專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，其包括反射鏡，支撐梁，激勵(lì)器以及通過(guò)基底上的半導(dǎo)體各向異性蝕刻等形成的光波導(dǎo)，并且在該器件中，反射鏡在波導(dǎo)之間的光路中推進(jìn)和拉出，以切換光路或控制耦合到各入射端口的光量。
背景技術(shù)：
圖1示出了MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))常規(guī)光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，其作為這種光學(xué)器件的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)例子，在國(guó)際公開(kāi)號(hào)WO 01/11411 A1(2001年2月15日公開(kāi)，下文稱(chēng)作文件1)中有所描述。
在板狀平面基底100(為了容易說(shuō)明，示出的基底分成了兩部分，但實(shí)際上它們是一個(gè)整體結(jié)構(gòu))的頂面100u上，形成了交叉且在一個(gè)端部耦合的四個(gè)波導(dǎo)(光纖)通道105A至105D。由相互垂直的光纖通道105A與105B所限定的區(qū)域用作激勵(lì)器形成區(qū)域101。
在激勵(lì)器形成區(qū)域101中，形成在基底表面100u中切割的溝或槽112，其與每個(gè)光纖通道105A和105B成45°角。在槽112中配置可移動(dòng)桿116?？梢苿?dòng)桿116在其兩側(cè)分別與支承框架134A和134B的一端相連接，支承框架134A和134B的另一端分別通過(guò)片簧狀支撐梁124A和124B固定到固定的支承結(jié)構(gòu)130A和130B上。這樣，可移動(dòng)桿116以沿平行于基底表面100u的長(zhǎng)度方向可移動(dòng)的方式被支承。
四根光纖106A至106D分別配置在光纖通道105A至105D中?？梢苿?dòng)桿116在其一端支承反射鏡102，使其最初保持在光纖106A至106D的光軸的交叉點(diǎn)105c的位置，所述光纖從該點(diǎn)徑向延伸，同時(shí)可移動(dòng)桿116的另一端連接梳形靜電激勵(lì)器122。
梳形靜電激勵(lì)器122由互相交錯(cuò)的可移動(dòng)梳狀電極110和固定梳狀電極108構(gòu)成，它們沿可移動(dòng)桿116的軸向配置但沿與上述方向垂直的方向延伸。可移動(dòng)梳狀電極110固定在可移動(dòng)桿116上，同時(shí)固定梳狀電極108固定在凹槽115的底部，其形成在激勵(lì)器形成區(qū)域101的表面100u中。
凹槽115與槽112連通，并且可移動(dòng)桿116延伸到凹槽115中。在凹槽115中，配置了梳形靜電激勵(lì)器122，支撐梁124A，124B，支承框架134A，134B，以及固定的支承結(jié)構(gòu)130A，130B。在具有固定梳狀電極108情況下，固定的支承結(jié)構(gòu)130A和130B固定到凹槽115的底部，但是，除固定梳狀電極108和固定支承結(jié)構(gòu)130A，130B外的其它結(jié)構(gòu)保持在凹槽115底部的上方。
橫跨可移動(dòng)和固定梳狀電極110和108施加電壓產(chǎn)生靜電吸引力，其使可移動(dòng)桿116向固定梳狀電極108移動(dòng)，將反射鏡102拉出交叉點(diǎn)105c。停止施加電壓時(shí)，可移動(dòng)桿116通過(guò)支撐梁124A和124B的彈性恢復(fù)力向交叉點(diǎn)105c移動(dòng)返回，使反射鏡102返回到其在交叉點(diǎn)105c中的延伸位置。
隨著反射鏡102被推進(jìn)交叉點(diǎn)105c，從光纖106A發(fā)出的光例如反射遠(yuǎn)離反射鏡102，入射到光纖106C上，并且從光纖106B發(fā)出的光反射遠(yuǎn)離反射鏡102后入射到光纖106D上。隨著反射鏡102被拉出交叉點(diǎn)105c，從光纖106A發(fā)出的光入射到光纖106D上，并且從光纖106B發(fā)出的光入射到光纖106C上。
在上述結(jié)構(gòu)的常規(guī)光學(xué)器件中，由激勵(lì)器對(duì)可移動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)力施加點(diǎn)與支撐梁對(duì)該部分的支承點(diǎn)之間的位置關(guān)系在可移動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)特性方面不是最佳的。
