專利名稱：光學(xué)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一個(gè)用于連接和切換光學(xué)通信系統(tǒng)里大量光學(xué)信號光路的光學(xué)信道連接，更確切地說，是涉及到一個(gè)用微型機(jī)加工技術(shù)制造成的模擬光束轉(zhuǎn)向的真空光學(xué)開關(guān)。
為了實(shí)現(xiàn)這種類型的通信系統(tǒng)，一個(gè)用于高速調(diào)制的光源、用于進(jìn)行高容量傳輸?shù)墓鈱?dǎo)纖維、寬帶纖維放大器，和多信道波長濾波器是必不可少的。在這些組件里，光學(xué)開關(guān)，能夠有選擇性地切換來自大量輸入端的任意波長的光學(xué)信號，同時(shí)能夠?qū)⑦@些光學(xué)信號連接到規(guī)定的輸出端，對于靈活地處理不斷變化的通信需求以及處理通信線路故障，是一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。
另一方面，為實(shí)現(xiàn)低的光學(xué)通信成本、系統(tǒng)簡單化和更快的傳輸速度，作為光學(xué)通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)途徑，正在促進(jìn)整個(gè)光學(xué)通信的轉(zhuǎn)換，在整個(gè)光學(xué)通信里光學(xué)信號不需要轉(zhuǎn)換成電信號就可以被傳輸。這種通信方法目的在于在一個(gè)用于調(diào)整光路的大規(guī)模開關(guān)里，使用一個(gè)整個(gè)光學(xué)的光學(xué)通道連接(OXC)。這種“整個(gè)光學(xué)的連接”是指不需要首先將光轉(zhuǎn)換為電然后再與電傳輸線路連接的連接光路方式。
一個(gè)整個(gè)光學(xué)的光學(xué)開關(guān)需要有一個(gè)輸入兩個(gè)輸出端(1×2)的小規(guī)模的開關(guān)，到有1000×1000或更多輸入和輸出端的大規(guī)模的開關(guān)。


圖1(a)說明了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的小規(guī)模光學(xué)開關(guān)(1×2)，圖1(b)舉例說明了分級組裝的小規(guī)模光學(xué)開關(guān)。這種小規(guī)模光學(xué)開關(guān)是使用一個(gè)用于自動(dòng)連接的驅(qū)動(dòng)電路14構(gòu)造成的，由一個(gè)螺線管11和一個(gè)永磁鐵15組成，用來有選擇性地連接一個(gè)輸入端光纖12兩個(gè)輸出端光纖13中的任何一端(NTT，R&D.Vol.48，No.91999，pp.665-673)。
圖中，標(biāo)號16和17分別代表在輸入端的一個(gè)可動(dòng)纖維和在輸出端的固定纖維。所有這些纖維被封裝在套管18里。這些輸入和輸出纖維在外部通過光學(xué)接線盒連接。
如圖1(b)所示，當(dāng)使用這種類型的小規(guī)模光學(xué)開關(guān)時(shí)，一個(gè)N×M的多輸入多輸出光學(xué)開關(guān)可以通過分級組裝大量的小規(guī)模光學(xué)開關(guān)104來構(gòu)成。然而，這種分級組裝的開關(guān)不適合于大規(guī)模的開關(guān)，因?yàn)殡S著分級結(jié)構(gòu)里級數(shù)的增加，光損耗也增加。
圖2舉例說明了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的大規(guī)模整個(gè)光學(xué)的光學(xué)開關(guān)，圖2(a)是該光學(xué)開關(guān)的示意圖，圖2(b)圖示說明一個(gè)完整的光學(xué)開關(guān)陣列，圖2(c)圖示說明構(gòu)成光學(xué)開關(guān)陣列一部分的光學(xué)裝置的分布，圖2(d)圖示說明各個(gè)專用光學(xué)裝置的構(gòu)造。
圖2中所示的光學(xué)裝置是用于實(shí)現(xiàn)纖維之間光學(xué)連接的真空光學(xué)通道連接的一個(gè)實(shí)例。在該連接中微型驅(qū)動(dòng)器各自驅(qū)動(dòng)采用MEMS技術(shù)排列的微型反射鏡元件。
圖2(a)中所示的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)開關(guān)實(shí)例是由輸入端19、輸出端20和兩個(gè)光學(xué)開關(guān)陣列2101和2102組成。輸入端19是由輸入端的纖維陣列15和準(zhǔn)直校正透鏡陣列1801構(gòu)成。該纖維陣列15是由N個(gè)固定到毛細(xì)陣列1701的一個(gè)通孔陣列(圖中沒有給出)的光學(xué)纖維組成。輸出端20具有相似的構(gòu)成，由輸出端的纖維陣列16和透鏡陣列1802構(gòu)成。該纖維陣列16是由M個(gè)固定到毛細(xì)陣列1702的光學(xué)纖維組成。
在這個(gè)裝置里，兩個(gè)光學(xué)開關(guān)陣列2101和2102是由二維排列的光學(xué)開關(guān)元件(在下文中把它們稱為光學(xué)開關(guān))105以矩陣方式構(gòu)成的，其特征在于光學(xué)開關(guān)的數(shù)量對應(yīng)于輸入/輸出端的數(shù)量，如圖2(b)和(c)所示。各個(gè)光學(xué)開關(guān)105光學(xué)裝置元件和微型驅(qū)動(dòng)器組成。在圖2(c)和(d)中，只圖示了光學(xué)裝置，圖中沒有給出微型驅(qū)動(dòng)器。
光學(xué)裝置是由微型反射鏡203、鏡架303和框架703組成的。其中鏡架303環(huán)繞并以中樞軸方式支撐微型反射鏡203，從而繞Ry軸旋轉(zhuǎn)(傾轉(zhuǎn))微型反射鏡203?？蚣?03環(huán)繞并以中樞軸方式支撐鏡架303，從而繞Rx軸旋轉(zhuǎn)鏡架303。
在微型驅(qū)動(dòng)器(圖中沒有給出)產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩作用下，微型反射鏡203既能繞著Ry軸傾轉(zhuǎn)，也能通過可繞Rx軸旋轉(zhuǎn)的鏡架303來繞著Rx軸傾轉(zhuǎn)。這樣光學(xué)裝置被微型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的雙軸靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動(dòng)，從而能夠相對于兩個(gè)自由度(繞著圖2(d)中在Rx和Ry方向的軸)轉(zhuǎn)向。在下文中稱這種模式的驅(qū)動(dòng)為雙軸驅(qū)動(dòng)。
微型反射鏡203和鏡架303分別被用套簧503和603以中樞軸方式支撐，這樣(微型反射鏡203和鏡架303)可被與旋轉(zhuǎn)角度(傾斜角度)成正比的彈性回復(fù)力拉回來。
這樣投射到微型反射鏡203上的激光束可以被在任何方向上反射。
這種開關(guān)陣列允許光束的光路按照如下文所述的方式發(fā)生改變(模擬光束轉(zhuǎn)向)。
如圖2(a)所示，光學(xué)信號從輸入端19射出，經(jīng)過透鏡陣列1801而被準(zhǔn)直校正。然后，已經(jīng)被準(zhǔn)直校正后的光學(xué)信號被投射到與所研究的光學(xué)信號已經(jīng)通過的透鏡陣列1801里的微型透鏡相對應(yīng)的光學(xué)開關(guān)陣列2101里的微型反射鏡203上。反射光束被微型反射鏡203的雙軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，這樣就使得光學(xué)信號的反射光束射向一個(gè)規(guī)定的方向。光學(xué)信號從光學(xué)開關(guān)陣列2101出射后，接著被投射到第二個(gè)光學(xué)開關(guān)陣列2102里的一個(gè)規(guī)定的微型反射鏡上。第二個(gè)光學(xué)開關(guān)陣列2102的微型反射鏡的雙軸驅(qū)動(dòng)把光學(xué)信號的反射光束射向輸出端20的一個(gè)光學(xué)纖維，從而取得光學(xué)信號。
圖3圖示說明光學(xué)開關(guān)的光學(xué)裝置的細(xì)節(jié)，圖3(a)是光學(xué)裝置的雙軸驅(qū)動(dòng)真空光學(xué)開關(guān)實(shí)例的平面圖，圖3(b)是套簧的平面圖。
微型反射鏡203被鏡架303用一對套簧503以中樞軸方式支撐，這個(gè)鏡架303相似地被外圍的框架703用一對套簧603以中樞軸方式支撐。
在這個(gè)裝置里，微型反射鏡203的旋轉(zhuǎn)軸和鏡架303的旋轉(zhuǎn)軸被安裝在互相垂直的方向上，反射光束被通過繞著這兩個(gè)軸的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)進(jìn)行二維地轉(zhuǎn)向。套簧可以是任意形狀以獲得規(guī)定的剛性，在這個(gè)實(shí)例里，采納了螺旋狀的或連續(xù)的疊扇形套簧(參考圖3(b))。
兩組電極對903和1003被互相垂直地安裝在正對微型反射鏡203的基體1102的表面區(qū)域。在下文中將該區(qū)域稱為電極區(qū)。這些電極903和1003實(shí)質(zhì)上是方形的，與作為基底的光學(xué)裝置(微型反射鏡203)一起，構(gòu)成了一個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)的微型驅(qū)動(dòng)器。應(yīng)用靜電力，通過控制外加的電壓而控制(該靜電力)，來引起微型反射鏡203和鏡架303繞它們各自的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
圖4圖示說明了靜電驅(qū)動(dòng)的工作原理。圖4(a)是在電極對903位于基電位、對微型反射鏡203不施加扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)微型反射鏡203的截面圖。正如參考圖2和圖3所闡述的，微型反射鏡203被鏡架303通過套簧503支撐，鏡架303通過套簧603被固定到框架703上。
圖4(b)是在電壓被施加到電極對903上，從而對微型反射鏡203施加扭轉(zhuǎn)力矩，引起微型反射鏡203傾斜時(shí)的截面圖。圖4(c)是在電壓被施加到兩個(gè)互相垂直安裝的兩組電極對上，反射鏡203和鏡架303都繞著各自的軸傾斜時(shí)的側(cè)視圖。
