CN1764854A - 包括中空波导和mems反射元件的光路由装置 - Google Patents

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Abstract

描述了这样一种光路由装置，该光路由装置包括半导体衬底(52)，所述半导体衬底(52)具有至少一个光输入(4)、多个光输出(6，8)和MEMS可移动反射元件阵列(58；102)。可配置所述可移动反射元件阵列(58；102)以使光可从任一光输入(4)选择性地路由至所述多个光输出(6，8)中的两个或多个的任一个。从任一光输入选择性地路由至多个光输出(6，8)中的两个或多个的任一个的光在空心波导中被引导。在一个实施例中，描述了一种交叉连接的光学矩阵开关。

Description

包括中空波导和MEMS反射元件的光路由装置
本发明涉及一种用于电信系统等的光路由装置，尤其涉及包括可移动反射元件阵列的光路由装置。
使用光纤链路的电信及数据网络正被逐渐实现。传统上，由光纤承载的光信号被转换成电信号，并且所有的信号路由选择功能都是在电学领域内完成的。然而，近年来已经认识到的是，全光开关设备显示出了降低成本以及穿过光纤网络的与路由信号相关的复杂性的潜力。
在EP0221288中描述了全光开关的一个早期实例。该装置包括反射镜，所述反射镜能够被电磁致动器移动以将光信号路由至两个输出中的任一个。在GB2193816中描述了一种可替代的并且更复杂的光开关系统。GB2193816的系统包括框架部件(housing block)，所述框架部件具有多个空心波导(hollow core waveguide)和携带反射镜的控制杆以提供期望的光路由功能，所述反射镜插入所述框架部件。然而，这种类型的装置物理上非常大，并且在EP0221288的情况下，需要比较耗电的致动器。
使用微机电系统(MEMS)装置以提供选择路由功能的光路由装置也已公知。例如，由Wood，R.L.，Madadevan，R和Hill，E在2002年3月美国洛杉矶的光纤通信会议学报的论文TU05(the proceedingsof the Optical Fibre Communications Conference，March 2002，Los Angeles，USA)中描述了一种基于MEMS的二维矩阵开关。所述装置包括二维弹出式(pop-up)MEMS反射镜阵列，所述弹出式MEMS反射镜阵列被磁性旋转进入“up”状态，并静电保持此状态。该装置允许自由空间输入光束被选择性地从“直穿(through)”通道路由至多个“交叉(cross)”通道中的任一个。采用这样地方式，提供了一种二维矩阵开关。
Wood等人所描述类型的光学装置其缺点在于光损耗极高，所述光学损耗同装置中包含的自由空间区域相关，MEMS反射镜位于所述自由空间区域内。特别地，由于光束沿着每个自由空间路径传播，因此衍射作用导致射束直径的增加。射束直径的增加降低了效率，光随后以此效率被耦合进入输出光纤。此外，所述MEMS反射镜的任何角度未对准将会在光束中产生横向偏移。这种类型的角度未对准效果是累积的，换句话讲，当光从多个未对准的反射镜反射时，横向偏移将被放大。这进一步降低了进入输出光纤的耦合效率。
在US2003/0035613中描述了一种可替代的基于MEMS的光路由装置。US2003/0035613中的装置包括上、下层，空心多模光波导就在所述上、下层中形成。设置所述上层和下层的空心波导使其重叠，并在重叠波导区域附近提供柔性金属杆。所述柔性金属杆能够变形以便将在所述下层中形成的由波导射出的光引导至上层的波导。采用这样的方式，得到光路由功能。然而，上下层的精确对准、提供机械坚固性和可靠柔性杆使得这种装置的制造相当复杂。
本发明的目标就是至少减少一些上述缺点。
