一種新穎的MEMS光開(kāi)關(guān)測量平臺的設計與實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，MEMS光開(kāi)關(guān)由于具有插入損耗和串話(huà)小、消光比高、穩定性好、透明性和可擴展性好、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。其靜電驅動(dòng)是目前廣泛研究的一種，常見(jiàn)的靜電驅動(dòng)方式有：梳狀電極、SDA（scratch drive actuator）、懸臂驅動(dòng)和扭臂驅動(dòng)等。懸臂和扭臂驅動(dòng)的驅動(dòng)電壓高 于前兩者，但結構簡(jiǎn)單、工藝上容易實(shí)現。在選取其微反射鏡最佳工作狀態(tài)時(shí)，需要電壓、頻率，占空比連續可調的方波信號為激勵源。傳統的選取方法需要示波器、脈沖信號發(fā)生器，直流穩壓源三臺儀器協(xié)調工作才能完成，并且存在諸多弊端，如：測量?jì)x器成本高、操作繁瑣、測試周期長(cháng)、測量精度低等。而在本文介紹的測量平臺中，通過(guò)高幅值利用單片機控制脈沖頻率的方法來(lái)選擇器件。與當前同類(lèi)方法相比，具有精度高、可靠性強、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

2 光開(kāi)關(guān)工作原理

圖1為2×2微機械光開(kāi)關(guān)的結構示意圖，可以采用體硅微機械加工的方法在（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)入到鏡面同一側的出射光纖中，這是開(kāi)關(guān)的反射狀態(tài)。當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(kāi)光通路，入射光沿直線(xiàn)傳播進(jìn)入前方的出射光纖，這是開(kāi)光的直通狀態(tài)。圖2為閾值電壓隨扭梁的厚度變化曲線(xiàn)，圖3為驅動(dòng)電壓與懸梁位移之間的關(guān)系曲線(xiàn)。

3 方案設計與分析

其工作原理是先由單片機產(chǎn)生頻率占空比可調的脈沖信號，但因最終信號的電壓幅值在40～70V，遠大于單片機的工作電壓（5V），故將單片機產(chǎn)生的信號先接光耦隔離，再輸出到后級的放大電路，然后根據放大電路的調整，輸出峰峰值可調的信號。由此可見(jiàn)系統設計主要涉及三個(gè)關(guān)鍵部分：產(chǎn)生頻率和占空比可調的方波信號、信號放大以及最終信號幅值的測量。

3.1方波信號源的設計

方波信號的產(chǎn)生電路主要由AT89C2051單片機、晶振電路、鍵盤(pán)參數輸入和LED狀態(tài)顯示等部分組成。單片機AT89C2051由軟件控制，產(chǎn)生方波信號。軟件的設計是利用AT89C2051內計數器/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，所以單片機執行一條指令的時(shí)間為1μs,這樣根據鍵盤(pán)輸入的頻率值f和占空比d, 得到周期時(shí)間常數Tt（T t=1/f）和正脈沖的時(shí)間長(cháng)度T d(Td=Tt×d%),分別送給計數器/定時(shí)器T0、T1。T0、T1同時(shí)開(kāi)始計數，同時(shí)使輸出為高電平，因為T(mén)d≤T t, 故T1首先計滿(mǎn)溢出，執行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計數。在等待一段時(shí)間，待到T0計滿(mǎn)， 再調用執行T0的中斷服務(wù)子程序， T0、T1重新裝載定時(shí)常數并開(kāi)始計時(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。輸出的波形如圖4。