光開關(guān)原理圖的創(chuàng)建和仿真

高速的光網(wǎng)絡(luò)使世界各地的人們得以即時交流和分享想法。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)涉及機械、光學(xué)和電氣三個領(lǐng)域，因而是適宜作為利用Tanner EDA工具進行MEMS設(shè)計和仿真學(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)采用一個雙面反射鏡，其運動由一個梳狀結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動執(zhí)行器控制。執(zhí)行器的運動由一組折疊彈簧控制。反射鏡滑出到兩個垂直對準槽的相交處，然后在受到驅(qū)動時縮回。對準槽中有兩對光纖發(fā)射器和接收器（圖1中僅顯示了一個發(fā)射器）。在交叉狀態(tài)中，梳狀驅(qū)動器未激活，反射鏡位于槽相交處。反射鏡將來自輸入1的光束反射到輸出2，并將來自輸入2的光束反射到輸出1。在直通狀態(tài)中，梳狀驅(qū)動器激活，反射鏡縮回。來自輸入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)在晶圓上進行光開關(guān)的制造。先在掩膜上繪制反射鏡、光纖對準槽、梳狀驅(qū)動執(zhí)行器和折疊彈簧的圖形。通過蝕刻工藝刻出對準槽，釋放可動結(jié)構(gòu)，并為機械元器件留下錨點。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)的過程從利用S-Edit構(gòu)建原理圖開始。此編輯器提供了一個豐富的元器件庫，可用來快速組裝開關(guān)。第一步是從庫中調(diào)用各光學(xué)元器件實例（圖2），然后將其連接起來。

圖2：開關(guān)的光學(xué)元器件

設(shè)計人員可以從S-Edit庫中實例調(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。? 兩個光功率源：為光纖發(fā)射器提供功率。? 一個雙面平面反射鏡：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。

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動，如圖4所示。

圖4：反射鏡的機械運動

為使反射鏡運動，設(shè)計人員可以從S-Edit庫中實例調(diào)用一組參數(shù)化的機械元器件并予以連接：? 一個線性梳狀驅(qū)動器：定義驅(qū)動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。? 兩個折疊彈簧：每個彈簧定義一個折疊懸臂梁，其一條腿錨定，另一條腿可自由活動。? 一塊剛性金屬板：在每個方向上提供無限大剛度，無形變地傳遞力和動量。此外還需要一個信號源來提供激活梳狀驅(qū)動器的電脈沖。圖5顯示了連接到兩個折疊彈簧的通電線性梳狀驅(qū)動器。梳狀驅(qū)動器的靜止金屬板、各折疊彈簧的錨腿和反射鏡皆連接到剛性金屬板上。

圖5：機械元器件的電路圖

為滿足機械要求，各元器件的參數(shù)是可以改變的。例如，設(shè)計人員可以定義折疊彈簧的長度和寬度，或指定梳狀驅(qū)動器的齒數(shù)。與反射鏡的機械耦合，通過實例調(diào)用一個壓控電壓源（VCVS）元器件來實現(xiàn)，其值通過高斯光束控制，并連接到剛性的金屬板上，如圖6所示。

圖6：機械元器件連接到反射鏡原理圖

驗證下一步是用T-Spice仿真原理圖，然后用波形查看器分析設(shè)計，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：通過波形分析驗證設(shè)計

上方波形顯示了基于反射鏡動作和梳狀驅(qū)動器相對位移的直通狀態(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

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)計流程讓設(shè)計人員可以快速擴充工具箱，從而創(chuàng)建出幾乎無限多樣的令人驚嘆的系統(tǒng)。