CN1069127A - 光学开关装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种光学互连结构，以及制造方法 和操作。该结构包括光学纤维，通过集成波导或不通 过集成波导连接到微透镜阵列，微透镜把光引导到形 成在基片上的反射镜上，反射镜把光反射到空间光调 制器。空间光反射器依次把光反射回另一反射镜，该 反射镜把反射通过另一微透镜阵列、并输出到另一光 学纤维。通过在基片上形成反射镜、用于纤维和微透 镜而形成的凹槽、固定如纤维、透镜和空间光调制器 组件等的外部部件和封装器件以保持校准来制造本 结构。

Description

本发明涉及一种纤维光学开关，尤其涉及一种用于纤维的光学开关组件。

以前，纤维的光学开关基本上是在光电范围内完成的。把纯光学的光学纤维与能进行电子通断的电路耦连，然后再把信号转换回光进行传输。这比由光来进行通断的纯光学技术来得慢和复杂。

实现纯光学开关可有许多途径。其中之一是用液晶（LCD）空间光调制器传送或不传送光通过开关网络进行通断操作。这种方法的响应时间慢，并且难以校准（alignment）。

另一种方法是使用电-光晶状材料，例如使用LiNbO₃。但LiNbO₃波导开关被限制在单模纤维上使用。而且这些开关目前还存在着相关的偏振，虽然消除这种相关的工作正在进行。

此外，还有一种实现光学开关的方法是用可变形的反射镜器件（DMD）空间光调制器。DMD以反射模式工作。通过逐一控制每一个阵列的反射镜来控制DMD反射光线。另外还有一些应用这一原理的专利，这些专利或已被授予或已经申请。它们是U.S.No.4，811，210，4，859，012，4，856，863，援引在此作为参考。

设计成夹持纤维和已预先进行反射校准的DMD的连接器由如铝和甲醛聚合体（delrin）等各种材料制成。对这些材料进行机械加工和压制，以获得所希望的形状。在端接头处把纤维阵列夹持成相互之间成一角度。

这种方法存在许多限制，包括工艺性、成本、体积和复杂性。机械加工或压制会引起端接头产生误差和不稳定。这种制造工艺属于劳动密集型，因此很昂贵。

适应两个或更多个纤维阵列所需要的连接器其体积相对较大。而且为实现相对于其它纤维阵列和端接头的角度，在纤维退出阵列时必须对它们有所支承。这占据了更大的空间，并且导致了开关安装的复杂。另外，具有这种必不可少的体积和重量的连接器易受振动和热效应的影响变得不稳定。

另外，纤维端头被高高地夹持在开关所在的平面之上，它会引起与开关的一部分随机的物理上相互作用的可能性，导致操作上的不稳定性。

本发明的目的和优点将是明显的，并且将在此后逐渐显露。本发明提供了一种光学互连的结构。该结构包含一个或多个由基片形成的反射镜、聚光微透镜阵列、与基片连接的光学纤维和/或固定在基片上面或固定在基片下面的空间光调制器组件，基片夹持住反射镜。这种结构的变化包括用光学波导在纤维和微透镜之间进行传输。

在一个实施例中，本器件工作时，把从纤维表面来的光从一个反射镜反射到空间光调制器。然后空间光调制器对光进行调制，再反射回另一个反射镜。该第二反射镜使光改向，传送到另一纤维。而且，光能在进行了相位或幅度调制之后传输，或者根本不传输，象通/断开关一样工作。

图1示出了光学开关的一个实施例。

图2a示出了两侧反射镜开关的光路图。

图2b示出了一侧反射镜的光学开关实施例。

图3示出了光学开关的另一个实施例。

图4示出了工作时光穿过基片的光学开关。

图5示出了四通道光学开关。

图6示出了具有分束器和光束组合器的四通道光学开关。

图7示出了制造光学开关的工艺流程。

图8-11b示出了制造过程中各阶段的晶片。

采用定向蚀刻（ODE）以形成反射镜和校准结构，校准结构用于把纤维耦连到具有反射特性的空间光调制器（SLMs）上，SLMs在光学互连的网络中进行开关和调制。这种原理可以由集成度由低到高的几种方法来实现。

