專利名稱：一種雙微鏡2×2陣列式mems光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光機(jī)電裝置領(lǐng)域，特別涉及用壓電彈性復(fù)合膜懸臂梁驅(qū)動(dòng)的一種雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)。
背景技術(shù)：
近幾年來，通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在人類向信息社會(huì)飛躍的過程中扮演了十分重要的角色。尤其是光通信技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大大的提高了信息交換的速率和傳輸?shù)娜萘俊?br> 隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，特別是密集波分復(fù)用(DWDM)等技術(shù)的成熟應(yīng)用，光纖通信技術(shù)成為通信領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)技術(shù)。復(fù)雜的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中要求大量的新型光網(wǎng)絡(luò)器件支持，光開關(guān)與光開關(guān)陣列作為光纖通信系統(tǒng)重要的光器件，在光網(wǎng)絡(luò)中的光交叉連接(OXC)、光網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)保護(hù)切換、光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和光纖通信器件測試中具有重要的應(yīng)用。長期以來，電子光開關(guān)被廣泛用于光開關(guān)器件。這種依靠電子核心的光開關(guān)(也稱為OEO開關(guān))首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過電子方式開關(guān)信號(hào)，然后再將其轉(zhuǎn)換回光信號(hào)。OEO開關(guān)的高功耗、抖動(dòng)大、帶寬受限、需要光電/電光轉(zhuǎn)換、需采用雙極或GaAs電路、成本高、體積大等特點(diǎn)，使電子光開關(guān)的應(yīng)用變得十分昂貴。隨著今天DWDM通信系統(tǒng)容量的驟增，當(dāng)端口數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸速率增長的時(shí)候，在每個(gè)結(jié)點(diǎn)有大量的光—電—光轉(zhuǎn)換需求，這越來越難以滿足未來的高速、大容量光通信要求。因此，OEO光開關(guān)是未來光通信網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，發(fā)展一種新型的大容量、低損耗、與波長無關(guān)的全光開關(guān)成為光開關(guān)的主要研究方向。
MEMS技術(shù)在光通信中最有前景的應(yīng)用之一是MEMS光開關(guān)。MEMS光開關(guān)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)與傳統(tǒng)光開關(guān)技術(shù)相結(jié)合的新型光開關(guān)。在自由空間光學(xué)MEMS中，光開關(guān)的自由空間設(shè)計(jì)利用光學(xué)材料和它周圍環(huán)境之間有固有的高折射率差異的優(yōu)點(diǎn)，使MEMS光開關(guān)不僅保留了其傳統(tǒng)自由空間光開關(guān)光學(xué)低損耗和低串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)，還具有小尺寸、小質(zhì)量和毫秒或亞毫秒的開關(guān)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。而且，MEMS制造技術(shù)允許微光學(xué)、微執(zhí)行器、復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)和必要的微電子器件在單一襯底上實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)集成，這允許大規(guī)模矩陣開關(guān)的單片集成。此外，MEMS光開關(guān)固有的快速，低功耗和匹量制造工藝也大大的降低系統(tǒng)的成本。
