专利名称：带埋置式限束通道的光学mems切换阵列及其操作方法
技术领域：
发明内容涉及电子与光学开关。具体而言，发明内容描述了低功耗锁式微磁性开关及其配制与操作方法，还描述了具有埋式限束通道以利用有关方法尽量减小光失准与光衰减的光学开关阵列。
背景技术：
开关通常是电控型双态器件，在电路或光路中使能打开与闭合而操纵器件。例如，一般可将继电器用作开关，用于激励或去激电学、光学或其他器件部分。继电器通常应用于众多场合，包括电信、射频(RF)通信、便携式电子装置、消费类与工业电子装置、航空和其他系统。近年来，光学开关(也称“光学继电器”或在本文中简称“继电器”)已用来切换光路间的光信号(如在光纤或其他光通信系统中传播的光脉冲)。
虽然最早的继电器是机械或固态器件，但是近年来微机电系统(MEMS)技术与微电子制造的发展，已能制造出微静电与微磁性继电器了。此种微磁性继电器一般包括一块对衔铁赋能而形成或断开电接触的电磁铁，磁铁去能后，弹簧或其他机械力就使衔铁回复到静止位置。其他静电继电器用可动悬臂与固定电极片的电压差产生静电力而驱动衔铁或悬臂。其他继电器应用了其他驱动机理，如热驱动，形状记忆合金驱动等，但这列继电器一般有若干明显的缺点，它们通常只呈现单一稳定输出(即静态)且不是锁式(即继电器断电后不能保持恒定的输出)。再者，常规微磁性继电器所需要的弹簧会随时间劣化或断裂。
1998年12月8日颁发给TAYLOR等人的美国专利NO.5,847,631描述了一例微磁性继电器，其内容通过引用包括在这里。该继电器包括一永磁铁和一电磁铁，电磁铁产生的磁场与永磁铁产生的磁场间歇地相反。尽管这种继电器号称是双稳态，但是为了保持至少一个输出态，电磁铁要耗电。而且，产生相对磁场所需的功率很大，所以该继电器不适用于航天便携式电子装置和其他要求低功耗的场合。
关于光学开关，另一重要问题涉及对准输入激光。将激光对准光纤或其他元件常用的一般小镜分为两类之一，这里称为“倒装”镜或“垂直滑动镜”。驱动前，“倒装”镜一般平躺，入射光不受小镜影响。驱动后，小镜一般直立而将入射激光束偏转约90度。在继电器输出端，带微透镜的光纤通常留驻在基板上蚀刻的的沟槽中收集激光束。小镜用驱动臂支承，底部的微型铰链提供转轴，也可用弯曲弹簧支承。倒装镜通常用各种机构驱动(如划动驱动、梳理驱动、撞梳驱动、滑齿与梳理驱动、小镜与侧壁的纯静电力、磁力等)。
与驱动时要转动的“倒装”镜不同，垂直滑动镜一般采用特殊的平移法来激励。通常，小镜垂直位于滑板顶部，驱动时滑到止动块预定的位置截断激光束路径使其偏转90度。垂直镜通常用LIGA(RoentgenLIthographieGalvanik Abformungχ射线光刻法、电沉淀与模塑法)工艺或者通过深度反应离子蚀刻(DRIE)再涂覆反射金属而制成。采用LIGA工艺，小镜倾斜量级约为1/1000。采用DRIE工艺，表面光滑度量级约位5nm。
当开关阵列尺寸变大时(如512×512量级)，通常难以将垂直镜反射的激光束对准自由空间里的输出口。假定芯片大小为5cm，则开关尺寸需要为大约5/512，即大约100微米，于是要求对准精度为0.01°量级，所以普通微电子制造技术极难达到这一精度。有源镜细调法能减轻一些问题，但这种调谐会引起其他问题，如制造复杂、电路速度较慢等。除了对准问题，当阵列规模变大时(如传输距离超过1cm时)，激光束的发散变得不能接受。因此，需要创造一种甚至在大型开关结构中也能满足严格设计指标的光学开关。
示例实施例的简要内容一种新颖光学开关器件及其操作方法，通过应用光信号限束通道克服了对准问题。这种光信号限束通道埋置后将光信号限制在期望的传播路径内，使光信号与输出端可靠地对准。可用小角镜将光信号导入预定的光信号限束通道而实现期望的光学切换。小镜可以是锁定微镜或非锁定微镜，可用静电驱动、热驱动或电磁驱动或者任一其他技术控制。
下面通过与附图一起参阅的示例实施例的详述来描述本发明的上述和其他特征与优点，其中用同样的标号表示同样或同类部件图1A与1B分别是示例开关实施例的侧视图与俯视图；图2A～H是开关示例制造技术的侧视图；图3A与3B分别是第二示例开关实施例的侧视图和俯视图；图3C是适用于第二示例开关实施例的示例悬臂的透视图；图3D是包括分段磁敏件的示例开关实施例的透视图；图3E是包括多磁敏件的示例开关实施例的透镜图；图3E是包括多磁敏层的示例悬臂的侧视图；图4A与4B是第三示例锁定继电器实施例的侧视图与俯视图；图4C与4D是适用于第三示例锁定继电器实施例的示例悬臂的透视图；图5是第四示例锁定继电器实施例的侧视图；图6A与6B分别是第五示例锁定继电器实施例的侧视图与俯视图；图7A与7B分别是示例“I型”镜的侧视图与俯视图；图8A与8B分别是水平定向示例“II型”镜的侧视图与俯视图；图8C与8D分别是垂直定向示例“II型”镜的侧视图与俯视图；图8E是第二示例反射镜实施例的侧视图；图8F与8G分别是第三示例反射器/镜实施例的俯视图与侧视图；图9A与9B是示例开关第一状态的侧视与俯视图；图10A与10B是示例开关第二状态的侧视与俯视图；图11是示例5×5光学开关的俯视图；图12A是示例光学十字开关阵列的透视图；图12B(a)与12B(b)是示例光信号限束通道的侧视图；图13是示例光信号路径进入并通过示例光学十字开关阵列的放大透视图；图14A与14B是光信号路径进入并通过居于示例光信号限束通道的示例光学十字开关阵列的方案图的俯视与侧视图，光信号限束通道仅在第一状态的外上方通道表面上有光学镜；图15A与15B是光信号路径进入并通过具有示例光信号限束通道的示例光学十字开关阵列的方案图的俯视与侧视图，光信号限束通道仅在第二状态的外上方通道表面上有光学镜；