在另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)里，提出了光路可以被以平面形式在光學(xué)通道連接里構(gòu)成，當(dāng)控制信號是ON時(shí)反射鏡上升，當(dāng)控制信號是OFF時(shí)，反射鏡下降(數(shù)字坐標(biāo)制)。這種光學(xué)通道連接，因其可以通過簡單的信號控制來操作而具有優(yōu)勢，它有助于輸入和輸出光學(xué)纖維的定位，而且，它有助于集成化。然而，這種連接也有缺點(diǎn)，因?yàn)镹×N連接需要N2個(gè)開關(guān)元件，而模擬光束轉(zhuǎn)向只需要2N個(gè)開關(guān)元件，而且，因?yàn)榫薮蟮墓饴凡钪祵?dǎo)致?lián)p耗增加。結(jié)果，這種方法在大規(guī)模開關(guān)上的應(yīng)用被認(rèn)為是有問題的。
基本上，光學(xué)通信系統(tǒng)的通信容量是被每個(gè)信道的傳輸速度和信道的數(shù)量乘積決定的。因此可以假定對獲得高的傳輸速度和增加信道數(shù)量將會有一個(gè)增長的需求。因此對于大規(guī)模的整個(gè)光學(xué)的光學(xué)開關(guān)的研究是可以預(yù)料的。
在大規(guī)模的整個(gè)光學(xué)的光學(xué)開關(guān)里，模擬光束轉(zhuǎn)向的真空光學(xué)開關(guān)被認(rèn)為有希望可以實(shí)現(xiàn)能夠在某種程度上減小光損耗的、小型的、低成本的大規(guī)模開關(guān)。這種光學(xué)開關(guān)已經(jīng)被Lucent Technologies或χros通報(bào)發(fā)表(現(xiàn)在為Nortel所擁有)。
在一個(gè)大規(guī)模的模擬光束轉(zhuǎn)向真空光學(xué)開關(guān)里，所采用的微型反射鏡的數(shù)量是巨大的，因此隨著輸入/輸出端數(shù)量的增加微型反射鏡的轉(zhuǎn)向角度也需要增加。為了增加微型反射鏡的轉(zhuǎn)向角度。需要擴(kuò)大微型反射鏡的受控轉(zhuǎn)向所容許的角度范圍。
作為擴(kuò)大轉(zhuǎn)向控制范圍的另一種方法，也已提出了增加輸入/輸出端和反射鏡之間的距離以及兩個(gè)光學(xué)開關(guān)陣列之間的距離，從而延長通過真空的光路的長度。這種方法提供了一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即反射鏡的一個(gè)小角度傾斜可以獲得對光學(xué)信號方向所預(yù)期的改變。然而這種方法必然帶來以下問題附帶而來的光束半徑擴(kuò)大，這不但造成光損耗，而且導(dǎo)致光學(xué)開關(guān)尺寸和整體模塊的增加。
這樣，保證足夠大的反射鏡傾斜角度對于構(gòu)造小型尺寸和低損耗的大規(guī)模光學(xué)開關(guān)來說是關(guān)鍵問題。
然而，當(dāng)使用靜電驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)微型反射鏡時(shí)，問題在于反射鏡的傾斜角度受到驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的限制。
圖5說明了一個(gè)被靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的單軸旋轉(zhuǎn)的反射鏡實(shí)例的簡單分析模型。在這個(gè)實(shí)例里，靜電力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩可以用下面的公式表示這里，E是電場，V是外加電壓，W是電極寬度(沿著垂直于圖平面a=rθ=(dsinθ-x)θ···(1)]]>E=Va=V{(dsinθ-x)θ}···(2)]]>Te=∫L1L212ϵ0WE2xdx=12ϵ0WV2∫L1L2x{(dsinθ-x)θ}2dx···(3)]]>方向的寬度)，θ是反射鏡傾斜角度，L1和L2是電極兩端的位置，ε0是真空的介電常數(shù)，d是當(dāng)E＝0時(shí)微型反射鏡和電極之間的距離，a是當(dāng)反射鏡傾斜角度為θ時(shí)微型反射鏡位置x和電極之間的距離。在下面的描述中，微型反射鏡和電極之間的距離a和d被稱為“空氣間隙”。
圖6表明靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩(Te)對反射鏡傾斜角度的關(guān)系的扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線。該曲線是根據(jù)上面的公式計(jì)算的。在這個(gè)實(shí)例里，設(shè)定靜電寬度W＝150μm，電極長度L＝150μm(L1＝80μm，L2＝230μm)，空氣間隙d＝50μm，外加電壓V＝150V，進(jìn)行計(jì)算。
在這些設(shè)定值下，代表傾斜角度為θ時(shí)的套簧彈性回復(fù)力kθ(k是套簧的剛性系數(shù))的套簧特性曲線是一條通過原點(diǎn)的直線，該直線與扭轉(zhuǎn)力矩曲線相切。切點(diǎn)處的傾斜角度θMAX是在有可能進(jìn)行穩(wěn)定的角度定位的傾斜角度范圍里的最大的轉(zhuǎn)向角度，正如下文中將說明的一樣。
當(dāng)微型反射鏡傾斜，套簧變形時(shí)，正比于傾斜角度的彈性回復(fù)力kθ作用在微型反射鏡上，如圖6的套簧特性曲線或回復(fù)線(直線)所示。
如果外加電壓不足，扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線與套簧特性直線相交于兩個(gè)點(diǎn)。我們指出在這兩個(gè)交點(diǎn)中，在較大的傾斜角度處相交的傾斜角度為θH，在較小的傾斜角度處相交的傾斜角度為θL。微型反射鏡在傾斜位置θL時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。
外加電壓的增加導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線向上偏移。這樣，隨著外加電壓V的增加，兩個(gè)交點(diǎn)互相接近，同時(shí)θL增加，θH減小。外加電壓V的進(jìn)一步增加引起兩個(gè)交點(diǎn)在θL＝θH＝θMAX處互相重合，即，扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上移直至與套簧特性直線相切。圖6表示這種狀態(tài)。
這樣傾斜角度θMAX是θL的最大值，即，是在有可能進(jìn)行穩(wěn)定的角度定位的傾斜角度范圍里的最大的轉(zhuǎn)向角度。
在上述設(shè)計(jì)條件下的實(shí)例里，當(dāng)支撐微型反射鏡203的套簧的剛性系數(shù)被設(shè)定為k＝32.5×10-10N-m/rad時(shí)，對于外加電壓V＝150V的反射鏡傾斜角度的最大值θMAX是5.2°。當(dāng)套簧的剛性系數(shù)和電極的面積及位置具被相似地設(shè)定時(shí)，鏡架303的最大傾斜角度具有相同的大小，這樣，用于轉(zhuǎn)向光學(xué)信號的光學(xué)裝置的雙軸驅(qū)動(dòng)可以在±5.2°的范圍里得以實(shí)現(xiàn)。
正如前面的說明所述，為了適應(yīng)開關(guān)的大規(guī)?；厔?，同時(shí)減小光損耗，需要一個(gè)模擬光束轉(zhuǎn)向真空光學(xué)開關(guān)來擴(kuò)大反射鏡轉(zhuǎn)向θMAX的范圍。
在一個(gè)雙軸驅(qū)動(dòng)的光學(xué)裝置里，用作微型反射鏡203和鏡架303角度定位的角度范圍θMAX被裝置的扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線和元件的彈性特性造成的限制所限制。這樣，對微型反射鏡203和鏡架303角度定位的控制就在被這些限制所限定的傾斜角度范圍里進(jìn)行。
這樣，為了擴(kuò)大模擬光束轉(zhuǎn)向真空光學(xué)開關(guān)的微型反射鏡轉(zhuǎn)向的范圍，必須設(shè)計(jì)靜電驅(qū)動(dòng)器來增大最大的可以控制的傾斜角度θMAX。
然而，當(dāng)光學(xué)裝置的最大的轉(zhuǎn)向角度(最大的可以控制的傾斜角度)被設(shè)定的較大時(shí)，為了避免在大傾斜角度時(shí)微型反射鏡和電極之間的接觸引起的靜電擊穿，空氣間隙必須增加。然而，增加空氣間隙，同時(shí)保持驅(qū)動(dòng)電壓固定不變，會降低扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線，同時(shí)引起一個(gè)問題，即可以得到的最大傾斜角度變小。
然而，由于降低扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線，有可以抑制在大扭矩角處扭轉(zhuǎn)力矩的急劇增加的優(yōu)點(diǎn)，如果套簧的剛性被設(shè)計(jì)得柔軟適度，最大的可以控制的傾斜角度θMAX可以被增大。然而，減小套簧的剛性，帶來在加工過程中斷裂的危險(xiǎn)，使得組件的加工復(fù)雜化，另外，也降低了光學(xué)裝置的響應(yīng)速度，導(dǎo)致開關(guān)切換遲滯。
如果外加電壓增加，同時(shí)保持套簧的剛性高于一個(gè)規(guī)定的固定值，可以保證加工的簡單和迅速的響應(yīng)，盡管空氣間隙也增加。然而，增加外加電壓帶來驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的急劇增加，相對于傾斜角度θ變化而言。其結(jié)果是，驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的急劇增加特征引起最大的傾斜角度θMAX的減小。一個(gè)高電壓驅(qū)動(dòng)也可以造成電路可靠性的損失。尤其是在大規(guī)模開關(guān)里，考慮到電極線路的排列，(在大規(guī)模開關(guān)里)采用了嚴(yán)格的條件，高電壓驅(qū)動(dòng)增加了諸如線路之間狹窄間隙里寄生放電等問題出現(xiàn)的可能性。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，本發(fā)明采用了下面描述的基本構(gòu)造。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)是一個(gè)用于連接和切換大量光學(xué)信號光路的光學(xué)開關(guān)，包括大量的光學(xué)裝置和用來驅(qū)動(dòng)這些裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器。
各個(gè)光學(xué)裝置都被以中樞軸方式支撐，從而允許它們繞著規(guī)定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。靜電驅(qū)動(dòng)器包括固定光學(xué)裝置的基體和安裝在基體上的大量驅(qū)動(dòng)電極。
