CN107219589B - 一种mems超环面微镜光纤光开关及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS超环面微镜光开关,使用超环面微镜作为光学反射模块，从发射端光纤射出的发散光，被超环面镜反射并会聚到接收端光纤中。超环面微镜通过MEMS工艺，使用渐变曝光的光刻方式批量生产，并使用多点电致伸缩材料支撑柱改变该微镜的角度。使用本发明提供的结构，可实现低插入损耗，高光学耦合效率，低串扰，高机械稳定性的高质量光开光，在光纤通讯和高端光纤传感器的应用中，具有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于光学器件、空间光学、光纤光学和材料微加工技术的交叉领域，具体为一种MEMS超环面微镜光纤光开关的技术。
背景技术
光纤光开关是一种常用于光纤通讯与光纤传感器领域的光学器件，作用是在不同光纤之间进行切换，使得不同的光纤通过光开光连接在一起。这种器件，在光通讯中，可以将不同光纤通道连接在一起，达到切换信号源或接收源之目的。在光纤传感领域尤其常用，使用光开光选择性的将不同的传感光纤和光源、解调仪器连接在一起，可使得多条传感光纤共享一套光源和解调仪，极大降低成本，减小系统体积。
光纤光开关分为两类，机械光开光和MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）光开关。其中，机械光开关使用传统机械平移对准技术连接不同光纤接口，光纤接口间切换速度慢，一般为毫秒至秒量级，并且，机械光开光包含长程运动部件，导致其易损耗，寿命短，抗震能力弱。MEMS光开光主要基于MEMS反射镜，是使用MEMS微加工技术制作芯片式微反射镜，通过控制信号诸如电压/电流信号实现MEMS反射镜的微小偏转，改变该反射镜角度以改变光路，进而实现不同光纤之间连接的技术。MEMS光开关具有体积小，插入损耗低，串扰小，切换速度快（微秒），重复性好等优点，在高速光通信与高级光纤传感器中具有广泛应用前景。
MEMS微镜，是使用MEMS微加工技术在硅基底材料上生产的极微小透镜或反射镜，用于在极小空间中的实现光学对焦、反射等。MEMS微镜是MEMS光纤光开光中的核心元件，其作用为提供镜面反射，连接满足反射定律的两根光纤。截止目前的现有技术中，用在光纤光开光的反射微镜，都是平面镜，目前尚无曲面镜的技术报道。生产MEMS平面镜具有价格低廉的特点，但是，光纤出射光具有发散特性，平面镜反射无法改变光线发散的特点，因而接收端光纤无法完全接收发射端光纤的光强，这导致了光开关插入损耗，另外，发散光还将造成的光纤间的串扰现象。
作为微镜生产工艺，现有技术中存在大量的技术方案，诸如JP特开2001-145959中即公开了这样一种曲面形成方法，所述方法包括形成树脂层的步骤和对所述树脂层进行曝光的步骤，通过连续光辐照从上述树脂层表面侧依次硬化，随着硬化而光硬化性树脂的体积减少和流动从而使上述树脂层表面变形，以形成曲面。类似的蚀刻或者光刻技术现有技术中存在大量的专利文献，诸如JP特开2010-60681A，JP4417881B，JP2004-155-83A，JP2006-330085，US5620814A，JP特开平8-220388A，JP2002-131518A等等。
作为光开关，诸如中国专利文献CN1069127A中公开了一种光开关装置与方法，在基片上形成至少一个反射镜，光纤耦合到所述基片上，通过至少一个微透镜阵列对透过所述反射镜的光进行聚焦，通过空间光调制器对所述光进行调制，封装形成光开关。
再诸如中国专利文献CN1397812A中公开了一种光开关系统和方法，包括光纤阵列、微透镜阵列、波长色散元件、光重定向元件、MEMS器件等等，实现一种全交叉光开关。
