1、MEMS 光开关MEMS 光开关既有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。同时 MEMS 光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。MEMS 光开关结构分类MEMS 光开关的驱动方式主要有平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。MEMS 光开关所用材料大致分为单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料，Au 、Al 等金属材料，压电材料及有机聚合物等其他材料。MEMS 光开
2、关所用工艺主要有体硅工艺，表面工艺和 LIGA 工艺。MEMS 光开关按功能实现方法可分为光路遮挡型、移动光纤对接型和微镜反射型。从目前国外各研究机构及公司发布的信息来看，MEMS 光开关及其阵列的总体发展趋势为由 2D结构向 3D 结构发展，其驱动方式重要集中在静电驱动、电磁驱动、热电驱动三种形式上，其中静电驱动方式是目前采用最为广泛的一种。 1、光路遮挡型 MEMS 光开关 具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约 l2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用 8 个多晶硅 PiN 电池 (一种非晶硅太阳
3、电池)串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生 3V 电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7W，传输距离达 128 km，开关速度 3.7ms，插损小于 0.5dB。但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。 2、移动光纤对接型 MEMS 光开关 图 3 所示为一种具有代表性的移动光纤对接型光开关，由美国加州大学戴维斯分校研制。 图 3 加州大学研制的一动光纤对接型光电开光示意图它是一个 l4 光开关，利用光纤的移动和对准实现光信
4、号的切换，插入损耗大约为 ldB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或 LIGA 工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为 lOms 量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。 3、微镜反射型 MEMS 光开关 相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根据组成 OXC 矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。在二维(2D)也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关) 。通过移动适当位置的反射镜使其
5、反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个 NN 的 MEMS 微镜矩阵用来连接 N 条输入光纤和 N 条输出光纤，这种结构为 N2 结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得 2D 微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是 3232 端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512512 端口。二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。 AT&T 实验室所研制的弹出式微镜光开关采用表面
6、工艺加工，并利用 scratch-drive 驱动器(SDA ，抓式驱动器)驱动。当 100V 驱动脉冲电压加载到 SDA 阵列上时，可滑动的驱动器向支撑梁运动，使支撑梁和微镜之间的铰链扣住，将带有铰链的微反射镜从衬底表面抬升到与表面垂直的位置，从而使光路从直通状态转换到反射状态。这样的设计能有效地将 SDA 驱动器的平移运动变成微镜的弹出运动，使得整个装置的运动速度较高，同时也可以减小微镜所占的面积。它的开关速度为 0.5ms，该结构的缺点在于 SDA 驱动器与衬底之间的静摩擦力往往会影响其效能，同时插损偏大，约 3.13.5 dB。 日本和法国共同研制的扭转式微镜光开关采用单晶硅体硅工艺加
