肖 杰， 陸安江， 黃子吉

(貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

光開關(guān)作為轉(zhuǎn)變光路的核心器件，是光交叉連接[1]中的關(guān)鍵部分，同時具有保護(hù)倒切功能、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能、光器件測試功能。傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)體積大且反應(yīng)慢，滿足不了當(dāng)前對光開關(guān)的各種需求，而微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)[2]光開關(guān)具有體積小、反應(yīng)快、易集成等特點(diǎn)。MEMS光開關(guān)種類比較多，包含電熱式驅(qū)動[3]、靜電式驅(qū)動[4]、壓電式驅(qū)動[5]、電磁式驅(qū)動[6]等。在驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面，最初靜電和磁感應(yīng)驅(qū)動成為 MEMS 光開關(guān)的主要選擇，磁驅(qū)動可以提供較大的力，但存在大的能量損耗及使隔壁系統(tǒng)存在電磁干擾等問題。靜電驅(qū)動需要較大的電壓，且有較高環(huán)境要求。因此,靜電和磁感應(yīng)驅(qū)動還需要解決系統(tǒng)的屏蔽、封裝以及可靠性問題。而電熱驅(qū)動方案相對來說具有電壓低的優(yōu)點(diǎn)，但同時對熱隔絕和降溫要求相對較高，很多開關(guān)商將電熱驅(qū)動作為以后的研發(fā)重點(diǎn)。

本文提出了一種新的電熱式MEMS光開關(guān)，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性分析和驗證。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

1.1 電熱驅(qū)動結(jié)構(gòu)

新結(jié)構(gòu)在靜電式梳齒驅(qū)動光開關(guān)[7]基礎(chǔ)上對驅(qū)動部分進(jìn)行改進(jìn)，以電熱式驅(qū)動替換靜電式驅(qū)動，以此來降低驅(qū)動電壓和提升驅(qū)動位移。如圖1所示，電熱驅(qū)動主要由電熱雙晶片、加熱器、V型懸梁、支撐臂、頂端鏡面構(gòu)成，其核心部分為bimorph雙晶片和V型懸梁組成的M型制動器，通過驅(qū)動V型頂點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)位移。

圖1 電熱式驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意

加熱器為耐高溫金屬材料。雙晶片由兩種不同材料貼合而成，外側(cè)材料熱膨脹系數(shù)低于內(nèi)側(cè)材料熱膨脹系數(shù)。V型懸臂為材質(zhì)剛性適度的材料,能確保拉伸可以使其變形。支撐臂為材質(zhì)較輕且剛度適宜的材料。頂端鏡面采用鍍膜[8]方法在頂端支撐臂頂端直接制成。熱隔離以熱隔離材料或熱隔離結(jié)構(gòu)[9，10]連接雙晶片和V型懸梁。封裝時將光纖和驅(qū)動器組合在一起成為光開關(guān)。

如圖2，將多個驅(qū)動器排列在一起構(gòu)成微鏡陣列，形成多端口光開關(guān)，因為此驅(qū)動結(jié)構(gòu)長度偏長，所以適合用于二維光開關(guān)。

圖2 光開關(guān)示意

1.2 工作原理

電熱式驅(qū)動光開關(guān)工作原理為對加熱器施加電壓進(jìn)行加熱，通過固體傳熱使材料熱膨脹產(chǎn)生形變。具體分為2部分：1)雙晶片受熱產(chǎn)生彎曲，雙晶片由兩種材料合成，外側(cè)材料熱膨脹系數(shù)小于內(nèi)側(cè)材料熱膨脹系數(shù)，當(dāng)材料受熱時，內(nèi)側(cè)材料受熱形變量大于外側(cè)，導(dǎo)致雙晶片像外側(cè)彎曲，若雙晶片彎曲作用在V型懸梁上，則表現(xiàn)為一個水平向兩側(cè)的拉力。2)V型懸梁兩端受水平拉力向外側(cè)位移，因為兩邊雙晶片結(jié)構(gòu)對稱，懸梁兩端受力相同，致使V型懸梁的頂點(diǎn)產(chǎn)生垂直向上的位移，推動支撐臂使微鏡發(fā)生位移，從而改變光路達(dá)到光開關(guān)的效果。

