CN1324453A

CN1324453A - 密封流体的微机电系统光开关

Info

Publication number: CN1324453A
Application number: CN99812452A
Authority: CN
Inventors: C·P·布罗菲; C·达罗; V·A·爱德华兹; B·艾德
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2001-11-28
Also published as: KR20010080307A; JP2002528759A; CA2346451A1; US6404942B1; EP1141755A1; EP1141755A4; TW412649B; WO2000025160A9; WO2000025160A1; AU1448300A

Abstract

密封流体的微机电系统(MEMS)光开关包括一个光波导矩阵,其中MEMS反射镜(22)位于沟槽中,而沟槽位于波导交叉点(29)上。沟槽中填充了保持准直流体(30),反射镜(22)浸没在流体中。保持准直流体(30)防止光束在进入开关交叉点时扩展。此特征允许使用非常小的MEMS反射镜(22),并且防止了相关领域中出现的一些关于MEMS反射镜(22)的典型问题。特别是,本发明揭示的MEMS反射镜(22)被缩小到大约15μm宽,2μm厚,致使致动距离缩短,大约达到15μm。此特征产生一个具有更快切换时间的光开关。

Description

密封流体的微机电系统光开关

相关申请的交叉参考

本申请是1998年10月23日提交的美国临时专利申请第60/105,323号的部分连续申请。所述临时申请的整个内容是本申请的依赖，并通过引用包括在此。由此，根据美国法典§119(e)，本申请要求其优先权的利益。

发明领域

本发明一般地涉及光开关。尤其，本发明涉及一种光学开关阵列，该阵列使用一可移动的MEMS反射镜，对于开关的打开位置和闭合位置，该反射镜都浸没在折射率匹配的、保持准直的流体中。

发明背景

针对光开关提议的方式可以大致分为两类：导波法和自由空间法。导波法包括多包层波导，实行弯曲调制和基于特种材料的切换，而自由空间法一般依赖于诸如反射镜或透镜等可移动的光学元件。

导波法通常使用Mach-Zehnder干涉仪、Y-分支波导和其它器件。它通过改变器件中某个臂的折射率，使光从器件的一个臂转向另一个臂。一般，利用电动机构、热致动机构、或者其它致动机构可以到达此目的。

在一些应用中，自由空间法比导波法优越。由于波导在空间上彼此隔离，并且不会耦合，所以自由空间法的串扰非常小。此方法的唯一串扰源是由于分散了可移动光学元件。另外，自由空间器件不依赖波长，并且通常不依赖于温度。

已提出过几种自由空间法。一种方法使用了具有可移动微机电系统(MEMS)反射镜的开关阵列。输入和输出光纤被置于凹槽中，并彼此正交。MEMS反射镜处在自由空间，位于输入光纤和输出光纤的交点上。此方法要求相当大的反射镜和准直器。因为当光束离开波导时会不可避免地发生扩展，并在自由空间中向MEMS反射镜传播。由于较大的反射镜对角度定位精度、平坦度都有要求，并且难以精确快速地起动这种相对较大的结构，所以大反射镜存在着问题。这些器件一般具有300μm至400μm的致动距离，这会对切换速度产生负面影响。另外，必须对每个输入和输出光纤装配单体的准直器，从而增大制造成本。

在第二种自由空间法中，使用了平面型波导阵列。在输入波导和输出波导的交叉点上形成沟槽。将数字式微反射镜器件(DMD)放在沟槽内，并处在自由空间中。每个微反射镜起光闸的作用，用静电致动器或磁致动器可以将其旋转到闭合位置，致使光信号从输入波导反射到输出波导中。当光闸处于打开位置时，光沿原始方向继续传播，不被切换。此方法也存在光束扩展的问题，并且这种开关产生的特有损耗会很高。

第三种自由空间法是将一种折射率匹配的流体用作切换元件。它在衬底上形成一平面型波导阵列。在交叉点处形成沟槽，并向沟槽中填入折射率与波导纤芯折射率相匹配的流体。为了激励开关，可以用致动器使流体在空间上移入和移离交叉点，或者用热学或电解方法将流体转换成气体，产生气泡。为使该方法可行，对交叉点处的波导端面切割得到的小平面必须具有反射镜的质量，因为它们要用来将光反射到所需的波导中。最后，必须将流体排干净，以保持所需小平面的几何形状，并防止因任何残留液滴产生散射损耗。

在另一种方法中，将一个梁对角放置在波导中的一个空隙上。从梁上悬下一反射镜至空隙中。将一电极放在空隙的附近，梁的下方。当寻址到该电极时，梁和反射镜移入空隙，反射波导中传播的光。此方法有若干缺点，而且也存在上述光束扩展的问题。同样，这种开关的特有损耗会很高。其次，电极被放在置入波导的衬底上。这种设计的再生产费用很高。