7、工，光纤呈交叉垂直放置，微反射镜垂直放置在一长悬臂梁的前端，并处于两光纤的交叉点上。利用晶向单晶硅腐蚀特性可精确地加工出相对光纤呈 45o 的镜面，把从一根光纤中射出的光反射到另一根与之垂直的光纤中。悬臂梁采用电磁驱动，在悬臂梁底部粘合一块 100m 厚透磁合金，在相对应的衬底位置，组装一块线圈电磁体，悬臂梁和线圈之间的电磁力便随着线圈中电流的大小和方向而改变，从而使悬臂梁沿电磁力向一边弯曲，带动微反射镜移开原来的位置，实现光路的改变。微镜沿电磁力方向可产生约 100m 的位移，响应时间为 300s，插损为 0.5dB。该光开关的缺点在于微组装电磁驱动不利于集成制造，而且要靠电磁力保持开或关状
8、态，耗能较大。 现在国内外更广泛地采用热或静电驱动此类光开关，用热驱动就是在悬臂梁背面加工一层主要起加热作用的金属膜电阻，通电后，金属膜受热膨胀，使整个悬臂梁向一边弯曲带动微镜偏转；若采用静电驱动，则在衬底上沉积一层金属电极，和悬臂梁末端组成平行板电容器，在静电力的作用下，同样会使悬臂梁带动微镜扭转。 新加坡南洋理工大学设计的滑动式微镜光开关的基本结构与转动式很相似，驱动电压为 30V，开关速度小于 100s，插损小于 0.9dB。它也具有单层体硅结构，采用深反应离子蚀刻(DRIE) 工艺，这种技术可以对硅作深度达 200m 蚀刻，同时蚀刻出宽度小到 20m 并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔
9、。该结构包括可动和固定两部分，可动部分的悬梁侧壁可用作反射镜，在自然状态下光有一反射输出。在可动和固定部分之间有梳齿式的交叉电极，在两电极之间加上电压，静电力会使悬臂梁沿力的方向上产生约 45m 的平动位移，悬臂梁的端部就不再对光有阻断作用。这种光开关的缺点在于工作频率受到谐振频率影响，使得开关速度受到限制，微镜平动位移也有限，而且 DRIE 工艺涉及到对材料的各向同性和异性刻蚀问题，对镜面表面粗糙度有着一定的影响。 在三维(3D)也称为模拟光束偏转开关中，输入输出光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中，NN 转
10、换仅需要 2N 个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜光纤与任意输出反射镜光纤交叉连接。 美国 Xros 公司利用两个相对放置的各有 1152 个微镜的阵列实现了 11521152 的大型交叉连接，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个数量级。AT&T 公司则推出了著名的 WaveStar Lamda Router 全光波长路由系统，其光交叉连接系统可实现 256256 的交叉连接，可节约 25的运行费用和99的能耗，其采用体硅工艺制成。 韩国国立研究实验室设计的三维光开关阵列的一个微镜单元以表面工艺为基础，利用 3D 光刻镀铜技术制成，与 CMOS
11、 工艺有着良好的兼容性。它由 5 层结构组成，由底层往上依次是电连接用底部电极、底部支撑柱、扭转梁和被抬起的电极、顶部微镜支撑柱、微镜。在静电力作用下，微镜可以绕 x轴和 y 轴运动，从而使输入光束产生不同方向上的输出。在 244V 驱动电压下微镜最大偏转角可达到2.65o，镜面的曲率半径 3.8cm,镜面的表面粗糙度为 12nm。构成阵列时采用两组微镜相对安装，这种结构的最大优点是由光程差所引起的插入损耗对光开关阵列端口数的扩展不产生很大的影响，有利于集成并组成大规模光开关阵列。但另一方面，由于需要精确和快速稳定地控制光束，它的控制电路和结构设计较为复杂。 MEMS 光开关的应用1.概述微电
12、子机械系统（MEMS）就是将几何尺寸或操作尺寸仅在微米、亚微米甚至纳米量级的微机电装置（如微机构、微驱动器等）与控制电路高度集成在硅基或非硅基材料上的一个非常小的空间里，构成一个机电一体化的器件或系统。MEMS 器件具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、响应时间短，可把多个不同功能、不同敏感方向或致动方向的微机构大规模地集成在一起，并且可以通过微电铸的方法进行批量复制和大规模生产。MEMS 加工技术主要分为三类：非硅基材料上以 X 光深度光刻的 LIGA 技术；硅基或非硅基材料上的精密机械刻划技术；在半导体集成电路技术之上发展起来的硅 MEMS 加工技术。硅 MEMS 加工技术最早出现于二十世纪
13、六十年代，所采用的主要技术是单晶硅各向异性腐蚀技术（体硅微机械） ，其代表产品是硅压力传感器。八十年代美国率先开发出以多晶硅为结构层、二氧化硅为牺牲层的表面牺牲层技术（表面微机械） ，并开发出微硅静电马达，使得 MEMS 技术得到质的飞跃发展。表面微机械加工技术与半导体集成电路技术最为相近，其主要特点是在薄膜淀积的基础上，利用光刻、刻蚀等集成电路常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获得可微动结构。进入九十年代，随着深槽刻蚀技术、键合技术及其它关键技术的成功应用，体硅微机械又得到了飞速发展，并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。特别是开发出利用感应耦合等离子
