（计算机应用技术专业论文）三维微电子机械系统结构分析设计及其应用.pdf

南京| 【| i f 电人学硕一l 研究生学位论文摘要 摘要 随着光网络带宽需求的不断增长，d w d m 技术在长距离光通信系统中迅速发展，每根光 纤可以进行几百到上千个波长的传输，每个波长可承载l o g b s 以上的信号。以光束交换 为核心的交换设备才能满足如此大容量的交换要求。在高速光传送网中，光交换设备逐渐 成为限制网络通信速度的瓶颈，而基于微电子机械系统( m e m s ) 技术的光交叉连接设备被认 为是未来高速光网络中节点设备的首选。因此，论文对m e m s 的光交叉连接结构作了全面 介绍，主要对三维m e m s 的光交换器件结构进行了分析和设计，并对基于三维m e m s 结构的 光分插复用器在全光通信网中的应用进行了探讨。 论文主要包括以下内容： 在m e m s 的发展的基础上，介绍了m e m s 技术特点和国内外研究和发展的现状，并分析 了m e m s 的研究前景，为m e m s 的分析研究提供借鉴； 介绍了一维m e m s 和二维m e m s 结构及工作原理，说明了它们存在的缺点，分析了三维 m e m s 的结构，根据它的工作原理，讨论了它应用在高速光网络中的优势； 对反射镜进行了参数设计，分析了反射镜阵列的位置关系，推出了绕一轴转动和绕两 轴转动的驱动电压与偏转角度的计算公式，给出了驱动电压计算方法和驱动电压图。 分析了反射镜的最大偏转角度和最大驱动电压，提出了反射镜建立光交叉连接和拆除 连接时的动力学方程，得出了交换时延和恢复时延，还分析了反射镜运动过程中静电力矢巨 的功率。 用三维m e m s 结构的光交叉连接器构成了重构型的光分插复用器，分析它的工作原理， 并根据它在全光网络中的位置，分析在全光通信网中应用； 最后对整个文章进行系统的总结，并对未来的发展提出了展望。 关键词：微电子机械系统，密集波分复用，光交叉连接，光分插复用 塑室业鱼盔堂堡土型塑圭兰笪迨塞塑堡l a b s t r a c t w i t ht h er e a u i r e m e n to fo p t i c a ln e t w o r kb a n d w i d t hc o n t i n u a l l y i n cr e a s g ，t h e f e c h n o l o g y o fd w d mh a s ar a p i dd e v e l o p me n t i n l o n g d i s t a n c eo p t i c a i c 。m m u n i c a t i o n ss y s t e m e a c h f i b erc a nt r a n s mi t s e v er a lh u n dr e d st ot h o u s a n d w a v e l e n g t ha n de a c hw a v e l e n g t hc a n c a r r ym o r et h a n10 g b ss i g “a l s w i t c h i n g d e v i c ec 。r i n gb yo p t i c a ls w i t c h i n gj u s th a st h ea b i l i t y t os a t i s f yt h u sh g hc a p a c i t y s w i t c h i n gr e q u i r e m e n t o p t i c a l s w i t c h i n gd e v i c ei s b e i n gab 。t l i e n e c k t ol i m i t c o m m u n i c a t n gs p e e d g r a d u a l l y o p t i c a l cr o s s c o n n e c t d e v i c eb a s e d 。n m i c r 。一e i e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g y h a sb e e nb e l i e 。e dt h a ti t i st h e f ir s tc h o i c ea san o d eo ff u t u r eo p t i c a ln e t w o r kw i t hh i g h c a p a c i t y o na c c o u n t o ft h e r e a s o n ，f i r s t i y ，o p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c ea r c h i t e c t ur eo nm e m sh a sb e e ni n t r o d u c e d e n t i r e l vi nt h ed i s s e r t a t i o n s e c o n d l y ，t h ea u t h o rh a sr e s e a r c h e da n da n a i y z e d s 。m e d er f or m a n c eo fo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c ea r c h i t e c t u r eo n3 dm e m sa ti a s t ，t h ea u t 1 。