專利名稱：移動波導光開關及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光路開關及其制作方法，屬于光通信和微機領域，具體地說是一種新型2×2微機械光開關及其制作方法。
背景技術：
2×2微機械光開關在光通信中得到廣泛的應用。用這種開關單元可以組成大陣列的快速光交換矩陣，是光交叉連接(OXC)和光插分復用(OADM)網絡節點中關鍵的光通訊器件。
最近幾年來，微機械電子系統(MEMS)正在向光學方面滲透，形成了一種新的技術領域——微光機電系統(MOEMS)，微機械光開關就是其中之一。據有關專家預測這類開關器件是微機械系統(MEMS)在21世紀占有市場主要產業之一。微光機電系統(MOEMS)建立之前，由于傳輸光在自由空間的發散，光在自由空間有較大的傳輸損耗，因此光纖和光波導是光傳輸僅有的兩種傳輸介質。傳統的光開關如上所述是基于光纖的機械位移和波導材料的特性來研制的。前者體積大、速度慢且價格昂貴；后者有較高的插入損耗和較大的串話，這些缺陷嚴重制約了波導光開關在光學網絡中的應用。隨著微機械制作技術的進一步發展，和光束直徑一樣大的微驅動器微反射鏡和微懸臂梁的研制成功，為微機械光開關的研究奠定了一定的基礎，即在微小的自由空間內，發散產生的損耗和插入損耗相比已經不是主要的了。
目前研究的微機械光開關大多為微鏡系列光開關，這種開關存在以下缺點，即1環境振動對光路轉換有很大影響；2微鏡陣列開關驅動不易控制；3強的擴展性以增加控制單元為代價；4自由空間發散損耗較大(空間傳輸距離為幾千甚至上萬μm)；5工作狀態不穩定；6體積相對較大，制作工藝復雜。
發明內容
本發明的目的就是提供一種新型的移動波導光開關及其制作方法，以解決現有的這種光開關存在的環境振動影響大、驅動不易控制、自由空間發散損耗大、工作不穩定、體積較大及制作工藝復雜的問題。
為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下包括基片、波導懸臂梁、靜電梳狀驅動電極、平衡折梁和校準點，兩對平行而置的波導懸臂梁的端部一一相對，在每對波導懸臂梁的兩側旁各設有至少一對靜電梳狀驅動電極，每對靜電梳狀驅動電極均由與基片固定的定電極和懸于基片表面的動電極對插構成，每一動電極相互連接并通過驅動梁與相對應的波導懸臂梁端部外側連接，每一動電極的另一側通過平衡折梁與基片連接；在每對波導懸臂梁端部的內側均設有與基片連接的校準點；所述靜電梳狀驅動電極的定電極和動電極分別與基片表面的焊接電極相連接。
所述的波導懸臂梁由硅材料和波導襯底及其上面的波導芯和波導覆蓋層構成，波導芯和波導襯底及波導覆蓋層均由不同摻雜的SiO2或其他光波導材料制作。
所述的靜電梳妝驅動電極由Si和波導材料制作。
該波導光開關可以擴展為波導陣列。
本發明的移動波導光開關的制作方法包括以下步驟(1)在單晶硅基片上生長兩層不同摻雜的SiO2，也可以是其它光波導材料作為波導襯底、波導芯和靜電梳妝驅動電極；(2)光刻SiO2脊形波導；(3)再生長一層和襯底同樣攙雜的SiO2作為波導的覆蓋層。
(4)用ICP方法在硅背面深槽刻蝕，刻蝕出與玻璃基片相連的各種用途的錨點，即與玻璃基片的鍵合點。
(5)刻蝕三層SiO2，刻出波導懸臂梁、靜電梳妝驅動電極、驅動梁，平衡折梁、錨點及固定點。
(6)在玻璃上基片上刻出電極圖形，并蒸發金屬。
(7)硅玻璃鍵合。
(8)ICP刻蝕硅，釋放結構。將波導懸臂梁、梳妝驅動電極以及平衡折梁連接處的Si腐蝕通，刻蝕出活動結構。
