光束控制的光学切换设备的制作方法

专利名称：光束控制的光学切换设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光束控制的光学切换设备，更具体地说，本发明涉及一种具有机械致动(例如，具有压电或其它适合的固态材料)的自由空间光学交接切换设备，或具有这种类型的致动的任何微光学定位或光束控制装置。
背景技术：
全光学自由空间交接开关通常包括用于发射准直光束的光发射器的结构和光接收器的其它结构。可通过改变准直光束的方向以使其照射在选定接收器上而使得所述光发射器选择性地与所述接收器相连接。
用于改变以固定方向发射的准直光束的方向或用于控制的准直光束的方向的全光学自由空间交接开关已经被提出。用于改变准直光束方向的开关通常依赖可通过施加静电力而倾斜的微镜的布置。相反，用于控制光束方向的开关具有响应于所施加的致动信号而转动或倾斜的光发射器，或者所述开关相对于准直透镜的光轴改变光发射器(诸如光纤尖端)的位置，从而改变光束的角度。两种类型的光学开关最好使用微机电系统(MEMS)技术，具有由机械、电磁、压电、光敏陶瓷或聚合物、热、化学活性聚合物、电致伸缩的、形状记忆合金或陶瓷、液压和/或磁致伸缩的致动器和本领域已知的其它类型的致动器所提供的致动。
微镜装置通常是用硅(Si)晶片蚀刻而成的，具有形成为铰接反射涂布薄片形式的镜元件，所述镜元件具有不良限定的静止位置并且当被致动时易于弯曲，导致改变方向的光束的不精确准直。所述镜装置基本是无阻尼的，这限制了它们的响应时间。
近年来，已经提出了光束指向受控的包含压电致动器的光发射器。压电致动器最好提供快速响应、产生大作用力、具有用于快速切换的高特征频率，以及具有明确限定的静止位置。另外，它们是低成本的并且具有低的振动敏感性。通过为电极提供电荷而可控制压电致动器的移动。例如，美国专利US 4,512,036描述了沿与光纤的纵轴垂直的两个方向弯曲光纤的自由端，其中光纤尖端相对于固定透镜移动。其它装置提出了利用压电致动器使得在固定光纤前面的透镜在与光纤的纵轴垂直的平面中移动。然而，实际的压电致动器趋于具有有限的移动范围，这限制了光束可达到的倾斜角。
已经提出了放大由压电致动器所产生的位移或行程以增加光束倾斜角的方案。例如，美国专利US 4,303,302描述了一种简单杆臂，杆臂具有与臂相连接的光纤，所述杆臂在其固定端上被支撑并且与杆臂固定端附近的压电双晶弯曲元件机械连接。从而具有光纤端部的杆臂的自由端可在一个平面中移动并与位于弧上的不同光纤对准。在PCT/GB01/00062中提出了用于增加用万向架安装的光纤夹持器的倾斜角的另一种杆机构，所述光纤夹持器具有用以发射准直光束的光纤/透镜组件。然而，这样一种杆机构增加了由压电换能器移动的质量因此不利地降低了光学组件的特征频率。降低特征频率会降低交接开关可达到的切换速度并增加对振动的敏感性。
前述具有杆的压电致动机构不太可能得益于便宜的并且可再现的批量生产工艺(诸如MEMS技术)。对于MEMS，使用来源于IC制造工艺的显微机械加工技术可将机械元件、传感器、致动器以及电子器件可被集成在公共的衬底上。使用计算机自动设计工具(诸如AutoCAD等)可设计和优化可靠的高性能产品。
MEMS装置的尺寸可在几微米到毫米的范围内，并且可由在半导体工业中的标准平版印刷和蚀刻工艺精确地控制。这种微型化对于准确的致动以及光学感测和定位来说是尤为有吸引力的。特别是，微型化减小尺寸并增加了全光学开关的端口密度，并且可扩展到光学网络中的其它可调谐和/或可编程的光学部件。
因此，期望提供用于全光学交接开关中的光束控制和定位的压电致动动作变换器，所述变换器具有用于高端口计算和快速切换速度的足够大的光束偏转角，并且可通过传统的MEMS制造工艺以可再现地并且便宜的方式批量生产。
发明概述本发明描述了显微机械加工的动作变换器以及它们的集成和/或装配，所述变换器用于小型光学元件的定位从而产生各种可调谐的光学部件。动作变换器连同不同类型的小尺寸致动器(特别是压电致动器)可被紧密地装到可移动光学元件的紧密阵列中，可移动光学元件的紧密阵列又可被独立使用或一起使用以执行更高级的光学功能，诸如用于电信网络的大端口计算全光学开关。
依照本发明的一个方面，提供了一种光学定位装置，所述光学定位装置包括用于产生机械运动的致动器；可移动的光学部件；以及具有用于连接致动器的第一连接、用于连接光学部件的第二连接、以及用于连接支撑壳体的第三连接的整体组件。所述整体组件响应于致动器的移动相对于支撑壳体向光学元件传递移动。
依照本发明的另一个方面，提供了一种具有光学定位装置的光学开关，其中所述光学定位装置包括用于产生机械运动的致动器、可移动的光学部件、以及整体组件。所述整体组件具有用于连接致动器的第一连接、连接光学部件的第二连接、以及连接支撑壳体的第三连接。所述整体组件响应于致动器的移动相对于支撑壳体向光学元件传递移动。
依照本发明的另一个方面，提供了一种使用用于移动光学部件的致动器的光学定位装置，其中所述光学定位装置包括具有用于连接致动器的第一连接、连接光学部件的第二连接、以及连接支撑壳体的第三连接的整体组件。所述整体组件响应于致动器的移动相对于支撑壳体向光学元件传递移动。
依照本发明的另一个方面，提供了一种用在使用用于移动光学部件的致动器的光学定位装置中的整体组件，其中所述整体组件包括用于连接致动器的第一连接、连接光学部件的第二连接、以及连接支撑壳体的第三连接。所述整体组件响应于致动器的移动相对于支撑壳体向光学元件传递移动。
本发明的实施例可包括下列一个或多个特征。所述光学部件可包括从包括光纤、透镜、镜、准直器、棱镜、过滤器以及光栅的组中选择出来的一种部件。所述光学元件的移动可导致光束的形成和/或转向。
所述整体组件可包括顺从联结器，所述顺从联结器被布置在从包括致动器、光学部件以及支撑壳体的组中选择出来的部件的任意组合之间。所述顺从联结器可包括弯曲部分、扭曲部分、环状弯曲部分、膜片、杆臂、刚性连杆、和/或万向节。致动器可为压电致动器、电致伸缩致动器、磁致伸缩致动器、静电致动器、热力致动器、电磁致动器、和/或电活化聚合物。所述整体组件可由一层或多层构成，诸如衬底。所述整体组件可包括至少一个微制造元件和/或多个杆臂。
所述光学定位装置还可包括用于放大致动器所产生的机械运动的行程放大器。
这里插入对于可变形光纤和平面型波导件的描述。
从以下对于优选实施例的描述中以及从权利要求中可明显地看出本发明的其它特征和优点。
附图的简要说明以下的附图示出了本发明的某些示例性实施例，其中相似的附图标记表示相似的元件。所示出的这些实施例应被理解为本发明的示例而不应被理解为以任何方式限定本发明。


图1是全光学开关结构的示意性透视图；图2示出了为了使得光束倾斜而处于转动状态下的光纤/透镜组件；图3示出了通过使得透镜相对于固定光纤移动而实现光束倾斜的光纤/透镜组件；图4示出了通过使得光纤相对于固定透镜移动而实现光束倾斜的光纤/透镜组件；图5示出了通过使得光纤相对于固定透镜转动而实现光束倾斜的光纤/透镜组件；图6示意性地示出了使用图5光纤/透镜组件的动作变换器的一个实施例；图7A是处于静止位置中的用于图6的动作变换器的示例性整体杆臂的第一实施例的透视图；图7B是处于致动位置的图7A杆臂的透视图；图7C是处于静止位置中的用于图6的动作变换器的示例性整体杆臂的第二实施例的透视图；图7D是处于致动位置的图7C杆臂的透视图；图7E是处于静止位置中的用于图6的动作变换器的示例性整体杆臂的第三实施例的透视图；图7F是处于致动位置的图7E杆臂的透视图；图7G是用于动作变换器的示例性整体杆臂的第三实施例的透视图；图7H是图7C的杆臂的底视图8以截面图的方式示意性地示出了使用双膜片弯曲部分和图5中所示的光纤/透镜组件的动作变换器的另一个实施例；图9是沿图8的线IX-IX所得到的动作变换器的截面底视图；图10示出了处于致动状态的图8的动作变换器；图11示出了用于制造图8到图10中所示的动作变换器的粘接的双膜片弯曲部分的工艺；图11A-F示出了用于制造包含整体杆臂的动作变换器的层的工艺；图12示出了用于图7到图10的实施例的示例性压电致动器结构；图13A是用于形成图1中所示的光学开关结构的示例性部件的顶视图和沿线A-A所得到的截面图；图13B是单独的整体单元的透视图(a)和截面图(b)，所述整体单元与其它整体单元可形成图13A中所示的光学开关结构；图13C以截面图的方式示意性地示出了接合层、放大器层以及图13A的组件的透镜支座的层叠组件；图13D是图1的开关结构的分解图，示出了各种元件和部件；图13E示出了具有粘接和接线板以及用于光纤连接的毛细管的图13A的部件的截面图；图13F示出了密封的组件；图14示出了用以校正光发射器和光接收器的轴向偏移的光学元件；图15示意性地示出了用于切换设备的初始校准的装置；图16示意性地示出了用于使用光纤分接联结器的主动校准和控制反馈的装置；图17示意性地示出了用于主动光束对准的发射器/接收器的方向调制；图18示意性地示出了用于光功率控制和光束对准的处于两个不同波长的光功率轮廓；图19A示出了直接作用在可移动MEMS套环组件上的压电致动器以对于可能的路径长度改变、光学相位延迟以及可调谐的滤光器应用而改变光纤延伸率；图19B示出了用于通过包括微制造的活塞和液压移动放大的MEMS动作变换元件使得光纤变形(延长)的压电致动器；