根据本发明，一种平面内(in-plane)光路由装置包括半导体衬底，所述半导体衬底具有至少一个光输入、多个光输出以及微机电系统(MEMS)可移动反射元件阵列，可配置所述可移动反射元件阵列以使光可从任一光输入被选择性地路由至所述多个光输出中两个或多个的任一个，其特征在于，从任一光输入选择性路由至所述多个光输出的两个或多个中的任一个的光在空心波导中被引导。
因此本发明的装置提供了一种所谓的矩阵开关，在所述矩阵开关中使用MEMS可移动反射元件，光从至少一个输入被选择性地路由至多个输出中两个或多个的任一个。所述输入和输出之间的各个光路包括空心光波导，且位于同衬底平面基本平行的平面内；换句话讲，该装置是一种平面内光路由装置。本发明的光路由装置可以是一种独立部件，或者形成PCT专利申请GB2003/000331中所述类型的平面光路(PLC)的一部分。
由于在空心波导中将光引入、引出MEMS可移动反射元件减少了来自于自由空间衍射的不期望的光束衰减以及角度未对准效果，因此本发明的装置优于先前由Wood等人所述类型的现有技术的矩阵开关装置。由于空心波导引导效果而减少的损耗也使得阵列中的反射元件之间分离，并使阵列的数值次序(numerical order)增加。当使用小直径光束时，自由空间装置中的衍射效果将按比例更大，此时本发明的装置尤其有利。也应当记起的是，经过随后另一未对准反射镜的任一反射，Wood等人所述类型装置的角度未对准误差将被放大。相反，在本发明装置中的反射元件的角度未对准被赋予一个特定的耦合损耗，该耦合损耗取决于未对准总量，任何这种未对准误差将不会被随后的反射放大。
同US2003/0035613中所述类型的双平面空心波导装置相比，本发明的装置还显著降低了制造的复杂性、增强了机械坚固性。还应当注意的是，US2003/0035613中所述的装置仅支持多模传播，因此本身比本发明装置的损耗更大。
为了得到一种提供特定路由功能的本发明的装置，在内壁上必须有一些限定空心波导的间隙。尽管非引导区布置成仅构成很小比例的波导，但是所述间隙略微增加了波导的光损耗。然而，这种效果可以忽略，同现有技术的自由空间传播装置相比，使用所述间隙甚至使得空心波导减少了损耗。
应当注意的是，当制造空心波导结构时，空心很可能被填充了空气。然而，决不能将此看作是对本发明范围的限制。所述空心可能含有任一流体(例如如液体，或诸如氮气的惰性气体)或者是真空。术语空心仅意味着一种没有任何固体材料的中心。此外，此处使用的术语“光”和“光学”是指任何具有从紫外线至远红外线波长的电磁射束。
由于半导体衬底能够使用微制造技术(诸如深反应离子刻蚀)进行高精度刻蚀，因此半导体衬底是优选的，诸如硅。所述衬底可有利地包含多层晶片；诸如锗上的硅(SiGe)，蓝宝石上的硅，绝缘体上的硅(SOI)、玻璃上的硅。本领域内技术人员将认识到的是，微制造技术典型地包括限定图案的光刻步骤，接着是刻蚀步骤以将图案转移到衬底材料上或衬底材料中的一层或多层。所述光刻步骤可包括光刻、x射线或电子束刻蚀。所述刻蚀步骤可使用粒子束刻蚀、化学刻蚀、干法等离子体刻蚀或深干法刻蚀(也称作深硅刻蚀)完成。这种类型的微制造技术与各种层沉积技术兼容，诸如溅射，CVD、无电电镀和电镀。
有利地，半导体衬底包括底部分和盖部分，两个部分共同限定空心波导。在PCT专利申请GB2003/000331中更加详细地描述了这种装置，并提供了制造这种装置的方便方法。
MEMS可移动反射元件的选择取决于运动所需要的速度和总量。所述反射元件可作为MEMS致动装置的集成部分形成，或附着在MEMS致动器上。此处，认为MEMS应包括微加工元件、微系统技术、微机器人和微工程等等。所述MEMS可移动反射元件可有利地包括电热致动机构(诸如光束弯曲装置)以提供大偏心距(例如，5-100μm满刻度偏转)致动。也可使用诸如电磁、静电(诸如梳形驱动马达)、双压电晶片或压电的可替代的致动机构。有关MEMS装置致动技术以及相关制造技术的更多细节可在1997年CRC出版社(Boca Raton)出版的Marc Madou的“微制造基本原理”(Fundamental of Microfabrication)中(ISBN0-8493-9451-1)找到。
