜,如图8(d)所示。 图8. 光纤之间的耦合方式 3ω0(ω0为光斑半径)以反射99%以上的光功率。因此,2D MEMS光开关的最大端口数通常限于32×32。 基于3D MEMS 技术的OXC 为了进一步扩展OXC的端口数,人们开发了3D MEMS光开关。3D MEMS OXC的基本结构如图9所示,它包括两个MEMS微镜阵列和两个二维光纤准直器阵列,每个输入光纤准直器与第一个MEMS芯片中的一个微镜对应,而每个输出光纤准直器与第二个MEMS芯片中的一个微镜对应,MEMS芯片上的所有微镜都能两轴偏转,如图10所示。 图9. NTT实验室开发的3D MEMS OXC的基本结构 图10. MEMS微镜阵列和双轴微镜的扫描电镜SEM照片 来自每个输入端口的光束被第一个MEMS芯片上的一个微镜独立控制,通过双轴偏转指向第二个MEMS芯片上的另一个微镜(该微镜对应输出的目标端口),第二个微镜通过双轴偏转,调整反射光束的方向,指向输出端口。因此通过两个MEMS芯片的控制,可以将光信号从任意输入端口交换至任意输出端口。该3D MEMS OXC由NTT实验室于2003年10月报道,样机照片如图11所示。 图11. NTT实验室开发的3D MEMS OXC样机照片 贝尔实验室的V. A. Aksyuk等人于2003年4月报道了另一种3D MEMS OXC,比NTT实验室的报道时间更早,此处先提到NTT实验室的工作,因其OXC结构相对简单且易于分析。贝尔实验室开发的OXC结构和样机照片分别如图12和图13所示,它包括两个MEMS微镜阵列、两个二维光纤阵列和一个傅里叶透镜,每条输入—输出链路通过第一个MEMS芯片上的一个微镜和第二个MEMS芯片上的另一个微镜构建。 图12. 贝尔实验室开发的3D MEMS OXC结构 图13. 贝尔实验室开发的3D MEMS OXC样机照片 NTT实验室的Yuko Kawajiri等人于2012年报道了另一个3D MEMS OXC,如图14和图15所示,其中以一个环形凹面反射镜代替傅里叶透镜。采用环形凹面镜可减少边缘端口的离轴像差,以减小插入损耗。 图14. NTT实验室开发的第二种3D MEMS OXC结构 图15. NTT实验室开发的第二种3D MEMS OXC样机照片 图12和图14中的OXC原理相似,相对于图9中的OXC结构,自由空间光路中的光束尺寸更大,因此可减小损耗。另外,图9中的OXC结构,要求MEMS微镜具有更大的偏转角度,这会增加MEMS芯片的设计难度。 关于亿源通 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。
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