（电子科学与技术专业论文）基于微电磁驱动的新型mems光开关研制.pdf

a b s t r a c t t h ee x d l o s i v ei n c r e a s eo fd i 酿a ls e r v i c eo fi n t e r n e tm a k e st h eo p t i c - f i b e r c o m m u n i c a t i o ng r o wv e r yf a s t t h eo p t i c - f i b e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m et h ec o r e t e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o n t h er a p i dg r o w t h o fo p t i c - f i b e rc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sc r e a t e sa l a r g ed e m a n df o ro p t i c a lc o m p o n e n t s m e m s ( m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) i sah i g ht e c h n o l o g yf o rw h i c hm a n yc o u n t r i e sc o m p e t e t h e o p t i c a lc o m p o n e n t sd e v e l o p e db yt h em e m st e c h n o l o g yh a v et h em e r i t so fs m a l ls i z e ， l i g h tw e i g h t 1 0 wp o w e rc o s ta n ds oo n t h em e m so p t i c - f i b e rs w i t c hh a sb e c o m et h e h o tp o i n to fo p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h s u p p o r t e db ys h a n g h a io p t i c a l t e c h n o l o g yp r o j e c t ，s o m e n o v e l o p t i c - f i b e r s w i t c h e sb a s e do nt h em e m s e l e c t r o m a g n e t i cm i c r oa c t u a t o rh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i sr e p o r t t h e s eo p t i c - f i b e r s w i t c h e sh a v et h em e r i t so fs m a l ls i z e s m a l li n s e r t i o nl o s sa n ds oo nt h i sp r o j e c th a s b e e ni u d g e db yt h es h a n g i t a is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e an o v e lm e m se l e c t r o m a g n e t i cw o b b l et y p em i c r o a c t u a t o rw a sd e v e l o p e d t h e m i c r o a c t u a t o ri sl a y e rs t r u c t u r ec o m p o s e do ft w os t a t o r sa n do n ew o b b l ed i s c ，w h i c h c a ni m p r o v et h eo h t o u tt o r q u eo ft h em i c r o a c t u a t o r t h em i c r o a c t u a t o ri sf a b r i c a t e d t h r o u g ht h em i c r o p r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n da c c u r a t em a n u f a c t u r i n g t h em a t e r i a lo f t h es t a t o rs u b s t r a t ei sf e r r i t e ，w h i c hc a nc o n d u c tm a g n e ta n dm a k et h em a g n e t i cc i r c u i t c l o s e t h es p e c i a lp r o c e s s i n gh a sb e e nd e v e l o p e df o rf a b r i c a t i n gt h es t a t o ro