專利名稱：數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種光開關(guān)器件，用于光纖通信網(wǎng)中光交叉連接，屬于半導(dǎo)體微器件制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全社會信息化水平不斷提高，當前光纖通信網(wǎng)中光-電-光的交換方式已經(jīng)成為進一步擴大通信容量的“電子瓶頸”，全光交換是光纖通信網(wǎng)的發(fā)展方向，光交叉連接是實現(xiàn)全光交換的關(guān)鍵，光開關(guān)是光交叉連接設(shè)備中的核心器件。
近年來，隨著應(yīng)用要求的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研究開發(fā)了多種基于不同材料和物理效應(yīng)的光開關(guān)，如固態(tài)波導(dǎo)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、全息光開關(guān)、熱光開關(guān)、半導(dǎo)體放大器光開關(guān)、微電子機械系統(tǒng)(MEMS，簡稱微機械)光開關(guān)等。其中MEMS光開關(guān)可以用類似集成電路的工藝批量生產(chǎn)，可以與控制電路制造于一體，體積小，成本低。MEMS光開關(guān)的特性與光信號的格式、波長、協(xié)議、調(diào)制方式、偏振、傳輸方向等無關(guān)，在損耗和擴展性上也優(yōu)于其他類型的光開關(guān)，因此MEMS光開關(guān)及其陣列最有可能成為核心光交換器件中的主流，已經(jīng)成為光開關(guān)研究領(lǐng)域中最受關(guān)注的一個發(fā)展方向。
MEMS光開關(guān)利用微機械加工獲得的微反射鏡來實現(xiàn)光路的轉(zhuǎn)換，主要有二維和三維兩種類型。二維MEMS光開關(guān)是指入射光束和出射光束處于同一平面內(nèi)，光開關(guān)只能在該平面內(nèi)改變光的傳播方向。因此在二維MEMS光開關(guān)的應(yīng)用中，微反射鏡和輸入光纖、輸出光纖位于同一個平面內(nèi)，微反射鏡只有進入和退出光路兩種狀態(tài)，分別對應(yīng)著光路的反射和直通，一個N×N的開關(guān)陣列可以連接N條輸入光纖和N條輸出光纖。對二維MEMS光開關(guān)的控制只需施加足夠的驅(qū)動電壓使微鏡發(fā)生動作即可，控制電路簡單，但當要構(gòu)成大型光交換陣列時，所需要的開關(guān)數(shù)很多，因此二維MEMS光開關(guān)主要應(yīng)用在端口數(shù)較少的交換矩陣中。
三維MEMS光開關(guān)是指用以轉(zhuǎn)換光路的微反射鏡可以繞其所在平面內(nèi)的兩個正交軸偏轉(zhuǎn)，通過控制兩個偏轉(zhuǎn)角，可以將入射光在三維空間內(nèi)按需要的角度反射出去，因此這種光開關(guān)也被稱為自由空間光開關(guān)。在三維MEMS光開關(guān)的應(yīng)用中，輸入光纖和輸出光纖各自排成二維陣列，兩組光開關(guān)各自也排成二維陣列，其中一組光開關(guān)與輸入光纖一一對應(yīng)，稱為輸入開關(guān)組，另一組光開關(guān)與輸出光纖一一對應(yīng)，稱為輸出開關(guān)組。來自輸入光纖的入射光照射在輸入開關(guān)組中與該輸入光纖相對應(yīng)的微反射鏡上，控制該反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，使其反射光照射在輸出開關(guān)組中與指定輸出光纖相對應(yīng)的微反射鏡上，再控制該反射鏡的偏轉(zhuǎn)角，使其反射光照射在相應(yīng)的輸出光纖上，從而實現(xiàn)任意輸入光纖與任意輸出光纖的光交叉連接。
三維MEMS光開關(guān)的應(yīng)用方式表明，實現(xiàn)N條輸入光纖與N條輸出光纖的光交叉連接只需要2N個光開關(guān)。因此在端口數(shù)較多的交換矩陣中主要使用三維即自由空間光開關(guān)陣列。
