CN1271435C - 光学开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种具有MEMS光学开关以及波导管光学开关的优势，即包括耗电量小、易于封装并且转换速度快的光学开关。所述光学开关包括与输入光纤相连的输入波导管，其中光信号通过输入光纤输入，以及包括与多条输出光纤相连的多个输出波导管，其中光信号通过输出光纤输出。在输入波导管和输出波导管之间定位有致动器，且该致动器具有MEMS结构，并包括固定部件以及通过弹簧与固定部件连接以通过预定力来移动的活动部件。此外，多个活动波导管与致动器的活动部件装配在一起，并按照使活动波导管的第一末端在位置上对应于输入波导管，并且使活动波导管的第二末端在位置上对应于输出波导管的方式，向与活动部件的移动方向相同的方向移动。

Description

光学开关及其制造方法

技术领域

本发明总体上涉及一种用作波分复用(WDM)光通信网络的基本部件的光学开关，更具体的说，本发明涉及一种光学开关以及用于制造所述光学开关的方法，所述光学开关的响应速度快、耗电量少并且因为能够根据简单的操作将所述光学开关连接到光纤，因而可以用于精确且容易封装的处理过程中。

背景技术

通常，光学开关起到改变在WDM光通信网络中经由光纤传输的光信号的路径的作用，并且对光学开关的最新研究正集中在根据微电机系统(MEMS)技术实现的光学开关以及使用因热能引起的折射变化实现的光学开关上。

在MEMS光学开关中，通过输入光纤的光束由使用具有MEMS结构的致动器控制的精密镜(fine mirror)反射，以便向两个或更多方向传输，并且在图1中举例说明了所述MEMS光学开关的示意性结构。

参考图1A和1B，所述MEMS光学开关包括输入光纤11，其中光信号通过该输入光纤输入，还包括垂直于输入光纤11设置的第一输出光纤12，在与输入光纤11的同一直线上设置的第二输出光纤13，在输入光纤11和第二输出光纤13之间设置的精密镜14，用于反射光信号以转换光信号的方向，所述MEMS光学开关还包括用于驱动精密镜14的致动器15。当使用致动器15将精密镜14定位在输入光纤11和第二输出光纤13之间时，通过输入光纤11的光信号由精密镜14反射以经由第一输出光纤12前进。另一方面，当使用致动器15将精密镜14从输入光纤11和第二输出光纤13之间的空间中移开时，通过输入光纤11的光信号不由精密镜14反射而经由第二输出光纤13前进。

换言之，光信号由精密镜14转换，而所述精密镜14由具有MEMS结构的致动器15来驱动。由于致动器的尺寸非常小，所以MEMS光学开关因转换速度快且耗电量少而十分有益。然而，MEMS光学开关因输入光纤和输出光纤在封装处理中必须被精确的排列而具有不方便的问题。

参考图2，该图举例说明了使用波导管折射变化的常规波导管光学开关。将常规波导管光学开关设置为这样的结构，即具有输入波导管21以及第一和第二输出波导管22、23，并且上述三个部件按照Y的形状彼此结合在一起，其中第一输出波导管22在直径上大于第二输出波导管23，并且将加热单元24附着在第二输出波导管23上。当加热单元24关闭时，通过输入波导管21的光信号经由第一输出波导管22前进。另一方面，当加热单元24打开时，第二输出波导管23由加热单元24加热，由此第二输出波导管23处的折射率减小，且通过输入波导管21的光信号经由第二输出波导管23前进，因此转换光信号的路径。

常规的波导管光学开关是有优势的，这是因为：波导管元件直接设置在晶片上，故而易于实施波导管元件的集成，并且能够通过将光纤附着在波导管光学开关的输入和输出部件上来实现封装处理而无需分别地排列光纤。然而，常规的波导管光学开关也具有缺点，这是因为由于使用热能来转换光信号的路径，故而耗电量很大，并且使得转换速度不期望地减慢了。

发明内容

由此，本发明是紧记出现在现有技术中的上述问题而作出的，并且本发明的一个方面在于提供一种光学开关，所述光学开关具有MEMS光学开关以及波导管光学开关的优势，所述优势包括更低的耗电量、更容易的封装处理以及更快的转换速度。

