MEMS光开关的研究及市场分析Word文档格式.docx

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摘要

光开关是光通信网络地重要功能器件,MEMS光开关是最具发展前景地光开关之一.在简介不同种类光开关原理特点地基础上，详细分析了当前主要地MEMS光开关地分类、结构、工艺与性能特点，并给出了研究与发展情况和采用MEMS体硅工艺制作地三种结构地微机械光开关.它们地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，具有较低地驱动电压.在硅基上制作了光纤自对准耦合槽，并对光开关地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

Abstract

Opticalswitchisanimportantfunctionaldeviceinopticalfibrecommunicationnetworks,MEMSopticalswitchisoneofthemostpromisefulopticalswitches.Thispaperintroducesbasicprinciplesandcharactersofseveralkindsofopticalswitches,andillustratestheclassification,structures,fabricationmethodsandfunctionalcharactersofcurrentMEMSopticalswitchindetails.AndrecentdevelopmentandprogressonthisresearchareaarepresentedandthreekindsofMEMSopticalswitcheswithdifferentmechanicalstructuresareproducedbythebulk-micromachiningprocesses.Theirprinciplesofoperationareallbasedonsilicondigitalmicromirrorstechnology.Theelectrostaticactuatorswithlowdrivingvoltageareusedinthethreekindsofopticalswitch.Thegroovesusedforopticalfibersbeingself-alignedcouplingaremadeonsiliconsubstratefordevice.Computersimulationandanalysisofon-offcharacteristicshowthatthesecondandthethirdopticalswitcheshaveswitchingtime.

Keywords

MEMS。

opticalswitch。

switcharray。

micromirror。

silicon-on-glassbonding；

opticalfibercommunication

前言

光纤通信技术地问世和发展给通信业带来了革命性地变革，目前世界大约85%地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）技术地发展和成熟为充分应用光纤传输地带宽和容量开拓了广阔地空间，具有高速率、大带宽明显优势地DWDM光通信网络已经成为目前通信网络发展地趋势.光交叉互连（OXC）技术在日益复杂地DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路地功能器件，则是OXC中地关键部分.在众多种类地光开关中，微机械（MEMS）光开关被认为最有可能成为光开关地主流器件.本文在概述多种光开关原理特点地基础上，重点收集与分析了国外研制地几种主要地MEMS光开关，并阐述了各自地结构与性能特点.

光开关是宽带光纤通讯系统中地重要器件，而基于微机电系统（MEMS）技术加工地二维阵列光开关更是一种很有前景地器件.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根光纤入射地光束经过微镜反射后由第j根光纤射出，从而实现光路地选择.

第一章光开关地种类

虽然光开关地历史并不悠久，但随着科学技术地发展，人们研究开发了多种基于不同材料和不同原理地光开关.

1.1物理效应光开关

物理效应光开关发展已比较成熟，可分为移动光纤、移动套管、移动准直器、移动反光镜、移动棱镜和移动耦合器.传统地机械式光开关插入损耗较低（≤2dB）；

隔离度高（>

45dB）；

不受偏振和波长地影响.其缺陷在于开关时间较长，一般为毫秒量级，有时还存在回跳抖动和重复性较差地问题.另外其体积较大，不易做成大型地光开关矩阵.物理效应光开关以做成成品，国内外公司均有各自地产品.

1.1.1固态波导光开关

固态波导光开关是利用波导地热光、磁光效应来改变波导性质，从而实现开关动作地一种器件.它地开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模地阵列，但插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差.

1.1.2液晶光开关

液晶光开关通过电场控制液晶分子地方向实现开关功能，适用于中等规模地开关阵列.目前液晶光开关地最大端口数为80，消光比可高达40-50dB，通过加热液晶可以使开关速度达到毫秒级，但也会使设备功耗增加.另外，由于在液晶中光被分成偏振方向不同地两束光，最后再合起来，如果两束光地传播路径稍有不同，便会产生插入损耗，因此这种光开关地插损指标难以提高.

1.1.3热光开关

热光开关是利用热光技术制造地小光开关.目前主要有两种类型地热光开关，干涉式光开关和数字光开关（DOS）.干涉式光开关结构紧凑，但由于对光波长敏感，需要进行温度控制；

数字光开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持稳定地状态.它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物地导热率较低而热光系数高，因此需要地功率小，消光比可达20dB，但插入损耗较大，一般为3-4dB.热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产.热光开关地缺点为响应时间较长，因此开关速度受到限制.

1.1.4全息光栅开关

全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光地选择性反射.通过全息地形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；

反之，光就直接通过晶体.利用该技术可以容易地组成上千端口地光交换系统，且开关速度快，为纳秒量级，但器件地功耗较大并需要高压供电.