f d 【s c u s s e st h a t 。p t i c a la d d d r o pm u l t i p l ed e v i c eb a s e d3 dm e m s a r c h i t e c t ur ei su s e d i nt h ea 一o p t i c a ln e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sm a i n l yt h ef o l l o w i n gc o n t e n t b a s ec | o nt h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc r o s s c o n n e c td e v i c e ，t h ec h a r a c t e r s o f m i c r o e l e c t r 。m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) a n dt h er e s e a r c h i n g s i t u a t i o n 。nn a t i o n a l a n di n f e m a l i 。n a li n s t i t u t eh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h er e s e a r c h i n gf o r e g r o u n do f m e m sh a sb e e na n a l y z e d ，w h i c hi sp r e p a r e df o rt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h 。n m e m s t h ea u t h o r n t f 。d u c e st h ea r c h i t e c t u r ea n dt h e o r yo f1dm e m sa n d2 dm e m s , a n de p l a i n st h e ird i s a d v a n t a g e s i ti s m a i r i l ys t u d i e da b o u tt h ea r c h i t e c t u r eo f3 d m e m sa d d i t i o n a l l y ，o na c c o u n to fi t s o p e r a t i o n a lt h e o r y ，i ti sd i s c u s s e da d v a n t a g e s o nm e m sa r c h i t e c t ur ei nt h eo p t i c a ln e t w o r kw i t hh i g hc a p a c i t y t h ea u t h o rd e s i g n st h ep a r a m e t e r so fm e m sm i r r o r ，a n d a n a l y 2 。8t h e | 。8 t 哪 胁t i o no fm e m sm ir r o r t h e n t h ea u t h o re d u c e sc a l c u l a t i n g f or m u l a 眦帆“g v o i t a a ea n dt i l ta n g l ea b o u t r o t a t i n gr o u n do n ea x i s a n dt w oa x e s , a n db r i n g s c a i c u l a 帅gm e t h o d sf o rd r i v i n gv o l t a g ea n dg r a p ha b o u t dr i v i n gv o i t a g e 1 1 南京邮电大学硕士珂f 究生学位论文摘要 t h ea u t h o ra n a l y z e st h em a x i m a ldr i v i n gv o l t a g ea n dt h em a x i m a lt i i ta n g l eo f m e m sm lrr or t h e nt h ea u t h o rb r i n g sd y n a m i c se q u a t i o no nm e m sm ir r orcr e a t i n g o p t i c a lcr o s s c o n n e c ta n dr e m o v i n go p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，a n dg e t st h es w i t c h i n g t i m ed e l a ya n dt h ec o m e b a c kt i m ed e l a y m o r e o v er ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ep o w ero f e l e c t r o s t a t i cdr i v i n gm