專利名稱：包括中空波導(dǎo)和mems反射元件的光路由裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電信系統(tǒng)等的光路由裝置，尤其涉及包括可移動反射元件陣列的光路由裝置。
使用光纖鏈路的電信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正被逐漸實現(xiàn)。傳統(tǒng)上，由光纖承載的光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，并且所有的信號路由選擇功能都是在電學(xué)領(lǐng)域內(nèi)完成的。然而，近年來已經(jīng)認(rèn)識到的是，全光開關(guān)設(shè)備顯示出了降低成本以及穿過光纖網(wǎng)絡(luò)的與路由信號相關(guān)的復(fù)雜性的潛力。
在EP0221288中描述了全光開關(guān)的一個早期實例。該裝置包括反射鏡，所述反射鏡能夠被電磁致動器移動以將光信號路由至兩個輸出中的任一個。在GB2193816中描述了一種可替代的并且更復(fù)雜的光開關(guān)系統(tǒng)。GB2193816的系統(tǒng)包括框架部件(housing block)，所述框架部件具有多個空心波導(dǎo)(hollow core waveguide)和攜帶反射鏡的控制桿以提供期望的光路由功能，所述反射鏡插入所述框架部件。然而，這種類型的裝置物理上非常大，并且在EP0221288的情況下，需要比較耗電的致動器。
使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置以提供選擇路由功能的光路由裝置也已公知。例如，由Wood，R.L.，Madadevan，R和Hill，E在2002年3月美國洛杉磯的光纖通信會議學(xué)報的論文TU05(the proceedingsof the Optical Fibre Communications Conference，March 2002，Los Angeles，USA)中描述了一種基于MEMS的二維矩陣開關(guān)。所述裝置包括二維彈出式(pop-up)MEMS反射鏡陣列，所述彈出式MEMS反射鏡陣列被磁性旋轉(zhuǎn)進(jìn)入“up”狀態(tài)，并靜電保持此狀態(tài)。該裝置允許自由空間輸入光束被選擇性地從“直穿(through)”通道路由至多個“交叉(cross)”通道中的任一個。采用這樣地方式，提供了一種二維矩陣開關(guān)。
Wood等人所描述類型的光學(xué)裝置其缺點在于光損耗極高，所述光學(xué)損耗同裝置中包含的自由空間區(qū)域相關(guān)，MEMS反射鏡位于所述自由空間區(qū)域內(nèi)。特別地，由于光束沿著每個自由空間路徑傳播，因此衍射作用導(dǎo)致射束直徑的增加。射束直徑的增加降低了效率，光隨后以此效率被耦合進(jìn)入輸出光纖。此外，所述MEMS反射鏡的任何角度未對準(zhǔn)將會在光束中產(chǎn)生橫向偏移。這種類型的角度未對準(zhǔn)效果是累積的，換句話講，當(dāng)光從多個未對準(zhǔn)的反射鏡反射時，橫向偏移將被放大。這進(jìn)一步降低了進(jìn)入輸出光纖的耦合效率。
在US2003/0035613中描述了一種可替代的基于MEMS的光路由裝置。US2003/0035613中的裝置包括上、下層，空心多模光波導(dǎo)就在所述上、下層中形成。設(shè)置所述上層和下層的空心波導(dǎo)使其重疊，并在重疊波導(dǎo)區(qū)域附近提供柔性金屬桿。所述柔性金屬桿能夠變形以便將在所述下層中形成的由波導(dǎo)射出的光引導(dǎo)至上層的波導(dǎo)。采用這樣的方式，得到光路由功能。然而，上下層的精確對準(zhǔn)、提供機(jī)械堅固性和可靠柔性桿使得這種裝置的制造相當(dāng)復(fù)雜。
本發(fā)明的目標(biāo)就是至少減少一些上述缺點。
根據(jù)本發(fā)明，一種平面內(nèi)(in-plane)光路由裝置包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有至少一個光輸入、多個光輸出以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)可移動反射元件陣列，可配置所述可移動反射元件陣列以使光可從任一光輸入被選擇性地路由至所述多個光輸出中兩個或多個的任一個，其特征在于，從任一光輸入選擇性路由至所述多個光輸出的兩個或多個中的任一個的光在空心波導(dǎo)中被引導(dǎo)。
因此本發(fā)明的裝置提供了一種所謂的矩陣開關(guān)，在所述矩陣開關(guān)中使用MEMS可移動反射元件，光從至少一個輸入被選擇性地路由至多個輸出中兩個或多個的任一個。所述輸入和輸出之間的各個光路包括空心光波導(dǎo)，且位于同襯底平面基本平行的平面內(nèi)；換句話講，該裝置是一種平面內(nèi)光路由裝置。本發(fā)明的光路由裝置可以是一種獨立部件，或者形成PCT專利申請GB2003/000331中所述類型的平面光路(PLC)的一部分。