图16A与16B是光信号路径进入并通过具有光信号限束通道的示例光学十字开关阵列的方案图的俯视与侧视图，光信号限束通道在第一状态的外上方与内下方通道表面上都有光学镜；图17A与17B是光信号路径进入并通过具有光信号限束通道的示例光学十字开关阵列的方案图的俯视与侧视图，光信号限束通道在第二状态的外上方与内下方通道表面上都有光学镜；图18是示例光学十字开关阵列的透视图，光信号限束通道用于以第一状态将光信号输入光学十字开关阵列；和图19是示例光学十字开关阵列的透视图，光信号限束通道用于以第二状态将光信号输入光学十字开关阵列。
实施例的详细描述应该明白，本文图示和描述的特定实施方法是本发明的实例，不以任何方式限制本发明范围。为简便起见，这里并不详述系统(和系统各操作部分元件)的常规电子线路、制造、MEMS工艺和其他功能方面。同样地，为简便起见，诸附图不示出不同控制机构的各种控制或驱动元件。再者，为简便起见，本文频繁描述的本发明涉及在电气或电子系统中应用的微电子机械加工的继电器。应该明白，可用许多其他制造技术创制本文所述的继电器，而且本文描述的诸技术可以应用于机械继电器、光学继电器或任何其他切换装置。另外，这些技术还适用于电气系统、光学系统、消费类电子设备、工业电子设备、无线系统、空间应用或任何其他应用场合。还应理解，本文所作的空间描述(如“上面”、“下面”、“向上”、“向下”等)，仅用于示例，实际上锁定继电器可用任何方向或方式在空间安置。这些继电器阵列还能以合适的方式与装置通过连接而形成。
锁定开关图1A与1B分别是锁定开关的侧视与俯视图。参照图1A与1B，示例锁定继电器100最好包括磁铁102、基板104、导体114的绝缘层106、触点108和通过分级层110设置在基板上方的悬臂112。
磁铁102是任一类磁铁，如永磁铁、电磁铁或能产生磁场Ho134的其它类磁铁，下面再详述。在一实施例中，磁铁是Dexter磁性技术公司(FremontCalifornia)出售的59-P09213T001型磁铁，当然也可使用其它类磁铁。磁场134能以任何方式与幅值产生，如从1～104奥或更大。在图1实施例中，磁场Ho134基本上平行于继电器轴产生，幅值约370奥，尽管其它实施例将使用变向与变幅的磁场134。在诸实施例中，单块磁铁102可与共用公共基板104的若干继电器100一起使用。
基板104由任一类基伴材料形成，如硅、砷化镓、玻璃、塑料金属或任一其它基板材料。在诸实施例中，对基板104涂覆绝缘材料(如氧化物)，而且平面化或整平。在诸实施例中，若干锁定继电器100共用单块基板104；或者，可将其它器件(如晶体管、二极管或其它电子器件)与一个或多个比如应用普通集成电路制造技术的继电器100一起形成在基板104上。或者把磁铁102用作基板，直接在其上形成下述的附加元件，此时不再需要独立的基板104了。
绝缘层106由氧化物等任何材料或诸如薄膜绝缘体等另一绝缘体形成。在一实施例中，绝缘层由Probimide7510材料形成。绝缘层106适于装导体114。图1A与1B所示的导体114是单块导体，两端126与128安装成线圈形。导体114的其它实施例采用单个或多个安装成合适图形的导体段，如曲折形、蛇形、随机形或任一其它图形。导体114由任一导电材料形成，如金、银、铜、铝等金属。导体114导电时，在其周围产生磁场，下面再做详述。
悬臂112是任一种衔铁，能受磁力影响的延伸外露件。在图1A实施例中，悬臂112适于包括磁层118与导电层120。磁层118用坡莫合金(如NiFe合金)或任何其它磁敏材料制成，导电层120由金、银、铜、铝金属或任何其它导电材料制成。在诸实施例中，悬臂112的两种状态对应于继电器100的“断开”或“闭合”，如下所述。在许多实施例中，导电层120将分级层110接至触点108时，把继电器100称为“闭合”。反之，当悬臂112与触点108不电连接时，则称继电器“断开”。由于悬臂112在物理上与触点108移动成接触与不接触，诸实施例的悬臂112系柔性制作，适于弯曲。柔性实现方法有很多，如改变悬臂(或其各种分层)厚度，在悬臂上形成图案或打孔或切割，或者应用增柔材料。或者，可将悬臂112制成“铰链”结构，如下面结合图3所述的那样。当然，悬臂112的尺寸在各实施方案中变动很大。适用于微磁性继电器100的示例悬臂112，其长度为10～1000μm，厚为1～40μm，宽为2～600μm。例如，图1实施例的悬臂尺寸为600μm×10μm×50μm，或1000μm×600μm×25μm，或其它合适尺寸。
只要合适，可将触点108与分级层110置于绝缘层106上。在诸实施例中，分级层110将悬臂112支承在绝缘层106上方，形成的间隙116呈真空或充以空气或另一气体或油一类的液体。虽然间隙116的大小在不同实施法中相差很大，但是一示例间隙116的尺寸为1～100μm，如20μm。如下所述，继电器100闭合时，触点108接纳悬臂112。触点108和分级层110由导电材料形成，如金、金合金、银、铜、铝、金属等。在诸实施例中，触点108和分级层110由类似导电材料形成，悬臂112在分级层110与触点108之间形成电路时，认为继电器“闭合”。其它实施例对触点和分级层110采用不同配制法，如下面结合图3与4所述。在有些实施例中，悬臂112并不导电，分级层110由非导电材料配制，如Probimide材料、氧化物或任何其它材料。另外，若不将悬臂112支承在绝缘层106上方，有些实施例就不需要分级层110。
操作原理在本发明的一个宽广方面，磁铁102产生的磁场Ho126在悬臂112中引起磁化(m)，磁化在悬臂112上产生一适当力矩，根据磁化方向，迫使悬臂112趋向或离开触点108，使继电器100进入断开或闭合状态。如下所述，需要时，可用导体114产生的第二磁场调节悬臂112中的磁化方向。
