用于微机电系统光子开关的设备及方法

用于微机电系统光子开关的设备及方法
【专利摘要】在一个实施例中，微机电系统(MEMS)反射镜结构包括：电极板，其包括第一偏转电极和第二偏转电极，其中所述第二偏转电极与所述第一偏转电极相对，所述第一偏转电极设置成接收第一驱动电压，所述第二偏转电极设置成接收第二驱动电压。所述MEMS反射镜结构还包括：反射镜支撑柱，其设置在所述电极板上，所述反射镜支撑柱具有轴承表面；和反射镜，其设置在所述支撑柱的轴承表面上，所述反射镜具有偏转角，并且所述偏转角为零时所述第一电压非零。
【专利说明】
用于微机电系统光子开关的设备及方法
[0001] 相关申请交叉引用
[0002] 本申请要求于2014年3月10日提交的申请号为14/203,328、发明名称为"微机电系 统光子开关的设备及方法"的美国非临时申请的优先权，其通过引用结合在本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及光子学，尤其设及一种用于微机电系统(MEMS)光子开关的设备和方 法。
【背景技术】
[0004] -种类型的光子开关是Ξ维(3D)微机电系统(MEMS)光子开关。MEMS光子开关具有 优异的性能，例如，实现高端口计数的能力。此外，MEMS光子开关具有优异的光学性质，例如 低损耗、低偏振相关性、高线性度和低噪音。另外，MEMS光子开关具有优异的关态特性，例如 高隔离度和低串扰。
[0005] 然而，MEMS光子开关具有一些限制其广泛使用的问题，比如低开关速度，通过复杂 的控制方法进行驱动。运在MEMS光子开关用在级联结构时，问题尤其突出，例如用在Ξ级 化0S开关中，或者用于在光子开关网络中设置传输多个节点的路径。此外，控制方法可能留 下开关引起的残余调制，运会干扰开关的级联。

【发明内容】

[0006] -实施例的一种微机电系统(MEMS)反射镜结构，包括：电极板，其包括第一偏转电 极和第二偏转电极，其中所述第二偏转电极与所述第一偏转电极相对，所述第一偏转电极 设置成接收第一驱动电压，并且所述第二偏转电极设置成接收第二驱动电压。所述MEMS反 射镜结构还包括：反射镜支撑柱，其设置在所述电极板上，所述反射镜支撑柱具有轴承表 面;和反射镜，其设置在所述支撑柱的轴承表面上，其中所述反射镜具有偏转角，并且所述 偏转角为零时所述第一电压非零。
[0007] 一实施例的一种微机电系统(MEMS)反射镜结构，包括:反射镜和连接到所述反射 镜的第一扭转弹黃。所述MEMS反射镜结构还包括连接到所述第一扭转弹黃的万向悬架环和 位于所述万向悬架环下方的第一万向悬架环支撑柱。此外，所述MEMS反射镜结构包括连接 到所述第一支撑柱的电极板。
[000引一实施例的一种控制微机电系统(MEMS)反射镜的方法，包括:通过利用在所述反 射镜下方的电极板上设置的反射镜支撑柱，防止所述MEMS反射镜移动得更靠近所述电极 板；W及通过向所述电极板的第一偏转电极施加第一电压并且向所述电极板的第二偏转电 极施加第二电压，防止所述MEMS反射镜从所述电极板移动的更远，其中所述第一电压非零。 [0009]为了可W更好地理解本发明下述的详细描述，前述内容已相当广泛地概述了本发 明实施例的特征。W下将对本发明实施例的附加特征和优点进行描述，其形成本发明权利 要求的主题。本领域技术人员应当理解，可W很容易地将所公开的概念和具体实施例用作 修改或设计其它结构或过程的基础，w便执行本发明的相同目的。本领域技术人员还应该 认识到，运种等效构造并不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0010]为了更全面地理解本发明及其优点，现结合附图参考W下描述，其中：
[0011 ]图1示出了微机电系统(MEMS)光子开关的实施例；
[0012]图2示出了 MEMS反射镜结构的实施例；
[0013] 图3示出了用于MEMS反射镜的万向悬架的实施例；
[0014] 图4A-图4B示出了MEMS反射镜的旋转运动；
[001引图5A-图5B示出了MEMS反射镜的线性运动；
[0016]图6示出了电压施加给电极时MEMS反射镜从线性运动转换到旋转运动；
[0017]图7示出了反射镜之下带有支撑柱的MEMS反射镜结构的实施例；
[0018] 图8示出了 MEMS反射镜旋转和线性运动响应所施加的电压的曲线图；
[0019] 图9示出了阻止线性运动时MEMS反射镜旋转和线性运动响应所施加的电压的曲线 图；
[0020] 图10示出了在施加加速和减速脉冲并且不阻止线性运动时MEMS反射镜运动；
[0021] 图11示出了在施加加速和减速脉冲并且不阻止线性运动时MEMS反射镜的运动；
