一种高制动效率大角度硅扭转微镜MEMS光开关的设计

　　MEMS光开关是通过静电、电磁或热等激励使可以活动的微镜发生机械转动,使镜面移入或移出光路,从而改变输入光的传播方向.与早期传统的光开关相比,MEMS光开关具有插入损耗小、体积小、开关时间短和功率消耗小等优点,在成熟的IC工艺生产线上能大批量生产,可大幅降低成本;在商业和军事应用上具有广阔前景[1].

　　MEMS光开关从原理上可分为自由空间微型光开关[2]和波导型微型光开关[3].波导型微型光开关插入损耗和功耗都较大,因此大规模光开关阵列的设计受到限制,而且一般都是平面结构,设计自由度较小,因此目前自由空间微型光开关是研究的主流方向.根据反射光是否在同一平面,MEMS光开关可分为二维(2D)数字式[4]及三维(3D)模拟式[5].由于3D光开关需复杂的反馈系统维持微镜位置并稳定外界干扰和漂移引起的插入损耗,故目前2D数字是光开关的主要研究方向.

　　扭转微镜MEMS光开关是一种2D数字式的自由空间型光开关,这种光开关制动方式简单、加工制造容易,功率消耗比较小,而且避免了运动部件间的摩擦和磨损,具有较长的使用寿命和较好的稳定性[6].但是静电制动电压往往比较高.Yong Seop Yoon等人2003年报道的类平行板电容静电制动式的硅微机械扭转镜实现微镜90°旋转制动电压为47 V,微镜上升时间与下降时间分别为5 ms和15 ms[7].Chien ChengChu等人2003年报道的交错式垂直扭转梳齿静电制动式的硅微机械扭转镜制动电压为90 V,其光学扫描角度大约为5°,谐振频率大约为4. 1 kHz[8].VeljkoMilanovic等人2003年提出的平面梳齿静电制动式的硅微机械扭转镜在130 V直流电压制动下,微镜的扭转角度大约为22°[9].可见,如何降低制动电压及提高静电制动效率是目前研究普遍面临的一个重要问题.

　　本文提出了一种带有硅扭转镜的静电制动式微机械光开关,该光开关是通过静电制动微镜绕梁实现90°扭转来完成光路转换.通过合理选择扭转梁结构,设计微镜有关尺寸和梳齿的位置,制动电压可降低为18 V,开关时间为毫秒量级.由于硅扭转梁具有较好的疲劳特性,因此新型光开关具有较长的使用寿命.

　　1　硅扭转微镜MEM S光开关的工作原理

　　硅扭转微镜的原理,如图1所示,当微镜和衬底之间加上制动电压时,在静电力的作用下,微镜将以扭转梁为轴向衬底转动,从而完成光路的切换,图示开关处于开态.为实现大角度扭转和高制动效率,笔者提出了一种新型的硅扭转微镜MEMS光开关,如图2所示.笔者在微镜下方设计了足够大的空腔,在微镜和衬底之间施加足够大的电压时,微镜将会在静电力作用下绕扭转梁向腔体内转动,直至与腔体的侧壁接触,实现微镜90°大角度扭转.作为开关,扭转微镜要能够迅速地在两个稳态,即“开”与“关”之间快速稳定地切换.在器件中,微镜遮挡光路(关态)是通过衬底梳齿与背面电极共同施力,最终产生吸合来完成的.由于产生吸合只要求微镜预扭转过一定角度便可以发生,因此笔者采用了衬底梳齿来使其在较小的电压之下达到所需的预偏角.利用吸合发生时两极板的快速贴紧过程,可使微镜在较短时间内达到关态,缩小开关时间.为进一步提高开关速度,在微镜背面也设计了背面梳齿,可使光开关较快地完成由关态到开态的切换.