專利名稱：用于光學開關(guān)的光學滑閘系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學通信系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法涉及一種光學滑閘(shuttle)系統(tǒng)，其可以用在光學通信系統(tǒng)內(nèi)的光學開關(guān)中。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代通信系統(tǒng)包括可以使用大量帶寬的光學通信系統(tǒng)。為了提高效率，許多光學通信系統(tǒng)使用了光學開關(guān)。這些光學開關(guān)有時使用基于微機電(MEMS)技術(shù)的光學多路復用器，可以從光導纖維源將輸入信號插入或分出到不同的光導纖維輸出端口。這些光學開關(guān)還可以包括固定著選擇路徑波導結(jié)構(gòu)的滑閘機構(gòu)，以及物理移動滑閘機構(gòu)的致動器。
常規(guī)的光學開關(guān)通常對光學開關(guān)和光學開關(guān)致動器使用獨立的部件。另外，常規(guī)的滑閘系統(tǒng)使用熱操作致動器來控制光學通信系統(tǒng)中的切換功能。例如，當滑閘機構(gòu)形成切換元件時，熱驅(qū)動熱致動器，從而使得滑閘系統(tǒng)在切換位置之間移動。然而，這種構(gòu)造需要熱致動器克服滑閘機構(gòu)的懸臂以及熱致動器本身兩者的回復力。因此，需要有很高的致動力和很長的位移距離以充分驅(qū)動滑閘機構(gòu)。結(jié)果，高的致動力需要高的電力消耗，而長的位移距離需要在光學開關(guān)上使用長的熱致動器。因此，需要在切換系統(tǒng)中增加空間，從而造成了光學開關(guān)內(nèi)變形成不平坦的趨勢增大。

發(fā)明內(nèi)容
基于上面討論的問題，光學開關(guān)中需要有改進的光學滑閘系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠不消耗大量的電力并且可以減小光學通信系統(tǒng)中的空間約束。
根據(jù)本發(fā)明的不同示范實施例，光學開關(guān)將光學滑閘系統(tǒng)嵌入帶有鎖閉機構(gòu)的集成致動器中。光學開關(guān)可以用MEMS微制造技術(shù)形成。
在不同的示范實施例中，用于在通信系統(tǒng)中給信號選擇路徑的光學滑閘系統(tǒng)包括，連接到電源的接頭，包含用于信號路徑選擇的波導的滑閘，以及連接到接頭和滑閘的梁，所以梁懸起滑閘。當從電源施加電力給接頭的時候，該梁驅(qū)動滑閘移動。
在不同的可選示范實施例中，使用光學滑閘系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中選擇信號路徑的方法包括，將接頭連接到電源上，將滑閘連接到梁上從而懸起滑閘，以及從電源施加電力給接頭，使得梁在基本上垂至于梁方向的方向驅(qū)動滑閘運動。
為完全驅(qū)動光學滑閘系統(tǒng)將不再需要上面說到的長的位移距離，因為使用了熱致動來驅(qū)動滑閘(而不是靜電操作的致動器)，而且是將滑閘嵌入梁中作為集成的熱致動器。例如，只使用致動器和滑閘來驅(qū)動切換動作，而不再需要靜電操作的致動器。因為熱致動給予了比靜電操作致動器更大的力，根據(jù)本發(fā)明將在光學滑閘系統(tǒng)中組合的梁和滑閘可以提高零件的可靠性并減少了電力消耗。
在不同的可選示范實施例中，光學滑閘系統(tǒng)可以與鎖閉機構(gòu)一起使用。
在不同的可選示范實施例中，熱致動器可以是預(yù)先成形的梁，用來驅(qū)動光學滑閘系統(tǒng)。該滑閘上可以包括有光學元件，例如光波導。當有電力，即有電流作用于光學滑閘系統(tǒng)的時候，電流經(jīng)過梁造成了梁的熱膨脹。梁的熱膨脹使得光學滑閘系統(tǒng)中的滑閘被驅(qū)動至預(yù)定位置。當滑閘到達預(yù)定位置時，一組熱致動器會鎖閉滑閘。鎖閉滑閘的熱致動器隨后用電流重新加熱從而釋放開滑閘，然后這又使滑閘在梁致動器的回復力作用下被驅(qū)動返回其初始位置。


