CC BY
41
УДК 621.3.049
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРООПТОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Иван Викторович Князев
АО «Новосибирский завод полупроводниковых приборов с Особым конструкторским бюро», 630082, Россия, г. Новосибирск, ул. Дачная, 60, инженер-конструктор 1-й категории, тел. (953)863-73-07, e-mail: kiv@nzpp.ru
В данной работе представлены результаты моделирования процесса движения элемента микрооптической технологии, в частности, микробалки, под действием управляющего напряжения. Показаны временные зависимости прогиба микробалки для широкого диапазона длин волн при различных параметрах внешнего электрического сигнала, таких как амплитуда управляющего напряжения и длительность нарастающего и спадающего фронтов. Рассмотрены особенности конструкции и технологии изготовления перестраиваемой дифракционной решетки, перспективной для применения в области телекоммуникаций, а также принцип работы устройства. Описаны два режима функционирования: цифровой и аналоговый. Результаты проведенного моделирования в программном пакете ANSYS показывают возможность достижения частоты модуляции оптического сигнала 0,5-0,6 МГц при длине волны X = 1 600 нм, а также в видимом диапазоне длин волн.
Ключевые слова: МОЭМС, перестраиваемая дифракционная решетка, моделирование, ANSYS.
Введение
В настоящее время имеется достаточно большое количество информации, в которой рассматриваются различные особенности и режимы функционирования микрооптоэлектромеханических систем (МОЭМС) как на основе микрозеркальной технологии, так и с применением более эффективной - технологии управляемых полем перестраиваемых дифракционных решеток (Grating Light Valve, GLV), а также других технологий [1-22]. В научных работах описываются оптические характеристики устройств, их принцип действия, а также основные параметры при проектировании активных элементов: микрозеркал (технология Digital Micro-mirror Devices, DMD) или микробалок (GLV технология). Однако практически отсутствует информация по рассмотрению динамических свойств переключения активных элементов, взаимосвязи их движения с формой управляющего сигнала и самого процесса движения, например, микробалки, под действием прикладываемого напряжения, что является немаловажным для практического применения при разработке таких устройств, как оптические коммутаторы и мультиплексоры, микромеханические дифракционные решетки, цифровые проекторы и др.
Технология GLV
В последние годы разрабатываются принципиально новые оптические микроэлектромеханические системы, основанные на управляемых полем
дифракционных решетках [1-19], выполненных в виде последовательности тонких отражающих элементов - микробалок. Каждая микробалка меняет свое пространственное положение (расстояние до базовой плоскости) в зависимости от амплитуды приложенного напряжения V. Указанные системы имеют уникальные параметры, значительно превосходящие МОЭМС с использованием микрозеркал. Их преимущества определяются как исключительно малой мас-
7 9
сой 10 -10 г, так и малой амплитудой перемещения в межэлектродном зазоре под действием управляющего сигнала.
Устройство представляет собой линейку микробалок (1 000 и более), расположенных параллельно друг другу. При подаче управляющего напряжения микробалки прогибаются под действием сил электростатики. Типичные геометрические размеры микробалок: длина I = 50-200 мкм, ширина = 2-6 мкм, толщина ? = 1-2 мкм. Расстояние между микробалками минимальное из технологически достижимого, например, 0,5-1,0 мкм, поскольку коэффициент заполнения поверхности микробалками определяет яркость изображения, дифракционную эффективность. Величина воздушного зазора определяет спектральную область работоспособности прибора, для видимой части спектра она составляет 200-400 нм. Тонкая микробалка с высокой отражающей способностью изгибается под действием сил электростатики, при этом прогиб микробалки относительно своего начального положения не превышает четверти длины волны модулируемого света. Конструкция элемента перестраиваемой дифракционной решетки представлена на рис. 1. Фотография полностью изготовленного устройства в корпусе приведена на рис. 2.
