Appunti per Scuola e Università
Umanistiche
Appunti e tesine di tutte le materie per gli studenti delle scuole medie riguardanti le materie umanistiche: dall'italiano alla storia riguardanti le materie umanistiche: dall'italiano alla storia 
Scientifiche
Appunti, analisi, compresione per le scuole medie suddivisi per materie scientifiche, per ognuna troverai appunti, dispense, esercitazioni, tesi e riassunti in download.
Tecniche
Gli appunti, le tesine e riassunti di tecnica amministrativa, ingegneria tecnico, costruzione. Tutti gli appunti di AppuntiMania.com gratis!
Appunti
umanistiche
Bambini Comunicazione Comunicazioni Ecologia ambiente Educazione pedagogia
Etica moralita Francese Gioco Grammatica Inglese
Latino Letteratura italiano Personalita Portoghese Risorse umane
Sociologia Spagnolo Storia Tedesco


AppuntiMania.com » Umanistiche » Appunti di Comunicazioni » Commutatori ottici per le telecomunicazioni

Commutatori ottici per le telecomunicazioni




Visite: 601Gradito: [ Grande appunti ]
Leggi anche appunti:

Il wi-fi


IL WI-FI WI-FI è l’abbreviazione di Wireless Fidelity, e il nome commerciale

Commutatori ottici per le telecomunicazioni


Commutatori ottici per le telecomunicazioni La celere e crescente

Fonografo


Fonografo Il Fonografo è un dispositivo meccanico in cui un cilindro (disco)



Scarica gratis Commutatori ottici per le telecomunicazioni

Commutatori ottici per le telecomunicazioni



La celere e crescente diffusione nelle telcomunicazioni della fibra ottica, quale canale di trasmissione delle informazioni, ha reso necessario un  altrettanto  rapido  sviluppo  di  una  tecnologia  adeguata,  che permettesse di gestire quantità elevate di dati nel minor tempo possibile. Particolarmente critica, in questo senso, è la fase della commutazione, ossia dellindirizzamento dellinformazione, proveniente da uno dei canali di ingresso, sul canale di uscita desiderato. L’esigenza di velocizzare e semplificare tale processo di orientamento del messaggio ha imposto di soppiantare la tecnica della commutazione opaca con quella della commutazione definita trasparente. Nel primo caso l’informazione, viaggiante nel dominio ottico, viene tradotta in segnale elettrico, elaborata secondo le esigenze e trasformata nuovamente in segnale ottico. Questa duplice conversione rallenta enormemente la trasmissione e risulta essere molto dispendiosa. Occorre, dunque, optare per l’altro tipo di commutazione,  quella  trasparente,  tramite  la  quale  il  segnale  viene pilotato direttamente nel dominio ottico. La realizzazione di siffatto indirizzamento rende ovviamente necessario limpiego di dispositivi specifici, ossia i commutatori ottici.

Sono stati progettati e  studiati vari tipi di commutatori (switches)

ottici, ciascuno dei quali impiega una tecnologia differente; si parla di

 dispositivi che sfruttano effetti termo–ottici;

 dispositivi di tipo elettro-ottico;

 dispositivi che sfruttano fenomeni di non linearità ottica;

 dispositivi  di  tipo  elettro-meccanico  (MOEMS  =  Micro  Opto-

Electro-Mechanical System).

In questa tesi ci soffermeremo sull’analisi di questi ultimi.


Realizzare un commutatore tra fibre ottiche significa, in pratica, costruire un dispositivo che permetta di orientare un segnale ottico, in arrivo su uno fra N ingressi, verso l’uscita desiderata, una fra M possibili. Ovviamente sono richieste anche delle opportune specifiche, sulla base del compito che tale dispositivo deve svolgere. Le esigenze da soddisfare sono fondamentalmente le seguenti:

o banda spettrale ampia ( >100nm );

o perdite di inserzione contenute ( <1dB ); o effetti di polarizzazione ridotti ( <0.5dB ); o crosstalk basso ;

o velocità di commutazione <50ms ;

o affidabilità alta ( 20 anni di vita attiva);

o dimensioni ridotte (minori di1cm3 );

o consumo di potenza limitato ( <10mW );

o costi molto bassi;

o scalabilità (ossia possibilità di aumentare le porte di ingresso e di uscita) agevole e idealmente illimitata.

Introduciamo ora (in breve) i sistemi MEMS e i commutatori a microspecchi con le architetture di implementazione per essi possibili. Prenderemo in considerazione, poi, diversi metodi di attuazione dei microspecchi e riporteremo vari esempi per alcuni di essi: ovviamente il tipo di pilotaggio è solo uno tra i possibili parametri per realizzare una divisione   in   categorie   dei   commutatori   a   microspecchi.   La   nostra attenzione si soffermerà soprattutto sull’attuazione elettrostatica, in quanto è quella impiegata nel dispositivo da noi realizzato, di cui parleremo nel capitolo 2 di questa tesi; per lo stesso motivo presenteremo nel dettaglio un particolare specchio, avente una struttura a veneziana. Concluderemo aprendo una breve parentesi sui commutatori in guida d’onda.


1.1  Introdu z ione ai sistemi MEMS

I  sistemi  MEMS  (MOEMS  per  indicare  l’applicazione  in  campo ottico) costituiscono un’importante area di ricerca, largamente affermatasi negli  ultimi  vent’anni,  in  virtù  dei  progressi  effettuati  dalla  ricerca  nel campo della litografia e della microlavorazione del silicio. I dispositivi opto- elettro-meccanici  tradizionali,  cioè  macroscopici  (ad  esempio  specchi mobili e lenti), consentono un’agevole manipolazione dei segnali ottici e garantiscono un’ottima resa, ma le dimensioni, i costi e la non elevata affidabilità delle parti meccaniche ne impediscono l’impiego su larga scala nell’ambito delle telecomunicazioni ottiche. Diversamente, i sistemi micro- elettro-meccanici, oltre a offrire le ottime prestazioni dei corrispettivi macroscopici, sono molto più piccoli, veloci ed economici. Simili carattesistiche hanno reso la tecnologia MEMS particolarmente indicata per  conseguire  i  risultati  richiesti  nell’ambito  dellindirizzamento  del segnale  ottico.  Per  di  più  i  commutatori  basati  su  sistemi  MEMS rispondono in maniera soddisfacente a molte delle specifiche richieste – come visto in precedenza ai dispositivi di questo tipo. Essi, infatti, sono molto affidabili, nonché facilmente scalabili fino ad un numero elevato di ingressi  e  di  uscite;  manifestano  basse  perdite  di  inserzione  e  basso cross-talk;  sono  indipendenti  dalla  lunghezza  donda  e  dalla polarizzazione; presentano un consumo di potenza contenuto e costi non elevati. Infine, i MEMS devono il loro largo impiego nei sistemi opto- elettronici alla semplicità con la quale sono integrabili: strutture mobili, microattuatori, microposizionatori ed elementi micro-ottici possono essere facilmente realizzati sul medesimo substrato. Un limite manifestato da tali sistemi, però, è il fatto che la loro velocità di commutazione è limitata dalla risonanza meccanica delle strutture di cui sono composti.

