本發(fā)明屬于光學(xué)器件、空間光學(xué)、光纖光學(xué)和材料微加工技術(shù)的交叉領(lǐng)域，具體為一種mems超環(huán)面微鏡光纖光開關(guān)的技術(shù)。

背景技術(shù)：

光纖光開關(guān)是一種常用于光纖通訊與光纖傳感器領(lǐng)域的光學(xué)器件，作用是在不同光纖之間進(jìn)行切換，使得不同的光纖通過光開光連接在一起。這種器件，在光通訊中，可以將不同光纖通道連接在一起，達(dá)到切換信號源或接收源之目的。在光纖傳感領(lǐng)域尤其常用，使用光開光選擇性的將不同的傳感光纖和光源、解調(diào)儀器連接在一起，可使得多條傳感光纖共享一套光源和解調(diào)儀，極大降低成本，減小系統(tǒng)體積。

光纖光開關(guān)分為兩類，機(jī)械光開光和mems（microelectromechanicalsystems，微機(jī)電系統(tǒng)）光開關(guān)。其中，機(jī)械光開關(guān)使用傳統(tǒng)機(jī)械平移對準(zhǔn)技術(shù)連接不同光纖接口，光纖接口間切換速度慢，一般為毫秒至秒量級，并且，機(jī)械光開光包含長程運(yùn)動部件，導(dǎo)致其易損耗，壽命短，抗震能力弱。mems光開光主要基于mems反射鏡，是使用mems微加工技術(shù)制作芯片式微反射鏡，通過控制信號諸如電壓/電流信號實(shí)現(xiàn)mems反射鏡的微小偏轉(zhuǎn)，改變該反射鏡角度以改變光路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同光纖之間連接的技術(shù)。mems光開關(guān)具有體積小，插入損耗低，串?dāng)_小，切換速度快（微秒），重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在高速光通信與高級光纖傳感器中具有廣泛應(yīng)用前景。

mems微鏡，是使用mems微加工技術(shù)在硅基底材料上生產(chǎn)的極微小透鏡或反射鏡，用于在極小空間中的實(shí)現(xiàn)光學(xué)對焦、反射等。mems微鏡是mems光纖光開光中的核心元件，其作用為提供鏡面反射，連接滿足反射定律的兩根光纖。截止目前的現(xiàn)有技術(shù)中，用在光纖光開光的反射微鏡，都是平面鏡，目前尚無曲面鏡的技術(shù)報道。生產(chǎn)mems平面鏡具有價格低廉的特點(diǎn)，但是，光纖出射光具有發(fā)散特性，平面鏡反射無法改變光線發(fā)散的特點(diǎn)，因而接收端光纖無法完全接收發(fā)射端光纖的光強(qiáng)，這導(dǎo)致了光開關(guān)插入損耗，另外，發(fā)散光還將造成的光纖間的串?dāng)_現(xiàn)象。

作為微鏡生產(chǎn)工藝，現(xiàn)有技術(shù)中存在大量的技術(shù)方案，諸如jp特開2001-145959中即公開了這樣一種曲面形成方法，所述方法包括形成樹脂層的步驟和對所述樹脂層進(jìn)行曝光的步驟，通過連續(xù)光輻照從上述樹脂層表面?zhèn)纫来斡不?，隨著硬化而光硬化性樹脂的體積減少和流動從而使上述樹脂層表面變形，以形成曲面。類似的蝕刻或者光刻技術(shù)現(xiàn)有技術(shù)中存在大量的專利文獻(xiàn)，諸如jp特開2010-60681a，jp4417881b，jp2004-155-83a，jp2006-330085，us5620814a，jp特開平8-220388a，jp2002-131518a等等。

作為光開關(guān)，諸如中國專利文獻(xiàn)cn1069127a中公開了一種光開關(guān)裝置與方法，在基片上形成至少一個反射鏡，光纖耦合到所述基片上，通過至少一個微透鏡陣列對透過所述反射鏡的光進(jìn)行聚焦，通過空間光調(diào)制器對所述光進(jìn)行調(diào)制，封裝形成光開關(guān)。

