專利名稱：一種采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的二維光開(kāi)關(guān)矩陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二維光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征是采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，屬于光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，采用光纖進(jìn)行聲音和數(shù)據(jù)的長(zhǎng)程傳輸已越來(lái)越普遍，對(duì)光所能攜帶的數(shù)據(jù)容量的要求也不斷提高。如何更有效地利用現(xiàn)有光纖的帶寬，提高傳輸效率是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，當(dāng)前，較成功的方法是采用波分復(fù)用技術(shù)(WDMWave Division Multiplexing)，它可在同一條光纖上用多個(gè)波長(zhǎng)的光波獨(dú)立地進(jìn)行信息傳輸。隨著WDM技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種復(fù)雜的光路轉(zhuǎn)換及路由設(shè)備的需求日益增多。光開(kāi)關(guān)在光網(wǎng)絡(luò)中起到十分重要的作用，特別是光開(kāi)關(guān)矩陣，它是構(gòu)建光插/分復(fù)用器設(shè)備(OADMOpticalAdd-Drop Module)和光交叉互聯(lián)設(shè)備(OXCOptical Cross Connect)的核心。OADM是光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備之一，通常用于城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)OADM光信號(hào)上下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下都應(yīng)用了光開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)密集波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中光信號(hào)的上/下路功能。OXC是WDM光交換的核心設(shè)備，采用體積更小、價(jià)格更便宜的光開(kāi)關(guān)代替昂貴的高速電子開(kāi)關(guān)器件，即直接光交叉互連技術(shù)替代傳統(tǒng)的光-電-光(OEO)轉(zhuǎn)換技術(shù)，對(duì)全光網(wǎng)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義?；陔娹D(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān)是面向特定傳輸速率的光交換，一旦網(wǎng)絡(luò)提速，電氣方面就要升級(jí)來(lái)適應(yīng)更快的傳輸速率。相反，光直接交換對(duì)傳輸速率是透明的，現(xiàn)在配備的光開(kāi)關(guān)同樣能夠滿足未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)提速的需求。光開(kāi)關(guān)使得OADM和OXC具有動(dòng)態(tài)配置交換業(yè)務(wù)和支持保護(hù)倒換功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)將故障業(yè)務(wù)切換到備用路由中，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的生存能力和網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)能力。隨著光傳送網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大容量、高速交換、透明、低損耗的光開(kāi)關(guān)將在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中起到更為重要的作用。