由于在空心波導(dǎo)中將光引入、引出MEMS可移動反射元件減少了來自于自由空間衍射的不期望的光束衰減以及角度未對準(zhǔn)效果，因此本發(fā)明的裝置優(yōu)于先前由Wood等人所述類型的現(xiàn)有技術(shù)的矩陣開關(guān)裝置。由于空心波導(dǎo)引導(dǎo)效果而減少的損耗也使得陣列中的反射元件之間分離，并使陣列的數(shù)值次序(numerical order)增加。當(dāng)使用小直徑光束時，自由空間裝置中的衍射效果將按比例更大，此時本發(fā)明的裝置尤其有利。也應(yīng)當(dāng)記起的是，經(jīng)過隨后另一未對準(zhǔn)反射鏡的任一反射，Wood等人所述類型裝置的角度未對準(zhǔn)誤差將被放大。相反，在本發(fā)明裝置中的反射元件的角度未對準(zhǔn)被賦予一個特定的耦合損耗，該耦合損耗取決于未對準(zhǔn)總量，任何這種未對準(zhǔn)誤差將不會被隨后的反射放大。
同US2003/0035613中所述類型的雙平面空心波導(dǎo)裝置相比，本發(fā)明的裝置還顯著降低了制造的復(fù)雜性、增強了機(jī)械堅固性。還應(yīng)當(dāng)注意的是，US2003/0035613中所述的裝置僅支持多模傳播，因此本身比本發(fā)明裝置的損耗更大。
為了得到一種提供特定路由功能的本發(fā)明的裝置，在內(nèi)壁上必須有一些限定空心波導(dǎo)的間隙。盡管非引導(dǎo)區(qū)布置成僅構(gòu)成很小比例的波導(dǎo)，但是所述間隙略微增加了波導(dǎo)的光損耗。然而，這種效果可以忽略，同現(xiàn)有技術(shù)的自由空間傳播裝置相比，使用所述間隙甚至使得空心波導(dǎo)減少了損耗。
應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)制造空心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時，空心很可能被填充了空氣。然而，決不能將此看作是對本發(fā)明范圍的限制。所述空心可能含有任一流體(例如如液體，或諸如氮氣的惰性氣體)或者是真空。術(shù)語空心僅意味著一種沒有任何固體材料的中心。此外，此處使用的術(shù)語“光”和“光學(xué)”是指任何具有從紫外線至遠(yuǎn)紅外線波長的電磁射束。
由于半導(dǎo)體襯底能夠使用微制造技術(shù)(諸如深反應(yīng)離子刻蝕)進(jìn)行高精度刻蝕，因此半導(dǎo)體襯底是優(yōu)選的，諸如硅。所述襯底可有利地包含多層晶片；諸如鍺上的硅(SiGe)，藍(lán)寶石上的硅，絕緣體上的硅(SOI)、玻璃上的硅。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認(rèn)識到的是，微制造技術(shù)典型地包括限定圖案的光刻步驟，接著是刻蝕步驟以將圖案轉(zhuǎn)移到襯底材料上或襯底材料中的一層或多層。所述光刻步驟可包括光刻、x射線或電子束刻蝕。所述刻蝕步驟可使用粒子束刻蝕、化學(xué)刻蝕、干法等離子體刻蝕或深干法刻蝕(也稱作深硅刻蝕)完成。這種類型的微制造技術(shù)與各種層沉積技術(shù)兼容，諸如濺射，CVD、無電電鍍和電鍍。
有利地，半導(dǎo)體襯底包括底部分和蓋部分，兩個部分共同限定空心波導(dǎo)。在PCT專利申請GB2003/000331中更加詳細(xì)地描述了這種裝置，并提供了制造這種裝置的方便方法。
MEMS可移動反射元件的選擇取決于運動所需要的速度和總量。所述反射元件可作為MEMS致動裝置的集成部分形成，或附著在MEMS致動器上。此處，認(rèn)為MEMS應(yīng)包括微加工元件、微系統(tǒng)技術(shù)、微機(jī)器人和微工程等等。所述MEMS可移動反射元件可有利地包括電熱致動機(jī)構(gòu)(諸如光束彎曲裝置)以提供大偏心距(例如，5-100μm滿刻度偏轉(zhuǎn))致動。也可使用諸如電磁、靜電(諸如梳形驅(qū)動馬達(dá))、雙壓電晶片或壓電的可替代的致動機(jī)構(gòu)。有關(guān)MEMS裝置致動技術(shù)以及相關(guān)制造技術(shù)的更多細(xì)節(jié)可在1997年CRC出版社(Boca Raton)出版的Marc Madou的“微制造基本原理”(Fundamental of Microfabrication)中(ISBN0-8493-9451-1)找到。