[0022] 图12示出了反射镜和万向悬架环之下带有支撑柱的MEMS反射镜模块的实施例；
[0023] 图13示出了施加给MEMS反射镜的驱动电压和电场的曲线图；
[0024] 图14示出了施加给MEMS反射镜的驱动电压和电场的另一曲线图；
[0025] 图15示出了 MEMS反射镜结构的模型；
[0026] 图16示出了反射镜上向下的力比电极电压的曲线图；
[0027] 图17示出了 MEMS反射镜的最大加速度比共模驱动电压的曲线图；
[0028] 图18示出了MEMS反射镜结构的另一实施例；
[0029] 图19示出了 MEMS反射镜结构的实施例；
[0030] 图20示出了对于偏转角度和枢轴半径来说枢轴运动W及枢轴运动中百分比变化 的表格;图21示出了MEMS反射镜结构的另一实施例；
[0031] 图22示出了针对偏转角度和反射镜厚度、枢轴的水平位移的表格；
[0032] 图23示出了支撑柱上方带有凹口的MEMS反射镜结构的实施例；
[0033] 图24示出了针对枢轴偏转角度和半径的MEMS反射镜结构的另一实施例；
[0034] 图25示出了枢轴垂直振动和枢轴水平迁移的表格。
[0035] 除非另有说明，不同附图中的相应数字和符号通常指代相应部件。对附图进行绘 制W清楚说明各实施例的相关方面，并且不一定按比例进行绘制。
【具体实施方式】
[0036] 从一开始就应当理解，尽管W下提供了一个或多个实施例的示例性实施方式，但 是可W采用各种技术来实现所公开的系统和/或方法，无论是已知的还是已经存在的。本发 明决不限于下述的各示例性实施方式、附图和技术，包括本文所示出并描述的示例性设计 和实现方式，而是可W在所附权利要求的范围及其等同物的全部范围内进行修改。
[0037] -实施例包括含有反射镜阵列的微机电系统(MEMS)光子开关，其中寫形支撑柱位 于反射镜中屯、下方。支撑柱上设置有反射镜可W在其上滚动的反射镜/支撑柱轴承表面。在 一个实施例中，在万向悬架环下方设置与扭转弹黃的旋转中屯、相一致的两个额外支撑柱， 使得万向悬架环在一个平面中旋转。如果使用Ξ个支撑柱的话，运些支撑柱防止反射镜和 万向悬架环向电极板移动。为了防止反射镜W及，可选地，反射镜万向悬架（mirror gimbal)，移动远离电极，配备有反射镜驱动算法，使得反射镜在使用过程中，下层的基板电 极和反射镜及可选地，反射镜万向悬架)之间总是存在电场。浅的凹陷可W位于反射镜 背面的中屯、，W使朝向反射镜下侧的万向扭转弹黃的旋转轴偏移，因此，万向旋转轴的中屯、 穿过反射镜和轴承球之间的静态接触点，或者恰巧在其下方。可W在垂直方向上对万向悬 架环进行减薄，W便提供降低的恢复性扭矩来提高反射镜的偏转灵敏度，运在没有支撑柱 的情况下将变得很有问题，因为运也将减少朝向电极的整个反射镜线性运动的阻力。为了 防止万向悬架环移动远离电极，施加到万向悬架环下方的环形电极或部分环形电极的电压 可W提供向下的力。
[0038] Ξ维（3D)MEMS光子开关可W采用一个或两个可转向反射镜阵列W在准直器阵列 之间形成可切换的光学路径。当采用一个反射镜阵列时，该反射镜阵列布置成与静态平面 或接近平面的回归反射(retro-reflective)反射镜相对。
[0039] 图1示出了MEMS光子开关100,一种具有两个阵列的可转向反射镜的3D MEMS光子 开关。MEMS光子开关100包含反射镜阵列104和106。光线，比如从光纤，经由准直器阵列102 进入，并照射到反射镜阵列104的反射镜上。在两个平面中对反射镜阵列104的反射镜调整 角度，W使光线照射到反射镜阵列106的适当反射镜上。反射镜阵列106的反射镜与准直器 阵列108的特定输出端口相关联。同样地，在两个平面中对反射镜阵列106的反射镜调整角 度，W使来自反射镜阵列104上适当反射镜的入射光束与适当的输出端口相禪合。然后，光 线离开准直器阵列108的准直器，例如禪合到光纤。类似地，光进入准直器阵列108,反射离 开反射镜阵列106的反射镜，反射离开反射镜阵列104的反射镜，并通过准直器阵列102离 开。
[0040] 反射镜阵列具有几个阵列的可操控3D-MEMS反射镜(运里称为MEMS反射镜），其反 射相关联的准直器投射到它们上的光束。反射的光束然后在相对反射镜阵列上的相对反射 镜上进行反射。因此，N X N MEMS光子开关模块包含N个输入反射镜，各所述输入反射镜均可 W访问相对反射镜阵列上N个反射镜中的任意个，反之亦然。运使得反射镜数目随开关的端 口数呈线性增长，从而为NXN开关采用2N个可转向反射镜。对于许多其它构建光子开关的 方法，反射镜数目或交叉点数目随着端口数的平方增长。因此，MEMS光子开关能够扩展到大 的端口数，而其它一些方法受到反射镜数目或交叉点数目的限制。然而，随着MEMS光子开关 的端口数量增加，反射镜和/或合适的最大反射镜偏转角度之间合适的最小光路长度也增 加。