機(jī)械光開(kāi)關(guān)是一種非常重要的光開(kāi)關(guān)，機(jī)械式光開(kāi)關(guān)具有介入損耗較低(＜2dB)，隔離度高(＞45dB)，不受片振和波長(zhǎng)影響等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在光通信上廣泛應(yīng)用。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)一種類型就是通過(guò)控制鏡面達(dá)到直通光路或者阻擋光路，實(shí)現(xiàn)光的切換。在光學(xué)設(shè)計(jì)上，在三維自由空間進(jìn)行切換的光開(kāi)關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)稱為三維結(jié)構(gòu)，在二維自由空間進(jìn)行切換的光開(kāi)關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)稱為二維結(jié)構(gòu)。
二維N×N光開(kāi)關(guān)矩陣是由一組二維鏡面陣列和互相垂直的光纖準(zhǔn)直器行/列排成光學(xué)結(jié)構(gòu)(圖1)，二維N×N光開(kāi)關(guān)矩陣需要N2個(gè)鏡面來(lái)完成N2個(gè)自由空間的光交叉連接，若要實(shí)現(xiàn)從第m行輸入切換到第n列輸出(m，n＜＝N)，必須在第m行和第n列交叉點(diǎn)有鏡面，同時(shí)在光前進(jìn)方向上其它交點(diǎn)位置上沒(méi)有鏡面。只有保持該交叉點(diǎn)鏡面對(duì)輸入光的反射，就建立起第m行輸入和第n列輸出的光連接。根據(jù)這種原理，在某一時(shí)刻，可以實(shí)現(xiàn)從N個(gè)輸入到N個(gè)輸出的任一組交換。二維光開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行光交換就是控制交叉點(diǎn)鏡面的狀態(tài)鏡面可以從“有”到“無(wú)”，也可以從“無(wú)”到“有”，相應(yīng)地，產(chǎn)生兩種不同的控制方法。其一是，交叉點(diǎn)鏡面初始存在，光交換時(shí)，交叉點(diǎn)鏡面消失；其二是，交叉點(diǎn)鏡面初始不存在，光交換時(shí)，交叉點(diǎn)位置出現(xiàn)鏡面。以上二種控制鏡面狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式通常有垂直紙面的平動(dòng)或者各種轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，第一種方法需改變的鏡面狀態(tài)數(shù)為N(N-1)個(gè)，第二種方法需改變的鏡面狀態(tài)數(shù)為N個(gè)。在二維光開(kāi)關(guān)矩陣中，由于鏡面方陣和光纖準(zhǔn)直器排在一個(gè)平面內(nèi)，大大方便了光開(kāi)關(guān)的耦合和封裝，而且鏡面狀態(tài)只有兩種，所以鏡面位置的定位精度要求低，容差大，相應(yīng)的控制電路簡(jiǎn)單，一般情況下，開(kāi)環(huán)控制就能滿足要求。但是，該結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性明顯地受到光程和芯片尺寸的限制，通常不超過(guò)32個(gè)端口(需要1024個(gè)微鏡)。
圖1所示的二維光開(kāi)關(guān)矩陣的特征之一是密排的鏡面方陣，一般情況下，光程最短原則要求相鄰鏡面之間應(yīng)沒(méi)有間隙；特征之二是光纖準(zhǔn)直器的中心正對(duì)鏡面的中心。以上兩點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)，稱之為二維鏡面密排光開(kāi)關(guān)矩陣。
二維鏡面密排光開(kāi)關(guān)矩陣存在著以下兩個(gè)不足之處。其一為鏡面不允許在對(duì)角線方向平動(dòng)，這是因?yàn)槊芘喷R面之間沒(méi)有讓鏡面沿對(duì)角線方向平動(dòng)的空間；其二為不工作鏡面的中心不能跟準(zhǔn)直器中心處于同一高度，由于光路是沿著鏡面排列的位置方向上傳播的，不工作的鏡面不能阻擋光路傳播，需要消失，就要求不工作鏡面的中心不能跟準(zhǔn)直器中心在同一個(gè)高度上。
高性能的光開(kāi)關(guān)矩陣需要長(zhǎng)工作距離和低插入損耗的光纖準(zhǔn)直器進(jìn)行自由空間光傳輸和耦合，目前商品化的小型光纖準(zhǔn)直器適合光開(kāi)關(guān)矩陣的輸入和輸出光耦合，但光斑的束腰直徑通常都在幾百微米，這對(duì)驅(qū)動(dòng)器提出了要求。
