吳雅蘋，陳曉航，吳志明

(廈門大學(xué) 物理系 a.福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005)

光纖通信技術(shù)為通信產(chǎn)業(yè)帶來歷史性變革，密集波分復(fù)用(Dense wavelength division multiplexing, DWDM)光通信網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、高速率的明顯優(yōu)勢，已成為目前通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要趨勢[1]. 近幾年來，以IP為主的Internet業(yè)務(wù)飛速增長，并對網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式、節(jié)點(diǎn)設(shè)計和管理控制提出了更高要求. 在此推動下，自動交換光網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今系統(tǒng)研究的熱點(diǎn). 其核心節(jié)點(diǎn)由光交叉連接(Optical cross connect，OXC)設(shè)備構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)波長選路和對光網(wǎng)絡(luò)靈活有效地管理. 光交叉互連技術(shù)是DWDM網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而光開關(guān)作為切換光路的功能器件，則是OXC的核心組成部分. 由光開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)矩陣可同時實(shí)現(xiàn)動態(tài)光路徑管理、光網(wǎng)絡(luò)故障保護(hù)、波長動態(tài)分配等功能，對解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的波長爭用問題、提高波長重用率、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活配置等方面均有重要作用[2].

傳統(tǒng)光開關(guān)器件主要基于固態(tài)波導(dǎo)和光機(jī)械技術(shù)[3]. 其中固態(tài)波導(dǎo)開關(guān)采用光集成方式，其耗時短、體積小、易于大規(guī)模集成，但其消光比、偏振敏感度、串?dāng)_效果及插入損耗指標(biāo)都較差；而光機(jī)械開關(guān)采用三維校準(zhǔn)方式，雖然插入損耗和串?dāng)_性較好，但由于設(shè)備體積較大且價格昂貴，嚴(yán)重影響其可靠性和擴(kuò)展性，也不適于制作大規(guī)模開關(guān)矩陣. 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectro mechanical system，MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展[4]，人們將微機(jī)械構(gòu)造和電路集成到硅片上，制成微米級乃至納米級器件，從而也產(chǎn)生了新興的MEMS光開關(guān). MEMS光開關(guān)將光機(jī)械結(jié)構(gòu)、微致動器和微光元件集成在同一基底上，因而結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，且在設(shè)計靈活性、兼容性、擴(kuò)展性上均具有優(yōu)勢，與未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢相符合[5-6]. 與傳統(tǒng)的光機(jī)械開關(guān)相比，MEMS光開關(guān)既繼承了光機(jī)械開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其集成困難和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景，最能適應(yīng)DWDM全光通信網(wǎng)要求的光開關(guān)技術(shù)，也是頗具競爭力的光器件實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，而MEMS光開關(guān)的集成和產(chǎn)業(yè)化將是未來其重要發(fā)展方向[7-8].

本文基于MEMS光開光的工作原理，采用電磁型驅(qū)動器提供驅(qū)動力，設(shè)計MEMS電磁反射型光開關(guān)器件，計算開關(guān)正常工作下所需的電磁力，運(yùn)用有限元ANSYS 9.0仿真軟件模擬平面方形磁芯線圈的磁場分布以及懸臂梁在電磁力作用下的形變狀態(tài)，推導(dǎo)磁芯線圈匝數(shù)、懸臂梁位置、懸臂梁與平面磁芯線圈接觸區(qū)域等結(jié)構(gòu)參量.

1 MEMS光開關(guān)的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

基于MEMS制造工藝的光開關(guān)的典型代表有光路遮擋型光開關(guān)以及移動光纖對接型光開關(guān)[6].

1)光路遮擋型光開關(guān)可為懸臂梁式光開關(guān)，由金、氮化硅、多晶硅材料構(gòu)成，并且由體硅工藝加工出懸臂梁，其器件尺寸為1～2 mm. 該器件利用多晶硅PiN電池串聯(lián)組成光發(fā)電機(jī)，由遠(yuǎn)端的光信號控制產(chǎn)生電壓，電極板受到電場力吸引，將遮片升起，此時光開關(guān)處于開通狀態(tài)；無光信號時，光發(fā)電機(jī)無電壓輸出，此時遮片下降，光開關(guān)關(guān)閉. 該光開關(guān)驅(qū)動光功率僅需幾μW，傳輸距離可達(dá)幾百km，開關(guān)速度幾ms，插入損耗可小于0.5 dB. 但其串?dāng)_比較大，隔離度較低.

