MODELOWANIE OPTYCZNEGO ELEMENTU PRZEŁĄCZNICY OXC OPARTEGO NA KĄTOWYM NAPĘDZIE ELEKTROSTATYCZNYM MEMS

Transkrypt

1 Rnata SULIMA MODELOWANIE OPTYCZNEGO ELEMENTU PRZEŁĄCZNICY OXC OPARTEGO NA KĄTOWYM NAPĘDZIE ELEKTROSTATYCZNYM MEMS STRESZCZENIE Pzłączniki optyczn MEMS wypiają otychczasow pzłączniki lktoniczn. Ninijszy atykuł pzstawia ozwiązani konstukcj o wykozystania w stowaniu mikolustkami w siciach światłowoowych. Zapojktowany ukła napęowy chaaktyzuj się użymi kątami wychylnia lmntu czynngo, co zapwnia szoki stosowani. Konstukcja opia się o lktostatyczny aktuato gzbiniowy o uchu wahałowym. Słowa kluczow: MEMS, pzłączniki optyczn, napęy gzbiniow, mikolustka. WSTĘP Mikolustka MEMS pzyciągają w ostatnich latach znaczną uwagę ni tylko śoowiska naukowgo, al ówniż komcyjngo, poniważ stały się naziją na ozwiązani poblmu pzzoczystych sici światłowoowych. mg inż. Rnata SULIMA -mail:.sulima@il.waw.pl Zakła Maszyn Elktycznych Instytut Elktotchniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zszyt 3, 007

2 36 R. Sulima Nowoczsn pzłączniki optyczn stosowan w tych siciach opat są na mikostuktuach MEMS [3], jnak ni tylko sici światłowoow wykozystują mikoukłay z lustkami, inną ziziną są tż wyświtlacz i pojktoy []. Mikolustka są takż szoko stosowan takż w systmach intfomtycznych [], optycznj spktoskopii [], kokcji ochylń [5] oaz obazowaniu biomycznym [8]. Mikostuktuy lktomchaniczn poukowan są w pocsach poobnych o tych, jaki stosuj się pzy poukcji ukłaów scalonych (IC), a jst to mikoobóbka powizchniowa w połączniu z mikoobóbką objętościową. Cchy, jakich oczkuj się o większości mikolust stosowanych w óżnych uzązniach to: ówna powizchnia (płaskość), głakość i uża zolność obijania wiązki pomini. Najcikawszym i chyba najbazij okującym nazij na alszy ozwój jst zastosowani mikostuktu z lustkami w siciach światłowoowych, poniważ mamy taz obę szybkigo ozwoju tchnik infomacyjnych. Pociąga to za sobą znaczn zwiększni ilości pzpływających infomacji pzz ostępn sici oaz szybkości pzsyłu. W obcnych gęstych siciach DWDM mikostuktuy z lustkami znajują coaz szsz zastosowania, poniważ sici t zawiają slktywn pzłączniki oaz konfiguowan multiplksy optyczn. DWDM jst nową tchnologią pzsyłu infomacji w siciach światłowoowych, jj nazwa pochozi o angilskigo skótu (Dns Wavlngth Division Multiplxing) i oznacza tchnologię falowgo zwilokotniania pzpływności światłowou pzz ównolgłą, ównoczsną i nizalżną tansmisję wilu pomini optycznych o óżnych ługościach fal powazonych w jnym włókni światłowoowym. Osiągnięci zamizongo clu tzn. całkowici pzzoczystych sici optycznych wyaj się aln popzz zastosowani pzłączników optycznych, w któych czas pzłączania wynosi ok. 5 ms w zalżności o ozaju sici, na pzykła w siciach fotonicznych z pzłączanim pakitów czas tn jst znaczni mnijszy i wynosi ok. ms. Jnak to ni są wszystki wymagania, jaki powinna spłniać nowoczsna sić optyczna; poza czasami pzłączania uż znaczni mają takż nizalżność polayzacyjna, mał pzsłuchy, mał staty, opowini poziom wzmocninia, nizalżność o ługości fali (w zaksi pacy wzmacniacza EDFA), paca wilofalowa, pzzoczystość wzglęm szybkości tansmisji (o ~0 0 Gb/s), szybki pzłączani, postota obsługi i zastosowania oaz oba skalowalność. Aby zapwnić t wszystki wymagania musiały powstać nowj klasy pzłączniki, ozwiązań jst wil i każ z nich ma swoj zalty a takż i way. PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zszyt 3, 007