优选地，MEMS可移动反射元件包括反射涂层。所述反射涂层可由在工作波长下具有适合的反射特性的任何材料提供。为通过内反射提供反射，可以使用比形成波导中心的材料(典型的为空气)的折射率小的材料。例如，反射涂层可由诸如金、银或铜的金属层便利地提供。金属在波长范围内会展现出适合的低折射率，金属在特定的波长范围将呈现出适当的低折射率，而这是由金属的物理特性决定的；诸如E.D.Pallk的“光学常数手册”(“the handbood of opticalconstant”，Academic Press，London，1998)的标准教科书提供了取决于各种材料折射率的波长的准确数据。特别是，在大约500nm至2.2μm范围的波长内，金同空气相比具有更小的折射率；所述范围包括了在1400nm至1600nm的重要的电信波段的波长。铜在560nm至2200nm的波长范围内呈现的折射率不是单一的，而银在320nm-2480nm的波长范围内具有相似的折射率特性。
使用本领域内技术人员公知的多种技术可沉积金属层。这些技术包括溅射、蒸发、化学气相沉积(CVD)和(有电或无电)电镀。CVD和电镀技术允许金属层进行沉积而无明显的方向相关的厚度变化。采用旋转样品和/或源的溅射将提供均匀涂层。由于电镀技术允许使用批处理(即多衬底并行)，因此电镀技术尤其有利。
本领域技术人员将认识到，可在金属层沉积之前将粘附层和/或阻挡扩散层沉积在反射元件上。例如，在金的沉积之前可提供铬层或钛层作为粘附层。阻挡扩散层(诸如铂)也可在金沉积之前沉积在粘附层上。可替代的方案是，可使用合成粘附层和扩散层(诸如氮化钛、钛钨合金或绝缘层)。
反射涂层也可由全电介质堆叠、半导体电介质堆叠或金属电介质堆叠提供。本领的技术人员将认识到，电介质层的光学厚度提供了界面效应，所述界面效应将决定涂层的反射特性。所述电介质材料可通过CVD或溅射或反应溅射得以沉积。可替代的方案是，可通过与沉积金属层的化学反应形成电介质层。例如，银层可同卤化物化学反应产生薄的卤化银表面层。
换句话讲，反射涂层可由全电介质堆叠、半导体电介质堆叠或金属电介质堆叠提供。本领域的技术人员将认识到，电介质层的光学厚度产生了需要的界面效应，因此决定了涂层的反射特性。所述涂层的反射特性在一定程度上同材料(涂层位于该材料上)的特性相关。因此，形成所述反射元件的材料也可形成底层，并成为任何这种多层电介质堆叠的一部分。
便利地，空心波导的内表面包括反射涂层。应用于空心波导内表面的反射涂层可以是上述类型的金属堆叠或电介质堆叠或金属电介质堆叠。应用于空心波导内表面的任一涂层可与应用于可移动反射元件的任一涂层相同或不同。
便利地，至少一个MEMS可移动反射元件为弹出式反射镜。例如，可使用Wood等人所描述类型的电磁弹出式反射镜。可替代的方案是，至少一个MEMS可移动反射元件可有利地包括光闸。所述光闸可同适合的致动机构集成形成或附着在合适的致动机构上。所述光闸也可以“掀启式”结构形成，所述“掀启式”结构消除了光闸边缘形状的几何限制。应当注意的是，正如下面将详细描述的，使用空心波导使得能够制造对准公差减小的MEMS可移动反射元件。
优选地，每一MEMS可移动反射元件同空心波导整体形成。采用这样的方式，MEMS元件与空心波导在同一过程中形成，因此提供了一种制造装置的简单方式而不需要附加过程或设备装配。可替代的方案是，MEMS可移动反射元件可有利地在独立过程中形成，并使用混合集成技术将其附着在衬底上，空心波导形成于所述衬底中。
如上所述，空心光波导提供的同MEMS可移动反射元件的光链接将会减少同反射元件的给定角度未对准相关的光损耗。可替代的方案是，可使用空心光波导以减少MEMS可移动反射元件所需要的角度对准精确性，同时提供一种具有给定光效率的装置。
