CN1575430A - 具有可动光传输微结构的光开关元件 - Google Patents

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Abstract

一种光开关元件，其具有可动的光传输微结构以改变光信号的光路。这种可动微结构是“可传输光的”，因为其包括可传输光信号的结构如波导或波导网络。这种装置使用MEMS和微切削加工技术来构建具有光传输微结构的光开关，微结构可沿某方向(如横向、垂直或旋转)从某一位置运动到另一位置，使得输入光信号可根据可动微结构的位置而在很小气隙上与不同波导或波导的不同输入端对准。结果，光信号根据可动微结构的位置而沿不同光路(如直通或交叉)传送。

Description

具有可动光传输微结构的光开关元件
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及并要求享有由Ying Wen Hsu于2000年9月19日提交的题为“采用微结构来转换光信号的方法”的美国临时专利申请No.60/233672的优先权。
                         发明背景
1.发明领域
本发明的领域通常涉及用于转换光信号的一类装置以及这类装置的阵列到一个系统中的整合。具体而言，该装置由与盛行的半导体制造方法兼容的材料和工艺制成，因此，可以大批量且低成本地生产产品。
2.背景
这类装置的研究兴趣已经被电信行业中对更多应用和更快的通信系统、即更大带宽的需求的巨大增加而驱动。推动这种需求的主要应用实例是因特网、实时视频/音乐以及共同数据存储。现有的电信基础设施大部分是为电话应用而开发的，现在已经无法满足新的数据通信应用的需求。
已经开发了几种可选择的技术来满足这种新的需求。这些可选技术包括无线、光学和自由空间的激光通信技术。迄今为止，能够满足未来的预计带宽需求的最有希望的技术是光学技术。
在全光网络或光和电的网络组合中，必须的部件包括信号载波介质(即光纤)、信号路由系统和数据控制系统。这些信号路由系统具有可在光纤之间转换光信号的装置。
在现有技术的解决方法中，光信号的转换主要以两种主要方法来实现：电学方法和光学方法。目前，大多数系统采用电转换。在这些系统中，光信号必须在网络节点上首先转换成电信号。转换后的电信号再通过集成电路而转换到指定的通道中。最后，在信号被传送到通向下一目的地的光纤之前，电信号必须转换回光信号。这种光学转换器相对于传输设备的其余部分来说相对较昂贵。
电转换技术是可靠、廉价的(除了光学转换器之外)，并允许对信号进行重新调节和监控。电转换系统的主要缺点是在长距离网络中的节点数量可能很大，因而转换器的总成本非常高。此外，通常到达节点的超过70％的信号只需要简单地直接通过即可，而对所有信号进行变换(下行和上行变换)导致硬件的使用效率很低。系统设计者也希望未来的系统最好由透明光开关性能来提供服务；也就是说，转换系统能够使光信号的路径重新定向，而与输入和输出端口之间的光信号的比特率、数据格式或波长无关。大多数电转换系统被设计成特定的比特率和格式，无法容纳多种及动态的比特率和格式。未来的系统还将要求能处理不同波长的光信号，在电转换网络中这就必须为每个波长使用单独的通道。电转换系统的这些局限性为改进的光转换系统的开发提供了新的机会。
直接影响光路方向的开关通常称为光交叉连接(OXC)。采用玻璃及其它光衬底的传统光学制造技术无法生产出能满足数据通信应用的性能和成本要求的产品。与基于成熟的集成电路技术的电转换技术不同，光转换(可以达到很高端口数量的转换)依赖于相对较新的技术。微切削加工的使用就是这样一种新方法。用语MEMS(微电-机系统)用于描述使用晶片制造工艺通过微切削加工所制出的装置(大多数位于硅晶片上)。MEMS的批量加工能力使得这些装置可以低成本且大批量地生产。
基于MEMS的光开关大致可分为三类：1)硅镜(silicon mirror)，2)射流开关，以及3)热-光开关。已经论证过射流开关和热-光开关，但是这些技术缺乏能够按比例地增大到大量通道或端口数量的能力。很高的端口数量对于在节点处有效地转换大量光纤是很重要的。因此迄今为止，在三维(3D)空间中使用硅镜是唯一能实现高端口数量(如大于1000)的解决方法。
使用3D硅镜的光交叉连接面临极大的挑战。这些系统需要对反光镜之间的光束通路和大量的自由空间距离进行非常严格的角度控制，以形成具有高端口数量的装置。在没有有效控制光束路径的情况下，通常无法实现所需的精密角度控制。由于必须监控和引导各通路，因此所得系统复杂且昂贵。这些系统还需要基本的软件和(处理)电源来监控和控制各棱镜的位置。由于棱镜可以在两个方向上穿过无数个可能位置而运动(即模拟运动)，因此所得的反馈获得和控制系统非常复杂，特别是对于具有大端口数量的开关更是如此。例如，如一份最近的发展报告所述，朗讯科技公司的较小的3D棱镜转换样机具有占据了三个全尺寸的电子控制箱的支撑设备。
理想地说，光开关应具有以下主要特征：
1)可放大到能容纳大端口数量(＞1000个端口)；
2)可靠；
3)可低成本地构造；
4)具有较短的转换时间；
5)具有较低的插入损耗/串扰。