图1示出了多种可能的构造中的一种。这种构造与其它几种可能的构造相比集成度较低。对硅基片10进行蚀刻形成反射镜16a和16b。反射镜可以是单独的片，但这一方案使制造更加困难，因为增加一个单独的反射镜会引起校准困难。透镜14a和14b被要求有效地把从输入光纤12b来的光耦合到具有被单独控制的反射元件20的SLM18上，并从反射元件20进入输入纤维12a。输入或输出纤维可以多于一个。为简化起见，这里仅示出了一个纤维。透镜14a和14b可以粘在大小合适的凹槽15a和15b的位置上，凹槽可以通过例如锯或蚀刻的方法形成。图中没有画出用于使SLM18距经蚀刻的反射镜16a和16b适当距离的衬垫物。在本实施例中，衬垫物必须具有如图所示的厚度22，以对SLM18定位。在这一程度的集成度上，纤维可以被夹持在经蚀刻形成在与反射镜同一基片上的凹槽内，或者也可以被夹持在单独附设在基片上的V形槽台内。

光通过上面讨论的任一方法定位或夹持的纤维12b进入本器件。光由微透镜14b聚焦到经蚀刻的反射镜16b上。光被反射镜16b反射到SLM18。SLM18具有一个独立控制的元件20，它具有反射性。这种调制器众多例子中的一个例子是可变形的反射镜器件（DMD）。这些实施例中的一个实施例是应用DMD的扭转光束结构（torsion    beam    configuration）。如果受控元件处于接通（ON）状态或如图1所示倾斜，那么光将从受控元件反射到经蚀刻的反射镜16a上。然后光通过微透镜14a进入纤维16a并离开本器件。如果希望纤维网络通道12b-12a处于关闭（OFF）状态，那么使元件20朝其它方向倾斜，引导光离开反射镜16b并使光不耦合回到纤维12a上，这样就没有光传出本器件。当然也可以用其它的空间光调制器，如液晶。

也可以用不同于ON/OFF的方法调制。例如液晶或其它结构的DMD就是众多调制器中的一些例子。它们可以用来完成纯相位调制。任何具有反射性的空间光调制器都可以用于上面所讨论的结构中。任何能用于相位或幅度调制的空间光调制器都可以用作不同于ON/OFF的调制。

图2a示出了反射镜和SCM的光路。输入光线24和输出光线26平行于基片传输。反射镜的夹角30，Qincl必须为纯角（＞90°），以使从反射镜元件20返回的反射光适当地移动并改向平行于基片10传送到输出通道26。当有反射性的SCM在有精确垂直线倾向和其平面与基片平行（θ_tilt＝0）的情况下使用时（其中参考号32为θ_tilt，偏置角28为θ_off），偏置角28是夹角30的等分线和基片垂直线之间的夹角，应当为0°，并且从反射镜来的输入光线和输出光线25和27将是相对于基片的垂直线29对称的。如果如图26所示仅使用了一个反射镜，那么偏置角与上述不同，它是反射镜角θ_mirror和45°线之间的夹角。如果θ_mirror等于45°，那么偏置角等于0。如图2所示，为了用在倾斜的可形变反射镜器件（DMD）像素（Pixel）20上，偏置角必须不为零。在两个反射镜的实施例中，如将要讨论的制造工艺一样，可以通过用一个从晶体平面方向以一适当的角度切割的基片来实现。在一个反射镜的实施例中，可以以同样的方法来实现。

图3示出了比图1所示的集成度更高的多种可能的结构中的另一种结构。在该实施例中，输入纤维12b被连接到集成光学波导34b上，波导34可以整体地制作在基片10上。与前面讨论的相似，光通过波导34b传输到微透镜14b，再到经蚀刻的第一反射镜16b。光从反射镜反射到具有独立控制的反射镜元件20的SCM18。然后光从元件20反射到达反射镜16a上。接着光通过微透镜14a并传输进入集成光学波导34a再到纤维12a。

这种较高集成度提供了许多优点。它允许对输入和输出通道进行平板校准。这样可以选择反射镜蚀刻工艺对基片结晶定向，无需对夹持纤维的V形槽进行适当的校准。或许更重要的是如分束器、光束组合器及其类似的集成光学部件可以制作在这些位置上，进一步综合整个器件的功能，例如纵横制接线器，以使互连的网络能更高程度的整体封装。用相似的方法也可以把某些类型的SLM所要求的如偏光镜等辅助部件集成在一封装体内。可以想象，微透镜也可以由集成光学部件代替。虽然应用中所要求的透镜参数需要大的孔径和高效率，较难达到，但也是可能的。