2)移動光纖對接型光開關(guān)，以電磁驅(qū)動并利用光纖的移動和對準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光信號的切換. 其優(yōu)點(diǎn)在于采用體硅及光刻、電鑄和注塑(LIGA)工藝，制造結(jié)構(gòu)和制備方法較為簡單，且對驅(qū)動精度要求低，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較好，穩(wěn)態(tài)時幾乎不耗能，插入損耗約為1 dB. 缺點(diǎn)在于開關(guān)速度較低，約為10 ms量級，可連接的最大端口數(shù)受到限制，多用于網(wǎng)絡(luò)自愈保護(hù).

此外，還有微鏡反射型MEMS光開關(guān)，其相對于移動光纖對接的方法更加易于集成和控制并組成光開關(guān)陣列.

2 仿真結(jié)果分析與討論

基于MEMS光開關(guān)的基本工作原理，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)作為電磁光開關(guān)的部件[9]，設(shè)計電磁反射型光開關(guān)，其示意圖如圖1所示.

圖1 電磁反射型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖

該電磁反射型光開關(guān)結(jié)構(gòu)包括可動懸臂梁和固定部分，可以由體加工而成. 懸臂梁制作材料采用金屬Ni，其長、寬、高分別為300,20,5 μm. 懸臂梁根部固定，自由端連接一豎直鏡面，在自由端附近有2個限位塊，懸臂梁與限位塊的間隙為10 μm；兩側(cè)分別有2個導(dǎo)磁電極，通過2個磁感應(yīng)線圈引出. 當(dāng)磁感應(yīng)線圈通電后，由導(dǎo)磁體將磁感線引入懸臂梁下方. 在磁力的作用下，懸臂梁在受力方向上產(chǎn)生位移，發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，并且停止在限位處. 改變磁感應(yīng)線圈的通電狀態(tài)，使得懸臂梁來回擺動，產(chǎn)生2種穩(wěn)態(tài)，并由限位塊精確地控制轉(zhuǎn)動的角度.

基于電磁反射型光開關(guān)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS 9.0有限元軟件模擬、Mathematica數(shù)值計算等對正常工作下懸臂梁的受力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而設(shè)計磁芯線圈，并分析其電磁場分布以及懸臂梁在電磁力作用下的受力形變狀態(tài)[10-11]，為器件的優(yōu)化設(shè)計提供合理方案，以實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定可靠的器件功能.

2.1 懸臂梁受力分析

懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其在工作過程中將同時受重力及電磁力作用.

圖2 懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖

1)懸臂梁的重力

在豎直方向上，懸臂梁受到自身重力作用. 采用典型的均勻載荷P模型，懸臂梁沿豎直方向的位移可表示為

(1)

在x=L處，存在最大的位移：

由于懸臂梁與限位塊的間隙為10 μm，可以看出，重力對懸臂梁的影響極小，因而在設(shè)計中基本無需考慮重力作用.

2)電磁力

電磁力F是懸臂梁的驅(qū)動力，通過導(dǎo)磁體引入電磁力作用于懸臂梁上，使其產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而與限位塊接觸. 可視為懸臂梁在x=a處受到集中力F，此時懸臂梁的位移方程為

(2)

(3)

設(shè)懸臂梁在限位塊處，限位塊對懸臂梁的作用力為Fv，方向沿-y，則懸臂梁的彈性回復(fù)力可表示為

(4)

可得在此工作狀態(tài)下，其運(yùn)動曲線方程為

(5)

由式(4)與式(5)可知，當(dāng)懸臂梁受到電磁力吸引，開始彎曲工作時，電磁力要大于彈性回復(fù)力. 設(shè)定x=L1處，y=y1=5 μm，代入式(5)可以求得懸臂梁正常工作時所需電磁力最小值為Fmin=17 mN.

2.2 MEMS 驅(qū)動器設(shè)計

相比其他驅(qū)動方式，電磁型驅(qū)動有著驅(qū)動電壓小、驅(qū)動力大、位移量大、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而設(shè)計選用電磁型驅(qū)動器提供MEMS光開光的驅(qū)動力. 為了簡化電磁驅(qū)動器的制作工藝以便于實(shí)際應(yīng)用，采用平面方形磁芯線圈作為驅(qū)動部件，如圖3所示.