光開(kāi)關(guān)矩陣中的陣列驅(qū)動(dòng)器至關(guān)重要，采用傳統(tǒng)技術(shù)制作的驅(qū)動(dòng)器離散性大，體積大，不適合制作陣列式器件。光開(kāi)關(guān)矩陣要求每個(gè)驅(qū)動(dòng)器各方面性質(zhì)(包括尺寸、驅(qū)動(dòng)器性能)都要一樣，才能制作出一致性高的驅(qū)動(dòng)器陣列；光開(kāi)關(guān)矩陣要求每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的體積要小，才能制作出體積小的光開(kāi)關(guān)矩陣，適合未來(lái)器件發(fā)展的需要。采用微電子技術(shù)在硅襯底上制作微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMSMicro electro mechanical system)是上世紀(jì)80年代末國(guó)際上興起的新技術(shù)，代表未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。MEMS本身是一種技術(shù)，其內(nèi)涵很廣泛，并不局限在硅材料和IC技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展許多材料和加工手段不斷豐富MEMS家族。典型的MEMS技術(shù)——硅的表面微加工技術(shù)可以在硅襯底上加工一致性好、尺寸小的驅(qū)動(dòng)器陣列，國(guó)際上許多公司采用這一技術(shù)開(kāi)發(fā)光開(kāi)關(guān)矩陣。MEMS靜電驅(qū)動(dòng)器陣列最容易實(shí)現(xiàn)，但存在位移小或轉(zhuǎn)角小的缺點(diǎn)；MEMS電磁驅(qū)動(dòng)器具有大位移，但是對(duì)于陣列器件而言，電磁屏蔽和功耗是個(gè)難點(diǎn)；MEMS熱驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)大變形，但加熱與散熱是一對(duì)矛盾，勢(shì)必導(dǎo)致開(kāi)關(guān)時(shí)間的極不對(duì)稱性。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的MEMS靜電驅(qū)動(dòng)器，例如OMM公司的杠桿式靜電驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)微鏡實(shí)現(xiàn)光切換，但器件的可靠性有待證實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于克服二維鏡面密排光開(kāi)關(guān)矩陣的不足，改進(jìn)鏡面的排列方式以及鏡面與準(zhǔn)直器行/列的位置排列關(guān)系，突破了“不工作鏡面中心不允許與準(zhǔn)直器中心在同一個(gè)高度上”的限制，提出一種二維鏡面非密排光開(kāi)關(guān)矩陣設(shè)計(jì)新思想。
本發(fā)明的第二個(gè)目的在于改進(jìn)目前的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作光開(kāi)關(guān)矩陣的驅(qū)動(dòng)器。雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，承載力高，低能耗和價(jià)格低廉等特點(diǎn)備受關(guān)注。壓電材料是通過(guò)外界電場(chǎng)作用來(lái)產(chǎn)生微位移，利用壓電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)位移主要有兩種方式一種是多層相同的壓電體疊加的純壓電變形產(chǎn)生大位移；另一種是雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)殡p壓電晶片驅(qū)動(dòng)器可以容易實(shí)現(xiàn)大位移(1mm)運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)快，控制精確簡(jiǎn)單，加工容易。
本發(fā)明的第三個(gè)目的在于采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)制備一致性好的驅(qū)動(dòng)器元件和高精度的微光學(xué)組裝平臺(tái)，運(yùn)用微裝配技術(shù)制備光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器陣列，以克服傳統(tǒng)技術(shù)制作的驅(qū)動(dòng)器離散性大和體積大的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是通過(guò)下述方式實(shí)施的；在圖2的坐標(biāo)系統(tǒng)中，z軸正方向?yàn)楦叨确较颍?1)鏡面1排列方式由密排發(fā)展為非密排，相鄰鏡面之間的間隙應(yīng)滿足鏡面沿著對(duì)角線方向5平動(dòng)的空間要求，鏡面1與x軸正方向成135度排成N×N方陣(圖2)。
