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转动竖直微镜的硅微机械光开关研究

作　者: 杨艺榕
导　师: 王跃林
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机械 光开关 竖直微镜 球透镜
分类号: TM564
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 182次
引　用: 3次
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内容摘要


本论文提出一种1×2扭转竖直微镜光开关，微镜采用(110)硅腐蚀制备而成，执行器采用变间隙的电容驱动器，光耦合采用球透镜进行，并制作1×2光开关器件。 直接光纤耦合的微机械光开关损耗较大，但光束准直后再耦合可以降低损耗。本文采用球透镜光纤进行光耦合，仔细分析了影响耦合效率的各种因素。高反射率薄膜是微镜的一个组成部分，对金属薄膜的反射特性进行了计算，金和铝是很好的反射膜镀层，饱和反射率达到97％，膜厚200nm。在入射角不大的情况下，偏振相关的反射率相差很小。 角度偏转是光操作的一种方式，在光开关和光衰减器有广泛的应用。针对固定间隙的电容，把固定电极做成曲线形状，有效低降低悬臂梁的吸合电压。对执行器的静电压响应和频率特性进行了模拟计算，在此基础上制作的执行器驱动竖直微镜对光信号进行偏转。在器件的光学耦合部分设计的固定弹簧有助于光纤的固定。 以(110)硅为衬底，用湿法腐蚀技术制作的表面平整光洁的竖直镜面，是光器件的关键之一，采用深反应离子刻蚀技术制作的执行器，对微镜进行小角度偏转从而控制光信号的切换，测得的执行器吸合电压为69V和73V，与模拟的结果较为吻合。 研制的光开关样品测出损耗为4～5dB，隔离度为45dB。测试结果表明，光开关器件能够实现光切换的功能。 本论文的工作作为“光通信用微光机电关键技术”的一部分成果获得了“2003年上海市科学技术进步二等奖”。

全文目录


中文摘要  2-3
英文摘要  3-6
第一章 绪论  6-28
  1 引言  6-15
    1.1 几种典型的静电力执行器  7-10
    1.2 MEMS加工技术  10-15
  2 几种典型的MOEMS器件  15-22
    2.1 光源  16-17
    2.2 微机械可调光衰减器  17
    2.3 自由空间光学  17-19
    2.4 光探测器  19-20
    2.5 可调谐滤波器  20
    2.6 微显示  20-21
    2.7 光信息读取  21-22
  3 微机械光开关  22-28
    3.1 基于移动光纤型的微机械光开关  23-24
    3.2 基于微镜的微机械光开关  24-26
    3.3 本论文研究工作  26-28
第二章 微机械光开关光学设计  28-46
  1 光开关耦合损耗分析  28-38
    1.1 单模光纤耦合损耗分析  28-30
    1.2 镜面引起的损耗和串扰分析  30-36
    1.3 2x2微机械光开关的损耗估算  36-38
  2 1x2微机械光开关的光学设计  38-41
    2.1 微机械光开关和光开关阵列的光学耦合方法  38-39
    2.2 微机械光开关光学耦合的媒介  39-41
  3 1x2转动竖直微镜微机械光开关的光学设计  41-46
    3.1 光学耦合媒介  41
    3.2 微机械光开关光路设计  41-43
    3.3 球透镜耦合效率的计算  43-45
    3.4 小结  45-46
第三章 微机械光开关的执行器设计  46-58
  1 微机械执行器的静电耦合  46-51
    1.1 光开关器件对微机械执行器的要求  46-47
    1.2 平行板电容静电力执行器  47-48
    1.3 静电力水平扭矩执行器  48-51
  2 微机械光开关执行器数值模拟  51-58
    2.1 执行器的电-机械耦合模拟  51-52
    2.2 ANSYS模拟过程  52-53
    2.3 ANSYS模拟的执行器位移曲线  53-55
    2.4 电场静电力结果  55
    2.5 微机械光开关执行器谐振频率分析  55-56
    2.6 微机械光开关固定卡簧设计  56-57
    2.7 小结  57-58
第四章 微机械光开关的制作和测试  58-73
  1 竖直微镜制作技术  58-61
    1.1 湿法腐蚀的方法  58-59
    1.2 DRIE刻蚀技术  59-61
  2 光开关器件的制作  61-68
    2.1 微执行器和U形槽的制作  61-62
    2.2 微镜的制作  62-63
    2.3 光开关器件的制作  63-65
    2.4 光开关器件芯片制作结果  65-68
  3 光开关器件测试与讨论  68-73
    3.1 光开关器件的测试标准  68
    3.2 静态电学测试  68-70
    3.3 动态电学测试  70-71
    3.4 光学测试  71-72
    3.5 存在问题和讨论  72-73
第五章 结论  73-74
参考文献  74-78
发表文章和申请专利目录  78-79
致谢  79-80
作者简历  80-81
附件一  81-82
附件二  82-83
附件三  83-87

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 开关电器、断路器 > 各种开关
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