MEMS光开关的研究及市场分析
基于三维微光机电系统光开关的研究
设计光学 系统时 ， 我们采用对称共焦光学系统 。即光束 束腰 正好处于光学系统的中心 ， 瞄准仪的准直透镜 对输 这样 入输 出端 口具有相 同的放大倍数 ， 而能补 偿光学 发散 ， 从 因
而具有 高的耦合效率 、 并且具有较大的装 配公差 。此外束腰
硕士研 究生
维普资讯
关 键 词 ： 型 光 机 电 系统 ； 分插 复 用 器 ； 开 关 ； 交叉 连 接 ； 网络 ； 微 光 光 光 光 波分 复 用 中 图分 类号 ￣ ９ ９ ｌ ＴＮ ２ 、 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
随着通信数据量的急剧增加和波分复用技术 （ Ｍ） ＷＤ 的
２ 新 型微镜 反射 型三维 ＭＥ ＭＳ光 开关 结构 和工 作
大容量 的光开关结构 ， 并与常规 结构的三维微光机 电系统的光开关进行对 比， 在保证设 计参数 不变的情况下 ， 保证
系统全连接的情 况下， 可以减 少微镜的最大偏转 角， 而实现快速的光路切换 ， 从 并且采用静 电梳状 微致动 器能进 一
步 降低工作 电压 ， 实现低 功耗 和快速 的交叉连接 ， 并对 系统设计需 注意的事项进行分析 。
反射到回射器 ， 经由回射器反射到第二个反射镜阵列的微反
射镜 ， 微反射镜对准光束 瞄准仪变成输出光。这里 任意光束 进入回射器将平行反射 回来 ， 但是具有确定的位置 平移。和 普通的平面镜相 比， 最基本 的不 同在于 ， 回射器具有“ 行位 平
图 Ｉ 三维微光机电系统大型多端 口开关结构 图
原 理
发展 ， 促进 了全光 网络的发展。作为全光 网核心器件 的光交
叉连接 （ Ｃ 和光分插复用器（ Ａ Ｍ）其关键技术在 于光 ０ｘ ） Ｏ Ｄ ，
mems光开关原理
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。
光开关的技术现状和展望
光开关的技术现状和展望光开关是光通信的关键部件，是近年来通信领域的研究热点。
文章从光开关的实现方式等方面介绍了光开关的研究与生产现状，重点介绍了MEMS光开关的研究与应用，对光开关发展趋势作了分析。
1、引言光开关可以实现光束在时间、空间、波长上的切换，在光网络中有许多应用场合，是光通信、光计算机、光信息处理等光信息系统的关键器件之一。
广义上来说，光开关可以分为两个类型：干涉仪型和非干涉仪型。
干涉仪型依赖于光路之中的相位关系，通过普克尔(Pockels)效应或热效应一般就可以达到相位控制。
这类器件对环境非常敏感，尤其是对环境温度。
它们对控制信号有循环响应，这些控制信号通常需要对光输出进行监视，亦即反馈，以维持所要求的状态。
方向耦合器就是典型的干涉仪型开关。
非干涉仪型可用多种多样的方式制成，它们对偏振、波长、温度和其他影响的敏感性低于干涉仪型器件，要控制这些影响很困难。
对于非干涉仪型开关，开关功能的动态范围(或开关比)可以非常高，而另一方面，在干涉仪型开关中的动态范围，则依赖于干涉束的光功率的精确平衡，而且通常精度较低并较难保持。
2、技术现状这里讨论的光开关现状，主要集中于已经取得的技术与应用或商业上有希望接受的技术与应用。
应用决定了要求，所以就从已经取得商业成就的应用或近期有望实现的应用，来开始评述光开关。
近年来，除了改进传统类型光开关之外，光开关的研究与开发也采用了新的技术、新的机理和新的材料，光开关的规模越来越大(已达到上千乘上千的端口数)，切换速度不断提高(如LiNbO3波导电光效应的光开关已达到纳秒量级)，集成化程度越来越高。
2.1 非干涉仪型开关非干涉仪型开关可用较大变化的方式做出，通常不要求反馈来确定状态，光机型或某些热开关就属于这种类型。
2．1．1 微机械开关微机械开关技术是多学科交叉的新兴领域，融合了微电子与精密机械加工技术，包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机电于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。
光电器件制造中的MEMS技术研究与应用
光电器件制造中的MEMS技术研究与应用近年来，光电器件的需求不断增长， MEMS（微电子机械系统）技术因其独特的微米尺度特性和可靠性在光电器件制造领域得到广泛应用。
本文将探讨MEMS 技术在光电器件制造中的研究与应用。
一、MEMS技术简介MEMS，即微电子机械系统，是指微米级尺寸的机械和电子系统的集成。
它是在集成电路技术和微机电系统（MEMS）技术基础上发展而来的。
它与集成电路技术相似，都是一种微电子制造技术。
MEMS技术的主要应用有加速度计、惯性导航、光学开关、微波振荡器、压力传感器、生物传感器等。
MEMS技术主要包括精密机械加工技术、光学技术、微电子技术和微纳米加工技术。
在光电器件制造中， MEMS技术的应用主要是通过微纳米加工技术制造微型光学器件和纳米结构。
二、MEMS技术在光电器件制造中的研究现状目前，MEMS技术在光电器件制造中的应用主要有两个方面。
一方面是制造微型光学器件，具体包括微透镜、微棱镜、微天线、微光栅等；另一方面是制造纳米结构，最主要的是纳米光栅。
下面将分别进行介绍。
（一）制造微型光学器件微透镜是一种直径小于1毫米的透镜，制造微透镜主要采用微型光影刻蚀法和电化学加工法。
在 MEMS技术的帮助下，制造微透镜的精度和质量得到了大幅提升。
微型棱镜主要采用类似微透镜的制造工艺，通过光影刻蚀法和电化学加工法来制造。
微型天线是指直径小于1微米的天线结构，其制造工艺因其极小的尺寸和接口特性而变得非常精细和复杂，采用 MEMS技术能有效提高制造精度和质量。
微光栅是一种具有非常细小的光栅线宽的光栅结构，其主要制造工艺为电子束曝光和反应离子刻蚀法。
（二）制造纳米结构纳米光栅是一种纳米级别的光栅结构，其具有极高的光学性能，主要用于激光干涉仪、计算机光存储、摄影等领域。
制造纳米光栅主要采用硅基板表面制造方法和纳米粒子自组装等方法。
其中，纳米光刻技术是基于 MEMS技术的一种制造纳米级别光刻板的新方法，其优点是可以在单个硅基板上制造具有不同形状的光学元件。
MEMS产品类型与市场结构研究 (一)
MEMS产品类型与市场结构研究 (一)随着科技的日益发展，MEMS（微电子机械系统）技术在各行各业中被广泛应用，市场正在呈现出空前的巨大潜力和前景。
本文将重点讨论MEMS产品类型与市场结构的研究。
一、MEMS产品类型1.传感器类产品MEMS传感器类产品是MEMS技术中的重要应用之一，主要用于检测、测试、监测等领域，可以测量多种物理信号，如温度、光线、压力、加速度等。