图20A示出了形成于衬底上的平面型波导件中并具有液压移动放大的Mach-Zehnder干涉仪；以及图20B示出了形成于衬底上的平面型波导件中并具有通过机械动作变换部件作用在波导件上的压电致动的Mach-Zehnder干涉仪。
实现本发明的最佳模式文中所描述的系统和方法涉及动作变换器以及其集成和/或装配，动作变换器用在定向光束和小型光学元件的定位方面以形成各种可调谐的光学部件。特别是，所述系统和方法可用于具有电活化致动和基于可变形波导的可调谐部件(诸如开关、可变衰减器以及偏振和色散控制器)的自由空间光学交接切换设备。
词语“动作变换器”将用于指示在程度和/或方向上的移动的放大或转变。
文中所使用的词语“电活化”是指对于施加的电信号显示机械响应的材料范围。特别是，压电和电致伸缩的材料都是电活化的，并且在存在外加电场或电压时可改变它们的尺寸(应变)或施加作用力(应力)。此后可使用词语“压电”来取代“电活化”，其中应该理解的是，所述术语不是限制性的，而是应将其理解为当前应用中可使用的电活化材料的范围和几何形状的示例。
电活化材料的使用能够使致动器施加高作用力，快速对与外加场作出反应并且需要低功耗。使用机械放大结构可将高作用力转变成大偏转或通过合适的机构将其从线性转化成转动或其它类型的移动。合适的机构可包括杆、连杆机构、弯曲部分、顺从机构等。与连杆机构相比较，包含弯曲部分的顺从机构提供了较少的机械损失和反冲。高速是晶格对于外加场的迅速压电响应的结果。低功耗是大电容装置的结果，要求电流流动以启动移动，但不保持位置。使用这些材料的致动器可具有高刚度，因此被用在具有高共振频率的结构中，使它们基本上不会受到环境振动的影响。这又使这些致动器更能够在开环操作中保持它们的位置稳定性。
首先参照图1，全光学开关组件10将来自于位于第一图像平面11a上的光发射器12、14的光束15、17引向位于第二图像平面11b上的接收器16、18。所示的例证性的图像平面11a、11b都具有相对于中心轴线CL对称地布置的9-元件开关矩阵以有助于光束寻址和控制。发射器12、14和接收器16、18可被布置在任一个图像平面11a、11b上并且可使其混和。因此所示出的结构仅仅是例证性的而不是以任何方式对其限定。例如，主动和/或被动的发射器和/或接收器的任意组合可被组合以构成1×N、N×1、或N×N、或M×N开关组件。对于不闭塞的N×N和M×N仪器来说，传输和接收元件都应为主动的。在实际应用中，光纤可与位于相应图像平面11a、11b中的发射器/接收器位置中的相应光束控制装置相连接。例如从在图像平面11a中的发射器14中发射的光束可由光束控制装置被引向图像平面11b中的任意端口。利用从在一个图像平面(例如图像平面11a)中的任意发射器中发射到相对图像平面11b上的中心位置处的接收器18上的光束(如光束路径17所示的)的被动可使对准光束控制装置的致动行程被减小。利用这种方式，与第一图像平面11a上的发射器位置无关，每个发射器12、14都将大致需要相同的光束偏转角以便于到达在相对图像平面上的所有接收器16、18。所示的例证性的端口与光纤相连，尽管也可使用本领域中已知的其它光发射和接收装置。下面将详细描述用于主动地控制光束15、17的适合的方法。为了清楚起见，图中已省略了致动机构。
现在参照图2到图5，通过不同的方法可使用光纤/透镜组件20、30、40、50调节例如由位于准直器(透镜)24的焦平面中的光纤22的端部25所发射的并由准直器24相对于固定轴A所校准的光束的轨线26。如图2中所示，光纤22可被固定于准直器24，并且如箭头21所示，光纤22和透镜24可一起相对于枢轴点23倾斜。光束倾斜角等于光纤/透镜组件20的倾斜角。光纤尖端可以一定角度裂开和/或被抗反射涂覆和/或被透镜化以减小背反射和/或提高光学性能。或者，如图3中所示，可使得透镜24相对于光纤22自由端上的固定的光纤尖端25沿基本垂直于固定轴A的方向移动距离y。本实施例中的光束角Θ等于-y/f，其中f为透镜的焦距。前两种方案涉及移动较重的元件，这易于减小特征响应/切换频率。本领域技术人员应该理解的是，也可使得其它光学元件(诸如棱镜和光栅)相对于光学发射器/接收器位移以便于进行光束控制。
与之相反，如图4中所示，可使得光纤尖端25相对于固定透镜24移动距离y，也给出了Θ＝-y/f。根据准直透镜的焦距和所期望的偏转角，光纤平移需要较大的光纤移动距离。尽管可通过使用具有较短焦距的透镜以提供较大的“光学杠杆率”而增加光束倾斜角Θ，但是用于有效地将准直光束映射在接收器16、18上所需的光束质量(波前失真)设定了实际焦距的下限。
图5中所示的另一种可选择的光束控制/倾斜机构50使用固定器或夹持器52夹持光纤22，所述光纤22可围绕“有效的”枢轴点53枢转。词语“有效的”枢轴点是指的是，该枢轴点可根据固定器52的倾斜位置相对于固定支撑移动。致动器(未示出)可在离有效枢轴点53的距离Δ处的连接点56处与固定器52相连。光纤用作杆臂以将角运动转化成光纤尖端在弧形路径上相对于枢轴点的放大运动。对于小转动角来说，弧形路径可被示为伪线性的，与可由非球面透镜设计校正的真实线性路径之间具有小的偏差。连接点从静止位置处的横向位移ε将使得光纤尖端25移动y。如上所述的，y值的大小又将确定光束角Θ。后两种方案最好只涉及移动较轻的光纤。
参照图5，光束倾斜角Θ与光纤尖端25从其静止位置处的横向位移y之间的关系为Θmax＝-y/f，其中f为透镜的焦距。y与连接点56处的横向偏移ε之间的关系由以下等式表示y＝L/Δ×ε，其中，L是光纤尖端25与光纤固定器的枢轴点53之间的距离，Δ是光纤固定器上的连接点56与枢轴点53之间的距离，而ε是光纤固定器在连接点56处的横向位移。
因此，Θ＝(-Lfiber/f)×(ε/Δ)也就是说，可通过以下方式增大光束角Θ增加光纤自由端的长度(Lfiber)(由于光纤固有的挠性，这在超过了一定光纤长度的情况下是不切实际的)；增加压电致动器的可达到的致动器移动(“行程”)或将被动杆臂连接到致动器(这具有上述的某些缺点)；和/或减小连接点56与枢轴点53之间的距离Δ。
对于新型MEMS制造技术，Δ可被减小到几十个微米或更小的长度。典型的压电致动器可产生ε＝10μm的行程，因此在Δ-60μm的情况下可获得Θ-3°的倾斜角。使用MEMS技术可容易地制造具有所述连接点与枢轴点间隔的倾斜组件。现将描述两种不同设计的动作变换器。
图6示意性地示出了将压电致动器65、66的线性(左右方向)运动转变为光纤尖端25的(上/下)运动的动作变换器60，所述光纤尖端25位于与壳体或支撑结构61相连的准直透镜24的焦平面中。压电致动器65、66被壳体61支撑在固定端上，其中压电致动器65、66的自由端在连接点67、68处推压相应的杆63、64。所述杆具有弯曲部分并且一端与支撑结构61相连接而另一个自由端与用以夹持光纤22的固定器/夹持器62相连。如上面参照图5所述的，透镜后面的光纤尖端的上下运动改变准直光束的轨线和光束角Θ。
