CN101587240A

CN101587240A - 大角度扭转微镜面驱动器及其在光开关中的应用

Info

Publication number: CN101587240A
Application number: CNA2009100510037A
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 李四华; 徐静
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明涉及一种大角度扭转镜面驱动器及其在光开关中的应用。其特征在于所述的大角度扭转微镜面驱动器由扭转梁(1)、扭转梁(2)、微镜面(3)、倾斜下电极(4)，倾斜面(5)、倾斜面(6)、硅基底材料(7)构成；其中，扭转梁(1)和扭转梁(2)与微镜面(3)相连且对称排列于微镜面(3)的两侧，微镜面(3)兼作驱动器的上电极，倾斜下电极(4)制作在倾斜面(5)上，与微镜面(3)构成倾斜电极静电驱动器，倾斜面(5)和倾斜面(6)之间有一定夹角，两者均制作在基底材料(7)上。作为光开关的应用是采用TO管壳的封装形式，由所述的驱动器、多光纤准直器、TO封装底座和对应管壳构成，制作成的光开关具有体积小、工艺简单、驱动电压低、可靠性高、响应速度快等优点。

Description

大角度扭转微镜面驱动器及其在光开关中的应用

技术领域

本发明涉及一种扭转微镜面驱动器结构及其应用，尤其涉及一种大角度扭转微镜面驱动器及其在光开关中的应用。属于光电子通信器件领域。

背景技术：

Internet和光通信技术的快速发展使光通信网络发生根本的变化。网络已迅速扩展为包括广域网、城域网和接入网的大规模光通信网络。光传送网从大容量宽带传送转变为提供端到端的服务连接，采用光交换、光路由技术实现动态、快速的波长指配、光联网的全光网络成为主要发展趋势。透明的波长交换，无需光-电-光(OEO)交换，将突破“电子瓶颈”，极大地降低光网络的成本。光开关可以实现光信号的直接切换，而无需进行光-电-光(OEO)转换，因此光开关是光联网、灵活有效配置网络资源的关键设备，成为最近几年来光通信研发的热点。

现有的光开关技术方案，如按其工作时的介质划分，可分为自由空间光开关和波导光开关；如按其工作原理划分，可分为机械式和非机械式两大类。机械式光开关依靠光纤或光学元件的移动，使光路断开或切换；而非机械式光开关则是依靠电光效应、磁光效应、声光效应和热光效应等，使光路发生改变，完成开关功能。现有MEMS光开关是一类微机械式光开关，其利用MEMS驱动器实现光路的切换。而随着MEMS技术的成熟，MEMS技术方案成为光开关的主流技术，主要分为两种，一种是利用静电或者梳齿结构平动光学元件在光路中的位置，使得光路直通或者断开，如图1，图2，图3所示的技术方案。另外一种就是采用扭转微镜的方法改变光路的方向，使得光路信号从一个通道切换到另一个通道，如转动竖直镜面微机械光开关及其制造方法，(申请号：02145147.8)。

现有的MEMS光开关的输入输出方式一般分为两种，第一种方法是直接将光纤作为光信号的输入输出方式，第二种方法就是在光纤输出或者接收端口前增加一个准直透镜，以利于调整接收光信号。第一种方法采用芯片平面内的光纤安装方式，微光学镜面为平动方式，虽然结构简单，但是由于光纤出射光斑尺寸小，容易发散，引起光信号在输入输出过程中损耗过大，直接影响了光开关的光学性能。第二种方法虽然在光纤发射接收端口上增加了一个准直透镜，采用芯片平面外的光纤垂直安装方式，由于光斑尺寸增大，光束发散角减少，大幅降低了光信号的插入损耗并提高了光器件的性能，但是这种方法实现过程中光纤通道之间的切换需要1度至十几度的扭转角度，因此需要大扭转角度的微镜面驱动器才能实现光开关功能。在现有技术中，“一种微机电系统扭转镜面驱动器、制作方法及应用”在申请号为200410053563.3的发明专利申请中由于上下电极的间隙，使得扭转角度较小，如果增大间隙，会使得驱动电压过高，因此无法满足需要扭转大角度，低电压驱动的光开关应用。又如，“倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关及其制作方法”，(申请号：02144511.7)，提到一种采用倾斜电极结构减少电压的方法，但是其镜面采用竖直镜面，微镜运动方式为平动，该方案既增加了工艺的复杂度，同时最后封装时仍需采用光纤直接封装，这导致最后光路调试复杂，同时器件光学性能损耗增大，而且最后器件封装尺寸很大，不能满足器件小型化的需求。因此本发明拟提出一种大角度扭转镜面驱动器及其光开关应用，以解决以上这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种大角度扭转微镜面驱动器及其在光开关中的应用。利用本发明提供的大角度扭转微镜面驱动器，可以制作器件性能好，封装工艺简单、小型化封装体积的光开关器件。所述的大角度扭转微镜面的扭转角度为1度至十几度。

