This thesis investigates PZT actuated micromirror switches for optical cross connect applications. The present design uses torsional micromirrors detached from PZT actuator to eliminate bending, tension, and torsion at the joint of the micromirrors and the PZT actuators.
We consider two types of micromirrors: the conventional tiling micromirror attached to the PZT actuator (TMA) and the proposed torsional micromirror detached from the PZT actuator (TMD). The TMD is extended to dual-axis optical switch applications.
In the experimental study, the static rotational angles of TMD are measured as 6.1° in +x-axis and 5.8° in -x-axis at 16V DC. On the other hand, rotational angles of TMA are 0.9° in +x-axis and 0.8° in -x-axis at 16V DC. The rotational angle of TMD is 6 times larger than that of TMA. However, the rotational response curve of TMD shows hysteresis due to the static friction between the micromirror and the PZT actuator. We have shown that 65.5% of the hysteresis is due to the static friction caused by the initial preload of the PZT actuator. In case of dual-axis TMD, the rotational angles are measured as 5.5° in +x-axis, 5.4° in -x-axis, 4.7° in +y-axis and 5.0° in -y-axis at 16V DC.
From the dynamic test of TMD, the single-axis TMD shows the time constant of 0.80 ms. The dual-axis TMD shows the time constant of 1.96 ms in x-axis and 1.52 ms in y-axis, respectively. The dual-axis TMD shows stable operation without severe wear for 21.6 million cycles driven by 16 $V_{p-p}$ sinusoidal wave signal at room temperature.
We experimentally prove that the large angular motion of TMD has been achieved by detaching the PZT actuator from the micromirror, showing potential for optical cross connect applications.
본 논문에서는 미소 광 스위치에 있어서 저 전압, 대 회전을 위하여 미소거울과 압전 구동기를 물리적으로 분리시키는 구조를 제안하고, 시험 구조물을 제작한 후 성능 시험을 수행하였다. 제안된 구조는 종래 미소거울과 압전 구동기가 물리적으로 결합된 미소 광 스위치에서 대 회전을 제한하는 원인인 굽힘력, 장력, 비틀림력을 제거하여 회전각 증대를 꾀하였다.
종래의 압전 구동형 미소거울 구조와 제안된 압전 구동형 미소거울을 비교하기 위하여 1축 회전이 가능한 두 시험 구조물을 각각 설계, 해석, 제작하였다. 시험 결과 16V 직류전압 인가하였을 때, 미소거울과 구동기가 붙어있는 종래의 구조는 ±0.07°의 측정 오차 내에서 양과 음의 방향으로 회전각이 각각 0.9°와 0.8° 이었으나 제안된 구조는 6.1°와 5.8°로 측정 되었다. 그러나 압전 구동기와 미소거울이 분리된 구조에 있어서 이력현상이 심각했다. 이는 압전 구동기의 초기 변형에 의한 초기 수직항력이 정적 마찰을 증가시켜 구동특성을 저하시키기 때문으로 분석되었다.
또한 미소거울과 구동기가 분리된 1축 회전형 미소 거울 구조를 2축 회전이 가능한 구조로도 확장이 가능함을 보였으며, 회전각은 x축 회전 시 각각 +5.5°, -5.4°, y축 회전 시 각각 +4.7°, -5.0°를 보였다. 시간상수는 x축으로 1.96ms y축으로 1.52ms로 산출 되었다. 내구성 측면에서는 정현파 16V-2kHz 인가 시 216,000 주기까지 안정적인 동작을 보임으로써 대용량 광 스위치의 규격을 만족시킴을 확인 하였다.
이로써 본 논문에서 제안한 미소거울 구조가 저 전압, 대 회전, 빠른 응답시간과 안정성을 보임으로써 대용량 광 스위치에 적용 될 수 있는 가능성을 실험적으로 증명하였다
