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用于光通信的微電子機械系統(tǒng)技術進展論文
當前國際上光纖通信領域研究開發(fā)的熱點是全光網(wǎng)，它是光纖通信技術研究發(fā)展的最高階段全光網(wǎng)的建立是在干線上采用WDM技術擴容，在交叉節(jié)點上采用光上下話路(OADM),光交叉連接(OXC和波長路由交換技術來實現(xiàn)目前，我國開展全光網(wǎng)絡應用與研宄的重要步驟是:首先將在長途干線上采用WDM技術進行點到點擴容，接著在節(jié)點上采用OADMOXC技術上、下話新技術對光器件提出了更高的要求，如技術指標上要求器件具有更高的工作速度、低插入損耗、長工作壽命;體積上由于單元器件的増多，要求有更高集成度;成本上由于網(wǎng)絡的擴大，所需器件將大大増加，必須降低成本才能被用戶接受采用傳統(tǒng)手段制造的光器件難以滿足上述要求，器件己成為阻礙光纖通信發(fā)展的瓶頸，是當前光網(wǎng)發(fā)展亟待解決的問題因此必須積極尋找新技術和新工藝，制造新型光器件，才能實現(xiàn)全光網(wǎng)。
1.近十幾年發(fā)展起來的微電子機械系統(tǒng)適的制造手段�；谖㈦娮訖C械系統(tǒng)技術的光器件有以下顯著優(yōu)點：
1)技術性能好。如德克薩斯儀器公司研制的數(shù)字微鏡器件，開關速度高達1〇^s,比傳統(tǒng)機械開關快兩個量級，損耗小于3dB,經(jīng)過熱沖擊、溫度循環(huán)、機械沖擊等試驗證明器件工作穩(wěn)定，壽命可達10萬小時(12年)以上由于是通過微小機械部件的運動來實現(xiàn)開關功能，因此所需功耗非常小，只需5V電壓供電Bell實驗室研制的使用微平面鏡的K16線陣開關AT&T研制的用于光交叉連接的8<8光開關也都具有非常優(yōu)越的性能指標
2)集成度高。由于采用集成制造工藝，光器件尺寸很小，這對于光交叉連接使用的光開關陣列非常必要,如采用傳統(tǒng)機械開關制作，當N較大時，其體積將是很龐大的使用微電子機械系統(tǒng)技術可以很好地解決這個問題,德克薩斯儀器公司研制的微鏡800<600光開關，其芯片尺寸只有1cmX1.5cm而且容易實現(xiàn)與微透鏡及單模光纖間的耦合，還可以與控制電路集成。
3)成本低基于微電子機械系統(tǒng)技術的光器件由于采用集成制造工藝，在工藝定型后，可以大批量生產(chǎn),其成本必將極其低廉，這對日益發(fā)展的光通信產(chǎn)業(yè),具有重要的現(xiàn)實意義。
微電子機械系統(tǒng)技術在傳感器執(zhí)行器及控制器等方面已得到廣泛應用，尤其是在傳感器方面，其市場占有率已達1/4以上。同時，人們也在不斷探索、開拓微電子機械系統(tǒng)的新應用領域，以發(fā)揮更大的作甩光通信產(chǎn)業(yè)為微電子機械系統(tǒng)提供了更為廣闊的應用領域，由于光通信產(chǎn)業(yè)具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，因此將微電子機械系統(tǒng)應用到光通信系統(tǒng)必將帶動微電子機械系統(tǒng)技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也會推動光通信技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,兩者的結(jié)合是非常有意義的近幾年甩于光通信的微電子機械系統(tǒng)器件在國際上受到廣泛重視,世界上重要的通信公司、研究機構(gòu)大學，如朗訊、AT&T貝爾實驗室、加利福尼亞大學等已經(jīng)開始研究和開發(fā)微電子機械系統(tǒng)光器件。在1999年召開的國際光纖通信大會(OFC99)上，微電子機械系統(tǒng)光器件被列為一個專題