虽然3D硅镜可以满足放大性的要求，但是它不能实现其余的目标。因此，需要一种新的解决方法，使得可用被引导的光路和数字(两种状态)转换来代替3D自由空间的光路和模拟控制的复杂特性。这种系统将极大地简化转换操作，提高可靠性和性能，同时显著地降低成本。本说明书将在以下部分介绍这种系统。
                     发明概要
本发明涉及一种用于采用可动光传输微结构来转换光信号的方法和装置。这种装置采用可动微结构来引导多条光路。
本发明的第一独立方面是一种用于通过选择性地运动可动光传输微结构来转换光信号的装置，其中如果微结构不运动，则光信号选择一条路径，而如果微结构运动，则光信号选择另一不同的路径。
本发明的第二独立方面是一种用于通过选择性地运动可动光传输微结构来转换光信号的装置，其中光信号所采用的光路取决于微结构的位置。
本发明的第三独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括固定的输入波导、至少两个安装在可动微结构上的光传输波导，以及固定的输出波导。
本发明的第四独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括具有输入端和输出端的可动光传输微结构，其中输入端定位成与包括有输入光信号的波导紧密相邻(例如之间存在很小的气隙)，而输出端定位与携带有输出光信号的波导紧密相邻(例如之间存在很小的气隙)。
本发明的第五独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括安装成可相对硅芯片的衬底运动的微结构，该微结构携带有光传输波导。
本发明的第六独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括芯片衬底、携带有光传输波导并可动地安装在衬底从而可相对衬底运动的微结构，以及用于使微结构相对于衬底运动的控制结构。
本发明的第七独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括芯片衬底、安装在衬底上的支撑结构、携带有光传输波导并可动地安装在支撑结构上从而可相对衬底运动的微结构，以及用于使微结构相对于衬底运动的控制结构。
本发明的第八独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括具有可在X-Y方向上转换光信号的可动光传输微结构的光开关，以及具有可在Z方向上转换光信号的可动光传输微结构的光开关，从而提供了可在三维上转换光信号的性能。
本发明的第九独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括具有可动光传输微结构的微开关元件，这种微开关元件能够将光信号从两个输入端引导到任何两个输出端上。
本发明的第十独立方面是一种用于转换光信号的装置，其包括可动光传输微结构，这种微结构通过使用设置于接口处的二维阵列的光学元件来校正二维光输出阵列的光学不对准。
本发明的第十一独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括使可动光传输微结构选择性地运动的步骤，其中如果微结构不运动，则光信号选择一条路径，而如果微结构运动，则光信号选择另一不同的路径。
本发明的第十二独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括步骤：通过固定的输入波导来提供输入光信号，通过使微结构选择性地运动来将光信号选择性地引导到安装在可动微结构上的至少两个波导的其中一个上，以及通过固定的输出波导来输出光信号。
本发明的第十三独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括确定具有输入端和输出端的可动光传输微结构的位置的步骤，使得输入端定位成与包括有输入光信号的波导紧密相邻(例如之间存在很小的气隙)，而输出端定位与携带有输出光信号的波导紧密相邻(例如之间存在很小的气隙)。
本发明的第十四独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括安装可相对硅芯片衬底运动的光传输微结构的步骤，该微结构携带有光传输波导。
本发明的第十五独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括步骤：提供硅芯片的衬底，将携带有光传输波导的微结构可动地安装在衬底上以使其能相对于衬底运动，并且使微结构相对于衬底选择性地运动以转换光信号。
本发明的第十六独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括步骤：提供安装在芯片衬底上的支撑结构，将携带有光传输波导的微结构可动地安装在支撑结构上以使其能相对于衬底运动，并且使微结构相对于衬底选择性地运动以转换光信号。
本发明的第十七独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括步骤：提供可在X-Y方向上转换光信号的光开关，可提供在Z方向上转换光信号的光开关，从而提供了可在三维上转换光信号的性能。