優(yōu)選地，MEMS可移動反射元件包括反射涂層。所述反射涂層可由在工作波長下具有適合的反射特性的任何材料提供。為通過內(nèi)反射提供反射，可以使用比形成波導(dǎo)中心的材料(典型的為空氣)的折射率小的材料。例如，反射涂層可由諸如金、銀或銅的金屬層便利地提供。金屬在波長范圍內(nèi)會展現(xiàn)出適合的低折射率，金屬在特定的波長范圍將呈現(xiàn)出適當(dāng)?shù)牡驼凵渎剩@是由金屬的物理特性決定的；諸如E.D.Pallk的“光學(xué)常數(shù)手冊”(“the handbood of opticalconstant”，Academic Press，London，1998)的標(biāo)準(zhǔn)教科書提供了取決于各種材料折射率的波長的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。特別是，在大約500nm至2.2μm范圍的波長內(nèi)，金同空氣相比具有更小的折射率；所述范圍包括了在1400nm至1600nm的重要的電信波段的波長。銅在560nm至2200nm的波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)的折射率不是單一的，而銀在320nm-2480nm的波長范圍內(nèi)具有相似的折射率特性。
使用本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員公知的多種技術(shù)可沉積金屬層。這些技術(shù)包括濺射、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和(有電或無電)電鍍。CVD和電鍍技術(shù)允許金屬層進(jìn)行沉積而無明顯的方向相關(guān)的厚度變化。采用旋轉(zhuǎn)樣品和/或源的濺射將提供均勻涂層。由于電鍍技術(shù)允許使用批處理(即多襯底并行)，因此電鍍技術(shù)尤其有利。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可在金屬層沉積之前將粘附層和/或阻擋擴(kuò)散層沉積在反射元件上。例如，在金的沉積之前可提供鉻層或鈦層作為粘附層。阻擋擴(kuò)散層(諸如鉑)也可在金沉積之前沉積在粘附層上?？商娲姆桨甘?，可使用合成粘附層和擴(kuò)散層(諸如氮化鈦、鈦鎢合金或絕緣層)。
反射涂層也可由全電介質(zhì)堆疊、半導(dǎo)體電介質(zhì)堆疊或金屬電介質(zhì)堆疊提供。本領(lǐng)的技術(shù)人員將認(rèn)識到，電介質(zhì)層的光學(xué)厚度提供了界面效應(yīng)，所述界面效應(yīng)將決定涂層的反射特性。所述電介質(zhì)材料可通過CVD或濺射或反應(yīng)濺射得以沉積。可替代的方案是，可通過與沉積金屬層的化學(xué)反應(yīng)形成電介質(zhì)層。例如，銀層可同鹵化物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生薄的鹵化銀表面層。
換句話講，反射涂層可由全電介質(zhì)堆疊、半導(dǎo)體電介質(zhì)堆疊或金屬電介質(zhì)堆疊提供。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，電介質(zhì)層的光學(xué)厚度產(chǎn)生了需要的界面效應(yīng)，因此決定了涂層的反射特性。所述涂層的反射特性在一定程度上同材料(涂層位于該材料上)的特性相關(guān)。因此，形成所述反射元件的材料也可形成底層，并成為任何這種多層電介質(zhì)堆疊的一部分。
便利地，空心波導(dǎo)的內(nèi)表面包括反射涂層。應(yīng)用于空心波導(dǎo)內(nèi)表面的反射涂層可以是上述類型的金屬堆疊或電介質(zhì)堆疊或金屬電介質(zhì)堆疊。應(yīng)用于空心波導(dǎo)內(nèi)表面的任一涂層可與應(yīng)用于可移動反射元件的任一涂層相同或不同。
便利地，至少一個MEMS可移動反射元件為彈出式反射鏡。例如，可使用Wood等人所描述類型的電磁彈出式反射鏡?？商娲姆桨甘牵辽僖粋€MEMS可移動反射元件可有利地包括光閘。所述光閘可同適合的致動機(jī)構(gòu)集成形成或附著在合適的致動機(jī)構(gòu)上。所述光閘也可以“掀啟式”結(jié)構(gòu)形成，所述“掀啟式”結(jié)構(gòu)消除了光閘邊緣形狀的幾何限制。應(yīng)當(dāng)注意的是，正如下面將詳細(xì)描述的，使用空心波導(dǎo)使得能夠制造對準(zhǔn)公差減小的MEMS可移動反射元件。
優(yōu)選地，每一MEMS可移動反射元件同空心波導(dǎo)整體形成。采用這樣的方式，MEMS元件與空心波導(dǎo)在同一過程中形成，因此提供了一種制造裝置的簡單方式而不需要附加過程或設(shè)備裝配?？商娲姆桨甘牵琈EMS可移動反射元件可有利地在獨立過程中形成，并使用混合集成技術(shù)將其附著在襯底上，空心波導(dǎo)形成于所述襯底中。