本發明的基本特點是懸臂梁起著承載輸入/輸出波導的作用，巧妙地設置靜電梳妝驅動電極，在靜電力作用下，懸臂梁的末端發生彎曲，從而實現2×2光路轉換。這種開關具有驅動原理簡單，響應速度快，環境振動對光路轉換影響較小，自由空間發散損耗較小，懸臂梁陣列開關驅動容易控制，有較強的擴展性，工作狀態穩定，低能耗、體積小，容易實現等優點。
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明。
圖1是本發明的光開關的實施例的平面結構示意圖；圖2是本發明光開關工作原理示意圖，其中a圖是未轉換光路的示意圖；b圖是轉換后的光路示意圖；圖3是經本發明光開關制作方法中各步驟加工工序加工后的工件截面示意圖，其中圖3a是在Si單晶片上生長兩層Sio2層后的示意圖；圖3b是光刻出脊形波導后的結構示意圖；圖3c是在脊形波導層上沉積SiO2層的結構圖；圖3d是硅背面刻蝕示意圖，即刻出活動部件，包括活動梁、活動電極和活動平衡折梁懸空部分示意圖；圖3e是波導(波導芯、波導襯底和波導覆蓋層)深刻蝕結構截面示意圖；(包括平衡折梁、驅動梁、梳狀電極、錨點和校準點，在圖中未畫出)；圖3f是玻璃基片上制作電極示意圖；圖3g是硅與玻璃鍵合示意圖；圖3h是ICP刻蝕硅后，釋放結構示意圖。將波導懸臂梁、梳妝驅動電極以及平衡折梁連接處的Si腐蝕通，刻蝕出活動結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發明包括基片1、波導懸臂梁2、靜電梳狀驅動電極3、平衡折梁4和校準點5，兩對平行而置的波導懸臂梁2的端部一一相對，在每對波導懸臂梁2的兩側旁各設有4對靜呈矩形分布的靜電梳狀驅動電極3，每對靜電梳狀驅動電極3均由與其片1固定的定電極31和懸于基片表面的動電極32對插構成，同一行兩個動電極31相互連接，每一側縱向的兩個動電極31分別通過一個驅動梁6與相對應的一根波導懸臂梁2端部外側連接，并在另一側通過平衡折梁與基片1連接；在每對波導懸臂梁2端部的內側均設有與基片連接的校準點5；所述靜電梳狀驅動電極3的定電極31和動電極32分別與基片1表面的焊接電極7相連接。各動電極32和平衡折梁4與基片1之間的連接點均為鍵合錨點8。
所述的波導懸臂梁2由波導襯底21、波導芯22和波導覆蓋層23構成，三者均由不同摻雜的SiO2或其它光波導材料制作(請參考圖3)。在襯底21的下面還有很厚的硅層20。
所述的靜電梳妝驅動電極3由摻雜的SiO2(或其它光波導材料)和Si材料制作。
參見圖2，當靜電梳狀驅動電極3沒有電壓信號時，動、定電極31和32之間不會產生靜電力，兩對波導懸臂梁2不會發生變化，如圖2a所示。當在靜電梳狀電極的兩個電極之間施加控制電壓信號后，每個動電極32在靜電力的作用下向一方偏移，通過驅動梁6將兩對波導懸臂梁2的端部相對彎曲，如圖2b所示，使光路發生轉換。校準點的作用是對波導懸臂梁2偏轉定位。
圖3表示本發明的制作方法，各步加工工藝器件截面示意圖。本發明的移動波導光開關的制作方法包括以下步驟(1)在單晶硅片上生長兩層不同摻雜的SiO2，也可以是其它光波導材料，分別作為波導襯底21、波導芯22，如圖2a所示。
(2)光刻SiO2脊形波導(波導懸臂梁2)。如圖2b所示。
(3)再生長一層SiO2作為波導的覆蓋層23；(4)硅背面ICP刻蝕，刻出鍵合錨點8和活動電極32、驅動梁6以及平衡折梁4的懸空部分12，如圖3d所示(5)SiO2深刻蝕刻出波導懸臂梁2、靜電梳妝驅動電極3、驅動梁6、校準點5和鍵合錨點8，即將它們周邊的材料去除。如圖11和圖3e所示。
