CN1637457A - 光学开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学开关及其制造方法。在本发明中，基底层具有接收光信号的输入端以及有选择地接收来自于输入端的光信号从而把光信号传输到外面的输出端。在与光信号交叉的方向上，微型镜面分别可移动地位于从输入端接收光信号的光信号通路上，以便有选择地将光信号从第一光通路改变到第二光通路上。MEMS致动元件在光通路上面的层中形成并且分别和微型镜面连接，以便在和光信号交叉的方向驱动微型镜面。

Description

光学开关及其制造方法

优先权

本发明要求在韩国专利局申请的韩国专利申请No.2004-1360(申请日为2004年1月9日)的利益，其公开在此参考引述。

技术领域

本发明涉及一种光学开关及其制造方法，更具体地说，本发明的光学开关及其制造方法可以形成不同厚度的微型镜面和致动元件的双级结构，以便于制造加工。更进一步，本发明中的光学开关及其制造方法可以缩短光通路，从而提高了集成度和整体的光传输性能。

背景技术

在本领域众所周知的是，矩阵光学开关(M-OSW)是光通讯技术的核心元件。矩阵光学开关具有由N个输入端和N个输出端组成的矩阵，通过该矩阵，从某个输入端输入的光信号的路径被改变到想要的输出端。直到现在，在把光信号送到输出端之前，这种类型的光学开关是把通过输入端的输入光信号转换成电信号，以进行信号处理，然后再把电信号转换为光信号。

近来，在微机电***(MEMS)技术的基础上开发出了用于实现矩阵光学开关的新技术，该技术是利用微型镜面和微型致动元件来改变经输入端引入的光信号的路径，而不需要把光信号转换成电信号。这种MEMS矩阵光学开关比OEO型的矩阵光学开关显示出更快的开关速度。

图1为现有技术的MEMS矩阵光学开关的平面图，图2为图1所示的光学开关的剖视图。

如图1和图2所示，现有技术的MEMS矩阵光学开关包括N个输入光纤101和N个输出光纤103。输入光纤101和输出光纤103连同N×N个微型镜面116一起被布置在致动元件衬底110之上的同一层。用于导引光线平行的透镜102和104连接到光纤101和103的前端，目的是避免输入光纤101和输出光纤103里面的光散射引起的光损耗。由于透镜102和104的直径大于光纤的直径，所以它们增大了光的直径，以及用来改变光线路径的微型镜面116的尺寸。

进一步，用于驱动微型镜面116的致动元件位于衬底110之上，并带有固定部分115和驱动部分114，它们和微型镜面116由同样结构的层中同时成形。这样，致动元件和微型镜面116的厚度一样。在这种情况下，由于微型镜面116和致动元件以及光通路107位于等高的平面上，所以就要求在致动元件之间保证有光通路的空间。这样就很难减小光学开关的尺寸或者光的损耗，因为光通路几乎不可能缩短。同样，由于整体尺寸的限制，通过提高通道数量提高集成度是不可能的。

另外，在制造加工方面存在着另外一个问题，就是致动元件具有和微型镜面不同的蚀刻性能和期望的蚀刻水平。也就是，致动元件要加工成比微型镜面更加紧凑和复杂的结构。因此，将要蚀刻成致动元件的结构的某个区域和将要蚀刻成微型镜面的那些区域在宽度和面积方面明显不同。特别是，在具有相对梳状元件的梳状致动元件里面，形成梳状元件的梳状区域的蚀刻宽度和面积与形成微型镜面的那些微型镜面的区域差别很大。

在这种情况下，致动元件形成区域被蚀刻的宽度比微型镜面形成区域蚀刻的宽度小，这样在蚀刻的时候，蚀刻气体就有不可能充分流动或者扩散开。从而在深度方向致动元件在单位时间内的蚀刻速率就变得比微型镜面的小。微型镜面形成区域蚀刻的宽度大，这样反应气体进入并且扩散得快，其蚀刻速率就比致动元件形成区域的蚀刻速率高。考虑到上述致动元件具有低蚀刻速率的情况，就在高蚀刻速率的加工条件下进行蚀刻，目的是在同一层形成致动元件和微型镜面。但是，在高蚀刻速率下进行蚀刻带来一个严重的问题，那就是微型镜面的侧壁由于和蚀刻速率成比例地逐渐变得粗糙，并且长时间暴露在反应气体之中，从而被损坏。还有一个问题，就是为了蚀刻较低蚀刻速率的致动元件，就要求蚀刻掩膜厚且坚硬，以经受长蚀刻时间和高蚀刻速率的加工条件。