其应用范围广泛，包括汽车、医疗、消费电子等多个领域。
2.微化器件类产品微化器件类产品是MEMS技术应用的又一重要方向，其特点是具有微小尺寸、高精度、高可靠性和低成本等优点，主要应用于光学、微流控、机械振动等领域。
在医疗领域中，微化器件类产品可以用于制造人工耳蜗和可植入式心律调节器等医疗设备。
3.微机电系统（MEMS）类产品传感器和微化器件可以抽象地理解为MEMS技术的两个关键组成部分。
事实上，它们通常被整合在一起，形成真正的MEMS设备，如微型机器人、光学分析仪器等。
二、MEMS市场结构1.思维域市场MEMS传感器市场规模最大，占市场总收入的60％以上，主要应用于消费电子、汽车、工业和医疗设备等领域。
这些应用需要高精度和高可靠性的传感器来支持其精细监测和控制功能。
2.可穿戴设备市场随着健康意识的增强和消费电子市场的迅速发展，可穿戴设备市场迅速崛起，MEMS产品作为其核心技术之一，将获得更大的市场份额。
例如，MEMS传感器和微化器件可以制造运动追踪器、智能手表等。
3.物联网市场物联网作为智能制造和智慧城市发展的关键技术之一，将对MEMS市场产生重大影响。
MEMS产品作为物联网中不可或缺的一部分，在智能环境监测、机器人、智能家居和安防等领域具有广泛应用。
结论MEMS技术的发展和应用对经济社会的发展具有十分重要的作用。
随着科技的不断进步，MEMS产品应用将会更加普及和广泛。
目前，MEMS市场的主要需求来自传感器和微化器件类产品，但在未来物联网、可穿戴设备等领域将成为其重要的市场。
Meomes 光开关
重庆大学的光开关SEM 北京Байду номын сангаас学的光开关SEM
清华大学应力诱导式光开关照片
Momes光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式： 光开关主要驱动方式 MOEMS光开关的驱动方式目前主要有两种，静 光开关的驱动方式目前主要有两种， 光开关的驱动方式目前主要有两种 电驱动和电磁驱动方式。 电驱动和电磁驱动方式。
全光网络图解
光开关在全光通信网络中的应用： 光开关在全光通信网络中的应用： 1.光路通断 光路通断 2.光纤通道的自愈保护 光纤通道的自愈保护 3.光开关在 光开关在OADM和OXC系统中的使用 光开关在 和 系统中的使用
Momes光开关结构设计： 光开关结构设计： 光开关结构设计
MOEMS光开关的指标主要有插入损耗、开关速度和驱动 光开关的指标主要有插入损耗、 光开关的指标主要有插入损耗 电压等，另外还要考虑MOEMS光开关的可靠性以及开关 电压等，另外还要考虑 光开关的可靠性以及开关 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容， 寿命等性能。插入损耗是光学设计方面的内容，开关速度 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。 和驱动电压与光开关的机电结构设计有关。
Moemes
光开关
Company
LOGO
主要内容
1 2 3 4
课题研究背景 Momes技术简介 Momes光开关介绍 Momes光开关基本结构设计
研究背景
全光通信：
信息时代人们对信息获取和信息处理的极大需求， 又直接促进了光通信技术的进步。随着WDM， DWDM技术的应用虽然满足了大容量、高带宽、高 速率的网络需求，但同时对光通信技术提出了新的 挑战。传统的电交换网络已经不能满足大规模网络 信息交换的需求。 组建全光通信网络成为未来光通信网络发展的必然 趋势。
了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展及其优势
了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展及其优势数字测试、仪器和无线通信领域的新兴应用需要高性能的开关产品。
未来的应用将延续这一趋势——需要更宽的带宽、更低的损耗、更高的电阻可重复性和更高的线性度。
以TeraVicta 为代表的开关产品供应商将继续利用MEMS开关技术的优势，推动新一代开关产品的发展，满足最新应用的需求。
关键词：射频微机电系统MEMS本文分析了射频微机电系统(MEMS)开关技术的最新进展，介绍了该技术的优势，并对最新的MEMS产品与传统的机械式和机电式继电器和开关进行了对比。
一直以来，消费者对更快的处理器速度与更高的数据通信速率越来越高的要求促使人们不断提高电子器件的性能。
这一推动力遍及各个方面，已经成为电子行业的基本特点——从设备供应商到元件制造商和系统集成商。
到目前为止，已有开关技术的性能基本上能够满足开关性能增长的需要，开关制造商在很大程度上没有十分迫切的性能需求。
但是，电子行业若干关键领域中的一些重要应用正要求大幅度提高开关的性能。
这些应用包括测试与仪器设备，以及无线手持设备与基础架构等。
新的挑战开关技术面临的新挑战主要来源于测试与仪器领域，其中新一代IC器件的时钟与数据速率已经超过了1Gbps，这是大多数已有自动测试设备(ATE)的最高性能。
由于新一代高性能ATE 系统往往价格昂贵，研发时间很长，因此器件制造商不得不充分利用现有的工作——通常采用负载板上的开关网络构成“环形”通路，用待测器件(DUT)进行自我测试(如图1所示)。
图1：环路测试原理图。
这些应用需要低损耗、高带宽的开关(用于环路)，同时提供较高的可重复性和较低的电阻(用于连接ATE系统内高精度的参数测试电子元件)。
随着电子器件I/O引脚数量的增加，负载板上的空间局限性也越来越大，这反过来又要求开关元件必须同时缩小尺寸，提高性能。
尽管新一代ATE系统有望能够满足当前的测试需求，但是随着时钟频率和数据速率的增大、信号电平的下降(在更高的时钟速率下降低功耗)和元件引脚数量的不断增加，人们对信号完整性的要求越来越高。
MEMS光开关综述
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。
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MEMS光开关的研究及市场分析集成电路专业学年论文论文题目: MEMS光开关的研究及市场分析学院: 电子工程学院年级: 2008级专业: 集成电路设计与集成系统姓名: 刘欣学号: 20083410指导教师: 窦雁巍2011年 7月 2日摘要光开关是光通信网络的重要功能器件,MEMS光开关是最具发展前景的光开关之一。
在简介不同种类光开关原理特点的基础上，详细分析了当前主要的MEMS光开关的分类、结构、工艺与性能特点，并给出了研究与发展情况和采用MEMS体硅工艺制作的三种结构的微机械光开关。