14、体（ICP）和侧壁钝化（SPP）的先进硅刻蚀工艺（ASE） ，可对硅材料进行很大深宽比的三维微加工，其加工厚度可达几百微米，侧壁垂直度可接近九十度。这使得 MEMS 技术不仅在传感器领域的应用得到迅速发展，而且在光纤通信、微型化学分析系统、DNA 分析及微型机器人等领域的应用研究也得到空前发展。光纤通信在实现了高速、大容量点对点的传输后，上世纪末已进入了光纤网络时代。MEMS 在光纤通信领域的应用范围十分宽广，几乎所有光网络中的各个组成单元都能采用 MEMS 制作器件，并由此产生了一个新名词：微光电子机械系统（MOEMS） ，它是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综
15、合。综观光纤通信器件的发展历程，可以看出器件的发展趋势为：块状堆集型 光纤型 MOEMS 型 集成型。前两种已经形成产业化，并正在向小型化方向发展。在目前集成型器件还不十分成熟的情况下，MEMS（或 MOEMS）型光器件已出现了商业化的产品。利用MEMS 技术可以制作光纤通信传输网中的许多器件，如：光分插复用器（OADM） 、光交叉连接开关矩阵（OXC-AS） 、光调制器、光滤波器、波分复用解复用器、可调谐微型垂直腔表面发射半导体激光器（VCSEL） 、可变光衰减器、增益均衡器及用于光路分配和耦合的微透镜阵列等多种微型化光器件。2.MEMS 光开关的优势MEMS 技术在光纤通信网络中的一个重要
16、应用就是利用微动微镜制作光开关矩阵，微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS 技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能，如：低插损、小串音、高消光比、重复性好、响应速度适中，与波长、偏振、速率及调制方式无关，寿命长、可靠性高，并可扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。MEMS 光开关有 2D(二维)数字和 3D(三维) 模拟两种结构。在 2D 结构中，所有微反射镜和输入输出光纤位于同一平面上，通过静电致动器使微镜直立和倒下或使微镜以“翘翘板”的方式处于光路
17、和弹出光路的工作方式来实现“开”和“ 关”的功能，如图 1 所示，所以 2D 结构又称为数字型。一个 N N 的2D 光开关需要 N2 个微反射镜，2D 结构的优点是控制简单，缺点是由于受光程和微镜面积的限制，交换端口数不能做得很大。在 3D 结构中，所有微反射镜处于相向的两个平面上，通过改变每个微镜的不同位置来实现光路的切换，如图 2 所示。一个 N N 的 3D 光开关只需要 2N 个微反射镜，但每个微反射镜至少需要 N 个可精确控制的可动位置，所以 3D 结构又称为模拟型。与 2D 结构相反，3D 结构的优点是交换端口数能做得很大，可实现上千端口数的交换能力，缺点是控制机理和驱动结构相当
18、复杂，控制部分的成本很高。MEMS 光开关的优势体现在性能、功能、规模、可靠性和成本等几个方面。在关键的性能指标如插入损耗、波长平坦度、PDL（偏振相关损耗）和串扰方面，MEMS 技术能达到的性能可与其他技术所能达到的最高性能相比。比如基于 MEMS 技术制作的 22 光开关模块的插入损耗可达 0.4dB，PDL小于 0.1dB，串扰小于-70dB。在功能方面，微镜具有可靠的闭锁功能，能够保证光路切换的准确性。在规模方面，采用 2D 结构的 MEMS 光开关已有 64 64 的商用产品，采用 3D 结构的 MEMS 光开关也有上千端口数的样品，从而使构建中等规模和大规模光纤网络节点成为可能。在
19、可靠性方面，单晶硅极好的机械性能可使制成的器件能够抗疲劳，由于单晶硅中没有位错，所以从本质上它不会产生疲劳，是一种完美的弹性材料。MEMS 光开关的寿命已超过 3800 万次，并且在温度循环、冲击、振动和长期高温贮存等可靠性指标方面，均满足 Telcordia GR-1073-Core 标准。在成本方面，MEMS 光开关为降低系统成本提供了多种可能，MEMS 芯片的功能度使得更低成本的网络设置和架构以及光纤层的保护成为可能。MEMS 尺寸小和功耗低的特性使得系统的外形可以缩小，节省了中继器和终端节点占用的地盘。MEMS 器件的单批产量很高，经济性好，而且器件与器件之间重复性好。执行器与光器件集
20、成在单个芯片上，可以在一个硅片上重复多次，从而可以提供价格更低的光器件。这些在成本方面的节约将使器件价格下降，最终降低设备和营运成本。3.发展动态国内对 MEMS 光开关器件的研究比较晚，目前主要有信息产业部第十三所、上海微系统与信息技术研究所、中科院微电子所、北京半导体研究所、清华大学、北京大学、上海交通大学、重庆光电研究所、重庆大学、东南大学、浙江大学等单位开展了 MEMS 光开关的研究，国内的研究水平和国外相比存在一定的差距，目前仅限于二维光开关的研究，已经研制出了 12、22 和 14MEMS 光开关原形样机。目前中国电子科技集团第十三研究所己研制出 lx22x2 的 MEMS 光开关
