用于微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)的設(shè)備和方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案交叉申請(qǐng)
[0002] 本發(fā)明申請(qǐng)要求于2013年8月12日遞交的發(fā)明名稱為"用于微機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān) 的設(shè)備和方法"的第13/964,437號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案的在先申請(qǐng)優(yōu)先權(quán)，該在先申請(qǐng)的內(nèi)容 以引入的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及光子學(xué)，尤其涉及一種用于微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS)光開關(guān)的設(shè)備和 方法。
【背景技術(shù)】
[0004] -種光開關(guān)為三維（簡(jiǎn)稱3D)微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS)光開關(guān)。MEMS光開關(guān)具有 良好屬性，例如能夠支持大量的端口。同時(shí)，MEMS光開關(guān)具有良好的光屬性，例如低損耗、 低極化依賴性、高線性以及低噪聲。此外，MEMS光開關(guān)具有良好的關(guān)態(tài)屬性，例如高隔離度 以及低串?dāng)_。
[0005] 然而，MEMS光開關(guān)也存在一些問(wèn)題限制了其廣泛使用，例如切換速度慢以及由復(fù) 雜控制方法驅(qū)動(dòng)。當(dāng)MEMS光開關(guān)在級(jí)聯(lián)配置中使用時(shí)，例如在三級(jí)CL0S開關(guān)中，或在建立 由跨光子交換網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的通路時(shí)，這個(gè)問(wèn)題特別突出。同時(shí)，控制方法可能會(huì)遺 留所述開關(guān)引進(jìn)的殘余調(diào)制，從而干擾開關(guān)的級(jí)聯(lián)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在一實(shí)施例中，微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS)光開關(guān)包括第一組準(zhǔn)直器；第一微鏡陣 列，光耦合至所述第一組準(zhǔn)直器。所述第一微鏡陣列包括第一基板上集成的第一組第一 MEMS微鏡和所述第一基板上集成的第一組第一光電二極管，其中，所述光電二極管設(shè)置于 所述MEMS微鏡之間的間隙空間內(nèi)。
[0007] 在一實(shí)施例中，用于校準(zhǔn)微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS)光開關(guān)第一微鏡和第二微鏡的 方法包括：第一組準(zhǔn)直器的第一準(zhǔn)直器接收第一控制光信號(hào)，以及第一微鏡陣列的第一微 鏡反射所述第一控制光信號(hào)以生成第一控制光束。所述方法還包括：在第二微鏡陣列上具 有第一位置的第一光電二極管檢測(cè)所述第一控制光束的第一光束點(diǎn)，以生成第一檢測(cè)光信 號(hào)，其中，所述第二微鏡陣列包括第二微鏡。
[0008] 在一實(shí)施例中，控制系統(tǒng)包括：微鏡獲取控制單元，用于耦合至微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 MEMS)光開關(guān)，其中，所述微鏡獲取控制單元用于從在所述MEMS光開關(guān)的第一MEMS微鏡陣 列上具有第一組位置的第一組間隙光電二極管接收第一組信號(hào)；耦合至所述微鏡獲取控制 單元的微鏡驅(qū)動(dòng)器，其中，所述微鏡驅(qū)動(dòng)器用于耦合至所述MEMS光開關(guān)，所述微鏡驅(qū)動(dòng)器 用于根據(jù)所述第一組信號(hào)和所述第一組位置，控制所述MEMS光開關(guān)的第二MEMS微鏡陣列 的第一微鏡。
