CN1423141A - 光学开关 - Google Patents

Abstract

本发明中所涉及的MEMS光学开关包括:静电驱动器和底座,静电驱动器包括:往复块；对称位于所述往复块左右侧的一对第1旋转轴；连接于所述第1旋转轴并可旋转的第1旋转块；支撑所述第1旋转块的第1旋转弹簧；连接于所述第1旋转块,并与所述第1旋转弹簧一起支撑所述第1旋转块的线形弹簧；连接于所述线形弹簧的第2旋转块；在左右侧两端连接并支撑所述第2旋转块的第2旋转弹簧；连接于所述第2旋转块并可旋转的第2旋转轴；与所述第2旋转轴的为一体设置于驱动器、驱动电极一侧的固定器；超微镜片；对所述往复块和左右侧的旋转块具有两个结构稳定点的静电传动装置。其发明目的在于提供最大限度降低传动装置耗电量的光学开关。

Description

光学开关

技术领域

本发明涉及一种光学开关，更具体地说，涉及一种利用MEMS技术的光学开关。

背景技术

一般来说，MEMS技术在开发价格低廉、高性能、超微型元件方面具有明显优势，为了广泛应用于惯性传感器、压力传感器、生物医学元件以及光通信元件等而开展积极研究。作为其应用领域之一，是利用MEMS技术的光通信用光学开关，利用底座上精密加工的超微镜片，变更光纤传输的光信号的路径。

目前，已经开发研制的MEMS光学开关有平行于底座运动的二维(2D)型光学开关和垂直于底座和平行于底座运动的三维(3D)型开关。

三维(3D)型光学开关上可易于增加一组集成于一块芯片上的超微镜片，因此可适用于分配多路光信号的DWDM系统。

二维(2D)型光学开关不仅可进行多路光信号的分配，而且用于1×2、2×2矩阵结构的光学开关时，可最大限度减少放置超微镜片的光纤之间的自由空间，从而以递加系统也可以体现其卓著的光学性能，而且MEMS光学开关，其超微驱动装置的机械性能很卓著，所以具有敏捷的反应性。

尤其，在平行于底座运动的二维2D型MEMS光学开关中为使一个超微镜片相互交叉，在已经分配光路径的光纤之间进行前进或后进，从而改变光路径的2×2光学开关方面的研究越来越活跃。

作为有关上述2×2光学开关的传统技术的一项实例，Anmelder的PCT国际专利第WO98/12589号“一种光纤光电开关及制造工艺”，是涉及一种在底座和导电层之间具有绝缘膜结构的夹层晶片光学开关。

上述国际专利，其特征包括：连接在可前进或后进的双向梳状驱动转动装置上，并增加金属的硅树脂超微镜片，随着双向梳状驱动装置的启动情况，超微镜片将位于光路径之间，或位于光路径外面，将起到改变路径的作用。所述传动装置无论在其超微镜片处于前进状态，还是处于其中之一状态，总是消耗驱动电力。

作为传统技术的另一个实施例，张南(Nan zhang)的美国专利6,229,640B1“微型光电开关及其制造方法”，其以具有单一梳状传动装置为特征。

在上述美国专利中，初始插入于光路径之间的超微镜片，凭借传动装置的启动，可以从光路径取出，而为了将其重新插入于光路径之间，则必须使传动装置停止启动，而且利用连接传动装置与底座的辅助结构物的复原力，又重新返回到原来的初始位置。即，传动装置在超微镜片处于前进状态是不会消耗传动装置的电力，但在后进时则仍反消耗传动装置的电力。

综上所述，传统技术具有如下弊端：在超微镜片进出于光路径之间的前进状态或后进状态中，至少在处于其中之一状态时，只有在将相当于复原力的驱动力按反方向进行启动，才使超微镜片得以停止，所以不必要浪费传动装置的电力。

发明内容

本发明为了解决上述传统技术的诸多弊端而发明的。其目的在于开发通过改善驱动器，以使超微镜片只限于一次脉冲驱动信号，从前进转换为后进，从后进转换为前进，转换自如，并最大限度降低传动装置电力的光学开关。