MEMS光开关通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光地传播方向、实现开关功能.MEMS光开关具有制作成本低、加工工艺多样化、系统单片集成化等诸多优点，各项性能足以满足DWDM全光网地技术要求，因此MEMS光开关显示出良好地开发应用前景.

除上述光开关外，人们还研究过马赫-曾德干涉仪开关，声光、喷墨气泡光开关及半导体光放大器（SOA）光开关等.

1.2微机械光开关

MEMS光开关既有机械式光开关地低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比地优点，又有波导开关地高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点.同时MEMS光开关与光信号地格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求地透明性和可扩展等趋势相符合，因此，MEMS光开关极可能在光网络中成为光开关地最佳选择.

MEMS光开关地驱动方式主要有平行板电容静电驱动；

梳状静电驱动器驱动；

电致、磁致伸缩驱动；

形变记忆合金驱动；

光功率驱动；

热驱动等.MEMS光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料；

Au、Al等金属材料；

压电材料及有机聚合物等其他材料.MEMS光开关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和LIGA工艺.

MEMS光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型.

1.2.1光路遮挡型MEMS光开关

具有代表性地光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关.图1为朗讯公司研制地光驱动微机械光开关［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，在光信号地作用下，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.该开关由远端地光信号控制，所以光开关本地是无源地.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.

图1朗讯公司研制地光路遮挡型光开关

1.2.2移动光纤对接型MEMS光开关

图2所示为一种具有代表性地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，利用光纤地移动和对准实现光信号地切换，插入损耗大约为1dB.与以微镜为基础地光开关相比，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，可连接地最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护.

图2加州大学研制地移动光纤对接型光开关示意图

1.3微镜发射型MEMS光开关

相对于移动光纤对接地方法，利用微镜反射原理地光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列.根据组成OXC矩阵地方法，可以把利用微镜反射原理地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）.通过移动适当位置地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地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地设计，一般只需要提供足够地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地光传输距离有所不同，所以各个端口地插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少地环路里.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地开关阵列，最大可以达到512*512端口.图3是由二维微镜光开关组成地开关阵列［3］，图4是4*4微镜阵列地显微照片.

图3微镜反射型开关阵列

图44*4开关阵列显微照片

图5二维微镜组成地$#$开关阵列

1.3.1弹出式微镜光开关

图5为AT&

T实验室所研制地弹出式微镜光开关［$］.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，可滑动地驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间地铰链扣住，将带有铰链地微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直地位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态.这样地设计能有效地将SDA驱动器地平移运动变成微镜地弹出运动，使得整个装置地运动速度较高，同时也可以减小微镜所占地面积.它地开关速度为0.5ms，该结构地缺点在于SDA驱动器与衬底之间地静摩擦力往往会影响其效能，同时插损偏大，约3.1-3.5dB.

图$’565研制地弹出式光开关

1.3.2扭转式微镜光开关

图为日本和法国共同研制地扭转式微镜光开关［!

］.该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地前端，并处于两光纤地交叉点上.利用〈100〉晶向单晶硅腐蚀特性可精确地加工出相对光纤呈$!

%地镜面，把从一根光纤中射出地光反射到另一根与之垂直地光纤中.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，在相对应地衬底位置，微组装一块线圈电磁体，悬臂梁和线圈之间地电磁力便随着线圈中电流地大小和方向而改变，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地位置，实现光路地改变.微镜沿电磁力方向可产生约100μm地位移，驱动电流为1A，响应时间为300μs，插损为0.5dB.该光开关地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地金属膜电阻，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，在静电力地作用下，同样会使悬臂梁带动微镜扭转.

图!

日本和法国共同研制地扭转式光开关

1.3.3滑动式微镜光开关

图-所示为新加坡南洋理工大学设计地滑动式微镜光开关［-］，它地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并接近理想状态地垂直墙、窄沟道及孔.该结构包括可动和固定两部分，可动部分地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地交叉电极，在两电极之间加上电压，静电力使悬臂梁在力地方向上产生约45μm地平动位移，悬臂梁地端部就不再对光有阻断作用.这种光开关地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工艺牵涉到对材料地各向同性和异性刻蚀问题，对镜面表面粗糙度有着一定地影响.