如上所述，空心光波導(dǎo)提供的同MEMS可移動反射元件的光鏈接將會減少同反射元件的給定角度未對準(zhǔn)相關(guān)的光損耗。可替代的方案是，可使用空心光波導(dǎo)以減少MEMS可移動反射元件所需要的角度對準(zhǔn)精確性，同時提供一種具有給定光效率的裝置。
便利地，每一可移動反射裝置均可在全(或部分)插入位置和全縮回位置之間移動，在所述全(或部分)插入位置所述可移動反射裝置伸出進(jìn)入空心光波導(dǎo)。可替代的方案是，反射裝置可在波導(dǎo)中兩個不同的位置之間移動。
可移動反射元件可有利地布置成規(guī)則陣列。所述陣列可以被規(guī)則地隔開，或為任何提供期望路由效果布置。可使用線性(即一維)或二維陣列。優(yōu)選地，所述陣列包括16個或更多可移動反射裝置?？赡艿氖?，堆疊多個平面內(nèi)裝置并提供堆疊中每二維陣列之間的鏈接波導(dǎo)。
在一個優(yōu)選布置中，多個光輸出包括至少一個直穿輸出和一個交叉輸出。所述MEMS可移動反射元件可在插入位置具有一個同“直穿”和“交叉”空心波導(dǎo)通道成大約45 °角的反射面。采用這種方式，可將所述裝置布置成當(dāng)可移動反射元件縮回時光可從至少一個輸出被路由至至少一個直穿輸出，當(dāng)反射鏡插入時光可從所述輸入被路由至相關(guān)的交叉輸出。換句話講，可制作二維交叉開關(guān)。這種交叉開關(guān)同Wood等人所述類型的現(xiàn)有技術(shù)的裝置相比，將會具有更低的光衰減。
便利地，所述至少一個光輸入和多個光輸出中的至少一個包括用于接收光纖的裝置。例如，所述用于接收光纖的裝置可包括形成在所述裝置中的對準(zhǔn)槽，該對準(zhǔn)槽被布置成把光纖鉗位至允許同所述設(shè)備進(jìn)行光連接的位置。在實心光纖的情況下，可提供階梯光纖對準(zhǔn)槽以支撐緩沖層和覆層?？招墓饫w的中心同所述設(shè)備的空心波導(dǎo)對準(zhǔn)也可實現(xiàn)；例如，通過在對準(zhǔn)槽中鉗位光纖覆層。由于空氣中心至空氣中心連接將不具有任何不期望的反射，因此使用空心光纖尤其有利。
所述光輸入和/或所述光輸出的至少一個可便利地包括平面反射器元件的輸出。采用這樣的方式，本發(fā)明的多個裝置就可以被布置在堆疊中。
為提供光纖的中心和設(shè)備的空心波導(dǎo)之間有效的耦合，空心波導(dǎo)的橫截面應(yīng)適合光纖中心的橫截面。在實心光纖的情況下，進(jìn)入覆層的泄漏意味著由光纖承載的模式寬度實際大于中心直徑；例如典型的10μm的單模玻璃光纖實心具有大約14μm直徑的總計1/e2TME00的場寬。如果所述模式寬度同空心波導(dǎo)的模式寬度不同，則可使用透鏡(球透鏡或格林(GRIN)棒等)增大或減小光場以使光可以耦合至具有不同尺寸中心的光纖或從具有不同尺寸中心的光纖耦合至PLC的空心波導(dǎo)的中心。實心光纖的光纖末端可被涂覆抗反射層。
也可使用透鏡型光纖，使用所述透鏡型光纖將不再需要獨立對準(zhǔn)裝置以將光耦合進(jìn)入所述裝置的空心波導(dǎo)。
有利地，一個或更多空心光波導(dǎo)的部分具有基本矩形(此處所述矩形應(yīng)包括正方形)的橫截面。正方形或幾乎正方形橫截面空心波導(dǎo)提供了這樣一種波導(dǎo)，在所述波導(dǎo)中損耗基本上與偏振無關(guān)，并當(dāng)光的偏振態(tài)未知或者變化時，所述正方形或幾乎正方形橫截面的空心波導(dǎo)是優(yōu)選的。雖然以所需尺寸形成波導(dǎo)使其具有的深度大于其寬度或者相反將增加偏振相關(guān)損耗，但是當(dāng)通過波導(dǎo)傳播的光的偏振態(tài)已知時可能很有利。
盡管矩形橫截面波導(dǎo)非常便利，但是還可使用許多可替代的波導(dǎo)形狀。例如可提供圓形、橢圓或V形波導(dǎo)。
便利地，以所需尺寸形成空心波導(dǎo)以支持基模傳播。本發(fā)明可提供MEMS可移動反射元件同相關(guān)的空心光波導(dǎo)的精確對準(zhǔn)，并因此實現(xiàn)空心光波導(dǎo)各部分之間有效的基模耦合。
可替代的方案是，可以以所需尺寸形成空心波導(dǎo)以支持多模傳播。如果提供多?？招牟▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，那么相鄰的可移動反射元件可以以空心波導(dǎo)的重新成像長度有利地間隔開。所述重新成像現(xiàn)象以及對于給定波導(dǎo)的重新成像長度的計算的相關(guān)詳細(xì)情況將在下面更加詳細(xì)描述。簡而言之，所述重新成像效果提供了一定距離的輸入場的重現(xiàn)，所述的一定距離是指從場入射進(jìn)入多模波導(dǎo)的距離。通過穿過內(nèi)連接波導(dǎo)傳播的光的重新成像長度將可移動反射元件間隔開，使得重新成像點位于所述可移動反射元件附近。這使得所有通過所述設(shè)備的光路長度是所述重新成像長度的倍數(shù)。因此來自輸入光纖的輸入場在任一光輸出被重現(xiàn)，從而允許光有效耦合進(jìn)入輸出光纖。重新成像效果的使用還降低了衍射損耗(阻擋光波導(dǎo))，以有助于可移動反射元件的定位。