當(dāng)一個(gè)靜電電壓被施加在光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)電極之間時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)引起光學(xué)裝置相對于基體繞旋轉(zhuǎn)中心傾斜的、靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩。
通過對靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的控制允許提供對光學(xué)裝置繞旋轉(zhuǎn)中心傾斜的控制，同時(shí)改變光學(xué)信號的反射方向。
在本發(fā)明的第一個(gè)光學(xué)開關(guān)里，大量的驅(qū)動(dòng)電極被排列成相對于電極中心的放射狀圖樣型式，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，其規(guī)定的外面部分的電極寬度由此相對于電極中心隨著向外邊的推進(jìn)而變窄。這里，電極中心是旋轉(zhuǎn)中心到基體表面的正交投影。
由于電極寬度這樣隨著向驅(qū)動(dòng)電極外圓周的推進(jìn)而變窄，與現(xiàn)有技術(shù)相比，甚至在采用相同的靜電驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，施加在微型反射鏡外圓周部分的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩減小。這樣，由于驅(qū)動(dòng)電極寬度變窄造成的靜電吸引力的下降，補(bǔ)償了傾斜角度增加造成的靜電吸引力的增加，在大轉(zhuǎn)向角度區(qū)域靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的急劇增加被緩和了。
其結(jié)果是，能夠?qū)⒆畲髢A斜角度θMAX設(shè)定為一個(gè)大值，使得大的傾斜角度控制成為可能，同時(shí)避免當(dāng)在大轉(zhuǎn)向角度操作時(shí)由于傾斜角度的突然增加而引起的微型反射鏡和基體之間的可能的互相撞擊。
該光學(xué)裝置包括一個(gè)微型反射鏡、一個(gè)用來環(huán)繞微型反射鏡外圓周的鏡架、和一個(gè)用來環(huán)繞鏡架外圓周的框架。微型反射鏡被鏡架以中樞軸方式支撐，使得微型反射鏡可以繞著第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)。鏡架也被框架以中樞軸方式支撐，使得鏡架可以繞著第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)。
該第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)平行于基體的平面上相交。因此這個(gè)交叉點(diǎn)就是光學(xué)裝置的旋轉(zhuǎn)中心。
大量的驅(qū)動(dòng)電極可以包括一個(gè)第一個(gè)電極對和一個(gè)第二個(gè)電極對第一個(gè)電極對產(chǎn)生用于引起微型反射鏡繞第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩；第二個(gè)電極對產(chǎn)生用于引起鏡架繞第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩。
第一個(gè)電極對的兩個(gè)電極被安裝在第一個(gè)垂直平面的兩端，第二個(gè)電極對的兩個(gè)電極被安裝在第二個(gè)垂直平面的兩端。這里，第一個(gè)垂直平面是一個(gè)包括第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且與基體垂直的平面。第二個(gè)垂直平面是一個(gè)包括第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且與基體垂直的平面。
在雙軸驅(qū)動(dòng)的情況下，第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸被安裝得互相垂直。
在第一個(gè)光學(xué)開關(guān)里，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，其規(guī)定的里邊部分的電極寬度相對于電極中心隨著向里邊的推進(jìn)而變窄。
其結(jié)果是，在雙軸驅(qū)動(dòng)的光學(xué)裝置里，用于旋轉(zhuǎn)微型反射鏡的電極對和用于旋轉(zhuǎn)鏡架的電極對均可以被擴(kuò)大進(jìn)入到電極中心附近而不會引起幾何形狀干涉。結(jié)果，在低驅(qū)動(dòng)電壓下可以產(chǎn)生一個(gè)大的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩，而且在小的轉(zhuǎn)向角范圍內(nèi)靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩可以被設(shè)定到一個(gè)高值。
第一個(gè)光學(xué)開關(guān)可以包括這樣一個(gè)實(shí)例，在該實(shí)例中各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，其規(guī)定的里邊部分的電極寬度相對于電極中心隨著沿半徑向里邊的推進(jìn)而變窄，而且，被設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，其規(guī)定的外邊部分的電極寬度相對于電極中心隨著沿半徑向外邊的推進(jìn)而變窄。
在這個(gè)實(shí)例里，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電極向里邊相對于電極中心擴(kuò)大，靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線整體向上偏移，但因?yàn)轵?qū)動(dòng)電極的電極寬度相對于電極中心隨著沿半徑向外邊的推進(jìn)而變窄，靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線向下偏移。這種向下偏移因具有較大的傾斜角度更為明顯。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)例里的驅(qū)動(dòng)電極的形狀產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的特征為該靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線在傾斜角度小的傾斜角度范圍里向上偏移，在傾斜角度大的傾斜角度范圍里向下偏移。這樣，這種靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線呈現(xiàn)出一種特征，即隨著傾斜角度增加比現(xiàn)有技術(shù)里的特性曲線上升得更多。
作為本實(shí)例的一個(gè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，傾斜角度可以被控制的范圍擴(kuò)大，即最大可以控制的傾斜角度增加，如下所述。
如前面所說明的，在傾斜角度不是特別大的范圍里，對于本實(shí)例的傾斜角度的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線比現(xiàn)有技術(shù)里的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線位置向上偏移。結(jié)果，從原點(diǎn)到靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線所畫的切線的斜率或梯度比現(xiàn)有技術(shù)里的切線的斜率大。一般地，當(dāng)在微型反射鏡和驅(qū)動(dòng)電極之間施加一個(gè)固定的電壓來產(chǎn)生一個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)，該扭轉(zhuǎn)力矩隨著微型反射鏡傾斜角度增加而單調(diào)地增加。然而，當(dāng)傾斜角度增加(即靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線隨著傾斜角度的增加而上升得更加急劇突然)扭轉(zhuǎn)力矩的變化速率增加；結(jié)果，即使本實(shí)例的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的梯度與現(xiàn)有技術(shù)里的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的梯度完全相同，本實(shí)例里的對應(yīng)于切線切點(diǎn)的傾斜角度也將會大于在現(xiàn)有技術(shù)里的(傾斜角度)，這是因?yàn)樵诒緦?shí)例里切線切點(diǎn)處扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的梯度大于在現(xiàn)有技術(shù)里的(切線切點(diǎn)處扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的梯度)；而且由于對應(yīng)于切線切點(diǎn)的傾斜角度代表了最大可以控制的轉(zhuǎn)向角度，正如上文所說明的，本實(shí)例里電極的輪廓構(gòu)造引起最大可以控制的轉(zhuǎn)向角度增加。
這個(gè)實(shí)例還具有這樣一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即比先前的工藝技術(shù)提供了一個(gè)更短的響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)閺脑c(diǎn)到靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線所畫的切線的斜率，對應(yīng)于彈性元件的彈性常量。由于在本實(shí)例里的切線的斜率比在現(xiàn)有技術(shù)里的大，本實(shí)例能夠采用具有高彈性常量的彈性元件，這樣就造成一個(gè)短的響應(yīng)時(shí)間。
就這樣，采用低電壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)增加中樞軸支撐部分的彈性元件的彈性常量(例如，一個(gè)套簧)，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大轉(zhuǎn)向角度范圍。這樣可以提供一種可應(yīng)用于大規(guī)模開關(guān)的、小型的、低成本的、高度可靠的、高速光學(xué)開關(guān)。