[0041 ] MEMS光子开关100中的MEMS反射镜在改良的娃晶片工艺中进行制造。图2示出了 MEMS反射镜结构110的例子，其直径可W为约550微米~约2.5毫米，例如约1毫米。MEMS反射 镜结构110包含悬挂在轴承114和116的两条轴线上的反射镜112,使得其能够抵抗所述轴承 的扭转弹黃作用倾斜，运些轴承试图将反射镜112保持在特定位置。反射镜112下方，在距1 毫米反射镜约80微米~100微米处，是Ξ个或四个分段板偏转电极。当采用四个电极时，每 个电极可W与反射镜象限相关联。当向电极施加电压时，反射镜112受静电引力被吸引到电 极，并抵靠娃扭转弹黃的弹黃作用扭转。可W通过对一个或多个所述电极上施加的驱动电 压进行调整，可W控制运种偏转的角度方向和幅度。由于来自激活电极与反射镜之间的反 射镜-电极电场的吸引力而施加扭转力，运种吸引力也在反射镜上产生将其拉向电极的净 力，其在垂直于反射镜的方向上受到扭转弹黃刚度的抵抗。运可W通过使运些扭转弹黃在 垂直于反射镜表面的方向上变厚来实现，运样增加了运些弹黃对扭转或旋转运动的阻力， 从而获得更高的驱动电压。可W减薄运些弹黃，但随后很容易使反射镜在垂直于反射镜的 方向上做垂直运动。运种运动可W称为线性运动。
[0042] 驱动电压可高达几百伏，对于从静止状态下最大光束偏差为10~14度或者为20~ 28度的峰到峰光束偏差，最大反射镜偏转出平面5~7度。反射镜可W设置在电极上方约 0.05毫米~约0.12毫米。所述电极-反射镜间隙越大，则最大反射镜角度就越大并且驱动电 平越高。在一示例中，采用倾斜电极。
[0043] 图3示出了万向悬架120,在一示例中其可W用作轴承114或轴承116。万向悬架120 可W由娃扭转弹黃制成，所述扭转弹黃试着将反射镜返回到其平面位置。反射镜移动时，一 个或多个象限电极上驱动电压相对增加的弹黃张力的吸引力确定了反射镜的最终指向角。
[0044] 在一实例中，3D-MEMS可转向反射镜采用扭转弹黃和万向悬架结构，环形万向悬架 抵靠扭转弹黃在一条轴线上自由旋转。连接在环形万向悬架和反射镜之间的一组扭转弹黃 使反射镜在另一条轴线上抵靠扭转弹黃张力旋转。运就形成了一种黃载质量系统，其可W 产生扭转共振。运种结构也可W没有角运动而共振，通过反射镜全身从静态平面移动进去 移动出来-运就是全身或线性运动。反射镜可通过移动朝向和远离电极板来进行线性共振， 扭转弹黃在垂直于未偏转反射镜平面的方向上发生变形，特别是已减薄扭转弹黃的话。运 种垂直或线性运动可W转换为旋转运动，给反射镜指向角造成损害。反射镜线性运动通过 调整反射镜和电极板之间的间隙来调节反射镜和电极板之间的电场强度，转换为交替调制 反射镜上的偏转力，运样引起对整个反射镜振动的反射镜旋转响应。
[0045] 因此，MEMS反射镜可响应于振动而经历旋转运动和线性运动。图4A-图4B示出了 MEMS反射镜的旋转运动。在图4A中，电极136上方的反射镜132由于扭转共振而经历旋转运 动，而万向悬架环134保持静止。图4B在曲线140中示出了反射镜一个边缘的运动，在曲线 144中示出了反射镜的相对边缘的运动，并在曲线142中示出了反射镜中屯、的运动。反射镜 中屯、保持静止，而边缘发生振汤。
[0046] MEMS反射镜的线性运动由图5A-图5B示出。电极156上方的反射镜152向上并向下 做线性运动。此外，万向悬架环154向上并向下做线性运动。图5B在曲线160中示出了反射镜 一个边缘的曲线图，在曲线162中示出了反射镜的相对边缘的曲线图，并在曲线164中示出 了反射镜中屯、的曲线图。反射镜的运动是一致的。
[0047] 在没有旋转运动的情况下，线性运动对光学路径的影响很小，因为，即使光束W多 少离开垂直于反射镜的角度照射在反射镜上，反射镜移动量相对于光束直径很小。因此，光 束在反射镜上几乎不移动，并且反射镜指向角不发生变化。然而，线性运动可W转化为旋转 运动。如果弹黃常数有很小的差异或者质量稍微不平衡，所W黃载质量的重屯、并不准确地 在四个弹黃的中屯、，弹黃向反射镜施加不同的恢复力，从而线性能量转化为旋转能量。另 夕h当反射镜在电极的方向上做线性运动时，电极间隙得W调整，使得电场发生调制，从而 导致随着反射镜在线性方向上移动，电场产生交替非线性增加和降低。该非线性交替感应 出旋转运动，其影响光束指向角。