目前，在利用自由空間光反射原理實(shí)現(xiàn)的MEMS光開關(guān)中，采用平面微鏡形式的光開關(guān)由于微鏡偏轉(zhuǎn)角度連續(xù)變化的特點(diǎn)，為光開關(guān)的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)帶來了很大因難。采用表面微加工工藝實(shí)現(xiàn)的二維陣列垂直微鏡面光開關(guān)，微鏡面的垂直度，鏡面粗糙度，光路對(duì)準(zhǔn)等存在大量的亟待解決問題。MEMS光開關(guān)反射器件采用靜電、電磁、熱、壓電等原理實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。其中，壓電驅(qū)動(dòng)方式具有，驅(qū)動(dòng)力大，動(dòng)作準(zhǔn)確，可控性好等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)。所述2×2陣列式MEMS光開關(guān)是在110硅襯底5上實(shí)現(xiàn)的，利用110硅襯底的各向異性腐蝕特點(diǎn)，在硅襯底上刻蝕出定位光纖的V形槽4、用于反射光束的垂直壁深槽2以及垂直壁深槽內(nèi)垂直的雙微鏡面1；在硅襯底表面的垂直壁深槽2底部薄膜制作壓電彈性復(fù)合膜懸臂驅(qū)動(dòng)梁3，用于驅(qū)動(dòng)雙微鏡面1垂直上下移動(dòng)，移入移出光路。輸入、輸出光纖7放在四個(gè)V形槽4中，V形槽4的方向與雙微鏡1表面及垂直深槽2壁成50-60度的夾角，在每根光纖的頭部可以安裝光纖光束準(zhǔn)直器6，實(shí)現(xiàn)光纖光束進(jìn)入自由空間后的準(zhǔn)直。
本發(fā)明的有益效果是該陣列式MEMS光開關(guān)充分利用了110硅片的各向異性腐蝕特點(diǎn)，一次硅各向異性腐蝕過程中，同時(shí)在硅襯底上實(shí)現(xiàn)垂直雙微鏡面，垂直壁深槽，光纖定位V形槽，實(shí)現(xiàn)光束的精確對(duì)準(zhǔn)。由此實(shí)現(xiàn)的微鏡面和槽的垂直壁具有平整度好，反射率高的特點(diǎn)，利用腐蝕形成的垂直壁深槽底部可繼續(xù)刻蝕形成懸臂梁，制作壓電彈性復(fù)合膜懸臂梁。壓電彈性復(fù)合膜懸臂梁驅(qū)動(dòng)雙微鏡垂直上下運(yùn)動(dòng)，角度固定，大大降低了鏡面角度失配誤差，以上特點(diǎn)使光開關(guān)具有很低的插入損耗，極大的提高了光學(xué)耦合效率。利用自對(duì)準(zhǔn)的V形槽結(jié)構(gòu)，大大降低了光開關(guān)的封裝難度，整個(gè)光開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、工藝復(fù)雜度較低、成品率較高、易加工和適合批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。


圖1為2×2陣列式光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的A向視圖。
圖3光開關(guān)工作原理圖(狀態(tài)1)。
圖4光開關(guān)工作原理圖(狀態(tài)2)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)(如圖1、圖2所示)，該雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)是在110硅襯底5上實(shí)現(xiàn)的。利用110硅襯底的各向異性腐蝕特點(diǎn)，在硅襯底上刻蝕出定位光纖的V形槽4、用于反射光束的垂直壁深槽2以及垂直壁深槽內(nèi)垂直的雙微鏡面1；在硅襯底表面的垂直壁深槽2底部薄膜制作壓電彈性復(fù)合膜懸臂驅(qū)動(dòng)梁3，用于驅(qū)動(dòng)雙微鏡面1垂直上下移動(dòng)，移入移出光路。輸入、輸出光纖7放在四個(gè)V形槽4中，V形槽4的方向與雙微鏡1表面及垂直深槽2壁成約54.74度夾角，在每根光纖的頭部可以安裝光纖光束準(zhǔn)直器6，實(shí)現(xiàn)光纖光束進(jìn)入自由空間后的準(zhǔn)直。
雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)有多種制作工藝方法。下面僅闡述其中一種方法首先使用雙面拋光110襯底硅片5，雙面熱氧化后淀積氮化硅，背面光刻結(jié)構(gòu)窗口，刻蝕掉氮化硅，漂去露出的熱氧化層，利用KOH或TMAH等各向異性腐蝕液進(jìn)行體硅腐蝕，一次同時(shí)形成定位光纖的V形槽4，用于反射光束的垂直壁深槽2，以及垂直的雙微鏡面1，然后去掉兩面的氮化硅和熱氧化層，重新生長適當(dāng)厚度的熱氧化薄膜作為緩沖層，在微鏡面上淀積鋁或金等金屬層作為反射層。在硅片正面進(jìn)行PZT(鋯鈦酸鉛)復(fù)合多層薄膜的制作工藝，在正面依次淀積下電極層，壓電薄膜層，上電極層，并采用物理或化學(xué)刻蝕工藝，依次刻蝕出上電極、壓電彈性復(fù)合膜懸臂驅(qū)動(dòng)梁、下電極圖形，最后淀積絕緣介質(zhì)膜，再采用物理或化學(xué)刻蝕工藝刻蝕上下電極引線孔，淀積金屬并刻蝕連線。隨后光刻并采用各向異性刻蝕工藝刻蝕硅膜，釋放懸浮結(jié)構(gòu)，形成驅(qū)動(dòng)懸臂梁3。在本方法實(shí)例中，下電極可由鈦/鉑復(fù)合層或鉑構(gòu)成，壓電薄膜由壓電種子層PbTiO3與PZT復(fù)合層構(gòu)成，上電極由鈦/鉑復(fù)合層或鉑構(gòu)成。