作為一個(gè)加工實(shí)例，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極形狀可以設(shè)計(jì)成菱形。各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極的形狀也可以設(shè)計(jì)成一個(gè)橢圓形，并使它的長軸與半徑方向相對于電極中心成一直線。
一個(gè)光學(xué)開關(guān)可以通過排列安裝光學(xué)裝置和靜電驅(qū)動(dòng)器而構(gòu)造成，正如前面的說明所述，以一個(gè)陣列方式，該陣列決定于輸入和輸出端的數(shù)量。
本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)的第二個(gè)實(shí)例是一個(gè)用于連接和切換大量光學(xué)信號光路的光學(xué)開關(guān)，包括大量的光學(xué)裝置和用于驅(qū)動(dòng)這些光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于這些光學(xué)裝置被以中樞軸方式支撐，從而允許繞著規(guī)定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)。
各個(gè)光學(xué)裝置裝配有一個(gè)微型反射鏡、一個(gè)用來環(huán)繞微型反射鏡外圓周的鏡架、和一個(gè)用來環(huán)繞鏡架外圓周的框架。微型反射鏡被鏡架通過諸如套簧等的彈性元件以中樞軸方式支撐，使得微型反射鏡可以繞著第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣彈性回復(fù)力的作用是抵抗這種旋轉(zhuǎn)。
鏡架也被框架以中樞軸方式支撐，使得鏡架可以繞著第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣彈性回復(fù)力的作用是抵抗這種旋轉(zhuǎn)。該第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)平行于基體的平面上相交，這個(gè)交叉點(diǎn)就是光學(xué)裝置的旋轉(zhuǎn)中心。
靜電驅(qū)動(dòng)器包括固定光學(xué)裝置的基體和安裝在基體上的大量驅(qū)動(dòng)電極。大量的驅(qū)動(dòng)電極可以包括一個(gè)第一個(gè)電極對和一個(gè)第二個(gè)電極對第一個(gè)電極對作用是產(chǎn)生用于引起微型反射鏡繞第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩；第二對電極對作用是產(chǎn)生用于引起鏡架繞第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩。當(dāng)靜電電壓被施加在微型反射鏡和第一個(gè)和第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間時(shí)，產(chǎn)生用來引起微型反射鏡相對于基體繞著旋轉(zhuǎn)中心傾斜的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩。光路的連接和切換就這樣通過改變光學(xué)信號的反射方向而實(shí)現(xiàn)了。
在這個(gè)實(shí)例里，第一個(gè)電極對是一對圓弓形的、尺寸相同的電極，其中心角約為180°，這兩個(gè)電極被安裝得與電極中心同心，在第一個(gè)垂直平面的兩端互相相對，這個(gè)第一個(gè)垂直平面是包括第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且延伸與基體垂直的平面。第二個(gè)電極對是一對同心的、圓弓形的、尺寸相同的電極，其中心角約為180°。這兩個(gè)電極被安裝得與電極中心同心，在第二個(gè)垂直平面的兩端互相相對，這個(gè)第二個(gè)垂直平面是一個(gè)包括第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且延伸與基體表面垂直的平面。第一個(gè)電極對被安裝得與第二個(gè)電極對同心，并且相對于電極中心在第二個(gè)電極對的里邊。
用于給第一個(gè)電極對的各個(gè)電極提供動(dòng)力供應(yīng)的線路被設(shè)置在在第二個(gè)電極對的相對的兩端之間的間隙里。
光學(xué)裝置的微型反射鏡最好用在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的第一個(gè)套簧以中樞軸方式支撐，鏡架最好用在第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的第二個(gè)套簧以中樞軸方式支撐。在這種情況下，第二個(gè)套簧的傾斜剛度被設(shè)計(jì)得比第一個(gè)套簧的剛度更剛硬一些。
另外，第一個(gè)套簧的傾斜剛度與第二個(gè)套簧的傾斜剛度的比值最好設(shè)計(jì)得與在第一個(gè)和第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極對和微型反射鏡之間采用相同的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)第一個(gè)電極對產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩與第二個(gè)電極對產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的比值相等。
一個(gè)光學(xué)開關(guān)可以根據(jù)輸入和輸出端的數(shù)量，通過以一個(gè)陣列方式排列安裝光學(xué)裝置和靜電驅(qū)動(dòng)器而形成。
上述的光學(xué)開關(guān)電極的輪廓構(gòu)造使得能夠有效地安裝用于旋轉(zhuǎn)微型反射鏡的一對電極和用于旋轉(zhuǎn)鏡架的一對電極，從而在正對著微型反射鏡的基體上一個(gè)有效的電極區(qū)域里覆蓋最大可能的電極面積。
另外，這種圓弓形的電極形狀，其中實(shí)質(zhì)的電極寬度隨著相對于電極中心向外邊方向的推移而變窄，也就是說，隨著向著上述有效電極區(qū)域的外周邊推移，允許靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩在小的轉(zhuǎn)向角區(qū)域被設(shè)定為高值，正如上述的第一個(gè)實(shí)例的光學(xué)開關(guān)一樣；進(jìn)一步地，使得能夠抑制在微型反射鏡和電極互相接近的傾斜角位置產(chǎn)生的太強(qiáng)的靜電力，因此能夠抑制靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的突然增加。
在這種情況下，考慮到安裝在驅(qū)動(dòng)微型反射鏡用的電極外圓周的、用于驅(qū)動(dòng)鏡架的電極的面積大于安裝在驅(qū)動(dòng)微型反射鏡用的電極的面積這樣一個(gè)事實(shí)，用來以中樞軸方式支撐鏡架的套簧的傾斜剛性被設(shè)計(jì)得比用來以中樞軸方式支撐微型反射鏡的套簧的傾斜剛性剛硬一些，這樣可以實(shí)現(xiàn)對微型反射鏡的轉(zhuǎn)向控制正確操作。這種結(jié)構(gòu)有這樣一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即避免了微型反射鏡和鏡架的耦合傾斜運(yùn)動(dòng)，因此能夠改善對微型反射鏡的控制。
這樣，正如在前面所述的第一個(gè)實(shí)例的光學(xué)開關(guān)一樣，這個(gè)實(shí)例能夠擴(kuò)大在低電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)可以控制的轉(zhuǎn)向角度范圍，同時(shí)提高中樞軸支撐部分的套簧的剛性，因此能夠提供一種可以用于大規(guī)模開關(guān)的精確的光學(xué)開關(guān)。
從下面的描述里，參考附圖，本發(fā)明上述的和其它的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將會變得顯而易見，該附示說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例。
首先，我們參考圖7，在圖7中，圖示說明了本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)例的光學(xué)開關(guān)的輪廓構(gòu)造，圖7(a)是一個(gè)平面圖，圖7(b)是一個(gè)側(cè)視圖。圖8是一個(gè)平面圖，圖示說明這個(gè)實(shí)例里的電極的形狀。圖9圖示說明這個(gè)實(shí)例里的光學(xué)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性。
這個(gè)實(shí)例的一個(gè)光學(xué)開關(guān)包含一個(gè)光學(xué)裝置和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器，該光學(xué)開關(guān)對大量的光學(xué)信號路徑進(jìn)行連接和切換。該光學(xué)裝置被支撐，以允許它繞著一個(gè)或多個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。該靜電驅(qū)動(dòng)器包含固定光學(xué)裝置的基體和安裝在基體上的驅(qū)動(dòng)電極。這些驅(qū)動(dòng)電極繞著電極中心徑向地排列安裝。各個(gè)電極設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，使得規(guī)定的外邊部分的電極寬度隨著從電極中心向外邊方向的推移而減小。
在這個(gè)實(shí)例里，光學(xué)裝置被以中樞軸方式支撐，這樣就允許它繞著兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，也就是說，繞著兩個(gè)相交的旋轉(zhuǎn)軸A1和A2旋轉(zhuǎn)。在下面的描述里，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)被稱為旋轉(zhuǎn)中心。另外，旋轉(zhuǎn)中心在基體表面上的正交投影被稱為電極中心(EC)。進(jìn)一步地，垂直于基體表面并且包含旋轉(zhuǎn)軸A1的平面被稱為第一個(gè)垂直平面，垂直于基體表面并且包含旋轉(zhuǎn)軸A2的平面被稱為第二個(gè)垂直平面。最后，第一個(gè)垂直平面和第二個(gè)垂直平面與基體表面相交的交線分別被稱為第一和第二正交投影軸。