本发明的第十八独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括提供微开关元件的步骤，微开关元件具有可动光传输微结构，能够将光信号从两个输入端引导到任何两个输出端上。
本发明的第十九独立方面是一种用于转换光信号的方法，其包括步骤：使光传输微结构选择性地运动以转换光信号，并且通过使用设于接口处的二维阵列光学元件来校正二维光输出阵列的光学不对准。
本发明的第二十独立方面是一种采用可动光传输微结构来制造既可运动又可固定的波导的方法。
本发明的第二十一独立方面是一种采用可动光传输微结构来制造既可运动又可固定的波导的方法，该方法包括步骤：集成简单的开关元件，形成能够同时将高密度的光信号从二维输入阵列转换到二维输出阵列的结构。
本发明的第二十二独立方面是上述独立方面的任何单个或多个的组合。
本发明的其它独立方面还在于采用上述独立方面的任何单个或多个的组合的系统或方法。
在阅读了下面的附图和详细介绍后，本领域的技术人员可清楚本发明的其它系统、方法、特征和优点。所有的这些附加系统、方法、特征和优点都将包括在本说明书中，属于本发明的范围内，并受到所附权利要求的保护。
附图简介
在说明本发明的原理时，图中的部件未按比例绘制，它只是被强调而不是如实际地那样放置。此外在附图中，在不同视图中采用相似的标号来表示对应的部件。
图1显示了适于处理1024个端口的光转换系统的示例性实施例的框图。
图2显示了图1中的OXC块和光连接器的示例性实施例的分解概念图。
图3A显示图2中的单个转换层的示例性实施例的平面图。
图3B显示图2中的单个转换层的示例性实施例的侧视图。
图4A-4F显示了转换层上的波导的不同的示例性实施例。
图5A显示了可以转换8×8个端口的转换层的示例性实施例的平面图。
图5B显示了图5A中的转换层的侧视图。
图6A显示了光连接器的示例性实施例，其光衬底被加工成具有凸球形表面的阵列。
图6B显示了图6A中的光连接器如何校正未对准的光束。
图7A显示了具有可动光传输平台的开关元件的示例性实施例。
图7B显示了在可动平台未运动时图7A中的开关元件。
图7C显示了在可动平台运动时图7A中的开关元件。
图7D显示了具有可动光传输平台和双层波导的开关元件的示例性实施例。
图8A显示了具有可动光传输平台的开关元件的另一示例性实施例，其中光传输平台平行于衬底平面而运动。
图8B显示了具有可旋转可枢轴转动的光传输平台的开关元件的另一示例性实施例。
                 优选实施例的详细介绍
图1显示了光转换系统10的一个示例性实施例的框图，其适用于处理1024×1024个端口。这种光转换系统10包括三维波导。图1所示的光转换系统10采用了导波路径(即波导)、数字转换，并能处理1024个端口。光转换系统10的两个关键部件是两个OXC块12，14。OXC块12，14也称为开关块，这是因为它们分别包括垂直和水平的光开关。OXC块(Y)12用于在垂直方向上转换光束，而OXC块(X)14可在水平方向上转换光束。这两个OXC块(Y和X)12，14端对端地连接起来，使得第一(Y)OXC块12的所有输出端与第二(X)OXC块14的输入端相连。
由于各OXC块12，14均为装配件，因此一些制造误差是不可避免的。为了处理这些误差的积累，需要采用光连接器16来方便系统的装配。同样地，光连接器16也可用在第一OXC块12的输入端和第二OXC块14的输出端上，以允许接口连接处的位置误差。作为选择，光连接器16可以是光-电-光型连接器、自由空间内的多个棱镜、一束光纤，或任何类型的光连接器。
光纤18连接在输入接口20上。所转换的光信号在输出接口22处离开。例如，输入接口20和输出接口22可以是到光纤的机械接口。用于控制单个开关元件的电信号在各OXC块12，14的侧面上的电互连构件24中互连(在层之间)。这些电线引到OXC块12，14附近的接口和控制电子装置30上。光转换系统10可安装在板32上。
图2显示了图1中的OXC块12，14和光连接器16A-16C的一个示例性实施例的分解概念图。为清晰起见，垂直转换块、OXC块12均只显示出第一和最后的转换层40，42。例如，各转换层40，42均可在垂直方向上将32个输入转换到32个输出中。通过将32个转换层放置到一起，可沿垂直面将所有32个通道相连。为了完全地转换所有32×32通道，需要用于在水平方向上进行转换的机构，而这例如可通过第二OXC块14(水平开关块)来实现。图2只显示了第二(X)OXC块14的第一和最后的转换层44，46。例如，各转换层44，46均可在水平方向上将32个输入转换到32个输出中。通过将32个转换层放置到一起，可沿水平面将所有32个通道相连。通过组合到图2所示的实施例中，水平和垂直转换层就形成了32×32的光开关。
以下的示例将描述通道(1，1)(这些数字分别表示行号和列号)处的信号如何被路由选择到输出通道(32，32)上。光束50(以箭头表示)在(1，1)位置处进入，并通过第一光连接器16A进入到第一转换层40。第一转换层40中的开关将光束从(1，1)连接到输出(1，32)。光信号离开垂直(Y)转换层，穿过第二光连接器16B并适当地重新对准，在(1，32)处进入水平(X)转换层。现在光束就可从位置(1，32)路由选择到位置(32，32)，然后重新对准并通过第三光连接器16C离开。