因此，需要一种具有自由空间法之优点但不存在上述相关设计之缺点的光开关。

发明内容

本发明满足了上述需要。将一种可移动的MEMS反射镜放在一沟槽中，沟槽内填充了一种不导电的、低粘度的、折射率匹配的流体。折射率匹配的流体起保持准直流体的作用，它可以防止光束在开关交叉点上扩展。因此，在开关交叉点上可以使用较小的反射镜，致使致动距离缩小，致动时间缩短。

本发明的一个方面是一种用于引导光信号的光开关。该光开关包括：至少一个光波导，它具有输入端、输出端和折射率为n₁的纤芯部分。此开关还包括至少一个沟槽，沟槽形成于至少一个光波导中，位于输入端和输出端之间的交叉点上。保持准直流体位于至少一个沟槽中，保持准直流体的折射率基本上与纤芯部分的折射率相同。此开关还包括至少一个可移动的切换元件，它具有用于将光信号引入输出端的打开位置和闭合位置。至少一个可移动的切换元件位于至少一个沟槽中，并且当处于打开位置和闭合位置时，该切换元件都基本上浸没在保持准直流体中。

在另一方面，本发明包括一种用于传送光信号的光开关的制造方法。该方法包括以下步骤：形成一衬底；在衬底上形成一个具有预定折射率的光波导层；并在光波导层中形成多个波导结构。在多个波导结构中形成多个沟槽。在衬底上形成多个可移动的反射镜和致动器。将多个可移动的反射镜和致动器放在多个沟槽中。用一种保持准直流体填充多个沟槽，其中流体的折射率大体上与光波导层的折射率相同，并且保持准直流体大体上浸没了每个可移动的反射镜和致动器。最后，密封光开关。

以下将在详细描述中叙述本发明的附加特征和优点。对于本领域的熟练技术人员来说，通过阅读这些描述很容易理解其中的一部分特征和优点，或者通过实践如本文所述的发明来认识它们，这里本文描述包括以下的详细描述、权利要求书以及附图。

附图概述

图1是本发明第一实施例的平面图；

图2是沿图1中直线1-1截取得到的第一实施例的截面图，示出了第一衬底上形成之元件与第二衬底上形成之元件之间的关系；

图3是第二实施例的三维视图，示出了滑动的MEMS反射镜组件和MEMS致动器；

图4是本发明第三实施例的平面图，示出了光开关的六边形形式；

图5A-5H是本发明第一实施例的示意图，示出了处于各种制造阶级的光开关；

图6是本发明第二实施例的详细视图，示出了MEMS装配区(assemblyarea)；

图7是沿图6中直线2-2截取得到的本发明第二实施例的截面图，示出了在MEMS反射镜旋转到位之前的MEMS装配区；

图8是沿图6中直线2-2截取得到的本发明第二实施例的截面图，示出了在MEMS反射镜旋转到位之后的MEMS装配区；

图9是沿图6中直线2-2截取得到的本发明第二实施例的截面图，示出了制造细节；

图10是依照本发明另一实施例的MEMS装配区的详细视图；

图11是本发明第四实施例的截面图；

图12是本发明第四实施例的集成寻址电子电路的示意图；

图13是第五实施例的使用热致动器的寻址电子电路的示意图；

图14是图13所示示意图的等效电路图。

较佳实施例的详细描述

现在详细描述本发明目前较佳的实施例，附图对其作了例示。在任何可能的情况下，在所有附图中始终用相同的标号表示相同或类似的部件。图1例示了本发明光开关的一个实施例，并且一般始终用标号1表示该光开关。

依照发明，本发明的光开关包括可移动的MEMS反射镜22，该反射镜22位于沟槽15中，而沟槽中填充了不导电的、低粘度的、折射率匹配的流体30。折射率匹配的流体30起保持准直流体的作用，它可以防止光束在开关交叉点29处扩展。由于光信号在开关交叉点中保持准直，所以可以使用较小的反射镜，致使致动距离减小，致动时间缩短。以下参照附图，更详细地描述本发明的该实施例。

图1是本发明第一实施例的光开关1的平面图。开关1是一个由波导纤芯材料13和波导包层材料14形成的波导矩阵，所述材料都位于第一衬底10上。纤芯13和包层14安排在第一衬底10上，形成多个输入波导11和多个输出波导12。在输入波导11与输出波导12相交的交叉点29处，形成多个沟槽15。本领域的普通技术人员应该认识到，有若干种方法可以形成沟槽15。第一种方法是，如图1所示，将沟槽15形成为连续的、与多个交叉点相交的对角通道。另一种方法是，将沟槽15放置成分开形成的且与单个交叉点相交的离散井。

将多个可以独立移动的切换元件20放在位于每个交叉点29上的沟槽内。每个切换元件20可以在打开位置和闭合位置之间独立移动。在打开位置，允许光传播通过开关的交叉点29。在闭合位置，切换元件20被移入交叉点29，将光引入输出波导12。

