本发明专利技术公开了一种直梁屈曲静电式微机械光开关，主要解决现有光开关驱动电压高、开关时间长、能耗高等问题。本发明专利技术包括：中间位置为菱形结构的微梁(307)、固定基座(304)、外构架(310)、驱动电极对(305，306)、调节电极对(302，303)、微反射镜(314)和光纤(313)，其中：微梁(307)与固定基座(304)连为一体且在两者连接处采用跨度支撑结构(309)；固定基座(304)与外构架(310)通过楔形挤压结构(301)固定且两端设有导向机构（308）；调节电极对(302，303)采用梳齿状结构，且上下对称；外构架(310)的中间位置设有导向槽（312）；光纤(313)呈交叉垂直放置，微反射镜(314)固定在微镜支架(311)的前端。本发明专利技术具有驱动电压低、开关时间短、能耗低、开关阵列可扩展的优点，可用于光通信网络设备的关键光器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电子器件
，特别涉及一种静电式微机械光开关，可用于实现光通信中的光路选择、多条光纤线路的交叉互连、上下光路及对故障光纤线路进行旁路。
技术介绍
直梁屈曲静电式微机械光开关，是由MEMS技术加工而成。基于微梁纵横弯曲理论，突破微机械光开关单向加载的传统观念，利用微梁在屈曲变形中的弹性能量释放和刚度变化而表现出的突跳特性，将弹性力转变为驱动力，实现微机械光开关驱动电压低、开关时间短、能耗小的目的。它具有结构简单、体积小、重量轻、易集成、抗干扰能力强、能耗低、无偏振、开关阵列可扩展等特点，因此在光通信网络设备等领域中，具有强烈需求。2003年信息产业部电子第十三研究所在[静电式微机械全光开关，徐永青，杨拥军，赵彦军，梁春广，信息产业部电子第十三研究所，中华人民共和国国家知识产权局，ZL专利号02268460. 3，2003年6 月，G02B6/35，H04J 14/02-H04 B 10/12]中提出了一种静电式微机械全光开关，如图1所示，其中图1(a)为该微机械光开关的结构示意图，图1(b)为该微机械光开关A-A方向剖视结构示意图。定齿103各齿一端与定齿驱动电极102连接，动齿104各齿一端与折叠悬梁106连接，折叠悬梁106 —端与动齿驱动电极105连接，定齿驱动电极102和动齿驱动电极105上各镀有一层金属109，三角平衡梁107与折叠悬梁106连接，中间梁108穿接在三角平衡梁107中后一端与折叠悬梁106连接，另一端与硅微镜110连接。N型单晶硅衬底101四周面的浓硼层114上的垂直槽112加工成相互垂直相交结构，光纤111置放在垂直槽112、V型槽113内，使光纤111成相互垂直相交结构，在垂直相交点光纤111内置放娃微镜110。利用浓硼层114上涂的光刻胶层115光刻出各部件模型。在定齿驱动电极102和动齿驱动电极105之间加载直流电压，此时分别与定齿驱动电极102和动齿驱动电极105相连接的定齿103、动齿104之间产生静电力，在静电力的作用下使折叠悬梁106发生弯曲，从而带动硅微镜110在平行于N型单晶硅衬底101的方向上运动，娃微镜110起到一个光挡板作用，当娃微镜110被拉开时,光纤光直射通过，对应的光开关为开状态，娃微镜110复位时，光纤光被反射，对应的光开关为关状态，从而实现光的开关作用。这种光开关存在以下问题I)采用单向加载驱动微梁，需要的驱动电压过高，能耗过大。2)结构相对复杂，不易控制。2008年中国科学院长春光学精密仪器机械与物理研究所在[柔性悬臂微机械光开关，梁静秋，李伟，梁中翥，马文生，孙德贵，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，中华人民共和国国家知识产权局，专利申请号200710056340. 6，2008年4月，G02B26/08,H01F 5/00-H01F 41/04]中提出了一种柔性悬臂微机械光开关，如图2所示，其中图2(a)为该微机械光开关在自然状态下的结构示意图，图2(b)为该微机械光开关的分解图，图2(c)为该微机械光开关的光束折转状态图，图2(d)为该微机械光开关的光束直通状态图。开关固定端202与悬臂203为同种材料,二者连为一体,位于基片201上表面。开关固定端202的下表面与基片201上表面相接触并粘合，线圈204位于悬臂203的上表面、线圈第一引线205和线圈第二引线210位于悬臂203、开关固定端202的上表面，并与之粘合，第一个引线压点206、第二个引线压点211位于开关固定端202上表面，与之接触并粘合。永磁体207位于线圈204的正下方，基片201下表面的凹坑中，并与基片201接触固定。棱柱形微反射镜208固定于线圈204的上方。光开关在自然状态时，悬臂203下表面与基片201上表面接触。当线圈204加某一方向电流时，电磁引力将悬臂203保持在图2(c)的位置，即自然状态，入射光束R经过棱柱形微反射镜208的一面反射后到达光学元件209，而从光学兀件209返回的光束经棱柱形微反射镜208的另一面反射后出射，为反射光束F，此时光开关处于断开状态；当线圈204加相反方向电流时，电磁斥力将悬臂203远离开关固定端202的一端推离基底201，悬臂203向上翘起，带动棱柱形微反射镜208离开基片201上表面一段距离，呈图2(d)状态，此时入射光束R直接通过，不发生偏转，即不经过光学元件209，未产生反射光束F，此时光开关处于导通状态。