用于光通信的微电子机械系统技术进展论文

用于光通信的微电子机械系统技术进展论文（精选2篇）

用于光通信的微电子机械系统技术进展论文 篇1

用于光通信的微电子机械系统技术进展论文

当前国际上光纤通信领域研究开发的热点是全光网，它是光纤通信技术研究发展的最高阶段全光网的建立是在干线上采用WDM技术扩容，在交叉节点上采用光上下话路(OADM),光交叉连接(OXC和波长路由交换技术来实现目前，我国开展全光网络应用与研宄的重要步骤是:首先将在长途干线上采用WDM技术进行点到点扩容，接着在节点上采用OADMOXC技术上、下话新技术对光器件提出了更高的要求，如技术指标上要求器件具有更高的工作速度、低插入损耗、长工作寿命;体积上由于单元器件的多，要求有更高集成度;成本上由于网络的扩大，所需器件将大大加，必须降低成本才能被用户接受采用传统手段制造的光器件难以满足上述要求，器件己成为阻碍光纤通信发展的瓶颈，是当前光网发展亟待解决的问题因此必须积极寻找新技术和新工艺，制造新型光器件，才能实现全光网。

1.近十几年发展起来的微电子机械系统适的制造手段。基于微电子机械系统技术的光器件有以下显著优点：

1)技术性能好。如德克萨斯仪器公司研制的数字微镜器件，开关速度高达1^s,比传统机械开关快两个量级，损耗小于3dB,经过热冲击、温度循环、机械冲击等试验证明器件工作稳定，寿命可达10万小时以上由于是通过微小机械部件的运动来实现开关功能，因此所需功耗非常小，只需5V电压供电Bell实验室研制的使用微平面镜的K16线阵开关AT&T研制的用于光交叉连接的8<8光开关也都具有非常优越的性能指标

2)集成度高。由于采用集成制造工艺，光器件尺寸很小，这对于光交叉连接使用的光开关阵列非常必要,如采用传统机械开关制作，当N较大时，其体积将是很庞大的使用微电子机械系统技术可以很好地解决这个问题,德克萨斯仪器公司研制的微镜800<600光开关，其芯片尺寸只有1cmX1.5cm而且容易实现与微透镜及单模光纤间的耦合，还可以与控制电路集成。

3)成本低基于微电子机械系统技术的光器件由于采用集成制造工艺，在工艺定型后，可以大批量生产,其成本必将极其低廉，这对日益发展的光通信产业,具有重要的现实意义。

微电子机械系统技术在传感器执行器及控制器等方面已得到广泛应用，尤其是在传感器方面，其市场占有率已达1/4以上。同时，人们也在不断探索、开拓微电子机械系统的新应用领域，以发挥更大的作甩光通信产业为微电子机械系统提供了更为广阔的应用领域，由于光通信产业具有巨大的社会效益和经济效益，因此将微电子机械系统应用到光通信系统必将带动微电子机械系统技术和产业的发展，同时也会推动光通信技术和产业的发展,两者的结合是非常有意义的近几年甩于光通信的微电子机械系统器件在国际上受到广泛重视,世界上重要的通信公司、研究机构大学，如朗讯、AT&T贝尔实验室、加利福尼亚大学等已经开始研究和开发微电子机械系统光器件。在召开的国际光纤通信大会(OFC99)上，微电子机械系统光器件被列为一个专题

2用于光通信系统的微电子机械系统研究现状

微电子机械系统光器件在城域网、长途网、接入网(无源光网PON)和海底网中均可以得到应甩下面介绍几种主要的微电子机械系统光器件特点及研究现状。

2.1光开关

光开关是使传输通路中的光信号通或断，或进行路由转换的一种光器件，在系统保护、系统监测及全光交换技术中具有重要的作甩传统光开关根据其工作原理分为机械式和电子式两类。机械式光开关是在外力作用下，通过光纤的移动来实现光通路的导通和关闭，串音低、插入损耗小,但由于采用大型驱动和定位机构，开关速度低,体积大，不易集成。采用非线性光学效应的电子式开关速度快、可靠性高、易于集成，但串话高、消光比低微机械技术的迅猛发展，使光开关设计和制造重新受到重视，图1给出了微电子机械系统光开关的典型原理示意图。

微电子机械系统光开关具有突出的优点：(1)亚毫秒的.开关时间;(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，低损耗微电子机械系统光开关的驱动方式主要有：(1)静电驱动(库仑静电引力);(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。