總之，本發(fā)明提供了一種光學(xué)路由裝置，所述光學(xué)路由裝置包括至少一個輸入，所述輸入通過多個光路連接至多個輸出。所述裝置具有多個反射元件，所述反射元件可以移動以改變經(jīng)過該裝置的光路，光沿著空心波導(dǎo)中的每個光路被引導(dǎo)。
應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管上面描述了包括半導(dǎo)體材料的襯底，但是在多種可替代的襯底上也可形成類似設(shè)備。所述襯底可有利地為基于氧化硅的襯底；例如可由石英、二氧化硅或玻璃制成。襯底也可為浮雕式，或者圖案可以以光刻方式限定在聚合物層中。從制造方面考慮，使用批微制造技術(shù)可以很有利。
現(xiàn)在將結(jié)合附圖，僅通過實例介紹本發(fā)明，其中

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的矩陣開關(guān)；圖2示出了本發(fā)明的矩陣開關(guān)；圖3示出了使用重新成像效果的本發(fā)明的另一矩陣開關(guān)；圖4示出了圖3所示裝置的部分透視圖；圖5圖示了反射裝置可能的角度未對準(zhǔn)；圖6示出了角度未對準(zhǔn)對空心波導(dǎo)兩個部分之間耦合效率的影響；圖7圖示了使用芯片內(nèi)光耦合的空心光波導(dǎo)；圖8示出了使用了矩陣開關(guān)的芯片內(nèi)光耦合的平面圖；圖9示出了圖8的耦合方案的側(cè)視圖。
參考圖1，示出了現(xiàn)有技術(shù)的矩陣開關(guān)2。
矩陣開關(guān)2包括四個輸入光纖4a至4d(統(tǒng)稱為輸入光纖4)、四個輸出光纖6a至6d(統(tǒng)稱為輸出光纖6)和四個交叉連接輸出光纖8a至8d(統(tǒng)稱為交叉連接輸出光纖8)。所述輸入光纖4、輸出光纖6和交叉連接輸出光纖8的每一個都具有相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡10。提供襯底20，所述襯底20承載MEMS彈出式反射鏡22a至22p(統(tǒng)稱為MEMS陣列22)的4×4陣列。通過應(yīng)用由陣列控制裝置施加的適當(dāng)?shù)目刂菩盘柨蓪⑺鯩EMS陣列22中的每一個反射鏡放置在承載(stowed)結(jié)構(gòu)中或直立結(jié)構(gòu)中。
布置所述輸入光纖4、輸出光纖6和襯底20以使當(dāng)MEMS陣列22中的每一反射鏡在承載結(jié)構(gòu)中時，來自輸入光纖4a的光可在襯底上的自由空間內(nèi)作為準(zhǔn)直光束傳播，并直接耦合進(jìn)入輸出光纖6a。類似地，布置來自輸入光纖4b、4c和4d的光使其分別耦合進(jìn)入輸出光纖6b、6c和6d。
也可布置襯底以使反射鏡22a、22e、22i和22m中的任一個可插入自由空間光路中，所述光路被限定在輸入光纖4a和輸出光纖6a之間。確定所述反射鏡22a、22e、22i和22m的方向以使當(dāng)其位于直立結(jié)構(gòu)中時，使得光被引導(dǎo)離開輸入光纖4a和輸出光纖6a之間的光路而朝著交叉連接輸出8a、8b、8c或8d的方向傳播。采用這樣的方式，來自每個輸入光纖4的光可以傳遞至它對應(yīng)的輸出光纖6或通過MEMS陣列22中適當(dāng)?shù)姆瓷溏R被路由至四個交叉連接輸出光纖8中的任一個。這樣就形成了二維矩陣開關(guān)。
圖1中，反射鏡22b、22e和22p位于直立結(jié)構(gòu)中，而其它反射鏡位于承載結(jié)構(gòu)中。可以看出的是，光束30a由輸入光纖4a射出，并經(jīng)過反射鏡22e被路由至交叉連接輸出8c。光束30b經(jīng)由反射鏡22b從輸入光纖4b路由至交叉連接光纖8d，光束30c從輸入光纖4c直接傳送至輸出光纖6c，而反射鏡22p使光束30d從輸入光纖4d被路由至交叉連接輸出8a。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講顯而易見的是，可能有大量的路由選擇；即，每個輸入可被傳送至相關(guān)的輸出或者被路由至交叉連接輸出中的任何一個。
如上所述，圖1中所示類型的現(xiàn)有技術(shù)裝置有一些缺陷，這些缺陷源自光在輸入和輸出光纖之間的自由空間傳播。特別是，盡管提供了準(zhǔn)直透鏡10，但是由于光束穿過矩陣傳播導(dǎo)致了輸出光纖耦合不良，因此光束衍射引起光束直徑的增加。此外，MEMS反射鏡的任何不精確角度對準(zhǔn)造成輸出平面中的橫向偏移(lateral offset)，所述橫向偏移導(dǎo)致光耦合進(jìn)入相應(yīng)輸出光纖的效果差。對于與更高數(shù)值次序開關(guān)相關(guān)的更長光路來講，這些問題將會加劇。
