CN112305676B - 基于静电梳驱动的硅基mems光开关及n×n阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电梳驱动的硅基波导MEMS光开关及N×N阵列。光开关主要由两个分离的交叉波导镜、静电梳驱动器两部分构成。交叉波导由两个相交的宽波导和四个绝热锥型波导构成；静电梳驱动器包括静电梳、岛簧结构、传动杆；静电梳是一对梳齿结构，通过给其中固定的梳齿加上电压，其他部分保持接地；在静电力作用下，可动梳齿向固定梳齿运动，弹簧发生形变，并通过传动杆推动可动交叉波导镜向固定交叉波导镜运动，分离的交叉波导镜重组为完整的交叉波导。本发明依靠静电梳驱动器来调控光开关的输出光路，最终实现了低损耗高消光比的2×2光开关单元及N×N阵列，具有大带宽、低损耗、高消光比、低能耗且结构简洁、控制方便、工艺简便等突出优点。

Description

基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关及N×N阵列

技术领域

本发明属于集成光电子器件领域，具体涉及一种硅基波导MEMS光开关及阵列，尤其是涉及一种能通过静电梳驱动来控制交叉波导镜的移动从而调控光的传输方向的集成硅基波导MEMS光开关及阵列。

背景技术

随着5G、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术加快成熟应用，数据中心网络规模不断扩大，包含数万台乃至数十万台服务器的仓库级大规模数据中心快速发展，其数据流量急剧增加，亟需发展新一代大数据中心，为数字经济发展提供有力支撑。针对这一重大需求，光互联迅速兴起并成为大规模数据中心的关键技术，在带宽及能耗方面体现出传统电互联无法比拟的天然优势，为解决数据中心带宽及能耗等瓶颈问题提供了有效途径。

随着光互联网络规模不断扩大及其架构日益复杂，如何在超大容量基础上进一步推进光互联网络路由交换成为亟需解决的关键问题。在常见的三种光路由交换方式中，光突发交换是目前的主流交换方式，其速度要求为微秒级，且具有突出的灵活性和高效性。对于光路由交换，大规模N×N光开关阵列是其核心。因此，近年来国内外研究机构和研究人员对此高度重视，逐渐发展了不同材料、不同原理和不同结构的光开关阵列。其中，硅光技术具有CMOS工艺兼容、高集成度、低成本、易于大规模集成等突出优势，为实现大规模光开关阵列提供了重要平台。近年来，硅基光开关及阵列以其巨大发展潜力而备受关注并取得系列重要进展。

MEMS具有将电、机械和光学元件集成在单个芯片上的独特能力，又由于此类系统的微/纳米尺度，与宏观尺度系统相比，它们具有不同的特性(低损耗，切换速度，可靠性，可扩展性等)。目前，MEMS光开关已用于在远距离传输大带宽数据的通信网络中。

根据开关内部的光信号传播，基于MEMS的开关可分为两类：自由空间开关和波导光开关。在自由空间光开关中，光信号在自由空间中传播，并沿其路径被导向所需的输出光纤。这里最常使用直径几百微米的可移动微镜来实现光路的偏转。另一方面，在波导光开关中，光信号束缚在波导中传播，通过将波导或耦合器调整到特定位置来实现光路的切换。传统的基于3D MEMS的开关具有良好的可扩展性(数百个输入/输出端口)，低插入损耗和低串扰，但开关时间(几毫秒或几十毫秒)较长。当前，基于MEMS的波导光开关正在打开构建全光开关的新方式。它们可以提供较快的切换时间(亚微秒或几微秒)，较低的插入损耗和串扰，和相对大量的输入/输出端口。通过特殊的设计，也能实现大带宽(绝热型耦合器)、偏振不敏感等特性。在不久的将来，MEMS技术仍然是全光通信网络的关键交换技术之一，基于MEMS的波导光开关可能会成为下一代新型光开关。

发明内容

针对已有的背景技术，本发明的目的在于提供一种靠静电梳驱动的硅基波导MEMS光开关及N×N阵列。通过给固定静电梳齿施加电压，控制可动梳齿运动，并带动传动杆运动，以此调节两个交叉波导镜之间的距离，达到光路切换或分光的效果。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括硅基底以及置于硅基底上的静电梳驱动器和两个相分离的固定交叉波导镜、可动交叉波导镜，固定交叉波导镜底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上，可动交叉波导镜和静电梳驱动器连接，并由静电梳驱动器带动可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近或者远离方向移动。