[0048] 线性能量转换成旋转能量的转换量取决于电场和电场间隙，因而取决于该电场诱 导的偏转角。高偏转角所产生的效应更加严重。图6示出了将电极间隙的调制转化为旋转运 动。曲线172示出了施加给电极的电压和所取得的静态偏转角的关系。曲线176示出了整个 反射镜移动朝向并远离电极时由于线性或整体运动而使反射镜-电极间隙发生调制的例 子，例如由于机械冲击或振动事件触发的谐振。运改变了公称力-角度偏转特征，W创建交 替的新特征。在运些虚线之间周期性移动给反射镜上产生交替力调制，从而导致由于调制 电场造成反射镜上的力所引起的旋转运动。对于给定电压驱动，线性运动调制反射镜-电极 间隙，因而调节电场和反射镜上的力。当反射镜-电极间隙减小时，电场增加；当反射镜-电 极间隙增大时，电场降低。曲线174显示峰到峰旋转转换分量。运种效应可W通过使扭转弹 黃在垂直于电极表面的方向上变厚来降低，使得扭转弹黃对偏转出平面进行抵抗。然而，运 也使得扭转弹黃在旋转或扭转模式下非常硬，增加了驱动电压，因而限制了主动式动态反 射镜控制系统中可W使用的超速传动。对弹黃进行减薄提高了扭转柔性，但增加了反射镜 进行垂直或线性偏转的敏感性。
[0049] MEMS反射镜线性运动的触发来自驱动信号的性质。不对称地将驱动信号施加给控 制电极W便通过将相应电极上方反射镜区域向该电极吸引来诱导反射镜产生角位移。虽然 驱动电压和合成静电力产生扭转运动，但是其也在反射镜上产生向下的净力，因为施加了 反方向力来将反射镜的另一侧推开远离其电极。运具有运一效果，即，将反射镜的整体中屯、 向下拉得低于原轴点，触发线性共振并且将部分驱动力分散成线性运动而不是旋转运动。
[0050] 图7示出了反射镜之下带有具有轴承面的支撑柱的MEMS反射镜结构180, W防止反 射镜移动得更靠近电极。为了清楚起见，垂直比例已被增大。扭转弹黃188和192将反射镜 182连接到万向悬架环184,而扭转弹黃186和190将万向悬架环184连接到支撑件(未绘出）。 支撑柱202位于反射镜182和含有电极194,196,198及200的电极板之间。对于1毫米反射镜， 反射镜-电极间距可W为约0.05毫米~约0.1毫米。防止基准点下方的反射镜中屯、发生偏 转，防止线性共振，因为来自电极驱动的偏转力将反射镜中屯、质量拉向电极平面。支撑柱防 止了线性向下运动而又允许在任何方向上的旋转运动。因此，施加了电场能量W便旋转反 射镜，而不是给整个反射镜提供朝向电极的速度。因此，可W对扭转弹黃进行减薄，因为它 们无需抵抗整个反射镜被拉向电极。
[0051] 图8和图9示出了适度的锐缘驱动电压下反射镜的线性和旋转运动的实施例。图8 示出了不阻止线性运动时反射镜的轨线。曲线216示出了预期的反射镜轨线，而曲线212示 出了所施加的电压，曲线214示出了实际的角镜轨线。旋转模式和线性模式之间的能量划分 为实际轨迹产生较慢的上升时间。曲线218示出了反射镜的线性运动。反射镜向电极板移 动，一些谐振之后，反射镜沉降地更靠近电极。
[0052] 图9示出了反射镜被阻止进行线性运动时反射镜的角位移的曲线图。曲线222示出 了所施加的电压，曲线224示出了所希望的实际轨线。曲线226示出了反射镜的不存在线性 运动。能量进入旋转运动。
[0053] 当驱动电压突然去除时，例如将反射镜返回到较低偏转角度，来自静电场向下的 力得W减小，但并未去除。如有需要，可W通过稍微减小一个电极上的驱动力并增加相对电 极上的驱动力来对新的偏转进行设置，w维持向下的力保持反射镜抵靠枢轴点，从而防止 反射镜从支撑柱弹开。施加运种力能使反射镜在适度的外部振动事件过程中避免从枢轴点 升起。
[0054] 可W采用脉冲驱动来实现3D-MEMS切换结构的快速切换。线性共振可W减缓设置 时间，并让系统处理正在进行的触发线性共振效应。
[0055] 图10示出了向电极施加加速电压和制动电压。在施加波形940,跨步电压，时，反射 镜沿曲线942移动，使得展开振荡。运是因为没有对反射镜的势能和动能进行管理，W使过 量势能和总动能在所需静止角为零，所W共振在过量势能和残余动能之间展开，直到系统 损耗吸收运种能量。波形944为加速电压脉冲，波形946为施加到电极上的制动脉冲，并对其 进行计算W在名义上管理反射镜动能和过量势能，从而使反射镜在所需偏转角度保持静 止。曲线948示出了带有所期望的制动的响应，曲线950示出了用于制动不及（under? braking) 的响应，曲线 952 示出了用于过度制动的响应，例如由于驱动波形或其衍生物的容 限。在施加加速电压和制动电压之间的时间段内，反射镜惯性朝向其最终位置滑行，通过弹 黃压力减速。惯性滑行阶段消除时，发生最快的切换，并且加速和减速时间延长。而在施加 制动电压时，出现一段时间的减速。减速电压可W比加速电压施加的时间更长，因为较大的 电极-反射镜间隙减小了减速。一完成制动，则施加用于正确反射镜角度的驱动电压。反射 镜W零速度到达其最终位置，并因此具有零动能，从而抑制了机械共振。