參考圖2，示出了本發(fā)明的矩陣開關(guān)50。設(shè)計所述矩陣開關(guān)50以提供與參考圖1所描述的現(xiàn)有技術(shù)裝置相同的光路由功能。
矩陣開關(guān)50包括硅襯底52，所述硅襯底52具有多個矩形橫截面溝道54。將蓋部分(未示出)附著在襯底上，這樣就定義了空心光波導(dǎo)。提供透鏡56以使襯底的空心波導(dǎo)光耦合至輸入光纖4、輸出光纖6和交叉連接輸出光纖8。
還提供了反射MEMS元件58a-58p陣列(統(tǒng)稱為MEMS陣列58)。所述MEMS陣列58的元件包括反射面，所述反射面插入空心光波導(dǎo)中以重新定向沿著特殊的波導(dǎo)溝道傳播的光。所述MEMS元件可包括由Wood等人并且參考上面圖1所描述類型的彈出式反射鏡?？商娲姆桨甘牵鯩EMS部件可包括反射光閘和相關(guān)的MEMS致動裝置以將光閘正確地移入、移出所述襯底的空心波導(dǎo)。
使用這種可與空心波導(dǎo)集成形成的MEMS裝置的好處是，反射鏡的高度對準(zhǔn)，所述高度對準(zhǔn)可通過在空心波導(dǎo)周圍的材料中形成所述MEMS裝置獲得。另外，所述空心波導(dǎo)減小了衍射作用，因此增加了所述裝置的總的光效率。
參考圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一矩陣開關(guān)100。與圖2裝置相同，所述裝置包括具有多個矩形橫截面溝道54的硅襯底52，所述矩形橫截面溝道54形成在所述硅襯底52上，并且與適合的蓋部分(未示出)一起限定了多?？招墓獠▽?dǎo)。還提供了反射MEMS元件102a-102p(統(tǒng)稱為MEMS陣列102)陣列。輸入光纖4、輸出光纖6和交叉連接輸出光纖8布置成實現(xiàn)上述的二維矩陣開關(guān)路由功能。
MEMS陣列102的元件位于矩形4×4格柵布置中，在所述格柵布置中每行、每列元件以距離“a”分隔。每個輸入光纖4、每個輸出光纖6和每個交叉連接輸出光纖8的末端也位于距MEMS陣列102的相關(guān)元件距離為“a”的位置。
以所需尺寸形成矩陣開關(guān)100裝置以利用所謂的“重新成像”現(xiàn)象，所述重新成像現(xiàn)象在使用多模波導(dǎo)時出現(xiàn)。選擇長度“a”作為空心波導(dǎo)重新成像長度(或其倍數(shù))，以對于給定橫截面尺寸的多模波導(dǎo)來講，使其輸入光束的剖面圖像可在MEMS陣列102中的元件附近重現(xiàn)。
在其它地方更加詳細(xì)描述了重新成像效果；例如，參見PCT專利申請GB2003/00331。簡而言之，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)計波導(dǎo)的長度以具有與其寬度和深度的適當(dāng)比例，可以將多模波導(dǎo)(尤其是具有矩形橫截面的波導(dǎo))設(shè)計成提供給定波長的對稱、反對稱和非對稱光場的重新成像。換句話講，沿著給定波導(dǎo)傳播了一定距離之后，輸入光束的高斯輸入剖面被重新成像(即再現(xiàn))。這種效果還產(chǎn)生了光束再現(xiàn)，即在小于重新成像長度的距離上形成了多個光束圖像。在先前US5410625中已經(jīng)描述了這些效果，并提供了多模干涉(MMI)光束分裂裝置的基礎(chǔ)。
作為一個實例，考慮了正方形橫截面波導(dǎo)中的對稱場。該對稱場將具有一個重新成像長度，所述重新成像長度由傳播輻射束波長上的波導(dǎo)寬度的平方給定。所述對稱場的重新成像發(fā)生在重新成像長度和多倍重新成像長度處。
對于寬50.0μm的中空波導(dǎo)、1.55μm的輻射束的情況，重新成像長度為1.613mm。對稱場將在該長度以及該長度的整數(shù)倍處成像，即3.23mm，4.84mm等等。例如，來自單模光纖的TEM00高斯輸入光束可在1.613mm距離處重新成像。
可替代地，對于非對稱光場的情況，重新成像產(chǎn)生在8倍對稱場重新成像所需要的長度處，即對于寬50μm的中空波導(dǎo)來講是在12.09mm處。非對稱場的反射鏡圖像在該長度一半處形成，即6.05mm處。特別地，多模區(qū)域中心線的輸入的偏移提供了非對稱輸入，所述非對稱輸入在中心線每側(cè)以相同的偏移沿著波導(dǎo)在預(yù)定距離上重新成像。
在波導(dǎo)深度和寬度基本不同的矩形波導(dǎo)的情況下，與兩個波導(dǎo)橫截面尺寸(例如深度和寬度)相關(guān)的重新成像長度本身是不同的。然而，通過布置矩形中空波導(dǎo)的所述尺寸之間比例使對于特定的寬度和深度在相同長度處產(chǎn)生重新成像，任何場都可被重新成像。這樣，通過布置使與軸寬度w1和w2相關(guān)的重新成像長度相同，對稱場可在中空矩形波導(dǎo)中重新成像。