开关1的工作情况如下。光信号L_s通过输入端18进入开关1。光信号L_s在输入波导11内传播，直到处于闭合位置的切换元件20将其偏转到输出波导12中。光信号L_s从输出端19离开开关1。另外请注意，可以用双面开关为光选择多条路径。图中，开关20＇将光信号L_s＇引向输出端19＇。因此，可以将本发明构造成一个N×M无阻断的交叉开关。

图2是沿图1中直线1-1截取得到的光开关1的截面图。在第一实施例中，切换元件20形成于第二衬底40上。然后，将第二衬底40与第一衬底10对准，使得切换元件20位于多个沟槽15中。在连接界面17处，用倒装粘结或类似方法使第一衬底10与第二衬底40相连。在以后将讨论的第三实施例中，切换元件20形成于第一衬底10上。在本实施例中，第二衬底40对开关1仅起盖子的作用。

切换元件20包括滑动的MEMS反射镜22、反射镜簧片(anchor)23、MEMS芯片(chip)21和致动器25。这里致动器25未在图2中示出。滑动反射镜22通过反射镜簧片23与MEMS芯片21相连，它位于沟槽15中，并且浸没在保持准直流体30内。保持准直流体30最好是一种不导电的、低粘度的流体，其折射率接近或基本上与纤芯材料13的折射率相匹配。对于所有的静电致动器，都要求流体不导电，但磁致动器不这样要求。当用热致动器来实现本设计时，流体不应具有低导热性。

对于打开和闭合两个切换位置，反射镜22都浸没在流体30中。这比相关技术具有明显的优势。一般来说，在纤芯13中传播的光信号是准直的。当光信号进入沟槽15时，由于流体的折射率与纤芯的折射率匹配，所以可以保持光信号准直。由于流体30削弱了光束扩展，所以可以使用较小的反射镜结构。在本发明中，MEMS反射镜22只有15μm宽，2μm厚。

沟槽15的宽度只有6μm至10μm。因此，可以获得非常短的致动距离，大约为15μm左右。在相关技术中，致动距离为300μm至400μm，与此相比，本发明有明显的改进。此改进还将导致光开关1具有非常短的切换时间，大约为370μs。而400μm反射镜的切换时间达10ms。注意，必须将沟槽15刻蚀到足够的深度，以允许反射镜22在处于反射位置时基本上遮蔽掉光信号所有的模式能量(＞99％)。在一个实施例中，沟槽宽6μm，在2μm反射镜22的两侧提供了2μm的间隙。本领域的普通技术人员应该意识到，还可以用诸如光栅和折射元件等其它结构来实现切换元件20。

在本发明的另一个实施例中，波导11和12的Δ_1-2≈0.5％。本领域的普通技术人员应该认识到，Δ_1-2定义为：

Δ_{1 - 2} = \frac{n_{1}^{2} - n_{2}^{2}}{2 n_{1}^{2}}

其中n₁是纤芯折射率，n₂是包层折射率。当把Δ_1-2从0.34％(该值与光纤工业标准SMF-28相符)升高到0.5％时，致动距离可以缩短5-7μm，沟槽深度可以缩小5μm。

图3是第二实施例的三维视图。滑片24位于沟槽15的底部。图中示意地示出，滑动的MEMS反射镜22通过反射镜簧片23与滑片24相连。MEMS致动器25根据所需要的切换位置，将滑片24移入和移出交叉点29，从而使MEMS反射镜22在打开位置和闭合位置之间移动。MEMS致动器25可以用若干种本领域众所周知的方法来实现。MEMS致动器25可以用诸如刷状驱动器或梳状驱动器等静电致动器来实现。在本设计中，还可以使用磁致动器。热致动器是可以用来实现致动器25的第三种方式。注意在图3中，为清楚起见，未示出保持准直流体30。但是，流体30在波导小平面16的加工要求方面起着重要的作用。这些要求因两个原因而得以宽松：其一是由于保持准直流体抑制了光束扩展；其二是由于在切换期间小平面16并不用来反射光信号。在图3中，小平面16与MEMS滑动反射镜22的平面成大约45°的角度。但由于要求放宽，所以该角度不必为45°。事实上，该角度可以是0°和45°之间的任意值。

图4是本发明第三实施例的平面图，示出了光开关70的六边形形式。由输入波导71、73和75组成的三个线性阵列位于六边形开关70的第一、第三和第五边。由输出波导72、74和76组成的三个线性阵列位于六边形开关70的第二、第四和第六边。由沟槽77构成的两维阵列位于输入光波导71、73和75与输出光波导72、74和76相交的交叉点701上。多个独立移动的切换元件(为清楚起见，图中仅示出一个)位于每个交叉点701上的沟槽77中。第二实施例中切换元件的工作方式与第一实施例中切换元件20的工作方式相同。本领域的熟练技术人员应该意识到，还可以使用其它多边形几何形状的阵列。