继续参照图1A与1B，磁铁102基本上沿平行于Z袖的方向施加磁场Ho134，使该磁场垂直于悬臂112的第一维度(如长度)。磁场134在由软磁料制造的悬臂112中适当引起磁化。鉴于悬臂112的几何形状，悬臂112中的磁化合适地沿其长袖，即图1中悬臂112的长度(平行于光信号限束通道袖)对准。
悬臂112的磁化定向取决于施加磁场134与悬臂112长袖的夹角(α)。具体而言，在夹角(α)小于90度时，悬臂112的磁矩从悬臂112端部130指向端部132。这样磁矩与磁场Ho134的互作用围绕悬臂112端部130以逆时针方向产生一个力矩，使端部132向上移动，从而断开分级层110与触点时间的电路。反之，在夹角(α)大于90度时，悬臂112的磁矩(m)从端部132指向端部130，绕端部130形成一顺时针力矩，使端部132向下移动而在分级层110与触点108间形成电路。由于悬臂112的磁化(m)不变，除非悬臂112的长袖与施加磁场134间的夹角(α)发生变化，所施加的力矩将保持到施加了外界干扰。悬臂或止动块(如触点)的弹性力矩平衡了施加的磁力矩，因而继电器100的呈现的两种稳定态对应于悬臂112的向上与向下位置(因此分别对应于继电器100的断开与闭合状态)。
可用任何将悬臂的磁偶极矩方向反转的合适技术实现切换作用。在一实施例中，通过产生第二磁场实现切换，该磁场沿悬臂112长袖的分量强得足以影响悬臂112的磁化(m)。在图1例中，第二磁场的有关分量就是该磁场沿光信号限束通道袖的分量。由于主要考虑第二磁场沿悬臂112长袖的强度，因此第二磁场的整个幅值一般明显小于磁场134的幅值(当然诸实施例可应用任何强度的磁场)。一示例第二磁场的量级为20奥，其它实施例当然可以应用更强或更弱的磁场。
例如，第二磁场通过一电控电磁等磁铁产生，或使电流通过导体114而产生。电流通过导体114时，按“右手法则”产生磁场，例如在导体114上使电流从点126流向点128(图1B)，产生“流入”图示线圈中心的磁场，对应于图1A的磁场箭头122。反之，电流在图1中从点128流向点126，就产生“流出”图示线圈中心的磁场，对应于图1A中的虚线磁场箭头124。该磁场还按图1A所示方式绕导体114循环1对悬臂112施加其水平(X)分量。
改变导体114内流动的电流或电流脉冲方向，可按需改变第二磁场的方向，由此影响了悬臂112的磁化，把继电器100正确的切换成断开或闭合。例如，当第二磁场处于磁场箭头122方向时，悬臂112的磁化将指向端部130，绕端部130形成顺时针力矩，把悬臂112置于“向下”状态而闭合继电器100。反之，当第二磁场处于虚线磁场箭头124方向时，悬臂112的磁化指向端部132，产生的逆时针力矩使悬臂112置于“向上”状态而断开继电器100。因此，控制流过导体114的电流，可调节悬臂112的“向上”或“向下”状态(因而控制继电器100的“断开”或“闭合”状态)。再者，悬臂112的磁化在无外部干扰时保持不变，因而可按切换继电器的要求以“脉冲”或间歇方式施加第二磁场。当继电器无须改变状态时，可取消对导体114通电，这样构成的双稳定锁定继电器100在静态时无功耗。这种继电器尤其适用于航天航空、便携式电子设备等。
锁定继电器的制造方法图2包括若干側视图，表示制造锁定继电器100的一示例技术。应该理解，本文揭示的工艺仅是一例可用来配制锁定继电器100的许多技术之一。
一示例制造过程从准备基板102开始，这要求选用一绝缘层。如上所述，可用任何基板材料形成锁定继电器100，例如，绝缘层不一定是绝缘基板。在包含绝缘层的实施例中，该层可以是二氧化硅层(SiO2)或其它厚度为1000量级的绝缘材料。而且，具体实施时对绝缘材料选用的材料与层厚度可以不同。
参照图2A，在基板104上形成导体114，这可用任一技术形成，如淀积(如电子束淀积)、蒸发、电镀或无电电镀等。在诸实施例中，按图1那样的线圈图案形成导体114，或者形成为直线、螺旋状、圆形、曲折状、随机形或其它图形。将绝缘层106转制加于基板104和导体114，如图2B所示。绝缘层106可以是一层光刻胶、二氧化硅、Probimide-7510材料或是能电气隔离顶部器件的任何其它绝缘材料施加。虽然图2A只示出一个导体层，但是可以添加重复的多层导电材料，并通过通孔或其它技术串接起来(或并联等)，来提高指定电流产生的磁场强度。在诸实施例中，绝缘材料表面通过化学机械平面化(CMP)等任何技术平面化。
通过光刻、蚀刻等任何技术在绝缘层106上形成触点接合片108与110(图2C)。接合片108与110的形成方法是先在绝缘层106上淀积一层或多层导电材料，再用例如湿蚀刻刻对接合片形成图案。在一实施例中，接合片108与110包括第一层铬或钛(提高与绝缘层106的粘合)和第二层金、银、铜、铝或其它导电材料。通过电镀或无电电镀法对触点加一金属层，可提高触点可靠性并降低电阻。
参照图2D，触点接合片108和110涂覆一层光刻胶、铝、铜或其它材料而形成牺牲层202。通过光刻、蚀刻或另一工艺在悬臂基区的牺牲层202中限定开口206。然后如图2E所示，在牺牲层202顶部通过淀积、溅射等方法将一层或多层材料置于其上并通过开口206延伸，形成悬臂112。在一实施例中，在牺牲层202上设置铬或另一金属的基层204以改善粘合性，还可以形成一个或多个导电层120。例如，淀积后再作化学或机械蚀刻，就可能形成层204与120。利用电镀或无电电镀法添加另一导体层(如金、金合金等)，使层120增厚。再运用电镀等将一坡莫合金(如NiFe)坡莫合金)层置于导电层120顶部，形成旋臂112，如图2F所示。通过改变电镀电流和电镀时间，可控制坡莫合金层118的厚度。例如，以每平方厘米0.02安培电镀60分钟，可得到厚20μm的示例坡莫合金层。在诸实施例中，在悬臂112顶部电镀一附加坡莫合金层306(图3所示)，可增强悬臂112对磁场的响应。
