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1、A D i s s e r t a t i o n S u b m i tt e d i n P a r t i a l F u l f i l l m e n t o f t h e R e q u i r e m e n t sF o r t h e D e g r e e o f Ma s t e r i n E n g i n e e r i n gT h e s t a t i c 一 d y n a m i c r e s p o n s e a n a l y s i s o f m i c r o f i b e ro p t i c aSw lt c hMs . D. Ca
2、n d i d a t e :Ma j o rS u p e r v i s o rL i u S h i L o n gE n g i n e e r i n g Me c h a n i c s: P r o fC h e n gH u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e 日 本通产省1 9 9 1 年开始启动一项为期1 0 年耗资2 5 0 亿日 元的微机械研究计划:欧共体国家在尤里卡计划中将微机械作为 个重要的 研究内 容， 并 在法、 德两国组织实 施。 在我国， 微机械的 研究也逐渐得到重视，国家科委、国防科工委、国家
3、自 然科学基金委等部门 将其列为重点发展项目 (2 1微光机电系统( M O E M S ) 是 将微光学器件集成到M E M S 中， 现已 成为M E M S研究领域中的一个重要方向。目 前， MO E MS 技术己 经广泛应用于国防、航天航空、通讯、交通、医学，甚至已经渗入了每一个家庭。 MO E MS 的应用领域主要可分为三个部分:( 1 )利用 ME MS 结构对光束进行操作，( 2 )通过ME MS 装置进行光传感，( 3 ) 利用光能对M E MS 结构进行物理操作。 虽然目 前微光学元件与其它元件 ( 如微惯性测量仪、微流体元件、和压力测量元件等)相比，在 M E MS产业中
4、所占市场份额还很小， 但是它的增长率却是最快的。 可以认为MO E MS 是继微电子技术之后的又一 次产业革命和技术革命，它的发展将会对 2 1 世纪的科学技术、生产方式和人类生活方式产生极其深远的影响。1 . 3 光开关应用及研制的必要性光开关是一种可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，它具有一个或多个可选择的传输端口。光开关的分类根据其有无可动部件，可分为 机 械式 和非 机械式两大 类 m 。 机械式光开关具 有可 动的 机械部 件， 主要 靠移动光纤或光学元件， 使光路发生改变。 机械式光开关的优点是插入损耗较低， 一般不大于2 d B ; 隔离度高， 一般大
5、于4 5 d B ; 不受偏振和波长的影响。 它的不足之处是: 开关时间较长，一般为毫秒数量级， 有的还存在回跳抖动和重复性较差的问题。 机械式光开关还可以细分为移动光纤、移动套管、 移动准直器、 移动反光镜、 移动棱镜、移动偶合器等多种。根据光开关对光的作用原理， 还可以分为波导型和自由空间型等. 波导型中也可分为具有可动部件的机械式和没有可动部件的两种类型。 非机械式波导型光开关是利用 一 些材料的电光、 磁光、声光和热光等物理效应来改变波导折射率， 使光路发生改变， 一般都是采用波导结构制成。 非机械式波导型微型光开关与机械式光开关相比能获得快的开关速度、结构紧凑、 便于实现集成等优点。