图5A-5G是本发明第一实施例的示意图，示出了处于各个制造阶段的光开关。图5A示出了第一衬底10的形成。第一衬底10可以用本领域普通技术人员公知的任何方法和材料制成。这类方法包括玻璃成形法；使用诸如硅等半导体材料；化学汽相沉积石英、熔融石英、陶瓷材料、金属材料或聚合材料。

在图5B中，在衬底10上形成光波导层11。可以用各种方法和材料来形成所述层11，所述方法包括：溶胶-凝胶沉积石英、无定形硅、诸如Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ材料等化合物半导体材料；掺杂化学汽相沉积石英、有机-无机混合材料或聚合材料。所述层11包括波导纤芯材料13和波导包层材料14。然后，用光刻技术对层11有选择地曝光，除去多余的材料，形成波导结构130。在另一种方法中，将波导结构材料沉积在对包层材料刻蚀得到的槽中，形成波导结构130。还可以使用诸如浮雕和微复制等其它技术来形成波导结构130。

图5C示出了波导结构130中形成的多个沟槽15。用光刻技术在波导结构130中形成沟槽15。通过刻蚀去除多余的材料。

在图5D-5G中，描述了一种制造切换元件20的较佳方法。在该例中，通过对一MEMS衬底进行微机械加工来制造切换元件20。在图5D中，形成第二衬底40。然后，在上面沉积可选择的氮化物层52、氧化物层50和多晶硅层51。用紫外线辐射将反射镜22和铰链28的图像转移到多晶硅层上。在图5E中，当清洗掉多余的光致抗蚀材料后，形成铰链和反射镜的模子。在图5F中，将反射镜材料60填入模子中，并用氧化物层61封盖。如图5G所示，在经历了钻孔和去除多余材料等若干中间步骤后，在第二衬底40上留下MEMS反射镜22和簧片23，从而形成切换元件20的一部分。在反射镜22上涂覆一层金，形成镜面。接下来，旋转反射镜22，使其与衬底40成直角。请注意，未图示的MEMS致动器25也是切换元件20的一部分，它也是在该过程中形成的。为清楚起见，省略了致动器25。

图5H示出了制造的最后一步。将第二衬底40与第一衬底10对准，并且将反射镜22插入沟槽15中。然后，通过粘结或其它手段使第一衬底10与第二衬底40相连。通过入孔将流体20填入沟槽中，然后密封入孔。

图6是本发明第二实施例的详细视图，示出了MEMS装配区26。当用表面微机械加工制造技术使切换元件20与衬底10构成一整体时，要使用装配区26。装配区26形成于沟槽15中位于波导交叉点29之间的部分内。装配区的作用是为制造反射镜22并将其旋转到工作位置提供必要的区域。

图7是沿图6中直线2-2截取得到的截面图，示出了在MEMS反射镜旋转到位之前的MEMS装配区。图中示出了在刚刚制成后，反射镜22平行于装配区的底部27。制造开关的最后一个步骤是绕铰链28将反射镜22旋转到与装配区底部27垂直的位置。图8也是沿图6中直线2-2截取得到的截面图，但它示出了MEMS反射镜旋转到位后的MEMS装配区。在旋转反射镜22之后，它可以沿沟槽15内的滑轨24向波导交叉点29滑行。

本领域的普通技术人员应该认识到，还可以用其它方法来制造反射镜22和致动器25。LIGA技术完全适于此目的。LIGA使用X射线深刻技术曝光对X射线敏感的抗蚀层。去除多余的抗蚀材料，并电镀所得到的凹凸物。所得到的形状是高度精确的金属结构，该结构可以用作注模或压铸模工艺的底版，或者用作所需结构本身。对硅进行各向异性刻蚀(110)的体微机械加工是另一种合适的制造方法。此技术比表面微机械加工工艺优越。当使用体微机械加工技术时，反射镜22不必按图7-8所示的顺序旋转。体微机械加工技术允许将反射镜22制作在如图8所示的、垂直于衬底10的位置，不需要铰链。由于不必旋转反射镜，所以不再需要铰链。此技术允许在反射镜的两侧镀金，实现双向开关。另一个优点是，体微机械加工技术得到的硅表面较光滑。绝缘体上外延硅技术(SOI)以及单晶反应侵蚀和金属化(SCREAM)工艺技术也可用来制造反射镜22和致动器25。

如这里所表达的和图9所示的，在本发明的另一个实施例中，第二衬底40仅起盖子的作用。然后，通过粘结或其它合适的手段，使第一衬底10与第二衬底40相连。然后，通过入孔将流体30填入沟槽，然后密封入孔。

