CN1186660C - 电磁型微机械阵列光开关 - Google Patents
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Abstract
电磁型微机械阵列光开关属于光通信领域。本发明包括：金属基板、轴承、铁氧体基板、定子绕组、转轴、永磁体和反射镜，其连接方式为：金属基板内设有孔，轴承安装在金属基板的孔内，铁氧体基板设在金属基板上，定子绕组采用微细加工工艺在铁氧体基板上将n×m个光开关定子一次制造而成，永磁体夹在两层定子绕组之间，与定子绕组之间有一定的气隙，铁氧体基板上的定子绕组中心均设孔，孔位均与金属基板上的孔位对齐，并略大于它，转轴贯穿铁氧体基板、定子绕组，并和上下金属基板配合，转轴与永磁体固定在一起，转轴的一端安装反射镜。本发明具有实质性特点和显著进步，本发明体积小、易制造、易控制、低功耗和长寿命。
Description
技术领域：本发明涉及的是一种光开关，特别是一种电磁型微机械阵列光开关，属于光通信领域。
背景技术：用微机电系统(MEMS)技术制作的微机械光开关具有插入损耗低、隔离度高等机械式光开关的优点，同时体积很小(毫米数量级或更小)，制作工艺与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产以及光集成或光电集成，成本低，重复性好，特别适用于制作阵列式微光开关。经文献检索发现，微机械阵列光开关有两种：一种如德国专利DE19644918 A1，名称为Mikromechanische optische schalteinheit(微机械光开关)，该技术描述一种3×3微机械阵列光开关，该光开关含两层3×3的反射镜阵列，通过控制反射镜上电极与基板上电极之间的电压来驱使反射镜沿一扭转轴转动45°，实现光路的切换。这种微机械阵列光开关的缺点是要维持反射镜的偏转状态，必须始终加以电压，使得光开关阵列的整体功耗较大，另外反射镜偏转时，转动轴的扭转易造成材料的疲劳，使光开关阵列的工作寿命大为降低。另一种如美国专利US5960132所述，名称为Fiber-Optic Free-Space Micromachined Matrix Swithes(自由空间光纤微机械阵列开关)，采用叉指式电极的驱动结构驱动一反射镜插入光路中，或从光路中抽出。反射镜被插入光路时，实现光路的切换；被抽出光路时，对光路的原方向不产生影响。这种表面微机械工艺制造的叉指式驱动结构一方面难以使反射镜产生大位移的运动，另一方面它本身的位置锁定结构设计比较复杂，增加了整个阵列光开关的制造与控制难度。
发明内容：本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种电磁型微机械阵列光开关，实现了阵列光开关体积小、易制造、易控制、低功耗和长寿命。本发明包括：金属基板、轴承、铁氧体基板、定子绕组、转轴、永磁体和反射镜，其连接方式为：金属基板内设有孔，轴承安装在金属基板的孔内，铁氧体基板设在金属基板上，定子绕组采用微细加工工艺在铁氧体基板上制造，永磁体夹在两层定子绕组之间，与定子绕组之间有一定的气隙，铁氧体基板、定子绕组和永磁体的中心均设孔，孔位均与金属基板上的孔位对齐，转轴贯穿上下金属基板、铁氧体基板、定子绕组及永磁体，转轴与永磁体固定在一起，永磁体带动转轴转动，转轴的一端安装反射镜，转轴的转动带动反射镜的转动。
定子绕组采用双稳态的线圈结构，可实现当反射镜被旋转到确定位置后，自动维持该位置状态，使阵列光开关的总体功耗大为降低；定子绕组采用双绕组线圈结构，当通以脉冲电流时，将驱动永磁体转动135°，从而带动反射镜转动135°；采用上下两层定子绕组夹一层永磁体的结构，当定子绕组中通脉冲电流时，将产生较大的转动力矩驱使永磁体转动，提高工作响应速率；定子绕组线圈采用铁氧体基板，进一步提高了转动力矩和响应速率，永磁体、转轴和反射镜三者固定在一起，使得整体结构紧凑，进一步提高工作响应速率。
