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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)前國際上光纖通信領(lǐng)域研究開發(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和波長路由交換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目前，我國開展全光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與研宄的重要步驟是:首先將在長途干線上采用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，開關(guān)速度高達(dá)1〇^s,比傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)快兩個量級，損耗小于3dB,經(jīng)過熱沖擊、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)10萬小時(12年)以上由于是通過微小機(jī)械部件的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)開關(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線陣開關(guān)AT&T研制的用于光交叉連接的8<8光開關(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，這對于光交叉連接使用的光開關(guān)陣列非常必要,如采用傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)制作，當(dāng)N較大時，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問題,德克薩斯儀器公司研制的微鏡800<600光開關(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，其市場占有率已達(dá)1/4以上。同時，人們也在不斷探索、開拓微電子機(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)必將帶動微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也會推動光通信技術(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)開始研究和開發(fā)微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件。在1999年召開的國際光纖通信大會(OFC99)上，微電子機(jī)械系統(tǒng)光器件被列為一個專題
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)、長途網(wǎng)、接入網(wǎng)(無源光網(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光開關(guān)
光開關(guān)是使傳輸通路中的光信號通或斷，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)測及全光交換技術(shù)中具有重要的作甩傳統(tǒng)光開關(guān)根據(jù)其工作原理分為機(jī)械式和電子式兩類。機(jī)械式光開關(guān)是在外力作用下，通過光纖的移動來實(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)動和定位機(jī)構(gòu)，開關(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，使光開關(guān)設(shè)計和制造重新受到重視，圖1給出了微電子機(jī)械系統(tǒng)光開關(guān)的典型原理示意圖。
微電子機(jī)械系統(tǒng)光開關(guān)具有突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)亞毫秒的開關(guān)時間;(2)可忽略的串話;(3)可忽略的偏振損耗;(4)可忽略的波長關(guān)系;(5)標(biāo)準(zhǔn)IC制作，低損耗微電子機(jī)械系統(tǒng)光開關(guān)的驅(qū)動方式主要有：(1)靜電驅(qū)動(庫侖靜電引力);(2)電致伸縮;(3)磁致伸縮;(4)形變記憶合金;(5)光功率驅(qū)動;(6)熱驅(qū)動;(7)熱光驅(qū)動。
微電子機(jī)械系統(tǒng)光開關(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)光開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的方法主要有：(1)光路遮擋;(2)光纖移動對接;(3)微透鏡移動，改變光傳輸方向;(4)微反射鏡移動或轉(zhuǎn)動，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)的光開關(guān)技術(shù)
2.1.1光路遮擋
懸臂梁方式的光開關(guān)：在光波導(dǎo)路徑上采用懸臂梁式的光開關(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)，通過控制懸臂梁的工作狀態(tài)達(dá)到對光進(jìn)行開和關(guān)功能能這種光開關(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)動的微機(jī)械開關(guān)(朗訊公司):利用硅微細(xì)加工工藝可制成光控的微型開關(guān)，整個尺寸約1~2mm材料由金、氮化硅、多晶硅層組成其工作機(jī)理是:用8個多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機(jī)，在光信號的驅(qū)動下，可產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場吸引，把遮片升起，光纖開關(guān)處于開通狀態(tài)如無光信號，光發(fā)電機(jī)無電壓輸出，遮片下降，光纖開關(guān)關(guān)閉，如圖2所示用此開關(guān)可組成光纖線路倒換系統(tǒng)該開關(guān)是由遠(yuǎn)端的光信號控制，所以光開關(guān)本地是無源的據(jù)報道，驅(qū)動光功率僅2.7MW，傳輸距離達(dá)128km，工作波長為950~1650nm，開關(guān)速度3.7ms，損耗小于0.5dB
2.1.2光纖移動對接
熱驅(qū)動光開關(guān):是一種K2熱驅(qū)動的光纖開關(guān)。它由一厚的鍍Ni熱驅(qū)動執(zhí)行器來移動光纖，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準(zhǔn)。這種設(shè)計不需要耦合光波導(dǎo)或透鏡，并能達(dá)到理想的低損耗開關(guān)功能?