本发明的其他方面和/或有益效果将在随后的说明中部分地阐明，并且通过说明部分地明显，或者可以通过实践本发明来学习。

上述和/或其他方面是通过提供一种光学开关来实现的，所述光学开关包括输入波导管以及多个输出波导管，所述输入波导管与输入光纤相连，其中光信号经由该输入光纤输入，所述多个输出波导管与多条输出光纤相连，其中光信号经由所述输出光纤输出。在输入波导管和输出波导管之间的位置上设置有致动器，并且所述致动器具有包括固定部件以及通过弹簧与所述固定部件相连以便通过预定的力来移动的活动部件的MEMS结构。此外，在致动器的活动部件上制造了多个活动波导管，并且按照使活动波导管的第一末端在位置上对应于输入波导管，并且使活动波导管的第二末端在位置上对应于输出波导管的这种方式向与活动部件移动方向相同的方向移动。

依照本发明的光学开关具有这样一种结构，其中活动波导管由具有MEMS结构的致动器来移动以便有选择地连接输入波导管和输出波导管，因此转换光学信号。由此，由于使用所述光学开关响应速度更快，耗电量更小，并且易于连接所述光学开关与光纤，因而所述光学开始是十分有益的。

此外，所述光学开关可进一步包括致动器驱动部件，以用于使用静电力来移动所述致动器的活动部件。对此，所述致动器驱动部件包括梳形活动电极以及梳形固定电极，所述梳形活动电极整体连接到所述致动器的活动部件的末端，而所述梳形固定电极安装在距活动电极的预定距离处。此时，活动电极以及与该活动电极整体装配的活动部件通过由施加到所述活动电极和固定电极的预定电压所产生的静电力来移动。

上述和/或其他方面通过提供一种制造光学开关的方法来实现，所述方法包括在第一硅衬底的上部形成腔，在其上形成所述腔的第一硅衬底的上部粘接第二硅衬底，研磨第二硅衬底到预定厚度，在已研磨的第二硅衬底上形成具有预定厚度的电极层，蚀刻所述电极层以形成用于形成MEMS结构的掩模的电极图形，形成多个包括有第二硅衬底以及电极图形的覆层和核的波导管，以及使用作为掩模的电极图形蚀刻第二硅衬底以形成MEMS结构。

此外，所述方法可进一步包括在所述第一硅衬底的低部上形成对准标记(alignment mark)，由此当形成所述腔、电极图形以及波导管时，根据对准标记的位置来定位所述腔、电极图形以及波导管。

波导管的形成包括在所述第二硅衬底以及电极图形上淀积下覆层，在所述下覆层上形成所述核，在其上形成有核的下覆层上淀积上覆层，以及消除除了在其上待形成波导管的下覆层的部分外的下覆层部分。

附图说明

通过随后结合附图对优选实施例的说明，将使本发明的这些以及其他方面和有益效果变得更清楚并且更容易理解，其中：

图1A和1B举例说明了常规MEMS光学开关的结构和操作；

图2举例说明了常规波导管光学开关的结构；

图3A和3B举例说明了依照本发明第一实施例的光学开关；

图4A和4B举例说明了依照本发明第二实施例的光学开关；

图5A和5B举例说明了依照本发明第三实施例的光学开关；

图6是举例说明制造依照本发明的光学开关的流程图；

图7A到7J是举例说明制造依照本发明的光学开关的截面图。

具体实施方式

将详细地进行对本发明的现有优选实施例的描述，本发明的例子将依照附图来举例说明，在附图中相同的参考标记始终表示相同的元件。

图3A和3B举例说明了依照本发明第一实施例的光学开关。

图3A举例说明了在偏置状态中的光学开关30。所述光学开关30包括输入波导管32，多个输出波导管34a、34b，多个活动波导管35a、35b以及致动器37，所述输入波导管32与输入光纤31相连，其中光信号经由所述输入光纤输入，所述多个输出波导管34a、34b与两条或更多输出光纤33相连，其中光信号经由所述输出光纤输出，所述多个活动波导管35a、35b用于连接输入波导管32和输出波导管34a、34b，所述致动器37具有设置在预定基底(未示出)上的固定部件38以及活动部件36。这时，活动部件36通过弹簧与固定部件38相连，并且与活动波导管35a、35b装配在一起。所述活动部件36通过预定力垂直地移动。

输入波导管32以及输出波导管34a、34b固定地安装在晶片上，并且与输入光纤31和输出光纤33a、33b相连，所述输入光纤和输出光纤根据接合处理(bonding process)而用作信号传输介质。图3A示出了两个输出波导管34a、34b，但是输出波导管34a、34b的数量可随光信号的路径的数量而按比例增加，由此活动波导管35a、35b的数量可随输出波导管34a、34b的数量而按比例增加。

