專利名稱：集成微機(jī)電波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)，尤其涉及實(shí)現(xiàn)集成微機(jī)電(MEMS)波長(zhǎng) 選擇開(kāi)關(guān)(WSS)的方法和裝置。
技術(shù)背景波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)對(duì)于光學(xué)網(wǎng)聯(lián)極其重要，用于在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中實(shí) 現(xiàn)可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM )和光路切換。已證明WSS在平面光波線 路(PLC)中典型地使用熱光切換，在自由空間的光學(xué)器件中使用MEMS 微鏡切換，在一些混合結(jié)構(gòu)中混合了 PLC和MEMS^支術(shù)。PLC因其形狀因 數(shù)(平面封裝)和堅(jiān)固性而具有優(yōu)勢(shì)，MEMS微鏡切換因其低電耗、多級(jí) 切換狀態(tài)和高消光而具有優(yōu)勢(shì)。直接結(jié)合兩種技術(shù)受以下事實(shí)的阻礙 與光在較高折射率的固體物質(zhì)中傳導(dǎo)的PLC相對(duì)比，MEMS微鏡在自由空 間中激勵(lì)。近來(lái)，已提出旋轉(zhuǎn)固體浸沒(méi)鏡設(shè)計(jì)(圖1 )并在導(dǎo)光PLC內(nèi)證 明(參見(jiàn) "Sol id-Immers ion Micromirror with Enhanced Angular Deflection for Silcon-Based Planar Lightwave Circuits (基平面 光波線路的具有強(qiáng)角偏轉(zhuǎn)的固體浸沒(méi)微鏡)"，C-H. Chi等，Proc. of Optical MEMS出版，2005年8月)。固體浸沒(méi)微鏡110 (包括鏡111的 旋轉(zhuǎn)部分)由彎曲氣隙112與其余導(dǎo)光PLC 113分離開(kāi)。氣隙間隔等于 引導(dǎo)光的四分之一波長(zhǎng)(或半波長(zhǎng)的附加增量)。因而來(lái)自兩個(gè)光導(dǎo)區(qū)域 110， 113和氣隙112之間的界面的反射會(huì)進(jìn)行有害干涉。通過(guò)蝕刻入旋 轉(zhuǎn)部分110和對(duì)表面噴涂金屬，或通過(guò)制造采用引導(dǎo)材料110和空氣的 布喇格鏡結(jié)構(gòu)形成鏡111。但是，雖然該固體浸沒(méi)微鏡(SIM)配置改善了偏轉(zhuǎn)，減小了衍射損 耗，但為了構(gòu)成WSS需要用附加結(jié)構(gòu)在PLC上集成。已報(bào)道將MEMS鏡(非 浸沒(méi)型)與PLC儀器集成構(gòu)成WSS的其他努力，如采用活塞激勵(lì)(D. T. Fuchs 等,"A hybrid MEMS—waveguide wavelength selectivecross-connect (混合MEMS-波導(dǎo)波長(zhǎng)選擇交叉連接)，，，Photon Technol Lett 16， 99-101頁(yè)，2004 )和傾斜鏡(C. H， Chi等，"Integrated 1 x 4 WSS with on-chip MEMS mirrors (具有芯片上MEMS鏡的集成1 x 4 WSS)"， CLEO 05， Baltimore, MD. ， "CLEO 05)。所需要的是一種將SIM 單元與PLC完全集成到一起的方式，以形成平面波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)。 發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，我們描述了一種完全集成的平面N-WDM信道微機(jī)電 (MEMS) lxK波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)，包括整體構(gòu)成在一起的N個(gè)固體浸 沒(méi)微鏡(SIM)陣列和K+1個(gè)色散波導(dǎo)陣列。