21、并小批量实用化。2005 年上海光学精密机械研究所和上海交通大学成功研制出了无阻塞 88 微光机械光开关阵列和1616 微光机械光开关阵列，它是利用 MEMS 技术制备微电磁执行器，采取优化的 Benes 网络结构，以 22 和 44 光开关为基本单元构成的光开关阵列，具有运动部件少、可靠性高和稳定性强等特点，主要性能指标为：插入损耗4dB，回波损耗-50dB，串扰-70dB，交换时间10ms ，具有无阻塞特性和自锁功能。尽管率先将 MEMS 光开关商用化的 OMM 公司在今年（2003）3 月因最后获得资金的希望破灭而暂时关闭，去年（2002）Onix 关门、IMMI 转向以及采用 3D-M
22、EMS 技术曾研制出 1152 1152 光开关的Xros 前年（2001）被 Nortel 收购。目前仍有不少的机构（包括 Dicon、Luncent、Jdsu、Nortel 等）在进行 MEMS 光开关的应用开发。 目前全球有 60 家左右的 MEMS 制造工厂，上百家 MEMS 领域的新兴公司以及更多的大学和研究机构。世界领先的 Coventor 公司的 MEMS 计算机辅助设计（CAD）软件工具，目前全球的用户已超过 300 家。除 MEMS 光开关外，据笔者不完全统计，目前拥有 MEMS 技术设备并能提供相关光器件的公司主要有：JDSU、Santec 、 Memscap、Intpax
23、、Umachines、Baynet、 Avanex、Agere、InLight、Bandwidth9、Fujitsu、Go4fiber、lucent、networkelements、nortel、Olympus、NetworkPhotonics、Siemens、Teraoptix、Finisar、MCI 、chromux、AXSUN、MegaSense、Sercalo、Molecular、Bookham、LIGHTech、Dicon、Lightconnect、Cypress 、Novera 等。最近 Fujitsu 宣布将发展一项采用 MEMS 技术的 80 通道的光开关，其切换速度将是 1
24、微秒，这是截至目前多通道光开关的最高切换速度。此外，日本 Olympus 也开始进行 MEMS 研发部门新的整合计划，其计划不仅包括可变光衰减器、光 MEMS 开关等光通信 MEMS 芯片，而且还包括设计、制造和封装用于光网络、生物、医药和工业用途的 MEMS 产品。目前，全球已有数十家公司将 MEMS 技术作为光器件的基本开发技术，现已有的产品包括光开关、可变光衰减器、可调滤波器、可调激光器、共振腔探测器、增益均衡器、调制器及光斩波器等。据市场调研公司 CIR 预测：光 MEMS 市场将从2003 年的 5.6 亿美元增加到 2007 年的 17 亿美元，其中，基于 MEMS 的小型光开关将
25、取代传统的机械式光开关，而依赖光 MEMS 构建的设备的实际市场总额则将达到数十亿美元。 MEMS 光开关的工艺随着 MOEMS 产品的快速增加，各种微型准直透镜相应出现，目前，应用较为普遍的主要有两种:GRIN 透镜和具有一定尾纤厚度的球面聚焦透镜。二者虽然聚焦准直的结构不同，但其原理都是基于对基模高斯光束进行空间变换，实现光束的扩束准直。带透镜的光纤（lensed fiber）典型的 lensed fiber 是康宁（Corning）公司生产的 Corning OptifocusCollimating lensed fiber。它是采用在直径为125m 光纤端部烧结一个带球透镜的结构而成。
26、Mini C-lens 型(Fujian JDSU CASIX，INC. Part#:CLS-250-0550-20-FC/PC-M)单模光纤准直器，直径1.4mm，中心工作波长为 1550mn。此准直器特点在于工作距离范围大，标定工作距离为 20mm，每一对准直器插入损耗小于 0.5dB，而当工作距离在 10mm 至 40mm 间时，插入损耗小于 0.8dB，宽容的工作距离使得矩阵式高端口光开关的制作成。在 MEMS 光开关中，由微镜造成功耗的主要原因有:微镜的有限面积、表面曲率、表面粗糙度、反射率。静电驱动器是利用电容结构在外加偏置电压下，依靠电容极板之间的静电库仑引力吸引可动极板，引起与之相连的机械结构的动作。作为电容结构，目前应用较多的主要有两种:变面积梳齿电容和变间距平板电容。梳齿电容的作用力较之工作在相同电压下的变间距平板电容大许多，但由于受梳齿结构的结构限制，主要应用于主要应用于单自由度的拉伸或扭转运动的设计中；变间距平板电容多应用于低电压、小位移或较高电压、多自由度位移驱动。几种典型的应用于大位移驱动的电容驱动结构示意图:回型曲臂梁结构光开关