它们的工作原理都基于硅数字微镜技术。
这三种光开关采用了静电力驱动，具有较低的驱动电压。
在硅基上制作了光纤自对准耦合槽，并对光开关的开关特性进行了计算机模拟与分析，并进行结果分析。
关键词微机械;光开关;开关阵列;微镜;硅-玻璃键合;光纤通信IAbstractOptical switch is an important functional device in optical fibre communication networks, MEMS optical switch is one of the mostpromiseful optical switches. This paper introduces basic principles and characters of several kinds of optical switches, and illustrates the classification, structures, fabrication methods and functional characters of current MEMS optical switch in details. And recent development and progress on this research area are presented and three kinds of MEMS optical switches with different mechanical structures are produced by the bulk-micromachining processes. Their principles of operation are all based on silicon digital micro mirrors technology. The electrostatic actuators with low driving voltage are used in the three kinds of optical switch. The grooves used for optical fibers being self-aligned coupling are made on silicon substrate for device. Computer simulation and analysis of on-off characteristic show that the second and the third optical switches have switching time.Key wordsMEMS; optical switch; switch array; micro mirror; silicon-on-glass bonding;optical fibercommunicationII目录摘要 ..................................................................... .. (I)Abstract ............................................................... . (II)前言 ..................................................................... ................................................................ 3 第一章光开关的种类...................................................................... .. (4)1.1 物理效应光开关 ..................................................................... . (4)1.1.1 固态波导光开关 ..................................................................... .. (4)1.1.2 液晶光开关 ..................................................................... . (4)1.1.3 热光开关 ..................................................................... .. (4)1.1.4 全息光栅开关 ..................................................................... (5)1.2 微机械光开关...................................................................... . (5)1.2.1 光路遮挡型MEMS光开关 ..................................................................... . (6)1.2.2移动光纤对接型MEMS光开关 .....................................................................61.3微镜发射型MEMS光开关 ..................................................................... (7)1.3.1弹出式微镜光开关 ..................................................................... .. (8)1.3.2扭转式微镜光开关 ..................................................................... (9)1.3.3滑动式微镜光开关 ..................................................................... (10)1.3.4三维阵列光开关 ..................................................................... .................... 