CN102103263A - 集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器及应用 - Google Patents

Abstract

一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器及其在波长选择开关中的应用，其集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器15由单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14阵列化排布获得。单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14由下电极结构11，中间电极结构12和上电极结构13共三个独立结构构成。其三个独立结构又由以下功能部件构成：悬臂梁1、台阶下电极2、台阶下电极引线锚点3、X轴转动方向基底镜面4、X轴转动方向基底镜面的限位凸点5、X轴转动方向基底镜面的限位平面6、Y轴信号衰减方向的可动上镜面7、Y轴信号衰减方向的固定上镜面8、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点9、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点10。

Description

集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器及应用

技术领域

本发明涉及一种集成切换和衰减功能的微镜阵列驱动器结构及其应用，确切的说，本发明涉及一种集成光栅调制衰减器的微镜驱动器及其构成的微镜阵列驱动器，同时该微镜阵列驱动器可应用于波长选择开关，其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，并采用光交换技术来实现动态、快速的波长指配，最终光联网的全光智能光网络成为主要发展趋势。透明的波长交换，无需光-电-光(OEO)转换，将突破“电子瓶颈”，极大地降低智能光网络的成本。可重构的光上/下路复用器(ROADM，Reconfigured Optical Add-Drop Multiplexer)是智能光网络系统中最为核心的功能模块，其主要作用是对网络系统中的波长资源进行动态的配置、调度和管理。迄今为止ROADM经历了三个功能越来越复杂、强大的发展阶段，形成了三代的ROADM。

第一代ROADM由分立的波分复用器、光开关和解复用器组成。其体积较大，仅适于选择波长较少的应用场景，如图1所示。

第二代ROADM由分光器、可调滤波器、波长阻挡器和合波器组成。其结构简单、体积小，能够实现单个波长的上下以及波长带(多个波长)的上下，但是管理较为复杂，不适用于环网，且每个光端口只能上下一个波长。如图2所示。

第三代ROADM即波长选择开关(WSS，Wavelength Selective Switch)。在原理上由多个波分复用器、多个光开关和一个解复用器组成，可以实现任何一个波长(或多个波长的任意组合)以任何顺序从任何一个端口(或多个端口)路由到任何一个端口(或多个端口)。如图3所示。这使ROADM系统 具有了极强的灵活组网能力，同时WSS本身也具有升级扩展能力，为组网带来更大的灵活性。

现有技术的波长选择开关主要采用衍射光栅+微电子机械系统(MEMS)微镜阵列技术方案。其中的MEMS微镜阵列最开始采用一轴转动的微镜阵列，但是在不同通道信号进行切换过程中会短暂干扰经过通道的光信号，即产生hit效应。因此为了使得波长选择开关具有hitless功能，即实现波长选择开关的无干扰，必需采用一轴微镜阵列+衰减器阵列或者二轴微镜阵列实现。其中一轴转动方向控制光通道信号的切换，另一轴或者衰减器阵列是在微镜面进行通道切换时，将信号进行衰减以避免产生hit效应，当到达光通道信号切换位置时，取消光信号衰减，实现hitless的光信号切换。

现有实现波长选择开关的一轴微镜阵列+衰减器阵列方案由于需要单独使用衰减器阵列使得器件整体结构复杂，调试困难。如文献([1]胡强高等.“一种基于微机电系统技术的新型波长选择开关”.光学学报，30(4).2010.)

而采用二轴微镜阵列其主要的实现方案有双框架结构的两轴微镜阵列，如文献(2]Dennis S et al.，“Crystalline Silicon Tilting Mirrors for Optical Cross-Connect Switches”Journal of Microelectromechanical system.Vol.12，NO.5，2003.和[3]Gokde D et al.，“Desi gn and fabrication of two-axis micromachined steel scanners”J.Micromech. Microeng.VOL.19，2009)。