不同定向的SLM可以用于上面所讨论的两种程度集成度的任何一个中。图4示出了这种结构。反射镜把光反射出输入平面进入基片。在这种结构中，基片对于在组件中工作的波长的光来说必须是透明的。如果所有内部反射光都能利用的话，在制造技术中可以不需要在讨论的镜面上涂上附加的镜膜（金属或电介质）。这种结构的优点是可以制造出完全的整体型开关，其SLM设置在相对于反射镜的基片另一个表面上，在设置SLM的过程中，可以在基片下侧形成空间光调制器。因此，这种变化具有高的集成度的潜力。输入和输出通道24和26将被要求位于基片内侧。对硅波导已经作了说明，但它们比涂覆电介质的波导损耗大，并且在光学纤维和硅（Si）之间的折射率存在不均匀性，它能导致不能接受的输入和输出耦合损耗。

图5更明显地示出了SLM中独立控制的反射镜元件。在该结构中，波导34a和34b上有四个纤维端口。由于投影的原因，仅可以看到输出端口36a-36d。在该实施例中，SLM18包含四个独立控制的元件20a-20d。其它的实施例可能具有所希望选择的任意数量的端口和元件。由于视角的原故，SLM18被画成与基片分离。如先前所讨论的，SLM实际上位于波导和微透镜的顶上或底下。反射镜16a和16b可以被制成与器件宽度相同，同样微透镜15a和15b也可以这样。当光进入输入端口时，可以与其它端口无关地选择端口的通（ON）状态。在本实施例中，所以端口36a-36d可以有一个或任意个光出口与其连接。

图6示出了具有先前讨论的集成光学分束器和光束组合器以及图5所示的多输入和输出端口的结构。在图6中，仅示出了两个输入和输出端口。如至此讨论的结构一样，端口的数目不受限制，可以根据设计者的需要而定。从纤维进入到端口38a和38b的光被分束并进入四个波导40a-40d。然后，与先前讨论的一样对光进行调制，并通过波导40e-40h。接着，光以不同于分束时的组合方式重新组合，并且在端口38c和38d传输出组件。这种类型的结构可以用作具有全广播容量的光学纵横制接线器的一部分。

图7示出了制造这些器件的多种方法中的一种制造工艺流程。在第42步，用半导体基片如硅、砷化镓或磷化铟形成反射镜。在本例中基片使用硅。对基片的反射面进行蚀刻时，平面（110）必须相对于平面（111）进行蚀刻。由于硅的结晶特性，将在反射面之间形成角度110。角度110需要相对于硅平面的垂直线倾斜2.5度，这样光束将平行于供倾斜成5度的DMD开关用的入射光束射出组件以传输光。这是通过在从硅块上锯下晶片时把晶片相对于晶轴（111）锯成2.5度。

在硅片上形成反射镜可采用优先蚀刻法。在这个例子中，对硅晶片进行清洗，然后置入管炉中进行氧化。接着在具有阳性光致抗蚀剂的一侧覆盖上晶片，相对于专门的结晶平面把光掩膜与晶片校平。再把晶片暴露于紫外（UV）辐射下。移出暴露的晶片，进行冲洗（develop），留下氧化硅上的明窗（open    window），依次在氟化氢缓冲溶液中蚀刻。除去剥下的光掩膜，留下被氧化膜覆盖的硅晶片，然后，把它置入氢氧化钾溶液中进行优先蚀刻。

图8示出这样一种晶片上某一区域的一个例子。为易与后图区分，图中区域画有矩形。注意，这种类型的多器件可以由各个晶片制得。氧化掩膜64依附于晶片62上，晶片62有两侧面66、67。经过优选蚀刻达到预定的深度后，从溶液中取出晶片并进行清洗。把另一个氧化和光致抗蚀层加在晶片上。然后通过另一光掩膜把所希望的区域暴露于紫外光线下，然后进行冲洗，把抗蚀剂留在最终夹持光学纤维的底座区域。

图9a-9c示出了这个工艺过程中的另一个例子。该图是从图8的侧66看的视图。在对反射镜68b端部进行蚀刻时，底座区域68a和68c被覆盖，防止它被蚀刻。图9b示出了经过第一次蚀刻后的晶片。为了对底座区域进行蚀刻，要除去掩膜区域68a和68c，并再次对晶片进行蚀刻。图9c示出了这一蚀刻完成之后的晶片。优先蚀刻完成之后，形成的晶片看上去像图10。图10也是从图8侧66看的视图。图中示出了底座区域70a和70b以及反射镜的顶尖部72。