o m e n ti nt h er o t a t i o no fm e m sm ir r o r t h ea p p l i c a t i o na b o u to p t i c a la d d dr o pmu l t i p l e x i n ga r c h i t e c t u r eb a s e do n3 d m e m si nt h eo p t i c a ln e t w o r kh a sb e e ne x p o u n d e d a tl a s t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ew h o l ea r t i c l e ，a n dv i e w st h ep r o s p e c to f o p t i c a ls w i t c hi nt h ef u t ur e k e y w o r d 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 s ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x i n g i l l 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向： 全光通信理论与技术 作 者：三q 堕级研究生 丁松峰指导教师扬登莶 题 目：三维微电子机械系统结构分析设计及其应用 英文题目：a n a l y s i s d e s i g na n da p p l i c a t i o no f3 dm e m s 主题词： 微电子机械系统密集波分复用光交叉连接 光分插复用 k e v w o r d 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 s ( m e m s ) d e n s i t yw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ( o x c ) o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x i n g ( 0 a d m ) 南京邮电大学学位论文独创性声明 x8 5 0 9 8 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：三塑! 叠日期：竺! ：竺! 兰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：二叠塑喧导师签名： 期：0 6 够，2 南京邮电大学硕十砷f 究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，光通信得到了快速的发展，作为光通信中关键环节的光互连与光 开关的地位也越来越重要，传统的以电为核心的开关已不能满足高速大容量光通信的需 求，尤其是全光传输网，而将代之以全光开关。全光开关是以光束传输为核心实现光的通 断和交叉连接的系统部件，不存在光电的转换。随着密集波分复用( d w d m ) 系统在远程传 输和城市网络中的快速推广应用，在高速的通信网络中，对网络交换节点提出了更高的要 求。光交叉连接设备的交换端口必须成百上千个，而且要有良好的扩展性，才能满足未来 网络发展的需要。在未来的太比特率通信网，只有使用全光交换技术才能满足网络容量 的要求。要成为传统开关的替代者，这种新型的全光开关必须具备低损耗和高稳定的特点 而m e m s 光开关具备了这些优点，而且与传输的数据速率和信号协议无关，t i ：l f i m e m s 光开 关还具有体积小、成本低、易集成和容量大的优点。 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 s ，微电子机械系统) 是指集微型机械、微型 执行器、信号处理和控制电路、接口、通信及电源等于一体的可批量制作的微型器件或系 统，代表了一种未来改变整个工业和带来下一次技术革命的不平凡技术，有人认为m e m s 技 术将是一次新的工业革命。m e m s 技术应用广泛，可以普遍应用于多种领域，包括微加速度 计、智能机器人、海量存储器、光纤通信系统组件、遗传和疾病测试、制导和导航系统、 功率产生、r f 器件( 特别是蜂窝电话技术) 、军事系统、生物和化学添加剂的检测。由于 目前m e m s 技术的研究仍不够完善，所以产品仅局限于少数几个领域。基于m e m s 技术的三维 空间光交换系统就是在通信领域很好的应用。 m e m s 的体积小，集成度高。由于采用了微电子工艺，可以大量生产，适于产业化。特 别是它的工作方式与光信号的格式、波长、协议、偏振方向、传输方向、调制方式均无关， 因此不受带宽的限制就可以处理任意波长的光信号。不仅如此，它还具有较低的损耗和较 高的扩展性，足以满足未来光通信网络发展所要求的透明性与可扩展性。所以我们认为， ，f 这种类型的交换机在生产工艺水平不断提高的今天，将会成为市场的主流。然而基于m e m s 技术采用静电驱动的光交换设备在传输和交换信息时，需要通过电信号来控制光信号的转 南京邮1 乜人学硕士研究生学位论文第一章绪沦 向和交换，开关速度仍然超不过半导体。 它具有良好的扩展性，与通信协议无关， 的全光网络中节点设备所需要的。 