Micro-electro-mechanical system (MEMS) mirrors are widely used for optical modulation, attenuation, steering, switching and tracking. In most cases, MEMS mirrors are packaged in air, resulting in overshoot and ringing upon actuation. In this paper, an electrothermal bimorph MEMS mirror that does not generate overshoot in step response, even operating in air, is reported. This is achieved by properly designing the thermal response time and the mechanical resonance without using any open-loop or closed-loop control. Electrothermal and thermomechanical lumped-element models are established. According to the analysis, when setting the product of the thermal response time and the fundamental resonance frequency to be greater than Q/2π, the mechanical overshoot and oscillation caused by a step signal can be eliminated effectively. This method is verified experimentally with fabricated electrothermal bimorph MEMS mirrors.

https://www.mdpi.com/2072-666X/8/10/289/pdf

Modelling and Experimental Verification of Step Response Overshoot Removal in Electrothermally-Actuated MEMS Mirrors.

In this paper, the actuation behavior of a two-axis electrothermal MEMS (Microelectromechanical Systems) mirror typically used in miniature optical scanning probes and optical switches is investigated. The MEMS mirror consists of four thermal bimorph actuators symmetrically located at the four sides of a central mirror plate. Experiments show that an actuation characteristics difference of as much as 4.0% exists among the four actuators due to process variations, which leads to an average angular scan error of 0.03°. A mathematical model between the actuator input voltage and the mirror-plate position has been developed to predict the actuation behavior of the mirror. It is a four-input, four-output model that takes into account the thermal-mechanical coupling and the differences among the four actuators; the vertical positions of the ends of the four actuators are also monitored. Based on this model, an open-loop control method is established to achieve accurate angular scanning. This model-based open loop control has been experimentally verified and is useful for the accurate control of the mirror. With this control method, the precise actuation of the mirror solely depends on the model prediction and does not need the real-time mirror position monitoring and feedback, greatly simplifying the MEMS control system.

https://www.mdpi.com/1424-8220/15/12/29840/pdf

Model-Based Angular Scan Error Correction of an Electrothermally-Actuated MEMS Mirror