现在参照图7A到7F，动作变换器放大机构的杆臂的设计确定了机械功能、运动的范围、放大系数以及所需作用力。在图7A中的例证性实施例中，杆机构70A包括围绕中心光纤/透镜光轴71以120°隔开的三个杆臂73、74、75。三个压电致动器(未示出)在连接点76处与杆臂73、74、75相连接，所述连接点76靠近杆臂与支撑结构78(例如，Si层)相连的杆臂的枢轴点(或拐点)771。杆机构放大压电致动器的线性移动并将所放大的线性移动转变成光纤的倾斜移动。因此，例如在连接点76处由压电致动器杆臂73施加的任何小偏转都以杆臂的长度与该连接点和与支撑结构78相连的连接点之间的距离之间的比率被放大。这种类型的杆机构也可被看作是行程放大器。三个臂73、74、75在其自由端处可通过共用中心结构(例如，用以夹持光纤的光纤夹持器72)被连接。
通常，压电堆叠组件在承受拉力方面明显比承受压缩方面弱。为了使该装置的操作范围最大化，在装配过程中将预加载荷施加到光纤上。预加载荷在压电致动器中产生压缩载荷，从而增加了该装置的操作范围。
在图7A中所示的例证性实施例中，三个杆臂73、74、75中的每个都具有三个独立的弯曲元件771、772和773。三个弯曲部分中的两个771、772严格地用作允许每个杆臂放大压电致动器的平移运动的杆枢转弯曲点。每个杆臂上的第三个弯曲部分773的取向垂直于其它两个弯曲部分。该第三个弯曲部分773允许沿垂直于其它两个弯曲部分的方向弯曲。由于这三个杆臂73、74、75可通过中心光纤/透镜结构被连接并且所述杆臂可被独立地致动，每个杆臂都经受联接运动并从另一个杆臂处弯曲。第三个弯曲部分773为该运动提供顺从性，这产生了一定角度的倾斜。致动每个杆独立地控制中心光纤/透镜结构平面的三点的位置。控制光纤/透镜结构平面的三点提供了定位光纤/透镜的能力，因此光束以在机械限位约束范围内的任何期望角度形成于层结构中。杆的致动使得光纤和/或透镜一致地沿光轴(z-轴)移动并且可用于改变光束的准直以及用于对光纤施压，下面将对其进行描述。
图7B示出了例如通过推压连接点76’而处于致动状态中的图7A的机构。通过杆臂73、74、75之间的偏移差异确定光纤倾斜71’。
可用市场上可买到的硅片制造例证性杆臂结构70A。每个杆臂的长度都在1mm和2mm之间。例证性杆臂结构70的其它典型尺寸如下所示的硅片厚度＝625μm沟道宽度＝70μm沟道深度＝545μm弯曲臂宽度＝30μm推压点宽度＝70μm光纤孔径＝140-190μm对于例证性设计中所示的致动器推压点的这些尺寸和位置，在光纤连接结构的中心处可容易地实现大约5倍(5×)的平移运动放大。如上所述，通过差动地激励致动器可产生倾斜操作。
在图11A和11B中示出了一种用于制造例证性杆臂结构70A的工艺。下面将参照图13A和13B描述装配的细节，其中层134包括这里所述的杆臂结构。层134(见图13A)是通过晶片两侧上的一系列深层反应离子蚀刻(DRIE)形成的以形成沟道。掩模的前后对准的精心控制对于弯曲部分的形成是不可缺少的。侧壁平直度和沟道底部处的圆角控制对于达到所需的结构强度也是重要的。图11A和11B示出了制造工艺流程的详细步骤(步骤A到K)。该工艺中使用的掩模布置是常规的并且没有被示出。在步骤A中，表面氧化物在晶片的顶面(T)上生长并形成限定通孔的图案。在步骤B中，光致抗蚀剂(PR)自旋并且限定出不贯穿晶片的孔的设计。在步骤C中，使用缓冲氧化物蚀刻(BOE)通过氧化物层蚀刻开口，之后在步骤D中，通过425μm(加上附加深度以计算依赖纵横比的蚀刻(ARDE))的DRIE蚀刻产生几乎整个沟道深度。在步骤E中，剥离PR掩模并且蚀刻100μm的附加深度以完成晶片的顶面。
在步骤F中(图11B)，利用氧化物晶片在底面(B)上选择性地形成图案。B面还包括具有部件132(图13A)和致动器推压点76(图7)的粘接区。在步骤G中，利用PR在B面上形成用于通孔和非通孔沟道的图案。如前面所述的，在步骤H中，执行深度为515μm的DRIE蚀刻(加上附加深度以计算ARDE)，之后在步骤I中，剥离PR以露出步骤A的嵌套蚀刻以在B面上形成凹入的特征。在步骤J中，DRIE蚀刻附加的10μm以形成不同于其它凹入表面的推压点接触区域和粘接区域。在该工艺步骤，用于使杆与晶片其余部分分离的所有区域已被去除。在步骤K中，所有的掩模残余物和其它保护层都被剥离，只留下杆臂层134的硅结构。
图7C示出了另一个杆臂机构70B，其中弯曲部分773已被薄臂778取代，所述薄臂778吸收由其它杆臂所产生的扭力。然后，如图7D中所示，当杆臂在连接点76’处被致动时臂可扭曲。如图7H中所示，在一个优选实施例中，图7C中的推压点76包括两个沿垂直于臂778的纵向的方向隔开的推压点76a、76b。图7H示出了用于图7C中所示的杆臂机构70B的层134(图13A)的底视图，其中可清楚看到两个推压点76a、76b。具有两个推压点能够为致动器附近的设计增加刚度，其中凸台1376(见图13A和13C中的层1325)将来自于致动器1320的致动力传输到推压点76a、76b。凸台层是配合界面的一部分，下面将参照图13A对其，特别是对部件134进行详细描述。
图7E示出了杆臂机构的另一个实施例70B，其中弯曲部分780、782和784是通过在整个晶片厚度蚀刻而不是蚀刻到必须精心监控的某一沟道深度而形成的，这简化了生产工艺。与上面参照图7A到7D所描述的实施例中类似，致动器的连接点76位于固定支撑78附近。如在图7F中所示的，当杆臂在连接点76’处被致动时光纤和/或光束方向倾斜。
致动机构的其它设计可具有至少一个臂、两个臂、也可能具有四个或更多个臂。通常，诸如上述的三臂实施例的对称性设计是优选的，这是因为它们不受臂与壳体之间的热膨胀不匹配的影响以及因为它们由于用于差动致动的能力而能够提供高的有角度的输出。通过不同的联接设计可实现不同的运动模式(平移、下降等)。
杆臂通常为625μm厚(批量微加工的直径为150-mm的硅晶片的厚度)，其中臂的长度为1到2毫米。当一些致动器被激励而其它的致动器未被激励时，实现倾斜操作。对于所示的尺寸，对于在连接点76处独立致动的任意一个压电致动器的5μm平移运动，在该结构中可获得大约±3°的角度摆动。角运动的有效枢轴点位于包含杆臂的结构层的厚度之内。在该性能中的限制性因素是在弯曲部分内的峰值应力，所述峰值应力限制了在损坏之前它们可适应的最大弯曲。应该注意的是，三个致动器可一致地(共同地)被延伸和/或收缩以使得非翻转而是下降的垂直于装置平面的z轴运动实现中心光纤接触点的放大延伸或定位，从而实现例如光纤尖端进入或离开取向平行于装置平面的透镜的焦平面中的运动。该运动可导致来自于装置的出射线束的焦点和准直程度的改变。
为了使得放大和倾斜运动最大化，弯曲部分应该在致动力的方向上具有高的刚度，同时使得固定器自由地倾斜。这可通过图7A的三铰接铰链机构的弯曲部分773或通过图7C和7E的薄的垂直弯曲部分778、782来实现。该机构也可被理解为能够使固定器以自由角运动(诸如倾斜一定的立体角)的顺从致动机构或万向节。通常，使弯曲元件的截面较长和较薄将提供更大顺从性并减少弯曲部分所经受的应力。然而，在实际开关应用中，这将增加开关结构中的每个端口的总径向尺寸，从而将不利地增加端口与所需的光束控制角度之间的中心到中心的间隔。
图7G示出了另一种可选择的运动放大机构，其中杆臂环绕弯曲达到中心结构的相对侧面。如前面所述的，每个臂都具有三个弯曲部分。弯曲部分允许臂的运动以使中心结构可翻转和倾斜。在该设计中，对于给定的倾斜角度，靠近中心结构的弯曲部分经受较小的弯曲，因此允许动作变换器增加大约2倍的范围。
与图7A到7G中所示的对于每个光纤端口使用几个线性压电致动器的实施例不同，也可使用一个沿其纵向(z)轴弯曲的单一弯曲类型的压电致动器来实现放大倾斜运动。下面将参照图8到图10描述使用双膜片弯曲部分的一个实施例的详细设计。
