静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法技术

本发明专利技术属于光纤通讯中微光学信息处理技术领域，包括芯片、金外线、金属封装外壳及带尾纤的光纤活动连接器，该芯片由硅衬底，入射、出射光纤，制作在硅衬底上由多晶硅－氮化硅复合微梁支撑的微镜，位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成。本发明专利技术具有结构简单，制造方便，能够实现自组装和自校准，光功率损失小，开关时间短，串扰小，耐冲击、振动，驱动电压低，能耗低，使用方便等诸多优点，易于推广应用。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤通讯中微光学信息处理
，特别涉及一种微光学开关的结构设计与制作。目前，光学开关在光纤通信特别是大容量光纤通信网中有着重要的地位。因为光学开关被使用的广泛性，要求其具有性能高、小型、价廉等特性，微光学开关正能满足这一要求。日本NTT研制了在光纤上镀上磁性材料，利用电磁驱动的1×2小型光纤开关。瑞士Neufchatel大学研制了利用高深宽比等离子刻蚀制作的、梳状静电驱动器驱动的、利用侧面反射的微镜光学开关；德国卡鲁休斯核研究所利用LIGA工艺制作了原理相同的微光学开关，上述两种开关通过梳状静电驱动器驱动微镜平移入光路，切断一方向的光，反射另一方向的光，梳状驱动器需占较大的面积。日本东京大学研制了利用硅表面工艺和体硅工艺结合制作的微镜光学开关，该开关利用下硅片上的电极驱动和光纤定位沟在同一硅片上的微转镜旋转90°切入光路，切断一方向的光反射另一方向的光，该开关因需腐蚀穿硅片，所占面积不小，下电极与微镜间距离较大，所需驱动电压也较高。美国加州大学咯杉机分校研制了硅表面微加工结合铰链组装技术制作的垂直于硅片的微转镜开关，在微转镜和与其成45°的电极间印加电压，实现45°微镜开关。但是，上述各种微光学开关由于驱动部件结构复杂，所占面积大，惯量大，频率响应慢，所需驱动电压高，制造工艺复杂，因此在制造、使用上受到很大的限制。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种微光学开关，具有结构简单，制造方便，能够实现自组装和自校准，光功率损失小，开关时间短，串扰小，耐冲击、振动，驱动电压低，能耗低，使用方便等诸多优点，易于推广应用。本专利技术提出一种微光学开关，由结合成一体的芯片、金引线、金属封装外壳及带尾纤的光纤活动连接器构成，其特征在于，所说的芯片由硅衬底，插入硅衬底上的光纤定位槽中的入射、出射光纤，制作在硅衬底上由多晶硅-氮化硅复合微梁，由多晶硅-氮化硅复合微梁支撑的用于反射光线的与硅衬底垂直的微镜，位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成，利用静电驱动微梁作上下运动，把微镜切入或离开光路，从而实现光学开关功能。所说的芯片可由单层硅衬底构成，该硅衬底上有由SU-8胶经过光刻后所形成的供光纤固定的定位槽，该定位槽与所说的微镜成45度角。所说的微镜是在SU-8胶经过光刻后所形成的侧面溅射上Cr-Au层而形成的光线反射面。所说的复合微梁可由制作在位于所说硅衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层(Si3N4)、铬-金(Cr-Au)层构成，所说的上电极由多晶硅层和Cr-Au层构成。本专利技术所述的微光学开关的制作方法，包括采用引线键合工艺将芯片、金引线及金属封装外壳结合成一体，其特征在于，所说的芯片制作步骤为；在硅衬底上掺杂硼作为公共下电极，在硅衬底上依次用热氧化法生长上一层二氧化硅(SiO2)和用低压化学气相淀积法(LPCVD)生长上一层Si3N4，SiO2和Si3N4一起作为绝缘介质膜，光刻、用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化Si3N4和SiO2层，刻出下电极压焊块和对准符号窗口，在硅衬底上用常压化学气相淀积法(APCVD)淀积上一层PSG，作为牺牲层，第一次光刻PSG，用RIE图形化PSG，不刻穿PSG，刻出以后长多晶硅支撑柱的凹坑，第二次光刻PSG，用RIE图形化PSG，刻穿PSG层，再用低压化学气相淀积法(LPCVD)在硅衬底上淀积上一层多晶硅，多晶硅掺杂磷，用低压化学气相淀积法(LPCVD)在硅衬底上淀积上一层PSG，退火去除多晶硅层中的内应力，去除表面PSG，在硅衬底上用低压化学气相淀积法(LPCVD)生长上一层Si3N4，光刻、用RIE法图形化Si3N4，作为多晶硅-氮化硅复合微梁的上层，光刻、用RIE法图形化多晶硅，刻出微梁、上电极、上电极引线、上电极压焊块、上下电极隔离圈，用BHF去除表面外露的PSG，并且部分钻蚀PSG，在硅衬底上甩SU8胶，光刻SU8胶，刻出微镜部分和光纤定位槽部分，在硅衬底上溅射Cr-Au层，作为微镜反射面和上、下电极的压焊块，进行划片，牺牲层腐蚀，把PSG层腐蚀掉，从而释放多晶硅-氮化硅复合梁和微镜，用去离子水漂洗、烘干。