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m e m s 光开关的三级c l o s 网络连接优化研究 摘要 随着通信业务的快速增长，更高速率的全光网络开始受到瞩目和发 展。全光通信网的快速发展对传统的光开关提出了挑战，同时也对大尺 寸光开关提出了需求。 论文从光开关在光通信中的作用和性能参数入手，介绍了传统光开 关的特点，综合介绍了几种新兴的光开关。在此基础上引入m e m s 技术， 对m e m s 光开关的特点和致动机制进行了研究。然后分别从一维、二维 和三维光开关的角度探讨了m e m s 光开关的体系结构，对三类m e m s 光开关进行了比较。根据全光网络对光开关的要求，探讨了构建大尺寸 m e m s 光开关的几种解决方案，并提出以二维m e m s 光开关进行搭建、 以三级c l o s 网络进行级联的构建方案。 论文进行了三级c l o s 网络连接优化的研究。首先建立二维m e m s 光 开关和三级c l o s 网络的数学模型，然后基于损耗计算对扩展广义随机 ( e g s ) 、最大加最小g r e e d y ( m m g ) $ i 压缩e g s ( c e g s ) ( 包括c - e g s l ， c e g s 2 ) 三种连接方式进行了优化比较，并最终判定e g s 方式不具备 优化功能，而m m g 、c e g s 。1 和c - e g s 2 三种连接方式则可以针对相 邻两级开关数量关系不同的三级c l o s 网络实现优化，从而为大尺寸 m e m s 光开关的构建提供了一套c l o s 网络优化连接方案。 关键词m e m s ，光开关，大尺寸，c l o s ，连接，优化 摘要 i t e s e a r c h0 nt h ec o n n e c t l 0 n0 p t i m i z a t l 0 no fm e m s o p t i c a ls w i t h c hm a t r i c e su s i n gt h r e e s t a g ec l o s n e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s a 1 1 o p t i c a ln e t w o r k f a o n lw i t h a h i g h e r r a t ei sf o c u s e do n t h ei n c r e a s i n g l y d e v e l o p i n g a l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt a k e sag r e a tc h a l l e n g et ot r a d i t i o n a io p t i c a i s w i t c h e sa n dr e s u l t si nat r e m e n d o u sd e m a n df o rl a r g e s c a l eo p t i c a ls w i t c h e s t h ef u n c t i o n sa n d p e r f o r n l a n c e s o f o p t i c a l s w i t c h e si nt h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o na r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n t r a d i t i o n a la n ds o m e n e w t y p e so f s w i t c h e sa r ep r e s e n t e dw i t l lt h e i rs p e c i a l t i e s m 匝m st e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e da n ds o m er e s e a r c h e sa r ed o n eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da c t u a t i o n m e c h a n i s mo fm e m s o p t i c a ls w i t c h e s t h e n t h ea r c h i t e c t u r eo fm e m so p t i c a l s w i t c h e si sd i s c u s s e db a s e do n1 d 2 da n d3 dm 匣m so p t i c a ls w i t c h e sa n d s o m ec o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e nt h e s em e r et y p e so fm e m so p t i c a l s w i t c h e s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fa o n t o o p t i c a ls w i t c h e s ，s e v e r