6、一些利用量子阱原理研制的波导开 关具有极高的开关 速度， 可以 达到1 0 - 1 2 秒级， 利 用微电 子工艺可以 实 现高 密度集成和光电 集成， 非常适合应用于未来的集成高速光交换和光电子交换系统中， 所以它是近年来非常热门的研究课题。波导型微光开关的不足之处是插入损耗和功耗都较大，因此大规模光开关阵列的设计受到一定的限制， 而且一般都是平面结构， 设计自由度较小。对波长非常敏感，并且隔离度低，只有2 0 d B左右。热光型的光开关功率消耗大，电光型的光开关对极化非常敏感。根据光开关的传输端口 数可分为 1 X1 , 1X2 , 1 XN , 2 X 2 , 2 X N , MX N等
7、多利 ， 。根据不同原理或机理作用的光开关具有不同的性能，它们分别应用在不同的场合，如可应川于光纤通信系统、光纤网络系统、光纤测量系统或仪器以及光纤传感系统和光学信息处理系统中， 起到开关切换作用。随着信息的大爆炸， 超高速、宽带的全光网络 ( A O N ) 通信技术的发展己 经成为世界各国通信业发展的焦点。 全光网络的建成，是光纤通信业的一个重要突破口，光交换技术是实现全光网络重要的一 步 ， 而高速、 大规模阵列式的光开关是光空分交换技术中必不可少的核心器件， 普遍的观点认为， 光空分交换技术与光波分交换技术相结合是构造未来全光网络的基础， 在将来光纤直达用户的大容量光纤通信网中有着重要
8、的地位。 因为光纤直达用户的通信难以窃听， 故在国防专用通信中更有不可替代的地位。 光开关的应用可以克服目 前电交换技术中存在的越来越严重的电子“ 瓶颈” 问题， 是目 前最可能实现实用化的关键技术，构建全光网络包括重构插入/ 分接节点和光的交叉链接 ( O X C ) ， 这些都需要超高速大规模的光开关阵列。日 前， 光纤通信系统和在光纤通信基础上发展起来的光纤传感技术是微型光开关的两个重要应用领域， 它主要用于光纤通信中的光交换系统和主备系统中，以及光纤测试技术和光学信息处理中。 光开关除了 用于光通信以 外， 还可以用于光学测量系统和光信息处理系统中，实现光路的切换和转换以及光学扫描等，
9、如NX1 的光开关可以作为光纤传感系统的多路采样器。因为光开关被使用的广泛性， 要求其具有性能高、 小型、价廉等特性， 传统的光开关一 般都采用可以 移动的棱镜、 透镜、 反射镜等光学元件组成光学系统来实现光路开关功能，这种开关一般都存在着机械电气结构复杂、插入损耗大、开关时间长、外型体积大、高精度调整困难、功率消耗大、制作成本高等缺点。而利用 M E MS工艺制作的微光开关正能克服传统光开关的以上缺点， 其研究得到了 各国的重视，国外对ME MS 微光开关的研究己经有6 到 7 年的历史，其中日本 N T T和美国的B e l l 实验室在 M E MS微型光开关方面研究得最多。我国在这方面
10、的研究， 特别是自由空问微镜型微光开关方面的研究几乎是空白。随着光通信技术的发展， 网络带宽的扩大， ME MS 光通信器件产业势必具有十分重要的 研究价值和广阔的应用前景。因此应尽早开展对M O E MS 光开关的研究工作。1 . 4 本论文主要工作本论文对运用微光机电 ( M O E M S ) 技术制备的一种新型微光开关进行工作特性分析及有限元仿真。主要工作包括:1 )分析薄膜淀积工艺中残余应力产生机制，通过了解制备工艺参数特性和薄膜形成过程的微观结构模型， 得到应力产生机理的明确解释。 针对光开关中的主要结构部件一悬臂层合板结构建立了计算其中应力分布的等效模型， 得出厚度方向应力分布的
11、变化值.2 )分析光开关中悬臂微梁的结构特点，建立悬臂矩形板横向弯曲大变形计算模型。 得出模型横向弯曲和自由振动的平衡方程。建立能描述层合板结构特征和残余应力分布的层合板单元， 运用有限元方法求得悬臂微梁静态挠度随残余应力及结构参数的变化规律，求解出微梁自由 振动固有频率和相应振型模态。3 )根据光开关工作特性，考虑残余应力的影响和静电力的作用特点，对悬臂微梁进行静电场一结构的祸合分析。由于静电一结构祸合场的非线性特性， 使用多次迭代法求得系统的收敛解。 计算得出了光开关工作时的开关电压， 切换过程的稳定时间等工作参数。2 悬臂微梁的残余应力分析光开关中的悬臂微梁在制作工艺中，通过控制工艺参数
