专利名称：光开关和光开关阵列的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光通信技术，特别地，涉及一种可应用于光通信系统的光开关和光开关阵列。
背景技术：
传统的通信网络中，传输媒介可以分为有线和无线两类。无线传输媒介主要包括微波线路和同步卫星线路，而有线传输媒介主要包括铜线电缆和光纤电缆。进入数字通信时代之后，由于铜线电缆的信息容量太小，无法适应飞速发展的数字通信需要，而光纤的信息容量比铜线可高出几个数量级，因此，以光纤作为传输媒介的光通信技术，越来越受到业界的关注。随着光通信技术的发展，光通信系统中对于光开关的性能要求越来越高。光开关是一种可以对光传输线路中的光信号进行通道转换的关键器件，其可以广泛应用在全光层的路由选择、波长选择和光交叉连接等功能的实现上。光开关主要包括机械式光开关和波导光开关，其中，基于微机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的光开关，以下简称MEMS光开关，由于其具有插入损耗低、功耗低、与波长和调制方式无关、寿命长和可靠性高等优点，逐渐成为光开关技术的主流。传统的MEMS光开关主要是通过半导体制造工艺将微镜构筑在半导体基片(如硅衬底)的上方，其中该微镜通过微机械结构进行可活动地设置，从而实现将电、机械和光集成为一块芯片。MEMS光开关的基本工作原理是通过静电力或电磁力作用，使该可活动的微镜进行升降、旋转或移动，从而改变输入光的传播方向以实现光路的导通和关断。现有的MEMS光开关中，光开关状态的锁定(Latching)功能通常是采用齿轮啮合或者卡钩/卡扣相扣合的机械结构来实现。不过，该锁定结构通常较为复杂且需要占据非常大的芯片面积，因此，现有的MEMS光开关难以扩展到在一个芯片实现具有多个微镜阵列的光开关阵列，即难以实现大规模的集成。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供了一种光开关和光开关阵列。本发明实施例提供的光开关包括半导体衬底，其包括第一转动部和设置在所述转动部两端的第一扭转梁，所述第一扭转梁用于带动所述第一转动部进行转动；微反射镜， 其设置在所述半导体衬底的第一转动部的表面；第一锁定结构，其设置在所述第一扭转梁表面，且包括形态自适应重塑FSR材料层和热场源，所述热场源用于为所述FSR材料层提供热场，所述FSR材料层用于在所述热场作用下发生形态重塑，以将所述第一转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。本发明实施例提供的光开关阵列包括玻璃基板和设置在玻璃基板上的多个光开关单元，所述光开关单元包括半导体衬底，其包括转动部和设置在所述转动部两端的扭转梁，所述第一扭转梁用于带动所述转动部进行转动；微反射镜，其设置在所述半导体衬底的转动部的表面；锁定结构，其设置在所述扭转梁表面，且包括形态自适应重塑FSR材料层， 所述FSR材料层用于在所述光开关单元的内部集成热场作用下发生形态重塑，以将所述转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。本发明实施例提供的光开关和光开关阵列通过在光开关的锁定结构中采用形态自适应重塑FSR材料，并利用所述FSR材料对所述光开关的开光状态切换后进行状态锁定， 由于所述FSR材料具有形变记忆和结构重塑，因此其可以简单地实现所述光开关的状态锁定，一方面不需要占用很大的芯片面积，另一方面使得所述光开关容易实现大规模的集成。
图1为本发明一种实施例提供的光开关的立体结构示意图。图2为图1所示光开关沿II-II线的剖面结构示意图。图3为图1所示的光开关的反向结构示意图。图4为本发明一种实施例提供的光开关阵列的平面结构示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明实施例提供的光开关和光开关阵列进行详细描述。为解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供的光开关通过在其锁定结构中采用形态自适应重塑FSR材料，并利用所述FSR材料对所述光开关的开光状态切换后进行状态锁定，由于所述FSR材料具有形变记忆和结构重塑，因此其可以简单地实现所述光开关的状态锁定，一方面不需要占用很大的芯片面积，另一方面使得所述光开关容易实现大规模的集成。