(2)相鄰鏡面之間在x方向上的最短距離6以及在y方向上的最短距離7均大于光纖準(zhǔn)直器2的光斑8最大直徑，保證光斑8能在間隙里傳播(圖2)。
(3)x方向橫排的光纖準(zhǔn)直器2沿著x方向排成一列，y方向豎排的光纖準(zhǔn)直器2沿著y方向排成一行，并且光纖準(zhǔn)直器2的中心對(duì)著鏡面間隙(圖2)。
(4)鏡面1迎著光纖準(zhǔn)直器2的一面是反射面12，另一面為吸收面13，鏡面1的高度9和寬度10均大于光纖準(zhǔn)直器2光斑8的最大直徑(圖3和圖4)。
(5)任一橫排的光纖準(zhǔn)直器2和任一豎排的光纖準(zhǔn)直器2的中心線交點(diǎn)，位于鏡面1反射面12的延長(zhǎng)線上(圖2)。
(6)初始時(shí)，橫排光纖準(zhǔn)直器2發(fā)出光信號(hào)8，光斑8的前進(jìn)方向上沒(méi)有任何鏡面(圖2)。
(7)切換時(shí)，鏡面1沿著對(duì)角線方向5由原來(lái)位置3平動(dòng)到交點(diǎn)位置4處，反射面12通過(guò)反射原理改變光路方向，使得光信號(hào)8回到豎排光纖準(zhǔn)直器2。鏡面的運(yùn)動(dòng)距離應(yīng)確保光斑8被交點(diǎn)位置4的鏡面完全反射，無(wú)論鏡面1是否運(yùn)動(dòng)，鏡面中心高度基本不變(圖2和圖3)。
(8)建立從第m行光纖準(zhǔn)直器2到第n列光纖準(zhǔn)直器2的光連接時(shí)(1≤m，n≤N)，根據(jù)第7條，鏡面1運(yùn)動(dòng)到第m行光纖準(zhǔn)直器和第n列光纖準(zhǔn)直器交點(diǎn)位置4處，同時(shí)橫排的光纖準(zhǔn)直器2到交點(diǎn)位置4之間以及交點(diǎn)位置4到豎排的光纖準(zhǔn)直器2之間應(yīng)沒(méi)有任何鏡面(圖2)。
(9)N×N光開(kāi)關(guān)矩陣中，每一組光交換只要運(yùn)動(dòng)N個(gè)鏡面，最多有N(N-1)個(gè)鏡面靜止(圖2)。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是通過(guò)下述方式實(shí)施的(1)雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100由兩根長(zhǎng)條狀壓電材料14相互平行地粘貼在一起，沿粘貼面插入中間電極17，而第二電極16和第三電極18則分布在與粘貼面相對(duì)的另外兩個(gè)面上，15為焊點(diǎn)。壓電材料為弛豫鐵電單晶或壓電晶體和陶瓷，形變達(dá)到0.82％-1％。雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100的自由端為100a，根部為100b，厚度為0.2mm-1mm，長(zhǎng)度根據(jù)形變量設(shè)計(jì)給出(圖5)。
(2)雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100根部100b固定在支座19上。未工作時(shí)，雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100處于自然平衡狀態(tài)，工作時(shí)，不同的電壓沿電極16-17和17-18被加到壓電片上，使一根壓電片伸長(zhǎng)同時(shí)另一根壓電片收縮，導(dǎo)致雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100產(chǎn)生彎曲。通常電極16的電壓恒定，電極18接地，通過(guò)改變電極17的電壓信號(hào)，使施加于兩個(gè)壓電片上的電壓發(fā)生變化，雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100的彎曲方向和彎曲大小相應(yīng)地由施加于電極17上的電壓信號(hào)大小來(lái)控制。因雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器100根部100b被支座19所限制，所有的壓電形變都由自由端100a承受，從而使晶片偏轉(zhuǎn)，自由端100a產(chǎn)生了位移(圖6)。
(3)鏡面是由光學(xué)玻璃制成，反射面12先經(jīng)過(guò)拋光、鍍反射膜形成，吸收面13鍍吸收膜，反射和吸收的光波長(zhǎng)范圍從1.3um到1.7um，其中反射膜是指反射率大于95％以上的金屬膜，如金、鋁等金屬，或者是指反射率大于95％以上的介質(zhì)膜，如Si/SiO2等多層復(fù)合膜。鏡面的尺寸長(zhǎng)度為0.5mm-3mm，高度為0.5mm-3mm，厚度為0.1mm-0.5mm(圖4)。反射和吸收波長(zhǎng)范圍從1.3μm到1.55μm。
