微镜单元及制备方法、微镜阵列和光交叉连接模块与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种微镜单元及制备方法、微镜阵列和光交叉连接模块。

背景技术：

现代通信技术，尤其是近几年发展起来的高速移动互联网、云计算和大数据技术，给人们在日常生活中随时随地接入互联网进行购物、观看高清视频和查询数据等需求提供了便利性和畅快感。这些新的互联网体验必然会带来海量通信数据处理需求，而现有的通信设备面对如此巨大的信息传输和交换业务时，阻塞和延时现象时有发生，无形中削弱了用户的体验感受。

利用微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)微镜阵列搭建的光交叉连接(opticalcross-connect，oxc)模块可以帮助通信系统实现光传输和光交换的无电转换，使信息传输的容量和速率可以得到保障。而基于微镜阵列的光交叉连接模块具备低损耗、低串扰、低偏振敏感性和高消光比等优点，因此广泛应用于骨干网或中大型数据中心，从而实现全光网路径下的高速信息传输，能够对未来海量信息交换业务进行强有力的支撑。

现有技术中，如图1a以及图1b结构所示的一种静电驱动的微镜阵列的微镜单元100，该微镜单元100包括镜片101、静电驱动装置102和电极部分103；镜片101和静电驱动装置102分置于不同的平面a、b上，镜片101的支撑柱与静电驱动装置102的转动块键合连接，静电驱动装置102铰接于框架104，以使静电驱动装置102在电极部分103的静电吸引作用下能够进行动作，而电极部分103放置于第三个平面c上，框架104的支架105与设置有电极1031的电极部分103键合连接，因此，现有微镜单元100采用静电驱动装置102且具有三层结构，在制造过程中需要进行两次键合连接，导致微镜单元100结构复杂和制造困难。

技术实现要素：

本发明提供了一种微镜单元及制备方法、微镜阵列和光交叉连接模块，该微镜阵列包括呈阵列分布的多个微镜单元，光交叉连接模块包括微镜阵列，该微镜单元结构简单、便于制造、切换速度快且镜片占空比高。

第一方面，提供一种微镜单元，包括镜片和驱动装置，所述镜片朝向所述驱动装置的一侧设有支撑柱；所述驱动装置包括支撑框、与所述支撑柱固定连接的转动块、设置于所述转动块的周边的多个压电驱动臂；每一个所述压电驱动臂的一端固定于所述支撑框，另一端与所述转动块之间通过弹性件连接，且所述压电驱动臂包括上电极、下电极、以及夹设在所述上电极和下电极之间的压电材料。

结合上述第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述支撑框为硅材料制备的支撑框；和/或，

所述支撑柱为硅材料制备的支撑柱；和/或，

所述弹性件为硅材料制备的弹性件；和/或，

所述转动块为硅材料制备的转动块。

由于硅材料具有化学性质稳定、热传导效果好、可靠性好以及使用寿命长的特点，因此，采用由硅材料制备的支撑框、支撑柱、弹性件以及转动块，使微镜单元具有散热效果好、使用寿命长和可靠性好的特点。

结合上述第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述弹性件为至少一个弹簧。

结合上述第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述驱动装置中具有的多个压电驱动臂绕所述转动块的周向均匀分布。

由于驱动装置的多个压电驱动臂绕转动块的周向均匀分布，且压电驱动臂的一端通过弹性件与转动块连接，因此，驱动装置的多个压电驱动臂形成以转动块为圆心的径向辐射状，通过均匀分布的多个压电驱动臂能够提高驱动装置的动作准确性及稳定性。

结合上述第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述驱动装置包括延伸方向经过所述转动块中心的第一压电驱动臂、第二压电驱动臂、第三压电驱动臂和第四压电驱动臂，其中，所述第一压电驱动臂的延伸方向与所述第二压电驱动臂的延伸方向平行，所述第三压电驱动臂的延伸方向与所述第四压电驱动臂的延伸方向平行，且所述第三压电驱动臂的延伸方向与所述第一压电驱动臂的延伸方向垂直。

结合上述第一方面的第三种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述驱动装置包括延伸方向经过所述转动块中心的第五压电驱动臂、第六压电驱动臂和第七压电驱动臂，其中，所述第五压电驱动臂的延伸方向与所述第六压电驱动臂的延伸方向之间所呈角度为120°，所述第五压电驱动臂的延伸方向与所述第七压电驱动臂的延伸方向之间所呈角度为120°，所述第六压电驱动臂的延伸方向与所述第七压电驱动臂的延伸方向之间所呈角度为120°。

