CN1580841A - 一种双微镜2×2阵列式mems光开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于微光机电装置领域的一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关，这种光开关在110硅衬底上利用110硅衬底的各向异性腐蚀特点，同时在硅衬底上实现定位光纤的V形槽，反射光束的垂直壁深槽以及深槽中垂直的双微镜面，在硅衬底表面制作压电弹性复合膜悬臂驱动梁，驱动双微镜面同时垂直上下移动，移入移出光路。输入、输出光纤放于四个V形槽中，V形槽的方向与微镜表面及垂直深槽壁成约54.74度夹角。利用自对准的V形槽结构，大大降低了光开关的封装难度，垂直微镜面的晶向一致性使整个光开关具有很低的插入损耗，极大地提高了光学耦合效率。同时，光开关结构简单，器件可靠性很高，工艺复杂度较低，制造成品率较高，易加工，适合批量生产。

Description

一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关

技术领域

本发明属于微光机电装置领域，特别涉及用压电弹性复合膜悬臂梁驱动的一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关。

背景技术

近几年来，通信技术和互联网技术的出现和发展，在人类向信息社会飞跃的过程中扮演了十分重要的角色。尤其是光通信技术的发展和广泛应用，大大的提高了信息交换的速率和传输的容量。

随着光纤通信技术的发展，特别是密集波分复用(DWDM)等技术的成熟应用，光纤通信技术成为通信领域的重要基础技术。复杂的光纤通信网络中要求大量的新型光网络器件支持，光开关与光开关阵列作为光纤通信系统重要的光器件，在光网络中的光交叉连接(OXC)、光网络的自动保护切换、光网络监控和光纤通信器件测试中具有重要的应用。长期以来，电子光开关被广泛用于光开关器件。这种依靠电子核心的光开关(也称为OEO开关)首先将光信号转换为电信号，通过电子方式开关信号，然后再将其转换回光信号。OEO开关的高功耗、抖动大、带宽受限、需要光电/电光转换、需采用双极或GaAs电路、成本高、体积大等特点，使电子光开关的应用变得十分昂贵。随着今天DWDM通信系统容量的骤增，当端口数和数据传输速率增长的时候，在每个结点有大量的光—电—光转换需求，这越来越难以满足未来的高速、大容量光通信要求。因此，OEO光开关是未来光通信网络的瓶颈，发展一种新型的大容量、低损耗、与波长无关的全光开关成为光开关的主要研究方向。

MEMS技术在光通信中最有前景的应用之一是MEMS光开关。MEMS光开关是微机电系统(MEMS)技术与传统光开关技术相结合的新型光开关。在自由空间光学MEMS中，光开关的自由空间设计利用光学材料和它周围环境之间有固有的高折射率差异的优点，使MEMS光开关不仅保留了其传统自由空间光开关光学低损耗和低串扰的优点，还具有小尺寸、小质量和毫秒或亚毫秒的开关时间等优点。而且，MEMS制造技术允许微光学、微执行器、复杂机械结构和必要的微电子器件在单一衬底上实现微系统集成，这允许大规模矩阵开关的单片集成。此外，MEMS光开关固有的快速，低功耗和匹量制造工艺也大大的降低系统的成本。

目前，在利用自由空间光反射原理实现的MEMS光开关中，采用平面微镜形式的光开关由于微镜偏转角度连续变化的特点，为光开关的光学对准带来了很大因难。采用表面微加工工艺实现的二维阵列垂直微镜面光开关，微镜面的垂直度，镜面粗糙度，光路对准等存在大量的亟待解决问题。MEMS光开关反射器件采用静电、电磁、热、压电等原理实现驱动。其中，压电驱动方式具有，驱动力大，动作准确，可控性好等优点。

发明内容

本发明的目的是提出一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关。所述2×2阵列式MEMS光开关是在110硅衬底5上实现的，利用110硅衬底的各向异性腐蚀特点，在硅衬底上刻蚀出定位光纤的V形槽4、用于反射光束的垂直壁深槽2以及垂直壁深槽内垂直的双微镜面1；在硅衬底表面的垂直壁深槽2底部薄膜制作压电弹性复合膜悬臂驱动梁3，用于驱动双微镜面1垂直上下移动，移入移出光路。输入、输出光纤7放在四个V形槽4中，V形槽4的方向与双微镜1表面及垂直深槽2壁成50-60度的夹角，在每根光纤的头部可以安装光纤光束准直器6，实现光纤光束进入自由空间后的准直。

本发明的有益效果是该阵列式MEMS光开关充分利用了110硅片的各向异性腐蚀特点，一次硅各向异性腐蚀过程中，同时在硅衬底上实现垂直双微镜面，垂直壁深槽，光纤定位V形槽，实现光束的精确对准。由此实现的微镜面和槽的垂直壁具有平整度好，反射率高的特点，利用腐蚀形成的垂直壁深槽底部可继续刻蚀形成悬臂梁，制作压电弹性复合膜悬臂梁。压电弹性复合膜悬臂梁驱动双微镜垂直上下运动，角度固定，大大降低了镜面角度失配误差，以上特点使光开关具有很低的插入损耗，极大的提高了光学耦合效率。利用自对准的V形槽结构，大大降低了光开关的封装难度，整个光开关具有结构简单、可靠性高、工艺复杂度较低、成品率较高、易加工和适合批量生产的特点。