在另一個(gè)實(shí)施方式中，我們 采用兩個(gè)晶片， 一個(gè)帶有如二氣化硅或聚合物的波導(dǎo)材料，另一個(gè)用如 硅的高機(jī)械強(qiáng)度材料構(gòu)成SIM,然后將兩個(gè)晶片相互對(duì)耦合。我們尤其披露了一種用于切換N信道的多波輸入光學(xué)信號(hào)的裝置， 包括集成平面光波線路(PLC),包括K+l個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)，其中K是大于或等于1的整數(shù)；K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)陣列包括與K+l輸入/輸出波導(dǎo)中不 同的一個(gè)耦合的耦合器，第一端連接該耦合器而第二端連接一共同共焦 耦合器的第一表面的陣列波導(dǎo)光柵(AWG);N個(gè)固體浸沒(méi)微鏡(SIM)器件的陣列，其中N是大于1的整數(shù)，每 個(gè)SIM器件設(shè)置在共同共焦耦合器的第二表面上的不同位置，并可選擇 旋轉(zhuǎn)以將從第一色散波導(dǎo)陣列接收的一個(gè)信道的光反射回通過(guò)第二色散 波導(dǎo)陣列。在各其他實(shí)施方式中該集成PLC可以采用這樣構(gòu)造(A) 采用引導(dǎo)和切換光的硅。(B) 采用波導(dǎo)材料，如在用于切換的硅上沉積二氧化硅。(C) 采用兩個(gè)晶片， 一個(gè)帶有如二氧化硅的波導(dǎo)材料，另一個(gè)用硅 構(gòu)成SIM器件，并將兩個(gè)晶片相互對(duì)耦合。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，披露了一種制造上面(B)和(C)部分所 述實(shí)施方式的WSS的方法。


本發(fā)明的其他方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述、后附權(quán)利要 求和附圖中更加清楚明了。其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的固體浸沒(méi)微鏡(SIM)配置的示意圖。圖2示意性顯示了包括SIM陣列的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)的完全集成 配置的一種發(fā)明實(shí)施方式。圖3示意性顯示了包括SIM陣列的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)的完全集成 配置的另一種發(fā)明實(shí)施方式。圖4A和圖4B分別顯示了圖2和圖3的WSS的橫截面圖。
具體實(shí)施方式
圖1所示的是在絕緣體上硅(SOI)晶片中構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù)的固體浸 沒(méi)微鏡(SIM)配置的示意圖。SIM 110包括旋轉(zhuǎn)部分，該旋轉(zhuǎn)部分包括 在其中蝕刻的鏡lll。 SIM 110通過(guò)彎曲氣隙112與其余的導(dǎo)光PLC 113 分離開(kāi)。氣隙等于引導(dǎo)光的波長(zhǎng)的四分之一(或半波長(zhǎng)的附加增量)。因 而來(lái)自個(gè)引導(dǎo)區(qū)域110， 113和氣隙112之間的界面的反射會(huì)進(jìn)行有害干 涉。SIM由連接電接地端115的彎曲臂114支撐。旋轉(zhuǎn)梳狀驅(qū)動(dòng)單元116 的一部分連接彎曲臂114,使得向任一控制端117或118施加適當(dāng)電壓時(shí)， SIM 110能夠沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?19旋轉(zhuǎn)，每個(gè)控制端117、 118連 接梳狀驅(qū)動(dòng)單元116的第二部分。以此方式，能使SIM 110控制多個(gè)方 向中如121, 122的光線120的反射。參照?qǐng)D2,顯示了包括PLC和SIM器件陣列的波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS) 200的完全集成配置的一種發(fā)明PLC實(shí)施方式。