光转换系统10可具有光路网络202。光路网络202包括至少一条光信号50可沿其传送的光路。例如，光路网络202可包括棱镜、波导、气隙，或其它可提供光路的结构。在此示例性实施例中，光路网络202是波导网络202。所述光转换系统10中的3D波导的一个优点是在这种方法中可以实现较大的端口数量，而不需要精确并有效地控制射束路径。由于光束在各转换层上的波导或波导网络中被捕获，因此只有端连接才是关键的。波导网络可包括多个波导，如图8A中所示的波导网络202。实际上，如果需要的话，波导网络可只包括一个波导。在实施例为采用波导网络的情况下，应当理解这个实施例可采用一个波导来替代，反之亦然。在对准是很关键的情况下、例如在接口处，光连接器16将允许采用传统且便宜的光学装置来校正光束的不对准。所得的3D波导的简单性和环境保护性(例如各转换层均被密封)进一步增强了系统的可靠性和坚固性，提供了不受温度、湿度、时间和搬运影响的射束路径。
图3A和3B分别显示了图2中的单个转换层如转换层44的一个示例性实施例的平面图和侧视图。此示例显示了32个输入如何通过简单的开关元件60的阵列而连接到32个输出上。在这种具有32×32端口的示例中，具有80个开关元件60。这种互连的方法对于信号路由设计领域的技术人员来说是众所周知的，而且可以是任何互连方法。在贝尔实验室完成的路由理论的前期工作表明，光信号可通过用特定方式连接简单的开关(如2×2元件)来有效地进行路由选择。通过下述的这些路由选择规则，可以看出每个输入都可以连接到任何输出上而不会阻塞任何连接。
图3A，3B中所示的转换层44包括携带有波导64和开关元件60的衬底62。在这个示例性实施例中，衬底62可以是任何半导体材料如硅。为了保护这些波导和开关元件微结构，可通过使用另一(覆盖)薄片63来覆盖并密封衬底62。可通过采用已有的多种技术中的任一种将覆盖薄片63粘结在衬底62上，从而得到免受污染和湿气的有效密封，这些技术包括阳极技术、熔合和共晶结合等。
光信号50从一边进入转换层44。该边缘最好被抛光并形成一定角度，以允许光束50完全折射。根据接口介质(如空气或另一光学元件)的光学指数，该边缘的角度可设计成能容纳全折射。一旦光束50进入波导64，光线就会因所谓的全内反射现象而不会逸出波导64之外。这是与允许光纤携带光经过较长距离而无显著损耗相同的现象。
通过施加电压来控制转换作用。各开关元件60例如需要三个电连接：激励电极连接、位置感应电极连接和电接地。电接地可以绑在一起以减小电迹线的数量。因此，各开关元件60将具有至少两个电连接，其穿过覆盖薄片63并处于覆盖薄片63的下面以与外部接口。在图3A中，电迹线66显示为基本上垂直地穿过光路并终止于下边缘的电接合片68处。当然，可修改电迹线66、接合片68、输入端口和输出端口的实际布局，使其与此示例中所示的不同。
图4A-4F显示了转换层上的波导64的多种示例性实施例。为了保持全内反射(TIR)，围绕波导64的环境必须具有比波导64更低的折射光学指数。例如，可在指数为1.5的玻璃上涂覆具有更低指数的材料，或简单地使用真空(指数为1.0)或空气作为介质。可采用较广范围的玻璃来保证与薄片粘结工艺的兼容性。在第一实施例中，图4A显示了由玻璃形成的波导64的截面，其中围绕波导64的介质是真空或空气。载体70可以由玻璃或硅形成。在第二实施例中，图4B显示了另一波导64，该波导64的顶部和侧面与真空接触，而底面则粘结了指数比波导更低的中间材料。载体70可以由玻璃或硅形成。
在图4A和4B的实施例中，上方衬底必须是能传送所关注的波长如0.82、1.3和1.55微米的光信号的材料。这些波长是用于光纤传输的典型波长，其中设计了支撑装置(如发射器、载体和接收器)来进行处理。在这两个实施例中，底部材料(载体衬底70)主要用于为结构提供机械支撑。如下文中所解释的那样，实际的转换机构将需要通过施加外力来使一些波导垂直或水平地运动。载体衬底70可由玻璃、硅或任何适合微切削加工的材料制成。
图4C和4D显示了未使用衬底70的波导64的另一些实施例。将波导64与相邻材料桥接的少量材料72会产生一些光损耗，且这种设计需要考虑到机械强度和光损耗之间的折衷。图4C和4D中的实施例的一个优点是只需单层结构，避免了需要进行薄片粘结。使用这些实施例的详细设计涉及到在波导的机械和光学整合和可接受的制造成本之间达到平衡。
虽然光开关系统的优选实施例使用了波导，然而也可使用采用反射面或其它已知结构的光波导。图4E显示了通过粘结两个薄片80，8制成的光波导78，从而形成封闭的光波导78。为了增强表面的反射率，可以在粘结前在内表面上沉积金属涂层，例如金或镍(或任何适用于微切削加工工艺的其它材料)。
然而，另一实施例采用了微结构的垂直表面。如在传统光学系统中那样，这种方法需要对垂直壁进行严格的角度控制，从而精确地控制光束。图4F显示了蚀刻在薄片中的沟槽，其垂直壁为反射面，沟槽还带有顶盖80，形成了封闭的波导78。如前述，可以涂覆金属涂以提高反射率。