該光學(xué)裝置包括微型反射鏡201，安裝在微型反射鏡201周圍的鏡架301，和安裝在鏡架301周圍的框架701。微型反射鏡201被鏡架301通過一對第一套簧501以中樞軸方式彈性地支撐，這樣微型反射鏡201能夠繞著圖7的旋轉(zhuǎn)軸A1(RY方向)旋轉(zhuǎn)。鏡架301被框架701通過一對第二套簧601以中樞軸方式彈性地支撐，這樣微型反射鏡301能夠繞著與微型反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸A1垂直的旋轉(zhuǎn)軸A2(RX方向)旋轉(zhuǎn)。
該靜電驅(qū)動(dòng)器包含固定光學(xué)裝置的基體1101和安裝在基體1101上的驅(qū)動(dòng)電極901和1001。驅(qū)動(dòng)電極901有兩個(gè)在第一個(gè)垂直平面的兩端形成的驅(qū)動(dòng)電極。驅(qū)動(dòng)電極1001有兩個(gè)在第二個(gè)垂直平面的兩端形成的驅(qū)動(dòng)電極。
從電極中心觀察，驅(qū)動(dòng)電極901和1001的規(guī)定的外邊部分被設(shè)計(jì)成這樣，即電極寬度W隨著從電極中心向外推移而變窄(參考圖8(a)部分和圖8(b)部分)。
在本實(shí)例里，從電極中心觀察，驅(qū)動(dòng)電極901和1001的里邊部分，被設(shè)計(jì)成這樣，即電極寬度W隨著向光學(xué)裝置的電極中心EC的往里推移而變窄。上述的兩組驅(qū)動(dòng)電極被安裝在基體上，位于微型反射鏡的正交投影區(qū)域里面。
驅(qū)動(dòng)電極對901(下面把它稱為第一個(gè)電極對)被設(shè)計(jì)成位于第一個(gè)垂直平面的兩端，這樣使得第一個(gè)電極對產(chǎn)生的靜電力產(chǎn)生引起微型反射鏡繞著旋轉(zhuǎn)軸A1旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力矩。相似地，驅(qū)動(dòng)電極對1001(下面把它稱為第一個(gè)電極對)被設(shè)計(jì)成位于第二個(gè)垂直平面的兩端，這樣使得第二個(gè)電極對產(chǎn)生的靜電力產(chǎn)生引起微型反射鏡通過鏡架301繞著旋轉(zhuǎn)軸A2旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力矩。旋轉(zhuǎn)軸A1和旋轉(zhuǎn)軸A2之間被建立成一種互相垂直的關(guān)系，因此這兩個(gè)電極對901和1001能夠產(chǎn)生繞著由旋轉(zhuǎn)軸A1和旋轉(zhuǎn)軸A2組成的平面里的任意旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)力矩(雙軸驅(qū)動(dòng))。
在驅(qū)動(dòng)電極和光學(xué)裝置的旋轉(zhuǎn)中心之間提供了一個(gè)規(guī)定的電極間隙(空氣間隙)22，光學(xué)裝置被固定于此。對各個(gè)電極對應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電壓在被固定的光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)電極之間產(chǎn)生靜電吸引力，造成微型反射鏡201和鏡架301繞著各旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，因此，將投射來的光學(xué)信號向任意方向反射。
在本實(shí)例里，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)成具有新型的形狀。如圖7(a)所示的電極采用這樣的形狀，使得從電極中心觀察的里邊部分(靠近電極中心的部分)的電極寬度W隨著向電極中心往里推移而減小，而同時(shí)，外邊部分的電極寬度W隨著從電極中心向外推移而減小。這樣圖7(a)的電極被設(shè)計(jì)成為菱形形狀。
圖8圖示說明本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)里的其它電極形狀實(shí)例。
圖8(a)圖示說明一個(gè)等邊菱形形狀的電極，圖8(b)圖示說明一個(gè)電極，其菱形形狀的電極的最大電極寬度的位置，相對于圖8(a)所示的菱形形狀的電極的最大電極寬度的位置，被向外(沿著從電極中心向外的方向)偏移了。
圖8(c)圖示說明一個(gè)電極，其電極形狀被設(shè)計(jì)成一個(gè)橢圓形。這種形狀的各電極對被設(shè)計(jì)成這樣，它們的長軸與正交投影軸重合。同樣在這種情況下，各電極被設(shè)計(jì)成這樣，電極寬度隨著向電極中心往里推移而下降，而同時(shí)，電極寬度隨著相對于電極中心向外推移而減小。因此可以實(shí)現(xiàn)與上面所述的菱形形狀的電極能實(shí)現(xiàn)的關(guān)于靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線一樣的效果。由于長軸和短軸的尺寸是根據(jù)光學(xué)裝置和靜電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)而被優(yōu)化，電極的形狀在有些情況下可以被設(shè)計(jì)成圓形的。
這樣，電極的形狀可以根據(jù)光學(xué)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)限制或根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓電路的要求而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)形成這樣的電極，使得接近電極中心部分的電極寬度下降，這樣允許向電極中心附近盡可能地?cái)U(kuò)展第一個(gè)電極對901和第二個(gè)電極對1001，而不會引起幾何形狀干涉。結(jié)果，電極的面積可以增加，對于相同的反射鏡傾斜角度，在相同的外加電壓下，可以產(chǎn)生比在現(xiàn)有技術(shù)里更高的扭轉(zhuǎn)力矩。這樣，電極面積的向里擴(kuò)展引起靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩相對于反射鏡傾斜角度的特性曲線向上偏移。
圖9圖示說明本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)例里的光學(xué)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性，圖9(a)圖示說明現(xiàn)有技術(shù)的靜電驅(qū)動(dòng)電極，圖9(b)圖示說明本實(shí)例的菱形形狀的靜電驅(qū)動(dòng)電極。圖9(c)圖示說明靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性相對于反射鏡傾斜角度θ的計(jì)算結(jié)果。圖中的虛線表示當(dāng)使用圖9(a)中的現(xiàn)有技術(shù)的靜電驅(qū)動(dòng)電極時(shí)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線，實(shí)線表示當(dāng)使用圖9(b)中的菱形形狀的靜電驅(qū)動(dòng)電極時(shí)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線。從θ＝0向上傾斜方向的直線代表套簧的彈性回復(fù)力作為反射鏡傾斜角度θ的函數(shù)的直線。這些直線各點(diǎn)處的斜率(或梯度)代表套簧的剛性。
設(shè)定圖9的計(jì)算參數(shù)的條件與圖6中所示的模型的條件相同。
盡可能向電極中心附近擴(kuò)展的電極部分在旋轉(zhuǎn)軸A1和A2附近產(chǎn)生一個(gè)附加的電場E′(x＜＜L)。然而，盡管反射鏡傾斜角度θ發(fā)生變化，E′的變化是很微小的(因?yàn)閍的變化，ΔA＝-xΔθ是很微小的，盡管θ在x的范圍里變化，這里x很小，而且靜電場E′也很小(參考公式(2)))。結(jié)果，靜電場E′對靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性的貢獻(xiàn)在反射鏡傾斜角度θ可以控制的范圍內(nèi)(θ＝0到θ＝θMAX)實(shí)質(zhì)上是均勻不變的。在圖9(c)里，插入在小的θ區(qū)域里的向上的箭頭代表由附加的靜電場E′引起的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩增量。
在本實(shí)例里，驅(qū)動(dòng)電極的寬度W隨著從電極中心觀察的向外邊的推移而逐漸變窄，正如前邊所述。這種形狀導(dǎo)致電極的周邊面積小于現(xiàn)有技術(shù)里的電極的周邊面積，因此靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩下降。然而，靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩下降的速率隨著反射鏡傾斜角度θ的增加而增加。
這種情況的原因如下由于向外逐漸變細(xì)的電極部分產(chǎn)生的靜電場E″是在距離旋轉(zhuǎn)軸A1和A2(xL)很遠(yuǎn)的位置的靜電場，距離a的值隨著反射鏡傾斜角度θ的增加而減小(a＝d-(Lθ))。正如由公式(2)和公式(3)可以很明顯看出，每單位電極面積的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩與a2成反比。正因?yàn)檫@個(gè)原因，每單位電極面積的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩隨著反射鏡傾斜角度θ的增加而增加得更為迅速。
這意味著電極面積向外變窄引起的效果隨著反射鏡傾斜角度θ的增加而更為顯著。因此靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩作為電極面積的函數(shù)在大傾斜角度時(shí)的減小速率比在小傾斜角度時(shí)的減小速率顯著。
在圖9(c)里，插入在大的θ區(qū)域里的向下的箭頭代表(靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩)減小量。
電極寬度W被設(shè)計(jì)得隨著向外推移而減小，這樣，甚至在反射鏡的邊緣接近驅(qū)動(dòng)電極和電極間隙(空氣間隙)22變小的、大的轉(zhuǎn)向角區(qū)域里，能夠抑制靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩對傾斜角度特性里的突然增加。