如果蚀刻掩膜不够厚或者坚硬，蚀刻区域在高蚀刻速率和长蚀刻时间的加工条件下，就不会保持其形状，这样就不能形成期望的结构。但是，增加蚀刻掩膜的厚度和硬度也限制了蚀刻掩膜的可选择性，降低了蚀刻图形的精确性。

因此，在本技术领域内不断地进行了各种各样的研究，以克服上述结构和过程中产生的那些问题。

发明内容

本发明就是用来解决现有技术存在的上述问题，所以本发明的目的就是提供一种光学开关，其具有在不同的层形成致动元件和微型镜面，这样就减小了其尺寸，增加了通道数量并缩短了光通路，从而减少了光的传输损耗。

本发明的另一个目的是提供一种光学开关的制造方法，可以在不同的层中形成致动元件和微型镜面，以便于制造光学开关并且提高生产的结构元件的性能。

根据实现上述目的的本发明的一个方面，提供了一种光学开关，其包括：一个基底层，其上有用于接收光信号的输入端以及用于有选择地接收来自于输入端的光信号并且把光信号传送到外面的输出端；微型镜面，可移动地分别设在来自于基底层的输入端的光信号的光通路上，每个微型镜面可以在和光信号交叉的方向移动，从而有选择地把来自于第一光通路的光信号的路径改变到第二光通路上；微机电***(MEMS)致动元件，它们在光信号通路之上的层中形成，并分别和微型镜面相连接，用于在和光信号交叉的方向上驱动微型镜面。

优选的是，基底层装有预定高度的支撑结构，这样MEMS致动元件就可以固定在支撑结构的上面而不干扰光信号通路。

优选的是，输入端由N个以固定间隔布置的光纤组成，输出端由N个以固定间隔布置的光纤组成，微型镜面和MEMS致动元件都形成N×N矩阵以和输入和输出端相对应。

优选的是，微型镜面具有一个初始位置以反射沿着光信号通路传播的光信号，当它在MEMS致动元件的作用下被拉时可以从初始位置向着MEMS致动元件的方向移动。

同样优选的是，MEMS致动元件包括梳状致动元件。

根据实现上述目的的本发明另一个方面，提供的光学开关包括：基底层，其具有N个光纤的输入端以用于接收光信号，以及N个光纤的输出端以用于有选择接收来自于输入端的光信号，以将其传输到外面；N×N个微型镜面，分别可移动地位于从输入端光纤伸出的第一光信号通路以及从输出端光纤伸出的第二光信号通路交叉的各部分，每个微型镜面可以在和光信号交叉的方向移动，从而有选择地把来自于第一光通路的光信号的路径改变到第二光通路上；致动层，其具有N×N个形成于光信号通路之上的微机电***(MEMS)致动元件，所述的致动元件分别和微型镜面相连接，在和光信号交叉的方向上驱动微型镜面。