如这里所表达的和图10所示的，提供了依照本发明另一实施例的MEMS装配区26的详细视图。在图10中，沟槽15的侧壁向外扩张，形成一较宽的空隙，由此制造出MEMS装配区26。侧壁的扩张从开关的交叉点29开始，用以使光损伤最小。较宽的空隙为反射镜22的初始装配提供了更大的区域。

如这里所表达的和图11所示的，提供了依照本发明第四实施例的截面图。光开关1包括第一衬底10和第二衬底40。第一衬底10具有纤芯部分13和位于其上的包层14，它们形成波导11和12。在波导11与波导12相交的交叉点29上，形成沟槽15。将保持准直流体30放入沟槽15中。保持准直流体30的折射率基本上与纤芯部分13的折射率相同。可移动的反射镜22具有允许光继续沿纤芯13传播的打开位置，以及将光信号引导到输出端19(未图示)的闭合位置。反射镜位于沟槽15内，并且当反射镜22处于打开位置或闭合位置时都基本上浸没在保持准直流体30中。反射镜22包括一个形成图案的梁220，该梁220用来将反射镜22固定在包层14上。衬底40具有沉积在其上的静电致动器25。致动器25与晶体管250相连。晶体管250与可个别寻址的电极252相连。由此，将晶体管250的两维阵列集成在衬底40上，其中光开关1中的每个交叉点29都具有其本身可寻址的电极252。集成化的电子电路(电极252和晶体管250)是用挑放技术(pick and place technology)装配到衬底40上的，或者直接集成到沉积在衬底40上的硅片上。因此，第一衬底10是一光学衬底，它包括N×M波导阵列，而第二衬底40是电气衬底，它包括作用于N×M阵列的致动和寻址方案。本领域的普通技术人员应该认识到，此N×M阵列形成了一个无阻断的交叉开关。

图11中的开关1按以下方式工作。当对电极252去激励时，晶体管250不给致动器25提供电力，反射镜22处于闭合位置。因此，反射镜22将光反射到输出端19中(未图示)。当对电极252施加电力时，晶体管250受激，一静电力施加于致动器25上。静电力使板220向上弯曲，并将反射镜22提升出沟槽15，达到打开位置。光通过交叉点29，继续沿纤芯13传播。

如在这里所表达的和图12所示的，提供了本发明第四实施例的集成寻址电子电路400的示意图。在N×M开关中，当N=M=16或更大时，不可能用其自身的电极252对每个晶体管250个别寻址。每个栅极和漏极都需要自己的电极。这样就需要2×N×M个电极。在图12中，电气衬底40包括列寻址线路C₁……C_N和行寻址线路R₁……R_M。每条列寻址线路C_i与该列C_i中每个晶体管250的栅极相连。每条行寻址线路R_j与该行R_j中每个晶体管的漏极相连。每个晶体管250的源极都与单个静电致动器25相连。本领域的普通技术人员应该认识到，如图11和图12所示，致动器25和梁220形成一个电容器的上下板。本领域的普通技术人员还将认识到，还可以将集成寻址电子电路400与磁致动器一起使用。

晶体管250可以是任何合适的类型，但作为举例，给出位于玻璃衬底上的薄膜晶体管。本领域的普通技术人员应该认识到，衬底40可以实现为集成的高压CMOS芯片，该CMOS芯片包括晶体管250和寻址线路C_i、R_j。寻址线路C_i、R_j与一控制器(未图示)相连，该控制器驱动电子电路，进而根据网络命令驱动致动器。由于驱动致动器所需的电压在大约70V和125V的范围内，所以需要高压的CMOS。本领域的普通技术人员应该认识到，某一给定应用所需要的准确电压依赖到晶体管的大小及其泄漏电流。

寻址电子电路400的工作方式如下。控制器每次激励激励一列线路。在用高压激励列C₁之后，控制器将一控制字施加到行寻址线路R₁……R_M上。例如，对于具有R₁-R₄的系统，控制字1010将向R₁和R₃提供高压，并将R₂和R₄接地。结果，对C₁去激励，并激励C₂。再一次，控制器将一控制字施加到行寻址线路R₁……R_M上。用类似的方式，每次激励一列上的每个致动器25，直到开关1处于所需状态。本领域的普通技术人员应该认识到，对于无阻断的开关，每次只接通任何一行或一列中的一个致动器。

如这里所表达的以及图13所示的，提供了使用热致动器的开关的寻址电子电路500的示意图。热致动器是本领域众所公知的。当电流流过时，器件发热膨胀，致使反射镜22沿滑轨24移动(如图3所示)。在本实施例中，电子电路500位于光学衬底10上。增加二极管260，使之与致动器25串联。二极管260将电流限制在一个方向上流过所有的致动器。使用二极管260可以排除与预定行至列方向或列至行方向相反的所有电路。请注意在本实施例中，通过拉低电压(在本例中，用V_)来激励列C₁。用高压V₊对行R₄寻址。因此，电流流过二极管260。如果将C₁拉高，而将R₄拉低，那么二极管260会阻止电流沿反方向流动。

