光開關是光通信網絡和高能激光應用系統（例如激光點火系統）中的關鍵組件，其在光域內直接完成光信號的路由與交換，這一功能至關重要。全光網絡和高功率激光應用的發展趨勢，要求光開關具備優異的可擴展性、速度、效率和穩定性。光開關按工作原理可分為機械式、熱光式和電光式三類。傳統的機械式開關插入損耗低，但體積大、響應速度慢；熱光式開關雖結構簡單，卻存在高功耗和串擾問題；電光式開關雖響應速度極快，卻受限于高插入損耗和材料制備的復雜性。
采用MEMS微鏡進行光路切換的微光機電系統（MOEMS）光開關，在高功率激光環境下容易受到熱損傷和散射損耗的限制。因此，如何兼顧高功率承載能力、低功耗、結構緊湊以及高可靠性，一直是MOEMS光開關研究的重要方向。
據麥姆斯咨詢介紹，近期，南京理工大學機械工程學院等機構的聯合研究團隊提出了一種具有機械鎖存功能的新型電熱驅動MOEMS光開關，適用于高功率光應用場景。該光開關設計采用光纖直接耦合替代微鏡結構，有效減少了散射與熱損傷問題，顯著提升了對高能激光的承載能力。機械鎖存鉤可在零功率狀態下保持光纖的精準對準，既消除了能量消耗，又避免了長期運行產生的熱漂移問題。實驗結果驗證了該開關能夠穩定切換并鎖存高功率激光光路。相關研究成果已經以“An electrothermally actuated high-power MOEMS optical switch with a state-latching mechanism”為題發表于Applied Physics Letters期刊。
圖1（a）MOEMS光開關的整體結構（RBS：反向阻擋彈簧；OFAA：光纖對準執行器；OFRA：光纖復位執行器）；（b）工作流程；（c）狀態轉換電壓時序圖。
圖1（b）展示了MOEMS光開關詳細的工作流程。在T?階段：首先對OFAA施加電壓激勵，執行器推桿產生位移，并與RBS配合，將輸入光纖夾持至與輸出光纖對準。隨后，斷開OFAA的電壓，鎖存鉤限制執行器的復位。在T?階段：向兩個執行器均施加電壓，OFAA產生輕微向上位移，以釋放對鎖存鉤的接觸壓力；同時，OFRA驅動鎖存鉤推桿，打開鎖存頭。隨后，斷開OFAA電源，使其回到初始位置；輸入光纖在RBS回復力作用下回到初始位置，使開關恢復至關斷狀態。最后，斷開OFRA電源，鎖存鉤恢復至原始狀態。
圖2 （a）光纖懸臂梁模型；（b）彈簧的幾何結構；（c）鎖存鉤的幾何結構；（d）執行器中梁的幾何結構。
該MOEMS光開關最大的創新在于其機械鎖存機構。研究團隊設計了一套由鎖存鉤、RBS以及兩組電熱執行器組成的狀態保持機構。當光纖移動至目標位置后，機械鎖存鉤會自動鎖定執行器的位置，即使外部驅動電壓完全撤除，光纖仍能保持精準對準，光路持續保持導通狀態。當需要關閉光路時，另一組復位執行器驅動鎖存機構釋放，光纖恢復初始位置，實現可靠的開關控制。整個保持過程無需任何持續供電，從而實現真正意義上的零功耗保持。
為了保證這一復雜機械系統能夠穩定工作，研究團隊建立了完整的電熱-機械耦合理論模型，系統分析了電熱執行器的溫度分布、熱膨脹、機械變形以及鎖存機構之間的相互作用關系。在理論分析基礎上，研究人員進一步開展多體耦合有限元仿真，對光纖懸臂梁、鎖存鉤結構、電熱執行器尺寸以及彈簧參數進行了優化，使執行器能夠在較低驅動條件下實現足夠位移，同時確保鎖存過程穩定可靠。
為研究光開關鎖存功能所需的條件，研究人員對OFAA與鎖存鉤脫離的過程進行了仿真分析。圖3（a）展示了執行器與鎖存鉤的脫離過程，圖3（b）則展示了位移隨施加電壓變化的曲線。仿真結果表明，在空載條件下，鎖存鉤在電壓12 V時開始限制執行器的運動，位移速率下降；當電壓升至17 V時，OFAA與鎖存鉤完全脫離。
圖3 （a）OFAA的脫離過程，（b）脫離過程中的位移變化
該MOEMS光開關通過鍵合兩片絕緣體上硅（SOI）晶圓制成。第一片SOI晶圓包含10 μm的器件層、2 μm的埋氧層和750 μm的支撐層，而第二片晶圓則具有100 μm厚的器件層。采用深反應離子刻蝕（DRIE）技術制備所需結構，微加工工藝如圖4所示。
圖4 （a）MOEMS光開關的制造過程；（b）開關的光學顯微照片；（c）開關的封裝設計。
重復測量結果表明，MOEMS光開關可靠承受3 W的連續激光輸入功率，在導通狀態下的傳輸效率可達71%（插入損耗 1.49 dB）。斷電過程中觀察到的輕微機械回縮是鎖存機構的固有特性。為量化其影響，對兩種狀態下的插入損耗進行了測量。在鎖存導通狀態下，激光傳輸效率降至65%（插入損耗 1.87 dB）。這一微小衰減（約0.38 dB）主要由輸入和輸出光纖纖芯之間的輕微橫向偏移造成。不過，通過結構約束可嚴格保證橫向對準，從而確保整體傳輸效率保持穩定且處于較高水平。
圖5 OFAA從鎖扣釋放并復位的過程
圖6 處于開啟狀態的激光光路光學顯微照片
綜上所述，該研究提出了一種具有機械鎖存機制的新型電熱驅動MOEMS光開關。通過多物理場仿真優化電熱-機械耦合特性，確保了精準對準與可靠鎖存。對制備的原型進行實驗表征，結果表明該開關可成功處理3 W的連續光功率，傳輸效率達71%（插入損耗 1.49 dB）。
值得關注的是，集成的鎖存鉤使器件在驅動電壓移除后仍能以零功耗保持導通狀態。這種無源鎖存特性不僅降低了能耗，還有效緩解了長期運行帶來的熱量累積。因此，本文所提出的狀態鎖存型MOEMS光開關在光功率傳輸系統、激光點火系統及全光網絡中具有顯著的應用潛力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1063/5.0324213