图5A和5B显示了可进行8×8端口转换的无阻塞转换层44的一个示例性实施例的平面图和侧视图。为了在此示例中实现所有的转换性能，需要12个开关元件90。各开关元件90均能进行2×2转换。由于光信号50总是可通过一些光路而传送到光输出侧，因此转换层44是非阻塞的。
光连接器16用于减小因光纤和开关元件90之间或OXC块之间的未对准而引起的插入损耗。在这两种情况下，都存在着因有缺陷的装配而引起的几何误差积累，它应当被校正以减小光损耗。在大多数情况下，未对准是因线性偏移和角偏移的组合引起的。
图6A显示了光连接器16，加工在其两侧的衬底都具有凸球面100的阵列。将球面阵列的一侧定位成与光纤束相连，以接收输入光束50。相反的凸球面将光束聚焦在小点上，使其可与OXC块相连。例如，光连接器16可具有用于光转换系统中的各端口的一个球面100(在这里例如为32×32或1024个球面100)。
图6B显示了图6A的光连接器如何校正未对准的光束。假设光束50从左侧进入，它通常在通向OXC块或其它光通路的入口范围之外。如果不进行校正，光束50将无法正确地进入OXC块的入口。然而，在经过光连接器16的球面校正之后，这种未对准的光束50将从光连接器16中发出而聚焦在成像点102上。通过将OXC块的入射光孔或光纤入口设置在成像点102处或其附近，所形成的光束将被大致地对中，并以可被全内反射过程捕获的某一入射角进入到光通路如波导64中。也可采用除球形之外的其它类型的表面来提高所形成的光束的质量。光学表面的详细设计和光学材料的选择可包括光学设计领域的技术人员已知的设计和选择。
可以采用一系列球体并将这些球体固定在带有精确加工出的孔的板上来制造使用凸球面100的光连接器16。为了将球体固定就位，最简单的方法是在冷浴(如液氮)中使球体收缩并将其插入到板的孔中。固定的正确方法应允许同时并精确地插入大量的球体。或者，可以使用凸形磨具进行特殊的磨削以生产出所需的表面。可能的制造技术有很多种，包括光学制造领域的技术人员众所周知的技术。
图7A显示了由微切削加工工艺制出的小型开关元件60的一个示例性实施例。这种示例性实施例是2×2的开关元件60，这是因为它具有两个输入端和两个输出端；当然，输入端的数量和输出端的数量可以增大或减少。开关元件60的实施例具有两个集成在载体平台110的顶面上的波导。组合结构(波导和载体)粘结在衬底62上并定位，使得开关元件60悬挂在衬底62的气隙上，或悬挂在先前蚀刻出的空腔111上。载体平台110最好悬挂在激励电极112的上方约30微米。波导114，116通常小于10微米，在此示例中，需要较小通道尺寸来保证单模光信号的传输。结构的尺寸和支撑弹簧130的设计取决于所用激励方式的类型。此实施例采用静电吸引作为激励方式。
为了实现静电激励，载体平台110和固定电极112，126必须可导电，从而可使载体110朝电极112，126运动，如图7B和7C所示。如果载体平台110由介质材料制成，那么可通过在底部(即朝向固定激励电极112的表面)上涂覆金属如金或镍来使其可导电。如果载体平台110由半导体材料如硅制成，那么可对其进行掺杂来提高电导率。和载体平台110相对且平行的是固定电极112，126，其形成于空腔111的底面上。这些电极112，126通过形成于斜面上的迹线而与衬底62的顶部相连。在空腔111中制造了两个固定电极112，126，一个电极112用于激励载体平台110的运动，而另一电极126用于反馈感应载体平台110的位置。
开关元件60的此示例性实施例的操作如下所述。光信号50从开关元件60左边的位置A和B处进入。光信号50进入波导114，116，并由于此实施例中的波导的特殊设计而交叉。来自位置A和B的光信号50分别在位置D和C处离开开关元件60。原始光信号50已经从A到D和从B到C形成了交叉。当在此特定实施例中不需要光信号50交叉时，则需要来自控制硬件的电信号。通过对衬底62上的固定电极112施加电压以及对载体平台110上的电极施加不同的电压，电压差将产生静电吸引力。这种吸引力通过弯曲支撑弹簧130而朝向固定电极112，126向下拉动(在这里小于10微米)载体平台110(以及载体平台110所携带的波导114，116)，这样就在此过程中从光路中移去波导114，116。然后，来自位置A的光信号50直接(通过自由空间120)朝点C传送，而来自位置B的光信号50直接(通过自由空间122)传送到位置D。图7B显示了载体平台110因未对激励电极112施加电能而处于其静止状态的情况；这里，来自载体平台110输入侧的固定波导的位置A和B处的光信号50在可动波导114，116上交叉，分别到达载体平台110输出侧的固定波导的位置D和C处；波导114，116被认为是“可动的”，这是因为它们可与载体平台110一起运动。当对激励电极112施加电能时，图7C显示了载体平台110已经移向激励电极112的所得状况；这里，由于可动波导114，116已经移到光信号50的范围之外，因此来自载体平台110输入侧的固定波导的位置A和B处的光信号50直接通过自由空间，分别到达载体平台110输出侧的固定波导的位置C和D处。