1.3 理論分析

圖3 V型理論形變

圖4 驅(qū)動位移值

2 仿真分析

圖5 結(jié)構(gòu)仿真

實(shí)驗電壓設(shè)定在0.3 V時實(shí)驗結(jié)果如圖5(b)，可以看到,實(shí)驗結(jié)果與理論一致，雙晶片bimorph結(jié)構(gòu)頂端向外側(cè)發(fā)生平移，V型結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)垂直向上產(chǎn)生位移。整個M結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)明顯表現(xiàn)在V型結(jié)構(gòu)與雙晶片的連接點(diǎn)以及V型結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)，且著重在V型結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)上，因此，在實(shí)際研發(fā)過程中應(yīng)該著重考慮隔熱材料和結(jié)構(gòu)以及V型材料和結(jié)構(gòu)的選取。

從圖6中看出，加熱溫度主要集中加熱器中部，bimorph結(jié)構(gòu)溫度稍低，且整個結(jié)構(gòu)溫度相同，因此熱膨脹形變量平衡。頂端熱隔離效果理想情況下，V型懸臂溫度偏于常溫。在研發(fā)中應(yīng)考慮加熱器的選擇以及對溫度的控制，確保材料保持其正常性能。

圖6 驅(qū)動器局部溫度

光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)即微鏡能夠反射光路，多模光纖的直徑為50～62.5 μm，單模光纖的直徑為8.3 μm，只要微鏡位移大于光纖的直徑，則可實(shí)現(xiàn)其功能。從圖7可以看出,V型結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)在豎直方向上的位移非常明顯，達(dá)到了28 μm，可以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的功能，而在縱向和橫向幾乎沒有位移。兩邊bimorph結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的位移如圖8，可以看出水平位移非常對稱，而垂直位移非常小。

圖7 V型頂點(diǎn)位移

圖8 bimorph結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移

電壓與位移的關(guān)系如圖9，實(shí)驗值為0～0.4 V，可以看出電壓越大，驅(qū)動器位移越大，且反應(yīng)速度越快。

圖9 驅(qū)動電壓與位移關(guān)系

3 結(jié) 論

1)溫度會隨電壓的增大而升高，考慮到材料的耐熱性能以及結(jié)構(gòu)的不同，對電壓的控制也會有所不同，不過在二維光開關(guān)的設(shè)計上對電壓的具體控制要求沒有三維光開關(guān)對電壓控制的要求高，電壓大小只能控制其驅(qū)動位移大小，二維光開關(guān)的鏡面角度和移動方向都是固定的，與電壓大小無關(guān)，只需要實(shí)現(xiàn)對光路的遮擋或反射，而三維光開關(guān)還要實(shí)現(xiàn)對微鏡角度的具體控制，因此，本結(jié)構(gòu)類似于梳齒式靜電驅(qū)動光開關(guān)，結(jié)構(gòu)上可行。

2)從仿真的結(jié)構(gòu)局部位移圖上可以看出在電壓的驅(qū)動下，整個系統(tǒng)的受力分布對稱，因此此結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定可靠。

3)數(shù)值上，忽略實(shí)際結(jié)構(gòu)限制，其最大位移為50 μm，滿足單模光纖的光路切換要求。實(shí)際上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)增加V型懸梁臂長度可提升其位移，因此，其功能實(shí)現(xiàn)上是可行的。M型結(jié)構(gòu)從實(shí)驗數(shù)據(jù)看，是可行的，但考慮到力的相互作用，bimorph雙晶片對V型施加力時，兩種結(jié)構(gòu)同時都會發(fā)生形變，因此在結(jié)構(gòu)上還可以作一定優(yōu)化。