图8是具有被支撑在壳体的底部支撑81上或具有侧壁83的支撑结构上的压电弯曲致动器85的动作变换器机构80的截面图。下面将更详细地描述压电致动器85的各种设计和电极布置。在由电荷和/或电压致动的情况下，压电致动器85的自由端沿箭头86的方向侧向移动。双膜片弯曲部分810被侧壁83横向地支撑。双膜片弯曲部分810是由沿它们圆周816的至少一部分和在中心817处粘接在一起的两个独立层812和814制成的。本领域技术人员应该理解的是，其它各种光学元件(诸如透镜、镜和/或光栅)都可与动作变换器相连。应该理解的是，膜片不一定是连续的，而是可包括狭缝和其它类型的径向和/或环形开口，只要膜片提供足以传输横向作用力的刚度即可。
在所示的实施例中，双膜片弯曲部分810由硅或在绝缘体上的硅(SOI)晶片制成，但是也可使用其它材料(诸如金属)。薄的环形膜片820、822被布置在每个层812、814的平面中的粘接部分816和817之间。所述膜片可为连续的或分段的。上膜片822的径向向内部分与光纤固定器82相连接，而上膜片822的径向向外部分被牢固地固定于壁83。下膜片820的径向向内部分与光纤固定器82相连接，而下膜片820的径向向外部分与环824相连接，所述环824被布置在环824和层812的部分826之间的弯曲部分818弹性地支撑以便于沿箭头86的方向移动，所述层812的部分826被牢固地固定于壁83。附加的可选择的环形结构830可被布置在压电致动器85的自由端与弹性支撑环824之间以便于当将压电致动器85的自由端与环824相连接时适应制造公差。也可将顺从性的上膜片看作是固定器82的万向架。
图9是从双膜片挠性动作变换器的底部81所看到的沿图8的线IX-IX所截的截面图。在所示的例证性实施例中，三个弯曲部分818被布置和连接在环圈824与层812的固定部分826之间以使得环圈824在压电致动器85的自由端的所有致动方向上基本均匀地横向位移。该装置的最终功能不需要这些弯曲部分818。它们被设计为顺从性的以便于保持环的位置直到它被粘接于致动器并且在操作期间不会降低该装置的性能。
图10示出了处于致动状态下的动作变换器机构80，其中压电致动器85的自由端沿箭头96的方向横向位移距离ε。通过压缩弯曲部分918a使该位移ε将环圈824推向壁83的左部以及通过扩展弯曲部分918b使该位移ε将环圈824推离壁83的右部。因此，作用力被施加于下膜片820的连接点94，该作用力朝向被压缩的弯曲部分918a拉动连接点94，因此使光纤固定器82围绕固定器82的基本固定的枢轴点93枢转。如参照图5所述的，光纤固定器82的该枢转移动使得由光纤尖端(未示出)发射的光束轨线改变角Θ。可通过MEMS技术非常精确地制造膜片，其中可容易地获得连接点94与枢轴点93之间的例如为50-100μm的间隔。因此，压电致动器85的大约5μm的小位移ε可使Θ发生较大改变。
图11示出了双膜片810的MEMS制造步骤。可使用精确设计的市场上可买到的SOI(绝缘体上硅结构)晶片进行层(特别为薄膜820、822)的厚度的精确控制。SOI晶片通常由薄SiO2-Si层结构被晶片粘合于其上的处理晶片构成，其中SiO2层面对处理晶片。Si和SiO2层的厚度可被良好地控制，其范围从极薄(10nm)到数十微米那么厚，具有好于±5％的厚度均匀性。在本实施例中，处理晶片提供结构支撑，而膜片主要由薄Si层构成。
现在参照图11，具体参照工艺步骤A，顶部MEMS层814由装置表面1104上具有60μm厚的Si层的SOI晶片制成。Si层1104通过中间SiO2层1102被处理层1101支撑。具有厚度约为10μm的剩余层的阶梯式凹槽1105被蚀刻于装置表面1104上。该剩余层稍后将构成膜822。中心部分1103通过Si装置层1104和中间SiO2层1102被部分地蚀刻到处理层1101中。
在独立工艺步骤B中，蚀刻底部MEMS层812。从具有与上述顶部晶片相同尺寸的SOI晶片处开始，具有厚度约为10μm的剩余层的凹槽1115被蚀刻在装置表面1104’上。该剩余层稍后将构成膜820。中心部分1113和环形部分1117通过Si装置层1104’和中间SiO2层1102’被部分地蚀刻到处理层1101’中。
在工艺步骤C中，例如通过熔接或晶片粘合将底层812粘接于顶层814。在工艺步骤D中，例如由Ti/Pt/Au或Ti/Ni/Au制成的金属化层1132、1132’、1134和1134’被沉积和形成在粘接膜层的相应处理表面1101、1101’上。提供金属化层1132以随后将所形成的双膜片结构810连接于固定器或壳体，而提供金属化层1132’以连接穿过夹持器817的中心开口延伸的光纤。金属化层1134’直接或通过中间层与压电致动器(未示出)相连接。在工艺步骤E中，在粘接膜片层的顶部处理层1101和底部处理层1101’上执行DRIE蚀刻以便于蚀刻通过夹持器817并蚀刻到嵌入的SiO2层，从而形成两个膜片820和822，以及竖直弯曲部分。为了在DRIE蚀刻之后解除处理面的角部处的应力，使装置上的阶梯式凹槽1105和1115的宽度比处理表面上的与凹槽1105和1115相对的DRIE蚀刻凹槽的宽度窄至少几μm。
图12示出了能够提供用于上述例证性动作变换器的移动的压电致动器的不同实施例。图12(a)示出了具有顺序布置的互相交叉电极1212、1214的压电叠层1210，在外部电压施加于互相交叉电极1212、1214后，所述压电叠层1210沿箭头方向扩展/收缩。图12(b)示出了具有内部电极1222和外部电极1224的压电管1220，在外部电压施加于电极1222、1224后，所述压电管1220也沿箭头方向扩展/收缩。图12(c)示出了具有内部电极1232和沿其纵向轴布置于管1230外表面的分段电极1234、1236、1238的管1230。当在内部电极1232与电极1234、1236、1238之间施加不同的电压后，该管可沿箭头方向弯曲。图12(d)示出了压电弯曲装置1240的一个可选择的实施例，所述压电弯曲装置1240具有布置于支撑结构1248上的可独立寻址的压电弯曲元件1242、1244、...。该压电管也可由涂有压电材料的材料(诸如金属管)制成。
工程应用中所使用的典型压电结构是PZT-类型(锆钛酸铅)。在这种类型的压电结构中，存在许多具有不同性能和机械特性的变体。其变化由源粉末中的化学掺杂剂的量所确定。PZT材料的典型特征在于，大致动应变、线性响应、以及良好的温度稳定性，而且还具有高蠕变和磁滞并且在操作之前需要被极化。这是可被选择用于致动器试验的第一种并且是最通用类型的压电致动器。
典型的电致伸缩的结构是PMN(铌镁酸铅)类型。这些结构不需要被极化，具有在装置集成和操作方面有主动意义的特征(允许更高的处理和操作温度)。PMN材料通常具有以下特征良好的致动应变、极低的磁滞和蠕变，然而表现出高度的线性响应和高的温度敏感性。
可通过形成其它钙钛矿型结构材料与PZT和PMN成分的混合物或固溶体而进一步特别设定电子机械致动器特性。例如，一般的分子式(A1A2)(B1B2)O3可用于表示简单化合物，诸如(Na1/2Bi1/2)O3或者(K1/2Bi1/2)O3，混合的B部位化合物，诸如(Zn1/3Nb2/3)O3或者(Sc1/2Ta1/2)O3或者缺陷化合物，诸如(La2/3□1/3)TiO3，其中□是空位。根据其致动性能、可靠性、环境稳定性和处理兼容性选择最佳成分。
图12(c)和(d)中所示的这种类型的管状致动器特别适用于图8-10的实施例。利用双膜片动作变换器810将侧向移动转移到光纤夹持器82。
尽管上面已经参照一个单元对动作变换器和光束偏转机构进行了描述，但这样的装置通常可被集成以形成多端口开关结构，下面将对其进行描述。
图13A示出了沿着一个示例性开关结构130的线A-A得到的顶视图和截面图，示例性开关结构130具有如在顶视图中所示的并且如上面参照图1所述的可布置成二维阵列形式的多个发射器/接收器。开关结构130可由分层子组件组装而成，诸如致动器子组件132、动作变换器子组件134和透镜/准直器子组件136、24。该装置的每一个部分最好可被单独测试并且在最终配合之前验证其性能，从而提高工艺总产率。