其它激励方法也是可行的。静电激励由于在设计和操作上的简单性而成为优选。其主要缺点是操作所得装置的所需电压因间隙较大而比较高，通常在20到100伏之间。其它的激励方法包括磁方面和热方面的技术。这些方法对于微切削加工设计领域的技术人员来说是众所周知的。
衬底62上的感应电极126用于检测载体平台110的位置，这是通过检测电极126和载体平台110的电极之间因载体平台110的运动所引起的间隙变化而产生的电容变化来实现的。其它的感应方法如压阻方法、磁性方法和光学图方法也都是可行的。采用来自感应电极126的信号(通过闭环控制)来精确地定位光入口和出口处的波导114，116。
主要的光信号损耗将发生在可动波导114，116(其位于开关元件60的载体平台110上)的入口处和固定波导的入口处。降低位置A/C之间和B/D之间的距离可以减小这种损耗。为了完全地降低损耗，可以在载体平台110的底部上设计第二波导138，140，但这增加了制造的复杂性。在这种情况下，固定波导和可动波导114，116之间的开口可以减小到不足2微米，这取决于蚀刻工序。图7D显示了顶部带有波导114，116且底部带有波导138，140的载体平台110，其中一组波导设计成用于直接穿过，而另一组则用于交叉。从图7D所示实施例中可清楚，在载体平台110因未对激励电极112施加电能而处于其静止状态的情况下，来自载体平台110输入侧的固定波导的位置A和B处的光信号50可穿过可动波导138，140而到达载体平台110输出侧的固定波导上。同样地，当对激励电极112施加电能时，载体平台110朝向激励电极112运动，这样来自载体平台110输入侧的固定波导的位置A和B处的光信号50现在就穿过波导114，116而到达载体平台110输出侧的固定波导上，这是因为可动波导138，140已经运动到光信号50的范围外，而可动波导114，116则运动到光信号50的范围内。当然，在使用两个可动波导的实施例中，例如如图7D所示，缺省情况为直接通过或交叉中的一种。换句话说，波导114，116可以允许直接通过，而波导138，140可实现交叉，反之亦然。
下面将介绍MEMS光开关元件60的另一实施例。光开关元件60的运动不局限于那些在与衬底62正交的垂直方向上的运动。图8A显示了MEMS开关元件的另一示例性实施例，其中激励方向是横向或基本平行于衬底62的平面。图8B显示了依赖于旋转运动的MEMS开关元件的另一示例性实施例。当然，可以从全部都以相同方式运动(如所有元件都垂直运动、都横向运动或都旋转运动)的光开关元件中制出光转换系统10，或者从以不同方式运动(如某些元件垂直运动而其它元件横向运动、或某些元件垂直运动而其它元件旋转运动，或者某些元件横向运动而其它元件旋转运动)的光开关元件中制出光转换系统10。可以通过对图8A所示的间指结构(在MEMS中称为梳形指)施加不同的电压而引发横向运动。为了介绍图8A中所示，MEMS开关元件60包括有衬底62。可动光传输平台110悬挂在衬底62上，例如悬挂在空腔或其它类似结构上。平台110被称作“可传输光的”，因为它具有可传送光信号或光束50的结构(如波导网络200，202)；但这并不意味着整个平台自身必须是可传输光的。平台110的一侧连接了支撑弹簧130，而支撑弹簧130的另一端则连接或固定于衬底62上。平台110具有电极204。在此示例中，电极204为带有激励电极112的间指形状。通过对平台110一侧的电极204和激励电极112施加与平台另一侧相比有所不同的电压，平台110以横向或基本平行的方式相对于衬底62平面运动。在图8A中，这种横向运动意味着平台110向上或向下运动。
平台110携带有波导网络200，202，其中从光信号50的输入侧到输出侧的光路根据平台110的横向位置而变化。例如，如果平台处于第一位置(例如静止位置)，输入光信号50到波导网络200，202的输入端A，B，C和D的对准选择成使得光信号50进入输入端C和D。由于此示例的波导网络200，202的特定结构，进入波导网络200，202的输入端C和D的光信号50交叉并分别在输出端H和F处离开。如果之后平台110运动到其第二位置，输入光信号50将进入输入端A和B，并分别地直接地传到输出端E和G。当然，可以交换波导网络200，202，使得缺省情况为直接通过。波导网络可以设置成任何可实现所需光路的形状或形式。
图8A中所示的横向运动方法具有不需要底部电极的优点，因而减少了制造过程中的工序。缺点是电极的面积因最终结构的较小高度而受到限制，结果，需要大量的梳形指来产生足够的吸引力。为了操作图8A中的横向运动的开关元件，需要比图7A的垂直运动的开关元件大很多的电极面积。
再来看图8B，可动光传输平台110以相对于衬底旋转或枢轴转动的方式运动。为了在开关元件60中实现旋转运动，与用于优选实施例的相同的静电吸引力可起作用。为了感应平台110的位置，将应用如优选实施例所示的类似的电容检测技术。如所述，旋转平台110的这种示例性实施例在平台110处于第一位置时可使输入端A和B与光信号对准。当平台110旋转到其第二位置时，此时输入端C和D与光信号对准。如同所有实施例一样，波导和波导网络设置成以能实现所需光路的任何形状。