WSS 200具有1 x K的功 能性，其中K是大于或等于1的整數(shù)，意味著是單個(gè)輸入光纖201,帶有 多波輸入光學(xué)信號(hào)，IN，如具有N波長(zhǎng)信道的密集波分復(fù)用(DWDM)信 號(hào)，其中N是大于1的整數(shù)。WSS 200可以將N個(gè)信道的任意一個(gè)分配到 K個(gè)輸出光纖202 0UT1 - OUTK的任意一個(gè)。WSS 200開(kāi)關(guān)也可以反過(guò)來(lái) 以K x 1功能性操作，其中輸入和輸出相反。K+l個(gè)輸入/輸出光纖中的每 個(gè)連接一個(gè)波導(dǎo)202. 1 - 202. K+1,其將光導(dǎo)向給相關(guān)聯(lián)的K+l個(gè)耦合器 203. 1 - 203. K+l中的一個(gè)。每個(gè)耦合器如203. 1將來(lái)自波導(dǎo)的光耦合入 陣列波導(dǎo)光柵(AWG),如204. 1。全部AWG204. 1 - 204. K+l終止在共同 共焦耦合器206的同一共焦面205上。上述K+1個(gè)光導(dǎo)，耦合器，相關(guān) 聯(lián)的AWG和公共共焦耦合器206的布置描述了 K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列210. 1- 210. K+l，每個(gè)具有等于至少N個(gè)WDM信道占據(jù)的帶寬的自由頻i普范圍(FSR)或帶寬。如本領(lǐng)域所公知的，每個(gè)AWG 204. 1 - 204. K+l輻射的光被線性分散到第二共焦面207上。由于K+1個(gè)AWG連接相同自由空間區(qū)域206，但_ 位于沿表面205的不同位置，每個(gè)AWG的線性分散光被疊加在第二表面 207上，但每個(gè)以不同的入射角度。因而，第二表面207對(duì)于布置旋轉(zhuǎn)固 體浸沒(méi)MEMS微鏡(SIM)陣列220. 1 - 220.K是理想的。每個(gè)鏡沿第二表 面207的圓弧設(shè)置，DWDN信號(hào)的N個(gè)信道的每個(gè)的焦點(diǎn)位于在第二表面 207的圓弧上。每個(gè)鏡獨(dú)立受控以切換單個(gè)DWDM信道的帶寬(或可以設(shè) 計(jì)用于切換一個(gè)信道帶)，從而反射光通過(guò)期望的色散波長(zhǎng)陣列耦合到期 望的輸出端口/光纖。示意性地，圖2顯示為lxK開(kāi)關(guān)，其中光纖201 是接收輸入DWDM信號(hào)的輸入端口 IN,光纖202用作K個(gè)輸出端口 0UT1 -0UTK+1。于是用相關(guān)聯(lián)的一個(gè)SIM器件220. 1 - 220. K,在輸入端口 IN 被接收的任意單個(gè)DWDM信道可以由WSS 200切換到K個(gè)輸出端口 0UT1 -OUTK中的一個(gè)。根據(jù)本發(fā)明，附加波導(dǎo)陣列如222可以加到K+l個(gè)耦合器203. 1 -203. K+l的每一個(gè)的前面。附加波導(dǎo)陣列的使用及其與色散波導(dǎo)陣列 210. 1 - 210. K+l的相互作用在序列號(hào)為No. xx/xxxxx的共同未決美國(guó) 專利申請(qǐng)中有詳細(xì)描述，其內(nèi)容在此結(jié)合作為參考。附加波導(dǎo)陣列222 具有等于DWDM信號(hào)的信道間隔的自由頻譜范圍(FSR )， K+l個(gè)色散波導(dǎo) 陣列210. 1 -210.K+1的FSR具有等于至少由N個(gè)WDM信道占據(jù)的帶寬的 帶寬。波導(dǎo)陣列222包括兩個(gè)或者更多個(gè)具有不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)，長(zhǎng)度差 決定了設(shè)置形成在第二共焦表面207的每個(gè)離散光斑的帶寬的FSR。示意 性地，波導(dǎo)陣列222可以實(shí)現(xiàn)為Mach-Zehnder干涉4義或^^知的波導(dǎo)光才冊(cè) 路由器。