I dispositivi MEMS sono spesso realizzati in silicio, semiconduttore dalle eccellenti proprietà elettriche, ricorrendo alle più moderne tecniche di microlavorazione. Esse sono scindibili in due rami: la tecnologia del bulk micromachining (microlavorazione di volume) e la tecnologia del surface micromachining (microlavorazione di superficie). La prima consente di


realizzare facilmente strutture tridimensionali sospese per erosione selettiva del substrato, ottenuta tramite attacchi chimici isotropi (cioè che procedono indistintamente in tutte le direzioni) o anisotropi (che agiscono invece in maniera diversa a seconda del piano cristallografico di orientazione del substrato di silicio in questione), wet o dry (ossia in presenza o meno di soluzioni acquose). Questa tecnologia è molto semplice da applicare ma risulta essere poco versatile. Al contrario, la microlavorazione di superficie si presta alla realizzazione di strutture sospese molto complesse, affidandosi alla sovrapposizione alternata di strati strutturali, che costituiscono l’oggetto che si desidera ottenere a fine processo, e strati sacrificali, che, come indica lo stesso nome, sono destinati ad essere eliminati chimicamente o fisicamente per liberare la struttura. E’ evidente che questa seconda tecnologia consente più libertà nella progettazione del dispositivo, però limita il rilievo che le strutture sospese realizzate possono avere rispetto al piano del substrato (lo spessore dello strato sacrificale è tipicamente dellordine di qualche micrometro).

Per ovviare ai condizionamenti imposti dai processi realizzativi (che si tratti di microlavorazione superficiale o volumetrica), si è pensato di ottenere dispositivi tridimensionali tramite il sollevamento, rispetto al piano del substrato, di strutture originariamente adiacenti su esso. Al fine di chiarire questo concetto, facciamo un excursus per presentare la tecnica dell’autoassemblaggio.

Generalmente  il  movimento  fuori  dal  piano  base  è  ottenuto  per mezzo di rotazioni di parti mobili intorno a dei cardini [2], o attraverso il piegamento  di  sottili  strisce  di  polisilicio  [3]  [4].  Questi  movimenti (rotazione e piegamento) possono essere compiuti tramite azione esterna con l’ausilio di microsonde o, addirittura, microrobots [3]. E’ però preferibile evitare l’intervento esterno, in quanto espone il dispositivo ad elevati rischi di danneggiamento. Di conseguenza, si è studiato il modo di realizzare un auto-assemblaggio delle strutture (self-assembly), basandosi sulle caratteristiche chimico-fisiche proprie dei materiali o risultanti dai processi impiegati. Ad esempio, si può ottenere il piegamento verso l’alto di una


struttura  tramite  ossidazioni  elettrochimiche  [5],  sfruttando  la  forza  di

Lorenz [6] o effetti di contrazione polimerica [7].

Uno dei sistemi più efficienti per l’auto-assemblaggio è, però, quello che realizza la flessione di microtravi (o il piegamento intorno a dei cardini, se esse sono composte da più elementi) per mezzo di attuatori in silicio: micromotori [8] [9], sistemi comb drive [10] [11] o attuatori scratch drive (SDA) [12] [13]. Essi possono essere integrati nel wafer di silicio insieme al dispositivo, pertanto la loro azione non comporta l’intervento di corpi estranei. Le caratteristiche richieste agli attuatori, affinché essi realizzino il sollevamento delle microstrutture a cui siamo interessati – sono:  la  produzione  di  una  forza  dell’ordine  di  pochi   uN   e  uno spostamento di poche decine di urn [14]. Akiyama, Fujita et al. hanno dimostrato che gli attuatori scratch drive sono in grado di fornire una forza

di oltre 100uN [13] e consentire movimenti di oltre 500urn [12]; inoltre il

loro spostamento può essere controllato modificando il numero di impulsi elettrici applicati e la velocità è regolabile tramite la frequenza dellimpulso stesso [12].

La  figura  1.1  illustra  schematicamente  la  forma  di  un  SDA  e  la tecnica tramite la quale esso si muove, quando un segnale elettrico ad onda quadra è applicato tra la lastra sospesa e il substrato. La struttura essenziale che genera il movimento è  costituita,  per  l’appunto, da  un piatto di polisilicio avente uno zoccolo lungo un lato: quest’ultimo è una protuberanza realizzata sulla superficie interna della lastra. In fig.1.1(b) è rappresentata la sezione dell’attuatore quando ad essa non è applicata alcuna forza elettrostatica. All’arrivo dellimpulso positivo, il piatto si schiaccia contro il substrato; ma non tutta la sua area può aderirvi, a causa della presenza dello zoccolo nella parte anteriore, cosicchè esso si incurva (fig.1.1(c)). In questa fase la struttura immagazzina, temporaneamente,  energia  elastica.  Alla  caduta  dellimpulso  (cioè  sul fronte di discesa), tale energia viene rilasciata e il piatto comincia a riacquisire la forma originaria. Ovviamente la regione di adesione tra la lastra e il substrato diminuisce sensibilmente e la struttura appare molto meno deformata (fig.1.1(d)). Durante tale fase di rilassamento la parte posteriore del piatto avanza, in quanto lo zoccolo (che nella deformazione


si è spinto in avanti) resta in contatto con l’isolante. All’arrivo dell’impulso successivo,   la   lastra   viene   nuovamente   schiacciata   sul   substrato (fig.1.1(e)) e tutto si ripete come scritto.

Figura 1.1  (a) Schema della struttura di un SDA. (b)-(e) Modello del movimento passo-passo del SDA quando è ad esso applicata un'onda quadra.

L’auto-assemblaggio tramite attuatori viene realizzato in due passi: prima  di  tutto  si  curva  la  trave  di  polisilicio,  cosicché  la  struttura  di interesse esca dal piano del substrato, di seguito viene realizzato il bloccaggio  della  trave  così  deformata,  tramite  un  processo  di riscaldamento o mediante un fermo meccanico. Nella figura 1.2 è possibile vedere lo schema di un esempio di self-assembly [15].


Figura 1.2 Schema di una struttura in polisilicio che effettua

autoassemblaggio

La  struttura,  realizzata  tramite  surface  micromachining,  è inizialmente piana, inserita all’interno di uno strato strutturale di polisilicio (fig.1.2(a)). La parte mobile, costituita da uno specchio rotante, è agganciata tramite piccolissimi supporti flessibili a due travi; queste terminano sui due lati con gruppi di SDA. La struttura complessiva è connessa al substrato grazie a due molle montate tra ogni complesso di attuatori e la corrispettiva piazzola di contatto. Applicando un segnale elettrico impulsivo, i gruppi di SDA si muovono a due a due gli uni verso gli altri, producendo la curvatura delle travi e, quindi, sollevando la parte mobile rispetto al piano dell’isolante (fig.1.2(b)). Per mantenere fissa la struttura tridimensionale così ottenuta si utilizza un meccanismo di bloccaggio attraverso ancore meccaniche saldate al substrato.