图7的工艺流程要求设计者在第44步作出决定。如果需要波导，则工艺沿着路径50进入第52步。为形成波导，在基片上形成一下覆盖层，这种材料可以用二氧化硅。然后，在下覆盖层上形成芯条，如用掺杂二氧化硅。对芯条进行蚀刻，在其内形成通道波导。在芯条上形成一上覆盖层，并进行幕制（pattern）。幕制必须这样进行：留下需要的波导，除去例如在已形成在基片上的反射镜上等不需要的波导。幕制完成之后，对波导条进行蚀刻，留下形成如幕制决定的通道波导条。

如果不需要波导，工艺流程通过路径46，进入第48步。从第52步经路径54也达到这步。必须形成用于光学纤维的凹槽，这可以由许多方法来完成。举几个例子，如能锯入、把预制有凹槽的独立片粘上或蚀刻。蚀刻凹槽可以采用等离子蚀刻。晶片将经过如上所述的相同的氧化、抗蚀、掩膜、暴露于紫外线、冲洗、蚀刻和除去抗蚀刻等工艺。然后把晶片暴露等离子蚀刻剂，一直到形成所希望的凹槽。图11a和11b示出了蚀刻凹槽前后的晶片。这些图是从图8侧67看的视图。图11a中的抗蚀块74a-74b确保蚀刻将形成图11b所示的凹槽76a-76c。图中仅示出了三个凹槽，当然根据设计者的需要也可以有更多个凹槽。另外经先前幕制和蚀刻步骤的波导可以用作蚀刻过程中的掩膜。对波导的幕制包括对一直延伸到基片边缘的薄的延伸区域进行幕制。然后对薄的延伸区域之间的间隙进行蚀刻，形成V形凹槽，以容纳纤维。

图7的工艺流程进入第56步。必须形成用于微透镜的凹槽。例如，这些凹槽一种可能的制造方法是如上述一样对它们进行蚀刻，或者用金刚石锯成尖锯齿形。第57步是可选用的一步，它包括对反射镜进行涂层。如这一步的部分过程一样，也可以对波导端部涂覆抗反射涂层，以改善通过能力。

工艺的第58步是把表面片附着于经如上制作的基片上。把纤维设置在它们相应的凹槽内，并进行校准，使它们的尖端都处于同一平面上，然后永久固定。微透镜设置在为它们制作的凹槽内，并固定。实际上上述固定可以有多种方法完成，其中之一可以是紫外线环氧塑固。工艺再进入最后一步第60步，对上述具有SLM组件的结构进行封装。

SLM组件即可以附在反射镜上方，如果采用反射也可以附在反射镜下方。部件的外边缘涂覆有粘附剂，两个半部可连接在一起。先把反射镜对处于通（ON）状态的SLM定好方向，再相对于一个部件调节另一个部件一直到获得最大的光通量为止。现在封接壳体，避免将来使用时再对元件和保养系统进行校准。

虽然在此描述了光学开关组件和技术的特例，但不能把这些特定的参考看作对本发明范围的限制，本发明只受下述的权利要求的限定。

Claims (36)

1、一种制造光学开关的方法，包含：

a.在基片上至少形成一个反射镜；

b.至少把一个光学纤维耦连到所述基片上，以把光传送到所述反射镜上和/或从所述反射镜上传送出；

c.至少设置一个微透镜阵列对所述光进行聚焦，所述透镜位于所述纤维和所述反射镜之间；

d.靠近所述基片设置空间光调制器，反射从所述反射镜反射来的所述光；

e.对所述开关进行封装。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述形成反射镜步骤包含对基片的定向蚀刻。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦连光学纤维步骤包含蚀刻基片以形成对所述纤维校准特性并固定所述纤维。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述耦连所述光学纤维的步骤包含附着外部部件，所述外部部件具有预制的对在所述外部部件内的纤维校准的结构。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设置微透镜阵列的步骤包含对基片进行蚀刻以形成凹槽并固定所述微透镜。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设置微透镜阵列的步骤包含对基片进行锯拉以形成凹槽并固定所述微透镜。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设置空间光调制器的步骤包含把所述空间光调制器设置在基片上面。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设置空间光调器的步骤包含把所述空间光调制器设置在所述基片下面。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的设置空间光调制器的步骤包含在所述基片下侧形成所述空间光调制器。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的封装所述开关的步骤包含粘附所述开关的边缘。