2用于光通信系統(tǒng)的微電子機械系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
微電子機械系統(tǒng)光器件在城域網(wǎng)、長途網(wǎng)、接入網(wǎng)(無源光網(wǎng)PON)和海底網(wǎng)中均可以得到應甩下面介紹幾種主要的微電子機械系統(tǒng)光器件特點及研究現(xiàn)狀。
2.1光開關
光開關是使傳輸通路中的光信號通或斷，或進行路由轉(zhuǎn)換的一種光器件，在系統(tǒng)保護、系統(tǒng)監(jiān)測及全光交換技術中具有重要的作甩傳統(tǒng)光開關根據(jù)其工作原理分為機械式和電子式兩類。機械式光開關是在外力作用下，通過光纖的移動來實現(xiàn)光通路的導通和關閉，串音低、插入損耗小,但由于采用大型驅(qū)動和定位機構(gòu)，開關速度低,體積大，不易集成。采用非線性光學效應的電子式開關速度快、可靠性高、易于集成，但串話高、消光比低微機械技術的迅猛發(fā)展，使光開關設計和制造重新受到重視，圖1給出了微電子機械系統(tǒng)光開關的典型原理示意圖。
微電子機械系統(tǒng)光開關具有突出的優(yōu)點：(1)亞毫秒的開關時間;(2)可忽略的串話;(3)可忽略的偏振損耗;(4)可忽略的波長關系;(5)標準IC制作，低損耗微電子機械系統(tǒng)光開關的驅(qū)動方式主要有：(1)靜電驅(qū)動(庫侖靜電引力);(2)電致伸縮;(3)磁致伸縮;(4)形變記憶合金;(5)光功率驅(qū)動;(6)熱驅(qū)動;(7)熱光驅(qū)動。
微電子機械系統(tǒng)光開關所用材料大致有：(1)單晶桂、多晶桂、氧化桂、氣氧化桂、氮化硅等硅基材料;(2)AuAl等金屬材料;(3)壓電材料及有機聚合物等其他材料。
微電子機械系統(tǒng)光開關功能實現(xiàn)的方法主要有：(1)光路遮擋;(2)光纖移動對接;(3)微透鏡移動，改變光傳輸方向;(4)微反射鏡移動或轉(zhuǎn)動，改變光傳輸方向;(5)衍射方法，改變光傳輸方向;(6)改變?nèi)瓷錀l件;(7)其他
下面介紹幾種典型的基于微電子機械系統(tǒng)的光開關技術
2.1.1光路遮擋
懸臂梁方式的光開關：在光波導路徑上采用懸臂梁式的光開關，用體微機械加工技術作出懸臂梁后，在其上淀積和成型波導，通過控制懸臂梁的工作狀態(tài)達到對光進行開和關功能能這種光開關有一定缺點，如工作電壓高(達50V)，可獲得的隔離度不大光驅(qū)動的微機械開關(朗訊公司):利用硅微細加工工藝可制成光控的微型開關，整個尺寸約1~2mm材料由金、氮化硅、多晶硅層組成其工作機理是:用8個多晶硅PIN電池串聯(lián)組成的光發(fā)電機，在光信號的驅(qū)動下，可產(chǎn)生3V電壓，使電容板受到電場吸引，把遮片升起，光纖開關處于開通狀態(tài)如無光信號，光發(fā)電機無電壓輸出，遮片下降，光纖開關關閉，如圖2所示用此開關可組成光纖線路倒換系統(tǒng)該開關是由遠端的光信號控制，所以光開關本地是無源的據(jù)報道，驅(qū)動光功率僅2.7MW，傳輸距離達128km，工作波長為950~1650nm，開關速度3.7ms，損耗小于0.5dB
2.1.2光纖移動對接
熱驅(qū)動光開關:是一種K2熱驅(qū)動的光纖開關。它由一厚的鍍Ni熱驅(qū)動執(zhí)行器來移動光纖，在硅片上各向異性刻蝕出U或V形槽，用以輸入光纖與輸出光纖之間的對準。這種設計不需要耦合光波導或透鏡，并能達到理想的低損耗開關功能?