[0009] 上述大體上概述了本發(fā)明實(shí)施例的特征，以便能夠更好理解以下本發(fā)明的詳細(xì)描 述。下面將描述本發(fā)明實(shí)施例中構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求主體的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所公開的概念和特定實(shí)施例易被用作修改或設(shè)計(jì)其他實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明相同 的目的的結(jié)構(gòu)或過(guò)程的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這種等同構(gòu)造不脫離所附 權(quán)利要求書所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，其中：
[0011] 圖1不出了一實(shí)施例中的微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEMS)光開關(guān)；
[0012] 圖2示出了 一實(shí)施例中的MEMS微鏡結(jié)構(gòu)；
[0013] 圖3a_b示出了一實(shí)施例中的MEMS微鏡的萬(wàn)向支架；
[0014] 圖4示出了另一實(shí)施例中的MEMS微鏡結(jié)構(gòu)；
[0015] 圖5示出了 一實(shí)施例中的MEMS微鏡陣列上的光束點(diǎn)；
[0016] 圖6A和圖6B示出了MEMS光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸出調(diào)制以及光束位置；
[0017] 圖7示出了一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)MEMS微鏡的方法流程圖；
[0018] 圖8示出了另一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)MEMS微鏡的方法流程圖；
[0019] 圖9示出了另一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)MEMS微鏡的方法流程圖；
[0020] 圖10示出了一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)MEMS微鏡的控制系統(tǒng)；
[0021] 圖11不出了一實(shí)施例中的具有間隙光電二極管的MEMS微鏡陣列；
[0022] 圖12示出了另一實(shí)施例中的具有間隙光電二極管的MEMS微鏡陣列；
[0023] 圖13示出了一實(shí)施例中的具有間隙光電二極管的MEMS微鏡陣列的MEMS光開關(guān) 系統(tǒng)；
[0024] 圖14示出了一實(shí)施例中的具有間隙光電二極管的MEMS微鏡陣列上的光束點(diǎn)；
[0025] 圖15示出了一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)具有間隙光電二極管的MEMS微鏡的控制系 統(tǒng)；
[0026] 圖16示出了另一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)具有間隙光電二極管的MEMS微鏡的控制系 統(tǒng)；
[0027] 圖17示出了一實(shí)施例中的用于校準(zhǔn)具有間隙光電二極管的MEMS微鏡的方法流程 圖。
[0028] 除非另有指示，否則不同圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)部分。繪制各圖是 為了清楚地說(shuō)明實(shí)施例的相關(guān)方面，因此未必是按比例繪制的。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 首先應(yīng)理解，盡管下文提供一項(xiàng)或多項(xiàng)實(shí)施例的說(shuō)明性實(shí)施方案，但所公開的系 統(tǒng)和/或方法可使用任何數(shù)目的技術(shù)來(lái)實(shí)施，無(wú)論該技術(shù)是當(dāng)前已知還是現(xiàn)有的。本發(fā)明 決不應(yīng)限于下文所說(shuō)明的說(shuō)明性實(shí)施方案、附圖和技術(shù)，包括本文所說(shuō)明并描述的示例性 設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，而是可在所附權(quán)利要求書的范圍以及其等效物的完整范圍內(nèi)修改。
