MEMS光开关的研究及市场分析Word文档格式.docx
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摘要I
AbstractII
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
3.1MEMS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。
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的角度，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。
AT&
A公司推出的著名的WaveStarLamdaRouter全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现256*256的交叉连接，可节约25%的运行费用和99%的能耗，其采用体硅工艺制成的3D微镜光开关阵列[6]。
三维光开关阵列的一个微镜单元[7]，它以表面工艺为基础，利用3D光刻镀铜技术制成，与CMOS工艺有着良好的兼容性。
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、扭转梁和被抬起的电极、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的输出。
在244V驱动电压下微镜最大偏转角可达到2.65º
，镜面的曲率半径3.8cm，镜面的表面粗糙度为12nm。
构成阵列时采用两组微镜相对安装。
这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展不产生很大的影响，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，它的控制电路和结构设计较为复杂。
第二章微机械光开关的设计与分析
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[8]。
虽然它们的工作原理都基于硅数字微镜技术，但由于它们都具有不同的结构，因此原理也具有差异。
光开关采用静电力驱动，具有较低的驱动电压，其中扭摆式光开关的驱动电压小于15V。
对于2D开关阵列，在硅基上制作了光纤自对准耦合槽[9]。
对开关特性进行计算机模拟和分析，分析光开关的开关时间。
2.1水平驱动2D光开关
开关速度是光开关的一个重要指标，要有高的开关速度，就要有高的谐振频率，谐振频率可表示为
（2-1）
其中Mmirror、Mtruss和Mbeam分别是悬梁镜、端部构架和折叠梁的质量；
kfolded是折叠梁的弹性系数，有
（2-2）
其中E为杨氏模量；
h、b和L分别为折叠的厚度、宽度和长度，由（2-1）和（2-2）可以看出谐振频率主要和折叠梁的长度和宽度有关，增加宽度和减小长度将有利于提高谐振频率，也就是开关速度。
可动电极的纵向位移
（2-3）
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，就要增加悬臂梁的长度和减小宽度，这与提高谐振频率的要求相矛盾。
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的重要因素，动和定极板间的静电力
（2-4）
其中C为动和定极板间的电容；
s为质量块面积；
d为电极间间隙，由（2-2）和（2-4）可得纵向位移
（2-5）
h、b和L分别为固支梁的厚度、宽度和长度；
V为驱动电压；
kfolded是固支梁沿z方向的弹性系数。
由（2-5）可以看出，要增加开关灵敏度和隔离度，减小功耗，说法要增加固支梁的长度和减小宽度，邮于L»
b，因此长度对弹性的影响远大于宽度。
为此设计了折叠梁，增加了梁的长度，同时减小了芯片面积。
质量块的谐振频率可表示为
（2-6）
由（2-4）和（2-6）可以看出增加悬臂梁的长度和减小宽度，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，此设计结构的f0>
2kHz。
垂直式光开关的计算机有根元分析（FEA）结果，分析表明此结构有高的谐振频率从而可得到高的开关速度（小于1ms），驱动电压小于30V。
2.3扭摆驱动2D、3D光开关
对于扭摆式结构设计了扭摆式固支梁[10]，在静电力的作用下，由于固支梁不是连接在质量块边沿的中心，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，应尽量减小梁的宽度和增加梁的长度，和垂直驱动式一样，同时也要考虑结构对开关速度的影响。
扭摆式光开关的计算机有限元分析结果，分析表明此结构有高的开关速度（小于1ms）和低的驱动电压（小于15V）。
第三章MEMS光开关的控制
本章阐述的控制方案针对的是二维结构、采用静电法驱动的MEMS光开关。
3.1MEMS光开关控制原理
MEMS光开关的优点在于光波路由的切换是通过外部控制信息以及相应的高低电平控制内部16块微镜片抬升与否来完成的。
我们选用的MEMS光开关规定在控制信息的格式上，不管其内部有多少个微镜片，都需要由一系列"
1"
和"
0"
组成的64位串行数据来完成控制。
依据MEMS光开关的具体工作原理以及所需数字信号间的时序关系，所需的64位控制信息、以及其他信号（如CLK、ENA信号）可以由高速单片机来提供。
本控制系统在单板调试期间，由一台PC机的相应程序模拟本地控制，发出相应的路由信息。
串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。
发送给单片机，单片机再进行进一步的控制动作。
MEMS光开关路由成功与否等信息由单片机读取其内部寄存器中的64位控制数据，与原始的正确的64位数据进行对比完成。
操作完成后，又由单片机通过串口向PC机产生相应的反馈信息。
形成人机、远程与本地之间的交互。
3.2控制系统设计
基于前述原理，该子系统的设计将分为硬件和软件设计两方面。
3.2.1硬件设计方案
试验阶段将为MEMS设计四个控制通道，其中保留厂家的测试版电路并以此作为一个控制通道；
为本地单片机不同类型的控制信息提供两个通道；
此外，为将来可能用到的FPGA芯片控制信息预留一个通道。
实际应用阶段将只保留一个单片机通道与一个FPGA控制通道。
在单板调试期间，路由与管理信息来自模拟网管的PC机软件，而在实际应用中，一切路由与管理信息将来自主控制板。
