專利名稱：微型回轉(zhuǎn)式1×n光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微型開關(guān)，特別是一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，屬于微型光開關(guān)領(lǐng)域。
近年來由微機(jī)械、微電子、微光學(xué)相互結(jié)合產(chǎn)生的“集成微光機(jī)電系統(tǒng)”(MOEMS)為新型光纖通訊器件的實(shí)現(xiàn)提供了嶄新手段。用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的微機(jī)械光開關(guān)不僅具有機(jī)械式光開關(guān)的全部優(yōu)點(diǎn)，而且體積很小(毫米數(shù)量級或更小)，制作工藝與大規(guī)模集成電路的制作工藝相兼容，易于大批量生產(chǎn)以及光集成或光電集成，成本低，重復(fù)性好。特別是它的開關(guān)時(shí)間可大為縮短，達(dá)到微秒級。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，發(fā)現(xiàn)美國專利US5923798(Jul.13，1999)，該光開關(guān)由靜電力驅(qū)動，微機(jī)械靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括一固定在基板上的電極和一活動電極，活動電極與一懸臂梁或橈橈板式的結(jié)構(gòu)相連，而光學(xué)元件固定在懸臂或橈橈板上。當(dāng)加以一驅(qū)動電壓后，活動電極受固定電極的吸引，向固定電極移動，帶動懸臂梁或橈橈板結(jié)構(gòu)位移，進(jìn)而帶動光學(xué)元件插入光路中，使光路發(fā)生改變。這類光開關(guān)的缺點(diǎn)是光學(xué)元件只有兩種位置狀態(tài)--被插入光路中或被抽出光路中，從而形成1×1、1×2或2×2光開關(guān)。如果要實(shí)現(xiàn)M×N光開關(guān)，則需要使用它們的大型陣列，這增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造難度。又例美國專利US5808780(Sep.15，1998)，該光開關(guān)由一可活動的微機(jī)械鏡片和位于其上方的具有兩種角度的反射平面組成，入射光路先由第一反射面反射到活動鏡片上，再由活動鏡片反射到第二反射面，進(jìn)而反射入輸出光纖?；顒隅R片下方是圖案化的電極，通過給電極施加不同的電壓，可造成鏡片的上下位移和小角度轉(zhuǎn)動，從而使反射光路改變。這種結(jié)構(gòu)可構(gòu)成多路光開關(guān)，它的不足之處是由于僅采用微機(jī)械工藝，活動鏡片與電極之間的間距并不大，因而鏡片可以產(chǎn)生不同位移和轉(zhuǎn)動的狀態(tài)數(shù)有限，光路的切換數(shù)目并不多，這同樣限制了大型M×N光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)。這種光開關(guān)能控制多個(gè)鏡面在多個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)更多數(shù)目的光路切換，而且結(jié)構(gòu)簡單，工作壽命長。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下通過一回轉(zhuǎn)式驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)動力矩，控制一多面棱鏡繞一固定軸轉(zhuǎn)動。入射光路被棱鏡的側(cè)反射面反射，隨棱鏡的轉(zhuǎn)動和側(cè)反射面的不同，入射光路被反射到不同的輸出光纖中，實(shí)現(xiàn)1×N多路光開關(guān)。在實(shí)際器件中，回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)能精確控制24個(gè)不同的轉(zhuǎn)動位置，選擇六面體棱鏡的四個(gè)側(cè)面為反射鏡面，并且設(shè)計(jì)這四個(gè)反射面與轉(zhuǎn)軸的夾角各不相同，因此當(dāng)棱鏡回轉(zhuǎn)一周，四個(gè)反射面對入射光束實(shí)現(xiàn)24路反射，形成1×24光開關(guān)。通過提高微繞組的繞組數(shù)，可以進(jìn)一步提高光路的切換數(shù)目。
本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括多面體棱鏡、轉(zhuǎn)動部分、電磁驅(qū)動部分、基板、軸承、轉(zhuǎn)軸、外殼，多面體棱鏡固定于轉(zhuǎn)軸的輸出端，轉(zhuǎn)動部分設(shè)在外殼內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分之間，與轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接，同時(shí)轉(zhuǎn)動或靜止，基板也設(shè)在外殼的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分外，轉(zhuǎn)軸由軸承支承。多面體棱鏡直接與轉(zhuǎn)軸安裝在一起，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，提高了開關(guān)速度，并且易于控制。多面體棱鏡四個(gè)側(cè)面為平面鏡，鏡面與轉(zhuǎn)軸的夾角各不相同，因此能將輸入光纖的光束導(dǎo)向位于不同空間的輸出光纖中。