再諸如中國專利文獻(xiàn)cn1397812a中公開了一種光開關(guān)系統(tǒng)和方法，包括光纖陣列、微透鏡陣列、波長色散元件、光重定向元件、mems器件等等，實(shí)現(xiàn)一種全交叉光開關(guān)。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中的光纖光開關(guān)幾乎全部都是平面微鏡光纖光開關(guān)，插入損耗大，串?dāng)_嚴(yán)重，穩(wěn)定性差。

另一方面，對于傳統(tǒng)mems微鏡，通常使用長度比較長的懸臂梁懸掛微鏡，并通過懸臂梁曲率、長度或應(yīng)力的變化對mems光開光中微鏡角度進(jìn)行調(diào)整，這種使用懸臂梁的懸掛方法，對外界振動敏感，不易于在相對惡劣的環(huán)境，尤其是外界振動強(qiáng)烈的情況下使用?，F(xiàn)有技術(shù)中對于懸臂的改良方案也有很多。諸如中國專利文獻(xiàn)cn101937128a，公開了一種三壓電懸臂梁驅(qū)動的mems微鏡及其制造方法，包括一個微反射鏡面，三個壓電懸臂梁，三個弓形彎曲彈性窄梁，在該mems微鏡的制作中，采用了濺射法、干式蝕刻法形成所述懸臂梁和微反射鏡。利用該方案，能夠有效緩解微反射鏡面所受應(yīng)力產(chǎn)生的形變，降低光損耗。

對懸臂梁進(jìn)行類似改良的還諸如中國專利cn101587240a、cn1405593a、cn1587022a等等，然而這些方案抗震動能力弱，可靠度和穩(wěn)定性不足。

因此，亟需一種真正意義上的曲面微鏡和穩(wěn)定的支撐柱形成的技術(shù)方案來提高光纖光開關(guān)的抗震抗串?dāng)_低損耗的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述技術(shù)問題，為了解決平面微鏡光纖光開關(guān)插入損耗大，串?dāng)_嚴(yán)重，穩(wěn)定性差等問題，本發(fā)明目的在于提供一種低損耗、高性能的基于超環(huán)面微鏡的光纖光開關(guān)及其制備方法。

具體的，本發(fā)明解決該技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：

1.一種光纖光開關(guān)，其特征在于，包括超環(huán)面微鏡作為光學(xué)反射模塊，以將由發(fā)射端光纖射出的發(fā)散光，反射并會聚到接收端光纖中。

2.如上所述光纖光開關(guān)，其特征在于，所述超環(huán)面微鏡，使用mems漸變曝光的光刻方式生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)所述超環(huán)面微鏡表面曲率與設(shè)計曲率一致。

3.如上所述光纖光開關(guān)，其特征在于，還包括電致伸縮柱體以作為上述超環(huán)面微鏡的支撐結(jié)構(gòu)，所述電致伸縮柱體采用電致伸縮材料制成，利用所述電致伸縮柱體的多點(diǎn)支撐柱，實(shí)現(xiàn)上述超環(huán)面微鏡的支撐和方向的改變。

4.如上所述光纖光開關(guān)，其特征在于，通過沉積金屬膜形成上述電致伸縮柱體的電極。

5.如上所述光纖光開關(guān)，其特征在于，上述電致伸縮柱體，可采用包括但不限于激光切割或聚焦離子束刻蝕等方式制備。

6.如上所述光纖光開關(guān)，其特征在于，通過設(shè)置安裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述電致伸縮柱體在基底中的嵌入與固定，其中，所述安裝結(jié)構(gòu)通過在基底上進(jìn)行刻蝕形成。

根據(jù)本發(fā)明，所述超環(huán)面鏡是一種反射鏡，俗稱輪胎鏡，其有兩個相互垂直方向上的曲率半徑，觸光面橫向方向上的面為橫向面，縱向方向上的面為縱向面，入射光經(jīng)過該超環(huán)面鏡聚焦后，產(chǎn)生橫向面聚焦點(diǎn)和縱向面聚焦點(diǎn)，所述橫向面聚焦點(diǎn)和縱向面聚焦點(diǎn)均與所述超環(huán)面鏡聚焦點(diǎn)重合，其后子午方向的像與弧矢方向的像重合。該超環(huán)面鏡具有超環(huán)面，對微鏡中心波長具有高的反射率，而對于其它波長則以透射為主。

根據(jù)本發(fā)明，由于本發(fā)明使用超環(huán)面微鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)光開光中的平面微鏡，接收端光纖可以完全接收發(fā)射端光纖出射的光強(qiáng)，可極大降低光開關(guān)的插入損耗，提高光開關(guān)的效率。