输出波导管34a、34b与不同的输出光纤33a、33b相连。输出波导管34a、34b的排列没有限制，但是优选地是将输出波导管34a、34b如图3A所示那样平行地与输出光纤33a、33b连接，以便易于将输出波导管34a、34b连接到输出光纤33a、33b，并且以便易于安装活动波导管35a、35b。

此外，活动波导管35a、35b的数量与输出波导管34a、34b的数目相同。所述活动波导管35a、35b以这样的方式垂直的移动，所述方式为：活动波导管35a、35b的第一末端在位置上对应于输入波导管32，并且活动波导管35a、35b的第二末端在位置上对应于输出波导管34a、34b。这时，可将某部分的活动波导管35轻微地弯曲。

图3A举例说明了活动波导管35a、35b的放大图，以示出波导管的结构。在这点上，波导管32、34a、34b、35a、35b具有非常小的直径，由此大部分活动波导管35a、35b几乎是直的。此外，活动波导管35a、35b与具有MEMS结构的致动器37的活动部件36装配在一起，以便与该活动部件36一起整体地移动。

致动器37具有MEMS结构，并且包括不移动的固定部件38，以及通过弹簧与该固定部件38连接的活动部件36，并且所述活动部件36通过预定静电力或者诸如热能的能量来垂直地移动。

与活动部件36装配在一起的活动波导管35a、35b垂直的排列，以便当活动部件36垂直移动时，使输入波导管32有选择地连接到多个输出波导管34a、34b上。

下面，将给出对所述光学开关的操作的详细描述。

图3A举例说明了当致动器37没有移动时，所述光学开关在初始状态中的操作，而图3B举例说明了当致动器37移动时，所述光学开关的操作。

如图3A所示，当在初始状态中，致动器37的活动部件36没有垂直移动时，第一活动波导管35a的第一末端在位置上对应于输入波导管32，且该第一活动波导管35a的第二末端在位置上对应于第一输出波导管34a。这时，通过输入光纤31的光信号经由所述第一活动波导管35a进入第一输出光纤33a，所述第一输出光纤33a与第一输出波导管34a相连。

此外，当致动器37如图3b所示那样垂直向下移动时，输入波导管32经由第二活动波导管35b与第二输出波导管34b连通。由此，通过输入光纤31的光信号经由第二活动波导管35b进入第二输出光纤33b，所述第二输出光纤33b与第二输出波导管34b相连。

由此，通过输入波导管32的光信号，经由致动器37选择的两条转换路径(路径1、路径2)的任意一条路径而前进。

图3A和3B仅仅举例说明了两条转换路径，其中所述光信号经由这两条转换路径通过，但是转换路径的数量可随活动波导管35和输出波导管34的数量按比例增加。

图4A和4B举例说明了依照本发明第二实施例的具有4条转换路径的光学开关，其中图4A和4B的光信号通过不同的转换路径。

图4A和4B的光学开关包括没有移动的输入波导管42，朝向致动器47移动方向设置的4个输出波导管44a、44b、44c、44d，通过弹簧与固定部件48相连的致动器47，且所述致动器47具有通过预定力垂直移动的活动部件46，并且所述光学开关还包括设置在致动器47的活动部件46的上部的4个活动波导管45a、45b、45c、45d，且所述4个活动波导管朝向致动器47移动的方向来设置。这时，所述活动波导管45a、45b、45c、45d以这样的方式垂直移动，所述方式为：活动波导管45a、45b、45c、45d的第一末端在位置上对应于输入波导管42，且所述活动波导管45a、45b、45c、45d的第二末端在位置上对应于输出波导管44a、44b、44c、44d。

如图4A所示，当在初始状态中致动器47没有移动时，输入波导管42在位置上对应于第一活动波导管45a的第一末端，且第一活动波导管45a的第二末端在位置上对应于第一输出波导管44a。这时，第一活动波导管45a是4个活动波导管的最底部的活动波导管，且第一输出波导管44a是4个输出波导管的最底部的输出波导管。由此，通过输入光纤41的光信号进入第一输出光纤43a。

此外，如图4B所示，当致动器47的活动部件46向下且垂直移动预定距离时，第二活动波导管45b的第一末端在位置上对应于输入波导管42，且第二活动波导管45b的第二末端在位置上对应于第二输出波导管44b。这时，通过输入光纤41的光信号传输到第二输出光纤43b。