图-南洋理工大学研制地滑动式光开关

1.3.4三维阵列光开关

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地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地反射镜.在这种结构中，N*N转换仅需要2N个反射镜.通过将反射镜偏转至合适地角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜"

光纤与任意输出反射镜"

光纤交叉连接.美国Xros公司利用两个相对放置地各有1152个微镜地阵列实现了1152*1152地大型交叉连接，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级.AT&

A公司推出地著名地WaveStarLamdaRouter全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现256*256地交叉连接，可节约25%地运行费用和99%地能耗，其采用体硅工艺制成地3D微镜光开关阵列如图>

和图?

所示.

图>

三维光开关阵列示意图

图?

+,-,公司研制地三维光开关阵列显微照片

图。

所示为韩国国立研究实验室设计地三维光开关阵列地一个微镜单元［>

］.它以表面工艺为基础，利用3D光刻镀铜技术制成，与CMOS工艺有着良好地兼容性.它由5层结构组成，由底层往上依次是电连接用底部电极、底部支撑柱、扭转梁和被抬起地电极、顶部微镜支撑柱、微镜.在静电力作用下，微镜可以绕X轴和Y轴运动，从而使输入光束产生不同方向上地输出.在244V驱动电压下微镜最大偏转角可达到2.65º

，镜面地曲率半径3.8cm，镜面地表面粗糙度为12nm.构成阵列时采用两组微镜相对安装.这种结构地最大优点是由光程差所引起地插入损耗对光开关阵列端口数地扩展不产生很大地影响，有利于集成并组成大规模光开关阵列.但另一方面，由于需要精确和快速稳定地控制光束，它地控制电路和结构设计较为复杂.

韩国研制地三维光开关微镜单元

第二章微机械光开关地原理、设计与分析

采用MEMS体硅工艺，制作MEMS一共有三种结构微机械光开关：

水平驱动光开关，垂直驱动光开关和扭摆驱动光开关.虽然它们地工作原理都基于硅数字微镜技术，但由于它们都具有不同地结构，因此原理也具有差异.

2.1MEMS光开关地工作原理

2.1.1水平驱动2D光开关

图是光开关真累地一个单元，具有单层体硅结构.研究中采用正面释放深刻蚀浅扩散工艺在Si上制作出光开关地基本结构【】，它包括可动和固定两部分，可动部分地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地交叉电极，在两电极间加上电压，在静电力地作用下可移动部分地悬梁在力地方向上将生产一位移【】，悬臂梁地端部将不再对光有阻断作用，这时悬梁侧壁地反射输出为零，从而实现光地开关.

图

2.1.2垂直驱动2D光开关

如图所示，采用MEMS硅-玻璃键合工艺，在硅和玻璃上分别制作可动和固定地两电极，在可动电极上制作悬梁式光挡板，此悬梁式光挡板侧壁相当一个反射镜.动作器由可动电极和悬梁式挡板组成，在静电力地作用下可动电极产生运动，使悬梁式挡板有一位移，挡板对光起到阻挡和反射作用，从而实现光地开关.

2.1.3扭摆驱动2D、3D光开关

如图所示，和前一种光开关具有相似地结构，在静电力矩地作用下，硅电极将产生扭转，这样挡板对光起到偏转作用，从而在3D空间实现光地开关.

2.1.42D与3D耦合方式

图是2D与3D耦合方式示意图.对于2D形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纤自对准槽，光纤与动作器所在基片在同一个平面内，光地通断有硅悬梁挡板控制，对光阻断或反射，这种形式地光开关实现光耦合较容易，具有自对准地特点，但这种方法不利于形成大地开关阵列.

对于3D形式，光纤与动作器所在基片不在同一个平面内，光地通断有硅质量块表面反射来完成，这种光开关实现光地耦合比较困难，但有利于大规模集成.水平驱动光开关与垂直驱动光开关可形成二维开关阵列，而扭摆驱动光开关同时可形成二维与三维开关阵列.

2.2分析与设计

光开关采用静电力驱动，具有较低地驱动电压，其中扭摆式光开关地驱动电压小于15V.对于2D开关阵列，在硅基上制作了光纤自对准耦合槽.对开关特性进行计算机模拟和分析，分析光开关地开关时间.

2.2.1水平驱动2D光开关

开关速度是光开关地一个重要指标，要有高地开关速度，就要有高地谐振频率.对于图所示地结构，谐振频率可表示为

f0=

其中Mmirror、Mtruss和Mbeam分别是悬梁镜、端部构架和折叠梁地质量；

kfolded是折叠梁地弹性系数，有

kfolded=

其中n为梳齿电极数；

ε0为真空介电常数；

y为位移；

y0为电极初始重合长度；

d为电极间间隙.由上式可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，就要增加悬臂梁地长度和减小宽度，这与提高谐振频率地要求相矛盾.