1.2   Introdu z ione  ai  commutatori  ottici  a microspecchi

Come si è detto in precedenza, la tecnologia MEMS ha trovato un larghissimo impiego nella progettazione e realizzazione di commutatori ottici. Tra gli switch che fanno uso di MEMS, i più semplici hanno – ovviamente - una struttura 1x2, cioè presentano un solo canale di ingresso e   due   di   uscita.   E’   però   evidente   che,   per   produrre   sistemi   di


commutazione che abbiano utilità pratica, è necessario realizzare strutture con un numero molto più elevato di interconnessioni: a tal fine sono state proposte varie soluzioni, ma quelle che si sono dimostrate più efficaci si basano sull’uso di microspecchi in silicio. Questi ultimi, infatti, dato un fascio ottico incidente, permettono di orientarlo piuttosto rapidamente su un vasto intervallo di angoli di deflessione.

1.2.1 Architetture    dei    commutatori     ottici

OXC in tecnologia MEMS

I commutatori ottici detti OXC (Optical Cross Connect) basati sulla tecnologia MEMS sono tipicamente switch in spazio libero (essi hanno il vantaggio di minimizzare le perdite di propagazione e quelle dipendenti dalla polarizzazione, associate all’uso di guide donda). Essi possono essere implementati tramite due tipi di architetture:

            bidimensionale (2-D) o architettura digitale;

            tridimensionale (3-D) o a pilotaggio di fascio.

Fibre d'ingresso

Fibre d'uscita

Figura 1.1 Commutatore ottico OXC ad architettura digitale

Il nucleo di ambedue le strutture è un’intelaiatura di switch OXC

N×N , realizzata con  tecnologia MEMS a microspecchi. Nella soluzione


digitale (fig.1.3) si ha una matrice planare di


N2   elementi, ciascuno dei


quali può posizionarsi solo in due stati diversi, così da bloccare o far passare  il  segnale  ottico  incidente.  Tale  architettura  è  detta bidimensionale perché gli specchi e i tragitti coperti dai segnali sono tutti collocati su un solo piano. Gli OXC a pilotaggio di fascio sono invece realizzati tramite gruppi di  N×N  microspecchi, ad una o due dimensioni (v. par.1.2.2.1), che indirizzano il fascio incidente verso l’uscita desiderata.

Il numero di specchi richiesti per costruire un commutatore   con questo


tipo di architettura si riduce a 2N , contro gli


N2   del caso precedente. Ciò


è reso possibile dal fatto che ciascuno specchio, anziché due, ha ben N

stati di indirizzamento possibili. Chiaramente nello switch in architettura a

N2    la complessità del sistema non aumenta al crescere di  N , in virtù

dell’accoppiamento diretto che si ha tra ingressi e uscite; di contro, aumentano rapidamente dimensione e costo. Per di più non si può superare la dimensione di circa  32×32 , altrimenti le perdite dovute alla diffrazione riducono troppo la resa. I sistemi OXC a pilotaggio di fascio possono invece essere portati fino ad ampiezze dell’ordine di 100x100 in una dimensione e 1000x1000 in due.

Fibre d'ingresso

Fibre d'uscita

Figura 1.2 Commutatore ottico OXC ad architettura a pilotaggio di fascio



Nell’architettura di commutazione a pilotaggio di fascio, il segnale ottico proveniente da ciascuna porta d’ingresso è scalato tramite elementi


ottici come lenti bulk o microlenti e orientato tramite una matrice di specchi microlavorati, prima di essere indirizzato verso l’opportuna porta di uscita.

Tale sistema di commutazione è chiaramente illustrato nella figura.1.4. Ciascun elemento della matrice ha N stati possibili di indirizzamento, cosicché può dirigere il fascio ottico incidente proveniente dall’ingresso in uno degli  N  canali di uscita, con minimi effetti di cross- talk. In pratica, come già affermato, questi sistemi di commutazione realizzano la connessione incrociata tra  N  ingressi ed  N  uscite tramite

2N elementi. Più precisamente, il commutatore si compone di due banchi

paralleli di microspecchi. Il fascio incidente colpisce uno degli specchi del banco dingresso. Ciascuno di essi è attuato elettricamente in modo da assumere una delle configurazioni angolari possibili, così da direzionare il segnale ricevuto verso lo specchio opportuno nel banco di uscita.

Porte d'ingresso

Porte d'uscita

Figura 1.3 Architettura di uno switch WDM

Una caratteristica significativa del modello di switch ora presentato è che esso è particolarmente adatto per le applicazioni nel campo della modulazione WDM (Wavelength Division Multiplexing) e DWDM (Dense WDM),   in   quanto   permette   di   scalare   il   segnale   dingresso   sia spazialmente che secondo le lunghezze d’onda. Un esempio di questo tipo di applicazione è osservabile nella figura 1.5. Un demultiplexer separa spazialmente i fasci ottici incidenti come funzioni della loro lunghezza d’onda, poi ciascuno di questi sotto-fasci di ingresso passa attraverso un commutatore   realizzato   in   tecnologia   a   pilotaggio   di   fascio.   Tale


commutatore è costituito da varie matrici  N×N  di specchi, una per ogni lunghezza d’onda che il sistema è in grado di discernere, che orienta il proprio sotto-fascio verso l’uscita desiderata. I fasci in uscita provenienti da ciascuna delle matrici possono essere combinati con un multiplexer, prima di essere riversati sull’opportuna fibra ottica d’uscita.

1.2.2 Metodi di attuazione

I microspecchi utilizzati nei commutatori possono essere controllati, ossia pilotati, tramite vari tipi di attuazione.

Particolarmente adoperata è l’attuazione elettrostatica, la quale è basata sulla forza attrattiva che si genera tra due armature caricate in maniera opposta. La struttura di riferimento è rappresentata da uno specchio piano, collegato a massa, in parallelo al quale è posto un elettrodo; quando a quest’ultimo viene applicata una certa tensione si genera una forza tra le due superfici, che induce lo specchio (libero di ruotare intorno ad un proprio asse) ad inclinarsi verso l’elettrodo. Il grande vantaggio di questa tecnica è la ripetibilità, mentre le difficoltà sono date dalla non-linearità della relazione tra forza e tensione e dalla necessità di fornire elevate tensioni di pilotaggio.

Altrettanto diffuso è il ricorso all’attuazione magnetica, realizzata tramite l’attrazione che si genera tra due elettromagneti con polarità diverse.  In  un  dispositivo  che  usa  questa  tecnica,  il  microspecchio  si muove in alto o in basso, rispetto alla posizione di partenza, in accordo con  i  cambiamenti  imposti  al  campo  magnetico.  A  differenza dell’attuazione elettrostatica, questa richiede basse tensioni di pilotaggio; risulta però molto difficile schermare il dispositivo in questione da altri che eventualmente facciano uso di campi magnetici, si rischia quindi di influenzare il comportamento di componenti sui quali, invece, non si intende agire.

Nel caso dell’attuazione tramite scratch drive si ha uno specchio - libero di sollevarsi e ruotare - connesso ad un piano tramite aste e cardini, il quale può scorrere sulla superficie del substrato. La traslazione di tale


piano si traduce, per mezzo dei giunti, in una rotazione dello specchio. Questa  tecnica,  sebbene  molto  precisa,  non  è  ampiamente  adottata perché non è semplice realizzare strutture del tipo di quella illustrata.