比如，所述光开关可以为MEMS光开关，其包括具有转动部和扭转梁的半导体衬底、设置在该转动部表面的微反射镜，以及设置在该扭转梁表面的锁定结构，其中，该扭转梁可用于带动所述转动部进行转动，该锁定结构可包括O7Ormklf Remolding, FSR)材料层和热场源(比如电阻丝)，所述热场源用于为所述FSR材料层提供热场，所述FSR材料层用于在所述热场作用下发生形态重塑，以将所述转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。比如，在具体实施例中，所述FSR材料层可以包括合金材料，所述合金材料在所述热场源提供的热场作用下由固态合金转换为液态合金，且所述液态合金在所述扭转梁的激励下发生形态重塑，并在所述热场移除后重新凝固为固态合金。以下结合图1和图2，本发明光开关一种具体实施例进行详细的介绍。请一并参阅图1和图2，其中图1为本发明光开关一种实施例的立体结构示意图，图2为图1所示光开关沿II-II线的剖面结构示意图。所述光开关100包括半导体衬底110、微反射镜120、第一锁定结构130和第二锁定结构140。其中，该半导体衬底110可以为硅衬底，其包括第一转动部111、第二转动部112、 第一扭转梁113和第二扭转梁114。所述第一转动部111具有一圆形结构，其直径为dl ；所述第二转动部112具有一环形结构，其内径和外径分别为d2和d3。在本实施例中，dl<d2， 且所述第一转动部111设置于所述第二转动部112的中心位置，并通过所述第一扭转梁113与所述第二转动部112相连。并且，所述微反射镜120可以设置在所述第一转动部111的表面。在具体实施例中，所述半导体衬底110的第一转动部111、第二转动部112、第一扭转梁113和第二扭转梁114可以为一体的，比如，所述半导体衬底110可以为沉积在玻璃基板表面的半导体层，且所述第一转动部111、第二转动部112、第一扭转梁113和第二扭转梁 114可以是通过对所述沉积在玻璃基板的半导体层进行光刻加工而成，其中所述第一扭转梁113和第二扭转梁114所在位置的半导体层的厚度小于所述第一转动部111和第二转动部112，从而使得所述半导体衬底110在所述第一扭转梁113和第二扭转梁114所在区域分别具有下凹部，比如凹槽。所述第一扭转梁113可包括两个部分，以下称为第一梁体和第二梁体，二者分别沿所述第一转动部111的径向从所述第一转动部111两端外壁向外延伸而成，并进一步连接到所述第二转动部112的内壁的对应位置。所述第一扭转梁113作为所述第一转动部 111的扭转梁，其可在外部激励下进行扭转，以带动所述第一转动部111以所述第一扭转梁 113的延伸方向为转动轴向进行扭转。由于所述微反射镜120设置在所述第一转动部111 表面，当所述第一转动部111转动时，其可带动所述微反射镜120沿相同方向转动，从而改变所述微反射镜120的位置以使其可进一步对输入光的传输方向进行切换。比如，通过控制所述第一扭转梁113的扭转角度，可实现控制所述微反射镜120是否对输入光进行反射， 从而进一步使得所述光开关100可以实现对输入光的光路进行开启和关闭。所述第一扭转梁113的第一梁体和第二梁体所在局域分别形成有下凹部，且所述第一锁定结构130可设置在所述第一梁体和第二梁体表面，并收容在所述下凹部。所述第一锁定结构130可以用于对所述第一转动部111在转动前后进行位置锁定(Latching)，从而实现所述光开关100的闭锁功能。在本实施例中，所述第一锁定结构130包括形态自适应重塑(R)rm Self Remolding, FSR)材料层131、绝缘层132和电阻丝133。所述FSR材料层131填充在所述下凹部，即该FSR材料层131可内嵌在所述第一扭转梁113内部，所述绝缘层132覆盖在所述FSR材料层131表面，所述电阻丝133沉积在所述绝缘层132表面。其中，所述FSR材料层131所采用的材料，即FSR材料，是一种可在微米/纳米尺度上以模拟方式进行形变记忆和结构重塑的材料，其具体存在形态可以为低熔点的合金、 金属或者聚合物。为便于描述，以下以低熔点合金作为实例对所述光开关100进行介绍，所述低熔点合金可以在所述电阻丝133的加热作用下熔化成液态合金。具体地，当所述扭转梁113在外部激励下带动所述第一转动部131 (连同设置在其表面的微反射镜120)转动时，通过对所述电阻丝133进行通电，可以使所述电阻丝133发热并产生热场，所述热场可以通过所述绝缘层132传递至所述FSR材料层131。所述内嵌在第一扭转梁113的内部的FSR材料，如低熔点合金，在所述电阻丝133提供的集成热场作用下由固态合金转变为液态合金，并在所述扭转梁113的形变激励下发生形态重塑。当所述第一转动部111转动到预设角度时，所述液态合金达到所要求的形变量，此时可断开流经所述电阻丝133的电流以移除所述热场。