所述的固定交叉波导镜和可动交叉波导镜结构相同，均主要由V形的宽波导和连接在宽波导两端的绝热锥型波导构成。

固定交叉波导镜和可动交叉波导镜能够对接成完整的交叉波导结构，且在固定交叉波导镜或者可动交叉波导镜的宽波导每一端依次连接上单模弯曲波导与单模直波导，使得相邻光开关单元之间进行连接，单模波导作为输入输出波导。

所述静电梳驱动器主要由一对静电梳齿、第一岛簧结构、第二岛簧结构和一个传动杆构成；传动杆沿可动交叉波导镜的移动方向布置，传动杆一端固定连接到可动交叉波导镜，从可动交叉波导镜到传动杆另一端依次设有第一岛簧结构、一对静电梳齿和第二岛簧结构；第一岛簧结构和第二岛簧结构的结构相同，均包括四个固定岛和两个折叠式弹簧，四个固定岛中以两个为一组构成两组固定岛，两组固定岛对称分布于传动杆的两侧侧旁，且每组固定岛中的两个固定岛沿传动杆方向间隔布置，固定岛底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上；两组固定岛各自侧方均设有一个折叠式弹簧，每个折叠式弹簧主要由主杆以及分别固定连接在主杆两端和中部的分支臂构成，主杆两端的分支臂分别固定连接于一组固定岛中的两个固定岛侧面，主杆中部的分支臂固定连接于传动杆侧面；一对静电梳齿分为固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿和可动梳齿均分为对称布置于传动杆两侧的两个部分，固定梳齿的两个部分和传动杆之间具有间隙不接触连接，可动梳齿的两个部分分别和传动杆两侧面固定连接，固定梳齿和可动梳齿的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上。

所述的固定梳齿的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿施加电压，带动可动梳齿朝向固定梳齿移动，进而带动传动杆及其所连接的可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动直到连接于固定交叉波导镜，以及带动两个岛簧结构中的折叠式弹簧柔性变形。

通过调节施加在固定梳齿上的电压大小，调控可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动的距离，调整两个分离的可动交叉波导镜和固定交叉波导镜之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光等功能。

所述的折叠式弹簧的主杆和分支臂均是条形硅，折叠式弹簧能在传动杆的推动下发生弯曲形变。

所述静电梳驱动器为双稳态静电梳驱动器，主要由静电梳齿组、第三岛簧结构、第四岛簧结构和一个传动杆构成；传动杆沿可动交叉波导镜的移动方向布置，传动杆一端固定连接到可动交叉波导镜，从可动交叉波导镜到传动杆另一端依次设有第三岛簧结构、静电梳齿组和第四岛簧结构；第三岛簧结构和第四岛簧结构的结构相同，均包括两个固定岛和双稳态弹簧，两个固定岛对称分布于传动杆的两侧，固定岛底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上，两个固定岛到传动杆之间均通过各自的双稳态弹簧连接；静电梳齿组分为固定梳齿一、双边可动梳齿和固定梳齿二，固定梳齿一、双边可动梳齿和固定梳齿二均分为对称布置于传动杆两侧的两个部分，固定梳齿一和固定梳齿二的两个部分和传动杆之间具有间隙不接触连接，双边可动梳齿的两个部分分别和传动杆两侧面固定连接，双边可动梳齿在沿传动杆的两端均设有梳齿结构，双边可动梳齿两端的梳齿结构分别和固定梳齿一的梳齿部、固定梳齿二的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿一和固定梳齿二均底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上。

所述的固定梳齿一或者固定梳齿二的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿一或者固定梳齿二之一施加电压，带动双边可动梳齿朝向固定梳齿一或者固定梳齿二移动，进而带动传动杆及其所连接的可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动直到连接于固定交叉波导镜，以及带动两个岛簧结构中的双稳态弹簧柔性变形。

通过调节施加在固定梳齿一或者固定梳齿二上的电压大小，调控可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动的距离，调整两个分离的可动交叉波导镜和固定交叉波导镜之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光等功能。

所述的双稳态弹簧主要由两根弯曲的条形硅平行布置构成，两根条形硅的一端固定连接于一侧固定岛侧面，两根条形硅的另一端固定连接于传动杆侧面，能在传动杆的推动下发生形变。