根據(jù)本發(fā)明，作為所述電致伸縮材料，可以采用含鉛的弛豫鐵電體復(fù)合鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的材料，如鈮鎂酸鉛、鈮鋅酸鉛等【(pbzro3-pbtio3(pzt)，pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3(pmn-pt)，pb(zn1/3nb2/3)o3-pbtio3(pzn-pt)等】，也可以采用無鉛電致伸縮材料，如以batio3為主要成分并添加有cuo和nb2o5的batio3系瓷料等，還可以是以(bi0.5na0.5)tio3為主要成分的瓷料，或者是上述瓷料中的鋇的至少—部分用鍶置換的瓷料。

根據(jù)本發(fā)明，由于本發(fā)明采用了超環(huán)面微鏡作為光學(xué)反射模塊，采用電致伸縮柱體作為上述超環(huán)面微鏡的支撐結(jié)構(gòu)，所以本發(fā)明結(jié)合了超環(huán)面鏡的高質(zhì)量光學(xué)聚焦性能和電致伸縮材料長度易于控制的特點(diǎn)，摒棄了微鏡系統(tǒng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)明所述光開光優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械穩(wěn)定性，對于需要高質(zhì)量光纖光開光進(jìn)行光切換的應(yīng)用具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

根據(jù)本發(fā)明，由于所述超環(huán)面微鏡使用mems微加工工藝，結(jié)合梯度曝光的光刻方法和腐蝕方法制備，這種微鏡生產(chǎn)工藝在批量生產(chǎn)時，其成本雖然與同樣用mems工藝制作的平面微鏡基本一致，但可大幅提高光纖光開光的性能，這對高性能光纖通信和光纖傳感器的發(fā)展，起到了積極的推動作用。

根據(jù)本發(fā)明，由于超環(huán)面鏡有兩個獨(dú)立的曲率半徑，直接加工這樣的鏡面較為困難，因而成本較高，已經(jīng)加工好的超環(huán)面鏡的曲率半徑也無法再改變。采用本發(fā)明的mems微加工工藝，結(jié)合梯度曝光的光刻方法和腐蝕方法制備超環(huán)面微鏡，能夠大幅降低生產(chǎn)成本。

根據(jù)本發(fā)明，由于本發(fā)明通過電致伸縮柱體作為微鏡的支撐，從而能夠通過電壓改變支撐柱長度，進(jìn)而改變微鏡角度。這種設(shè)計，在實(shí)際應(yīng)用上，其穩(wěn)定性相對于懸臂梁有極大的優(yōu)勢，由此，能夠在相對惡劣的環(huán)境，尤其是外界振動強(qiáng)烈的情況下使用時有極大的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的微反射鏡連接相關(guān)光纖的原理示意圖。

圖2為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的采用mems工藝的漸變曝光光刻法制作超環(huán)面微鏡的示意圖。

圖3為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的由電致伸縮材料制作電致伸縮支撐柱的示意圖。

圖4為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的微鏡搭載基底的示意圖。

圖5為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的電致伸縮晶體與基底相結(jié)合形成支撐柱的示意圖。

圖6為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的微鏡搭載基底和電致伸縮支撐柱組合并連接電極的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作出詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員懂得，該說明是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)Ρ景l(fā)明作出各種修飾和變更，本發(fā)明并不僅限于該具體實(shí)施方式。

圖1為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的微反射鏡連接相關(guān)光纖的原理示意圖。

如圖1所示，附圖標(biāo)記1為mems超環(huán)面微鏡，2為發(fā)射光纖束（發(fā)射端光纖），3為接收光纖束（接收端光纖）。本發(fā)明的mems超環(huán)面微鏡光纖光開關(guān)，包括超環(huán)面微鏡1作為光學(xué)反射模塊，以將由發(fā)射端光纖2射出的發(fā)散光，反射并會聚到接收端光纖3中。換言之，發(fā)射光纖束2中某根光纖射出的發(fā)散光，經(jīng)過超環(huán)面反射微鏡1反射并會聚，當(dāng)超環(huán)面鏡1調(diào)整至特定角度，將會聚光斑調(diào)節(jié)至接收光纖束3中某根光纖。超環(huán)面鏡1對發(fā)散光的有效會聚，可使得接收光纖3以極小的損耗收到絕大部分光線。超環(huán)面鏡1的這種特性，遠(yuǎn)優(yōu)于平面微鏡，因?yàn)楹笳卟⒉桓淖儼l(fā)散光的特性，不可避免接收端不完全接收造成的損耗。