另外，由于電極寬度W被設(shè)計(jì)成這樣，隨著向電極中心往里推移而減小，這樣，使得靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線在小轉(zhuǎn)向角區(qū)域向上偏移，從而初始的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩可以在驅(qū)動(dòng)開始的小轉(zhuǎn)向角區(qū)域被設(shè)定為高值。
與現(xiàn)有技術(shù)里的方形電極(或矩形電極)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線相比，本實(shí)例的驅(qū)動(dòng)電極的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性如下所述可動(dòng)反射鏡的初始扭轉(zhuǎn)力矩(在小轉(zhuǎn)向角區(qū)域里靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩)上升(圖9(c)中的向上箭頭)，而且，相對于傾斜角度所畫的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的上升得到抑制(圖9(c)中的向下箭頭)。
在小轉(zhuǎn)向角區(qū)域里靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的上升和對在大的反射鏡傾斜角度θ區(qū)域里(靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的)上升的抑制意味著本實(shí)例的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線(實(shí)線)比現(xiàn)有技術(shù)里的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線(虛線)變化得更加平緩。因此反射鏡轉(zhuǎn)向角度θ可以被用更高的分辨率進(jìn)行控制。
正如可以從圖9(c)觀察的，這種類型微型反射鏡的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的梯度，或是在本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)里或是在現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)開關(guān)里，通常隨著反射鏡傾斜角度θ的增加而增加。這種現(xiàn)象表明如下兩個(gè)事實(shí)1)在靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上具有大梯度的點(diǎn)處，反射鏡傾斜角度θ也大。在圖9(c)中，曲線B(實(shí)線)在反射鏡傾斜角度θ不大的區(qū)域里，曲線B(實(shí)線)向上高過曲線A(虛線)。因此，當(dāng)切線被從原點(diǎn)畫向這些曲線時(shí)，曲線B的切線tB的梯度大于曲線A的切線tA的梯度。因?yàn)檫@一原因，對應(yīng)于曲線B上切點(diǎn)的反射鏡傾斜角度θB也大于對應(yīng)于曲線A上切點(diǎn)的反射鏡傾斜角度θA。這樣，當(dāng)在微型反射鏡和驅(qū)動(dòng)電極之間施加相同的電壓時(shí)，本實(shí)例的可以控制的反射鏡傾斜角度范圍的最大值θMAX大于現(xiàn)有技術(shù)里的可以控制的反射鏡傾斜角度范圍的最大值θMAX。
另外，在本實(shí)例里從原點(diǎn)畫向靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的切線的斜率大于在現(xiàn)有技術(shù)里(從原點(diǎn)畫向靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線的切線的斜率)這一事實(shí)表明在本實(shí)例的光學(xué)裝置里可以采用高剛性的套簧。
2)靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上，具有相同梯度時(shí)，在上升平緩的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上的反射鏡傾斜角度θ大于在上升突然的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上的反射鏡傾斜角度θ。因此，如果從原點(diǎn)出發(fā)畫一條具有特定斜率的直線，然后這樣調(diào)整微型反射鏡和驅(qū)動(dòng)電極之間的電壓，使得靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線與這條直線相切，本實(shí)例的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線將與這條直線在一個(gè)比在現(xiàn)有技術(shù)里的(靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線)大的反射鏡傾斜角度θ處相切。這個(gè)事實(shí)表明甚至當(dāng)使用具有相同剛性的套簧時(shí)，本實(shí)例中的可以控制的反射鏡傾斜角度范圍的最大值θMAX也大于在現(xiàn)有技術(shù)里的可以控制的反射鏡傾斜角度范圍的最大值θMAX。
這樣，本實(shí)例使得有可能進(jìn)行穩(wěn)定定位的轉(zhuǎn)向角度范圍(在自原點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩曲線的切線的切點(diǎn)處的傾斜角度)得以擴(kuò)大。在圖9的實(shí)例里，轉(zhuǎn)向角被從θA＝5.2°(現(xiàn)有技術(shù))擴(kuò)大到θB＝6.2°(本實(shí)例)。另外，套簧的剛性(傾斜剛性)可以被設(shè)計(jì)得更加剛硬，從k1＝32.5×10-10N-m/rad(現(xiàn)有技術(shù))到k2＝36.8×10-10N-m/rad(本實(shí)例)。結(jié)果，可以提供一個(gè)光學(xué)開關(guān)，其反射鏡轉(zhuǎn)向角被擴(kuò)大，同時(shí)不減小可動(dòng)反射鏡的響應(yīng)速度。因此也可以提供一種適宜于大規(guī)模應(yīng)用的小型的、低成本的、高可靠性的、高速度光學(xué)開關(guān)。
本實(shí)例里的光學(xué)開關(guān)適合于應(yīng)用MEMS技術(shù)的加工過程里。例如，大量的光學(xué)開關(guān)可以被以矩陣形式排列安裝在一個(gè)硅片上，并模塊化(參考圖2(b)的現(xiàn)有技術(shù)的例子)；輸入/輸出纖維陣列可以與準(zhǔn)直校正透鏡陣列合并，構(gòu)成一個(gè)大規(guī)模光學(xué)開關(guān)模塊(參考圖2(a)的現(xiàn)有技術(shù)的例子)。
另外，盡管在前面描述的實(shí)例里，靜電驅(qū)動(dòng)器是通過在基體上固定驅(qū)動(dòng)電極和安裝光學(xué)裝置構(gòu)造而成的，也可以這樣采用一種構(gòu)造，在該構(gòu)造里，驅(qū)動(dòng)電極被排列安裝在光學(xué)裝置上，基體被作為基礎(chǔ)。另外，盡管本實(shí)例里的套簧部分的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成螺旋形，正如現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例所示，任何能夠獲得規(guī)定的剛性的結(jié)構(gòu)都可以采用。
下面的說明考慮本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)的第二個(gè)實(shí)例。本實(shí)例的光學(xué)開關(guān)目的也在于連接和切換大量光學(xué)信號的光路，而且裝配有光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)這些光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器。
該光學(xué)裝置裝配有一個(gè)圓形微型反射鏡，一個(gè)是安裝在微型反射鏡周圍的、實(shí)質(zhì)上與之同心的圓形鏡架，和一個(gè)安裝在鏡架周圍的框架。微型反射鏡的旋轉(zhuǎn)軸(下面稱之為旋轉(zhuǎn)軸A1)通過微型反射鏡202的一個(gè)直徑。鏡架的旋轉(zhuǎn)軸(下面稱之為旋轉(zhuǎn)軸A2)通過鏡架的一個(gè)、與旋轉(zhuǎn)軸A1垂直的直徑。
該微型反射鏡被鏡架通過第一個(gè)套簧以中樞軸方式支撐，鏡架被框架通過第二個(gè)套簧以中樞軸方式支撐，這樣，鏡架可以繞著一個(gè)垂直于微型反射鏡旋轉(zhuǎn)軸A1的軸旋轉(zhuǎn)。
該靜電驅(qū)動(dòng)器裝配有固定光學(xué)裝置用的基體和固定在基體上的驅(qū)動(dòng)電極。該驅(qū)動(dòng)電極裝配有一個(gè)用于引起微型反射鏡旋轉(zhuǎn)的第一個(gè)電極對和一個(gè)用于引起鏡架旋轉(zhuǎn)的第二個(gè)電極對。
第一個(gè)電極對由一對中心角均約為180°的、尺寸相同的圓弓形電極組成。第一個(gè)電極對的各圓弓形電極的兩個(gè)端邊被排列安裝在第一個(gè)垂直平面的兩端，而且正對著另外一個(gè)圓弓形電極的兩個(gè)端邊。
第二個(gè)電極對是一對中心角約為180°的、同心的圓弓形電極，各個(gè)同心的圓弓形電極的兩個(gè)端邊被排列安裝在第二個(gè)垂直平面的兩端，而且正對著另外一個(gè)同心的圓弓形電極的兩個(gè)端邊。
第一個(gè)電極對位于沿著半徑相對于電極中心向第二個(gè)電極對以里的位置。這樣第二個(gè)電極對被安裝在相對于第一個(gè)電極對旋轉(zhuǎn)了90°的位置上。
參考圖10，下面詳細(xì)描述本實(shí)例。
圖10(a)是一個(gè)平面圖，圖示說明代表本實(shí)例的光學(xué)開關(guān)的輪廓構(gòu)造，圖10(b)和圖10(c)是平面圖，圖示說明本實(shí)例里電極的形狀。
本實(shí)例的光學(xué)開關(guān)也由光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器組成，對大量光學(xué)信號的光路進(jìn)行連接和切換。
光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)與前面描述的第一個(gè)實(shí)例的光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)相似，裝備有微型反射鏡202，鏡架302和框架702。