磁力效應(yīng)開關(guān):利用微機(jī)械技術(shù)與磁力效應(yīng)實(shí)現(xiàn)KN開關(guān)。這種開關(guān)采用了一種具有“燕尾”連接的移動微平臺，平臺上刻蝕出V形槽，用以固定輸入光纖與輸出光纖輸入光纖的移動平臺上淀積一層磁材料，磁場的作用將這個微平臺沿著“燕尾”連接機(jī)構(gòu)移動，實(shí)現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對準(zhǔn)這種開關(guān)的開關(guān)時間小于10ms，插入損耗達(dá)到1dB還有一種2<2微機(jī)械光開關(guān)，其插入損耗小于3.1dB，串音小于40dB，工作電壓為100V，開關(guān)時間可達(dá)0.5ms左右
2.1.3改變?nèi)瓷錀l件
微泵開關(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，則光穿透槽。無匹配油時，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)，這種光開關(guān)為已研制成功的微泵提供了應(yīng)用場所。
日本電報電話公司研制的全反射控制光開關(guān)示意風(fēng)波導(dǎo)內(nèi)有氣泡和折射率匹配油，通過兩個加熱器分別導(dǎo)通來控制光纖交叉點(diǎn)波導(dǎo)內(nèi)的物質(zhì)。當(dāng)加熱器1開時，交叉點(diǎn)為氣泡，入射光被反射;當(dāng)加熱器2開時，交叉點(diǎn)為折射率匹配油，入射光投射己通過原理性驗(yàn)證,還沒有具體指標(biāo)報道21.4微鏡移動或轉(zhuǎn)動這種開關(guān)采用靜電驅(qū)動微平面鏡陣列來改變自由空間傳輸?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)的固體式光開關(guān)相比，長度、寬度尺寸都要小1/10多，消光比提高，串話減小。而且機(jī)械式光開關(guān)具有不影響波長和偏振面、自穩(wěn)定性、高消光比低串話以及無光損耗等優(yōu)點(diǎn)過去的光開關(guān)采用大型驅(qū)動和定位機(jī)構(gòu)，開關(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)來研制微型、廉價的機(jī)械開關(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)開發(fā)的2X2光開關(guān)，通過雙面反射鏡移動實(shí)現(xiàn)2<2光交叉連接，反射鏡通過60V電壓形成靜電驅(qū)動位移20^m交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開關(guān)時間0.5ms,比傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)快一個量級，串話衰減60dB,美國德克薩斯儀器公司研制的用于大型投影顯示的微鏡光開關(guān)陣列單元結(jié)構(gòu)示意風(fēng)在CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲器基片上使用微機(jī)械技術(shù)制造微鏡及其轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。微鏡通過其支架與一薄片式柔性扭轉(zhuǎn)鉸鏈連接，當(dāng)支架受存儲器釋放的電荷吸引時,將通過鉸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)動，其范圍為±1(°微鏡為16Mm的正方形，600<800象素的開關(guān)陣列尺寸為1〇^1.5〔:瓜,開關(guān)時間小于10卜8,工作壽命可達(dá)10萬小時。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線陣開關(guān)，每一個平面鏡可以通過20V電壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動9°微平面鏡的尺寸非常小，寬10Mm,長60Mm開關(guān)時間約20Ms在其測試系統(tǒng)中，16路信號間隔1.6nm,Pass通射光透過空氣層和Si基層透射過去。
機(jī)械光柵光開關(guān);是斯坦福大學(xué)報道的,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和固定兩種當(dāng)不施加電壓驅(qū)動時，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)對帶狀層施加電壓時，可移動帶狀層向下移動1/4,此時將發(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”狀態(tài)其突出特點(diǎn)是，開關(guān)速度高達(dá)20ns
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