Sono possibili anche altre tipologie di pilotaggio, come ad esempio l’attuazione elettrotermica, in cui si sfrutta la reazione dei materiali alle variazioni di temperatura.

In questa tesi l’attenzione sarà rivolta in particolare ai sistemi ad attuazione elettrostatica, pertanto ne presentiamo di seguito alcuni importanti esempi, rintracciabili in letteratura. A seguire si riportano, comunque, anche alcuni esempi relativi ad altri metodi di pilotaggio.

1.2.2.1         Dispos i tivi        ad        attuazione elettrostatica

I microspecchi inseriti nelle matrici dei commutatori ottici ad attuazione elettrostatica sono composti essenzialmente di una superficie riflettente (lo specchio propriamente detto) e due o più elettrodi di pilotaggio. La prima è rappresentata da una lastra piana di polisilicio o metallo, sostenuta da molle torsionali o flessionali, che le permettono il movimento; essa viene spesso cosparsa di oro al fine di aumentarne la riflettività. Tale lastra è sospesa ad una certa distanza (dell’ordine di qualche micrometro) da un substrato sul quale sono collocati gli elettrodi in polisilicio. La superficie riflettente viene collegata a massa, cosicché applicando una certa tensione ad uno o più elettrodi si induce lo specchio ad inclinarsi.

In  letteratura  è  possibile  trovare  numerosissimi  esempi  di commutatori  ottici  basati  su  microspecchi  attuati  elettrostaticamente,  i quali si differenziano per la tecnologia di realizzazione (bulk o surface micromachining), per la struttura e la forma dello specchio, per il tipo di molle utilizzate (flessionali, torsionali, a serpentina), nonché per altri parametri di progetto e per le specifiche.


I primi microspecchi inclinabili videro la luce nel 1987: inventati da D. Hornbeck, furono realizzati dalla Texas Instruments e impiegati per realizzare un dispositivo detto DMD (Digital Micromirror Device) [15].

Il DMD (v. fig.1.6) è una struttura composta da un array di commutatori a microspecchio che pilotano velocemente un fascio di luce proveniente  da  una  sorgente,  tramite  una  tecnica  di  modulazione  a

larghezza di impulso. Queste strutture funzionano solo in modalità binaria,


cioè on-off, ruotando di


+100


o -100


in accordo con la tensione applicata


agli elettrodi. I DMD non furono però impiegati come switch ottici, ma per la realizzazione di videoproiettori ad alta luminosità ed alta risoluzione, basati sulla tecnologia DLP (Digital Light Processing).

Figura 1.1 Struttura dei componenti del DMD [15].

Nelle commutazioni ottiche si può scegliere di ricorrere a microspecchi di tipo 1D o di tipo 2D. Essi hanno un analogo comportamento, però mentre i primi possono ruotare solo intorno ad un asse, i secondi possono farlo intorno a due. Ovviamente questo rende i microspecchi 2D estremamente versatili, ma essi presentano di contro maggiori difficoltà realizzative e di pilotaggio rispetto a quelli 1D.

Negli ultimi anni sono stati presentati numerosi modelli di specchi a due  gradi  di  libertà,  realizzati  tramite  tecnologia  di  bulk  o  di  surface


micromachining. Particolarmente noto è il Lambda Router della Lucent (v.fig.1.7) [17] [18]. Esso è costituito da una lastra riflettente rotonda sospesa all’interno di una struttura di sostegno, rappresentata da una corona circolare, tramite due molle torsionali. Tale anello è a sua volta inserito in una cornice esterna fissa e ad essa sospesa per mezzo di altre due molle torsionali, perpendicolari a quelle che sostengono la lastra centrale rispetto alla corona intermedia. Sotto lo specchio, a distanza di alcuni  urn  da esso, sono collocati quattro elettrodi distinti, isolati l’uno

dall’altro. La struttura sospesa è collegata meccanicamente al substrato e quindi posta a massa; la tensiona di controllo è invece applicata agli elettrodi. La presenza dell’anello sospeso e di due coppie di molle, posizionate perpendicolamente le une alle altre, consente la rotazione del

microspecchio in due dimensioni.


Molla


Cornice fissa



Anello interno


Cornice fissa



Elettrodi


Braccio di assemblaggio


Parete laterale

di appoggio


Braccio di assemblaggio


Fessure per l'incastro


Estremità a coda di rondine

Parete laterale

di appoggio


Figura 1.2 Specchio Lambda Router della Lucent [16] [17].

Supponiamo che le molle tra lastra riflettente ed anello (cioè quelle interne) siano allineate lungo l’asse x, mentre quelle tra anello e cornice (cioè quelle esterne) lungo lasse y. Se si applica una differenza di potenziale tra la lastra dello specchio e i due elettrodi sottostanti collocati su un lato dell’asse x, un momento elettrostatico agisce sullo specchio, inducendolo a ruotare intorno a tale asse e producendo una deformazione delle molle interne. Tale deformazione a sua volta genera un momento meccanico che va a bilanciare il momento elettrostatico. Idealmente, l’anello intermedio e le molle esterne non mutano posizione durante il processo descritto. Se invece applichiamo una tensione agli elettrodi su


un lato dell’asse y, sia l’anello che la lastra riflettente ruotano intorno al suddetto asse, in virtù delle molle esterne, che subiscono una deformazione. Anche qui si crea un equilibrio tra il momento elettrostatico e quello meccanico. In conclusione, pilotando opportunamente le tensioni applicate ai vari elettrodi, è possibile (almeno idealmente) far ruotare il microspecchio intorno ad ogni asse collocato sul piano x-y.

Il dispositivo della Lucent è realizzato tramite surface micromachining e, per aumentare la distanza tra gli elettrodi e lo specchio al fine di consentire a quest’ultimo angoli di rotazione maggiori (prima di incorrere nel fenomeno del pull-in, cioè il collasso dello specchio sugli elettrodi sottostanti), impiegava la tecnica dell’autoassemblaggio (descritta in precedenza). In pratica viene sfruttato il gradiente di stress residuo di alcuni cantilever che, durante la fase di liberazione delle strutture mobili, si incurvano verso l’alto, sollevando lo specchio ad essi agganciato e fissandolo ad una distanza di decine di micron dal substrato.

Soluzioni successive, invece, hanno optato per la coniugazione della tecnologia surface con quella bulk, cercando di sfuttare i vantaggi di entrambe e aggirare le limitazioni da ciascuna imposte. E’ il caso, ad esempio,   del   microspecchio   presentato   da   T.D.Kudrle,   C.C.Wang,

M.G.Bancu et al.[19].

Figura 1.3 Sezione del singolo microspecchio

La struttura consiste di una sottile lastra riflettente deposta su una spessa piattaforma di silicio, microlavorato tramite la tecnologia di bulk micromachining. Lo specchio è bidimensionale come il Lambda Router: l’anello esterno è un quadrato con vertici smussati (a formare un ottagono) e la lastra sospesa al suo interno è ellittica. Tale forma è stata scelta per minimizzare il momento di inerzia e massimizzare il fattore di riempimento;


lo specchio ellittico appare circolare ad un fascio luminoso incidente lungo un angolo obliquo. In fig.1.8 è visibile lo schema della sezione del dispositivo,   mentre   la   fig.1.9   presenta   l’immagine   SEM   di   un

microspecchio attuato lungo i due assi (x e y).

