CN1215348C - 转动竖直镜面微机械光开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竖直镜面微机械光开关及其制作方法，其特征在于：该光开关的悬臂梁、微镜、光输入和输出的对准槽全都集成在一个硅片上；以非零度角入射，输出在反射角方向接收，输入球透镜最大程度地靠近镜面，输出球透镜前后错开摆放，输入和输出的光轴平面与微镜中心在同一水平面上；所述的悬臂梁，根部固定，自由端有一镜面与之垂直，在悬臂梁左右分别制作两个对称电极，同时在靠近自由端处有两个限位块，采用静电力驱动方式；悬臂梁靠近自由端处的限位块控制转动的角度和确保电绝缘；该光开关通过腐蚀(100)硅片，制得硅的(111)竖直镜面。具有自对准、光功率损失小，开关时间短、串扰小、使用方便等优点。

Description

转动竖直镜面微机械光开关及其制造方法

技术领域

本发明特别涉及一种转动竖直镜面微机械光学开关与制作方法，属于光纤通讯中信息处理技术领域。

背景技术

近年来，在微电子技术基础上发展起来的微电子机械系统(MEMS)与微光学相互结合，产生了集成微光机电系统，有可能把光通信器件中的驱动部件和可动机械部件在硅片上实现，进一步地，与电路制作在一起，从而实现器件的微型化和集成化。微机械光开关就是MEMS技术与光通信器件的一个极佳结合点，采用MEMS技术制作的微机械光开关不仅具有机械式光开关的全部优点，而且体积很小(毫米数量级或更小)，易于大批量生产以及光集成或光电集成，成本低，重复性好，是目前国际上研究的热点。

美国专利US5923798描述的微机械光开关采用静电力驱动，当加驱动电压后，翘翘板受静电力吸引向上运动，带动光学元件，光路直通；当不加驱动电压时，弹性力使翘翘板恢复到平衡位置，光学元件拦截光路，发生反射。日本的NTT公司研制了在光纤上镀上磁性材料，利用电磁力驱动的IX2小型光纤开关。瑞士Neufchatel大学利用高深宽比等离子刻蚀(DRIE)制作梳状静电力驱动器以及侧面反射的微镜，梳状驱动器带动微镜切换光路。美国加州大学洛杉矶分校采用硅表面微加工结合铰链组装技术制作了垂直于硅衬底的微转镜开关，通过在微转镜和与其成45°的电极间施加电压，实现45°偏转的微镜开关。清华大学采用多晶硅/氮化硅复合膜作为悬臂梁以及SU-8胶做微镜，利用静电力驱动悬臂梁带动垂直微镜转换光路的光开关。上海交通大学利用LIGA技术制作微线圈，组装成微马达，利用电磁力驱动马达带动光纤进行转换光路，实现光开关。

从原理上讲，上述微光学开关都是属于光路拦截型光开关，光斑大小要求微机械驱动器必须产生足够大的位移，直接采用光纤进行光耦合适于这种原理的光开关。但是，由于光纤的发散角比较大，要求光纤端面距离很近才不至于产生大的损耗，这样就增加了耦合与封装的难度。另一方面，以上提到的微机械技术还很难制作出满足要求的光学镜面。对于深反应离子刻蚀硅技术而言，刻蚀过程与钝化过程交替切换决定了刻蚀表面是粗糙的，每一次交替切换必将在表面产生一个“波浪”，表面粗糙度一般在几十到几百纳米，比起光学镜面的要求还有相当的距离。采用SU-8胶做镜面也值得推敲，材料寿命是一方面的问题，直接通过曝光和显影工艺制作的胶镜面，表面质量和垂直度是另一方面的问题。虽然表面微加工技术采用了化学机械抛光工艺(CMP)，可以抛出质量好的水平镜面，但当通过绞链等机制把平躺镜面竖立成垂直镜面时，垂直度的控制较难实现。总的来说，上述各种微光学开关驱动部件结构复杂，镜面表面不是很好，制造工艺复杂繁琐，耦合封装困难，因此在制造、使用上受到很大的限制。

发明内容

本发明目的在于克服已有设计和技术的不足之处，提供一种新的转动竖直镜面微机械光学开关和制作方法，具有结构简单，能够实现自对准，光功率损失小，开关时间短，串扰小，耐冲击、振动，能耗低，使用方便等诸多优点，易于推广应用。