對于從輸入光纖4直接射入空心光波導(dǎo)的高斯光束來講，圖3中的距離“a”對應(yīng)于重新成像長度(或多倍成像長度)。因此可以看出，由每一輸入光纖4射入空心光波導(dǎo)的光束的圖像被提供在MEMS陣列102的元件附近。圖4更加詳細(xì)的示出了裝置100的區(qū)域120中的光強度場122。
圖3和圖4示出的裝置的優(yōu)勢在于，為了使光在空心波導(dǎo)和相應(yīng)光纖之間耦合不需要準(zhǔn)直裝置(例如透鏡)。此外，將MEMS陣列102的每一元件放置在重新成像長度處進(jìn)一步減小了MEMS部件的可接受角度對準(zhǔn)公差。另外，重新成像效果的使用還減小了衍射損耗(光波導(dǎo)被阻擋)，以方便定位可移動反射元件。
參考圖5和圖6，示出了反射元件的角度未對準(zhǔn)對空心波導(dǎo)各部分之間的耦合效率的影響。
圖5示出了硅襯底52，在所述硅襯底52中形成了第一空心波導(dǎo)140和第二空心波導(dǎo)142。反射元件144位于所述波導(dǎo)中，并布置成把由所述第一空心波導(dǎo)140承載的光反射進(jìn)入第二空心波導(dǎo)142。所述反射元件144具有特定的角度未對準(zhǔn)(θ)，該角度未對準(zhǔn)由設(shè)備的制造公差確定。
圖6示出了從第一中空波導(dǎo)140至第二中空波導(dǎo)14的基模(EH11)的功率耦合效率，所述功率耦合效率是反射鏡144角度未對準(zhǔn)(θ)的函數(shù)?？梢钥闯龅氖?，同Wood等人所描述類型的矩陣開關(guān)對角度未對準(zhǔn)的要求相比，對于空心光纖各部分之間的有效耦合可接受的角度未對準(zhǔn)公差來講是非常寬松的，特別地，參見圖4和Wood等人的相應(yīng)的描述，其中認(rèn)為反射鏡對準(zhǔn)精確度大于0.05°是必須的。
盡管上面描述了4×4的MEMS陣列，但是可使用包括線性陣列(即，一維)在內(nèi)的其它陣列。事實上，隨著陣列的大小(因此輸入和輸出光纖之間的光路長度)增加，本發(fā)明的有益之處增加。因此使用上述類型的空心波導(dǎo)裝置允許提供高階光開關(guān)。還將可能的是，堆迭多個本發(fā)明的裝置以形成三維矩陣陣列；光是在空心波導(dǎo)中或自由空間中從平行平面耦合的。可使用多種技術(shù)提供反射器，所述反射器伸出襯底平面大約45°角以便在所述襯底正交的方向引導(dǎo)光；例如，通過離軸-9°<100>硅的各向異性刻蝕可提供整塊反射器，或者使混合反射器位于所述襯底中。
也可使用空心光波導(dǎo)提供形成在一個芯片上的多個元件之間的光互連或多個芯片之間的光互連。例如，圖7示出了硅襯底200，所述硅襯底200包括多個限定空心光波導(dǎo)202的溝道。所述襯底200的空心波導(dǎo)202用于連接垂直腔面發(fā)射激光發(fā)射器(VCSEL)204的十二個光輸出至InGaAs檢測陣列206的十二個相應(yīng)的檢測元件。盡管基本上不可能，但是可以以所需尺寸形成空心光波導(dǎo)使由每個VCSEL產(chǎn)生的輸入場的重新成像發(fā)生在所述檢測元件處。
參考圖8，示出了半導(dǎo)體襯底210，所述半導(dǎo)體襯底210包括空心光波導(dǎo)溝道211和多個彈出式MEMS反射鏡212。這種裝置提供了上面詳細(xì)描述類型的矩陣開關(guān)。可使用所述矩陣開關(guān)將光從VCSEL陣列204的每個元件路由至第一檢測陣列206或第二檢測陣列208的檢測元件。采用這樣的方式，可以容易重新配置芯片的各個元件之間的光互連。
圖9示出了圖8的裝置沿著線I-I的分解截面視圖?？梢钥闯龅氖?，VCSEL陣列204和第一檢測陣列206采用公知的制造技術(shù)集成形成在芯片218上。半導(dǎo)體襯底210同蓋部分216結(jié)合在一起共同限定了襯底平面內(nèi)的空心光波導(dǎo)211。在所述襯底210中提供角度反射鏡214，并提供穿過所述蓋216的中空波導(dǎo)部分220，以使光能夠耦合至所述襯底上的元件或從所述襯底上的元件耦合進(jìn)入矩陣開關(guān)平面。采用這樣的方式，提供了一種可重新配置的芯片內(nèi)光學(xué)連接。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可使用這種類型的光耦合裝置光學(xué)連接兩個或多個芯片，或者提供形成于單個芯片上的各個元件之間的芯片內(nèi)光學(xué)連接。
權(quán)利要求
1.一種包括半導(dǎo)體襯底的平面內(nèi)光路由裝置，所述半導(dǎo)體襯底具有至少一個光輸入、多個光輸出和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)可移動反射元件陣列，所述可移動反射元件陣列可配置成把光選擇性的從任一光輸入路由至所述多個光輸出中的兩個或多個的任一個，其特征在于，從任一光輸入選擇性地路由至所述多個光輸出中的兩個或多個的任一個的光在空心波導(dǎo)中被引導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體襯底包括硅。