然而，现有技术中的光纤光开关几乎全部都是平面微镜光纤光开关，插入损耗大，串扰严重，稳定性差。
另一方面，对于传统MEMS微镜，通常使用长度比较长的悬臂梁悬挂微镜，并通过悬臂梁曲率、长度或应力的变化对MEMS光开光中微镜角度进行调整，这种使用悬臂梁的悬挂方法，对外界振动敏感，不易于在相对恶劣的环境，尤其是外界振动强烈的情况下使用。现有技术中对于悬臂的改良方案也有很多。诸如中国专利文献CN101937128A，公开了一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜及其制造方法，包括一个微反射镜面，三个压电悬臂梁，三个弓形弯曲弹性窄梁，在该MEMS微镜的制作中，采用了溅射法、干式蚀刻法形成所述悬臂梁和微反射镜。利用该方案，能够有效缓解微反射镜面所受应力产生的形变，降低光损耗。
对悬臂梁进行类似改良的还诸如中国专利CN101587240A、CN1405593A、CN1587022A等等，然而这些方案抗震动能力弱，可靠度和稳定性不足。
因此，亟需一种真正意义上的曲面微镜和稳定的支撑柱形成的技术方案来提高光纤光开关的抗震抗串扰低损耗的能力。
发明内容
鉴于上述技术问题，为了解决平面微镜光纤光开关插入损耗大，串扰严重，稳定性差等问题，本发明目的在于提供一种低损耗、高性能的基于超环面微镜的光纤光开关及其制备方法。
具体的，本发明解决该技术问题采用以下的技术方案：
1.一种光纤光开关，其特征在于，包括超环面微镜作为光学反射模块，以将由发射端光纤射出的发散光，反射并会聚到接收端光纤中。
2. 如上所述光纤光开关，其特征在于，所述超环面微镜，使用MEMS渐变曝光的光刻方式生产，以实现所述超环面微镜表面曲率与设计曲率一致。
3. 如上所述光纤光开关，其特征在于，还包括电致伸缩柱体以作为上述超环面微镜的支撑结构，所述电致伸缩柱体采用电致伸缩材料制成，利用所述电致伸缩柱体的多点支撑柱，实现上述超环面微镜的支撑和方向的改变。
4. 如上所述光纤光开关，其特征在于，通过沉积金属膜形成上述电致伸缩柱体的电极。
5. 如上所述光纤光开关，其特征在于，上述电致伸缩柱体，可采用包括但不限于激光切割或聚焦离子束刻蚀等方式制备。
6. 如上所述光纤光开关，其特征在于，通过设置安装结构实现上述电致伸缩柱体在基底中的嵌入与固定，其中，所述安装结构通过在基底上进行刻蚀形成。
根据本发明，所述超环面镜是一种反射镜，俗称轮胎镜，其有两个相互垂直方向上的曲率半径，触光面横向方向上的面为横向面，纵向方向上的面为纵向面，入射光经过该超环面镜聚焦后，产生横向面聚焦点和纵向面聚焦点，所述横向面聚焦点和纵向面聚焦点均与所述超环面镜聚焦点重合，其后子午方向的像与弧矢方向的像重合。该超环面镜具有超环面，对微镜中心波长具有高的反射率，而对于其它波长则以透射为主。
根据本发明，由于本发明使用超环面微镜代替传统光开光中的平面微镜，接收端光纤可以完全接收发射端光纤出射的光强，可极大降低光开关的插入损耗，提高光开关的效率。
根据本发明，作为所述电致伸缩材料，可以采用含铅的弛豫铁电体复合钙钛矿型结构的材料，如铌镁酸铅、铌锌酸铅等【(PbZrO3-PbTiO3(PZT)，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)， Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)等】，也可以采用无铅电致伸缩材料，如以BaTiO3为主要成分并添加有CuO和Nb2O5的BaTiO3系瓷料等，还可以是以(Bi0.5Na0.5)TiO3为主要成分的瓷料，或者是上述瓷料中的钡的至少—部分用锶置换的瓷料。
