当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第七章 光学MEMS > 第3小节 MEMS光开关II > MEMS光开关II
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
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