南理工研发创新的机械锁存型电热驱动MOEMS光开关
2026-07-14 17:09:44   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光开关是光通信网络和高能激光应用系统（例如激光点火系统）中的关键组件，其在光域内直接完成光信号的路由与交换，这一功能至关重要。全光网络和高功率激光应用的发展趋势，要求光开关具备优异的可扩展性、速度、效率和稳定性。光开关按工作原理可分为机械式、热光式和电光式三类。传统的机械式开关插入损耗低，但体积大、响应速度慢；热光式开关虽结构简单，却存在高功耗和串扰问题；电光式开关虽响应速度极快，却受限于高插入损耗和材料制备的复杂性。

采用MEMS微镜进行光路切换的微光机电系统（MOEMS）光开关，在高功率激光环境下容易受到热损伤和散射损耗的限制。因此，如何兼顾高功率承载能力、低功耗、结构紧凑以及高可靠性，一直是MOEMS光开关研究的重要方向。

据麦姆斯咨询介绍，近期，南京理工大学机械工程学院等机构的联合研究团队提出了一种具有机械锁存功能的新型电热驱动MOEMS光开关，适用于高功率光应用场景。该光开关设计采用光纤直接耦合替代微镜结构，有效减少了散射与热损伤问题，显著提升了对高能激光的承载能力。机械锁存钩可在零功率状态下保持光纤的精准对准，既消除了能量消耗，又避免了长期运行产生的热漂移问题。实验结果验证了该开关能够稳定切换并锁存高功率激光光路。相关研究成果已经以“An electrothermally actuated high-power MOEMS optical switch with a state-latching mechanism”为题发表于Applied Physics Letters期刊。

图1（a）MOEMS光开关的整体结构（RBS：反向阻挡弹簧；OFAA：光纤对准执行器；OFRA：光纤复位执行器）；（b）工作流程；（c）状态转换电压时序图。

图1（b）展示了MOEMS光开关详细的工作流程。在T₁阶段：首先对OFAA施加电压激励，执行器推杆产生位移，并与RBS配合，将输入光纤夹持至与输出光纤对准。随后，断开OFAA的电压，锁存钩限制执行器的复位。在T₂阶段：向两个执行器均施加电压，OFAA产生轻微向上位移，以释放对锁存钩的接触压力；同时，OFRA驱动锁存钩推杆，打开锁存头。随后，断开OFAA电源，使其回到初始位置；输入光纤在RBS回复力作用下回到初始位置，使开关恢复至关断状态。最后，断开OFRA电源，锁存钩恢复至原始状态。

图2 （a）光纤悬臂梁模型；（b）弹簧的几何结构；（c）锁存钩的几何结构；（d）执行器中梁的几何结构。

该MOEMS光开关最大的创新在于其机械锁存机构。研究团队设计了一套由锁存钩、RBS以及两组电热执行器组成的状态保持机构。当光纤移动至目标位置后，机械锁存钩会自动锁定执行器的位置，即使外部驱动电压完全撤除，光纤仍能保持精准对准，光路持续保持导通状态。当需要关闭光路时，另一组复位执行器驱动锁存机构释放，光纤恢复初始位置，实现可靠的开关控制。整个保持过程无需任何持续供电，从而实现真正意义上的零功耗保持。

为了保证这一复杂机械系统能够稳定工作，研究团队建立了完整的电热-机械耦合理论模型，系统分析了电热执行器的温度分布、热膨胀、机械变形以及锁存机构之间的相互作用关系。在理论分析基础上，研究人员进一步开展多体耦合有限元仿真，对光纤悬臂梁、锁存钩结构、电热执行器尺寸以及弹簧参数进行了优化，使执行器能够在较低驱动条件下实现足够位移，同时确保锁存过程稳定可靠。

为研究光开关锁存功能所需的条件，研究人员对OFAA与锁存钩脱离的过程进行了仿真分析。图3（a）展示了执行器与锁存钩的脱离过程，图3（b）则展示了位移随施加电压变化的曲线。仿真结果表明，在空载条件下，锁存钩在电压12 V时开始限制执行器的运动，位移速率下降；当电压升至17 V时，OFAA与锁存钩完全脱离。

图3 （a）OFAA的脱离过程，（b）脱离过程中的位移变化

该MOEMS光开关通过键合两片绝缘体上硅（SOI）晶圆制成。第一片SOI晶圆包含10 μm的器件层、2 μm的埋氧层和750 μm的支撑层，而第二片晶圆则具有100 μm厚的器件层。采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术制备所需结构，微加工工艺如图4所示。

图4 （a）MOEMS光开关的制造过程；（b）开关的光学显微照片；（c）开关的封装设计。

重复测量结果表明，MOEMS光开关可靠承受3 W的连续激光输入功率，在导通状态下的传输效率可达71%（插入损耗 1.49 dB）。断电过程中观察到的轻微机械回缩是锁存机构的固有特性。为量化其影响，对两种状态下的插入损耗进行了测量。在锁存导通状态下，激光传输效率降至65%（插入损耗 1.87 dB）。这一微小衰减（约0.38 dB）主要由输入和输出光纤纤芯之间的轻微横向偏移造成。不过，通过结构约束可严格保证横向对准，从而确保整体传输效率保持稳定且处于较高水平。

图5 OFAA从锁扣释放并复位的过程

图6 处于开启状态的激光光路光学显微照片

综上所述，该研究提出了一种具有机械锁存机制的新型电热驱动MOEMS光开关。通过多物理场仿真优化电热-机械耦合特性，确保了精准对准与可靠锁存。对制备的原型进行实验表征，结果表明该开关可成功处理3 W的连续光功率，传输效率达71%（插入损耗 1.49 dB）。

值得关注的是，集成的锁存钩使器件在驱动电压移除后仍能以零功耗保持导通状态。这种无源锁存特性不仅降低了能耗，还有效缓解了长期运行带来的热量累积。因此，本文所提出的状态锁存型MOEMS光开关在光功率传输系统、激光点火系统及全光网络中具有显著的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0324213

延伸阅读：

《德州仪器汽车级MEMS数字微镜器件DLP5531产品分析》

《光学MEMS产业现状-2026版》

《光学MEMS器件对比分析-2026版》

《硅光子和集成光路（PIC）技术及市场-2026版》