電磁驅(qū)動部分采用六繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動部分充以八個(gè)磁極，可實(shí)現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°，因此多面體棱鏡四個(gè)側(cè)面的每一面作為光路的平面反射鏡時(shí)都有90°/15°=6個(gè)位置，相應(yīng)的入射光對每一平面鏡都有6種輸出。因此在與入射光纖夾角不同的四個(gè)平面上都有6根輸出光纖，光路的輸出端口總共有24個(gè)。光開關(guān)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用雙電磁驅(qū)動部分單轉(zhuǎn)動層的三明治型夾層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動部分與電磁驅(qū)動部分的直徑與面積相等，這使得整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩較大；光開關(guān)的電磁驅(qū)動部分采用MEMS技術(shù)中的準(zhǔn)LIGA工藝制備，具有多層平面微型多繞組結(jié)構(gòu)。采用多層結(jié)構(gòu)是為了增加繞組的線圈匝數(shù)，提高輸出力矩。而采用平面結(jié)構(gòu)則是為了利用微細(xì)加工技術(shù)，降低結(jié)構(gòu)高度，縮小器件體積。多層繞組的每一層繞組由絕緣層隔開，絕緣層采用三氧化二鋁材料以增加其耐熱性和提高工作壽命。繞組的線圈為高深寬比結(jié)構(gòu)，使繞組的電阻減小，降低器件的功耗和發(fā)熱；線圈內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導(dǎo)磁材料，以提高磁路閉合，并增加電磁驅(qū)動部分的導(dǎo)熱能力?；宀捎描F氧體材料，確保磁路閉合，使電磁驅(qū)動部分具有足夠的驅(qū)動力，另一方面也降低渦流損耗；轉(zhuǎn)動部分采用磁鋼，以保證其具有較大的轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)力，同時(shí)避免勵磁損耗，減少發(fā)熱。這樣，采用這種回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)和多面體棱鏡實(shí)現(xiàn)了1×24光開關(guān)。如果提高繞組的繞組數(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)更多路數(shù)的1×N光開關(guān)。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，體積小(毫米級)、驅(qū)動力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、光路切換功能強(qiáng)、器件壽命長、集成化制造。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步描述

圖1光開關(guān)總體結(jié)構(gòu)示意2電磁驅(qū)動部分多層繞組結(jié)構(gòu)示意3繞組結(jié)構(gòu)示意4多面體棱鏡俯視5多面體棱鏡不同側(cè)反射面對光路的轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示，本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括多面體棱鏡(1)、轉(zhuǎn)動部分(2)、電磁驅(qū)動部分(3)、基板(4)、軸承(5)、轉(zhuǎn)軸(6)、外殼(7)，多面體棱鏡(1)固定于轉(zhuǎn)軸(6)的輸出端，轉(zhuǎn)動部分(2)設(shè)在外殼(7)內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)之間，與轉(zhuǎn)軸(6)固定聯(lián)接，同時(shí)轉(zhuǎn)動或靜止，基板(4)也設(shè)在外殼(7)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)外，轉(zhuǎn)軸(6)由軸承(5)支承。多面體棱鏡(1)直接與轉(zhuǎn)軸(6)安裝在一起，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊，提高了開關(guān)速度，并且易于控制。
如圖2、圖3所示，電磁驅(qū)動部分(3)由繞組(8)和絕緣層(9)組成，每一層繞組(8)由絕緣層(9)隔開，絕緣層(9)采用三氧化二鋁材料以增加其耐熱性和提高工作壽命。繞組(8)的線圈(10)的高深寬比達(dá)16∶5，高深寬比的線圈(10)使繞組(8)的電阻減小，降低器件的功耗和發(fā)熱；線圈(10)內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導(dǎo)磁材料(11)，以提高磁路閉合，并增加電磁驅(qū)動部分(3)的導(dǎo)熱能力。