在热场移除之后，所述液态合金经散热冷却重新凝固为固态合金，由此将所述第一扭转梁113和所述第一转动部111 (连同设置在其表面的为反射镜120)锁定在扭转后的角度。另一方面，若要使所述第一转动部111(连同设置在其表面的为反射镜120)恢复到初始位置，可通过外部激励使得所述扭转梁113沿反方向扭转，且同时通过对所述电阻丝133重新通电以使其再次产生热场，在该热场作用下所述低熔点合金重新转变为液态合金并发生形态重塑。当所述第一转动部111恢复到初始位置时，所述液态合金恢复为原始形态，此时断开所述电阻丝133的电流以移除该热场，使得所述液态合金将重新凝固为固态合金，从而将所述扭转梁113连同所述第一转动部111锁定在初始位置。请再次参阅图1和图2，所述第二扭转梁114和所述第二锁定结构140的结构可以与所述第一扭转梁113和所述第一锁定结构130相同。比如，所述第二扭转梁114也可以包括两个部分，二者分别沿所述第二转动部112的径向从所述第二转动部112两端外壁向外延伸而成，并进一步连接到外部相关的元器件(图未示)，且所述第二扭转梁114的延伸方向可以与所述第一扭转梁113的延伸方向相垂直。所述第二扭转梁114作为所述第二转动部112的扭转梁，其可在外部激励下进行扭转从而带动所述第二转动部112以所述第二扭转梁114的延伸方向为转动轴向进行扭转。由于所述第一转动部111通过所述第一扭转梁113与所述第二转动部112相连，所述第二转动部111的转动可以进一步通过所述第一扭转梁113带动所述第一转动部111进行转动，以使所述微反射镜120进行翻转，从而实现在另一个方向对输入光的传输方向进行控制。以下简单介绍说明本实施例提供的光开关100如何对输入光的传输方向进行切换。当所述微反射镜120位于原始位置时，传输方向为A的输入光可直接沿方向A进行传输；当所述第一扭转梁113带动所述微反射镜120以所述第一扭转梁113的延伸方向为轴向转动至第一预设角度α时，通过转动后的微反射镜120的反射作用，所述光开关100可以实现将所述输入光的传输方向由A转换为B ；当所述第二扭转梁114带动所述微反射镜 120以所述第二扭转梁114的延伸方向为轴向转动至第二预设角度β时，通过转动后的微反射镜120的反射作用，所述光开关100可实现将所述输入光的传输方向由A转换为C。进一步地，请一并参阅图1和图3，其中图3为图1所示的光开关100的反向结构示意图。所述光开关100还可包括多个电极，比如分别设置在所述第一转动部111的顶面和底面的第一电极135和第二电极136，以及分别设置在所述第二转动部112的顶面和底面的第三电极137和第四电极138。其中所述第一电极135和第二电极136可通过设置在所述半导体衬底110和所述绝缘层132内部的通孔(图未示)分别连接到所述电阻丝133两端，相类似地，所述第三电极137和第四电极138可通过通孔连接到所述第二锁定结构140 内部的电阻丝的两端。所述第一锁定结构130中的电阻丝133可通过设置在所述第一转动部111顶面和底面的第一电极135和第二电极136接收到外部提供的电源，并在所述电源驱动下为所述FSR材料层131提供所述热场。相类似的，所述第二锁定结构140中的电阻丝(未标示)可通过设置在所述的第二转动部112顶面和底面的第三电极137和第四电极 138接收外部提供的电源，并在所述电源驱动下为所述第二锁定结构140中的FSR材料层 (为标示)提供热场。在具体实施例中，所述第一电极135和所述微反射镜120都可以采用具有高反射率的金属材料，且二者可以为一体的。在其他替代实施例中，所述微反射镜120 还可以为所述第一转动部120的硅材料进行抛光而形成的，而所述第一电极135直接设置在该第一转动部120表面。本发明实施例提供的技术方案利用所述FSR材料对光开关100的微反射镜120位置改变后进行锁定，由于所述FSR材料具有形变记忆和结构重塑，因此其可以简单地实现所述光开关100的状态锁定，因此，本发明实施例提供的光开关100 —方面不需要占用很大的芯片面积，另一方面容易实现大规模的集成。基于上述实施例提供的光开关100，本发明实施例还进一步提供一种光开关阵列。 请参阅图4，其为本发明实施例提供的光开关阵列600的平面结构示意图。所述光开关阵列 600包括玻璃基板610和设置在所述玻璃基板610上的多个光开关单元620。所述光开关单元620可以采用上述实施例提供的光开关100，且其以M*N矩阵的方式设置在所述玻璃基板610表面。所述光开关单元620的具体结构和工作过程可以参阅以上实施例，此处不在赘述。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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权利要求