致动器子组件132包括具有电导线1305、压电致动器1320和分隔(壳体)层1330的基底或者衬底层1310。基底层1310可包括压电致动器的密封表面、用于光纤22的孔和用于连接致动器或者其它电子部件的电导线1305的孔。该层应该是刚性的以为致动器提供支撑并且例如可由绝缘体上的硅(SOI)晶片或者多层陶瓷制成。或者，可使用通常用于电子芯片技术中的多芯片模块衬底。也可包括晶片级电子部件，诸如开关和晶体管，以电连接和/或寻址于单独的致动器。
如上所述，上面参照图6和图7A至图7F所述并且使用线性致动器动作变换器的实施例最好每一个端口具有三个压电致动器，而图8-10的双膜片弯曲动作变换器的每一个端口仅需要一个压电致动器(图12(c))或者致动器组件(图12(d))。致动器1320位于贯穿分隔层1330的孔中并且是利用本领域已知的多种钻孔或者磨铣工艺形成的，包括激光束机加工和超声波研磨。分隔层1330可提供附加的结构和分隔器支撑以使致动器相对于放大机构和光纤/透镜精确定位，并且还提供结构支撑，以使致动器作用在其上，诸如图8的壁83。致动器的类型可是压电的、电致伸缩、热的、或者磁致伸缩或者是本领域已知的其它各种致动器，并且可选择地在它们的自由端上加盖以有助于与上面一层连接。分隔器材料具有相当于致动器长度的厚度(在本实施例中约为10至11毫米)，并且例如可是PYREX玻璃或者一种陶瓷材料以达到与压电致动器的配合的最佳的热膨胀。孔应该是这样定向和布置的，即，使光束端口尽可能靠近地布置，从而使在光纤-光束-控制开关应用中提供光束端口的密集阵列。利用可在市场上得到的直径为2.2毫米或者更小的的压电致动器可容易地达到1-4毫米的光束端口的中心到中心的间距或者节距。分隔层厚度部分是由致动器在给定电压下的所需的和可达到的应变量或者摆度确定的。层1310和1330应该提供高刚度负载回路以使在致动器基部的负载作用在动作变换台134上。层1310和1330中的任何顺从性趋于减小所完成的组件的致动和动作能力。
第二子组件134，即动作变换子组件134包括一层或者多层1324、1325、1326，层1324、1325、1326基于电活化致动器部件之间的相对移动或者基于两个或者多个致动器元件之间的相对移动连接在光束控制单元中共同完成连接在光束控制单元中的移动光学元件并且使所述移动光学元件铰接。子组件134具有致动器层1324，致动器层1324在其底面上与界面或者配合层1325配合以在压电致动器1320和壳体/分隔器1330上提供定位公差。透镜安装层1326与子组件134的致动器层1324的顶面相连以使准直透镜24定位和与其连接。应该理解的是，图13A中所示的开关或者致动器结构130仅是示例性的，并且各层和子组件的尺寸和形状可适合特定的应用。
子组件134例如可由微加工(MEMS)绝缘体上硅(SOI)晶片制成的并且可包括推压电射束或者环324(图8)，推压电射束或者环324可直接粘合在子组件中的其它层上的蚀刻结构。子组件134和/或其构成的层可用于为压电致动器发送信号，例如以一种排/列寻址方式，其中的排地址线可沿着层1310延伸，而列地址线可沿着子组件134的底面延伸。另外，诸如压电电阻的、压电的或者电容传感器的传感器可装在子组件134中以提供用于使致动器精确定位和控制的检测和反馈。
子组件134是主要的动作变换器子组件，它包括包含杆臂结构70A、70B、70C(图7A-7F)的层或者具有前面所述的光纤固定器的挠性膜片结构810(图8)。该机构将压电致动器的垂直延长/横向弯曲移动转变为光纤和(可选择的)透镜的一定角度的倾斜以控制光束的轨线。或者该子组件可包括还能够与图2中所示的光纤/透镜倾斜机构相连的层或者其一部分。
如上所述，可通过在Si或者Si-SiO2-Si晶片的两面上的一系列沉积和蚀刻工艺(湿态蚀刻、DRIE)形成包括子组件134的层以形成弹性挠曲(杆量或者膜片)，对掩模的前后对准进行精心控制。侧壁平直度和在沟道的底部处的圆角控制对于达到所需的结构强度和抗疲劳性也是重要的。可通过多种工艺完成层的形成以及随后将它们组装成统一子组件，这些工艺包括但不限于在微型-电-机械系统(MEMS)的制造和组装中常用的工艺。这些工艺可包括DRIE和/或KOH湿态蚀刻工艺以及Si-Si晶片粘合和/或利用金和/或其它金属间层的热压缩晶片或者芯片粘合。或者，包括子组件的层可被独立制造并且在整个装置组装和操作过程中机械接合和固定在一起。
子组件134也可包括主要起到与移动光学元件配合作用的层或者层的部分，例如提供用于与移动光学元件配合和/或固定或者粘合的特征，移动光学元件诸如光纤、透镜、预组装的光纤/透镜组件、具有整体透镜尖端的光纤、棱镜、光学波长过滤元件或者光栅元件。例如，透镜和光纤可被组装在一起并且直接粘合到包括子组件134的层的一部分上，与图2的光纤/透镜构造类似。
本领域技术人员应该理解的是，其它各种光学元件、诸如透镜、镜和/或光栅可与动作变换器相连。
图13C比较详细地示出了可被预组装成一个单元的放大器子组件134的截面图。其中清楚地示出了具有凸台1376的配合层1325，凸台1376推压杆臂的推压点76、76a、76b。前面已经描述了制造致动器层1324和810的工艺。现将描述关于与图7中所示的实施例结合使用的中间层或者配合层1325的布置和制造步骤。
图11C示出了由一种整体微加工硅绝缘体(SOI)晶片制成的配合层1325。被蚀刻的特征包括与压电致动器配合的转移柱(未示出)、包围并固定转移柱以使转移柱能够垂平移动但不能横向移动的薄膜1105和在转移柱的顶部上的推压点梁1376。该推压点梁1376被直接粘合到在下一层，放大层1324上的蚀刻放大器机构上。该梁在致动器移动被转移到放大和倾斜机构上的位置处。层1325使得压电致动器不精确定位并且能够与放大器层1324上的精确推压点接触。
层1325可用于向压电致动器发送信号，例如以一种排/列寻址方式，其中的排地址线可沿着层1310延伸而列地址线可沿着层1325延伸。另外，诸如压电电阻的、压电的或者电容器传感器的传感器可装在层1325中以检测和反馈致动器的位置。
利用硅晶片的深层反应离子蚀刻(DRIE)形成这些特征。SOI晶片的处理面为400至600微米。这被向下蚀刻到绝缘体上以形成薄膜的顶面。蚀刻被控制以形成标称直的侧壁。装置面的厚度为25至50微米。利用各向同性从背面对装置面蚀刻直至达到所需的薄膜厚度。
图11D中示出了用于层1325的制造工艺。从具有Si厚度为40微米的装置面1101的双面抛光SOI晶片开始。沉积一种热氧化物以保护表面。接着以可选择的方式在处理面上形成图案并且被DRIE蚀刻到指定深度以限定2微米深的用于推杆的支持面1115(见图7H)。进行各向同性干态蚀刻以形成具有逐渐过渡的圆角的10微米厚的驱动膜片，各向同性干态蚀刻比随后在处理面上施加的DRIE蚀刻略窄以防止应力集中在膜片层1105中。晶片的这种状态如图11D中的步骤A中所示。另外，光纤孔1103部分也是由该装置形成的。
接着通过形成嵌套的氧化物掩模从处理面对晶片进行处理，嵌套的氧化物掩模用于向下蚀刻凹槽1127，凹槽1127能够使致动器自由移动同时限制它们偏移(步骤B)。Si的薄部留在光纤孔中，在步骤C中，留在光纤孔中的Si的薄部与留在处理面沟道中的任何Si一起被清除。在步骤C后可利用SiO2保护该层以便在与层1326的最终组装过程中提供保护。
层1326也是SOI晶片批量微加工层。在光学透镜与光纤的前部尖端之间机械地提供适合间距。该间隔对于形成用于光束的所需光学构形是必需的。对于每一个透镜，蚀刻一个分隔器/固定器。硅分隔器被粘合到放大层(即层1324)上的中心光纤硅结构上。分隔器配合透镜和光纤并且使它们作为一个整体倾斜。另一种可选择的构造是在多种宏观制造工艺中利用除硅以外的一些材料制造这种分隔器结构(例如玻璃)。接着，分隔器被组装在透镜上并且被粘接到放大层上。在另一种构造中，该层1324可被省略并且作为一个整体被组装在一起的透镜和光纤可被直接粘合到放大层1324上。
在图11E中以透视图的形式示出了透镜固定器。如图11E中所示，该三叶式透镜固定器从晶片的表面上被分离并且在被连接/粘合到致动器夹持器上后，可与致动器一起自由移动和倾斜。