微电子机械系统光开关所用材料大致有：(1)单晶桂、多晶桂、氧化桂、庋趸桂、氮化硅等硅基材料;(2)AuAl等金属材料;(3)压电材料及有机聚合物等其他材料。

微电子机械系统光开关功能实现的方法主要有：(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)其他

下面介绍几种典型的基于微电子机械系统的光开关技术

2.1.1光路遮挡

悬臂梁方式的光开关：在光波导路径上采用悬臂梁式的光开关，用体微机械加工技术作出悬臂梁后，在其上淀积和成型波导，通过控制悬臂梁的工作状态达到对光进行开和关功能能这种光开关有一定缺点，如工作电压高(达50V)，可获得的隔离度不大光驱动的微机械开关(朗讯公司):利用硅微细加工工艺可制成光控的微型开关，整个尺寸约1~2mm材料由金、氮化硅、多晶硅层组成其工作机理是:用8个多晶硅PIN电池串联组成的光发电机，在光信号的驱动下，可产生3V电压，使电容板受到电场吸引，把遮片升起，光纤开关处于开通状态如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光纤开关关闭，如图2所示用此开关可组成光纤线路倒换系统该开关是由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的据报道，驱动光功率仅2.7MW，传输距离达128km，工作波长为950~1650nm，开关速度3.7ms，损耗小于0.5dB

2.1.2光纤移动对接

热驱动光开关:是一种K2热驱动的光纤开关。它由一厚的镀Ni热驱动执行器来移动光纤，在硅片上各向异性刻蚀出U或V形槽，用以输入光纤与输出光纤之间的对准。这种设计不需要耦合光波导或透镜，并能达到理想的低损耗开关功能?

磁力效应开关:利用微机械技术与磁力效应实现KN开关。这种开关采用了一种具有“燕尾”连接的移动微平台，平台上刻蚀出V形槽，用以固定输入光纤与输出光纤输入光纤的移动平台上淀积一层磁材料，磁场的作用将这个微平台沿着“燕尾”连接机构移动，实现输入光纤与输出光纤之间的对准这种开关的开关时间小于10ms，插入损耗达到1dB还有一种2<2微机械光开关，其插入损耗小于3.1dB，串音小于40dB，工作电压为100V，开关时间可达0.5ms左右

2.1.3改变全反射条件

微泵开关:在以矩阵形式配置的光波导的各差点具有满足全反射条件的差点槽当差点槽有与光波导相同折射率的匹配油时，则光穿透槽。无匹配油时，光在差点槽的壁面全反射进入交叉的光波导中，达到光交换的目的要实现这种光开关阵列，将涉及控制毫微升注入量的微泵以及光纤阵列的高精度连接技术，这种光开关为已研制成功的微泵提供了应用场所。

日本电报电话公司研制的全反射控制光开关示意L波导内有气泡和折射率匹配油，通过两个加热器分别导通来控制光纤交叉点波导内的物质。当加热器1开时，交叉点为气泡，入射光被反射;当加热器2开时，交叉点为折射率匹配油，入射光投射己通过原理性验证,还没有具体指标报道21.4微镜移动或转动这种开关采用静电驱动微平面镜阵列来改变自由空间传输的光束方向，以进行输入光与输出光之间的多路转换。它与米用非线性光学效应的固体式光开关相比，长度、宽度尺寸都要小1/10多，消光比提高，串话减小。而且机械式光开关具有不影响波长和偏振面、自稳定性、高消光比低串话以及无光损耗等优点过去的光开关采用大型驱动和定位机构，开关转换速度慢、尺寸大，限制了它的使用。利用适合于光控制的半导体技术来研制微型、廉价的机械开关，可望用于光通信系统中光交叉连接。比较典型的有：

给出了瑞士纳沙泰尔大学开发的2X2光开关，通过双面反射镜移动实现2<2光交叉连接，反射镜通过60V电压形成静电驱动位移20^m交叉槽充满匹配油，以减小后向散射及插入损耗，开关时间0.5ms,比传统机械开关快一个量级，串话衰减60dB,美国德克萨斯仪器公司研制的用于大型投影显示的微镜光开关阵列单元结构示意L在CMOS静态随机存储器基片上使用微机械技术制造微镜及其转动机构。微镜通过其支架与一薄片式柔性扭转铰链连接，当支架受存储器释放的电荷吸引时,将通过铰链发生转动，其范围为±1(°微镜为16Mm的正方形，600<800象素的开关阵列尺寸为1^1.5〔:瓜,开关时间小于10卜8,工作寿命可达10万小时。目前SVGA型(800X600)和XGA型(1024<768)己在批量生产中，SXGA型(1280<1024)己完成试作贝尔实验室研制了使用微平面镜的K16线阵开关，每一个平面镜可以通过20V电压驱动转动9°微平面镜的尺寸非常小，宽10Mm,长60Mm开关时间约20Ms在其测试系统中，16路信号间隔1.6nm,Pass通射光透过空气层和Si基层透射过去。

