专利名称：光学开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一个用于连接和切换光学通信系统里大量光学信号光路的光学信道连接，更确切地说，是涉及到一个用微型机加工技术制造成的模拟光束转向的真空光学开关。
为了实现这种类型的通信系统，一个用于高速调制的光源、用于进行高容量传输的光导纤维、宽带纤维放大器，和多信道波长滤波器是必不可少的。在这些组件里，光学开关，能够有选择性地切换来自大量输入端的任意波长的光学信号，同时能够将这些光学信号连接到规定的输出端，对于灵活地处理不断变化的通信需求以及处理通信线路故障，是一个重要的关键技术。
另一方面，为实现低的光学通信成本、系统简单化和更快的传输速度，作为光学通信系统发展的一个途径，正在促进整个光学通信的转换，在整个光学通信里光学信号不需要转换成电信号就可以被传输。这种通信方法目的在于在一个用于调整光路的大规模开关里，使用一个整个光学的光学通道连接(OXC)。这种“整个光学的连接”是指不需要首先将光转换为电然后再与电传输线路连接的连接光路方式。
一个整个光学的光学开关需要有一个输入两个输出端(1×2)的小规模的开关，到有1000×1000或更多输入和输出端的大规模的开关。
图1(a)说明了一个现有技术的小规模光学开关(1×2)，图1(b)举例说明了分级组装的小规模光学开关。这种小规模光学开关是使用一个用于自动连接的驱动电路14构造成的，由一个螺线管11和一个永磁铁15组成，用来有选择性地连接一个输入端光纤12两个输出端光纤13中的任何一端(NTT，R&D.Vol.48，No.91999，pp.665-673)。
图中，标号16和17分别代表在输入端的一个可动纤维和在输出端的固定纤维。所有这些纤维被封装在套管18里。这些输入和输出纤维在外部通过光学接线盒连接。
如图1(b)所示，当使用这种类型的小规模光学开关时，一个N×M的多输入多输出光学开关可以通过分级组装大量的小规模光学开关104来构成。然而，这种分级组装的开关不适合于大规模的开关，因为随着分级结构里级数的增加，光损耗也增加。
图2举例说明了一个现有技术的大规模整个光学的光学开关，图2(a)是该光学开关的示意图，图2(b)图示说明一个完整的光学开关阵列，图2(c)图示说明构成光学开关阵列一部分的光学装置的分布，图2(d)图示说明各个专用光学装置的构造。
图2中所示的光学装置是用于实现纤维之间光学连接的真空光学通道连接的一个实例。在该连接中微型驱动器各自驱动采用MEMS技术排列的微型反射镜元件。
图2(a)中所示的现有技术的光学开关实例是由输入端19、输出端20和两个光学开关阵列2101和2102组成。输入端19是由输入端的纤维阵列15和准直校正透镜阵列1801构成。该纤维阵列15是由N个固定到毛细阵列1701的一个通孔阵列(图中没有给出)的光学纤维组成。输出端20具有相似的构成，由输出端的纤维阵列16和透镜阵列1802构成。该纤维阵列16是由M个固定到毛细阵列1702的光学纤维组成。
在这个装置里，两个光学开关阵列2101和2102是由二维排列的光学开关元件(在下文中把它们称为光学开关)105以矩阵方式构成的，其特征在于光学开关的数量对应于输入/输出端的数量，如图2(b)和(c)所示。各个光学开关105光学装置元件和微型驱动器组成。在图2(c)和(d)中，只图示了光学装置，图中没有给出微型驱动器。
光学装置是由微型反射镜203、镜架303和框架703组成的。其中镜架303环绕并以中枢轴方式支撑微型反射镜203，从而绕Ry轴旋转(倾转)微型反射镜203。框架703环绕并以中枢轴方式支撑镜架303，从而绕Rx轴旋转镜架303。
在微型驱动器(图中没有给出)产生的静电驱动扭转力矩作用下，微型反射镜203既能绕着Ry轴倾转，也能通过可绕Rx轴旋转的镜架303来绕着Rx轴倾转。这样光学装置被微型驱动器产生的双轴静电驱动扭转力矩驱动，从而能够相对于两个自由度(绕着图2(d)中在Rx和Ry方向的轴)转向。在下文中称这种模式的驱动为双轴驱动。
微型反射镜203和镜架303分别被用套簧503和603以中枢轴方式支撑，这样(微型反射镜203和镜架303)可被与旋转角度(倾斜角度)成正比的弹性回复力拉回来。
这样投射到微型反射镜203上的激光束可以被在任何方向上反射。
这种开关阵列允许光束的光路按照如下文所述的方式发生改变(模拟光束转向)。
如图2(a)所示，光学信号从输入端19射出，经过透镜阵列1801而被准直校正。然后，已经被准直校正后的光学信号被投射到与所研究的光学信号已经通过的透镜阵列1801里的微型透镜相对应的光学开关阵列2101里的微型反射镜203上。反射光束被微型反射镜203的双轴驱动转向，这样就使得光学信号的反射光束射向一个规定的方向。光学信号从光学开关阵列2101出射后，接着被投射到第二个光学开关阵列2102里的一个规定的微型反射镜上。第二个光学开关阵列2102的微型反射镜的双轴驱动把光学信号的反射光束射向输出端20的一个光学纤维，从而取得光学信号。
图3图示说明光学开关的光学装置的细节，图3(a)是光学装置的双轴驱动真空光学开关实例的平面图，图3(b)是套簧的平面图。
微型反射镜203被镜架303用一对套簧503以中枢轴方式支撑，这个镜架303相似地被外围的框架703用一对套簧603以中枢轴方式支撑。
在这个装置里，微型反射镜203的旋转轴和镜架303的旋转轴被安装在互相垂直的方向上，反射光束被通过绕着这两个轴的独立驱动进行二维地转向。套簧可以是任意形状以获得规定的刚性，在这个实例里，采纳了螺旋状的或连续的叠扇形套簧(参考图3(b))。
两组电极对903和1003被互相垂直地安装在正对微型反射镜203的基体1102的表面区域。在下文中将该区域称为电极区。这些电极903和1003实质上是方形的，与作为基底的光学装置(微型反射镜203)一起，构成了一个静电驱动的微型驱动器。应用静电力，通过控制外加的电压而控制(该静电力)，来引起微型反射镜203和镜架303绕它们各自的轴进行旋转。