图14是图13示意图的等效电路图。如图所示，当对行R₄和列C₁加压时，二极管将阻断从列端子C₂、C₃或C₄到行端子R₁、R₂或R₃的所有通路。由于唯一剩下的电路是那些处于受激励行和列之交叉点上的电路，所以排除了所有不希望有的电路。这是创新之关键。如果不存在二极管260，那么会产生非预定的电路，造成在未被寻址的致动器25中发生不希望有的功率损耗。如图14所示，有许多通路不会经过目标致动器，例如从行R₄列C₁通过行R₁列C₂。图14中的二极管262避免了这种不希望有的电流。不希望有的电流会削弱二方面的性能。第一，它们会增加致动器件所需要的总功率。在4×4阵列中，有56％的总功率浪费在附带的致动器上。这里假设每个致动器的电阻值是相同的。在32×32阵列中，94％的功率浪费在附带致动器上。第二，不希望有的电流可以部分激励反射镜，产生光学插入损耗和串扰。因此，包括二极管260避免了这些问题。

二极管260可以是任何合适的类型，但作为举例，给出用薄膜沉积技术制造的二极管。二极管260还可以用离子注入或热扩散方法来制造。还可以象图11和12所示的第四实施例那样，在外部衬底上制造二极管260。

尽管已经详细显示和描述本发明的特殊实施例，但应该理解，可以在不脱离后附权利要求书所述的本发明原理的精神，对本发明进行变化。因此，本发明试图覆盖发明的各种变化和改变，只要它们处在所附权利要求书及其等效技术方案的范围内。

Claims

1．一种用于引导光信号的光开关，其特征在于，所述光开关包括：

至少一个光波导，它具有输入端、输出端和折射率为n1的纤芯部分；

至少一个沟槽，它形成于所述至少一个光波导中，位于所述输入端和所述输出端之间的交叉点上；

保持准直流体，它位于所述至少一个沟槽中，并且所述保持准直流体的折射率基本上与所述纤芯部分的所述折射率相同；和

至少一个可移动的切换元件，它具有用于将光信号引入所述输出端的打开位置和闭合位置，所述至少一个可移动的切换元件位于所述至少一个沟槽中，并且在处于所述打开位置和所述闭合位置时基本上浸没在所述保持准直流体中。