[0056] 图11示出了MEMS反射镜的部分旋转运动转换为线性运动。采用曲线240施加加速 脉冲，采用曲线242施加减速脉冲，施加维持电压。曲线248示出了期望的角镜路径，曲线246 示出了实际的角镜路径，曲线250示出了反射镜的线性运动。
[0057] 在加速脉冲过程中，反射镜从力的力矩臂旋转加速，并继续向电极板加速。一旦完 成脉冲，反射镜旋转惯性滑行，随着扭转弹黃的横向恢复压力被施加，扭转弹黃减缓反射镜 的惯性滑行。另外，旋转速度降低是因为部分旋转运动和能量转换成线性运动和能量。运可 能导致反射镜W较低速度旋转。一旦施加制动脉冲，则反射镜的旋转速度减低，无论是从扭 转弹黃压力还是制动脉冲。反射镜的线性运动可W加速，直到其到达扭转弹黃的横向偏转 与加速力平衡的点。当去除制动脉冲并施加维持电压时，反射镜名义上是旋转静止的。然 而，反射镜-弹黃系统从加速脉冲和制动脉冲存储线性能量，运两种脉冲在同一意义上作用 在反射镜上。线性位移在施加维持电压后可W降低，在运种情况下，反射镜处于线性共振模 式，其调制反射镜-电极间隙，使得电场得W调制，导致由于调制反射镜-电极间隙而使反射 镜的线性运动转换成旋转运动。运可W为大振幅运动，取决于所触发的线性共振的性质和 能级，运又取决于加速和减速脉冲的大小和持续时间、偏转角度W及其它一些因素，例如扭 转弹黃对反射镜线性位移的阻力W及所述运动产生的共振的阻尼水平。
[0058] 图12示出了采用支撑柱稳定万向悬架环和反射镜的的反光镜结构260。除了支撑 柱278支撑反射镜262,支撑柱276和280支撑万向悬架环264。支撑柱276和280防止万向悬架 环264移动得更靠近电极。支撑柱276和280使万向悬架环264在一条轴线上倾斜，同时提供 支持防止万向悬架环的扭转弹黃偏转朝向电极板。扭转弹黃269和270连接反射镜262和万 向悬架环264，而扭转弹黃266和274将万向悬架环264连接到支撑件。在一实施例中，支撑柱 及其圆形顶部略高于反射镜/万向板和电极板之间的间隔。万向悬架环和反射镜稍微向上 移动，远离电极板，从而导致扭转弹黃稍微变形跑出平面。扭转弹黃此时向电极板施加向下 的力，保持万向悬架环与其支撑柱相接触。
[0059] 在另一实施例中，反射镜镜板和电极板具有与万向悬架和反射镜枢轴支撑柱的高 度密切匹配的板间间隔，使得万向悬架-支撑柱和反射镜-支撑柱残余间隙或者较小或者不 存在万向悬架和反射镜的最小位移。然后，通过给反射镜262下方的电极284，286，288，290 W及万向悬架环264下方的电极282施加电压，反射镜262和万向悬架环264被吸引向下朝着 电极板，从而保持它们抵靠支撑柱的顶部。
[0060] 万向悬架环电极可W为环形或者一部分环形。如果万向悬架电极是绕枢轴点对称 的环形或部分环形，则其仅产生穿过万向悬架环中屯、的垂直力而没有旋转力矩W旋转性地 偏转万向悬架。由于电极的电场，可W采用一小部分环形靠近并对称放置在电极的任一侧， 因此其施加给万向悬架环的力较小受到反射镜偏转力导致万向悬架环的运动的影响。
[0061] 由于反射镜支撑在一个球形枢轴表面上，它可W在任何方向上自由旋转。枢轴点 防止反射镜朝向电极板线性移动。可W通过机械方法或电学方法或二者结合来强制反射镜 保持与枢轴表面接触。在所述电学方法中，一直向电极板施加较小的力，W保持反射镜抵靠 枢轴表面。对于高的偏转角度，运可W通过施加给电极的电压来实现，从而实现所述角度。 然而，对于小的偏转角度，可W向反射镜电极添加额外的驱动电平。
[0062] 图13示出了施加电压的例子，其中电压在零度偏转角度变为零。曲线302示出了施 加给负电极的电压作为偏转角度函数，曲线304示出了施加给正电极的电压作为偏转角度 函数。负电极诱导反射镜产生负偏转角度，而正电极诱导反射镜产生正偏转角度。曲线300 示出了负电极电场在反射镜上产生的力，而曲线306示出了正电极电场在反射镜上产生的 力。在零度的偏转角度中，电压和力为零。随着偏转角度上升，偏转力呈线性的。随着偏转增 加，反射镜偏转对驱动电压越来越敏感，因为在电压电平给定的情况下，反射镜-电极间隙 减小，所W电场增大，因而力增大。通过与反射镜中屯、和枢轴点偏移的激励电极的力屯、使反 射镜旋转，从而产生力矩臂。来自电极的向下的力乘W力矩臂得到的扭矩使得反射镜抵住 扭转弹黃张力而扭转。反射镜上总的向下的力与偏转角度的绝对值成正比。因此，向下的力 在偏转水平非常低时降低，并且在没有偏转时达到零。