Микробалка (poly-Si, бронза)
Металлическое покрытие (Al, Au, Ag, Pt, Си)
(п+ 81, Ри 1ТО) 0.5-2.0 мкм
Рис. 1. Конструкция элемента перестраиваемой дифракционной решетки
Основой решетки является стандартная кремниевая или сапфировая пластина, на поверхности которой формируется электрод одним из способов: путем ионного легирования или с помощью напыления проводящего материала (Р1, 1ТО). На поверхность электрода наносится пленка сегнетоэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью порядка 1000-3000 (например, КЭБ -ниобат бария-стронция) и толщиной 0,5-2,0 мкм для более эффективного использования электрического поля в воздушном зазоре.
Рис. 2. Перестраиваемая дифракционная решетка в корпусе
На следующем этапе формируется жертвенный слой (например, боро-фосфорсиликатное стекло, среднетемпературный или низкотемпературный окисел, фоторезист), который после удаления будет определять величину воздушного зазора (зависит от рабочего диапазона длин волн). Выбор материала для формирования жертвенного слоя должен осуществляться исходя из необходимости создания пологого профиля микробалок в области закрепления на подложку. В случае использования боро-фосфорсиликатного стекла это может быть достигнуто путем температурного отжига сформированных участков жертвенного слоя, что обеспечит сглаженный профиль этих областей. Заключительным процессом является нанесение слоя для формирования микробалок (поликремний, бронза и др.) и напыление тонкого покрытия с высокой отражающей способностью до 99 % (А1, Аи, А§, Р1, Си) [23, 24].
Когда к устройству не прикладывается напряжение, свет отражается от «гладкой» поверхности совокупности микробалок, как от плоского зеркала. При подаче импульсов напряжения с амплитудой V микробалки соответствующим образом прогибаются, создавая условия для дифракции поступающего на их поверхность света, отражая падающее излучение в 0-й или ±1-й порядки дифракции под заданным углом, который определяется классической теорией дифракции на отражательных решетках (см., например [25]) в зависимости от периода р, длины волны света X и угла его падения на решетку.
На рис. 3 приведена зависимость дифракционной эффективности от прогиба микробалки и соответствующее распределение дифрагированного света между основными порядками дифракции для решетки с параметрами: период решетки р = 2 мкм, угол падающего излучения 13,5°, длина волны X = 550 нм [26].
1-I-Г
I 0.4
О
О
0.1
0.2
0.3
Величина прогиба микроб алый, мкм
Рис. 3. Зависимость дифракционной эффективности от величины
прогиба микробалки
Методика проведения моделирования в пакете ANSYS
Численное моделирование играет ключевую роль в процессе разработки микросистем и используется не только как средство проектирования, но и в качестве инструмента для анализа взаимодействия различных физических характеристик и поведения системы в целом. На уровне моделирования компоненты МЭМС описываются связанными дифференциальными уравнениями в частных производных, которые решаются, как правило, с помощью метода конечных элементов.
Моделирование смещения микробалки под действием внешнего управляющего напряжения проводится в несколько этапов. Во-первых, известные геометрические размеры и материал микробалки жестко задают значение резонансных частот и коэффициента упругости. Этой информации достаточно, чтобы провести модальный и гармонический анализы с помощью программного пакета ANSYS/Multiphysics 16.2 Academic. Анализ собственных форм колебаний (мод) микробалки применяется для определения динамических характеристик и проводится на основе результатов влияния вынужденных механических колебаний в заданном для расчета диапазоне частот. В гармоническом анализе можно получить вид амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) в выбранном направлении колебаний, для чего необходимо установить значение воздействующей эквивалентной нагрузки, в зависимости от типа и амплитуды которой будет рассчитываться соответствующий прогиб микробалки.
Расчет частотных характеристик микробалки
Для моделирования была выбрана микробалка с параметрами: длина I = 75 мкм, ширина w = 6 мкм и толщина ? = 2,5 мкм, что обусловлено требованиями к оптическим характеристикам устройства и технологическими особенностями процесса изготовления. В модели микробалка содержит порядка 12 000 узлов и около 9 000 структурных элементов, шаг разбиения сетки составляет 0,5 мкм. В качестве материала для моделирования использовался поликристаллический кремний с упругими свойствами, масса микробалки соста-12
вила 2,36 ■ 10 кг. Указанный материал был выбран, поскольку он является технологичным, а размеры элементов могут быть воспроизводимы с высокой степенью, например, при использовании процесса плазмохимического травления уходы составляют не более 100 нм.