附图说明

图1为2×2阵列式光开关结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3光开关工作原理图(状态1)。

图4光开关工作原理图(状态2)。

具体实施方式

本发明提出了一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关(如图1、图2所示)，该双微镜2×2阵列式MEMS光开关是在110硅衬底5上实现的。利用110硅衬底的各向异性腐蚀特点，在硅衬底上刻蚀出定位光纤的V形槽4、用于反射光束的垂直壁深槽2以及垂直壁深槽内垂直的双微镜面1；在硅衬底表面的垂直壁深槽2底部薄膜制作压电弹性复合膜悬臂驱动梁3，用于驱动双微镜面1垂直上下移动，移入移出光路。输入、输出光纤7放在四个V形槽4中，V形槽4的方向与双微镜1表面及垂直深槽2壁成约54.74度夹角，在每根光纤的头部可以安装光纤光束准直器6，实现光纤光束进入自由空间后的准直。

双微镜2×2阵列式MEMS光开关有多种制作工艺方法。下面仅阐述其中一种方法：首先使用双面抛光110衬底硅片5，双面热氧化后淀积氮化硅，背面光刻结构窗口，刻蚀掉氮化硅，漂去露出的热氧化层，利用KOH或TMAH等各向异性腐蚀液进行体硅腐蚀，一次同时形成定位光纤的V形槽4，用于反射光束的垂直壁深槽2，以及垂直的双微镜面1，然后去掉两面的氮化硅和热氧化层，重新生长适当厚度的热氧化薄膜作为缓冲层，在微镜面上淀积铝或金等金属层作为反射层。在硅片正面进行PZT(锆钛酸铅)复合多层薄膜的制作工艺，在正面依次淀积下电极层，压电薄膜层，上电极层，并采用物理或化学刻蚀工艺，依次刻蚀出上电极、压电弹性复合膜悬臂驱动梁、下电极图形，最后淀积绝缘介质膜，再采用物理或化学刻蚀工艺刻蚀上下电极引线孔，淀积金属并刻蚀连线。随后光刻并采用各向异性刻蚀工艺刻蚀硅膜，释放悬浮结构，形成驱动悬臂梁3。在本方法实例中，下电极可由钛/铂复合层或铂构成，压电薄膜由压电种子层PbTiO₃与PZT复合层构成，上电极由钛/铂复合层或铂构成。

光开关的工作原理如图3、图4所示。图3所示(状态1)为垂直双微镜面1由压电弹性复合膜悬臂梁3驱动，可以在微镜平面内做上下的垂直运动，当双微镜面1被驱动进入光路中时，输入光纤A、B的光通过双微镜面1、垂直深槽壁的反射进入输出光纤。其中，A光纤中的光通过光纤准直器准直后经垂直微镜面1和垂直壁深槽2的壁四次连续反后进入输出光纤D的光纤准直器，从而进入光纤D。B光纤中的光通过光纤准直器准直后经垂直微镜面1和垂直壁深槽2的壁两次连续反射后进入输出光纤C的光纤准直器，从而进入光纤C。图4所示(状态2)当微镜被驱动移出光路时，输入光纤的光直接或仅通过垂直壁深槽壁反射进入输出光纤。其中，A光纤中的光通过光纤准直器准直后直接进入输出光纤C的光纤准直器，从而进入光纤C。B光纤中的光通过光纤准直器准直后仅经垂直壁深槽壁两次连续反射后进入输出光纤D的光纤准直器，从而进入光纤D。由此，利用微镜面移入和移出光束通路，来形成光信号的交叉切换和连接。

在上述实例中，压电薄膜也可由其它材料构成，如PLZT、ZnO、AlN、PVDF等各种压电材料或由多种压电材料构成的复合多层压电薄膜及为淀积压电材料或改善压电材料性能而预先淀积的相关压电种子层。弹性薄膜梁材料也可能为其它各种弹性材料，如单晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或多种弹性材料的复合多层膜等。这种结构可使用MEMS表面微加工工艺和MEMS体加工工艺相结合的方法实现。

Claims (1)

1.一种双微镜2×2阵列式MEMS光开关，所述双微镜2×2阵列式MEMS光开关是在110硅衬底上实现的；其特征在于：在具有各向异性腐蚀特点的110硅衬底(5)上，在110硅衬底上刻蚀出定位光纤的V形槽(4)、反射光束的垂直壁深槽(2)及在垂直壁深槽内垂直的双微镜面(1)；并在垂直壁深槽(2)底部薄膜制作压电弹性复合膜悬臂驱动梁(3)，用于驱动双微镜面(1)垂直上下移动，移入移出光路；输入、输出光纤(7)放在四个V形槽(4)中，V形槽(4)的方向与双微镜面(1)表面及垂直深槽(2)壁成50-60度的夹角，在每根光纤的头部可以安装光纤光束准直器(6)，实现光束进入自由空间后的准直。

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