结合上述第一方面、第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式、第三种可能的实现方式、第四种可能的实现方式、第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述镜片为圆形镜片，或者，所述镜片为方形镜片。

第二方面，提供一种微镜阵列，该微镜阵列包括多个上述七种可能的实现方式中的任意一种微镜单元，多个所述微镜单元呈阵列分布。

第三方面，提供一种光交叉连接模块，该光交叉连接模块包括上述第二方面的一种可能的实现方式中的微镜阵列。

微镜阵列采用上述微镜单元进行阵列分布时，由于上述微镜单元的镜片占空比高，因此，在单位面积上能够集成更多的微镜单元，进而提高微镜阵列的集成度，在微镜单元数量不变的情况下能够减小微镜阵列所占的体积。

第四方面，提供一种上述第一方面的七种可能的实现方式中的任意一种微镜单元的制备方法，包括：

形成镜片结构和驱动结构，其中，所述镜片结构包括镜片和位于所述镜片一侧的支撑柱；所述驱动结构包括衬底和形成于衬底朝向镜片一侧的多个压电驱动臂；所述衬底包括底板、第一二氧化硅层和单晶硅层，所述单晶硅层用于形成转动块和弹性件；多个所述压电驱动臂设置于所述转动块的周边，每一个所述压电驱动臂的一端与所述转动块之间通过弹性件连接，且所述压电驱动臂包括上电极、下电极、以及夹设在所述上电极和下电极之间的压电材料；

将所述支撑柱与转动块键合固定；

对所述驱动结构的底板进行刻蚀形成支撑框，且将所述第一二氧化硅层与所述弹性件、转动块以及每一个所述压电驱动臂的至少一部分相对的部位去除以形成所述驱动装置。

结合上述第四方面，在第一种可能的实现方式中，形成所述驱动装置的步骤中：

在所述将所述支撑柱与转动块键合固定之前，包括：

在衬底的单晶硅层背离所述底板的一侧依次沉积第二二氧化硅层、下电极、压电材料层和上电极；

刻蚀上电极、压电材料层、下电极和第二二氧化硅层，以形成多个压电驱动臂；

刻蚀单晶硅层，以形成弹性件和转动块；

在所述将所述支撑柱与转动块键合固定之后，包括：

将所述第一二氧化硅层与所述弹性件、转动块以及每一个所述压电驱动臂的至少一部分相对的部位去除。

结合上述第四方面，在第二种可能的实现方式中，形成所述镜片结构的步骤，包括：

刻蚀衬底的单晶硅层，以形成支撑柱。

结合上述第四方面、第一种可能的实现方式、第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述将所述支撑柱与转动块键合固定中，所述键合为低温键合。

由于支撑柱与转动块之间通过低温键合，因此，能够提高支撑柱与转动块之间的键合质量和键合强度。

根据第一方面提供的微镜单元、第二方面提供的微镜阵列、第三方面提供的光交叉连接模块以及第四方面提供的微镜单元的制备方法，该微镜单元包括镜片和驱动装置，驱动装置通过压电驱动臂驱动镜片转动，微镜单元的镜片通过支撑柱与驱动装置的转动块固定连接，驱动装置不需要在另外的平面上单独设置电极，同时，由于镜片的支撑柱与驱动装置的转动块处于不同平面，镜片与驱动装置能够分离、两者互不影响，能够提高镜片占空比(镜片面积占整个微镜单元面积的比例)，镜片占空比可达到80％以上；与现有技术中的静电驱动相比，该微镜单元采用压电驱动的驱动力比静电驱动的驱动力大2～3个数量级，因此，采用压电驱动臂驱动镜片从一个偏转角度切换到另一个偏转角度时切换速度快；同时，由于镜片与驱动装置之间仅需要将支撑柱与转动块固定连接即可，只需一次固定连接，微镜单元结构简单、便于制造。