2．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个可移动的切换元件包括：

致动器；和

反射元件。

3．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，反射元件还包括：

覆盖至少一个沟槽的板；和

反射镜元件，它与所述板相连，并且从所述板延伸到至少一个沟槽中。

4．如权利要求3所述的光开关，其特征在于，当激励静电致动器时，静电引力使板移动，致使反射镜元件在至少一个沟槽内移动，到达打开位置。

5．如权利要求4所述的光开关，其特征在于，当不激励静电致动器时，板处于静止状态，致使反射镜元件处于闭合位置。

6．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，反射元件是光栅。

7．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，反射元件是可移动的MEMS反射镜。

8．如权利要求7所述的光开关，其特征在于，在大约370微秒或更长的时间内，可移动反射镜在打开位置和闭合位置之间移动，或者在闭合位置和打开位置之间移动。

9．如权利要求7所述的光开关，其特征在于，可移动反射镜的厚度大约为2μm，宽度大约为15μm。

10．如权利要求7所述的光开关，其特征在于，反射镜至少部分固定在沟槽内，并且可滑动。

11．如权利要求7所述的光开关，其特征在于，反射镜以枢轴方式连接在沟槽内。

12．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，致动器包括一梳状驱动致动器。

13．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，致动器包括一刷状驱动致动器。

14．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，致动器包括一热致动器。

15．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，致动器包括一磁致动器。

16．如权利要求2所述的光开关，其特征在于，致动器包括一静电致动器。

17．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个可移动切换元件包括：

致动器；和

折射元件。

18．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个沟槽的宽度在大约6微米和10微米之间的范围内。

19．如权利要求18所述的光开关，其特征在于，至少一个沟槽的宽度大约等于6微米。

20．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个可移动切换元件具有大约15μm的致动距离。

21．如权利要求21所述的光开关，其特征在于，Δ_1-2大体上等于0.34％。

22．如权利要求21所述的光开关，其特征在于，Δ_1-2大体上等于0.5％。

23．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个光波导包括：

多个输入光波导；和

多个输出光波导，它们在多个交叉点处与所述多个输入光波导相交，并且至少一个沟槽包括形成于所述多个交叉点上的多个沟槽。

24．如权利要求23所述的光开关，其特征在于，至少一个可移动的切换元件是多个可移动的切换元件，每个所述可移动切换元件位于所述多个沟槽的一个相应沟槽内。

25．如权利要求24所述的光开关，其特征在于，还包括：

第一衬底；和

第二衬底，它与所述第一衬底相连，用于将保持准直流体密封在多个沟槽内。

26．如权利要求25所述的光开关，其特征在于，多个输入波导和多个输出波导形成于第一衬底上，而多个可移动切换元件形成于第二衬底上。

27．如权利要求26所述的光开关，其特征在于，还在第一衬底与第二衬底相连的位置上包括一密封体或粘合体。

28．如权利要求25所述的光开关，其特征在于，多个输入波导、多个输出波导和多个可移动切换元件整体形成于第一衬底上。

29．如权利要求28所述的光开关，其特征在于，多个可移动切换元件、多个输入波导和多个输出波导形成一个N×M无阻断的交叉开关，其中N是输入波导数，M是输出波导数，N×M是可移动切换元件数。

30．如权利要求28所述的光开关，其特征在于，多个可移动切换元件中的每个切换元件还包括：

一个梁，它与第一衬底相连，所述梁呈悬臂状，盖住沟槽；和

反射镜元件，它与所述梁相连，并且从所述梁延伸到所述沟槽中。

31．如权利要求30所述的光开关，其特征在于，还包括由静电致动器组成的两维阵列，它们位于第二衬底上，其中所述静电致动器阵列中的每个静电致动器都与可移动切换元件阵列中的一个相应可移动切换元件对准。

32．如权利要求31所述的光开关，其特征在于，当激励静电致动器时，静电引力使板移动，致使反射镜元件在沟槽内移动，到达打开位置。

33．如权利要求31所述的光开关，其特征在于，当不激励静电致动器时，板处于静止状态，致使反射镜元件处于闭合位置。

34．如权利要求31所述的光开关，其特征在于，还包括：

晶体管，它与静电致动器相连，用于将电力提供给受激状态下的静电致动器；和

电极，它与所述晶体管相连，用于将电力提供给受激状态下的所述晶体管。

35．如权利要求24所述的光开关，其特征在于，还包括：

第一光学衬底，它具有多个输入光波导、多个输出光波导和位于其中的多个可移动开关；和

第二电气衬底，它与所述第一衬底相连，所述第二衬底具有与多个可移动开关相对应的多个致动器，其中多个致动器中的每一个都激励多个可移动开关中的一个相应开关。

36．如权利要求35所述的光开关，其特征在于，第二电气衬底包括用于对多个致动器个别寻址的多个电极，以形成一个无阻断的交叉开关。

37．如权利要求36所述的光开关，其特征在于，致动器包括一磁致动器。

38．如权利要求36所述的光开关，其特征在于，致动器包括一静电致动器。

39．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个光波导、至少一个沟槽和至少一个可移动切换元件被安排成多边形结构。

40．如权利要求39所述的光开关，其特征在于，多边形结构是六边形结构。

41．如权利要求40所述的光开关，其特征在于，至少一个光波导包括：

由输入光波导组成的三个线性阵列，它们被安排在六边形结构的第一、第三和第五边；和

由输出光波导组成的三个线性阵列，它们被安排在六边形结构的第二、第四和第六边。

42．如权利要求41所述的光开关，其特征在于，至少一个沟槽包括一个由沟槽组成的两维阵列，这些沟槽位于输入光波导的三个线性阵列与输出波导的三个线性阵列相交的交叉点上。

43．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个沟槽是一个连续的对角通道，它与多个交叉点上的所述至少一个光波导相交。

44．如权利要求1所述的光开关，其特征在于，至少一个沟槽是一个分立形成的并与单个交叉点相交的分离井。

45．一种用于传送光信号的光开关的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

形成一衬底；

在所述衬底上形成一个具有预定折射率的光波导层；

在所述光波导层中形成多个波导结构；

在所述多个波导结构中形成多个沟槽；

在所述衬底上形成多个可移动的反射镜和致动器；

将多个可移动反射镜和致动器放在所述多个沟槽中；

用一种保持准直流体填充所述多个沟槽，所述流体的折射率大体上与所述光波导层的折射率相同，并且所述保持准直流体基本上浸没了每个可移动的反射镜和致动器；和

密封光开关。

46．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个波导结构的步骤是用光刻工艺完成的。

47．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个波导结构的步骤是用微复制技术完成的。

48．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个波导结构的步骤是用浮雕技术完成的。

49．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成衬底的步骤包括形成第一衬底和第二衬底。

50．如权利要求49所述的方法，其特征在于，光波导层形成于第一衬底上，而多个可移动反射镜和致动器形成于第二衬底上。

51．如权利要求49所述的方法，其特征在于，多个波导结构以及多个可移动的反射镜和致动器整体形成在第一衬底上。

52．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个可移动反射镜和致动器的步骤是通过在MEMS衬底上进行表面微机械加工来完成的。