为实现上述目的，本发明的光学开关包括：一个静电驱动器，静电驱动器包括：位于中央的往复块；对称位于所述往复块左右侧的一对第1旋转轴；连接于所述第1旋转轴并可旋转的第1旋转块；支撑所述第1旋转块的第1旋转弹簧；连接于所述第1旋转块，并与所述第1旋转弹簧一起支撑所述第1旋转块的线形弹簧；连接于所述线形弹簧以限制其往一个方向位移的第2旋转块；在左右侧两端连接并支撑所述第2旋转块的第2旋转弹簧；连接于所述第2旋转块并可旋转的第2旋转轴；与所述第2旋转轴的为一体设置于驱动器、驱动电极一侧的固定器；与驱动电极和所述往复块以相同位移运动的超微镜片；对所述往复块和左右侧的旋转块具有两个结构稳定点的静电传动装置；底座。

所述驱动电极由前进方向驱动电极和后进方向驱动电极构成。

所述底座将两面被蚀刻的硅树脂结构体用于元件层。

在两稳定点，如果不施加处力，其所述传动装置不会驱动，而维持停止状态。

所述硅树脂结构体的加工包括如下步骤：加工硅树脂底座的加工工序；通过所述加工工序，在硅树脂底座的一面利用第1蚀刻掩模进行蚀刻的第1蚀刻工序；在通过所第1蚀刻工序进行蚀刻的面上粘贴玻璃底座的粘贴工序；通过所述粘贴工序，由所述硅树脂及玻璃构成的底座上，削减硅树脂层表面厚度的磨光工序；在所述磨光工序削减厚度的硅树脂层的表面上，利用第2蚀刻掩模进行蚀刻的第2蚀刻工序。

另外，为了实现本发明的目的，还提供了具有如下特征的光学开关：所述驱动电极由前进方向驱动电极和后进方向驱动电极构成的静电传动装置。

而且，所述底座将两面被蚀刻的硅树脂结构体作为元件层使用的光学开关。

附图说明

为了正确示例说明，附加下面图纸：

图1为本发明所涉及的有关光学开关的实施例，其显示光路径被超微镜片所反射的现象；

图2为本发明所涉及的有关光学开关的实施例，其显示光路径的畅通；

图3a、3b、3c以及3d为光学开关的构成因素对底座精密加工工艺的结构断面图；

图4为本发明所涉及的光学开关单一模型的第一次稳定形状；

图5为本发明所涉及的光学开关的单一模型的第2次稳定形状；

图6a及6b为表示各移位的弹性能量和驱动力变化。^*图的主要部分符号的说明

1：静电传动装置              2：往复块

3、3′：左右侧第1旋转块      4、4′：左右侧第2旋转块

5、5′：左右侧线形弹簧       6、6′：左右侧第2旋转弹簧

6b、6b′：左右侧第1旋转弹簧  7、7′：左右侧第2旋转轴

8、8′：左右侧第1旋转轴      9、9′：左右侧固定器

10、10′：左右侧前进方向驱动电极   11：后进方向驱动电极

12：超微镜片                 13a、13b、13c、13d：光路径

14：硅树脂层                 15：第1蚀刻掩模(mask)

16：玻璃底座                17：第2蚀刻掩模

具体实施方式

为了达到上述目的，在本发明中将提供具有如下特征的光学开关：通过精密加工制造悬浮于下部底座的垂直结构体，并利用在其垂直结构体侧面连接镜片的静电传动装置改变光路径的机电复合光学开关。

图1为本发明中所涉及的有关光学开关的实施例。

如图1所示，本发明所涉及的光学开关由包括静电传动装置1和底座(未图示)。所述静电传动装置1包括如下构件：往复块2；左右侧第1旋转块3、3′；左右侧第2旋转块4、4′；左右侧线形弹簧5、5′；左右侧第1旋转弹簧6b、6b′；左右侧第2旋转弹簧6a、6a′；左右侧第1旋转轴8、8′；左右侧第2旋转轴7、7′；左右侧结构体锚9、9′；左右侧前进方向驱动电极10、10′；后进方向驱动电极11及连接于所述往复块2末端的超微镜片12。对于所述超微镜片12来说，至少通过反射的光路径13a、13b中的一个，在所述静电传动装置1的构成因素中，除所述固定器9、9′和前进方向驱动电极10、10′、11之外的所有构成因素均可与底座悬浮分离，从而平行于底座的运动更自如，并且所述左右侧第2旋转弹簧6a、6a′连接所述相互连接至固定器9、9′的悬浮构件，由所述固定器9、9′支撑。