同时也有两轴梳齿驱动微镜结构，如文献([4]Kim M et al.，“High fill-factor micromirror array using a self-aligned vertical comb drive actuator with two rotational axes”J.Micromech.Microeng.19.2009.[5]Tsai J et al.，″Two-axis MEMS scanners with radial vertical combdrive actuators-design，theoretical analysis，and fabrication″J.Opt.A：Pure Appl.Opt.10.2008；[6]Tsai J et al.，″Design，Fabrication，and Characterization of a High Fill-Factor，Large Scan-Angle，Two-Axis Scanner Array Driven by a Leverage Mechanism″Journal of Microelectromechanical system，Vol.15，NO.5，2006)。

为了实现微镜的两轴扭转，要求其设计及制造技术都非常高。但在波长选择开关的应用中，二轴微镜的一轴转动只是将光信号衰减到一定程度而不影响其它通道信号即可，并不需要像另一轴需要精确控制扭转角度以此来达 到精确的切换通道。而使用衰减器阵列又导致器件结构复杂，调试困难。因此本发明提出一种新颖的集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器实现一轴方向信号衰减，另一轴进行扭转角度的精密控制。该发明可以大大减化二轴微镜阵列器件的设计及制造难度，同时发明的微镜阵列器件也可在波长选择开关中得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器，同时利用该微镜阵列驱动器，可以制作波长选择开关器件。

本发明提出一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器由单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器阵列化排布而成。单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器由三个独立的功能部件组成，即下电极结构，中间电极结构和上电极结构共三个独立部分构成。

在单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的结构中下电极结构是，由台阶下电极、台阶下电极引线锚点、X轴转动方向基底镜面的限位平面构成，所述的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的台阶下电极结构，其整体作为施加电压驱动的下电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第一个独立部分，在下电极结构中台阶下电极由多个台阶结构构成，可以减少驱动电压，具体台阶数可按驱动要求而定。

在单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的结构中中间电极结构是由悬臂梁、X轴转动方向基底镜面、X轴转动方向基底镜面的限位凸点构成，所述的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的X轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的中间电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第二个独立部分。在驱动器的第二个独立部分，悬臂梁也可以为其它可以产生X轴转动方向的梁结构。

在单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的结构中上电极结构是由Y轴信号衰减方向的可动上镜面、Y轴信号衰减方向的固定上镜面、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点构成了单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的Y轴信号衰减方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的上电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第三个独立部分。

利用下电极结构和中间电极结构，可以构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器。同时利用X轴转动方向基底镜面的限位凸点和X轴转动方向基底镜面的限位平面来防止X轴转动方向的一轴微镜结构由于吸合效应导致的器件结构破坏。

利用键合技术将上电极结构键合在中间电极结构上，控制上电极结构和中间电极结构之间的驱动电压关系可以使得Y轴信号衰减方向的可动上镜面做上下的镜面运动。利用光栅光阀的原理可以实现Y轴方向的信号衰减，同时不影响X轴转动方向基底镜面的运动。

三个结构一起共同构成了单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器，并进行阵列化排布后形成集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器。通过控制下电极结构与中间电极结构之间的驱动关系可以使得X轴转动方向基底镜面实现X轴方向转动。而通过控制中间电极结构与上电极结构之间的驱动关系，可以使得Y轴信号衰减方向可动上镜面实现上下平动，使得Y轴方向信号获得期望的衰减值。两者共同控制就可以实现X轴方面镜面转动和Y轴方向信号衰减。

本发明提出的集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器在波长选择开关中的应用，由集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器、波分复用/解复用器以及相应光路构成。输入的DWDM光信号通过波分复用/解复用器后进行信号分解，同时通过光路将不同通道的光信号投射到不同的微镜上，通过集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器的选择控制不同的波长输出而构成波长选择开关器件。

本发明提出一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器及其在波长选择开关中的应用，其目的在于：提出一种新颖的集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器的结构，其利用光栅调制衰减器实现Y轴方向的信号衰减，用另一个一轴转动的微镜驱动器进行X轴方向角度选择，并利用MEMS键合技术将两种不同的结构结合在一起构成集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器。相对于现有实现的二轴微镜阵列技术方案有结构简单，可以大大减化二轴微镜阵列器件的设计及制造难度。同时本方案利用静电精密驱动，可以实现微镜面转动角度的精密可控，并可以实现光栅调制衰减器对光信号的衰减。利用本发明提供的二轴微镜阵列驱动器可以实现制作波长选择开关。