53．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个可移动反射镜和致动器的步骤是用LIGA技术进行微机械加工来完成的。

54．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个可移动反射镜和致动器的步骤是用绝缘体上外延硅技术来完成的。

55．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个可移动反射镜和致动器的步骤是用SREAM工艺技术进行微机械加工来完成的。

56．如权利要求45所述的方法，其特征在于，形成多个可移动反射镜和致动器的步骤是通过进行各向异性刻蚀的体微机械加工技术来完成的。

57．一种用于引导光信号的光开关，所述光开关包括第一衬底和第二衬底，其中第一衬底具有输入端、第一输出端以及在一交叉点与所述输入端和第一输出端相连的第二输出端，而第二衬底与所述第一衬底相连，其特征在于，所述光开关包括：

切换元件，它位于交叉点上，当处于第一状态时将输入端中传入的光信号引导到第一输出端，而当处于第二状态时将光信号引入第二输出端，并且在所述第一状态和所述第二状态下，所述切换元件基本上都浸没在保持准直流体中；

致动器，它形成于所述第二衬底上，并与所述切换元件耦合，用于在所述第一状态和所述第二状态之间移动所述切换元件；和

电路，它与所述致动器相连，用于使所述致动器根据所述切换状态移动所述切换元件。

58．一种用于引导光信号的光开关，所述光开关包括第一衬底和第二衬底，其特征在于，所述光开关包括：

一光路，它形成于第一衬底中，所述光路包括与多个第二波导相交的多个第一波导；

多个交叉点，它们形成于所述第一光波导与所述第二光波导相交的位置；

多个可移动的开关，它们位于所述多个交叉点上，每个所述开关在第一切换状态下将光信号引入所述第一光波导中的一个光波导，或者在第二切换状态下将光信号引入所述第二光波导中的一个光波导，并且当处于所述第一切换状态或所述第二切换状态时，每个所述开关都基本上浸没在保持准直流体中；和

集成电子系统，它形成于第二衬底上，并与所述多个可移动开关耦合，所述集成电子系统根据预定命令在所述第一切换状态和第二切换状态之间有选择地激励每个可移动开关。

59．如权利要求58所述的光开关，其特征在于，集成电子电路系统还包括：

多个致动器，它们位于所述第二衬底上，并与多个开关耦合，并且所述多个致动器中的每一个在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间激励所述多个可移动开关中的一个开关。

60．如权利要求59所述的光开关，其特征在于，多个致动器是静电致动器。

61．如权利要求59所述的光开关，其特征在于，多个致动器是磁致动器。

62．如权利要求59所述的光开关，其特征在于，集成电气寻址电路还包括：

多个列电极，它们形成于第二衬底上；

多个行电极，它们形成于第二衬底上，并且基本上与所述列电极电绝缘；和

多个晶体管，它们位于所述第二衬底上，所述多个晶体管中的每个晶体管与所述多个列电极中的一个电极、所述多个行电极中的一个电极以及多个致动器中的一个致动器相连，并且只有用所述行电极和所述列电极两者对所述致动器寻址时，所述晶体管才向所述致动器提供激励功率。

63．如权利要求62所述的光开关，其特征在于，根据预定命令向多个行电极中的每个电极提供电压，但只激励多个列电极中的一个电极，以便每次对一列中的多个晶体管寻址。

64．如权利要求58所述的光开关，其特征在于，多个可移动开关包括多个MEMS反射镜。

65．一种用于引导光信号的光开关，其特征在于，所述光开关包括：

一光路，它包括与多个第二波导相交的多个第一波导；

多个可移动的开关，它们位于所述第一光波导与所述第二光波导相交的位置上，所述多个可移动开关中的每个开关在第一切换状态下将光信号引入所述第一光波导中的一个光波导，或者在第二切换状态下将光信号引入所述第二光波导中的一个光波导，并且当处于所述第一切换状态或所述第二切换状态时，每个所述开关都基本上浸没在保持准直流体中；和

热致动系统，它具有多个与所述多个可移动开关耦合的热致动器，所述热致动系统根据一预定命令有选择地在所述第一切换状态和所述第二切换状态之间激励多个可移动开关中的每个开关，并且所述热致动系统防止电流流到所述预定命令未选中的可移动开关。

66．如权利要求65所述的光开关，其特征在于，热致动系统包括：

多个列电极，它们形成于第二衬底中，并且通过接地激励一个列电极；

多个行电极，它们形成于第二衬底中，并且基本上与所述列电极电绝缘，用正电压激励一个行电极；和

多个二极管，所述多个二极管中的每个二极管都与所述行电极中的一个相连；

热致动元件，它与所述二极管和所述列电极的一个相连，并且电流被禁止从所述一个列电极流向所述一个行电极。