【文章內容簡介】 光束偏轉開關中，輸入輸出光纖均成二維排列，兩組可以繞軸改變傾斜角度的微反射鏡安裝在二維陣列中，每個輸入和輸出光纖都有相對應的反射鏡。在這種結構中，N*N轉換僅需要2N個反射鏡。通過將反射鏡偏轉至合適的角度，在三維空間反射光束，可將任意輸入反射鏡 光纖與任意輸出反射鏡 光纖交叉連接。美國Xros公司利用兩個相對放置的各有1152個微鏡的陣列實現(xiàn)了1152*1152的大型交叉連接，其總容量已經比傳統(tǒng)電交叉連接器提高了約兩個數(shù)量級。ATamp。A公司推出的著名的Wave Star Lamda Router全光波長路由系統(tǒng)， 其光交叉連接系統(tǒng)可實現(xiàn)256*256的交叉連接， 可節(jié)約25%的運行費用和99%的能耗，其采用體硅工藝制成的3D微鏡光開關陣列如圖 和圖? 所示。圖 三維光開關陣列示意圖圖? +,, 公司研制的三維光開關陣列顯微照片圖。 所示為韓國國立研究實驗室設計的三維光開關陣列的一個微鏡單元［］。它以表面工藝為基礎，利用3D光刻鍍銅技術制成，與CMOS工藝有著良好的兼容性。它由5層結構組成，由底層往上依次是電連接用底部電極、底部支撐柱、扭轉梁和被抬起的電極、頂部微鏡支撐柱、微鏡。在靜電力作用下，微鏡可以繞X軸和Y軸運動，從而使輸入光束產生不同方向上的輸出。，鏡面的表面粗糙度為12nm。構成陣列時采用兩組微鏡相對安裝。這種結構的最大優(yōu)點是由光程差所引起的插入損耗對光開關陣列端口數(shù)的擴展不產生很大的影響，有利于集成并組成大規(guī)模光開關陣列。但另一方面，由于需要精確和快速穩(wěn)定地控制光束，它的控制電路和結構設計較為復雜。圖。 韓國研制的三維光開關微鏡單元第二章 微機械光開關的原理、設計與分析采用MEMS體硅工藝，制作MEMS一共有三種結構微機械光開關：水平驅動光開關，垂直驅動光開關和扭擺驅動光開關。雖然它們的工作原理都基于硅數(shù)字微鏡技術，但由于它們都具有不同的結構，因此原理也具有差異。 MEMS光開關的工作原理 水平驅動2D光開關圖 是光開關真累的一個單元，具有單層體硅結構。研究中采用正面釋放深刻蝕淺擴散工藝在Si上制作出光開關的基本結構【】，它包括可動和固定兩部分，可動部分的懸梁側壁可用作反射鏡，在自然狀態(tài)下光有一反射輸出，在可動和固定部分之間有梳齒式的交叉電極，在兩電極間加上電壓，在靜電力的作用下可移動部分的懸梁在力的方向上將生產一位移【】，懸臂梁的端部將不再對光有阻斷作用，這時懸梁側壁的反射輸出為零，從而實現(xiàn)光的開關。圖 垂直驅動2D光開關如圖所示，采用MEMS硅玻璃鍵合工藝，在硅和玻璃上分別制作可動和固定的兩電極，在可動電極上制作懸梁式光擋板，此懸梁式光擋板側壁相當一個反射鏡。動作器由可動電極和懸梁式擋板組成，在靜電力的作用下可動電極產生運動，使懸梁式擋板有一位移，擋板對光起到阻擋和反射作用，從而實現(xiàn)光的開關。圖 扭擺驅動2D、3D光開關如圖所示，和前一種光開關具有相似的結構，在靜電力矩的作用下，硅電極將產生扭轉，這樣擋板對光起到偏轉作用，從而在3D空間實現(xiàn)光的開關。圖 2D與3D耦合方式圖 是2D與3D耦合方式示意圖。對于2D形式，在硅或者玻璃上挖槽，形成光纖自對準槽，光纖與動作器所在基片在同一個平面內，光的通斷有硅懸梁擋板控制，對光阻斷或反射，這種形式的光開關實現(xiàn)光耦合較容易，具有自對準的特點，但這種方法不利于形成大的開關陣列。對于3D形式，光纖與動作器所在基片不在同一個平面內，光的通斷有硅質量塊表面反射來完成，這種光開關實現(xiàn)光的耦合比較困難，但有利于大規(guī)模集成。水平驅動光開關與垂直驅動光開關可形成二維開關陣列，而扭擺驅動光開關同時可形成二維與三維開關陣列。圖 分析與設計光開關采用靜電力驅動，具有較低的驅動電壓，其中扭擺式光開關的驅動電壓小于15V。對于2D開關陣列，在硅基上制作了光纖自對準耦合槽。對開關特性進行計算機模擬和分析，分析光開關的開關時間。 水平驅動2D光開關開關速度是光開關的一個重要指標，要有高的開關速度，就要有高的諧振頻率。