虽然这种结构可以满足光路的两次折转要求，但它本身又存在如下问题I)采用电磁驱动方法会带来电磁干扰问题，对器件的稳定性和可靠性产生一定的影响；2)开关的状态保持需要通入持续的电流来维持，器件的功耗较大，线圈在悬臂梁内部产生的热量不能有效的散发出去，缩短了器件的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种直梁屈曲静电式微机械光开关，以减小驱动电压，缩短开关时间，降低能耗。为实现上述目的，本专利技术的微机械光开关包括微梁307、固定基座304、外构架310、楔形挤压结构301、静齿驱动电极和动齿驱动电极构成的驱动电极对305和306、静齿调节电极和动齿调节电极构成的调节电极对302和303、微反射镜314和光纤313，其特征在于固定基座304与微梁307连为一体，且在两者连接位置处采用跨度支撑结构309，用于提高微梁307所受到的轴向载荷；固定基座304与外构架310通过楔形挤压结构301固定，用于提高微梁307所受到的轴向载荷；固定基座304与外构架310的两端设有导向机构308，用于限制微梁307的左右摆动；调节电极对302和303采用梳齿状结构，固定在微梁307上，且上下对称；外构架310的中间位置设有导向槽312,用于限制微镜支架311的上下移动。作为优选，所述微梁307的中间位置采用菱形结构，用于增大横向静电载荷的的受力面积，减小微梁307所需的驱动电压。作为优选，所述固定机座304、外构架310、微梁307和微镜支架311均采用硅材料制作。作为优选，所述固定基座304的右侧和微梁307的左侧表面均沉积有金膜层，该两金膜层构成驱动电极对305和306，并通过压焊方式与外部驱动电路相连。作为优选，所述调节电极对302和303通过压焊方式与外部调节电路相连，且同步控制，保证微梁307保持“微弯平衡”状态。作为优选，所述微梁307采用纵横弯曲变形结构，以实现低压大行程驱动。作为优选，所述光纤313呈交叉垂直放置。作为优选，所述微反射镜314固定于微镜支架311的前端,且微反射镜314和光纤313位于同一平面上。本专利技术具有如下优点1.本专利技术由于微梁中间位置采用菱形结构，增大了横向静电载荷的受力面积，从而增大了驱动位移，减小了驱动电压。2.本专利技术由于固定基座与微梁连接处采用跨度支撑结构以及固定基座与外构架通过楔形挤压结构固定，提高了微梁所受到的轴向载荷，从而减小了驱动电压、缩短了开关响应时间。3.本专利技术由于在固定基座和外构架两端设有导向机构，限制了微梁的左右摆动，从而保证了微梁屈曲变形对称。4.本专利技术由于调节电极对采用梳齿状结构，可通过调整调节电极对上加载的电压，使微梁处于“微弯平衡”状态，从而减小了驱动电压，提高了微梁屈曲变形的可靠性。5.本专利技术由于采用微梁纵本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种直梁屈曲静电式微机械光开关，包括：微梁(307)、固定基座(304)、外构架(310)、楔形挤压结构（301）、静齿驱动电极和动齿驱动电极构成的驱动电极对(305,306)、静齿调节电极和动齿调节电极构成的调节电极对(302,303)、微反射镜(314)和光纤(313)，其特征在于：固定基座(304)与微梁(307)连为一体，且在两者连接位置处采用跨度支撑结构(309)，用于提高微梁(307)所受到的轴向载荷；固定基座(304)与外构架(310)通过楔形挤压结构(301)固定，用于提高微梁(307)所受到的轴向载荷；固定基座(304)与外构架(310)的两端设有导向机构(308)，用于限制微梁(307)的左右摆动；调节电极对(302,303)采用梳齿状结构，固定在微梁(307)上，且上下对称；外构架(310)的中间位置设有导向槽(312)，用于限制微镜支架(311)的上下移动。
【技术特征摘要】
1.一种直梁屈曲静电式微机械光开关，包括微梁(307)、固定基座(304)、外构架(310)、楔形挤压结构(301)、静齿驱动电极和动齿驱动电极构成的驱动电极对(305，306)、静齿调节电极和动齿调节电极构成的调节电极对(302，303)、微反射镜(314)和光纤(313)，其特征在于 固定基座(304)与微梁(307)连为一体，且在两者连接位置处采用跨度支撑结构(309)，用于提高微梁(307)所受到的轴向载荷； 固定基座(304)与外构架(310)通过楔形挤压结构(301)固定，用于提高微梁(307)所受到的轴向载荷； 固定基座(304)与外构架(310)的两端设有导向机构(308)，用于限制微梁(307)的左右摆动； 调节电极对(302,303)采用梳齿状结构，固定在微梁(307)上，且上下对称； 外构架(310)的中间位置设有导向槽(312)，用于限制微镜支架(311)的上下移动。2.根据权利要求1所述的直梁屈曲静电式微机械光开关，其特征在于微梁(307)的中间位置采用菱形结构，用于增大横向静电载荷的受カ面...
【专利技术属性】
技术研发人员：田文超，山磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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