[发明专利]密封流体的微机电系统光开关

说明书

             相关申请的交叉参考

本申请是1998年10月23日提交的美国临时专利申请第60/105,323号的部分连续申请。所述临时申请的整个内容是本申请的依赖，并通过引用包括在此。由此，根据美国法典§119(e)，本申请要求其优先权的利益。

                发明领域

本发明一般地涉及光开关。尤其，本发明涉及一种光学开关阵列，该阵列使用一可移动的MEMS反射镜，对于开关的打开位置和闭合位置，该反射镜都浸没在折射率匹配的、保持准直的流体中。

                发明背景

针对光开关提议的方式可以大致分为两类：导波法和自由空间法。导波法包括多包层波导，实行弯曲调制和基于特种材料的切换，而自由空间法一般依赖于诸如反射镜或透镜等可移动的光学元件。

导波法通常使用Mach-Zehnder干涉仪、Y-分支波导和其它器件。它通过改变器件中某个臂的折射率，使光从器件的一个臂转向另一个臂。一般，利用电动机构、热致动机构、或者其它致动机构可以到达此目的。

在一些应用中，自由空间法比导波法优越。由于波导在空间上彼此隔离，并且不会耦合，所以自由空间法的串扰非常小。此方法的唯一串扰源是由于分散了可移动光学元件。另外，自由空间器件不依赖波长，并且通常不依赖于温度。

已提出过几种自由空间法。一种方法使用了具有可移动微机电系统(MEMS)反射镜的开关阵列。输入和输出光纤被置于凹槽中，并彼此正交。MEMS反射镜处在自由空间，位于输入光纤和输出光纤的交点上。此方法要求相当大的反射镜和准直器。因为当光束离开波导时会不可避免地发生扩展，并在自由空间中向MEMS反射镜传播。由于较大的反射镜对角度定位精度、平坦度都有要求，并且难以精确快速地起动这种相对较大的结构，所以大反射镜存在着问题。这些器件一般具有300μm至400μm的致动距离，这会对切换速度产生负面影响。另外，必须对每个输入和输出光纤装配单体的准直器，从而增大制造成本。

在第二种自由空间法中，使用了平面型波导阵列。在输入波导和输出波导的交叉点上形成沟槽。将数字式微反射镜器件(DMD)放在沟槽内，并处在自由空间中。每个微反射镜起光闸的作用，用静电致动器或磁致动器可以将其旋转到闭合位置，致使光信号从输入波导反射到输出波导中。当光闸处于打开位置时，光沿原始方向继续传播，不被切换。此方法也存在光束扩展的问题，并且这种开关产生的特有损耗会很高。

第三种自由空间法是将一种折射率匹配的流体用作切换元件。它在衬底上形成一平面型波导阵列。在交叉点处形成沟槽，并向沟槽中填入折射率与波导纤芯折射率相匹配的流体。为了激励开关，可以用致动器使流体在空间上移入和移离交叉点，或者用热学或电解方法将流体转换成气体，产生气泡。为使该方法可行，对交叉点处的波导端面切割得到的小平面必须具有反射镜的质量，因为它们要用来将光反射到所需的波导中。最后，必须将流体排干净，以保持所需小平面的几何形状，并防止因任何残留液滴产生散射损耗。

在另一种方法中，将一个梁对角放置在波导中的一个空隙上。从梁上悬下一反射镜至空隙中。将一电极放在空隙的附近，梁的下方。当寻址到该电极时，梁和反射镜移入空隙，反射波导中传播的光。此方法有若干缺点，而且也存在上述光束扩展的问题。同样，这种开关的特有损耗会很高。其次，电极被放在置入波导的衬底上。这种设计的再生产费用很高。

因此，需要一种具有自由空间法之优点但不存在上述相关设计之缺点的光开关。

                        发明内容

本发明满足了上述需要。将一种可移动的MEMS反射镜放在一沟槽中，沟槽内填充了一种不导电的、低粘度的、折射率匹配的流体。折射率匹配的流体起保持准直流体的作用，它可以防止光束在开关交叉点上扩展。因此，在开关交叉点上可以使用较小的反射镜，致使致动距离缩小，致动时间缩短。