专利名称：用于光学开关的光学滑闸系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种光学通信系统。更特别地，本发明的系统和方法涉及一种光学滑闸(shuttle)系统，其可以用在光学通信系统内的光学开关中。
背景技术：
现代通信系统包括可以使用大量带宽的光学通信系统。为了提高效率，许多光学通信系统使用了光学开关。这些光学开关有时使用基于微机电(MEMS)技术的光学多路复用器，可以从光导纤维源将输入信号插入或分出到不同的光导纤维输出端口。这些光学开关还可以包括固定着选择路径波导结构的滑闸机构，以及物理移动滑闸机构的致动器。
常规的光学开关通常对光学开关和光学开关致动器使用独立的部件。另外，常规的滑闸系统使用热操作致动器来控制光学通信系统中的切换功能。例如，当滑闸机构形成切换元件时，热驱动热致动器，从而使得滑闸系统在切换位置之间移动。然而，这种构造需要热致动器克服滑闸机构的悬臂以及热致动器本身两者的回复力。因此，需要有很高的致动力和很长的位移距离以充分驱动滑闸机构。结果，高的致动力需要高的电力消耗，而长的位移距离需要在光学开关上使用长的热致动器。因此，需要在切换系统中增加空间，从而造成了光学开关内变形成不平坦的趋势增大。
发明内容
基于上面讨论的问题，光学开关中需要有改进的光学滑闸系统，该系统能够不消耗大量的电力并且可以减小光学通信系统中的空间约束。
根据本发明的不同示范实施例，光学开关将光学滑闸系统嵌入带有锁闭机构的集成致动器中。光学开关可以用MEMS微制造技术形成。
在不同的示范实施例中，用于在通信系统中给信号选择路径的光学滑闸系统包括，连接到电源的接头，包含用于信号路径选择的波导的滑闸，以及连接到接头和滑闸的梁，所以梁悬起滑闸。当从电源施加电力给接头的时候，该梁驱动滑闸移动。
在不同的可选示范实施例中，使用光学滑闸系统在通信系统中选择信号路径的方法包括，将接头连接到电源上，将滑闸连接到梁上从而悬起滑闸，以及从电源施加电力给接头，使得梁在基本上垂至于梁方向的方向驱动滑闸运动。
为完全驱动光学滑闸系统将不再需要上面说到的长的位移距离，因为使用了热致动来驱动滑闸(而不是静电操作的致动器)，而且是将滑闸嵌入梁中作为集成的热致动器。例如，只使用致动器和滑闸来驱动切换动作，而不再需要静电操作的致动器。因为热致动给予了比静电操作致动器更大的力，根据本发明将在光学滑闸系统中组合的梁和滑闸可以提高零件的可靠性并减少了电力消耗。
在不同的可选示范实施例中，光学滑闸系统可以与锁闭机构一起使用。
在不同的可选示范实施例中，热致动器可以是预先成形的梁，用来驱动光学滑闸系统。该滑闸上可以包括有光学元件，例如光波导。当有电力，即有电流作用于光学滑闸系统的时候，电流经过梁造成了梁的热膨胀。梁的热膨胀使得光学滑闸系统中的滑闸被驱动至预定位置。当滑闸到达预定位置时，一组热致动器会锁闭滑闸。锁闭滑闸的热致动器随后用电流重新加热从而释放开滑闸，然后这又使滑闸在梁致动器的回复力作用下被驱动返回其初始位置。
下面将参考附图详细叙述根据本发明系统和方法的不同示范实施例，其中图1为光学通信系统的示意图；图2为可以用在图1所示光学通信系统中的光学开关的示意图；图3为可以用在图1所示光学通信系统中的常规光学滑闸装置和致动器的示意图；图4为图3中的常规光学滑闸装置和致动器位于已位移的位置的示意图；图5为根据本发明所使用的光学滑闸系统的第一实施例的示意图；图6为根据本发明所使用的光学滑闸系统的第二实施例的示意图；图7为根据本发明所使用的光学滑闸系统的第三实施例的示意图；以及图8的示意图表示出了本发明光学滑闸系统使用的梁的变形。
具体实施例方式
本发明总体涉及一种光学开关的系统和方法，该开关包括用于光学通信系统的光学滑闸系统。为了方便，将使用在光学通信系统中与光插/分多路复用器相关的光学开关来论述本发明的实施例。然而应当理解，对于熟悉本领域的技术人员，本发明的系统和方法可以与光学通信系统中的任何零件一起使用，这并没有脱离本发明的精髓和范围。