图2表示初期前进的所述传动装置1转换为后进状态。在此状态中至少有一个以上的光路径13c、13d不改变，不同于图1的光路径13a、13b的无反射的光路径。

在本发明中所涉及的所述静电传动装置可启动具有两个稳定状态的锁定功能。换句话说，在处于前进状态的往复块的传动装置中，若加以任意临界点以上的后进驱动力，则可以使往复块推向后进位置，即使不用继续加力，也能在后进位置上将会停止。

相反，在处于后进状态的往复块的传动装置中，若加以任意临界点以上的前进驱动力，则可以使往复块推向前进位置，即使不用继续加力，也能在初始前进位置上将会停止。

可从往复块及旋转块的结构了解锁定工作原理。

首先，图1中的光学开关可用如图4的概略图所示，可以对往复块和两端旋转块的形状加以单一化并进行假设。图4为只显示在图1的构成因素中除驱动电极和光路径以及超微镜片等以外的可移动的移动构件的概略图，左右侧旋转块以往复块为中心将形成对称形状。左右侧旋转块各分为上端旋转块和下端旋转块，而且在上端旋转块与下端旋转块之间设置对压缩变形产生复原力的线形弹簧；上端旋转块在往复块之间具有旋转轴，而下端旋转块则对固定坐标系具有旋转轴。另外，各个旋转块还具有被连接在固定坐标系和往复块上并支撑旋转块的旋转弹簧。

即，图4中的所有弹簧在未加以拉力或压缩的初始状态时，往复块则处于前进状态。两个八字形结构与垂直于驱动方向的轴所形成的角度和整个线形弹簧常数以及旋转弹簧常数各以θ₀和K₁以及K_θ来表示。

如果假设为在所述图1的初始状态中加以后进驱动力F，左右侧的旋转块结构分别以0和0′为中心，旋转相当于角θ的角度时，存储在线形弹簧和旋转弹簧的弹性能量则可以按如下公式表示。

[数学公式1] $U_e=\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\θ}}^2+\frac{1}{2}{k}_1{l_{\mathrm{arm}}}^2[\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ})-\cos {\mathrm{\θ}}_0{]}^2$

如果用所述弹性能量Ue来微分各移位θ，则可按如下公式表示各力矩M。

[数学公式2] $M=\frac{{\∂U}_e}{\∂\mathrm{\θ}}=k_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}+k_1{l_{\mathrm{arm}}}^2[\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ})-\cos {\mathrm{\θ}}_0]\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ})$

因此，对于产生各移位θ所需的后进驱动力F，可以用如下公式进行计算。

[数学公式3] $F=\frac{M}{l_{\mathrm{arm}}}=\frac{k_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}{l_{\mathrm{arm}}}+k_1{l}_{\mathrm{arm}}\left[\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ}){\cos \mathrm{\θ}}_0\right]\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\θ})$

另外，如果使图4的结构具有两个稳定点，各移位的弹性能量和驱动力则如图6a及6b所示，可以用曲线图来表示。

在弹性能量具有局部最小值的各移位范围内，结构体将具有稳定点，如图6a所示，具有稳定点的情况只限于各移位为0和θs的情况。如果增加图6b的驱动力，使之大于最大值Fmax时，则使角度移位大于θs，若无驱动力，则角度移位维持θs。

对往复块和左右侧旋转块的第1稳定点限于角度移位为0时，如图4所示，对水平轴的八字型结构的值为θ0。第2个稳定点限于各移位为θs时，如图5所示，对水平轴的八字型结构的值为θs-θ₀。

图5表示本发明中所涉及的对MEMS光学开关简单模型的第2稳定形状。

综上所述，在本发明中所涉及的光学开关具有如下特征：平行于底座运动的静电传动装置在可移动的范围内具有两个稳定点，所以在稳定点上即使不加驱动力，也可以使超微镜片维持停止状态。