Для расчета мод колебаний использовалась статическая тестовая нагрузка упругого элемента в виде приложенного эквивалентного электростатического давления (рис. 4).
Микробалка
Ре1
Подложка
Рис. 4. Тестовая нагрузка: электростатическое давление
При расчете АЧХ, в качестве воздействующей нагрузки было выбрано распределенное давление величиной Ре1 = 0,5 МПа для получения среднего прогиба около 5 ~ 100 нм, исходя из расчета по формуле [27]:
Ре1 =
80 • V2
/
2
V
л И „
dz + — - 5 8
Л2
что при подстановке соответствующих значений внешнего электрического напряжения V = 100 В, величины начального воздушного зазора dz = 0,47 мкм и параметрах сегнетоэлектрика: е = 1 000, толщина И = 1 мкм (например, ниобат бария-стронция), дает необходимое значение величины распределенного давления Ре1.
Амплитудо-частотная характеристика микробалки с указанными параметрами приведена на рис. 5, основная резонансная частота составила / = 4,087 МГц.
0,18 -|
0,16-
0,14-
-
0,12-
го
1- 0,10-
ц
п:
Ш < 0,08-
0,06-
0,04-
0,02-
012345678
Частота, МГц
Рис. 5. Амплитудо-частотная характеристика микробалки с параметрами:
l = 75 мкм, w = 6 мкм и t = 2,5 мкм
Анализ известных аналогов оптических микромеханических устройств показывает, что возможны два варианта режима работы:
1. Цифровой (двухпозиционный) режим, при этом микробалка занимает только два фиксированных положения - верхнее, когда напряжение между микробалкой и нижним электродом равно нулю, и нижнее, когда микробалка прижата к подложке (сегнетоэлектрику) за счет действия электростатических сил при подаче соответствующего управляющего напряжения. В этом режиме используется эффект схлопывания микробалки с поверхностью сегнетоэлек-трика (pull-in эффект) и обратного движения к изначальному положению за счет действия сил упругости.
2. Аналоговый (управляемый) режим, когда микробалка может занимать различные пространственные положения над поверхностью сегнетоэлектрика, так, чтобы в любой момент времени воздушный зазор составлял не более одной трети начального зазора. Такой режим достигается при подаче управляющего напряжения прямоугольной формы с определенной длительностью нарастающего и спадающего фронтов.
Цифровой режим работы перестраиваемой дифракционной решетки
Одним из вариантов функционирования перестраиваемой дифракционной решетки является двухпозиционный режим, когда микробалки в определенной последовательности под действием импульсов управляющего напряжения прижимаются к поверхности сегнетоэлектрика, а после снятия напряжения возвращаются в свое первоначальное положение. Таким образом, формируется изменяющийся во времени рельеф на поверхности устройства, в результате чего может осуществляться модуляция падающего светового излучения. Форма прогиба микробалки в прижатом к поверхности сегнетоэлектрика состоянии показана на рис. 6. Время коммутации составляет 1 мкс.
К: Transient Structural
Pi(eiti6t7&] „'е l: jr г I dj. и t1 —'vjt Directional Defci|matitiif№iftsii) ■ U ;iit Jrr:
Global; iiaoiidinataSyjtefti
р^ШЩЩШ 1:1:
Рис. 6. Форма прогиба микробалки в момент прижатия к поверхности сегнетоэлектрика
Результаты моделирования функционирования микробалки с параметрами: I = 75 мкм, w = 6 мкм и ? = 2,5 мкм в двухпозиционном режиме показаны на рис. 7. Величина начального воздушного зазора была выбрана dz = 0,4 мкм для оптимальной работы на длине волны X = 1 600 нм, соответствующей одному из стандартов для применения в области телекоммуникаций.
При подаче импульсов напряжения амплитудой 100 В с временами нарастания и спада фронта ¿имп = 1 мкс происходит быстрое смещение микробалки к поверхности сегнетоэлектрика вплоть до их слипания. При снятии напряжения микробалка за счет действия сил упругости поднимается вверх. За время обратного движения приобретается кинетическая энергия, пропорциональная т ■ и2, где т - масса подвижной части микробалки; и - скорость. Пройдя точку своего начального положения, микробалка продолжает вибрировать с собственной частотой при малом коэффициентом затухания колебаний до тех пор, пока не наступит следующий импульс управляющего напряжения. В данном случае при значении относительного коэффициента демпфирования В = 0,01, время, за которое микробалка придет в состояние покоя, составляет Т > 20 мкс. Это значит,
что в течение всего времени Т, свет, падающий на поверхность устройства, будет рассеиваться.