图4图示说明了静电驱动的工作原理。图4(a)是在电极对903位于基电位、对微型反射镜203不施加扭转力矩时微型反射镜203的截面图。正如参考图2和图3所阐述的，微型反射镜203被镜架303通过套簧503支撑，镜架303通过套簧603被固定到框架703上。
图4(b)是在电压被施加到电极对903上，从而对微型反射镜203施加扭转力矩，引起微型反射镜203倾斜时的截面图。图4(c)是在电压被施加到两个互相垂直安装的两组电极对上，反射镜203和镜架303都绕着各自的轴倾斜时的侧视图。
在另一个现有技术技术里，提出了光路可以被以平面形式在光学通道连接里构成，当控制信号是ON时反射镜上升，当控制信号是OFF时，反射镜下降(数字坐标制)。这种光学通道连接，因其可以通过简单的信号控制来操作而具有优势，它有助于输入和输出光学纤维的定位，而且，它有助于集成化。然而，这种连接也有缺点，因为N×N连接需要N2个开关元件，而模拟光束转向只需要2N个开关元件，而且，因为巨大的光路差值导致损耗增加。结果，这种方法在大规模开关上的应用被认为是有问题的。
基本上，光学通信系统的通信容量是被每个信道的传输速度和信道的数量乘积决定的。因此可以假定对获得高的传输速度和增加信道数量将会有一个增长的需求。因此对于大规模的整个光学的光学开关的研究是可以预料的。
在大规模的整个光学的光学开关里，模拟光束转向的真空光学开关被认为有希望可以实现能够在某种程度上减小光损耗的、小型的、低成本的大规模开关。这种光学开关已经被Lucent Technologies或χros通报发表(现在为Nortel所拥有)。
在一个大规模的模拟光束转向真空光学开关里，所采用的微型反射镜的数量是巨大的，因此随着输入/输出端数量的增加微型反射镜的转向角度也需要增加。为了增加微型反射镜的转向角度。需要扩大微型反射镜的受控转向所容许的角度范围。
作为扩大转向控制范围的另一种方法，也已提出了增加输入/输出端和反射镜之间的距离以及两个光学开关阵列之间的距离，从而延长通过真空的光路的长度。这种方法提供了一个优点，即反射镜的一个小角度倾斜可以获得对光学信号方向所预期的改变。然而这种方法必然带来以下问题附带而来的光束半径扩大，这不但造成光损耗，而且导致光学开关尺寸和整体模块的增加。
这样，保证足够大的反射镜倾斜角度对于构造小型尺寸和低损耗的大规模光学开关来说是关键问题。
然而，当使用静电驱动器来驱动微型反射镜时，问题在于反射镜的倾斜角度受到驱动扭转力矩特性曲线的限制。
图5说明了一个被静电驱动器驱动的单轴旋转的反射镜实例的简单分析模型。在这个实例里，静电力产生的驱动扭转力矩可以用下面的公式表示这里，E是电场，V是外加电压，W是电极宽度(沿着垂直于图平面a=rθ=(dsinθ-x)θ···(1)]]>E=Va=V{(dsinθ-x)θ}···(2)]]>Te=∫L1L212ϵ0WE2xdx=12ϵ0WV2∫L1L2x{(dsinθ-x)θ}2dx···(3)]]>方向的宽度)，θ是反射镜倾斜角度，L1和L2是电极两端的位置，ε0是真空的介电常数，d是当E＝0时微型反射镜和电极之间的距离，a是当反射镜倾斜角度为θ时微型反射镜位置x和电极之间的距离。在下面的描述中，微型反射镜和电极之间的距离a和d被称为“空气间隙”。
图6表明静电驱动扭转力矩(Te)对反射镜倾斜角度的关系的扭转力矩特性曲线。该曲线是根据上面的公式计算的。在这个实例里，设定静电宽度W＝150μm，电极长度L＝150μm(L1＝80μm，L2＝230μm)，空气间隙d＝50μm，外加电压V＝150V，进行计算。
在这些设定值下，代表倾斜角度为θ时的套簧弹性回复力kθ(k是套簧的刚性系数)的套簧特性曲线是一条通过原点的直线，该直线与扭转力矩曲线相切。切点处的倾斜角度θMAX是在有可能进行稳定的角度定位的倾斜角度范围里的最大的转向角度，正如下文中将说明的一样。
当微型反射镜倾斜，套簧变形时，正比于倾斜角度的弹性回复力kθ作用在微型反射镜上，如图6的套簧特性曲线或回复线(直线)所示。
如果外加电压不足，扭转力矩特性曲线与套簧特性直线相交于两个点。我们指出在这两个交点中，在较大的倾斜角度处相交的倾斜角度为θH，在较小的倾斜角度处相交的倾斜角度为θL。微型反射镜在倾斜位置θL时实现动态平衡。
外加电压的增加导致扭转力矩特性曲线向上偏移。这样，随着外加电压V的增加，两个交点互相接近，同时θL增加，θH减小。外加电压V的进一步增加引起两个交点在θL＝θH＝θMAX处互相重合，即，扭转力矩特性曲线上移直至与套簧特性直线相切。图6表示这种状态。
这样倾斜角度θMAX是θL的最大值，即，是在有可能进行稳定的角度定位的倾斜角度范围里的最大的转向角度。
在上述设计条件下的实例里，当支撑微型反射镜203的套簧的刚性系数被设定为k＝32.5×10-10N-m/rad时，对于外加电压V＝150V的反射镜倾斜角度的最大值θMAX是5.2°。当套簧的刚性系数和电极的面积及位置具被相似地设定时，镜架303的最大倾斜角度具有相同的大小，这样，用于转向光学信号的光学装置的双轴驱动可以在±5.2°的范围里得以实现。
正如前面的说明所述，为了适应开关的大规模化趋势，同时减小光损耗，需要一个模拟光束转向真空光学开关来扩大反射镜转向θMAX的范围。
在一个双轴驱动的光学装置里，用作微型反射镜203和镜架303角度定位的角度范围θMAX被装置的扭转力矩特性曲线和元件的弹性特性造成的限制所限制。这样，对微型反射镜203和镜架303角度定位的控制就在被这些限制所限定的倾斜角度范围里进行。
这样，为了扩大模拟光束转向真空光学开关的微型反射镜转向的范围，必须设计静电驱动器来增大最大的可以控制的倾斜角度θMAX。
然而，当光学装置的最大的转向角度(最大的可以控制的倾斜角度)被设定的较大时，为了避免在大倾斜角度时微型反射镜和电极之间的接触引起的静电击穿，空气间隙必须增加。然而，增加空气间隙，同时保持驱动电压固定不变，会降低扭转力矩特性曲线，同时引起一个问题，即可以得到的最大倾斜角度变小。