En un mundo en el que las tecnologias avanzan a pasos agigantados, es necesario proponer y aplicar nuevas mejoras de forma continua aplicadas a cualquier campo. El mundo de la tecnologia laser, incluido dentro del campo anterior, tiene infinidad de aplicaciones en las que son necesarios nuevos laseres a diario para facilitar las medidas y mejorar los resultados de los ambitos en los que estos dispositivos se usen. En esta tesis se presenta un nuevo concepto de tecnologia para la fabricacion de laseres sintonizables. Existen laseres fabricados con gases, tintes o incluso con elementos de estado solido como el rubi, aunque es habitual que los laseres sintonizables, que son aquellos en los que se puede variar su longitud de onda de emision, que esten fabricados con diodos de semiconductor. Los semiconductores, combinados adecuadamente, generan unas bandas de emision que comprenden las longitudes de onda, o colores, entre el ultravioleta y el infrarrojo. Actualmente, hay distintas tecnologias con las que llevar a cabo la sintonizacion de la luz coherente emitida por un laser de semiconductor. Con objeto de crear un laser sintonizable, hacen falta distintos elementos: un material activo que proporcione ganancia en el rango de longitudes de onda necesarios; reflectores que creen una cavidad resonante en el que la emision laser estimulada se pueda producir, generando distintas longitudes de onda (o frecuencias) en todo el rango habilitado; y un filtro que seleccione el modo adecuado de emision, ya que estamos hablando de laseres con una unica frecuencia. Entre las distintas tecnologias habilitadoras para la fabricacion de laseres sintonizables, cabe destacar los mas utilizados laseres de realimentacion distribuida (DFBs segun sus siglas en ingles, Distributed FeedBack Lasers, o DBRs, tambien segun sus siglas en ingles, Distributed Bragg Reflector Lasers) y los laseres de cavidad externa. La diferencia principal entre estas dos tecnologias es que en los DFBs y DBRs, la seleccion de frecuencia se hace mediante una red de difraccion distribuida a lo largo del material semiconductor. Esta red de difraccion, conocida por red de Bragg ya que fue el quien primero la planteo, sirve como reflector y como filtro a la vez, ya que se encarga de reflejar unicamente la frecuencia de emision deseada. De esta forma, el laser se estabiliza a la longitud de onda fijada por la red de Bragg, que esta inscrita directamente en el chip de semiconductor. Esta solucion genera unos dispositivos compactos y estables, pero con inconvenientes muy ligados al propio concepto de filtrado que se plantea con ellos. Al ser las inscripciones hechas directamente en el material, se generan perdidas de potencia ligadas a las propias irregularidades encargadas de filtrar. Ademas, el rango de sintonizacion de estos dispositivos es muy limitado, ya que hacen uso de un efecto termico con el que expandir o contraer la propia red de difraccion inscrita en el chip. Los semiconductores, al no ser materiales con un alto coeficiente de expansion termica, se ven limitados a un rango muy estrecho de sintonizacion si se emplea esta tecnologia. En contraposicion a los dispositivos ya descritos, encontramos la tecnologia de los laseres sintonizables de cavidad externa. Esta se basa mayormente en dos configuraciones distintas: cavidades tipo Littrow y cavidades tipo Littman-Metcalf. La primera de ellas es relativamente mas sencilla. Un material activo es colocado entre dos reflectores. Uno de ellos es un reflector comun, como un espejo, mientras que el otro consiste en una red de difraccion externa que realimenta la longitud de onda deseada al material activo, estabilizando el laser. Para sintonizar este tipo de cavidades, es necesario girar en un angulo determinado la red de difraccion y, de esta manera, variar la frecuencia reflejada al material activo para su estabilizacion. El segundo tipo de cavidad, la cavidad tipo Littman-Metcalf, agrega un elemento mas a la configuracion: el material semiconductor activo se coloca entre un reflector comun y una red de difraccion, pero en este caso el angulo de la red de difraccion es distinto y apunta a un segundo reflector comun, que sera el encargado de girar para realizar la sintonizacion de la longitud de onda del laser. Los laseres presentados en esta tesis de doctorado se basan en esta segunda configuracion para su sintonizacion de frecuencia. Presentamos aqui la aplicacion de micro sistemas electro mecanicos en la fabricacion de laseres de semiconductor de cavidad externa, con una serie de ventajas muy evidentes en comparacion con los sistemas habituales. Tradicionalmente, los laseres sintonizables de cavidad externa se basan en componentes mecanicos. Esto se traduce en unos dispositivos voluminosos en el que su ambito de aplicacion se ve muy limitado dada su poca capacidad de movilidad. Con la introduccion de los MEMS en la configuracion de los laseres, podemos sustituir los componentes mecanicos voluminosos y asi reducir el tamano de los dispositivos y aumentar su portabilidad. Este punto habilita el incremento de aplicaciones en las que estos laseres pueden ser aplicados, ya que pudiendo ser portatiles se hace posible su uso directamente en campo o crear dispositivos ligeros para su inclusion en aparatos de mano, mucho mas convenientes para el dia a dia. Otro de los puntos a favor de estos laseres es la potencia de salida proporcionada. La red de difraccion externa, ya sea de transmision o de reflexion, se puede ajustar en su punto optimo de reflexion para maximizar el nivel de potencia optica a la salida del laser. Ademas, estas redes no estan inscritas sobre el material semiconductor y no producen perdidas adicionales como si ocurre en el caso de los laseres de realimentacion distribuida descritos anteriormente. Lo mismo sucede con el rango de sintonizacion de los dispositivos presentados. Este no esta limitado por ningun efecto como si que pasa en los DFBs y DBRs, y de esta manera la sintonizacion de la longitud de onda se extiende hasta el total del ancho de banda de ganancia proporcionado por el material semiconductor que empleemos en la cavidad. El ancho de linea de la emision laser de las configuraciones que presentamos son muy estrechos. Esto implica que los valores ofrecidos por cavidades Littrow y Littman-Mettcalf se hallan en las decenas de kilohercios, disminuyendo asi en uno o dos factores de magnitud la anchura de las lineas laser de otras configuraciones. Mediante esta alta selectividad en longitud de onda, sumado al alto nivel de potencia ofrecido por los dispositivos desarrollados en esta tesis, se incrementa la sensitividad y la resolucion de cualquiera de las aplicaciones en las que se usen estos laseres. Adicionalmente a las caracteristicas ya mencionadas, hay un factor que hace de este desarrollo un avance clave para la tecnologia: la velocidad de sintonizacion. Las cavidades externas tradicionales hacen uso, como ya se ha mencionado anteriormente, de piezas mecanicas para la sintonizacion del dispositivo. Para poder sintonizar el rango completo de longitudes de onda ofrecidos por la cavidad, hace falta un tiempo del orden de segundos en el mejor de los casos, que es cuando se emplea un motor para mover el brazo mecanico correspondiente. Con el dispositivo que presentamos, estos tiempos se reducen en varios ordenes de magnitud, situandose en las decenas de milisegundos. Este efecto se consigue mediante la aplicacion de un voltaje que, de manera instantanea, traslada este valor a un angulo de giro que se aplica a los MEMS para sintonizar la longitud de onda del laser. Este avance, aparte de aportar una capacidad de medida practicamente en tiempo real a distintas frecuencias, va ligado a la precision de los sistemas electromecanicos que se han introducido, mejorando asi en comparacion los resultados ofrecidos por las piezas puramente mecanicas. Se ha medido la estabilidad de estos laseres, con resultados por debajo de los picometros y muchas veces estas medidas han estado incluso limitadas por la resolucion disponible para su adquisicion aun a pesar de utilizar instrumentos con la ultima tecnologia, lo que indica el alto grado de precision y estabilidad de los dispositivos desarrollados. El desarrollo de la cavidad externa para los dispositivos presentados no ha sido un proceso trivial, sino que ha necesitado de varias iteraciones hasta llegar a un resultado estable. Estos ciclos se muestran en la tesis, de manera que se ve la evolucion de los dispositivos. Como ultimo punto a destacar, la tecnologia aqui presentada es aplicable a distintos materiales de ganancia, pudiendo cubrir el espectro optico que se necesite con solo ajustar los componentes necesarios. La posibilidad de extrapolar esta tecnologia a todo el espectro optico, cubriendo desde el ultravioleta al infrarrojo lejano. Las conclusiones de esta tesis se reflejan en todos los puntos a favor de los dispositivos presentados: alta potencia de salida, gran rango de sintonizacion, estabilidad y velocidad de conmutacion entre distintas longitudes de onda para mediciones en tiempo real.

