专利名称：数字控制自定位自由空间微机械光开关的制作方法
技术领域：
本发明是一种光开关器件，用于光纤通信网中光交叉连接，属于半导体微器件制造的技术领域。
背景技术：
随着全社会信息化水平不断提高，当前光纤通信网中光-电-光的交换方式已经成为进一步扩大通信容量的“电子瓶颈”，全光交换是光纤通信网的发展方向，光交叉连接是实现全光交换的关键，光开关是光交叉连接设备中的核心器件。
近年来，随着应用要求的提高和科学技术的发展，人们研究开发了多种基于不同材料和物理效应的光开关，如固态波导光开关、液晶光开关、全息光开关、热光开关、半导体放大器光开关、微电子机械系统(MEMS，简称微机械)光开关等。其中MEMS光开关可以用类似集成电路的工艺批量生产，可以与控制电路制造于一体，体积小，成本低。MEMS光开关的特性与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等无关，在损耗和扩展性上也优于其他类型的光开关，因此MEMS光开关及其阵列最有可能成为核心光交换器件中的主流，已经成为光开关研究领域中最受关注的一个发展方向。
MEMS光开关利用微机械加工获得的微反射镜来实现光路的转换，主要有二维和三维两种类型。二维MEMS光开关是指入射光束和出射光束处于同一平面内，光开关只能在该平面内改变光的传播方向。因此在二维MEMS光开关的应用中，微反射镜和输入光纤、输出光纤位于同一个平面内，微反射镜只有进入和退出光路两种状态，分别对应着光路的反射和直通，一个N×N的开关阵列可以连接N条输入光纤和N条输出光纤。对二维MEMS光开关的控制只需施加足够的驱动电压使微镜发生动作即可，控制电路简单，但当要构成大型光交换阵列时，所需要的开关数很多，因此二维MEMS光开关主要应用在端口数较少的交换矩阵中。
三维MEMS光开关是指用以转换光路的微反射镜可以绕其所在平面内的两个正交轴偏转，通过控制两个偏转角，可以将入射光在三维空间内按需要的角度反射出去，因此这种光开关也被称为自由空间光开关。在三维MEMS光开关的应用中，输入光纤和输出光纤各自排成二维阵列，两组光开关各自也排成二维阵列，其中一组光开关与输入光纤一一对应，称为输入开关组，另一组光开关与输出光纤一一对应，称为输出开关组。来自输入光纤的入射光照射在输入开关组中与该输入光纤相对应的微反射镜上，控制该反射镜的偏转角，使其反射光照射在输出开关组中与指定输出光纤相对应的微反射镜上，再控制该反射镜的偏转角，使其反射光照射在相应的输出光纤上，从而实现任意输入光纤与任意输出光纤的光交叉连接。
三维MEMS光开关的应用方式表明，实现N条输入光纤与N条输出光纤的光交叉连接只需要2N个光开关。因此在端口数较多的交换矩阵中主要使用三维即自由空间光开关阵列。
由上可见，经自由空间光开关反射的光能否照射在输出光纤上，决定了光交叉连接功能能否实现，而照射的准确度决定了光交叉连接的性能，即插入损耗。为了精确地控制反射光的方向，需要精确地控制光开关的两个偏转角。迄今人们主要通过对偏转角的检测和闭环控制解决这一问题，即在微反射镜的下方设置两组检测和控制电极，每一组检测电极检测微反射镜绕一个轴的转角，再通过相应的控制电极施加驱动力使微镜稳定在所需要的转角上。由于微镜的尺寸较小，微镜与检测电极之间形成的电容很小，微镜偏转角变化时产生的电容变化量更小，其准确检测较为困难。另一方面，响应时间是光开关的又一项重要性能指标，它在很大程度上取决于该闭环回路的动态特性，回路需要一定的校正网络。这些都导致微反射镜偏转角的检测和反馈控制电路相当复杂，当光开关用于一定规模的阵列时，各单元电路之间的相互干扰将使电路的设计和实现更趋复杂，因此其全部检测控制电路的复杂性激增，且规模庞大。
发明内容
技术问题；针对MEMS器件尺寸小，电容变化微弱，检测困难，因而自由空间MEMS光开关反射角的精确控制困难的问题，本发明从结构设计上加以解决，提供一种数字控制自定位自由空间微机械光开关，实现反射镜面的固定角度偏转和自动定位，去除复杂的角度检测与控制电路，实现自由空间MEMS光开关的直接数字控制。
技术方案在微镜和框架背面的适当位置设置一种凸台结构，只要在衬底电极上施加相对足够的电压，镜面和框架就会偏转直至凸台和衬底接触。