此外，致动器47的活动部件46以这样的方式向下且垂直移动，所述方式为：第三活动波导管45c在位置上对应于输入波导管42和第三输出波导管44c，以便将通过输入光纤41的光信号传输到第三输出光纤43c，并且第四活动波导管45d在位置上对应于输入波导管42和第四输出波导管44d，以便将通过输入光纤41的光信号传输到第四输出光纤43d。

换言之，通过输入光纤41的光信号通过调整致动器47的活动部件46的位置而被有选择地传输到第一输出光纤43a、第二输出光纤43b、第三输出光纤43c或者第四输出光纤43d。

在这点上，致动器47的活动部件46的位置可通过静电力或热能来调整。MEMS结构的活动部件的活动机制在本技术领域中是公知的。

图5A和5B举例说明了依照本发明第三实施例的光学开关，其中光信号的路径使用静电力来转换，这通常在MEMS技术领域中使用。

在图5A和5B中，梳形活动电极37a在图3的致动器37的末端形成，并且固定电极37b在距活动电极37a预定距离处形成。

如图5A所示，当不向活动电极37a以及固定电极37b施加电压时，活动部件36不移动，并且第一活动波导管35a定位在输入波导管32和第一输出波导管34a之间。

另一方面，当向活动电极37a以及固定电极37b施加电压时，在活动电极37a和固定电极37b之间出现的预定电压差值产生静电力，由此使得活动电极37a以及与活动电极37a整体装配在一起的活动部件36向下垂直移动。这时，如图5B所示，第二活动波导管35b定位在输入波导管32和第二输出波导管34b之间。

活动电极37a的移动距离随静电力的强度按比例增加，并且在活动电极37a和固定电极37b之间产生的静电力，根据活动电极37a和固定电极37b之间的电压差值来变化，由此活动电极37a的移动距离通过调整向活动电极37a和固定电极37b施加的电压水平来控制。由此，致动器37的移动通过调整电压信号来控制，因此控制光信号的路径。

如上所述，本发明的光学开关具有MEMS结构以及波导管，并且其制造过程如图6所示那样进行控制。

将参考图6以及图7A至7J给出对所述光学开关的制造过程的详细描述。

在操作601，将在其上设置致动器37、47的活动部件36、46的腔71b，在第一硅衬底71上形成，用于支持致动器和波导管。

参考图7A，对准标记71a在第一硅衬底71的下部上形成，以设定基底位置，以便在腔71b上精确地对准致动器37、47的活动部件36、46。光致抗蚀剂图形(photoresist pattern)(PR图形)根据平面印刷处理在第一硅衬底71的下部上形成，并且被蚀刻以形成对准标记71a。对准标记71a的尺寸被具体限制。

参考图7B，在位置上对应于第一硅衬底71的下部上的对准标记71a的腔71b，依照与形成对准标记71a时相同的方式在第一硅衬底71的上部上形成。

转到图7C，在操作602，剩余的光致抗蚀剂图形被消除，将第二硅衬底72粘接到第一硅衬底71的上部，并且研磨到预定厚度。在这点上，致动器37、47使用第二硅衬底72形成。

如图7D所示，在操作603，在已研磨的第二硅衬底72’上淀积导电金属以形成金属层73。将金属层73用作致动器37、47的干蚀刻掩模，并且在光学开关完成后用作电极。此时，金属层73依照溅射或蒸发(evaporation)处理淀积预定厚度。金属层73的厚度依赖于已研磨的第二硅衬底72’的蚀刻选择比例。

如图7E所示，在操作604，在金属层73上覆盖光致抗蚀剂层，以形成致动器37、47，并且将没有掩饰的金属层部分使用作为蚀刻掩模的光致抗蚀剂层来进行湿蚀刻或干蚀刻，以形成用作掩模的电极图形73’。对此，掩模图形根据对准标记71a来形成图案。已研磨的第二硅衬底72’可使用作为掩模的电极图形73’来进行蚀刻，以完成致动器37、47。然而，在本发明中，已研磨的第二硅衬底72’在波导管32、34形成之前被留下不被蚀刻。

参考图7F，在操作605，在已研磨的第二硅衬底72’的上部上形成下覆层74，其中在所述第二硅衬底72’上形成有电极图形73’。

转到图7G，在操作606，在下覆层74上形成核75。此时，核75基于对准标记71a，在位置上对应于图3和4的活动波导管35、45。

如图7H所示，在操作607，然后在核75上形成上覆层76。

用作蚀刻掩模的金属层77根据溅射或蒸发处理淀积预定厚度，并且依照与图7E所示情况相同的方式来形成图案。

在操作608，使用蚀刻掩模77来蚀刻上、下覆层的一部分，以形成图3和4的输入波导管32、42，活动波导管35、45，输出波导管34、44。

通常，波导管可根据波导管的材料归类为基于硅的波导管和基于聚合物的波导管，并且上述两种类型的波导管都可适用于依照本发明的光学开关。图7F至7I举例说明了广泛用于形成波导管的FHD处理。