机械光栅光开关;是斯坦福大学报道的,其结构如图9所示，在氮化硅基板上淀积铝膜的带状层分为可移动和固定两种当不施加电压驱动时，所有带状层是平行排列的，入射光被沿原光路反射回去，相当于“关”状态当对带状层施加电压时，可移动带状层向下移动1/4,此时将发生衍射现象，衍射光方向与入射光方向不同，相当于“开”状态其突出特点是，开关速度高达20ns

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1碳材料超级电容器简介

碳材料超级电容器由对称式的两个多孔碳电极组成, 通常是活性碳, 将电极放在电解液中, 由于固液两相的电化学电势不同, 电极表面上的静电荷将从溶液中吸引部分无规则分布的离子, 使它们在电极、溶液界面的一侧离电极一定距离处聚集起来, 形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的充电层。这样的充电层由界面处的两个电荷层组成, 一层在界面的电极一侧, 另一层在界面的溶液一侧, 故称为双电层, 当在两端施加一个电势差, 如图2所示, 充电时, 溶液中的正负离子会在电容器的两端聚集, 负极的电子会被溶液中的正离子平衡, 正极则相反;放电时, 电子通过外电路上的负载从负极流向正极[4]。

基于双电层超级电容器的工作原理, 如果电极材料的比表面积越大, 那么其存储的电荷就越多, 其容量越高, 性能越优异, 所以如何进一步的提高碳材料的比表面积一直是研究的重点, 因为对于电容器而言, 在实际应用中, 其功率密度是远远满足实际应用需求的, 其充放电在几秒到几十秒之内完成, 其与电池相比较低的能量密度是限制其应用的关键因素[5]。

2 基于 C-MEMS 的碳材料超级电容器

2.1 制备工艺

文章主要讨论的是基于微机械加工技术来制作图案化的超级电容器, 其主体材料为光刻胶热解产物:活性碳。

基本的制作工艺如图3所示, 为了制备基于碳膜的集电极, 首先将一层粘度比较小的光刻胶旋涂在硅片上, 经过合理的光刻显影条件得到图3中 (a) 结构, 这一结构碳化之后, 主要起到收集和传输电荷的作用;然后, 在此结构上旋涂一层粘度较大的胶, 经过对准光刻工艺, 在此结构上制备高长宽比的光刻胶柱结构, 见图3 (b) , 然后将此结构整体放在管式炉中在惰性气体中热解, 这时升温速率不能太快, 应控制在5℃/min左右, 因为光刻胶和Si O2层的受热膨胀不同, 这也是为了防止脱落。热解成功的结构见图3 (c) , 合理的热解条件可以得到多孔、比表面积大、结构稳定的碳结构, 此结构在两端搭载电极引线, 滴加电解液之后就可以组装成完整的超级电容器, 接着通过热解条件和后续修饰此结构来研究其电化学性能。

2.2 基于 C-MEMS 超级电容器优势

没有引入MEMS技术前, 电容器的结构都是如图4 (a) 中所示, 为二维平面结构, 由两个薄膜电极, 中间夹一层固态电解液堆叠而成。而利用MEMS技术制作的图4 (b) 所示的交错式结构与传统二维平面结构相比有很多优点[6]。

(1) 两个电极都在同一个平面内有利于器件的生产和集成。 (2) 利用先进的微加工技术, 可以精确的控制两电极间的间距, 从而减少离子在电解液中的传输距离, 提高器件的功率密度, 同时电极的侧面可以与电解液有效接触, 进一步提高其能量密度。 (3) 为了进一步提高性能, 在此结构基础上制备三维结构, 三维结构可以在相同的占地面积条件下进一步利用空间体积, 提高了电容器的容量, 解决超级电容器领域中的容量上限问题。