所述的可动交叉波导镜和固定交叉波导镜中宽波导V形的两个分支部分之间的相交角度满足模式光从硅到空气发生全反射的临界条件。

所述的固定交叉波导镜、可动交叉波导镜和静电驱动器均采用硅材料，厚度一致。

作为固定部分的固定交叉波导镜、固定岛、固定梳齿通过二氧化硅下包层与硅基底相连，其余的静电梳驱动器和可动交叉波导镜均作为可动部分，采用氟化氢等腐蚀气体将二氧化硅下包层腐蚀掉，形成悬臂梁结构。

所述的N×N光开关阵列包括至少四个级联的如上所述的硅基MEMS光开关。

相邻前后级的硅基MEMS光开关的端口之间通过单模直波导和波导交叉相连接。

以两个光开关一组，将四个光开关分为两组，前一组光开关中两个光开关的各自其中一个输出波导分别和后一组光开关中两个光开关的各自其中一个输入波导连接，前一组光开关中两个光开关的各自另一个输出波导分别连接到波导交叉一侧的两端，后一组光开关中两个光开关的各自另一个输入波导分别连接到波导交叉另一侧的两端。

所述的光开关阵列可以采用但不限于Benes拓扑结构，比如Cross-bar拓扑结构也可用于阵列的形成。

本发明涉及到的所有材料，在光通信波段基本具有透明特性，即材料吸收损耗只占总损耗的极小部分。整个光开关结构或阵列光开关结构均可采用单片集成制作。

本发明具有的有益效果是：

1.结构简单、设计方便，可显著降低器件的制作成本；

2.除硅波导外并没有引入其他的材料，与CMOS工艺相兼容，可用标准平面集成光波导工艺制作；

3.开关机制采用全反射、静电力和材料的弯曲变形原理，设计简便，通俗易懂；

4.单元器件的插入损耗低，消光比高，波长敏感性小，带宽大，制作容差大；

5.采用静电梳驱动，特别是双稳态光开关，只需要在切换状态时添加电压，所需能耗低；

6.开关单元为2×2形式，可采用Cross-bar、Benes或其他类型的拓扑结构均能级联成N×N光开关阵列，具有很强的大规模扩展性。

综合来说，本发明通过采用静电梳结构来驱动分离的交叉波导镜，实现了低损耗、高消光比、大带宽的2×2光开关及N×N光开关阵列，具有结构简单、工艺简单、性能优越等优点。

附图说明

图1是本发明在初始状态(OFF)下的结构俯视图。

图2是图1的A-A’剖视图。

图3是图1的B-B’剖视图。

图4是本发明在加上偏压(ON)后的结构俯视图。

图5是本发明的双稳态光开关在OFF状态下的结构俯视图。

图6是本发明的双稳态光开关在ON状态下的结构俯视图。

图7是本发明形成光开关阵列的Benes拓扑结构示意图。

图8是本发明在OFF和ON状态下的光场传输图。

图中：1、固定交叉波导镜，2、可动交叉波导镜，3、传动杆，4、固定岛，5、折叠式弹簧，6、固定梳齿，7、可动梳齿，8、双稳态弹簧，9、固定梳齿一，10、双边可动梳齿，11、固定梳齿二，12、硅基底，13、二氧化硅下包层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图5所示，光开关包括硅基底12以及置于硅基底12上的静电梳驱动器和两个相分离的固定交叉波导镜1、可动交叉波导镜2，固定交叉波导镜1底部通过二氧化硅下包层13固定置于硅基底12上，可动交叉波导镜2底部悬空于硅基底12布置；可动交叉波导镜2和静电梳驱动器连接，并由静电梳驱动器带动可动交叉波导镜2向固定交叉波导镜1靠近或者远离方向移动。本发明硅基MEMS光开关的所有结构均以传动杆3为对称轴呈对称。硅基MEMS光开关为2×2光开关。

固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2结构相同，均主要由V形的宽波导和连接在宽波导两端的绝热锥型波导构成，宽波导的宽度大于单模波导的宽度。

固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2能够对接成完整的交叉波导结构，且在固定交叉波导镜1或者可动交叉波导镜2的宽波导每一端依次连接上单模弯曲波导与单模直波导，使得相邻光开关单元之间进行连接，单模波导作为输入输出波导。

