CN102998794A - 微机电***双稳态光学开关及其使用方法 - Google Patents

微机电***双稳态光学开关及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种光学开关，其包含：双稳态组件；反射组件，其以操作方式连接到双稳态组件；第一电热弯曲梁激励器；第一接触组件，其以操作方式连接到第一电热弯曲梁激励器组件，第一电热弯曲梁激励器组件和第一接触组件安置成使双稳态组件和反射组件能够从第一稳定配置推进到第二稳定配置；第二电热弯曲梁激励器组件；以及第二接触组件，其以操作方式连接到第二电热弯曲梁激励器组件，第二电热弯曲梁激励器组件和第二接触组件安置成使双稳态组件和反射组件能够从第二稳定配置推进到第一稳定配置。

Description

微机电***双稳态光学开关及其使用方法
技术领域
这些技术教导大体上涉及MEMS光学开关。
背景技术
光学开关是沿着光学网络的选定光纤传送光学信号的装置。这些开关构成现代光学网络的基础构建基块。现有技术光学开关主要是基于执行机械运动、改变波导耦合比且执行偏振旋转的机构。基于机械继电器的光学开关具有大尺寸。在MEMS技术中已重在关注小尺寸的光学开关。其中，基于MEMS静电旋转镜的装置是最常见的一种方法。然而，这些装置需要高电场来产生足够的激励力，这导致需要成本高的气密封装。此外，这些装置是非闩锁的，且在失去外部电力时开关状态会丢失。使用电热激励的双稳态机构也用于光学开关。然而，那些装置针对垂直蚀刻镜使用平面内激励，从而导致制造成本较高且镜尺寸深度较小。
因此，需要一种改进的MEMS开关设计，其尺寸小、超稳定、闩锁、成本低且容易制造、尺度可适于多个输出口。
发明内容
这些教示的光学开关的一个实施例包含：双稳态组件，其包括一个或一个以上第一梁和一个或一个以上第二梁；反射组件，一个或一个以上第一梁从第一支撑件延伸到反射组件上的位置，一个或一个以上第二梁从第二支撑件延伸到反射组件上的所述位置，反射组件以操作方式连接到双稳态组件；第一电热弯曲梁激励器组件，其从第一电极延伸到第二电极；第一接触组件，其以操作方式连接到第一电热弯曲梁激励器组件，第一电热弯曲梁激励器组件和第一接触组件安置成使双稳态组件和反射组件能够从第一稳定配置推进到第二稳定配置；第二电热弯曲梁激励器组件，其从第三电极延伸到第四电极；以及第二接触组件，其以操作方式连接到第二电热弯曲梁激励器组件，第二电热弯曲梁激励器组件和第二接触组件安置成使双稳态组件和反射组件能够从第二稳定配置推进到第一稳定配置。
本发明也揭示这些教示的光学开关的各种其它实施例。
本发明也揭示这些教示的光学开关的操作方法的实施例和用于制造这些教示的光学开关的方法的实施例。
为了更好地理解本发明教示以及本发明教示的其它和另外目标，参看附图和具体实施方式，且本发明教示的范围将在所附权利要求书中指出。
附图说明
图1是这些教示的光学开关的一个实施例的示意表示；
图1a和图1b是这些教示的光学开关的另一实施例的示意表示。
图2是这些教示的光学开关的一个实施例中的双稳态组件中的位移－力关系的图解表示；
图2a和图2b展示利用这些教示的光学开关的实施例的光学***；
图3是这些教示的光学开关的又一实施例的示意表示；
图4a和图4b是这些教示的光学开关的一个组件的实施例的示意表示；以及
图5a到图5e是用于制造这些教示的装置的过程的实施例的图解说明。
具体实施方式
以下具体实施方式描述进行这些教示的当前最佳预期模式。不应在限制性意义上理解所述描述，而是仅为了说明这些教示的一般原理而进行所述描述，这是因为这些教示的范围最佳是由所附权利要求书界定。
在一个实施例中，本发明教示通过提供一种光学开关来克服上述问题，所述光学开关使用微机电***（MEMS）装置的与一个或一个以上光纤准直器对准的一个或一个以上元件以将光束从一个或一个以上输入口导引到一个或一个以上输出口。在那个实施例中，MEMS 芯片具有悬挂在自闩锁双稳态机构上的平面内光学反射组件（例如但不限于镜）和两个电热激励器组件。激励器将双稳态机构从其第一稳定位置驱动到其第二稳定位置和从其第二稳定位置驱动到其第一位置。因此，通过光束的透射或反射，悬挂镜在不同稳定位置处将垂直于MEMS装置平面的平面中的光束引导到不同输出口。