下面將參考附圖詳細敘述根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)和方法的不同示范實施例，其中圖1為光學通信系統(tǒng)的示意圖；圖2為可以用在圖1所示光學通信系統(tǒng)中的光學開關(guān)的示意圖；圖3為可以用在圖1所示光學通信系統(tǒng)中的常規(guī)光學滑閘裝置和致動器的示意圖；圖4為圖3中的常規(guī)光學滑閘裝置和致動器位于已位移的位置的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明所使用的光學滑閘系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明所使用的光學滑閘系統(tǒng)的第二實施例的示意圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明所使用的光學滑閘系統(tǒng)的第三實施例的示意圖；以及圖8的示意圖表示出了本發(fā)明光學滑閘系統(tǒng)使用的梁的變形。
具體實施例方式
本發(fā)明總體涉及一種光學開關(guān)的系統(tǒng)和方法，該開關(guān)包括用于光學通信系統(tǒng)的光學滑閘系統(tǒng)。為了方便，將使用在光學通信系統(tǒng)中與光插/分多路復用器相關(guān)的光學開關(guān)來論述本發(fā)明的實施例。然而應(yīng)當理解，對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以與光學通信系統(tǒng)中的任何零件一起使用，這并沒有脫離本發(fā)明的精髓和范圍。
圖1是光學通信系統(tǒng)的示范性示意圖。在不同的示范實施例中，光學通信系統(tǒng)可以是光插/分復用器100。如圖1所示，光插/分多路復用器100可以從單光導纖維接收具有多個光信號通道的不同波長的輸入光信號110。輸入的光信號110由多路分用器120根據(jù)光信號通道112的波長將多路分用成為獨立的光信號通道112。一旦輸入的信號被多路分用，各個獨立的光信號通道112會遇到多個光學開關(guān)230中的某一個。光學開關(guān)230會接通或者分出相應(yīng)的光信號通道112的一個。對于任何被分出的光信號通道，會由光學開關(guān)230插入新的信號114，從而再利用這個通道。被光學開關(guān)230接通或者插入的通道116由多路復用器140再多路復用為輸出光信號150并輸出到另一個單光導纖維。因為光插/分多路復用器100可以分出和插入光信號通道，輸出的光信號150與輸入的光信號110相比，可包含修改的數(shù)據(jù)流。
圖2是光學開關(guān)230的示范示意圖，它可以用在圖1所示的光通信系統(tǒng)中。如圖2所示，光學開關(guān)230可以用作波導開關(guān)或者光學轉(zhuǎn)換開關(guān)。光學開關(guān)230包括帶有多個波導234的滑閘232。對應(yīng)于光插/分多路復用器100中某一個通道112的輸入波導222，以及用于傳送要被插入的新信號114的波導242，布置在波導234的一端。同樣，對應(yīng)于光插/分多路復用器100中的一個通道116的輸出波導224以及用于分出信號的波導228位于在波導234的另一端。
如圖2中的箭頭所示，滑閘232可以靠一對致動器236橫向被驅(qū)動或移動。致動器236可以是任何適合的類型，例如，熱致動器、靜電致動器、磁致動器或者壓電致動器。波導234被構(gòu)造為使得滑閘232的橫向移動會在用一個波導234將輸入波導222和輸出波導224連接起來以及用一個波導234將傳送新信號114的波導242和輸出波導224連接起來這兩個狀態(tài)之間切換。為了分出輸入波導222的信號，波導234中的一個可以連接到輸入波導222并連接至波導228。