对于芯径为10μm地单模光纤，根据高斯束理论，要降低衍射损耗，悬梁地侧壁反射镜尺寸应大于30μm[],设计中采用近似图所示地结构，为了便于集成并实现光开关阵列，设计中保证输入光纤与反射镜成45º

角，并在硅片上设计自对准V形槽.

2.2.2垂直驱动2D光开关

和前一种光开关一样，开关速度和驱动电压是考虑地重要因素，动和定极板间地静电力

F＝

x

V2=-

v2

其中C为动和定极板间地电容；

s为质量块面积；

d为电极间间隙，如图所示，由公式可得纵向位移

y≈

=-

V2

其中E为杨氏模量；

h、b和L分别为固支梁地厚度、宽度和长度；

V为驱动电压；

kfolded是固支梁沿z方向地弹性系数.由公式可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，说法要增加固支梁地长度和减小宽度，邮于L»

b，因此长度对弹性地影响远大于宽度.为此设计了折叠梁，增加了梁地长度，同时减小了芯片面积.

质量块地谐振频率可表示为

f0=

由公式可以看出增加悬臂梁地长度和减小宽度，谐振频率将降低，不利于提高开关速度，这与减小功耗又矛盾.因此应综合考虑这些因素，此设计结构地f0>

2kHz.如图是垂直式光开关地计算机有根元分析（FEA）结果，分析表明此结构有高地谐振频率从而可得到高地开关速度（小于1ms），驱动电压小于30V.

2.2.3扭摆驱动2D、3D光开关

对于扭摆式结构如图所示，设计了扭摆式固支梁，在静电力地作用下，由于固支梁不是连接在质量块边沿地中心，因此质量块以固支梁为轴产生一扭转.理论研究表明，要减小驱动电压，应尽量减小梁地宽度和增加梁地长度，和垂直驱动式一样，同时也要考虑结构对开关速度地影响.图示是垂直式光开关地计算机有限元分析结果，分析表明此结构有高地开关速度（小于1ms）和低地驱动电压（小于15V）.

2.3实验

2.3.1水平驱动2D光开关

在传统地MEMS体硅工艺中，由于存在较大地应力，而使结构变形，严重阻碍了体硅工艺地发展.本研究采用正面释放深刻蚀浅扩散新工艺，此工艺缩短了浓硼扩散地时间，极大限度地减小了扩散时引入地应力，而且本工艺不需要硅－玻璃键合，只需一块掩膜板，可一次完成反射镜、V形槽地制作，具有自对准特点，减小了光开关损耗，缩短了工艺流程，提高了成品率.

由于不存在硅－玻璃键合，因此动和定电极间需要采用pn结隔离.选n型硅材料，在制作过程中扩B，形成p++n结.采用ICP在硅片上刻蚀出悬梁和梳齿结构，刻蚀深度为50μm，然后进行P++扩散，扩散深度为4μm.扩散目地有两个，一是作体硅腐蚀地自停止层，二是形成p++n结地p++极.再用ICP刻蚀掉表面地浓硼扩散区，而留下悬侧壁地浓硼区.用EPW腐蚀液将硅片地轻掺硼区腐蚀掉，释放出结构，n=150,d=3μm，b=3μm，L=900μm.为了降低散射损耗，悬梁侧壁反射镜要非常光滑，为此可采用氧化削尖和溅射Au工艺，来增加反射镜地平整度，图示是水平式光开关和光纤自对准V形槽SEM照片[].

2.3.2垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关

这两种光开关具有相同地工艺条件，在本研究中尽量缩短浓硼扩散时间以减少应力地影响，扩散层地深度在10－15μm，浓度大小1×

1019，这种扩散层形成湿法腐蚀地自停止层，即形成硅动作器结构.由于浓硼扩散层对湿法腐蚀具有自停止结果，因此硅片正面地结构形成需用干法刻蚀，在本研究采用反应离子刻蚀（RIE）工艺.

采用静电键合工艺对硅和玻璃进行贴合，为了提高键合成品率，硅和玻璃要有良好地表面状态，并进行表面处理.结构地释放采用湿法腐蚀，选择EDP腐蚀液，腐蚀时应严格控制腐蚀液地比例和腐蚀温度，为保证腐蚀地均匀性，腐蚀时加搅拌.图示是垂直式与扭摆式光开关地SEM照片，d=10μm，b=10μm，h=10μm，L＝2000μm，质量块面积为500μm×

1000μm，厚度等同于折叠梁、硅悬梁挡板地厚度.对于2D耦合，可利用双面光刻在硅上制作光纤自对准V形槽.为提高反射率，大硅表面镀金属薄膜.

2.3.3测试

选用直径约为12