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一、引言：MEMS光開關(guān)在高端領(lǐng)域的應(yīng)用需求

隨著光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，光開關(guān)作為實(shí)現(xiàn)光路動(dòng)態(tài)重構(gòu)的核心器件，在光纖通信、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)自動(dòng)化以及航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。其中，MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）光開關(guān)因其響應(yīng)速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

然而，在航空航天、軍事裝備等極端環(huán)境下，光開關(guān)不僅要具備良好的光學(xué)性能，還需承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊和復(fù)雜振動(dòng)。因此，評(píng)估其在宇航級(jí)沖擊振動(dòng)條件下的穩(wěn)定性和可靠性，是衡量其是否適用于高可靠性場(chǎng)景的關(guān)鍵指標(biāo)。

基于《MEMS光開關(guān)抗宇航級(jí)沖擊振動(dòng)能力》研究成果，結(jié)合廣西科毅光通信科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“科毅光”）在光通信器件領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，深入分析MEMS光開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等內(nèi)容，并探討其在高端應(yīng)用場(chǎng)景中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

二、MEMS光開關(guān)的基本原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. MEMS光開關(guān)的工作原理

MEMS光開關(guān)利用微型可動(dòng)鏡面控制光信號(hào)的傳輸路徑。通過靜電驅(qū)動(dòng)或其他方式使微鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而將輸入光束引導(dǎo)至不同的輸出端口，實(shí)現(xiàn)光路切換功能。其典型結(jié)構(gòu)包括：

l  光纖準(zhǔn)直器陣列；

l  可控微鏡片；

l  TO封裝外殼；

l  驅(qū)動(dòng)電路模塊。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高其在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性，科毅光采用對(duì)稱扭臂梁結(jié)構(gòu)作為微鏡支撐系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

l  對(duì)稱性設(shè)計(jì)可有效減少因不對(duì)稱應(yīng)力造成的形變；

l  扭臂梁材料選用單晶硅，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和疲勞壽命；

l  微鏡表面鍍有高反射率涂層，提升光學(xué)效率。

圖1：MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

三、抗沖擊振動(dòng)能力的仿真分析

1. 沖擊載荷建模

為了模擬宇航環(huán)境中可能遇到的沖擊條件，研究團(tuán)隊(duì)采用了ANSYS有限元仿真軟件，建立了MEMS光開關(guān)的三維力學(xué)模型。設(shè)定的沖擊參數(shù)如下：

l  沖擊加速度：1000G；

l  持續(xù)時(shí)間：0.5ms；

l  方向：垂直作用于微鏡平面。

2. 應(yīng)力與形變分析

仿真結(jié)果顯示，在1000G沖擊作用下，MEMS光開關(guān)的主要受力集中在扭臂梁部位，最大應(yīng)力值為418.99MPa，遠(yuǎn)低于單晶硅材料的斷裂極限（約7000MPa）。同時(shí)，最大形變量?jī)H為38.7μm，未造成結(jié)構(gòu)性破壞。

圖2：力學(xué)分析模型圖

圖3：沖擊仿真模型圖

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能測(cè)試

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)際沖擊與振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試條件如下：

l  沖擊等級(jí)：1000G；

l  隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍：10Hz~2000Hz；

l  測(cè)試樣本數(shù)量：10個(gè)；

l  環(huán)境溫度：常溫?zé)o減震保護(hù)。

2. 性能變化對(duì)比

通過對(duì)沖擊前后樣品的插入損耗進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其變化量小于0.05dB，符合MIL-STD-810G標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，在連續(xù)10次沖擊后，器件仍能保持正常工作狀態(tài)，未出現(xiàn)功能失效或顯著性能下降。

圖4：沖擊仿真結(jié)果圖

圖5：試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)圖

圖5：插損對(duì)比圖

五、廣西科毅光通信科技有限公司的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

作為一家專注于光通信技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)，廣西科毅光通信科技有限公司始終致力于推動(dòng)MEMS光開關(guān)、磁光開關(guān)等核心光器件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1. 技術(shù)研發(fā)實(shí)力

l  擁有一支由博士、碩士組成的專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)；

l  自主掌握MEMS微鏡加工、封裝測(cè)試、驅(qū)動(dòng)控制等多項(xiàng)核心技術(shù)；

l  與航天科研機(jī)構(gòu)合作，開展宇航級(jí)器件的聯(lián)合攻關(guān)。

2. 產(chǎn)品系列齊全

公司提供從1×1到1×16等多種規(guī)格的MEMS光開關(guān)產(chǎn)品，滿足不同客戶的需求。所有產(chǎn)品均通過嚴(yán)格的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，確保在高溫、低溫、高濕、振動(dòng)等復(fù)雜條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 行業(yè)應(yīng)用廣泛

l  航空航天：用于衛(wèi)星通信、遙測(cè)遙控系統(tǒng)；

l  軍工電子：應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、無人飛行器；

l  數(shù)據(jù)中心：支持高速光網(wǎng)絡(luò)的靈活配置；

l  工業(yè)激光：實(shí)現(xiàn)激光能量的精確切換與管理。

MEMS光開關(guān)憑借其優(yōu)良的光學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，已成為未來高端光通信系統(tǒng)的重要組成部分。特別是在航空航天、軍工等對(duì)器件可靠性要求極高的領(lǐng)域，其抗沖擊振動(dòng)能力顯得尤為重要。

廣西科毅光通信科技有限公司將持續(xù)加大研發(fā)投入，優(yōu)化產(chǎn)品性能，推出更多適應(yīng)極端環(huán)境的光通信解決方案，助力中國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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