图11F中示出了形成层1326的工艺。它还包括一系列在具有装置层1104、SiO2层1102和处理层1101的SOI晶片中进行一系列DRIE蚀刻。在步骤A中，该晶片利用SiO2形成图案并且对于光纤孔，从装置面切割一个凹槽。在步骤B中，从处理面到嵌埋的氧化物层切割沟道以限定透镜安装部的外部。另外，切割用于适应光纤/透镜组件上的圆角的腔，并且通过晶片切割光纤孔。在步骤C中，在处理面中的氧化物掩模被蚀刻以露出硅表面，并且在装置面上的光致抗蚀剂被剥离，晶片被清洁以便于硅熔接。如在步骤D和E中所示，在利用晶片熔接使得层1326、1324和1325被接合在子组件134中后，在装置面上的Si的剩余部分1350被蚀刻以解除透镜安装部。
利用熔化/处理温度低于用于组装致动器子组件的温度并且还低于压电致动器材料或者有机粘接剂(例如一种环氧树脂或者氰酸酯)的摄氏温度的焊料可使层和子组件被熔接和/或焊接。另外，一种阳极粘接工艺可被用于形成粘合。或者，可使用一种紫外线固化环氧树脂。致动器应该被机械预加载荷以防止它们受到拉伸。这可通过将小的载荷(小于0.5N)放置在光纤上来实现。如上所述，可使用一种有机粘接剂，例如UV硬化粘接剂将在预加载荷作用下的光纤粘接在层1310的底部上并且密封所述层。
代替焊接开关构造的子组件或者各层，也可通过夹紧(可选择地利用附加的导销)使这些子组件被对准和机械定位以有助于叠置所述部件。可利用具有压缩弹簧的螺钉将子组件或者层固定在一起，如本领域已知的。应该理解的是，弹簧作为致动器的加载路径的一部分必须被这样设定尺寸，即，在由致动器产生的最大作用力的作用下能够使部件被牢固定位。在开关结构的其余部件被增加之前，机械夹紧方法还能够允许测试子组件，并且如果在最终组装之后开关结构的其它部件破裂，还允许子组件或者层的重新使用。
现参见图13D，其中示出了图13A的开关构造130的分解图以更好地说明组装工艺。除了上面参照图13A所述的层以外，其中还示出了印刷线路板1303，印刷线路板1303具有用于光纤22的通孔和焊料隆起焊盘以及用于互连的导电路径。其中还示出了用于将在开关构造130中的光纤固定在光纤夹持器72(见图7)的远端并且为光纤提供预加载荷的光纤粘合/夹紧层。这被示出在图13E中。
如图13E中所示，光纤粘合/夹紧层1302具有适于接收不锈钢毛细管(1301)的凹槽，不锈钢毛细管(1301)具有适于容纳被涂布的光纤22(所述被涂布的光纤22包括芯部、包层和保护涂层)。沿着靠近顶端30毫米去除涂层的光纤接着被供给通过管直至到达适合的位置，其中所述光纤顶端成斜角以减小后反射。因此，光纤在延伸的长度上被笔直定位并且防止光纤松垂。对于透镜-以及可选择的用于游隙的楔(见下面)-处于适当位置，组件被放置在固定装置中(未示出)并且每一个光纤在z轴上相对于相应的透镜被独立地主动对准直至从光纤的自由端(顶端)发出的光束被准直。在达到所需的对准后，光纤朝向透镜移动较小的距离(例如5微米)并且利用UV硬化环氧树脂使其定位在光纤固定器72、82中。
为了使光纤在开关结构130中保持笔直，通过使光纤从底层1302沿着远离透镜的方向缩回上面增加的相同距离(例如5微米)对光纤进行预加载荷。接着例如通过施加硬化环氧树脂使预加载荷的光纤22定位在光纤毛细管1301中。
可选择地，可使组件130单独或者以倾斜阵列的形式被放置在带窗的密封外壳中以使各个带窗的外壳允许光束从一个组件130或者组件阵列130’透过窗以及可选择的设置在窗之间的透明介质或者光学装置。或者，发射和接收元件和开关结构可被放置在单一的密封外壳中，如图13F中所示。如果温度控制对于在操作温度范围内保持稳定是需要的，那么利用在外壳内的加热器或者Peltier电热装置提供温度控制。可使用例如由Kovar制成的具有密封引线馈通和接缝密封盖的密封加热器以在惰性干燥氛围中封闭自由空间光学路径。这能够隔绝微粒、防止光学表面上的凝结、提高在外壳内弯曲的裸光纤的可靠性以及控制压电材料的氛围。
图13B示出了图13A中所示的光学开关的各个整体单元。应该注意的是，在图13B中所示的实施例中，光纤22相对于透镜移动，而在图13A中，光纤和透镜形成一个单元。但是，如上面参照图2-6中所述的，几个所示实施例仅是示例性的并且可单独或者共同执行用于移动透镜/光纤的几个变体。这些单个单元或者由多个单元构成的子组件可被组装在一个数量较多端口的较大的开关结构中。各个整体单元中对应于图13A中的层/子组件的各层和元件用相同的附图标记表示。
具有上述动作变换器的光束控制组件可由独立的单元组装而成，诸如图13B中所示的单元，或者由组件组装而成，诸如图13A中所示的9个单元组件130。接收单元的多种尺寸的发射组件可以各种二维图案布置，它们可“平铺”在一起以形成较大的组件。这样，在例如由64个元件构成的较大单元中可容易地更换小的有缺陷的子单元，从而降低光学开关的总费用。
每一个光纤/透镜组件必须被精心地校准以使光学发射器与接收器连接效率达到最佳。这可通过观察该装置的波前来实现，并且当光束准直达到最佳时，利用焊料或者环氧树脂(例如UV硬化环氧树脂)将光纤定位在可倾斜的光纤固定器(图8中的82)。这可在以人工的方式或者利用能够沿着光纤轴(z轴)以及x和y平移方向移动光纤的附加的致动器使开关结构组装在外部固定装置中后实现以使光束控制保持准直。例如，可利用图13E中的作用在元件1301和1302之间的压电致动器实现z轴定位。
回见图1，在包含图14的开关构造140的光学开关10已经被组装后，来自于发射器结构11a上的每一个发射器12、14的光束轨线最好应该指向在接收器结构11b上的中心接收器18。这样，任何光纤的最大偏转角与其在发射器结构11a中的位置无关，并且至多是接收器结构11b的立体角γ的一半。
由于所有的发射器元件最好以一种相同的方式被制造并且与它们在阵列中的最终位置无关，因此元件的“光学”静止位置，即，发射光束的指向最好通过在组装后将附加的光学元件(诸如棱镜)放置在发射器的准直透镜前面被调节。或者，独立的发射器可被机械对准以使被动(未被致动的)光束定向在接收器阵列的中心。如图14中所示，由位于在固定准直透镜后面的发射器结构11a上的可倾斜的光纤固定器52发射光束。在光束路径中没有棱镜142，准直光束可照射在位于接收器结构11b上的相对应的透镜24上并且被接收器52接收。另一方面，棱镜142将相同的准直光束引向基本位于接收器结构11b的中心处的透镜24’。可基于在相应的结构11a、11b上的发射器/接收器与中心元件24’之间的横向间隔选择棱镜。棱镜可是独立的棱镜元件或者单一元件，类似于Fresnel透镜，被施加在准直器/透镜组件136前面(图13)。
开关10(图1)的总体尺寸是由组装密度和来自于在开关结构11a、11b上的光束控制装置的可达到的立体扫描角确定的。利用固定镜折叠光学路径能够缩短该装置的实际长度。输入和输出端口可在相同阵列上或者在不同阵列上。另外，折叠镜可是曲线形的以引入游隙，从而消除图14中所示的附加棱镜142、144的需要和/或减小位置比较靠近开关结构的周边的光束控制元件的所需倾斜角。
当开关结构10、140被组装时，每一个光束控制元件可被适度期望具有初始指向误差。另外，光束轨线-在初始指向误差的校正-可随时间和在操作过程中改变。因此，期望在开关系统中包含可靠最好简单的校准工艺。该校准工艺可通过就在组装后以及在操作过程中以所需的时间间隔使用的离线设置来实现或者通过建立在系统本身中的永久在板设置来实现。
除了制造公差，压电致动器的性能以及致动器的磁滞或者非线性响应的差异需要被考虑。可利用电压或者电荷驱动驱动致动器以提高再现性。
现参见图15，在初始后制造构造中例如可利用位置传感器阵列或者摄像头152校准系统150。激光束被射入到光纤中，产生从结构11a射出的准直光束。光束的一部分被部分反射镜、立方体分束器或者膜反射并且被摄像头或者传感器阵列152接收。光束控制装置以一种搜索方式移动准直光束同时监测与开关结构11b相连的目标光纤中的光功率。在对应于由每一个目标光纤接收的最大功率的摄像头或者传感器阵列152上的光束位置被记录在查阅表中。对于发射和接收光纤的每一个组合，重复该工艺。接着，每一个光束控制装置可被移动以利用来自于位置传感器阵列152的反馈读数将光束引导到任何所需的目标光纤。对于发射和接收端口的每一个组合，完成转变所需的电荷也可被记录在查阅表中。在完成校准工艺后，分束器154和位置传感器152可被移除。接着在操作过程中可使用被存储在查阅表中的电荷数据以使任何光束控制元件移动到一个新的目标。