[0030] 在一實(shí)施例中，光電二極管間隙地置于MEMS光開關(guān)中微鏡間的微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 MEMS)基板上。在建立階段時(shí)使用所述光電二極管，以便以高精度檢測(cè)對(duì)側(cè)基板上初始光束 落點(diǎn)來(lái)校準(zhǔn)微鏡，以便直接進(jìn)行矢量計(jì)算以確保正確指向?？梢圆捎枚秳?dòng)技術(shù)來(lái)進(jìn)一步校 準(zhǔn)微鏡。具有控制波長(zhǎng)的光束經(jīng)過(guò)光開關(guān)在兩個(gè)方向傳播，僅照射了對(duì)側(cè)基板上的光電二 極管。因此，相對(duì)的兩塊微鏡可以同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的校準(zhǔn)。
[0031] 三維（簡(jiǎn)稱3D)MEMS光開關(guān)可以采用一個(gè)或兩個(gè)可調(diào)控微鏡陣列，以形成準(zhǔn)直器 陣列間可切換的光路。當(dāng)采用一個(gè)微鏡陣列時(shí)，將微鏡陣列設(shè)置在靜止平面的對(duì)面或鄰近 于平面逆反射微鏡。在該示例中，控制波長(zhǎng)通過(guò)光開關(guān)在兩個(gè)方向傳播，僅照射了每條控制 載波路徑上出現(xiàn)的第二微鏡周圍的光電二極管。
[0032] 圖1示出了MEMS光開關(guān)100,具有兩個(gè)可調(diào)控微鏡陣列的三維（簡(jiǎn)稱3D)MEMS光 開關(guān)。MEMS光開關(guān)100包括微鏡陣列104和106。光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器陣列102,例如從光纖進(jìn) 入，然后投射到微鏡陣列104的微鏡上。以兩個(gè)平面所成的角度調(diào)整微鏡陣列104的微鏡， 以使光線投射到微鏡陣列106的合適微鏡上。微鏡陣列106的微鏡與準(zhǔn)直器陣列108的特 定輸出端口相關(guān)聯(lián)。同時(shí)，以兩個(gè)平面所成的角度調(diào)整微鏡陣列106的微鏡，以耦合至合適 輸出端口。然后，光線從準(zhǔn)直器陣列108的準(zhǔn)直器離開，例如耦合至的光纖。同樣，光線進(jìn) 入準(zhǔn)直器陣列108,被微鏡陣列106的微鏡反射，被微鏡陣列104的微鏡反射，然后從準(zhǔn)直器 陣列102離開。
[0033] 微鏡陣列具有可調(diào)控3D-MEMS微鏡（簡(jiǎn)稱MEMS微鏡）陣列，該微鏡陣列會(huì)通過(guò)相 關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直器反射投射至自己的光束。然后，反射的光束會(huì)反射至對(duì)側(cè)微鏡陣列的對(duì)側(cè)微 鏡上。因此，一個(gè)NxNMEMS光開關(guān)模塊包括N個(gè)輸入微鏡，每塊微鏡能夠接入對(duì)側(cè)微鏡陣列 的N塊微鏡中任意一個(gè)，反之亦然。這使得微鏡總數(shù)隨著開關(guān)的端口總數(shù)變化而線性增長(zhǎng)， 從而一個(gè)NxN開關(guān)可采用2N塊可調(diào)控微鏡。在許多其他建立光開關(guān)的方法中，微鏡總數(shù)或 交叉點(diǎn)總數(shù)隨著端口總數(shù)的平方而增長(zhǎng)。因此，MEMS光開關(guān)能夠縮放至較大端口總數(shù)，而 一些其他方法則受限于微鏡總數(shù)或交叉點(diǎn)總數(shù)。然而，隨著MEMS光開關(guān)中端口總數(shù)增長(zhǎng)， 微鏡之間的光路長(zhǎng)度和/或最大微鏡偏轉(zhuǎn)角度會(huì)增加。
[0034] MEMS光開關(guān)100中的MEMS微鏡是在改進(jìn)的硅片過(guò)程中制造的。圖2示出了MEMS 微鏡結(jié)構(gòu)110的示例，該結(jié)構(gòu)的直徑可以為大約550μm至大約2. 5mm，例如大約1mm。MEMS 微鏡結(jié)構(gòu)110包括懸掛在軸承114和116的兩個(gè)軸上的微鏡112,使微鏡隨軸承的扭簧作用 而傾斜，以試圖將微鏡112保持在特定位置。微鏡112,1_大小的微鏡，下面大約80μm至 100μm處為3個(gè)或4個(gè)分離的板極偏轉(zhuǎn)電極。當(dāng)采用4個(gè)電極時(shí)，每個(gè)電極與一微鏡象限 相關(guān)聯(lián)。當(dāng)電極上施加電壓時(shí)，微鏡112通過(guò)靜電吸附被該電極所吸引，隨著硅質(zhì)扭簧的彈 性作用而扭轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)電極上施加的驅(qū)動(dòng)電壓，可以在角度方向和大小上控 制該偏轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電壓可以高達(dá)幾百伏特，微鏡偏轉(zhuǎn)出平面最大5-7度，光束偏離靜止?fàn)顟B(tài)最 大10-14度，或峰至峰光束偏離20-28度。