11 第二章微机械光开关的原理、设计与分析 ....................................................................142.1 MEMS光开关的工作原理 ..................................................................... . (14)2.1.1 水平驱动2D光开关 ..................................................................... (14)2.1.2 垂直驱动2D光开关 ..................................................................... (14)2.1.3 扭摆驱动2D、3D光开关 ..................................................................... .. (15)2.1.4 2D与3D耦合方式 ..................................................................... (15)2.2 分析与设计 ..................................................................... (16)2.2.1 水平驱动2D光开关 ..................................................................... (16)2.2.2 垂直驱动2D光开关 ..................................................................... (17)2.2.3 扭摆驱动2D、3D光开关 ..................................................................... .. (18)2.3 实验 ..................................................................... (19)2.3.1 水平驱动2D光开关 ..................................................................... (19)2.3.2 垂直驱动与扭摆驱动2D、3D光开关 (19)2.3.3 测试 ..................................................................... ..................................... 20 第三章 MEMS光开关的控制 ..................................................................... . (22)3.1 MEMS光开关控制原理 ..................................................................... .. (22)3.1.1 MEMS光开关简介 ..................................................................... .. (22)3.1.2 控制原理与过程 ..................................................................... (22)3.2 控制系统设计...................................................................... .. (23)3.2.1 硬件设计方案 ..................................................................... . (23)3.2.2 软件设计方案 ..................................................................... ...................... 24 第四章光开关的市场分析 ..................................................................... .. (26)4.1 光开关的技术优势 ..................................................................... . (26)4.2 国内外的技术现状 ..................................................................... . (27)4.2.1 国内情况 ..................................................................... (27)4.2.2 国外情况 ..................................................................... (28)4.3 发展动态 ..................................................................... .. (28)4.4 市场潜力 ..................................................................... ........................................ 30 结论 ..................................................................... .............................................................. 31 参考文献 ..................................................................... . (32)学年论文题目,五号楷体居中书写,前言光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85%的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。