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MEMS光开关II

下一节: 影像再现I—反射器件

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MEMS光开关II课程教案、知识点、字幕

那么二维光开关可以实现N路输入

到N路输出之间的一个光信号的切换

但是我们需要注意的是如果有N路输入

和N路的输出那么我们需要N的平方的微镜

也就是每一路输入对应一列

每一路输出也对应一列

这样当阵列的规模增大的时候我们必须

面临两个问题

第一 就是光信号脱离开输入端口

经历整个微镜阵列所需要的传输距离

也就是在自由空间中传输的距离会越来越大

第二 整个系统会变得异常的复杂

可靠性也会很低

因此由于这样的一个条件限制通常来讲

我们很难做到开关阵列的规模

超过32乘以32

目前最大的规模通常来讲不超过32乘以32

那么如果对于更大的规模传输该怎么办

比如说我有256个输入和256个输出

这时候该怎么解决

于是就出现了一个三维光开关

它是把输入这么多端口所对应的微镜

排布在一个平面上

而输出对应端口的数量的微镜

排布在另一个平面上

让这两个微镜平面成一定的角度

通过微镜的偏转角度来控制输入信号

和输出信号

通过这两个微镜的偏转

我们就可以把任意一个输入它的光信号

切换到任意一个输出上去

我们来看这样的一个图

左侧的是一个光纤的准直器阵列

那么它有很多个输入

它对应着一个光开关阵列

这个光开关阵列是多个微镜所组成的

在空间位置上每一个输入端口

就对应着一个微镜

那么右侧的输出是另一个光纤的准直阵列

那么它的数量和输入的数量是一样的

与它对应的也是一个微镜构成的一个平面阵列

这个平面阵列上每一个微镜对应着

一个输出的端口

因此第一个微镜阵列有N个微镜

第二个微镜阵列也有N个微镜

如果能够控制每一个微镜

做围绕着X轴和Y轴两个角度的偏转

我们就可以把任意一个输入光通过两个微镜

两次反射以后

将其光纤切换到所需要的输出端口上去

所以这是一个三维光开关的结构

也就是说与我们前面所说的二维光开关

由一组微镜阵列来解决一乘N的输入

和一乘N的输出不同

它是两组微镜阵列来解决N个输入

和N个输出之间的关系

所以对应这样一个阵列我们能够看出来

最大的微镜数量只是两倍的输入端口数量而已

那么 如果对于一个64端口的输入

假设我们用三维的结构布置

我们只需要二乘以64

也就是128个微镜就够了

第一组64个

第二组64个

如果我们采用二维光开关的技术

我们需要64的平方这样的一个阵列数量

显然这个微镜的数量通过三维的结构方式

可以大幅度的降低

那么如何才能实现一个围绕X轴和Y轴

偏转的一个微镜呢

我们来看这样的一个图

它采用的实际上是一个万向节的结构

内部的黄色区域是一个微镜的镜面

那么它有一个沿着X轴的支撑轴

这个支撑轴支撑在外侧一个圆环形的偏转环上

那么偏转环在Y轴的方向上有两个支撑轴

使得偏转环可以围绕Y轴旋转

于是微镜的镜面相对于偏转环可以

围绕X轴旋转

那么偏转环又可以围绕着Y轴旋转

因此相对于外部的固定坐标我们来看

那么微镜就可以既围绕着X轴偏转

也可以围绕着Y轴偏转

因此 将二者同时动作的时候

我们可以得到任意的一个偏转角度

这个时候就能够控制第一组微镜和

第二组微镜之间

通过角度上的偏转进行对准

我们来看几个典型的三维光开关的例子

第一个例子是Lucent公司所开发的Lambda Router

这样的一个微镜阵列

那么它是采用我们刚才提到的

两个垂直交叉轴作为偏转轴

外部的通过一个偏转环来实现

对内部微镜的固定

那么最大可以实现256乘256

以及1024乘1024这样的一个阵列规模

换句话说每一个阵列规模所对应的都是一个

非常庞大的输入输出数量

微镜的动作依靠反射镜下方的驱动电极

与反射镜之间的静电力来实现

下面我们看到是一个ADI公司所开发的

一个基于SOI器件来制造的一个扭转微镜

那么它也采用了我们前面所说到的

利用两个垂直扭转梁的方式

这幅图所示的是一个器件的剖面图

那么它也采用了一个平板电容驱动的

一个结构形式

地电极在埋氧层上

上方微镜所在的是SOI的器件层

那么采用单晶硅SOI器件层的一个最大好处

就是单晶硅结构由于残余应力比较低

因此

在一个很大的面积上都可以做的平整度非常高

对于三维光开关的制造

最常用的方式是对SOI进行DRIE刻蚀的方式

比如我们这个图所看到的

我们可以通过从正面进行刻蚀的方式

定义出我们所需要的镜面

所需要的扭转梁的位置等

然后从正面进行氧化层的释放

把可动的区域释放悬空

同时我们也可以采用从底部把衬底

进行去除的方式

例如用反应离子深刻蚀去除衬底

使SOI器件层悬空这样的一个模式

因此如果对于可动的角度相对较小的情况下

我们可以采用正面释放

那么它的制造成本更低

如果我们需要微镜的偏转角度更大

那么我们需要从反面释放

你把整个微镜下方全部释放出来

对于比较大的微镜偏转较大角度的时候

才有一个可以偏转的空间

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

MEMS光开关II笔记与讨论

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