MEMS光开关的建模与仿真

论文摘要

随着互联网的发展,对传输速度与带宽提出了更高的要求,传统的机械光开关难以适应高速、大容量光传送网发展的需求,新型的以MEMS为基础的微机械光开关以其具有体积小、易于集成、对波长、折射率、温度等物理参数不敏感的特性,成为大容量交换光网络开关发展的主流方向。本文针对静电梳齿驱动结构的MEMS光开关,介绍了光开关的工作原理,选择微反射镜的位移作为系统的广义坐标,通过计算系统的动能、势能、磁能及电能构造了系统的拉格朗日函数,确定了耗散函数,最终建立了系统的机电动力学方程。在此基础上,通过仿真计算,得出了阶跃电压驱动下的动态响应过程,并对影响微反射镜位移与响应时间的因素进行了分析,得出以下结论:驱动电压与镍梁的尺寸是影响梳齿光开关性能的关键因素,此外,平板电容的边缘效应对系统的影响不可忽略,且它对提高微反射镜的位移具有重要作用。最后,为了提高微反射镜的响应速度,对系统进行了优化设计,选择镍梁的质量作为目标函数,通过减小镍梁的质量提高微反射镜的加速度,以镍梁的宽高作为设计变量,建立了结构优化模型,并采用遗传算法优化方法进行了求解。结果表明:微反射镜在相同电压作用下的稳态位移可增加14%,调整时间减小了6.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 MEMS 光开关的工作原理、结构
• 2.1 MEMS 光开关
• 2.1.1 光路遮挡型MEMS 光开关
• 2.1.2 移动光纤对接型MEMS 光开关
• 2.1.3 微镜反射型MEMS 光开关
• 2.2 MEMS 光开关的静电驱动技术
• 2.2.1 悬臂梁驱动
• 2.2.2 扭臂驱动
• 2.2.3 梳齿驱动
• 2.3 梳齿光开关基本结构与工作原理
• 2.3.1 基本结构
• 2.3.2 工作原理
• 第三章 梳齿光开关的建模
• 3.1 拉格朗日-麦克斯韦方程
• 3.1.1 电路方程式
• 3.1.2 有质动力
• 3.1.3 拉格朗日-麦克斯韦方程
• 3.2 静电驱动力
• 3.3 建立梳齿光开关机电动力学模型
• 第四章 梳齿光开关运动模拟及结果分析
• 4.1 系统参数的确定
• 4.1.1 系统势能确定
• 4.1.2 系统电能确定
• 4.1.3 阻尼系数确定
• 4.2 运动模拟及结果分析
• 4.2.1 平板电容边缘效应对系统的影响
• 4.2.2 驱动电压分析
• 4.2.3 固端梁参数分析
• 4.2.4 阻尼分析
• 第五章 梳齿光开关结构参数优化
• 5.1 梳齿光开关结构参数优化设计
• 5.1.1 目标函数
• 5.1.2 约束条件
• 5.2 遗传算法
• 5.2.1 遗传算法基本思想
• 5.2.2 遗传工具箱的基本M 文件
• 5.3 优化结果
• 5.4 结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果