在本发明教示的一个实施例中，上述光学开关包含：MEMS双稳态镜配置，其包括具有平面表面的框架；两个MEMS激励器，其将平面表面中的反射镜驱动到其稳定位置，以导引从电磁辐射源（例如但不限于光纤）传输的光束。
在一个实施例中，反射镜表面是由多个相同的并联双稳态机构悬挂，这些机构约束镜在镜面平面中的运动。
在一个实施例中，由弯曲梁段形成的双稳态机构布置成相对于悬挂镜对称且锚定在外框架处。
在一个实施例中，每一激励器组件是由具有最佳位移输出的多个平行的电热V形梁形成。
在一个实施例中，每一组激励器具有沿着双稳态机构的一个中心或多个接触表面以将镜推到不同稳定位置。当使用多个接触表面时，不同的接触表面可能具有不同的接触时序。这可减低每一接触表面上的机械磨损以增加接触循环寿命。偏心激励也可增加镜的行进距离。
在一个实施例中，一个或一个以上接触表面具有柔性表面和刚性表面，以在施加接触力时形成自接触。这可减低每一表面上的接触力，因此增加了接触使用寿命。当不同的接触表面具有不同的时序时，可进一步提高接触持续时间。
在一个实施例中，可通过双稳态机构的组件（在一个实施例中是硅导线）的电阻改变来检测镜位置，所述电阻改变是由双稳态机构的应变引起。在此第一稳定位置处，双稳态机构实质上无应变，而在第二稳定位置处，产生应变。
在一个实施例中，可通过电容改变来检测镜位置，所述电容改变是由在每一稳定位置处接触表面之间的间隙改变引起。
在一个实施例中，通过仅使用几个步骤来简化MEMS制造步骤，其中最少量的遮罩使用绝缘体上硅（SOI）晶片。
图1说明MEMS双稳态光学开关芯片的实施例的示意图。MEMS双稳态光学开关芯片1包含：衬底49（双稳态光学开关芯片从衬底被提起的实施例也在这些教示的范围内），其具有平面表面框架16；反射镜2，其布置在平面表面16上；双稳态机构3，其是由两个弯曲梁4和5形成且相对于镜2的中心对称；两个电热激励器6和11。双稳态机构3将镜2悬挂在框架16上。多个相同的并联双稳态机构3用来限制镜在平面16中沿着双稳态机构的对称轴或Y轴的运动。图2中展示双稳态机构的典型的位移－力关系。两个稳定位置是如在标绘图中所标记。如图2所标记，每一稳定位置具有最大断开力。
双稳态机构的数个可能实施例在这些教示的范围内。例如但不限于在颁予Qui等人的美国专利第6,911,891号（其全文出于所有目的而以引用的方式并入本文中）中所揭示的实施例和在以下文献中所揭示的实施例的实施例在这些教示的范围内：Jin Qiu、Lang,J.H.、Slocum,A.H.的A curved-beam bistable mechanism（弯曲梁双稳态机构），Journal ofMicro-electromechanical Systems（微机电***学报），2004年4月，第13卷第2期第137到146页；Casals-Terre,J.、Shkel,A.的Dynamic Analysis Of A Snap-ActionMicromechanism（快动微机构的动态分析），2005IEEE Sensors（2005IEEE传感器），2005年；以及Youngseok Oh的Synthesis of Multistable Equilibrium Compliant Mechanisms（多稳态平衡柔顺机构的合成），博士论文，密歇根大学，2008年，所有这些文献的全文出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
电热激励器6用来将双稳态机构从第一稳定位置切换到第二稳定位置，或将镜2从第一稳定位置切换到第二稳定位置。电热激励器11用来将双稳态机构从第二稳定位置切换到第一稳定位置，或将镜2从第二稳定位置切换到第一稳定位置。激励器6具有多个相同的并联V形梁导线结构54、力与位移转换梁7以及接触表面8、9和10（力与位移转换梁7以及接触表面8、9和10是第一接触组件的一个实施例，且力与位移转换梁12以及接触表面13、14和15是第二接触组件的一个实施例），以与双稳态机构3相互作用。应注意，单个接触表面9可用于激励且为本专利所涵盖。激励器6具有在框架表面16上的两个电极37和38。当在电极上施加电压差时，驱动电流将会施加到激励器6的导线（梁）54，导线54以及接触表面8、9和10将会沿着Y轴移动到接近于双稳态机构3和镜2。那些接触表面处的接触力将会把双稳态机构3和镜2推到其第二稳定位置。多个表面8、9和10与双稳态机构3和镜2啮合的时序不同，其中首先是表面9与双稳态机构3和镜2啮合，然后是表面8和10与双稳态机构3和镜2啮合。此不同的接触时序可极大地减少每一表面处的机械磨损，因此增加了开关循环寿命。偏心接触表面8和10也可增加镜2的行进距离，且因此增加了镜尺寸。