根据本发明，由于本发明采用了超环面微镜作为光学反射模块，采用电致伸缩柱体作为上述超环面微镜的支撑结构，所以本发明结合了超环面镜的高质量光学聚焦性能和电致伸缩材料长度易于控制的特点，摒弃了微镜系统的悬臂梁结构，可实现发明所述光开光优异的光学性能和机械稳定性，对于需要高质量光纤光开光进行光切换的应用具有很强的促进作用。
根据本发明，由于所述超环面微镜使用MEMS微加工工艺，结合梯度曝光的光刻方法和腐蚀方法制备，这种微镜生产工艺在批量生产时，其成本虽然与同样用MEMS工艺制作的平面微镜基本一致，但可大幅提高光纤光开光的性能，这对高性能光纤通信和光纤传感器的发展，起到了积极的推动作用。
根据本发明，由于超环面镜有两个独立的曲率半径，直接加工这样的镜面较为困难，因而成本较高，已经加工好的超环面镜的曲率半径也无法再改变。采用本发明的MEMS微加工工艺，结合梯度曝光的光刻方法和腐蚀方法制备超环面微镜，能够大幅降低生产成本。
根据本发明，由于本发明通过电致伸缩柱体作为微镜的支撑，从而能够通过电压改变支撑柱长度，进而改变微镜角度。这种设计，在实际应用上，其稳定性相对于悬臂梁有极大的优势，由此，能够在相对恶劣的环境，尤其是外界振动强烈的情况下使用时有极大的优势。
附图说明
图1为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的微反射镜连接相关光纤的原理示意图。
图2为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的采用MEMS工艺的渐变曝光光刻法制作超环面微镜的示意图。
图3为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的由电致伸缩材料制作电致伸缩支撑柱的示意图。
图4为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的微镜搭载基底的示意图。
图5为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的电致伸缩晶体与基底相结合形成支撑柱的示意图。
图6为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的微镜搭载基底和电致伸缩支撑柱组合并连接电极的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图结合具体实施例对本发明作出详细的说明，本领域技术人员懂得，该说明是示例性的，本领域技术人员能够对本发明作出各种修饰和变更，本发明并不仅限于该具体实施方式。
图1为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的微反射镜连接相关光纤的原理示意图。
如图1所示，附图标记1为MEMS超环面微镜，2为发射光纤束（发射端光纤），3为接收光纤束（接收端光纤）。本发明的MEMS超环面微镜光纤光开关，包括超环面微镜1作为光学反射模块，以将由发射端光纤2射出的发散光，反射并会聚到接收端光纤3中。换言之，发射光纤束2中某根光纤射出的发散光，经过超环面反射微镜1反射并会聚，当超环面镜1调整至特定角度，将会聚光斑调节至接收光纤束3中某根光纤。超环面镜1对发散光的有效会聚，可使得接收光纤3以极小的损耗收到绝大部分光线。超环面镜1的这种特性，远优于平面微镜，因为后者并不改变发散光的特性，不可避免接收端不完全接收造成的损耗。
根据空间光光路可逆原理，发射光纤束2与接收光纤束3地位等价，可相互发送及接收。