3 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym BUDOWA MIKROAKTURATORA GRZEBIENIOWEGO Zapojktowana stuktua mikoaktuatoa gzbiniowgo wykozystuj fkt wciągania uchomj lktoy uzębionj po wpływm wytwozongo w obszaz ziałania lkto pola lktyczngo. Opacowany mol obwoowy stuktuy gzbiniowj został poównany z molm polowym obliczonym pzy użyciu opogamowania OPERA 3D. Buowa molu obwoowgo ) Obliczni postawowych pojmności ukłau Postawową pojmnością jst pojmność konnsatoa płaskigo powitzngo utwozongo pzz czynną część współpacujących z sobą lkto. Pojmność główna zalży pz wszystkim o pola powizchni czynnj lkto. Poniważ ni zakłaa się pzsunięć bocznych gzbini wzglęm sibi, to pojmność ni zalży o olgłości pomięzy lktoami. Aby wyznaczyć maksymalną powizchnię czynną nalży skozystać z zalżności okślającj maksymalny kąt obotu lktoy uchomj, któą pzstawia poniższ ównani: h α max () ( b c) + c Na ysunku pzstawion zostały postawow wymiay ozpatywango ukłau aktuatoa gzbiniowgo. Cała analiza pzpowazona została w opaciu o numyczny mol matmatyczny opisujący położni wszystkich punktów i wymiaów gzbinia w zalżności o kąta obotu Rys.. Rysunk schmatyczny pzstawiający lktoy uchomj. Pzstawiony mol jst bazo czy- wymiay i poszczgóln lmnty ukłau STEC tlny i posty o wypowaznia w pzciwiństwi o molu liniowgo [9].

4 38 R. Sulima Analizowany ukła jst poobny o stuktuy na ys.. Różnica polga na tym, ż jst on symtyczny, czyli ma lktoy napęow po obu stonach zawisznia; taka konstukcja umożliwia osiągani wa azy większych kątów obotu (± α), co poszza znaczni zaks zastosowań tgo typu napęów. Rys.. Mikoaktuato gzbiniowy o uchu kątowym Rys. 3. Schmatyczny lmnt, na któym opia się obliczni powizchni czynnj lkto Wyażni na pojmność konnsatoa płaskigo, z któgo oblicza się pojmność postawową ukłau: S C ε ()

5 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym Do oblicznia pola powizchni czynnj lkto wykozystano lmntan pola skłaow, pola tójkątów z zalżności: ( p a)( p b)( p c) SΔ p (3) gzi: p a + b + c okśla współczynnik wykozystujący ługości boków tójkąta. Obliczani współzęnych punktów chaaktystycznych ukłau: Dla punktu A (ys. ): Współzęna x a A x O () x Współzęna y a A y O (5) y Otzymujmy OA a + a (6) Współzęn punktów wktoa OA obócon o kąt α obliczan są na postawi ukłau ównań jak poniżj: AX C (7) gzi: Wyznaczając X z powyższgo ównania otzymujmy szukan współzęn X AC (8) a a OA sin( α) A natomiast C a a OA cos( α)

6 0 R. Sulima Wkto X zawia now watości współzęnych punktu a obócongo o kąt α. Aby wyznaczyć pol powizchni czynnj lktoy nalży znalźć punkty pzcięcia współpacujących lkto ozwiązując poniższ ównania. x x x + ( y ya ) A (9) A B x ya y B gzi y jst watością stałą jst to wysokość lktoy. y y y + ( x xa ) A (0) A B y xa x B gzi x jst stałą ługością lktoy statoa. Wzó na ługość boku tójkąta: 6 ( x x ) + ( y ) 0 a y poobni la pozostałych boków tójkąta. A A () Poobni oblicza się pozostał boki tójkąta. Po wyznaczniu wszystkich ługości pol czynn oblicza się z wzou (3), a następni pojmność z wzou (). Aby okślić ngię i momnt lktostatyczny obliczono numyczni gaint powizchni pola. SΔ k SΔ () k gzi: k lmntana zmiana powizchni lktoy. Stą momnt lktostatyczny jst any zalżnością: U ε M (3)

7 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym... ) Obliczni pojmności oatkowych ukłau Jną z postawowych pojmności oatkowych jst pojmność ozposznia na kawęziach pola czynngo lkto współpacujących. Pojmność ta zalży o ługości czynnj współpacujących z sobą lkto oaz o olgłości pomięzy nimi. Sytuacja ta jst pzstawiona na ys... Rys.. Pzbig hipottycznj powizchni kwipotncjalnj ) Oblicznia wykonywano z założnim ównominości ozkłau pola w szczlini (konnsato płaski z lktoami po kątm 90 stopni i oalonych o sibi o szokość szczliny ). W paktyc pzybliża się koljn wyniki ziląc lktoy na lmntan ocinki, któ można pzyjąć za ównolgł. Rys. 5. Ilustacja mtoy pzybliżania koljnych obliczń pojmności ozposznia