Рис. 7. Смещение микробалки под действием управляющих импульсов напряжения амплитудой 100 В при В = 0,01
Реальные значения относительного коэффициента демпфирования В при нормальном атмосферном давлении и температуре 25±10 °С на частоте модуляции порядка 1 МГц находятся около В = 0,12, поэтому времена затухания собственных колебаний при возвращении микробалки в начальное положение будут существенно меньше 20 мкс (рис. 8).
Дополнительное увеличение В возможно при повышении давления среды в межэлектродном зазоре или вязкости ц за счет применения различных газов со значениями ц большими, чем у воздуха.
Рис. 8. Смещение микробалки под действием управляющего напряжения
амплитудой 100 В при В = 0,12
Несмотря на некоторую ограниченность, цифровой режим может быть успешно применен при проектировании оптического коммутатора, например, одного входного канала между двумя и более выходными.
Аналоговый (управляемый) режим работы перестраиваемой дифракционной решетки
В данном разделе рассматривается универсальная схема коммутации микробалок, количество которых в одном периоде решетки может варьироваться в зависимости от требуемой задачи при помощи формирования межсоединительных проводников на финишных операциях технологического процесса (при металлизации). В таком случае каждая микробалка в периоде может управляться независимо от другой, и, соответственно, способна занимать определенное положение для достижения требуемого угла наклона «штриха», обеспечивая необходимые условия для дифракции падающего на динамически перестраиваемую поверхность дифракционной решетки света. В данном режиме модуляция светового пучка под разными углами может происходить за счет изменения периода решетки р, как показано на рис. 9.
Микробалки
Р ^ Р
1 1=1
I ■
I I
Подложка
Микробалки
Подложка
Рис. 9. Возможные комбинации прижатия микробалок для перераспределения дифракционной интенсивности в разные оптические каналы
В результате проведенного моделирования были получены динамические характеристики процесса прогиба микробалки с параметрами: I = 75 мкм, = 6 мкм и ? = 2,5 мкм под действием управляющего напряжения амплитудой V = 82 В при значении начального воздушного зазора ^ = 0,4 мкм (рис. 10). Передний фронт импульса напряжения составлял ¿имп = 0,5 мкс. Как видно из приведенных кривых, микробалка после смещения начинает колебаться с собственной частотой около среднего положения величиной 122 нм, но за время действия импульса напряжения, равного 2 мкс, установившегося режима не наступает. Очевидно, что в данном случае не возникает необходимых условий для передачи оптического сигнала из-за остаточных колебаний микробалки амплитудой около 5 нм даже в конце действия импульса при Т = 2 мкс.
Стоит отметить, что в воздушной среде при нормальном давлении и температуре, с учетом указанных параметров, величина В не превышает значения 0,12. Даже при заполнении рабочего объема устройства газами, например, ксеноном или различными смесями газов [7] при повышенном давлении, с учетом указанных размеров микробалки и длительности нарастания переднего фронта ¿имп = 0,5 мкс, можно добиться максимальной величины В = 0,16-0,18, что существенно не изменит характеристик, представленных на рис. 10.
Рис. 10. Смещение микробалки с параметрами: I = 75 мкм, w = 6 мкм и ? = 2,5 мкм при различных коэффициентах относительного демпфирования В и V = 82 В
На рис. 11 показаны результаты моделирования при значении времени нарастающего фронта импульса напряжения ¿имп = 0,8 мкс и V = 82 В.