因此，當(dāng)激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力在與驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)部分的所需方向不同的方向上包括矢量分量時(shí)，可移動(dòng)部分存在傾斜、旋轉(zhuǎn)或偏轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)。
在圖1的常規(guī)光開(kāi)關(guān)中，梳形靜電激勵(lì)器122相對(duì)于包括反射鏡102和可移動(dòng)桿116的可移動(dòng)部分配置在可移動(dòng)桿116的與反射鏡102相對(duì)的另一端，支撐梁124A和124B設(shè)置在它們之間?，F(xiàn)在，假定梳形靜電激勵(lì)器122雖然剛好完整但結(jié)構(gòu)上不均勻或不對(duì)稱(chēng)，即可移動(dòng)和固定梳狀電極110和108互相交錯(cuò)的相鄰梳齒的側(cè)壁之間的間隙g在相鄰梳齒的任意一個(gè)的左和右側(cè)不同，但其應(yīng)該是均勻的。三個(gè)正交軸X，Y和Z如圖1所確定，梳齒的排列方向和可移動(dòng)桿116的長(zhǎng)度方向分別由X和Y表示，梳形靜電激勵(lì)器122的驅(qū)動(dòng)力包括X方向的矢量分量。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因在于，在不同電勢(shì)的梳齒之間作用的靜電吸引力與相鄰梳齒之間的間隙g的寬度成反比，在以小間隙緊密分隔布置的梳齒之間產(chǎn)生較大的吸引力。
在這種情況下，由于驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)布置在可移動(dòng)桿116的與支撐反射鏡102的一端相對(duì)的另一端上，如上所述，因此力矩施加到支撐梁124A和124B的支承點(diǎn)上，引起包括可移動(dòng)梳狀電極110的可移動(dòng)部分關(guān)于Z軸偏轉(zhuǎn)。如果這個(gè)現(xiàn)象過(guò)多，可移動(dòng)和固定梳狀電極110和108相互接觸，引起短路。因此，從可移動(dòng)部分在開(kāi)關(guān)操作期間的穩(wěn)定性來(lái)看，圖1的光開(kāi)關(guān)是不適當(dāng)?shù)摹?br>
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)器件，其能夠制止可移動(dòng)部分在所需方向外的其它方向上移動(dòng)，因此在操作中高度穩(wěn)定。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種形成在基底上的光學(xué)器件，其包括至少兩個(gè)形成在基底頂面上的光纖通道；反射鏡，在配置在所述光纖通道中的光纖之間的光路中推進(jìn)和拉出；在一端支撐反射鏡的可移動(dòng)桿；布置成與可移動(dòng)桿的中間部分關(guān)聯(lián)的梳形靜電激勵(lì)器，用于長(zhǎng)度方向移動(dòng)可移動(dòng)桿；以及多個(gè)支撐梁，設(shè)置在可移動(dòng)桿的梳形靜電激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)兩側(cè)上的一端和另一端附近，用于可移動(dòng)地支承可移動(dòng)桿；其中支撐梁在關(guān)于平行于可移動(dòng)桿長(zhǎng)度方向的中心線成線對(duì)稱(chēng)的位置處支承可移動(dòng)桿，并且由多個(gè)支撐梁支承可移動(dòng)桿的點(diǎn)關(guān)于梳形靜電激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橛啥鄠€(gè)支撐梁支承可移動(dòng)桿的點(diǎn)關(guān)于梳形靜電激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，因此即使梳形靜電激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力包括不同于驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)桿所需方向上的矢量分量，然而多個(gè)支撐梁的反作用力相同地作用在驅(qū)動(dòng)力的不期望的矢量分量上，有效地防止了可移動(dòng)桿在驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)桿所需方向外的其它方向上移動(dòng)。