本发明由左支撑点、右支撑点，左支撑梁、右支撑梁、上支撑梁、下支撑梁、框架、反射镜面所组成；其中，反射镜面位于框架的中间，左支撑梁的两端分别与框架的外侧及左支撑点相固定，右支撑梁的两端分别与框架的外侧及右支撑点相固定；上支撑梁的上端固定在框架内的上部，上支撑梁的下端固定在反射镜面的上端，下支撑梁的下端固定在框架内的下部，下支撑梁的上端固定在反射镜面的下端。在框架和反射镜面的背面分别设有外凸台和内凸台。
1.结构 国内现行的两层多晶硅表面工艺只提供一层结构层，且厚度单一，这就决定了微反射镜与其支承结构具有相同厚度。为了与这种工艺条件相适应，本发明采用双轴外支承，微镜内置的总体结构。
在本发明的总体结构中，结构的支撑点也为固定端，中间的大平面为反射镜面，它通过内梁与框架联接，框架再通过外梁与固定点联接。微镜可以相对于框架绕内梁(Y轴)扭转，从而在XOZ平面内改变光束的传播方向，也可与框架一起相对于基座绕外梁(X轴)扭转，在YOZ平面内改变光束的传播方向。当微镜同时绕内梁和外梁扭转时，可在三维空间内改变光的传播方向，从而用单个器件就可以实现一路输入光向八个输出方向的分配或八路输入光向一个输出方向的复用。
为了使镜面达到一定的扭转角度而又要求较小的驱动力，同时减小整个器件占用的面积，将内梁和外梁设计成方波结构以减小其扭转刚度，并且结构紧凑。
2.驱动本发明采用静电驱动方式，其实现结构简单、可靠，尤其适于批量加工和机电集成。
在布置于器件衬底上的电极和器件可动结构之间施加电压，则在两者之间就会产生静电吸引力，控制不同的衬底电极与器件可动结构之间静电吸引力的相对大小，就可以对可动结构产生适当的扭转力矩，从而使其绕相应的轴产生扭转。
在双轴微镜主体结构下方的衬底上，布置驱动电极，包括用以驱动框架的外电极和用以直接驱动镜面的内电极。由两个外电极对框架产生的静电吸引力之差使框架连同镜面绕外梁扭转，由两个内电极对镜面产生的静电吸引力之差使镜面绕内梁相对于框架扭转，若两个外电极对框架的吸引力、两个内电极对镜面的吸引力同时存在一定差值，则镜面同时绕内梁和外梁扭转。
3.定位在基于双轴微反射镜的光路交换中，一个突出的问题是需要精确控制镜面的扭转角度，以便将入射光精确地反射至出射光纤。在连续偏转(即偏转角可连续变化)的双轴微反射镜中，必须通过角度检测和闭环控制达到这一目的，即在镜面和框架之下的衬底上同时设置检测电极和控制电极，借助检测电极检测镜面偏转角，再通过控制电极调整或稳定该角度于所需值。
由于在实际的光交换应用中反射镜的偏转角均为离散值(即不需要连续变化)，本发明借助平面微加工工艺带来的便利，在微镜和框架背面的适当位置设置一种凸台结构，这样只要在衬底电极上施加相对足够的电压，镜面和框架就会偏转直至凸台和衬底接触，使镜面偏转固定角度，实现自动定位。这种自定位结构既保证了镜面转角的精确性和重复性，又省去了复杂的检测控制电路，另外还可以防止偶然原因导致镜面或框架与衬底粘合，这对于由表面工艺加工的器件来说是一个常见和棘手的问题。
这种基于凸台结构的双轴微反射镜可以在数字量控制下实现1∶8或8∶1的光路转换，用多个同类器件组合，可以实现一定规模的可数字控制的光交叉连接阵列。
4.反射层 为了提高镜面的反射能力，在多晶硅结构层上镀一层金属，鉴于国内表面加工工艺的实际情况，金属Al比Au更易于溅射并附着在多晶硅表面，本发明采用金属Al作为镜片的金属反射层。镜面反射率随着金属层厚度的增加而上升，但过厚的金属层会对结构的力学特性产生不利影响，取铝层厚度50nm，以减小镜面金属层对整个器件结构和力学性能的影响同时易于加工实现。
有益效果本发明克服了MEMS器件尺寸小因而电容变化微弱所导致的反射镜面偏转角度的检测和控制困难的问题，借助微机械平面工艺带来的便利，在微镜和框架背面设置一种凸台结构，只要在衬底电极上施加相对足够的电压，镜面和框架就会偏转直至凸台和衬底接触，达到自动定位。这种自定位结构既保证了镜面转角的精确性和重复性，又省去了复杂的检测控制电路，实现了数字控制下的自由空间光交叉连接。另一方面，自定位凸台也能够防止偶然原因导致镜面或框架与衬底粘合，从而避免发生这一在表面工艺加工的器件中常见和棘手的问题。
