光栅光阀MEMS光开关系统设计

MEMS光学开关的设计与分析【摘要】由于传统机械结构设计的方法的种种缺点，本文提出了一种以系统级分析方法的方法实现MEMS光学开关的快速设计与优化。

通过采用Coventorware软件ARCHITECT模块建立MEMS光学开关模型，分析了多物理耦合场下MEMS光学开关的动态响应特性，得到位移和电压大小的对应关系曲线，以及固有频率分析曲线。

结合微机械工艺要求，通过系统级仿真，大大缩短了设计周期，同时提高机械结构的合理性。

【关键词】系统级仿真；微机电系统；频率分析；直流分析0 引言MEMS光学开光以微机械制造工艺与电子技术为依托，作为一种通断光路的微小器件。

由于其微型化、质量轻、损耗低、成本小、集成度高、可靠性好等一系列显著特点，被广泛使用于通讯网络，电子仪器，医疗器械以及军事领域目前广泛使用的MEMS光学微镜，方向可控性多为二维，虽技术成熟，但其可控方向为平面，大大局限了MEMS光学的使用范围。

而目前的3维MEMS 光学开关，以金属微工艺为依托，成本较高而无法普及，本文针对传统MEMS 光学开关的诸多不足，提出一种以硅加工工艺为依托，同时能实现空间扭转的新型三维MEMS光学开关，通过对此种光学开关物理基础的必要描述，依据动态分析与固有频率分析，对光学开关进行结构优化。

1 基本原理在微环境下，由于尺度效应，表面力对硅材料微机械的影响远大于体积力。

作者所讨论MEMS光学开关采用了如图1所示二轴单镜片结构，微镜由垂直梁支撑，垂直梁又由外围支撑环支撑，而外围支撑环由两水平梁固定，微镜覆盖在中间极板上，极板作为同时作为活动电极，与固定在基底电极构成一对电极板，当在两极板间施加直流偏压时，会在微镜与基底之间及其周围形成静电场。

微镜在静电力矩的作用下绕扭转梁向基底电极方向发生转动。

通过控制静电力矩的大小来控制微镜的扭转角度，进而达到转换光路的作用，在MEMS设计过程中，以静电驱动方式驱动，能简化结构，降低能耗，缩减成本。

1×3光栅光阀式光开关分析与设计王远干;喻洪麟;朱传新【摘要】文章结合光栅光阀响应时间短和反射光栅衍射效率高的特点,设计了一种光栅光阀式1×3微型光开关.理论计算和对比实验表明,在波长为1.3 μm,闪耀角和入射角分别为5.4 °和0 °的情况下,开关时间为微秒级.与同类光开关相比,这种开关具有开关时间短、衍射效率高和工作电压低的优点.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2008(000)004【总页数】4页(P48-51)【关键词】光栅光阀;光开关;微电子机械系统;衍射角【作者】王远干;喻洪麟;朱传新【作者单位】重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044【正文语种】中文【中图分类】TN256随着光信号传输业务量的快速增长，组建全光传输网络成为光通信技术发展的必然趋势。

光交叉连接(OXC)技术是全光网络的关键技术之一，在OXC设备中光开关及更为复杂的光开关矩阵系统是关键器件。

由于微电子机械系统(MEMS)光开关具有体积小、成本低、可靠性高和工作稳定等特点，因此MEMS光开关取代传统光开关已成为必然[1]。

MEMS光开关从空间结构上可分为2D和3D两类，它们主要依靠反射微镜来实现光路的切换，微镜移动距离大于10 μm，开关时间在5 ms左右。

微镜式光开关的这一特性，使得开关时间成为制约微反射镜式光开关发展的主要因素之一。

光栅光阀(Grating Light Valve, GLV)是一种基于MEMS的新型微型反射光栅[2]，它通过静电力驱动辐条移动实现光路开关，辐条的移动距离为波长级，因而可大大减少响应时间。