11、一种制造光学开关的方法，包含

a.在基片上至少形成一个反射镜;

b.在所述基片上涂覆波导，把光引导入所述反射镜和/或引导出所述反射镜;

c.至少把一个光学纤维耦连到所述基片上，以把光传送到所述反射镜上和/或从所述反射镜上传送出。

d.至少设置一个微透镜阵列对所述光进行聚焦，所述透镜位于所述纤维和所述反射镜之间。

e.靠近所述基片设置在空间光调制器，反射从所述反射镜反射来的所述光;

f.对所述开关进行封装。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述形成反射镜步骤包含对基片的定向蚀刻。

13、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的耦连光学纤维步骤包含蚀刻基片以形成对所述纤维校准特性并固定所述纤维。

14、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述耦连所述光学纤维的步骤包含附着外部部件，所述外部部件具有预制的对在所述外部部件内的纤维校准的结构。

15、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述设置微透镜阵列的步骤包含对基片进行蚀刻以形成凹槽并固定所述微透镜。

16、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述设置微透镜阵列的步骤包含对基片进行锯拉，以形成凹槽并固定所述微透镜。

17、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述设置空间光调制器的步骤包含把所述空间光调制器设置在基片上面。

18、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述设置空间光调制器的步骤包含把所述空间光调制器设置在所述基片下面。

19、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的设置空光间调器的步骤包含在所述基片下侧形成所述空间光调制器。

20、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述的封装的所述开关的步骤包含粘附所述开关的边缘。

21、一种光学开关包含

a.一第一结构;包含

ⅰ.一基片

ⅱ.至少一个形成在所述基片上的反射镜;

ⅲ.至少一个固定在所述基片上的光学纤维，把光导向所述反射镜和/或导出所述反射镜;

ⅳ.至少一个固定在所述基片上的微透镜，位于所述反射镜和所述光学纤维之间，对所述光进行聚焦;和

b.一第二结构，包含一空间光调制器，以反射从所述反射镜反射来的光，所述第二结构设置在所述第一结构对面。

22、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述基片为硅材料。

23、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述基片为砷化镓材料。

24、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述基片为磷化铟材料。

25、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述反射镜的偏置角不为零。

26、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述空间光调制器包含可独立偏转的反射镜元件阵列。

27、如权利要求21所述的开关，其特征在于所述空间光调制器包括液晶器件阵列。

28、一种光学开关，包含：

a.第一结构，包含：

ⅰ.一基片;

ⅱ.至少一个在所述纤维和所述微镜镜之间的波导;

ⅲ.至少一个形成在所述基片上的反射镜;

ⅳ.至少一个固定在所述基片上的微透镜;

ⅴ.至少一个固定在所述基片上的微透镜，位于所述反射镜和所述光学纤维之间，对所述光进行聚焦，和

b.第二结构，包含一空间光调制器，以反射从所述反射镜反射来的光，所述第二结构设置在所述第一结构对面。

29、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述基片为硅材料。

30、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述基片为砷化镓材料。

31、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述基片为磷化铟材料。

32、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述反射镜的偏置角不为零。

33、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述空间光调制器包含可独立偏转的反射镜元件阵列。

34、如权利要求28所述的开关，其特征在于所述空间光调制器包含液晶器件阵列。

35、一种光学互连的方法，包含：

a.把光传输通过在第一平面上的光学纤维;

b.用透镜对光进行聚焦;

c.把从反射镜来的光反射出所述第一平面到第二平面，所述第二平面含有一空间光调制器;

d.用所述空间光调制器把光离开所述第二平面反射到所述第一平面上的反射镜上;和

e.把从在所述第一平面内的所述反射镜反射来的任何光部分聚焦到光学纤维。

36、一种光学互连的方法，包含：

a.把光传输通过在第一平面上的光学纤维;

b.把从所述光学纤维来的光接收到波导内，进一步传输光;

c.用透镜对所述光聚焦;

d.把从反射镜来的光反射出所述第一平面到第二平面，所述第二平面含有一空间光调制器;

e.用所述空间光调制器把光离开所述第二平面反射到所述第一平面上的反射镜上，

f.把从在所述第一平面内的所述反射镜反射来的任何光部分聚焦到波导上;和

g.把从所述波导来的光传输到光学纤维。

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