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OUTLINE. 1. Introduction 2. Basic devices and their functions (1) Switches (2) Micromirrors (3) Tunable Filter (4) Modulators 3. Applications (1) Components: Attenuators, Switches, External Cavity LD …… (2) Systems: OADM, OXC,

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  1. OUTLINE 1. Introduction 2. Basic devices and their functions (1) Switches (2) Micromirrors (3) Tunable Filter (4) Modulators 3. Applications (1) Components: Attenuators, Switches, External Cavity LD …… (2) Systems:OADM, OXC, Active Equalizers …… 4. Summary

  2. 1. INTRODUCTION MEMS是一项国际 公认的战略高技术。 1987年，UC Berkeley 研制的硅静电马达( 转子直径120微米，电容间隙2 微米) 问世，引起轰动。专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。

  3. 美国：微电子机械系统（MEMS） （MicroElectroMechanicalSystem） 欧洲：微系统技术（MST） （MicroSystemTechnology） 日本：微机械（Micromachine） 传感器 信号处理 执行器

  4. 1. INTRODUCTION • MEMS是多种学科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、电子和军事等行业。 • 传感器 • 光开关和开关阵列 • RF 开关 • 生物芯片/ 基因芯片 • 微卫星、微飞行器、微机器人 • ……

  5. 1. INTRODUCTION • (1) MEMS Device Fabrication • Device after all the • films are deposited • and patterned • Device after the oxide • layers are etched • away and the Device • is “released” After the release step, these devices are capable of motion !!

  6. 1. INTRODUCTION Micromachines in Lightwave Networks

  7. MEMS产品市场情况 最热门的领域是光通讯MEMS 年增长率为60% 无线通讯 RF MEMS是未来的热点 Source SPC 1999

  8. 1. INTRODUCTION • (2) General Attributes of MEMS Devices •  Small and cheap ( TI’s 800600 Switch Array, 11.5 cm 2 ) •  Fabricated like an IC • can use last generation equipment • built from silicon-ready available • $200 billion industry drives new capabilities •  Easily scalable to large numbers of devices •  Can be integrated with analog & digital circuits •  Robust and long-lived (  ~ 1104 Hrs.) •  Extraordinary functionality ( t switch ~ 10 s ) •  MEMS are a very good match to Optics.

  9. 1. INTRODUCTION (3) Micromachine Characteristics  Size: < 1mm Scale Dimension  Speed: 100 ns -- 1 s  Actuation Energy: CV2/2 (Electrostatic)  Complexity: Attenuator to Interferometer  Scalability: 1 to 104 (Crossconnect)  Integrability: Electronics, PLC+MEMS...  Optical Paths: Free-space, “Guided Wave”  Cost: $1/chip+Assemly+Package

  10. 2. Basic devices and their functions (1) Switches (2) Micromirrors (3) Tunable Filter (4) Modulators

  11. 光开关 MEMS Switch Architectures

  12. 微电子机械系统开关的优点： （1）亚毫秒的开关的时间； （2）可忽略的串话； （3）可忽略的偏振损耗； （4）可忽略的波长关系； （5）标准IC制作，低损耗。

  13. 微电子机械系统光开关功能实现的方法： （1）光路遮挡； （2）光纤移动对接； （3）微透镜移动,改变光传输方向； （4）微反射镜移动或转动,改变光传输方向； （5）衍射方法,改变光传输方向； （6）改变全反射条件； （7）其它。

  14. (1)光路遮挡  悬臂梁式MEMS光开关 在悬臂梁形成后，在 悬臂梁上淀积和成型波 导，通过控制悬臂梁的 状态实现对光路开关的 功能。 电压高，~ 50 V

  15. (1)光路遮挡---- Lucent  Optically Powered MEMS Switch • 2.7W at 1550nm to actuate • switch ( 1.24 - 20 V, design • dependent) • < 70 s switch time • ~ 0W steady state power • consumption • 20 m fiber gap • 0.5 db insertion loss

  16. (2)光纤移动对接  热驱动MEMS光开关  磁效应MEMS光开关

  17. (3)微透镜移动

  18. (4)微反射镜移动或转动  双面反射镜移动光开关  立式扭转微镜光开关

  19. (4)微镜移动或转动  用于OXC的微镜光开关 8  8 switch array ------ 64 mirrors Tswitch < 1 mS A ~ 1cm  1cm

  20. (4)微反射镜移动或转动 Mirror

  21. (5)衍射方法，改变光传输方向  MEMS光栅光开关 Stanford University Tswitch < 20 nS

  22. (6)改变全反射条件  微泵开关

  23. (6)改变全反射条件  Mechanical Anti-Reflection Switch“MARS” Modulator-- Lucent.