附图说明

图1为第一代ROADM技术方案示意图；

图2为第二代ROADM技术方案示意图；

图3为第三代ROADM技术方案示意图；

图4(a)本发明提出的利用单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器构成的集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器示意图；图4(b)集成光栅调制衰减器的微镜面驱动器结构装配示意图；

图5本发明提供的集成光栅调制衰减器的微镜面驱动器装配细节示意图；

图6为本发明提出的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器结构示意图；

图7为本发明提出的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器结构剖面示意图；

图8为本发明提出的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器结构悬臂梁处细节示意图；

图9为本发明提出的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器结构限位凸点处细节示意图；

图10为单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器中x轴转动方向的一轴微镜面驱动器示意图；

图11为单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器中y轴信号衰减方向的微镜面驱动器示意图；

图12为单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器中y轴信号衰减方向的微镜面驱动器正面俯视细节示意图；

图13为单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器中y轴信号衰减方向的微镜面驱动器与一轴微镜面驱动器构成的剖面示意图；

图14为本发明提出的利用集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器构成波长选择开关的原理图。

图中：悬臂梁1、台阶下电极2、台阶下电极引线锚点3、X轴转动方向基底镜面4、X轴转动方向基底镜面的限位凸点5、X轴转动方向基底镜面的限位平面6、Y轴信号衰减方向的可动上镜面7、Y轴信号衰减方向的固定上镜面8、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点9、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点10，下电极结构11，上电极结构12，上电极结构13，单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14，集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器15，波分复用/解复用器 16，光路17。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

本发明提出的一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器15由单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14阵列化排布而成，如图4(a)所示。集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14由下电极结构11，中间电极结构12和上电极结构13共三个独立部件构成，其三个独立部件的装配图如图4(b)所示。

单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14中三个独立部件的组成可由下述结构构成：悬臂梁1、台阶下电极2、台阶下电极引线锚点3、X轴转动方向基底镜面4、X轴转动方向基底镜面的限位凸点5、X轴转动方向基底镜面的限位平面6、Y轴信号衰减方向的可动上镜面7、Y轴信号衰减方向的固定上镜面8、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点9、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点10。其单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器14的整体示意图如图5和6所示，其剖面图如图7所示，其结构的细节放大图如图8和图9所示。

其中由台阶下电极2、台阶下电极引线锚点3、X轴转动方向基底镜面限位平面6构成了单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的台阶下电极结构，其整体作为施加电压驱动的下电极结构11。

由悬臂梁1、X轴转动方向基底镜面4、X轴转动方向基底镜面的限位凸点5构成了单个集成光栅调制衰减器的微镜面驱动器的X轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的中间电极12。

利用下电极结构11和中间电极结构12，可以构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。如图10所示。

由Y轴信号衰减方向的可动上镜面7、Y轴信号衰减方向的固定上镜面8、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点9、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点10构成了单个微镜驱动器的Y轴信号衰减方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的上电极结构13。其整体结构如图11所示，其局部放大图如图12所示，其与x轴转动方向的一轴微镜驱动器构成的剖面图如图13所示。上电极结构12中固定上镜面8和可动上镜面7可以是如图12所示的，也可以是固定上镜面8和可动 上镜面7都为悬空状态。

利用MEMS中的键合技术将下电极结构11、中间电极结构12和上电极结构13键合在一起，构成在X轴转动方向的一轴微镜结构以及在Y轴方向能信号衰减的光栅光阀结构。该结构实现了利用一轴切换信号，另一轴采用光栅光阀衰减器进行信号衰减。同时光栅调制衰减器在一轴扭转微镜的上面，可以和扭转微镜一起做扭转运动。两个结构一起共同构成了集成光栅调制衰减器的微镜驱动器，并排布形成集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器。通过控制下电极结构11和中间电极结构12之间的驱动关系可以使得微镜面实现X轴方向转动。而通过控制中间电极结构12与上电极结构13之间的驱动关系，可以使得微镜面实现Y轴方向信号衰减。两者共同控制就可以实现一轴信号切换另一轴信号衰减的微镜的驱动器。

