CN105068190B - 一种mems光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS光开关，包括驱动模块、折叠梁、支撑梁、微反射镜、输入光纤和输出光纤，其中微反射镜位于支撑梁中间位置，支撑梁的两端设置有驱动模块，驱动模块侧面设置有折叠梁；沿支撑梁方向顺向排布的驱动模块为静电梳齿驱动结构，由可动梳齿和固定梳齿组成，微反射镜为M形，其中间部位形成尖端，通过改变输入光纤与M形微反射镜中间部位尖端的相对位置，使得来自输入光纤的输入光通过微反射镜不同位置处的反射传输至不同的输出光纤。本发明在相同驱动电压的作用下，左右两驱动端产生同向的静电力，其合力为传统单端驱动结构产生的驱动力的两倍，提高了MEMS光开关静电驱动能力，有利于降低驱动电压。

Description

一种MEMS光开关
技术领域
本发明涉及一种光开关，特别涉及一种通过反射实现输入光传播方向的改变，从而实现开关功能的MEMS光开关。本发明应用于光纤通信系统、分布式光纤传感、光纤测量系统和激光点火系统当中，用于实现光信号以及光能量的切换。
背景技术
光开关是一种具有一个或多个选通端口的光路转换器件，其作用是对光学信号及能量进行切换，从而实现物理开关或者逻辑寻址的功能。在光通信网络中主要功能用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换线路。在光纤测试系统中，多用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感的多点监测系统。在激光起爆系统中，多用于预保护机制及多模寻址点火。
传统机械式光开关多采用继电器式的控制模式，其功耗高，体积大，开关速度低，可扩展性差。另一种是通过继电器控制反射镜或这棱镜进出光路的光开关，使输入光切换至平行排布的输出准直器中，进行输出切换时，输入光需经历4次反射，影响耦合效率，同时受限于继电器式较慢的切换时间以及较大的体积，不利于实现大规模商业应用。还有一种是采用旋转驱动方式切换反射带，输入光经过不同反射带双反射进入输出光纤，实现光路选通，受限于机械加工精度和旋转驱动方式，不利于提高光路切换精度、开关时间和缩小驱动位移；其产品为功能固定的小型化系统，同时受限于机械式光开关的体积，不利于集成与大规模光开关阵列的商业应用。
MEMS式光开关功耗低，体积小，开关速度快，可扩展性高，而且其工艺稳定性高，成本低，可批量化制造。MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向均无关，是无源光开关，符合全光网络所要求的透明性和可扩展性，因而成为市场应用的主要产品。日本航空电子工业株式会社公开的反射形光开关(公开号CN 10106372A)，采用一个固定微镜和一个静电梳齿驱动的移动微镜来实现光路切换，移动微镜与输入光纤成一锐角，不利于缩小驱动位移；其输入输出光纤布置于同侧，但彼此成一定角度，不利于封装和集成。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种MEMS光开关，其采用双端驱动与非平行分布式弹性折叠梁设计，实现输入光传输光路的切换，有利于降低驱动电压与驱动位移，有利于芯片小型化与提高集成度。
本发明的技术解决方案是：
一种MEMS光开关，包括驱动模块、折叠梁、支撑梁、微反射镜、输入光纤和输出光纤，其中微反射镜位于支撑梁中间位置，支撑梁的两端设置有驱动模块，驱动模块侧面设置有折叠梁；
沿支撑梁方向顺向排布的驱动模块为静电梳齿驱动结构，由可动梳齿和固定梳齿组成，折叠梁为非平行分布式弹性结构，其一端与外界固连，另一端与可动梳齿连接，固定梳齿与外界固连，初始时刻可动梳齿与固定梳齿为非交叠状态，在相同驱动电压的作用下，驱动模块产生同向的静电力，固定梳齿与可动梳齿相互吸引带动折叠梁产生沿支撑梁方向顺向的形变，进而促使支撑梁移动；