本发明的一种大角度扭转微镜面驱动器由扭转梁1、扭转梁2、微镜面3、倾斜下电极4，倾斜面5、倾斜面6、硅基底材料7构成。

依本发明所述的大角度扭转微镜面驱动器中，扭转梁1和扭转梁2与微镜面3相连，并对称排列于微镜面3的两侧，起到支撑微镜面并产生弹性回复扭转力矩的作用。微镜面兼作为驱动器的上电极。下电极4制作于倾斜面5上，与微镜面3构成倾斜电极静电驱动器，倾斜电极的倾斜角度可以按照使用的硅片晶向不同而调整，倾斜角度可介于0-90度之间。所述的微镜面采用金属膜或介质反射膜制作于驱动器表面，与倾斜下电极成一定夹角；微镜面是以扭转梁为对称轴的对称结构，上表面为光洁的光学镜面。由倾斜面5的倾斜角度决定下电极4的倾斜角度。倾斜面6与倾斜面5有一定夹角，当在上下电极之间施加驱动电压过高时，倾斜面6可以防止由于驱动电压过高导致微镜面3和下电极4的吸合现象，即过载保护。倾斜面5和倾斜面6均制作在硅基底材料7上。

本发明提供的大角度扭转微镜面驱动器作为光开关的应用是利用大角度扭转微镜面驱动器与多光纤准直器耦合实现1×N(N≥1)的光开关，光开关采用TO管壳的封装形式，多光纤准直器由准直微透镜、直线排列的多根光纤构成，具体地说所述的光开关由扭转微镜面驱动器8，多光纤准直器9，TO封装底座10和对应管壳11构成。所使用的多光纤准直器9内并列放置了多根光纤，通过大角度扭转微镜面驱动器的微镜面扭转可以实现多路光信号的出射通道切换。如图5所示，为三个输出通道切换的光开关示意图。在封装时，将多光纤准直器9的透镜端面与微镜面3进行芯片平面外的光学对准耦合。当第一个输出光信号通道16调整到所需要的光学指标后，利用TO管壳11对调整好光路的多光纤准直器9和扭转微镜面驱动器8进行固定保护。通过调整施加在电极12上的驱动电压，可以调整微镜面3的扭转角度，使得光信号可以在第二个输出光信号通道17和第三个输出光信号通道18输出，以此完成输入光信号的不同输出信道切换，完成光开关功能。

综上所述，本发明提出一种工艺简单可行的大角度扭转微镜面驱动器，其相对于已有的光开关，本发明可利用静电精密驱动，实现在低电压驱动下获得大扭转角度的微镜面驱动器。同时利用本发明提供的微镜面驱动器可以制作光插入损耗小、封装结构简单、实现小型化封装的光开关。光开关相对于现有MEMS技术制作出的光开关，具有体积小、工艺简单、驱动电压低、可靠性高，响应速度快等优点。

附图说明

图1现有控制微反射镜平动的挡光型光开关芯片示意图，其微反射镜垂直于芯片平面，图中31为平动微镜面，32为光信号输入与输出的光纤。

图2现有梳齿驱动控制微反射镜运动的挡光型光开关芯片示意图，图中33为驱动微镜面的梳齿驱动器，34为平动微镜面，35为放置光纤的刻蚀槽。

图3现有倾斜电极结构制作的平动微镜驱动器示意图，图中36为放置光纤的刻蚀槽，37为竖直微镜面，38为支撑镜面的微悬臂梁，39为倾斜下电极。

图4本发明的大角度微镜面驱动器俯视图，图中1为扭转梁、2为扭转梁、3为微镜面、4为下电极，5为倾斜面、6为倾斜面、7为硅基底材料。

图5由本发明提供的大角度扭转微镜面驱动器构成的一种光开关应用封装示意图，图中8为本发明所提供的大角度扭转微镜面驱动器、9为多光纤准直器、10为TO底座、11为TO底座对应管壳、12为TO底座上的金属导线、13为TO底座对应管壳上的固定点、14为TO底座对应管壳上的固定点、15为多光纤准直器光信号输入端口、16为多光纤准直器光信号第一输出端口、17为多光纤准直器光信号第二输出端口、18为多光纤准直器光信号第三输出端口。

图6利用本发明的大角度微镜面驱动器构成的光开关光路信号切换原理图(以1×2光开关为例)，图中20为三芯的光纤头，19为光信号准直透镜，8为本发明提供的大角度微镜面驱动器。

具体实施方式

下面通过实施例的介绍，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

参照图4，本发明提供的一种大角度扭转微镜面驱动器由扭转梁1、扭转梁2、微镜面3、倾斜下电极4，倾斜面5、倾斜面6、硅基底材料7构成，4’为倾斜电极的引线区。其中扭转梁1和扭转梁2与微镜面3相连，并对称排列于微镜面3两侧，起到固定支撑镜面并产生弹性回复扭转力矩的作用。微镜面兼作为器件上电极。倾斜下电极4制作于倾斜面5上，由倾斜面5的倾斜角度决定倾斜下电极4的倾斜角度。倾斜面6与倾斜面5有一定夹角，当在上下电极之间施加驱动电压过高时，倾斜面6可以防止由于驱动电压过高导致微镜面3和下电极4的吸合现象，即过载保护。倾斜面5和倾斜面6均在硅基底材料7上制作。该器件结构采用MEMS工艺制作(另案申请)。

