一種新穎的MEMS光開關(guān)測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，MEMS光開關(guān)由于具有插入損耗和串話小、消光比高、穩(wěn)定性好、透明性和可擴(kuò)展性好、易于集成、偏振不靈敏等優(yōu)點(diǎn)，將成為核心光交換器件的主流。其靜電驅(qū)動(dòng)是目前廣泛研究的一種，常見的靜電驅(qū)動(dòng)方式有：梳狀電極、SDA（scratch drive actuator）、懸臂驅(qū)動(dòng)和扭臂驅(qū)動(dòng)等。懸臂和扭臂驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓高 于前兩者，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝上容易實(shí)現(xiàn)。在選取其微反射鏡最佳工作狀態(tài)時(shí)，需要電壓、頻率，占空比連續(xù)可調(diào)的方波信號(hào)為激勵(lì)源。傳統(tǒng)的選取方法需要示波器、脈沖信號(hào)發(fā)生器，直流穩(wěn)壓源三臺(tái)儀器協(xié)調(diào)工作才能完成，并且存在諸多弊端，如：測(cè)量?jī)x器成本高、操作繁瑣、測(cè)試周期長(zhǎng)、測(cè)量精度低等。而在本文介紹的測(cè)量平臺(tái)中，通過(guò)高幅值利用單片機(jī)控制脈沖頻率的方法來(lái)選擇器件。與當(dāng)前同類方法相比，具有精度高、可靠性強(qiáng)、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

2 光開關(guān)工作原理

圖1為2×2微機(jī)械光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，可以采用體硅微機(jī)械加工的方法在（100）硅片上制作。微反射鏡和上電極連在一起，在沒有電壓輸入時(shí)，上電極的位置不動(dòng)，微反射鏡處在光通路上，從入射光纖發(fā)出的光被微反射鏡反射，改變方向后進(jìn)入到鏡面同一側(cè)的出射光纖中，這是開關(guān)的反射狀態(tài)。當(dāng)上電極和下電極之間有電壓輸入時(shí)，在靜電力的作用下，上電極帶動(dòng)微反射鏡移開光通路，入射光沿直線傳播進(jìn)入前方的出射光纖，這是開光的直通狀態(tài)。圖2為閾值電壓隨扭梁的厚度變化曲線，圖3為驅(qū)動(dòng)電壓與懸梁位移之間的關(guān)系曲線。

3 方案設(shè)計(jì)與分析

其工作原理是先由單片機(jī)產(chǎn)生頻率占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)，但因最終信號(hào)的電壓幅值在40～70V，遠(yuǎn)大于單片機(jī)的工作電壓（5V），故將單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)先接光耦隔離，再輸出到后級(jí)的放大電路，然后根據(jù)放大電路的調(diào)整，輸出峰峰值可調(diào)的信號(hào)。由此可見系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)關(guān)鍵部分：產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的方波信號(hào)、信號(hào)放大以及最終信號(hào)幅值的測(cè)量。

3.1方波信號(hào)源的設(shè)計(jì)

方波信號(hào)的產(chǎn)生電路主要由AT89C2051單片機(jī)、晶振電路、鍵盤參數(shù)輸入和LED狀態(tài)顯示等部分組成。單片機(jī)AT89C2051由軟件控制，產(chǎn)生方波信號(hào)。軟件的設(shè)計(jì)是利用AT89C2051內(nèi)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器T0和T1互相配合來(lái)控制方波的頻率和占空比的。AT89C2051使用12M晶振，所以單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時(shí)間為1μs,這樣根據(jù)鍵盤輸入的頻率值f和占空比d, 得到周期時(shí)間常數(shù)Tt（T t=1/f）和正脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度T d(Td=Tt×d%),分別送給計(jì)數(shù)器/定時(shí)器T0、T1。T0、T1同時(shí)開始計(jì)數(shù)，同時(shí)使輸出為高電平，因?yàn)門d≤T t, 故T1首先計(jì)滿溢出，執(zhí)行T1的中斷服務(wù)子程序，拉低輸出電平使輸出低電平，同時(shí)停止T1計(jì)數(shù)。在等待一段時(shí)間，待到T0計(jì)滿， 再調(diào)用執(zhí)行T0的中斷服務(wù)子程序， T0、T1重新裝載定時(shí)常數(shù)并開始計(jì)時(shí)，同時(shí)把輸出電平拉回高電平。由此完成一個(gè)周期的輸出。頻率和占空比的改變只需改變T0、T1的定時(shí)常數(shù)。輸出的波形如圖4。