静电梳驱动器分布在可动交叉波导镜2的一侧，靠静电梳驱动器中的传动杆3与可动交叉波导镜2相连接，由传动杆3直接推动可动交叉波导镜2移动实现位置变化。

实施例1

如图1和图4所示，本实施例的静电梳驱动器主要由一对静电梳齿6、7、第一岛簧结构、第二岛簧结构和一个传动杆3构成；传动杆3沿可动交叉波导镜2的移动方向布置，传动杆3一端固定连接到可动交叉波导镜2，具体连接到可动交叉波导镜2的宽波导V形交叉处，传动杆3与可动交叉波导镜2的全反射面垂直，从可动交叉波导镜2到传动杆3另一端依次设有第一岛簧结构、一对静电梳齿6、7和第二岛簧结构。

第一岛簧结构和第二岛簧结构的结构相同，均包括四个固定岛4和两个折叠式弹簧5，四个固定岛4中以两个为一组构成两组固定岛4，两组固定岛4对称分布于传动杆3的两侧侧旁，且每组固定岛4中的两个固定岛4沿传动杆3方向间隔布置，每组固定岛4中的两个固定岛4到传动杆3的间距相同，固定岛4底部通过二氧化硅下包层13固定置于硅基底12上，如图2所示；两组固定岛4各自侧方均设有一个折叠式弹簧5。每个折叠式弹簧5主要由主杆以及分别固定连接在主杆两端和中部的分支臂构成，主杆两端的分支臂分别固定连接于传动杆3同一侧的一组固定岛4中的两个固定岛4侧面，主杆中部的分支臂固定连接于传动杆3侧面，具体连接于一组固定岛4的两个固定岛4之间的传动杆3侧面，折叠式弹簧5底部悬空于硅基底12布置；一对静电梳齿6、7分为固定梳齿6和可动梳齿7，固定梳齿6和可动梳齿7均分为对称布置于传动杆3两侧的两个部分，固定梳齿6的两个部分和传动杆3之间具有间隙不接触连接，可动梳齿7的两个部分分别和传动杆3两侧面固定连接，固定梳齿6和可动梳齿7的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿6底部通过二氧化硅下包层13固定置于硅基底12上，如图3所示，可动梳齿7底部悬空于硅基底12布置。

固定梳齿6与外部电路相连，其他部分一直保持接地状态，通过给固定梳齿6添加或撤去电压可以调控光开关。

固定梳齿6的两个部分均与外部电路相接，固定梳齿6以外的其他部分包括硅基底12均保持接地，外部电路对固定梳齿6施加电压，固定梳齿6的两个部分施加相同电压，带动可动梳齿7朝向固定梳齿6移动，进而带动传动杆3及其所连接的可动交叉波导镜2向固定交叉波导镜1靠近移动直到连接于固定交叉波导镜1，以及带动两个岛簧结构中的折叠式弹簧5柔性变形。

通过调节施加在固定梳齿6上的电压大小，调控可动交叉波导镜2向固定交叉波导镜1靠近移动的距离，调整两个分离的可动交叉波导镜2和固定交叉波导镜1之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光等功能。

折叠式弹簧5的主杆和分支臂均是条形硅，折叠式弹簧5能在传动杆3的推动下发生弯曲形变。

具体实施的静电梳齿6、7在沿传动杆3方向上的两侧均布置了相同尺寸的固定岛4和折叠式弹簧5，目的是为了使静电梳驱动器在工作时更加稳定。

进一步实施中，静电梳齿6、7具有一定的周期和占空比，固定梳齿6和可动梳齿7的梳齿尺寸一般保持一致，但个数略有差异，可动梳齿7与传动杆3相连。

当硅基MEMS光开关处于自然状态下，即关闭的初始状态OFF下，如图1所示，固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2之间在沿传动杆3方向具有间距，且调整不同的该间距进而调控硅基MEMS光开关的不同损耗和消光比等光学性能。

当硅基MEMS光开关处于自然状态下，即关闭的初始状态OFF下一对静电梳齿6、7之间在沿传动杆3方向具有间距，且该间距大于固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2之间的距离，以此保证在交叉波导镜1、2贴合时，如图4所示，两个静电梳齿6、7之间不会发生接触。

硅基MEMS光开关由关闭的初始状态OFF切换到打开的状态ON过程中，固定梳齿6加上电压并且一直处于加压状态。需要将硅基MEMS光开关由打开的状态ON切换到关闭的初始状态OFF，固定梳齿6撤去电压即可。

