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

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(jiàn)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(méi)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(jiàn)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。


3.2 信號(hào)放大部分

單片機(jī)輸出的方波信號(hào)高電平時(shí)只有5V左右，而輸出要達(dá)到40～70V，普通的三極管放大電路不能承受這么大的電壓。因此在設(shè)計(jì)中采用MOS管，而且MOS管有很好的開關(guān)性能，會(huì)使輸出波形很好。電路如圖5。

由LM317搭建的穩(wěn)壓電源（見(jiàn)圖6）提供40～ 70V的直流電壓Vcout。這個(gè)直流電壓輸出值可由圖中的滑動(dòng)變阻器WR調(diào)整。Vcout通過(guò)上拉電阻加在 MOS管的漏級(jí)上，這樣當(dāng)MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，從漏級(jí)的輸出的電壓就在0V和 Vcout之間變化，就由此產(chǎn)生幅值為V cout的方波信號(hào)?？梢?jiàn)，只要單片機(jī)輸出的方波信號(hào)可控制MOS管的開關(guān)狀態(tài)，即可使輸出高幅值的方波信號(hào)與單片機(jī)由軟件設(shè)計(jì)輸出的方波同頻率同占空比。但是單片機(jī)輸出的信號(hào)大約在5V左右，若與后面加有高達(dá)40～70V電壓的MOS管直接相連，這樣當(dāng)MOS管后級(jí)短路輸出的高壓很容易被引入單片機(jī)內(nèi)，將單片機(jī)燒壞。因此必須采用措施避免這種危險(xiǎn)的發(fā)生。在此設(shè)計(jì)中采用光耦使得后面輸出的高電壓與單片機(jī)工作時(shí)的5V低壓安全隔離開。


3.3 終信號(hào)幅值的測(cè)量

最后輸出的信號(hào)為方波信號(hào)，要想直接測(cè)量輸出的峰峰值很困難。但分析完電路不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)MOS管截止時(shí)，MOS管的輸出 Vout與穩(wěn)壓源提供的Vcout 幾乎相等。由此可知可以通過(guò)測(cè)量穩(wěn)壓源輸出的V cout直流電壓，即可得MOS管輸出方波信號(hào)的峰峰值。

在測(cè)量電壓值不是很精確的情況下，可直接把穩(wěn)壓源提供的Vcout經(jīng)電阻按比例分壓，分出的電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)處理，所得的結(jié)果乘以比例系數(shù)，即可得 Vcout的實(shí)際電壓值。將這個(gè)值直接送顯示部分，則很直觀的顯示出方波峰峰值。在我們實(shí)際設(shè)計(jì)的儀器中，顯示的Vout測(cè)量值與空載時(shí)的輸出值誤差不超過(guò)±0.5V。證明在測(cè)量電壓值要求不是很精確的情況下，這種方案是方便可行的。

3.4 主控平臺(tái)和顯示部分

從總體來(lái)看，產(chǎn)生信號(hào)的部分和最終信號(hào)幅值測(cè)量顯示部分是各自獨(dú)立分開的，由兩個(gè)AT89C2051分別完成形成一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)提高了整個(gè)軟件部分的穩(wěn)定性。

主控平臺(tái)由第一個(gè)AT89C2051來(lái)完成，直接控制方波信號(hào)的產(chǎn)生，而且還包括方波信號(hào)的頻率、占空比的設(shè)置和顯示，提供友好的人機(jī)接口。

對(duì)于輸出的信號(hào)，應(yīng)該給用戶盡量直觀的結(jié)果， 在主控平臺(tái)提供頻率和占空比顯示的同時(shí)，還應(yīng)使用戶直觀準(zhǔn)確地知道輸出信號(hào)幅值，這樣在用戶沒(méi)有第三方的測(cè)量?jī)x器的情況下，對(duì)儀器操作非常方便和精確。這部分的工作就由第二個(gè) AT89C2051和A/D轉(zhuǎn)換器AD0804配合完成。

單片機(jī)核心部分源程序如下：
… …
//generate pulse signal
//period= the period of pulse signal
//positive=the length of positive voltage
timer0() interrupt 1 using 1 {
unsigned int temp;
out=1; //output VOH
temp=65535-period;
TL0=temp; //set value for timer0
TH0=temp>>8;
temp=65535-positive;
TL1=temp; //set value for timer1
TH1=temp>>8;
TR1=1;
TR0=1; //start timer1, 0
}
timer1() interrupt 3 using 2 {
out=0; //timer1記滿,output VOL
TR1=0; //stop timer1
}
…

4 結(jié)語(yǔ)

測(cè)量懸臂和扭臂驅(qū)動(dòng)的光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓是在制作微機(jī)械光開關(guān)過(guò)程中比較繁瑣的程序，本測(cè)量平臺(tái)采用單片機(jī)控制脈沖頻率的方法來(lái)選擇器件。與傳統(tǒng)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)。本測(cè)量平臺(tái)經(jīng)過(guò)吉林大學(xué)集成 光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室近半年的使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好，是一種省時(shí)高效的測(cè)量方法。