圖1為說(shuō)明常規(guī)光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光學(xué)器件的平面圖；圖3為圖2的光學(xué)器件在交叉形成的光纖通道的交叉點(diǎn)周?chē)慕Y(jié)構(gòu)放大平面圖；圖4為詳細(xì)示出了圖2的光學(xué)器件中梳形靜電激勵(lì)器和支撐梁的放大平面圖；圖5為示出了圖2的光學(xué)器件中作為例子的支撐梁的力-位移特性曲線的圖表；圖6為示出了支撐梁的寬度和自己保持力之間關(guān)系的圖表，用于解釋在支撐梁的第一和第二穩(wěn)定狀態(tài)的保持力不同的情況下梁寬的容差；圖7為解釋根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光學(xué)器件的平面圖；圖8為詳細(xì)示出圖7的光學(xué)器件中梳形靜電激勵(lì)器的放大平面圖；以及圖9為示出了支撐梁的寬度和自己保持力之間關(guān)系的圖表，用于解釋圖7的光學(xué)器件中梁寬的容差。
具體實(shí)施例方式
首先參考圖2至4描述本發(fā)明的實(shí)施例。
如圖2所示，在板狀基底20的頂面20u上形成交叉的光纖通道1A至1D。如圖3所示，光纖21A至21D配置在光纖通道1A至1D中，這些通道從其交叉點(diǎn)1c徑向延伸。將光纖21A至21D從上方用力推入光纖通道1A至1D中，因此它們穩(wěn)固地保持在通道1A至1D的側(cè)壁之間，將這些通道的內(nèi)端面推動(dòng)緊靠通道1A至1D的交叉點(diǎn)1c的四個(gè)轉(zhuǎn)角處的鄰接臺(tái)肩3，以便光纖21A至21D關(guān)于基底20定位。光纖21A至21D各自都是準(zhǔn)直光纖；在假定準(zhǔn)直光纖具有160μm的工作距離(WD)，15μm的束腰直徑(BWD)以及6°端面傾角的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)該實(shí)施例的光學(xué)器件。
如圖2所示，基底表面20u被通道1A至1D分成四個(gè)區(qū)域，其中之一用作激勵(lì)器形成區(qū)域22。在激勵(lì)器形成區(qū)域22中，形成槽23，其與通道1A至1D的交叉點(diǎn)1c連通并將激勵(lì)器形成區(qū)域22分為兩部分。布置在槽23中的為可移動(dòng)桿7，其在靠近交叉點(diǎn)1c的一端支撐反射鏡4?？梢苿?dòng)桿7由形成在激勵(lì)器形成區(qū)域22中的錨10A和10B支承，在可移動(dòng)桿7中間部分的兩個(gè)位置處的兩側(cè)上片簧狀支撐梁6A至6D分別連接到可移動(dòng)桿的一端，以便可移動(dòng)桿7的長(zhǎng)度方向移動(dòng)平行于基底表面20u。支撐梁6A至6D適合在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，如稍后詳述。支撐梁6A和6B放置在形成在錨10A上的凹槽24中，支撐梁6C和6D放置在形成在錨10B上的凹槽25中。
在支撐梁6A，6B和6C，6D之間配置了梳形靜電激勵(lì)器，其具有固定在可移動(dòng)桿7橫向兩側(cè)的可移動(dòng)梳狀電極5?？梢苿?dòng)梳狀電極5具有向支撐梁6A，6B和6C，6D延伸的梳齒，并且它們與第一和第二固定梳狀電極8和9交錯(cuò)。第一和第二固定梳狀電極8和9固定到形成在激勵(lì)器形成區(qū)域22中的電極部分11和12上。
可移動(dòng)梳狀電極5與第一和第二固定梳狀電極8和9配置在形成在電極部分11和12之間的凹槽26中。如圖2所示，電極部分11和12之間形成從凹槽26的兩端延伸到激勵(lì)器形成區(qū)域22的一個(gè)邊界的凹槽27a和27b。類(lèi)似的，凹槽28a，28b和29a，29b也分別形成在錨10A和電極部分12之間以及錨10B和電極部分11之間。
激勵(lì)器形成區(qū)域22中的錨10A，10B和電極部分11，12與單晶硅基底為一體，它們之間設(shè)置有絕緣層，如稍后所述，但其它元件稍微支承在單晶硅基底的上方。如圖2所示，與圖1一樣限定了三個(gè)正交軸X，Y和Z。
如上所述的這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件利用三層SOI晶片形成，該晶片具有沉積在單晶硅基底上的單晶硅層，它們之間插入二氧化硅絕緣層。例如，單晶硅基底的厚度為350μm，絕緣層的厚度為3μm，以及單晶硅層(硅器件層)的厚度為100μm。利用SOI晶片的光學(xué)器件的制造通常包括下述步驟。
(1)二氧化硅薄膜形成在硅器件層的整個(gè)表面上。
(2)二氧化硅薄膜通過(guò)光刻和蝕刻形成圖案。
(3)通過(guò)DRIE(深反應(yīng)離子蝕刻)或類(lèi)似技術(shù)，利用圖案化的二氧化硅薄膜作為掩模進(jìn)行硅器件層的各向異性蝕刻。