实施例2

参阅图5，本发明的大角度扭转微镜面驱动器作为光开关中的应用，它是由扭转微镜面驱动器8，多光纤准直器9，TO封装底座10和对应管壳11构成。扭转微镜面驱动器8首先固定于TO管壳的底座10上，然后将大角度扭转微镜面驱动器的上、下电极引连接线至电极12，将对应的TO管壳上底座11与电极12固定后，调整多光纤准直器9与扭转微镜面驱动器8的相互耦合位置，当多光纤准直器的输出光学指标达到所需要求后，在TO管壳上底座11的固定点13和14处固定多光纤准直器9与上底座11的相对位置。

参阅图6，以1×2光开关为例说明之。首先采用光纤头20与微镜面驱动器8做光学耦合封装，输入通道为①，输出通道为②，调整光纤头20与微镜面驱动器8的相对位置，使得输出通道②的光学信号达到要求后，采用TO管壳固定光纤头20与微镜面驱动器8的相对位置，这个即为图6所示的状态1，(a)光信号由输入端口①到输出端口②，当改变施加在微镜面驱动器8上下电极之间的电压后，微镜面3扭转相应的角度，可改变光信号由输入端口①到输出端口③，这个即为图6所示的状态2(b)，实现光信号由输出端口②切换到输出端口③，完成1×2光开关功能。虽然本实施例以1×2为例，但本领域的技术人员，依本发明之内容很容易制成1×N(N≥1)的其它光开关，拓展本发明的应用，也即本发明提供的大角度扭转微镜面驱动器在光开关中的应用不只仅局限于1×2开关。

Claims

1、一种大角度扭转镜面驱动器，其特征在于所述的大角度扭转微镜面驱动器由扭转梁(1)、扭转梁(2)、微镜面(3)、倾斜下电极(4)，倾斜面(5)、倾斜面(6)和硅基底材料(7)构成；其中，扭转梁(1)和扭转梁(2)与微镜面(3)相连且对称排列于微镜面(3)的两侧，微镜面(3)兼作驱动器的上电极，倾斜下电极(4)制作在倾斜面(5)上，与微镜面(3)构成倾斜电极静电驱动器，倾斜面(5)和倾斜面(6)之间有一定夹角，两者均制作在基底材料(7)上。

2、按权利要求1所述的大角度扭转镜面驱动器，其进一步特征在于倾斜面(5)的倾斜角度决定倾斜下电极的倾斜角度；制作在倾斜面(5)上的倾斜下电极(4)，与微镜面(3)构成倾斜电极静电驱动器，倾斜电极的倾斜角度按照使用的硅片晶向不同而调整，介于在0～90度之间。

3、如权利要求1所述的扭转微镜面驱动器，其进一步特征在于：倾斜面(6)作为光开关的限位保护面，预防当驱动电压过高导致的微镜面(3)与倾斜下电极(4)之间的吸合效应。

4、如权利要求1所述的扭转微镜面驱动器，其进一步特征在于所述的扭转微镜面是以扭转梁为对称轴的对称结构，上表面为光洁的光学镜面。

5、如权利要求1或4所述的扭转微镜面驱动器，其进一步特征在于所述的微镜面采用金属膜或介质反射膜制作于驱动器表面，与倾斜下电极成一定夹角。

6、如权利要求1-4中任一项所述的扭转微镜面驱动器，其特征在于所述的大角度扭转微镜面的扭转角度微1度至十几度。

7、如权利要求1-4中任一项所述的扭转微镜面驱动器作为光开关中的应用，其特征在于利用大角度扭转微镜面驱动器与多光纤准直器耦合实现1×N的光开关，式中N≥1。

8、按权利要求6所述的驱动器在光开关中的应用，其特征为1×2光开关，具体是采用TO管壳的封装的形式，由扭转微镜面驱动器(8)、多光纤准直器(9)、TO封装底座(10)和对应管壳(11)构成；扭转微镜面驱动器(8)固定于TO管壳的底座(10)上，然后将扭转微镜面驱动器的上、下电极引连接线至电极(12)，将对应的TO管壳上底座(11)与电极(12)固定后，调整多光纤准直器(9)与扭转微镜面驱动器(8)的相互耦合位置，当多光纤准直器的输出光学指标达到所需要求后，在TO管壳上底座(11)的固定点(13)和(14)处固定多光纤准直器(9)与上底座(11)的相对位置。

9、按权利要求8所述的驱动器在光开关中的应用，其特征在于所述的光纤准直器是由准直微透镜、直线排列的三芯光纤头组成。