图1是光学通信系统的示范性示意图。在不同的示范实施例中，光学通信系统可以是光插/分复用器100。如图1所示，光插/分多路复用器100可以从单光导纤维接收具有多个光信号通道的不同波长的输入光信号110。输入的光信号110由多路分用器120根据光信号通道112的波长将多路分用成为独立的光信号通道112。一旦输入的信号被多路分用，各个独立的光信号通道112会遇到多个光学开关230中的某一个。光学开关230会接通或者分出相应的光信号通道112的一个。对于任何被分出的光信号通道，会由光学开关230插入新的信号114，从而再利用这个通道。被光学开关230接通或者插入的通道116由多路复用器140再多路复用为输出光信号150并输出到另一个单光导纤维。因为光插/分多路复用器100可以分出和插入光信号通道，输出的光信号150与输入的光信号110相比，可包含修改的数据流。
图2是光学开关230的示范示意图，它可以用在图1所示的光通信系统中。如图2所示，光学开关230可以用作波导开关或者光学转换开关。光学开关230包括带有多个波导234的滑闸232。对应于光插/分多路复用器100中某一个通道112的输入波导222，以及用于传送要被插入的新信号114的波导242，布置在波导234的一端。同样，对应于光插/分多路复用器100中的一个通道116的输出波导224以及用于分出信号的波导228位于在波导234的另一端。
如图2中的箭头所示，滑闸232可以靠一对致动器236横向被驱动或移动。致动器236可以是任何适合的类型，例如，热致动器、静电致动器、磁致动器或者压电致动器。波导234被构造为使得滑闸232的横向移动会在用一个波导234将输入波导222和输出波导224连接起来以及用一个波导234将传送新信号114的波导242和输出波导224连接起来这两个状态之间切换。为了分出输入波导222的信号，波导234中的一个可以连接到输入波导222并连接至波导228。
图3是常规光学滑闸的装置300的示意图，可以用于图2中的光学开关230。如图3所示，光学滑闸装置300包括带有刚性的热致动器310，致动器头306和弹簧302。该致动器头306连接着热致动器310。弹簧302连接着滑闸232，并且也被紧固在光学开关230上(图2中示出)。弹簧302具有阻力或刚性，因此悬起滑闸232使得它在驱动时可以正确地导向。光学滑闸装置300还包括连接着热致动器310的电接头308。光学滑闸装置300还包括连接着电接头312的闭锁热致动器304。
图3中的光学滑闸装置300位于非闭锁位置，因此电接头308上没有电力作用，并且热致动器310没有离开收缩位置或平衡位置。此外，致动器头306不接触滑闸232。但是，当电力作用于电接头308时，热致动器310中发生热膨胀，使得热致动器310离开收缩位置。当热致动器310移动时，致动器头306与滑闸232相接触并且将滑闸232从未锁闭位置(图3中所示)驱动至锁闭位置(图4中所示)。因为滑闸232包括带有波导234的光学元件，当光学滑闸装置300被致动器头306驱动时，它作为切换开关控制滑闸232上的波导234与光插/分多路复用器100中不同的波导对齐。这个功能控制着光通信系统中光学信号的方向。
图4是图3中的常规光学滑闸装置300位于已移动位置的示意图。如图4所示，当有电力作用于电接头308后，热致动器310移动从而使得致动器头306接触滑闸232。因为热致动器310移出了平衡位置，克服了在热致动器310中产生回复力的刚性(或阻力)从而移动滑闸232。另外，如图4中所示，弹簧302也被折弯并移动，使得滑闸232的移动克服弹簧302中的回复力。折弯的弹簧302还提供了回复力，以使滑闸232返回其平衡位置。一旦滑闸232被驱动至其预定位置，通过给电接头312提供电力，使得锁闭热致动器304致动锁闭装置314，将滑闸232保持在适当位置，从而将滑闸232保持在预定的位置。
