微型回转式1×N光开关制造技术

微型回转式１×Ｎ光开关发明专利技术整体结构主要包括：多面体棱镜、转动部分、电磁驱动部分、基板、轴承、转轴、外壳，多面体棱镜固定于转轴的输出端，转动部分设在外壳内的上下两侧的双电磁驱动部分之间，与转轴固定联接，同时转动或静止，基板设在外壳的上下两侧的双电磁驱动部分外，转轴由轴承支承。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微型开关，特别是一种微型回转式1×N光开关，属于微型光开关领域。近年来由微机械、微电子、微光学相互结合产生的“集成微光机电系统”(MOEMS)为新型光纤通讯器件的实现提供了崭新手段。用微机电系统(MEMS)技术制作的微机械光开关不仅具有机械式光开关的全部优点，而且体积很小(毫米数量级或更小)，制作工艺与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产以及光集成或光电集成，成本低，重复性好。特别是它的开关时间可大为缩短，达到微秒级。经文献检索，发现美国专利US5923798(Jul.13，1999)，该光开关由静电力驱动，微机械静电驱动结构包括一固定在基板上的电极和一活动电极，活动电极与一悬臂梁或桡桡板式的结构相连，而光学元件固定在悬臂或桡桡板上。当加以一驱动电压后，活动电极受固定电极的吸引，向固定电极移动，带动悬臂梁或桡桡板结构位移，进而带动光学元件插入光路中，使光路发生改变。这类光开关的缺点是光学元件只有两种位置状态--被插入光路中或被抽出光路中，从而形成1×1、1×2或2×2光开关。如果要实现M×N光开关，则需要使用它们的大型阵列，这增加了结构的复杂性和制造难度。又例美国专利US5808780(Sep.15，1998)，该光开关由一可活动的微机械镜片和位于其上方的具有两种角度的反射平面组成，入射光路先由第一反射面反射到活动镜片上，再由活动镜片反射到第二反射面，进而反射入输出光纤。活动镜片下方是图案化的电极，通过给电极施加不同的电压，可造成镜片的上下位移和小角度转动，从而使反射光路改变。这种结构可构成多路光开关，它的不足之处是由于仅采用微机械工艺，活动镜片与电极之间的间距并不大，因而镜片可以产生不同位移和转动的状态数有限，光路的切换数目并不多，这同样限制了大型M×N光开关的实现。本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微型回转式1×N光开关。这种光开关能控制多个镜面在多个位置，实现更多数目的光路切换，而且结构简单，工作寿命长。本专利技术的技术方案如下通过一回转式驱动机构产生足够大的转动力矩，控制一多面棱镜绕一固定轴转动。入射光路被棱镜的侧反射面反射，随棱镜的转动和侧反射面的不同，入射光路被反射到不同的输出光纤中，实现1×N多路光开关。在实际器件中，回转式驱动结构能精确控制24个不同的转动位置，选择六面体棱镜的四个侧面为反射镜面，并且设计这四个反射面与转轴的夹角各不相同，因此当棱镜回转一周，四个反射面对入射光束实现24路反射，形成1×24光开关。通过提高微绕组的绕组数，可以进一步提高光路的切换数目。本专利技术整体结构主要包括多面体棱镜、转动部分、电磁驱动部分、基板、轴承、转轴、外壳，多面体棱镜固定于转轴的输出端，转动部分设在外壳内的上下两侧的双电磁驱动部分之间，与转轴固定联接，同时转动或静止，基板也设在外壳的上下两侧的双电磁驱动部分外，转轴由轴承支承。多面体棱镜直接与转轴安装在一起，使得整体结构紧凑，提高了开关速度，并且易于控制。多面体棱镜四个侧面为平面镜，镜面与转轴的夹角各不相同，因此能将输入光纤的光束导向位于不同空间的输出光纤中。电磁驱动部分采用六绕组结构，转动部分充以八个磁极，可实现每次转动15°，因此多面体棱镜四个侧面的每一面作为光路的平面反射镜时都有90°/15°=6个位置，相应的入射光对每一平面镜都有6种输出。因此在与入射光纤夹角不同的四个平面上都有6根输出光纤，光路的输出端口总共有24个。光开关的驱动结构采用双电磁驱动部分单转动层的三明治型夹层结构，转动部分与电磁驱动部分的直径与面积相等，这使得整体结构的转动力矩较大；光开关的电磁驱动部分采用MEMS技术中的准LIGA工艺制备，具有多层平面微型多绕组结构。