专利名称：基于硅微机械技术的n×n光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于硅微机械技术的N×N光开关，更确切的说涉及一种使用压电材料制作驱动器结合硅微机械加工技术制作的N×N光开关，以及为了实现光路的切换所使用的压电驱动装置和连接装置。属于光通信领域。
采用光纤直接耦合导致输入和输出端口的工作距离短，使镜子的体积小，行程短，不适合做大规模的光开关阵列。而采用CN99808037.3虽然可以实现N×N的光交换，但由于采用了准直器自由空间光耦合结构，要求反射器转动角度的精度很高，通常要采用负反馈伺服电路控制，由于在光路中存在两个反射镜，而误差信号只有一个，从而无法确定是那一个反射镜的问题，造成反馈的困难，将无法使用模块，使运营成本提高。另采用两个反射器致使工作距离很长，带来插入损耗加大，装配难度提高。
一种基于硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于(1)它是由光反射驱动层，光传输层和光耦合层三层构成，通过光纤的熔接实现光N×N开关；(2)输入输出光纤阵列板作为N×N光开关的耦合层它是由多片相同硅片采用胶粘或键合技术做成一件，再将光纤插入；(3)N×N光关利用自聚焦透镜或透镜阵列，作为光传输层，其位置与输入输出阵列板上的光纤阵列相对应；(4)压电棒驱动的反射装置构成光反射驱动层。
本发明1×N或N×1光开关是采用压电材料做为反射装置，克服了静电驱动力小，行程短的缺点。众所周知，压电材料由于具有结构简单，容易加工，响应速度快，承载力高，能耗低控制电路简单等优点，可以用于光开关的驱动。本发明采用了四个压电驱动棒来控制反射镜的任意位置，使输入光反射到输出端口。目前的压电材料已经可以达到1％的伸缩量，即100μm长的材料，在施加电压后，将产生1μm的伸缩量，如将许多层的相同的材料叠加起来，可以根据光路的设计来决定伸缩量，从而决定了材料的层数。压电材料的伸缩量由公式(1)确定；k=12·Ltan(θ)------(1)]]>其中L表示对角线两根驱动棒之间的间距，θ表示驱动装置转动的角度，由此公式可以得到需要的压电驱动棒308的伸缩量，从而可以确定压电驱动材料的数量。
对于多层压电材料的叠加本发明采用了背靠背的方式，即将压电材料分为两部分，其中一部分采用正向极化，另一部分采用反向极化，然后将两种不同极化方式的压电材料交叉叠加，并且相同的极性相靠，即一层压电材料的正极对另一层压电材料的正极相互叠在一起，一层压电材料的负极和另一层压电材料的负极叠在一起，形成电学上的串连，机械上的并联结构。每个层分别用引线引出，再连成一极，这样可以使压电材料同时伸长或者同时收缩，作为反射镜的精密驱动。
反射镜的两面均经过抛光处理，在一面蒸金作为反射层，另一面采用硅微机械技术即硅—硅键合，将反射镜和反射装置的表面键合在一起，构成二个反射装置，也可以使用环氧树脂胶水或紫外固化胶水，将反射镜和驱动装置的表面连成一体。
将压电驱动棒的端部加工成一球状，使用硅微机械加工技术---干法腐蚀，在硅片的表面作四个锥形孔，锥孔的位置要求非相邻的锥孔连线处于正交的位置，并相交于中心位置(图四)形成上盖板。以同样的方法在另一个硅片上的相应位置做同样的四个锥形孔，并用湿法腐蚀的方法将锥孔从锥尖处穿通形成下盖板，将作好的驱动棒插入下盖板，再将上盖板按照相应的位置扣上，这上下盖板的连接可以采用环氧树脂胶或键合技术连成一体。
由此可见本发明采用硅微机械技术制作光纤阵列板作为光耦合层，透镜阵列(光学透镜或GRINLENS)作为光传输层，压电棒驱动的反射装置阵列构成光反射驱动层，组成了N×N光开关的基本构架，每个1×N光开关相互独立，采用全连接的方式，通过尾纤的熔接或光纤跳线的连接实现N×N光开关。
本发明的具体制作方法详见具体实施方式
中描述。
本发明优点在于大大减小光开关体积，降低N×N光开关装配难度，扩大光开关的容量，从而易于实现N×N的光交换。
本发明对反射驱动装置的制作时，由于压电材料502的逻辑电路可记忆的电压值，因此在安装时，尽管光纤阵列301或聚焦透镜306有适量的偏差，对于每个具体的光开关，压电材料502的逻辑电路可以记录不同的电压值，即可以控制反射镜307不同的反射角度。因此，本发明对于整体的安装，放宽了光纤阵列301和聚焦透镜306的容差，提高了生产效率。
本实施例采用了100个相同的压电材料502叠加(图5)，实现了100μm的总伸缩量，具体结构如图5所示，电学书上串联，机械上并联的结构即每个压电材料的正极与正极叠在一起负极与负极叠在一起。本发明采用的是以阵列光纤的中心光纤313为输入光纤，并以其作为光轴(图3d)，当光线经过自聚焦透镜306后其光线成为准平行光束，再经过反射镜403的反射。
本实施例采用了硅微机械加工技术—硅-硅键合或硅-玻璃键合，制作光反射驱动装置。使用此技术是将反射镜403和反射装置307连成一体，形成可以二维转动的反射镜403，非相邻的驱动棒308的连线处于正交的位置，从而实现了两个转动轴互相垂直，并相交于中心位置。四个驱动棒308的伸缩相互独立，从而使两个正交轴的旋转不相互关联，反射镜403的位置为两个轴旋转位置的合成，从而实现了任意空间角度的反射(图4)。
本发明1×N或N×1光开关采用了自聚焦透镜306将输入光纤313端面放在透镜的焦面处(图3a)，输入光纤313在光轴上。这样，当光线经过聚焦透镜306后成为平行光，经反射镜403反射后从输出光纤312端口输出。对于N×N光开关采用自聚焦透镜阵列或透镜阵列，作为光传输层602。
