一种新颖的MEMS光开关测量平台的设计与实现

1 引言

随着光通信技术的迅速发展，MEMS光开关由于具有插入损耗和串话小、消光比高、稳定性好、透明性和可扩展性好、易于集成、偏振不灵敏等优点，将成为核心光交换器件的主流。其静电驱动是目前广泛研究的一种，常见的静电驱动方式有：梳状电极、SDA（scratch drive actuator）、悬臂驱动和扭臂驱动等。悬臂和扭臂驱动的驱动电压高 于前两者，但结构简单、工艺上容易实现。在选取其微反射镜最佳工作状态时，需要电压、频率，占空比连续可调的方波信号为激励源。传统的选取方法需要示波器、脉冲信号发生器，直流稳压源三台仪器协调工作才能完成，并且存在诸多弊端，如：测量仪器成本高、操作繁琐、测试周期长、测量精度低等。而在本文介绍的测量平台中，通过高幅值利用单片机控制脉冲频率的方法来选择器件。与当前同类方法相比，具有精度高、可靠性强、成本低、易操作等优点。

2 光开关工作原理

图1为2×2微机械光开关的结构示意图，可以采用体硅微机械加工的方法在（100）硅片上制作。微反射镜和上电极连在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开光的直通状态。图2为阈值电压随扭梁的厚度变化曲线，图3为驱动电压与悬梁位移之间的关系曲线。

3 方案设计与分析

其工作原理是先由单片机产生频率占空比可调的脉冲信号，但因最终信号的电压幅值在40～70V，远大于单片机的工作电压（5V），故将单片机产生的信号先接光耦隔离，再输出到后级的放大电路，然后根据放大电路的调整，输出峰峰值可调的信号。由此可见系统设计主要涉及三个关键部分：产生频率和占空比可调的方波信号、信号放大以及最终信号幅值的测量。

3.1方波信号源的设计

方波信号的产生电路主要由AT89C2051单片机、晶振电路、键盘参数输入和LED状态显示等部分组成。单片机AT89C2051由软件控制，产生方波信号。软件的设计是利用AT89C2051内计数器/定时器T0和T1互相配合来控制方波的频率和占空比的。AT89C2051使用12M晶振，所以单片机执行一条指令的时间为1μs,这样根据键盘输入的频率值f和占空比d, 得到周期时间常数Tt（T t=1/f）和正脉冲的时间长度T d(Td=Tt×d%),分别送给计数器/定时器T0、T1。T0、T1同时开始计数，同时使输出为高电平，因为Td≤T t, 故T1首先计满溢出，执行T1的中断服务子程序，拉低输出电平使输出低电平，同时停止T1计数。在等待一段时间，待到T0计满， 再调用执行T0的中断服务子程序， T0、T1重新装载定时常数并开始计时，同时把输出电平拉回高电平。由此完成一个周期的输出。频率和占空比的改变只需改变T0、T1的定时常数。输出的波形如图4。