[发明专利]直梁屈曲静电式微机械光开关

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种静电式微机械光开关，可用于实现光通信中的光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路及对故障光纤线路进行旁路。

技术背景

直梁屈曲静电式微机械光开关，是由MEMS技术加工而成。基于微梁纵横弯曲理论，突破微机械光开关单向加载的传统观念，利用微梁在屈曲变形中的弹性能量释放和刚度变化而表现出的突跳特性，将弹性力转变为驱动力，实现微机械光开关驱动电压低、开关时间短、能耗小的目的。它具有结构简单、体积小、重量轻、易集成、抗干扰能力强、能耗低、无偏振、开关阵列可扩展等特点，因此在光通信网络设备等领域中，具有强烈需求。

2003年信息产业部电子第十三研究所在[静电式微机械全光开关，徐永青，杨拥军，赵彦军，梁春广，信息产业部电子第十三研究所，中华人民共和国国家知识产权局，ZL 专利号：02268460.3,2003年6月，G02B6/35，H04J 14/02-H04 B 10/12]中提出了一种静电式微机械全光开关，如图1所示，其中图1(a)为该微机械光开关的结构示意图，图1(b)为该微机械光开关A-A方向剖视结构示意图。定齿103各齿一端与定齿驱动电极102连接，动齿104各齿一端与折叠悬梁106连接，折叠悬梁106一端与动齿驱动电极105连接，定齿驱动电极102和动齿驱动电极105上各镀有一层金属109，三角平衡梁107与折叠悬梁106连接，中间梁108穿接在三角平衡梁107中后一端与折叠悬梁106连接，另一端与硅微镜110连接。N型单晶硅衬底101四周面的浓硼层114上的垂直槽112加工成相互垂直相交结构，光纤111置放在垂直槽112、V型槽113内，使光纤111成相互垂直相交结构，在垂直相交点光纤111内置放硅微镜110。利用浓硼层114上涂的光刻胶层115光刻出各部件模型。在定齿驱动电极102和动齿驱动电极105之间加载直流电压，此时分别与定齿驱动电极102和动齿驱动电极105相连接的定齿103、动齿104之间产生静电力，在静电力的作用下使折叠悬梁106发生弯曲，从而带动硅微镜110在平行于N型单晶硅衬底101的方向上运动，硅微镜110起到一个光挡板作用，当硅微镜110被拉开时，光纤光直射通过，对应的光开关为开状态，硅微镜110复位时，光纤光被反射，对应的光开关为关状态，从而实现光的开关作用。

这种光开关存在以下问题：

1)采用单向加载驱动微梁，需要的驱动电压过高，能耗过大。

2)结构相对复杂，不易控制。

2008年中国科学院长春光学精密仪器机械与物理研究所在[柔性悬臂微机械光开关,梁静秋,李伟,梁中翥,马文生,孙德贵,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，中华人民共和国国家知识产权局，专利申请号:200710056340.6,2008年4月，G02B26/08,H01F 5/00-H01F 41/04]中提出了一种柔性悬臂微机械光开关，如图2所示，其中图2(a)为该微机械光开关在自然状态下的结构示意图，图2(b)为该微机械光开关的分解图，图2(c)为该微机械光开关的光束折转状态图，图2(d)为该微机械光开关的光束直通状态图。开关固定端202与悬臂203为同种材料，二者连为一体，位于基片201上表面。开关固定端202的下表面与基片201上表面相接触并粘合，线圈204位于悬臂203的上表面、线圈第一引线205和线圈第二引线210位于悬臂203、开关固定端202的上表面，并与之粘合，第一个引线压点206、第二个引线压点211位于开关固定端202上表面，与之接触并粘合。永磁体207位于线圈204的正下方，基片201下表面的凹坑中，并与基片201接触固定。棱柱形微反射镜208固定于线圈204的上方。光开关在自然状态时，悬臂203下表面与基片201上表面接触。当线圈204加某一方向电流时，电磁引力将悬臂203保持在图2(c)的位置，即自然状态，入射光束R经过棱柱形微反射镜208的一面反射后到达光学元件209,而从光学元件209返回的光束经棱柱形微反射镜208的另一面反射后出射,为反射光束F,此时光开关处于断开状态；当线圈204加相反方向电流时，电磁斥力将悬臂203远离开关固定端202的一端推离基底201，悬臂203向上翘起，带动棱柱形微反射镜208离开基片201上表面一段距离，呈图2(d)状态，此时入射光束R直接通过,不发生偏转,即不经过光学元件209,未产生反射光束F，此时光开关处于导通状态。虽然这种结构可以满足光路的两次折转要求，但它本身又存在如下问题：