a l m e t h o d sf o rc o n s t r u c t i n gl a r g e s c a l e 匝m so p t i c a ls w i t c h e sa r ed i s c u s s e da n d t h em e t h o do fi n t e r c o n n e c t i n gi nt h ew a yo f t h r e e - s t a g ec l o sn e t w o r ku s i n g2 d m e m s o p t i c a ls w i t c h e si sf i n a l l ya d o p t e d a n dt h e nt h e p a d e r i so r i e n t e dt ot h er e s e a r c ho nt h ec o n n e c t i o n o p t i m i z a t i o no ft h r e e s t a g ec l o sn e t w o r k s t h em a t h e m a t i cm o d e l so fm e m s o p t i c a ls w i t c h e sa n dt h r e e - s t a g ec l o sn e t w o r k sa r ef i r s t l yb u i l tu p ，a n dt h e nt h e m a x i m u mc a l ll o s s e sa n dt h em a x i m u m p o w e r l o s sd i f f e r e n c e sb e t w e e nc a l l so f t h r e ec o n n e c t i o np a t t e r n sf e g s m m ga n dc e g s ) a r er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e d a n dc o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e nt h e m f i n a l l yac o n c l u s i o ni sd r a w n ：e g s c a nn o tf u l f i l lt h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o n ，w h i l em m l 3 lc e g s 一1a n dc e g s 一2 c a na l la c h i e v eo p t i m i z a t i o ni nr e s p e c to fd i f i e r e n tq u a n t i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h en e i g h b o r i n gs t a g e sa n dat o t a lm e t h o df o rc o n s t r u c t i n gl a r g e - s c a l em e m s o p t i c a ls w i t c h e su s i n gc l o sn e t w o r k i sa l s o p r e s e n t e d k e yw o r d s m e m s ，o p t i c a ls w i t c h ，l a r g e s c a l e ，c l o s ，c o n n e c t i o n ， o p t i m i z a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 刭鸪叫 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：赵l 媪副日期：2 壁生! 里：1 2 导师签名：乡弓l 乒乒矢= 一日期：每掣4 卜号斗 第一簪f m ； 第一章前言 1 1 全光通信网的发展对传统的光器件提出了挑战 全光通信网是建立在密集波分复用( d w d m ) 基础上的高速宽带通信网，它在 主干线上采用d w d m 技术进行扩容，在交叉节点上采恩光交叉连接器( 0 x c ) 、光 分插复用器( 0 a d m ) 实现交换和路由，并在用户终端通过光纤接入技术实现光纤到 户。理想的d w d m 全光网络应该是超高速、超带宽和超吞吐量的，其主要优点有： ( 1 ) 极大地提高网络的传输容量和节点的吞吐量，适应未来信息社会对容量和 带宽的需求： ( 2 ) d w d m 全光网络对信号的速率和格式透明，从而可以提供透明的光平台； ( 3 ) 可以提供灵活的波长选路、动态资源配置能力，使网络更加灵活： ( 4 ) 可以在光层实现网络的重构、故障的自动检测和恢复，从而建立具有高度 灵活性和生存性的光网络。 在当前的光网络中，由于光器件技术的局限性，人们还必须依靠中间电子节点进 行电光转换，这样往往会增大传输延迟，并使电子节点的处理负担加重，从而限制了 网络节点的吞吐量。要想最终实现全光网，必须有效地解决光交换问题，即摒弃电光 交换，实现光信号的全光交换。