(4)使用合適的蝕刻劑對(duì)單晶硅基底和硅器件層之間的絕緣層進(jìn)行選擇性地蝕刻，從而形成可移動(dòng)部件或元件。在這種情況下，蝕刻時(shí)間的適當(dāng)選擇使固定部件或元件下的絕緣層不被去除，從而一方面形成狹窄或薄的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，另一方面形成寬的固定結(jié)構(gòu)，(5)反射鏡表面和電極部分的所需區(qū)域利用高反射率的金屬如金(Au)對(duì)其金屬化。
由于反射鏡4在交叉點(diǎn)1c中反射光時(shí)需要最高的可能精確度使其在光軸上保持光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，因此該實(shí)施例的光學(xué)器件利用反射鏡4最初保持在交叉點(diǎn)1c中來(lái)制造。
接下來(lái)，將對(duì)該實(shí)施例的光學(xué)器件的基本操作進(jìn)行描述。在剛完成的光學(xué)器件的初始狀態(tài)(第一穩(wěn)定態(tài))中，反射鏡4位于交叉點(diǎn)1c中。在這種情況下，從光纖21A發(fā)出的光鏡4，入射到光纖21C上。從光纖21B發(fā)出的光反射遠(yuǎn)離反射鏡4，入射到光纖21D上。
對(duì)第一固定梳狀電極8施加電壓同時(shí)第二固定電極9接地，錨10A，10B通過(guò)可移動(dòng)桿7和支撐梁6A至6D與可移動(dòng)梳狀電極5電連接，靜電吸引力在第一固定梳狀電極8和可移動(dòng)梳狀電極5之間產(chǎn)生，并且當(dāng)吸引力大于第一穩(wěn)定態(tài)時(shí)保持支撐梁6A至6D的力時(shí)，支撐梁6A至6D反轉(zhuǎn)到第二穩(wěn)定態(tài)，甚至在電壓的施加中斷后仍保持自己保持的狀態(tài)。這時(shí)，反射鏡4被拉出交叉點(diǎn)1c，在該情況下從光纖21A和21B發(fā)出的光分別原樣地入射到光纖21D和21C上，而不是反射遠(yuǎn)離反射鏡4。對(duì)第二固定梳狀電極9施加電壓同時(shí)錨10A，10B和第一固定梳狀電極8接地，靜電吸引力在第二固定梳狀電極9和可移動(dòng)梳狀電極5之間產(chǎn)生，并且如果吸引力大于第二穩(wěn)定態(tài)時(shí)保持支撐梁6A至6D的力，它們將回到第一穩(wěn)定態(tài)。
橫跨第一或第二固定梳狀電極8或9和可移動(dòng)梳狀電極5的電壓施加可以橫跨電極部分11或12和錨10A和10B的電壓施加來(lái)實(shí)現(xiàn)。
下面將給出該實(shí)施例的光學(xué)器件的各個(gè)元件功能的詳細(xì)說(shuō)明。該實(shí)施例使用準(zhǔn)直光纖作為光纖21A至21D，將其端面傾斜研磨以抑制各個(gè)光纖端面中的菲涅爾反射引起的反射波損耗。當(dāng)光波在反射鏡4上的入射和反射之間的角為90°時(shí)，四個(gè)光纖通道1A至1D形成使得光耦合效率變得最大。原因如下所述。
在該實(shí)施例的光學(xué)器件的封裝期間，如果將光纖重定向以其端面成方形相對(duì)的關(guān)系，那么光纖需要相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)——這不可避免地使得部件笨重。因此，從小型化部件的觀點(diǎn)來(lái)看，使光波在反射鏡4上入射和反射間的角為銳角或鈍角是有利的。然而，光波在反射鏡4上入射和反射間的銳角將導(dǎo)致光工作距離(WD)的增加。
通常，增加光的工作距離需要透鏡設(shè)計(jì)成允許束腰直徑(BWD)的加寬，這也導(dǎo)致反射鏡工作沖程相應(yīng)增加的必要性。反射鏡4移動(dòng)距離的增加將降低可移動(dòng)部件的穩(wěn)定性，例如器件的機(jī)械可靠性在抗沖擊性能方面產(chǎn)生問(wèn)題。
即使透鏡系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成增加工作距離而不加寬束腰直徑，光學(xué)系統(tǒng)中所需的對(duì)準(zhǔn)精確度也相應(yīng)變得更高。
另一方面，當(dāng)光波在反射鏡4上入射和反射間的角為鈍角時(shí)，在反射鏡4上入射光的聚束光點(diǎn)在反射鏡4的移動(dòng)方向上變得更加橢圓，這使得增加反射鏡4的移動(dòng)距離成為必要。
考慮到所有因素，在該實(shí)施例的光學(xué)器件中，光纖通道1A至1D形成以當(dāng)光波在反射鏡4上入射和反射間的角成90°時(shí)，如上所述，提供最大光耦合效率。在使用端面傾斜研磨的光纖來(lái)達(dá)到上述目的的情況中，發(fā)出入射到反射鏡4上的光的光纖與接收反射遠(yuǎn)離反射鏡4的光的光纖間的角在某種程度上為銳角；以部件小型化的觀點(diǎn)而言，這是稍微優(yōu)于光纖通道以90°間隔布置的方案。
利用光纖傾斜研磨的端面，發(fā)出入射到反射鏡4上的光的光纖與接收反射遠(yuǎn)離反射鏡4的光的光纖間的角可以通過(guò)下述等式給出。