鏡架302被安裝得環(huán)繞在微型反射鏡202的周圍?？蚣?02被安裝得環(huán)繞在鏡架302的周圍。微型反射鏡202被鏡架302通過第一個(gè)套簧502以中樞軸方式支撐。鏡架302被框架702通過第二個(gè)套簧602以中樞軸方式支撐，這樣使得鏡架302可以繞著垂直于微型反射鏡202旋轉(zhuǎn)軸A1的旋轉(zhuǎn)軸A2旋轉(zhuǎn)。
靜電驅(qū)動(dòng)器被裝配有固定光學(xué)裝置用的基體和固定在基體上的驅(qū)動(dòng)電極902和1002。
該驅(qū)動(dòng)電極由用于旋轉(zhuǎn)微型反射鏡202第一個(gè)電極對902和用于旋轉(zhuǎn)鏡架302的第二個(gè)電極對1002構(gòu)成。第一個(gè)電極對被這樣安裝，使得中心角均約為180°的、圓弓形電極對902的各電極的兩個(gè)端邊被排列安裝在第一個(gè)垂直平面的兩端，而且正對著另外一個(gè)圓弓形電極的兩個(gè)端面。
第二個(gè)電極對被這樣安裝，使得中心角約為180°的、同心的圓弓形電極對1002的各電極的兩個(gè)端邊被排列安裝在第二個(gè)垂直平面的兩端互相相對，第二個(gè)垂直平面包含有鏡架302的旋轉(zhuǎn)軸A2。第一個(gè)電極對902被安裝得被第二個(gè)電極對1002環(huán)繞，并且從電極中心觀察時(shí)位于第二個(gè)電極對1002里面。這樣第二個(gè)電極對1002被安裝在相對于第一個(gè)電極對902旋轉(zhuǎn)了90°的位置上。
最后，第一個(gè)電極對902的兩個(gè)圓弓形電極的電極導(dǎo)線2301被引到基體的外面，這樣使得導(dǎo)線經(jīng)過第二個(gè)電極對1002的兩個(gè)同心的圓弓形電極的兩個(gè)相對邊之間的間隙G(參閱圖10(c))。
在驅(qū)動(dòng)電極902和1002與光學(xué)裝置之間提供了一個(gè)規(guī)定的電極間隙(空氣間隙)，而且對第一個(gè)和第二個(gè)電極對的任何一個(gè)電極施加電壓都產(chǎn)生靜電力(吸引力)，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)可動(dòng)反射鏡進(jìn)行光學(xué)信號的轉(zhuǎn)向。
另外，以中樞軸方式支撐鏡架302的第二個(gè)套簧602的傾斜剛度kh2被設(shè)計(jì)得大于以中樞軸方式支撐微型反射鏡202的第一個(gè)套簧502的傾斜剛度kh1。
這樣的設(shè)計(jì)是為了補(bǔ)償電極面積的差別引起的靜電力的差別，從而提高了對微型反射鏡的控制。kh1對kh2的比值被設(shè)計(jì)得與采用相同的電壓時(shí)第一個(gè)電極902產(chǎn)生的靜電扭轉(zhuǎn)力矩對第二個(gè)電極1002產(chǎn)生的靜電扭轉(zhuǎn)力矩的比值相等。
這種電極結(jié)構(gòu)和套簧剛性的采用允許驅(qū)動(dòng)微型反射鏡的電極和驅(qū)動(dòng)鏡架的電極被有效地安裝在位于正對著微型反射鏡的基體的有效區(qū)域里的最大可能的電極區(qū)域里。而且，實(shí)質(zhì)電極寬度(產(chǎn)生靜電驅(qū)動(dòng)力的電極寬度)隨著相對于電極中心向外的推移而變窄使得能夠抑制在相對于傾斜角度的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線上的突然上升，正如在第一個(gè)實(shí)例里一樣。結(jié)果，在低電壓下，控制是可能的轉(zhuǎn)向角范圍可以被擴(kuò)大，從而可以提供一個(gè)可以用于大規(guī)模開關(guān)的光學(xué)開關(guān)。
同時(shí)，支撐鏡架的套簧部分的傾斜剛性被設(shè)計(jì)得大于支撐微型反射鏡的套簧部分的傾斜剛性，該值取決于微型反射鏡和鏡架之間的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的差別。結(jié)果，當(dāng)可動(dòng)的反射鏡繞著兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)耦合時(shí)可能產(chǎn)生的震動(dòng)的出現(xiàn)可以被避免，另外，可以提高轉(zhuǎn)向角度的可控性。
在本實(shí)例的光學(xué)開關(guān)里光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)電極也適宜于使用MEMS技術(shù)的加工過程，正如前面所述的第一個(gè)實(shí)例，大量光學(xué)開關(guān)可以被以矩陣形式二維地排列安裝在一個(gè)硅片上，并且與纖維陣列和透鏡陣列合并，從而構(gòu)成一個(gè)大規(guī)模的光學(xué)開關(guān)模塊。
盡管在本實(shí)例里也描述了這樣一種結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)電極被安裝在基體上，光學(xué)裝置被接地，當(dāng)再用下述結(jié)構(gòu)時(shí)也能夠獲得相同的結(jié)果，即驅(qū)動(dòng)電極被安裝在光學(xué)裝置上，基體被接地。另外，盡管在本實(shí)例里，套簧部分的結(jié)構(gòu)被確定成螺旋形的，這種結(jié)構(gòu)不是特別規(guī)定的，任何能夠獲得所規(guī)定的剛度的結(jié)構(gòu)都可以采用。
本發(fā)明具有下面的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在本發(fā)明的光學(xué)開關(guān)里，用于驅(qū)動(dòng)靜電驅(qū)動(dòng)器的電極的形狀被設(shè)計(jì)成這樣，即電極寬度隨著向電極中心的推進(jìn)而變窄，同時(shí)，電極寬度也隨著相對于電極中心向外推進(jìn)而變窄。這種結(jié)構(gòu)不但允許在低驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)獲得比在現(xiàn)有技術(shù)里更為適宜的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩，而且允許微型反射鏡的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性提高以得到一個(gè)擴(kuò)大了的可以控制的轉(zhuǎn)向角度范圍。結(jié)果，可以提供一個(gè)小型的、低成本的、適宜于大規(guī)模應(yīng)用的、高度可靠的光學(xué)開關(guān)。
而且，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的光學(xué)開關(guān)里，用于驅(qū)動(dòng)微型反射鏡的靜電驅(qū)動(dòng)器的電極的形狀被配備以兩個(gè)圓弓形電極，各個(gè)電極的中心角約為180°，且被安裝得互相相對。用于驅(qū)動(dòng)微型反射鏡的電極對被安裝得向著電極中心，用于驅(qū)動(dòng)鏡架的電極對被安裝得在用于驅(qū)動(dòng)微型反射鏡的電極對的外邊，并且相對于用于驅(qū)動(dòng)微型反射鏡的電極對旋轉(zhuǎn)了90°。
而且，支撐鏡架的彈性元件(套簧部分)的傾斜剛性被設(shè)計(jì)得大于支撐微型反射鏡的彈性元件(套簧部分)的傾斜剛性。
這種構(gòu)造允許提高微型反射鏡的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性曲線，同時(shí)提高對反射鏡的控制，而且允許在低電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)擴(kuò)大可以控制的轉(zhuǎn)向角度范圍。結(jié)果，本發(fā)明提供了一個(gè)有利條件，即提供一個(gè)精確的、適宜于大規(guī)模光學(xué)通信應(yīng)用的光學(xué)開關(guān)。
然而，應(yīng)當(dāng)被充分理解的是，盡管在前面的描述里對本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，本文的內(nèi)容也僅僅是說明性的，在附加的權(quán)利要求范圍內(nèi)可以在形狀、尺寸和零件的排列方面進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于連接和切換大量光學(xué)信號的光路的光學(xué)開關(guān)，包含一個(gè)光學(xué)裝置和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)所述的光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器；所述的光學(xué)裝置被以中樞軸方式支撐，從而允許繞著規(guī)定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，所述的靜電驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)固定所述的光學(xué)裝置用的基體和大量的安裝在所述的基體上的驅(qū)動(dòng)電極；其特征在于施加在所述的光學(xué)裝置和所述的驅(qū)動(dòng)電極之間的靜電電壓產(chǎn)生一個(gè)用于引起所述的光學(xué)裝置相對于所述的基體繞著所述的旋轉(zhuǎn)中心傾斜的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩，因此所述的光學(xué)信號的反射方向被改變；所述的大量的驅(qū)動(dòng)電極被安裝排列成一個(gè)繞著電極中心的放射狀圖形，所述的電極中心是所述的旋轉(zhuǎn)中心在所述的基體表面的正交投影；而且所述的大量的驅(qū)動(dòng)電極每一個(gè)都被設(shè)計(jì)形成這樣一種形狀，其規(guī)定的外部的電極寬度相對于所述的電極中心隨著向著外邊的推進(jìn)而變窄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的光學(xué)裝置包括一個(gè)微型反射鏡，一個(gè)安裝在所述的微型反射鏡周圍的鏡架，和一個(gè)安裝在所述的鏡架周圍的框架；所述的微型反射鏡通過所述的鏡架被以中樞軸方式支撐，這樣使得所述的微型反射鏡能夠繞著一個(gè)第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣使得一種彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)；所述的鏡架通過所述的