优选的是，基底层装有预定高度的支撑结构，这样致动层就可以放置在支撑结构的上而不干扰光信号通路。

优选的是，微型镜面具有一个初始位置以反射沿着光信号通路传播的光信号，当它在MEMS致动元件的作用下被拉时，可以从初始位置向着MEMS致动元件的方向移动。

同样优选的是，MEMS致动元件包括梳状致动元件。

根据实现上述目的的本发明的另一个方面，提供的光学开关的制造方法包括下列步骤：

蚀刻一块玻璃片以形成支撑结构；

制备一块硅片；

蚀刻硅片以形成各微型镜面；

把硅片粘结在玻璃片上，这样硅片的微型镜面就位于玻璃片的支撑结构之间。

蚀刻硅片以形成MEMS致动元件：和

排列输入和输出光纤，使得光信号就可以在玻璃片的支撑结构之间传播。

优选的是，支撑结构以预定的高度形成，这样MEMS致动元件就不会干扰光信号通路。

优选的是，输入端由N个以固定间隔布置的光纤组成，输出端由N个以固定间隔布置的光纤组成，微型镜面和MEMS致动元件都形成N×N矩阵以和输入和输出端相对应。

优选的是，MEMS致动元件包括梳状致动元件。

附图说明

下面将结合附图给予详尽说明，以更加清楚地理解本发明的上述以及别的目的，特征以及其它优点。其中：

图1为现有技术的基于MEMS的矩阵光学开关的平面图；

图2为图1中的光学开关的剖视图；

图3为本发明的光学开关的平面图；

图4为本发明的光学开关的剖视图；和

图5A到5H为本发明的光学开关的制造方法的分步骤剖视图；

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例，其中图3为本发明的光学开关的平面图，图4为本发明的光学开关的剖视图。

本发明的光学开关设计为，在与光信号交叉的方向，在光通路上的的微型镜面可以由致动元件移动，致动元件位于和光通路不同的层上，以便提高集成度。

在图3中，光学开关包括位于基底层上的光信号输入端3和光信号输出端6。光信号输入端3包括以预定间隔布置的N个光纤1，并且用以防止光信号散射的镜头2和光纤1的末端相连接。同样，输出端6包括和输入端3中的光纤1数量相等的N个光纤5，镜头4位于光纤的末端以集中从输入端传播来的光信号。输出端6用来有选择地接收来自于输入端3的光信号，以把所述的光信号传输到外面。

输入和输出端的光纤是主要由透明度良好的玻璃，或者有时为合成树脂制成的光纤产品。光纤为中心带有芯的双圆柱结构，环绕芯的周围是外覆层。合成树脂覆层加在光纤外表面上用以防止光纤受外部影响。光纤的芯具有比覆层的折射率高的预定的折射率，以致光信号就可以集中在芯上，并沿着光纤传播而没有损失。

在基底层10上形成的光信号通路20，用以引导通过输入端3输入的光信号。光信号通路20表示允许光信号没有任何干扰地传播的空间。光信号通路20上布置有各微型镜面16，它们可以在和光信号交叉的方向上移动。

微型镜面16反射向着输出端6改变路径的输入光信号。每个微型镜面16的自由端和光信号接触，微型镜面的位于所述自由端之上的另一端和驱动微型镜面16的致动元件连接。

设有用于驱动微型镜面16的多个致动元件11。它们是微机电***(MEMS)致动元件。

MEMS致动元件是微型驱动装置，每个致动元件具有一个在硅片上蚀刻而成的驱动结构，当给驱动结构施加电压的时候，就执行微型致动动作。微型镜面16和MEMS致动元件整体成形。

MEMS致动元件11在位于光信号通路20之上的致动层40上形成。如图4所示，致动层40位于光信号通路20之上，微型镜面16在相应于从光通路20到致动层40的区域成形。微型镜面16的上部和相应MEMS致动元件的驱动部分14相连接。致动层40本身形成分为驱动部分14和用以固定驱动部分14的固定部分15，这就组成了MEMS致动元件11。

每个MEMS致动元件11的固定部分15设有一个接收电压的接线端子(未画出)，继之所述电压从所述端子施加到MEMS致动元件11，以向其供电。优选的是，MEMS致动元件是梳状致动元件。

N×N个微型镜面16以及致动元件11分别相对应于放置在输入和输出端3和5上的光纤1和5的数量排列。也就是，微型镜面16和致动元件11形成一个N行N列的矩阵。

在基底层10上，如图4所示的支撑结构32向上凸出，光通路分别在支撑结构32之间形成。形成微型镜面16和致动元件11的驱动部分14以及形成固定部分15的致动层40分别位于支撑结构32的上面。

如图3所示，微型镜面16开始处于光信号通路上以反射光信号，在这种情形下，微型镜面能够响应致动元件的作用被拉以形成光信号通路。致动元件可以是梳状致动元件，并这样构成，一旦施加电压，可以在如图3所示的箭头方向拉微型镜面。

本发明的光学开关，其特征在于，与致动元件和光信号通路齐平形成的现有技术不同，致动元件与光通路在不同的层中形成。这样，沿着从基底层10的顶面到致动层40的两层形成微型镜面16。