根据所述原理，通过改变图1中的微镜1的角度，可实现发射光纤束2与接收光纤束3间任意两根光纤的两两相连，因此，该图1实际上可视为N×N光开光的原理图。
本方案中，由于使用超环面微镜代替传统光开光中的平面微镜，接收端光纤3可以完全接收发射端光纤2出射的光强，可极大降低光开关的插入损耗，提高光开关的效率。
图2为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的采用MEMS工艺的渐变曝光光刻法制作超环面微镜的示意图。
图2（a）示出了本发明具体实施方式中使用MEMS工艺的渐变曝光光刻法制作超环面镜的示意图。附图标记4为掩膜板，5为曲面光刻胶，6为微镜基底材料。图2（b）为本发明具体实施方式中使用MEMS工艺的渐变曝光光刻法在微镜基底材料6上覆盖一层曲面光刻胶5（图2（a）中示出）的状态图。图2（c）为本发明具体实施方式中使用MEMS工艺的渐变曝光光刻法在基底材料上形成相应的曲面的状态图。100表示为最终所得到的沉积了金属膜7的MEMS超环面微镜模块。
如图2（a）所示，在采用所述MEMS渐变曝光的光刻法制作超环面镜的工艺中，使用渐变透射率的掩膜板4作为掩模进行光刻，其中，该渐变透射率掩膜板4，主要通过在光学透明材料内部不同浓度掺杂使得不同区域呈现不同的光透射率，在相同曝光时间下，透过率高的部分，激光束沿着图中箭头的方向照射到该掩膜板4上，位于该掩膜板4下方的光刻胶5接收到高能辐照而进行曝光，使得该光刻胶5的高能辐照区的性能比低辐照区域产生更多变化而形成曲面形状，在曝光结束之后，通过加热固化和除去辐照不足部分的光刻胶的动作，即可在微镜基底材料6上形成曲面光刻胶5。
图2（b）示出了采用所述MEMS工艺的渐变曝光光刻法在微镜基底材料6上覆盖一层曲面光刻胶5的状态。在该状态中，超环面镜的曲面是通过各向同性的化学腐蚀实现的，在光刻胶5脱胶时，薄的部分覆盖的基底材料6首先暴露在化学腐蚀液中，并被首先腐蚀，在基底材料上形成相应的曲面。当光刻胶5完全脱胶后，基底材料6再腐蚀至相应厚度，并即可停止腐蚀动作。
图2（c）示出了使用MEMS工艺的渐变曝光光刻法在微镜基底材料上形成相应的曲面的状态图。如图2（c）所示，在完成如图2（b）所示基底材料6的曲面光刻胶5的腐蚀之后，在所述曲面表面沉积一层金属膜13，以最终形成MEMS微镜模块100。其中，由于在所述曲面表面沉积了一层金属膜13，所以能够大幅提高所述MEMS微镜的反射率。
图3为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中的由电致伸缩材料制作电致伸缩支撑柱（即电致伸缩柱体）的示意图。
如图3所示，所述电致伸缩支撑柱8（即电致伸缩柱体）的基底为块体，优选为薄片形状块体。所述电致伸缩柱体8的基底上下两面覆盖金属层7、13（图5中也示出）作为导电膜层。电致伸缩柱体8可使用离子束刻蚀或激光切割等方式从基底中提取出来。其中，激光切割的具体实现方法为，先在基底上下两面制备金属膜，再将激光聚焦至基底待切割处，通过可编程二维运动平台调整光束的聚焦轨迹，并使用惰性气体吹洗基底防止金属氧化。激光应遵循该二维移动轨迹在电致伸缩薄片基底上多次切割，并调节激光束的聚焦位置，中块体表面逐渐深入，最终切割透该薄片而将柱体8从基底中分离出来。离子束刻蚀制备柱体8的具体实施方式为，首先在基底上下两面制备金属膜，并根据具体图案制作镂空的掩膜板。掩膜板放置于电致伸缩基底表面，高能离子束可从掩膜板镂空处通过并刻蚀基底，基底其它部分则不被刻蚀。离子束将刻蚀透该薄片基底，从而将柱体8分离出来。
图4为示出本发明一具体实施方式涉及的MEMS超环面微镜光开关中用于搭载微镜的基底9的示意图。