现参见图16，在端口之间切换后以及在操作过程中，可通过监测从发射器14输送到接收器16的功率主动地控制光束15的引导和对准。为此，光学分接头连接器168被安装在光纤线中的接收器一侧上或者在发射器一侧上或者在接收器和发射器的一侧上。通过这些分接头，利用传感器166监测在接收器处的光功率或者在开关上的不同光功率并且校正信号可被施加在致动器上以使功率最佳化。或者，不是检测通信信号，用于减少干扰的可能以与通信信号不同的波长的参考激光器或者LED灯162可通过分接头连接器164被连接到光纤中并且再次被传感器166检测。当不同波长被结合在该装置的输入侧时，输出连接器(分接头连接器)168可是选择波长的。所提出的用于主动对准和优化开关的方法不需要或者依赖附加的部件，诸如安装在移动元件自身上的光学象限检测器或者电容传感器，尽管这另外可利用电容或者压电传感器来实现。
利用光学象限检测器、电容或者压电电阻传感器，实现用于将每一个光束引导到其目标的控制环是相当简单的。但是，需要特定的技术设计仅基于光功率信号的控制环，这是由于光功率信号不包含用于调节到达致动器的信号并从而调节发射或者接收元件(透镜和/或光纤)的指向的任何方向性信息。因此，控制系统必须能够确定方向以移动发射和接收元件以对于常规的M×N构造实现通过光链路的最大光功率接合。对于1×N构造，仅发射器需要被主动控制，而接收器可选择地被被动对准。
图17是作为发射器和/或发射器光束控制元件的倾斜角的函数的被检测器16接收的来自于发射器14的光的强度的三维图。如图17中所示，当光纤被最佳定位时，强度具有最大值，并且对于光纤顶端在x-和y-坐标方向上的未对准，强度降低。当小高频调制信号(高频脉动信号)被叠加在x和y信号的一个或者两个上并且到达每一个致动器的调制信号被适合地定相，与铰接发射器和/或检测器元件(透镜和/或光纤)相关的光束轨线描出围绕标称位置的小轨道172，这导致了较小的被接收的光功率信号调制。最佳位置对应于基本上相对于最大功率点对称的轨道174。可利用在施加于各个致动器上的电压信号之间具有不同相位关系的高频脉动信号波形产生更复杂的轨道。因此，不同的相位信号可用于分离x-和y-方向。光功率和输入调制信号的适合卷积和滤波可用于获得光功率梯度信息(关于在发射和接收元件中的每一个致动器的小扰动的功率变化)。接着利用梯度信息闭合在致动器上的环并且达到所需的光功率水平。可以不同的频率或者利用不同的高频脉动信号波形调制发射和接收元件并且功率信号可被适当地滤波以同时获取关于发射和接收光束控制元件的梯度信息。
可利用光束引导在开关内的有意解谐(由发射和接收端口的略微控制的未对准而导致的)为变光学衰减器(VOA)功能引入数量可控制的光学插入损失。该特征可用于实现独立的单一VOA或者VOA的紧密的多信道平行阵列。该衰减器特征也可与开关操作结合使用以平衡在光学网络中的功率并且无需除开关矩阵以外的独立的VOA。可通过增大在致动器上的调制振幅实现该功能性。接着，光束可追踪具有较大的围绕最佳位置的轨道。随着轨道的直径的增大，该系统的光学插入损失增大，从而提供VOA功能性。
功率达到最大的取向可根据光信号的波长略微改变。该变化是由光学元件性能相对于波长的依赖性导致的。因此，在利用具有不同于通信信号的波长的可选择的参考激光器或者LED源162使环闭合的情况下，附加的补偿是需要的。另外，可利用多种控制技术实现调制信号伺服到给定的强度振幅。
图18示出了作为光束指引角的取向的函数的处于两种不同波长的光功率轮廓180。实线182对应于波长λ1，例如，由激光器或者LED源172发出的参考信号的波长。虚线184对应于波长λ2，波长λ2对应于功率将达到最大(或者可选择地衰减)的光学通信信号的波长。在校准过程中，λ1和λ2光束的光功率被检测，它可需要独立的功率传感器。在常规的点A处，两种波长都没有处于峰值功率。在点B处，光学通信信号λ2处于峰值功率，而在点C处，参考信号λ1处于峰值功率。这样，利用上述调制技术，对于任何一种波长，可发现功率信号相对于位置的梯度。接着基于λ2功率的梯度闭合控制环直至该装置固定在点B处。λ1信号的插入损失及其梯度向量接着被记录在校准表中。对于开关中的每一个光束控制装置，重复该校准方法。在操作过程中，接着可通过将参考信号λ1的强度和梯度伺服到被存储在校准表中的数值来控制光学元件的取向。
应该注意的是，详细描述的致动器允许几种操作模式和动作方向。一般说来，致动器可在一致和相反的方向上被操作。一起同步移动，致动器将产生沿着致动器运动轴线(在上述示例中的光纤轴和光学轴线)的单纯平移。例如，利用这些类型的放大压电致动器可使在自由空间中使用的外腔激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和/或Fabry-Perot可调谐滤光器或者作为波导被波长调谐。对于这样的滤光器或者激光器，调节斜度以及轴向位置的能力可提供腔对准的精细控制以优化传送或者激光器腔对准。当被粘接到光纤上时可使用该相同的线性移动以在长度、延迟或者相位控制方面扩展光纤或者对于包含Bragg光纤光栅的光纤扩展它们的调谐光学波长频带和/或散射性能。对于极化模式控制，Birefringent光纤也可被操控。
一种用于改变光纤长度或者使光纤变形的可能的致动机构-因此对于具有被施加的Bragg光栅的光纤，改变诸如滤光器波长调谐的控制光学传输特征-被示出在图19A和图19B中。图19A示出了一种特定实施例，其中沿着轴线伸缩的压电致动器1910作用在与光纤1930相连的可移动的硅微加工套环1920上。可移动的套环包括晶片中形成光纤孔的较厚部分，所述较厚部分通过不渗透的膜片被挠性连接，不渗透的膜片被设计成相对于套环平移是顺从的但对于内部压力载荷是刚性的。光纤和致动器被连接在基部以使压电致动器的变形/致动导致光纤的变形，例如在固定端和移动端之间拉伸。在可替换的实施例(未示出)中，上述移动变换器子组件可被设置在压电致动器和可移动的硅套环(以及相连的光纤)之间以使压电延伸率产生更大(放大)的光纤延伸率。图19B示出了另一个使用液压动作放大器的实施例，其中压电致动器的行程被通过存储液压流体的装置连通的两个活塞的表面积比放大。光纤在顶部被夹到可移动活塞/套环上，并且在图19B的结构的底表面处，光纤的光栅被设置在它们之间。当压电致动器压缩对液压腔加压的流体存储装置时，液体压力作用在可移动的光纤活塞上以使光纤延伸。提供改变压电驱动活塞和光纤活塞的面积，可获得放大的延伸。也可利用MEMS技术对该结构进行微加工。这些类型的元件也可被用作可变路径长度元件，作为波长可调谐的滤光器或者在更复杂的子系统中，诸如波长增大/降低多路调制器。
快速调谐最好与扫描类型光学性能监视器结合使用，其中顺序地在几个波长下对光功率和其它信号特征进行采样，或者与用于稳定可调谐的激光器波长的波长锁定器技术接合使用。
如图20A和20B中所示，这些致动器使得它们自身与平面波导电路集成，平面波导电路本身是分层的并且可通过微制造技术制造。例如，致动器210可用于在光学波导上施加应力或者变形或者使它们变形以产生应力双折射，通过光弹性效应导致的折射率调制改变光学路径长度或者光传播特征。这种类型的折射率/长度调制可与图20A中所示的Mach-Zehnder干涉计构造结合使用以产生能够在端口之间切换光输出或者调谐、衰减或者调制光信号的光学相移。在图20A中所示的特定实施例中，压电致动器用于对通过微制造工艺形成的密封充填液压腔加压。它通过密封的可移动的活塞的强制移动而起作用。加压流体接着用于使衬底中其上已经制造有平面波导元件的薄化部分变形。在这种情况下，这是Mach-Zehnder干涉计的一个支腿。当膜片拉伸并且向外弯曲时，波导也拉伸并且在干涉计的支腿中产生足以使形成大约180度的可控制的相位延迟的路径变化以选择性地干涉该干涉计的未变形的支腿中的信号。在一个特定实施例中，用于平面波导的硅衬底沿着波导在直径为0.5-1毫米的圆形区域上被薄化(蚀刻)到小于10微米厚度。在腔中的大约0.5至2MPA的压力使得膜片和波导弯曲并且在硅中产生小于1GPA的应力，并且在变形的波导中的光学路径长度变化大约为500-1000纳米。