8 R. Sulima C lδh ε () Δh gzi l ługość lktoy, Δh lmntana gubość lktoy. ) Oblicznia wykonan w opaciu o wzó całkowy, w któym zakłaamy ównominość ozkłau pola w szczlini pomięzy kawęziami postopałych wzglęm sibi lkto. Pzyjęta o obliczń powizchnia jst w pzybliżniu fagmntm walca o pominiu ównym (h+) (gubość lktoy plus szczlina pomięzy lktoami) i ługości ównj l. Powizchnia kwipotncjalna pokazana na ys. jst w pzybliżniu powizchnią postokąta o bokach (h+) x l wobc tgo łaunk gomazony pomięzy lktoami można zapisać jak poniżj: ε ES gzi S ( h + ) l l (5) Rozwiązując ównani całkow na łaunk gomazony w konnsatoz otzymujmy: ε ES ε E( h + ) l ε El ε El (6) Stą możmy obliczyć natężni pola E, któ wynosi: E ε l (7) Natomiast óżnica potncjałów pomięzy lktoami pzstawić można zalżnością: V E l (8)

9 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym... 3 Rys. 6. Doga, jaką pzbywa łaunk pzmiszczając się z jnj lktoy na ugą Gzi l π 8 jst ósmą częścią pzkoju popzczngo hipottyczngo walca utwozongo na kawęziach lkto ys.. Doga, jaką musi pokonać łaunk pzmiszczając się z jnj lktoy na ugą jst, więc ówna ługości fagmntu okęgu o zminnym pominiu o 0 o (h+). Wzó na óżnicę potncjałów z uwzglęninim zmiany ługości ogi, jaką pokonuj łaunk bęzi pzstawiał się jako: E E l E V π π (9) Postawiając zalżność na natężni pola lktyczngo otzymujmy: + l l l E V ln π π π π ε ε ε (0) Stą pojmność ozposznia pomięzy lktoami (w pzypaku gzbinia) wynosi: ( ) α ε ε ε l l l V C π ln π ln π ln ()

10 R. Sulima Rys. 7. Sytuacja ilustująca pojawini się oatkowj pojmności ozposznia Doatkowa pojmność ozposznia znajuj się pzy kawęziach zbliżających się poczas uchu lkto. Jst ona tuna o okślnia z powou tgo, ż ni jst to pojmność bzpośnia. W tym pzypaku pzyjęt zostało uposzczni, ż lktoy są napzciwlgł i pojmność liczona jst jak la konnsatoa płaskigo z zminną olgłością lkto. Obliczni pojmności na kawęziach lkto. Rys. 8. Oznacznia zastosowan w wzoach Olgłość pomięzy lktoami: k tanα al () Elmntana olgłość mięzy lktoami:

11 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym... 5 al Δk tanα (3) n Długość ugij kawęzi lktoy: al bl ( Δk ) + n () Powizchnia czynna lkto: ( α ) S k b l (5) Elmntana pojmność ozposznia: ΔC k ε Δ k Δb + l ( y h) a (6) Całkowita pojmność ozposznia: n C k C kj j (7) Rys. 9. Rozkła pola w szczlini utwozonj pzz pouszając się lktoy

12 6 R. Sulima Całkowita pojmność ukłau: C C + C + C k tot (8) Siła lktostatyczna: F U ε U ε + π log U tot + l + C k (9) Engia ukłau lktostatyczngo: U E tot tot C (30) 3. WYNIKI Pzpowazono oblicznia poównawcz la tzch skłaowych całkowitj pojmności ukłau lkto mikoaktuatoa lktostatyczngo w kilku położniach. Wyniki obliczń pzstawion zostały w tab.. TABELA Zstawini wyników obliczń pojmności całkowitj ukłau oaz jgo ngii lktostatycznj w funkcji tzch skłaowych pojmności Lp % C Pojmność główna C Pojmność ozposznia C Pojmność ozposznia C k C [pf] W [nj] C [pf] W [nj] C [pf] W [nj] 75, , , , ,

13 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym... 7 Rys. 0. Położni wzajmn lkto la pzypaku obliczniowgo Poniższ ysunki pzstawiają wybany waiant obliczń (położni lkto uchomych Oy 70 oaz kąt obotu α 0 ). Rys.. Wynik obliczń pojmności i ngii ukłau z uwzglęninim tylko skłaowj głównj C Rys.. Wynik obliczń C i W ukłau z uwzglęninim skłaowj głównj C i skłaowj C