本发明所涉及的一种转动竖直镜面的微机械光学开关，包括驱动芯片、光输入和输出媒介、陶瓷封装外壳、驱动电路板等，本发明将驱动器、微镜、光输入和输出的对准槽全都集成在一个硅片上，这里着重阐述光输入和输出的设计，驱动芯片的设计和制作，微镜面的制作。

本发明是基于转动微镜的原理，不同于转动水平镜面的结构，采用了转动竖直镜面的结构偏转光路。图1给出了三种1x2转动竖直镜面光开关的示意图(俯视图)，输入光纤1a发出的光经球透镜2a准直入射到镜面4，当镜面转动一个角度到4b位置时，反射光后经球透镜2b汇聚进入输出光纤1b，类似地，镜面转动到位置4c时，就会反射光进入输出光纤1c。对于固定的转动角度和球透镜直径，光程取决于球透镜的摆放方式。与现有的结构比较，其优点主要在于输入和输出的光轴平面与微镜中心在同一个水平面上，从而大大简化了耦合和封装。图2给出光束在输入输出光纤之间的变化示意图，图(a)的光纤与球透镜之间的媒介是空气，图(b)是康宁公司的一种带准直透镜的光纤(Corning OptiFocus^TM Collimating Lensed Fiber)，它使用与球透镜折射率相近的材料5a和5c将光纤和球透镜焊起来，固定了光纤与球透镜之间的距离，使用方便。球透镜的使用对光进行了整形，减小了损耗。

本发明提供的转动竖直镜面微机械光开关(图3-图5)的特征在于：

1、以非零度角入射，输出在反射角方向接收，输入球透镜最大程度地靠近镜面，输出球透镜前后错开摆放，镜面转动一定的角度完成光开关功能。球透镜直径300～1000微米，折射率为1.40～1.70，整个球面镀增透膜。

2、所述的悬臂梁，根部固定，自由端有一镜面与之垂直，在悬臂梁左右分别制作两个对称电极，同时在靠近自由端处有两个限位块，采用静电力驱动方式。悬臂梁驱动微镜的原理为：一电极接地，另一电极接吸合电位，悬臂梁的电位或者是零或者是吸合电压，使得悬臂梁或是与接吸合电位的电极吸合，或是与接地的电极吸合，左右转动，产生两种稳态，悬臂梁靠近自由端处的限位块精确地控制转动的角度和确保电绝缘。悬臂梁的尺寸一般为：长几个毫米，高一百多微米，宽只有几微米，所以，悬臂梁很容易左右转动，高度方向刚度很大，不容易上下振动。

3、所述的对称电极的形状采用多种形式进行优化，目的在于降低吸合电压。电极间距随悬臂梁长度的形状可以设计成比如线性函数，分段线性函数，二次函数，三次函数，四次函数等，实际操作可用分段线性来近似。

4、精确控制悬臂梁转动角度的限位块，形状象“z”字形，限位块之间的距离与设计的偏转角度有关。

5、光纤定位和对准机构，设计的卡簧结合U形槽就能很好地实现光纤的对准。卡簧是一种悬空的、可小变形的活动部件，设计的卡簧间距略小于光纤的直径，当把光纤压入U形槽时，卡簧间距略微变大，产生的形变力恰好压紧光纤，达到固定的目的。设计的U形槽的尺寸为7毫米×130微米×120微米，卡簧间距120微米。

6、转动竖直镜面微机械光开关的技术关键是竖直微镜和光开关芯片的制作，微镜与光开关的驱动芯片集成一起，无需装配。

本发明的微镜制作的特征在于：采用单晶硅作为材料，各向异性腐蚀技术结合深刻蚀技术共同形成微镜。通过腐蚀(110)硅片获取硅的{111}竖直晶面，掩模图形设计成平行四边形，相邻边夹角为109.47°。由于{111}面在各向异性腐蚀液中的腐蚀速率是最慢的，可以认为{111}面腐蚀会自停止，容易控制镜面的尺寸，更重要的是，腐蚀出来的{111}面表面质量可以达到原子级的水平，对于光学镜面的应用至关重要。镜面的制作工艺如图6所示：

