一种全柔性MEMS光开关

摘要

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种光开关，特别是一种全柔性MEMS光开关，其特征是：包括柔性双稳态机构(1)和微反射镜(3)，柔性双稳态机构(1)的梭(5)连接有柔性桥(2)，微反射镜(3)通过连接块(8)与柔性桥(2)固定，柔性双稳态机构(1)的第一稳态位置与第二稳态位置分别使微反射镜(3)处在光通过和光反射两种状态。它提供一种结构简单、造价低、稳定性好、重复精度高、无摩擦磨损、抗干扰能力强的MEMS光开关。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种光开关，特别是一种全柔性MEMS光开关。

背景技术

自从光纤被引入通信网以来，它已为通信的发展做出了重要的贡献。由于光纤具有巨大的带宽，作为优秀的传输媒质，光纤通信技术发展到了一个新的高度。同时，光的复用技术，如波分复用(WDM)、时分复用(TDM)、空分复用(SDM)越来越受到人们的重视并被广泛使用，但在以这些技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光/电、电/光的转换，受到其中电子器件的特性制约，产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，人们提出了全光网(AON)的概念，它是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备(OXC)。全光网络的相关技术主要包括光交换/光路由(全光交换)、光交叉连接、全光中继和光分插复用等。90年代以来，世界各大电信厂商竞相研究和试制用于光传送网络节点的光交叉连接设备和光分插复用设备，关键在于开发先进的光器件，光开关就是其中一种实现光交换的核心器件。

MEMS光开关是用半导体材料(如Si等)经过微加工工艺制成的微机械机构。它的基本原理就是通过力或其他驱动方式的作用使可以活动的微镜面发生转动，从而改变输入光的传播方向，实现光信号的开关。

典型的MEMS光开关器件由受控制的二维微小镜面阵列组成，并安装在机械底座上。准直光束和旋转微镜构成多端口光开关。通过MEMS制造技术，微铰链把微镜片铰接在硅衬底上，微镜两边有推杆，通过驱动推杆使微镜发生转动，当微镜处于水平状态时，微镜不影响准直光束的传输，当微镜适当旋转一个角度后，微镜将介入光路，将准直光束反射向对应的输出端口输出。由于MEMS光开关是靠镜面转动来实现交换，所以任何机械摩擦、磨损或震动都可能损坏光开关。并且普通MEMS光开关的“开”状态需要持续的驱动力来维持，如果驱动力有波动，会影响微反射镜的旋转角度最终影响光的传输、链路的稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、造价低、稳定性好、重复精度高、无摩擦磨损、抗干扰能力强的一种全柔性MEMS光开关。

一种全柔性MEMS光开关，其特征是：包括柔性双稳态机构和微反射镜，柔性双稳态机构的梭连接有柔性桥，微反射镜通过连接块与柔性桥固定，柔性双稳态机构的第一稳态位置与第二稳态位置分别使微反射镜处在光通过和光反射两种状态。

所述的柔性桥由两段近底柔性梁和一段远底柔性梁构成，远底柔性梁两端通过连接块与两段近底柔性梁连接；左端近底柔性梁连接柔性双稳态机构的梭，左端或者右端的近底柔性梁与远底柔性梁之间的连接块与微反射镜连接。

所述柔性双稳态机构的两侧近底柔性梁右端通过锚区固定在衬底上。

所述的柔性双稳态机构是直线式双稳态柔性机构。

所述的柔性桥可以通过改变近底柔性梁和远底柔性梁的长度和柔度来改变微反射镜的旋转角度。

本发明的工作过程及优点是：由于柔性双稳态机构工作空间内有两个稳定状态，这两个稳定状态对应于机构内部存储的弹性势能达到极小值的两个位姿(其中包括加工位姿)，两个位姿使连接的微反射镜也可处在两个位姿，微反射镜两个位姿使光输入和光输出处在“开”和“关”两个状态，这种结构具有简单、造价低、切换精确、能耗低、无摩擦磨损、抗干扰能力强、且对MEMS加工工艺要求不高等优点。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例结构示意图，处在第一稳定状态；