实施例2

如图5和图6所示，本实施例的静电梳驱动器为双稳态静电梳驱动器，主要由静电梳齿组、第三岛簧结构、第四岛簧结构和一个传动杆3构成；传动杆3沿可动交叉波导镜2的移动方向布置，传动杆3一端固定连接到可动交叉波导镜2，具体连接到可动交叉波导镜2的宽波导V形交叉处，传动杆3与可动交叉波导镜2的全反射面垂直，从可动交叉波导镜2到传动杆3另一端依次设有第三岛簧结构、静电梳齿组和第四岛簧结构；第三岛簧结构和第四岛簧结构的结构相同，均包括两个固定岛4和双稳态弹簧8，两个固定岛4对称分布于传动杆3的两侧，两个固定岛4到传动杆3的间距相同，固定岛4底部通过二氧化硅下包层13固定置于硅基底12上，两个固定岛4到传动杆3之间均通过各自的双稳态弹簧8连接，双稳态弹簧8底部悬空于硅基底12布置。

静电梳齿组分为固定梳齿一9、双边可动梳齿10和固定梳齿二11，固定梳齿一9、双边可动梳齿10和固定梳齿二11均分为对称布置于传动杆3两侧的两个部分，固定梳齿一9和固定梳齿二11的两个部分和传动杆3之间具有间隙不接触连接，双边可动梳齿10的两个部分分别和传动杆3两侧面固定连接，双边可动梳齿10在沿传动杆3的两端均设有梳齿结构，双边可动梳齿10两端的梳齿结构分别和固定梳齿一9的梳齿部、固定梳齿二11的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿一9和固定梳齿二11均底部通过二氧化硅下包层13固定置于硅基底12上，双边可动梳齿10底部悬空于硅基底12布置。

本双稳态硅基MEMS光开关采用双稳态的静电梳驱动器，与前面的一种静电梳驱动器在弹簧和静电梳上有所不同。采用由两根弯曲的条形硅构成的双稳态弹簧8，条形硅的两端分别与传动杆3、固定岛4相连。

固定梳齿一9或者固定梳齿二11的两个部分均与外部电路相接，固定梳齿一9和固定梳齿二11以外的其他部分包括硅基底12均保持接地，外部电路对固定梳齿一9或者固定梳齿二11施加电压，固定梳齿一9/固定梳齿二11的两个部分施加相同电压，带动双边可动梳齿10朝向固定梳齿一9或者固定梳齿二11移动，进而带动传动杆3及其所连接的可动交叉波导镜2向固定交叉波导镜1靠近移动直到连接于固定交叉波导镜1或远离固定交叉波导镜1，以及带动两个岛簧结构中的双稳态弹簧8柔性变形。这样，固定梳齿一9和固定梳齿二11与外部电路相连，在其中一个上施加电压，双边可动梳齿10就会向施加电压的一方移动，以此达到切换光开关状态的目的。

通过调节施加在固定梳齿一9或者固定梳齿二11上的电压大小，调控可动交叉波导镜2向固定交叉波导镜1靠近移动的距离，调整两个分离的可动交叉波导镜2和固定交叉波导镜1之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光等功能。

双稳态弹簧8主要由两根弯曲的条形硅平行布置构成，两根条形硅的一端固定连接于一侧固定岛4侧面，两根条形硅的另一端固定连接于传动杆3侧面，能在传动杆3的推动下发生形变。

当硅基MEMS光开关处于自然状态下，即关闭的初始状态OFF下，如图5所示，固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2之间在沿传动杆3方向具有间距，且调整不同的该间距进而调控硅基MEMS光开关的不同损耗和消光比等光学性能。

当硅基MEMS光开关处于自然状态下，即关闭的初始状态OFF下，如图6所示，双稳态弹簧8从固定岛4到传动杆3向远离固定交叉波导镜1的一侧弯曲布置；当硅基MEMS光开关处于打开的状态ON下，固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2相接触连接后，双稳态弹簧8从固定岛4到传动杆3向靠近固定交叉波导镜1的一侧弯曲布置。由于双稳态弹簧8本身处于弯曲状态，在切换光开关状态后，不需要添加外力就能保持自身形态。

在硅基MEMS光开关由关闭的初始状态OFF切换到打开的状态ON过程中，在固定梳齿一9加上电压并且一直处于加压状态，待固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2相接触连接以及双稳态弹簧8向靠近固定交叉波导镜1的一侧弯曲形变定形后，撤去固定梳齿一9上的电压，硅基MEMS光开关的打开状态始终保持。

在硅基MEMS光开关由打开的状态ON切换到关闭的初始状态OFF过程中，在固定梳齿二11加上电压并且一直处于加压状态，待固定交叉波导镜1和可动交叉波导镜2相分离以及双稳态弹簧8向远离固定交叉波导镜1的一侧弯曲形变定形后，撤去固定梳齿二11上的电压，硅基MEMS光开关的关闭状态始终保持。