$, мкм
0,4-
- I 1 п
0,3- IV ч г
- 1Л 1 д
0,2-
— г -- : 0.5 мкс, V- = 82 В, Т> 2 мкс
0,1 - - / = имп 0.8 мкс, V - = 82 В, 8 = 122 нм, Т = 1.7 мкс
-1 = имп - 1.0 мкс, V'- = 83 В, 5= 133 нм, 7"= 1.94 мкс
0,0- -Г- -1- -1- -1- -1-
0,0 2,0x10-6 4,0x104 6,0x10"® 8,0x10"® t, С
Рис. 11. Смещение микробалки с параметрами: I = 75 мкм, w = 6 мкм и ? = 2,5 мкм при разных значениях длительности фронтов управляющего напряжения и dz = 0,4 мкм
Анализ показывает, что для решения проблемы затухания собственных колебаний необходимо уменьшать скорость изменения dV/dt, т. е. кинетическую энергию, которую микробалка успевает получить во время возрастания напряжения twшl.
Смещение микробалки на величину 5 = 122 нм (показано зеленый цветом) происходит за время Т = 1,7 мкс, при этом флуктуации положения составляют около ±1 нм. Также на рис. 11 показано смещение микробалки на величину 5 = 133±2 нм (на рисунке синий цвет) под действием управляющего напряжения амплитудой V = 83 В при значении ^^ = 1,0 мкс. Время затухания колебаний до величины около ±1 нм в этом случае составило Т = 1,94 мкс. Красным цветом для сравнения повторно приведена характеристика с параметрами = 0,5 мкс и V = 82 В (см. рис. 10). Для всех трех кривых значения коэффициента демпфировании составляли В = 0,12.
Расчет для микробалки с параметрами I = 75 мкм, = 6 мкм и t = 2,5 мкм при величине начального воздушного зазора dz = 0,49 мкм и значении коэффициента демпфирования В = 0,12 с длительностью нарастания и спада фронтов ^мп = 0,8 мкс приведен на рис. 12.
Рис. 12. Смещение микробалки с параметрами: I = 75 мкм, = 6 мкм и t = 2,5 мкм при dz = 0,49 мкм
Обобщенные зависимости величины прогиба 5 и соответствующее изменение длины волны X модулируемого света от амплитуды управляющего напряжения представлены на рис. 13.
Отличие аналогового (управляемого) режима от двухпозиционного заключается в том, что микробалка смещается на меньший зазор, и, после снятия внешнего напряжения, за время обратного движения вверх набирает значительно меньшую кинетическую энергию, в результате чего уменьшается время затухания колебаний Т при достижимых на практике значениях коэффициента демпфирования В.
8, нм Л, нм
а) б)
Рис. 13. Обобщенные зависимости величины прогиба 5 (а) и длины волны X модулируемого света (б) от амплитуды управляющего напряжения
Заключение
Представленные частотные характеристики переключения микробалки с параметрами l = 75 мкм, w = 6 мкм и t = 2,5 мкм показывают возможность достижения частоты модуляции от 0,5-0,6 МГц при работе устройства в видимом диапазоне длин волн и ближнем инфракрасном свете при X = 1 600 нм. С целью перехода к меньшим длинам волн необходимо применять специальные материалы для изготовления микробалок с высоким качеством отражающей поверхности по параметру дефектности и предельным значением шероховатости на уровне ±50 А. Расширение рабочего диапазона в сторону инфракрасного спектра ограничено в основном большой амплитудой перемещения микробал-кок, что приводит к увеличению времени затухания собственных колебаний.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Bloom D. M. The Grating Light Valve: Revolutionizing display Technology // Silicon Light Machines, SPIE. - 1997. - 3013. - P. 165-171.
2. Corrigan R. W., Amm D. T., Gudeman C. S. Grating Light Valve Technology for Projection Displays // Proc. of the International Display Workshop, Kobe Japan, 1998. - Paper Number LAD 5-1.
3. Calibration of a Scanned Linear Grating Light Valve Projection System / R. W. Corrigan, D. T. Amm, P. A. Alioshin et al. // SID Symposium Digest of Technical Papers. - 1999. - Vol. 30 (1). -P.220-223.
4. Corrigan R. W., Cook R., Favotte O. Silicon Light Machines™ - Grating light valve™ technology brief. Breakthrough MEMS component technology for optical networks // Silicon Light Machines. - 2001. - 8 p.