1.一种光开关，其特征在于，包括半导体衬底，其包括第一转动部和设置在所述第一转动部两端的第一扭转梁，所述第一扭转梁用于带动所述第一转动部进行转动；微反射镜，其设置在所述半导体衬底的第一转动部的表面；第一锁定结构，设置在所述第一扭转梁，其包括形态自适应重塑FSR材料层和热场源， 所述热场源用于为所述FSR材料层提供热场，所述FSR材料层用于在所述热场作用下发生形态重塑，以将所述第一转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。
2.如权利要求1所述的光开关，其特征在于，所述FSR材料层包括合金材料，所述合金材料用于在所述热场源提供的热场作用下由固态合金转换为液态合金，且所述液态合金在所述扭转梁的激励下发生形态重塑，并在所述热场移除后重新凝固为固态合金。
3.如权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，所述第一转动部具有圆形结构，所述第一扭转梁包括第一梁体和第二梁体，所述第一梁体和第二梁体分别沿所述第一转动部的径向并从所述第一转动部两端的外壁向外延伸而成。
4.如权利要求3所述的光开关，其特征在于，所述半导体衬底在所述第一扭转梁的第一梁体和第二梁体所在区域分别具有下凹部，且所述锁定结构收容在所述下凹部。
5.如权利要求3所述的光开关，其特征在于，所述半导体衬底还包括第二转动部和位于所述第二转动部两端的第二扭转梁，所述第二转动部具有环形结构，所述第一转动部设置在所述第二转动部的中心位置并通过所述第一扭转梁与所述第二转动部相连接，所述第二扭转梁从所述第二转动部两端的外壁向外延伸而成，且其延伸方向与所述第一扭转梁的延伸方向相垂直，所述第二扭转梁用于带动所述第二转动部连同所述第一转动部沿另一方向进行转动。
6.如权利要求5所述的光开关，其特征在于，还包括第二锁定结构，其设置在所述第二扭转梁表面，且其结构与所述第一锁定结构相同，所述第二锁定结构用于在所述第一、第二转动部受所述第二扭转梁带动而发生转动后将所述第一、第二转动部连同所述微反射镜锁定在转动后的位置。
7.如权利要求6所述的光开关，其特征在于，所述微反射镜在初始位置不对输入光的传输方向进行处理，当其在所述第一扭转梁带动下随所述第一转动部转动到第一预设角度后将输入光反射到第一预设方向，而当其在所述第二扭转梁带动下随第一和第二转动部转动到第二预设角度后将输入光发射到第二预设方向。
8.如权利要求5所述的光开关，其特征在于，所述第一转动部、第二转动部、第一扭转梁和第二扭转梁为一体的，其分别通过对硅材料进行光刻加工而形成，且所述第一扭转梁和第二扭转梁所在位置的硅材料厚度小于所述第一转动部和第二转动部所在位置的硅材料厚度。
9.如权利要求3所述的光开关，其特征在于，所述热场源为电阻丝，所述半导体衬底还包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别设置在所述第一转动部的顶面和底面，二者分别连接到所述电阻丝的两端，用于将外部电源传递给所述电阻丝以使其发热产生热场。
10.一种光开关阵列，其特征在于，包括玻璃基板和设置在玻璃基板上的多个光开关单元，所述光开关单元包括半导体衬底，其包括转动部和设置在所述转动部两端的扭转梁，所述第一扭转梁用于带动所述转动部进行转动；微反射镜，其设置在所述半导体衬底的转动部的表面；锁定结构，其设置在所述扭转梁表面，且包括形态自适应重塑FSR材料层，所述FSR材料层用于在所述光开关单元的内部集成热场作用下发生形态重塑，以将所述转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。
全文摘要
本发明实施例公开了一种光开关，其包括半导体衬底，其包括第一转动部和设置在所述转动部两端的第一扭转梁，所述第一扭转梁用于带动所述第一转动部进行转动；微反射镜，其设置在所述半导体衬底的第一转动部的表面；第一锁定结构，其设置在所述第一扭转梁表面，且包括形态自适应重塑FSR材料层和热场源，所述热场源用于为所述FSR材料层提供热场，所述FSR材料层用于在所述热场作用下发生形态重塑，以将所述第一转动部和所述微反射镜锁定在转动后的位置。本发明实施例还进一步公开了一种光开关阵列。
文档编号G02B26/08GK102262293SQ201010190130
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者吴文刚, 张海霞, 温运生, 赵峻, 陈庆华 申请人:华为技术有限公司