便利地，每一可移动反射装置均可在全(或部分)插入位置和全缩回位置之间移动，在所述全(或部分)插入位置所述可移动反射装置伸出进入空心光波导。可替代的方案是，反射装置可在波导中两个不同的位置之间移动。
可移动反射元件可有利地布置成规则阵列。所述阵列可以被规则地隔开，或为任何提供期望路由效果布置。可使用线性(即一维)或二维阵列。优选地，所述阵列包括16个或更多可移动反射装置。可能的是，堆叠多个平面内装置并提供堆叠中每二维阵列之间的链接波导。
在一个优选布置中，多个光输出包括至少一个直穿输出和一个交叉输出。所述MEMS可移动反射元件可在插入位置具有一个同“直穿”和“交叉”空心波导通道成大约45 °角的反射面。采用这种方式，可将所述装置布置成当可移动反射元件缩回时光可从至少一个输出被路由至至少一个直穿输出，当反射镜插入时光可从所述输入被路由至相关的交叉输出。换句话讲，可制作二维交叉开关。这种交叉开关同Wood等人所述类型的现有技术的装置相比，将会具有更低的光衰减。
便利地，所述至少一个光输入和多个光输出中的至少一个包括用于接收光纤的装置。例如，所述用于接收光纤的装置可包括形成在所述装置中的对准槽，该对准槽被布置成把光纤钳位至允许同所述设备进行光连接的位置。在实心光纤的情况下，可提供阶梯光纤对准槽以支撑缓冲层和覆层。空心光纤的中心同所述设备的空心波导对准也可实现；例如，通过在对准槽中钳位光纤覆层。由于空气中心至空气中心连接将不具有任何不期望的反射，因此使用空心光纤尤其有利。
所述光输入和/或所述光输出的至少一个可便利地包括平面反射器元件的输出。采用这样的方式，本发明的多个装置就可以被布置在堆叠中。
为提供光纤的中心和设备的空心波导之间有效的耦合，空心波导的横截面应适合光纤中心的横截面。在实心光纤的情况下，进入覆层的泄漏意味着由光纤承载的模式宽度实际大于中心直径；例如典型的10μm的单模玻璃光纤实心具有大约14μm直径的总计1/e2TME00的场宽。如果所述模式宽度同空心波导的模式宽度不同，则可使用透镜(球透镜或格林(GRIN)棒等)增大或减小光场以使光可以耦合至具有不同尺寸中心的光纤或从具有不同尺寸中心的光纤耦合至PLC的空心波导的中心。实心光纤的光纤末端可被涂覆抗反射层。
也可使用透镜型光纤，使用所述透镜型光纤将不再需要独立对准装置以将光耦合进入所述装置的空心波导。
有利地，一个或更多空心光波导的部分具有基本矩形(此处所述矩形应包括正方形)的横截面。正方形或几乎正方形横截面空心波导提供了这样一种波导，在所述波导中损耗基本上与偏振无关，并当光的偏振态未知或者变化时，所述正方形或几乎正方形横截面的空心波导是优选的。虽然以所需尺寸形成波导使其具有的深度大于其宽度或者相反将增加偏振相关损耗，但是当通过波导传播的光的偏振态已知时可能很有利。
尽管矩形横截面波导非常便利，但是还可使用许多可替代的波导形状。例如可提供圆形、椭圆或V形波导。
便利地，以所需尺寸形成空心波导以支持基模传播。本发明可提供MEMS可移动反射元件同相关的空心光波导的精确对准，并因此实现空心光波导各部分之间有效的基模耦合。
可替代的方案是，可以以所需尺寸形成空心波导以支持多模传播。如果提供多模空心波导结构，那么相邻的可移动反射元件可以以空心波导的重新成像长度有利地间隔开。所述重新成像现象以及对于给定波导的重新成像长度的计算的相关详细情况将在下面更加详细描述。简而言之，所述重新成像效果提供了一定距离的输入场的重现，所述的一定距离是指从场入射进入多模波导的距离。通过穿过内连接波导传播的光的重新成像长度将可移动反射元件间隔开，使得重新成像点位于所述可移动反射元件附近。这使得所有通过所述设备的光路长度是所述重新成像长度的倍数。因此来自输入光纤的输入场在任一光输出被重现，从而允许光有效耦合进入输出光纤。重新成像效果的使用还降低了衍射损耗(阻挡光波导)，以有助于可移动反射元件的定位。