虽然m e m s 光交换器在开关速度上没有优势，但是 对波长信号透明传输的优点，这些特点正是未来 目前采用传统技术制作的光交叉连接器成本昂贵，电光开关使用光电光( o e o ) 转换 设备插入损耗较大，影响光信号传输质量，热光开关和声光开关稳定性不高，容易受外界 环境的干扰，都不适应未来光网络高速传输的要求。采用m e m s 的机械式光交换器具有良 好的可靠性、低插入损耗、低功率损耗、低成本、良好的可扩展性，符合未来网络的发展 方向。 当前m e m s 光交换器的研究还存在一些迫切需要解决的问题，比如，二维m e m s 光交换 器在实现大端口数量交换时，需要镜子过多，成本过高，无法进行批量的生产。目前研制 出来的包括微光开关在内的微型光学器件和系统，有些部分还需要人工组装，组装后还需 要精确校准，这给大批量生产带来了困难。因此，自组装、自校准、大批量生产、结构简 单和性能优异的微型光交叉连接设备是以后的研究发展方向。他们的研发成功和投入实际 应用将对工业技术和生活质量产生深远影响。1 。 1 2m e m s 的技术概述 1 2 1m e m s 光开关的需求背景 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。i p 业务在全球范围突飞猛的发 展，给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信 息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网络已成为现代信息技术发展的 必然趋势。近几年来，密集波分复用( d w d m ) 技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径， 使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。由于电子器件的本身物理极限，传统的 电子设备在交换容量上难以再有质的提高，此时交换过程引入的“电子瓶颈”问题成为限 制通行网络吞吐能力的主要因素。全光通信别是建立在密集波分复用( d w d m ) 技术基础上 的高速宽带通信网，在干线上采用d w d f i 技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器( o a d i ) 、 光交叉连接器( o x c ) 来实现，并通过光纤接入技术实现光线到家( f t t h ) 。 o x c 和o a d m 是全光网的核心技术，研究全光的交叉连接( o x c ) 和分插复用( c o a d m ) 设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而o x c 和o a d m 的核心是光开关和 光开关阵列。 。 南京邮- 乜人学颂上究生学位睦文 塑二堇堑堕 虽然m e m s 光交换器在开关速度上没有优势，但是 对波长信号透明传输的优点，这些特点正是未束 向和交换，开关速度仍然超不过半导体。 它具确良好的扩展性，与通信协议无关， 的全光网络中节点设备所需要的。 日前采用传统技术制作的光交叉连接器成本昂贵，电光开关使用光电光( o e o ) 转换 设备插入损耗较大，影响光信号传输质量，热光开关和声光开关稳定性不高，容易受外界 环境的干扰，都小适应未来光网络高速传输的要求。采用m e m s 的机械式光交换器具有良 好的可靠胜、低插入损耗、低功率损耗，低成本、良好的可扩展性，符合来米网络的发展 方向。 当前m e m s 光交换器的研究还存在一些迫切需要解决的问题，比如，二维m ie n s 光交换 器在实现大端口数量交换时，需要镜子过多，成本过高，无法进行批量的生产。目前研制 出来的包括微光开关在内的微型光学器件和系统，有些部分还需要人工组装，组装后还需 要精确校准，这给大批量生产带来了困难。冈此，自组装、自校准、大批量生产、结构简 单和性能优异的微型比交叉连接设各是以后的研究发展方向。他们的研发成功和投入实际 应用将对工业技术和牛活质量产生深远影响”1 。 1 2 m e m s 的技术概述 1 2 1 m e m 8 光开关的需求背景 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。i p 业务在全球范围突飞猛的发 展，给传统电信业务带来巨大冲击的同时，电为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信 息技术发展的潮流柬看，建设高速大容量的宽带综合业务网绺已成为现代信息技术发展的 必然趋势。近几年来，密集波分复用( d w d m ) 技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径， 使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。由丁电子器件的本身物理极限，传统的 f 邑子设备在交换容量上难以再有质的提高，此时交换过程引入的“电子瓶颈”问题成为限 制通行网络吞吐能力的主要因素。全光通信列是建立在密集波分复用( d 1 ；l d b l ) 技术基础上 的高速宽带通信网，在干线上采用d w d m 技术扩容，在交叉节点上采用光分插复用器( o a d m ) 、 光交叉连接器( o x c ) 来实现，并通过光纤接入技术实现光线到家( f t t h ) 。 