采用多层结构是为了增加绕组的线圈匝数，提高输出力矩。而采用平面结构则是为了利用微细加工技术，降低结构高度，缩小器件体积。多层绕组的每一层绕组由绝缘层隔开，绝缘层采用三氧化二铝材料以增加其耐热性和提高工作寿命。绕组的线圈为高深宽比结构，使绕组的电阻减小，降低器件的功耗和发热；线圈内部嵌入铁镍合金导磁材料，以提高磁路闭合，并增加电磁驱动部分的导热能力。基板采用铁氧体材料，确保磁路闭合，使电磁驱动部分具有足够的驱动力，另一方面也降低涡流损耗；转动部分采用磁钢，以保证其具有较大的转动回转力，同时避免励磁损耗，减少发热。这样，采用这种回转式驱动结构和多面体棱镜实现了1×24光开关。如果提高绕组的绕组数，则可以实现更多路数的1×N光开关。本专利技术具有实质性特点和显著进步，体积小(毫米级)、驱动力矩大、结构紧凑、光路切换功能强、器件寿命长、集成化制造。以下结合附图对本专利技术进一步描述附图说明图1光开关总体结构示意2电磁驱动部分多层绕组结构示意3绕组结构示意4多面体棱镜俯视5多面体棱镜不同侧反射面对光路的转换示意图如图1所示，本专利技术整体结构主要包括多面体棱镜(1)、转动部分(2)、电磁驱动部分(3)、基板(4)、轴承(5)、转轴(6)、外壳(7)，多面体棱镜(1)固定于转轴(6)的输出端，转动部分(2)设在外壳(7)内的上下两侧的双电磁驱动部分(3)之间，与转轴(6)固定联接，同时转动或静止，基板(4)也设在外壳(7)的上下两侧的双电磁驱动部分(3)外，转轴(6)由轴承(5)支承。多面体棱镜(1)直接与转轴(6)安装在一起，使得整体结构紧凑，提高了开关速度，并且易于控制。如图2、图3所示，电磁驱动部分(3)由绕组(8)和绝缘层(9)组成，每一层绕组(8)由绝缘层(9)隔开，绝缘层(9)采用三氧化二铝材料以增加其耐热性和提高工作寿命。绕组(8)的线圈(10)的高深宽比达16∶5，高深宽比的线圈(10)使绕组(8)的电阻减小，降低器件的功耗和发热；线圈(10)内部嵌入铁镍合金导磁材料(11)，以提高磁路闭合，并增加电磁驱动部分(3)的导热能力。如图4、图5所示，多面体棱镜(1)四个侧面为平面镜，镜面与转轴(6)的夹角各不相同，因此能将输入光纤(16)的光束导向位于不同空间的输出光纤(17)(对应平面镜(12)，输出光路与输入光路夹角为α)、输出光纤(18)(对应平面镜(13)，输出光路与输入光路夹角为β)、输出光纤(19)(对应平面镜(14)，输出光路与输入光路夹角为θ)和输出光纤(20)(对应平面镜(15)，输出光路与输入光路夹角为γ)中，由于电磁驱动部分(3)采用六绕组结构，转动部分(2)充以八个磁极，可实现每次转动15°，因此多面体棱镜(1)四个侧面的每一面作为光路的平面反射镜时都有90°/15°=6个位置，相应的入射光对每一平面镜都有6种输出。因此在与入射光纤夹角为α、β、θ和γ的四个平面上都有6根输出光纤，光路的输出端口总共有24个。光开关的驱动结构采用双电磁驱动层(3)单转动层(2)的三明治型夹层结构，转动部分(2)与电磁驱动部分(3)的直径与面积相等，这使得整体结构的转动力矩较大；光开关的电磁驱动部分(3)采用MEMS技术中的准LIGA工艺制备，具有多层平面微型绕组结构，采用多层结构是为了增加绕组的线圈匝数，提高输出力矩，而采用平面结构则是为了利用微细加工技术，降低结构高度，缩小器件体积；基板(4)采用导磁不导电的铁氧体材料，确保磁路闭合，使电磁驱动部分(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型回转式１×Ｎ光开关，其特征在于主要包括：多面体棱镜（１）、转动部分（２）、电磁驱动部分（３）、基板（４）、轴承（５）、转轴（６）、外壳（７），多面体棱镜（１）固定于转轴（６）的输出端，转动部分（２）设在外壳（７）内的上下两侧的双电磁驱动部分（３）之间，与转轴（６）固定联接，同时转动或静止，基板（４）也设在外壳（７）的上下两侧的双电磁驱动部分（３）外，转轴（６）由轴承（５）支承。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张琛，赵小林，杨春生，蔡炳初，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]