通过从电接头312移除电力，光学滑闸装置300返回其平衡位置，从而克服了弹簧302和热致动器310中的回复力。因此，光学滑闸装置300返回到图3中所示的位置。
图5是根据本发明所使用光学滑闸系统500的第一实施例的示意图。光学滑闸系统500可以形成在硅芯片的特定位置上。如图5中所示，两个梁502连接在电接头508和滑闸232上，另两个梁503连接在电接头509和滑闸232上。梁502和503固定在电接头508和509以及滑闸232上。梁502和503也可以预先成形并可以由硅构成，从而在梁502和503中提供刚性。如果使用硅形成梁502和503，可以采用掺杂剂掺杂硅梁，增加梁502和503的导电。
电接头508构造为正极电接头，而电接头509构造为负极电接头。当有电力时，即有电压作用于电接头508和509时，电流I从电接头508，流经梁502和503，流向电接头509。电流I造成梁502和503中发生热膨胀，最终形成的力将滑闸232(以及波导234)驱动至预定的位置。一旦滑闸232被驱动至预定的位置，通过给电接头312提供电力，使得锁闭热致动器304致动锁闭装置314，将滑闸232保持在预定位置，从而将滑闸232锁定在适当位置。即使从电接头312移除电力的时候，锁闭装置314仍可以将滑闸232保持在非平衡位置。要让光学滑闸系统500返回平衡位可以通过对电接头312再作用电力，让锁闭装置314释放滑闸232，梁502和503中的回复力会使滑闸232返回其未锁闭的位置。
图6是根据本发明所使用光学滑闸系统500的第二实施例的示意图。如图6中所示，光学滑闸系统包括梁对602，它具有第一梁602a和第二梁603b，第一梁602a和第二梁603a在电接头608和滑闸232之间的位置用连杆602c连接在一起。该梁对602也连接着电接头608和滑闸232。电接头608包括第一和第二电接头608a和608b，分别对应各个梁对602中的梁602a和602b。如上面在第一实施例中所述的，梁对602中的第一和第二梁602a和602b(以及连杆602c)可以预先成形并可以由硅构成。可以将各组电接头608a和608b构造成第一电连接焊点608a为正极电接头，而第二电连接焊点608b为负极电接头。因此，当通过电接头608a和608b在梁对602上作用电力的时候，电流I在第一梁602a中流向滑闸232，通过连杆602c，然后通过第二梁602b离开滑闸返回第二电接头608b。结果造成梁对602中的热膨胀，梁对602将滑闸232驱动至预定位置。一旦滑闸232被驱动至预定位置，滑闸232可以锁闭在适当位置并随后使用图5中所述的方法返回其平衡位置。
图7是根据本发明所使用光学滑闸系统500的第三实施例的示意图。如图7所示，梁702通过第一连杆702a和第二连杆702b连接在电接头708的一端上。梁702的另一端连接在滑闸232上。电接头708包括分别对应连杆702a和702b的电接头对708a和708b。第一和第二连杆702a和702b可以用硅构成，梁702可以预先成形并且也可以由硅构成。各组电接头708a和708b可以构造成为一个电接头708a为正极电接头，而另一个电接头708b为负极电接头。因此，当电力通过电接头708a和708b作用在梁702上的时候，电流从第一连杆702a流至第二连杆702b。因为梁702连接到连杆702a和702b，在梁702中产生了热膨胀。因此，梁702将滑闸232驱动至预定位置。一旦滑闸被驱动至预定位置，滑闸可以被锁闭在适当位置，并且随后使用上面所述的方法返回平衡位置。
因为本发明的实施例没有使用弹簧、热致动器以及致动器头结合使用(如图3和4中常规滑闸装置中所示)，而替代使用，例如硅梁作为致动器和悬臂，本发明的光学滑闸系统没必要将作为独立装置的悬臂和热致动器的回复力都克服。因此，不需要高的致动力和长的位移距离以充分驱动滑闸机构，从而使得该装置相对于常规的滑闸装置消耗的电量更低。另外，该光学滑闸系统在开关系统中利用了最小的空间，从而减小了光学开关内变形成不平坦的趋势。