微反射镜为M形，其中间部位形成尖端，通过改变输入光纤与M形微反射镜中间部位尖端的相对位置，使得来自输入光纤的输入光通过微反射镜不同位置处的反射作用，传输至不同的输出光纤。
输入光纤、输出光纤和驱动模块位于M形微反射镜同侧排布。
靠近支撑梁的可动梳齿上设置有止挡块，外界设置有与止挡块配合的止挡板，当加载驱动电压，M形微反射镜产生目标位移时，止挡块与止挡板相互接触，形成位移止挡。
输入光纤、输出光纤和驱动模块位于M形微反射镜异侧排布。
非平行分布式弹性折叠梁结构为包含两个彼此呈一定角度的单独弹性梁，弹性梁两端宽度较细，中间部分宽度较粗，通过可动质量块连接在一起。
输入光纤布置于两个输出光纤之间。
输入光纤与输出光纤平行布置。
两输出光纤之间具有一定间距，避免之间互相串扰。
所述静电梳齿驱动结构为楔形梳齿。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中采用双端驱动分别布置于微反射镜的左、右两端并成顺向排布，在相同驱动电压的作用下，左右两驱动端产生同向的静电力，其合力为传统单端驱动结构产生的驱动力的两倍，提高了MEMS光开关静电驱动能力，有利于降低驱动电压。
(2)本发明中采用了非平行分布式弹性折叠梁设计，非平行的设计与传统平行排布的折叠梁相比，结构变形能力更强，从而有利于提高驱动位移，降低驱动电压。两个单独的弹性梁采用两端宽度较细，中间部分宽度较粗设计，在保证系统整体强度的同时，有利于降低系统刚度，降低驱动电压。
(3)本发明中在系统可动结构与固定结构上设计了位移止挡块和止挡板，当加载驱动电压后，微反射镜产生目标位移，止挡块和止挡板发生接触，形成位移止挡，有利于提高驱动位移准确性，避免位移超调。
(4)本发明中驱动模块、输入光纤和输出光纤均位于M形微反射镜的内侧，输入光纤与输出光纤彼此间平行布置，这种布置有利于缩小芯片面积，便于芯片的小型化，提高芯片面积利用率，提高芯片的封装与可集成扩展能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明光路切换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种MEMS光开关，包括驱动模块1、折叠梁2、支撑梁3、微反射镜4、输入光纤5和输出光纤6，其中微反射镜4位于支撑梁3中间位置，支撑梁3的两端设置有驱动模块1，驱动模块1侧面设置有折叠梁2；
沿支撑梁3方向顺向排布的驱动模块1为静电梳齿驱动结构，该结构为楔形梳齿，楔形梳齿相较于传统矩形梳齿，有利于提高驱动位移，降低驱动电压；可动梳齿与固定梳齿非交叠的初始排布有利于提高驱动结构侧向稳定性，增大系统位移。
静电梳齿驱动结构由可动梳齿11和固定梳齿12组成，折叠梁2为非平行分布式弹性结构，其一端与外界固连，另一端与可动梳齿11连接，固定梳齿12与外界固连，初始时刻可动梳齿11与固定梳齿12为非交叠状态，在相同驱动电压的作用下，驱动模块1产生同向的静电力，固定梳齿12与可动梳齿11相互吸引带动折叠梁2产生沿支撑梁3方向顺向的形变，进而促使支撑梁3移动；
微反射镜4为M形，其中间部位形成尖端，通过改变输入光纤5与M形微反射镜4中间部位尖端的相对位置，使得来自输入光纤5的输入光通过微反射镜4不同位置处的反射作用，传输至不同的输出光纤6。通过移动尖端，改变尖端与输入光纤之间的位置，从而实现光路切换，使得理论最小驱动位移为1倍光纤芯径；本发明与典型光路切换方式相比，最小驱动位移降低30％，有利于缩短光路切换所需的驱动行程。
