MEMS光开关的静电驱动技术

　　1 引言

　　MEMS 光开关，其原理是通过静电或者其他控制力使可以活动的微镜发生机械转动，以改变输入光的传播方向，从而实现开关功能。MEMS 光开关比机械式光开关和波导型光开关具有更好的性能，如：低插损，小串音，高消光比，重复性好，响应速度适中，与波长、偏振、速率及调制方式无关，寿命长，易扩展成大规模的开关阵列。

　　在驱动结构方面，目前静电和磁感应驱动逐渐成为 MEMS 光开关的主要选择。磁驱动虽能提供较大的力，但存在大的能量损耗及使隔壁系统存在电磁干扰等问题。因此磁感应驱动还需要解决系统的屏蔽、封装以及可靠性问题。因此，静电驱动方案目前仍是首选，而且已经有很多静电驱动的开关产品投放市场。

　　目前，各种不同结构的静电驱动 MEMS 光开关被广泛提出。现在静电驱动 MEMS 光开关的阵列已经有 8×8，16×16，32×32，512×512。由于其具有良好的重复性、无干扰，易于集成、易于微平面加工等优点，可用于光互连网络、激光扫描及数字显像等。

　　静电驱动 MEMS光开关的原理是一致的，均是通过静电作用使可以活动的微镜面转动，从而改变光路。依据不同的光开关结构，光开关可分为：悬臂梁式微镜光开关、扭臂驱动式微镜光开关、梳状驱动式光开关、SDA(ScratchDriveActuator)驱动式光开关。

　　2 四种静电驱动结构分析

　　2.1 悬臂梁驱动

　　它是一个简单的悬臂梁结构, 当上下电极之间的最大距离相对于电极长度较小时，假设电极之间的电场线只存在于 Y 方向，即可近似为一个平行平板;当偏压施加在电容电极之间，产生的静电力与板间距成线性关系;当不通电压时，梁由于自应力呈弧形，光纤直接出射;通上一定电压时，梁受静电力作用，向下接触绝缘层，入射光纤被梁上的平面镜反射到另一个出射口。

　　此种驱动器不需要很高的电压就可以达到大的角度转动, 如 1999 年加州大学电子工程系研究出的2×2 自应力驱动微光开关，其工作电压只需要 20V，其上连微镜的悬臂梁的头部可向上移动 400 m，其相应时间为 600 s。另外它可通过改变梁的物理结构及材料特性来得到所需要的梁的偏转最大值。

　　2.2 扭臂驱动

　　2.2 扭臂驱动

　　图 1 显示了扭臂驱动的微反射镜光开关的模型示意图，微反射镜由两根扭臂支持，整个结构再由连接它的两个台柱支持。在微镜下方有两块电极，当在微镜与一个电极之间施加电压时，微镜在静电力作用下开始旋转一定的角度;而当微镜与另一个电极之间施加电压时，微镜在静电力作用下开始以相反方向旋转，这样可实现控制光输入输出角度的功能。此结构相对简单，工艺上容易实现，且相对于以下谈到的 SDA、梳状驱动的其驱动电压较低，应用较广泛，可用在光通讯、激光扫描及空间光调制器。可应用于要求高速度及大阵列的应用方面，例如数字显像、空间光调制器、光纵横接线器及自适应光器件上。