总之，本发明提供了一种光学路由装置，所述光学路由装置包括至少一个输入，所述输入通过多个光路连接至多个输出。所述装置具有多个反射元件，所述反射元件可以移动以改变经过该装置的光路，光沿着空心波导中的每个光路被引导。
应当注意的是，尽管上面描述了包括半导体材料的衬底，但是在多种可替代的衬底上也可形成类似设备。所述衬底可有利地为基于氧化硅的衬底；例如可由石英、二氧化硅或玻璃制成。衬底也可为浮雕式，或者图案可以以光刻方式限定在聚合物层中。从制造方面考虑，使用批微制造技术可以很有利。
现在将结合附图，仅通过实例介绍本发明，其中：
图1示出了现有技术的矩阵开关；
图2示出了本发明的矩阵开关；
图3示出了使用重新成像效果的本发明的另一矩阵开关；
图4示出了图3所示装置的部分透视图；
图5图示了反射装置可能的角度未对准；
图6示出了角度未对准对空心波导两个部分之间耦合效率的影响；
图7图示了使用芯片内光耦合的空心光波导；
图8示出了使用了矩阵开关的芯片内光耦合的平面图；
图9示出了图8的耦合方案的侧视图。
参考图1，示出了现有技术的矩阵开关2。
矩阵开关2包括四个输入光纤4a至4d(统称为输入光纤4)、四个输出光纤6a至6d(统称为输出光纤6)和四个交叉连接输出光纤8a至8d(统称为交叉连接输出光纤8)。所述输入光纤4、输出光纤6和交叉连接输出光纤8的每一个都具有相应的准直透镜10。提供衬底20，所述衬底20承载MEMS弹出式反射镜22a至22p(统称为MEMS阵列22)的4×4阵列。通过应用由阵列控制装置施加的适当的控制信号可将所述MEMS阵列22中的每一个反射镜放置在承载(stowed)结构中或直立结构中。
布置所述输入光纤4、输出光纤6和衬底20以使当MEMS阵列22中的每一反射镜在承载结构中时，来自输入光纤4a的光可在衬底上的自由空间内作为准直光束传播，并直接耦合进入输出光纤6a。类似地，布置来自输入光纤4b、4c和4d的光使其分别耦合进入输出光纤6b、6c和6d。
也可布置衬底以使反射镜22a、22e、22i和22m中的任一个可插入自由空间光路中，所述光路被限定在输入光纤4a和输出光纤6a之间。确定所述反射镜22a、22e、22i和22m的方向以使当其位于直立结构中时，使得光被引导离开输入光纤4a和输出光纤6a之间的光路而朝着交叉连接输出8a、8b、8c或8d的方向传播。采用这样的方式，来自每个输入光纤4的光可以传递至它对应的输出光纤6或通过MEMS阵列22中适当的反射镜被路由至四个交叉连接输出光纤8中的任一个。这样就形成了二维矩阵开关。
图1中，反射镜22b、22e和22p位于直立结构中，而其它反射镜位于承载结构中。可以看出的是，光束30a由输入光纤4a射出，并经过反射镜22e被路由至交叉连接输出8c。光束30b经由反射镜22b从输入光纤4b路由至交叉连接光纤8d，光束30c从输入光纤4c直接传送至输出光纤6c，而反射镜22p使光束30d从输入光纤4d被路由至交叉连接输出8a。对于本领域技术人员来讲显而易见的是，可能有大量的路由选择；即，每个输入可被传送至相关的输出或者被路由至交叉连接输出中的任何一个。
如上所述，图1中所示类型的现有技术装置有一些缺陷，这些缺陷源自光在输入和输出光纤之间的自由空间传播。特别是，尽管提供了准直透镜10，但是由于光束穿过矩阵传播导致了输出光纤耦合不良，因此光束衍射引起光束直径的增加。此外，MEMS反射镜的任何不精确角度对准造成输出平面中的横向偏移(lateral offset)，所述横向偏移导致光耦合进入相应输出光纤的效果差。对于与更高数值次序开关相关的更长光路来讲，这些问题将会加剧。
参考图2，示出了本发明的矩阵开关50。设计所述矩阵开关50以提供与参考图1所描述的现有技术装置相同的光路由功能。