根據(jù)空間光光路可逆原理，發(fā)射光纖束2與接收光纖束3地位等價，可相互發(fā)送及接收。

根據(jù)所述原理，通過改變圖1中的微鏡1的角度，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光纖束2與接收光纖束3間任意兩根光纖的兩兩相連，因此，該圖1實(shí)際上可視為n×n光開光的原理圖。

本方案中，由于使用超環(huán)面微鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)光開光中的平面微鏡，接收端光纖3可以完全接收發(fā)射端光纖2出射的光強(qiáng)，可極大降低光開關(guān)的插入損耗，提高光開關(guān)的效率。

圖2為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的采用mems工藝的漸變曝光光刻法制作超環(huán)面微鏡的示意圖。

圖2（a）示出了本發(fā)明具體實(shí)施方式中使用mems工藝的漸變曝光光刻法制作超環(huán)面鏡的示意圖。附圖標(biāo)記4為掩膜板，5為曲面光刻膠，6為微鏡基底材料。圖2（b）為本發(fā)明具體實(shí)施方式中使用mems工藝的漸變曝光光刻法在微鏡基底材料6上覆蓋一層曲面光刻膠5（圖2（a）中示出）的狀態(tài)圖。圖2（c）為本發(fā)明具體實(shí)施方式中使用mems工藝的漸變曝光光刻法在基底材料上形成相應(yīng)的曲面的狀態(tài)圖。100表示為最終所得到的沉積了金屬膜7的mems超環(huán)面微鏡模塊。

如圖2（a）所示，在采用所述mems漸變曝光的光刻法制作超環(huán)面鏡的工藝中，使用漸變透射率的掩膜板4作為掩模進(jìn)行光刻，其中，該漸變透射率掩膜板4，主要通過在光學(xué)透明材料內(nèi)部不同濃度摻雜使得不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的光透射率，在相同曝光時間下，透過率高的部分，激光束沿著圖中箭頭的方向照射到該掩膜板4上，位于該掩膜板4下方的光刻膠5接收到高能輻照而進(jìn)行曝光，使得該光刻膠5的高能輻照區(qū)的性能比低輻照區(qū)域產(chǎn)生更多變化而形成曲面形狀，在曝光結(jié)束之后，通過加熱固化和除去輻照不足部分的光刻膠的動作，即可在微鏡基底材料6上形成曲面光刻膠5。

圖2（b）示出了采用所述mems工藝的漸變曝光光刻法在微鏡基底材料6上覆蓋一層曲面光刻膠5的狀態(tài)。在該狀態(tài)中，超環(huán)面鏡的曲面是通過各向同性的化學(xué)腐蝕實(shí)現(xiàn)的，在光刻膠5脫膠時，薄的部分覆蓋的基底材料6首先暴露在化學(xué)腐蝕液中，并被首先腐蝕，在基底材料上形成相應(yīng)的曲面。當(dāng)光刻膠5完全脫膠后，基底材料6再腐蝕至相應(yīng)厚度，并即可停止腐蝕動作。

圖2（c）示出了使用mems工藝的漸變曝光光刻法在微鏡基底材料上形成相應(yīng)的曲面的狀態(tài)圖。如圖2（c）所示，在完成如圖2（b）所示基底材料6的曲面光刻膠5的腐蝕之后，在所述曲面表面沉積一層金屬膜13，以最終形成mems微鏡模塊100。其中，由于在所述曲面表面沉積了一層金屬膜13，所以能夠大幅提高所述mems微鏡的反射率。

圖3為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的由電致伸縮材料制作電致伸縮支撐柱（即電致伸縮柱體）的示意圖。