  24. (7) 其他 • 热光效应开关 • 光旁路开关 • 波导声光开关/调制器

  25. 微电子机械系统光开关的驱动方式： （1）静电驱动（库仓静电引力）； （2）电致伸缩； （3）磁致伸缩； （4）形变记忆合金； （5）光功率驱动； （6）热驱动； （7）热光驱动。

  26. 微电子机械系统光开关所用材料： （1）单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅基材料； （2）Au 、Al等金属材料； （3）压电材料及有机聚合物等其它材料。

  27. 制备工艺 目前微电子机械系统的制备工艺有： （1） IC工艺，IC工艺是在材料上采用湿法刻蚀工艺加工制作； （2）微机械加工工艺（体和表面微加工）； （3）集成光学技术； （4）厚膜薄膜技术。

  28. 制备工艺 近来，不同片子相互键合的重要性越来越明显，它主要应用在SOI结构、三维IC器件和三维微机械元件等方面。在硅微电子机械加工技术中Si-Glass阳极键合和Si-Si直接键合是目前广泛采用的方法。 目前，氧化、光刻、腐蚀、掺杂、金属喷镀、锯切、引线焊接技术业已成熟，最近开发的湿法各向异性腐蚀、干法腐蚀、阳极键合、硅熔键合已成为非常实用的技术，可以用来形成微米级的孔、槽、台面、悬臂梁和质量块等多种复杂的几何形状。

  29. 系统集成技术 系统集成技术包括系统的底盘、组装和连接，涉及的主要技术有： （1）硅技术、厚膜薄膜技术、微加工技术和激光技术； （2）键合主要有芯片粘接、共熔键合、焊接、玻璃封接和静电封接等； （3）接线主要有压焊、倒装式焊接等。

  30. 微透镜 微透镜通常是指直径从几毫米的微小透镜，把几十个微透镜规则排列起来就是微透镜阵列。用微透镜阵列进行光耦合解决了与单模光纤阵列、激光二极管阵列、光电二极管阵列直接耦合时存在的问题，可以改善耦合效率和降低封装的难度。阵列间的连接一次完成，因此并列光互连具有节省空间和高密度的空间分割多重化等许多优点。 微透镜的制作方法有：球透镜可用研磨的方法，在多组份玻璃基板上用选择性离子交换法；在结晶化玻璃基板上采用光热法；在Si基板上用离子束蚀刻法；光学玻璃和树脂热压成型等。

  31. 可调谐滤波器 可调谐F-P滤波器可以通过采用硅微加工技术制造，它由双支撑的多晶硅片、气隙分隔的多晶硅电极构成。两个多晶硅电极组成了F-P腔的镜面，静电驱动改变两镜面间的光程，从而改变透射光强。微电子机械系统微型F-P与半导体激光器集成，特别是与垂直腔面发射激光器集成，可以为波分复用技术提供多波长、可调谐发射光源。

  32. MEMS Application--- Narrow Band Optical Filter

  33. 3. APPLICATIONS • (1) Components: • Attenuators • Switches • Active Packages

  34. MOEMS制备的光通信用器件 几乎光网络中所有的组成单元都能采 MOEMS 技术制作

  35. Micro-Opto-Mechanical Attenuator -- Lucent.

  36. Optical MEMS Switches Detailed View of Mode - Eclipsing Optical Switch--Lucent. 1N MEMS Switch

  37. MEMS OXC – 2N Design

  38. Si-Etalon Wavelength Optical Monitor withMARS Chopper for Enhanced Sensitivity--Lucent.

  39. Micro-Opto-Mechanical Reflective Data Transmitter-- Lucent.

  40. MEMS Switch+Pgen Optical Power Limiter

  41. Active Laser Package from BSAC

  42. Micromirror for External Cavity LD

  43. Fabry-Perot Filter from UCLA

  44. 3. APPLICATIONS • (2) Systems: • OADM • OXC • Active Equalizers

  45. MEMS Wavelength-Selectable ADD/DROP

  46. Optical Switching Architectures

  47. Performance of the 8  8 Switch

  48. Free-Space Micromachined Optical Switch--Lucent.

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