[發(fā)明專利]基于靜電梳驅(qū)動(dòng)的硅基MEMS光開關(guān)及N×N陣列

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011009410.4
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112305676B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴道鋅;孫儀;李歡
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35;G02B26/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了一種基于靜電梳驅(qū)動(dòng)的硅基波導(dǎo)MEMS光開關(guān)及N×N陣列。光開關(guān)主要由兩個(gè)分離的交叉波導(dǎo)鏡、靜電梳驅(qū)動(dòng)器兩部分構(gòu)成。交叉波導(dǎo)由兩個(gè)相交的寬波導(dǎo)和四個(gè)絕熱錐型波導(dǎo)構(gòu)成；靜電梳驅(qū)動(dòng)器包括靜電梳、島簧結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)桿；靜電梳是一對梳齒結(jié)構(gòu)，通過給其中固定的梳齒加上電壓，其他部分保持接地；在靜電力作用下，可動(dòng)梳齒向固定梳齒運(yùn)動(dòng)，彈簧發(fā)生形變，并通過傳動(dòng)桿推動(dòng)可動(dòng)交叉波導(dǎo)鏡向固定交叉波導(dǎo)鏡運(yùn)動(dòng)，分離的交叉波導(dǎo)鏡重組為完整的交叉波導(dǎo)。本發(fā)明依靠靜電梳驅(qū)動(dòng)器來調(diào)控光開關(guān)的輸出光路，最終實(shí)現(xiàn)了低損耗高消光比的2×2光開關(guān)單元及N×N陣列，具有大帶寬、低損耗、高消光比、低能耗且結(jié)構(gòu)簡潔、控制方便、工藝簡便等突出優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于集成光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種硅基波導(dǎo)MEMS光開關(guān)及陣列，尤其是涉及一種能通過靜電梳驅(qū)動(dòng)來控制交叉波導(dǎo)鏡的移動(dòng)從而調(diào)控光的傳輸方向的集成硅基波導(dǎo)MEMS光開關(guān)及陣列。

背景技術(shù)

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)加快成熟應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，包含數(shù)萬臺(tái)乃至數(shù)十萬臺(tái)服務(wù)器的倉庫級大規(guī)模數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展，其數(shù)據(jù)流量急劇增加，亟需發(fā)展新一代大數(shù)據(jù)中心，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支撐。針對這一重大需求，光互聯(lián)迅速興起并成為大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)，在帶寬及能耗方面體現(xiàn)出傳統(tǒng)電互聯(lián)無法比擬的天然優(yōu)勢，為解決數(shù)據(jù)中心帶寬及能耗等瓶頸問題提供了有效途徑。

隨著光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大及其架構(gòu)日益復(fù)雜，如何在超大容量基礎(chǔ)上進(jìn)一步推進(jìn)光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由交換成為亟需解決的關(guān)鍵問題。在常見的三種光路由交換方式中，光突發(fā)交換是目前的主流交換方式，其速度要求為微秒級，且具有突出的靈活性和高效性。對于光路由交換，大規(guī)模N×N光開關(guān)陣列是其核心。因此，近年來國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和研究人員對此高度重視，逐漸發(fā)展了不同材料、不同原理和不同結(jié)構(gòu)的光開關(guān)陣列。其中，硅光技術(shù)具有CMOS工藝兼容、高集成度、低成本、易于大規(guī)模集成等突出優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光開關(guān)陣列提供了重要平臺(tái)。近年來，硅基光開關(guān)及陣列以其巨大發(fā)展?jié)摿Χ鴤涫荜P(guān)注并取得系列重要進(jìn)展。

MEMS具有將電、機(jī)械和光學(xué)元件集成在單個(gè)芯片上的獨(dú)特能力，又由于此類系統(tǒng)的微/納米尺度，與宏觀尺度系統(tǒng)相比，它們具有不同的特性(低損耗，切換速度，可靠性，可擴(kuò)展性等)。目前，MEMS光開關(guān)已用于在遠(yuǎn)距離傳輸大帶寬數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡(luò)中。

根據(jù)開關(guān)內(nèi)部的光信號傳播，基于MEMS的開關(guān)可分為兩類：自由空間開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)。在自由空間光開關(guān)中，光信號在自由空間中傳播，并沿其路徑被導(dǎo)向所需的輸出光纖。這里最常使用直徑幾百微米的可移動(dòng)微鏡來實(shí)現(xiàn)光路的偏轉(zhuǎn)。另一方面，在波導(dǎo)光開關(guān)中，光信號束縛在波導(dǎo)中傳播，通過將波導(dǎo)或耦合器調(diào)整到特定位置來實(shí)現(xiàn)光路的切換。傳統(tǒng)的基于3D MEMS的開關(guān)具有良好的可擴(kuò)展性(數(shù)百個(gè)輸入/輸出端口)，低插入損耗和低串?dāng)_，但開關(guān)時(shí)間(幾毫秒或幾十毫秒)較長。當(dāng)前，基于MEMS的波導(dǎo)光開關(guān)正在打開構(gòu)建全光開關(guān)的新方式。它們可以提供較快的切換時(shí)間(亞微秒或幾微秒)，較低的插入損耗和串?dāng)_，和相對大量的輸入/輸出端口。通過特殊的設(shè)計(jì)，也能實(shí)現(xiàn)大帶寬(絕熱型耦合器)、偏振不敏感等特性。在不久的將來，MEMS技術(shù)仍然是全光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵交換技術(shù)之一，基于MEMS的波導(dǎo)光開關(guān)可能會(huì)成為下一代新型光開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容

針對已有的背景技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種靠靜電梳驅(qū)動(dòng)的硅基波導(dǎo)MEMS光開關(guān)及N×N陣列。通過給固定靜電梳齒施加電壓，控制可動(dòng)梳齒運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)傳動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，以此調(diào)節(jié)兩個(gè)交叉波導(dǎo)鏡之間的距離，達(dá)到光路切換或分光的效果。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括硅基底以及置于硅基底上的靜電梳驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)相分離的固定交叉波導(dǎo)鏡、可動(dòng)交叉波導(dǎo)鏡，固定交叉波導(dǎo)鏡底部通過二氧化硅下包層固定置于硅基底上，可動(dòng)交叉波導(dǎo)鏡和靜電梳驅(qū)動(dòng)器連接，并由靜電梳驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)可動(dòng)交叉波導(dǎo)鏡向固定交叉波導(dǎo)鏡靠近或者遠(yuǎn)離方向移動(dòng)。

所述的固定交叉波導(dǎo)鏡和可動(dòng)交叉波導(dǎo)鏡結(jié)構(gòu)相同，均主要由V形的寬波導(dǎo)和連接在寬波導(dǎo)兩端的絕熱錐型波導(dǎo)構(gòu)成。