5. Resonance measurements of stresses in Al/Si3N4 microribbons / A. P. Payne, B. P. Staker, C. S. Gudeman, M. J. Daneman, D. E. Peter // Proc. SPIE, MEMS Reliability for Critical and Space Applications. - 1999. - 3880. - P. 90-100.
6. Trisnadi J., Carlisle C., Monteverde R. Overview and applications of Grating Light Valve based optical write engines for high-speed digital imaging // Proc. SPIE, MOEMS Display and Imaging Systems. - 2004. - 5348. - P. 52-64.
7. Enabling high data rate imaging applications with Grating Light Valve™ technology / A. Payne, W. DeGroot, R. Monteverde, D. T. Amm // Proc. SPIE. - 2004. - 5348. - P. 76-88.
8. Diffraction grating-based optical readout for thermal imaging / U. Adiyan, R. B Erarslan., O. Ferhanoglu, H. Torun, H. Urey //Proc. SPIE. - 2012. - 8550. - 8 p.
9. Programmable diffraction gratings and their uses in displays, spectroscopy, and communications / S. D.Senturia, D. R. Day, M. A. Butler, M. C. Smith // J. Microlithogr., Microfabr., Microsyst. - 2005. - 4. - 041401. - 6 p.
10. Amm D. T., Corrigan R. W. Optical Performance of the Grating Light Valve Technology // Proc. at Photonics West-Electronic Imaging '99, Projection Displays V. Silicon Light Machines. - 8 pp.
11. Tamak E., Hashimoto Y., Leung O. Computer-to-plate printing using the Grating Light Valve™ device // Proc. at Photonics West 2004, Micromachining and Microfabrication Symposium. - 2004. - 5348. - P. 89-97.
12. Senturia S. D., Day D. R., Butler M. A., Smith M. C. Programmable diffraction gratings and their uses in displays, spectroscopy, and communications // J. Micro-Nanolith. MEMS MOEMS. - 2005. - Vol. 4 (4). - 041401.
13. A novel diffractive micro-optical modulator for mobile display applications / S. K. Yun, J. H. Song, S. D. An, I. J. Yeo, Y. J. Choi et al.// Proc. of SPIE. - 2008. - 6887. - 688702.
14. Verheggen J. P., Khan-Raja W., Castracane J. Optimization of diffractive MEMS for optical switching // J. of Experimental Nanoscience. - 2007. - Vol. 2 (2). - P. 87-100.
15. Verheggen J. P., Panaman G., Castracane J. Characterization and Fabrication of MOEMS-based Diffractive Optical Switching Elements // Proc. SPIE. MOEMS Display, Imaging, and Miniaturized Microsystems IV, San Jose, CA. - 2006. - 6114. - P. 139-147.
16. Optical characterization of fully programmable MEMS diffraction gratings / F. Zamkotsian, B. Timotijevic, R. Lockhart, R. P. Stanley et al. // Optics Express. - 2012. -Vol. 20 (23). - P. 25267-25274.
17. New astronomical instrument using MOEMS-based programmable diffraction gratings / F. Zamkotsian, P. Lanzoni, T. Viard, C. Buisset // Proc. of SPIE. - 2009. - 7208. - 72080I-1.
18. Programmable spectrometer using MOEMS devices for space applications / T. Viard, C. Buisset, X. Rejeaunier, Z F.amkotsian, L. M. G. Venancio // Proc. of SPIE. - 2008. - 7010. -701048.
19. Suresh V. G., DasGupta N., Bhattacharya S. Tunable MEMS diffraction gratings // Proc. SPIE, 16th International Workshop on Physics of Semiconductor Devices. - 2012. - 8549. -854918.
20. Чесноков В. В., Чесноков Д. В. Информационные возможности динамических микромеханических устройств // Вестник СГГА. - 2000. - Вып. 5. - С. 113-116.
21. Nikulin D. M., Chesnokov V. V., Chesnokov D. V. Micromechanical Optical Spectral Devices with Electrostatic Control // International School and Seminar on Modern Problems of
Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies INTERNAN0'2009 (Russia, Novosibirsk, 2009, Oct. 28-31) : proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2009. - P. 116-118.
22. Bujari S.S. A survey on simulation of MEMS optical switch for WDM applications // World Journal of Science and Technology. - 2012. - Vol. 2. (10). - P. 39-43.