本发明提出的一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器及其在波长选择开关中的应用由集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器15、波分复用/解复用器16和光路17构成，其构成原理图如图14所示。其具体实施方式为：光信号输入经过光栅后(其作为波分复用/解复用器16)，再经过光学透镜元件构成的光路17聚焦后投射到微镜阵列驱动器15上，通过控制微镜的扭转角度及其衰减器的衰减功能。反射入射的光信号经过光路17和光栅16后输出预计的输出通道完成波长选择开关功能。

Claims (9)

1.一种集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器，其特征在于所述的阵列驱动器是由单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器阵列化排布而成；单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器由下电极结构，中间电极结构和上电极结构共三个独立部分依次键合构成。

2.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于所述的下电极结构包括台鉴下电极、台阶下电极引线锚点、X轴转动方向基底镜面的限位平面，构成的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的台阶下电极结构，其整体作为施加电压驱动的下电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第一个独立部分。

3.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于所述的中间电极结构，包括悬臂梁、X轴转动方向基底镜面、X轴转动方向基底镜面的限位凸点，构成的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的X轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的中间电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第二个独立部分；在驱动器的第二个独立部分，悬臂梁或为其它可以产生X轴转动方向的梁结构。

4.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于所述的上电极结构包括Y轴信号衰减方向的可动上镜面、Y轴信号衰减方向的固定上镜面、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点、Y轴信号衰减方向的镜面支撑锚点，构成的单个集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的Y轴信号衰减方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的上电极结构，构成集成光栅调制衰减器的微镜驱动器的第三个独立部分。

5.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于利用下电极结构和中间电极结构，构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器，同时利用X轴转动方向基底镜面的限位凸点和X轴转动方向基底镜面的限位平面来防止X轴转动方向的一轴微镜结构由于吸合效应导致的器件结构破坏。

6.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于利用键合技术将上电极结构键合在中间电极结构上，控制上电极结构和中间电极结构之间的驱动电压关系可以使得Y轴信号衰减方向的可动上镜面做上下的镜面运动；利用光栅光阀的原理可以实现Y轴方向的信号衰减，同时不影响X轴转动方向基底镜面的运动。

7.按权利要求1所述的驱动器，其特征在于利用MEMS中的键合技术将下电极结构、中间电极结构和上电极结构键合在一起，构成在X轴转动方向的一轴微镜结构以及在Y轴方向能信号衰减的光栅光阀结构；该结构实现了利用一轴切换信号，另一轴采用光栅光阀衰减器进行信号衰减；同时光栅调制衰减器在一轴扭转微镜的上面，可以和扭转微镜一起做扭转运动；两个结构一起共同构成了集成光栅调制衰减器的微镜驱动器，并排布形成集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器；通过控制下电极结构和中间电极结构之间的驱动关系可以使得微镜面实现X轴方向转动；而通过控制中间电极结构与上电极结构之间的驱动关系，可以使得微镜面实现Y轴方向信号衰减。两者共同控制就可以实现一轴信号切换另一轴信号衰减的微镜的驱动器。

8.按权利要求1所述的驱动器在波长选择开关中的应用，其特征在于由集成光栅调制衰减器的微镜阵列驱动器、波分复用/解复用器和光路构成。

9.按权利要求8所述的应用，其特征在于光信号输入经过作为光栅的波分复用/解复用器后，再经过光学透镜元件构成的光路聚焦后投射到微镜阵列驱动器上，通过控制微镜的扭转角度及其衰减器的衰减功能，反射入射的光信号经过光路和波分复用/解复用器后输出预计的输出通道完成波长选择开关功能。

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