固定梳齿一9在将光开关状态由OFF切换到ON时，需要加上电压，当双稳态弹簧8向交叉波导方向形变定形后，电压即可撤去。

同理，在光开关状态由ON切换到OFF时，需要在固定梳齿二11上施加电压，待双稳态弹簧8定形后撤去。

两种实施例的交叉波导和其他单模波导是用于光学传输的部分。两个交叉波导镜1、2由相交的宽波导和绝热锥型波导构成，其中固定交叉波导1保持不动，可动交叉波导镜2下方的二氧化硅下包层13被完全掏空，它们可以对接成一个完整的交叉波导结构，且交叉的角度只要能满足发生全反射条件即可。

固定交叉波导镜1、可动交叉波导镜2和静电驱动器均采用硅材料，厚度一致。无论下方的二氧化硅下包层13是否被腐蚀，均保持在同一水平面。

可动交叉波导镜2和固定交叉波导镜1中宽波导V形的两个分支部分之间的相交角度满足模式光从硅到空气发生全反射的临界条件。

对于整个光开关结构来说，除固定交叉波导镜1、固定岛4、固定梳齿6外，其余都是悬空可动的，靠连接到各个固定岛4进行支撑。作为固定部分的固定交叉波导镜1、固定岛4、固定梳齿6通过二氧化硅下包层13与硅基底12相连，其余的静电梳驱动器和可动交叉波导镜2均作为可动部分，采用氟化氢等腐蚀气体将二氧化硅下包层13腐蚀掉，如图2和图3所示，形成悬臂梁结构。

具体实施中，所有波导和静电梳驱动器均为同一种材料，可以采用单片集成制作。交叉波导带有四个端口，针对不同应用场景，采用不同的拓扑结构，通过级联更多的光开光单元，即可获得更多端口数的N×N光开关阵列。

图7展示了采用Benes拓扑结构的4×4光开关阵列。4×4光开关阵列包括六个2×2光开关，以两个2×2光开关一组，将六个2×2光开关分为两组，多个2×2光开关组之间依次串接。前一组2×2光开关中两个2×2光开关的各自其中一个输出波导分别和后一组2×2光开关中两个2×2光开关的各自其中一个输入波导连接，前一组2×2光开关中两个2×2光开关的各自另一个输出波导分别连接到交叉波导一侧的两端，后一组2×2光开关中两个2×2光开关的各自另一个输入波导分别连接到交叉波导另一侧的两端。

下面以本发明作为光开关阵列的工作过程：

根据光的全反射原理：光从光密介质传输到光疏介质，入射角大于临界值时会发生全反射现象，光不再入射到光疏介质中。以硅为例，光从硅波导入射到空气的全反射临界角大小约17°。如图1所示，只要两交叉波导的夹角大于等于34°就能符合全反射条件。因为光在分离的交叉波导内部会发生全反射，像反射镜一样在镜面处改变光的传输方向，所以将其称为“交叉波导镜”。

图1、图4结合起来看，是硅基MEMS光开关的两种状态。

首先是图1，未对结构施加电压，光开关处于OFF状态，固定梳齿与可动梳齿之间、交叉波导镜之间均保持较远的距离。这种状态下，入射光从左侧的一个单模直波导入射，经过单模弯曲波导后，在V形分支部分发生全反射，改变传输方向，后经右侧单模弯曲波导、单模直波导输出。给固定梳齿加上一定的电压，固定梳齿和可动梳齿之间类似形成电容，在静电力的作用下，可动梳齿向固定梳齿运动，传动杆向固定交叉波导镜方向运动，并拉动折叠式弹簧的一端使其发生形变。当折叠式弹簧发生形变所产生的形变应力与静电梳齿之间的静电力相等时，静电梳驱动器达到平衡。施加的电压值越大，静电力越大，平衡时折叠式弹簧所产生的形变越大，可动交叉波导镜移动的距离也就越大。

当两个交叉波导镜刚好贴合时，光开关处于ON状态，如图4所示，此时两个波导镜可看成一个整体，入射光进入V形部分不会发生全反射继续向前传播，传输方向不改变。如果想要恢复OFF状态，撤去施加在固定梳齿上的电压，静电梳齿之间没有静电力，折叠式弹簧不再维持弯曲状态而是反弹回初始形态，传动杆带着可动交叉波导镜被拉回初始位置。这样就完成了光开关两种状态之间的自由切换。

