一种新型的微机械可变式光衰减器的研制

摘要

该文设计了一种新型的电磁驱动微机械可变式光衰减器,它的工作波长为1550nm,主要由平面线圈型微驱动器、光纤对准支架、挡光片和单模光纤四部分组成.平面线圈型微驱动器主要包括：平面正方形线圈、硅弹簧以及粘附在硅弹簧上的坡莫合金驱动片.这种微机械可变式光衰减器的工作原理是：平面线圈型微驱动器驱动挡光片,使其插入两根对准的单模光纤的间隙中,依靠精密地调节挡光片切入光路中的位置而实现对传输光功率的连续衰减.利用单模光纤的耦合理论分析了该光衰减器的插入损耗,分析得出影响该微机械光衰减器插入损耗的主要因素是两根单模光纤之间的纵向偏移、横向偏移和角向偏移,并在此分析的基础上确定了光衰减器中两光纤端面之间的距离为20μm,使该微机械光衰减器的插入损耗小于3dB.对该微机械光衰减器的回波损耗进行了分析,求出了两根单模光纤作平面连接和斜面连接时的回波损耗.运用能量方法的卡氏定理对该文所设计的“蛙脚”型硅弹簧进行了分析,得出了其弹性常数的表达式.用有限元软件ANSYS对该硅弹簧进行了结构静力分析,模拟得出的弹簧的弹性常数与用卡氏定理计算出的结果是很吻合的.以此弹性常数计算公式为基础,并结合实际加工工艺和微驱动器所能产生的电磁力对硅弹簧弹性臂的宽度和厚度进行了优化.采用ANSYS对该硅弹簧进行了模态分析,模拟出了该硅弹簧的四阶模态及固有频率.测定了在不同驱动电流下微驱动器中的硅弹簧产生的位移值,并与理论计算值进行了比较.采用稳定化光源、光功率计和光定向耦合器等仪器测定了封装后的微机械可变式光衰减器的衰减范围、插入损耗和回波损耗.测试结果表明,该微机械可变式光衰减器的衰减范围大于40dB,插入损耗小于3dB,回波损耗大于42dB,它的光学性能已经达到实用化要求.

目录

文摘

英文文摘

授权书和声明

第一章绪论

1.1引言

1.2微光机电系统

1.2.1微机电系统及微光机电系统

1.2.2微光机电系统的构成要素

1.2.3微光机电系统的相关制造技术

1.2.4微光机电系统的应用及产业化前景

1.3光衰减器

1.3.1光衰减器及其用途

1.3.2光衰减器的性能指标

1.3.3光衰减器的类型

1.4微光机电系统的计算机辅助设计及模拟

1.4.1微光机电系统的设计和模拟软件

1.4.2有限元法及ANSYS软件

1.5本课题的研究意义及主要研究内容

第二章微机械可变式光衰减器的设计

2.1设计目标

2.2设计方案

2.2.1设计衰减方式

2.2.2微驱动器的设计

2.2.3光纤对准支架的设计

2.2.4弹性支撑结构的设计

2.2.5挡光片的设计

2.2.6微机械可变式光衰减器的结构及工作原理

2.2.7封装盒的设计

2.3掩膜版的设计子

2.4本章小结

第三章插入损耗、回波损耗及硅弹簧弹性常数的分析

3.1 MEMS光衰减器的插入损耗和回波损耗的分析

3.1.1 MEMS光衰减器插入损耗的分析

3.1.2回波损耗的分析

3.2硅弹簧弹性常数的计算

3.2.1能量方法—卡氏定理

3.2.2弹性常数的计算

3.2.3由重力引起的硅弹簧的位移

3.2.4有限元模拟

3.3硅弹簧固有频率的计算

3.3.1计算固有频率

3.3.2 ANSYS模态分析法求固有频率

3.4本章小结

第四章平面线圈微驱动器的性能分析及参数优化

4.1铁芯型微驱动器

4.1.1磁路定理

4.1.2铁芯型微驱动器中各参数的优化

4.1.3气隙中的磁场强度和磁感应强度

4.1.4铁芯型微驱动器的有限元模拟

4.2非铁芯型微驱动器的磁性能分析

4.2.1电磁力的分析

4.2.2有限元模拟

4.3本章小结

第五章微机械可变式光衰减器的制作工艺

5.1微机械可变式光衰减器的基本制作工艺

5.1.1光刻工艺

5.1.2湿法刻蚀

5.1.3电镀

5.1.4干法刻蚀

5.1.5溅射

5.1.6牺牲层

5.1.7研磨与切割

5.1.8膜层厚度的测定和制作过程的观察

5.2微机械可变式光衰减肥器的制作工艺流程

5.2.1光纤对准支架的制作工艺流程

5.2.2平面线圈的制作工艺流程

5.2.3硅弹簧及挡光片的制作工艺流程

5.3微机械可变式光衰减器的装配

5.3.1仪器和元件

5.3.2装配过程

5.4本章小结

第六章微机械可变式光衰减器的性能测试

6.1微驱动器行程的测试

6.1.1测试仪器

6.1.2测量原理

6.1.3测量结果

6.2光学性能测试

6.2.1测试所用仪器装置

6.2.2衰减量的测定

6.2.3插入损耗的测定

6.2.4回波损耗的测定

6.2.5测试结果

6.3本章小结

第七章全文总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