簡介
高速的光網絡使世界各地的人們得以即時交流和分享想法。微小的MEMS光開關在這些數量龐大的光纖系統中發揮著重要作用。此類開關涉及機械、光學和電氣三個領域，因而是適宜作為利用Tanner EDA工具進行MEMS設計和仿真學習的器件。如圖1所示，本文介紹了2 x 2光開關原理圖的創建和仿真。
圖1：2 x 2光開關（來源：MEMS光開關簡介，M. Tung）
有多種方法可以創建光開關。本文研究的光開關採用一個雙面反射鏡，其運動由一個梳狀結構的靜電驅動執行器控制。執行器的運動由一組摺疊彈簧控制。反射鏡滑出到兩個垂直對準槽的相交處，然後在受到驅動時縮回。對準槽中有兩對光纖發射器和接收器（圖1中僅顯示了一個發射器）。
在交叉狀態中，梳狀驅動器未激活，反射鏡位於槽相交處。反射鏡將來自輸入1的光束反射到輸出2，並將來自輸入2的光束反射到輸出1。
在直通狀態中，梳狀驅動器激活，反射鏡縮回。來自輸入1的光束由輸出1接收，輸入2發射光束到輸出2。
我們利用體微加工技術在晶圓上進行光開關的製造。先在掩膜上繪製反射鏡、光纖對準槽、梳狀驅動執行器和摺疊彈簧的圖形。通過蝕刻工藝刻出對準槽，釋放可動結構，併為機械元器件留下錨點。最後的製造步驟是放置光纖發射器和接收器，然後給反射鏡塗鋁。
原理圖創建
創建光開關的過程從利用S-Edit構建原理圖開始。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。第一步是從庫中調用各光學元器件實例（圖2），然後將其連接起來。
圖2：開關的光學元器件
設計人員可以從S-Edit庫中實例調用參數化的元器件並予以連接：
• 雙透鏡光纖發射器：各透鏡均為輸出高斯光束的單模元器件。發射器的端面彎曲，可用作一個聚焦光束的透鏡。
• 雙透鏡光纖接收器：收集高斯光束並生成耦合功率。
• 兩個光功率源：為光纖發射器提供功率。
• 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射器和接收器對。
圖3：光學元器件的電路圖
為滿足光學要求，各元器件的參數可以改變。例如，設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，設計人員可以從S-Edit庫中實例調用一組參數化的機械元器件並予以連接：
• 一個線性梳狀驅動器：定義驅動器的靜電電容金屬板。一塊金屬板錨定於基板上，另一塊金屬板沿梳齒方向移動。
• 兩個摺疊彈簧：每個彈簧定義一個摺疊懸臂樑，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動器的電脈衝。圖5顯示了連接到兩個摺疊彈簧的通電線性梳狀驅動器。梳狀驅動器的靜止金屬板、各摺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，各元器件的參數是可以改變的。例如，設計人員可以定義摺疊彈簧的長度和寬度，或指定梳狀驅動器的齒數。
與反射鏡的機械耦合，通過實例調用一個壓控電壓源（VCVS）元器件來實現，其值通過高斯光束控制，並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，然後用波形查看器分析設計，從而確定該光開關是否符合預期。圖7顯示了瞬態仿真結果。
圖7：通過波形分析驗證設計
上方波形顯示了基於反射鏡動作和梳狀驅動器相對位移的直通狀態和交叉狀態值。下方波形顯示了基於這些狀態的光纖接收器的功率值。
結語
光開關是用於組裝系統的元件工具箱中最基本的MEMS器件之一。Tanner設計流程讓設計人員可以快速擴充工具箱，從而創建出幾乎無限多樣的令人驚歎的系統。
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