θ＝π/2-2{sin-1(nsinθ′)-θ′}其中θ′為光纖研磨端面(ground end)的傾角，n為纖芯的折射率。下面是光纖布置的兩種情況。
(1)發(fā)出光和接收光的光纖以端面彼此相鄰的轉(zhuǎn)角為銳角的方式配置，如圖3所示。
(2)光波在反射鏡4上入射和反射間的角成90°，如圖3所示。
在圖所示的例子中，例如設(shè)定為θ′＝6°和n＝1.46，光纖21A，21C和21B，21D的光軸間的角度θ為8 4.44°，這樣它們略微成銳角。
在該實(shí)施例的光學(xué)器件中，支撐梁6A至6D關(guān)于平行于可移動(dòng)桿7長(zhǎng)度方向的中心線成線對(duì)稱(chēng)，由四根支撐梁6A，6B，6C和6D支承可移動(dòng)桿7的點(diǎn)A，B，C和D(支承點(diǎn)A至D為支撐梁反作用力的施加點(diǎn))配置在關(guān)于可移動(dòng)梳狀電極5與可移動(dòng)桿7的耦合部分對(duì)稱(chēng)的位置上(即，用于驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)桿7的力的施加點(diǎn)S)。
此外，該實(shí)施例的光學(xué)器件設(shè)計(jì)成桿驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)S實(shí)際上與反射鏡4，可移動(dòng)桿7以及可移動(dòng)梳狀電極5組成的可移動(dòng)部分的重心一致。利用這種結(jié)構(gòu)，即使梳形靜電激勵(lì)器的驅(qū)動(dòng)力包括不同于驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)部分的方向上的矢量分量，四根支撐梁的反作用力相同地作用在桿驅(qū)動(dòng)力的不必要的矢量分量上，有效地防止了可移動(dòng)部分在所需方向以外的其它方向上移動(dòng)。因此，該實(shí)施例的光學(xué)器件避免了傾斜，滾動(dòng)和偏轉(zhuǎn)或類(lèi)似的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在操作中高度穩(wěn)定。
此外，即使光學(xué)器件受到震動(dòng)或類(lèi)似的擾動(dòng)，有效地抑制下述結(jié)構(gòu)特征的可移動(dòng)部分的不必要移動(dòng)是可能的。
(1)四根支撐梁6A，6B，6C和6D配置在關(guān)于可移動(dòng)部分的重心對(duì)稱(chēng)的位置上。
(2)結(jié)構(gòu)重的可移動(dòng)梳狀電極5由四根支撐梁6A，6B，6C和6D平穩(wěn)地支承。
此外，該實(shí)施例的光學(xué)器件采用一種“雙穩(wěn)態(tài)”結(jié)構(gòu)，其使得該器件能夠通過(guò)四根支撐梁6A至6D的彎曲以?xún)蓚€(gè)穩(wěn)定態(tài)保持自己保持狀態(tài)。該“雙穩(wěn)態(tài)”結(jié)構(gòu)能夠在力-位移特性(圖5)方面理解。當(dāng)初始位置的支撐梁6A至6D沿使反射鏡4從交叉點(diǎn)1c退回的方向移動(dòng)時(shí)，支撐梁6A至6D的反作用力在位移量小的初期單調(diào)增加，但達(dá)到壓彎臨界載時(shí)達(dá)到最大值，其后反作用力隨著位移的增加單調(diào)減小直到最小值，此后再次增加。這樣，力-位移特性在最大值和最小值之間變化，并且僅當(dāng)最小值為負(fù)時(shí)支撐梁允許以?xún)蓚€(gè)穩(wěn)定態(tài)的任一個(gè)保持自己保持狀態(tài)。
圖5中，表示各個(gè)支撐梁初始階段的原點(diǎn)相應(yīng)于第一穩(wěn)定態(tài)，反作用力達(dá)到最小值后減小到零的位置相應(yīng)于第二穩(wěn)定態(tài)，而最大值表示第一穩(wěn)定態(tài)中保持支撐梁的力，最小值表示第二穩(wěn)定態(tài)中保持支撐梁的力。在該實(shí)施例中，支撐梁6A至6D的形狀尤其通過(guò)下述步驟得到最優(yōu)化，以在第一和第二穩(wěn)態(tài)中提供基本上相同的保持支撐梁的力，如圖5所示。該實(shí)施例將各個(gè)片簧狀支撐梁的彎曲點(diǎn)設(shè)定在每個(gè)從其任一末端相隔整個(gè)長(zhǎng)度的1/4(X分量)的點(diǎn)處，同時(shí)選擇下述條件，即兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)的保持力之間的比率實(shí)際上為1，利用彎曲的曲率半徑作為參數(shù)。支撐梁沿垂直于(X方向)驅(qū)動(dòng)反射鏡4的方向延伸。反射鏡工作沖程，即反射鏡4的移動(dòng)距離，通過(guò)改變支撐梁沿Y方向的兩端之間的位置的不同來(lái)控制。在該實(shí)施例中，反射鏡工作沖程大約為60μm。使兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)的保持力相同的重要性的原因如下所述。