用这种器件构成一定规模的阵列，可以实现多路光交叉连接的直接数字控制，避免了用模拟控制自由空间光开关实现光交换阵列时庞大和复杂的模拟电路带来的体积、重量、功耗、成本和可靠性等问题。
图1为本发明的器件正面视图。其中有左支撑点1，右支撑点6，左外支撑梁2，右外支撑梁5，内上支撑梁3，内下支撑梁8，框架4，反射镜面7。
图2为本发明的器件反面视图。其中有内凸台71，外凸台41。
图3为本发明的器件衬底上的电极分布图。其中有内电极91，外电极92。
具体实施例方式
在结构上，本发明的数字控制自定位自由空间微机械光开关，由左支撑点1、右支撑点6，左支撑梁2、右支撑梁5、上支撑梁3、下支撑梁8、框架4、反射镜面7组成双轴微镜主体结构；其中，反射镜面7位于框架4的中间，左支撑梁2的两端分别与框架4的外侧及左支撑点1相固定，右支撑梁5的两端分别与框架4的外侧及右支撑点6相固定；上支撑梁3的上端固定在框架4内的上部，上支撑梁3的下端固定在反射镜面7的上端，下支撑梁8的下端固定在框架4内的下部，下支撑梁8的上端固定在反射镜面7的下端。在框架4和反射镜面7的背面分别设有外凸台41和内凸台71。在双轴微镜主体结构下方的衬底上，布置驱动电极，包括用以驱动框架的外电极92和用以直接驱动镜面的内电极91。
本发明的数字控制自定位自由空间MEMS光开关已由多晶硅表面微加工工艺实现，具体工艺步骤如下第一步清洗衬底硅片晶圆，分别淀积氧化硅(厚度3000埃)、氮化硅(厚度2000埃)和第一层多晶硅(厚度3000埃)；涂光刻胶，套准光刻衬底电极和引线图案，反应离子刻蚀第一层多晶硅，去胶清洗。
第二步淀积PSG牺牲层(厚度2微米)，涂光刻胶，套准光刻凸台图案，反应离子刻蚀PSG牺牲层(3000埃)，去胶清洗。
第三步涂光刻胶，套准光刻支撑柱图案，反应离子刻蚀PSG牺牲层，去胶清洗。
第四步淀积第二层多晶硅(厚度2微米)，淀积PSG薄膜层，高温退火热处理。
第五步涂光刻胶，套准光刻结构图案，反应离子刻蚀第二层多晶硅，去胶清洗。
第六步涂光刻胶，套准光刻镜面图案，溅射50纳米厚铝金属膜，去胶清洗。
第七步在KOH溶液中腐蚀PSG牺牲层，释放结构并作防粘附处理。
根据以上所述，便可实现本发明。
权利要求
1.一种数字控制自定位自由空间微机械光开关，其特征在于由左支撑点(1)、右支撑点(6)，左支撑梁(2)、右支撑梁(5)、上支撑梁(3)、下支撑梁(8)、框架(4)、反射镜面(7)组成双轴微镜主体结构；其中，反射镜面(7)位于框架(4)的中间，左支撑梁(2)的两端分别与框架(4)的外侧及左支撑点(1)相固定，右支撑梁(5)的两端分别与框架(4)的外侧及右支撑点(6)相固定；上支撑梁(3)的上端固定在框架(4)内的上部，上支撑梁(3)的下端固定在反射镜面(7)的上端，下支撑梁(8)的下端固定在框架(4)内的下部，下支撑梁(8)的上端固定在反射镜面(7)的下端。
2.根据权利要求1所述的数字控制自定位自由空间微机械光开关，其特征在于在框架(4)和反射镜面(7)的背面分别设有外凸台(41)和内凸台(71)。
3.根据权利要求1所述的数字控制自定位自由空间微机械光开关，其特征在于在双轴微镜主体结构下方的衬底上，布置驱动电极，包括用以驱动框架的外电极(92)和用以直接驱动镜面的内电极(91)。
全文摘要
数字控制自定位自由空间微机械光开关是一种光开关器件，用于光纤通信网中光交叉连接，由左支撑点(1)、右支撑点(6)，左支撑梁(2)、右支撑梁(5)、上支撑梁(3)、下支撑梁(8)、框架(4)、反射镜面(7)组成双轴微镜主体结构；其中，反射镜面(7)位于框架(4)的中间，左支撑梁(2)的两端分别与框架(4)的外侧及左支撑点(1)相固定，右支撑梁(5)的两端分别与框架(4)的外侧及右支撑点(6)相固定；上支撑梁(3)的上端固定在框架(4)内的上部，上支撑梁(3)的下端固定在反射镜面(7)的上端，下支撑梁(8)的下端固定在框架(4)内的下部，下支撑梁(8)的上端固定在反射镜面(7)的下端。
文档编号H04B10/12GK1661413SQ20051003813
公开日2005年8月31日 申请日期2005年1月18日 优先权日2005年1月18日
发明者李宏生, 黄继伟 申请人:东南大学