輸入波導(dǎo)陣列222產(chǎn)生空間分布(spatial mode )，其移動(dòng)位置 作為頻率的函數(shù)。(輸入波導(dǎo)陣列222產(chǎn)生的)移動(dòng)的輸入空間分布的相 互作用與K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列210. 1-210. K + l的線性色散一起導(dǎo)致光 信號(hào)在第二共焦面207上被分散成離散斑。這樣，例如，波導(dǎo)陣列222 與色散陣列例如210. 1的結(jié)合會(huì)對(duì)位于旋轉(zhuǎn)SIM 220. 1 - 220. K中不同一 個(gè)的中心的N波長(zhǎng)信道的每個(gè)產(chǎn)生離散斑。使用"聚焦的"離散斑消除 了光落在(其任一旋轉(zhuǎn)位置的)微鏡邊緣上或光落在SIM器件之間的間 隙區(qū)域中的問(wèn)題。才艮據(jù)本發(fā)明，包括色散波導(dǎo)陣列210. 1 - 210. K+l的WSS 200和SIM 220. 1 - 220. K的陣列可以用相同材料如硅，7>知的工藝和顯樣￡才幾才成加工 技術(shù)而被整體構(gòu)造。采用絕緣體上硅SOI的平臺(tái)或晶片(硅基，薄氧化層和硅層)，使用對(duì)氣化層的完全蝕刻來(lái)確定SIM器件，而使用定時(shí)蝕刻來(lái)確定用于引導(dǎo)光的脊?fàn)畈▽?dǎo)。參照?qǐng)D4A,顯示了圖2WSS 200的另一構(gòu)造實(shí)施方式。圖4A顯示了 圖2中WSS 200的A-A截面的橫截面圖。該實(shí)施方式開(kāi)始于絕緣體上硅 SOI晶片401。在區(qū)&戈402中蝕刻SIM致動(dòng)器(;旋轉(zhuǎn)沖危狀驅(qū)動(dòng)單元116和 彎曲臂114)。致動(dòng)器通過(guò)蝕刻致動(dòng)器下暴露的氧化層403而被釋放。二 氧化硅沉積在區(qū)域404中(在整個(gè)晶片405之上)，K+l個(gè)波導(dǎo)陣列210. 1 -210. K+l形成(包層，芯，包層)在區(qū)域404中。然后在區(qū)域406中的 二氧化硅中(區(qū)域407被去除的)蝕刻每個(gè)SIM器件220. 1 - 220. K的旋 轉(zhuǎn)鏡部分。參照?qǐng)D3，描述一種實(shí)現(xiàn)WSS 200的優(yōu)選技術(shù)。因?yàn)閮?yōu)選的導(dǎo)光材料 典型地是二氧化硅301，優(yōu)選的顯微機(jī)械加工材料是硅302，能夠?qū)︸詈?兩個(gè)不同的晶片301和302。在該配置中，用公知技術(shù)在二氧化硅晶片 301中實(shí)現(xiàn)色散波導(dǎo)陣列210. 1 - 210. K+1,其包括大多數(shù)執(zhí)行光處理任 務(wù)的元件，包括波導(dǎo)，耦合器，AWG器件和共焦耦合器306的主要部分 309 (包括從第一彎曲面305到邊緣310的部分)。在共焦耦合器306的 主要部分309的邊緣310,切割并拋光二氧化硅。用在前面參考的固體浸 沒(méi)微鏡產(chǎn)品中描述的公知的顯微機(jī)械加工技術(shù)在硅晶片302中構(gòu)造共焦 耦合器306的其余(或次要)部分304 (包括共焦耦合器306的其余部分) 與SIM 220. 1 - 220. K的陣列。切割并拋光硅晶片302的左側(cè)部分304并 沿邊緣310對(duì)耦合到拋光的二氧化硅晶片301的右側(cè)部分309。使用系數(shù) 匹配粘合劑會(huì)更有利。圖4B所示為對(duì)耦合的橫截面。由于硅比二氧化硅 的折射系數(shù)大，共焦自由空間區(qū)域306的第二表面307的曲率半徑比圖2 的共焦自由空間區(qū)域206的第二表面207的曲率半徑大。半徑增加的比 率等于硅與二氧化硅的折射系數(shù)的比率(大致3. 5/1. 5=2. 333 )。更有利 的是^:鏡的傾斜角范圍也以相同系數(shù)減小，構(gòu)成SIM器件的設(shè)計(jì)。還應(yīng)當(dāng)注意， 一個(gè)色散波導(dǎo)陣列可以具有不同的光柵級(jí)，從而用作 多路復(fù)用器/多路分解器。應(yīng)當(dāng)理解到本發(fā)明不限于所披露的特定實(shí)施方式，但涵蓋在后附權(quán) 利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改。
