專利名稱：一種微型光學器件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學器件及其制備方法，特別是關于一種具有光開關和可變 光衰減器混合功能的微型光學器件及其制備方法。
技術背景采用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術實現(xiàn)的光開關和可變光衰減器具有體積小、 重量輕、能耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。隨著光纖通訊技術和密集波分復用系統(tǒng)的飛 速發(fā)展，MEMS光開關和可變光衰減器作為重要的光波導器件，得到了越來越廣泛 的應用。目前有關MEMS光開關和可變光衰減器的研究已有很多報道。這些器件都 是以分立器件的形式設計，制造和封裝，并能很好地實現(xiàn)光開關或光衰減功能。集成化是當前MEMS技術發(fā)展的主流。集成化MEMS器件具有體積更小、重量 更輕、功耗更低、成本更低、可靠性更高、性能更優(yōu)異及功能更強大等優(yōu)點。通 過集成MEMS光開關和可變光衰減器，研制出高性能的具有光開關和可變光衰減器 混合功能的微型光學器件，將極大的提高MEMS通訊類光學器件的性能、集成度和 在應用方面的柔性度。然而，光開關同可變光衰減器在工藝和結構設計上存在較 大的差異，因此實現(xiàn)該類集成技術存在著巨大的困難。就目前來看，在世界范圍 內(nèi)，仍然通過將分立的MEMS光開關和可變光衰減器通過外部電學和光學連接構成 微光系統(tǒng)來實現(xiàn)集成化的高性能微型光學器件的光開關和可變光衰減器混合功 能。這將提高設備成本、降低系統(tǒng)可靠性、增加系統(tǒng)維護難度和不利于設備的微 型化。 發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可實現(xiàn)光開關和可變光衰減器混合 功能的微型光學器件及其制備方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案 一種微型光學器件，其特征在 于它包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底、光反射模塊和光纖固定模 塊；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側的梳齒式固定電極和固定在 所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設在所述梳齒式固 定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板式可 動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉梁，所述折疊橫梁包括通過短梁連4接所述兩可動電極的通梁，通過錨點懸浮固定在所述玻璃襯底上的折疊梁；所述 組合扭轉梁包括多個支梁，其中兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接 兩可動電極的外側；另兩所述支梁的一端連接所述兩可動電極的內(nèi)側，另一端連 接光反射模塊的尾部兩側，再兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接所 述光反射模塊的尾部；所述光纖固定模塊上以所述光反射模塊為中心，呈放射狀 設置有若干光纖槽，且每一所述光纖槽分別對準所述光反射模塊上多個光反射面 中的一個。所述組合扭轉梁與所述折疊橫梁可以是單端不等高梁。所述單端不等高的組 合扭轉梁可以與所述折疊橫梁的頂部平齊，底部高于所述折疊橫梁。所述單端不 等高的組合扭轉梁也可以與所述折疊橫梁的底部平齊，頂部低于所述折疊橫梁。所述組合扭轉梁與所述折疊橫梁也可以是雙端不等高梁。所述組合扭轉梁與所述折疊橫梁為單端不等高梁時，采用以下主要制備工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蝕深槽，所述深槽的深度定出玻璃襯 底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(3) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進行摻雜，以形成歐姆接觸；(4) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結構的引線電極；(5) 將玻璃襯底和硅片進行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(6) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉梁上端的高度差；(7) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩模刻蝕釋放結構，完成微型光學器 件制備。