在图1所示的实施例中，激励器11具有多个V形梁（也被称为“弯曲梁”）导线（梁）结构53。当通过表面16上的电极41和42向导线53施加电流时，导线53的中心将会把接触表面13、14和15移动到接近于镜2和双稳态机构3。接触力将会把双稳态机构3和镜2从第二稳定位置移动到第一稳定位置。多个接触表面13、14和15用来减低机械磨损、增加接触持续时间且增加镜2沿着Y轴的行进距离。
多种弯曲梁激励器在这些教示的范围内。激励器是例如但不限于在以下文献中所揭示的激励器：K.Cochran的美国专利第6,853,76号；以及Long Que等人的Bent-BeamElectrothermal Actuators—Part I:Single Beam and Cascaded Devices（弯曲梁电热激励器－第I部分：单梁和级联装置），Journal of Microelectromechanical Systems（微机电***学报），2001年6月，第10卷第2期，这两篇文献的全文出于所有目的而以引用的方式并入本文中。除了双金属激励器以外的激励器在这些教示的范围内。
在沿着Y方向的镜尺寸等于或小于双稳态机构沿着Y方向的（最大）行进距离（镜在实质上垂直于接触表面的方向上行进的距离）的情况下，当垂直于平面16的平面中的光束具有等于或小于镜尺寸的光束尺寸时，镜2可在一个稳定位置处完全阻挡光束且将光束导引到不同方向，而在另一稳定位置处使光束无影响地继续在原始方向上传播。多个光束与这些MEMS芯片可用来形成具有多个输入口和多个输出口的开关。
镜2的稳定位置可由双稳态机构3的固有应变计属性检测。在第一稳定位置处，双稳态机构实质上无应变，而在第二稳定位置处，产生大的应变。因此，通过测量电极39与电极40之间的电阻改变，可检测镜2的位置。用来检测镜2的位置的方法的另一实施例是检测电极37和39或39和41处的电容改变，所述电容改变是由不同稳定位置处的接触表面之间的间隙改变引起。
在图1a和图1b所示的另一实施例中，双稳态机构3是由两个弯曲梁（83、84）组成，且每一弯曲梁激励器6、11的一个梁是由两个部分组成（第一弯曲梁激励器6是由部分60、65组成，第二弯曲梁激励器11是由部分75、70组成）。在图1a和图1b所示的实施例中，第一接触组件81具有单个接触表面85，且第二接触组件89具有单个接触表面87。图1a展示处于第一稳定配置的双稳态组件3，且图1b展示处于第二稳定配置的双稳态组件3。
在图3所示的又一实施例中，MEMS双稳态光学开关17包括：衬底50（双稳态光学开关从衬底被提起的实施例也在这些教示的范围内），其具有平面表面框架17；反射镜18，其布置在平面表面17上；双稳态机构19，其将镜18悬挂到框架17。多个相同的并联双稳态机构19用来限制镜在平面16中沿着双稳态机构的对称轴或Y轴的运动。
电热激励器22用来将镜18从其第一稳定位置切换到其第二稳定位置。电热激励器27用来将镜18从其第二稳定位置切换到其第一稳定位置。激励器22具有接触表面24、25和26以与双稳态机构19相互作用。如图4a所示，接触表面25具有柔性框架33和内部临近刚性表面34。当施加接触力时，接触表面25将变得自接触。这可减低每一表面上的接触力，因此增加了接触使用寿命。图4b展示自接触偏心接触表面26的设计。相似地，当施加接触力时，柔性框架35将与内部临近刚性表面36接触。因此，针对每一表面的接触力减低。相似地，如图4a和图4b所示，用于将镜18从其第二稳定位置切换到其第一稳定位置的激励器27具有如下接触表面：自接触表面29、30和31。