Figura 1.4 Immagine SEM della matrice di specchi in cui uno è ruotato

di un ampio angolo sia rispetto all'asse x sia rispetto all'asse y

Unimportante virtù di questo modello è l’elevato raggio di curvatura dello specchio (ROC). E’ infatti desiderabile che la superficie riflettente sia quanto più piatta possibile, ciò corrisponde a dire che essa deve avere un ROC elevato (supponendo che lo specchio sia un tratto di cilindro la cui sezione ha tale raggio). E’ stata formulata un’equazione (l’equazione di Stoney) [20] secondo la quale il raggio di curvatura della superficie ottica è direttamente proporzionale al quadrato dello spessore della lastra stessa. E’ quindi vantaggioso realizzare la superficie riflettente (ossia lo specchio propriamente detto) su una piattaforma spessa parecchi micrometri di materiale di alta qualità e poco soggetto agli stress residui, come può essere il silicio monocristallino in configurazione SOI (silicon on insulator). Il dispositivo presentato da T.D.Kudrle, C.C.Wang, M.G.Bancu et al presenta un ROC superiore ai 100cm , nonché una notevole uniformità della  costante  torsionale  delle  molle  (nellambito  dell’array  di microspecchi), altra caratteristica di grande importanza in questo tipo di dispositivi.


Un parametro significativo per la valutazione delle molle è anche il rapporto tra la costante elastica verticale (relativa cioè all’abbassamento)

( K v ) e quella torsionale ( K t ):

R= K v .

K t

Figura 1.5 Molla torsionale a serpentina

Una trave lunga, dritta e sottile presenta un valore piuttosto basso di tale rapporto: ciò comporta una significativa deflessione verticale della struttura   sospesa,   che   riduce,   di   conseguenza,   lo   spazio   in   cui quest’ultima si può muovere. Ciò fa che lo specchio raggiunga il pull-in più presto, ossia per tensioni di pilotaggio minori: ovviamente tale situazione è tuttaltro che desiderabile. Un notevole guadagno da questo punto di vista, cioè un “irrigidimento” verticale, si può ottenere ripiegando la molla in una struttura a serpentina. E’ quanto è stato fatto nel modello che stiamo qui descrivendo (si fa comunque notare che specchi sorretti da molle a serpentina sono stati proposti anche da molti altri autori). In esso le molle presentano vari piegamenti da un lato e dallaltro rispetto ad una trave centrale: quella che regge la lastra riflettente (v.fig.1.10). Ne segue che la lunghezza totale della molla (se la si misura come se fosse distesa) è notevole, mentre quella della serpentina, coincidente con il lato lungo del singolo ripiegamento di molla, ammonta a soli 90urn . Queste serpentine


sono realizzate in silicio policristallino e il nuomero di avvolgimenti è stato ottimizzato per ottenere un vantaggioso rapporto tra le costanti elastiche verticale e torsionale (di cui si è riferito in precedenza); è stato anche rilevato che tale configurazione rende le molle molto più resistenti alle




fratture rispetto alle travi classiche.


Figura 1.6 Elettrodi rettangolari

sotto lo specchio e quadrati sotto  la cornice


Figura 1.7 Elettrodi triangolari sotto

lo specchio e quadrati sotto  la cornice


M.R.Dokmeci, A.Pareek, S. Bakshi et al. hanno invece indagato il diverso comportamento di uno specchio attuato elettrostaticamente a seconda della forma scelta per gli elettrodi [21]. Il dispositivo proposto consiste di uno strato monolitico di silicio monocristallino saldato anodicamente ad un substrato di vetro. Le strutture sono state definite in tale blocco tramite l’uso combinato di bulk e surface micromachining. Il ROC  dello  specchio  risulta  essere  non  inferiore  a  50cm .  La  lastra riflettente ha forma quadrata ed è sospesa tramite molle torsionali poste al centro di ciascun lato: essa può dunque ruotare intorno ai propri due assi centrali, secondo le tensioni di attuazione fornite agli elettrodi. Sono state esaminate, nella fattispecie, due diverse configurazioni di elettrodi: rettangolare e triangolare (come visibile nelle fig.1.11 e 1.12). Tra i risultati


dei vari test condotti dagli autori, risulta interessante in particolare quello relativo al fenomeno del pull-in: l’impiego di elettrodi triangolari appare

consentire un più ampio intervallo angolare di stabilità.

Figura 1.8 Schema del microspecchio torsionale con supporti                                                                                                    a

forma di U.

Un tentativo di ritardare meccanicamente il sopraggiungere del pull- in è stato effettuato da J.M.Huang, A.Q.Liu et al. [22]. Ricordiamo che nell’attuazione elettrostatica a piatti paralleli si ha l’abbassamento (o la rotazione) dell’armatura superiore in seguito all’instaurazione di un bilancio tra forza (o momento) elettrostatica e forza (o momento) meccanica. Se la prima supera la seconda il piatto mobile collassa violentemente su quello fisso. Nello studio di tale fenomeno all’interno dei dispositivi di nostro interesse occorre, ovviamente, tener conto dell’azione combinata dell’abbassamento e della rotazione dello specchio. Gli autori sopra citati hanno proposto un modello in cui il pull-in viene spostato (in termini di tensione applicata e angolo di rotazione) tramite dei supporti a forma di “U” (v.fig.1.13). Le molle che sostengono lo specchio, infatti, si abbassano in seguito all’attuazione elettrostatica (mentre la lastra riflettente ruota), fino a poggiarsi sui supporti, i quali in seguito oppongono resistenza ad un ulteriore abbassamento. Nel modello teorico ciò corrisponde a sostituire la forza e il momento elastico di richiamo utilizzati nel caso di molle libere


con nuove formule, che tengano in considerazione la presenza di questo

blocco: è come se venisse aumentata la rigidità flessionale delle molle.


Collimatore


Microspecchio incernierato


Collimatore



Cantilever di polisilicio curvato a causa dello stress

Ancoraggio


Collimatore


 
Attuazione elettrostatica

Collimatore


Strato di nitruto


Substrato di silicio



Collimatore

Ancoraggio


Microspecchio incernierato


Collimatore

Collimatore


Cantilever di polisilicio


Strato di nitruto


Collimatore


Substrato di silicio


Figura 1.9 Schema e immagine SEM del commutatore per fibre ottiche

realizzato da R.T.Chen [22].

