利用Tanner EDA工具进行MEMS设计和仿真学习

高速的光网络使世界各地的人们得以即时交流和分享想法。微小的MEMS光开关在这些数量庞大的光纤系统中发挥着重要作用。此类开关涉及机械、光学和电气三个领域，因而是适宜作为利用Tanner EDA工具进行MEMS设计和仿真学习的器件。

简介

高速的光网络使世界各地的人们得以即时交流和分享想法。微小的MEMS光开关在这些数量庞大的光纤系统中发挥着重要作用。此类开关涉及机械、光学和电气三个领域，因而是适宜作为利用Tanner EDA工具进行MEMS设计和仿真学习的器件。如图1所示，本文介绍了2 x 2光开关原理图的创建和仿真。

图1：2 x 2光开关（来源：MEMS光开关简介，M. Tung）

有多种方法可以创建光开关。本文研究的光开关采用一个双面反射镜，其运动由一个梳状结构的静电驱动执行器控制。执行器的运动由一组折叠弹簧控制。反射镜滑出到两个垂直对准槽的相交处，然后在受到驱动时缩回。对准槽中有两对光纤发射器和接收器（图1中仅显示了一个发射器）。

在交叉状态中，梳状驱动器未激活，反射镜位于槽相交处。反射镜将来自输入1的光束反射到输出2，并将来自输入2的光束反射到输出1。

在直通状态中，梳状驱动器激活，反射镜缩回。来自输入1的光束由输出1接收，输入2发射光束到输出2。

我们利用体微加工技术在晶圆上进行光开关的制造。先在掩膜上绘制反射镜、光纤对准槽、梳状驱动执行器和折叠弹簧的图形。通过蚀刻工艺刻出对准槽，释放可动结构，并为机械元器件留下锚点。最后的制造步骤是放置光纤发射器和接收器，然后给反射镜涂铝。

原理图创建

创建光开关的过程从利用S-Edit构建原理图开始。此编辑器提供了一个丰富的元器件库，可用来快速组装开关。第一步是从库中调用各光学元器件实例（图2），然后将其连接起来。

图2：开关的光学元器件

设计人员可以从S-Edit库中实例调用参数化的元器件并予以连接：

• 双透镜光纤发射器：各透镜均为输出高斯光束的单模元器件。发射器的端面弯曲，可用作一个聚焦光束的透镜。

• 双透镜光纤接收器：收集高斯光束并生成耦合功率。

• 两个光功率源：为光纤发射器提供功率。

• 一个双面平面反射镜：定义高斯光束的反射特性。

图3显示了连接到双面镜的通电发射器和接收器对。

图3：光学元器件的电路图

为满足光学要求，各元器件的参数可以改变。例如，设计人员可以定义反射镜的大小和厚度，或定义高斯光束腰（形状）。

下一步是定义反射镜的运动，如图4所示。

图4：反射镜的机械运动

为使反射镜运动，设计人员可以从S-Edit库中实例调用一组参数化的机械元器件并予以连接：

• 一个线性梳状驱动器：定义驱动器的静电电容金属板。一块金属板锚定于基板上，另一块金属板沿梳齿方向移动。

• 两个折叠弹簧：每个弹簧定义一个折叠悬臂梁，其一条腿锚定，另一条腿可自由活动。

• 一块刚性金属板：在每个方向上提供无限大刚度，无形变地传递力和动量。

此外还需要一个信号源来提供激活梳状驱动器的电脉冲。图5显示了连接到两个折叠弹簧的通电线性梳状驱动器。梳状驱动器的静止金属板、各折叠弹簧的锚腿和反射镜皆连接到刚性金属板上。

图5：机械元器件的电路图

为满足机械要求，各元器件的参数是可以改变的。例如，设计人员可以定义折叠弹簧的长度和宽度，或指定梳状驱动器的齿数。

与反射镜的机械耦合，通过实例调用一个压控电压源（VCVS）元器件来实现，其值通过高斯光束控制，并连接到刚性的金属板上，如图6所示。

图6：机械元器件连接到反射镜

原理图验证

下一步是用T-Spice仿真原理图，然后用波形查看器分析设计，从而确定该光开关是否符合预期。图7显示了瞬态仿真结果。

图7：通过波形分析验证设计

上方波形显示了基于反射镜动作和梳状驱动器相对位移的直通状态和交叉状态值。下方波形显示了基于这些状态的光纤接收器的功率值。

结语

光开关是用于组装系统的元件工具箱中最基本的MEMS器件之一。Tanner设计流程让设计人员可以快速扩充工具箱，从而创建出几乎无限多样的令人惊叹的系统。