如圖4、圖5所示，多面體棱鏡(1)四個(gè)側(cè)面為平面鏡，鏡面與轉(zhuǎn)軸(6)的夾角各不相同，因此能將輸入光纖(16)的光束導(dǎo)向位于不同空間的輸出光纖(17)(對應(yīng)平面鏡(12)，輸出光路與輸入光路夾角為α)、輸出光纖(18)(對應(yīng)平面鏡(13)，輸出光路與輸入光路夾角為β)、輸出光纖(19)(對應(yīng)平面鏡(14)，輸出光路與輸入光路夾角為θ)和輸出光纖(20)(對應(yīng)平面鏡(15)，輸出光路與輸入光路夾角為γ)中，由于電磁驅(qū)動部分(3)采用六繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動部分(2)充以八個(gè)磁極，可實(shí)現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°，因此多面體棱鏡(1)四個(gè)側(cè)面的每一面作為光路的平面反射鏡時(shí)都有90°/15°=6個(gè)位置，相應(yīng)的入射光對每一平面鏡都有6種輸出。因此在與入射光纖夾角為α、β、θ和γ的四個(gè)平面上都有6根輸出光纖，光路的輸出端口總共有24個(gè)。
光開關(guān)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用雙電磁驅(qū)動層(3)單轉(zhuǎn)動層(2)的三明治型夾層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動部分(2)與電磁驅(qū)動部分(3)的直徑與面積相等，這使得整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩較大；光開關(guān)的電磁驅(qū)動部分(3)采用MEMS技術(shù)中的準(zhǔn)LIGA工藝制備，具有多層平面微型繞組結(jié)構(gòu)，采用多層結(jié)構(gòu)是為了增加繞組的線圈匝數(shù)，提高輸出力矩，而采用平面結(jié)構(gòu)則是為了利用微細(xì)加工技術(shù)，降低結(jié)構(gòu)高度，縮小器件體積；基板(4)采用導(dǎo)磁不導(dǎo)電的鐵氧體材料，確保磁路閉合，使電磁驅(qū)動部分(3)具有足夠的驅(qū)動力，另一方面也降低渦流損耗；轉(zhuǎn)動部分(2)采用高性能磁鋼，以保證其具有較大的轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)力，同時(shí)避免勵磁損耗，減少發(fā)熱。這樣，采用這種回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)和多面體棱鏡實(shí)現(xiàn)了1×24光開關(guān)。如果提高繞組的繞組數(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)更多路數(shù)的1×N光開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征在于主要包括多面體棱鏡(1)、轉(zhuǎn)動部分(2)、電磁驅(qū)動部分(3)、基板(4)、軸承(5)、轉(zhuǎn)軸(6)、外殼(7)，多面體棱鏡(1)固定于轉(zhuǎn)軸(6)的輸出端，轉(zhuǎn)動部分(2)設(shè)在外殼(7)內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)之間，與轉(zhuǎn)軸(6)固定聯(lián)接，同時(shí)轉(zhuǎn)動或靜止，基板(4)也設(shè)在外殼(7)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)外，轉(zhuǎn)軸(6)由軸承(5)支承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于電磁驅(qū)動部分(3)由平面繞組(8)和絕緣層(9)組成多層繞組結(jié)構(gòu)，每一層繞組(8)由絕緣層(9)隔開，絕緣層(9)采用三氧化二鋁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于繞組(8)的線圈(10)內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導(dǎo)磁材料(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于多面體棱鏡(1)四個(gè)側(cè)面為平面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于電磁驅(qū)動部分(3)的六繞組結(jié)構(gòu)與八磁極的轉(zhuǎn)動部分(2)配合，實(shí)現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于基板(4)采用鐵氧體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)，其特征還在于轉(zhuǎn)動部分(2)采用高性能磁鋼。
全文摘要
微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括:多面體棱鏡、轉(zhuǎn)動部分、電磁驅(qū)動部分、基板、軸承、轉(zhuǎn)軸、外殼,多面體棱鏡固定于轉(zhuǎn)軸的輸出端,轉(zhuǎn)動部分設(shè)在外殼內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分之間,與轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接,同時(shí)轉(zhuǎn)動或靜止,基板設(shè)在外殼的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分外,轉(zhuǎn)軸由軸承支承。
文檔編號G02B6/35GK1285522SQ00125380
公開日2001年2月28日 申請日期2000年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者張琛, 趙小林, 楊春生, 蔡炳初, 丁桂甫 申請人:上海交通大學(xué)