为实现调谐范围宽、调谐速度快、带宽窄、驱动电压低以及可批量化生产的可调光学滤波器, 提出了一种新型微机电系统(MEMS)可调光学滤波器。由高反射率可动光学镜面与准直扩束光纤端面组成法布里-珀罗(F-P)腔。通过静电驱动改变F-P腔的腔长以调整滤波器的输出光波长, 分析了可调光学滤波器的波长调谐原理和静电驱动原理, 给出了器件的结构参数和综合设计考虑。利用体硅加工工艺成功制作了可调光学滤波器样品, 并进行了实验测试。实验结果表明, 通过改变准直扩束光纤的初始位置, 3 dB带宽与自由谱域之间具有可调性。该可调光学滤波器兼备了MEMS技术与光纤技术的优点, 并且结构紧凑、工艺简单、驱动电压低, 可用于光通信等场合。

为实现微型化、抗电磁干扰、可长时间工作和可远距离传输的加速度传感器，提出了一种基于微机电系统(MEMS)非对称扭镜结构的光纤加速度计设计方案，并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度变化进行检测。MEMS光纤加速度计由MEMS非对称扭镜结构、驱动电极和双光纤准直器等组成。分析了器件的加速度敏感原理和光纤检测原理，介绍了器件综合设计考虑，并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作了MEMS光纤加速度计样品。对加速度计进行了实验测试，加速度计的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明，该加速度计量程为±2g，带宽为600 Hz，分辨率优于10-4g,且具有良好的线性度和重复性。该 MEMS光纤加速度计将MEMS敏感结构与光纤检测相结合，兼备了两者的优点，结构紧凑、制作工艺简单。

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器, 并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测。该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成。文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理, 介绍了器件综合设计方法, 并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品, 最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。对磁传感器进行了实验测试, 得到的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明, 该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT, 最小可分辨磁场可达167 nT。将MEMS敏感结构与光纤检测相结合, 该传感器兼备了两者的优点, 结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励。

提出了一种采用垂直梳齿驱动器驱动的大尺寸、大扭转角度、低驱动电压微光机电系统(MOEMS)扫描镜。理论分析了垂直梳齿驱动器的工作原理, 研究了垂直梳齿的制作工艺, 采用体硅加工工艺结合硅-硅键合工艺制作了垂直梳齿驱动的MOEMS扫描镜。制作的扫描镜镜面尺寸为3 mm×2 mm, 谐振频率为1.32 kHz。测试表明,该扫描镜镜面具有很好的光学表面, 其表面粗糙度的均方根只有8.64 nm; 扫描镜在驱动电压为95 V时可以实现最大2.4°的扭转角度; 测得其开启时的响应时间为1.887 ms, 关断时的响应时间为4.418 ms。

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器，建立了保角变换数学模型，研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发，建立了驱动器的保角变换静电场解析模型; 以动齿受力为研究对象，根据不同情形下的动齿受力特点，求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器，搭建了Michelson干涉仪光学测试系统，测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明，所制作的无交叠梳齿驱动器在28 V偏压下机械位移可达325 nm，相位差为2π; 在90 V的偏压下能够获得2.07 μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致，验证了所建数学模型的正确性，为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。

为了在限定驱动电压下获得大镜面尺寸、大扭转角度的微镜阵列, 提出了一种多台阶平板静电驱动结构的微镜阵列。理论分析了多台阶平板结构与平行平板结构在静电驱动时的区别。研究了多台阶平板结构的制作工艺并采用体硅加工工艺制作了多台阶平板静电驱动的微镜阵列, 获得了微镜面尺寸达到600 μm×200 μm, 包含52个微镜面排布, 占空比高达97%的微镜阵列。测试表明, 制作的微镜面结构在驱动电压为164 V时可以实现最大1.1°的扭转角度, 相对于传统的平行平板静电驱动结构大大降低了驱动电压。

A novel design and fabrication approach for a high fill-factor micro-electro-mechanical system (MEMS) micromirror array-based wavelength-selective switch (WSS) is presented. The WSS is composed of a polarization-independent transmission grating and a high fill-factor micromirror array. The WSS is successfully demonstrated based on the fabricated high fill-factor micromirror array. Test results show that the polarization-dependent loss (PDL) is less than 0.3 dB and that the insertion loss (IL) of the wavelength channel is about –6 dB. The switching function between the two output ports of WSS is measured. The forward switching time is recorded to be about 0.5 ms, whereas the backward switching time is about 7 ms.