整个N×M阵列光开关由N×M个1×2光开关单元构成，每个1×2光开关含有一个反射镜，每个反射镜有0°和135°两种位置状态，分别为插入光路和离开光路两种状态。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明采用微细加工技术与精密装配技术相结合的方法制造，易于集成化生产和流水作业，并且光开关阵列体积小，光路短，制造不复杂，电磁驱动方式结构紧凑，易于控制，工作寿命长，反射镜仅在切换位置状态时需要施加驱动电流，长时间保持某种开关状态不会产生任何功耗或材料磨损，因此该光开关阵列的总体功耗小，寿命长。
附图说明：图1电磁型微机械阵列光开关结构装配图
图2单个1×2光开关单元结构示意图
图3电磁型微机械4×4阵列光开关的光路切换示意图
具体实施方式：如图1、图2和图3所示，本发明主要包括：上金属基板1a、下金属基板1b、上轴承2a、下轴承2b、上铁氧体基板3a、下铁氧体基板3b、上定子绕组4a、下定子绕组4b、转轴5、永磁体6和反射镜7，其连接方式为：上金属基板1a、下金属基板1b内设有孔，上轴承2a安装在上金属基板1a的孔内、而下轴承2b安装在上金属基板1b的孔内，上铁氧体基板3a和下铁氧体基板3b分别设在上金属基板1a和下金属基板1b上，上定子绕组4a采用微细加工工艺在上铁氧体基板3a上制造，下定子绕组4b采用微细加工工艺在上铁氧体基板3b上制造，永磁体6夹在上定子绕组4a和下定子绕组4b之间，并分别与定子绕组4a、4b之间有一定的气隙，上铁氧体基板3a、下铁氧体基板3b、上定子绕组4a、下定子绕组和永磁体6的中心均设孔，孔位均与上金属基板1a、下金属基板1b上的孔位对齐，转轴5贯穿上金属基板1a、下金属基板1b、上铁氧体基板3a、下金属基板3b、上定子绕组4a、下定子绕组4b及永磁体6，转轴5与永磁体6固定在一起，永磁体6带动转轴5转动，转轴5的一端安装反射镜7，转轴5的转动带动反射镜7的转动。
上定子绕组4a和下定子绕组4b采用双稳态的线圈结构，上定子绕组4a和下定子绕组4b采用双层绕组线圈结构，通以脉冲电流，驱动永磁体转动135°，带动反射镜转动135°，上定子绕组4a位于上铁氧体基板3a上，下定子绕组4b线圈位于下铁氧体基板3b上，上定子绕组4a和下定子绕组4b之间夹一层永磁体6，永磁体6、转轴5和反射镜7三者固定在一起。
整个N×M阵列光开关由N×M个1×2光开关单元构成，每个1×2光开关含有一个反射镜，每个反射镜有0°和135°两种位置状态，分别为插入光路和离开光路两种状态。
以下以4×4阵列光开关为例，介绍其实施方式，反射镜处于0°位置时对光路不起作用，当反射镜7旋转135°后，插入光路中，将光路反射至侧面的输出光纤9a-9d中。对于每一路输入光，都可以被切换至任一路侧面的输出光纤9a-9d中。
Claims (1)
1、一种电磁型微机械阵列光开关，由n×m个1×2的光开关组装而成，是利用微细加工工艺的高精度特点将n×m个光开关定子集成在铁氧体基板上一次加工而成，其中每个光开关包括，上金属基板(1a)、下金属基板(1b)、上轴承(2a)、下轴承(2b)、上铁氧体基板(3a)、下铁氧体基板(3b)、上定子绕组(4a)、下定子绕组(4b)、转轴(5)、永磁体(6)和反射镜(7)，其特征在于连接方式为：上金属基板(1a)、下金属基板(1b)内设有孔，上轴承(2a)安装在上金属基板(1a)的孔内、而下轴承(2b)安装在上金属基板(1b)的孔内，上铁氧体基板(3a)和下铁氧体基板(3b)分别设在上金属基板(1a)和下金属基板(1b)上，上定子绕组(4a)采用微细加工工艺在上铁氧体基板(3a)上制造，下定子绕组(4b)采用微细加工工艺在下铁氧体基板(3b)上制造，上定子绕组和下定子绕组均采用双稳态的线圈结构，永磁体(6)夹在上定子绕组(4a)和下定子绕组(4b)之间，并分别与定子绕组(4a、4b)之间有一定的气隙，上铁氧体基板(3a)、下铁氧体基板(3b)、上定子绕组(4a)、下定子绕组和永磁体(6)的中心均设孔，孔位均与上金属基板(1a)、下金属基板(1b)上的孔位对齐，并略大于转轴(5)的直径，转轴(5)从上至下依次贯穿上金属基板、上铁氧体基板、上定子绕组永磁体、下定子绕组、下铁氧体基板和下金属基板，转轴(5)的一端安装反射镜(7)。
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