[0063] 图14示出了施加的电压，其中电压施加给电极中的一个，W保持对所有偏转角度 的最小的向下的力。曲线310示出了所施加的电压作为负电极上偏转角度的函数，而曲线 320示出了所施加的电压作为正电极上偏转角度的函数。负电极电场中的力由曲线314给 出，正电极电场中的力由曲线322给出，两个电极的电场中的力由曲线312给出。曲线316示 出了反射镜上的力的正偏转分量，曲线324示出了反射镜上的力的负偏转分量。对所有偏转 角度保持曲线312的最小力。运个值由驱动信号的重叠量来控制。通过正电极和负电极之间 的电压差来实现反射镜的角偏转，反射镜-轴承保持力来自于共模驱动电压。
[0064] 在另一实施例中，运两个电极采用整个偏转范围内的共模电压分量W及差分分量 进行驱动。
[0065] 利用重叠驱动信号稍微使驱动线性化，因为反射镜在低偏转区W推-挽模式进行 驱动，其中一个板上驱动电压的增加通过相对板上驱动电压的降低来匹配。重叠区域由要 保持在反射镜上最小的向下的力来确定，W与枢轴点保持接触，包括适量（under moderate)振动。
[0066] 图15示出了 MEMS反射镜系统的模型。反射镜332的直径为D、面积为A。在距离反射 镜332下方为d处为电极板上的电极338，340，342，344。距离d可W为约ο. 05毫米~约ο. 09毫 米，而反射镜332的厚度可W为约0.01毫米~约0.04毫米。直径D为约1毫米，正如电极板的 直径。采用共模电压分量对四个电极进行驱动。反射镜上的力由下式给出：
[0067]
[0068] 加速度由所述力除W反射镜质量给出。直径为1毫米、厚度为20微米的娃圆片可W 具有约37微克的质量，其一个表面上具有薄薄闪光的金。
[0069] 所述模型中电极电压的合力由图16所示曲线图给出，针对反射镜直径为1毫米的 情况。曲线350示出了反射镜-电极间隙为50微米的结果，曲线352示出了反射镜-电极间隙 为60微米的力，曲线354示出了反射镜-电极间隙为70微米的力，曲线356示出了反射镜-电 极间隙为80微米的力，曲线358示出了反射镜-电极间隙为90微米的力。
[0070] 图17示出了运种建模系统的最大垂直加速度比共模驱动电压。曲线360示出了厚 度为10微米的反射镜的加速度，曲线362示出了厚度为20微米的反射镜的加速度，曲线364 示出了厚度为30微米的反射镜的加速度，曲线366示出了厚度为40微米的反射镜的加速度。 对于30伏的共模电压，10微米厚的反射镜保持与轴承接触，直到离地升空（lift-off)加速 度为大约56米/秒2，其约为5.6克。对于45伏的共模驱动电平，高达40微米厚的反射镜抵抗 离地升空加速度为30米/秒2或约3克。
[0071] 图18示出了反射镜单元370的剖视图。反射镜372在支撑柱376的轴承表面上滚动。 在一不例中，反射镜372距电极板386约0.06晕米。反射镜372是一块覆金的反射镜，直径为1 毫米且厚度为0.02毫米。万向悬架环374由支撑柱378和380支撑。万向悬架环374的横截面 为约0.08毫米X 0.02毫米。在一示例中，折叠扭梁式的万向悬架弹黃的横截面为约0.02毫 米X 0.0035毫米。
[0072] 随着偏转角度增加，支撑柱上的反射镜枢轴接触点发生远离反射镜中屯、的轻微位 移。图19示出了用于反射镜进行翻滚的圆形轴承表面。反射镜392位于半径为r的支撑柱396 上。反射镜392的偏转角度为Θ，偏转距离为d。对于较小的角度，
[007；3] d =化 tan白/2
[0074] 图20示出了表格540,显示出用于图19所示反射镜-枢轴表面系统的针对各种偏转 角度和各种微米级的枢轴半径、反射镜上的枢轴运动的绝对值。枢轴运动随偏转角度和球 面半径均增加。对于多达六度，球面半径为0.03毫米产生6.3微米的位移，而半径为0.02毫 米产生4.2微米的位移。
[0075] 图20还示出了表格542,其中枢轴迁移造成偏转运动的百分比变化，运就确定了偏 转灵敏度的变化。如果力矩臂没有过大变化，并且反射镜旋转中屯、相对扭转弹黃轴点没有 显著的侧向运动，则轴承接触点可W运动。球形半径为0.03毫米产生1.8%的缩短，而半径 为0.02毫米，力矩臂产生1.2 %的缩短，造成高偏转量的偏转，导致在高偏转量灵敏度相应 降低，其中所述反射镜偏转无论如何都更加敏感。因此，运种效应为系统提供了少量线性 化。
[0076] 图21提供圆形枢轴表面上方的MEMS反射镜的旋转中屯、横向移动的详细视图。侧向 位移建立导致由于扭转弹黃变形而产生的侧压力，并且很有可能在轴承表面上产生滑动， 具有静摩擦力的风险。静摩擦力是释放时使反射镜突然移动的静摩擦。
[0077] 图22示出了表格550,其中枢轴点中屯、从支撑柱中屯、产生微米级的大致水平位移。 主要变量为反射镜厚度和偏转角度，其中反射镜厚度导致轴承表面上方万向悬架枢轴点的 高度是其一半高度。表格550示出了反射镜的实际旋转中屯、的水平迁移，并没有滑过轴承表 面。横向移动的积累随偏转角度和反射镜厚度而增加，但在很大程度上不受枢轴半径约束。 对于最大偏转为6度并且反射镜厚度为0.06毫米的情况，枢轴中屯、的横向移动刚刚超过3微 米，其可W在扭转弹黃内累积成显著的侧向力，导致反射镜横过球形界面的机械滑动。
