移动波导光开关及其制作方法 【技术领域】
本发明涉及一种光路开关及其制作方法，属于光通信和微机领域，具体地说是一种新型2×2微机械光开关及其制作方法。
背景技术
2×2微机械光开关在光通信中得到广泛的应用。用这种开关单元可以组成大阵列的快速光交换矩阵，是光交叉连接(OXC)和光插分复用(OADM)网络节点中关键的光通讯器件。
最近几年来，微机械电子系统(MEMS)正在向光学方面渗透，形成了一种新的技术领域——微光机电系统(MOEMS)，微机械光开关就是其中之一。据有关专家预测这类开关器件是微机械系统(MEMS)在21世纪占有市场主要产业之一。微光机电系统(MOEMS)建立之前，由于传输光在自由空间的发散，光在自由空间有较大的传输损耗，因此光纤和光波导是光传输仅有的两种传输介质。传统的光开关如上所述是基于光纤的机械位移和波导材料的特性来研制的。前者体积大、速度慢且价格昂贵；后者有较高的插入损耗和较大的串话，这些缺陷严重制约了波导光开关在光学网络中的应用。随着微机械制作技术的进一步发展，和光束直径一样大的微驱动器微反射镜和微悬臂梁的研制成功，为微机械光开关的研究奠定了一定的基础，即在微小的自由空间内，发散产生的损耗和插入损耗相比已经不是主要地了。
目前研究的微机械光开关大多为微镜系列光开关，这种开关存在以下缺点，即
1环境振动对光路转换有很大影响；
2微镜阵列开关驱动不易控制；
3强的扩展性以增加控制单元为代价；
4自由空间发散损耗较大(空间传输距离为几千甚至上万μm)；
5工作状态不稳定；
6体积相对较大，制作工艺复杂。
【发明内容】
本发明的目的就是提供一种新型的移动波导光开关及其制作方法，以解决现有的这种光开关存在的环境振动影响大、驱动不易控制、自由空间发散损耗大、工作不稳定、体积较大及制作工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
包括基片、波导悬臂梁、静电梳状驱动电极、平衡折梁和校准点，两对平行而置的波导悬臂梁的端部一一相对，在每对波导悬臂梁的两侧旁各设有至少一对静电梳状驱动电极，每对静电梳状驱动电极均由与基片固定的定电极和悬于基片表面的动电极对插构成，每一动电极相互连接并通过驱动梁与相对应的波导悬臂梁端部外侧连接，每一动电极的另一侧通过平衡折梁与基片连接；在每对波导悬臂梁端部的内侧均设有与基片连接的校准点；所述静电梳状驱动电极的定电极和动电极分别与基片表面的焊接电极相连接。
所述的波导悬臂梁由硅材料和波导衬底及其上面的波导芯和波导覆盖层构成，波导芯和波导衬底及波导覆盖层均由不同掺杂的SiO2或其他光波导材料制作。
所述的静电梳妆驱动电极由Si和波导材料制作。
该波导光开关可以扩展为波导阵列。
本发明的移动波导光开关的制作方法包括以下步骤：
(1)在单晶硅基片上生长两层不同掺杂的SiO2，也可以是其它光波导材料作为波导衬底、波导芯和静电梳妆驱动电极；
(2)光刻SiO2脊形波导；
(3)再生长一层和衬底同样搀杂的SiO2作为波导的覆盖层。
(4)用ICP方法在硅背面深槽刻蚀，刻蚀出与玻璃基片相连的各种用途的锚点，即与玻璃基片的键合点。
(5)刻蚀三层SiO2，刻出波导悬臂梁、静电梳妆驱动电极、驱动梁，平衡折梁、锚点及固定点。
(6)在玻璃上基片上刻出电极图形，并蒸发金属。
(7)硅玻璃键合。
(8)ICP刻蚀硅，释放结构。将波导悬臂梁、梳妆驱动电极以及平衡折梁连接处的Si腐蚀通，刻蚀出活动结构。