權(quán)利要求
1、一種用于切換N信道的多波輸入光學(xué)信號(hào)的光學(xué)裝置，包括平面集成光波線路(PLC)，包括K+1個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)，其中K是大于或等于1的整數(shù)；K+1個(gè)色散波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)陣列包括與K+1個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)中不同的一個(gè)耦合的耦合器，第一端連接該耦合器而第二端連接到共同共焦耦合器的第一表面的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)；和N個(gè)固體浸沒(méi)微鏡(SIM)器件的陣列，其中N是大于1的整數(shù)，每個(gè)SIM器件設(shè)置于該共同共焦耦合器的第二表面上的不同位置處，每個(gè)SIM器件選擇性地旋轉(zhuǎn)以將從第一色散波導(dǎo)陣列接收的一個(gè)信道的光反射回通過(guò)第二色散波導(dǎo)陣列。
2、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)切換裝置，其中使用絕緣體上硅晶片來(lái) 構(gòu)造PLC。
3、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)切換裝置，其中使用帶有薄氧化層且其上沉積硅層的硅晶片來(lái)構(gòu)造PLC,通過(guò)蝕刻硅 層形成SIM器件的N個(gè)致動(dòng)器；以及在硅層上沉積二氧化硅層，且在二氧化硅層中形成K+l個(gè)波導(dǎo)陣列 和蝕刻用于SIM器件的N個(gè)鏡。
4、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)切換裝置，其中除了共用共焦耦合器的小部分之外，使用從包括二氧化硅，溶膠凝 膠，聚合物的組中選擇的材料構(gòu)造K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列，該材料沉積在 選自于包括硅，藍(lán)寶石或其他玻璃絕緣體材料的組的第一晶片上，以及在硅晶片中構(gòu)造共用共焦耦合器的其余部分和N個(gè)SIM器件，然后 將第 一晶片和硅晶片對(duì)耦合以形成PLC。
5、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)切換裝置，還包括K + l個(gè)第一波導(dǎo)陣列，每個(gè)第一波導(dǎo)陣列用于耦合K+1個(gè)輸入/輸出 波導(dǎo)中不同的一個(gè)與K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列中不同的一個(gè)之間的光學(xué)信號(hào)， 每個(gè)第一波導(dǎo)陣列具有至少兩個(gè)波導(dǎo)并具有等于輸入光學(xué)信號(hào)的信道間 隔的自由頻譜范圍，第一波導(dǎo)陣列將第一色散引入輸入光學(xué)信號(hào)，和K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列中的每個(gè)具有至少等于輸入光學(xué)信號(hào)的全部信 道的帶寬的自由頻譜范圍，且K+1個(gè)第一波導(dǎo)陣列的每個(gè)產(chǎn)生第二色散， 該第二色散通過(guò)K+l個(gè)第一波導(dǎo)陣列中對(duì)應(yīng)的一個(gè)加入被引入到輸入光學(xué)信號(hào)的第一色散以產(chǎn)生離散光斑， 一個(gè)光斑對(duì)應(yīng)于N個(gè)信道的一個(gè)。