参照图2G，例如可用湿法或干法(既氧等离子体)去除技术除去牺牲层202，在悬臂112与绝缘层106之间形成间隙116。在诸实施例中，用合适的蚀刻刻或等效的去除技术除去粘层204而形成继电器100(图2H)。然后对继电器100切割、封装磁铁102(图1所示)或其它必需的处理。应该明白，或者可在基板上直接制作永磁铁102，并置于悬臂顶部，或在永磁铁基板上直接制作线圈与悬臂。
锁定继电器的替代实施例图3与4示出锁定继电器100的替代实施例。图3A与3B分别示出另一包含铰链式悬臂112的锁定继电器实施例的側视与俯视图。为示明铰链式悬臂的细部，用3A和3B的透视图在x-y平面相对图1A和1B的透视图转了90度。参照图3A与3B，铰链式悬臂112包括一根或多根弦线302与304，将磁敏件306支承在绝缘层106上方。构件306比导电材料形成的弦线302与304相对较厚(约50μm量级)。利用上述参照图1的继电器100，带铰链悬臂的继电器100可响应于磁铁102和导体104产生的那样的磁场。在诸实施例中，继电器处于“闭合”态时，弦线302和304之一或二者与触点接合片108电接触。当然，可应用任意根弦线，如可以配制单根弦线支承构件306的总重量。或者，弦线可以在构件306上的任一点。例如，虽然图3示出了构件306中心附近的弦线302与304，但是可将它们设置在构件306端部朝向触点108的附近，以增大磁铁102产生的力矩。
图3C是适用于图3A与3B所示实施例及其它实施例的示例悬臂112的透视图。悬臂112包括耦接导电层120的构件306。为提高悬臂112的柔性，在导电层120中形成孔310和/或312，并且导电层120表面形成选用的触点凸起308与触点108相接触。弦线302和304(图3C中未示出)可按任一位置(如导电层120中心或任一端)粘接或形成在悬臂112上。或者，弦线用非导电材料形成，而悬臂112在其处于闭合态时同时接触的两块独立导体之间形成一导电路径，如下所述。
已发现，某些包含较广泛磁敏件306的开关，由于悬臂112的宽长比相对大，磁化减弱了。而且，宽度增大导致沿悬臂112宽度的磁化增大，造成悬臂扭曲，劣化了悬臂112与触点108的接触。图3D是包括分段磁敏件306A，306B，306C和306D的开关的透视图。为增强沿悬臂112长度的磁化，将磁敏件306分段，使各构件306A--306D沿构件长度而不是宽度的磁化最大。例如，在导电层120上分别形成(如电镀)每个构件306A--D，或在单一电镀层306中蚀刻(或形成)间隙，可实现分段。当然，诸实施例可以使用任何数量的磁敏段306A--D，而且各段的尺寸也不同。例如，各种示例悬臂112可以做成有4个1000×600×25μm的构件306A--D、有8个1000×50×25μm的构件(间隔约25μm)、有15个1000×20×25μm的构件(间隔约25μm)或者任意数量的任何尺寸的构件。在诸实施例中，可在构件306A--D之间添加磁性材料、金属或任何其他材料的链接以增强悬臂112。图3E是多层形成的悬臂112的示图。在一实施例中，如图3E所示，悬臂112包括交替的磁性材料层118(如坡莫合金)与导电材料层120，当然也可使用其他材料。例如通过上述结合图2E与2F讨论的溅射、淀积或其他形成多层的方法，或通过任何其他技术，可形成多层悬臂。如上所述，多层悬臂也可以分段并应用于本发明诸实施例。
图4A与4B分别是另一锁定继电器100实施例的侧视与俯视图。如图所示，诸实施例的悬臂112从分级层110到触点108不直接导电。在这些实施例中，导电元件402接悬臂112，在继电器100处于“闭合”态时，在触电108与408之间提供电接触。图4C与4D是其他实施例悬臂112的透视图。在这些实施例中，悬臂112包括磁敏部118，它与导电部402用例如介电绝缘体等绝缘层410分开。如图所示，还在导电部402上形成了选用的触点凸起308。当悬臂112处于对应于继电器100“闭合”态的状态时，电流按要求在触点接合片108与408之间流过箭头412所指的路径。
图5是另一实施例继电器100的侧视图。参照图5，继电器100包括磁铁102、基板104和悬臂112，如上所述(如参照图1)。但不在(或除了)基板104上形成导体114，而把导体114形成在图示的第二基板504上，后者是任一类基板，如塑料、玻璃、硅等。对上述诸实施例，需要时可对导体114涂覆一绝缘层506。为制作继电器100，将各种元件形成在基板104与504上，再按要求将基板对准定位。两块基板104与504(连同其上形成的诸元件)可用衬垫相互分开，诸如图5中任意材料制作的衬垫510与512。
继续参照图5，在绝缘层106上形成触点108，如上所述。或在第二基板504上形成触点508，如图5所示(当然可以再配制悬臂112，使其导电部分与触点508接触)。在其他实施例中，同时设置了触点108和508，使继电器100在悬臂112接触触点108时处于第一状态，在悬臂112接触点508时处于第二状态，而且/或者在悬臂112与触点108与508都不接触时处于第三状态。当然，图5中继电器100的一般布设可组合上述任一种技术和布设而创建新的继电器100实施例。