在操作609，已研磨的第二硅衬底72’的暴露部分使用电极图形73’进行蚀刻，以实现MEMS结构，即致动器37、47，其中所述电极图形73’在操作604作为掩模形成。

在这点上，在第二硅衬底72上形成的作为MEMS结构的致动器37、47以及波导管，根据在第一硅衬底71下部上形成的对准标记71a来排列。此外，致动器37、47的活动部件36、46定位在第一硅衬底71的腔71b中，并且在活动部件36、46上形成活动波导管35、45。

图7J是依照本发明的光学开关沿图3A和3B的线A-A’的截面图。

参考图7J，将输入波导管32、输出波导管34以及活动波导管35彼此定位在同一水平面上，并且活动波导管35在其上定位有所述输入波导管32、输出波导管34以及活动波导管35的水平面上向预定方向移动。

此外，致动器37、47的活动波导管35、活动部件36、46以及腔71b垂直排列成一条线，并且整体移动。

如上所述，依照本发明的光学开关包括每个都定位在其输入端和输出端的波导管，由此通过将光学开关粘接在光纤上能够容易地控制封装处理。此外，因为转换功能由MEMS结构来实现，因而使用所述光学开关的耗电量更小，并且响应速度更快。

通过上述描述显见，本发明提供了一种具有这样结构的光学开关，其中与光纤相连的光学开关的输入和输出部件由波导管来实现，并且所述光学开关的转换部件由MEMS结构来实现，其中所述MEMS结构用于驱动活动波导管以便将输入波导管和输出波导管相连。由此，因为使用所述光学开关的耗电量更小，响应速度更快，封装处理简单并且易于控制，故而本发明的光学开关具有优势。

虽然已经示出和描述了本发明的少数优选实施例，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以在这些实施例中进行变化，本发明的范围由权利要求书及其等价物来限定。

Claims (6)

1.一种光学开关，包括：

输入波导管，所述输入波导管与输入光纤相连，其中光信号通过所述输入光纤输入；

多个输出波导管，所述输出波导管与多条输出光纤相连，其中光信号通过所述多条输出光纤输出；

致动器，定位于输入波导管和输出波导管之间，并且具有包括固定部件以及通过弹簧与固定部件相连以便通过预定力移动的活动部件的微电机系统结构；以及

多个活动波导管，所述多个活动波导管与致动器的活动部件装配在一起，并且依照使活动波导管的第一末端在位置上对应于输入波导管，并使所述活动波导管的第二末端在位置上对应于输出波导管的这种方式，向与所述活动部件移动方向相同的方向移动。

2.如权利要求1所述的光学开关，进一步包括：致动器驱动部件，以用于使用静电力来移动致动器的活动部件。

3.如权利要求2所述的光学开关，其中，所述致动器驱动部件包括：

整体连接到所述致动器的活动部件的末端的梳形活动电极；以及

安装在距所述活动电极预定距离处的梳形固定电极，

因此，活动电极以及与所述活动电极整体装配在一起的致动器的活动部件，使用通过施加给活动电极和固定电极的预定电压产生的静电力来移动。

4.一种制造光学开关的方法，包括：

在第一硅衬底的上部上形成腔；

将第二硅衬底粘接到在其上形成腔的第一硅衬底的上部；

研磨所述第二硅衬底到预定厚度；

在已研磨的第二硅衬底上形成具有预定厚度的电极层；

蚀刻所述电极层，以形成用于形成微电机系统结构的掩模的电极图形；

形成多个波导管，所述多个波导管包括第二硅衬底和电极图形的覆层以及核；以及

使用作为掩模的电极图形来蚀刻所述第二硅衬底，以形成微电机系统结构。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

在所述第一硅衬底的下部上形成对准标记，由此当形成所述腔、电极图形以及波导管时，根据对准标记的位置来定位所述腔、电极图形以及波导管。

6.如权利要求4所述的方法，所述波导管的形成包括：

在所述第二硅衬底以及电极图形上淀积下覆层；

在所述下覆层上形成核；

在其上形成有核的下覆层上淀积上覆层；以及

消除低覆层的除了形成波导管的部分之外的部分。

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