在一个实施例中，这些教示的方法包含：提供如上文所描述的光学开关，其中双稳态组件和反射组件处于初始状态，初始状态是第一稳定配置或第二稳定配置；在激励组件上施加预定电压，取决于初始状态，激励组件是第一电热弯曲梁激励器或第二电热弯曲梁激励器。预定电压使等于或高于预定电流的电流流过激励组件。激励组件中的电流使激励组件和驱动组件（驱动组件是第一接触组件或第二接触组件）将反射组件的双稳态组件从初始状态推进到第二状态，第二状态是另一稳定配置。通过将反射组件从一个稳定配置移动到另一稳定配置，一个或一个以上光束被切换。
这些教示的方法的上述实施例也可包含测量双稳态组件的电阻改变，以便确定双稳态组件是处于第一稳定配置还是处于第二稳定配置。在另一例子中，所述方法的实施例包含测量第一电热弯曲梁激励器与双稳态组件之间或第二电热弯曲梁激励器与双稳态组件之间的电容改变。这些教示的方法的以上实施例并不限于双稳态组件处于第一稳定配置或第二稳定配置的配置。适用于任一配置的方法在这些教示的范围内。
当第一接触组件具有第一数目个接触表面且第二接触组件具有第二数目个接触表面时，在激励组件（第一电热弯曲梁激励器或第二电热弯曲梁激励器）上施加预定电压会使每一接触表面（在第一数目个接触表面中或第二数目个接触表面中）在时序中的不同时间（也被称为在数个预定时间中的一个预定时间）进行接触。
图2a和图2b说明光学***的一个实施例中的光学开关的操作，这些教示并不仅限于那个光学***。参看图2a和图2b，其中所示的实施例100包括：例如上文所揭示的光学开关1；第一光学***101和第二光学***102；以及光束108、109，其在光学***101与光学***102之间传播。光束104和105射入/射出第一光学***101，且光束106和107射出/射入第二光学***102。在图2a所示的配置中，两个光束108、109在第一光学***101与第二光学***102之间无阻碍地传播。当操作光学开关且反射组件移动到另一稳定配置（如图2b所示）时，反射组件与传播光束108、109相交。传播光束108、109可偏转到不同于另一光学***的位置。
在一个实施例中，通过使用绝缘体上硅（SOI）晶片来简化MEMS制造步骤。MEMS制造步骤仅包括以下5个步骤：使正面和背面图案化；正面深反应离子蚀刻（DRIE）；背面DRIE；内埋氧化层（box）氧化物释放；以及前后金属沉积。此处理具有以下优点：每个步骤因晶片结构而具有界定的终止层；因此强有力地简化了过程控制监视。具体来说，正面DRIE将在内埋氧化层处终止，背面DRIE也将在内埋氧化层处终止，氧化物释放将具有对Si材料的最小蚀刻速率，且金属沉积步骤（优选为干式处理步骤）对回位弹簧的影响将最小。图5a到图5b中展示过程流程。过程从图5a的SOI晶片衬底开始，进行到图5b的装置层图案化，接着进行到图5c的用来保护装置的BOX层图案化，接着进行到图5d的背面释放蚀刻，且最后进行到图5e的剩余BOX剥离，从而形成已完成的光学开关。
出于描述和界定本发明教示的目的，应注意，术语“实质上”在本文中用来表示可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。术语“实质上”在本文中也用来表示在不会导致争论中的标的物的基本功能改变的情况下定量表示可从规定参考变化的程度。
尽管已关于各种实施例描述了本发明，但应认识到，这些教示也能够适用于在所附权利要求书的精神和范围内的各种各样的另外和其它实施例。

Claims (21)

1.一种光学开关，其包括：
双稳态组件，其包括一个或一个以上第一梁和一个或一个以上第二梁；
反射组件；所述一个或一个以上第一梁从第一支撑件延伸到所述反射组件上的位置；所述一个或一个以上第二梁从第二支撑件延伸到所述反射组件上的所述位置；所述反射组件以操作方式连接到所述双稳态组件；
第一电热弯曲梁激励器组件，其从第一电极延伸到第二电极；
第一接触组件，其以操作方式连接到所述第一电热弯曲梁激励器组件；所述第一电热弯曲梁激励器组件和所述第一接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从第一稳定配置推进到第二稳定配置；
