基于多模干涉结构的MEMS光开关及N×N阵列

技术领域

本发明属于集成光电子器件领域的一种MEMS光开关及N×N阵列，具体涉及一种基于多模干涉的自成像原理，利用静电梳驱动器调节两个具有亚波长侧壁的宽波导之间的间距，从而实现光路调节的集成波导MEMS光开关及其阵列。

背景技术

爆炸式增长的数据对可重构、可编程的光网络提出了新的要求。大规模光开关阵列作为可重构光网络的核心器件，吸引了广泛的研究，目前，基于热光效应的集成波导光开关、基于电光效应的集成波导光开关、基于微机械系统(MEMS)的自由空间光开关和基于MEMS的集成波导光开关等众多光开关结构已经被提出并实现了一定规模的开关阵列。

在众多的光开关结构中，基于MEMS的集成波导光开关展现出更大的潜力，其与热光开关相比具有功耗低、速度快的优势，与电光开关相比具有调节范围大，结构紧凑的好处，与MEMS自由空间光开关相比其结构更加紧凑、重构速度更快。

然而，目前已有的集成波导MEMS光开关还存在以下两个问题。第一，目前已有的性能较好的集成波导MEMS光开关一般具有多层结构，这与标准CMOS工艺不兼容，会增加制造成本，限制开关的大规模应用；第二，目前的集成波导MEMS光开关大多是1×2拓扑结构，这限制其大规模阵列只能使用Cross-Bar拓扑结构，而Cross-Bar拓扑对于N×N光开关阵列需要N

发明内容

针对上述背景技术，本发明的目的在于提供一种新型的集成波导MEMS光开关及N×N阵列，此开关通过静电梳驱动器带动可移动宽波导靠近固定宽波导，利用光信号在两个宽波导形成的多模干涉结构中的自成像原理达到切换光路的目的。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于多模干涉结构的MEMS光开关及N×N阵列：

主要包括基底以及置于基底上的光学结构和机械结构：

所述的光学结构主要包括固定宽波导和可移动宽波导，固定宽波导和可移动宽波导相邻平行对齐布置，固定宽波导和可移动宽波导均为悬空结构，其中固定宽波导保持固定、不可移动，可移动宽波导与机械结构相连，由机械结构带动可移动宽波导靠近或者远离固定宽波导运动，实现MEMS光开关的控制。

所述的固定宽波导和可移动宽波导均主要由侧壁上具有亚波长结构的宽波导、设置在宽波导两端各自的一单模波导以及在宽波导两端分别和各自单模波导之间连接的绝热锥形波导组成；所述的固定宽波导和可移动宽波导的宽波导在相正对的侧面设置亚波长结构。

所述的亚波长结构具体为亚波长周期的波浪形光栅/锯齿结构，且固定宽波导和可移动宽波导的亚波长结构交错分布，使得在固定宽波导和可移动宽波导互相靠近时可交错吻合连接。

在可移动宽波导宽波导的亚波长结构沿机械结构移动方向的两端对称分布着一对机械停止结构，机械停止结构用于在固定宽波导和可移动宽波导的宽波导的亚波长结构交错配合时避免因为接触而发生范德华力粘连。

两个绝热锥形波导对称连接在宽波导的两侧，绝热锥形波导两端宽度不同，绝热锥形波导较宽的一端与宽波导相连，绝热锥形波导较窄的一端与单模波导相连；

两个单模波导对称分布在宽波导的两侧，单模波导一端与绝热锥形波导的较窄端相连，单模波导的另一端作为MEMS光开关的输入或者输出端口。

所述的机械结构主要包括连接片、传动杆、至少一组固定岛弹簧结构和静电梳驱动器；传动杆沿机械结构的移动方向平行布置，传动杆一端经连接片和光学结构的可移动宽波导固定连接，传动杆另一端和中部布置有固定岛弹簧结构和静电梳驱动器；

所述的静电梳驱动器包括固定静电梳和可移动静电梳，固定静电梳保持固定，可移动静电梳一部分和传动杆固定连接，另一部分用于和固定静电梳穿插交错布置；

所述的固定岛弹簧结构包括固定岛和折叠弹簧，固定岛保持固定，折叠弹簧一部分和固定岛固定连接，另一部分和传动杆固定连接。

所述的固定宽波导、可移动宽波导、连接片、传动杆、固定岛弹簧结构中的折叠弹簧、静电梳驱动器中的可移动静电梳均悬空布置。

所述MEMS光开关布置在基底上，所述的静电梳驱动器的固定静电梳和固定岛弹簧结构的固定岛均通过掩埋层材料固定支撑布置于基底上。

二、一种MEMS光开关的N×N阵列：包括多个MEMS光开关，多个MEMS光开关阵列排布，相邻的MEMS光开关之间通过单模波导相互连接形成N×N开关阵列。

本发明具有的有益效果是：

本发明MEMS光开关在一定的波长范围内具有低插入损耗、低串扰和高消光比；采用的驱动方式为电容式结构，MEMS光开关的能耗极低；具有两个输入端口和两个输出端口，此2×2的MEMS光开关可以采用多种拓扑结构级联为大规模光开关阵列，可拓展性强；本发明的MEMS光开关采用单层结构设计，兼容标准CMOS工艺

