高速的光網(wǎng)絡(luò)使世界各地的人們得以即時(shí)交流和分享想法。微小的MEMS光開關(guān)在這些數(shù)量龐大的光纖系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。此類開關(guān)涉及機(jī)械、光學(xué)和電氣三個(gè)領(lǐng)域,因而是適宜作為利用Tanner EDA工具進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)和仿真學(xué)習(xí)的器件。如圖1所示,本文介紹了2 x 2光開關(guān)原理圖的創(chuàng)建和仿真。
圖1:2 x 2光開關(guān)
有多種方法可以創(chuàng)建光開關(guān)。本文研究的光開關(guān)采用一個(gè)雙面反射鏡,其運(yùn)動(dòng)由一個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器控制。執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)由一組折疊彈簧控制。反射鏡滑出到兩個(gè)垂直對(duì)準(zhǔn)槽的相交處,然后在受到驅(qū)動(dòng)時(shí)縮回。對(duì)準(zhǔn)槽中有兩對(duì)光纖發(fā)射器和接收器(圖1中僅顯示了一個(gè)發(fā)射器)。在交叉狀態(tài)中,梳狀驅(qū)動(dòng)器未激活,反射鏡位于槽相交處。反射鏡將來(lái)自輸入1的光束反射到輸出2,并將來(lái)自輸入2的光束反射到輸出1。在直通狀態(tài)中,梳狀驅(qū)動(dòng)器激活,反射鏡縮回。來(lái)自輸入1的光束由輸出1接收,輸入2發(fā)射光束到輸出2。我們利用體微加工技術(shù)在晶圓上進(jìn)行光開關(guān)的制造。先在掩膜上繪制反射鏡、光纖對(duì)準(zhǔn)槽、梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和折疊彈簧的圖形。通過(guò)蝕刻工藝刻出對(duì)準(zhǔn)槽,釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu),并為機(jī)械元器件留下錨點(diǎn)。最后的制造步驟是放置光纖發(fā)射器和接收器,然后給反射鏡涂鋁。原理圖創(chuàng)建創(chuàng)建光開關(guān)的過(guò)程從利用S-Edit構(gòu)建原理圖開始。此編輯器提供了一個(gè)豐富的元器件庫(kù),可用來(lái)快速組裝開關(guān)。第一步是從庫(kù)中調(diào)用各光學(xué)元器件實(shí)例(圖2),然后將其連接起來(lái)。
圖2:開關(guān)的光學(xué)元器件
設(shè)計(jì)人員可以從S-Edit庫(kù)中實(shí)例調(diào)用參數(shù)化的元器件并予以連接:? 雙透鏡光纖發(fā)射器:各透鏡均為輸出高斯光束的單模元器件。發(fā)射器的端面彎曲,可用作一個(gè)聚焦光束的透鏡。? 雙透鏡光纖接收器:收集高斯光束并生成耦合功率。? 兩個(gè)光功率源:為光纖發(fā)射器提供功率。? 一個(gè)雙面平面反射鏡:定義高斯光束的反射特性。圖3顯示了連接到雙面鏡的通電發(fā)射器和接收器對(duì)。
圖3:光學(xué)元器件的電路圖
為滿足光學(xué)要求,各元器件的參數(shù)可以改變。例如,設(shè)計(jì)人員可以定義反射鏡的大小和厚度,或定義高斯光束腰(形狀)。下一步是定義反射鏡的運(yùn)動(dòng),如圖4所示。
圖4:反射鏡的機(jī)械運(yùn)動(dòng)
為使反射鏡運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)人員可以從S-Edit庫(kù)中實(shí)例調(diào)用一組參數(shù)化的機(jī)械元器件并予以連接:? 一個(gè)線性梳狀驅(qū)動(dòng)器:定義驅(qū)動(dòng)器的靜電電容金屬板。一塊金屬板錨定于基板上,另一塊金屬板沿梳齒方向移動(dòng)。? 兩個(gè)折疊彈簧:每個(gè)彈簧定義一個(gè)折疊懸臂梁,其一條腿錨定,另一條腿可自由活動(dòng)。? 一塊剛性金屬板:在每個(gè)方向上提供無(wú)限大剛度,無(wú)形變地傳遞力和動(dòng)量。此外還需要一個(gè)信號(hào)源來(lái)提供激活梳狀驅(qū)動(dòng)器的電脈沖。圖5顯示了連接到兩個(gè)折疊彈簧的通電線性梳狀驅(qū)動(dòng)器。梳狀驅(qū)動(dòng)器的靜止金屬板、各折疊彈簧的錨腿和反射鏡皆連接到剛性金屬板上。
圖5:機(jī)械元器件的電路圖
為滿足機(jī)械要求,各元器件的參數(shù)是可以改變的。例如,設(shè)計(jì)人員可以定義折疊彈簧的長(zhǎng)度和寬度,或指定梳狀驅(qū)動(dòng)器的齒數(shù)。與反射鏡的機(jī)械耦合,通過(guò)實(shí)例調(diào)用一個(gè)壓控電壓源(VCVS)元器件來(lái)實(shí)現(xiàn),其值通過(guò)高斯光束控制,并連接到剛性的金屬板上,如圖6所示。
圖6:機(jī)械元器件連接到反射鏡原理圖
驗(yàn)證下一步是用T-Spice仿真原理圖,然后用波形查看器分析設(shè)計(jì),從而確定該光開關(guān)是否符合預(yù)期。圖7顯示了瞬態(tài)仿真結(jié)果。
圖7:通過(guò)波形分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)
上方波形顯示了基于反射鏡動(dòng)作和梳狀驅(qū)動(dòng)器相對(duì)位移的直通狀態(tài)和交叉狀態(tài)值。下方波形顯示了基于這些狀態(tài)的光纖接收器的功率值。
結(jié)語(yǔ)
光開關(guān)是用于組裝系統(tǒng)的元件工具箱中最基本的MEMS器件之一。Tanner設(shè)計(jì)流程讓設(shè)計(jì)人員可以快速擴(kuò)充工具箱,從而創(chuàng)建出幾乎無(wú)限多樣的令人驚嘆的系統(tǒng)。
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原文標(biāo)題:利用Tanner軟件創(chuàng)建MEMS光開關(guān)
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