3.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體襯底包括基于絕緣體上的硅(SOI)的晶片。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述空心波導(dǎo)采用微制造技術(shù)形成在所述半導(dǎo)體襯底上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述微制造技術(shù)包括深反應(yīng)離子刻蝕。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體襯底包括底部分和蓋部分，所述底部分和蓋部分被布置成限定所述空心波導(dǎo)。
7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述MEMS可移動反射元件包括反射涂層。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述空心波導(dǎo)的內(nèi)表面包括反射涂層。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中至少一個MEMS可移動反射元件為彈出式反射鏡。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中至少一個MEMS可移動反射元件由半導(dǎo)體襯底整體形成。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中至少一個MEMS可移動反射元件為附著在半導(dǎo)體襯底上的混合電路。
12.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中至少一個MEMS可移動反射元件可在全插入位置和全縮回位置之間移動，在所述全插入位置所述至少一個MEMS可移動反射元件伸出進(jìn)入空心波導(dǎo)中。
13.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述MEMS可移動反射元件以規(guī)則陣列布置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述陣列包括16個或更多MEMS可移動反射元件。
15.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述多個光輸出包括至少一個直穿輸出和至少一個交叉輸出。
16.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述光輸入和/或所述光輸出的至少一個包括用于接受光纖的裝置。
17.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述空心波導(dǎo)具有基本矩形的橫截面。
18.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述空心波導(dǎo)以所需尺寸形成以支持基模傳播。
19.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項所述的裝置，其中述空心波導(dǎo)以所需尺寸形成以支持多模傳播。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中相鄰的可移動反射元件以所述空心波導(dǎo)的重新成像長度間隔開。
21.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述光輸入和/或所述光輸出的至少一個包括平面反射器元件的輸出。
全文摘要
描述了這樣一種光路由裝置，該光路由裝置包括半導(dǎo)體襯底(52)，所述半導(dǎo)體襯底(52)具有至少一個光輸入(4)、多個光輸出(6，8)和MEMS可移動反射元件陣列(58；102)?？膳渲盟隹梢苿臃瓷湓嚵?58；102)以使光可從任一光輸入(4)選擇性地路由至所述多個光輸出(6，8)中的兩個或多個的任一個。從任一光輸入選擇性地路由至多個光輸出(6，8)中的兩個或多個的任一個的光在空心波導(dǎo)中被引導(dǎo)。在一個實施例中，描述了一種交叉連接的光學(xué)矩陣開關(guān)。
文檔編號G02B6/35GK1764854SQ200480007821
公開日2006年4月26日 申請日期2004年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月22日
發(fā)明者R·M·詹金斯, M·E·麥克尼, D·J·庫姆斯, J·麥奎蘭 申請人:秦內(nèi)蒂克有限公司