Nonostante gli specchi bidimensionali presentino indubbi vantaggi perché molto versatili, prosegue parallelamente anche lo studio di quelli monodimensionali e delle loro applicazioni. Un sistema interessante per realizzare uno specchio di questo tipo è quello di sfruttare stress residui immagazzinati  da  materiali,  che  possono  così  modificare  forma stabilmente  ed  essere  poi  riportati  a  quella  che  avevano  in  principio tramite l’applicazione di campi elettrici (o magnetici). Un dispositivo di questo  tipo  è  stato  presentato,  alcuni  anni  fa,  da  R.T.Chen  [23]  e Dautartas: uno specchio verticale è fissato all’estremità di un cantilever d’oro, realizzato in modo tale da presentare un gradiente di stress lungo la propria estensione. Lasciato libero, il cantilever si incurva verso l’alto e può essere riabassato con un’attuazione elettrostatica. In questo modo lo specchio viene a muoversi verticalmente ed assumere due posizioni, che possiamo definire di OFF (o cross-state), in cui il segnale ottico trova strada libera e procede in linea retta, e di ON (o bar-state) in cui lo specchio taglia la traiettoria del fascio, riflettendolo e quindi deviandolo-


su un angolo di 45°. Nella fig.1.14 è visibile lo schema e l’immagine SEM

del commutatore per fibre ottiche realizzato da R.T.Chen.

Analogo è il meccanismo di funzionamento del dispositivo presentato in tempi più recenti da J.N.Kuo, G.B.Lee e W.F.Pan [24]. In questo caso la struttura incurvata per effetto di stress indotti è in polisilicio ricoperto d’oro e presenta due stati ON, anzicché uno solo come nel modello precedente. Il cantilever è fissato al substrato in corrispondenza di un terzo della sua lunghezza. Sotto di esso, ai due lati dell’ancoraggio, si estendono due elettrodi, di lunghezza differente, mentre lo specchio è posizionato all’estremità della struttura, sul lato piu lungo (nel nostro caso sia quello destro).

Figura 1.10 Schema del doppio switch: (a) stato OFF; (b) stato ON-destro; (c) stato ON-sinistro.

Nello stato OFF, ossia quando non viene applicata alcuna tensione agli elettrodi, i due estremi del cantilever sono rivolti verso l’alto. Tale curvatura è dovuta al fatto che gli stress residui immagazzinati dall’oro sono differenti rispetto a quelli nel polisilicio, per cui la struttura, lasciata


libera, modifica la propria configurazione fisica fino a trovare una condizione di stabilità (che è, per l’appunto, la curvatura verso l’alto). I fasci  incidenti  sono  due  ed  entrambi  trovano  via  libera  in  quanto  lo specchio  si  colloca  in  posizione  intermedia.  Applicando,  invece, all’elettrodo destro una tensione tale da attirare verso il basso il cantilever, lo specchio viene ad intercettare il cammino del secondo fascio, che viene così riflesso: siamo nello stato ON-destro. Se al contrario si applica un’opportuna tensione allelettrodo sinistro, è l’altro estremo che scende, cosicchè lo specchio si trova a salire, fino ad intercettare il percorso ottico del primo fascio, che in tal modo viene a sua volta deflesso: questo è lo stato ON-sinistro.

La fig.1.15 mostra schematicamente la posizione del cantilever nei tre stati illustrati.

Il progetto prevede, ovviamente, blocchi meccanici che evitano che il cantilever, piegandosi verso il basso, entri in contatto diretto con gli elettrodi, collassando su essi.

Questo dispositivo può essere usato per realizzare commutatori OXC ad architettura digitale, in un array di N×N specchi, per indirizzare 2N segnali ottici in ingresso su 2N porte d’uscita.

1.2.2.1.1   Microspecchio torsionale con struttura a veneziana

Poiché linteresse di questa tesi è orientato ai microspecchi attuati elettrostaticamente, soffermiamoci su una questione che ci interesserà particolarmente nella presentazione del dispositivo da noi realizzato.

Si è detto che gli specchi realizzati tramite surface micromachining sono fortemente limitati nelle loro applicazioni dal fatto che essi possono ruotare di un angolo piuttosto contenuto, ciò a causa della scarsa distanza tra la superficie riflettente e il substrato. Se lo specchio ha dimensioni

2L×H×B , e la distanza tra esso e l’elettrodo sottostante è  d , l’angolo massimo di inclinazione che si può ottenere è dato dall’espessione:



θmax


= arcsin d ; d

L     L


(1.1)


(l’approssimazione è dovuta al fatto che si lavora con angoli molto piccoli, per i quali vale la relazione  arcsinθ L θ ). Per  valori ragionevoli,  quali


L=100urn e d=1.6urn , si viene ad avere

angolo massimo di rotazione molto esiguo.


Omax =O.Ol6rad=O.9l7° , cioè un


Per aggirare il problema sono state cercate varie soluzioni e, come si è visto in precedenza, alcuni autori hanno fatto ricorso a metodi di auto- assemblaggio per spostare lo specchio (dopo la realizzazione) ad un’altezza adeguata rispetto all’elettrodo. Tale tecnica comporta però problemi di riproducibilità; inoltre se si allontana troppo lo specchio dall’elettrodo si rendono necessarie delle forze di attrazione, e quindi delle tensioni di attuazione, troppo elevate.

Una soluzione alternativa può dunque essere quella che prevede la sostituzione del singolo microspecchio con un array di elementi più piccoli, in numero tale da far sì che la somma delle dimensioni di questi ultimi uguagli quella dello specchio originario; ovviamente i componenti di ciascun array sono in fase, in quanto lavorano insieme. Questa struttura, proprio a causa della sua composizione, prende il nome di specchio a veneziana (o anche optical phased array mirror) [25] [26]. Il vantaggio offerto da essa consiste nel fatto che - in virtù delle dimensioni ridotte - a parità di distanza dal substrato, il singolo microspecchio può raggiungere un angolo di curvatura molto maggiore di quello massimo permesso al dispositivo di partenza.

Se il braccio del momento della forza agente sul singolo elemento


dell’array è


L1 , mentre  il braccio del momento  di quella  agente  sullo


specchio grande è L2


(v. fig.1.26), si ha


L1 =N L2 , dove N è il numero di


componenti della veneziana [27]. Di conseguenza si ha che il massimo


angolo di deflessione raggiungibile da questi ultimi è


O2  L N O1 , ossia, più


2                                             1

 
precisamente, O   = tan-1 (N tanO  ).


Specchio singolo                       Singolo specchio dell'array

Figura 1.1 Dimensioni dello specchio singolo e di un componente dell'array usate per il confronto

1.2.2.2 Disposi t ivi            ad            attuazione elettromagnetica

Come quella elettrostatica, anche l’attuazione elettromagnetica è stata e continua ad essere ampiamente adoperata per la realizzazione di commutatori ottici a microspecchi; essa, peraltro, offre il vantaggio di poter ottenere momenti torcenti elevati con basse tensioni e correnti di alimentazione ed è caratterizzata dall’esistenza di una relazione lineare tra il momento stesso e la corrente. Anche in questo caso in letteratura sono presenti numerosi esempi di switch OXC e di specchi mono o bidimensionali.

C.H.Ji, Y.Yee, J.Choi et al. hanno presentato un commutatore ottico

2×2 realizzato in tecnologia MEMS che impiega un microspecchio elettromagnetico verticale e un elettromagnete (v.fig.1.16) [28].