输入光纤5、输出光纤6和驱动模块1位于M形微反射镜4同侧排布。
靠近支撑梁的可动梳齿上设置有止挡块7，外界设置有与止挡块7配合的止挡板8，当加载驱动电压，M形微反射镜4产生目标位移时，止挡块7与止挡板8相互接触，形成位移止挡。
非平行分布式弹性折叠梁2结构为包含两个彼此呈一定角度的单独弹性梁9，弹性梁9两端宽度较细，中间部分宽度较粗，通过可动质量块10连接在一起。
输入光纤5布置于两个输出光纤6之间，输入光纤5与输出光纤6平行布置，输入光经过不同组双反射平面进入相应的输出光纤，两输出光纤之间具有足够大的间距，有利于降低串扰，提高隔离度。
如图2所示，光信号经过输入光纤5进入系统，未加载驱动电压时，M形微反射镜4中间部位尖端位于输入光线1左侧，输入光经过M型微反射镜4的双反射作用，进入到右端输出光纤5中；在可动梳齿11与固定梳齿12之间加载驱动电压后，可动梳齿11与固定梳齿12相互吸引，驱动M形微反射镜4向右移动，达到目标位置后，止挡块7与止挡板8发生接触，此时M形微反射镜4中间部位尖端移动至输入光纤1右侧，输入光经过M形微反射镜4双反射作用，进入到左端输出光纤5中，从而实现光路切换的功能。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种MEMS光开关，其特征在于，包括驱动模块(1)、折叠梁(2)、支撑梁(3)、微反射镜(4)、输入光纤(5)和输出光纤(6)，其中微反射镜(4)位于支撑梁(3)中间位置，支撑梁(3)的两端设置有驱动模块(1)，驱动模块(1)侧面设置有折叠梁(2)；
沿支撑梁(3)方向顺向排布的驱动模块(1)为静电梳齿驱动结构，由可动梳齿(11)和固定梳齿(12)组成，折叠梁(2)为非平行分布式弹性结构，其一端与外界固连，另一端与可动梳齿(11)连接；非平行分布式弹性折叠梁(2)结构为包含两个彼此呈一定角度的单独弹性梁(9)，弹性梁(9)两端宽度较细，中间部分宽度较粗，通过可动质量块(10)连接在一起；固定梳齿(12)与外界固连，初始时刻可动梳齿(11)与固定梳齿(12)为非交叠状态，在相同驱动电压的作用下，驱动模块(1)产生同向的静电力，固定梳齿(12)与可动梳齿(11)相互吸引带动折叠梁(2)产生沿支撑梁(3)方向顺向的形变，进而促使支撑梁(3)移动；
微反射镜(4)为M形，其中间部位形成尖端，通过改变输入光纤(5)与M形微反射镜(4)中间部位尖端的相对位置，使得来自输入光纤(5)的输入光通过微反射镜(4)不同位置处的反射作用，传输至不同的输出光纤(6)。
2.如权利要求1所述的一种MEMS光开关，其特征在于，输入光纤(5)、输出光纤(6)和驱动模块(1)位于M形微反射镜(4)同侧排布。
3.如权利要求1所述的一种MEMS光开关，其特征在于，靠近支撑梁的可动梳齿上设置有止挡块(7)，外界设置有与止挡块(7)配合的止挡板(8)，当加载驱动电压，M形微反射镜(4)产生目标位移时，止挡块(7)与止挡板(8)相互接触，形成位移止挡。
4.如权利要求1所述的一种MEMS光开关，其特征在于，输入光纤(5)、输出光纤(6)和驱动模块(1)位于M形微反射镜(4)异侧排布。
5.如权利要求1所述的一种MEMS光开关，其特征在于，输入光纤(5)布置于两个输出光纤(6)之间。
6.如权利要求5所述的一种MEMS光开关，其特征在于，输入光纤(5)与输出光纤(6)平行布置。
7.如权利要求6所述的一种MEMS光开关，其特征在于，两输出光纤(6)之间具有一定间距，避免之间互相串扰。
8.如权利要求1所述的一种MEMS光开关，其特征在于，所述静电梳齿驱动结构为楔形梳齿。
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