(a)硅衬底为普通双抛的(110)硅片，把在深刻蚀中掩模的图形预先用氧化硅保护起来，淀积氮化硅薄膜作为硅各向异性腐蚀的保护膜，光刻出氮化硅要腐蚀的开孔；

(b)用氢氧化钾溶液腐蚀出一定深度的坑，腐蚀区域中出现的竖直{111}面将作为镜面；

(c)氧化处理，目的是保护镜面表面不被刻蚀破坏；

(d)刻蚀硅形成微镜，并蒸镀反射膜。

本发明的光开关驱动芯片制作的工艺步骤如图8。

(a)(110)双抛硅片；

(b)硅片第一次氧化，氧化层厚度1.0～1.2微米；

(c)正面涂胶、光刻、腐蚀氧化硅，形成确定{111}晶面的掩模；

(d)在氢氧化钾溶液腐蚀硅片，确定出{111}晶面，去除氧化硅；

(e)第二次氧化，氧化硅厚度1.0～1.2微米；

(f)正面涂胶，光刻、腐蚀氧化硅，形成电极等正面掩模；

(g)LPCVD沉积氮化硅薄膜，氮化硅厚度0.12～0.15微米；

(h)正面涂胶、光刻、刻蚀氮化硅，形成腐蚀微镜面的掩模；

(i)在氢氧化钾溶液中腐蚀硅形成垂直坑，其垂直表面将作为微镜面；

(j)第三次氧化，氧化层厚度约0.8～1.0微米，作为微镜面的保护层；

(k)背面涂胶、背面光刻、腐蚀氧化硅，形成背面释放层的掩模；

(l)去除正面的氮化硅，暴露出氧化硅和硅；

(m)背面涂胶，光刻出胶图形；

(n)硅片背面深刻蚀到胶被刻净，形成高度差，增加微镜的高度；

(o)继续背面深刻蚀，刻蚀深度为硅片厚度的2/3；

(p)正面深刻蚀，将硅片刻穿；

(q)去除所有的氧化硅；

(r)正面蒸铝，作电极焊点；

(s)从正面蒸铬/金，作反射膜；

(t)芯片与玻璃粘合；

(u)压焊、安装光纤、封装。

本发明的一种封装形式，如图9，采用95氧化铝陶瓷95材料，在基板上开好槽，用于放置光开关芯片和引脚，外壳一端开槽，让带尾纤的光纤通过。先把芯片放入基板的槽中并粘牢，然后把电极压焊到引脚上，接着放光纤，测试，上管壳，密封。

附图说明

图1三种1x2转动竖直微镜光开关的光路图(俯视图)

图(a)零度角入射，球透镜球心共线排列的光路图

图(b)零度角入射，球透镜前后排列的光路图

图(c)非零度角入射，输出球透镜前后排列的光路图

图2光束形状在输入光纤和输出光纤之间变化示意图

图(a)光纤与球透镜之间为空气情况下的光束形状变化示意图

图(b)康宁公司的一种带准直透镜的光纤

图3一种实现1x2扭转竖直微镜光开关的方法(俯视图)

图(a)悬臂梁转动后的一种稳态

图(b)悬臂梁转动后的另一种稳态

图4一种1x2转动竖直微镜微机械光开关的芯片总图

图5驱动器局部放大图

图(a)驱动器局部放大图

图(b)驱动器俯视图

图(c)悬臂梁放大图

图(d)悬臂梁根部放大图

图6微镜制作流程图

图7卡簧结构及其固定光纤示意图

图(a)卡簧结构图

图(b)卡簧俯视图

图(c)卡簧固定光纤示意图

图(d)卡簧固定光纤俯视图

图8光开关芯片制作流程图

图9光开关芯片的封装

图(a)外壳

图(b)基板

图(c)封装(未加外壳)

图(d)封装(加外壳)