23. High-speed 32x32 MEMS optical phased array / M. Megens, B. W. Yoo, T. Chan, W. Yang, T. Sun, C. J. Chang-Hasnain et al.// Proc. of SPIE. - 2014. - 8977. - 7 p.
24. Белкин А. М., Косцов Э. Г., Соболев В. С. Численное моделирование дифракционной эффективности ступенчатых МЭМС решеток // Фундаментальные основы МЭМС и на-нотехнологий. IV Всерос. конференция : доклады конференции (Новосибирск, 6-8 июня 2012 г.). - № 4. - C. 75-80.
25. Нагибина И. М. Интерференция и дифракция света. - М. : Машиностроение, 1974. -
360 c.
26. Apte R. Grating light valves for high resolution displays: dissertation of doctor of philosophy. - Stanford University Press, 1994. - 91 p.
27. Choi B., Lovell E. G. Improved analysis of microbeams under mechanical and electrostatic loads // Micromech. Microeng. - 1997. - 7 - P. 24-29.
Получено 07.10.2016
© И. В. Князев, 2017
MODELING OF THE MICROMECHANICAL OPTIC GRATING LIGHT VALVE DYNAMIC RESPONSE
Ivan V. Knyazev
Joint-Stock Company «Novosibirsk Factory of Semiconductor Devices with Special Design Centre», 630082, Russia, Novosibirsk, 60 Dachnaya St., Design Engineer, tel. (953)863-73-07, e-mail: kiv@nzpp.ru
In this paper the modeling results of the microbeam moving process under control voltage are presented. Transient relations between microbeam deflection and parameters of the external electrical signal such as magnitude and rising and falling edges in wide wavelength range are shows. Design and manufacturing process of the diffraction grating light valve perspective for telecommunications are considered. Digital and analog device modes are described. Modeling results in ANSYS demonstrate the ability to achieve modulation frequencies of 0,5-0,6 MHz for optical signal with 1600 nm wavelength as well as visible range.
Key words: MOEMS, diffraction grating light valve, modeling, ANSYS.
REFERENCES
1. Bloom, D. M. (1997). The Grating Light Valve: Revolutionizing display Technology. Silicon Light Machines, SPIE, 3013, 165-171.
2. Corrigan, R. W., Amm, D. T., & Gudeman, C. S. (1998). Grating Light Valve Technology for Projection Displays. Proceedings of the International Display Workshop, Kobe Japan (Paper Number LAD 5-1).
3. Corrigan, R. W., Amm, D. T., & Alioshin, P. A. (1999). Calibration of a Scanned Linear Grating Light Valve Projection System. SID Symposium Digest of Technical Papersm, 1(30), 220-223.
4. Corrigan, R. W., Cook, R., & Favotte, O. (2001). Silicon Light Machines™ - Grating light valve™ technology brief. Breakthrough MEMS component technology for optical networks. Silicon Light Machines, 8 p.
5. Payne, A. P., Staker, B. P., Gudeman, C. S., Daneman, M. J., & Peter, D. E. (1999). Resonance measurements of stresses in Al/Si3N4 microribbons. Proceedings of SPIE: MEMS Reliability for Critical and Space Applications (pp. 90-100).
6. Trisnadi, J., Carlisle, C., & Monteverde, R. (2004). Overview and applications of Grating Light Valve based optical write engines for high-speed digital imaging. Proceedings of SPIE: MOEMS Display and Imaging Systems (pp. 52-64).
7. Payne, A., DeGroot, W., Monteverde, R., & Amm, D. T. (2004). Enabling high data rate imaging applications with Grating Light Valve™ technology. Proceedings of SPIE (pp. 76-88).
8. Adiyan, U., Erarslan, R. B., Ferhanoglu, O., Torun, H. & Urey, H. (2012). Diffraction grating-based optical readout for thermal imaging. Proceedings of SPIE (8 p.).
9. Senturia, S. D. (2004). Programmable diffraction gratings and their uses in displays, spectros-copy, and communications. Proceedings of SPIE: MOEMS Display and Imaging Systems II (6 p.)
