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微型回轉(zhuǎn)式1×n光開關(guān)的制作方法

文檔序號:2734115閱讀:186來源:國知局
專利名稱:微型回轉(zhuǎn)式1×n光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及的是一種微型開關(guān),特別是一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),屬于微型光開關(guān)領(lǐng)域。
近年來由微機械、微電子、微光學相互結(jié)合產(chǎn)生的“集成微光機電系統(tǒng)”(MOEMS)為新型光纖通訊器件的實現(xiàn)提供了嶄新手段。用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制作的微機械光開關(guān)不僅具有機械式光開關(guān)的全部優(yōu)點,而且體積很小(毫米數(shù)量級或更小),制作工藝與大規(guī)模集成電路的制作工藝相兼容,易于大批量生產(chǎn)以及光集成或光電集成,成本低,重復性好。特別是它的開關(guān)時間可大為縮短,達到微秒級。經(jīng)文獻檢索,發(fā)現(xiàn)美國專利US5923798(Jul.13,1999),該光開關(guān)由靜電力驅(qū)動,微機械靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括一固定在基板上的電極和一活動電極,活動電極與一懸臂梁或橈橈板式的結(jié)構(gòu)相連,而光學元件固定在懸臂或橈橈板上。當加以一驅(qū)動電壓后,活動電極受固定電極的吸引,向固定電極移動,帶動懸臂梁或橈橈板結(jié)構(gòu)位移,進而帶動光學元件插入光路中,使光路發(fā)生改變。這類光開關(guān)的缺點是光學元件只有兩種位置狀態(tài)--被插入光路中或被抽出光路中,從而形成1×1、1×2或2×2光開關(guān)。如果要實現(xiàn)M×N光開關(guān),則需要使用它們的大型陣列,這增加了結(jié)構(gòu)的復雜性和制造難度。又例美國專利US5808780(Sep.15,1998),該光開關(guān)由一可活動的微機械鏡片和位于其上方的具有兩種角度的反射平面組成,入射光路先由第一反射面反射到活動鏡片上,再由活動鏡片反射到第二反射面,進而反射入輸出光纖?;顒隅R片下方是圖案化的電極,通過給電極施加不同的電壓,可造成鏡片的上下位移和小角度轉(zhuǎn)動,從而使反射光路改變。這種結(jié)構(gòu)可構(gòu)成多路光開關(guān),它的不足之處是由于僅采用微機械工藝,活動鏡片與電極之間的間距并不大,因而鏡片可以產(chǎn)生不同位移和轉(zhuǎn)動的狀態(tài)數(shù)有限,光路的切換數(shù)目并不多,這同樣限制了大型M×N光開關(guān)的實現(xiàn)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)。這種光開關(guān)能控制多個鏡面在多個位置,實現(xiàn)更多數(shù)目的光路切換,而且結(jié)構(gòu)簡單,工作壽命長。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下通過一回轉(zhuǎn)式驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)動力矩,控制一多面棱鏡繞一固定軸轉(zhuǎn)動。入射光路被棱鏡的側(cè)反射面反射,隨棱鏡的轉(zhuǎn)動和側(cè)反射面的不同,入射光路被反射到不同的輸出光纖中,實現(xiàn)1×N多路光開關(guān)。在實際器件中,回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)能精確控制24個不同的轉(zhuǎn)動位置,選擇六面體棱鏡的四個側(cè)面為反射鏡面,并且設計這四個反射面與轉(zhuǎn)軸的夾角各不相同,因此當棱鏡回轉(zhuǎn)一周,四個反射面對入射光束實現(xiàn)24路反射,形成1×24光開關(guān)。通過提高微繞組的繞組數(shù),可以進一步提高光路的切換數(shù)目。
本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括多面體棱鏡、轉(zhuǎn)動部分、電磁驅(qū)動部分、基板、軸承、轉(zhuǎn)軸、外殼,多面體棱鏡固定于轉(zhuǎn)軸的輸出端,轉(zhuǎn)動部分設在外殼內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分之間,與轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接,同時轉(zhuǎn)動或靜止,基板也設在外殼的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分外,轉(zhuǎn)軸由軸承支承。多面體棱鏡直接與轉(zhuǎn)軸安裝在一起,使得整體結(jié)構(gòu)緊湊,提高了開關(guān)速度,并且易于控制。多面體棱鏡四個側(cè)面為平面鏡,鏡面與轉(zhuǎn)軸的夾角各不相同,因此能將輸入光纖的光束導向位于不同空間的輸出光纖中。