所述組合扭轉梁與所述折疊橫梁為雙端不等高梁時，采用以下主要制備工藝:(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，深槽的深度定 出折疊橫梁與組合扭轉梁的下端高度差；(3) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩模為掩?？涛g硅片形成深槽，深槽的深度 定出玻璃襯底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(4) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進行摻雜，以形成歐姆接觸；(5) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結構的引線電極；(6) 將玻璃襯底和硅片進行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(7) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩模刻蝕深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉梁上端的高度差；(8) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩模刻蝕釋放結構，完成微型光學器 件制備。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明在器件驅(qū)動結構 中同時采用梳齒型靜電驅(qū)動器和平板型靜電驅(qū)動器的設計，不但可以實現(xiàn)光開關 光衰減復合功能，而且光開關功能和光衰減功能以獨立方式控制實現(xiàn)，使器件具 有高可控性和不同功能控制間的高隔離度。2、本發(fā)明使用以高精度光刻技術定義 的片內(nèi)集成光纖槽，可以精確、穩(wěn)固地定位光纖，從而實現(xiàn)光反射模塊與光纖槽之間的自對準，降低封裝的難度和成本。3、本發(fā)明在微型光學器件中采用單晶硅 材料制作，可以大大減小結構的內(nèi)應力，提高器件結構的質(zhì)量。4、本發(fā)明的制備 方法可以采用常規(guī)MEMS工藝設備，實現(xiàn)大批量制造，且工藝過程簡單，與多種 類型的MEMS器件工藝兼容，可用于實現(xiàn)功能更強大的微光集成系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明立體結構示意圖 圖2是本發(fā)明平面結構示意圖 圖3為本發(fā)明組合扭轉支撐梁結構示意圖 圖4a 圖4b是本發(fā)明實現(xiàn)光開關功能的工作原理示意圖 圖5a 圖5b是本發(fā)明實現(xiàn)光衰減功能的工作原理示意圖 圖6a 圖6g是本發(fā)明采用單端不等高支撐梁的制備過程示意圖 圖7a 圖7d是本發(fā)明采用雙端不等高支撐梁的制備過程示意圖具體實施方式
如圖1 3所示，本發(fā)明包括固定電極l、 2、 3，可動電極4、 5，支撐梁6、 7， 玻璃襯底8，光反射模塊9和光纖固定模塊10。固定電極1、 2為相對設置在玻璃襯底8的頂面兩側的四組梳齒式電極，與其 對應，兩個可動電極4分別梳齒插設在兩側的固定電極1、 2之間，形成兩個梳齒 型靜電驅(qū)動器。固定電極3為一平板式電極，其固定在玻璃襯底8的中部，兩可 動電極5亦為平板式電極，其分開一距離位于固定電極3的上方，與固定電極3 之間具有一定空間間距，形成一平板型靜電驅(qū)動器。支撐梁包括折疊橫梁6和組合扭轉梁7，折疊橫梁6包括四個通過錨點61懸浮連接在固定電極3兩側玻璃襯底8上的折疊彈簧梁62， 一根連接兩個梳齒型靜 電驅(qū)動器可動電極4的通梁63,通梁63通過兩個短梁64分別連接對應設置的兩 對折疊彈簧梁62，在通梁63的中部設置有連接組合扭轉梁的三個結點65、 66、 67。組合扭轉梁7由六個支梁71、 72、 73、 74、 75、 76組成，其中，兩支梁71、 72的一端分別連接結點65、 67，另一端分別連接兩可動電極5的外側；兩支梁73、 74的一端分別連接兩可動電極5的內(nèi)側，另一端分別連接光反射模塊9的尾部兩 側；兩支梁75、 76的兩端分別連接結點66和光反射模塊9的尾端。光反射模塊9 的頭部具有多個光反射面91，與各光反射面對應，在玻璃襯底8上設置有一光纖 固定模塊IO，在光纖固定模塊10上設置有若干呈放射狀的光纖槽，光纖槽的深度 可根據(jù)采用光纖的型號不同而通過制造工藝改變。