10. Amm, D. T., & Corrigan, R. W. (1999). Optical Performance of the Grating Light Valve Technology. Proceedings of Photonics West-Electronic Imaging '99, Projection Displays V (8 p.).
11. Tamak, E., Hashimoto, Y., & Leung, O. (2004). Computer-to-plate printing using the Grating Light ValveTM device. Proceedings of Photonics West-Electronic Imaging '99, Projection Displays V (pp. 89-97).
12. Senturia, S. D., Day, D. R., Butler, M. A., & Smith, M. C. (2005). Programmable diffraction gratings and their uses in displays, spectroscopy, and communications. J. Micro- Nanolith. MEMS MOEMS, ¥(4), 041401.
13. Yun, S. K., Song, J. H., An, S. D., Yeo, I. J., & Choi, Y. J. (2008). A novel diffractive micro-optical modulator for mobile display applications. Proceedings of SPIE: MOEMS and Miniaturized Systems VII (11 p.)
14. Verheggen, J. P., Khan-Raja, W., & Castracane, J. (2007). Optimization of diffractive MEMS for optical switching. J. of ExperimentalNanoscience, 2(2), 87-100.
15. Verheggen, J. P., Panaman, G., & Castracane, J. (2006). Characterization and Fabrication of MOEMS-based Diffractive Optical Switching Elements. Proceedings of SPIE: MOEMS Display, Imaging, and Miniaturized Microsystems IV (pp. 139-147).
16. Zamkotsian, F., Timotijevic, B., Lockhart, R., & Stanley, R. P. (2012). Optical characterization of fully programmable MEMS diffraction gratings. Optics Express, 20(23), 25267-25274.
17. Zamkotsian, F., Lanzoni, P., Viard, T., & Buisset, C. (2009). New astronomical instrument using MOEMS-based programmable diffraction gratings. Proceedings of SPIE: Vol. 7208 (12 p.).
18. Viard, T., Buisset, C., Rejeaunier, X., Zamkotsian, F., & Venancio, L. M. G. (2008). Programmable spectrometer using MOEMS devices for space applications. Proceedings of SPIE: Vol. 7010 (10 p.).
19. Suresh, V. G., DasGupta, N., Bhattacharya, S. (2012). Tunable MEMS diffraction gratings. Proceedings of SPIE: 16th International Workshop on Physics of Semiconductor Devices (6 p.).
20. Chesnokov, V. V., & Chesnokov, D. V. (2000). Information possibilities of the dynamic micromechanical devices. VestnikSGGA [Vestnik SSGA], 5, 113-116 [in Russian].
21. Nikulin, D. M., Chesnokov, V. V., & Chesnokov, D. V. (2009). Micromechanical Optical Spectral Devices with Electrostatic Control. In Proceedings of International School and Seminar on Modern Problems of Nanoelectronics, Micro- and Nanosystem Technologies INTERNANO'2009 (pp. 116-118). Russia, Novosibirsk: NSTU.
22. Bujari, S. S. (2012). A survey on simulation of MEMS optical switch for WDM applications. World Journal of Science and Technology, 2(10), 39-43.
23. Megens, M., Yoo, B.W., Chan, T., Yang, W., & Sun, T. (2014). High-speed 32x32 MEMS optical phased array. Proc. of SPIE. Proceedings of SPIE: Vol. 8977 (7 p.).
24. Belkin, A. M., Kostsov, E. G., & Sobolev, V. S. (2012). Numerical diffraction efficiency modeling of the stair-step MEMS gratings. In Doklady IV vserossiyskoy konferentsii:
Fundamentalnie osnovi MEMS i nanotehnologiy [Proceedings of IV Russian conference: Fundamental MEMS andNanotechnologies.], No. 4, 75-80 [in Russian].
25. Nagibina, I. M. (1974). Interferentsiya i difraktsiya sveta [Interferention and diffraction of light]. Moscow.: Mashinostroenie [in Russian].
26. Apte, R. (1994). Grating light valves for high resolution displays. Candidate's thesis. Stanford University Press.
27. Choi, B., & Lovell, E. G. (1997). Improved analysis of microbeams under mechanical and electrostatic loads. J. Micromech. Microeng, 7, 24-29.
Received 07.10.2016
© I. V. Knyazev, 2017