nt h e f e r r i t es u b s t r a t e ，w h i c hc a na s s u r et h eq u a l i t yo ft h es t a t o ro ft h em i c r o a c t u a t o r t h e w o b b l ed i s ci sc o m p o s e do fs m c op e r m a n e n tm a g n e t i ca l l o ya n dp l a t eo fs i l i c as t e e l t h em a g n e t i cr e m a n e n c ei nt h ew o b b l ed i s ca p p r o a c h e sm a g n e t i cs a t u r a t i o n u s i n gt h i sw o b b l et y p em i c r o a c t u a t o ra sd r i v i n gs o u r c e ，t h el 2 。2 x 2 ，1 4a n di 8 o p t i c f i b e rs w i t c h e sh a v eb e e nd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ei n f i u e n c eo fa s s e m b l i n g m i s a l i g n m e n to fg r i nl e n s e si sa n a l y z e db yt h et h e o r yo fg a u s s i a nl a s e rb e a m p r o p a g a t i o na n dt h em a t r i xo p t i c sm e t h o d t h o u g ht h et h e o r yc a l c u l a t i o n ，i tc a nb e s e e nt h a tt h ep l a n er e f l e c t i v em i r r o rw i l lc a u s el a r g ea d d i t i o n a li n s e r t i o nl o s si n2 x 2 o p t i c n b e rs w i t c ha n dt h et r i a n g l er e f l e c t i v ep r i s mm u s tb eu s e d t h es p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c so ft h eg o l d e nr e f l e c t i v ef l h na n dt h em u l t i l a y e rm e d i u mr e f l e c t i v ef i l m a r em e a s u r e d t h ei n f l u e n c eo ft h ea b r a s i o no fm o v a b l ec o m p o n e n t so ft h e m i c r o a c t u a t o ro nt h ec o u p l i n gl o s s e si sa n a l y z e d t h eo p t i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i c - f i b e rs w i t c h e sa r em e a s u r e dt h em e a s u r e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c e so ft h eo p t i c f i b e rs w i t c h e sa r eo u t s t a n d i n ga n dt h e y a r ep r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o ni np r a c t i c e k e yw o r d s ：o p t i c - f i b e rc o m m u n i c a t i o n ， m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) ， g r j nl e l l s i n s e r t i o nl o s s ， o p t i c - f i b e rs w i t c h ， m i c r o e l e c t r o - e l e c t r o m a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r b a c k r e f l e c t i o n 卜海变通人学博士后研究1 ：作报什 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代，美国未来学家托夫勒在第三次浪潮中首次描绘了信 息社会的美好前景，从此为人类揭开了信息时代的序幕。在全球信息化浪潮的 冲击下，人类对通信的容量、通信业务的种类和通信质量的要求不断增长。