框架被以中樞軸方式支撐，這樣使得所述的鏡架能夠繞著一個(gè)第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，這樣使得一種彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)；所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)平行于基體的平面上互相相交，這個(gè)交點(diǎn)成為所述的旋轉(zhuǎn)中心；所述的大量的驅(qū)動(dòng)電極包括一個(gè)用于產(chǎn)生引起所述的微型反射鏡繞著所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的第一個(gè)電極對和一個(gè)用于產(chǎn)生引起所述的鏡架繞著所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的第二個(gè)電極對；所述的第一個(gè)電極對的兩個(gè)電極被安裝排列在一個(gè)第一個(gè)垂直平面的兩邊，所述的第一個(gè)垂直平面是一個(gè)包括所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、并垂直于所述的基體而擴(kuò)展的平面；而且所述的第二個(gè)電極對的兩個(gè)電極被安裝排列在一個(gè)第二個(gè)垂直平面的兩邊，所述的第二個(gè)垂直平面是一個(gè)包括所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、并垂直于所述的基體而擴(kuò)展的平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸互相垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于各個(gè)所述的驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)形成這樣一種形狀，在其中規(guī)定的里邊部分的電極寬度由此相對于所述的電極中心隨著向里推進(jìn)而變窄。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于各個(gè)所述的驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)形成這樣一種形狀，其規(guī)定的里邊部分的電極寬度由此相對于所述的電極中心隨著向里推進(jìn)而變窄。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電極的形狀是一個(gè)菱形形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于各個(gè)所述的驅(qū)動(dòng)電極是一個(gè)橢圓形狀，其長軸與半徑方向相對于電極中心成一直線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于大量的所述的光學(xué)裝置和靜電驅(qū)動(dòng)器被排列成一個(gè)取決于輸入和輸出短數(shù)量的陣列。
9.一個(gè)用于連接和切換光學(xué)信號的光學(xué)開關(guān)，所述的光學(xué)開關(guān)包含一個(gè)光學(xué)裝置和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)所述的光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器；所述的光學(xué)裝置被以中樞軸方式支撐，從而允許繞著一個(gè)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；所述的光學(xué)裝置包括一個(gè)微型反射鏡，一個(gè)安裝在所述的微型反射鏡周圍的鏡架，和一個(gè)安裝在所述的鏡架周圍的框架；所述的微型反射鏡被所述的鏡架以中樞軸方式支撐，這樣使得所述的微型反射鏡能夠繞著一個(gè)第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一個(gè)彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)；所述的鏡架被所述的框架以中樞軸方式支撐，這樣使得所述的鏡架能夠繞著一個(gè)第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一個(gè)彈性回復(fù)力抵抗這種旋轉(zhuǎn)；所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)平行于基體的平面上互相相交，這個(gè)交點(diǎn)成為所述的旋轉(zhuǎn)中心；所述的靜電驅(qū)動(dòng)器包括固定所述的光學(xué)裝置的基體和大量的安裝在所述的基體上的電極；所述的大量的驅(qū)動(dòng)電極包括一個(gè)用于產(chǎn)生引起所述的微型反射鏡繞著所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的第一個(gè)電極對和一個(gè)用于產(chǎn)生引起所述的鏡架繞著所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的第二個(gè)電極對；一個(gè)靜電電壓，當(dāng)被施加在所述的光學(xué)裝置和所述的第一個(gè)和第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)引起所述的微型反射鏡相對于所述的基體繞著所述的旋轉(zhuǎn)中心傾斜的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩，從而改變大量的光學(xué)信號的反射方向來實(shí)施對所述的光學(xué)信號光路的連接和切換；其特征在于所述的第一個(gè)電極對有一對尺寸相同的、圓弓形電極，各個(gè)電極的中心角約為180°，這兩個(gè)被安裝得與電極中心同心，在一個(gè)第一個(gè)垂直平面的兩邊互相相對，所述的電極中心是所述的旋轉(zhuǎn)中心到所述的基體表面的正交投影，所述的第一個(gè)垂直平面是一個(gè)包含所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且垂直于基體表面擴(kuò)展的平面；所述的第二個(gè)電極對有一對同心的、尺寸相同的、圓弓形電極，各個(gè)電極的中心角約為180°，這兩個(gè)被安裝得與所述的電極中心同心，在一個(gè)第二個(gè)垂直平面的兩邊互相相對，所述的第二個(gè)垂直平面是一個(gè)包含所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸并且垂直于基體表面擴(kuò)展的平面；而且所述的第一個(gè)電極對被安裝得與所述的第二個(gè)電極對同心，并相對于所述的電極中心位于所述的第二個(gè)電極對里邊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的第一個(gè)電極對的各個(gè)電極的導(dǎo)線在所述的第二個(gè)電極對的互相相對的兩邊之間提供的間隙里延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的光學(xué)裝置的所述的微型反射鏡被通過第一個(gè)套簧在所述的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上以中樞軸方式支撐，所述的鏡架被通過第二個(gè)套簧在所述的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上以中樞軸方式支撐，所述的第二個(gè)套簧的傾斜剛性被設(shè)計(jì)得比所述的第一個(gè)套簧的傾斜剛性剛硬。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于所述的第一個(gè)套簧的傾斜剛性對所述的第二個(gè)套簧的傾斜剛性的比值被設(shè)計(jì)得等于當(dāng)在所述的微型反射鏡和所述的第一個(gè)和第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極對之間施加相等的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)所述的第一個(gè)電極對將產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩對所述的第二個(gè)電極對將產(chǎn)生的靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩的比值。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)開關(guān)，其特征在于大量的所述的光學(xué)裝置和靜電驅(qū)動(dòng)器被排列成取決于輸入和輸出端的數(shù)量陣列形式。
全文摘要
一個(gè)用于連接和切換大量光學(xué)信號的模擬光束真空光學(xué)開關(guān)，包括大量的光學(xué)裝置和用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)裝置的靜電驅(qū)動(dòng)器。各個(gè)光學(xué)裝置被以中樞軸方式支撐，在光學(xué)裝置和驅(qū)動(dòng)電極之間施加靜電電壓。大量驅(qū)動(dòng)電極被排列成相對于電極中心的放射狀圖樣。各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，使得規(guī)定的外邊部分的電極寬度隨著相對于電極中心向著外邊的推進(jìn)而減小。另外，各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極被設(shè)計(jì)成這樣一種形狀，使得規(guī)定的里邊部分的電極寬度隨著相對于電極中心向著里邊的推進(jìn)而減小。用這種方式設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電極提高了微型反射鏡的驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩特性，擴(kuò)大了低電壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定定位的轉(zhuǎn)向角范圍。
文檔編號G02B6/35GK1397816SQ0212631
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月18日
發(fā)明者宇都宮基恭 申請人:日本電氣株式會社