然而，由于降低扭转力矩特性曲线，有可以抑制在大扭矩角处扭转力矩的急剧增加的优点，如果套簧的刚性被设计得柔软适度，最大的可以控制的倾斜角度θMAX可以被增大。然而，减小套簧的刚性，带来在加工过程中断裂的危险，使得组件的加工复杂化，另外，也降低了光学装置的响应速度，导致开关切换迟滞。
如果外加电压增加，同时保持套簧的刚性高于一个规定的固定值，可以保证加工的简单和迅速的响应，尽管空气间隙也增加。然而，增加外加电压带来驱动扭转力矩的急剧增加，相对于倾斜角度θ变化而言。其结果是，驱动扭转力矩的急剧增加特征引起最大的倾斜角度θMAX的减小。一个高电压驱动也可以造成电路可靠性的损失。尤其是在大规模开关里，考虑到电极线路的排列，(在大规模开关里)采用了严格的条件，高电压驱动增加了诸如线路之间狭窄间隙里寄生放电等问题出现的可能性。
为了实现上述的目标，本发明采用了下面描述的基本构造。
根据本发明的光学开关是一个用于连接和切换大量光学信号光路的光学开关，包括大量的光学装置和用来驱动这些装置的静电驱动器。
各个光学装置都被以中枢轴方式支撑，从而允许它们绕着规定的旋转中心旋转。静电驱动器包括固定光学装置的基体和安装在基体上的大量驱动电极。
当一个静电电压被施加在光学装置和驱动电极之间时，产生一个引起光学装置相对于基体绕旋转中心倾斜的、静电驱动扭转力矩。
通过对静电驱动扭转力矩的控制允许提供对光学装置绕旋转中心倾斜的控制，同时改变光学信号的反射方向。
在本发明的第一个光学开关里，大量的驱动电极被排列成相对于电极中心的放射状图样型式，各个驱动电极设计成这样一种形状，其规定的外面部分的电极宽度由此相对于电极中心随着向外边的推进而变窄。这里，电极中心是旋转中心到基体表面的正交投影。
由于电极宽度这样随着向驱动电极外圆周的推进而变窄，与现有技术相比，甚至在采用相同的静电驱动电压时，施加在微型反射镜外圆周部分的静电驱动扭转力矩减小。这样，由于驱动电极宽度变窄造成的静电吸引力的下降，补偿了倾斜角度增加造成的静电吸引力的增加，在大转向角度区域静电驱动扭转力矩的急剧增加被缓和了。
其结果是，能够将最大倾斜角度θMAX设定为一个大值，使得大的倾斜角度控制成为可能，同时避免当在大转向角度操作时由于倾斜角度的突然增加而引起的微型反射镜和基体之间的可能的互相撞击。
该光学装置包括一个微型反射镜、一个用来环绕微型反射镜外圆周的镜架、和一个用来环绕镜架外圆周的框架。微型反射镜被镜架以中枢轴方式支撑，使得微型反射镜可以绕着第一个旋转轴旋转，这样弹性回复力抵抗这种旋转。镜架也被框架以中枢轴方式支撑，使得镜架可以绕着第二个旋转轴旋转，这样弹性回复力抵抗这种旋转。
该第一个旋转轴和第二个旋转轴在一个平行于基体的平面上相交。因此这个交叉点就是光学装置的旋转中心。
大量的驱动电极可以包括一个第一个电极对和一个第二个电极对第一个电极对产生用于引起微型反射镜绕第一个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩；第二个电极对产生用于引起镜架绕第二个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩。
第一个电极对的两个电极被安装在第一个垂直平面的两端，第二个电极对的两个电极被安装在第二个垂直平面的两端。这里，第一个垂直平面是一个包括第一个旋转轴并且与基体垂直的平面。第二个垂直平面是一个包括第二个旋转轴并且与基体垂直的平面。
在双轴驱动的情况下，第一个旋转轴和第二个旋转轴被安装得互相垂直。
在第一个光学开关里，各个驱动电极被设计成这样一种形状，其规定的里边部分的电极宽度相对于电极中心随着向里边的推进而变窄。
其结果是，在双轴驱动的光学装置里，用于旋转微型反射镜的电极对和用于旋转镜架的电极对均可以被扩大进入到电极中心附近而不会引起几何形状干涉。结果，在低驱动电压下可以产生一个大的静电驱动扭转力矩，而且在小的转向角范围内静电驱动扭转力矩可以被设定到一个高值。
第一个光学开关可以包括这样一个实例，在该实例中各个驱动电极被设计成这样一种形状，其规定的里边部分的电极宽度相对于电极中心随着沿半径向里边的推进而变窄，而且，被设计成这样一种形状，其规定的外边部分的电极宽度相对于电极中心随着沿半径向外边的推进而变窄。
在这个实例里，因为驱动电极向里边相对于电极中心扩大，静电驱动扭转力矩特性曲线整体向上偏移，但因为驱动电极的电极宽度相对于电极中心随着沿半径向外边的推进而变窄，静电驱动扭转力矩特性曲线向下偏移。这种向下偏移因具有较大的倾斜角度更为明显。因此，与现有技术相比，本实例里的驱动电极的形状产生的静电驱动扭转力矩的特征为该静电驱动扭转力矩特性曲线在倾斜角度小的倾斜角度范围里向上偏移，在倾斜角度大的倾斜角度范围里向下偏移。这样，这种静电驱动扭转力矩特性曲线呈现出一种特征，即随着倾斜角度增加比现有技术里的特性曲线上升得更多。
作为本实例的一个技术优点，倾斜角度可以被控制的范围扩大，即最大可以控制的倾斜角度增加，如下所述。
如前面所说明的，在倾斜角度不是特别大的范围里，对于本实例的倾斜角度的静电驱动扭转力矩特性曲线比现有技术里的静电驱动扭转力矩特性曲线位置向上偏移。结果，从原点到静电驱动扭转力矩特性曲线所画的切线的斜率或梯度比现有技术里的切线的斜率大。一般地，当在微型反射镜和驱动电极之间施加一个固定的电压来产生一个静电驱动扭转力矩时，该扭转力矩随着微型反射镜倾斜角度增加而单调地增加。然而，当倾斜角度增加(即静电驱动扭转力矩特性曲线随着倾斜角度的增加而上升得更加急剧突然)扭转力矩的变化速率增加；结果，即使本实例的静电驱动扭转力矩特性曲线的梯度与现有技术里的静电驱动扭转力矩特性曲线的梯度完全相同，本实例里的对应于切线切点的倾斜角度也将会大于在现有技术里的(倾斜角度)，这是因为在本实例里切线切点处扭转力矩特性曲线的梯度大于在现有技术里的(切线切点处扭转力矩特性曲线的梯度)；而且由于对应于切线切点的倾斜角度代表了最大可以控制的转向角度，正如上文所说明的，本实例里电极的轮廓构造引起最大可以控制的转向角度增加。