因为根据本发明的光学开关，致动元件不在基底层10形成，所以其优点是，形成致动元件的那些区域可以省略。

也就是，光信号通路之间的间隙可以减小，而与现有技术技术不同。这可以通过在基底层之上的致动层中分开形成的致动元件实现。其结果是，本发明的光学开关可以比具有同样通道数量的现有技术的光学开关的尺寸做的更小。同样，光学开关可以设计得比同样尺寸的现有技术光学开关拥有更多的通道。

更进一步，根据本发明的结构，能够缩短光信号通路。也就是，如果通道数量和现有技术相等，基底层中的光信号通路之间的间隙减小，这样就缩短了从输入端到输出端的光信号通路。这种结构可以有利地避免光信号的传输损失。

同样，对现有技术技术来说，给各个通道施加分开的电信号是很关键的，因为致动元件和光信号通路在同一层里形成。但是，按照本发明，致动元件位于光通路之上，向致动元件施加电压的端子也位于光纤之上。这样的结果提供的优点是，改进了各个通道的端子以及与它连接的各图形的设计灵活性。

图5A到5H为本发明的光学开关制造方法的分步骤剖视图，下面将分步骤予以描述。

首先，制备一块制作光学开关的基底层10的玻璃片。优选的是用玻璃制成，更优选的是用透明玻璃制成，这样使得容易布置致动元件。在玻璃片10上，制作一个用作蚀刻掩膜的图形31。所述图形可以用诸如干膜的抗蚀材料制成(图5A)。

然后，按照图形31蚀刻玻璃片从而形成支撑结构32。形成支撑结构32用来支撑致动层40，光信号通路在支撑结构32之间形成(图5B)。优选的是，支撑结构的高度形成得足够高，以防止致动元件14干扰基底层中形成的光信号通路。

制作完具有支撑结构32的基底层10后，制备一个分开的片40(图5C)。在片40上面制作一块形成微型镜面16的蚀刻图形41，按照蚀刻图形41把片40蚀刻成预定面积的微型镜面16(图5D)。

把上述带有微型镜面16的硅片40翻转过来，然后把它粘到玻璃片10的支撑结构32的顶上(图5E)。

然后，微型镜面16定位于支撑结构之间的光信号通路20上。进一步，抛光被粘住的硅片40使其达到预定的厚度(图5F)。

在硅片40顶上形成一个蚀刻图形51以形成MEMS致动元件。然后，按照蚀刻图形51把硅片40蚀刻形成驱动部分14和固定部分15，使得微型镜面16和驱动部分14相连接(图5G和5H)。

在这一步骤同时形成给致动元件施加电压的端子以及其它图形。优选的是，致动元件是梳状致动元件。

当如上所述的基底层的玻璃片和位于玻璃片上面的致动层的硅片制作完成之后，在玻璃片的支撑结构之间布置输入和输出端的光纤，这样光信号就可以通过它们传播。因为输入和输出端的光纤分别以N个通道布置，所以致动层的硅片40具有N×N个致动元件和微型镜面。

按照本发明的光学开关的制作方法，分别形成具有光信号通路的基底层以及位于基底层之上的致动层。这样的结果就是，避免了微型镜面和致动元件在同一个层上同时形成时，由于蚀刻特性不同而带来的问题。也就是，考虑到上述的致动元件具有较低蚀刻速率的情况，就在高蚀刻速率的加工条件下进行蚀刻，以在同一层形成致动元件和微型镜面。但是，以高的蚀刻速率蚀刻产生一个严重的问题，就是微型镜面的侧壁会与蚀刻速率成比例地逐渐变得粗糙，并且长时间暴露在蚀刻气体中而被损坏。另外一个问题就是，为了蚀刻较低蚀刻速率的致动元件，从而要经受长的蚀刻时间以及高的蚀刻速率的加工条件，这就要求蚀刻掩膜必须厚且坚硬。

但是，根据本发明，微型镜面首先在致动层中形成，把它放置在基底层上处于翻转的位置，以形成致动元件。也就是，致动元件和微型镜面以分开的步骤形成，微型镜面与致动元件的蚀刻条件无关地形成，这样就避免了表面被损坏的问题。