虽然已经介绍了本申请的多种实施例，但是对于本领域的普通技术人员来说很清楚，在本发明的范围内存在着多种更多的实施例和实施方式。例如，可将某一实施例的各特征与其它实施例中所示的其它特征混合并配合使用。可根据需要将光学领域的普通技术人员已知的特征类似地结合起来。另外，很明显，可以在需要时增加或去除某些特征，因此可以设想出具有超过两组光路的可动平台，其中平台可运动到三个或更多位置中的任何一个，使得各位置激励一条不同的光路。作为另一示例，光开关可以接受超过2个输入，并提供超过2个输出。可组合光开关以形成具有更多端口的更大光开关。因此，除了所附权利要求及其等效物之外，本发明并不受到限制。

Claims (45)

1.一种用于将光信号从第一光路转换到第二光路的装置，所述装置包括：
衬底；
可相对于所述衬底运动的微切削加工出的平台；
使所述平台相对于所述衬底从第一位置运动到第二位置的激励装置；和
具有第一输入端和第二输入端的波导网络，所述波导网络与所述平台相连，使得所述波导网络可与所述平台一起运动，当所述平台处于所述第一位置时，光信号进入所述第一输入端并沿所述波导网络中的第一光路传输，而当所述平台处于所述第二位置时，光信号进入所述第二输入端并沿所述波导网络中的第二光路传输。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平台可相对所述衬底垂直运动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平台可相对所述衬底横向运动。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平台可相对所述衬底旋转运动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导网络包括多个波导。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个波导包括至少第一和第二波导，它们相互间垂直地定位，使得所述平台的运动可根据所述波导相对于所述衬底的垂直位置而在所述第一和第二波导之间进行选择。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个波导包括至少第一和第二波导，它们相互间横向地定位，使得所述平台的运动可根据所述波导相对于所述衬底的横向位置而在所述第一和第二波导之间进行选择。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个波导包括至少第一和第二波导，它们相互间以一定角偏移而定位，使得所述平台的运动可根据所述波导的角偏移而在所述第一和第二波导之间进行选择。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于将所述平台悬挂在所述衬底上的支撑结构。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底包括空腔或气隙，所述平台悬挂在所述空腔或气隙上。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述衬底相连的固定的输入波导，其定位成可将光信号传送到所述波导网络的所述第一输入端或所述第二输入端。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述衬底相连的固定的输出波导，其定位成可接收来自所述波导网络的光信号。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述衬底相连的固定的输出波导，其定位成可接收来自所述波导网络的光信号。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导网络包括第一输出端和第二输出端。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述衬底相连的固定的输出波导，其定位成可接收来自所述波导网络的第一输出端或第二输出端的光信号。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述平台相连的激活电极，所述激励装置包括激励电极，其定位成可与所述激活电极静电地相互作用。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述激励电极和激活电极为间指形状。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设于所述波导网络的输入端或所述波导网络的输出端处的光连接器。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光连接器包括对准校正表面，其可校正光信号的对准轨迹误差。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述对准校正表面为球面。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导网络包括被介质围绕的波导，所述介质为真空或空气。