如果用硅来形成长的梁，相比较带有同样截面面积的短的梁，移动滑闸至预定位置所需要的驱动力更小。另外，可以通过增加梁长度和减小梁中电流量的方法来增加滑闸的位移。锁闭装置、滑闸和光学滑闸系统的光学元件可以使用自对准的光刻方法形成。因此，x-y平面中滑闸波导和固定波导之间的对准非常理想。本发明光学滑闸系统的系统性能也可以改善，因为使用电流可以容易地监控热引起的滑闸移动以控制梁。
图8的示意图表示出了本发明光学滑闸系统所使用的梁的变形。图表表示出了如上所述的当电流通过梁时滑闸位移与温度的关系。用来获得图8A所示结果的梁构造包括4个硅梁802，尺寸为1200μm×2μm×3.5μm。用来获得图8B所示结果的梁构造包括8个硅梁804，尺寸为1200μm×2μm×3.5μm。硅梁的理想偏转量为14μm，可以在大约500℃至600℃之间的温度获得。图8A-8B中的结果表示出了梁偏转和温度的非线性关系。确定梁的偏转应当考虑轴向应力或应变，因为不能单独只用梁偏转准确地分析梁变形。
根据本发明的光学开关系统和方法，其制造可以通过例如平版印刷的方法限定出对应于梁第一状态(或者平衡状态)的具有特定形状的梁。任何已知的光刻技术都可以使用。光刻方法可以准确制造出梁的特征，例如形状和几何结构。
同样的，梁的几何结构将会限定出梁的第二状态(或者非平衡状态)。因此，根据本发明的不同示范实施例，其制造方法可以包括确定梁第一状态以及梁第二状态，通过光刻方法限定出具有特别几何结构的梁。特别几何结构包括一个或多个预定的长度、一定宽度、高度和曲率。应当理解，也可以用制造梁的材料层的厚度来确定高度。
同样，也可以用光刻的方法限定具有预定几何结构的梁，以确定出梁的其他不同特征。例如，可以限定梁的几何结构以确定落差距离和/或梁的力曲线。虽然也可以使用其他类似的制造技术，但用同样的技术制造整个系统是更有利的，例如需要较少的独立方法步骤从而简化了制造过程。
如上所述的，可以在绝缘体上硅晶片的器件层中形成图案从而用光刻的方法限定出光学开关。在器件层和基底之间的绝缘体层可以部分蚀刻而释放，例如，梁，而部分绝缘体层仍将梁固定在基底上。固定梁的那部分绝缘体可以形成图案并且进行蚀刻从而限定出梁的理想边界条件。
在文件号为6,379,989和6,362,512以及US2003/0210115的美国专利文件中介绍了适于制造梁的示范技术，可以在这里结合整体参考。
通常，多晶硅表面微机械加工所使用的二维平面制造工艺步骤，和集成电路(IC)制造工业中制造微机电或微机械装置的相同。标准的结构单元进程包括在基底上沉积并用光刻方法形成图案交互层。交互层包括低应力多晶体硅(也称为多晶硅)和基底上的牺牲材料，例如二氧化硅。蚀刻穿过牺牲层的通路在基底上和多晶硅层之间提供了固定点。在多晶硅层上形成图案从而构成了微机械加工装置的机械元件。因此该机械元件通过一系列的沉积和图案形成处理步骤一层一层地形成。二氧化硅层随后通过曝露于选择蚀刻剂例如氢氟酸(HF)而移除，而它并不会损害多晶硅层。这样释放出了在多晶硅层中形成的机械元件而将其移出。
权利要求
1.一种光学滑闸系统，用于在通信系统中给信号选择路径，包括接头，连接到电源；滑闸，包括用于给信号选择路径的波导；以及连接到接头和滑闸的梁，使得梁悬起滑闸，当从电源施加电力给接头的时候，梁驱动滑闸移动。
全文摘要
一种用于在通信系统中给信号选择路径的光学滑闸系统，包括连接着电源的接头，包含用于给信号选择路径的滑闸，以及连接着接头和滑闸的梁，使得梁悬起滑闸。当从电源施加电力给接头的时候，梁驱动滑闸移动。另外，还涉及一种使用光学滑闸系统在通信系统中选择信号路径的方法，该方法包括将接头连接到电源上，将滑闸连接到梁上从而悬起滑闸，以及从电源施加电力给接头，使得梁驱动滑闸，以基本上垂直于梁方向的方向移动。
文档编号G02B6/35GK1715977SQ20051008099
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者F·杨, J·A·库比, A·T·特兰, J·马 申请人:施乐公司