在现有技术技术中，只有微型镜面厚度和致动元件厚度相等才能够移动，因为微型镜面和致动元件在同一层同时形成。根据本发明，微型镜面的厚度(或者垂直高度)可以和致动元件的厚度不同。更优选的是，致动元件可以做的足够薄，更有利于缩短制造时间，提高工作效率，减小蚀刻步骤中蚀刻图形的厚度。

根据上述的本发明，在不同层中形成致动元件和微型镜面以减小光学开关的尺寸，增加了通道数量，缩短了光通路，从而减小了光的传输损失。

进一步，在光学开关的制造过程中，致动元件和微型镜面按照分开的加工过程在不同的层中形成，方便了光学开关的制造加工，同时提高了生产的结构元件的性能。

结合优选实施例对本发明进行了描述和图示，对本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对本发明作改进和变化。

Claims (13)

1.一种光学开关，其中，包括：

基底层，具有用来接收光信号的输入端以及用来有选择地接收来自于输入端的光信号从而把光信号传输到外面的输出端；

微型镜面，可移动地位于光信号的光信号通路上，所述的光信号分别来自于基底层的输入端，每个所述微型镜面可以在和光信号交叉的方向上移动，从而从第一光通路到第二光通路有选择地改变光信号路径；和

微机电***(MEMS)致动元件，分别在光信号通路之上的层中形成，并且和各微型镜面相连接，用于在与光信号交叉的方向上驱动微型镜面。

2.权利要求1所述的光学开关，其中，所述的基底层设有预定高度的支撑结构，使得所述MEMS致动元件固定在支撑结构之上，而不干扰光信号通路。

3.权利要求1所述的光学开关，其中，所述输入端包括以固定间隔分布的N个光纤，所述输出端包括N个以固定间隔分布的光纤，微型镜面和MEMS致动元件都被设置成N×N矩阵，以对应于输入和输出端。

4.权利要求1所述的光学开关，其中，微型镜面具有一个用于反射沿着光信号通路上传播的光信号的初始位置，并且通过MEMS致动元件的作用被拉时，可以从初始位置向MEMS致动元件移动。

5.权利要求1所述的光学开关，其中，所述MEMS致动元件包括梳状致动元件。

6.一种光学开关，其中，包括：

基底层，其具有用来接收光信号的N个光纤组成的输入端，以及用来有选择地接收从输入端来的光信号以把光信号传输到外面的N个光纤组成的输出端；

N×N个微型镜面，各自可移动地位于从输入端光纤伸出的第一光信号通路和从输出端光纤伸出的第二光信号通路交叉的各部分上，每个微型镜面可以在和光信号交叉的方向移动，从而从第一光通路到第二光通路有选择地改变光信号路径；和

致动层，具有N×N个微机电***(MEMS)致动元件，所述致动元件分别在光信号通路的上面形成并且和微型镜面相连接，在和光信号交叉的方向驱动微型镜面。

7.权利要求6所述的光学开关，其中，基底层设有预定高度的支撑结构，使得致动层固定在支撑结构之上，而不干扰光信号通路。

8.权利要求6所述的光学开关，其中，微型镜面具有反射沿着光信号通路上传播的光信号的初始位置，并且通过MEMS致动元件的作用被拉时，可以从初始位置向MEMS致动元件移动。

9.权利要求6所述的光学开关，其中，MEMS致动元件包括梳状致动元件。

10.光学开关的制造方法包括下述步骤：

蚀刻一块玻璃片，以形成支撑结构；

制备一块硅片；

蚀刻硅片，以形成微型镜面；

把硅片粘在玻璃片上，以致硅片的微型镜面位于玻璃片的支撑结构之间；

蚀刻硅片，以形成MEMS致动元件；和

布置输入端和输出端的光纤，使得光信号可以在玻璃片的支撑结构之间传播。

11.权利要求10所述的光学开关的制造方法，其中，支撑结构以预定高度形成，这样使得MEMS致动元件不干扰光信号通路。

12.权利要求10所述的光学开关的制造方法，其中，所述输入端光纤包括以固定间隔布置的N个光纤，所述输出端光纤包括以固定间隔布置的N个光纤，微型镜面和MEMS致动元件都被设置成N×N矩阵，以对应于输入端和输出端光纤。

13.权利要求10所示的制造方法，其中，所述MEMS致动元件包括梳状致动元件。

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