22.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导网络包括具有顶部、底部和侧面的波导，其中所述波导的顶部和侧面与真空或空气接触，而所述底部粘结了折射指数比所述波导更低的中间材料。
23.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导网络包括与所述衬底形成一体结构的波导。
24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于确定所述平台位置的感应电极。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，如果所述平台处于所述第一位置，则光信号在通过所述波导网络的传输过程中从所述第一光路转换到所述第二光路，而如果所述平台处于所述第二位置，则光信号直接穿过所述波导网络。
26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，如果所述平台处于所述第一位置，则光信号直接穿过所述波导网络，而如果所述平台处于所述第二位置，则光信号在通过所述波导网络的传输过程中从所述第一光路转换到所述第二光路。
27.一种将光信号从第一光路转换到第二光路的方法，所述方法包括步骤：
朝向可相对衬底运动的平台传播光信号，所述平台包括具有第一输入端和第二输入端的波导网络，所述波导网络与所述平台相连，使得所述波导网络可与所述平台一起运动；
确定光信号是沿第一光路或沿第二光路传播；和
使所述平台相对于所述衬底选择性地运动到第一位置或第二位置，这样当所述平台处于所述第一位置时，光信号进入所述第一输入端并沿所述波导网络中的第一光路传输，而当所述平台处于所述第二位置时，光信号进入所述第二输入端并沿所述波导网络中的第二光路传输。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包括校正光信号的对准轨迹误差的步骤。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述校正光信号的对准轨迹误差的步骤采用球面来校正所述误差。
30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述使平台运动的步骤使所述平台相对所述衬底垂直运动。
31.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述使平台运动的步骤使所述平台相对所述衬底横向运动。
32.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述使平台运动的步骤使所述平台相对所述衬底旋转运动。
33.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述波导网络包括第一和第二波导，它们相互间垂直地定位，使得所述平台的运动可根据所述波导相对于所述衬底的垂直位置而在所述第一和第二波导之间进行选择。
34.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述波导网络包括第一和第二波导，它们相互间横向地定位，使得所述平台的运动可根据所述波导相对于所述衬底的横向位置而在所述第一和第二波导之间进行选择。
35.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述波导网络包括第一和第二波导，它们相互间以一定的角偏移而定位，使得所述平台的运动可根据所述波导的角偏移而在所述第一和第二波导之间进行选择。
36.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包括感应所述平台位置的步骤。
37.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底是半导体。
38.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述衬底是半导体。
39.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底是石英。
40.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述衬底是石英。
41.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底是二氧化硅。
42.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述衬底是二氧化硅。
43.根据权利要求2所述的光转换系统，其特征在于，所述光连接器包括光-电-光连接器。
44.根据权利要求2所述的光转换系统，其特征在于，所述光连接器包括光纤束。
45.根据权利要求2所述的光转换系统，其特征在于，所述光连接器包括多个棱镜。
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