本发明材料单一、结构简单、制作成本低。

总之，本发明中的开关结构通过静电梳驱动可移动宽波导靠近固定宽波导，利用多模干涉结构的自成像原理实现了光路切换的效果，具有插入损耗低、串扰低、消光比高、制作工艺简单、加工成本低、功耗低、可扩展性强等显著优势。

附图说明

图1是本发明在初始状态(OFF)下的结构俯视图；

图2是图1中A-A’的截面图；

图3是图1中B-B’的截面图；

图4是图1中C-C’的截面图；

图5是亚波长反射面的结构放大图；

图6是本发明在施加电压后(ON)的结构俯视图；

图7是基于Benes拓扑结构的N×N集成波导MEMS光开关结构示意图；

图8是本发明的光学结构部分分别在ON和OFF状态下的光场传输图；

图9是本发明分别在(a)ON和(b)OFF状态下直通输出端口和交叉输出端口的光谱。

图中：1、连接片，2、固定宽波导，3、亚波长结构，4、停止结构，5、可移动宽波导，6、固定岛，7、折叠弹簧，8、固定静电梳，9、可移动静电梳，10、传动杆，11、基底，12、输入端口，13、直通输出端口，14、交叉输出端口，15、掩埋层材料，pz、亚波长结构的间隔，hz、亚波长结构的深度，hs、机械停止结构的高度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1和图6所示，本发明主要包括基底11以及置于基底11上的光学结构和机械结构。

如图1和图6所示，光学结构主要包括固定宽波导2和可移动宽波导5，固定宽波导2和可移动宽波导5相邻平行正对对齐布置，固定宽波导2和可移动宽波导5均为悬空结构，其中固定宽波导2通过连接片1保持固定、不可移动，可移动宽波导5通过连接片1与机械结构相连，由机械结构带动可移动宽波导5靠近或者远离固定宽波导2运动，实现MEMS光开关的控制。

固定宽波导2和可移动宽波导5的结构近似相同且以垂直于机械结构的移动方向在两侧近似对称布置，固定宽波导2和可移动宽波导5均主要由侧壁上具有亚波长结构3的宽波导、设置在宽波导两端各自的一单模波导以及在宽波导两端分别和各自单模波导之间连接的绝热锥形波导组成；固定宽波导2和可移动宽波导5的宽波导在相正对的一侧面设置亚波长结构3。这样，亚波长结构3分布在相邻的固定宽波导2和可移动宽波导5的宽波导各自相对的内侧侧壁，亚波长结构的间隔pz满足亚波长条件。

如图5所示，亚波长结构3具体为亚波长周期的波浪形光栅/锯齿结构，且固定宽波导2和可移动宽波导5的亚波长结构3的光栅/锯齿交错分布，使得在固定宽波导2和可移动宽波导5互相靠近时可交错吻合连接。

在可移动宽波导5宽波导的亚波长结构3沿机械结构移动方向的两端对称分布着一对机械停止结构4，机械停止结构4用于在固定宽波导2和可移动宽波导5的宽波导的亚波长结构3交错配合时避免因为两者的大面积接触而发生范德华力粘连。

两个绝热锥形波导对称连接在宽波导的两侧，绝热锥形波导两端宽度不同，绝热锥形波导较宽的一端与宽波导相连，绝热锥形波导较窄的一端与单模波导相连；

两个单模波导对称分布在宽波导的两侧，单模波导一端与绝热锥形波导的较窄端相连，单模波导的另一端作为MEMS光开关的输入或者输出端口。

具体实施中，固定宽波导2的一端用作MEMS光开关的输入端口12，固定宽波导2的另一端用作MEMS光开关的直通输出端口13，和直通输出端口13同侧的可移动宽波导5的一端用作MEMS光开关的交叉输出端口14。

如图1和图6所示，机械结构主要包括连接片1、传动杆10、至少一组固定岛弹簧结构和静电梳驱动器；传动杆10沿机械结构的移动方向平行布置，传动杆10一端经连接片1和光学结构的可移动宽波导5固定连接，传动杆10另一端和中部布置有固定岛弹簧结构和静电梳驱动器；

静电梳驱动器包括固定静电梳8和可移动静电梳9，固定静电梳8保持固定，可移动静电梳9一部分和传动杆10固定连接，另一部分用于和固定静电梳8穿插交错布置；固定岛弹簧结构包括固定岛6和折叠弹簧7，固定岛6保持固定，折叠弹簧7一部分和固定岛6固定连接，另一部分和传动杆10固定连接。