第二电热弯曲梁激励器组件，其从第三电极延伸到第四电极；以及
第二接触组件，其以操作方式连接到所述第二电热弯曲梁激励器组件；所述第二电热弯曲梁激励器组件和所述第二接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从所述第二稳定配置推进到所述第一稳定配置。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一接触组件包括数个第一接触表面；且其中所述第二接触组件包括数个第二接触表面。
3.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一接触组件包括第一接触表面；且其中所述第二接触组件包括第二接触表面。
4.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述双稳态组件以及所述第一电热弯曲梁激励器组件和所述第二电热弯曲梁激励器组件实质上位于平面表面中。
5.根据权利要求4所述的光学开关，其中所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极以及所述第一支撑件和所述第二支撑件也实质上位于所述平面表面中。
6.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一电热弯曲梁激励器组件包括多个弯曲梁激励器；且其中所述第二电热弯曲梁激励器组件包括多个弯曲梁激励器。
7.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述双稳态组件包括多个第一梁和多个第二梁。
8.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一接触组件中的接触表面包括实质上柔性框架和安置在所述实质上柔性框架内部的实质上刚性表面；且其中所述第二接触组件中的另一接触表面包括另一实质上柔性框架和安置在所述另一实质上柔性框架内部的另一实质上刚性表面。
9.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述反射组件在从所述第一接触组件到所述第二接触组件的行进方向上的尺寸至多等于所述反射组件从所述第一稳定配置行进到所述第二稳定配置的距离。
10.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述反射组件在从所述第二接触组件到所述第一接触组件的行进方向上的尺寸至多等于所述反射组件从所述第二稳定配置行进到所述第一稳定配置的距离。
11.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述双稳态组件包括硅。
12.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一电热弯曲梁激励器组件包括硅；且其中所述第二电热弯曲梁激励器组件包括硅。
13.根据权利要求1所述的光学开关，其中所述第一支撑件包括第五电极；且其中所述第二支撑件包括第六电极。
14.一种用于切换一个或一个以上光束的方法，所述方法包括以下步骤：
提供开关，所述开关包括：
双稳态组件，其包括一个或一个以上第一梁和一个或一个以上第二梁；
反射组件，所述一个或一个以上第一梁从第一支撑件延伸到所述反射组件上的位置，所述一个或一个以上第二梁从第二支撑件延伸到所述反射组件上的所述位置；所述反射组件以操作方式连接到所述双稳态组件；
第一电热弯曲梁激励器组件，其从第一电极延伸到第二电极；
第一接触组件，其以操作方式连接到所述第一电热弯曲梁激励器组件；所述第一电热弯曲梁激励器组件和所述第一接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从第一稳定配置推进到第二稳定配置；
第二电热弯曲梁激励器组件，其从第三电极延伸到第四电极；以及