这无疑对担负光交换任务的光器件提出了挑战一它们 必须是高性能、低成本，并且要易于扩展，这样才能真正地在未来的全光网络中完成 频繁、大容量的信息传递和交换的任务。 1 2 全光通信网对大尺寸光开关的需求 光丌关在光网络中扮演着重要的角色，是光网络中不可缺少的关键器件之。光 开关除了可以实现基本的光交叉连接( o x c ) 、光分插复用( o a d m ) 外，还可实现 网络保护倒换和网络监测等功能。随着密集波分复用( d w d m ) 技术在光通信骨干网 m e m s 光开关的二级c l o si 叫络连接优化研究 第一章前高 的普及和发展，在光波密集波分复用基础上组建全光传输网是通信技术发展的必然。 全光通信网的快速发展使得一些主要的网络节点如光交叉连接( o x c ) 和光上下路复 i ( o a d m ) 的端1 2 1 数越来越多，同时也必须能容纳大量的波长通道，这些都迫切需 要性能良好、价格合理的大规模开关阵列。通常，端口数在几百至几千的光开关即可 称为大尺寸光丌关。 1 3 本论文研究意义及内容 全光通信阚的快速发展对新型光开关和大尺寸光开关提出了越来越多的需求。目 前已经出现很多新兴的光开关技术，有必要对它们进行深入研究并通过比较确定哪些 技术更适合于全光通信网。此外，大尺寸光开关的解决方案也紧密关系到未来全光网 络的发展，选用什么类型的开关和级联网络，在构建级联开关时采用什么样的连接方 式，这些问题都需要给予重点关注。本论文正是基于以上几个问题展开的，主要分为 以下几个部分： ( 1 ) 就光开关在光网络中的作用以及光开关的性能参数进行介绍，从宏观面上 认识光开关。 ( 2 ) 综合介绍了传统光开关和几种新兴光开关的特点，随后对m e m s 技术的特 点和相关工艺进行了简单介绍，接着着重对m e m s 光开关的特点、致动机制和体系 结构进行了研究。 ( 3 ) 针对全光通信网中大尺寸光开关的解决方案进行研究探讨。 ( 4 ) 研究大尺寸m e m s 光开关的三级c l o s 网络连接优化。主要基于插入损耗 计算，对扩展广义随机( e g s ) 、最大加最小g r e e d y ( m m g ) 和压缩e g s ( c e g s ) ( 包括c e g s l ，c e g s 一2 ) 三种连接方式进行优化计算，并对几种连接方式的优化 能力进行判断比较。最后提出一套完整的三级c l o s 网络优化连接方案。 1 l ：, ；i l l l l f l l z 人学坝i 学位论文第一二章m e m s 光”关的特点和体系结构 2 1 引言 第二章m e m s 光开关的特点和体系结构 依据不同的光丌关原理，光开关可分为：机械光开关、热光开关、电光丌关和声 光丌关。依据光丌关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交 换光丌关。传统的光开关主要包括固态波导开关和光机械开关，两者都有自己的优点 和缺点。几种新兴的光开关主要包括m e m s 光开关，液晶光开关、喷墨气泡光开关、 声光开关和全息光开关等。 2 2 光开关在光网络中的作用 光丌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 x c o a d m ) 的交换核心，其本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主 要有： ( 1 ) 光交叉连接( o x c ) ：光开关是构成光交叉连接器的核心器件，广泛应用于 光网络中。o x c 由光开关矩阵组成，主要实现动态光路径管理、故障保护、灵活增 加新业务等。光交叉互连对开关的要求主要有低插损、低串扰、低开关时矧以及无阻 塞运作。而光交叉连接( o x c ) 又可以进步组合构成波长路由器，参见图2 l 。 图2 - 1 由o x c 组成的波长路由器 m e m s 光开关的= 级c i o s 州络连接优化研究 第一章m e m s 光开= ) 的特点和体系 占构 ( 2 ) 光分插复用( o a d m ) ：光分插复用是波分复用全光网的核心结点技术，通 常用于城域网和骨干网。它在光域内完成了原来由电交换设备( 如s d h s o n e t 的 a d m ) 所完成的交抉功能，为网络带来了灵活的上下路机制，参见图2 2 。实现o a d m 光信号上下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2 x 2 光开关， 来实现对密集波分复用光网络中光信号的上下路功能。由于光开关的使用，使o a d m 能动态配置业务，增强了o a d m 节点的灵活性，同时。使得o a d m 节点能支持保护 倒换，当网络出现故障时，节点将故障业务切换到备用路由中，增强了网络的生存能 力和网络的保护和恢复能力。 汹阱 图2 - 2 光分插复用器( o a d m ) ( 3 ) 保护倒换功能：光开关常用于网络的故障恢复。如图2 3 所示，当光纤断 裂或其它传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由 j 二。这种保护通常只需要最简单的1 2 光开关。 图2 - 3 光开关担任保护倒换功能 北京邮i u 人学坝j 。学位论文 第二章m e m s 光”关们特点和体系结构 ( 4 ) 网络监视功能：使用简单的1 n 光，1 ：关可以将多纤联系起来。