14 8 R. Sulima Rys. 3. Wynik obliczń C i W ukłau z uwzglęninim wszystkich skłaowych C i C i C k W tgo typu ukłaach bazo znaczącą olę ogywają pojmności ozposzon, któ nikiy w obliczniach pomija się, poniważ są poblmatyczn o wyznacznia. Po wykonaniu obliczń okazało się, ż w niktóych położniach pojmności t są postawową skłaową wypakowj pojmności ukłau gzbiniowgo i wynoszą nawt o 88 % tj pojmności, więc błęm osyć znacznym jst ich pomijani.. WNIOSKI Zapojktowana stuktua aktuatoa o napęu mikolustk skanujących stosowanych jako lmnty pzłączając w pzzoczystych siciach światłowoowych zapwnia uż kąty pzłączania ok. 5. Jst to stuktua symtyczna, więc sumayczny kąt wychylnia lmntu oboczgo moż wynosić pzy ustalniu opowinich wymiaów lkto stujących nawt o pona 5, co zapwnia uż możliwości pzłączania sygnału optyczngo. Jnak bzpicznij stować tn napę na poziomi ± 0. Poponowany mol pzłącznika moż być wykozystywany w achitktuach 3D. Pzłącznik tn popzz opowini stowani napięciow umożliwia pozycjonowani lustka po óżnymi kątami. Jnak, aby napę taki mógł zaistnić tzba spłnić kilka postawowych wymogów. W tak małych uzązniach, jak mikopzłączniki (są to wymiay zęu zisiątk lub stk μm) bazo ważna jst opowinia konstukcja, poniważ na tym poziomi pawi

15 Molowani optyczngo lmntu pzłącznicy OXC opatgo na kątowym... 9 nimożliwy jst montaż części. Jśli już wykozystuj się montaż to spoayczni gyż jst to pocs ogi i czasochłonny. Mikonapę musi być zapojktowany tak, aby można go było wykonać mtoami mikoobóbki, czyli opowinio skomponowanymi óżnymi mtoami wytawiania w kzmi. Poponowany napę jst zasilany niskim napięcim oboczym na poziomi 0 V napęzając całą stuktuę mikopzłącznika. LITERATURA. F. A. Chollt, G. M. Hg, A. K. Asuni, A. Aiun Liu: Simpl Extashot Extnal Cavity Las Slf-Mixing Intfomt fo Acclation Snsing Poc. SPIE Th Int. Socity fo Optical Engining, vol. 596, 00, pp K. J. Kany, Z. Ninkov : Chaactization of a igital micomio vic fo us as an optical mask in imaging an spctoscopy Poc. SPIE Th Int. Socity fo Optical Engining, vol. 39, 998, pp L. Fan, S. Glockn, P. D. Dobblla, S. Pata,.a. : Digital MEMS Switch Fo Plana Photonic Cossconncts OFC 00 pp L. J. Honbck, Dfomabl-mio spatial light moulatos, Spatial Light Moulatos an Applications III, SPIE Citical Rviws, vol. 50, Aug 989, pp P. Himin, D. Dicknshts: High sp, lag flction fomabl mios fo focus an sphical abation contol Poc. 00 IEEE/LEOS Int. Confnc on optical MEMS (cat. No. 0EX60), 00, pp P. R. Pattson, D. Hah.a: An angula vtical comb iv actuato fo scanning micomios, MOEMS R. A. Conant, J. T. N, K. Y. Lau, R. S. Mull: A Flat High-Funcy Scanning Micomio. Tchnical Digst 000 Soli-Stat Snso & Actuato Wokshop, Hilton Ha, SC, pp U. Hofmann, S. Muhlmann, m. Witt.a : Elctostatically ivn micomios fo a minituiz confocal las scanning micoscop Poc. SPIE Th Int. Socity fo Optical Engining, vol. 3878, 999, pp R.Sulima: Moling Elctostatic Micoactuatos Us fo Diving Scanning Mios intnational confnc Mchatonics, Robotics an Biomchanics Tst 005, Engining mchanics vol., no A, pp Rękopis ostaczono, nia Opiniował: pof. hab. inż. Kystyn Pawluk

16 50 R. Sulima MODELING THE OPTICAL ELEMENT OF THE OXC SWITCH BASED, ON ANGULAR ELECTROSTATIC DRIVE Rnata SULIMA ABSTRACT: Optical MEMS switchs supplant th up to now us lctonic switchs. Th psnt pap psnts signs fo contol using MEMS in wavgui nts. Th iv systm show h is fatu by big flction angls of th activ lmnt which nsus wi application. Th sign is bas on an lctostatic comb-iv aktuato with ppnicula momnt. Th comb-iv povis high amounts of ngy thus high iving tous sufficint to mov th scanning mio.