光栅光阀式光开关将光栅光阀切换时间短的优点和闪耀光栅衍射效率高的特点结合起来，具有开关时间短(μs级)、衍射效率高和工作电压低等特点。

mems光开关原理MEMS光开关是利用微型机械系统以及光学元件来控制光在通信系统中的传输，其原理主要是通过控制光学元件中的光路和波导，实现光信号的开关和控制。

本文将对MEMS光开关的原理进行详细介绍。

一、MEMS光开关的原理MEMS光开关是一种基于微机械系统和光学器件的光开关技术，其基本构造包括驱动电极、弯曲驱动膜、静电力电极、波导、反射镜等。

波导是在芯片上制造的，用于传输光信号；反射镜则是用来将光信号从一个波导转移到另一个波导。

在光学元件上会有一个电极，这个电极有两种状态，一种是关闭状态，一种是打开状态，这两种状态可以由微型加热器和电流进行控制。

MEMS光开关的工作原理是，当加上电压时，静电作用力会产生引力，将反射镜向波导方向平移。

由于光线的绕射效应，反射镜的平移可以改变光线的传输路径，使其从一个波导转移到另一个波导，实现光信号的开关和控制。

二、MEMS光开关的分类MEMS光开关根据其工作原理的不同可以分为机械光开关和全光开关两种类型。

1. 机械光开关机械光开关是使用微型机械系统来控制光的路由。

在机械光开关中，电极位置和反射镜之间的距离决定了光的路径，这种开关在路由时需要较大的功率和时间。

机械光开关主要用于制造低成本的和切换速度较慢的光开关器件。

2. 全光开关全光开关是利用非线性光学材料在电场作用下产生的折射率变化来控制光路的开关，光的传输不需要机械部件作为介质。

全光开关可以通过较小的功率和时间进行光路的路由和控制，因此速度比机械光开关快很多。

全光开关主要用于制造高速，高功能的光开关器件。

三、MEMS光开关的优缺点MEMS光开关的优点主要有以下几个方面：1. 小型化MEMS光开关器件可以在单个芯片上制造，由于微型机械系统集成技术的进步，器件尺寸越来越小，已经可以制造出毫米级别的MEMS光开关器件。

2. 具有较快的切换速度MEMS光开关器件的开关速度快，可以从纳秒到毫秒的时间范围内，可以快速实现光信号的切换和控制。

研究光栅和光开关在光通信中的应用光通信作为一种信息传输技术，已经在当今的通信领域得到了广泛的应用。

而光栅和光开关作为光通信中的重要元件，在实际的系统中扮演着至关重要的角色。

本文将深入探讨光栅和光开关在光通信中的应用，并分析其在系统中的作用和优势。

在光通信系统中，光栅可以用于光谱分析和光波调制。

光栅是一种通过周期性结构产生衍射效应的光学元件，可以将不同波长的光线分离开来。

在光通信系统中，通过光栅进行光谱分析可以实现不同波长光信号的解码和处理，从而提高系统的传输效率和数据传输速度。

另外，光栅还可以用于光波调制，通过改变光栅的周期或者倾斜角度来调节光信号的相位和幅度，实现光信号的调制和解调。

这种方式可以有效地提高光信号的传输质量和稳定性，降低系统的误码率和传输损耗。

与光栅相似，光开关也是光通信系统中的重要元件之一。

光开关可以实现光信号的快速切换和路由，从而实现光网络的灵活性和可控性。

在实际的光通信系统中，光开关可以根据不同的网络需求和拓扑结构来实现光信号的路由和切换，提高系统的灵活性和可靠性。

此外，光开关还可以实现光信号的时分复用和波分复用。

通过光开关的控制，可以将不同波长或者时间段的光信号进行复用和切换，从而实现多信道的并行传输和多用户的接入。

这种方式可以有效地提高光网络的带宽利用率和数据传输效率，满足不同用户和应用场景的需求。

梳理一下本文的重点，我们可以发现，光栅和光开关作为光通信系统中的重要元件，在实际的应用中具有显著的优势和潜力。

通过对其在光通信系统中的应用和性能进行深入研究，可以进一步提高光通信系统的传输效率和可靠性，推动光通信技术的发展和应用。

希望未来能够通过不断的研究和创新，进一步完善光栅和光开关的性能和功能，实现光通信技术的持续发展和进步。

4x4 mems 光开关阵列的的设计与实验研究范文模板及概述1. 引言1.1 概述本文旨在设计与实验研究4x4 MEMS光开关阵列。

MEMS技术作为微纳制造领域的重要分支，具有体积小、功耗低、快速响应等优势，在光通信系统中得到了广泛应用。

而光开关作为其中的关键部件，在光网络中起着连接和调度光信号的作用，因此其性能的提高和优化对于光通信系统的发展具有重要意义。

1.2 文章结构本文将按照以下结构进行叙述：第二部分介绍MEMS技术的基本概念和原理，并对MEMS光开关阵列的设计过程进行详细说明；第三部分介绍了本文所采用的实验研究方法，并给出了实验结果以及相应的分析；最后一部分总结全文内容，提出结论并展望未来可能的研究方向。

