文档介绍：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
博士学位论文
硅基微机械光开关研究
姓名:王浙辉
申请学位级别:博士
专业:微电子与固体电子学
指导教师:王跃林
20030701
中文摘要为了制作低插入损耗、低驱动电压、高消光比、高开关速度并且适合集成工艺电驱动的、扭转梁大位移的、竖直微镜自对准的饪9亍本文首先围绕光开关的关键指标,提出了掠钡呐ぷA捍笪灰频摹⑹蔽纤参数作为光耦合参数,对光耦合损耗进行了分析计算。计算结果表明,插入损耗小于D壳肮饪9卣罅惺俏⒒倒饪9氐姆⒄狗较颉1疚氖状斡糜邢拊7ǘ跃集成工艺加工,成品率高达%。本文还完成了四单元小型微机械光开关阵列的芯批量制作的光纤通信用光开关,本文基于硅微机械加工技术,设计并制作了一种静镜的微驱动器设计。计算和模拟显示,该微驱动器驱动电压低,位移大甿F德屎鲜约,开关速度快,解决了光开关低驱动电压,低插入损耗所需的大位移和高基模频率之间的矛盾。以美国康宁公司透镜光电驱动扭转阵列单元问的静电场互扰进行了比较系统的研究,得出了阵列结构参数同互扰之间的关系,并把研究结果应用于光开关阵列设计中。利用体硅加工技术,制作完成了光开关,制作实践证明了本设计的光开关适合片制作。四单元阵列所占面积与单个丌关面积相近,显示了本方案的开关具有良好的扩展性。用飨蛞煨愿匆褐谱鞯墓栉⒕荡嬖谕菇窍鹘俏侍猓傻贾驴9厍压增加和消光比降低。本文首次研究耍硅的、边沿较蜓谀さ母飨蛞煨腐蚀凸角削角补偿技术,成功地解决了上述问题。该技术还能应用于规则形状的硅质量块的制作。在光开关制作过程中,还发明了一种底部三面保护制作硅尖的新方对本微机械光丌关的主要性能指标进行了测试,测试结果表明:在光通过微镜反射的情况下,插入损耗可为,消光比大于。在直通状态下,插入损耗可达到獗却笥甁睾拖陆笛氐呢⒐。在同时测试甑通和反射两个通道的情况下,丌关实现了光切换功能;串扰小于一。卜述丌关悱能指标,随着测试条件的改善,法。尽管这种方法有待完善,但可为一些以硅尖为基础的器件的制作提供新的铷作思路。巾国科学院卜籭亟
尚有提高的空倒。关键词微机械光开关硅微加工技术插入损耗小国科学院博十学位论文
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第一章引言微光机电系统与光通信技术约半个世纪前,晶体管和集成电路替代了粗大的真空管,使人类进入了信息革命时代。年,“”的综述文章,对硅微机械技术的发展起到了奠基作用‘”,使机械系统进入了与电子电路相似的微型化革命。微小尺寸的机械系统和与之相伴的电路所组成的系统,称之为微电子机械系统。微光机电系统俏⒐庋А⑽⒒导拔⒌缱蛹际醯娜诤希。微光机电系统由于采用了集成工艺制作技术,具有体积小,响应快,集成定位精确,具有大规模生产能力,价格低廉的特点。微光机电系统出现是非常自然的。微机械技术自诞生之日起,就尝试着应用于各个领域。微电子机械系统的微型驱动器只能输出微小力、力矩或产生微小动作。由于光子没有质量,最适合于微型驱动器。其次,以单模光纤为基础的光纤通信系统,单模光纤内传输的光的束腰直径只有R虼耍⑿颓餍〉亩鳎就有可能对光传输产生巨大影响。再次,微机械系统体积小,定位准确,响应快,『细咚俟庀送ㄐ畔低车姆⒄剐枰!N⒐饣缦低吃诠庀送ㄐ胖械玫搅酥匾5挠图甀微光机电系统用筇一章引高
在光纤通信系统中,大量的工作是把光纤和各种光学元件耦合起来。用微机械技术能加工出低成本的、高精度的筒刍騯形槽,可用来精确地定位光纤,见图’。最近又发展了称为“”的定位槽】,见图啥怨庀私行更精确的定位。它是先在杵涎晶向加工出侧壁竖直的凹槽,然后再经各向异性腐蚀液腐蚀得到。尾图高精度的光纤定位槽在全光通信网中,光编码器和光斩波器是重要的部件。微机械器件质量小,具有高速响应能力和精确定位能力啊】。因此,微机械斩波器具有优异的性能。图是一个高速微机械光斩波器。它的转速高达@寐稚系拇翱诙匀肷光进行斩断,从而获得方波信号。图高速微机械光斩波器自山空涮微光学平台是自由空问集成光学系统【,能完成光的发射,耦合,探测等一系列功能。自由空形⒐庋教ū瘸9娴墓庋教ㄓ胁簧儆攀啤K晌⒓庸投术制作,成本低,体积小,重最轻。吲撬逆跣顽垂梗ḿす馄鳎止中囡科学院博十学位论文⋯.硅基微机械光开关研究
器,微反射镜,微透镜,光探测器等。采用铰链技术,实现了三维的微光系统。这种微光学平台的一个突出优点是由于制作中采用了光刻技术,器件之间对准精度能达到亚微米。图猿隹占湮⒐庋教图怯梦⒒导际踔谱鞯腇腔光可调滤波器腔光可调滤波器在密集波分复用系统中有着重要的应用,起着波段选择的功能。如图荆赏过静电驱动,精细地改变坏募渚啵τ酶缮嫦窒螅≡癯鏊枰5牟ǔさ猵可调滤波器光丌