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EMS光開關(guān)在宇航環(huán)境下的高抗沖擊與振動性能研究

2025-07-16

——廣西科毅光通信科技有限公司技術(shù)應(yīng)用解析


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)作為實現(xiàn)光路動態(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,成為近年來的研究熱點。

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。因此,評估其在宇航級沖擊振動條件下的穩(wěn)定性和可靠性,是衡量其是否適用于高可靠性場景的關(guān)鍵指標(biāo)。

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





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

1. MEMS光開關(guān)的工作原理

MEMS光開關(guān)利用微型可動鏡面控制光信號的傳輸路徑。通過靜電驅(qū)動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)動電路模塊。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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

l  對稱性設(shè)計可有效減少因不對稱應(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。


MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)圖,包含光纖準(zhǔn)直器、微鏡片及TO封裝外殼

圖1:MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖







三、抗沖擊振動能力的仿真分析

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,最大形變量僅為38.7μm,未造成結(jié)構(gòu)性破壞。

MEMS光開關(guān)扭臂梁結(jié)構(gòu)在1000G沖擊下的應(yīng)力分布仿真模型

圖2:力學(xué)分析模型圖


1000G沖擊下MEMS光開關(guān)的最大應(yīng)力云圖,顯示應(yīng)力集中區(qū)域

圖3:沖擊仿真模型圖







四、實驗驗證與性能測試

1. 實驗設(shè)置

為了進(jìn)一步驗證理論分析結(jié)果,研究團(tuán)隊進(jìn)行了實際沖擊與振動測試。測試條件如下:

l  沖擊等級:1000G;

l  隨機(jī)振動頻率范圍:10Hz~2000Hz;

l  測試樣本數(shù)量:10個;

l  環(huán)境溫度:常溫?zé)o減震保護(hù)。


2. 性能變化對比

通過對沖擊前后樣品的插入損耗進(jìn)行測量,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。

MEMS光開關(guān)在無減震環(huán)境下接受1000G沖擊測試沖擊仿真結(jié)果圖

圖4:沖擊仿真結(jié)果圖


MEMS光開關(guān)在無減震環(huán)境下接受1000G沖擊測試的實驗現(xiàn)場照片

圖5:試驗驗證現(xiàn)場圖



沖擊前后MEMS光開關(guān)插入損耗對比曲線,誤差范圍<0.05dB”

圖5:插損對比圖




五、廣西科毅光通信科技有限公司的技術(shù)優(yōu)勢

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MEMS光開關(guān)、磁光開關(guān)等核心光器件的國產(chǎn)化進(jìn)程。

1. 技術(shù)研發(fā)實力

l  擁有一支由博士、碩士組成的專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊;

l  自主掌握MEMS微鏡加工、封裝測試、驅(qū)動控制等多項核心技術(shù);

l  與航天科研機(jī)構(gòu)合作,開展宇航級器件的聯(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)性測試,確保在高溫、低溫、高濕、振動等復(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、軍工等對器件可靠性要求極高的領(lǐng)域,其抗沖擊振動能力顯得尤為重要。


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,助力中國光通信產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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