L’elettromagnete è composto da una bobina avvolta intorno ad un nucleo magnetico permanente e inserita in un guscio circolare di ferro; l’intensità del campo al suo interno può essere accresciuta chiudendo il contenitore anche superiormente, tramite un coperchio anch’esso di ferro. Sullelettromagnete è collocato il substrato di silicio attraversato dalle fibre ottiche che costituiscono le porte di ingresso e di uscita (due per parte). In


un solco nel medesimo blocco è posto l’attuatore elettromagnetico; esso presenta su un’estremità il microspecchio verticale, dall’altra parte si collega al substrato tramite una molla torsionale. Tale attuatore è in grado di flettersi verso l’alto così da muovere lo specchio su e giù (l’angolo coperto, sufficiente a svolgere il compito designato, è di meno di 10° ): Se non viene applicata alcuna corrente all’elettromagnete, lo specchio resta nella posizione di partenza, cioè intercetta il fascio ottico e lo deflette (bar- state – fig.1.17), diversamente, l’attuatore si flette sollevando lo specchio, che quindi non interferisce più con la normale propagazione in linea retta



del segnale (cross-state – fig.1.18).

Figura 1.1 Schema di funzionamento dello switch ottico 2x2 a specchi ad

attuazione elettromagnetica

L’attuazione del microspecchio è possibile in virtù dellinterazione tra il materiale sensibile al campo magnetico di cui è realizzato l’estremo dell’attuatore e il campo magnetico verticale indotto dall’elettromagnete esterno. L’attuatore può essere curvato verso l’alto o il basso modificando la direzione della corrente d’ingresso nell’avvolgimento, vale a dire di conseguenza – la direzione del campo magnetico esterno. Nel dispositivo presentato l’attuatore deve solo sollevarsi; accade, però, che anche se non  si introduce corrente  nella  bobina,  per  effetto  del  flusso  nonnullo


concatenato al nucleo, resta un campo magnetico sufficiente a mantenere lo specchio sollevato: si interviene pertanto invertendo la direzione della corrente  nell’avvolgimento,  fino  al  raggiungimento  della  posizione  di partenza dell’attuatore.


Figura 1.2 Attuatore elettromagnetico nello stato iniziale


Figura 1.3 Attuatore elettromagnetico sottoposto a pilotaggio (cross-state)


L’elettromagnete posto dietro al dispositivo, però, a causa delle sue dimensioni  non  irrilevanti  (15mm   di  diametro  esterno  ×   6.5mm   di altezza), limitano significativamente la possibilità di scalare la struttura e impiegarla per applicazioni ad alta densità. Altri autori hanno pertanto cercato di elaborare modelli differenti che non facessero ricorso ad una siffatta configurazione.

J.J.Bernstein, W.P.Taylor, J.D.Brazzle et al. hanno realizzato un microspecchio bidimensionale (quindi più versatile di quello visto in precedenza), il cui sistema di attuazione elettromagnetica è adatto alla realizzazione di dispositivi composti da molti elementi di dimensioni ridotte [29] . Esso, peraltro, è in grado di coprire ampi angoli di deflessione pur sfruttando basse tensioni e correnti di pilotaggio.

Tale modello è basato sull’uso di un quadripolo magnetico, ossia una coppia di bobine ravvicinate, di cui una è avvolta in senso orario, l’altra in senso antiorario (v.fig.1.19). Quando la corrente passa attraverso il quadripolo  (in  un  gradiente  di  campo  magnetico)  viene  generata  una coppia di forze, che produce un momento torcente nella direzione desiderata.    Due    quadripoli    ortogonali    possono,    dunque,    essere


sovrapposti per realizzare un compatto ed efficiente attuatore in grado di generare ampi momenti torcenti. Un sistema di questo tipo richiede un campo  magnetico  che  cambi  rapidamente,  vale  a  dire  un  elevato gradiente  di  densità  di  flusso:  esso  deve  essere  sostenuto  da  un

elettromagnete esterno.


Figura 1.4 Quadripolo di pilotaggio

(intorno ad un singolo asse) costituito da due bobine avvolte una in senso orario e l’eltra in senso antiorario.


Figura 1.5 Array magnetico a scacchiera


Poiché, come si è visto per il modello proposto da C.H.Ji, Y.Yee, J.Choi et al., non è pratico usare delle bobine qualora si intenda realizzare un dispositivo composto da molti elementi, J.J.Bernstein, W.P.Taylor, J.D.Brazzle et al. hanno sperimentato una soluzione alternativa, cioè un array magnetico a scacchiera (v.fig.1.20), in cui l’alternanza di magneti orientati a nord o a sud genera un campo che cambia rapidamente (come desiderato).

Il microspecchio, che è bidimensionale, ha forma ottogonale e si compone (come in tutti i casi analoghi) di un elemento centrale, ossia la lastra riflettente, e una cornice intermedia. I collegamenti tra le varie componenti sono realizzate tramite molle torsionali, collocate agli angoli, cioè sui lati p corti dellottagono e della corona di uguale forma. Nelle


fig.1.21  e  1.22  è  possibile  vedere  come  appare  la  struttura  sul  lato frontale,  quello  dello  specchio,  e  sul  retro,  dove  sono  collocati  i  due

quadripoli sovrapposti.


Figura 1.6 Vista del lato superiore

dello specchio


Figura 1.7 Vista del lato posteriore

dello specchio


1.2.2.3                   Dispos i tivi                           ad               attuazione

elettrotermica

Il microspecchio ad attuazione elettrotermica proposto da A.Jain, H.Qu,  S.Todd  et  al.  [30],  prevede  un  movimento  bidirezionale,  ma presenta la particolarità di non ruotare intorno al suo asse centrale, bensì quello laterale (vedremo in che modo).

La lastra riflettente è connessa ad una cornice rigida di silicio tramite un gruppo di travi bimorfe, realizzate in diossido di silicio coperto da uno strato di alluminio. Un resistore in polisilicio è incassato nello strato di diossido e rappresenta il riscaldatore per l’attuazione elettrotermica. Tale set di travi pilota lo specchio vero e proprio, pertanto è detto attuatore dello specchio. Un analogo gruppo di molle bimorfe collega il substrato di silicio  alla  cornice  ed  attua  quest’ultima:  si  tratta  dell’attuatore  della


cornice. Le travi bimorfe, lasciate libere di modificare il proprio assetto fisico  dopo  la  realizzazione,  si  incurvano  verso  lalto  in  seguito  alla tensione elastica presente nello strato superiore di alluminio e allo stress compressivo  residuo  nello  strato  inferiore  di  diossido  di  silicio.  Tali strutture sono piuttosto sottili (questo rende semplice lincurvatura), mentre la lastra ottica e la cornice sono spesse e la loro rigidità e piattezza è garantita proprio dal fatto che sono realizzate su uno strato di silicio monocristallino spesso  40urn . La superficie dello specchio è coperta di

alluminio per aumentarne la riflettività.

Figura 1.1 Schema del microspecchio: (a) pianta; (b) sezione del tratto A-

A'; (c) sezione dell'intero dispositivo.