如图2所示，固定宽波导2、可移动宽波导5、连接片1、传动杆10、固定岛弹簧结构中的折叠弹簧7、静电梳驱动器中的可移动静电梳9均悬空布置。

如图3和图4所示，MEMS光开关整体布置在基底11上，静电梳驱动器的固定静电梳8和固定岛弹簧结构的固定岛6均通过掩埋层材料15固定支撑布置于基底11上。

连接片1为厚度较薄的片状结构，可以在不破坏固定宽波导2和可移动宽波导5对光学模式的限制的前提下将固定宽波导2和可移动宽波导5与机械结构相连，如图2所示。与固定宽波导2相连的连接片1能够避免固定宽波导2在预应力的作用下发生翘曲，保证固定宽波导2和可移动宽波导5在z方向上对准

传动杆10为一长条型结构，其传动端与可移动宽波导5通过连接片1相连，传动杆10的长度方向与可移动宽波导5的长度方向垂直，传动杆10从传动端起依次连接第一组固定岛弹簧结构6、7，静电梳驱动器8、9和第二组固定岛弹簧结构6、7。

一组固定岛弹簧结构6、7主要包括对称分布在传动杆10两侧的折叠弹簧7和对折叠弹簧7起支撑作用的固定岛6组成。折叠弹簧7为悬空结构，包括弹簧柄、连接在弹簧柄两端且与弹簧柄长度方向垂直的两根短梁和连接在弹簧柄中部且与弹簧柄长度方向垂直的两根长梁组成，两根短梁远离弹簧柄的一端分别连接一个固定岛6，两根长梁远离弹簧柄的一端与传动杆10相连。弹簧柄的长度方向与传动杆10的长度方向平行，两根长梁和两根短梁共四根梁平行分布，梁的长度方向与传动杆10的长度方向垂直。固定岛6为方形结构，其下方有掩埋层材料15支撑，通过掩埋层材料15与基底11相连。每一折叠弹簧7均需要分别与两根短梁相连的两个固定岛6支撑，因此每一组固定岛弹簧结构6、7均包含四个固定岛6，它们两两对称分布在传动杆10的两侧。

静电梳驱动器8、9包括一对固定静电梳8和一对可移动静电梳9。固定静电梳8和可移动静电梳9结构类似，均由梳柄和周期分布在梳柄上的梳齿组成。梳柄的长度方向与传动杆的长度方向垂直，梳齿的长度方向与传动杆的长度方向平行，梳齿沿着梳柄的长度方向排列，梳齿的一端连接在梳柄上，另一端无连接。固定静电梳8和可移动静电梳9的梳齿呈对向交错分布。

固定静电梳8在梳柄下方有掩埋层材料15支撑，通过掩埋层材料15与基底11相连。一对固定静电梳8对称分布在传动杆10长度方向的两侧，位于靠近第一组固定岛弹簧结构6、7的位置。固定静电梳8靠近传动杆10的一侧与传动杆10无连接，远离传动杆的一侧与外部电路相连。固定静电梳8的梳齿分布在远离第一组固定岛弹簧结构6、7的一侧。

可移动静电梳9为悬空结构，其对称分布在传动杆10长度方向的两侧，位于靠近第二组固定岛和弹簧结构6、7的位置。可移动静电梳9靠近传动杆10的一侧与传动杆10相连，远离传动杆10的一侧无连接。可移动静电梳9的梳齿分布在远离第二组固定岛弹簧结构6、7的一侧。

静电梳驱动器8、9在工作时通过外部电路给固定静电梳8施加电压，使其与可移动静电梳9之间产生电势差，此电势差会在固定静电梳8和可移动静电梳9之间产生吸引力，由于固定静电梳8通过掩埋层材料15与基底11相连，不可移动，而可移动静电梳9为悬空可动结构，因此可移动静电梳9将产生靠近固定静电梳8的运动。此运动通过可移动静电梳9与传动杆10之间的连接带动传动杆10产生平行于传动杆10长度方向的位移，进一步通过传动杆10的传动端带动可移动宽波导5产生平行于传动杆10长度方向的位移，同时与传动杆10相连的两对折叠弹簧7均发生一定的弹性形变。

静电梳驱动器8、9在工作时可以通过调节外部电路施加的电压大小控制可移动宽波导5的位移大小，即调控固定宽波导2和可移动宽波导5之间的距离。随着电压的增加，可移动宽波导5逐渐靠近固定宽波导2，两宽波导内侧侧壁上的亚波长结构3逐渐交错配合。当电压增加到一定程度时，位于可移动宽波导5侧壁上的亚波长结构3两侧的机械停止结构4将与固定宽波导2的侧壁接触，此时两宽波导之间的距离达到最小，该最小距离由机械停止结构4的高度决定。