人 类社会正进入一个前所未有的信息爆炸时代，其中最具影响的三大事件是： 伴随着个人电脑普及而来的i n t e r n e t 的b 速发展。 由数字移动通信业务向个人通信发展而引发的常规通信的革命。 新的具有增值能力的多媒体通信业务的出现。 尤其是i n t e m e t 的出现可以说是二十世纪人类的最重大发明之一，它的出 现极大地改变了人们的生活方式，对整个世界的经济、科技、文化等方面都产 生了巨大影响。它对通讯系统带来的数据业务爆炸性的增长，极大地推动了光 纤通讯的发展，使其成为通讯技术的核心。日前，光纤通讯正进一步向全光网 通讯演化，全光网通讯已成为二十一世纪一个新的经济增长点。 1 1 光纤通讯的优点 与其它通信传输方式( 有线和无线) 相比较，光纤传输具有下列优点”i ： ( 1 ) 损耗极低。 商品石英光纤现已达到的损耗水平是在1 3 1i tm 波长o 3 5 d b k m ，1 5 5u m 波长o 2 0 d b k m ，这比最好的同轴电缆损耗的百分之一还要低。 ( 2 ) 频带极宽。 光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，这是冈为与人类早先采用的射 频、微波等载体相比，光波的频率更高，因而有高得多的可利用带宽。 ( 3 ) 抗电磁干扰。 光纤的一个重要特性是对电磁干扰的免疫力，它不会与其它信号传输线 路、闪电和t 业电力干扰产生感廊耦合。 ( 4 ) 电气绝缘。 因为光纤是用玻璃材料构造的，它足电气绝缘体，因而不需担心接地叫路。 ( 5 ) 信号保密性。 因为光信号被完善地限制在光纤中，任何泄漏的射线都被环绕光纤的不透 明包皮所吸收，因此光纤可以提供高度的数据保密性。 ( 7 ) 尺寸小，重量轻。 上海变通大学怫十后研究：作撤饩 ( 8 ) 材量丰富，价格低。 二氧化硅( s i 0 ：) 是构造光纤的主要材料，它来源 i 地球上最丰富而价廉的 矿物砂粒。制造光纤的费用主要由从原始材料制取超纯玻璃的t 艺过程决 定。 1 2 光纤通讯发展沿革 1 9 6 6 年，英籍华人高锟博士提出，依靠材料的提纯，玻璃( s i o ：) 纤维的损 耗系数有可能达到2 0 d b k m 2 3 】，这个预言引发了许多机构的研究计划，到1 9 7 0 年美国康宁( c o m i n g ) 公司宣稚制成了世界上第一根损耗系数低丁2 0 d b k m 的光 纤。紧接着的几年中，贝尔实验室和康宁公司合作，迅速把光纤损耗系数降低 到i d b k m 以下。在美国、日本、英国、德国相继出现了好几种生产光纤的 _ 亡艺”i 。这是光纤通讯的第一次飞跃。 光纤通信的第二次飞跃发生在2 0 世纪7 0 年代米。1 9 7 0 年发明了l d 的双 异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了1 0 万小时的实用化水平。1 9 7 9 年发现了光纤1 3 1u m 和1 5 5u m 新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光 纤的衰减系数一下降到了0 5 d b k m 以下。这一次的e 跃使得光纤通信迈入了 实用化阶段，从8 0 年代初开始光纤通信便大步地迈向了市场。 光纤通信的第三次飞跃发生在2 0 世纪9 0 年代丰j j 。1 9 8 9 年掺铒光纤放大 - 器( e d f a ) 的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。e d f a 的应用不仅解决了 光纤传输衰减的补偿问题，而且为光源的外调制、波分复用器、色散补偿元件 和光滤波器等一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤通信的数字传输速 率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。 1 3i n t e r n e t 对光纤通讯容量的需求 i n t e m e t 的规模发展之快已经超过了人们的想象。它由最杉j 位丁美国的四 个节点已经扩展到今天分布在1 7 5 个国家的数百万台土机，而且许多新的应用 不断涌现，如i p 电话、i p 传真、视频会议、电子商务等。这些客观事实引起 了人们极大的兴趣，有人预言：一场融合了通信与计算机技术的信息革命正在 悄然兴起，当今的i n t e m e t 就是这场革命的先兆。 全世界电话用户的年增长率平均为5 1 0 左右。然而，近年来，由丁计 算机的广泛应用和普及，数据业务正呈现高速增长态势，平均年增长率达2 5 - 4 0 ，远高于电话业务。特别是i p 业务的爆炸式增长，其规模和业务量已达 到了约每6 - 9 个月翻一番，比著名的c p u 性能进展的摩尔定律( 约1 8 个月翻一 番) 还要快2 3 倍。显然，按此趋势，用不了几年，网上的数据业务将会超过 电话业务，最终电信网的业务将主要由数据构成，而非电话业务。 不断涌现的新的通信应用包括互联网浏览、视频点播、视频电话和视频远 程会议等都依赖于光网络所特有的巨大带宽的支持。此外，诸如可视图文、远 卜海交通大学博十后研究i ：作报告 程教育、远程医疗( 高分辨率医学图像处理) 、远程超级计算机可视化、电视购 物、电视会议、高清晰度电视( h d t v ) 、交互式有线电视等数字或模拟图像通 信新业务的出现必然需要大量的可视信息和要求非常快的反应时间，冈此提出 了进一步实现网络高速化和宽带化的迫切要求。 