一種MEMS光開(kāi)關(guān)測量平臺的設計與實(shí)現

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。


3.2 信號放大部分

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

由LM317搭建的穩壓電源（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調整。Vcout通過(guò)上拉電阻加在 MOS管的漏級上，這樣當MOS管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，從漏級的輸出的電壓就在0V和 Vcout之間變化，就由此產(chǎn)生幅值為V cout的方波信號?？梢?jiàn)，只要單片機輸出的方波信號可控制MOS管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即可使輸出高幅值的方波信號與單片機由軟件設計輸出的方波同頻率同占空比。但是單片機輸出的信號大約在5V左右，若與后面加有高達40～70V電壓的MOS管直接相連，這樣當MOS管后級短路輸出的高壓很容易被引入單片機內，將單片機燒壞。因此必須采用措施避免這種危險的發(fā)生。在此設計中采用光耦使得后面輸出的高電壓與單片機工作時(shí)的5V低壓安全隔離開(kāi)。


3.3 終信號幅值的測量

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

在測量電壓值不是很精確的情況下，可直接把穩壓源提供的Vcout經(jīng)電阻按比例分壓，分出的電壓通過(guò)A/D轉換器和單片機處理，所得的結果乘以比例系數，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(guān)的顯示出方波峰峰值。在我們實(shí)際設計的儀器中，顯示的Vout測量值與空載時(shí)的輸出值誤差不超過(guò)±0.5V。證明在測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 主控平臺和顯示部分

從總體來(lái)看，產(chǎn)生信號的部分和最終信號幅值測量顯示部分是各自獨立分開(kāi)的，由兩個(gè)AT89C2051分別完成形成一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式結構。這樣的結構提高了整個(gè)軟件部分的穩定性。

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

對于輸出的信號，應該給用戶(hù)盡量直觀(guān)的結果， 在主控平臺提供頻率和占空比顯示的同時(shí)，還應使用戶(hù)直觀(guān)準確地知道輸出信號幅值，這樣在用戶(hù)沒(méi)有第三方的測量?jì)x器的情況下，對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轉換器AD0804配合完成。

單片機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(mǎn),output VOL
TR1=0; //stop timer1
}
…

4 結語(yǔ)

測量懸臂和扭臂驅動(dòng)的光開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電壓是在制作微機械光開(kāi)關(guān)過(guò)程中比較繁瑣的程序，本測量平臺采用單片機控制脈沖頻率的方法來(lái)選擇器件。與傳統方法相比，具有精度高、可靠性強、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)。本測量平臺經(jīng)過(guò)吉林大學(xué)集成 光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗室近半年的使用，系統穩定，效果良好，是一種省時(shí)高效的測量方法。