3 基于 C-MEMS 超级电容器性能优化

3.1 热解条件影响

热解过程中温度和气氛对最终得到的活性碳性质影响是显著的。Ben Hsia和Mun Sek Kim[7]等人研究了温度和气氛对C-MEMS电容器性能的影响, 对比了800℃、900℃和1000℃对其性能的影响, 结构表明900℃时其电化学性能最高, 在800℃时, 由于温度低, 碳石墨化程度低, 导电性不好造成其性能低下, 而1000℃时, 其单位面积容量小于1F/cm2, 远远低于900℃, 其原因是因为高温进一步提高了碳材料的孔隙直径, 孔的直径变大, 变相减小了材料的比表面积[8], 降低了容量。研究表明由热解酚醛树脂 (与光刻胶性质相似) 所得碳的多孔性与温度密切相关, 表明在700℃时实现了最大的微孔体积, 但是在700℃热解时产生了非常大的平面电阻[9], 继续升高温度, 孔体积会下降, 导电性会提高, 二者都会影响电容器的性能, 所以为了实现比表面积和电导率的平衡, 900℃可以最佳化这两个参数。BenHsia和Mun Sek Kim同时也研究了热解气氛对热解结果的影响, 如图5所示, 研究了三个条件 (Ar、10%H2/Ar、在Ar加热900℃, 在900℃气氛换为10%H2/Ar维持1小时) 对其电化学性能的影响, 研究表明双气氛热解得到的碳材料与水的接触角小, 即亲水性好, 电解液可以深入到内部的微孔, 有效比表面积大。对于碳材料, 并不是比表面积越大, 其容量越大, 必须同时考虑电解液离子是否可以有效进入微孔内部, 发挥最佳作用[10]。

Lyons[11,12]等人研究了H2对热解结果的影响, 表明热解后的体积收缩与气氛密切相关, 在纯N2中得到的碳膜体积是在纯H2中的两倍, 说明H2可以进一步与热解中物质作用, 产生致密的薄膜。所以在实际操作中, 如何合理控制惰性气体和H2的切换, 仍然需要进一步探索优化, 这样才能得到性能优异的碳材料。

3.2 包覆赝电容活性物质

电容器有两种类型, 除了双电层电容器, 还有基于氧化还原反应的赝电容材料[13], 这类材料有过渡金属氧化物 (Rn O2、Mn O2等) 、导电高分子 (PPy、PINA等) 和官能团修饰的碳材料, 与双电层电容器相比, 氧化还原反应存储的容量是非常大的, 将此类物质负载在C-MEM型电容器碳材料表面, 可以进一步提高电容器容量。

Majid Beidaghi和Chunlei Wang [14]制作了三维的碳柱结构, 之后在其表面电沉积一层PPy (聚吡咯) 导电薄膜, 而PPy是一种低成本和环境友好型的电化学活性物质, 得到了性能优异的超级电容器器件;Majid Beidaghi和Wei Chen[15]制备了相同的结构, 然后将此结构在硫酸溶液中通过三电极作用, 使碳材料表面带有含氢离子的官能团, 而且证明硫酸活化时间越长, 电容器容量越高, 但其循环稳定性却减低了, 说明官能团的确提高了容量, 稳定性却不好。

3.3 物理修饰碳材料表面

负载高容量的赝电容活性物质固然可以提高电容器容量, 但是基于氧化还原反应通常会大大降低系统的循环寿命, 影响器件实际应用中的使用期限, 而通过物理的方法则不会影响其循环稳定性。

Wei Chen[16]等人在三维碳柱表面通过CVD法沉积一层碳纳米管 (如图6所示) , 碳纳米管是碳材料的其中一种衍生物, 其良好的导电性和大的比表面积使其在能源存储领域中有潜在应用) , 进一步提高了电容器的容量。Michae F·L·De Volder和Rob Vansweevelt[17]等人通过氧气等离子体作用在热解之前处理SU-8光刻胶柱, 碳化之后扫描电镜显示其表面有大量的碳纤维, 如图7所示, 为改善C-MEMS超级电容器性能提供了新的思路。

4 其他 C-MEM 制备电容器的方法

MEMS技术可以精确制备图案化的结构, Lu Wei[18]等人没有直接用光刻胶结构作为碳源来制备电容器, 她通过将蔗糖、去离子水和浓硫酸按质量比1:0.5:0.1混合搅拌, 将得到的粘稠透明液体旋涂在二氧化硅基板上, 热解得到表面光滑没有缺陷的碳膜, 然后在此碳膜上旋涂光刻胶进行光刻, 用氧气等离子体处理碳膜, 有光刻胶保护的区域会保留下来, 暴露的区域被刻蚀掉, 通过此方法, 变更了碳源, 也制备出类似的图案化结构, 而且她采用CO2气体进一步活化该碳结构, 这种方法得到的碳材料性能优于光刻胶结构, 提供了一种新奇的图案化碳结构制备方法。

5 结束语

C-MEMS制备超级电容器工艺简单, 可以在硅片上大规模制备, 通过合理的热解温度和气氛控制可以得到性能优异的活性碳材料, 通过沉积电化学活性物质, 碳纳米管或氧气等离子处理可以进一步提高其性能, 但是在这些工作中, 碳的微结构都只是提供其作为结构的作用, 真正发挥电化学作用的活性部分是沉积在碳结构表面的容量较高的物质或者碳结构表面, 而且紫外光刻过程中也只是对光刻胶进行了紫外光刻。