这个实例还具有这样一个优点，即比先前的工艺技术提供了一个更短的响应时间，因为从原点到静电驱动扭转力矩特性曲线所画的切线的斜率，对应于弹性元件的弹性常量。由于在本实例里的切线的斜率比在现有技术里的大，本实例能够采用具有高弹性常量的弹性元件，这样就造成一个短的响应时间。
就这样，采用低电压驱动，同时增加中枢轴支撑部分的弹性元件的弹性常量(例如，一个套簧)，可以实现扩大转向角度范围。这样可以提供一种可应用于大规模开关的、小型的、低成本的、高度可靠的、高速光学开关。
作为一个加工实例，各个驱动电极形状可以设计成菱形。各个驱动电极的形状也可以设计成一个椭圆形，并使它的长轴与半径方向相对于电极中心成一直线。
一个光学开关可以通过排列安装光学装置和静电驱动器而构造成，正如前面的说明所述，以一个阵列方式，该阵列决定于输入和输出端的数量。
本发明的光学开关的第二个实例是一个用于连接和切换大量光学信号光路的光学开关，包括大量的光学装置和用于驱动这些光学装置的静电驱动器，其特征在于这些光学装置被以中枢轴方式支撑，从而允许绕着规定的旋转中心旋转。
各个光学装置装配有一个微型反射镜、一个用来环绕微型反射镜外圆周的镜架、和一个用来环绕镜架外圆周的框架。微型反射镜被镜架通过诸如套簧等的弹性元件以中枢轴方式支撑，使得微型反射镜可以绕着第一个旋转轴旋转，这样弹性回复力的作用是抵抗这种旋转。
镜架也被框架以中枢轴方式支撑，使得镜架可以绕着第二个旋转轴旋转，这样弹性回复力的作用是抵抗这种旋转。该第一个旋转轴和第二个旋转轴在一个平行于基体的平面上相交，这个交叉点就是光学装置的旋转中心。
静电驱动器包括固定光学装置的基体和安装在基体上的大量驱动电极。大量的驱动电极可以包括一个第一个电极对和一个第二个电极对第一个电极对作用是产生用于引起微型反射镜绕第一个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩；第二对电极对作用是产生用于引起镜架绕第二个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩。当静电电压被施加在微型反射镜和第一个和第二个驱动电极之间时，产生用来引起微型反射镜相对于基体绕着旋转中心倾斜的静电驱动扭转力矩。光路的连接和切换就这样通过改变光学信号的反射方向而实现了。
在这个实例里，第一个电极对是一对圆弓形的、尺寸相同的电极，其中心角约为180°，这两个电极被安装得与电极中心同心，在第一个垂直平面的两端互相相对，这个第一个垂直平面是包括第一个旋转轴并且延伸与基体垂直的平面。第二个电极对是一对同心的、圆弓形的、尺寸相同的电极，其中心角约为180°。这两个电极被安装得与电极中心同心，在第二个垂直平面的两端互相相对，这个第二个垂直平面是一个包括第二个旋转轴并且延伸与基体表面垂直的平面。第一个电极对被安装得与第二个电极对同心，并且相对于电极中心在第二个电极对的里边。
用于给第一个电极对的各个电极提供动力供应的线路被设置在在第二个电极对的相对的两端之间的间隙里。
光学装置的微型反射镜最好用在第一个旋转轴上的第一个套簧以中枢轴方式支撑，镜架最好用在第二个旋转轴上的第二个套簧以中枢轴方式支撑。在这种情况下，第二个套簧的倾斜刚度被设计得比第一个套簧的刚度更刚硬一些。
另外，第一个套簧的倾斜刚度与第二个套簧的倾斜刚度的比值最好设计得与在第一个和第二个驱动电极对和微型反射镜之间采用相同的驱动电压时第一个电极对产生的静电驱动扭转力矩与第二个电极对产生的静电驱动扭转力矩的比值相等。
一个光学开关可以根据输入和输出端的数量，通过以一个阵列方式排列安装光学装置和静电驱动器而形成。
上述的光学开关电极的轮廓构造使得能够有效地安装用于旋转微型反射镜的一对电极和用于旋转镜架的一对电极，从而在正对着微型反射镜的基体上一个有效的电极区域里覆盖最大可能的电极面积。
另外，这种圆弓形的电极形状，其中实质的电极宽度随着相对于电极中心向外边方向的推移而变窄，也就是说，随着向着上述有效电极区域的外周边推移，允许静电驱动扭转力矩在小的转向角区域被设定为高值，正如上述的第一个实例的光学开关一样；进一步地，使得能够抑制在微型反射镜和电极互相接近的倾斜角位置产生的太强的静电力，因此能够抑制静电驱动扭转力矩的突然增加。
在这种情况下，考虑到安装在驱动微型反射镜用的电极外圆周的、用于驱动镜架的电极的面积大于安装在驱动微型反射镜用的电极的面积这样一个事实，用来以中枢轴方式支撑镜架的套簧的倾斜刚性被设计得比用来以中枢轴方式支撑微型反射镜的套簧的倾斜刚性刚硬一些，这样可以实现对微型反射镜的转向控制正确操作。这种结构有这样一个优点，即避免了微型反射镜和镜架的耦合倾斜运动，因此能够改善对微型反射镜的控制。
这样，正如在前面所述的第一个实例的光学开关一样，这个实例能够扩大在低电压驱动时可以控制的转向角度范围，同时提高中枢轴支撑部分的套簧的刚性，因此能够提供一种可以用于大规模开关的精确的光学开关。
从下面的描述里，参考附图，本发明上述的和其它的目标、特征和优点将会变得显而易见，该附示说明了本发明的优选实例。
首先，我们参考图7，在图7中，图示说明了本发明的第一个实例的光学开关的轮廓构造，图7(a)是一个平面图，图7(b)是一个侧视图。图8是一个平面图，图示说明这个实例里的电极的形状。图9图示说明这个实例里的光学开关的驱动扭转力矩特性。
这个实例的一个光学开关包含一个光学装置和一个用于驱动光学装置的静电驱动器，该光学开关对大量的光学信号路径进行连接和切换。该光学装置被支撑，以允许它绕着一个或多个方向旋转。该静电驱动器包含固定光学装置的基体和安装在基体上的驱动电极。这些驱动电极绕着电极中心径向地排列安装。各个电极设计成这样一种形状，使得规定的外边部分的电极宽度随着从电极中心向外边方向的推移而减小。
在这个实例里，光学装置被以中枢轴方式支撑，这样就允许它绕着两个方向旋转，也就是说，绕着两个相交的旋转轴A1和A2旋转。在下面的描述里，这两个旋转轴的交点被称为旋转中心。另外，旋转中心在基体表面上的正交投影被称为电极中心(EC)。进一步地，垂直于基体表面并且包含旋转轴A1的平面被称为第一个垂直平面，垂直于基体表面并且包含旋转轴A2的平面被称为第二个垂直平面。最后，第一个垂直平面和第二个垂直平面与基体表面相交的交线分别被称为第一和第二正交投影轴。