在图20B所示的一个可替换的实施例中，可利用上述类型的机械动作变换层2050产生波导的所需变形，机械动作变换层2050是这样布置的，即，使压电致动器的致动通过动作变换器起作用以使薄化衬底(膜片)和固定的平面波导元件2070的变形。
最后，可通过使传输平行板和/或镜倾斜来调节光束控制和可调谐的光束偏移。在另一种光束控制方案中，透镜可相对于输入光束或者其它透镜垂直于光轴平移。在致动器层平面中的这样一种平移形式可通过连接在阵列所述类型的阵列中的多个致动器的连接器来实现。可在被粘合到上述层上的附加微加工层中制造这些连接器。
尽管已经结合详细示出和描述的优选实施例对本发明进行披露，但是本领域技术人员显然可对它们进行各种变型和改进。例如，这里所述的发射器和接收器不限于光纤，也可包括其它的光波导和其它发射器，诸如激光器和LED，以及常规检测器。关于致动机构和光学系统描述的材料仅是示例，本领域技术人员能够确定和使用其它适用于这种应用的材料，诸如形状记忆合金、电活化聚合物或者其它任何可被电活化或者磁活化的材料。因此，本发明的精神和范围仅是由下列的权利要求限定的。
权利要求
1.一种用于定位光学装置的设备，其包括动作变换器，所述动作变换器具有顺应性元件，所述顺应性元件与光学装置相连并且与能够产生机械运动的致动器相连，以便在该致动器和所述光学装置之间产生相对机械移动。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括一个单一主体。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括分层子组件。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括微加工层的组件。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括微加工硅晶片的组件。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有一个杆臂的顺应性元件。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有一个杆臂和一个用于将杆臂连接到壳体上的挠性接头的顺应性元件。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有一个杆臂和一个用于将杆臂连接到光学装置上的挠性接头的顺应性元件。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有多个杆臂的顺应性元件。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有多个杆臂和多个用于将该多个杆臂连接到壳体上的挠性件的顺应性元件。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有膜片的顺应性元件。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述顺应性元件还包括用于膜片连接到壳体上的挠性接头。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述动作变换器包括具有上膜片和下膜片的顺应性元件。
14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括用于将顺应性元件连接到致动器的机械连接器。
15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括用于相对于致动器的机械移动以便放大光学装置的移动的行程放大器。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括与动作变换器相连的固定元件，所述固定元件适于固定光学装置。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述固定元件适于固定从包括光纤、带透镜的光纤、透镜、镜、光栅、准直器、棱镜、全息光栅和滤光器的组中选择的光学装置。
18.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括形成在衬底上的多个所述动作变换器。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，多个所述动作变换器在衬底上形成线性阵列。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于，多个所述动作变换器在衬底上形成二维阵列。
21.如权利要求18所述的设备，其特征在于，动作变换器具有适于与圆柱形致动器相连的接触部。
22.如权利要求1所述的设备，其特征在于，动作变换器具有适于与多个致动器相连的接触部。
23.如权利要求1所述的设备，其特征在于，动作变换器具有适于与由在独立控制下操作的多个不连续致动器形成的致动器相连的接触部。
24.一种用于定位光学装置的设备，其包括用于产生机械移动的致动器；以及具有顺应性元件的动作变换器，所述顺应性元件与光学装置相连并且与所述致动器相连，以便在该致动器和所述光学装置之间产生相对机械移动。
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于，所述致动器是从包括压电致动器、电致伸缩致动器、磁致伸缩致动器、静电致动器、热力致动器、电磁致动器、形状记忆合金和电活化聚合物的组中选择的。
26.如权利要求24所述的设备，其特征在于，致动器与顺应性元件机械连接，以使顺应性元件响应于所产生的机械移动而弯曲。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，顺应性元件包括杆臂，以及致动器与顺应性元件机械连接以使臂在第一和第二位置之间枢转，从而使光学装置移动到所选择的位置。
28.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述顺应性元件包括膜片，以及致动器与膜片机械连接以使膜片弯曲，从而使光学装置移动到所选择的位置。
29.一种用于控制光束的设备，其包括能够引导光的光学装置，以及动作变换器，所述动作变换器具有顺应性元件，所述顺应性元件与光学装置相连并且与能够产生机械运动的致动器相连，以便在致动器和所述光学装置之间产生相对机械移动。聚焦的新主张改变通过进一步调节轴向位置以便调节光束的聚焦或准直。
30.如权利要求29所述的设备，其特征在于，还包括光源
31.如权利要求30所述的设备，其特征在于，光源是从包括光纤、激光器、半导体激光器和波导件的组中选择的。
32.如权利要求29所述的设备，其特征在于，光学装置包括波导件，通过使所述波导件相对于光引导元件移动来控制光束。
33.如权利要求29所述的设备，其特征在于，光学装置包括光引导元件，通过使光引导元件相对于波导件移动来控制光束。
34.一种用于定位光学装置的方法，其包括使光学装置与具有顺应性元件的动作变换器相连，使顺应性元件与能够产生机械移动的致动器接触；以及操作该致动器以在该致动器和该光学装置之间产生相对机械移动。
全文摘要
本发明所披露的系统和方法涉及动作变换器(80)以及它们的集成和/或组件，以用于引导光束和使小光学元件(82)定位，从而形成多个可调谐的光学部件。特别是，所述系统和方法可用于具有压电致动(85)的自由空间光学交接开关设备。
文档编号G02B6/32GK1599872SQ02824048
公开日2005年3月23日 申请日期2002年10月3日 优先权日2001年10月3日
发明者N·W·哈古德, K·甘迪, B·克卢捷, M·博尔根 申请人:连续统光子学公司