圖3是常規(guī)光學滑閘的裝置300的示意圖，可以用于圖2中的光學開關(guān)230。如圖3所示，光學滑閘裝置300包括帶有剛性的熱致動器310，致動器頭306和彈簧302。該致動器頭306連接著熱致動器310。彈簧302連接著滑閘232，并且也被緊固在光學開關(guān)230上(圖2中示出)。彈簧302具有阻力或剛性，因此懸起滑閘232使得它在驅(qū)動時可以正確地導向。光學滑閘裝置300還包括連接著熱致動器310的電接頭308。光學滑閘裝置300還包括連接著電接頭312的閉鎖熱致動器304。
圖3中的光學滑閘裝置300位于非閉鎖位置，因此電接頭308上沒有電力作用，并且熱致動器310沒有離開收縮位置或平衡位置。此外，致動器頭306不接觸滑閘232。但是，當電力作用于電接頭308時，熱致動器310中發(fā)生熱膨脹，使得熱致動器310離開收縮位置。當熱致動器310移動時，致動器頭306與滑閘232相接觸并且將滑閘232從未鎖閉位置(圖3中所示)驅(qū)動至鎖閉位置(圖4中所示)。因為滑閘232包括帶有波導234的光學元件，當光學滑閘裝置300被致動器頭306驅(qū)動時，它作為切換開關(guān)控制滑閘232上的波導234與光插/分多路復用器100中不同的波導對齊。這個功能控制著光通信系統(tǒng)中光學信號的方向。
圖4是圖3中的常規(guī)光學滑閘裝置300位于已移動位置的示意圖。如圖4所示，當有電力作用于電接頭308后，熱致動器310移動從而使得致動器頭306接觸滑閘232。因為熱致動器310移出了平衡位置，克服了在熱致動器310中產(chǎn)生回復力的剛性(或阻力)從而移動滑閘232。另外，如圖4中所示，彈簧302也被折彎并移動，使得滑閘232的移動克服彈簧302中的回復力。折彎的彈簧302還提供了回復力，以使滑閘232返回其平衡位置。一旦滑閘232被驅(qū)動至其預(yù)定位置，通過給電接頭312提供電力，使得鎖閉熱致動器304致動鎖閉裝置314，將滑閘232保持在適當位置，從而將滑閘232保持在預(yù)定的位置。
通過從電接頭312移除電力，光學滑閘裝置300返回其平衡位置，從而克服了彈簧302和熱致動器310中的回復力。因此，光學滑閘裝置300返回到圖3中所示的位置。
圖5是根據(jù)本發(fā)明所使用光學滑閘系統(tǒng)500的第一實施例的示意圖。光學滑閘系統(tǒng)500可以形成在硅芯片的特定位置上。如圖5中所示，兩個梁502連接在電接頭508和滑閘232上，另兩個梁503連接在電接頭509和滑閘232上。梁502和503固定在電接頭508和509以及滑閘232上。梁502和503也可以預(yù)先成形并可以由硅構(gòu)成，從而在梁502和503中提供剛性。如果使用硅形成梁502和503，可以采用摻雜劑摻雜硅梁，增加梁502和503的導電。
電接頭508構(gòu)造為正極電接頭，而電接頭509構(gòu)造為負極電接頭。當有電力時，即有電壓作用于電接頭508和509時，電流I從電接頭508，流經(jīng)梁502和503，流向電接頭509。電流I造成梁502和503中發(fā)生熱膨脹，最終形成的力將滑閘232(以及波導234)驅(qū)動至預(yù)定的位置。一旦滑閘232被驅(qū)動至預(yù)定的位置，通過給電接頭312提供電力，使得鎖閉熱致動器304致動鎖閉裝置314，將滑閘232保持在預(yù)定位置，從而將滑閘232鎖定在適當位置。即使從電接頭312移除電力的時候，鎖閉裝置314仍可以將滑閘232保持在非平衡位置。要讓光學滑閘系統(tǒng)500返回平衡位可以通過對電接頭312再作用電力，讓鎖閉裝置314釋放滑閘232，梁502和503中的回復力會使滑閘232返回其未鎖閉的位置。