磁力效應開關:利用微機械技術與磁力效應實現(xiàn)KN開關。這種開關采用了一種具有“燕尾”連接的移動微平臺，平臺上刻蝕出V形槽，用以固定輸入光纖與輸出光纖輸入光纖的移動平臺上淀積一層磁材料，磁場的作用將這個微平臺沿著“燕尾”連接機構(gòu)移動，實現(xiàn)輸入光纖與輸出光纖之間的對準這種開關的開關時間小于10ms，插入損耗達到1dB還有一種2<2微機械光開關，其插入損耗小于3.1dB，串音小于40dB，工作電壓為100V，開關時間可達0.5ms左右
2.1.3改變?nèi)瓷錀l件
微泵開關:在以矩陣形式配置的光波導的各差點具有滿足全反射條件的差點槽當差點槽有與光波導相同折射率的匹配油時，則光穿透槽。無匹配油時，光在差點槽的壁面全反射進入交叉的光波導中，達到光交換的目的要實現(xiàn)這種光開關陣列，將涉及控制毫微升注入量的微泵以及光纖陣列的高精度連接技術，這種光開關為已研制成功的微泵提供了應用場所。
日本電報電話公司研制的全反射控制光開關示意風波導內(nèi)有氣泡和折射率匹配油，通過兩個加熱器分別導通來控制光纖交叉點波導內(nèi)的物質(zhì)。當加熱器1開時，交叉點為氣泡，入射光被反射;當加熱器2開時，交叉點為折射率匹配油，入射光投射己通過原理性驗證,還沒有具體指標報道21.4微鏡移動或轉(zhuǎn)動這種開關采用靜電驅(qū)動微平面鏡陣列來改變自由空間傳輸?shù)墓馐较�，以進行輸入光與輸出光之間的多路轉(zhuǎn)換。它與米用非線性光學效應的固體式光開關相比，長度、寬度尺寸都要小1/10多，消光比提高，串話減小。而且機械式光開關具有不影響波長和偏振面、自穩(wěn)定性、高消光比低串話以及無光損耗等優(yōu)點過去的光開關采用大型驅(qū)動和定位機構(gòu)，開關轉(zhuǎn)換速度慢、尺寸大，限制了它的使用。利用適合于光控制的半導體技術來研制微型、廉價的機械開關，可望用于光通信系統(tǒng)中光交叉連接。比較典型的有：
給出了瑞士納沙泰爾大學開發(fā)的2X2光開關，通過雙面反射鏡移動實現(xiàn)2<2光交叉連接，反射鏡通過60V電壓形成靜電驅(qū)動位移20^m交叉槽充滿匹配油，以減小后向散射及插入損耗，開關時間0.5ms,比傳統(tǒng)機械開關快一個量級，串話衰減60dB,美國德克薩斯儀器公司研制的用于大型投影顯示的微鏡光開關陣列單元結(jié)構(gòu)示意風在CMOS靜態(tài)隨機存儲器基片上使用微機械技術制造微鏡及其轉(zhuǎn)動機構(gòu)。微鏡通過其支架與一薄片式柔性扭轉(zhuǎn)鉸鏈連接，當支架受存儲器釋放的電荷吸引時,將通過鉸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)動，其范圍為±1(°微鏡為16Mm的正方形，600<800象素的開關陣列尺寸為1〇^1.5〔:瓜,開關時間小于10卜8,工作壽命可達10萬小時。目前SVGA型(800X600)和XGA型(1024<768)己在批量生產(chǎn)中，SXGA型(1280<1024)己完成試作貝爾實驗室研制了使用微平面鏡的K16線陣開關，每一個平面鏡可以通過20V電壓驅(qū)動轉(zhuǎn)動9°微平面鏡的尺寸非常小，寬10Mm,長60Mm開關時間約20Ms在其測試系統(tǒng)中，16路信號間隔1.6nm,Pass通射光透過空氣層和Si基層透射過去。
機械光柵光開關;是斯坦福大學報道的,其結(jié)構(gòu)如圖9所示，在氮化硅基板上淀積鋁膜的帶狀層分為可移動和固定兩種當不施加電壓驅(qū)動時，所有帶狀層是平行排列的，入射光被沿原光路反射回去，相當于“關”狀態(tài)當對帶狀層施加電壓時，可移動帶狀層向下移動1/4,此時將發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光方向與入射光方向不同，相當于“開”狀態(tài)其突出特點是，開關速度高達20ns
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