硅基微機械光開關研究.pdf

1、為了制作低插入損耗、低驅動電壓、高消光比、高開關速度并且適合集成工藝批量制作的光纖通信用光開關,該文基于硅微機械加工技術,設計并制作了一種靜電驅動的、扭轉梁大位移的、豎直微鏡自對準的2×2光開關.該文首先圍繞光開關的關鍵指標,提出了一種新穎的扭轉梁大位移的、豎直微鏡的微驅動器設計.計算和模擬顯示,該微驅動器驅動電壓低(<36V),位移大(>60μm),基模頻率合適(約 500Hz),開關速度快(<3ms),解決了光開關低驅動電壓,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.計算結果表明,插入損耗小于1dB.目前光開關陣列是微機械光開關的發(fā)展方向.該文首次用有限元法對靜電驅動扭轉陣列單元間的靜電場互擾進行了比較系統(tǒng)的研究,得出了陣列結構參數(shù)同互擾之間的關系,并把研究結果應用于光開關陣列設計中.利用體硅加工技術,制作完成了光開關,制作實踐證明了該設計的光開關適合集成工藝加工,成品率高達90﹪.該文還完

3、成了四單元小型微機械光開關陣列的芯片制作.四單元陣列所占面積與單個開關面積相近,顯示了該方案的開關具有良好的擴展性.用KOH各向異性腐蝕液制作的硅微鏡存在凸角削角問題,可導致開關驅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,成功地解決了上述問題.該技術還能應用于規(guī)則形狀的硅質量塊的制作.在光開關制作過程中,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的器件的制作提供新的制作思路.對該微機械光開關的主要性能指標進行了測試,測試結果表明: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速度都為3.9ms.上述指標達到了實用的機械光開關要求.在同時測試直通和反射兩個通道的情況下,開關實現(xiàn)了光切換功能;串擾小于-50dB.上述開關性能指標,隨著測試條件的改善,尚有提高的