理论上一根光纤在1 5 3 0 n m - 1 5 6 5 n m 的带宽范喇内传输容量约为4 t b i t s ， 而目前实际得到利用的还不到i t b i t s ，如何丌发利用光纤的传输资源，足一项 十分有意义的研究1 5 】。 增加光纤网络的容量及灵活性，提高传输速率和扩容的手段可以有多种方 式，下面对儿种扩容方式进行比较。 ( a ) 空分复用s d m ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 空分复用是传统的扩容方式，靠增加光纤对的方式线性增加传输的容量， 传输设备也线性增加。在光纤对充足的情况下，这种扩容方式的优点是简单， 扩容方案较易实现。这种方式没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资 源的浪费，并且成本较高。 ( b ) 时分复用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 从传统p d h 的一次群至四次群的复用，到现在s d h 的s t m i 、s t m 4 、 s t m - 1 6 乃至s t m - 6 4 的复用。通过时分复用技术，可以成倍地提高光传输信 息的容量。但对于高速率系统的时分复用，日前设备的成本还较高，目前广泛 应用的是2 5 g h z s 系统，1 0 g h z s 也已开始商用，但再进一步提高传输速率却 受到许多因素的限制。如4 0 g b i t s t d m 已经达到电子器件的速率极限，即使足 1 0 g b i v s 的速率，不同类型光纤的非线性效应也对传输产生各种限制。 ( c ) 密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v el e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 密集波分复用技术是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将多个不同频率 ( 波长) 的光信号混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信 号可以是相同的速率和数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。波分复 用扩容方案可以通过增加新的波长，按照用户的需求确定网络容量，足一种可 以将一根光纤当多根光纤来使用的十分有效的扩容方案。密集波分复用已经成 为目前光纤通讯扩容最主要的方法阶”。 图1 1 是光纤传送系统容量随年代的变化，最初以提高光电子电路器件丁 作速度的t d m 技术来扩容。到了1 9 9 5 年，由r 采用d w d m 技术，传送容量 迅速扩大。 卜海交通人学博i i j | _ 究丁作报告 图1 1 光纤传输系统容茸随年代的变化 1 4 光纤通信的主要发展趋势 ( a ) d w d m 技术迅速发展 d w d m 自1 9 9 5 年开始商用以来，发展速度极其迅猛，其设备的销售额突 飞猛进。在1 9 9 5 年到1 9 9 7 年的三年时间里，采用d w d m 技术的光纤通信系 统仅在北美的年销售额就由5 0 0 0 万美元激增至1 0 亿美元，到2 0 0 0 年北美地区 的年销售额超过3 0 亿美元，世界其它地区的销售额超过1 5 亿美元。从世界范 围来看，目前在建或将要建设的商用光纤通信系统，基本上都是d w d m 光纤 通信系统，原有的光纤通信系统也都将陆续地被改造成d w d m 系统。在巨大 的市场潜力的带动下，d w d m 技术领域的开发步入了一个良性的快车道，国外 报道的d w d m 研究水平如表l 所示。 表i 国外报道的d w d m 研究水平 研究机构或公司d w d m 方式传输容量g b i f f s传输距离k m所_ j 光纤类j 弘 a t & t l u c e n t2 0 5g b i f f s 1 0 0 9 1 0 0g 6 5 2s m f n t t 4 x 4 0g b i f f s 1 6 0 3 2 0g 6 5 3d s f a l c a t e l3 2 1 0g b i f f s3 2 05 0 0g 6 5 2s m f l u c e n t3 2 l og b i f f s3 2 06 4 0g 6 5 2s m f k d d5 0 1 0 6g b i f f s5 3 31 6 0 0g 6 5 2s m f f u j i t s u 5 5 2 0g b i f f s1 1 0 0 1 5 0g 6 5 2s m f n e c1 3 2 2 0g b i f f s2 6 4 01 2 0q 6 5 2s m f ( b ) 光器件将继续发展 在过去的十年里，光纤器件性能取得了重大进展。掺铒光纤放大器( e d f a ) 和d w d m 系统已被广泛采用。激光器模块的速率从6 2 2 m b i t s 增加到10 g b i t s ， 甚至4 0 g b i t s 。 在未来的l o 年内，最具增长活力的光纤器件将是无源光器件”1 。它们的需 求将以每年2 0 的速度递增。这些无源器件包括连接器、耦合器分路器、滤 4 卜海交通人学博f 后酬究丁作撒青 波器和光开关，还有“其它器件”，如喇曼光放大器将走向实用化。 ( c ) 新型光纤在实际中广泛应用 随着t d m 速率的提高和d w d m 波长数的增加，光纤的色散和非线性效 应( 包括受激布里渊散射、受激喇曼散射、自相位调制、互相位调制、四波混 频) 成为阻碍通讯容量进一步增加的主要因素。为此开发了多种新型光纤，主 要包括非零色散位移光纤、大有效面积光纤和消水峰的全波光纤。这些光纤的 衰减和色散特性见图1 2 。由于新型光纤性能优越，将会在未来全光网络罩得 到广泛应用。 圈1 2 新型光纤的衰减和色散特性 o j ” 2 0 i ( d ) 最终实现光联网 实用化的d w d m 系统基本上是基于点到点的通信，节点交换机还是纯电 子式的。随着传输网络的宽带化，当前通信网络的瓶颈是在各种电节点上。节 点中光电、电光信号的转换和处理，对网络的传输速率产生很大的限制，克 服电子瓶颈的办法是直接进行光信号处理。通过光信道直接联网，建立一个透 明的光层网络，即光联网技术。全光网络( 全光通信网络) 是指光信息流在网 络中的传输及交换时始终以光的形式存在，而不需要经过光电、电光变换。 也就是说，信息从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，波长成为全 光网络的最基本单元【9 0 0 1 。 全光网络具有如下优点：1 ) 提供巨大的带宽。2 ) 与无线或铜线比，处理 速度高且误码率低。3 ) 采用光交换的全光网络具有协议透明性，即对信号形 式无限制，允许采用不同的速率和协议有利于网络应用的灵活性。4 ) 全光 网中采用了较多无源光器件，省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高 了网络整体的交换速度，降低了成本并有利于提高可靠性。 九十年代以来，美国国防部先进研究计划署( d a r p a ) 组织和资助了a o n ( 全光网) 、o n t c ( 光网技术联盟) 、m o n e t ( 多波长光网) 、n t o n ( 国家 透明光网) 等几个大的研究项目，已建立起几个现场实验系统。9 7 年美国m c i 公司也完成了5 个节点的现场实验网。同期，在欧盟r a c e 和a c t s 计划资助 下，联合了欧洲十几个国家先后组织了m w t n ( 多波长光网) 、p h o t o n ( 泛 欧光子传送网) 、o p e n ( 泛欧光网) 、m e t o n ( 城市光网) 、w o t a n ( 波长 捷变光传送和接入网) 、m 0 0 n ( 光网管理) 等十几个研究项目，并已于9 8 年 建立起儿个现场实验系统。如o p e n 项日已开展了挪威丹麦和法国一比利时两 个跨国界的现场实验系统等。此外，日本、加拿大等也开展了大量的研究t 作， 光联网已开始进入示范和实用化推广阶段。 光联网已经成为继s d i - i 以后的又一新的光通信发展高潮。建设一个透明 的、高度灵活的和超大容量的国家骨干光网络，不仅可以为未来的国家信息基 础设施( n i l ) 奠定一个坚实的物理基础，而且对我国信息产业和国民经济的腾 e ，以及对国家安全，都有极其重要的战略意义。 1 5 我国光纤通讯的发展1 1 】 我国于2 0 世纪7 0 年代初开始从事光纤通信研究。到7 0 年代米，已能制 造多模光纤、发光二极管和激光器以及s i 光电二极管，并先后在上海和武汉 建立了多模光纤8 m b i t s 和3 4 m b i t s 的数字光纤通信试验系统。1 9 8 0 年中国第 一根单模光纤在上海科学技术大学研制成功，并先后在上海、武汉、桂林、成 都研制成功1 4 0 m b i t s 数字单模光纤传输系统。到8 0 年代末武汉邮电科学研究 院的国产1 4 0 m b i t s 数字光纤通信系统开始进入商业化生产和实际敷设使用阶 段。至今全国已敷设光缆1 0 0 万公里，已有一定规模的光纤通信产业，能生产 光纤、光缆、光电器件、光端机和仪表，规模虽不够大，但体系比较完整。光 纤年产量超过3 0 0 万公里。长波长半导体激光器和光探测器品种齐全，已能满 足商用要求，激光器寿命已达2 0 万小时。国产数字光端机速率己达1 0 g b i t s ， 光纤无源器件( 光纤活动连接器、光纤耦合器、波分复用器等) 和仪表机具( 光功 率计、光纤熔接机、光时域反射仪等) 均已达到或接近国际商品水平。 在d w d m 方面，我国的d w d m 光通信网的研究也取得了很大进展，国 内自行研制开发的d w d m 传输系统也已开始商用。在国家自然科学基金和8 6 3 项目支持下，清华大学、北京大学和北京邮电大学二三方合作，比较早地丌展了 对d w d m 光通信网的研究工作，于1 9 9 8 年4 月完成了4 节点、4 波长的试验 网试验。国产的8 x 2 5 g b i f f s 系统已应用于干线工程，如武汉邮电科学研究院 的济南- 青岛8 x 2 5 g b i t sd w d m 工程已于1 9 9 9 年5 月7 日通过终验，日前正 在进行1 6 1 0 g b i t s 和3 2 x1 0 g b i t s 系统的研制。 在全光网方面，”七五”和”八五”期间，我国8 6 3 计划就丌展了光交换 基础技术的研究工作，在各自领域都取得了较重大的成果。武汉邮电科学研究 院已研制出可以上下4 个波长的光分插复用器( o a d m ) 。北京邮电大学、清 华大学、上海交通大学等已研制出小型的光交义连接设备( o x c ) 。 