因此，该微镜单元结构简单、便于制造、切换速度快且镜片占空比高。

附图说明

图1a-1b为现有技术中一种微镜单元的结构示意图；

图2为本发明一种实施例提供的微镜单元的结构示意图；

图3为图2中微镜单元的镜片的结构示意图；

图4为图2中微镜单元的驱动装置的局部放大示意图；

图5为本发明另一种实施例提供的微镜单元的结构示意图；

图6为本发明另一种实施例提供的微镜单元的结构示意图；

图7a-7e为本发明另一种实施例提供的驱动装置的结构示意图；

图8a为本发明一种实施例提供的微镜阵列的结构示意图；

图8b为本发明另一种实施例提供的微镜阵列的结构示意图；

图9为本发明一种实施例提供的微镜单元的制备方法的工艺流程图；

图10为图9的制备方法中形成驱动装置的工艺流程图；

图11为图9的制备方法中形成镜片结构的工艺流程图；

图12a-12d为与图10中的工艺流程图对应的驱动结构的结构变化图；

图13a-13b为与图11中的工艺流程图对应的镜片结构的结构变化图；

图14为与图9中第二步骤对应的结构变化图；

图15a-15b为与图9中第三步骤对应的结构变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种微镜单元及制备方法、微镜阵列和光交叉连接模块，该微镜阵列包括呈阵列分布的多个微镜单元，光交叉连接模块包括微镜阵列，该微镜单元结构简单、便于制造、切换速度快且镜片占空比高。

请参考图2、图3以及图4，其中，图4为图2中d部分的局部放大图，本发明一种实施例提供的微镜单元200，包括镜片210和驱动装置220，如图3结构所示，镜片210朝向驱动装置220的一侧设有支撑柱211；驱动装置220包括支撑框221、与支撑柱211固定连接的转动块222、设置于转动块222的周边的多个压电驱动臂223，如图3以及图4中结构所示的驱动装置220包括四个压电驱动臂，如图5以及图6中结构所示的驱动装置220包括三个压电驱动臂；每一个压电驱动臂223的一端固定于支撑框221，另一端与转动块222之间通过弹性件224连接，且压电驱动臂223包括上电极、下电极、以及夹设在上电极和下电极之间的压电材料，如图4结构所示，压电驱动臂2231包括上电极22311、下电极22312以及夹设在上电极22311和下电极22312之间的压电材料22313，压电驱动臂2233包括上电极22331、下电极22332、以及夹设在上电极22331和下电极22332之间的压电材料22333。

在具体工作过程中，上述微镜单元200向压电驱动臂223的上电极和下电极施加电压，压电材料在上电极和下电极的电压的驱动下动作，压电驱动臂223通过弹性件224带动转动块222动作，如图4结构所示，在压电驱动臂2231的上电极22311和下电极22312上施加正向电压，压电驱动臂2231在压电材料22313的带动下通过弹性件224驱动转动块一侧向上运动，而同时在压电驱动臂2232的上电极和下电极上施加反向电压，压电驱动臂2232在自身的压电材料的带动下通过弹性件224驱动转动块一侧向下运动，此时，通过在压电驱动臂2231和压电驱动臂2232上施加不同的电压，即可实现转动块222沿与压电驱动臂2231的延伸方向相交且垂直的轴线转动，同理，可实现转动块222沿与压电驱动臂2233的延伸方向相交且垂直的轴线转动，进而通过转动块222和支撑柱211的固定连接实现镜片210的转动，以调节镜片210的偏转角度；多个压电驱动臂223的不同电压能够实现转动块222的不同动作，由于镜片210的支撑柱211与转动块222固定连接，进而转动块222带动镜片210动作，从而完成压电驱动臂223对镜片210的驱动以调节镜片210的偏转角度。

上述微镜单元200的驱动装置220通过压电驱动臂223驱动镜片210；微镜单元200的镜片210通过支撑柱211与驱动装置220的转动块222固定连接，驱动装置220不需要在另外的平面上单独设置电极，因此，镜片210和驱动装置220只需设置在两个平面上，同时，由于镜片210的支撑柱211与驱动装置220的转动块222处于不同平面，镜片210与驱动装置220能够分离、两者互不影响，能够提高镜片占空比(镜片210面积占整个微镜单元200面积的比例)，镜片占空比可达到80％以上；由于驱动装置220采用压电驱动臂223对镜片210进行驱动，与现有技术中的静电驱动相比，该微镜单元200采用压电驱动的驱动力比静电驱动的驱动力大2～3个数量级，因此，采用压电驱动臂223驱动镜片210从一个偏转角度切换到另一个偏转角度时切换速度快；同时，由于镜片210与驱动装置220之间仅需要将支撑柱211与转动块222固定连接即可，因此，只需一次固定连接，微镜单元结构简单、便于制造。