标号说明

1a-1c：单模光纤              2a-2c：球透镜

3a-3c：光束                  4，4b-4c：镜面位置

5a-5c：与球透镜类似的材料    6a-6c：卡簧

6a1-6a2：卡簧体            6a3：U形槽

6a4-6a5：卡簧体可动空间    7：镜面

8a-8b：限位块              9a-9b：固定电极

10：框架                   11：硅体

12a-12b：固定电极焊点      13：悬臂梁焊点

14：悬臂梁长度             15：悬臂梁高度

16：悬臂梁宽度             17：微镜长度

18：微镜高度               19：微镜宽度

20：固定电极与框架距离     21：固定电极距离

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决不仅局限于实施例。

实施例1 1x2转动竖直微镜式光学开关的实现

如图3所示，设想有一种悬臂梁，其根部固定，自由端有一镜面与之垂直，成“T”字形，悬臂梁能左右小角度转动，图(a)和图(b)分别给出悬臂梁转动的两种状态，输入光就在两根输出光纤里切换。更具体地，图4给出一种1x2转动式微机械光开关的芯片总图，将驱动器和光学耦合对准集成在硅芯片上，具有结构简单，体积小，能够实现自对准，开关时间短，串扰小等优点。

实施例2 1x2转动竖直微镜式光学开关驱动器的实现(图5)

驱动器采用静电力驱动方式，在悬臂梁7左右分别制作两个对称电极9a和9b，同时在悬臂梁7靠近自由端处有两个限位块8a和8b。这里列出一组悬臂梁的尺寸，相比而言，悬臂梁7长度14为3mm(很长)，高度15为120μm，宽度16只有8μm，所以，悬臂梁很容易左右转动，高度方向刚度很大，不容易上下振动。静电力驱动的原理如下：电极9a接地电位，电极9b接吸合电位，悬臂梁7的电位或者是零或者是吸合电压，当悬臂梁7的电位为零时，悬臂梁7与电极9a没有电压，与电极9b有电压也就产生了静电力，悬臂梁7将向电极9b运动，结果减小了悬臂梁7与电极9b之间的距离，由于静电力与距离的平方成反比，距离减小反而增大了静电力，另一方面，悬臂梁7的变形产生了恢复力，一旦恢复力不足以克服静电力，悬臂梁7就跟电极9b吸合在一起，定义悬臂梁与电极吸合时所需的最小电压为吸合电压。同理，当悬臂梁7的电位为吸合电位时，悬臂梁7就吸合到电极9a。为了精确控制转动的角度和确保电绝缘，在悬臂梁的根部和自由端附近制作了限位块8a和8b。

实施例3 1x2转动竖直微镜式光学开关驱动器电极的实现

设计电极的形状为渐变曲线的目的在于降低吸合电压，图5(d)中，两电极间距21在根部最小，随着向自由端推移，间距21逐渐变大，间距21随悬臂梁长度的函数关系可以设计成多种形式，比如线性函数，分段线性函数，二次函数，三次函数，四次函数等，根据有限元模拟出来的悬臂梁变形随位置的变化曲线是四次函数，因此电极的优化形状应该是四次曲线，但实际操作可用分段线性来近似，经过优化，吸合电压显著降低为几十伏特。本发明中二电极对称分布于悬臂梁两旁，采用分段线性形状设计时，分三段。第一段从梁根部到距根部305微米，单边电极距悬臂梁距离保持8微米；第二段从距根部305微米到1000微米，单边电极距悬臂梁距离线性增大到26微米；第三段从距根部1000微米到2500微米，单边电极距悬臂梁距离线性增大到78.5微米。其余同实施例1。

实施例4 1x2转动竖直微镜式光学开关光纤固定的实现(图7)

在光纤固定方面，设计了卡簧6a-6c，起暂时固定光纤的作用。采用U形槽结合卡簧，U形槽随输入和输出角摆放，其尺寸为长7.5毫米，宽130微米，高125微米，卡簧形状象“M”形，两卡簧之间距离122微米。其余同实施例1。

实施例5 1x2转动竖直微镜式光学开关微镜的实现(图6)

硅衬底为普通双抛的(110)硅片，图(a)中，将在深刻蚀中掩模的图形预先用氧化硅保护起来，淀积氮化硅薄膜作为硅各向异性腐蚀的保护膜，光刻出氮化硅要腐蚀的开孔；图(b)是经过氢氧化钾溶液腐蚀一定深度后的结果(腐蚀底部未标出)，腐蚀区域出现了(-111)、(1-11)、(111)三种{111}面，其中(-111)面和(1-11)面与(110)面垂直并选(-111)面作为镜面，(111)面与(110)面夹角为35.26度。图(c)是将图(b)氧化处理，目的是保护镜面表面。图(d)是去除氮化硅后，经深刻蚀后形成的硅的微镜以及其它结构。