[0035] 圖3a示出了萬(wàn)向支架120,圖3b示出了萬(wàn)向支架122,可以用作軸承114或軸承 116的萬(wàn)向支架的兩個(gè)示例。萬(wàn)向支架120和萬(wàn)向支架122可以由硅質(zhì)扭簧制成，以試圖將 微鏡返回至其平面位置。隨著微鏡的移動(dòng)，與漸增的彈簧張力相對(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓的引力決定 了微鏡的最終指向角度。
[0036] 圖4示出了微鏡結(jié)構(gòu)130,該結(jié)構(gòu)包括由具有y向旋轉(zhuǎn)軸和X向旋轉(zhuǎn)軸的萬(wàn)向支架 環(huán)131支撐的可移動(dòng)平衡微鏡132。X軸上的移動(dòng)是由作為轉(zhuǎn)軸的彈簧135和137帶動(dòng)的， y軸上的移動(dòng)是由作為正交坐標(biāo)軸上轉(zhuǎn)軸的彈簧134和136帶動(dòng)的。
[0037] 通過(guò)采用電極138、139、140以及141，沿著彈簧135和137之間以及彈簧134和 136之間形成的這兩個(gè)軸來(lái)調(diào)整微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。將驅(qū)動(dòng)電壓施加至電極138會(huì)導(dǎo)致微鏡 被該電極所吸引，使得微鏡隨著扭簧135和137的彈性作用而扭轉(zhuǎn)，直至電極的引力被彈簧 的扭力所平衡，從而使微鏡向X負(fù)方向偏轉(zhuǎn)。同樣，分別施加至電極139、140以及141的驅(qū) 動(dòng)電壓能夠產(chǎn)生y負(fù)方向、X正方向或者y正方向偏轉(zhuǎn)。該引力與微鏡和電極之間的電位 差成正比。因此，對(duì)于地電位微鏡，微鏡驅(qū)動(dòng)電壓的電極性微不足道，且相對(duì)的兩個(gè)電極并 非有差異地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。然而，能夠驅(qū)動(dòng)X軸上的電極之一以及y軸上的電極之一以產(chǎn)生包 含任何X向和y向分量的偏轉(zhuǎn)角度。通過(guò)合適的X向和y向電極驅(qū)動(dòng)電壓，微鏡能夠指向 "四面八方"。
[0038] 通過(guò)分析輸出光線，可以控制MEMS光開關(guān)中的微鏡校準(zhǔn)。在輸出端口接收到來(lái)自 輸入端口的至少一些光線之前，無(wú)法檢測(cè)到光線，因此，校準(zhǔn)也無(wú)法得到優(yōu)化。因此，最需要 的是建立初始盲連接，以便輸出端口獲得一些光線。通過(guò)涉及需產(chǎn)生特定偏轉(zhuǎn)角度的偏轉(zhuǎn) 電壓預(yù)測(cè)量的復(fù)雜方法以及被稱為進(jìn)動(dòng)的循環(huán)搜尋方法，可以實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程。這些數(shù)值都 保存起來(lái)以便今后參考和使用。在MEMS陣列/模塊制造過(guò)程中或者設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，每個(gè) 陣列中的每塊MEMS微鏡都通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)的方法鏈接至對(duì)側(cè)陣列中的每塊微鏡。在形成連 接之前，X向和y向驅(qū)動(dòng)電壓都圍繞預(yù)期驅(qū)動(dòng)電壓而逐步增大。然后，保存用于將每塊微鏡 連接至對(duì)側(cè)微鏡陣列每塊微鏡的X向和y向驅(qū)動(dòng)電壓。這項(xiàng)活動(dòng)非常耗時(shí)，并且會(huì)產(chǎn)生大 量的值表。因此，通過(guò)采用模擬驅(qū)動(dòng)和模擬角度偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，在初始制造或調(diào)試建立中采用驅(qū) 動(dòng)電壓以鏈接陣列中的其他所有微鏡。在制造測(cè)試時(shí)或者作為調(diào)試過(guò)程的一部分，通過(guò)此 方式，可以創(chuàng)建一張具有用于將一個(gè)微鏡陣列的每塊微鏡與對(duì)側(cè)微鏡陣列的每塊微鏡校準(zhǔn) 的驅(qū)動(dòng)電壓的詳細(xì)查找表，并保存至存儲(chǔ)器中?；蛘?，當(dāng)極為一致的微鏡偏轉(zhuǎn)靈敏度與復(fù)雜 的精度計(jì)算算法相結(jié)合時(shí)，可直接計(jì)算出初始驅(qū)動(dòng)電壓近似值。
[0039] 一旦微鏡對(duì)連通性已經(jīng)大致校準(zhǔn)后，使得光線通過(guò)輸入端口至輸出端口