新型电热式MEMS光开关设计与仿真分析*

肖 杰， 陆安江， 黄子吉

(贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引 言

光开关作为转变光路的核心器件，是光交叉连接[1]中的关键部分，同时具有保护倒切功能、网络监视功能、光器件测试功能。传统机械光开关体积大且反应慢，满足不了当前对光开关的各种需求，而微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)[2]光开关具有体积小、反应快、易集成等特点。MEMS光开关种类比较多，包含电热式驱动[3]、静电式驱动[4]、压电式驱动[5]、电磁式驱动[6]等。在驱动结构方面，最初静电和磁感应驱动成为 MEMS 光开关的主要选择，磁驱动可以提供较大的力，但存在大的能量损耗及使隔壁系统存在电磁干扰等问题。静电驱动需要较大的电压，且有较高环境要求。因此,静电和磁感应驱动还需要解决系统的屏蔽、封装以及可靠性问题。而电热驱动方案相对来说具有电压低的优点，但同时对热隔绝和降温要求相对较高，很多开关商将电热驱动作为以后的研发重点。

本文提出了一种新的电热式MEMS光开关，并对结构进行可行性分析和验证。

1 结构设计及原理

1.1 电热驱动结构

新结构在静电式梳齿驱动光开关[7]基础上对驱动部分进行改进，以电热式驱动替换静电式驱动，以此来降低驱动电压和提升驱动位移。如图1所示，电热驱动主要由电热双晶片、加热器、V型悬梁、支撑臂、顶端镜面构成，其核心部分为bimorph双晶片和V型悬梁组成的M型制动器，通过驱动V型顶点来实现位移。

图1 电热式驱动器结构示意

加热器为耐高温金属材料。双晶片由两种不同材料贴合而成，外侧材料热膨胀系数低于内侧材料热膨胀系数。V型悬臂为材质刚性适度的材料,能确保拉伸可以使其变形。支撑臂为材质较轻且刚度适宜的材料。顶端镜面采用镀膜[8]方法在顶端支撑臂顶端直接制成。热隔离以热隔离材料或热隔离结构[9，10]连接双晶片和V型悬梁。封装时将光纤和驱动器组合在一起成为光开关。

如图2，将多个驱动器排列在一起构成微镜阵列，形成多端口光开关，因为此驱动结构长度偏长，所以适合用于二维光开关。

图2 光开关示意

1.2 工作原理

电热式驱动光开关工作原理为对加热器施加电压进行加热，通过固体传热使材料热膨胀产生形变。具体分为2部分：1)双晶片受热产生弯曲，双晶片由两种材料合成，外侧材料热膨胀系数小于内侧材料热膨胀系数，当材料受热时，内侧材料受热形变量大于外侧，导致双晶片像外侧弯曲，若双晶片弯曲作用在V型悬梁上，则表现为一个水平向两侧的拉力。2)V型悬梁两端受水平拉力向外侧位移，因为两边双晶片结构对称，悬梁两端受力相同，致使V型悬梁的顶点产生垂直向上的位移，推动支撑臂使微镜发生位移，从而改变光路达到光开关的效果。

1.3 理论分析

图3 V型理论形变

图4 驱动位移值

2 仿真分析

图5 结构仿真

实验电压设定在0.3 V时实验结果如图5(b)，可以看到,实验结果与理论一致，双晶片bimorph结构顶端向外侧发生平移，V型结构顶点垂直向上产生位移。整个M结构受力点明显表现在V型结构与双晶片的连接点以及V型结构的顶点，且着重在V型结构顶点上，因此，在实际研发过程中应该着重考虑隔热材料和结构以及V型材料和结构的选取。

从图6中看出，加热温度主要集中加热器中部，bimorph结构温度稍低，且整个结构温度相同，因此热膨胀形变量平衡。顶端热隔离效果理想情况下，V型悬臂温度偏于常温。在研发中应考虑加热器的选择以及对温度的控制，确保材料保持其正常性能。

图6 驱动器局部温度

光开关的实现即微镜能够反射光路，多模光纤的直径为50～62.5 μm，单模光纤的直径为8.3 μm，只要微镜位移大于光纤的直径，则可实现其功能。从图7可以看出,V型结构的顶点在竖直方向上的位移非常明显，达到了28 μm，可以实现光开关的功能，而在纵向和横向几乎没有位移。两边bimorph结构顶点的位移如图8，可以看出水平位移非常对称，而垂直位移非常小。

图7 V型顶点位移

图8 bimorph结构顶点位移

电压与位移的关系如图9，实验值为0～0.4 V，可以看出电压越大，驱动器位移越大，且反应速度越快。

图9 驱动电压与位移关系

3 结 论

1)温度会随电压的增大而升高，考虑到材料的耐热性能以及结构的不同，对电压的控制也会有所不同，不过在二维光开关的设计上对电压的具体控制要求没有三维光开关对电压控制的要求高，电压大小只能控制其驱动位移大小，二维光开关的镜面角度和移动方向都是固定的，与电压大小无关，只需要实现对光路的遮挡或反射，而三维光开关还要实现对微镜角度的具体控制，因此，本结构类似于梳齿式静电驱动光开关，结构上可行。

2)从仿真的结构局部位移图上可以看出在电压的驱动下，整个系统的受力分布对称，因此此结构工作稳定可靠。

3)数值上，忽略实际结构限制，其最大位移为50 μm，满足单模光纤的光路切换要求。实际上对结构进行改进增加V型悬梁臂长度可提升其位移，因此，其功能实现上是可行的。M型结构从实验数据看，是可行的，但考虑到力的相互作用，bimorph双晶片对V型施加力时，两种结构同时都会发生形变，因此在结构上还可以作一定优化。