图6A与6B分别是另一示范实施例的锁定继电器100的侧视与俯视图。现在参照图6A与6B，诸实施例的继电器100利用静电驱动法切换悬臂112的状态，不使用导体114产生的磁能。在这些实施例中，将一根或多根切换电极602与604淀积或做在绝缘层106上，它们由金属或另一导电材料形成，电耦至引线、导线或其他连接器件(未示出)而在任一电极与悬臂112之间产生一电位。
虽然图6A与6B示出了一种中心铰链型悬臂112，但是电极602与604和/或静电驱动原理可包含在本文描述的任一继电器或开关里，以取代(或除了)导体114产生的磁驱动。在诸实施例中，电极602与604相对悬臂112正确定位，使两电极产生的静电力对悬臂112产生相对的作用。如在图6A与6B的中心铰链型实施例中，电极602与604在铰链110任一侧定位，使电极602与悬臂112间的电压差将悬臂112“推”入“断开”态。反之，电极604与悬臂112的电压差把悬臂112“拉”入“闭合”态，使它接触触点108。在这些实施例中，永磁铁102产生的磁场保持悬臂112的状态，构成双稳定开关。继电器通过按要求向有关电极提供电位而吸引悬臂112来切换稳定态。在一示例继电器100中，当悬臂与电极的重叠面积为200×400μm2时，为了在约200奥的永久外磁场中切换悬臂112，尺寸为1000×200×20μm的铰链型悬臂112和尺寸为280×20×3μm的支承扭转弦线110要求约37伏的电压.同样地，开关或继电器可制成任意尺寸或结构，实施状态切换所需的电压也可不同。具体而言，使用电极602与604的静电切换技术可以应用于上述任一继电器或本文描述的任一开关。较之磁性切换，静电却换的优点包括功耗低且易于制造，因为电极602电极与604极薄(如厚度量级为几百A到约0.5μm)。而且静电开关可以做得比某些相应的磁开关更小，缩小了切换装置的总体尺寸。切换控制由控制装置提供，后者诸如微控制器、微处理器、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路、模拟或数字控制电路等。在一实施例中，控制器对电极602与604提供电信号形式的控制信号以形成所需的压差。
应该明白，可配置众多其他实施例的各种继电器而不违背本发明的范围。例如，当悬臂112处于断开态时，增添一与之接触的附加触点108，可制成双掷继电器。同样地，改变各种元件(如接合片108与110和悬臂112)的布设，可配置继电器100的各种外形与几何尺寸。
光学开关上面结合电气继电器描述的机构、原理与技术，还可制作适用于通信或其他光学系统的光学开关。在光学开关诸实施例中，悬臂112的磁敏部接小镜或其他反光材料。悬臂从“断开”态切换至“闭合”态时，反射表面曝露或隐藏于光信号，使该信号按要求被反射或吸收，如下所述。
图7A与7B分别是一示例光学镜700(这里指“I型“镜)的侧视与俯视图。与上述电气开关一样，悬臂112利用支承弦线、铰链或其他衬垫110在绝缘层106上正确定位。悬臂112由软磁材料132形成(如上所述)，其反射涂层702(如铅或金)淀积、溅射或放置在磁性材料上。需要时，在绝缘层106上设置一个或多个选用的止动块704以接纳并定位悬臂112。停止器704由蚀刻的硅、金属或聚酰亚胺等任何合适材料形成。在诸实施例中，支承弦线110按要求支持悬臂112转入“向上”态与“向下”态。例如，悬臂112处于“向上”态时，它就绕弦线110逆时针旋转，直到悬臂132的端部742接触止动块704L。在示例的“向下”态中，悬臂112绕弦线110顺时针旋转，使其端部740接触止动块740R。当132的右端触及底部止动块704时，就处于“向下”。通过设计使支承弦线110更接近悬臂112的端部742，使悬臂112在“向上”位置比“向下”位置倾斜更大角度。当然，也可将支承弦线110置成与悬臂112的两端接近等距离，使”向下“位置形成较大角度，而且本发明其他实施例可以配置多种定向。
光学镜700的操作原理与上述的电气开关100相类似。在诸实施例中，利用导体114(如图7所示)或选用的电极(如图6所示)在悬臂112中形成磁矩，可实现锁定和切换。通过磁铁102产生的磁场，可使悬臂112稳定于”向上“或”向下“态，如上所述。
图8A-8G示出第二类光学镜800(这里指“II型”镜或“反射体”)的各种视图与状态。虽然这里主要描述的这些器件属于供开关或继电器使用的反射器件，但是这里描述的原理与结构可用来创制任一类能应用于任何场合的驱动器(反射或非反射)。
参照图8A与8B，光学镜800包括带磁敏部132的悬臂112。悬臂112也可包括其一侧或两侧有反射涂层的反射部804。在一实施例中，反射部804的反射涂层淀积或置于表面802上，如图8A所示。由于要求定位或抬高悬臂112，也可在绝缘层106上设置一个或多个止动块704，而支承、弦线或铰链110(图8A与8C中未示出)可以将悬臂112旋转固定在基板104上方。
在一实施例中，弦线110在悬臂112两状态之间支持90度旋转(加减制造中的某种误差校正)。在图8A与8B的实施例中，与基板104表面接近平行的磁铁102(未示出)将悬臂112定位成“向上”态。例如，对于必须具有光束直接通过II型镜而不发生反射的透明路径，”向上“位置是有用的。镜800的第二“向下”台示于图8C与8D。例如，利用磁铁102(未示出)(以理论上讲，该磁铁可将悬臂保持在任何任何双稳态)和/或靠重力把悬臂112的磁敏部1 32移开“向上”位置，把镜800置于“向下”态。显然，各实施例的镜800可以不要求永磁铁102和导体114，因为其他力(如止动块704上选用的弯曲结构提供的力)也可将悬臂112保持在“向下”位置而不需要外力。在许多实施例中，制造期间可提供临时的磁场，同时对悬臂加反射涂层，之后在再去除该磁场。在另一些实施例的镜800中，可以取消铰链110与磁敏部132，将反射部804牢固接至基板102或绝缘层104。