第二接触组件，其以操作方式连接到所述第二电热弯曲梁激励器组件，所述第二电热弯曲梁激励器组件和所述第二接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从所述第二稳定配置推进到所述第一稳定配置；所述双稳态组件和所述反射组件处于选自所述第一稳定配置和所述第二稳定配置的初始状态；当将所述第一稳定配置选择为所述初始状态时，所述第一电热弯曲梁激励器组件是激励组件且所述第一接触组件是驱动组件；当将所述第二稳定配置选择为所述初始状态时，所述第二电热弯曲梁激励器组件是所述激励组件且所述第二接触组件是所述驱动组件；
在所述激励组件上施加预定电压；所述预定电压至少使预定电流流过所述激励组件；以及
将所述双稳态组件和所述反射组件从所述初始状态推进到选自所述第二稳定配置和所述第一稳定配置的第二状态；所述预定电流使所述激励组件和所述驱动组件推进所述双稳态组件和所述反射组件；当所述反射组件从所述初始状态推进到所述第二状态时，所述一个或一个以上光束被切换。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一支撑件包括第五电极；且其中所述第二支撑件包括第六电极；且其中所述方法进一步包括测量所述双稳态组件的电阻改变的步骤；由此可将所述初始状态或所述第二状态确定为所述第一稳定配置或所述第二稳定配置。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一支撑件包括第五电极；且其中所述第二支撑件包括第六电极；且其中所述方法进一步包括测量所述第一电热弯曲梁激励器组件与所述双稳态组件之间的电容改变的步骤；由此可将所述初始状态或所述第二状态确定为所述第一稳定配置或所述第二稳定配置。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一支撑件包括第五电极；且其中所述第二支撑件包括第六电极；且其中所述方法进一步包括测量所述第二电热弯曲梁激励器组件与所述双稳态组件之间的电容改变的步骤；由此可将所述初始状态或所述第二状态确定为所述第一稳定配置或所述第二稳定配置。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述驱动组件包括数个接触表面；且其中所述在所述激励组件上施加预定电压的步骤包括如下步骤：在数个预定时间中的一个预定时间起始所述数个接触表面中的一个接触表面与所述双稳态组件和所述以操作方式连接的反射组件之间的接触。
19.一种制造光学开关的方法，所述方法包括以下步骤：
使绝缘体上硅（SOI）晶片的正面和背面图案化；且正面被图案化以形成光学开关结构，所述光学开关结构包括：
双稳态组件，其包括一个或一个以上第一梁和一个或一个以上第二梁；
反射组件，所述一个或一个以上第一梁从第一支撑件延伸到所述反射组件上的位置，所述一个或一个以上第二梁从第二支撑件延伸到所述反射组件上的所述位置；所述反射组件以操作方式连接到所述双稳态组件；
第一电热弯曲梁激励器组件，其从第一电极延伸到第二电极；
第一接触组件，其以操作方式连接到所述第一电热弯曲梁激励器组件；所述第一电热弯曲梁激励器组件和所述第一接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从第一稳定配置推进到第二稳定配置；
第二电热弯曲梁激励器组件，其从第三电极延伸到第四电极；以及
第二接触组件，其以操作方式连接到所述第二电热弯曲梁激励器组件，所述第二电热弯曲梁激励器组件和所述第二接触组件安置成使所述双稳态组件和所述反射组件能够从所述第二稳定配置推进到所述第一稳定配置；
对所述SOI晶片的所述正面进行深反应离子蚀刻（DRIE）；
对所述SOI晶片的所述背面进行深反应离子蚀刻（DRIE）；以及
释放所述SOI晶片的内埋氧化层（box）氧化物；所述释放会产生所述光学开关结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括将材料沉积在可变光学衰减器结构的预定部分上的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述沉积材料的步骤包括将反射层沉积在所述反射组件的至少一个表面上的步骤。
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