当需要监视 网络时，只需在远端监测点将多纤经过光开关连接到网络监视仪器上( 如o t d r ) ， 通过光开关的动作，可以实现网络在线监测，如图2 - 4 所示。 吣 图2 - 4 光开关担任网络监视功能 2 3 光开关的主要性能参数 作为光纤网络中的核心元件，光开关具有以下主要性能参数： ( 1 ) 交换矩阵的大小：光开关交换矩阵的大小反映了光开关的交换能力。光开 关处于网络不同位置，对其交换矩阵大小要求也不同。随着通信业务需求的急剧增长， 光丌关的交换能力也需要大大提高，如在骨干网上要有超过1 0 0 0 1 0 0 0 的交换容量。 刈于大交换容量的光开关，可以通过较多的小光开关叠加而成。 ( 2 ) 交换速度：交换速度是衡量光开关性能的重要指标。交换速度有两个重要 的量级。当从一个端口到另一个端口的交换时间达到几个i r i s 时，对因故障而重新选 择路山的时问已经够了。如对s d w s o n e t 来说，因故障而重新选路时5 0 m s 的交 换时问几乎可以使上层感觉不到。当交换时自j 到达n s 量级时，可以支持光互联网的 分组交换。这对于实现光互联网是十分重要的。 ( 3 ) 损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网 络叫，光丌关及其级联的损耗大小对网络性能的影响很大。损耗和干扰将影响到功率 m e m s 光开关的二级c l o s 删络连接优化研究 第一争m e m s 光开关的特点和体系结构 预算。光川：关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关 自身材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换光丌关的损耗低于波导交换 的光开关。如液晶光开关和m e m s 光开关的损耗较低，大约l 2 d b 。而铌酸锂和固 体光开关的损耗较大，大约4 d b 左右。损耗特性影响到了光丌关的级联，限制了光 丌关的扩容能力。 ( 4 ) 交换粒度：不同的光网络业务需求，对交换的需求和光域内使用的交换粒 度也有所不同。交换粒度可分为三类：波长交换、波长组交换和光纤交换。交换粒度 反映了光玎关交换业务的灵活性。这对于考虑网络的各种业务需求、网络保护和恢复 具有重要意义。 ( 5 ) 无阻塞特性：无阻塞特性是指光开关的任意一个输入端都能在任意时刻将 光波输出到任意输出端的特性。大型或级联光开关的阻塞特性更为明显。光开关要求 具有严格无阻塞特性。 ( 6 ) 升级能力：基于不同原理和技术的光开关，其升级能力也不同。一些技术 允许运营商根据需要随时增加光开关的容量。很多开关结构可容易地升级为8 8 或 3 2 x 3 2 ，但却不能升级到成百或上千的端口，因此只能用于构建o a d m 或城域网的 o x c ，而不适用于骨干网上。 ( 7 ) 可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光 ，r 关可能需要完成几千、几万次的频繁动作。有些情况( 如保护倒换) ，光开关倒换 的次数可能很少，此时，维持光开关的状态是更主要的因素。如喷墨气泡光开关，如 何保持其气泡的状态是需要考虑的问题。 很多因素会影响光丌关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等都是影 响网络性能的重要因素。当光开关进行级联时，这些参数将影响网络性能。光开关要 求对速率和业务类型保持透明。 2 4 传统光开关的特点 传统的光丌关主要采用固态波导( 电光、热一光、半导体光放大器( s o a ： s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l a m p l i f i e r ) 等) 和光机械两种技术。固态波号开关采用的是光集 成方式，其作用时间短，体积非常小，易于大规模集成，但其插入损耗、串扰、消光 北驯；i u 人学坝f 学位论立第一二章m e m s 光川哭的特点和体系结构 比和偏振敏感度指标都比较差。光机械开关采用的是三维校准的方式，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 等类型。其插入损耗较低( 2 d b ) ：隔离度高( 4 5 d b ) ；不受偏振和波长的影晌。 光机械开关虽然有很好的插入损耗和串扰效果，但由于设备较大、昂贵，导致可靠性 和扩展性均不好，同时也不适宜做成大规模的开关矩阵。 2 5 几种新兴的光开关 新兴的光丌关技术主要有m e m s 光开关、液晶光开关、喷墨气泡光丌关、声光 丌关和全息光丌关等。下面将重点介绍液晶光开关、喷墨气泡光开关、声光开关和全 息光开关。 2 5 ，1 液晶光开关 液晶光开关的工作原理是基于对偏振的控制：一路偏振光被反射，而另一路可 以通过，参见图2 5 。 图2 - 5 液晶光开关原理图 典型的液晶器件将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。根据是否使用电压，有源部分要么改变入射光的偏振念要么不加改变。由 于f 乜光效应，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， m e m s 光开关的二绒cj o s | 卅络连接优化研究 第一帝m e m s 光”关的特点和体系结构 本来j f 行光经过在液晶中的传输会变成垂直光。