相比图1、4来说，图5、6的双稳态体现在静电梳的双稳态弹簧上。双稳态弹簧采用两根完全相同的条形硅，初始形态即为弯曲。在不加任何电压，即OFF状态，双边可动梳齿靠近固定梳齿二，交叉波导处于分离状态。给固定梳齿一加上一定电压，双边可动梳齿会在静电力的作用下向固定梳齿一运动，双稳态弹簧向初始形态相反的方向发生弯曲。弯曲到一定程度后，撤去电压，双稳态弹簧不会发生反弹，就这样一直维持在ON状态。如果想要切换光开关到OFF状态，可以在固定梳齿二上加上一点电压，在形变完成之后撤去。因为整个过程只需要在切换状态时加电压，待双稳态弹簧稳定后即可撤去，不需要长期加压，所以这种光开关可以实现低能耗的效果。

基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关属于2×2光开关，比以往的1×2硅基MEMS光开关更具可扩展性，可采用更为优化的N×N光开关阵列拓扑结构。事实上，想要实现N×N的光开关阵列结构，以往1×2硅基MEMS光开关通常只能采用Cross-bar拓扑结构，所需光开关单元数高达N²个。而2×2硅基MEMS光开关可采用更优化更简洁的Benes拓扑结构，如图7所示，仅需N(log₂N-0.5)个光开关单元。当然，这里不限于Benes拓扑结构，其他拓扑结构也都适宜。

下面给出本发明具体实施测试情况如下：

以2×2单元光开关为例，如图1所示。

选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料为二氧化硅，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料为空气，折射率近似为1。考虑入射的波长范围为1250～1650nm，采用TE偏振模式。

根据全反射原理，在硅-空气界面发生全反射的临界角大小约为17°。如图1所示的交叉波导为90°，可以很方便地采用Cross-bar结构形成阵列，也可以通过添加四根45°弯曲单模波导使其类似于2×2MZI光开关，因此可以采用Benes等拓扑结构形成阵列。分离的交叉波导镜参数为：单模波导宽度为0.5μm，宽波导宽度为2.53μm，绝热锥型波导的长度为8.12μm，宽波导宽度为7.18μm，交叉波导间距为500nm。

经三维时域有限差分方法对交叉波导镜的光学性能进行仿真验证，得到初始状态(OFF)下，入射光场被交叉波导镜几乎完美地反射至直通端，如图8(a)所示。在1250-1650nm波段上均能实现低损耗和高消光比，其损耗为0.09～0.43dB，消光比为36～60dB，中心波长1450nm处损耗为0.12dB、消光比为58.02dB。给固定梳齿加上电压，可动梳齿通过传动杆推动可动交叉波导镜向固定交叉波导镜运动，两者贴合后的入射光场几乎可以无损耗地传输至交叉端，如图8(b)所示。光开关的ON状态也能在1250-1650nm波段获得很好的性能，其损耗为0.08～0.4dB，消光比大于53dB，中心波长1450nm处损耗为0.13dB、消光比为44.25dB。由此可见，本发明提出的全新2×2硅基MEMS光开关能达到超大带宽、超低损耗、高消光比及超低能耗等效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：包括硅基底(12)以及置于硅基底(12)上的静电梳驱动器和两个相分离的固定交叉波导镜(1)、可动交叉波导镜(2)，固定交叉波导镜(1)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上，可动交叉波导镜(2)和静电梳驱动器连接，并由静电梳驱动器带动可动交叉波导镜(2)向固定交叉波导镜(1)靠近或者远离方向移动；