1 9 9 5 年，上海交通大学率先向国家科委8 6 3 计划提出了全光网项目建议， 并于1 9 9 6 年获得”九五”重大预研项目立项支持，1 9 9 7 年正式启动，中国从 此开始了国家支持的全光网计划项目研究，并开始了中国主干传送网由“单纤 单信道+ 纯电子交换节点“向”d w d m 传输+ 纯电子交换节点”和“d w d m 传 输+ 光电混合交换节点”升级的历程。 6 上海交通人学博士后研究l 作报告 自1 9 9 9 年丌始，国家8 6 3 计划联合信息领域的主要力量，在国内已有研 究开发的基础上，联合攻关，开始建设中国高速信息示范网( c h i n aa d v a n c e d i n f o r m a t i o n & o p t i c a ln e t w o r k c a i n o n e t ) 。 此外，国家自然科学基金重大项目”全光网基础研究”也于9 9 年初丌始启 动，将进一步促进我国全光网技术的发展。 1 6m e m s 的发展现状 1 9 5 9 年美国物理学家、诺贝尔奖扶得者r f e y n m a m 提出微型机械的设 想，开创了微机械新的研究领域1 9 8 7 年到1 9 8 8 年，来自m i t ，b e r k e l e y ， s t a n f o r d ，a t & t 和美国国家自然科学基金委( n s f ) 的1 5 名科学家提出了“小 机器，大机遇：关于新兴领域一微动力学的报告”的国家计划建议书。其后， m e m s 的研究得到美国n s f 和d a r p a 的大力资助。日本通产省在1 9 9 1 年度 开始实施为期1 0 午、总投资2 5 0 亿日元的微型机械技术研究丌发计划。9 0 年 代后期欧洲联络了3 0 0 多个相关机构，组成微机械研究组织n e x u s ( n e t w o r ko f e x c e l l e n c ei nm u l t i f u n c t i o n a lm i c r o s y s t e m s l 。微机电系统( m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，又称微系统，以下简称m e m s 。m e m s 是融合了砬微加 工、l i g a 和精密机械加工等多种微加t 技术，并应用现代信息技术构成的微 型系统。它是在微电子技术的基础上发展起来的，但义区别于微电子技术，包 括感知外界信息( 力、热、光、生、磁、化等) 的传感器和控制对象的执行器， 以及进行信号处理和控制的电路。m e m s 的显著特点足多种学科前沿技术高度 综合、交叉和渗透，又为多种学科的发展服务，足国际公认的二十一世纪科技 发展的前沿和基础。它的主要特点是1 1 2 “3 。1 4 1 ： 一学科上的交叉综合：m e m s 涉及力学、材料、电学、光学、热学、机 械、生物、化学等学科，是这些学科前沿的综合。 技术上的微型化、集成化、智能化。 产品上的高功能密度，并能低成本的批量生产。 体积小，精度高，重量轻。 性能稳定，可靠性高。 能耗低，灵敏度高和丁作效率高。 一应用上的高度广泛：m e m s 的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、 电子、机械、航空、航天和军事等等。它不仅可形成新的产业，还能 通过产品的性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。 m e m s 受到世界各国的高度重视，近年来，国际上m e m s 专利申请更足 呈指数上升趋势，预计在未来几年，m e m s 将进入产业快速发展阶段。权威的 s p c ( s y s t e mp l a n n i n gc o r p o r a t i o n ) 预测，m e m s 市场将以2 0 - 3 0 的增长 率超常发展，到2 0 0 3 年将超过4 0 0 亿美元【l ”。 我国的微机械研究也逐渐得到重视，从8 0 年代米我国丌始微型机电系统 研究，国家科委、国防科工委、国家自然科学基金委等部门将其列为重点发展 项目。现已取得很多有价值的成果，如微小压力传感器、加速度计、陀螺、磁 海交通人学博l ，后 i j | = 究t 作撒告 强计、红外传感器、力传感器、r f 器件、电机、阀、泵、推进器、光谱仪、 毛细管电泳芯片、生物传感器、生物芯片、细胞操作系统、微飞机和纳卫星等 等”。还包括硅和非硅制造工艺、测试技术和微机理研究等。 1 7m e m s 中的微细加工技术 m e m s 中的微细加工技术主要有体微机械加工技术、表面微机械加工技术 和l i g a 技术“”。 ( a ) 体微机械加工技术 体微机械加工技术是利用晶圆片各结晶面腐蚀速度不同的特性，通过各向 异性腐蚀来加工三维微机械结构。利用它可以相对容易地制造出大批量的零部 件，但很难制造精细灵敏的悬挂系统。另外，体微机械加工技术无法做到零部 件的平面化布局，因而它不能和微电子线路直接兼容。 ( b 1 表面微机械加工技术 表面微机械加工技术通过在衬底上沉积各种薄膜材料并刻蚀成图形的方 法来制造三维微机械结构。沉积的多层薄膜材料中，包括牺牲层材料和结构层 材料。首先，沉积牺牲层材料。牺牲层的作用就是在连续加工形成结构层的过 程中使结构层与衬底分丌：其次，沉积和腐蚀结构层材料；最后，除去牺牲层， 就可得到分离的结构层。表面微机械加工技术的主要优点是与常规i c 工艺的 兼容性，充分利用了标准i c 薄膜沉积技术和图形形成技术。