12、使结构中产生残余应力，并使得悬臂微梁产生预弯曲 变形。 光开关工作时， 在微梁与底板间施加静电压， 产生静电力将微梁吸附到底板上; 撤去静电压， 微梁重又弯曲 翘起。 微梁上的光反射镜也随微梁的形态改变而实现上下运动， 从而对光信号实施切换操作。 残余应力是影响淀积薄膜层热应力循环次数、 疲劳裂纹扩展及键合失效等表现的重要因素。了解微梁中残余应力的产生、 分布及对结构形态的影响， 对制造出合格的产品是至关重要的。本章在分析结构制作工艺的基础上，获得这方面的相关内容。2 . 1 微型光开关的结构设计光纤定位槽出射光纤1下电极入对先纤1图2 . 1 微型 光开关结构示意图 I L I图2 .2 复
13、合悬臂微梁结构图光开关由 悬臂微梁、 微镜、 底板等组成。其中悬臂微梁有一部分为薄膜一基底复合结构 ( 见图2 . 2 ) ，残余应力分布在复合结构中并使其弯曲。从图2 . 1 中可以看到，悬臂微梁上下运动， 改变微梁端部微镜的空问位置， 可实现两组输入输出光纤光路间的切换。当微梁翘起时，入射光纤 1 中光线将从微梁下部穿过，传入出 射光纤2 中;入射光纤2 中光线也将相应传入出射光纤2 中。当微梁向下运动，与 底板接触并达到稳定状态后， 微镜正好处于光纤通路的中间位置，此时入射光纤 1 中射出的光线将被微镜反射而进入出射光纤2 中， 入射光纤2 中射出的光线也由微镜面反射进入出 射光纤1 中
14、。 控制悬臂微梁的上下运动，即可实现对光路的切换。 微光开关器件本身特征尺寸在微米量级，使得静电力能够对结构产生有效的驱动力。微光开关制作工艺中，底板上覆有一层薄二氧化硅层作为绝缘层。 微梁与底板间加静电 压， 微梁由于受到静电力作用将克服薄膜层中残余应力产生的弯矩作用而向下运动。 由于静电力大小与 两带电 物体间距离的平方成反比， 所以在微梁向底板运动过程中， 两者间距离不断改变，使得静电 力大小也随之变化。 如静电 压达到某一量值时， 悬臂微梁被完全吸附到底板上与底板上绝缘层接触而变成平板， 上下电 极间仅相隔一很薄的二氧化硅绝缘层。 此时保持静电压不变， 则微梁将处于一稳定状态， 并保证
15、对光路操作的可靠性。 将微梁完全吸附下来的最小静电压称为阀 值电压。当电压小于阀值电压时， 悬臂微梁将不能被完全吸附在底板上， 而是最终保持在某一平衡位置，即偏离原位置向下， 但仍保持一定的翘起变形量。当需要微梁再次翘起时， 可撤去静电压， 此时由于薄膜层中的残余应力产生的弯矩作用， 微梁将从底板上翘起并回复初始变形位置。由于薄膜层中残余应力在微梁运动时已 预先存在， 因此在进行微梁动静态分析时都应考虑残余应力的影响。2 . 2 光开关制作工艺目 前，世界范围内制作微机械的方法主要有三种:美国等国家采用与集成电路( I C ) 工艺兼容的体硅加工和表面加工等方法制作微结构;日 本采用传统的逐级
16、缩小方法， 即先用大机器做出小机器， 再用小机器加工出微机器: 德国开发出电铸模技术，也称为L I ( I A工艺， 其主要方法是先使用软X射线光刻图形， 然后使用离子电 镀技术形成电铸模，冉用生成的模具铸造生成微机械。L I G A 工艺优点是可得到大深宽比的微结构，但由于软x 射线源极其昂贵，因此限制了该工艺的推广。目前M E M S 制作1 二艺大多采川与I cT 艺兼容的方法，这样可充分利用现有的I c 工艺技术，同时也使M E M S 技术发展有较好的基础。本论文中讨论的M E M S 光开关加工工艺采用与传统的I C 工艺相兼容的表面硅微加工方法。先在硅基板上利用原位氧化工艺制成二氧化硅绝缘层，光刻图形形成电极接触块后淀积牺牲层材料，通常为P S G 磷硅玻璃，光刻牺牲层图形后再淀积P o l y s i l i c o n多晶硅基底和后者则不会对阀值电压造成影响，因此改变设计时可沿用原来的电路设计。 考虑到静电旅的增大可能造成薄膜层介质被电压击穿和薄膜层增厚会使结构巾应力分布更加复杂，因此在改变设计参数时可综合考虑这些因素。- 勺 一 fi l m- l e -心一