矩阵开关50包括硅衬底52，所述硅衬底52具有多个矩形横截面沟道54。将盖部分(未示出)附着在衬底上，这样就定义了空心光波导。提供透镜56以使衬底的空心波导光耦合至输入光纤4、输出光纤6和交叉连接输出光纤8。
还提供了反射MEMS元件58a-58p阵列(统称为MEMS阵列58)。所述MEMS阵列58的元件包括反射面，所述反射面插入空心光波导中以重新定向沿着特殊的波导沟道传播的光。所述MEMS元件可包括由Wood等人并且参考上面图1所描述类型的弹出式反射镜。可替代的方案是，所述MEMS部件可包括反射光闸和相关的MEMS致动装置以将光闸正确地移入、移出所述衬底的空心波导。
使用这种可与空心波导集成形成的MEMS装置的好处是，反射镜的高度对准，所述高度对准可通过在空心波导周围的材料中形成所述MEMS装置获得。另外，所述空心波导减小了衍射作用，因此增加了所述装置的总的光效率。
参考图3，示出了根据本发明的另一矩阵开关100。与图2装置相同，所述装置包括具有多个矩形横截面沟道54的硅衬底52，所述矩形横截面沟道54形成在所述硅衬底52上，并且与适合的盖部分(未示出)一起限定了多模空心光波导。还提供了反射MEMS元件102a-102p(统称为MEMS阵列102)阵列。输入光纤4、输出光纤6和交叉连接输出光纤8布置成实现上述的二维矩阵开关路由功能。
MEMS阵列102的元件位于矩形4×4格栅布置中，在所述格栅布置中每行、每列元件以距离“a”分隔。每个输入光纤4、每个输出光纤6和每个交叉连接输出光纤8的末端也位于距MEMS阵列102的相关元件距离为“a”的位置。
以所需尺寸形成矩阵开关100装置以利用所谓的“重新成像”现象，所述重新成像现象在使用多模波导时出现。选择长度“a”作为空心波导重新成像长度(或其倍数)，以对于给定横截面尺寸的多模波导来讲，使其输入光束的剖面图像可在MEMS阵列102中的元件附近重现。
在其它地方更加详细描述了重新成像效果；例如，参见PCT专利申请GB2003/00331。简而言之，已经发现，通过设计波导的长度以具有与其宽度和深度的适当比例，可以将多模波导(尤其是具有矩形横截面的波导)设计成提供给定波长的对称、反对称和非对称光场的重新成像。换句话讲，沿着给定波导传播了一定距离之后，输入光束的高斯输入剖面被重新成像(即再现)。这种效果还产生了光束再现，即在小于重新成像长度的距离上形成了多个光束图像。在先前US5410625中已经描述了这些效果，并提供了多模干涉(MMI)光束分裂装置的基础。
作为一个实例，考虑了正方形横截面波导中的对称场。该对称场将具有一个重新成像长度，所述重新成像长度由传播辐射束波长上的波导宽度的平方给定。所述对称场的重新成像发生在重新成像长度和多倍重新成像长度处。
对于宽50.0μm的中空波导、1.55μm的辐射束的情况，重新成像长度为1.613mm。对称场将在该长度以及该长度的整数倍处成像，即3.23mm，4.84mm等等。例如，来自单模光纤的TEM00高斯输入光束可在1.613mm距离处重新成像。
可替代地，对于非对称光场的情况，重新成像产生在8倍对称场重新成像所需要的长度处，即对于宽50μm的中空波导来讲是在12.09mm处。非对称场的反射镜图像在该长度一半处形成，即6.05mm处。特别地，多模区域中心线的输入的偏移提供了非对称输入，所述非对称输入在中心线每侧以相同的偏移沿着波导在预定距离上重新成像。
在波导深度和宽度基本不同的矩形波导的情况下，与两个波导横截面尺寸(例如深度和宽度)相关的重新成像长度本身是不同的。然而，通过布置矩形中空波导的所述尺寸之间比例使对于特定的宽度和深度在相同长度处产生重新成像，任何场都可被重新成像。这样，通过布置使与轴宽度w1和w2相关的重新成像长度相同，对称场可在中空矩形波导中重新成像。
对于从输入光纤4直接射入空心光波导的高斯光束来讲，图3中的距离“a”对应于重新成像长度(或多倍成像长度)。因此可以看出，由每一输入光纤4射入空心光波导的光束的图像被提供在MEMS阵列102的元件附近。图4更加详细的示出了装置100的区域120中的光强度场122。
