新型電熱式MEMS光開關設計與仿真分析*

肖 杰， 陸安江， 黃子吉

(貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

光開關作為轉變光路的核心器件，是光交叉連接[1]中的關鍵部分，同時具有保護倒切功能、網絡監視功能、光器件測試功能。傳統機械光開關體積大且反應慢，滿足不了當前對光開關的各種需求，而微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)[2]光開關具有體積小、反應快、易集成等特點。MEMS光開關種類比較多，包含電熱式驅動[3]、靜電式驅動[4]、壓電式驅動[5]、電磁式驅動[6]等。在驅動結構方面，最初靜電和磁感應驅動成為 MEMS 光開關的主要選擇，磁驅動可以提供較大的力，但存在大的能量損耗及使隔壁系統存在電磁干擾等問題。靜電驅動需要較大的電壓，且有較高環境要求。因此,靜電和磁感應驅動還需要解決系統的屏蔽、封裝以及可靠性問題。而電熱驅動方案相對來說具有電壓低的優點，但同時對熱隔絕和降溫要求相對較高，很多開關商將電熱驅動作為以后的研發重點。

本文提出了一種新的電熱式MEMS光開關，并對結構進行可行性分析和驗證。

1 結構設計及原理

1.1 電熱驅動結構

新結構在靜電式梳齒驅動光開關[7]基礎上對驅動部分進行改進，以電熱式驅動替換靜電式驅動，以此來降低驅動電壓和提升驅動位移。如圖1所示，電熱驅動主要由電熱雙晶片、加熱器、V型懸梁、支撐臂、頂端鏡面構成，其核心部分為bimorph雙晶片和V型懸梁組成的M型制動器，通過驅動V型頂點來實現位移。

圖1 電熱式驅動器結構示意

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，外側材料熱膨脹系數低于內側材料熱膨脹系數。V型懸臂為材質剛性適度的材料,能確保拉伸可以使其變形。支撐臂為材質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構[9，10]連接雙晶片和V型懸梁。封裝時將光纖和驅動器組合在一起成為光開關。

如圖2，將多個驅動器排列在一起構成微鏡陣列，形成多端口光開關，因為此驅動結構長度偏長，所以適合用于二維光開關。

圖2 光開關示意

1.2 工作原理

電熱式驅動光開關工作原理為對加熱器施加電壓進行加熱，通過固體傳熱使材料熱膨脹產生形變。具體分為2部分：1)雙晶片受熱產生彎曲，雙晶片由兩種材料合成，外側材料熱膨脹系數小于內側材料熱膨脹系數，當材料受熱時，內側材料受熱形變量大于外側，導致雙晶片像外側彎曲，若雙晶片彎曲作用在V型懸梁上，則表現為一個水平向兩側的拉力。2)V型懸梁兩端受水平拉力向外側位移，因為兩邊雙晶片結構對稱，懸梁兩端受力相同，致使V型懸梁的頂點產生垂直向上的位移，推動支撐臂使微鏡發生位移，從而改變光路達到光開關的效果。

1.3 理論分析

圖3 V型理論形變

圖4 驅動位移值

2 仿真分析

圖5 結構仿真

實驗電壓設定在0.3 V時實驗結果如圖5(b)，可以看到,實驗結果與理論一致，雙晶片bimorph結構頂端向外側發生平移，V型結構頂點垂直向上產生位移。整個M結構受力點明顯表現在V型結構與雙晶片的連接點以及V型結構的頂點，且著重在V型結構頂點上，因此，在實際研發過程中應該著重考慮隔熱材料和結構以及V型材料和結構的選取。

從圖6中看出，加熱溫度主要集中加熱器中部，bimorph結構溫度稍低，且整個結構溫度相同，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。在研發中應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 驅動器局部溫度

光開關的實現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，則可實現其功能。從圖7可以看出,V型結構的頂點在豎直方向上的位移非常明顯，達到了28 μm，可以實現光開關的功能，而在縱向和橫向幾乎沒有位移。兩邊bimorph結構頂點的位移如圖8，可以看出水平位移非常對稱，而垂直位移非常小。

圖7 V型頂點位移

圖8 bimorph結構頂點位移

電壓與位移的關系如圖9，實驗值為0～0.4 V，可以看出電壓越大，驅動器位移越大，且反應速度越快。

圖9 驅動電壓與位移關系

3 結 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構的不同，對電壓的控制也會有所不同，不過在二維光開關的設計上對電壓的具體控制要求沒有三維光開關對電壓控制的要求高，電壓大小只能控制其驅動位移大小，二維光開關的鏡面角度和移動方向都是固定的，與電壓大小無關，只需要實現對光路的遮擋或反射，而三維光開關還要實現對微鏡角度的具體控制，因此，本結構類似于梳齒式靜電驅動光開關，結構上可行。

2)從仿真的結構局部位移圖上可以看出在電壓的驅動下，整個系統的受力分布對稱，因此此結構工作穩定可靠。

3)數值上，忽略實際結構限制，其最大位移為50 μm，滿足單模光纖的光路切換要求。實際上對結構進行改進增加V型懸梁臂長度可提升其位移，因此，其功能實現上是可行的。M型結構從實驗數據看，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，兩種結構同時都會發生形變，因此在結構上還可以作一定優化。