所述静电梳驱动器主要由一对静电梳齿(6、7)、第一岛簧结构、第二岛簧结构和一个传动杆(3)构成；传动杆(3)沿可动交叉波导镜(2)的移动方向布置，传动杆(3)一端固定连接到可动交叉波导镜(2)，从可动交叉波导镜(2)到传动杆(3)另一端依次设有第一岛簧结构、一对静电梳齿(6、7)和第二岛簧结构；第一岛簧结构和第二岛簧结构的结构相同，均包括四个固定岛(4)和两个折叠式弹簧(5)，四个固定岛(4)中以两个为一组构成两组固定岛(4)，两组固定岛(4)对称分布于传动杆(3)的两侧侧旁，且每组固定岛(4)中的两个固定岛(4)沿传动杆(3)方向间隔布置，固定岛(4)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上；两组固定岛(4)各自侧方均设有一个折叠式弹簧(5)，每个折叠式弹簧(5)主要由主杆以及分别固定连接在主杆两端和中部的分支臂构成，主杆两端的分支臂分别固定连接于一组固定岛(4)中的两个固定岛(4)侧面，主杆中部的分支臂固定连接于传动杆(3)侧面；一对静电梳齿(6、7)分为固定梳齿(6)和可动梳齿(7)，固定梳齿(6)和可动梳齿(7)均分为对称布置于传动杆(3)两侧的两个部分，固定梳齿(6)的两个部分和传动杆(3)之间具有间隙不接触连接，可动梳齿(7)的两个部分分别和传动杆(3)两侧面固定连接，固定梳齿(6)和可动梳齿(7)的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿(6)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的固定交叉波导镜(1)和可动交叉波导镜(2)结构相同，均主要由V形宽波导和连接在宽波导两端的绝热锥型波导构成。

3.根据权利要求1所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的可动交叉波导镜(2)和固定交叉波导镜(1)中V形宽波导的两个分支部分之间的相交角度满足模式光在硅-空气镜面发生全反射的临界条件。

4.根据权利要求1所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：固定交叉波导镜(1)和可动交叉波导镜(2)能够对接成完整的交叉波导结构，且在固定交叉波导镜(1)或者可动交叉波导镜(2)的宽波导每一端依次连接上单模弯曲波导与单模直波导，使得相邻光开关单元之间进行连接，单模波导作为输入输出波导。

5.根据权利要求1所述的一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的固定梳齿(6)的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿(6)施加电压，带动可动梳齿(7)朝向固定梳齿(6)移动，进而带动传动杆(3)及其所连接的可动交叉波导镜(2)向固定交叉波导镜(1)靠近移动直到连接于固定交叉波导镜(1)，以及带动两个岛簧结构中的折叠式弹簧(5)柔性变形。

6.根据权利要求1所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述静电梳驱动器为双稳态静电梳驱动器，主要由静电梳齿组、第三岛簧结构、第四岛簧结构和一个传动杆(3)构成；传动杆(3)沿可动交叉波导镜(2)的移动方向布置，传动杆(3)一端固定连接到可动交叉波导镜(2)，从可动交叉波导镜(2)到传动杆(3)另一端依次设有第三岛簧结构、静电梳齿组(9、10、11)和第四岛簧结构；第三岛簧结构和第四岛簧结构的结构相同，均包括两个固定岛(4)和双稳态弹簧(8)，两个固定岛(4)对称分布于传动杆(3)的两侧，固定岛(4)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上，两个固定岛(4)到传动杆(3)之间均通过各自的双稳态弹簧(8)连接；静电梳齿组分为固定梳齿一(9)、双边可动梳齿(10)和固定梳齿二(11)，固定梳齿一(9)、双边可动梳齿(10)和固定梳齿二(11)均分为对称布置于传动杆(3)两侧的两个部分，固定梳齿一(9)和固定梳齿二(11)的两个部分和传动杆(3)之间具有间隙不接触连接，双边可动梳齿(10)的两个部分分别和传动杆(3)两侧面固定连接，双边可动梳齿(10)在沿传动杆(3)的两端均设有梳齿结构，双边可动梳齿(10)两端的梳齿结构分别和固定梳齿一(9)的梳齿部、固定梳齿二(11)的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿一(9)和固定梳齿二(11)均底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上。

7.根据权利要求6所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的固定梳齿一(9)或者固定梳齿二(11)的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿一(9)或者固定梳齿二(11)施加电压，带动双边可动梳齿(10)朝向固定梳齿一(9)或者固定梳齿二(11)移动，进而带动传动杆(3)及其所连接的可动交叉波导镜(2)向固定交叉波导镜(1)靠近移动直到连接于固定交叉波导镜(1)，以及带动两个岛簧结构中的双稳态弹簧(8)柔性变形。

8.根据权利要求6所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：固定梳齿一(9)、固定梳齿二(11)上之一加电压，通过调节电压大小，调控可动交叉波导镜(2)向固定交叉波导镜(1)靠近移动的距离，调整可动交叉波导镜(2)和固定交叉波导镜(1)之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光功能。

9.一种N×N的硅基MEMS光开关阵列，其特征在于：

所述的N×N光开关阵列包括至少四个级联的如权利要求1～8任一所述的硅基MEMS光开关。

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