電磁驅(qū)動部分采用六繞組結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動部分充以八個磁極,可實現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°,因此多面體棱鏡四個側(cè)面的每一面作為光路的平面反射鏡時都有90°/15°=6個位置,相應的入射光對每一平面鏡都有6種輸出。因此在與入射光纖夾角不同的四個平面上都有6根輸出光纖,光路的輸出端口總共有24個。光開關(guān)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用雙電磁驅(qū)動部分單轉(zhuǎn)動層的三明治型夾層結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動部分與電磁驅(qū)動部分的直徑與面積相等,這使得整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩較大;光開關(guān)的電磁驅(qū)動部分采用MEMS技術(shù)中的準LIGA工藝制備,具有多層平面微型多繞組結(jié)構(gòu)。采用多層結(jié)構(gòu)是為了增加繞組的線圈匝數(shù),提高輸出力矩。而采用平面結(jié)構(gòu)則是為了利用微細加工技術(shù),降低結(jié)構(gòu)高度,縮小器件體積。多層繞組的每一層繞組由絕緣層隔開,絕緣層采用三氧化二鋁材料以增加其耐熱性和提高工作壽命。繞組的線圈為高深寬比結(jié)構(gòu),使繞組的電阻減小,降低器件的功耗和發(fā)熱;線圈內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導磁材料,以提高磁路閉合,并增加電磁驅(qū)動部分的導熱能力?;宀捎描F氧體材料,確保磁路閉合,使電磁驅(qū)動部分具有足夠的驅(qū)動力,另一方面也降低渦流損耗;轉(zhuǎn)動部分采用磁鋼,以保證其具有較大的轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)力,同時避免勵磁損耗,減少發(fā)熱。這樣,采用這種回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)和多面體棱鏡實現(xiàn)了1×24光開關(guān)。如果提高繞組的繞組數(shù),則可以實現(xiàn)更多路數(shù)的1×N光開關(guān)。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步,體積小(毫米級)、驅(qū)動力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、光路切換功能強、器件壽命長、集成化制造。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步描述

圖1光開關(guān)總體結(jié)構(gòu)示意2電磁驅(qū)動部分多層繞組結(jié)構(gòu)示意3繞組結(jié)構(gòu)示意4多面體棱鏡俯視5多面體棱鏡不同側(cè)反射面對光路的轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示,本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括多面體棱鏡(1)、轉(zhuǎn)動部分(2)、電磁驅(qū)動部分(3)、基板(4)、軸承(5)、轉(zhuǎn)軸(6)、外殼(7),多面體棱鏡(1)固定于轉(zhuǎn)軸(6)的輸出端,轉(zhuǎn)動部分(2)設在外殼(7)內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)之間,與轉(zhuǎn)軸(6)固定聯(lián)接,同時轉(zhuǎn)動或靜止,基板(4)也設在外殼(7)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)外,轉(zhuǎn)軸(6)由軸承(5)支承。多面體棱鏡(1)直接與轉(zhuǎn)軸(6)安裝在一起,使得整體結(jié)構(gòu)緊湊,提高了開關(guān)速度,并且易于控制。
如圖2、圖3所示,電磁驅(qū)動部分(3)由繞組(8)和絕緣層(9)組成,每一層繞組(8)由絕緣層(9)隔開,絕緣層(9)采用三氧化二鋁材料以增加其耐熱性和提高工作壽命。繞組(8)的線圈(10)的高深寬比達16∶5,高深寬比的線圈(10)使繞組(8)的電阻減小,降低器件的功耗和發(fā)熱;線圈(10)內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導磁材料(11),以提高磁路閉合,并增加電磁驅(qū)動部分(3)的導熱能力。
如圖4、圖5所示,多面體棱鏡(1)四個側(cè)面為平面鏡,鏡面與轉(zhuǎn)軸(6)的夾角各不相同,因此能將輸入光纖(16)的光束導向位于不同空間的輸出光纖(17)(對應平面鏡(12),輸出光路與輸入光路夾角為α)、輸出光纖(18)(對應平面鏡(13),輸出光路與輸入光路夾角為β)、輸出光纖(19)(對應平面鏡(14),輸出光路與輸入光路夾角為θ)和輸出光纖(20)(對應平面鏡(15),輸出光路與輸入光路夾角為γ)中,由于電磁驅(qū)動部分(3)采用六繞組結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動部分(2)充以八個磁極,可實現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°,因此多面體棱鏡(1)四個側(cè)面的每一面作為光路的平面反射鏡時都有90°/15°=6個位置,相應的入射光對每一平面鏡都有6種輸出。因此在與入射光纖夾角為α、β、θ和γ的四個平面上都有6根輸出光纖,光路的輸出端口總共有24個。