(4)圖7列舉了鏡面粘結(jié)到雙壓電晶片自由端的兩種典型方法插入法和粘貼法。在圖7a中，雙壓電晶片100的自由端100a開(kāi)出一個(gè)定位槽23，槽寬尺寸與鏡面的厚度緊配合，槽深取鏡面的高度10％-40％，順著箭頭所示的方向?qū)㈢R面1插入定位槽23中，使之緊配合，然后用膠水，如紫外固化膠、環(huán)氧樹脂等粘牢，要求鏡面1與雙壓電晶片100垂直。在圖7b中，將鏡面1的反射面12朝外，吸收面13朝內(nèi)，按箭頭所示的方向緊密貼緊雙壓電晶片100自由端100a，用膠水，如市售紫外固化膠、環(huán)氧樹脂等粘牢，要求鏡面1與雙壓電晶片100垂直。這樣加工出帶鏡面的雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器，在下文中稱為鏡面驅(qū)動(dòng)器200。
(5)圖8給出鏡面驅(qū)動(dòng)器200進(jìn)行光路切換的形變圖，對(duì)圖2和圖3中鏡面1的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解釋。當(dāng)鏡面驅(qū)動(dòng)器200不工作時(shí)，鏡面1阻截不到光信號(hào)8；當(dāng)鏡面驅(qū)動(dòng)器200工作時(shí)，鏡面1攔截到光信號(hào)8。采用這種方法，可精確、快速、可重復(fù)地實(shí)現(xiàn)雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器自由端的平動(dòng)，從而使安裝在自由端的鏡面產(chǎn)生位移。
本發(fā)明的第三個(gè)目的即通過(guò)下述實(shí)施的(1)將兩塊大小一樣的壓電材料平行的粘在一起，用切割機(jī)器切割成尺寸一樣的雙壓電晶片100，尺寸大小的公差控制在6-10微米。
(2)將切割好的雙壓電晶片100如圖9用蠟粘在一個(gè)表面很平的基底21上，用拋光機(jī)先拋出一個(gè)基準(zhǔn)端面，然后再把基準(zhǔn)面粘在表面很平的基底21上，再拋另一端面，保證雙壓電晶片100的一致性。采用第(13)條的方法把鏡面固定到雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器上形成鏡面驅(qū)動(dòng)器200。
(3)采用微機(jī)械技術(shù)制作支座19，保證了支座19的長(zhǎng)條形槽22的一致性，材料是單晶硅，厚度在0.5mm。硅片先涂厚光刻膠10-20um，在掩模版圖形保護(hù)下，紫外曝光、顯影，制作出光刻膠的槽形，再用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)腐蝕出槽22，尺寸精度控制在微米量級(jí)(圖10)。
(4)采用兩個(gè)支座19上下對(duì)準(zhǔn)，固定鏡面驅(qū)動(dòng)器200的方法保證固定鏡面驅(qū)動(dòng)器與支座的垂直排列。兩個(gè)支座上下相互對(duì)準(zhǔn)，中間有間距23，間距23的大小根據(jù)鏡面驅(qū)動(dòng)器與支座的垂直度要求給出。然后將鏡面驅(qū)動(dòng)器200一根根順著槽22插入，用膠水固定，圖10為支座的結(jié)構(gòu)圖和順著箭頭方向看到的結(jié)構(gòu)圖。
(5)將組裝完的驅(qū)動(dòng)器陣列的電極與控制電路板24上的對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)一一焊上，再固定到托架25上，最后把光纖準(zhǔn)直器按照光路設(shè)計(jì)擺放在托架25上，形成光開(kāi)關(guān)矩陣器件。
(6)一種光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于采用二維鏡面非密排光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器以及其它光學(xué)元件構(gòu)成信號(hào)光從輸入到輸出交換的設(shè)備。
(7)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器替代現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器，采用非密排的二維鏡面光學(xué)設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)，運(yùn)用微機(jī)械技術(shù)制作高精度的定位組裝平臺(tái)，制作光開(kāi)關(guān)矩陣。


圖1二維鏡面密排的光開(kāi)關(guān)矩陣原理圖。
圖2二維鏡面非密排的光開(kāi)關(guān)矩陣原理圖。
圖3鏡面移動(dòng)與光路切換原理圖。
圖4鏡面結(jié)構(gòu)圖。
圖5雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。