因此，该微镜单元200结构简单、便于制造、切换速度快且镜片占空比高。

一种具体的实施方式中，上述微镜单元200中，

支撑框221可以为硅材料制备的支撑框221；和/或，

支撑柱211可以为硅材料制备的支撑柱211；和/或，

弹性件224可以为硅材料制备的弹性件224；和/或，

转动块222可以为硅材料制备的转动块222。

由于硅材料具有化学性质稳定、热传导效果好、可靠性好以及使用寿命长的特点，因此，采用由硅材料制备的支撑框221、支撑柱211、弹性件224以及转动块222，微镜单元200具有散热效果好、使用寿命长和可靠性好的特点。

具体地，弹性件224可以为至少一个弹簧，当弹性件224由硅材料制成时，弹性件224为至少一个硅弹簧，如图4结构所示，弹性件224为两个弹簧，每一个压电驱动臂223的一端通过两个弹簧224连接转动块222。

更进一步地，如图2、图5以及图6结构所示，驱动装置220中具有的多个压电驱动臂223绕转动块222的周向均匀分布。

由于驱动装置220的多个压电驱动臂223绕转动块222的周向均匀分布，且压电驱动臂223的一端通过弹性件224与转动块222连接，因此，驱动装置220的多个压电驱动臂223形成以转动块222为圆心的径向辐射状，通过均匀分布的多个压电驱动臂223能够提高驱动装置220的动作准确性及稳定性。

在上述各种微镜单元200的基础上，根据驱动装置220的压电驱动臂223的数量可以具有以下两种实施方式：

方式一，如图2以及图4结构所示，驱动装置220包括延伸方向经过转动块222中心的第一压电驱动臂2231、第二压电驱动臂2232、第三压电驱动臂2233和第四压电驱动臂2234，其中，第一压电驱动臂2231的延伸方向与第二压电驱动臂2232的延伸方向平行，第三压电驱动臂2233的延伸方向与第四压电驱动臂2234的延伸方向平行，且第三压电驱动臂2233的延伸方向与第一压电驱动臂2231的延伸方向垂直。

上述驱动装置220包括绕转动块222的周向均匀分布的四个压电驱动臂223，四个压电驱动臂223的一端均通过弹性件224与转动块222连接，通过控制向第一压电驱动臂2231、第二压电驱动臂2232的上电极及下电极施加的电压时，能够控制转动块222以与第一压电驱动臂2231的延伸方向垂直的轴线为中心线朝向第一压电驱动臂2231或第二压电驱动臂2232转动，同理，通过控制向第三压电驱动臂2233、第四压电驱动臂2234的上电极及下电极施加的电压时，能够控制转动块222以与第三压电驱动臂2233的延伸方向垂直的轴线为中心线朝向第三压电驱动臂2233或第四压电驱动臂2234转动，同时控制向四个压电驱动臂223的上电极和下电极施加的电压时，还能控制转动块222朝其它方向的转动，进而带动镜片210进行旋转以调节镜片210的偏转角度。

压电驱动臂223的形状也不局限于上述驱动装置220中提到的形状，如图2中的压电驱动臂223为矩形，而为了提高驱动装置220整体结构的固有频率，可将上述方式一中压电驱动臂223的形状从矩形变为锥形，图7a中的压电驱动臂223可看做锥角为0°的锥形压电驱动臂，图7b中压电驱动臂220的锥角为10°，图7c中压电驱动臂220的锥角为20°，图7d中压电驱动臂220的锥角为30°，图7e中压电驱动臂220的锥角为40°。

方式二，如图5以及图6结构所示，驱动装置220包括延伸方向经过转动块222中心的第五压电驱动臂2235、第六压电驱动臂2236和第七压电驱动臂2237，其中，第五压电驱动臂2235的延伸方向与第六压电驱动臂2236的延伸方向之间所呈角度为120°，第五压电驱动臂2235的延伸方向与第七压电驱动臂2237的延伸方向之间所呈角度为120°，第六压电驱动臂2236的延伸方向与第七压电驱动臂2237的延伸方向之间所呈角度为120°。

上述驱动装置220包括绕转动块222的周向均匀分布的三个压电驱动臂223，并且每相邻的两个压电驱动臂223的延伸方向之间所呈角度均为120°，三个压电驱动臂223的一端均通过弹性件224与转动块222连接，通过控制向三个压电驱动臂223的上电极及下电极施加的电压时，能够控制转动块222分别以三条轴线为中心线进行转动，三条轴线为分别垂直于三个压电驱动臂223的延伸方向的轴线，进而带动镜片210进行旋转以调节镜片210的偏转角度。