由上可見，經(jīng)自由空間光開關(guān)反射的光能否照射在輸出光纖上，決定了光交叉連接功能能否實現(xiàn)，而照射的準確度決定了光交叉連接的性能，即插入損耗。為了精確地控制反射光的方向，需要精確地控制光開關(guān)的兩個偏轉(zhuǎn)角。迄今人們主要通過對偏轉(zhuǎn)角的檢測和閉環(huán)控制解決這一問題，即在微反射鏡的下方設(shè)置兩組檢測和控制電極，每一組檢測電極檢測微反射鏡繞一個軸的轉(zhuǎn)角，再通過相應(yīng)的控制電極施加驅(qū)動力使微鏡穩(wěn)定在所需要的轉(zhuǎn)角上。由于微鏡的尺寸較小，微鏡與檢測電極之間形成的電容很小，微鏡偏轉(zhuǎn)角變化時產(chǎn)生的電容變化量更小，其準確檢測較為困難。另一方面，響應(yīng)時間是光開關(guān)的又一項重要性能指標，它在很大程度上取決于該閉環(huán)回路的動態(tài)特性，回路需要一定的校正網(wǎng)絡(luò)。這些都導(dǎo)致微反射鏡偏轉(zhuǎn)角的檢測和反饋控制電路相當復(fù)雜，當光開關(guān)用于一定規(guī)模的陣列時，各單元電路之間的相互干擾將使電路的設(shè)計和實現(xiàn)更趨復(fù)雜，因此其全部檢測控制電路的復(fù)雜性激增，且規(guī)模龐大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題；針對MEMS器件尺寸小，電容變化微弱，檢測困難，因而自由空間MEMS光開關(guān)反射角的精確控制困難的問題，本發(fā)明從結(jié)構(gòu)設(shè)計上加以解決，提供一種數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)，實現(xiàn)反射鏡面的固定角度偏轉(zhuǎn)和自動定位，去除復(fù)雜的角度檢測與控制電路，實現(xiàn)自由空間MEMS光開關(guān)的直接數(shù)字控制。
技術(shù)方案在微鏡和框架背面的適當位置設(shè)置一種凸臺結(jié)構(gòu)，只要在襯底電極上施加相對足夠的電壓，鏡面和框架就會偏轉(zhuǎn)直至凸臺和襯底接觸。
本發(fā)明由左支撐點、右支撐點，左支撐梁、右支撐梁、上支撐梁、下支撐梁、框架、反射鏡面所組成；其中，反射鏡面位于框架的中間，左支撐梁的兩端分別與框架的外側(cè)及左支撐點相固定，右支撐梁的兩端分別與框架的外側(cè)及右支撐點相固定；上支撐梁的上端固定在框架內(nèi)的上部，上支撐梁的下端固定在反射鏡面的上端，下支撐梁的下端固定在框架內(nèi)的下部，下支撐梁的上端固定在反射鏡面的下端。在框架和反射鏡面的背面分別設(shè)有外凸臺和內(nèi)凸臺。
1.結(jié)構(gòu) 國內(nèi)現(xiàn)行的兩層多晶硅表面工藝只提供一層結(jié)構(gòu)層，且厚度單一，這就決定了微反射鏡與其支承結(jié)構(gòu)具有相同厚度。為了與這種工藝條件相適應(yīng)，本發(fā)明采用雙軸外支承，微鏡內(nèi)置的總體結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的支撐點也為固定端，中間的大平面為反射鏡面，它通過內(nèi)梁與框架聯(lián)接，框架再通過外梁與固定點聯(lián)接。微鏡可以相對于框架繞內(nèi)梁(Y軸)扭轉(zhuǎn)，從而在XOZ平面內(nèi)改變光束的傳播方向，也可與框架一起相對于基座繞外梁(X軸)扭轉(zhuǎn)，在YOZ平面內(nèi)改變光束的傳播方向。當微鏡同時繞內(nèi)梁和外梁扭轉(zhuǎn)時，可在三維空間內(nèi)改變光的傳播方向，從而用單個器件就可以實現(xiàn)一路輸入光向八個輸出方向的分配或八路輸入光向一個輸出方向的復(fù)用。
為了使鏡面達到一定的扭轉(zhuǎn)角度而又要求較小的驅(qū)動力，同時減小整個器件占用的面積，將內(nèi)梁和外梁設(shè)計成方波結(jié)構(gòu)以減小其扭轉(zhuǎn)剛度，并且結(jié)構(gòu)緊湊。
2.驅(qū)動本發(fā)明采用靜電驅(qū)動方式，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，尤其適于批量加工和機電集成。
在布置于器件襯底上的電極和器件可動結(jié)構(gòu)之間施加電壓，則在兩者之間就會產(chǎn)生靜電吸引力，控制不同的襯底電極與器件可動結(jié)構(gòu)之間靜電吸引力的相對大小，就可以對可動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生適當?shù)呐まD(zhuǎn)力矩，從而使其繞相應(yīng)的軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。
在雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)下方的襯底上，布置驅(qū)動電極，包括用以驅(qū)動框架的外電極和用以直接驅(qū)動鏡面的內(nèi)電極。由兩個外電極對框架產(chǎn)生的靜電吸引力之差使框架連同鏡面繞外梁扭轉(zhuǎn)，由兩個內(nèi)電極對鏡面產(chǎn)生的靜電吸引力之差使鏡面繞內(nèi)梁相對于框架扭轉(zhuǎn)，若兩個外電極對框架的吸引力、兩個內(nèi)電極對鏡面的吸引力同時存在一定差值，則鏡面同時繞內(nèi)梁和外梁扭轉(zhuǎn)。
3.定位在基于雙軸微反射鏡的光路交換中，一個突出的問題是需要精確控制鏡面的扭轉(zhuǎn)角度，以便將入射光精確地反射至出射光纖。在連續(xù)偏轉(zhuǎn)(即偏轉(zhuǎn)角可連續(xù)變化)的雙軸微反射鏡中，必須通過角度檢測和閉環(huán)控制達到這一目的，即在鏡面和框架之下的襯底上同時設(shè)置檢測電極和控制電極，借助檢測電極檢測鏡面偏轉(zhuǎn)角，再通過控制電極調(diào)整或穩(wěn)定該角度于所需值。
由于在實際的光交換應(yīng)用中反射鏡的偏轉(zhuǎn)角均為離散值(即不需要連續(xù)變化)，本發(fā)明借助平面微加工工藝帶來的便利，在微鏡和框架背面的適當位置設(shè)置一種凸臺結(jié)構(gòu)，這樣只要在襯底電極上施加相對足夠的電壓，鏡面和框架就會偏轉(zhuǎn)直至凸臺和襯底接觸，使鏡面偏轉(zhuǎn)固定角度，實現(xiàn)自動定位。這種自定位結(jié)構(gòu)既保證了鏡面轉(zhuǎn)角的精確性和重復(fù)性，又省去了復(fù)雜的檢測控制電路，另外還可以防止偶然原因?qū)е络R面或框架與襯底粘合，這對于由表面工藝加工的器件來說是一個常見和棘手的問題。
這種基于凸臺結(jié)構(gòu)的雙軸微反射鏡可以在數(shù)字量控制下實現(xiàn)1∶8或8∶1的光路轉(zhuǎn)換，用多個同類器件組合，可以實現(xiàn)一定規(guī)模的可數(shù)字控制的光交叉連接陣列。
4.反射層 為了提高鏡面的反射能力，在多晶硅結(jié)構(gòu)層上鍍一層金屬，鑒于國內(nèi)表面加工工藝的實際情況，金屬Al比Au更易于濺射并附著在多晶硅表面，本發(fā)明采用金屬Al作為鏡片的金屬反射層。鏡面反射率隨著金屬層厚度的增加而上升，但過厚的金屬層會對結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性產(chǎn)生不利影響，取鋁層厚度50nm，以減小鏡面金屬層對整個器件結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響同時易于加工實現(xiàn)。
有益效果本發(fā)明克服了MEMS器件尺寸小因而電容變化微弱所導(dǎo)致的反射鏡面偏轉(zhuǎn)角度的檢測和控制困難的問題，借助微機械平面工藝帶來的便利，在微鏡和框架背面設(shè)置一種凸臺結(jié)構(gòu)，只要在襯底電極上施加相對足夠的電壓，鏡面和框架就會偏轉(zhuǎn)直至凸臺和襯底接觸，達到自動定位。這種自定位結(jié)構(gòu)既保證了鏡面轉(zhuǎn)角的精確性和重復(fù)性，又省去了復(fù)雜的檢測控制電路，實現(xiàn)了數(shù)字控制下的自由空間光交叉連接。另一方面，自定位凸臺也能夠防止偶然原因?qū)е络R面或框架與襯底粘合，從而避免發(fā)生這一在表面工藝加工的器件中常見和棘手的問題。
用這種器件構(gòu)成一定規(guī)模的陣列，可以實現(xiàn)多路光交叉連接的直接數(shù)字控制，避免了用模擬控制自由空間光開關(guān)實現(xiàn)光交換陣列時龐大和復(fù)雜的模擬電路帶來的體積、重量、功耗、成本和可靠性等問題。


圖1為本發(fā)明的器件正面視圖。其中有左支撐點1，右支撐點6，左外支撐梁2，右外支撐梁5，內(nèi)上支撐梁3，內(nèi)下支撐梁8，框架4，反射鏡面7。
圖2為本發(fā)明的器件反面視圖。其中有內(nèi)凸臺71，外凸臺41。
圖3為本發(fā)明的器件襯底上的電極分布圖。其中有內(nèi)電極91，外電極92。
具體實施例方式