圖6雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理圖。
圖7鏡面與雙壓電晶片組裝示意圖。
圖8雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)鏡面平動(dòng)示意圖。
圖9雙壓電晶片端面拋光粘結(jié)圖。
圖10支座結(jié)構(gòu)及鏡面驅(qū)動(dòng)器固定在支座示意圖。
圖11光開(kāi)關(guān)矩陣器件框圖。
圖12光開(kāi)關(guān)矩陣中各部件的空間位置關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)下述實(shí)施方式以進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步和顯著的特點(diǎn)，其具體步驟如下1.鏡面尺寸為0.8mm×1.1mm×0.2mm，一面拋成光學(xué)平面且鍍反射率達(dá)95％以上的金膜，厚度0.23微米，另一面鍍吸收膜。
2.雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器由壓電材料制成，在其自由端開(kāi)有定位槽，定位槽深度0.3mm，寬度0.3mm，雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器尺寸為30mm×0.6mm×0.3mm。
3.將鏡面緊配合固定在雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器自由端的定位槽中，并用紫外固化膠固定，做成64個(gè)帶鏡面的驅(qū)動(dòng)器。
4.采用微機(jī)械技術(shù)制作支座，支座的材料是單晶硅，厚度0.5mm。硅片先涂厚光刻膠10-20um，在掩模版圖形保護(hù)下，紫外曝光、顯影，制作出光刻膠的槽形，再用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)腐蝕出槽，尺寸精度控制在微米量級(jí)。
5.支座上固定陣列驅(qū)動(dòng)器定位槽的計(jì)算。X、Y方向的光纖準(zhǔn)直器最大光腰直徑0.35mm，由于45度角入射，反射鏡最小長(zhǎng)度為0.5mm。根據(jù)實(shí)施例1和實(shí)施例2的驅(qū)動(dòng)器尺寸，支座的定位槽尺寸為0.6mm×0.3mm×0.5mm，定位槽間距為1.35mm，雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器的行程1mm。
6.將兩塊支座上下對(duì)準(zhǔn)固定在托架上，支座間距3mm，把雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器一根一根插入定位槽中，用膠水固定，再把驅(qū)動(dòng)器的電極焊到電路板的焊點(diǎn)上，最后把光纖準(zhǔn)直器光學(xué)對(duì)準(zhǔn)放在托架上制成光開(kāi)關(guān)矩陣。
權(quán)利要求
1.一種采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，包括鏡面和準(zhǔn)直器，鏡面與x軸正方向成135度排成N×N方陣，其特征在于(1)鏡面排列方式由密排發(fā)展為非密排，相鄰鏡面之間在x方向和y方向上的最短距離均大于光纖準(zhǔn)直器的最大光斑直徑；相鄰鏡面之間的間隙應(yīng)滿足鏡面沿對(duì)角線方向平動(dòng)的空間要求；(2)光纖準(zhǔn)直器排列方式由原來(lái)對(duì)準(zhǔn)鏡面中心發(fā)展為對(duì)著鏡面間隙，任一橫排和豎排的光纖準(zhǔn)直器中心線交點(diǎn)，位于鏡面反射面的延長(zhǎng)線上；(3)雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器是由兩根長(zhǎng)條狀壓電材料相互平行地粘貼在一起，沿粘貼面插入中間電極，而第二電極和第三電極則分布在粘貼面相對(duì)的另兩個(gè)面上，其根部固定在支架上；工作時(shí)，不同的電壓沿電極加到壓電片上，產(chǎn)生彎曲，其彎曲方向和彎曲大小由電壓來(lái)控制；(4)鏡面或通過(guò)插入法插入雙壓電晶片的自由端開(kāi)出的定位槽中；或通過(guò)粘貼法粘貼在在雙壓電晶片自由端的側(cè)壁上；鏡面與雙壓電晶片成直角固定。
2.按權(quán)利要求1所述的采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于所述鏡面的材料為光學(xué)玻璃，迎著光纖準(zhǔn)直器的一面是反射面，反射面經(jīng)拋光、鍍反射膜形成；另一面為吸收面，鍍吸收膜；鏡面高度和寬度均大于光纖準(zhǔn)直器的最大光斑直徑。