图1 3 是用表面 微机械加工技术制得的世界上第一台静电微电机。 ( c ) l i g a 技术 l i g a 是德文l i t h o g r a p h i eg a l v a n o f o r m u n gu n da b f o r m u n g 的缩写，意指利 用x 射线光刻、电铸及注塑的技术加工微构件。l 1 g a 包含几个加工步骤：首 先在衬底表面旋涂较厚的光致抗蚀剂，再用x 射线对光致抗蚀剂进行曝光，经 显影后制得微结构模板。最后，利用这一微结构模板进行微电镀，形成三维微 机械结构。用l i g a 技术可以制造具有很高深宽比的微机械结构，图1 4 是用 l i g a 技术加工的行星齿轮系。 图1 3 世界上第一台静电微电机 图1 4 _ l l jl i g a 技术加j 的行星齿轮系 ；兰璧些鳖丝坚尘兰丝堕；一 1 8 现有的光开关实现方案8 1 光丌关是重要的光无源器件，世界市场光丌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，对光开关的需求也将会急剧上升。根据r 本光通信行业统计，九十年代 末世界光开关年需求量近百万件。近期外刊报道，世界光开关年销售增长率已 达到1 3 。 光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用光网络中 关键设备( 如o a d m o x c ) 的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。 依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、热光丌关、液晶光 开关和声光开关等”“州。 ( a ) 机械式光开关 传统的机械式光开关发展已比较成熟22 1 ，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等。传统的机械式光丌关插 入损耗较低( 一 4 5 d b ) ；不受偏振和波长的影响。其缺陷 在于开关时间较长，一般为毫秒量级( 约1 5 m s ) ，有时还存在回跳抖动和重复 性较差的问题。另外其体积较大，不易做成大型的光开关矩阵。因此，传统的 机械光开关难以适应高速、大容量光传送网发展的需求。 传统的机械式光开关虽然存在开关时间偏长，体积偏大的不足，但其串音 小，插入损耗低，与使用的光波长、偏振态无关，不受系统的数据格式限制， 价格相对便宜等优点，在当前全光网络组建的初始实验阶段，仍有不可替代的 作用。此外，对于开关速率要求不高的其它非通信光网络系统，如光测试系统、 光纤传感系统、光器件调试系统，机械式光开关性能价格比相对较高，其它类 型的光开关无可比拟。 新型的微机械( m e m s ) 光开关既具有传统机械光丌关的插入损耗低、隔离 度高等优点，同时还具有体积小易于集成等优点，成为大容量交换光网络丌关 发展的主流方向。鉴于m e m s 光开关的重要性，以及本研究报告的研究方向， 本章将在后面专门介绍m e m s 光开关的研究现状。 ( b ) 半导体光放大器( s o a ) 开关吲 半导体光放大器开关利用s o a 的放大特性，实现光的通断。在关断状态， s o a 是不透明的，即输入光被s o a 吸收。在开启状态，光线允许通过s o a ，同 时被放大。此种光开关具有广播功能，通过调节s o a ，输入信号能被广播到所 有输出端，同时s o a 提供的增益补偿了光开关的损耗，交换时间为1 n s 左右。 ( c ) 喷墨气泡光开关 安捷伦公司采用他们的热喷墨打印和硅平面光波导技术，开发出一种二维 光交叉连接系统，如图1 5 所示。安捷伦把这种技术称为“光子交换平台”。 其光开关包括两部分：下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。七下之间 抽真空密封，内充特定的折射率匹配液，每一个小沟道都对应一个微型电阻， 通过电阻加热匹配液形成气泡，对通过的光产生全反射。当有入射光照入并需 要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小气泡，小气泡将光从入射波导 全反射至输出波导。h p 的喷墨打印技术的引入主要反映在对气泡产生的精密 控制上。喷墨气泡光开关交换速度为l o m s 。由于没有可移动部分，可靠性较 好。由于使用已有的技术，故其成本不高，同时具有较好的扩展性。 喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑：( 1 ) 如何很好地控制光丌关的状 态，如光丌关频繁动作或长期维持气泡状态。( 2 ) 喷墨气泡光丌关封装后，其 内部材料和液体的生存时间问题( 如典型的2 0 年) 。 幽1 5 安捷伦公司喷墨气泡光开关示意图 ( d ) 液晶光开关1 2 4 j 液晶光开关的工作状态基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路 可以通过。典型的液晶器件包括无源和有源两部分。无源部分，如分路器将入 射光分为两路偏振光。根据是否加电压，有源部分或者改变入射光的偏振态或 者不改变。由于电光效应，在液晶上施加电压将改变非常光的折射率，从而改 变非常光的偏振状态，本来的平行光经过在液晶中传输会变成垂直光。液晶的 电光系数很高，是铌酸锂的几百万倍，使液晶成为很有效的光电材料。