1 引言
隨著光通信技術的迅速發(fā)展，MEMS光開關由于具有插入損耗和串話小、消光比高、穩(wěn)定性好、透明性和可擴展性好、易于集成、偏振不靈敏等優(yōu)點，將成為核心光交換器件的主流。其靜電驅(qū)動是目前廣泛研究的一種，常見的靜電驅(qū)動方式有：梳狀電極、SDA（scratch drive actuator）、懸臂驅(qū)動和扭臂驅(qū)動等。懸臂和扭臂驅(qū)動的驅(qū)動電壓高 于前兩者，但結(jié)構(gòu)簡單、工藝上容易實現(xiàn)。在選取其微反射鏡最佳工作狀態(tài)時，需要電壓、頻率，占空比連續(xù)可調(diào)的方波信號為激勵源。傳統(tǒng)的選取方法需要示波器、脈沖信號發(fā)生器，直流穩(wěn)壓源三臺儀器協(xié)調(diào)工作才能完成，并且存在諸多弊端，如：測量儀器成本高、操作繁瑣、測試周期長、測量精度低等。而在本文介紹的測量平臺中，通過高幅值利用單片機控制脈沖頻率的方法來選擇器件。與當前同類方法相比，具有精度高、可靠性強、成本低、易操作等優(yōu)點。
2 光開關工作原理
圖1為2×2微機械光開關的結(jié)構(gòu)示意圖，可以采用體硅微機械加工的方法在（100）硅片上制作。微反射鏡和上電極連在一起，在沒有電壓輸入時，上電極的位置不動，微反射鏡處在光通路上，從入射光纖發(fā)出的光被微反射鏡反射，改變方向后進入到鏡面同一側(cè)的出射光纖中，這是開關的反射狀態(tài)。當上電極和下電極之間有電壓輸入時，在靜電力的作用下，上電極帶動微反射鏡移開光通路，入射光沿直線傳播進入前方的出射光纖，這是開光的直通狀態(tài)。圖2為閾值電壓隨扭梁的厚度變化曲線，圖3為驅(qū)動電壓與懸梁位移之間的關系曲線。
3 方案設計與分析
其工作原理是先由單片機產(chǎn)生頻率占空比可調(diào)的脈沖信號，但因最終信號的電壓幅值在40～70V，遠大于單片機的工作電壓（5V），故將單片機產(chǎn)生的信號先接光耦隔離，再輸出到后級的放大電路，然后根據(jù)放大電路的調(diào)整，輸出峰峰值可調(diào)的信號。由此可見系統(tǒng)設計主要涉及三個關鍵部分：產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的方波信號、信號放大以及最終信號幅值的測量。
3.1方波信號源的設計
方波信號的產(chǎn)生電路主要由AT89C2051單片機、晶振電路、鍵盤參數(shù)輸入和LED狀態(tài)顯示等部分組成。單片機AT89C2051由軟件控制，產(chǎn)生方波信號。軟件的設計是利用AT89C2051內(nèi)計數(shù)器/定時器T0和T1互相配合來控制方波的頻率和占空比的。AT89C2051使用12M晶振，所以單片機執(zhí)行一條指令的時間為1μs,這樣根據(jù)鍵盤輸入的頻率值f和占空比d, 得到周期時間常數(shù)Tt（T t=1/f）和正脈沖的時間長度T d(Td=Tt×d%),分別送給計數(shù)器/定時器T0、T1。T0、T1同時開始計數(shù)，同時使輸出為高電平，因為Td≤T t, 故T1首先計滿溢出，執(zhí)行T1的中斷服務子程序，拉低輸出電平使輸出低電平，同時停止T1計數(shù)。在等待一段時間，待到T0計滿， 再調(diào)用執(zhí)行T0的中斷服務子程序， T0、T1重新裝載定時常數(shù)并開始計時，同時把輸出電平拉回高電平。由此完成一個周期的輸出。頻率和占空比的改變只需改變T0、T1的定時常數(shù)。輸出的波形如圖4。
3.2 信號放大部分
單片機輸出的方波信號高電平時只有5V左右，而輸出要達到40～70V，普通的三極管放大電路不能承受這么大的電壓。因此在設計中采用MOS管，而且MOS管有很好的開關性能，會使輸出波形很好。電路如圖5。