图2是第二稳定状态示意图。

图中，1、柔性双稳态机构；2、柔性桥；3、微反射镜；4、锚区；5、梭；6、近底柔性梁；7、远底柔性梁；8、连接块。

具体实施方式

如图1所示，包括柔性双稳态机构1和微反射镜3，柔性双稳态机构1的梭5连接有柔性桥2，微反射镜3通过连接块8与柔性桥2固定，柔性双稳态机构1的第一稳态位置与第二稳态位置分别使微反射镜3处在光通过和光反射两种状态。柔性桥2由两段近底柔性梁6和一段远底柔性梁7构成，近底柔性梁6由靠近衬底的机械层生成，远底柔性梁7由远离衬底的机械层生成，远底柔性梁7两端通过连接块8与两段近底柔性梁6连接；左端近底柔性梁6连接柔性双稳态机构1的梭5，右端近底柔性梁6右端在锚区4，右端近底柔性梁6与远底柔性梁7连接块8与微反射镜3连接。柔性桥2在左端有沿柔性桥方向平行于衬底的力或位移输入时会在连接块处会产生力偶矩，使得柔性桥中间部分弯曲上翘，从而改变微反射镜3的位姿。柔性双稳态机构1的4个锚区4和右端近底柔性梁6右端的锚区4固定在衬底上。柔性双稳态机构1是直线式双稳态柔性机构。

本发明的工作状态可结合图1和图2一起说明。

图1是系统处于加工位姿下的第一稳态位置，左半部分是柔性双稳态机构1，其中上下两端通过锚区4固定在衬底上，中间的梭5可沿直线移动；右边中间部分是一个柔性桥2，由三段柔性梁构成，其中两侧是近底柔性梁6，中间是远底柔性梁7，柔性梁之间用连接块8连接，柔性桥2的右端是锚区4，固定在衬底上；微反射镜3固定在柔性桥2的连接块8上。

图中的柔性双稳态机构1由于已在美国专利中公开(美国专利7075209B2)，因此本发明对此不做过多描述。

当系统处于加工位姿(见图1)时，入射光从微反射镜3的上方经过；在柔性双稳态机构1的梭5左端向右施力，可使柔性双稳态机构1跳转到另一个稳态位置(见图2，此位置是机构中存储的弹性势能的一个局部极小值点)，无需施加保持力机构就可以保持在此稳定位置；这时柔性桥2弯曲上翘，微反射镜3离开图1中的初始位置旋转了一定角度，将入射光线反射出去，改变了光的方向。

从上述可以清楚的知道柔性双稳态机构1是变形能存储的器件，借助其变形能存储微反射镜3可以实现在两个位置上的稳定平衡。柔性双稳态机构1可以采用任意一种可输出直线位移的双稳态机构，即其梭5的运动是直线运动。

在图2的稳定状态时，对梭5施加向左的力，可使光开关跳转回图1的稳态位置，柔性桥2回到未变形状态，微反射镜3又回到图1所示的初始位置。

微反射镜3可以固定在柔性桥中右边的连接块8上(即图1所示的固定方式)，也可以固定在柔性桥左边的连接块8上。

通过对梭5施加作用力，将柔性双稳态机构1从加工位姿推向其第二稳态位姿，柔性桥在受到梭的作用力后在近底柔性梁和远底柔性梁之间的连接块处产生力偶矩，使得柔性桥中间部分弯曲上翘，当梭从加工位姿跳转到第二稳态位姿(该位置是机构内所储存弹性势能的极小值点)，柔性桥拱起并带动其上的微反射镜旋转一定的角度，从而实现精准的光路切换。利用MEMS制造工艺，可以加工出微小尺寸的全柔性MEMS光开关，因此在单个芯片上可以集成多个这样的光开关，实现光开关阵列。本发明中未详细叙述的部件及元件是公知的或在西安电子市场上购得的。