支撐梁6A至6D用來(lái)支承可移動(dòng)部分，因此它們需要在可移動(dòng)桿7的移動(dòng)方向上易彎曲。為了滿足該要求，在該實(shí)施例的光學(xué)器件中將各支撐梁的寬度最小化。此外，當(dāng)支撐梁截面為矩形時(shí)，其彎曲剛度與梁寬的立方成比例；因此，支撐梁支持力對(duì)梁寬非常敏感。因此，梁寬的容許極限極大地影響這類(lèi)光學(xué)器件的制造產(chǎn)量。梁寬的上限由激勵(lì)器的最大驅(qū)動(dòng)力限制，而下限由支撐梁的抗沖擊性能(支撐梁保持穩(wěn)定的沖擊極限)決定。
如圖6所示，當(dāng)?shù)谝缓偷诙€(wěn)定態(tài)的保持力區(qū)別較大時(shí)，梁寬的上限依照較高保持力和激勵(lì)器最大驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系來(lái)限制，同時(shí)下限依照較低支持力和抗沖擊性能之間的關(guān)系來(lái)決定。因此，梁寬的容許極限不可避免地降低。換言之，兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)的保持力的平衡增加了梁寬的容許極限，因此在光學(xué)器件的制造中提高了產(chǎn)量。
利用如上所述的設(shè)計(jì)原理，該實(shí)施例的光學(xué)器件在通信頻帶S，C和L上達(dá)到如下特性。
(1)介入損耗0.7dB或更低(2)偏振相關(guān)損耗0.1dB或更低(3)反射波損耗50dB或更高(4)干擾70dB或更高(5)轉(zhuǎn)換時(shí)間1ms或更短通過(guò)四根支撐梁6A至6D有效地抑制激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)力中不期望的矢量分量表現(xiàn)為可移動(dòng)部分沿圖2的Y方向平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。在重復(fù)轉(zhuǎn)換操作的耐久性試驗(yàn)中，在十億次的轉(zhuǎn)換后，該實(shí)施例的光學(xué)器件的特性方面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特別的異常現(xiàn)象。為了證明最優(yōu)化支撐梁6A至6D的形狀由此在第一和第二穩(wěn)定態(tài)中提供基本相等的保持力的影響，根據(jù)該實(shí)施例的光學(xué)器件的樣品按照如下兩條標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選(1)當(dāng)施加50G的沖擊時(shí)保持自己保持狀態(tài)的功能；以及(2)在75V的驅(qū)動(dòng)電壓下穩(wěn)定操作。
同一批的140個(gè)樣品都滿足該標(biāo)準(zhǔn)。如果沒(méi)有最優(yōu)化梁的結(jié)構(gòu)，140個(gè)樣品中的15個(gè)樣品不滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的任一個(gè)；即，篩選通過(guò)率為大約90％。這表明第一和第二穩(wěn)定態(tài)的保持力的基本相等增加了梁寬的容許極限。
下面將對(duì)第一實(shí)施例光學(xué)器件的變形形式(第二實(shí)施例)進(jìn)行描述，該變形可以預(yù)期顯示與第一實(shí)施例得到的特性相同的特性?，F(xiàn)在，假設(shè)F1表示第一穩(wěn)定態(tài)保持力，F(xiàn)2表示第二穩(wěn)定保持力；N1表示用于從第一穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換到第二穩(wěn)定態(tài)的梳形靜電激勵(lì)器的梳齒數(shù)量(更明確地，第一固定梳狀電極8和可移動(dòng)梳狀電極5的梳齒數(shù)量)；g1表示第一固定梳狀電極8和可移動(dòng)梳狀電極5的相鄰梳齒之間的間隔；N2表示用于從第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換到第一穩(wěn)定態(tài)的梳形靜電激勵(lì)器的梳齒數(shù)量(更明確地，第二固定梳狀電極9和可移動(dòng)梳狀電極5的梳齒數(shù)量)；以及g2表示第二固定梳狀電極9和可移動(dòng)梳狀電極5的相鄰梳齒之間的間隔。根據(jù)第二實(shí)施例，將圖7和8所示的這種梳形靜電激勵(lì)器的梳齒參數(shù)(梳齒數(shù)量和相鄰梳齒之間的間隔)最優(yōu)化，以便F1·g1/N1和F2·g2/N2彼此相等。這意味著從第一向第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的電壓與從第二向第一穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的電壓相等。