3.按權(quán)利要求2所述的鏡面，其特征在于反射膜是指反射率大于95％以上的金屬膜，如金、鋁等金屬，或者是指反射率大于95％以上的介質(zhì)膜，如Si/SiO2多層復(fù)合膜；反射和吸收的光波長(zhǎng)范圍從1.3μm到1.55μm。
4.按權(quán)利要求2所述的鏡面，其特征在于所述鏡面的尺寸，其長(zhǎng)度為0.5-3mm，高度為0.5-3mm，厚度為0.1-0.5mm。
5.按權(quán)利要求1所述的采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于壓電材料為弛豫鐵電單晶或壓電晶體和陶瓷，形變達(dá)到0.82％-1％。
6.按權(quán)利要求1所述的采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于鏡面粘結(jié)到雙壓電晶片自由端的方法有插入法和粘貼法；在雙壓電晶片的自由端開(kāi)出一個(gè)定位槽，槽寬與鏡面厚度緊配合，槽深取鏡面的高度10％-40％，將鏡面插入定位槽中，使之緊配合，然后用膠水，如紫外固化膠、環(huán)氧樹脂等粘牢；將鏡面的反射面朝外，吸收面朝內(nèi)，緊密貼在雙壓電晶片的自由端，用膠水，如市售紫外固化膠、環(huán)氧樹脂等粘牢；要求鏡面與雙壓電晶片垂直。
7.按權(quán)利要求1所述的采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于光路切換過(guò)程，初始時(shí)，雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器不動(dòng)，光纖準(zhǔn)直器發(fā)出的光斑前進(jìn)方向上沒(méi)有任何鏡面；雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器平動(dòng)到交點(diǎn)，鏡面阻截到光信號(hào)。
8.按權(quán)利要求1所述的采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的光開(kāi)關(guān)矩陣，其特征在于制作步驟是(1)將兩塊大小一樣的壓電材料平行粘在一起，用切割機(jī)器切割成尺寸一樣的雙壓電晶片，尺寸大小的公差控制在6-10微米；將切割好的雙壓電晶片的兩個(gè)端面拋光；(2)采用微機(jī)械技術(shù)制作支座，支座的材料是單晶硅，厚度0.5mm。硅片先涂厚光刻膠10-20um，在掩模版圖形保護(hù)下，紫外曝光、顯影，制作出光刻膠的槽形，再用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)腐蝕出槽，尺寸精度控制在微米量級(jí)；(3)采用兩個(gè)支座上下對(duì)準(zhǔn)，固定雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器在支座上，將驅(qū)動(dòng)器一根根順著槽插入，垂直排列成陣列；(4)將組裝完的驅(qū)動(dòng)器陣列電極與控制電路板上的對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)一一焊上，再固定到托架上，最后把光纖準(zhǔn)直器按照光路設(shè)計(jì)擺放在托架上，形成光開(kāi)關(guān)矩陣器件。
全文摘要
一種采用雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器制作的二維光開(kāi)關(guān)矩陣,屬于光通信領(lǐng)域,其特征在于鏡面排列方式由密排發(fā)展為非密排;光纖準(zhǔn)直器排列方式由原來(lái)對(duì)準(zhǔn)鏡面中心發(fā)展為對(duì)著鏡面間隙;雙壓電晶片驅(qū)動(dòng)器是由兩根長(zhǎng)條狀壓電材料相互平行地粘貼在一起,沿粘貼面插入中間電極,而第二電極和第三電極則分布在粘貼面相對(duì)的另兩個(gè)面上,其根部固定在支架上;工作時(shí),不同的電壓沿電極加到壓電片上,產(chǎn)生彎曲,其彎曲方向和彎曲大小由電壓來(lái)控制;鏡面或插入雙壓電晶片的自由端開(kāi)出的定位槽中;或通過(guò)粘貼法粘貼在在雙壓電晶片自由端的側(cè)壁上。本發(fā)明突破了“不工作鏡面中心不允許與準(zhǔn)直器中心在同一高度上”限制。
文檔編號(hào)G02F1/03GK1385720SQ0211218
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2002年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月21日
發(fā)明者楊藝榕, 吳亞明, 王躍林, 李毅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 上海聯(lián)能科技有限公司