i o x c 和o a d i 是全光网的核心技术，研究全光的交义连接( o x c ) 和分插复用( 0 a d m ) 设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而o x c 和o a d m 的核心是光丌关和 设备，成为建设大彝量通信干线网络1 分迫切的任务。而。x c 和o a d m 的核心是光升关和 光开关阵列。 ， 壹室塑垫厶堂堡土! ! 塞圭堂焦堡塞 笙二童堑丝 新技术对光开关提出了更高的要求。技术指标上要求器件具有更高的工作速度、低插 入损耗和长工作寿命；体积上由于单元器件的增多，要求更高的集成度；成本上由于网络 的扩大，所需器件将大大增加，必须降低成本才能被用户接受。采用传统的手段制造的光 开关难以满足上述要求。 利用m e m s 技术制作的新型广开关，体积小、重量轻、能耗低，可以与大规模集成电 路制作工艺兼容，易于大批量生产、集成化、方便扩展、有利于降低成本。此外m e m s 光 开关与信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振作用、传输方向等均无关，同时在进行 光处理过程中不需要进行光电或电光转换。特别是大规模光丌关阵列，几乎非m e m s 技 术而不能实现。而o x c 必需使用大规模光开关阵列。因此大规模m e m s 光开关阵列几乎成 为目前发展全光通信唯一可行的技术路线。 另外，m e m s 光开关及其阵列在现有光通信中的应用范围也很广。长途传输网中的光开 关均衡器，发射功率限幅器；城域网中的监控保护，干关、信道均衡器、增益均衡器；无 源网中的调制器等都需要光开光及其阵列。 在西方发达国家基于m e m s 技术的全光通信研究与开发成为光通信的焦点。这种高技 术全光网络将以成倍价格的降低和成倍性能的提高，迅速占领通信市场。 1 2 2 光交换技术 光交换技术是指不经过任何光电转换，直接将输入光信号交换到不同的输出端。光 交换系统主要由输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成，如图1 1 所示。 输入模块 交换矩阵输出模块 图1 - 1 光交换系统组成 光交换技术可分为光路交换和分组光交换两种类型；前者可利用o a d m 、o x c 等设备来 堕室l 堕坐壅兰塑型! ；竺兰垡堡塞釜= 至堑堡 实现，而后者对光部件的性能要求更高，目前国际上现有的分组交换单元还要由电信号来 控制，即电控光交换，随着光器件技术的发展，光交换技术的最终趋势将是光控光交换。 光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由平台，尽管现有的通信系统都采 用电路交换技术，但发展中的全光通信网却需要有纯光交换技术来完成信号路由功能以实 现网络的高速率和协议透明性，具有以下几个优点： 1 ) 可以克服电路交换的容量瓶颈问题； 2 ) 可以大量节省建网和网络升级成本； 3 ) 与电路交换相比，可以减小数据传输中的损耗，并且也降低了电磁场的干扰； 4 ) 可以大大提高网络的重构灵活性和生存性，以及加快网络恢复的时间。 光开关正是实现光交换的核心器件，主要完成光信号间的交换。按类型分为热光效应 光开关、液晶光开关、全息光栅开关、m e m s 光开关等。 1 23m e m s 的主要技术特点 m e m s 技术的英文全称是：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a is y s t e m s ，一般也称作微电子机 械系统技术，其含义是指将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路 等集于一体的可批量制作的微型器件或系统。m e m s 是随着半导体集成电路微细加工技术和 超精密机械加工技术的发展而发展起来的“。 m e m s 技术的特点主要是： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2 ) 以硅为主要材料，机械电气性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密 度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装 置或完整的m e m s 。批量生产可大大降低生产成本。 4 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成 于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一 起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠 性、稳定性很高的m e m s 。 5 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学 和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪硷 1 2 4m e m s 的发展目标 m e m s 发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开 辟了一个崭新技术领域和产业。