La configurazione base del dispositivo (ossia come si presenta immediatamente dopo lincurvatura e in assenza di attuazione) vede entrambi i gruppi di travi piegati verso l’alto, cosicché la cornice risulta inclinata rispetto al substrato di un certo angolo O   e lo specchio rispetto

alla cornice dello stesso angolo θ : ciò comporta che la lastra ottica risulti

parallela al piano del substrato, ma traslata in alto di una certa distanza


Zmir


(vedi fig.1.23(c)).

A   questo     punto    si    può    decidere     di   applicare     una     tensione


simultaneamente      ai    due    attuatori,    così    da    realizzare     un    sempice spostamento verticale (lo specchio resta parallelo al substrato), oppure


alternativamente all’uno o all’altro così da ruotare la lastra riflettente, facendogli coprire un vasto range di angoli. E’ evidente che, anche in questo caso, è stato realizzato uno specchio monodimensionale. I test compiuti sul dispositivo hanno dimostrato che, applicando la stessa tensione di pilotaggio ai due attuatori, si ottiene un angolo di rotazione maggiore dello specchio rispetto a quello della cornice: ciò è dovuto alla differente resistenza del polisilicio tra i due gruppi di travi e al fatto che la struttura   meccanica   della   cornice   fornisce   un   isolamento   termico aggiuntivo   all’attuatore   dello   specchio.   Ovviamente   occorre   tenere presente   questo   comportamento   del   dispositivo   per   effettuare   un pilotaggio corretto, così come anche che la resistenza del polisilicio dei due set di travi cresce all’aumentare della tensione applicata.

1.3  Commu tatori ottici in guida d’onda

I dispositivi visti finora prevedono che la commutazione tra i segnali ottici, tramite i microspecchi, avvenga nello spazio libero. E’ possibile però realizzare anche switch in guida d’onda, ossia tra guide d’onda incrociate: tale sistema offre il vantaggio di non dover ricorrere a lenti collimatrici poichè non si verifica la divergenza della luce che si ha, invece, nella propagazione in spazio libero. Inoltre le dimensioni delle guide d’onda, rispetto a quelle delle fibre ottiche, permettono l’impiego di specchi più piccoli (oltre alla diminuzione dello spazio occupato, ciò comporta anche che il tempo di commutazione risulti ridotto, in quanto specchi più piccoli compiono spostamenti più piccoli, a parità di risultato finale).

Parlando di commutatori ottici in guida d’onda si pensa generalmente a switch elettro-ottici [31] oppure termo-ottici [32]. I primi sono basati sulla variazione dell’indice di rifrazione del substrato in seguito al cambiamento della tensione applicata; essi garantiscono tempi di commutazione piuttosto brevi ma sono affetti da perdite di inserzione ed effetti di polarizzazione elevati. I secondi sfruttano la modifica dellindice di rifrazione  del  materiale  di  cui  è  fatta  la  guida  d’onda  a  causa  delle variazioni  di  temperatura;  essi  sono  poco  rapidi  nella  commutazione,


dissipano     molta     potenza      e     non     consentono      elevate     densità      di integrazione.

In tempi più recenti è stato ideato un altro tipo di switch ottico in guida d’onda, detto commutatore a bolla [33]. In tale dispositivo le guide sono riempite di un liquido il cui indice di rifrazione è noto; se esso è presente nel punto in cui i due canali si incrociano, il segnale ottico vede un percorso continuo e prosegue dritto attraverso la giunzione. Se invece in corrispondenza di quest’ultima è inserita una bolla, la traiettoria della luce risulta modificata, poiché lindice di rifrazione nella bolla è minore di quello del liquido. Ne segue che se le guide d’onda si incrociano formando un angolo superiore a quello critico per la riflessione interna totale (TIR), la bolla causa tale riflessione e il segnale ottico viene deviato dalla guida in cui viaggia a quella intersecante. La bolla può essere aggiunta dopo aver riempito le guide con il liquido e spostata per effetto termocapillare [34] [35], oppure può essere creata, quando necessario, direttamente in corrispondenza della giunzione, usando un dispositivo analogo alla testina per il getto di inchiostro [36]. Questo tipo di dispositivo presenta tempi di commutazione non particolarmente elevati ed è soggetto all’evaporazione

del liquido di riempimento.

Figura 1.1 Vista in sezione del dispositivo di R.Guerre, C.Hibert,

Y.Burri et al. [37]

Per ovviare ai limiti posti dalle tre categorie di commutatori ottici in guida d’onda qui descritti, è stato presentato un modello che si basa sull’impiego di  di microspecchi realizzati in tecnologia MEMS, i quali permettono  di  avere  maggiore  velocità  di  commutazione  degli  switch


termo-ottici e di quelli a bolla, nonc minore consumo di potenza e maggiore predisposizione allintegrazione rispetto agli switch elettro-ottici e termo-ottici. Il modello in questione, elaborato da R.Guerre, C.Hibert, Y.Burri et al. [37], è costituito da due piani sovrapposti. Il primo è un wafer in cui dei microspecchi verticali sono posizionati su piattaforme di silicio sospese, in grado di muoversi fuori dal piano del substrato; l’altro è il blocco in cui sono inserite le guide donda, nelle quali sono aperti dei solchi in corrispondenza delle intersezioni. Questo secondo wafer è collocato sotto-sopra su quello precedente, cosicché gli specchi verticali si

trovano in corrispondenza delle spaccature nelle guide d’onda (v.fig.1.24).

Figura 1.2 Immagine SEM della piattaforma su cui è collocato lo

specchio, retto da: (a) due travi su un lato; (b) quattro travi, due per lato.

I microspecchi, uno per ogni intersezione fra le  N×N  guide d’onda (le prime     N      ortogonali    alle    altre     N ),    sono    pilotati    ciascuno indipendentemente, tramite attuazione elettrostatica. In condizione base il segnale ottico prosegue il suo cammino retto nel canale in cui si trova a propagarsi; se invece si attua lo specchio, esso si solleva fino a inserirsi


nel tragitto della luce, deviandola nellaltra guida donda (quella posta a

900 ).L’attuazione   elettrostatica   si   realizza   applicando   una   tensione (tipicamente di 80V ) tra la base dello specchio, che costituisce le prima armatura, e la parte superiore del wafer delle guide, che presenta un contro-elettrodo. Gli autori hanno caratterizzato il dispositivo, secondo il suo comportamento elettromeccanico, per due diverse configurazioni delle strutture sospese: in un caso la piattaforma quadrata su cui si trova lo specchio è sostenuta solo da un lato, da due microtravi; nell’altro essa è invece retta da quattro travi, due per lato (v.fig.1.25).

Scarica gratis Commutatori ottici per le telecomunicazioni
Appunti su:







Accedi al tuo account
Scarica 100% gratis e Invia appunti, tesine, riassunti

Registrati ora Password dimenticata?
  • Appunti superiori
  • In questa sezione troverai sunti esame, dispense, appunti universitari, esercitazioni e tesi, suddivisi per le principali facoltà.
  • Università
  • Appunti, dispense, esercitazioni, riassunti direttamente dalla tua aula Universitaria
  • all'Informatica
  • Introduzione all'Informatica, Information and Comunication Tecnology, componenti del computer, software, hardware ...

Appunti Marketing Marketing
Tesine computer computer
Lezioni Diritto Diritto