即，在所述两个稳定点上，若不施加处力，所述传动装置则不会驱动，而保持停止状态。因此，利用本发明所研制出来的光学开关将具有在驱动过程中最大限度降低耗电量的优势。

本发明的另一个特征在于底座与所述静电传动装置一起构成光学开关。

图3a、3b、3c及3d通过概略图表示本发明所涉及的对底座的精密加工工艺的结构断面图。作为断面构成，光学开关的底座是将硅树脂层14与玻璃底座6相结合的形态。所述硅树脂层14从底座形态开始进行加工。在被1次蚀刻掩模15所蚀刻的表面上粘贴所述玻璃底座16后，从所述硅树脂层14的蚀刻的反面进行磨光加工，以削减硅树脂层14的厚度。

在被削减的所述硅树脂层14的上面，通过第2蚀刻掩模17进行贯穿所述硅树脂层14的第2蚀刻工序。如上所述，所完成的结构体将具有如下优点：无需经过牺牲层蚀刻工序，可以制造出悬浮于底座的微细结构体。换句话说，如果采用传统的牺牲层蚀刻工艺(技术)，对硅树脂层所形成的氧化膜层，则最后必须在氟酸溶液中进行蚀刻。即，在氟酸溶液中进行蚀刻的过程中可以防止因溶液变气体而可能导致的结构体固化现象，进而可以防止微细结构体的变形，这也是本发明的优势中之一。

即，利用本发明研制出来的光学开关，将两面被蚀刻的硅树脂结构体用于元件层，这样，可以省略进行牺牲层蚀刻的工序，从而可以简化制造工序。

综上所述，本发明中所涉及的光学开关，采用了无需对牺牲层进行蚀刻的MEMS光学开关制造技术，从而进一步提高价格和小型化以及批量生产的生产效率。另外，本发明所涉及的光学开关，静电传动装置在其驱动区域内将具有2个稳定点的结构，只在前进或后进时将暂时脉冲驱动信号传输到传动装置上，以便更易于转换光信号的传达方向，从而可以解决了传统MEMS光学开关所存在的高耗电量的弊端，位于稳定点的传动装置，除非再接收驱动信号，重新要返回到稳定点的复原力也将对外部外力起到作用，从而具有可以提高位置精确度性能效果。

在以上说明中，本发明将特殊实施例与适用领域相结合进行示例和说明，但在不超过权利要求书所涉及的发明原理和领域范围内可以进行适当的改造或变化，也可以根据情况制造出各种形态的光学开关，对这一点是无可非议。

Claims (5)

1.一种MEMS光学开关，其特征在于包括：静电驱动器和底座，静电驱动器包括：位于中央的往复块；对称位于所述往复块左右侧的一对第1旋转轴；连接于所述第1旋转轴并可旋转的第1旋转块；支撑所述第1旋转块的第1旋转弹簧；连接于所述第1旋转块，并与所述第1旋转弹簧一起支撑所述第1旋转块的线形弹簧；连接于所述线形弹簧以限制其往一个方向位移的第2旋转块；在左右侧两端连接并支撑所述第2旋转块的第2旋转弹簧；连接于所述第2旋转块并可旋转的第2旋转轴；与所述第2旋转轴的为一体设置于驱动器、驱动电极一侧的固定器；与驱动电极和所述往复块以相同位移运动的超微镜片；对所述往复块和左右侧的旋转块具有两个结构稳定点的静电传动装置。

2.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于：所述驱动电极由前进方向驱动电极和后进方向驱动电极构成。

3.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于：所述底座将两面被蚀刻的硅树脂结构体用于元件层。

4.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于：在两稳定点，如果不施加处力，其所述传动装置不会驱动，而维持停止状态。

5.根据权利要求3所述的光学开关，所述硅树脂结构体的加工包括如下步骤：加工硅树脂底座的加工工序；通过所述加工工序，在硅树脂底座的一面利用第1蚀刻掩模进行蚀刻的第1蚀刻工序；在通过所第1蚀刻工序进行蚀刻的面上粘贴玻璃底座的粘贴工序；通过所述粘贴工序，由所述硅树脂及玻璃构成的底座上，削减硅树脂层表面厚度的磨光工序；在所述磨光工序削减厚度的硅树脂层的表面上，利用第2蚀刻掩模进行蚀刻的第2蚀刻工序。

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