6、 一種制造用于切換N信道的多波輸入光學(xué)信號(hào)的光學(xué)裝置的方法， 該光學(xué)裝置包括平面集成光波線路(PLC),包括K+l個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)，其中K是大于或等于1的整數(shù)；K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)陣列包括與K+l個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)中 不同的一個(gè)耦合的耦合器，第一端連接該耦合器而第二端連接共同共焦 耦合器的第一表面的陣列波導(dǎo)光柵(AWG);和N個(gè)固體浸沒(méi)微鏡(SIM)器件的陣列，其中N是大于1的整數(shù)，每 個(gè)SIM器件設(shè)置于該共同共焦耦合器的第二表面上的不同位置處，每個(gè) SIM器件選擇性地旋轉(zhuǎn)以將從第一色散波導(dǎo)陣列接收的一個(gè)信道的光反 射回通過(guò)第二色散波導(dǎo)陣列，該方法包括以下步驟從帶有薄氣化層且其上沉積硅層的硅晶片開(kāi)始，在硅層中蝕刻SIM 器件的N個(gè)致動(dòng)器，在硅層上沉積二氧化硅層，以及在二氧化硅層中蝕刻K+l個(gè)波導(dǎo)陣列和SIM器件的N個(gè)鏡。
7、 一種制造用于切換N信道的多波輸入光學(xué)信號(hào)的光學(xué)裝置的方法， 該光學(xué)裝置包括平面集成光波線路(PLC),包括K+l個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)，其中K是大于或等于1的整數(shù)；K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列，每個(gè)波導(dǎo)陣列包括與K+l個(gè)輸入/輸出波導(dǎo)中 不同的一個(gè)耦合的耦合器，第 一端連接該耦合器而第二端連接共同共焦 耦合器的第一表面的陣列波導(dǎo)光柵(AWG);N個(gè)固體浸沒(méi)微鏡(SIM)器件的陣列，其中N是大于1的整數(shù)，每 個(gè)SIM器件設(shè)置于該共同共焦耦合器的第二表面上的不同位置處，每個(gè) SIM器件選擇性地旋轉(zhuǎn)以將從第一色散波導(dǎo)陣列接收的一個(gè)信道的光反 射回通過(guò)第二色散波導(dǎo)陣列，該方法包括以下步驟除了共用共焦耦合器的小部分之外，使用從包括二氧化硅，溶膠凝 膠，聚合物的組中選擇的材料構(gòu)造K+l個(gè)色散波導(dǎo)陣列，該材料沉積在 選自于包括硅，藍(lán)寶石或其他玻璃絕緣體材料的組的第 一 晶片上，在硅晶片中形成共用共焦耦合器的其余部分和N個(gè)SIM器件，以及將第 一晶片和硅晶片對(duì)耦合。
全文摘要
一種完全集成的微機(jī)電(MEMS)1×K波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS)，包括整體構(gòu)造在一起的N個(gè)固體浸沒(méi)微鏡(SIMS)陣列和K+1個(gè)色散波導(dǎo)陣列。在一個(gè)實(shí)施方式中，WSS在硅中構(gòu)造。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在絕緣體上硅(SOI)晶片的硅層中蝕刻SIM的N個(gè)致動(dòng)器。其后，在硅層上沉積二氧化硅層，在二氧化硅層中蝕刻K+1個(gè)波導(dǎo)陣列和用于N個(gè)SIM的鏡。在又一實(shí)施方式中，除了共用共焦耦合器的小部分之外，使用從包括二氧化硅，溶膠凝膠，聚合物的組中選擇的材料構(gòu)造K+1個(gè)色散波導(dǎo)陣列，該材料沉積在選自于包括硅，藍(lán)寶石或其他玻璃絕緣體材料的組的第一晶片上，在硅晶片中構(gòu)造共用共焦耦合器的其余部分和N個(gè)SIM器件，然后將第一晶片和硅晶片對(duì)耦合。
文檔編號(hào)G02B6/35GK101278219SQ200680036912
公開(kāi)日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2006年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月6日
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