對于圖 所示的結構，諧振頻率可表示為 f0=12πkfoldedMmirror++其中Mmirror、Mtruss和Mbeam分別是懸梁鏡、端部構架和折疊梁的質量；kfolded是折疊梁的彈性系數(shù)，有 kfolded=2Ehb3L3其中n為梳齒電極數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；y為位移；y0為電極初始重合長度；d為電極間間隙。由上式可以看出，要增加開關靈敏度和隔離度，減小功耗，就要增加懸臂梁的長度和減小寬度，這與提高諧振頻率的要求相矛盾。對于芯徑為10μm的單模光纖，根據(jù)高斯束理論，要降低衍射損耗，懸梁的側壁反射鏡尺寸應大于30μm[],設計中采用近似圖所示的結構，為了便于集成并實現(xiàn)光開關陣列，設計中保證輸入光纖與反射鏡成45186。角，并在硅片上設計自對準V形槽。 垂直驅動2D光開關和前一種光開關一樣，開關速度和驅動電壓是考慮的重要因素，動和定極板間的靜電力F＝12x?C?dV2=ε0s2d2v2其中C為動和定極板間的電容；ε0為真空介電常數(shù)；s為質量塊面積；d為電極間間隙，如圖所示，由公式可得縱向位移y≈F4kfolded=sL3ε016Ehb3V2其中E為楊氏模量；h、b和L分別為固支梁的厚度、寬度和長度；V為驅動電壓；kfolded是固支梁沿z方向的彈性系數(shù)。由公式可以看出，要增加開關靈敏度和隔離度，減小功耗，說法要增加固支梁的長度和減小寬度，郵于L187。b，因此長度對彈性的影響遠大于寬度。為此設計了折疊梁，增加了梁的長度，同時減小了芯片面積。質量塊的諧振頻率可表示為f0=12πkM由公式可以看出增加懸臂梁的長度和減小寬度，諧振頻率將降低，不利于提高開關速度，這與減小功耗又矛盾。因此應綜合考慮這些因素，此設計結構的f02kHz。如圖是垂直式光開關的計算機有根元分析（FEA）結果，分析表明此結構有高的諧振頻率從而可得到高的開關速度（小于1ms），驅動電壓小于30V。圖 扭擺驅動2D、3D光開關對于扭擺式結構如圖所示，設計了扭擺式固支梁，在靜電力的作用下，由于固支梁不是連接在質量塊邊沿的中心，因此質量塊以固支梁為軸產生一扭轉。理論研究表明，要減小驅動電壓，應盡量減小梁的寬度和增加梁的長度，和垂直驅動式一樣，同時也要考慮結構對開關速度的影響。圖示是垂直式光開關的計算機有限元分析結果，分析表明此結構有高的開關速度（小于1ms）和低的驅動電壓（小于15V）。圖 實驗 水平驅動2D光開關在傳統(tǒng)的MEMS體硅工藝中，由于存在較大的應力，而使結構變形，嚴重阻礙了體硅工藝的發(fā)展。本研究采用正面釋放深刻蝕淺擴散新工藝，此工藝縮短了濃硼擴散的時間，極大限度地減小了擴散時引入的應力，而且本工藝不需要硅－玻璃鍵合，只需一塊掩膜板，可一次完成反射鏡、V形槽的制作，具有自對準特點，減小了光開關損耗，縮短了工藝流程，提高了成品率。由于不存在硅－玻璃鍵合，因此動和定電極間需要采用pn結隔離。選n型硅材料，在制作過程中擴B，形成p++n結。采用ICP在硅片上刻蝕出懸梁和梳齒結構，刻蝕深度為50μm，然后進行P++擴散，擴散深度為4μm。擴散目的有兩個，一是作體硅腐蝕的自停止層，二是形成p++n結的p++極。再用ICP刻蝕掉表面的濃硼擴散區(qū)，而留下懸側壁的濃硼區(qū)。用EPW腐蝕液將硅片的輕摻硼區(qū)腐蝕掉，釋放出結構，n=150,d=3μm，b=3μm，L=900μm。為了降低散射損耗，懸梁側壁反射鏡要非常光滑，為此可采用氧化削尖和濺射Au工藝，來增加反射鏡的平整度，圖示是水平式光開關和光纖自對準V形槽SEM照片[]。 垂直驅動與扭擺驅動2D、3D光開關這兩種光開關具有相同的工藝條件，在本研究中盡量縮短濃硼擴散時間以減少應力的影響，擴散層的深度在10－15μm，濃度大小11019，這種擴散層形成濕法腐蝕的自停止層，即形成硅動作器結構。由于濃硼擴散層對濕法腐蝕具有自停止結果，因此硅片正面的結構形成需用干法刻蝕，在本研究采用反應離子刻蝕（RIE）工藝。采用靜電鍵合工藝對硅和玻璃進行貼合，為了提高鍵合成品率，硅和玻璃要有良好的表面狀態(tài)，并進行表面處