该光学装置包括微型反射镜201，安装在微型反射镜201周围的镜架301，和安装在镜架301周围的框架701。微型反射镜201被镜架301通过一对第一套簧501以中枢轴方式弹性地支撑，这样微型反射镜201能够绕着图7的旋转轴A1(RY方向)旋转。镜架301被框架701通过一对第二套簧601以中枢轴方式弹性地支撑，这样微型反射镜301能够绕着与微型反射镜的旋转轴A1垂直的旋转轴A2(RX方向)旋转。
该静电驱动器包含固定光学装置的基体1101和安装在基体1101上的驱动电极901和1001。驱动电极901有两个在第一个垂直平面的两端形成的驱动电极。驱动电极1001有两个在第二个垂直平面的两端形成的驱动电极。
从电极中心观察，驱动电极901和1001的规定的外边部分被设计成这样，即电极宽度W随着从电极中心向外推移而变窄(参考图8(a)部分和图8(b)部分)。
在本实例里，从电极中心观察，驱动电极901和1001的里边部分，被设计成这样，即电极宽度W随着向光学装置的电极中心EC的往里推移而变窄。上述的两组驱动电极被安装在基体上，位于微型反射镜的正交投影区域里面。
驱动电极对901(下面把它称为第一个电极对)被设计成位于第一个垂直平面的两端，这样使得第一个电极对产生的静电力产生引起微型反射镜绕着旋转轴A1旋转的扭转力矩。相似地，驱动电极对1001(下面把它称为第一个电极对)被设计成位于第二个垂直平面的两端，这样使得第二个电极对产生的静电力产生引起微型反射镜通过镜架301绕着旋转轴A2旋转的扭转力矩。旋转轴A1和旋转轴A2之间被建立成一种互相垂直的关系，因此这两个电极对901和1001能够产生绕着由旋转轴A1和旋转轴A2组成的平面里的任意旋转轴旋转的扭转力矩(双轴驱动)。
在驱动电极和光学装置的旋转中心之间提供了一个规定的电极间隙(空气间隙)22，光学装置被固定于此。对各个电极对应用驱动电压在被固定的光学装置和驱动电极之间产生静电吸引力，造成微型反射镜201和镜架301绕着各旋转轴旋转，因此，将投射来的光学信号向任意方向反射。
在本实例里，各个驱动电极被设计成具有新型的形状。如图7(a)所示的电极采用这样的形状，使得从电极中心观察的里边部分(靠近电极中心的部分)的电极宽度W随着向电极中心往里推移而减小，而同时，外边部分的电极宽度W随着从电极中心向外推移而减小。这样图7(a)的电极被设计成为菱形形状。
图8图示说明本发明的光学开关里的其它电极形状实例。
图8(a)图示说明一个等边菱形形状的电极，图8(b)图示说明一个电极，其菱形形状的电极的最大电极宽度的位置，相对于图8(a)所示的菱形形状的电极的最大电极宽度的位置，被向外(沿着从电极中心向外的方向)偏移了。
图8(c)图示说明一个电极，其电极形状被设计成一个椭圆形。这种形状的各电极对被设计成这样，它们的长轴与正交投影轴重合。同样在这种情况下，各电极被设计成这样，电极宽度随着向电极中心往里推移而下降，而同时，电极宽度随着相对于电极中心向外推移而减小。因此可以实现与上面所述的菱形形状的电极能实现的关于静电驱动扭转力矩特性曲线一样的效果。由于长轴和短轴的尺寸是根据光学装置和静电驱动器的设计参数而被优化，电极的形状在有些情况下可以被设计成圆形的。
这样，电极的形状可以根据光学装置的设计参数限制或根据驱动电压电路的要求而进行优化设计。
设计形成这样的电极，使得接近电极中心部分的电极宽度下降，这样允许向电极中心附近尽可能地扩展第一个电极对901和第二个电极对1001，而不会引起几何形状干涉。结果，电极的面积可以增加，对于相同的反射镜倾斜角度，在相同的外加电压下，可以产生比在现有技术里更高的扭转力矩。这样，电极面积的向里扩展引起静电驱动扭转力矩相对于反射镜倾斜角度的特性曲线向上偏移。
图9图示说明本发明的第一个实例里的光学开关的驱动扭转力矩特性，图9(a)图示说明现有技术的静电驱动电极，图9(b)图示说明本实例的菱形形状的静电驱动电极。图9(c)图示说明静电驱动扭转力矩特性相对于反射镜倾斜角度θ的计算结果。图中的虚线表示当使用图9(a)中的现有技术的静电驱动电极时的静电驱动扭转力矩特性曲线，实线表示当使用图9(b)中的菱形形状的静电驱动电极时的静电驱动扭转力矩特性曲线。从θ＝0向上倾斜方向的直线代表套簧的弹性回复力作为反射镜倾斜角度θ的函数的直线。这些直线各点处的斜率(或梯度)代表套簧的刚性。
设定图9的计算参数的条件与图6中所示的模型的条件相同。
尽可能向电极中心附近扩展的电极部分在旋转轴A1和A2附近产生一个附加的电场E′(x＜＜L)。然而，尽管反射镜倾斜角度θ发生变化，E′的变化是很微小的(因为a的变化，ΔA＝-xΔθ是很微小的，尽管θ在x的范围里变化，这里x很小，而且静电场E′也很小(参考公式(2)))。结果，静电场E′对静电驱动扭转力矩特性的贡献在反射镜倾斜角度θ可以控制的范围内(θ＝0到θ＝θMAX)实质上是均匀不变的。在图9(c)里，插入在小的θ区域里的向上的箭头代表由附加的静电场E′引起的静电驱动扭转力矩增量。
在本实例里，驱动电极的宽度W随着从电极中心观察的向外边的推移而逐渐变窄，正如前边所述。这种形状导致电极的周边面积小于现有技术里的电极的周边面积，因此静电驱动扭转力矩下降。然而，静电驱动扭转力矩下降的速率随着反射镜倾斜角度θ的增加而增加。
这种情况的原因如下由于向外逐渐变细的电极部分产生的静电场E″是在距离旋转轴A1和A2(xL)很远的位置的静电场，距离a的值随着反射镜倾斜角度θ的增加而减小(a＝d-(Lθ))。正如由公式(2)和公式(3)可以很明显看出，每单位电极面积的静电驱动扭转力矩与a2成反比。正因为这个原因，每单位电极面积的静电驱动扭转力矩随着反射镜倾斜角度θ的增加而增加得更为迅速。
这意味着电极面积向外变窄引起的效果随着反射镜倾斜角度θ的增加而更为显著。因此静电驱动扭转力矩作为电极面积的函数在大倾斜角度时的减小速率比在小倾斜角度时的减小速率显著。
在图9(c)里，插入在大的θ区域里的向下的箭头代表(静电驱动扭转力矩)减小量。