图3和图4示出的装置的优势在于，为了使光在空心波导和相应光纤之间耦合不需要准直装置(例如透镜)。此外，将MEMS阵列102的每一元件放置在重新成像长度处进一步减小了MEMS部件的可接受角度对准公差。另外，重新成像效果的使用还减小了衍射损耗(光波导被阻挡)，以方便定位可移动反射元件。
参考图5和图6，示出了反射元件的角度未对准对空心波导各部分之间的耦合效率的影响。
图5示出了硅衬底52，在所述硅衬底52中形成了第一空心波导140和第二空心波导142。反射元件144位于所述波导中，并布置成把由所述第一空心波导140承载的光反射进入第二空心波导142。所述反射元件144具有特定的角度未对准(θ)，该角度未对准由设备的制造公差确定。
图6示出了从第一中空波导140至第二中空波导14的基模(EH11)的功率耦合效率，所述功率耦合效率是反射镜144角度未对准(θ)的函数。可以看出的是，同Wood等人所描述类型的矩阵开关对角度未对准的要求相比，对于空心光纤各部分之间的有效耦合可接受的角度未对准公差来讲是非常宽松的，特别地，参见图4和Wood等人的相应的描述，其中认为反射镜对准精确度大于0.05°是必须的。
尽管上面描述了4×4的MEMS阵列，但是可使用包括线性阵列(即，一维)在内的其它阵列。事实上，随着阵列的大小(因此输入和输出光纤之间的光路长度)增加，本发明的有益之处增加。因此使用上述类型的空心波导装置允许提供高阶光开关。还将可能的是，堆迭多个本发明的装置以形成三维矩阵阵列；光是在空心波导中或自由空间中从平行平面耦合的。可使用多种技术提供反射器，所述反射器伸出衬底平面大约45°角以便在所述衬底正交的方向引导光；例如，通过离轴-9°<100>硅的各向异性刻蚀可提供整块反射器，或者使混合反射器位于所述衬底中。
也可使用空心光波导提供形成在一个芯片上的多个元件之间的光互连或多个芯片之间的光互连。例如，图7示出了硅衬底200，所述硅衬底200包括多个限定空心光波导202的沟道。所述衬底200的空心波导202用于连接垂直腔面发射激光发射器(VCSEL)204的十二个光输出至InGaAs检测阵列206的十二个相应的检测元件。尽管基本上不可能，但是可以以所需尺寸形成空心光波导使由每个VCSEL产生的输入场的重新成像发生在所述检测元件处。
参考图8，示出了半导体衬底210，所述半导体衬底210包括空心光波导沟道211和多个弹出式MEMS反射镜212。这种装置提供了上面详细描述类型的矩阵开关。可使用所述矩阵开关将光从VCSEL阵列204的每个元件路由至第一检测阵列206或第二检测阵列208的检测元件。采用这样的方式，可以容易重新配置芯片的各个元件之间的光互连。
图9示出了图8的装置沿着线I-I的分解截面视图。可以看出的是，VCSEL阵列204和第一检测阵列206采用公知的制造技术集成形成在芯片218上。半导体衬底210同盖部分216结合在一起共同限定了衬底平面内的空心光波导211。在所述衬底210中提供角度反射镜214，并提供穿过所述盖216的中空波导部分220，以使光能够耦合至所述衬底上的元件或从所述衬底上的元件耦合进入矩阵开关平面。采用这样的方式，提供了一种可重新配置的芯片内光学连接。本领域技术人员应当理解的是，可使用这种类型的光耦合装置光学连接两个或多个芯片，或者提供形成于单个芯片上的各个元件之间的芯片内光学连接。

Claims (21)

1.一种包括半导体衬底的平面内光路由装置，所述半导体衬底具有至少一个光输入、多个光输出和微机电系统(MEMS)可移动反射元件阵列，所述可移动反射元件阵列可配置成把光选择性的从任一光输入路由至所述多个光输出中的两个或多个的任一个，其特征在于，从任一光输入选择性地路由至所述多个光输出中的两个或多个的任一个的光在空心波导中被引导。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述半导体衬底包括硅。