圖3 平面方形線圈結(jié)構(gòu)示意圖

平面方形線圈通電后產(chǎn)生的電磁力F為

(6)

其中，S為電磁鐵線圈的面積，WI為電磁鐵的安匝數(shù)，δ為電磁鐵與懸臂梁的間隙. 取δ=15 μm，S=50 μm×50 μm，可以求得WImin=77 安匝.

當(dāng)考慮磁芯的存在時，設(shè)磁芯的相對磁導(dǎo)率μr=100，則WImin=0.77安匝，由此取W=77 匝，I=10 mA為平面方形磁芯線圈的結(jié)構(gòu)與工作參量.

2.3 電磁線圈的電磁場仿真分析

采用ANSYS 9.0軟件對含有鐵芯的電磁鐵建模如圖4所示. 該模型由平面線圈、磁芯和空氣組成，截取其縱向剖面進(jìn)行分析，并且將排列緊密的線圈電流簡化近似為密度均勻而且連續(xù)分布的電流.

圖4 平面方形磁芯線圈仿真模型

當(dāng)線圈中通入一定電流時，磁感線分布情況如圖5(a)所示. 磁感線分布于繞圈周圍，且在磁芯處最為密集，說明此處電磁力最大，符合電磁場基本理論. 當(dāng)增大電流時，電磁力隨之增強(qiáng)，因此增大電流有利于平面磁芯線圈吸引懸臂梁彎曲并與之接觸，從而完成開關(guān)動作；但增大電流同時也將增大器件功率，因此應(yīng)綜合考慮以決定通入電流的大小.

(a)磁感線

(b)磁場向量分布圖5 平面方形磁芯線圈通入電流時磁感線與磁場向量分布圖

從線圈周圍的磁場向量分布可以看出，磁芯上方磁感應(yīng)強(qiáng)度分布密集，可對懸臂梁產(chǎn)生較強(qiáng)的吸引力，因此懸臂梁受力端宜置于此位置，有利于與線圈之間形成穩(wěn)定接觸.

2.4 懸臂梁受力形變分析

將以上分析所得的電磁力作用于懸臂梁受力端，采用ANSYS 9.0軟件模擬懸臂梁的形變情況. 簡化考慮其末端的受力情況，建立模型如圖6所示.

圖6 懸臂梁受力仿真模型

模擬所得懸臂梁應(yīng)力分布如圖7所示. 結(jié)果顯示，懸臂梁受力彎曲時，其固定端所受的應(yīng)力最大，因而在制作過程中應(yīng)當(dāng)注意加強(qiáng)固定端的連接.

圖7 懸臂梁受力分布圖

用靜力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，可得懸臂梁在電磁力作用下形變?nèi)鐖D8所示. 可見，懸臂梁受力時其末端位移量最大，因此宜將此處作為與下方平面磁芯線圈接觸的區(qū)域，以便于實(shí)現(xiàn)微電磁光開關(guān)的閉合接通.

圖8 懸臂梁在電磁力作用下形變圖

3 結(jié)束語

角度偏轉(zhuǎn)是光開關(guān)實(shí)現(xiàn)的一種重要手段，本文基于MEMS體工藝，設(shè)計了微電磁反射型光開關(guān)原型器件. 運(yùn)用ANSYS有限元模擬與數(shù)值計算等方法分析光開關(guān)懸臂梁的受力情況、平面磁芯線圈的電磁場分布以及懸臂梁在電磁力作用下的受力形變狀態(tài)，提出磁芯線圈匝數(shù)、懸臂梁位置、懸臂梁與平面磁芯線圈接觸區(qū)域結(jié)構(gòu)參量的設(shè)計依據(jù). 目前，該仿真實(shí)驗(yàn)作為本校物理開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)計項(xiàng)目，其課程設(shè)置充分利用了本校開放實(shí)驗(yàn)平臺，規(guī)避了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時間與空間上的局限，促進(jìn)了教學(xué)資源的共享，推動本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的完善. 同時，該實(shí)驗(yàn)將當(dāng)代通信技術(shù)與學(xué)科專業(yè)深度融合，拓展了學(xué)生理論知識與實(shí)踐體驗(yàn)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力.