除了支撐梁6A至6D和梳齒參數(shù)，該實(shí)施例的光學(xué)器件在結(jié)構(gòu)上與第一實(shí)施例完全一致。梳齒參數(shù)的最優(yōu)化將在下面詳細(xì)描述。
在該實(shí)施例中，由于第一穩(wěn)定態(tài)的保持力大約為第二穩(wěn)定態(tài)的保持力的兩倍(F1/F2＝2)，因此有助于從第一向第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的梳的梳齒數(shù)量相應(yīng)地以反向增加大約1.2倍(N1/N2＝1.2)，相鄰梳齒之間的間隔以反向減小大約0.6倍(g1/g2＝0.6)，以便從第一向第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的力大約為沿反方向轉(zhuǎn)換的力的兩倍。這是為了獲得與第一實(shí)施例所得效果相同的效果，第一實(shí)施例中最優(yōu)化支撐梁的結(jié)構(gòu)從而提供保持第一和第二穩(wěn)定態(tài)的相等的力。利用上述器件結(jié)構(gòu)，有可能提高梁寬的上限，其由較大保持力和激勵(lì)器最大驅(qū)動(dòng)力(允許的驅(qū)動(dòng)電壓)之間的關(guān)系限制，如圖9所示。
在梳形靜電激勵(lì)器中，相鄰梳齒之間的間隔越小，靜電吸引力越大；因此，在設(shè)計(jì)這種激勵(lì)器的情況中，通過(guò)光學(xué)器件制造方法將相鄰梳齒之間的間隔減小到可行的最小槽寬。即，不夸張的說(shuō)，相鄰梳齒之間的間隔為通過(guò)生產(chǎn)方法的工作能力來(lái)限制的參數(shù)。在該實(shí)施例中，因?yàn)榈谝环€(wěn)定態(tài)的保持力比第二穩(wěn)定態(tài)的保持力大，有助于從第一向第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的相鄰梳齒之間的間隔減小。這是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵诜瓷溏R位于交叉點(diǎn)1c的初始狀態(tài)時(shí)，相對(duì)的梳并沒(méi)有很深地彼此交錯(cuò)。在這種情況下，第一固定梳狀電極8具有兩個(gè)不同的寬度(W1，W2)，這樣相鄰梳齒之間的間隔減小而不會(huì)受到生產(chǎn)方法的工作能力限制的影響是有可能的。同時(shí)，因?yàn)橹瘟?A至6D通?；蛟诔跏紬l件下產(chǎn)生保持第一穩(wěn)定態(tài)的較大的力，因此可以說(shuō)上述設(shè)計(jì)方案在許多場(chǎng)合中都是有效的。
在該實(shí)施例中，有助于從第二向第一穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的(第二固定梳狀電極9的)梳齒數(shù)量與有助于從第一向第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換的(第一固定梳電極8的)梳齒數(shù)量不一樣多。這是因?yàn)榈诙潭ㄊ釥铍姌O8的梳齒數(shù)量的雜亂增加增加了可移動(dòng)部分的等效質(zhì)量，因此減少了機(jī)械可靠性如抗沖擊性能。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)器件可以用在例如與光通信相關(guān)的領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種形成在一基底上的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件包括至少兩個(gè)形成在所述基底頂面的光纖通道；一反射鏡，在配置在所述光纖通道中的光纖之間的光路中推進(jìn)和拉出；可移動(dòng)桿，在一端支撐所述反射鏡；梳形靜電激勵(lì)器，配置在與所述可移動(dòng)桿的中間部分相關(guān)的位置，用于在所述可移動(dòng)桿長(zhǎng)度方向上移動(dòng)所述可移動(dòng)桿；以及多個(gè)支撐梁，配置在所述可移動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)力施加點(diǎn)的兩側(cè)上的一端和另一端附近，用于可移動(dòng)地支承所述可移動(dòng)桿，所述驅(qū)動(dòng)力由所述梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生；其中所述支撐梁在關(guān)于平行于所述可移動(dòng)桿長(zhǎng)度方向的中心線成線對(duì)稱(chēng)的位置上支持所述可移動(dòng)桿，并且由所述多個(gè)支撐梁支承所述可移動(dòng)桿的點(diǎn)關(guān)于由所述梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的所述施加點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)器件，其中由所述梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的所述施加點(diǎn)與可移動(dòng)部分的重心重合，所述可移動(dòng)部分包括支撐所述反射鏡的所述可移動(dòng)桿和固定到所述可移動(dòng)桿的所述梳形靜電激勵(lì)器的可移動(dòng)梳狀電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)器件，其中配置在所述光纖通道中的各所述光纖的纖芯端面具有折射率n，所述端面關(guān)于垂直于所述各光纖軸的平面具有傾角θ′，所述光纖通道形成以便發(fā)射光的所述光纖之一和接收反射遠(yuǎn)離所述反射鏡的光的其它光纖之間的角θ滿足下述條件，以在入射到所述反射鏡的光和反射遠(yuǎn)離所述反射鏡的光之間提供90°的角θ＝π/2-2{sin-1(nsinθ′)-θ′}
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的光學(xué)器件，其中所述多個(gè)支撐梁通過(guò)反向在彎曲部分的兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間轉(zhuǎn)換，并且其中所述第一穩(wěn)定態(tài)的自己保持力用F1表示，所述第二穩(wěn)定態(tài)的自己保持力用F2表示，將所述多個(gè)支撐梁從所述第一穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換到所述第二穩(wěn)定態(tài)的所述梳形靜電激勵(lì)器的梳齒數(shù)量和相鄰梳齒之間的間隔分別用N1和g1表示，將所述多個(gè)支撐梁從所述第二穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換到所述第一穩(wěn)定態(tài)的所述梳形靜電激勵(lì)器的梳齒數(shù)量和相鄰梳齒之間的間隔分別用N2和g2表示，F(xiàn)1·g1/N1和F2·g2/N2幾乎相等。
全文摘要
形成在基底上的光學(xué)器件包括多個(gè)形成在基底頂面的光纖通道；反射鏡，在配置在光纖通道中的光纖之間的光路中推進(jìn)和拉出；可移動(dòng)桿，一端支撐反射鏡；梳形靜電激勵(lì)器，在與可移動(dòng)桿的中間部分相關(guān)的位置，在可移動(dòng)桿長(zhǎng)度方向上移動(dòng)可移動(dòng)桿；多個(gè)支撐梁，在可移動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)力施加點(diǎn)的兩側(cè)上的兩端附近，可移動(dòng)支承可移動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)力由梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生。支撐梁在關(guān)于平行于可移動(dòng)桿長(zhǎng)度方向的中心線成線對(duì)稱(chēng)的位置上支持可移動(dòng)桿，由多個(gè)支撐梁支承可移動(dòng)桿的點(diǎn)關(guān)于由梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的施加點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。即使由梳形靜電激勵(lì)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力包括不同的矢量分量，可抑制可移動(dòng)桿在驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)桿的所需方向外的方向上的移動(dòng)。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1677157SQ20041009515
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2004年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者吉田惠, 近藤健治, 伊卷理, 濱田義彥, 加藤嘉睦, 森惠一 申請(qǐng)人:日本航空電子工業(yè)株式會(huì)社