3.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述半导体衬底包括基于绝缘体上的硅(SOI)的晶片。
4.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述空心波导采用微制造技术形成在所述半导体衬底上。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述微制造技术包括深反应离子刻蚀。
6.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述半导体衬底包括底部分和盖部分，所述底部分和盖部分被布置成限定所述空心波导。
7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述MEMS可移动反射元件包括反射涂层。
8.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述空心波导的内表面包括反射涂层。
9.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中至少一个MEMS可移动反射元件为弹出式反射镜。
10.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中至少一个MEMS可移动反射元件由半导体衬底整体形成。
11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中至少一个MEMS可移动反射元件为附着在半导体衬底上的混合电路。
12.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中至少一个MEMS可移动反射元件可在全插入位置和全缩回位置之间移动，在所述全插入位置所述至少一个MEMS可移动反射元件伸出进入空心波导中。
13.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述MEMS可移动反射元件以规则阵列布置。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述阵列包括16个或更多MEMS可移动反射元件。
15.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述多个光输出包括至少一个直穿输出和至少一个交叉输出。
16.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述光输入和/或所述光输出的至少一个包括用于接受光纤的装置。
17.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述空心波导具有基本矩形的横截面。
18.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述空心波导以所需尺寸形成以支持基模传播。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的装置，其中述空心波导以所需尺寸形成以支持多模传播。
20.根据权利要求19所述的装置，其中相邻的可移动反射元件以所述空心波导的重新成像长度间隔开。
21.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述光输入和/或所述光输出的至少一个包括平面反射器元件的输出。
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