基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关及N制造技术

本发明专利技术公开了一种基于静电梳驱动的硅基波导MEMS光开关及N

【技术实现步骤摘要】
基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关及N
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N阵列


[0001]本专利技术属于集成光电子器件领域，具体涉及一种硅基波导MEMS光开关及阵列，尤其是涉及一种能通过静电梳驱动来控制交叉波导镜的移动从而调控光的传输方向的集成硅基波导MEMS光开关及阵列。

技术介绍

[0002]随着5G、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术加快成熟应用，数据中心网络规模不断扩大，包含数万台乃至数十万台服务器的仓库级大规模数据中心快速发展，其数据流量急剧增加，亟需发展新一代大数据中心，为数字经济发展提供有力支撑。针对这一重大需求，光互联迅速兴起并成为大规模数据中心的关键技术，在带宽及能耗方面体现出传统电互联无法比拟的天然优势，为解决数据中心带宽及能耗等瓶颈问题提供了有效途径。
[0003]随着光互联网络规模不断扩大及其架构日益复杂，如何在超大容量基础上进一步推进光互联网络路由交换成为亟需解决的关键问题。在常见的三种光路由交换方式中，光突发交换是目前的主流交换方式，其速度要求为微秒级，且具有突出的灵活性和高效性。对于光路由交换，大规模N
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N光开关阵列是其核心。因此，近年来国内外研究机构和研究人员对此高度重视，逐渐发展了不同材料、不同原理和不同结构的光开关阵列。其中，硅光技术具有CMOS工艺兼容、高集成度、低成本、易于大规模集成等突出优势，为实现大规模光开关阵列提供了重要平台。近年来，硅基光开关及阵列以其巨大发展潜力而备受关注并取得系列重要进展。
[0004]MEMS具有将电、机械和光学元件集成在单个芯片上的独特能力，又由于此类系统的微/纳米尺度，与宏观尺度系统相比，它们具有不同的特性(低损耗，切换速度，可靠性，可扩展性等)。目前，MEMS光开关已用于在远距离传输大带宽数据的通信网络中。
[0005]根据开关内部的光信号传播，基于MEMS的开关可分为两类：自由空间开关和波导光开关。在自由空间光开关中，光信号在自由空间中传播，并沿其路径被导向所需的输出光纤。这里最常使用直径几百微米的可移动微镜来实现光路的偏转。另一方面，在波导光开关中，光信号束缚在波导中传播，通过将波导或耦合器调整到特定位置来实现光路的切换。传统的基于3D MEMS的开关具有良好的可扩展性(数百个输入/输出端口)，低插入损耗和低串扰，但开关时间(几毫秒或几十毫秒)较长。当前，基于MEMS的波导光开关正在打开构建全光开关的新方式。它们可以提供较快的切换时间(亚微秒或几微秒)，较低的插入损耗和串扰，和相对大量的输入/输出端口。通过特殊的设计，也能实现大带宽(绝热型耦合器)、偏振不敏感等特性。在不久的将来，MEMS技术仍然是全光通信网络的关键交换技术之一，基于MEMS的波导光开关可能会成为下一代新型光开关。

