利用Tanner EDA工具進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)和仿真學(xué)習(xí)

高速的光網(wǎng)絡(luò)使世界各地的人們得以即時(shí)交流和分享想法。微小的MEMS光開(kāi)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(lèi)開(kāi)關(guān)涉及機(jī)械、光學(xué)和電氣三個(gè)領(lǐng)域，因而是適宜作為利用Tanner EDA工具進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)和仿真學(xué)習(xí)的器件。

簡(jiǎn)介

高速的光網(wǎng)絡(luò)使世界各地的人們得以即時(shí)交流和分享想法。微小的MEMS光開(kāi)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(lèi)開(kāi)關(guān)涉及機(jī)械、光學(xué)和電氣三個(gè)領(lǐng)域，因而是適宜作為利用Tanner EDA工具進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)原理圖的創(chuàng)建和仿真。

圖1：2 x 2光開(kāi)關(guān)（來(lái)源：MEMS光開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介，M. Tung）

有多種方法可以創(chuàng)建光開(kāi)關(guān)。本文研究的光開(kāi)關(guān)采用一個(gè)雙面反射鏡，其運(yùn)動(dòng)由一個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器控制。執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)由一組折疊彈簧控制。反射鏡滑出到兩個(gè)垂直對(duì)準(zhǔn)槽的相交處，然后在受到驅(qū)動(dòng)時(shí)縮回。對(duì)準(zhǔn)槽中有兩對(duì)光纖發(fā)射器和接收器（圖1中僅顯示了一個(gè)發(fā)射器）。

在交叉狀態(tài)中，梳狀驅(qū)動(dòng)器未激活，反射鏡位于槽相交處。反射鏡將來(lái)自輸入1的光束反射到輸出2，并將來(lái)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(dòng)器激活，反射鏡縮回。來(lái)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(jìn)行光開(kāi)關(guān)的制造。先在掩膜上繪制反射鏡、光纖對(duì)準(zhǔn)槽、梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和折疊彈簧的圖形。通過(guò)蝕刻工藝刻出對(duì)準(zhǔn)槽，釋放可動(dòng)結(jié)構(gòu)，并為機(jī)械元器件留下錨點(diǎn)。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(kāi)關(guān)的過(guò)程從利用S-Edit構(gòu)建原理圖開(kāi)始。此編輯器提供了一個(gè)豐富的元器件庫(kù)，可用來(lái)快速組裝開(kāi)關(guān)。第一步是從庫(kù)中調(diào)用各光學(xué)元器件實(shí)例（圖2），然后將其連接起來(lái)。

圖2：開(kāi)關(guān)的光學(xué)元器件

設(shè)計(jì)人員可以從S-Edit庫(kù)中實(shí)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(gè)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(gè)光功率源：為光纖發(fā)射器提供功率。

? 一個(gè)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(duì)。

圖3：光學(xué)元器件的電路圖

為滿(mǎn)足光學(xué)要求，各元器件的參數(shù)可以改變。例如，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

圖4：反射鏡的機(jī)械運(yùn)動(dòng)

為使反射鏡運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)人員可以從S-Edit庫(kù)中實(shí)例調(diào)用一組參數(shù)化的機(jī)械元器件并予以連接：

? 一個(gè)線(xiàn)性梳狀驅(qū)動(dòng)器：定義驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

? 兩個(gè)折疊彈簧：每個(gè)彈簧定義一個(gè)折疊懸臂梁，其一條腿錨定，另一條腿可自由活動(dòng)。

? 一塊剛性金屬板：在每個(gè)方向上提供無(wú)限大剛度，無(wú)形變地傳遞力和動(dòng)量。

此外還需要一個(gè)信號(hào)源來(lái)提供激活梳狀驅(qū)動(dòng)器的電脈沖。圖5顯示了連接到兩個(gè)折疊彈簧的通電線(xiàn)性梳狀驅(qū)動(dòng)器。梳狀驅(qū)動(dòng)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(jī)械元器件的電路圖

為滿(mǎn)足機(jī)械要求，各元器件的參數(shù)是可以改變的。例如，設(shè)計(jì)人員可以定義折疊彈簧的長(zhǎng)度和寬度，或指定梳狀驅(qū)動(dòng)器的齒數(shù)。

與反射鏡的機(jī)械耦合，通過(guò)實(shí)例調(diào)用一個(gè)壓控電壓源（VCVS）元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其值通過(guò)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(jī)械元器件連接到反射鏡

原理圖驗(yàn)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(jì)，從而確定該光開(kāi)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(guò)波形分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)

上方波形顯示了基于反射鏡動(dòng)作和梳狀驅(qū)動(dòng)器相對(duì)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(yǔ)

光開(kāi)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(jì)流程讓設(shè)計(jì)人員可以快速擴(kuò)充工具箱，從而創(chuàng)建出幾乎無(wú)限多樣的令人驚嘆的系統(tǒng)。