在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)，由左支撐點1、右支撐點6，左支撐梁2、右支撐梁5、上支撐梁3、下支撐梁8、框架4、反射鏡面7組成雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)；其中，反射鏡面7位于框架4的中間，左支撐梁2的兩端分別與框架4的外側(cè)及左支撐點1相固定，右支撐梁5的兩端分別與框架4的外側(cè)及右支撐點6相固定；上支撐梁3的上端固定在框架4內(nèi)的上部，上支撐梁3的下端固定在反射鏡面7的上端，下支撐梁8的下端固定在框架4內(nèi)的下部，下支撐梁8的上端固定在反射鏡面7的下端。在框架4和反射鏡面7的背面分別設(shè)有外凸臺41和內(nèi)凸臺71。在雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)下方的襯底上，布置驅(qū)動電極，包括用以驅(qū)動框架的外電極92和用以直接驅(qū)動鏡面的內(nèi)電極91。
本發(fā)明的數(shù)字控制自定位自由空間MEMS光開關(guān)已由多晶硅表面微加工工藝實現(xiàn)，具體工藝步驟如下第一步清洗襯底硅片晶圓，分別淀積氧化硅(厚度3000埃)、氮化硅(厚度2000埃)和第一層多晶硅(厚度3000埃)；涂光刻膠，套準光刻襯底電極和引線圖案，反應(yīng)離子刻蝕第一層多晶硅，去膠清洗。
第二步淀積PSG犧牲層(厚度2微米)，涂光刻膠，套準光刻凸臺圖案，反應(yīng)離子刻蝕PSG犧牲層(3000埃)，去膠清洗。
第三步涂光刻膠，套準光刻支撐柱圖案，反應(yīng)離子刻蝕PSG犧牲層，去膠清洗。
第四步淀積第二層多晶硅(厚度2微米)，淀積PSG薄膜層，高溫退火熱處理。
第五步涂光刻膠，套準光刻結(jié)構(gòu)圖案，反應(yīng)離子刻蝕第二層多晶硅，去膠清洗。
第六步涂光刻膠，套準光刻鏡面圖案，濺射50納米厚鋁金屬膜，去膠清洗。
第七步在KOH溶液中腐蝕PSG犧牲層，釋放結(jié)構(gòu)并作防粘附處理。
根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)，其特征在于由左支撐點(1)、右支撐點(6)，左支撐梁(2)、右支撐梁(5)、上支撐梁(3)、下支撐梁(8)、框架(4)、反射鏡面(7)組成雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)；其中，反射鏡面(7)位于框架(4)的中間，左支撐梁(2)的兩端分別與框架(4)的外側(cè)及左支撐點(1)相固定，右支撐梁(5)的兩端分別與框架(4)的外側(cè)及右支撐點(6)相固定；上支撐梁(3)的上端固定在框架(4)內(nèi)的上部，上支撐梁(3)的下端固定在反射鏡面(7)的上端，下支撐梁(8)的下端固定在框架(4)內(nèi)的下部，下支撐梁(8)的上端固定在反射鏡面(7)的下端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)，其特征在于在框架(4)和反射鏡面(7)的背面分別設(shè)有外凸臺(41)和內(nèi)凸臺(71)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)，其特征在于在雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)下方的襯底上，布置驅(qū)動電極，包括用以驅(qū)動框架的外電極(92)和用以直接驅(qū)動鏡面的內(nèi)電極(91)。
全文摘要
數(shù)字控制自定位自由空間微機械光開關(guān)是一種光開關(guān)器件，用于光纖通信網(wǎng)中光交叉連接，由左支撐點(1)、右支撐點(6)，左支撐梁(2)、右支撐梁(5)、上支撐梁(3)、下支撐梁(8)、框架(4)、反射鏡面(7)組成雙軸微鏡主體結(jié)構(gòu)；其中，反射鏡面(7)位于框架(4)的中間，左支撐梁(2)的兩端分別與框架(4)的外側(cè)及左支撐點(1)相固定，右支撐梁(5)的兩端分別與框架(4)的外側(cè)及右支撐點(6)相固定；上支撐梁(3)的上端固定在框架(4)內(nèi)的上部，上支撐梁(3)的下端固定在反射鏡面(7)的上端，下支撐梁(8)的下端固定在框架(4)內(nèi)的下部，下支撐梁(8)的上端固定在反射鏡面(7)的下端。
文檔編號H04B10/12GK1661413SQ20051003813
公開日2005年8月31日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者李宏生, 黃繼偉 申請人:東南大學(xué)