(6)在玻璃基片1上刻電極圖形，并蒸發電極11，參見圖3f；(7)硅20和玻璃1靜電鍵合，參見圖3g(8)圖3h是ICP刻蝕硅后，釋放活動結構示意圖。將波導懸臂梁2、梳妝驅動電極3以及平衡折梁4連接處的Si層20腐蝕通，刻蝕出活動結構示意圖。
權利要求
1.一種移動波導光開關，其特征在于包括基片、波導懸臂梁、靜電梳狀驅動電極、平衡折梁和校準點，兩對平行而置的波導懸臂梁的端部一一相對，在每對波導懸臂梁的兩側旁各設有至少一對靜電梳狀驅動電極，每對靜電梳狀驅動電極均由與基片固定的定電極和懸于基片表面的動電極對插構成，每一動電極相互連接并通過驅動梁與相對應的波導懸臂梁端部外側連接，每一動電極的另一側通過平衡折梁與基片連接；在每對波導懸臂梁端部的內側均設有與基片連接的校準點；所述靜電梳狀驅動電極的定電極和動電極分別與基片表面的焊接電極相連接。
2.根據權利要求1所述的移動波導光開關，其特征在于所述的波導懸臂梁由硅材料和三層不同攙雜濃度的SiO2組成，這三層SiO2分別作為波導的襯底、波導芯和波導覆蓋層。
3.根據權利要求1所述的移動波導光開關，其特征在于所述的靜電梳妝驅動電極由摻雜的SiO2和Si材料制作。
4.根據權利要求1、2、3所述的移動波導光開關，其特征在于該波導光開關可以擴展為波導陣列。
5.根據權利要求2或3所述的移動波導光開關，其特征在于所述的波導材料也可以用其它光波導材料代替。
6.一種制作權利要求1所述的移動波導光開關的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在單晶硅基片上生長兩層不同摻雜的SiO2；(2)光刻SiO2作出脊形波導；(3)再生長一層與波導襯底相同攙雜的SiO2作為波導的覆蓋層；(4)用ICP方法在硅背面深槽刻蝕，刻蝕出與玻璃基片相連的各種用途的錨點，即與玻璃基片的鍵合點；(5)刻蝕三層SiO2，刻出波導懸臂梁、靜電梳妝驅動電極、驅動梁，平衡折梁；(6)在玻璃上基片上刻出電極圖形，并蒸發金屬；(7)硅與玻璃鍵合；(8)ICP刻蝕硅，釋放結構將波導懸臂梁、梳妝驅動電極以及平衡折梁連接處的Si腐蝕通，刻蝕出活動結構；
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的波導材料也可以用其它光波導材料代替。
全文摘要
一種移動波導光開關，包括基片、波導懸臂梁、靜電梳狀驅動電極、平衡折梁和校準點，兩對平行而置的波導懸臂梁的端部一一相對，在每對波導懸臂梁的兩側旁各設有至少一對靜電梳狀驅動電極，其一端通過驅動梁與相對應的波導懸臂梁端部外側連接，另一側通過平衡折梁與基片連接，在每對波導懸臂梁端部的內側均設有與基片連接的校準點。本發明巧妙地設置靜電梳妝驅動電極，在靜電力作用下，懸臂梁的末端發生彎曲，從而實現2×2光路轉換。這種開關具有驅動原理簡單，響應速度快，環境振動對光路轉換影響較小，自由空間發散損耗較小，懸臂梁陣列開關驅動容易控制，有較強的擴展性，工作狀態穩定，低能耗、體積小，容易實現等優點。
文檔編號G02B6/35GK1580842SQ0314963
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月5日 優先權日2003年8月5日
發明者賈玉斌, 郝一龍 申請人:北京大學