[0078] 可W通过将扭转弹黃枢轴点设置成与反射镜下侧接触点相同的高度或稍低于其 来使扭转弹黃枢轴点的运种横向迁移得W降低。如图23所示，运可W通过移除顶部表面的 材料使弹黃变薄并从所述下侧减薄反射镜中央区域来实现。反射镜的减薄具有使整个偏转 范围上的反射镜偏转更加敏感并且允许更低偏转电压的优点，因而脉冲驱动和动能管理更 超速传动。反射镜432中的凹陷434位于支撑柱440上方。角度为Θ并且支撑柱半径为r的情况 下，枢轴中屯、产生位移d。
[0079] 图24示出了扭转弹黃附着、枢轴中屯、W及枢转点主要为垂直运动的几何图形。示 出了扭转弹黃到反射镜的附着点的位置和该弹黃旋转的结果中屯、。枢轴点垂直迁移由下述 公式给出：
[0080] H=;r((cos 目-l) + (sin 目 cos 目））。
[0081 ]残余水平迁移由下述公式给出：
[0082] R 化η白。
[0083] 图25示出了残余枢轴迁移。表格540示出了针对偏转角度和枢轴半径的微米级的 残余的枢轴垂直迁移。枢轴点垂直运动，弹黃变形，从而导致轴承表面上附加向下的力，但 在偏转角度小于6度并且枢轴半径最多约0.05毫米的情况下，垂直运动小于0.3微米。
[0084] 表格542示出了针对偏转角度和枢轴半径的微米级的残余的枢轴水平迁移。对于 角度为6度并且半径为0.03毫米的情况，球体(S地ere)为0.02微米W下，其优于厚度为0.02 毫米的未减薄反射镜52倍，并且优于厚度为0.06毫米的未减薄反射镜131倍。
[0085] 在运些几十纳米位移水平下，侧向力水平较低，从而导致缺乏滑动量和静摩擦。使 反射镜镜背进一步减薄和使万向悬架弹黃进一步减薄可W引起更多的改进。反射镜镜背减 薄至约33% W及万向悬架弹黃减薄至50%使得万向悬架弹黃的旋转中屯、位于反射镜与球 面表面之间的静态接触点下方。因此，旋转中屯、的水平轨迹先沿一个方向移动，然后反转方 向经过零，并沿反方向移动达到反射镜的最大偏转的最大值。对于最大反射镜偏转为6度的 情况，水平偏转分量小于前一最大偏转的Ξ分之一。例如，对于最大偏转为6度并且球面轴 承表面的半径为0.03毫米的情况，弹黃枢轴点的水平运动限制为小于6-7纳米。
[0086] 虽然本说明书已将主题在一个平面(例如，在X-平面）中讨论，但是可W将技术扩 展到两个平面(例如:Χ、Υ平面），并且反射镜系统可W在X和Y平面转向。
[0087] 虽然本发明中提供了几个实施例，但是应当理解，所公开的系统和方法可许 多其它特定形式来体现，而不脱离本发明的精神或范围。当前示例应被认为是说明性的而 不是限制性的，并且其意图并不限于本文所给出的细节。例如，各种元件或组件可W组合或 集成在另一系统中，或者可W省略或不实施特定特征。
[0088] 此外，各种实施例中所描述并示出的分别或单独的技术、系统、子系统和方法可W 与其它系统、模块、技术或方法进行组合或者集成，而不脱离本发明的范围。所显示或讨论 的相互之间的禪合或直接禪合或通信连接可w是通过一些接口、设备或中间组件的间接禪 合或通信连接，可W是电性、机械或其它的形式。其它改变、替换和变换的例子可由本领域 技术人员进行确定，并且在不脱离本文所公开的精神和范围的前提下做出。
【主权项】
1. 一种微机电系统(MEMS)反射镜结构，包括： 电极板，其包括第一偏转电极和第二偏转电极，其中所述第二偏转电极与所述第一偏 转电极相对，所述第一偏转电极设置成接收第一驱动电压，并且所述第二偏转电极设置成 接收第二驱动电压； 反射镜支撑柱，其设置在所述电极板上，其中所述反射镜支撑柱具有轴承表面；以及 反射镜，其设置在所述支撑柱的轴承表面上，其中所述反射镜具有偏转角，并且所述偏 转角为零时所述第一电压非零。2. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，其中所述反射镜支撑柱的轴承表面是球形 的。3. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，还包括： 扭转弹簧，其连接到所述反射镜；以及 万向悬架环，其连接到所述扭转弹簧，其中所述支撑柱的高度大于所述万向悬架环和 所述电极板之间的距离。4. 根据权利要求3所述的MEMS反射镜结构，其中所述万向悬架环的第一厚度小于所述 反射镜的第二厚度。5. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，还包括： 第一扭转弹簧，其连接到所述反射镜； 第二扭转弹簧，其连接到所述反射镜； 万向悬架环，其连接到所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧； 第一万向悬架环支撑柱，其设置在所述万向悬架环下方的所述电极板上；以及 第二万向悬架环支撑柱，其设置在所述万向悬架环下方的所述电极板上。6. 根据权利要求5所述的MEMS反射镜结构，其中所述第一万向悬架环支撑柱和所述第 二万向悬架环支撑柱之间的假想线穿过所述第一偏转电极和所述第二偏转电极。7. 根据权利要求5所述的MEMS反射镜结构，其中所述电极板还包括万向悬架电极，其中 所述万向悬架电极位于所述万向悬架环下方。8. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，其中第一MEMS反射镜阵列包括所述MEMS反 射镜结构。9. 根据权利要求8所述的MEMS反射镜结构，其中MEMS光子开关包括： 第一准直器阵列； 连接到所述第一准直器阵列的所述第一 MEMS反射镜阵列； 连接到所述第一MEMS反射镜阵列的第二MEMS反射镜阵列；以及 连接到所述第二MEMS反射镜阵列的第二准直器阵列。10. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，还包括在所述反射镜支撑柱上方的所述反 射镜下侧的凹陷。11. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，其中所述电极板还包括第三偏转电极和第 四偏转电极，其中所述第三偏转电极与所述第四偏转电极相对，并且所述第一偏转电极和 所述第二偏转电极之间的第一假想线垂直于所述第三偏转电极和所述第四偏转电极之间 的第二假想线。12. 根据权利要求1所述的MEMS反射镜结构，其中所述第一电压非零，而且所述第二电 压非零。13. -种微机电系统(MEMS)反射镜结构，包括： 反射镜； 第一扭转弹簧，其连接到所述反射镜； 万向悬架环，其连接到所述第一扭转弹簧； 第一万向悬架环支撑柱，位于所述万向悬架环下方；以及 电极板，其连接到所述第一支撑柱。14. 根据权利要求13所述的MEMS反射镜结构，还包括连接到所述电极板的第二万向悬 架环支撑柱，其中所述第二万向悬架环支撑柱位于所述万向悬架环下方，所述第一万向悬 架环支撑柱具有第一轴承点，所述第二万向悬架环支撑柱具有第二轴承点，并且从所述第 一轴承点到所述第二轴承点的假想线沿着所述万向悬架环的旋转轴。15. 根据权利要求13所述的MEMS反射镜结构，其中所述电极板包括所述万向悬架环下 方的万向悬架电极。16. 根据权利要求15所述的MEMS反射镜结构，其中所述万向悬架电极关于所述万向悬 架环的枢转点对称。17. 根据权利要求13所述的MEMS反射镜结构，其中所述电极板包括万向悬架电极，其中 所述万向悬架电极位于所述万向悬架环下方。18. 根据权利要求17所述的MEMS反射镜结构，其中所述万向悬架电极是环形的。19. 根据权利要求17所述的MEMS反射镜结构，其中所述万向悬架电极是一部分环形。20. 根据权利要求13所述的MEMS反射镜结构，还包括： 第二扭转弹簧，其连接在所述万向悬架环和所述反射镜之间； 第三扭转弹簧，其连接到所述万向悬架环；以及 第四扭转弹簧，其连接到所述万向悬架环，并且所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹 簧之间的假想线垂直于所述第三扭转弹簧和所述第四扭转弹簧之间的假想线。21. -种控制微机电系统(MEMS)反射镜的方法，所述方法包括： 通过利用在所述反射镜下方的电极板上设置的反射镜支撑柱，防止所述MEMS反射镜移 动得更靠近所述电极板；以及 通过向所述电极板的第一偏转电极施加第一电压并且向所述电极板的第二偏转电极 施加第二电压，防止所述MEMS反射镜从所述电极板移动的更远，其中所述第一电压非零。22. 根据权利要求21所述的方法，还包括:通过利用设置在所述电极板上的第一万向悬 架环支撑柱和第二万向悬架环支撑柱，防止万向悬架环移动得更靠近所述电极板。23. 根据权利要求22所述的方法，还包括:旋转所述万向悬架环。24. 根据权利要求22所述的方法，还包括:通过向所述电极板上的万向悬架电极施加第 三电压，防止所述万向悬架环从所述电极板移动的更远。
【文档编号】G02B6/35GK105829937SQ201580001727
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年3月6日
【发明人】阿兰·弗兰克·格拉维斯
【申请人】华为技术有限公司