光開關(guān)的工作原理如圖3、圖4所示。圖3所示(狀態(tài)1)為垂直雙微鏡面1由壓電彈性復(fù)合膜懸臂梁3驅(qū)動(dòng)，可以在微鏡平面內(nèi)做上下的垂直運(yùn)動(dòng)，當(dāng)雙微鏡面1被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入光路中時(shí)，輸入光纖A、B的光通過雙微鏡面1、垂直深槽壁的反射進(jìn)入輸出光纖。其中，A光纖中的光通過光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)垂直微鏡面1和垂直壁深槽2的壁四次連續(xù)反后進(jìn)入輸出光纖D的光纖準(zhǔn)直器，從而進(jìn)入光纖D。B光纖中的光通過光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后經(jīng)垂直微鏡面1和垂直壁深槽2的壁兩次連續(xù)反射后進(jìn)入輸出光纖C的光纖準(zhǔn)直器，從而進(jìn)入光纖C。圖4所示(狀態(tài)2)當(dāng)微鏡被驅(qū)動(dòng)移出光路時(shí)，輸入光纖的光直接或僅通過垂直壁深槽壁反射進(jìn)入輸出光纖。其中，A光纖中的光通過光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后直接進(jìn)入輸出光纖C的光纖準(zhǔn)直器，從而進(jìn)入光纖C。B光纖中的光通過光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后僅經(jīng)垂直壁深槽壁兩次連續(xù)反射后進(jìn)入輸出光纖D的光纖準(zhǔn)直器，從而進(jìn)入光纖D。由此，利用微鏡面移入和移出光束通路，來形成光信號(hào)的交叉切換和連接。
在上述實(shí)例中，壓電薄膜也可由其它材料構(gòu)成，如PLZT、ZnO、AlN、PVDF等各種壓電材料或由多種壓電材料構(gòu)成的復(fù)合多層壓電薄膜及為淀積壓電材料或改善壓電材料性能而預(yù)先淀積的相關(guān)壓電種子層。彈性薄膜梁材料也可能為其它各種彈性材料，如單晶硅、多晶硅、二氧化硅、非晶硅、氮化硅、或多種彈性材料的復(fù)合多層膜等。這種結(jié)構(gòu)可使用MEMS表面微加工工藝和MEMS體加工工藝相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)，所述雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)是在110硅襯底上實(shí)現(xiàn)的；其特征在于在具有各向異性腐蝕特點(diǎn)的110硅襯底(5)上，在110硅襯底上刻蝕出定位光纖的V形槽(4)、反射光束的垂直壁深槽(2)及在垂直壁深槽內(nèi)垂直的雙微鏡面(1)；并在垂直壁深槽(2)底部薄膜制作壓電彈性復(fù)合膜懸臂驅(qū)動(dòng)梁(3)，用于驅(qū)動(dòng)雙微鏡面(1)垂直上下移動(dòng)，移入移出光路；輸入、輸出光纖(7)放在四個(gè)V形槽(4)中，V形槽(4)的方向與雙微鏡面(1)表面及垂直深槽(2)壁成50-60度的夾角，在每根光纖的頭部可以安裝光纖光束準(zhǔn)直器(6)，實(shí)現(xiàn)光束進(jìn)入自由空間后的準(zhǔn)直。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微光機(jī)電裝置領(lǐng)域的一種雙微鏡2×2陣列式MEMS光開關(guān)，這種光開關(guān)在110硅襯底上利用110硅襯底的各向異性腐蝕特點(diǎn)，同時(shí)在硅襯底上實(shí)現(xiàn)定位光纖的V形槽，反射光束的垂直壁深槽以及深槽中垂直的雙微鏡面，在硅襯底表面制作壓電彈性復(fù)合膜懸臂驅(qū)動(dòng)梁，驅(qū)動(dòng)雙微鏡面同時(shí)垂直上下移動(dòng)，移入移出光路。輸入、輸出光纖放于四個(gè)V形槽中，V形槽的方向與微鏡表面及垂直深槽壁成約54.74度夾角。利用自對(duì)準(zhǔn)的V形槽結(jié)構(gòu)，大大降低了光開關(guān)的封裝難度，垂直微鏡面的晶向一致性使整個(gè)光開關(guān)具有很低的插入損耗，極大地提高了光學(xué)耦合效率。同時(shí)，光開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，器件可靠性很高，工藝復(fù)雜度較低，制造成品率較高，易加工，適合批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1580841SQ20041002973
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月25日
發(fā)明者方華軍, 劉理天, 任天令, 王嶼 申請(qǐng)人:清華大學(xué)