/pdf/mems-based-widely-tunable-external-cavity-diode-laser-1ugu2bvdre.pdf

Mems-based widely tunable external cavity diode laser

To suppress the residual vibration of electrothermal MEMS micromirror caused by step signal, the dynamic model is established based on the theory analysis of mechanical vibration response and damping. The input shaping technique is used to eliminate and reduce the residual vibration. The simulation and experimental results verify the reliability of the control method and show that the overshoot has been significantly reduced; setting time is within 8ms and shortens 70.69% compared with the original system.

The input shaping control of eletro-thermal MEMS micromirror

Tunable diode lasers are an important tool for spectroscopy and as laser sources for a wide range of applications. In this paper, an improvement of External Cavity Diode Lasers (ECDLs) is presented. The present generation of ECDLs is designed as a laboratory instrument which is sensitive against ambient disturbance like shock, noise, and temperature fluctuations. In addition, state of the art ECDLs in Littrow and Littman/Metcalf configuration have limitations in terms of tuning range, tuning speed, and size. These technologically disadvantages make it difficult to use ECDLs for various applications. Therefore, we developed a new miniaturized mode-hop free tunable next-generation ECDL design based on a Micro Electro Mechanical System (MEMS) device. It includes the benefits of the current ECDL technology and allows an outstanding improvement in terms of efficiency, stability, repeatability and tuning range. Moreover, the tuning speed is increased into the kHz regime due to the fast nature of the tilting capabilities of the MEMS actuators. The focus will be set on the initial use of this new design in connection with semiconductor laser chips based on GaAs, InP, GaSb and IC. This makes it possible to cover a large area from the near-infrared up to the mid-infrared. Especially the midinfrared contains stronger absorption lines of significant gases, which are of great interest in the field of biomedicine, process control and environmental monitoring. The excellent performance of this innovative ECDL cavity design as well as the low noise promises better possibilities of gas detection for the previously mentioned applications.

New wide tunable external cavity interband cascade laser based on a micro-electro-mechanical system device

MEMS devices based on bimorphs are affected by several effects including creep, stress, and fracture in bimorph structures. In this paper, we present the reliability study of an S-shaped bimorph MEMS mirror. The following tests are performed: 100 million cycle scanning, vibration, and isothermal holding. Only 0.4% scan angle change was observed after experiencing a 6-axis, 20g vibration. A maximum 0.7% change was measured after the MEMS mirror gone through an isothermal holding for 10 hours at 150°C. After a 100 million cycles of scanning, the maximum drift was less than 0.01°.

Dacheng Xu

Papers

Repeatability study of 2D MEMS mirrors based on S-shaped Al/SiO 2 bimorphs