如聚焦透镜306采用球面透镜(图3a)，输入输出光纤阵列301的端面将加工成球面，以补偿采用球透镜所带来的输出主光线的倾斜，球面的曲率将由所采用透镜的材料和曲率半径决定。
输入输出光纤阵列301通过的夹持器302采用硅微机械加工技术，采用腐蚀的方法在将硅片刻蚀出许多约125μm直径的阵列孔，再将多个相同的硅片，键合在一起，然后将输入输出光纤逐个插入，并用环氧树脂胶水固定，形成光纤阵列。1×N光开关的输入输出光纤采用方阵排列，如N＝8时，可以排成3×3的方阵，使输入光纤作为中心光轴(图七)。
本发明做成N×N光开关阵列(如图6所示)。N×N光开关阵列是实现全光交换的关键技术。采用硅的微机械技术制作光纤阵列板601。在硅片的表面分区腐蚀出光纤阵列，分多个区域，每个区域内部为光纤阵列。将多片相同的硅片采用胶粘或是键合技术做成一体，再将光纤插入，形成输入输出光纤阵列板601作为N×N光开关的光耦合层，采用自聚焦透镜阵列603作为光传输层602，其位置与输入输出光纤阵列板601上的光纤阵列区域对应。将光反射移动装置均固定在一片基板上构成驱动层604。每一个1×N光开关单元相互独立，不产生关联。将输出光纤按照第一个单元的输出连接其他每个单元的第一个输出，第二个单元的输出连接其他每个单元的第二个输出，依次类推，用跳线或是熔接的方式连接起来，将构成N×N光开关的全连接。
权利要求
1.一种基于硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于它是由光反射驱动层，光传输层和光耦合层三层构成，通过光纤的熔接实现N×N光开关。
2.按权利要示1所术基于硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于输入输出光纤阵列板(601)作为N×N光开关的耦合层它是由多片相同硅片采用胶粘或键合技术做成一体。再将光纤插入。
3.按权利要求1所术基于硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于N×N光关利用自聚焦透镜或透镜阵列，作为光传输层(602)，其位置与输入输出陈列板(601)上的光纤阵列相对应。
4.按权利要求1所述硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于压电棒驱动的反射装置构成光反射驱动层(604)。
5.按权利要求1所述的硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于N×N光开关制作的2N个1×N或N×1光开关，然后将1×N或N×1光开关的输入输出光纤采用全连接熔接。
6.按权利要求5所述基于硅微机械技术制作的N×N光开关，其特征在于每个1×N或N×1光开关的制作步骤是(1)首先将聚焦透镜或透镜(306)用胶水固定在保护套(305)中，然后用垫圈(304)将其压紧；(2)制作好的光纤陈列(301)先放在外套(303)中，并在结合处用胶水固定，把带有保护套(305)的聚焦透镜(306)放入外套(303)中，在侧壁用胶水固定；(3)光光反射压电驱动装置放入，卡在外套(303)的另一端台阶上，再用压圈(310)压紧。
7.权利要求6所述基于硅微杨械技术制作的N×N光开关，其特征在于所述的光反射压电驱动装置是用硅—硅键合或硅—玻璃键合技术，将反射镜(403)和反射装置(307)连成一体，形成二维转动的反射镜(403)，非相邻的驱动棒(308)的连线处于正交的位置，并相交于中心位置，四个驱动棒(308)的伸缩相互独立。
8.按权利要求6或7所述的基于硅微杨械技术制作的N×N光开关，其特征在于所述的光反射压电驱动装置中的压电驱动棒由多层压电材料彩用靠背方式，电学上串联，机械上并联结构；每层分别用引线引出再连成一极。
9.按权利要求8所述基于硅微杨械技术制作的N×N光开关，其特征在于压电驱动棒的端加工成球状，采用干法腐能，在硅片表面作四个锥形孔，锥孔的位置与非相邻的锥孔连线处于正交的位置，并相交于中心位置形成上盖板(402)和下盖板(401)，将驱动棒(308)插入下盖板(401)再将上盖板(402)扣上，然后用环氧树脂或键合技术连成一体。
10.按权利要求6所述基于硅微械技术制作的N×N光开关，其特征在于反射镜(403)一面蒸金作反射层。
全文摘要
本发明涉及基于微机械技术的N×N光开关，其特征在于先制作2N个1×N或N×1光开关，然后将1×N或N×1光开关的输入输出系用全连接熔接。采用压电材料作为驱动方式，包括输入输出光纤阵列、夹持板、聚焦透镜、反射镜和驱动装置的连接方式。所采用的驱动装置，以及驱动装置的制作。其中夹持板采用硅微机械技术制作，反射镜和驱动装置的连接采用键合技术，以及硅微机械技术制作的连接方式。采用上述方法制作光纤阵列板、反射镜阵列，再配以透镜阵列，作为光耦合层、光传输层、光反射驱动层，构成了N×N光开关。可以大大的减小光开关的体积，降低N×N光开关的装配难度，增大光开关的容量，从而易于实现N×N的光交换。
文档编号G02B6/35GK1456908SQ0312899
公开日2003年11月19日 申请日期2003年5月30日 优先权日2003年5月30日
发明者吴亚明, 屈红昌 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所