m e m s 可以完成大尺寸电子机械系统所不能完成的任务，也 可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。m e m $ 在工业、 信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有 着潜在的巨大应用前景。目前，m e m s 的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境：正在增 长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：家用安全、化学配药和食品加 工。二十一世纪m e m s 将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、 医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响嘲“。 当元件表面微观尺寸达到纳米级时，已超出了宏观理论极限，而进入介于宏观和微观 之间的所谓“介观”领域，在微观结构以及微观表面会发生许多特殊的非经典物理现象。 因此，研究纳米状态下的客观规律成了重要的研究课题。国外为此开刨了纳米电子学、纳 米材料学、纳米机械学、纳米制造学以及纳米测量学等高技术领域。m e m s 技术是一种典型 的多学科交叉的前沿性研究课题，他几乎涉及到自然和工程科学的所有领域，如电子技术、 机械技术、物理学、生物医学、化学、材料科学、能源科学等。 m e m s 技术的研究方向主要有以下几个部分： 1 ) 理论基础：随着m e m s 尺寸的缩小，有些宏观的特性发生了改变，很多原来的宏观 理论都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦等等。 2 ) 技术基础：为了制作m e m s 系统需要开发、研究许多新的设计、工艺加工( 高深宽 比多层微结构) 、微装配工艺、微系统测量等技术。 3 ) 应用研究：人们不仅要开发制造m e m s 的各种技术，更重要的是如何将制成的m e m s 器件用于实际系统中，并从中受益。目前可以预见的应用领域可以包括汽车、航天 航空、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、消费品及国防等。 1 2 5m e m s 的主要制造工艺介绍 目前，m e m s 的主要制造工艺可分为三类：表面机械加工工艺，体微机械加工工艺和软 ，f x 射线深层光刻电铸成形技术。这些工艺都是在制作集成芯片的光刻技术的基础上发展起 来的”。 表面微机械加工工艺是以硅片作基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下面 5 堕塞塑查壅堂堡兰塑堑兰芏垡丝茎 笙二童堑迨 的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。表面微加工不同于体加工，它不 对基片本身进行加工。在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择地保留或去除以形成所需的 图形。表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。薄膜( 主要是多晶硅、 氧化硅和氮化硅等) 微器件提供敏感元件、电接触、结构层、掩模层和牺牲层。牺牲层的 刻蚀是表面微加工的基础。牺牲层是指做在淀积的图形材料层下的可溶解的淀积薄膜，通 常是二氧化硅，它可用湿法进行刻蚀。牺牲层被刻蚀后，留下的是无支撑的薄膜结构。图 卜2 是表面微机械加工过程示意图。首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层( 例如s i o 。) ，如图 卜2 ( a ) 所示：然后淀积结构层( 例如多晶硅) 经光刻得到微结构图形，如图卜2 ( b ) 所 示。对此进行湿法刻蚀，把牺牲层s i o ：去除，便可得到无支撑的微结构“。 牺牲层( 酣。2 )，微结构层 白鬻t 三i 侈腑 f ! 芒! ，! 卜、微结构 1。一 体微机械加工技术与表面微加工技术都是基于原先制造集成微电子体系的技术，用于 制造固态传感器、执行器和微电子机械系统。体微2 n x 技术是为制造微三维结构而发展起 来的，即按照设计图形在硅片( 或其它材料) 上有选择地去除一部分归材料，形成微机械 结构，它是m e m s 技术中最成熟的，已广泛用于硅微加速器，并用于流体传感器、墨水喷 嘴和微阀等。制造集成微电子体系的技术主要包括：晶体生长与制造基片、薄膜制备、光 刻、刻蚀和切块、封装等。 体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法两类刻蚀法。对于硅片，鉴于其 在多晶或单晶( 具有不同的晶像) 或其他环境下在刻蚀液里具有不同的刻蚀力，因而刻蚀 分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。各向同性刻蚀是指刻蚀时，刻蚀速率在各个方向相同。 各向异性刻蚀的刻蚀速率与多方面的因素有关。对硅片的( 1 0 0 ) 面的刻蚀速率可以在它 的( 1 1 1 ) 免得高1 0 0 倍。也可以采用掺杂法( 重掺杂区的刻蚀速率相对来说要小得多) 和电化学止停刻蚀法( 刻蚀将在p n 结不同极性区停止) 进行有选择性的刻蚀。许多微机 械结构均须将硅片刻蚀出深腔，形成隔膜。