如图4所示，基底9上的图案被深度离子束刻蚀深入所述基底9内部。该基底9的材料为单晶硅。在中央设置一个中心大孔10，主要用于封装时方便点胶。在中心大孔10周围，分布若干小孔11，优选的，以120度角等角分布3个小孔11（图中示出的是3个小孔的情形），所述小孔11的直径与所述电致伸缩柱体8适配，用于固定所述电致伸缩支撑柱8。在小孔11外围还分布有与其相连的刻蚀图案12。进行离子束刻蚀前，先在基底9表面上根据总体设计图案制作掩模，然后使用深度离子束刻蚀方法将该总体图案刻蚀至基底9内部。离子束刻蚀结束后，在其底部沉积金属用于导电。第二步将制作镂空掩膜板，其镂空部分形状尺寸与中心大孔一致。再次使用物理刻蚀方法去除中心大孔底面的金属，从而在基底图案的底面，形成了三块互不相连的导电区域。每块区域独立给一根电致伸缩材料支撑柱8加电。
应当懂得，本领域技术人员能够对上述基底图案做出各种修饰和变更而设计成具有类似功能的结构，而这些修饰和变更应当也属于本发明的一部分。
图5为示出所述MEMS超环面微镜光开关中的电致伸缩晶体与基底相结合形成支撑柱的示意图。
如图5所示，3根电致伸缩支撑柱8安装于图4所述的3个小孔11中。在每个小孔11与基底9（图4中示出）的下接触面上形成有下金属膜面，在所述下金属膜面的3个表面上沉积有金属膜层，形成金属层13。同样，在每个小孔11与基底9（图4中示出）的上接触面上形成有上金属膜面，在上金属膜面的表面上也沉积有金属膜层，形成金属层7。所述支撑柱8的底面采用导电胶，例如导电银浆等，粘贴在基底9的所述导电面（即下金属膜面的金属层13）上，以保证良好的电导特性。另外，为提高所述支撑柱8的稳定度，还可从所述基底9的中间大孔10在支撑柱8侧面点胶达成与基底9的牢固封装。
图6为示出所述MEMS超环面微镜光开关中的微镜搭载基底和电致伸缩支撑柱组合并连接电极的示意图。
如图6所示，在图5所述结构上，将微镜模块100粘贴在3根电致伸缩柱体8上。三根柱体8依照图示方案引出导线，分别加电，从而改变支撑柱8物理长度和微镜100的角度。
综上所述，通过具体实施方式对本发明作出了详细的描述，然而，本领域技术人员懂得，可以在本发明内容的基础上作出各种修饰和变更，只要不脱离本发明宗旨和精神，所作出的这些修饰和变更均应当落入本发明的保护范围之内，本发明的保护范围由所附权利要求限定。
Claims (6)
1.一种光纤光开关，其特征在于，包括超环面微镜、发射光纤束、接收光纤束、电致伸缩柱体和基底，其中，所述超环面微镜作为光学反射模块，以将由所述发射光纤束射出的发散光，反射并会聚到接收光纤束中，通过改变所述超环面微镜的角度，实现发射光纤束和所述接收光纤束间任意两根光纤的两两相连，所述电致伸缩柱体作为上述超环面微镜的支撑结构，利用所述电致伸缩柱体的多点支撑柱，实现上述超环面微镜的支撑和方向的改变，上述电致伸缩柱体嵌入并固定在所述基底中。
2.如权利要求1所述的光纤光开关，其特征在于，所述超环面微镜，使用MEMS渐变曝光的光刻方式生产，以实现所述超环面微镜表面曲率与设计曲率一致。
3.如权利要求1所述的光纤光开关，其特征在于，所述电致伸缩柱体采用电致伸缩材料制成。
4.如权利要求1所述的光纤光开关，其特征在于，通过沉积金属膜形成上述电致伸缩柱体的电极。
5.如权利要求1所述的光纤光开关，其特征在于，上述电致伸缩柱体采用激光切割或聚焦离子束刻蚀方式制备。
6.如权利要求1所述的光纤光开关，其特征在于，通过设置安装结构实现将上述电致伸缩柱体嵌入并固定在所述基底中，所述安装结构通过在基底上进行刻蚀形成。
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