电极宽度W被设计得随着向外推移而减小，这样，甚至在反射镜的边缘接近驱动电极和电极间隙(空气间隙)22变小的、大的转向角区域里，能够抑制静电驱动扭转力矩对倾斜角度特性里的突然增加。
另外，由于电极宽度W被设计成这样，随着向电极中心往里推移而减小，这样，使得静电驱动扭转力矩特性曲线在小转向角区域向上偏移，从而初始的静电驱动扭转力矩可以在驱动开始的小转向角区域被设定为高值。
与现有技术里的方形电极(或矩形电极)的静电驱动扭转力矩特性曲线相比，本实例的驱动电极的静电驱动扭转力矩特性如下所述可动反射镜的初始扭转力矩(在小转向角区域里静电驱动扭转力矩)上升(图9(c)中的向上箭头)，而且，相对于倾斜角度所画的静电驱动扭转力矩的上升得到抑制(图9(c)中的向下箭头)。
在小转向角区域里静电驱动扭转力矩的上升和对在大的反射镜倾斜角度θ区域里(静电驱动扭转力矩的)上升的抑制意味着本实例的静电驱动扭转力矩特性曲线(实线)比现有技术里的静电驱动扭转力矩特性曲线(虚线)变化得更加平缓。因此反射镜转向角度θ可以被用更高的分辨率进行控制。
正如可以从图9(c)观察的，这种类型微型反射镜的静电驱动扭转力矩特性曲线的梯度，或是在本发明的光学开关里或是在现有技术的光学开关里，通常随着反射镜倾斜角度θ的增加而增加。这种现象表明如下两个事实1)在静电驱动扭转力矩特性曲线上具有大梯度的点处，反射镜倾斜角度θ也大。在图9(c)中，曲线B(实线)在反射镜倾斜角度θ不大的区域里，曲线B(实线)向上高过曲线A(虚线)。因此，当切线被从原点画向这些曲线时，曲线B的切线tB的梯度大于曲线A的切线tA的梯度。因为这一原因，对应于曲线B上切点的反射镜倾斜角度θB也大于对应于曲线A上切点的反射镜倾斜角度θA。这样，当在微型反射镜和驱动电极之间施加相同的电压时，本实例的可以控制的反射镜倾斜角度范围的最大值θMAX大于现有技术里的可以控制的反射镜倾斜角度范围的最大值θMAX。
另外，在本实例里从原点画向静电驱动扭转力矩特性曲线的切线的斜率大于在现有技术里(从原点画向静电驱动扭转力矩特性曲线的切线的斜率)这一事实表明在本实例的光学装置里可以采用高刚性的套簧。
2)静电驱动扭转力矩特性曲线上，具有相同梯度时，在上升平缓的静电驱动扭转力矩特性曲线上的反射镜倾斜角度θ大于在上升突然的静电驱动扭转力矩特性曲线上的反射镜倾斜角度θ。因此，如果从原点出发画一条具有特定斜率的直线，然后这样调整微型反射镜和驱动电极之间的电压，使得静电驱动扭转力矩特性曲线与这条直线相切，本实例的静电驱动扭转力矩特性曲线将与这条直线在一个比在现有技术里的(静电驱动扭转力矩特性曲线)大的反射镜倾斜角度θ处相切。这个事实表明甚至当使用具有相同刚性的套簧时，本实例中的可以控制的反射镜倾斜角度范围的最大值θMAX也大于在现有技术里的可以控制的反射镜倾斜角度范围的最大值θMAX。
这样，本实例使得有可能进行稳定定位的转向角度范围(在自原点和驱动扭转力矩曲线的切线的切点处的倾斜角度)得以扩大。在图9的实例里，转向角被从θA＝5.2°(现有技术)扩大到θB＝6.2°(本实例)。另外，套簧的刚性(倾斜刚性)可以被设计得更加刚硬，从k1＝32.5×10-10N-m/rad(现有技术)到k2＝36.8×10-10N-m/rad(本实例)。结果，可以提供一个光学开关，其反射镜转向角被扩大，同时不减小可动反射镜的响应速度。因此也可以提供一种适宜于大规模应用的小型的、低成本的、高可靠性的、高速度光学开关。
本实例里的光学开关适合于应用MEMS技术的加工过程里。例如，大量的光学开关可以被以矩阵形式排列安装在一个硅片上，并模块化(参考图2(b)的现有技术的例子)；输入/输出纤维阵列可以与准直校正透镜阵列合并，构成一个大规模光学开关模块(参考图2(a)的现有技术的例子)。
另外，尽管在前面描述的实例里，静电驱动器是通过在基体上固定驱动电极和安装光学装置构造而成的，也可以这样采用一种构造，在该构造里，驱动电极被排列安装在光学装置上，基体被作为基础。另外，尽管本实例里的套簧部分的结构被设计成螺旋形，正如现有技术的实例所示，任何能够获得规定的刚性的结构都可以采用。
下面的说明考虑本发明的光学开关的第二个实例。本实例的光学开关目的也在于连接和切换大量光学信号的光路，而且装配有光学装置和驱动这些光学装置的静电驱动器。
该光学装置装配有一个圆形微型反射镜，一个是安装在微型反射镜周围的、实质上与之同心的圆形镜架，和一个安装在镜架周围的框架。微型反射镜的旋转轴(下面称之为旋转轴A1)通过微型反射镜202的一个直径。镜架的旋转轴(下面称之为旋转轴A2)通过镜架的一个、与旋转轴A1垂直的直径。
该微型反射镜被镜架通过第一个套簧以中枢轴方式支撑，镜架被框架通过第二个套簧以中枢轴方式支撑，这样，镜架可以绕着一个垂直于微型反射镜旋转轴A1的轴旋转。
该静电驱动器装配有固定光学装置用的基体和固定在基体上的驱动电极。该驱动电极装配有一个用于引起微型反射镜旋转的第一个电极对和一个用于引起镜架旋转的第二个电极对。
第一个电极对由一对中心角均约为180°的、尺寸相同的圆弓形电极组成。第一个电极对的各圆弓形电极的两个端边被排列安装在第一个垂直平面的两端，而且正对着另外一个圆弓形电极的两个端边。
第二个电极对是一对中心角约为180°的、同心的圆弓形电极，各个同心的圆弓形电极的两个端边被排列安装在第二个垂直平面的两端，而且正对着另外一个同心的圆弓形电极的两个端边。
第一个电极对位于沿着半径相对于电极中心向第二个电极对以里的位置。这样第二个电极对被安装在相对于第一个电极对旋转了90°的位置上。
参考图10，下面详细描述本实例。
图10(a)是一个平面图，图示说明代表本实例的光学开关的轮廓构造，图10(b)和图10(c)是平面图，图示说明本实例里电极的形状。
本实例的光学开关也由光学装置和驱动光学装置的静电驱动器组成，对大量光学信号的光路进行连接和切换。
光学装置的结构与前面描述的第一个实例的光学装置的结构相似，装备有微型反射镜202，镜架302和框架702。