由LM317搭建的穩(wěn)壓電源（見圖6）提供40～ 70V的直流電壓Vcout。這個直流電壓輸出值可由圖中的滑動變阻器WR調(diào)整。Vcout通過上拉電阻加在 MOS管的漏級上，這樣當MOS管工作在開關狀態(tài)時，從漏級的輸出的電壓就在0V和 Vcout之間變化，就由此產(chǎn)生幅值為V cout的方波信號。可見，只要單片機輸出的方波信號可控制MOS管的開關狀態(tài)，即可使輸出高幅值的方波信號與單片機由軟件設計輸出的方波同頻率同占空比。但是單片機輸出的信號大約在5V左右，若與后面加有高達40～70V電壓的MOS管直接相連，這樣當MOS管后級短路輸出的高壓很容易被引入單片機內(nèi)，將單片機燒壞。因此必須采用措施避免這種危險的發(fā)生。在此設計中采用光耦使得后面輸出的高電壓與單片機工作時的5V低壓安全隔離開。
3.3 終信號幅值的測量
最后輸出的信號為方波信號，要想直接測量輸出的峰峰值很困難。但分析完電路不難發(fā)現(xiàn)當MOS管截止時，MOS管的輸出 Vout與穩(wěn)壓源提供的Vcout 幾乎相等。由此可知可以通過測量穩(wěn)壓源輸出的V cout直流電壓，即可得MOS管輸出方波信號的峰峰值。
在測量電壓值不是很精確的情況下，可直接把穩(wěn)壓源提供的Vcout經(jīng)電阻按比例分壓，分出的電壓通過A/D轉(zhuǎn)換器和單片機處理，所得的結(jié)果乘以比例系數(shù)，即可得 Vcout的實際電壓值。將這個值直接送顯示部分，則很直觀的顯示出方波峰峰值。在我們實際設計的儀器中，顯示的Vout測量值與空載時的輸出值誤差不超過±0.5V。證明在測量電壓值要求不是很精確的情況下，這種方案是方便可行的。
3.4 主控平臺和顯示部分
從總體來看，產(chǎn)生信號的部分和最終信號幅值測量顯示部分是各自獨立分開的，由兩個AT89C2051分別完成形成一個簡單的分布式結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)提高了整個軟件部分的穩(wěn)定性。
主控平臺由第一個AT89C2051來完成，直接控制方波信號的產(chǎn)生，而且還包括方波信號的頻率、占空比的設置和顯示，提供友好的人機接口。
對于輸出的信號，應該給用戶盡量直觀的結(jié)果， 在主控平臺提供頻率和占空比顯示的同時，還應使用戶直觀準確地知道輸出信號幅值，這樣在用戶沒有第三方的測量儀器的情況下，對儀器操作非常方便和精確。這部分的工作就由第二個 AT89C2051和A/D轉(zhuǎn)換器AD0804配合完成。
單片機核心部分源程序如下：
… …
//generate pulse signal
//period= the period of pulse signal
//positive=the length of positive voltage
timer0() interrupt 1 using 1 {
unsigned int temp;
out=1; //output VOH
temp=65535-period;
TL0=temp; //set value for timer0
TH0=temp>>8;
temp=65535-positive;
TL1=temp; //set value for timer1
TH1=temp>>8;
TR1=1;
TR0=1; //start timer1, 0
}
timer1() interrupt 3 using 2 {
out=0; //timer1記滿,output VOL
TR1=0; //stop timer1
}
…
4 結(jié)語
測量懸臂和扭臂驅(qū)動的光開關的驅(qū)動電壓是在制作微機械光開關過程中比較繁瑣的程序，本測量平臺采用單片機控制脈沖頻率的方法來選擇器件。與傳統(tǒng)方法相比，具有精度高、可靠性強、成本低、易操作等優(yōu)點。本測量平臺經(jīng)過吉林大學集成 光電子學國家重點聯(lián)合實驗室近半年的使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好，是一種省時高效的測量方法。