圖6是根據(jù)本發(fā)明所使用光學滑閘系統(tǒng)500的第二實施例的示意圖。如圖6中所示，光學滑閘系統(tǒng)包括梁對602，它具有第一梁602a和第二梁603b，第一梁602a和第二梁603a在電接頭608和滑閘232之間的位置用連桿602c連接在一起。該梁對602也連接著電接頭608和滑閘232。電接頭608包括第一和第二電接頭608a和608b，分別對應(yīng)各個梁對602中的梁602a和602b。如上面在第一實施例中所述的，梁對602中的第一和第二梁602a和602b(以及連桿602c)可以預(yù)先成形并可以由硅構(gòu)成?？梢詫⒏鹘M電接頭608a和608b構(gòu)造成第一電連接焊點608a為正極電接頭，而第二電連接焊點608b為負極電接頭。因此，當通過電接頭608a和608b在梁對602上作用電力的時候，電流I在第一梁602a中流向滑閘232，通過連桿602c，然后通過第二梁602b離開滑閘返回第二電接頭608b。結(jié)果造成梁對602中的熱膨脹，梁對602將滑閘232驅(qū)動至預(yù)定位置。一旦滑閘232被驅(qū)動至預(yù)定位置，滑閘232可以鎖閉在適當位置并隨后使用圖5中所述的方法返回其平衡位置。
圖7是根據(jù)本發(fā)明所使用光學滑閘系統(tǒng)500的第三實施例的示意圖。如圖7所示，梁702通過第一連桿702a和第二連桿702b連接在電接頭708的一端上。梁702的另一端連接在滑閘232上。電接頭708包括分別對應(yīng)連桿702a和702b的電接頭對708a和708b。第一和第二連桿702a和702b可以用硅構(gòu)成，梁702可以預(yù)先成形并且也可以由硅構(gòu)成。各組電接頭708a和708b可以構(gòu)造成為一個電接頭708a為正極電接頭，而另一個電接頭708b為負極電接頭。因此，當電力通過電接頭708a和708b作用在梁702上的時候，電流從第一連桿702a流至第二連桿702b。因為梁702連接到連桿702a和702b，在梁702中產(chǎn)生了熱膨脹。因此，梁702將滑閘232驅(qū)動至預(yù)定位置。一旦滑閘被驅(qū)動至預(yù)定位置，滑閘可以被鎖閉在適當位置，并且隨后使用上面所述的方法返回平衡位置。
因為本發(fā)明的實施例沒有使用彈簧、熱致動器以及致動器頭結(jié)合使用(如圖3和4中常規(guī)滑閘裝置中所示)，而替代使用，例如硅梁作為致動器和懸臂，本發(fā)明的光學滑閘系統(tǒng)沒必要將作為獨立裝置的懸臂和熱致動器的回復力都克服。因此，不需要高的致動力和長的位移距離以充分驅(qū)動滑閘機構(gòu)，從而使得該裝置相對于常規(guī)的滑閘裝置消耗的電量更低。另外，該光學滑閘系統(tǒng)在開關(guān)系統(tǒng)中利用了最小的空間，從而減小了光學開關(guān)內(nèi)變形成不平坦的趨勢。
如果用硅來形成長的梁，相比較帶有同樣截面面積的短的梁，移動滑閘至預(yù)定位置所需要的驅(qū)動力更小。另外，可以通過增加梁長度和減小梁中電流量的方法來增加滑閘的位移。鎖閉裝置、滑閘和光學滑閘系統(tǒng)的光學元件可以使用自對準的光刻方法形成。因此，x-y平面中滑閘波導和固定波導之間的對準非常理想。本發(fā)明光學滑閘系統(tǒng)的系統(tǒng)性能也可以改善，因為使用電流可以容易地監(jiān)控熱引起的滑閘移動以控制梁。
圖8的示意圖表示出了本發(fā)明光學滑閘系統(tǒng)所使用的梁的變形。圖表表示出了如上所述的當電流通過梁時滑閘位移與溫度的關(guān)系。用來獲得圖8A所示結(jié)果的梁構(gòu)造包括4個硅梁802，尺寸為1200μm×2μm×3.5μm。用來獲得圖8B所示結(jié)果的梁構(gòu)造包括8個硅梁804，尺寸為1200μm×2μm×3.5μm。硅梁的理想偏轉(zhuǎn)量為14μm，可以在大約500℃至600℃之間的溫度獲得。圖8A-8B中的結(jié)果表示出了梁偏轉(zhuǎn)和溫度的非線性關(guān)系。確定梁的偏轉(zhuǎn)應(yīng)當考慮軸向應(yīng)力或應(yīng)變，因為不能單獨只用梁偏轉(zhuǎn)準確地分析梁變形。