镜架302被安装得环绕在微型反射镜202的周围。框架702被安装得环绕在镜架302的周围。微型反射镜202被镜架302通过第一个套簧502以中枢轴方式支撑。镜架302被框架702通过第二个套簧602以中枢轴方式支撑，这样使得镜架302可以绕着垂直于微型反射镜202旋转轴A1的旋转轴A2旋转。
静电驱动器被装配有固定光学装置用的基体和固定在基体上的驱动电极902和1002。
该驱动电极由用于旋转微型反射镜202第一个电极对902和用于旋转镜架302的第二个电极对1002构成。第一个电极对被这样安装，使得中心角均约为180°的、圆弓形电极对902的各电极的两个端边被排列安装在第一个垂直平面的两端，而且正对着另外一个圆弓形电极的两个端面。
第二个电极对被这样安装，使得中心角约为180°的、同心的圆弓形电极对1002的各电极的两个端边被排列安装在第二个垂直平面的两端互相相对，第二个垂直平面包含有镜架302的旋转轴A2。第一个电极对902被安装得被第二个电极对1002环绕，并且从电极中心观察时位于第二个电极对1002里面。这样第二个电极对1002被安装在相对于第一个电极对902旋转了90°的位置上。
最后，第一个电极对902的两个圆弓形电极的电极导线2301被引到基体的外面，这样使得导线经过第二个电极对1002的两个同心的圆弓形电极的两个相对边之间的间隙G(参阅图10(c))。
在驱动电极902和1002与光学装置之间提供了一个规定的电极间隙(空气间隙)，而且对第一个和第二个电极对的任何一个电极施加电压都产生静电力(吸引力)，这样转动可动反射镜进行光学信号的转向。
另外，以中枢轴方式支撑镜架302的第二个套簧602的倾斜刚度kh2被设计得大于以中枢轴方式支撑微型反射镜202的第一个套簧502的倾斜刚度kh1。
这样的设计是为了补偿电极面积的差别引起的静电力的差别，从而提高了对微型反射镜的控制。kh1对kh2的比值被设计得与采用相同的电压时第一个电极902产生的静电扭转力矩对第二个电极1002产生的静电扭转力矩的比值相等。
这种电极结构和套簧刚性的采用允许驱动微型反射镜的电极和驱动镜架的电极被有效地安装在位于正对着微型反射镜的基体的有效区域里的最大可能的电极区域里。而且，实质电极宽度(产生静电驱动力的电极宽度)随着相对于电极中心向外的推移而变窄使得能够抑制在相对于倾斜角度的静电驱动扭转力矩特性曲线上的突然上升，正如在第一个实例里一样。结果，在低电压下，控制是可能的转向角范围可以被扩大，从而可以提供一个可以用于大规模开关的光学开关。
同时，支撑镜架的套簧部分的倾斜刚性被设计得大于支撑微型反射镜的套簧部分的倾斜刚性，该值取决于微型反射镜和镜架之间的静电驱动扭转力矩的差别。结果，当可动的反射镜绕着两个轴的旋转耦合时可能产生的震动的出现可以被避免，另外，可以提高转向角度的可控性。
在本实例的光学开关里光学装置和驱动电极也适宜于使用MEMS技术的加工过程，正如前面所述的第一个实例，大量光学开关可以被以矩阵形式二维地排列安装在一个硅片上，并且与纤维阵列和透镜阵列合并，从而构成一个大规模的光学开关模块。
尽管在本实例里也描述了这样一种结构，即驱动电极被安装在基体上，光学装置被接地，当再用下述结构时也能够获得相同的结果，即驱动电极被安装在光学装置上，基体被接地。另外，尽管在本实例里，套簧部分的结构被确定成螺旋形的，这种结构不是特别规定的，任何能够获得所规定的刚度的结构都可以采用。
本发明具有下面的技术优点在本发明的光学开关里，用于驱动静电驱动器的电极的形状被设计成这样，即电极宽度随着向电极中心的推进而变窄，同时，电极宽度也随着相对于电极中心向外推进而变窄。这种结构不但允许在低驱动电压时获得比在现有技术里更为适宜的静电驱动扭转力矩，而且允许微型反射镜的驱动扭转力矩特性提高以得到一个扩大了的可以控制的转向角度范围。结果，可以提供一个小型的、低成本的、适宜于大规模应用的、高度可靠的光学开关。
而且，在本发明的一个实例的光学开关里，用于驱动微型反射镜的静电驱动器的电极的形状被配备以两个圆弓形电极，各个电极的中心角约为180°，且被安装得互相相对。用于驱动微型反射镜的电极对被安装得向着电极中心，用于驱动镜架的电极对被安装得在用于驱动微型反射镜的电极对的外边，并且相对于用于驱动微型反射镜的电极对旋转了90°。
而且，支撑镜架的弹性元件(套簧部分)的倾斜刚性被设计得大于支撑微型反射镜的弹性元件(套簧部分)的倾斜刚性。
这种构造允许提高微型反射镜的驱动扭转力矩特性曲线，同时提高对反射镜的控制，而且允许在低电压驱动时扩大可以控制的转向角度范围。结果，本发明提供了一个有利条件，即提供一个精确的、适宜于大规模光学通信应用的光学开关。
然而，应当被充分理解的是，尽管在前面的描述里对本发明的特征和优点进行了阐述，本文的内容也仅仅是说明性的，在附加的权利要求范围内可以在形状、尺寸和零件的排列方面进行变化。
权利要求
1.一个用于连接和切换大量光学信号的光路的光学开关，包含一个光学装置和一个用于驱动所述的光学装置的静电驱动器；所述的光学装置被以中枢轴方式支撑，从而允许绕着规定的旋转中心旋转，所述的静电驱动器包括一个固定所述的光学装置用的基体和大量的安装在所述的基体上的驱动电极；其特征在于施加在所述的光学装置和所述的驱动电极之间的静电电压产生一个用于引起所述的光学装置相对于所述的基体绕着所述的旋转中心倾斜的静电驱动扭转力矩，因此所述的光学信号的反射方向被改变；所述的大量的驱动电极被安装排列成一个绕着电极中心的放射状图形，所述的电极中心是所述的旋转中心在所述的基体表面的正交投影；而且所述的大量的驱动电极每一个都被设计形成这样一种形状，其规定的外部的电极宽度相对于所述的电极中心随着向着外边的推进而变窄。