图卜3 示出了体微加工工艺制造的硅压力传感 器。 6 南京邮电大学颂士研究生学位论文第一章绪论 ( 1 0 0 ) 晶面上的隔膜 n - 型处延层( 中止p - n ) p 型 s i 基片 ( 1 1 1 ) 晶 图l 一3 体微h _ t - t - 艺制造的硅压力传感器中的硅隔膜 软x 射线深层光刻电铸成形技术l i g a ( l i g a 是德文l i t h o f f r a p i e ( 光刻) 、 g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 和i b f o r m u n g ( 塑铸) 三个词的缩写) 是x 光深度光刻、微电铸 和微塑铸三种工艺的有机结合，是利用短波段高强度的同步辐射x 光制造三维微器件的先 进制造技术。l i g a 技术被认为是最佳高深宽比的微加工技术，加工深度高达1 0 0 0 微米， 加工宽度为几微米，且可实现微器件的批量生产“舢。 1 3 国内外关于m e m s 光开光器件的研究现状 国外一些大研究机构从上世纪八十年代初就开始了光m e m s 的研究及h e m s 在通信方面 的应用研究。最近，m e m s 已开始在光通信中应用，使光通信进入了一个新的时代，同时也 使m e m s 技术成为了光通信技术中的热点之一。光h e m s 技术被认为是开启全光通信之门的 钥匙。以m e m s 光开光为代表的光m e m s 技术已经成为m e m s 领域最热门和发展最快的研究 方向。世界各大通信公司如l u c e n t 、n o r t e l 、c o m i n g 、n t t 、s i e m e n s 、a d i 和a g l i e n t 等公司投巨资进行m e m s 光开关等光m e m s 器件的研发或收购了相关m e m s 公司进行m e m s 光 开光阵列的研究。2 0 0 0 年3 月n o r t e l 以3 2 5 亿美元的天价收购了x r o s 公司，2 0 0 0 年4 月j d su n i p h a s e 以7 5 0 0 万美元收购c r o n o s 集成微系统公司，2 0 0 0 年5 月c o r n in g 收购 i n t e l l i s e n s e 公司6 7 的股份。这些一方面显示出目前在这一领域的激烈竞争，也表明了 h e m s 光开关的价值和m e m s 技术在光开关阵列领域的可行性。 构成o x c 结构的方式很多，但关键在于开发先进的光器件，包括光交换器件和光波剧 转换器件。根据不同的光交换原理，光交换可分为：h e m s 光交换、热光交换、电光交换和 声光交换，可实现光交换的器件有很多种。在光波长转换器件方面有用无源器件、波长可 选择激光器的光一电一光转换器件以及利用四波混频效应的半导体激光放大器( s o a ) 实 7 堕塞l 堕! 盔堂塑主婴塾圭兰堡堡兰塑二茎堑适 现光一光转换的全光波长转换器件等。随着新技术的发展，将会有更多类型的光交换器出 现。基于微电子机械系统的光交换器在交换吞吐量、响应速率、可靠性、集成规模等方面 具有无可比拟的优越性，因而成为目前研究的热点。 h e m s 是由半导体材料，如s i ，g e 等，构成的微机械结构。它将电、机械、光集成为 一块芯片，能透明的传送不同速率、不同协议的业务。它的基本原理就是通过静电或磁电 的作用使可阻活动的微镜面发生转动，从而改变输出光的传播方向。h e m s 既有机械光交换 的低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导光交换的高交换速度、小 体积、易于大规模集成等优点。基于m e h s 的光交换技术的解决方案已开始应用于骨干网 和大型交换网。 典型的m e m s 光交换器分为二维和三维结构，基于镜面的二维m e m s 器件由受静电控制 的二维微反射镜阵列组成，并安装在硅材料的底座上。 二维m e m s 光交换器需要2 个反射镜来完成n x n 个自由空间的光交叉连接，镜子只 有两个活动状态，其控制电路比较简单，可以t t l 驱动器和电压变换器来提供镜子活动所 需的电压。但对于大端口数量的交换，所需要的镜子数量太庞大，不适合未来高速率的通 信网络“。 三维m e m s 光交换器的镜面绕两个轴偏转，这些阵列通常是成对出现，输入光线到达 第一个阵列镜面上被反射到第二个阵列的镜面上，然后光线被反射到输出端口。镜面的位 置控制的非常准确，达到百分之一度。三维h e m s 阵列可能是大型光交叉连接的正确选择， 特别是当波长带从一根光纤交换到另一根光纤上。三维m e m s 主要靠2 n 个微镜阵列完成两 个光纤阵列的光束空间连接“”“”“。 两年前o h m 公司在一个无人值守的端局内的现场试验第一次演示了基于m e m s 子系统 的光交换机成功地传送了业务数据流。现场试验提供了一套包括4 x4 和8 x 8 全光交叉连 接交换机的光交叉连接子系统。这次试验是由美透明光网络联盟( n t o n c ) 主持，n t o n c 包 括北电网络、g s t 电信公司、s p r i n t 通信公司、l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室和b a r ，r 公司等。在整个试验过程中光交换机的工作都很正常。据了解，目前业界已经有超过5 0 家制造商展示了这方面的技术和产品。