接下来结合图1和图6对两种开关状态做详细说明：

如图1所示，当外部电路没有向固定静电梳8施加电压时，开关结构处于断开(OFF)状态，由于固定宽波导2侧壁的亚波长结构3满足亚波长条件，几乎不会影响光的通过，因此从输入端口12输入的光信号通过固定宽波导2几乎无损地从开关的直通输出端口13输出。开关处于OFF状态时可移动宽波导5距离固定宽波导2较远，光信号几乎不会耦合进可移动宽波导5中，从交叉输出端口14输出的光信号非常弱，开关在OFF状态下具有低串扰。如图6所示，当外部电路向固定静电梳8施加足够大的电压使两宽波导侧壁上的亚波长结构3之间的间隙达到最小值时，开关结构处于闭合(ON)状态，固定宽波导2和可移动宽波导5侧壁上的亚波长结构3交错配合，两宽波导之间只有一很小的空气间隙，两宽波导形成一个多模干涉结构，利用多模干涉结构的自成像原理，通过设计两宽波导的宽度和长度可以使从输入端口12输入的光信号成反像，光信号几乎全部从交叉输出端口14以较低的损耗输出，实现切换光传播路径的功能。开关处于ON状态时几乎所有的光功率都集中在反像点处，被可移动宽波导5输出侧的绝热锥形波导收集并通过单模波导输出，进入固定宽波导2的光信号很弱，从直通输出端口13输出的光信号强度很弱，开关在ON状态下具有低串扰。开关处于ON状态时，如果去掉外部电路向固定静电梳8施加的电压，使固定静电梳8和可移动静电梳9之间的电势差为零，此时静电梳驱动器8、9提供的驱动力减小为零，开关结构将在折叠弹簧7的弹力作用下恢复到OFF状态。以上即为一个完成的开关动作过程。

具体实施中，宽波导的长度和宽度设计以达到成反像的目的，在设计时一般是越小越紧凑越好。

如图1、图3和图4所示，所有的结构中除了固定岛6和固定静电梳8有掩埋层材料15支撑外，其余所有结构均悬空。固定宽波导2、可移动宽波导5、连接片1、传动杆10、两组固定岛弹簧结构6、7及静电梳驱动器8、9的材料相同，整个MEMS光开关结构或N×N阵列均可采用单片集成加工制作。

N×N光开关阵列应至少包括四个上述的集成波导MEMS光MEMS光开关，相邻的MEMS光开关之间通过一定的拓扑结构相连，可以采用但不限于Benes、Cross-Bar等拓扑结构。图7给出了基于Benes拓扑结构的开关阵列示意图。

如图7所示，具体实施还设置光开关阵列，包括多个MEMS光开关，多个MEMS光开关阵列排布，相邻的MEMS光开关之间通过单模波导相互连接形成N×N开关阵列。

以下描述本发明的具体实施情况：

选用绝缘体上硅(SOI)作为实施平台，顶层材料为220nm厚的硅，掩埋层为2um厚的二氧化硅，基底为硅。考虑的波长范围是1500nm到1700nm，采用TE偏振的光信号。为了设计方便，取固定宽波导和可移动宽波导的宽度相同，为1.2μm，长度也相同，为28.9um，绝热锥形波导的长度为10μm，与多模宽波导连接的一端宽度与多模宽波导相同，与单模波导连接的一端宽度与单模波导相同，为0.4um，为了设计方便，考虑加工工艺水平和器件的光学性能表现，实施例中的亚波长结构设计为周期性的波浪齿形结构，如图5所示，其齿高hz为300nm，周期为260nm，机械停止结构的高度hs设计为20nm。OFF状态下的固定宽波导和可移动宽波导之间的距离设计为1um。

经三维时域有限差分方法(3D-FDTD)对器件的光学性能进行仿真验证，OFF状态下入射光场从固定宽波导中低损耗地通过，如图8所示。如图9(b)所示，OFF状态下器件在1500nm到1600nm波长范围内能实现低损耗和高消光比，其损耗在0.07dB到0.12dB之间，消光比在30.6dB到36.7dB之间。给固定静电梳施加电压，可移动静电梳通过传动杆推动可移动宽波导向固定宽波导运动，当机械停止结构与其对侧的固定宽波导侧壁相接触时开关进入ON状态，两宽波导侧壁上的亚波长结构交错配合，两宽波导成为一个多模干涉结构，光信号不再直接通过固定宽波导，而是成反像，从交叉输出端口输出，如图8所示。如图9(a)所示，开关处于ON状态时在1500nm到1600nm波段上均能实现低损耗和高消光比，其损耗在0.14dB到0.32dB之间，消光比在12.1dB到20.1dB之间。由此可见，本发明提出的MEMS光开关可以达到低损耗、高消光比及低功耗等效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。