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于所述的光学装置包括一个微型反射镜，一个安装在所述的微型反射镜周围的镜架，和一个安装在所述的镜架周围的框架；所述的微型反射镜通过所述的镜架被以中枢轴方式支撑，这样使得所述的微型反射镜能够绕着一个第一个旋转轴旋转，这样使得一种弹性回复力抵抗这种旋转；所述的镜架通过所述的框架被以中枢轴方式支撑，这样使得所述的镜架能够绕着一个第二个旋转轴旋转，这样使得一种弹性回复力抵抗这种旋转；所述的第一个旋转轴和所述的第二个旋转轴在一个平行于基体的平面上互相相交，这个交点成为所述的旋转中心；所述的大量的驱动电极包括一个用于产生引起所述的微型反射镜绕着所述的第一个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩的第一个电极对和一个用于产生引起所述的镜架绕着所述的第二个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩的第二个电极对；所述的第一个电极对的两个电极被安装排列在一个第一个垂直平面的两边，所述的第一个垂直平面是一个包括所述的第一个旋转轴、并垂直于所述的基体而扩展的平面；而且所述的第二个电极对的两个电极被安装排列在一个第二个垂直平面的两边，所述的第二个垂直平面是一个包括所述的第二个旋转轴、并垂直于所述的基体而扩展的平面。
3.根据权利要求2所述的光学开关，其特征在于所述的第一个旋转轴和所述的第二个旋转轴互相垂直。
4.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于各个所述的驱动电极被设计形成这样一种形状，在其中规定的里边部分的电极宽度由此相对于所述的电极中心随着向里推进而变窄。
5.根据权利要求3所述的光学开关，其特征在于各个所述的驱动电极被设计形成这样一种形状，其规定的里边部分的电极宽度由此相对于所述的电极中心随着向里推进而变窄。
6.根据权利要求5所述的光学开关，其特征在于所述的驱动电极的形状是一个菱形形状。
7.根据权利要求5所述的光学开关，其特征在于各个所述的驱动电极是一个椭圆形状，其长轴与半径方向相对于电极中心成一直线。
8.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于大量的所述的光学装置和静电驱动器被排列成一个取决于输入和输出短数量的阵列。
9.一个用于连接和切换光学信号的光学开关，所述的光学开关包含一个光学装置和一个用于驱动所述的光学装置的静电驱动器；所述的光学装置被以中枢轴方式支撑，从而允许绕着一个规定的旋转中心旋转；所述的光学装置包括一个微型反射镜，一个安装在所述的微型反射镜周围的镜架，和一个安装在所述的镜架周围的框架；所述的微型反射镜被所述的镜架以中枢轴方式支撑，这样使得所述的微型反射镜能够绕着一个第一个旋转轴旋转，同时一个弹性回复力抵抗这种旋转；所述的镜架被所述的框架以中枢轴方式支撑，这样使得所述的镜架能够绕着一个第二个旋转轴旋转，同时一个弹性回复力抵抗这种旋转；所述的第一个旋转轴和所述的第二个旋转轴在一个平行于基体的平面上互相相交，这个交点成为所述的旋转中心；所述的静电驱动器包括固定所述的光学装置的基体和大量的安装在所述的基体上的电极；所述的大量的驱动电极包括一个用于产生引起所述的微型反射镜绕着所述的第一个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩的第一个电极对和一个用于产生引起所述的镜架绕着所述的第二个旋转轴旋转的静电驱动扭转力矩的第二个电极对；一个静电电压，当被施加在所述的光学装置和所述的第一个和第二个驱动电极之间时，产生一个引起所述的微型反射镜相对于所述的基体绕着所述的旋转中心倾斜的静电驱动扭转力矩，从而改变大量的光学信号的反射方向来实施对所述的光学信号光路的连接和切换；其特征在于所述的第一个电极对有一对尺寸相同的、圆弓形电极，各个电极的中心角约为180°，这两个被安装得与电极中心同心，在一个第一个垂直平面的两边互相相对，所述的电极中心是所述的旋转中心到所述的基体表面的正交投影，所述的第一个垂直平面是一个包含所述的第一个旋转轴并且垂直于基体表面扩展的平面；所述的第二个电极对有一对同心的、尺寸相同的、圆弓形电极，各个电极的中心角约为180°，这两个被安装得与所述的电极中心同心，在一个第二个垂直平面的两边互相相对，所述的第二个垂直平面是一个包含所述的第二个旋转轴并且垂直于基体表面扩展的平面；而且所述的第一个电极对被安装得与所述的第二个电极对同心，并相对于所述的电极中心位于所述的第二个电极对里边。
10.根据权利要求9所述的光学开关，其特征在于所述的第一个电极对的各个电极的导线在所述的第二个电极对的互相相对的两边之间提供的间隙里延伸。
11.根据权利要求9所述的光学开关，其特征在于所述的光学装置的所述的微型反射镜被通过第一个套簧在所述的第一个旋转轴上以中枢轴方式支撑，所述的镜架被通过第二个套簧在所述的第二个旋转轴上以中枢轴方式支撑，所述的第二个套簧的倾斜刚性被设计得比所述的第一个套簧的倾斜刚性刚硬。
12.根据权利要求11所述的光学开关，其特征在于所述的第一个套簧的倾斜刚性对所述的第二个套簧的倾斜刚性的比值被设计得等于当在所述的微型反射镜和所述的第一个和第二个驱动电极对之间施加相等的驱动电压时所述的第一个电极对将产生的静电驱动扭转力矩对所述的第二个电极对将产生的静电驱动扭转力矩的比值。
13.根据权利要求9所述的光学开关，其特征在于大量的所述的光学装置和静电驱动器被排列成取决于输入和输出端的数量阵列形式。
全文摘要
一个用于连接和切换大量光学信号的模拟光束真空光学开关，包括大量的光学装置和用于驱动光学装置的静电驱动器。各个光学装置被以中枢轴方式支撑，在光学装置和驱动电极之间施加静电电压。大量驱动电极被排列成相对于电极中心的放射状图样。各个驱动电极被设计成这样一种形状，使得规定的外边部分的电极宽度随着相对于电极中心向着外边的推进而减小。另外，各个驱动电极被设计成这样一种形状，使得规定的里边部分的电极宽度随着相对于电极中心向着里边的推进而减小。用这种方式设计驱动电极提高了微型反射镜的驱动扭转力矩特性，扩大了低电压驱动进行稳定定位的转向角范围。
文档编号G02B6/35GK1397816SQ0212631
公开日2003年2月19日 申请日期2002年7月18日 优先权日2001年7月18日
发明者宇都宫基恭 申请人:日本电气株式会社