虽然试验与实用阶段控制通道不止一个，但某一时期起作用的只有一个通道。
通道的切换通过手动跳线完成。
单片机选用高速低耗双串口多中断的单片机。
此单片机将为MEMS光开关提供64位控制信息以及所需的其他控制信号，如时钟CLK信号、路由使能信号等。
并-串转换电路用于将单片机并行发出的控制信息转换成MEMS要求的串行数据。
这一功能由单片机和并-串转换芯片共同完成；
串-并转换电路用于单片机并行读入MEMS内部寄存器中的串行原始路由信息。
这一功能由单片机和串-并转换芯片共同完成。
3.2.2软件设计方案
因为在调试中需要人机交互，所以需要PC机程序和单片机控制程序各一套。
两套程序通过RS-232接口进行通信[11]。
程序间的通信首先是PC发往单片机的数据，然后是单片机发往PC的数据。
PC机程序采用图形界面，收发的各种信息将会在程序界面上给管理员作出相应的实时提示。
单片机控制程序与PC机程序相比，难度在于其既要发送MEMS需要的时钟信号、使能信号等，又要发送64位微镜片控制数据。
这些信号之间有着严格的时序关系。
编程时应该特别注意延时程序和指令编写技巧[12]。
第四章光开关的市场分析
4.1光开关的优势
MEMS光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。
在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL（偏振相关损耗）和串扰方面，MEMS技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。
比如基于MEMS技术制作的2×
2光开关模块的插入损耗可达0.4dB，PDL小于0.1dB，串扰小于-70dB。
在功能方面，微镜具有可靠的闭锁功能，能够保证光路切换的准确性。
在规模方面，采用2D结构的MEMS光开关已有64*64的商用产品，采用3D结构的MEMS光开关也有上千端口数的样品，从而使构建中等规模和大规模光纤网络节点成为可能。
在可靠性方面，单晶硅极好的机械性能可使制成的器件能够抗疲劳，由于单晶硅中没有位错，所以从本质上它不会产生疲劳，是一种完美的弹性材料。
MEMS光开关的寿命已超过3800万次，并且在温度循环、冲击、振动和长期高温贮存等可靠性指标方面，均满足TelcordiaGR-1073-Core标准。
在成本方面，MEMS光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。
MEMS尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。
MEMS器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。
执行器与光器件集成在单个芯片上，可以在一个硅片上重复多次，从而可以提供价格更低的光器件。
这些在成本方面的节约将使器件价格下降，最终降低设备和营运成本。
4.2发展动态及潜力
硅MEMS加工技术最早出现于二十世纪六十年代，所采用的主要技术是单晶硅各向异性腐蚀技术（体硅微机械），其代表产品是硅压力传感器。
八十年代美国率先开发出以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的表面牺牲层技术（表面微机械），并开发出微硅静电马达，使得MEMS技术得到质的飞跃发展。
表面微机械加工技术与半导体集成电路技术最为相近，其主要特点是在薄膜淀积的基础上，利用光刻、刻蚀等集成电路常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获得可微动结构。
进入九十年代，随着深槽刻蚀技术、键合技术及其它关键技术的成功应用，体硅微机械又得到了飞速发展，并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。
特别是开发出利用感应耦合等离子体（ICP）和侧壁钝化（SPP）的先进硅刻蚀工艺（ASE），可对硅材料进行很大深宽比的三维微加工，其加工厚度可达几百微米，侧壁垂直度可接近九十度。
这使得MEMS技术不仅在传感器领域的应用得到迅速发展，而且在光纤通信、微型化学分析系统、DNA分析及微型机器人等领域的应用研究也得到空前发展。
目前仍有不少的机构（包括Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel等）在进行MEMS光开关的应用开发。
目前全球有60家左右的MEMS制造工厂，上百家MEMS领域的新兴公司以及更多的大学和研究机构。
世界领先的Coventor公司的MEMS计算机辅助设计（CAD）软件工具，目前全球的用户已超过300家。
全球光纤通信市场在经历了近三年的冬眠期之后，随着朗讯市场份额的好转和市值的抬头，使人们重新燃起了春天的希望。
世界市场光开关的需求量在九十年代初、中期增长缓慢，只有数十万件。
但在九十年代后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程的加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2006年将增长至32亿美元，对光开关的需求也将会急剧上升。
根据日本光通信行业的预测，九十年代末世界光开关年需求量近百万件。
近期外刊报道，北美九十年代末光开关的需求量为数十万件。
据统计，世界光开关年销售增长率已达到13%。
光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市场需求量将会大幅度增长。
对于国内厂商而言，是难得的机遇，更是巨大的挑战。
结论
MEMS光开关是目前最有发展前景，最能适应DWDM全光通信网要求的光开关。
由于MEMS技术具有兼容性强、易集成、设计灵活、可大规模生产的优势，MEMS光开关的集成化和产业化将是未来MEMS光开关的发展方向。
然而要实现MEMS光开关器件的产业化，需要解决提供标准工艺流程、标准工艺参数和标准设计规则，同时解决多用户加工途径和测试封装技术等一系列问题。
尽管近年来MEMS光器件制造商风云变幻，潮起潮落，但MEMS技术的应用领域不仅仅是光通信，依然保持着强劲的生命力。
以其研究方向多元化、加工工艺多样化、系统单片集成化、制造与封装统一化、应用领域全面化为标志的固有特征和先天优势，必将在通信、导航、传感、医用、交通、航空航天等军事和民用领域得到广泛的推广和应用。
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