液晶光 开关的交换速度可达亚微秒级，未来将可以达到纳秒级。 ( e ) 热光开关 热光开关主要有两种基本类型：数字型光丌关和干涉型光丌关。数字型光 开关当加热器加热到一定温度，开关将保持固定状态。最简单的是1 2 光丌关， 称为y 型分支器热光开关，如图1 6 所示。当对y 型分支器的一个臂加热时， 它的折射率改变，阻断了光线通过此臂。 图i 6y 型分支器热光开光结构 0 p o r t1 p o r t2 上海交通人学博l 后 i l f 究t 作撒告 mz 干涉型光开关结构如图1 7 所示。它包括一个m z i 和两个3 d b 祸合 器，两个波导臂具有相同的长度，在m z i 的干涉臂上镀上金属薄膜加热器形 成相位延时器，波导一般生成在硅基底上。通过控制加热器可以选择光在哪个 端口输出，从而实现开关动作。 同伺 图1 7 m z i 热光开关结构 高阶的光开关矩阵可以通过这两种光丌关单元集成而得到，n t t 公司采用 双m z i 串联构成了严格无阻塞的8 8 丌关矩阵【2 5 j ，图1 8 是n t t 公司制造的 8 8 热光开关结构图。 图1 8 n t t 公司的8 8 热光开关结构幽 ( f ) 全息光开关【2 6 】 全息光开关是利用激光全息技术，将光栅全息图写入k l t n 晶体内部，利 用加电后全息光栅对光的反射实现开关作用。这种技术可以很容易地组成上千 个端口的光交换系统，并且它的开关速度在纳秒级。由于没有可动部件，其可 靠性较高。但这种光开关的功耗比较大，并且需要高压供电。 ( g ) 声光开关【2 7 】 这种光开关利用声光效应来控制光的偏转实现丌关作用，同样没有移动部 分，具有较高的可靠性，开关速度从数百纳秒到几微秒，1 2 光开关损耗为 2 5 d b 。 总之，光开关实现的原理很多，以上这些技术各有优缺点，目前还处于剧 烈竞争状态，难以确定那种技术将取得最终的胜利。 1 9 光m e m s 的发展现状 最近几年，在m e m s 技术中发展起来了一支极具活力的新技术，这就是 微光机电系统( m i c r o - o p t o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m o e m s ) 。微光机电系统 上二海交通人学博i j 舌 i f 究t 作撤告 是m e m s 技术的一个重要研究方向，它是由微光学、微电子和微机械相结合 而产生的一种新型光学系统。 ( a ) 微光学元件 m o e m s 的组成技术之一是微光学，它在过去l o 年内得到迅速发展【2 刖。 微光学元件，如衍射光栅【2 、微透镜、微平面反射镜等在光学研究中受到极大 的关注。微透镜可以分成两大类：衍射微透镜和折射微透镜。衍射微透镜采用 光刻、反应离子刻蚀和薄膜沉积等方法制得。折射微透镜可以通过光刻后热熔 光刻胶的方法制得1 3 0 1 。平面反射镜可以通过体硅加工技术或表面微机械加工技 术制备。图1 9 是用表面微机械加工技术得到的菲涅尔( f r e s n e l ) 透镜，图1 1 0 是微平面反射镜。 图1 9 菲涅尔透镜 幽i ，1 0 微平面反射镜 ( b ) 数字微镜( d m d ) t i 公司利用m e m s 技术生产的用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯 片( d m d ) ，占有高清晰投影仪市场的大部分份额【3 1 】。其分辨率和响应速度都 明显优于传统的液晶投影器。美国希望这一新产品能成功地取代同本在投影仪 中的优势地位。图1 1 】是d m d 的结构示意图。 幽1 1 1d m d 结构示意图 上海交通大学博 后研究t 作撤告 ( c ) 微光通讯器件 m o m e s 被认为是开启全光通信之门的金钥匙，2 0 0 0 年，n o r t e l 公司以3 2 5 亿美元收购了专门从事m e m s 光开关研发的x r o s 公司，成为i t 行业爆炸性 的新闻，显示了m e m s 成为当今高新技术最热门的一个研究方向，揭示了光 m e m s 技术的巨大潜在价值与市场。各大通讯系统公司如h p 、l u c e n t 、 d i c o n 等也投重金发展m e m s 光通讯器件。目前，采用m e m s 技术已开发 了多种方案的光开关、可变光衰减器和波分复用器等3 33 4 , 3 5 3 6 j 。 1 1 0m e m s 光开关研究进展 基于微机电系统( m e m s ) 的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、 调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都要优于其它类 型，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展性等趋势相符合，有可能成为 核心光交换器件中的主流。由于m e m s 技术可以利用类似i c 的工艺成批加工 生产，尽管制造过程比较复杂，但因可以批量生产，所以降低了单个的成本。 m e m s 光开关的实现方案很多，这里介绍几种最主要的方案【37 1 最简单的微机械光开关是1 2 光开关，图1 1 2 是微镜移动式1 2 微机 械光开关【3 8 1 。此微机械光开关由垂直的扭转镜和背电极组成。垂直扭转镜与背 电极间的夹角为4 5 0 。该开关是通过三层多晶硅表面工艺