本发明的基本特点是悬臂梁起着承载输入/输出波导的作用，巧妙地设置静电梳妆驱动电极，在静电力作用下，悬臂梁的末端发生弯曲，从而实现2×2光路转换。这种开关具有驱动原理简单，响应速度快，环境振动对光路转换影响较小，自由空间发散损耗较小，悬臂梁阵列开关驱动容易控制，有较强的扩展性，工作状态稳定，低能耗、体积小，容易实现等优点。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
图1是本发明的光开关的实施例的平面结构示意图；
图2是本发明光开关工作原理示意图，其中a图是未转换光路的示意图；b图是转换后的光路示意图；
图3是经本发明光开关制作方法中各步骤加工工序加工后的工件截面示意图，其中：
图3a是在Si单晶片上生长两层Sio2层后的示意图；
图3b是光刻出脊形波导后的结构示意图；
图3c是在脊形波导层上沉积SiO2层的结构图；
图3d是硅背面刻蚀示意图，即刻出活动部件，包括活动梁、活动电极和活动平衡折梁悬空部分示意图；
图3e是波导(波导芯、波导衬底和波导覆盖层)深刻蚀结构截面示意图；(包括平衡折梁、驱动梁、梳状电极、锚点和校准点，在图中未画出)；
图3f是玻璃基片上制作电极示意图；
图3g是硅与玻璃键合示意图；
图3h是ICP刻蚀硅后，释放结构示意图。将波导悬臂梁、梳妆驱动电极以及平衡折梁连接处的Si腐蚀通，刻蚀出活动结构示意图。
【具体实施方式】
参见图1，本发明包括基片1、波导悬臂梁2、静电梳状驱动电极3、平衡折梁4和校准点5，两对平行而置的波导悬臂梁2的端部一一相对，在每对波导悬臂梁2的两侧旁各设有4对静呈矩形分布的静电梳状驱动电极3，每对静电梳状驱动电极3均由与其片1固定的定电极31和悬于基片表面的动电极32对插构成，同一行两个动电极31相互连接，每一侧纵向的两个动电极31分别通过一个驱动梁6与相对应的一根波导悬臂梁2端部外侧连接，并在另一侧通过平衡折梁与基片1连接；在每对波导悬臂梁2端部的内侧均设有与基片连接的校准点5；所述静电梳状驱动电极3的定电极31和动电极32分别与基片1表面的焊接电极7相连接。各动电极32和平衡折梁4与基片1之间的连接点均为键合锚点8。
所述的波导悬臂梁2由波导衬底21、波导芯22和波导覆盖层23构成，三者均由不同掺杂的SiO2或其它光波导材料制作(请参考图3)。在衬底21的下面还有很厚的硅层20。
所述的静电梳妆驱动电极3由掺杂的SiO2(或其它光波导材料)和Si材料制作。
参见图2，当静电梳状驱动电极3没有电压信号时，动、定电极31和32之间不会产生静电力，两对波导悬臂梁2不会发生变化，如图2a所示。当在静电梳状电极的两个电极之间施加控制电压信号后，每个动电极32在静电力的作用下向一方偏移，通过驱动梁6将两对波导悬臂梁2的端部相对弯曲，如图2b所示，使光路发生转换。校准点的作用是对波导悬臂梁2偏转定位。
图3表示本发明的制作方法，各步加工工艺器件截面示意图。本发明的移动波导光开关的制作方法包括以下步骤：
(1)在单晶硅片上生长两层不同掺杂的SiO2，也可以是其它光波导材料，分别作为波导衬底21、波导芯22，如图2a所示。
(2)光刻SiO2脊形波导(波导悬臂梁2)。如图2b所示。
(3)再生长一层SiO2作为波导的覆盖层23；
(4)硅背面ICP刻蚀，刻出键合锚点8和活动电极32、驱动梁6以及平衡折梁4的悬空部分12，如图3d所示
(5)SiO2深刻蚀：刻出波导悬臂梁2、静电梳妆驱动电极3、驱动梁6、校准点5和键合锚点8，即将它们周边的材料去除。如图11和图3e所示。
(6)在玻璃基片1上刻电极图形，并蒸发电极11，参见图3f；
(7)硅20和玻璃1静电键合，参见图3g
(8)图3h是ICP刻蚀硅后，释放活动结构示意图。将波导悬臂梁2、梳妆驱动电极3以及平衡折梁4连接处的Si层20腐蚀通，刻蚀出活动结构示意图。