液晶的电光系数很高，是铌酸锂的几 百万倍，使液晶成为最有效的光电材料。电控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i lj 。 s p e c t r a s w i t c h 公司的w a v e w a l k e r 产品是一个固态产品，其l 2 和2 2 介入损耗 小于l d b ，极化损耗为o 2 d b ，交换时间为4 m s 左右，交换波长的范围为c 波段。液 晶光丌关没有移动部分，所以提高了系统的稳定性。c h o r u m t e c h 公司的p o l a r s h m 液 晶光丌关能达到毫秒量级的交换速度，具有高消光比、低插入和极化损耗、低串扰等 特点。c o r n i n g 公司也正投资于液晶光开关产品的开发。 2 5 ，2 喷墨气泡光开关 安捷伦公司采用热喷墨打印和硅平面光波电路两种技术，开发出一种维光交叉 连接系统【如。安捷伦把这种技术称为“光子交换平台”。其光开关平台包括两部分： 下半部是硅衬底的玻璃波导，上半部是硅片。如图2 - 6 所示，其上下之间抽真空密封， 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。电信号的加入在下半部引入。在芯片与光纤的耦 合上采用带状光缆通过硅v 型槽b l 厂r re n d 接触解决。 图2 - 6 喷墨气泡光开关示意图 北京邮i u 人学坝1 学化论文 第二章m e m s 光升盖的特点和体系结构 “j 有入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体巾产生一个小泡。小泡将 光从入射波导中的光信号全反射至输出波导。h p 的喷墨打印技术的引入主要反映在 对气泡( 微电阻) 产生的精密控制上。喷墨打印要在指定的地方产生墨点，这里要在 指定的地方产生气泡。但气泡光开关同喷墨技术又不相同，气泡也许要维持很长一段 时间。安捷伦称其气泡由封闭的系统控制，因此不会溢出，通过控制蒸汽压。可以保 持液、气体能共存的温度和压力。由于没有可移动部分，可靠性较好。3 2 x 3 2 子系统 损耗为4 5 d b ，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。 安捷伦喷墨气泡光开关具有毫秒的交换速度，具有偏振不敏感性，因此具有小的 极化损耗，能对速率和业务协议透明。具有低损耗、低串扰和小于5 0 d b 的高消光比。 喷墨气泡光开关有两个重要因素要考虑：( 1 ) 如何很好地控制光开关的状态，如 光开关频繁动作或长期维持气泡状态。( 2 ) 喷墨气泡光开关封装后，其内部材料和液 体的生存时间问题。 2 5 3 声光开关 声光丌关是利用声光效应而实现开关功能的光开关，其基本工作原理是利用声波 来反射光波p l 。声光开关通常是制作在铌酸锂材料上，通过在铌酸锂材料中引入射频 r f 声波，形成波长选择性布拉格光栅，输入光波在沿有声波的波导传输时，其偏振 在波长与声波布拉格光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选 择，并在此基础上实现开关功能。该类器件的消光比主要由t e 模和t m 模的转换效 率决定，一般都小于2 0 d b 。目前最大端口为2 5 6 x 2 5 6 ，由于没有机械的运动部分， 所以可靠性好；对1 2 开关，插入损耗可以做到2 5 d b ，开关速度比较快，为5 2 5 n s ： 缺点足插入损耗较大，且成本较高。目前研究开发商有g o o c ha n dh o u s e g op l c 、l i g h t m a n a g e m e n tg r o u p 、b r i m e o mi n c 等公司。 2 5 4 全息光开关 全息光开关是利用激光的全息技术，将光纤光栅全息图写入k l t n 晶体内部，利 用光纤光栅选定波长的光开关。电激发的光纤布拉格光栅的全息图被写入到k l t n 晶 体内部后，当不加电压时，晶体是全透明的，此时光线直通品体。当有电压时，光纤 m e m s 光开戈的三绒c l o sl q 络连接优化研究第二市m e m s 光开关的特点和体系结构 光栅的全息图产生，其对特定波长光反射，将光反射到输出端。晶体的行和列对光进 行选路。k l t n 晶体尺寸大约为2 x 2 x 1 5 毫米，组成一个矩阵，构成光丌关的核心。 行对应于不同的光纤，列同交换的波长有关。全息图对照明不敏感，所以通常不会擦 除存储的全息图。但光全息图能被擦除并重新写入。同时，多个全息光栅能高效地存 储到同一晶体内部。它具有低损耗特性。交换速度达到纳秒量级，全息光开关可以在 线动态雌测每一路波长，因为当全息光栅被激活时，大约有9 5 被反射，剩余5 直 通。这5 的信号可以用来监测，这对于网络管理具有很重要的意义。 利用这种技术可以很容易地组成上千个端口的光交换系统。并且它的开关速度非 常快，只需几纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动部件，它的 可靠性较高。掌握这种技术的t r e l l i s p h o t o n i c s 公司声称，2 4 0 x 2 4 0 端口的交换系统的 介入损耗低于4 d b ，端到端的重复性也比较好，但是它的功耗比较大( 2 4 0 2 4 0 功 耗小于3 0 0 瓦) ，并且需要高压供电。