硅基微機械光開關(guān)研究.pdf

1、為了制作低插入損耗、低驅(qū)動電壓、高消光比、高開關(guān)速度并且適合集成工藝批量制作的光纖通信用光開關(guān),該文基于硅微機械加工技術(shù),設(shè)計并制作了一種靜電驅(qū)動的、扭轉(zhuǎn)梁大位移的、豎直微鏡自對準(zhǔn)的2×2光開關(guān).該文首先圍繞光開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo),提出了一種新穎的扭轉(zhuǎn)梁大位移的、豎直微鏡的微驅(qū)動器設(shè)計.計算和模擬顯示,該微驅(qū)動器驅(qū)動電壓低(<36V),位移大(>60μm),基模頻率合適(約 500Hz),開關(guān)速度快(<3ms),解決了光開關(guān)低驅(qū)動電壓,低插入

2、損耗所需的大位移和高基模頻率之間的矛盾.以美國康寧公司透鏡光纖參數(shù)作為光耦合參數(shù),對光耦合損耗進行了分析計算.計算結(jié)果表明,插入損耗小于1dB.目前光開關(guān)陣列是微機械光開關(guān)的發(fā)展方向.該文首次用有限元法對靜電驅(qū)動扭轉(zhuǎn)陣列單元間的靜電場互擾進行了比較系統(tǒng)的研究,得出了陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)同互擾之間的關(guān)系,并把研究結(jié)果應(yīng)用于光開關(guān)陣列設(shè)計中.利用體硅加工技術(shù),制作完成了光開關(guān),制作實踐證明了該設(shè)計的光開關(guān)適合集成工藝加工,成品率高達90﹪.該文還完

3、成了四單元小型微機械光開關(guān)陣列的芯片制作.四單元陣列所占面積與單個開關(guān)面積相近,顯示了該方案的開關(guān)具有良好的擴展性.用KOH各向異性腐蝕液制作的硅微鏡存在凸角削角問題,可導(dǎo)致開關(guān)驅(qū)動電壓增加和消光比降低.該文首次研究了(100)硅的、邊沿<100>方向掩膜的各向異性腐蝕凸角削角補償技術(shù),成功地解決了上述問題.該技術(shù)還能應(yīng)用于規(guī)則形狀的硅質(zhì)量塊的制作.在光開關(guān)制作過程中,還發(fā)明了一種底部三面保護制作硅尖的新方法.盡管這種方法有待完善,但可

4、為一些以硅尖為基礎(chǔ)的器件的制作提供新的制作思路.對該微機械光開關(guān)的主要性能指標(biāo)進行了測試,測試結(jié)果表明:在光通過微鏡反射的情況下,插入損耗可為1.9dB,消光比大于70dB.在直通狀態(tài)下,插入損耗可達到1.48dB,消光比大于70dB.上升沿和下降沿的開關(guān)速度都為3.9ms.上述指標(biāo)達到了實用的機械光開關(guān)要求.在同時測試直通和反射兩個通道的情況下,開關(guān)實現(xiàn)了光切換功能;串?dāng)_小于-50dB.上述開關(guān)性能指標(biāo),隨著測試條件的改善,尚有提高的