1.3 目的本文旨在通过设计与实验研究4x4 MEMS光开关阵列，探索其工作原理和性能特点，并对不同设计方案进行比较和评估。

通过该研究，可以为进一步优化和改进MEMS光开关阵列的设计提供参考和指导，促进光通信系统的发展。

同时，本研究也可为其他相关领域的MEMS 光器件研究提供一定的借鉴和启示。

2. 正文:2.1 MEMS技术简介MEMS（微机电系统）是一种集成了机械元件、电子元件和传感器等部件的微型系统，它利用纳米级尺寸的微加工工艺制造。

这种技术具有体积小、低功耗、高灵敏度和高可靠性等优点，被广泛应用于光学通信领域。

2.2 MEMS光开关阵列设计原理MEMS光开关阵列是基于MEMS技术实现的一种光学组件，它可以在多个输入端口和输出端口之间实现光信号的切换和调控。

其设计原理基于驱动力矩的施加和电场的控制，通过微小的机械结构运动来实现光信号的转接和分配。

2.3 MEMS光开关阵列实验研究方法为了研究MEMS光开关阵列，我们首先需要设计并制备相应的微机电系统芯片，并在芯片上进行相关组装和测量。

然后，我们可以通过外部电压施加和控制，在不同输入端口和输出端口之间观察并记录光信号传输情况。

此外，我们还可以使用激光器及其探测系统进行光学性能的测试和分析。

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l~2mm，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2.7μW，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。

开题报告电子信息科学与技术光栅光阀新结构的光学性能分析一、选题的背景与意义光栅光阀（Gragting light value ，GLV）是一种基于微型机电系统(MEMS) 工艺的一种新型器件--光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分(可动光阀) ,提供衍射光栅。

GLV技术由斯坦福大学教授David Bloom及其研究组于1992年发明，1994年成立了SLM公司(现为Cypress公司子公司)来推广这一技术的应用。

GLV技术可提供高速度、高可靠性，并可通过大批量生产来获得低成本。

GLV 技术提供了完成光的开关、调制和衰减的一种可靠方法。

基于GLV技术的器件同时结合了高速度、高精度、高可靠性和容易制造等特点，已经在仿真、显示、直接制版和光通信等要求苛刻的市场领域中得到了实际应用和验证。

目前更多新应用正在开发之中。

早期的GLV结构和制作材料比较简单，其典型结构主要由3根可动梁（或称辐条）和3根固定梁交叉相间组成像素阵列，再与一块基底组成。

可动梁的材料为SiN，基底材料为硅，基底与可动梁之间镀上一层反射材料（空气层），如铝膜。

2为了在现有实验条件下尽可能的满足较小黑区范围，提高光学效率的要求，并且尽可能的简化制造工艺，改进了传统GLV结构，产生了光栅光阀的新结构。

光栅光阀结构仍然由基底、可动梁、固定梁以及金属铝层组成。

但是这种光栅光阀结构中固定梁的材料不是传统光栅光阀中的氮化硅，而是蒸镀的铝膜；初始状态下固定梁和可动梁也不同时悬空在同一平面上，而是紧贴着基底表面，固定梁与可动梁之间的初始高度差就是空气层（被掏空的牺牲层）厚度。

在制作过程中，可动梁与固定梁并非同步制作，而是先用光刻、离子刻蚀、化学腐蚀等工艺淘空牺牲层完成可动梁的悬空结构，再蒸镀铝层完成固定梁的制作。

这样分层的结构一方面有效的提高了器件工作区的填充因子数值，减小了可动梁与固定梁之间的黑区范围，从而提高了衍射效率；另一方面简化了器件的制作工艺，在现有的实验条件下降低了加工制作的难度。