Claims (7)

1、一种转动竖直镜面微机械光开关，包括驱动器芯片、光输入和输出、陶瓷封装外壳、驱动电路板，其特征在于：

(1)悬臂梁、微镜、光输入和输出的对准槽全都集成在一个硅片上；

(2)以非零度角入射，输出在反射角方向接收，输入球透镜最大程度地靠近镜面，输出球透镜前后错开摆放，输入和输出的光轴平面与微镜中心在同一水平面上；

(3)所述的悬臂梁，根部固定，自由端有一镜面与之垂直，在悬臂梁左右分别制作两个对称电极，同时在靠近自由端处有两个限位块，采用静电力驱动方式；悬臂梁靠近自由端处的限位块控制转动的角度和确保电绝缘；

(4)所述的对称电极的形状采用多种形式进行优化，电极间距随悬臂梁长度的形状可以设计成线性函数，分段线性函数，二次函数，三次函数或四次函数一种；

(5)设计的卡簧是一种悬空的，可以变形的活动部件，卡簧间距略小于光纤的直径，当把光纤压入U形槽时，卡簧间距略微变大，产生的形变力恰好压紧光纤，达到固定的目的，从而卡簧结合U形槽实现光纤的对准。

2、按权利要求1所述的转动竖直镜面微机械光开关，其特征在于所述的球透镜的整个球面镀增透膜。

3、按权利要求1所述的转动竖直镜面微机械光开关，其特征在于所述的悬臂梁的尺寸为长几毫米，高一百多微米，宽只有几微米。

4、按权利要求1所述的转动竖直镜面微机械光开关，其特征在于所述的控制悬臂梁转动角度的限位块形状象“Z”字形。

5、按权利要求1所述的转动竖直镜面微机械光开关，其特征在于所述的U形槽尺寸为7毫米×130微米×120微米，卡簧间距120微米。

6、按权利要求1所述的转动竖直镜面微机械光开关的制造方法，采用单晶硅作材料，其特征在于所述的微镜与光开关的驱动芯片集成一起，无需装配；通过腐蚀(100)硅片，制得原子级水平的硅的{111}竖直镜面；镜面的具体工艺制作过程是：

(1)硅衬底为普通双抛的(110)硅片，把在深刻蚀中掩模的图形预先用氧化硅保护，淀积氮化硅薄膜作为硅各向异性腐蚀的保护膜，光刻出氮化硅要腐蚀的开孔；

(2)用氢氧化钾溶液腐蚀出一定深度的坑，腐蚀区域中出现的竖直{111}面将作为镜面；

(3)氧化处理，刻蚀硅形成微镜，并蒸镀反射膜。

7、按权利要求6所述的转动竖直镜面微机械光开关的制造方法，其特征在于光开关的驱动芯片的制作工艺步骤是：

(1)双抛(110)硅片；

(2)硅片第一次氧化，氧化层厚度1.0～1.2微米；

(3)正面涂胶、光刻、腐蚀氧化硅，形成确定{111}晶面的掩模；

(4)在氢氧化钾溶液腐蚀硅片，确定出{111}晶面，去除氧化硅；

(5)第二次氧化，氧化硅厚度1.0～1.2微米；

(6)正面涂胶，光刻、腐蚀氧化硅，形成电极等正面掩模；

(7)低压化学气相沉积氮化硅薄膜，氮化硅厚度0.12～0.15微米；

(8)正面涂胶、光刻、刻蚀氮化硅，形成腐蚀微镜面的掩模；

(9)在氢氧化钾溶液中腐蚀硅形成垂直坑，其垂直表面将作为微镜面；

(10)第三次氧化，氧化层厚度0.8～1.0微米，作为微镜面的保护层；

(11)背面涂胶、背面光刻、腐蚀氧化硅，形成背面释放层的掩模；

(12)去除正面的氮化硅，暴露出氧化硅和硅；

(13)背面涂胶，光刻出胶图形；

(14)硅片背面深刻蚀到胶被刻净，形成高度差，增加微镜的高度；

(15)继续背面深刻蚀，刻蚀深度为硅片厚度的2/3；

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