[發明專利]集成鐵電微鏡式光開關

無效

• 申請號: 02125400.1
• 申請日: 2002-07-31
• 公開（公告）號: CN1389749A
• 公開（公告）日: 2003-01-08
• 發明（設計）人: 任天令;劉理天;徐楊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35;G02B6/28;H04J14/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

集成鐵電微鏡式光開關屬于光通信用的微型光開關技術領域。

背景技術

由于現代光通信技術具有其他傳統通信技術無可比擬的優越性，不僅在洲際和國家骨干網中廣泛采用，而且越來越多地應用于寬帶交換網中，隨著光通信和密集波分復用技術的迅猛發展，日益復雜的網絡拓撲結構對可靠、靈活的網絡管理方式要求越來越高。光交叉互連(OXC，Optical?Cross?Connector)技術，就是其中的一項關鍵技術，光開關則是OXC中的關鍵器件，尤其是無需光電、電光轉換的全光交叉互連的器件，其技術水平直接決定著光通信網絡的性能。國外已經研制出不同結構、不同制作方法的微機械式(MEMS，Micro-electro-mechanicalSystem)光開關。可動鏡面式光開關利用鏡面的移動將反射光從一個通路轉換到另外的通路。這樣的器件可以實現多個輸入輸出路?？蓜隅R式光開關是利用微反射鏡的運動來改變反射光束的方向而實現開關功能的。以前的機械式光開關，它們一般使用多次犧牲層工藝制作鉸鏈與微彈簧，還要單獨制作微反射鏡，因而工藝復雜。這些方案面臨的一個重要問題是工藝復雜、重復性差、開關速度慢，限制了自身的應用。我們提出了一種新型微光機電開關陣列，可將鐵電驅動結構以及控制電路集成在同一硅芯片上，從而大大提高了開關的性能和縮小了體積，其結構簡單、可靠性高、易加工、適合批量生產。

發明內容

本發明的目的在于提出一種體積小、結構簡單、容易控制與操作、可靠性高、易加工且適合批量生產的集成鐵電微鏡式光開關。本發明是用于光通信網絡的光分插多用和光交叉連接點的高速光開關。其中，硅微反射鏡與鐵電薄膜懸臂梁做成一體。鋯鈦酸鉛(PZT)等鐵電薄膜的力電耦合能力(壓電系數)遠大于非鐵電的壓電材料，因此把PZT等鐵電薄膜作為光開關的核心驅動部分。加電壓后，由于壓電效應導致鐵電薄膜在長度方向伸長(或收縮)，而氧化硅部分處于被動形變狀態，使梁發生彎曲形變，從而帶動梁下端的微鏡作豎直上下運動，實現對光路的開關與轉接，其結構示意圖見圖1。它很容易形成集成化的光開關陣列，只要在硅襯底上把該光開關陣列結構和控制電路集成在同一個硅芯片即可。圖2是一個4×4光開關陣列示意圖，它的每一個微鏡單元都由圖1所示結構構成。光由入射光纖導入，經微鏡反射后由導出光纖導出，通過選擇電路控制微鏡懸臂梁的移動，從而實現對光路的切換與交叉互連。

本發明所述的集成鐵電微鏡式光開關，其特征在于：它含有鐵電薄膜懸臂梁以及與該梁做成一體的微反射鏡；所述的懸臂梁是絕緣層①/金屬②/鐵電材料③/金屬④/絕緣材料⑤/襯底層⑥構成的多層膜結構；所述的懸臂梁結構中的絕緣層①是SiO₂或Si₃N₄介質，金屬②是Pt或Au金屬或其合金，鐵電材料③是PZT或PT或其復合，金屬④是Pt或Ti或Au金屬或其合金，絕緣材料⑤是SiO₂或Si₃N₄介質，襯底層⑥是Si或GaAs或GaN或InP半導體材料或它們的復合材料；所述懸臂梁的尺寸范圍是(500～5000)μm×(20～5000)μm×(3～300)μm，鐵電材料層厚(0.2～200)μm，鏡面的尺寸范圍是(50～1000)μm×(1～100)μm×(50～1000)μm；所述的懸臂梁是單層或雙層或多層鐵電膜層中的任何一種。

本發明所述的集成鐵電微鏡式光開關所提出的制造方法，其特征在于，它含有以下d典型的加工工藝(可參見圖3)：

(1)用(110)晶向的雙拋硅片，雙面生長熱氧后淀積氮化硅；

(2)背面光刻氮化硅窗口，后漂去露出的熱氧；

(3)利用KOH各向一行體硅腐蝕形成垂至于(110)面的(111)面作為光開關的反射鏡面，其高度約為150μm；

(4)漂背面的SiO₂后，繼續進行腐蝕，直至剩下(50-100)μm的硅作支撐層；

(5)光刻下電極窗口，正膠剝離出下電極Pt/Ti；

(6)用sol-gel(溶膠一凝膠)法制備PZT后快速退火；

(7)光刻上電極窗口，正膠剝離出Pt上電極并干法刻蝕PZT；

(8)再淀積低溫氧化層(LTO)，刻接觸孔，濺鋁并刻出鋁引線，然后用TMAH(一種化學腐蝕液)進行體硅腐蝕，減薄梁的厚度并徹底釋放出懸臂梁結構；

(9)將鏡面蒸金形成高反射率表面。