如美国朗讯( l u c e n t ) 科技公司分离出来并独立的 美国a g e r es y s t e n s 公司演示了通道数为6 4 x6 4 的3 维反射镜型光开关，该公司从2 0 0 1 年第2 季度开始提供工业样品，而第3 季度开始提供量产品。该产品的切换时间为1 0 m s 。 l u c e n t 公司已研制出了1 2 9 6 x 1 2 9 6 端口的m e m s 光开关，其单端口传送容量为1 6 功s ( 单 根光纤复用4 0 个信道，每路信道传送4 0 g b s 信号) ，总传送容量达到2 0 7 p b s “7 “”1 。 c a l i e n tn e t w o r k s 公司的d i a m o n dw a v e2 5 6 2 5 6 三维m e m s 光交换机的插入损耗一般约 r 亘夏些堕查兰堡三! 三型塾兰兰些丝塞 笙= 童堑鲨 为1 5 分贝，最大为3 d b “。北电网络公司以3 2 5 亿美元收购了美国x r o s 公司。该公司 拥有优秀的光交换技术，其光交换系统可交换1 1 5 2 个波长的业务，并突破了光交换设各 1 0 0 0 个端口的门限，而且对速率协议透明，允许高带宽数据流透明交换，无需光电转换， 交换时间小于5 0 m s ，其微镜的控制精度达到百万分之五度。 尽管基于m e m s 技术的光交换器目前还具有很多缺陷，但它们因为成本低，设计简单 以及良好的光学性能而获l u c e n t 等众多公司推崇，在技术上有了蓬勃的发展。北电、阿 尔卡特、j d s 等一些大公司也频频收购或投资开发m e m s 技术的公司，而像0 m m 、i m m 公司 这样专注于m e m s 技术的小公司更是举不胜举。 m e m s 光交叉连接器被认为是下一代光通信网络的重要产品。我国信息产业部电子第十 三研究所、清华大学及北京大学等单位都f 在开展这方面的研究工作。”。“1 。湖南普通光 电通信技术有限公司与美国福源集团、美国s i s 订l 公司就三方共同投资1 2 4 亿美元在长 沙建设湖南光电产业园项目正式签署协议。据了解，该项目建成后，将致力于m e m s 光开 关、光开关芯片和光传感器的研发制造，该项技术将填补我国光电通信产业m e m s 光芯片 研发制造技术的空缺”“。 1 4 m e m s 结构的光交换器件的前景分析 光网络市场的扩大，必然导致新型光交换器技术的发展和市场的崛起。由于光网络通 信量的持续发展，传统的基于电路交换的交换器件已经无法适应当前通信网的要求，研究 新型的高传输速度的光交换器件己成必然，光交叉连接器在光传送网中发挥着至关重要的 作用。这种前景，将为光交叉连接器生产厂商带来诱人的市场机会。 目前光交叉连接设备大多仍采用基于电路交换的交叉连接设备，这种元件性能稳定， 控制方便，但在核心网络中无法满足高交换密度和容量的要求，不能适应未来的通信网络。 为了占领市场，国外许多著名的生产厂商正在开发各种新型光交叉连接( 0 x o 设备，其 中最引人注目的就是用微机电系统( m e m s ) 技术开发的0 x c 设备。m e m s 技术使用了i c 制 造技术，可以实现低成本的生产。可以把模拟的、数字的微电子器件集成在一块芯片上。 m e m s 光开关可以实现大容量的光交换，对波长和数据格式透明，满足网络未来的升级要求， 而且具有体积小，集成度高的优点，能像集成电路那样大规模生产。 m e m s 技术在光通讯产业中的率先应用是在光交换机和相关元件。随着全光网络的兴 起、发展，经济信息化过程加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛 9 塑皇业堕查兰塑主! 丛塑皇堂重逢塞 笙二至笪堡 增，对基于m e m s 的光交换器需求也将会迅速增长。据台湾经济部技术处产业技术信息服 务推广计划( t t i s ) 统计，2 0 0 3 年全球二维m e m s 光交换器的销售量超过1 5 万颗，三维 m e m s 光交换器超过1 5 0 0 颗，而在2 0 0 1 年二维m e m s 光交换器件的销售量只有5 5 万颗左 右，三维光交换器的销售量不到1 0 0 颗。据通讯工业研究者公司( c i r ) 统计，尽管当前 电信消费仍处于低迷期，希望销售光纤开关子系统和元件的公司仍按照2 0 0 5 年美国市场 将从增长到1 l 亿美元的估计来调整其未来方向。 因此可见，由于光通讯市场的巨大需求，形形色色的m e m s 工艺技术也应运而生，m e m s 技术在此领域将得到更广泛的应用，将成为带动光通讯产业技术进步的关键技术之一。对 于m e m s 工艺技术而言，最大的挑战并不是推出精巧与众不同的设计，而是如何将整个的 生产制造流程简化，缩短批量生产所需的时间以及提高成品率。 对于全光交换的发展前景而言，由于3 g 牌照的发放，国内几大电信运营商( 中国电 信、网通等) 都在加紧投资3 g 网络建设。中国电信于2 0 0 5 年投资的新城域网项目将同c n 2 ( 互联网第二平面) 项目紧密联系在一起，后者是中国电信着力为未来通信业务打造的下 一代承载网络，将作为承载未来的3 g 、n g n 以及互联星空业务、多协议标签交换( m p l s ) 虚拟专用网( v p n ) 等数据业务的骨干网络“3 1 。当前光通信网络的演进方向正从追逐带宽 全面转向能完美承载业务，要根据不同的业务类别来确定网络资源提供的级别，从这个意 义上