现在参照图8E，另一实施例的反射体800包括悬臂112和扭杆铰链或其他接至基板104的铰钉870。还可以提供线圈或其他导体114，或在另一例中设置能对悬臂112提供静电吸力的电极。如上所述，悬臂112是磁敏的，而且有一个或多个反射表面。在上述结合其它开关和继电器的描述中，扭杆铰链870可用作一个或多个铰链。在诸实施例中，扭杆铰链位于或靠近悬臂112端部，相对悬臂112做成相对薄和/或长，不用大的机械力矩可使悬臂112产生大的旋转偏转。而且，对反射体800施加外部磁场(H0)134的方向相对基板104表面画出的垂线(继电器)成一夹角(γ)。如在图8E实施例中，ν选为约45度，不过其他实施例可以使用其他角度。
磁场134的方向最好对悬臂112形成两个稳定位置，对应于“向上”态和“向下”态(图8E中，悬臂112示成在这两个状态之间)。在诸实施例中，悬臂112在“向上”态中基本上对准成与基板104垂直，在“向下”态中接近与基板103平行。设置的物理止动块(图8E未示出)将悬臂112保持在“向上”和/或“向下”态所期望的位置。
在诸实施例中，可用绦体114提供的幅值为XHo sin(γ+)奥的磁场在状态间切换悬臂112，其中“X”是悬臂112的磁化率，“”为悬壁112在“向下”态与水平轴(光信号限束通道)之间的夹角。需要时，类似于上述的切换技术，这一幅值磁场可以再对准悬臂112的磁化强度矢量，使悬臂112在双稳态之间切换。由于导体114产生的磁场较之外磁场134相对弱，所以可将磁场134设计成大得足以驱动器件800，但不致于强得使得导体114产生的磁场无法反转悬臂112的磁化矢量。在一实施例中，磁场134设计成约200奥量级，当然可以用其他场强。本文描述的反射体800的可转角度约为90度或更大，因此其用途可超出继电器或光学开关，例如具有相对大转角的反射体800适用于光学投影或开关系统。
现在参照图8F与8G，第三实施例的反射体800可以旋转90度或更大角度，它包括置于悬臂112上的导体114，悬臂112用铰链870(图8F示出的扭转铰链870A与870B)接至基板104。利用耦接至电力源的电线872(图8F示出的电线872A与872B)向导体114提供电流，或者通过淀积、溅射或置于铰链870上的导电材料(如金属)提供与导体114的电触点。在诸实施例中，悬臂112可用反射材料制作(如介质膜、多晶硅、金属、非金属等)因为可利用导体114而不是通过悬臂112里的磁敏材料提供与磁场的作用。在诸实施例中，磁铁102提供与基板104垂直或成任何斜角的磁场H0，如上面结合图8E描述的那样。
例如，通过用电流对导体114赋能而产生垂直于导体114平面的磁偶极矩(M)实现反射体800的驱动。该磁偶极矩(M)可以对悬臂112产生力矩(T)的外磁场(H0)发生互作用，因而T＝M×H0。如上所述，控制力矩(T)可使悬臂112在“向上”与“向下”态之间切换。在Change Liu、T.Tsao、Y-C Tai和C-M H0撰写的论文“Surface Micro-Machined Magnetic Actuators”(MEMS’94，Oiso，Japan，PP.57～62(1994))中，详细描述了在不同范围应用的这一原理，该文通过引用包括在这里。
图9A与9B分别是示例开关900的侧视与俯视图。开关900包括两块I型镜700A与700B和一个II型镜/反射体800。由图9B可见，镜800的轴线从镜700A与700B的轴线转了45度(或任一角度)。诸实施例可设置一选用的反射层902(如小镜)以反射光信号，如下所述。在本发明诸实施例中，光信号(如脉冲或光束)904被切换到两输出端910和920之一。在开关900第一状态中(图9AA与9B所示)，镜700A与700B的悬臂112A和112B置于“向上”位置，故光信号904被反射离开反射表面902(图7)，如图所示。反射层902按要求把镜700A与700B之间的光信号904绕过镜800发射到输出端910。
图10A与10B分别是光学开关900在第二状态(对应于输出端920)时的侧视与俯视图。镜700A的悬臂112A可以置于“向下”态，使光信号904不再被镜700A的反射表面。反射由图10可见，镜800朝输出端920定向。当然，也可以把700B的悬臂112B置于“向下”位置，但因光信号904在图10所示状态中不到达镜700B，所以不需要这种变化。其他实施例的光学开关有不同的布设，如用反射材料涂覆镜800中反射部804两侧，可制得双向开关。
图11是可用上述开关900制作的一示例5×5光学开关950的俯视图。参照图11，光信号904A-E分别在输入端930A-E接受，各信号由开关950按要求传到某一期望的输出端940A-E。在图示的示例开关950中，输入i1传至输出o3，输入i2传至输出o1，输入i3传至输出o4，输入i4传至输出o5，输入i5传至输出o2。当然，可以配置任何M×N开关结构，M代表输入数，N代表输出数，二者都为整数。例如，调整开关700和800的数量，可配置出1×4开关、4×8开关、8×16开关、2×2开关或任一其他开关结构。
继续参照图11，示例性5×5光开关可以包括一含25块II型镜与80块I型镜的阵列。II镜(示成对角矩形)安装后，使各输入930有一对应于各输出940的II型镜。通过使信号反射离开反射层902(图11未示出，但示于图9A)，将I型镜(示成更小的矩形)安置成按要求使光信号904绕II型镜偏转。如为将信号i5传至输出o2，可将I型镜751和752置成“向上”态，使信号i5绕镜851镜偏转。把I型镜753和754置成“向下”位置，使信号i5离开II型镜852偏向输出940B。如上所述，各种I型镜都可利用磁铁102产生的磁场保持为“向上”或“向下”态。通过导体114(图7)产生合适的磁脉冲或通过电极602/604(图6)产生静电脉冲，以产生移动有关悬臂112力矩而对所需的小镜形成所需的磁矩，可以使各种小镜在诸状态间切换。