根據(jù)本發(fā)明的光學開關(guān)系統(tǒng)和方法，其制造可以通過例如平版印刷的方法限定出對應(yīng)于梁第一狀態(tài)(或者平衡狀態(tài))的具有特定形狀的梁。任何已知的光刻技術(shù)都可以使用。光刻方法可以準確制造出梁的特征，例如形狀和幾何結(jié)構(gòu)。
同樣的，梁的幾何結(jié)構(gòu)將會限定出梁的第二狀態(tài)(或者非平衡狀態(tài))。因此，根據(jù)本發(fā)明的不同示范實施例，其制造方法可以包括確定梁第一狀態(tài)以及梁第二狀態(tài)，通過光刻方法限定出具有特別幾何結(jié)構(gòu)的梁。特別幾何結(jié)構(gòu)包括一個或多個預(yù)定的長度、一定寬度、高度和曲率。應(yīng)當理解，也可以用制造梁的材料層的厚度來確定高度。
同樣，也可以用光刻的方法限定具有預(yù)定幾何結(jié)構(gòu)的梁，以確定出梁的其他不同特征。例如，可以限定梁的幾何結(jié)構(gòu)以確定落差距離和/或梁的力曲線。雖然也可以使用其他類似的制造技術(shù)，但用同樣的技術(shù)制造整個系統(tǒng)是更有利的，例如需要較少的獨立方法步驟從而簡化了制造過程。
如上所述的，可以在絕緣體上硅晶片的器件層中形成圖案從而用光刻的方法限定出光學開關(guān)。在器件層和基底之間的絕緣體層可以部分蝕刻而釋放，例如，梁，而部分絕緣體層仍將梁固定在基底上。固定梁的那部分絕緣體可以形成圖案并且進行蝕刻從而限定出梁的理想邊界條件。
在文件號為6,379,989和6,362,512以及US2003/0210115的美國專利文件中介紹了適于制造梁的示范技術(shù)，可以在這里結(jié)合整體參考。
通常，多晶硅表面微機械加工所使用的二維平面制造工藝步驟，和集成電路(IC)制造工業(yè)中制造微機電或微機械裝置的相同。標準的結(jié)構(gòu)單元進程包括在基底上沉積并用光刻方法形成圖案交互層。交互層包括低應(yīng)力多晶體硅(也稱為多晶硅)和基底上的犧牲材料，例如二氧化硅。蝕刻穿過犧牲層的通路在基底上和多晶硅層之間提供了固定點。在多晶硅層上形成圖案從而構(gòu)成了微機械加工裝置的機械元件。因此該機械元件通過一系列的沉積和圖案形成處理步驟一層一層地形成。二氧化硅層隨后通過曝露于選擇蝕刻劑例如氫氟酸(HF)而移除，而它并不會損害多晶硅層。這樣釋放出了在多晶硅層中形成的機械元件而將其移出。
權(quán)利要求
1.一種光學滑閘系統(tǒng)，用于在通信系統(tǒng)中給信號選擇路徑，包括接頭，連接到電源；滑閘，包括用于給信號選擇路徑的波導；以及連接到接頭和滑閘的梁，使得梁懸起滑閘，當從電源施加電力給接頭的時候，梁驅(qū)動滑閘移動。
全文摘要
一種用于在通信系統(tǒng)中給信號選擇路徑的光學滑閘系統(tǒng)，包括連接著電源的接頭，包含用于給信號選擇路徑的滑閘，以及連接著接頭和滑閘的梁，使得梁懸起滑閘。當從電源施加電力給接頭的時候，梁驅(qū)動滑閘移動。另外，還涉及一種使用光學滑閘系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中選擇信號路徑的方法，該方法包括將接頭連接到電源上，將滑閘連接到梁上從而懸起滑閘，以及從電源施加電力給接頭，使得梁驅(qū)動滑閘，以基本上垂直于梁方向的方向移動。
文檔編號G02B6/35GK1715977SQ20051008099
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者F·楊, J·A·庫比, A·T·特蘭, J·馬 申請人:施樂公司