芯片封装过程为把芯片用低应力胶粘接在金属封装外壳的基座上；把光纤从光纤套筒中穿入；用胶水把光纤和光纤套筒固定起来；去除伸出光纤套筒的光纤上的披覆层；用固定螺母把光纤套筒固定在金属封装外壳的侧壁上；把裸光纤用胶固定在芯片的光纤定位槽中；利用引线键合工艺，由金引线把芯片上的压焊块和金属封装外壳基座上的外引线键合连接起来；把金属封装外壳的上盖和金属封装外壳的基座焊接起来；把光纤和光纤活动连接器连接起来。本专利技术的工作原理是，利用硅微细加工工艺，进行硅表面微细加工，制作出多晶硅-氮化硅复合微梁及制作在微梁上的反射光线的微镜。由于在多晶硅-氮化硅复合微梁制作过程中会产生的大残余内应力，在把位于多晶硅-氮化硅复合微梁下方的PSG牺牲层腐蚀掉后，由于应力释放而使多晶硅-氮化硅复合微梁弯曲翘起至一定高度，在微梁上和微梁下方各有一个电极，驱动时，在这两个电极间印加电压，微梁在静电引力的作用下下躺，带动微镜向下运动，直至微梁被吸附在硅衬底上；撤去电压后，微镜在多晶硅-氮化硅复合微梁的弹性力作用下回到初始位置，从而实现光线的开关功能。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益的效果；1、结构简单，易于制造。利用多晶硅-氮化硅复合微梁内大残余应力使微镜竖起，不用进行大面积和深度的体硅腐蚀工艺。2、制造成本低廉，适合于在流水线上大批量生产。3、能够实现微镜的自组装，光纤和微镜能够实现自校准，校准精度高。4、微梁和微镜惯量小，由于微梁本身是弧形电极，导致驱动电压低，能耗小。5、快速性好，由于微梁和微镜结构简单，惯量小，谐振频率高。6、使用方便，使用时，只需直接插入集成电路插槽中就能与外接驱动电路相连，利用光纤活动连接器连接好光纤后就能使用。本专利技术涉及到五个实施例，其中实施例一、实施例二、实施例三为2×2光学开关，实施例四为1×2光学开关，实施例五为1×4光学开关。附图简要说明；附图说明图1是本专利技术微光学开关各实施例中芯片的封装结构示意图。图2是图1封装结构中封装外壳和光纤连接部分的局部剖视图。图3是微光学开关实施例一中芯片12的立体结构示意图。图4是微光学开关实施例一中芯片12的俯视图。图5是微光学开关实施例二中芯片12的立体结构示意图。图6是微光学开关实施例二中芯片12的俯视图。图7是微光学开关实施例三中芯片12的立体结构示意图。图8是微光学开关实施例三中芯片12的俯视图。图9是微光学开关实施例四中芯片12的立体结构示意图。图10是微光学开关实施例四中芯片12的俯视图。图11是微光学开关实施例五中芯片12的立体结构示意图。图12是微光学开关实施例五中芯片12的俯视图。图13是五个实施例中芯片上的微梁和微镜结构示意图。以下结合附图对本专利技术的各个实施例的具体结构及制作方法作进一步描述五个实施例中的芯片的封装结构原理完全相同，都用图1和图2来表示；五个实施例中的芯片制作步骤都完全相同。图1是本专利技术微光学开关各实施例中芯片的封装结构示意图。总体共包括四个部件；其中，11和15为光纤活动连接器，其数目与各个实施例的结构有关；12为芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微光学开关，其特征在于，所包括的芯片由硅衬底，插入硅衬底上的光纤定位槽中的入射、出射光纤，制作在硅衬底上由多晶硅－氮化硅复合微梁，由该微梁支撑的用于反射光线的与硅衬底垂直的微镜，位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成，利用静电驱动微梁作上下运动，把微镜切入或离开光路，从而实现光学开关功能。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶雄英，卜敏强，周兆英，何日晖，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]