技术实现思路

[0006]针对已有的
技术介绍
，本专利技术的目的在于提供一种靠静电梳驱动的硅基波导MEMS
光开关及N
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N阵列。通过给固定静电梳齿施加电压，控制可动梳齿运动，并带动传动杆运动，以此调节两个交叉波导镜之间的距离，达到光路切换或分光的效果。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：
[0008]本专利技术包括硅基底以及置于硅基底上的静电梳驱动器和两个相分离的固定交叉波导镜、可动交叉波导镜，固定交叉波导镜底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上，可动交叉波导镜和静电梳驱动器连接，并由静电梳驱动器带动可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近或者远离方向移动。
[0009]所述的固定交叉波导镜和可动交叉波导镜结构相同，均主要由V形的宽波导和连接在宽波导两端的绝热锥型波导构成。
[0010]固定交叉波导镜和可动交叉波导镜能够对接成完整的交叉波导结构，且在固定交叉波导镜或者可动交叉波导镜的宽波导每一端依次连接上单模弯曲波导与单模直波导，使得相邻光开关单元之间进行连接，单模波导作为输入输出波导。
[0011]所述静电梳驱动器主要由一对静电梳齿、第一岛簧结构、第二岛簧结构和一个传动杆构成；传动杆沿可动交叉波导镜的移动方向布置，传动杆一端固定连接到可动交叉波导镜，从可动交叉波导镜到传动杆另一端依次设有第一岛簧结构、一对静电梳齿和第二岛簧结构；第一岛簧结构和第二岛簧结构的结构相同，均包括四个固定岛和两个折叠式弹簧，四个固定岛中以两个为一组构成两组固定岛，两组固定岛对称分布于传动杆的两侧侧旁，且每组固定岛中的两个固定岛沿传动杆方向间隔布置，固定岛底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上；两组固定岛各自侧方均设有一个折叠式弹簧，每个折叠式弹簧主要由主杆以及分别固定连接在主杆两端和中部的分支臂构成，主杆两端的分支臂分别固定连接于一组固定岛中的两个固定岛侧面，主杆中部的分支臂固定连接于传动杆侧面；一对静电梳齿分为固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿和可动梳齿均分为对称布置于传动杆两侧的两个部分，固定梳齿的两个部分和传动杆之间具有间隙不接触连接，可动梳齿的两个部分分别和传动杆两侧面固定连接，固定梳齿和可动梳齿的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上。
[0012]所述的固定梳齿的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿施加电压，带动可动梳齿朝向固定梳齿移动，进而带动传动杆及其所连接的可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动直到连接于固定交叉波导镜，以及带动两个岛簧结构中的折叠式弹簧柔性变形。
[0013]通过调节施加在固定梳齿上的电压大小，调控可动交叉波导镜向固定交叉波导镜靠近移动的距离，调整两个分离的可动交叉波导镜和固定交叉波导镜之间的距离，从而实现硅基MEMS光开关的切换光传播路径或分光等功能。
[0014]所述的折叠式弹簧的主杆和分支臂均是条形硅，折叠式弹簧能在传动杆的推动下发生弯曲形变。
[0015]所述静电梳驱动器为双稳态静电梳驱动器，主要由静电梳齿组、第三岛簧结构、第四岛簧结构和一个传动杆构成；传动杆沿可动交叉波导镜的移动方向布置，传动杆一端固定连接到可动交叉波导镜，从可动交叉波导镜到传动杆另一端依次设有第三岛簧结构、静电梳齿组和第四岛簧结构；第三岛簧结构和第四岛簧结构的结构相同，均包括两个固定岛和双稳态弹簧，两个固定岛对称分布于传动杆的两侧，固定岛底部通过二氧化硅下包层固
定置于硅基底上，两个固定岛到传动杆之间均通过各自的双稳态弹簧连接；静电梳齿组分为固定梳齿一、双边可动梳齿和固定梳齿二，固定梳齿一、双边可动梳齿和固定梳齿二均分为对称布置于传动杆两侧的两个部分，固定梳齿一和固定梳齿二的两个部分和传动杆之间具有间隙不接触连接，双边可动梳齿的两个部分分别和传动杆两侧面固定连接，双边可动梳齿在沿传动杆的两端均设有梳齿结构，双边可动梳齿两端的梳齿结构分别和固定梳齿一的梳齿部、固定梳齿二的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿一和固定梳齿二均底部通过二氧化硅下包层固定置于硅基底上。
[0016]所述的固定梳齿一或者固定梳齿二的两个部分均与外部电路相接，外部电路对固定梳齿一或者固定梳齿二之一施加电压，带动双边可动梳齿朝向固定梳齿一或者固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：包括硅基底(12)以及置于硅基底(12)上的静电梳驱动器和两个相分离的固定交叉波导镜(1)、可动交叉波导镜(2)，固定交叉波导镜(1)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上，可动交叉波导镜(2)和静电梳驱动器连接，并由静电梳驱动器带动可动交叉波导镜(2)向固定交叉波导镜(1)靠近或者远离方向移动。2.根据权利要求1所述的一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的固定交叉波导镜(1)和可动交叉波导镜(2)结构相同，均主要由V形宽波导和连接在宽波导两端的绝热锥型波导构成。3.根据权利要求1所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的可动交叉波导镜(2)和固定交叉波导镜(1)中V形宽波导的两个分支部分之间的相交角度满足模式光在硅-空气镜面发生全反射的临界条件。4.根据权利要求1所述的基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：固定交叉波导镜(1)和可动交叉波导镜(2)能够对接成完整的交叉波导结构，且在固定交叉波导镜(1)或者可动交叉波导镜(2)的宽波导每一端依次连接上单模弯曲波导与单模直波导，使得相邻光开关单元之间进行连接，单模波导作为输入输出波导。5.根据权利要求1所述的一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述静电梳驱动器主要由一对静电梳齿(6、7)、第一岛簧结构、第二岛簧结构和一个传动杆(3)构成；传动杆(3)沿可动交叉波导镜(2)的移动方向布置，传动杆(3)一端固定连接到可动交叉波导镜(2)，从可动交叉波导镜(2)到传动杆(3)另一端依次设有第一岛簧结构、一对静电梳齿(6、7)和第二岛簧结构；第一岛簧结构和第二岛簧结构的结构相同，均包括四个固定岛(4)和两个折叠式弹簧(5)，四个固定岛(4)中以两个为一组构成两组固定岛(4)，两组固定岛(4)对称分布于传动杆(3)的两侧侧旁，且每组固定岛(4)中的两个固定岛(4)沿传动杆(3)方向间隔布置，固定岛(4)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上；两组固定岛(4)各自侧方均设有一个折叠式弹簧(5)，每个折叠式弹簧(5)主要由主杆以及分别固定连接在主杆两端和中部的分支臂构成，主杆两端的分支臂分别固定连接于一组固定岛(4)中的两个固定岛(4)侧面，主杆中部的分支臂固定连接于传动杆(3)侧面；一对静电梳齿(6、7)分为固定梳齿(6)和可动梳齿(7)，固定梳齿(6)和可动梳齿(7)均分为对称布置于传动杆(3)两侧的两个部分，固定梳齿(6)的两个部分和传动杆(3)之间具有间隙不接触连接，可动梳齿(7)的两个部分分别和传动杆(3)两侧面固定连接，固定梳齿(6)和可动梳齿(7)的梳齿部相对布置且呈交错分布；固定梳齿(6)底部通过二氧化硅下包层(13)固定置于硅基底(12)上。6.根据权利要求4所述的一种基于静电梳驱动的硅基MEMS光开关，其特征在于：所述的固定梳齿(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴道锌，孙仪，李欢，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：