光開關(guān)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用雙電磁驅(qū)動層(3)單轉(zhuǎn)動層(2)的三明治型夾層結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動部分(2)與電磁驅(qū)動部分(3)的直徑與面積相等,這使得整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩較大;光開關(guān)的電磁驅(qū)動部分(3)采用MEMS技術(shù)中的準LIGA工藝制備,具有多層平面微型繞組結(jié)構(gòu),采用多層結(jié)構(gòu)是為了增加繞組的線圈匝數(shù),提高輸出力矩,而采用平面結(jié)構(gòu)則是為了利用微細加工技術(shù),降低結(jié)構(gòu)高度,縮小器件體積;基板(4)采用導磁不導電的鐵氧體材料,確保磁路閉合,使電磁驅(qū)動部分(3)具有足夠的驅(qū)動力,另一方面也降低渦流損耗;轉(zhuǎn)動部分(2)采用高性能磁鋼,以保證其具有較大的轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)力,同時避免勵磁損耗,減少發(fā)熱。這樣,采用這種回轉(zhuǎn)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)和多面體棱鏡實現(xiàn)了1×24光開關(guān)。如果提高繞組的繞組數(shù),則可以實現(xiàn)更多路數(shù)的1×N光開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征在于主要包括多面體棱鏡(1)、轉(zhuǎn)動部分(2)、電磁驅(qū)動部分(3)、基板(4)、軸承(5)、轉(zhuǎn)軸(6)、外殼(7),多面體棱鏡(1)固定于轉(zhuǎn)軸(6)的輸出端,轉(zhuǎn)動部分(2)設在外殼(7)內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)之間,與轉(zhuǎn)軸(6)固定聯(lián)接,同時轉(zhuǎn)動或靜止,基板(4)也設在外殼(7)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分(3)外,轉(zhuǎn)軸(6)由軸承(5)支承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于電磁驅(qū)動部分(3)由平面繞組(8)和絕緣層(9)組成多層繞組結(jié)構(gòu),每一層繞組(8)由絕緣層(9)隔開,絕緣層(9)采用三氧化二鋁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于繞組(8)的線圈(10)內(nèi)部嵌入鐵鎳合金導磁材料(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于多面體棱鏡(1)四個側(cè)面為平面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于電磁驅(qū)動部分(3)的六繞組結(jié)構(gòu)與八磁極的轉(zhuǎn)動部分(2)配合,實現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動15°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于基板(4)采用鐵氧體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān),其特征還在于轉(zhuǎn)動部分(2)采用高性能磁鋼。
全文摘要
微型回轉(zhuǎn)式1×N光開關(guān)發(fā)明整體結(jié)構(gòu)主要包括:多面體棱鏡、轉(zhuǎn)動部分、電磁驅(qū)動部分、基板、軸承、轉(zhuǎn)軸、外殼,多面體棱鏡固定于轉(zhuǎn)軸的輸出端,轉(zhuǎn)動部分設在外殼內(nèi)的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分之間,與轉(zhuǎn)軸固定聯(lián)接,同時轉(zhuǎn)動或靜止,基板設在外殼的上下兩側(cè)的雙電磁驅(qū)動部分外,轉(zhuǎn)軸由軸承支承。
文檔編號G02B6/35GK1285522SQ00125380
公開日2001年2月28日 申請日期2000年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者張琛, 趙小林, 楊春生, 蔡炳初, 丁桂甫 申請人:上海交通大學
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