如圖3所示，所述電致伸縮支撐柱8（即電致伸縮柱體）的基底為塊體，優(yōu)選為薄片形狀塊體。所述電致伸縮柱體8的基底上下兩面覆蓋金屬層7、13（圖5中也示出）作為導(dǎo)電膜層。電致伸縮柱體8可使用離子束刻蝕或激光切割等方式從基底中提取出來。其中，激光切割的具體實(shí)現(xiàn)方法為，先在基底上下兩面制備金屬膜，再將激光聚焦至基底待切割處，通過可編程二維運(yùn)動平臺調(diào)整光束的聚焦軌跡，并使用惰性氣體吹洗基底防止金屬氧化。激光應(yīng)遵循該二維移動軌跡在電致伸縮薄片基底上多次切割，并調(diào)節(jié)激光束的聚焦位置，中塊體表面逐漸深入，最終切割透該薄片而將柱體8從基底中分離出來。離子束刻蝕制備柱體8的具體實(shí)施方式為，首先在基底上下兩面制備金屬膜，并根據(jù)具體圖案制作鏤空的掩膜板。掩膜板放置于電致伸縮基底表面，高能離子束可從掩膜板鏤空處通過并刻蝕基底，基底其它部分則不被刻蝕。離子束將刻蝕透該薄片基底，從而將柱體8分離出來。

圖4為示出本發(fā)明一具體實(shí)施方式涉及的mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中用于搭載微鏡的基底9的示意圖。

如圖4所示，基底9上的圖案被深度離子束刻蝕深入所述基底9內(nèi)部。該基底9的材料為單晶硅。在中央設(shè)置一個中心大孔10，主要用于封裝時方便點(diǎn)膠。在中心大孔10周圍，分布若干小孔11，優(yōu)選的，以120度角等角分布3個小孔11（圖中示出的是3個小孔的情形），所述小孔11的直徑與所述電致伸縮柱體8適配，用于固定所述電致伸縮支撐柱8。在小孔11外圍還分布有與其相連的刻蝕圖案12。進(jìn)行離子束刻蝕前，先在基底9表面上根據(jù)總體設(shè)計圖案制作掩模，然后使用深度離子束刻蝕方法將該總體圖案刻蝕至基底9內(nèi)部。離子束刻蝕結(jié)束后，在其底部沉積金屬用于導(dǎo)電。第二步將制作鏤空掩膜板，其鏤空部分形狀尺寸與中心大孔一致。再次使用物理刻蝕方法去除中心大孔底面的金屬，從而在基底圖案的底面，形成了三塊互不相連的導(dǎo)電區(qū)域。每塊區(qū)域獨(dú)立給一根電致伸縮材料支撐柱8加電。

應(yīng)當(dāng)懂得，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)ι鲜龌讏D案做出各種修飾和變更而設(shè)計成具有類似功能的結(jié)構(gòu)，而這些修飾和變更應(yīng)當(dāng)也屬于本發(fā)明的一部分。

圖5為示出所述mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的電致伸縮晶體與基底相結(jié)合形成支撐柱的示意圖。

如圖5所示，3根電致伸縮支撐柱8安裝于圖4所述的3個小孔11中。在每個小孔11與基底9（圖4中示出）的下接觸面上形成有下金屬膜面，在所述下金屬膜面的3個表面上沉積有金屬膜層，形成金屬層13。同樣，在每個小孔11與基底9（圖4中示出）的上接觸面上形成有上金屬膜面，在上金屬膜面的表面上也沉積有金屬膜層，形成金屬層7。所述支撐柱8的底面采用導(dǎo)電膠，例如導(dǎo)電銀漿等，粘貼在基底9的所述導(dǎo)電面（即下金屬膜面的金屬層13）上，以保證良好的電導(dǎo)特性。另外，為提高所述支撐柱8的穩(wěn)定度，還可從所述基底9的中間大孔10在支撐柱8側(cè)面點(diǎn)膠達(dá)成與基底9的牢固封裝。

圖6為示出所述mems超環(huán)面微鏡光開關(guān)中的微鏡搭載基底和電致伸縮支撐柱組合并連接電極的示意圖。

如圖6所示，在圖5所述結(jié)構(gòu)上，將微鏡模塊100粘貼在3根電致伸縮柱體8上。三根柱體8依照圖示方案引出導(dǎo)線，分別加電，從而改變支撐柱8物理長度和微鏡100的角度。

綜上所述，通過具體實(shí)施方式對本發(fā)明作出了詳細(xì)的描述，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員懂得，可以在本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上作出各種修飾和變更，只要不脫離本發(fā)明宗旨和精神，所作出的這些修飾和變更均應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍由所附權(quán)利要求限定。