如图2、图5以及图6结构所示，上述微镜单元200中的镜片210可以为圆形镜片210或方形镜片210，镜片210的形状并不限于圆形和方形，还可以根据实际需要选择其它形状的镜片210。

同时，如图8a以及图8b结构所示，本发明还提供了一种微镜阵列2，该微镜阵列2包括多个上述实施例提供的任意一种微镜单元200，多个微镜单元200呈阵列分布，如图8a以及图8b中分别具有阵列分布的25个微镜单元200，微镜阵列2还可以根据实际使用情况包括任意数量的阵列分布的微镜单元200。

微镜阵列2采用上述微镜单元200进行阵列分布时，由于上述微镜单元200的镜片占空比高，因此，在单位面积上能够集成更多的微镜单元200，进而提高微镜阵列2的集成度，在微镜单元200数量不变的情况下能够减小微镜阵列2所占的体积。

本发明还提供了一种光交叉连接模块，该光交叉连接模块包括上述实施例提供的微镜阵列2。

当光交叉连接模块采用上述微镜阵列2时，在微镜单元200的镜片占空比高的情况下，不仅在单位面积上能够集成更多的微镜单元200，同时还有利于通过微镜阵列2组装多端口的光交叉连接模块。

另外，如图9所示，本发明还提供了一种上述实施例提供的任意一种微镜单元200的制备方法，具体包括：

步骤s21，形成镜片结构和驱动结构，其中，镜片结构包括镜片210和位于镜片210一侧的支撑柱211；驱动结构包括衬底和形成于衬底朝向镜片210一侧的多个压电驱动臂223；衬底包括底板301、第一二氧化硅层302和单晶硅层303，单晶硅层303用于形成转动块222和弹性件224；多个压电驱动臂223设置于转动块222的周边，每一个压电驱动臂223的一端与转动块222之间通过弹性件224连接，且压电驱动臂223包括上电极、下电极、以及夹设在上电极和下电极之间的压电材料，具体形成过程中所对应的结构示意图可参考图12a-12d、图13a以及图13b中结构所示；

步骤s22，将支撑柱211与转动块222键合固定；

步骤s23，对驱动结构的底板进行刻蚀形成支撑框221，且将第一二氧化硅层302与弹性件224、转动块222以及每一个压电驱动臂223的至少一部分相对的部位去除以形成驱动装置220，如图15a以及图15b结构所示，通过对底板进行刻蚀形成支撑框221，并将底板与弹性件224、转动块222以及每一个压电驱动臂223相对的部位去除以形成驱动装置220。

一种具体的实施方式中，如图10所示，形成驱动装置220的步骤s21中：

在将支撑柱211与转动块222键合固定之前，包括：

步骤s211，在衬底的单晶硅层303背离底板301的一侧依次沉积第二二氧化硅层304、下电极305、压电材料层306和上电极307，如图12a结构所示依次形成在单晶硅层303上的第二二氧化硅层304、下电极305、压电材料层306和上电极307；

步骤s212，刻蚀上电极305、压电材料层306、下电极307和第二二氧化硅层304，以形成多个压电驱动臂223，如图12b以及图12c结构所示；

步骤s213，刻蚀单晶硅层303，以形成弹性件224和转动块222，如图12d结构所示，通过刻蚀单晶硅层303，使压电驱动臂223的一端通过弹性件224连接转动块222。

在将支撑柱211与转动块222键合固定之后，包括：

步骤s214，将第一二氧化硅层302与弹性件224、转动块222以及每一个压电驱动臂223的至少一部分相对的部位去除，以形成驱动装置220，如图15a以及图15b结构所示。

具体地，如图11所示，形成镜片结构的步骤，包括：

步骤s218，刻蚀衬底的单晶硅层403，以形成支撑柱211，如图13b结构所示，衬底结构如图13a结构所示，衬底包括底板401、第一二氧化硅层402和单晶硅层403；

更进一步地，步骤s22，将支撑柱211与转动块222键合固定中，键合为低温键合，如图14结构所示的键合固定的支撑柱211与转动块222。

由于支撑柱211与转动块222之间通过低温键合，因此，能够提高支撑柱211与转动块222之间的键合质量和键合强度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。