这种技术可以跟三维m e m s 技术竞争，但它更 适合于单个波长的交换。纳秒量级的交换速度可以用在未来的基于分组交换的光路由 器中。 2 6m e m s 技术 微机电系统( m e m s ：m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是指在一个非常小的空间 里将几何尺寸或操作尺寸仅在毫米、微米、甚至纳米范围内的光机电装置( 如微机构、 微致动器、微传感器、微处理器) 与前置电路、控制电路高度集成而组成的光机电一 体化的器件或系统。m e m s 是伴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，因而可以批量制作。m e m s 技术的目标是把信息获 耿、处理和执行等一体化地集成在一起，使其成为真正具有多功能的系统。自从二十 世纪八十年代初诞生之同起，m e m s 技术就引起了世界各国的高度重视。现在经过 近二卜年的发展，m e m s 技术已经在汽车、医疗和环境等领域获得了成功的应用， 任通信、机械工程和过程自动化领域也正在蓬勃发展，并在生物工程、农业和家庭服 务等领域具有潜在的巨大应用前景。 北京i i i l l l b 人学坝i 学位论文 第一章m e m s 光， 天的特点和体系结构 2 6 1m e m s 技术的特点 m e m s 技术是基于微电子技术和微细加工技术而发展起来的，是一个多学科交 叉融合的技术，它具有以下特点： ( 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 应时问短。这样就可以节省空间，促使系统结构小型化，使系统更加紧凑。 ( 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：m e m s 是采用类似集成电路( i c ) 的生产工艺和生产过程，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机电装置或完整的m e m s ，使 m e m s 具有极高的自动化程度。同时批量生产可大大降低生产成本。这样m e m s 产 品在经济性方面比传统的光开关就更具有竞争性。 ( 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 ) 方便扩展：m e m s 技术是采用模块设计的，设备运营商在增加系统容量时 只需要直接增加器件或者系统数量，而不需要预先计算所需要的器件或系统数，这对 于运营商来说是非常方便的。 ( 6 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材科、制造、信息与自动控制、物 理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。 262 与m e m s 制作相关的加工工艺 m e m s 的制作工艺主要采用常规的集成电路制作工艺和微机械加工的特殊制作 工艺。这些工艺主要包括六个部分。 ( 1 ) 表面微机械加工工艺 表面微机械加工以硅片为基体，通过多层膜沉积和图形加工制各三维微机械结 构，硅片本身不被加工，器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成。例如，首先经过 低压蒸汽沉积( l p c v d ) 将各膜层( 例如，氯化硅层、多晶硅层以及二氧化硅层) m e m s 光i j l = 关的级c i o si 咄络连接优化研究第二章m e m s 光开关的特点和体系结构 有选抒性地依次沉积在基底之上，形成图案之后再采用牺牲层腐蚀技术将不需要的薄 膜部分用特殊方法腐蚀掉，使微机械结构或器件完全制作于基底表面。 ( 2 ) 体微机械加工工艺 体微机械加工工艺主要是通过使用各向异性蚀刻( 例如，硅湿法腐蚀、干法腐蚀、 白停止腐蚀等) 方法有选择性地去除硅基底，从而形成所要的微机械元件。 ( 3 ) 高深宽比微加工技术 高深宽比微加工( l i g a ) 技术包括四个主要工艺：掩模板制造工艺、x 光深层 光刻工艺、微电铸工艺和微复制工艺。l i g a 工艺获得的微结构具有较大的深宽比和 精细的结构，侧壁陡峭、表面平整，微结构的厚度可达几百至上千微米。该工艺扩展 了表面微加工和体硅加工的材料，可以加工多种金属、陶瓷和高分子材料。工艺所需 的同步辐射光源和特制掩模板较为昂贵。 ( 4 ) 晶片键合技术 品片键合技术主要包括硅一玻璃键合、硅一硅键合二种技术。晶片键合技术可形 成复杂的三维微机械结构。 ( 5 ) 微铸模技术 该工艺的第一步是采用l i g a 技术( 此技术可以实现厚膜光刻，也可使用采用紫 外光光刻的准l i g a 技术) 在硅晶片表面形成高深宽比的结构；第二步工艺是电镀， 即把电镀液中的金属离子沉积到铸模中暴光区内的晶片表面上。 ( 6 ) m e m s 集成技术 m e m s 集成技术主要包括i c + m e m s 集成和m e m s + i c 集成+ 混合集成。其中 i c 4 - m e m s 集成表示先进行标准集成电路加工，然后再进行微机械加工。混合集成 是把m e m s 制作在一个硅基底上，而把c m o s 、a s i c 等电路制作在另一个芯片上， 而后用引线键合或厚膜互连把这二个硅基片连接起来成为一个功能整体。 2 7m e m s 光开关的特点 光微机电系统(