光学十字开关阵列在添加了光信号限束通道的诸实施例中，可提高上述光学开关阵列的性能、效率与整个有效性。在开关内将这种围绕各条光路安置，把光限制到期望的光路。图12A是含光信号限束通道的示例*1200的透视图。为简洁起见，虽然示出了2×2结构(即两输入与两输出)的开关阵列，但是本文描述的技术很容易扩展到任意尺寸的N×M开关，N与M是任意整数。实际上，应用光信号限束通道可使开关结构比以前大得多，如512×512、1024×1024或更大的结构。
参照图12A，光信号904A与904B从输入光纤1210A和1210B入射，并在切换到输出光纤1210C-D前，分别耦合耦合到透镜1220A和1220B光学镜1280A-D是任一类镜，如上述的“I型”或“II型”镜。光信号限束通道1230A与1230B是任一种能将光信号导向预定目的的通路或其他路径，如通道1230A与1230B形成为带有壁1240(图12B)的通路，壁1240涂覆了金属或其他反射表面，如铅、金、银、铬等。光学镜1280A-D正确偏转输入信号904A-B，使信号偏转入朝向光纤1210C或1210D的预定输出路径的所需光信号限束通道1230A-B。光信号904从光纤纤芯1210A-B出射时，分别通过微透镜1220A或1220B，然后经准直后向前传播，直到到达合适的光学镜1280，反射入涂覆高反射率表面1240的适当光信号限束通道1230。在图12A中，透镜1220与光纤1210分开，但是也可以将它直接制作在光纤上，其方法是熔化一部分光纤端部，在其上形成一环氧树脂滴并使其硬化，或采用任一其他方法。
光信号限束通道1230可用任何技术形成在基板内或淀积在基层上的任一层内。在一实施例中，通道1230的形成方法是在基板内通过切、锯、微机械加工等方法形成一条槽，对槽涂覆一种反射材料，再将反射覆盖层置于材上形成合适的通道。覆盖层可用环氧树脂等任何粘合剂粘接于基板。或者，应用常规微机加工技术将通道1230微机械加工到基板、一层polymide(或任何其他材料)或任何其他层内。然后，将反射涂层薄膜蒸发或置于通道1230内，并在通道1230顶部淀积、溅射或设置一附加覆盖层。如上所述，光信号限束通道1230的内壁涂覆了高反射率材料，如薄金膜、银膜、铅膜、铬膜或多层反射膜等，形成反射表面1240。金属膜可利用溅射、电子束蒸发或任何其他技术淀积。各实施例的通道1230的截面尺寸变化很大，例如取决于不同类型的光纤1210与微透镜1220、微透镜尺寸、纤芯尺寸、光纤数值孔径等。在一实施例中，通道尺寸量级约为100μm宽和30～50μm深。
图12(b)与(c)是两个实施例的光信号限束通道1230的截面图。在图12(b)中，反射镜1280把光信号904偏入通道1230，如上所述。信号904经涂覆通道1230侧壁的反射表面/240反射，向输出端传播。显然，在光学镜1280处于闭合位置时，它遮盖了光信号限速通道的开口，让其他信号在通道1230中传播。例如，当信号904从镜1280进入该通道时，附加镜1284保持在闭合位置。光学镜1280、1282、1284可用各种方法驱动(即磁、静电、压电等)，包括上述各种技术。例如，若小镜涂覆了镍、坡莫合金、铁或其他软磁材料，就可用围绕该镜绕制的平面线圈驱动(如上面对光学镜700与800所述)。或者，诸镜可用任一类机理驱动，并可通过刮擦驱动、梳理驱动、碰撞梳理驱动、有梳理驱动的滑齿、在作为一个电极的小镜与另一相对不动电极间的静电力来驱动。
图13～15示出其他实施例的通道/镜结构。图13是一结构透视图，类似于图12(a)，其中将镜1280定位成与通道顶部成可选择不同值的α角，使光904导入通道1230。在一实施例中，角α为30～60度，如约45度。图14(a)与(b)分别为俯视与侧视图，表示镜1280的示例横向定向。如图所示，镜1280通道1230。设置为约135度，将信号904以适当的先角导入通道1230。如图14所示，镜1230处于第一状态，光向通道1230端部1401反射，此时将镜1230定位成小于135度的β角(或任何其他合适的角)，按需要反射光。现在参照图15，将镜1230置于第二状态，使镜与通道间的β角大于135度(或任何其他合适的角)，把光偏向通道1230的相对端(即端部1402)。当然，使用的准确角度将依照输入光与通道1230的准确配置而变，而且实施例的情况也大不相同。
通道1230的反射率按若干因素而变，如通道1230的材料类型与表面平滑度等。在一实施例中，反射率变化为80％～90％。根据一般的光学计算发现，多次发射后，光信号强度呈指数衰减。例如，若反射率为0.9，则反射10次后，强度减为其原值的0.35倍；反射50次后，强度减为0.05；反射100次后，强度跌至0.000027。
再参照图12(C)，将选用的第二光学镜1282(也称为“通道镜”)旋转地置于上部光学镜1280下面的光信号限束通道1230的底部，以便改变光信号904的方向，从而减少光信号904在通道1230中的反射。可将镜1282(如上所述，在应用微磁性驱动的场合中参照光学镜700或800)做在顶镜1280下面，使镜1282旋转接至光信号限束通道1230的低表面。在驱动顶部与底部两块镜时(以各种特定设计选择的任何方式)，期望的情景是送出的光信号904被底部小镜1280反射，再沿通道1230对称的长轴传播。注意，在实践中，鉴于工艺的局限性，镜1280的效率还不到100％的精密度，根据加工情况，光信号传播方向略微偏离通道长轴。然而，通过应用本发明揭示的方法与装置，可以显著减少反射幅度。例如，若无偏移，则光信号904从底部镜反射后将不再反射。若偏移1度，对于5CM长、20μm宽和20μm高的通道而言，预期的反射次数约43次。若偏移0.5度，反射22次。若偏移0.1底，就反射4次。因此，强度损失明显减小了，在512光信号限束通道512或更大阵列的大型系统中尤其如此。图16和17分别示出示例的第一第二状态，用于将输入光信号904导入通道1230。如图所示，通道镜1282设置的角度是顶镜1280角度的函数，从而按要求将光导向端部1401(图17)或端部1402(图16)。在图示实例中，镜1282定位成为180的β角时把光导向端部1402，而当β角为90时，则将光导向端部1401。当然，各实施例可应用不同的准确角度与公式。
在另一实施例中，采用附加通道1230可以改进入射光信号对准。参照图18和19，可以用通道1230i控制输入光信号904。为简便起见，图中只示出一条光信号轨迹，显然，可对任意数量的输入信号904形成诸通道。但为了减少通道1230内的反射次数，可在图18和19未示出的顶镜下面加设附加的底镜1282。
应该明白，因光信号904由通道1230导向，故增大阵列数目不会增加对准问题。而且，光学十字开关阵列1200并不受制于光纤类型，单模与多模光纤都能使用。再参照图12A，虽然该图表示入射光信号方向垂直于通道1230以控制送出的光信号，但是开关1200不一定要如此配置。入射光信号方向与输出通道间的夹角，可按光学十字开关阵列的应用要求设计成任一角度。再者，通道1230不一定为图示的矩形，可配置为任意形状，如图形、椭圆形等。另外，通道1230不一定笔直，只要能在通道1230内传播光信号904弯曲状、Z形等。此外，本文提示的通道波导适用于除光开关外的任何光学装置或元件，如开关、路由器、连接器、波导、光信号限束通道光信号限束通道光信号限束通道光信号限束通道光信号限束通道光信号限束通道光信号限束通道、输入或输出终端、灯头、光学发射器或接收器等。
下面权项中所有要点对应的结构、材料、作用与等效技术方案，旨在包括结合特定要求的其它权利要求诸要点一起执行诸功能的任何结构、材料或作用。而且，任何方法权项提出的步骤可用任何次序执行。本发明的范围应由所附权项及其法定等效文件决定，而不是由上述给出的实例决定。最后要强调，实施本发明时，除非专门指出上述诸单元或元件都不是关键。
权利要求
1.一种发射光信号的装置，其特征在于，所述装置包括接收所述光信号的光学输入端；在所述至少一个光学输入端与光学输出端之间引导所述光信号的控制装置；和设置在所述光学输入端与所述光学输出端之间把所述光信号限制到预定光路的通道。
2.如权利要求1装置，其特征在于，所述控制装置包括至少一个配置成反射所述装置内所述光信号的镜元件。
3.如权利要求2的装置，其特征在于，每个所述至少一个镜元件包括具有磁敏部与反射部的悬臂。
4.如权利要求3的装置，其特征在于，所述悬臂配置成利用多个电磁信号中的一个在第一状态与第二状态之间切换。
5.如权利要求4的装置，其特征在于，每个所述电磁信号配置成在对应于一个所述镜元件的一根所述悬臂中形成力矩，使所述悬臂在所述第一与第二状态之间切换。
6.如权利要求5的装置，其特征在于，所述多个电磁信号包括多个导体产生的磁信号。
7.如权利要求5的装置，其特征在于，所述多个电磁信号包括多根电极产生的静电信号。
8.如权利要求1的装置，其特征在于，所述通道包括至少一个反射壁。
9.如权利要求8的装置，其特征在于，所述反射材料包括铝、金、银和铬之一。
10.如权利要求5的装置，其特征在于，所述通道包括至少一个反射壁。
11.如权利要求10的装置，其特征在于，所述反射材料包括铝、金、银和铬之一。
12.如权利要求8的装置，其特征在于，所述通道包括至少一块配置成接收所述光信号并将其引导通过所述通道的通道镜。
13.如权利要求10的装置，其特征在于，所述通道包括至少一块与所述镜元件之一有光联系的通道镜，所述通道镜配置成接收所述光信号并将其引导通过所述通道。
14.一种在第一与第二输出端之间切换光信号的方法，其特征在于，所述方法包括步骤设置一包括带反射部的悬臂的开关元件；和切换所述悬臂，当希望所述光信号位于所述第一输出端时，使所述反射部设置于所述光信号通路；当希望所述光信号位于所述第二输出端时，所述反射部离开所述光信号的通路。
15.如权利要求14的方法，其特征在于还包括所述光信号传导通过一通道的步骤，并且所述通道包括反射壁。
16.如权利要求15的方法，其特征在于，所述传导步骤包括用通道镜引导所述光信号离开所述反射壁。
17.如权利要求15的方法，其特征在于，所述悬臂配置成通过多个电磁信号之一而被切换。
18.如权利要求17的方法，其特征在于，所述电磁信号在所述悬臂中产生磁矩。
19.一种配置成执行如权利要求15的方法的开关。
20.一种配置成执行如权利要求18的方法的开关。
全文摘要
一种新颖光学开关装置及其操作方法，通过应用光信号限束通道克服了对准问题。所述光信号限束通道埋置后可将光信号限制于所需的传播通路，使光信号与输出端可靠地对准。利用小角镜把光信号导入预定的光信号限束通道，实现期望的光学切换。小角镜可以是锁定微镜或非锁定微镜，可由静电驱动、热驱动或电磁驱动或者任意其他技术控制。
文档编号H01H67/22GK1668957SQ01814923
公开日2005年9月14日 申请日期2001年7月11日 优先权日2000年7月11日
发明者阮梅春, 申军, C·惠尔勒 申请人:亚利桑那州立大学