本發(fā)明微型光學器件可以利用梳齒型靜電驅(qū)動器移動光反射模塊9來實現(xiàn)光 開關功能，如圖4a所示，當可動電極4與固定電極1、 2相互作用，使兩可動電 極4同步向左運動時，與可動電極4連成一體的折疊橫梁6、組合扭轉梁7、可動 電極5和光反射模塊9 一起沿X軸向左運動，此時入射光IN1經(jīng)光反射模塊9上 反射面91的傳輸方向為0UT1;如圖4b所示，當可動電極4與固定電極1、 2相互 作用，使可動電極4向右運動時，與可動電極4連成一體的折疊橫梁6、組合扭轉 梁7、可動電極5和光反射模塊9 一起沿X軸向右運動，此時入射光IN1經(jīng)反射面 91后的傳輸方向改變?yōu)?UT2。光反射模塊9的各光反射面91分別對應一路設置 在光纖固定模塊10中的輸出光纖10'，因此，移動光反射模塊9可以對入射光實 現(xiàn)多路切換，實現(xiàn)開關功能。本發(fā)明微型光學器件還可以利用平板型靜電驅(qū)動器扭轉光反射模塊9來實現(xiàn) 光衰減功能。如圖5a所示，由于折疊橫梁6的結構比較粗大，剛度也大，組合扭 轉梁7的結構非常細小，剛度也較小，因此當兩個可動電極5和固定電極3相互 作用，使可動電極5在Z方向做離面(向下)運動時，折疊橫梁6剛性大基本不 會發(fā)生移動，相當于固定梁，而組合扭轉梁7的各支梁剛性小，其中兩支梁71、 72在可動電極5的帶動下會以折疊橫梁6的兩結點65、 67為軸，作順時針方向轉 動(如圖5b所示)，另兩支梁73、 74在可動電極5的帶動下，會帶動光反射模塊 9和兩支梁75、 76以折疊梁6的結點66為軸，作逆時針方向轉動，該轉動使光反 射模塊9向上移動，使進入出射光纖10'的光能量發(fā)生改變，實現(xiàn)光衰減功能， 其中光衰減量與光反射模塊9的扭轉角度成正比關系。上述實施例中組合扭轉梁7與折疊橫梁6不但在梁寬度方向相比非常窄，而且在梁厚度方向也有差別，其既可以制作成單端不等高梁，又可以制作成雙端不等高梁。單端不等高梁為組合扭轉梁7與折疊橫梁6底面(或頂面)平齊，頂面 (或底面)不等高，雙端不等高梁為組合扭轉梁7與折疊橫梁6頂面和底面都不平齊。下面是本發(fā)明微型光學器件的制備工藝，其分為兩種情況實施例l:制作單端不等高支撐梁的微型光學器件時，主要采取以下工藝1、 起始材料采用雙拋N型(100)硅片ll (如圖6a所示)，厚度為400土10 微米；2、 在硅片11上形成氧化硅掩膜12，然后刻蝕深槽13，深槽13的深度定出 玻璃襯底上的固定電極3和可動電極5之間的間隙；3、 如圖6b所示，去除氧化硅掩膜12，硅片ll表面采用離子注入或擴散工藝 摻雜硼14，以形成歐姆接觸；4、 如圖6c所示，在玻璃襯底8上制作金屬電極15，作為微驅(qū)動結構的引線 電極；5、 如圖6d所示，將玻璃襯底8和硅片11進行陽極鍵合，并將硅片11減薄 到固定電極l、 2、 3需要的厚度；6、 在硅片11上形成氧化硅掩膜16，再在氧化硅掩膜16表面形成光刻膠掩膜 17 (如圖6e所示)，進而形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠掩膜17 為掩?？涛g深槽18 (如圖6f所示)，深槽18的深度定出組合扭轉梁7上端與折疊 橫梁6上端的高度差(如圖6g所示)，同時也是組合扭轉梁7上端與其它部件上 端的高度差；7、 去除光刻膠掩模17，以氧化硅掩模16為掩?？涛g釋放結構，形成單端不 等高支撐梁，完成單端不等高支撐梁的微型光學器件的制備。實施例2:制作雙端不等高支撐梁的微型光學器件時，主要采用以下工藝1、 起始材料采用雙拋N型(100)硅片11 (如圖6a所示)，厚度為400±10 微米；2、 首先在硅片11上形成氧化硅掩膜19，再在氧化硅掩模19表面形成光刻膠 掩膜20 (如圖7a所示)，進而形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠20 為掩模刻蝕深槽21 (如圖7b所示)，深槽21的深度定出組合扭轉梁7與折疊橫梁 6 (包括71， 72， 73等梁)的下端高度差(如圖7c所示)；3、 去除光刻膠掩模20，以氧化硅掩模19為掩?？涛g硅片11形成深槽22， 深槽22的深度定出玻璃襯底上的固定電極3和可動電極5之間的間隙；4、然后按照上述實施例1中的步驟3 步驟7進行，完成雙端不等高支撐梁 的微型光器件的制備(如圖7d所示)。上述制作單端不等高支撐梁的微型光學器件時，如果單端不等高的組合扭轉 梁7與所述折疊橫梁6的頂部平齊，底部高于所述折疊橫梁6時，可以參照上述 兩工藝實施例，對工藝進行個別調(diào)整，即可實現(xiàn)，在此不再贅述。上述各實施例僅為說明本發(fā)明而列舉，凡在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的 等同變化，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權利要求
1、一種微型光學器件，其特征在于它包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底、光反射模塊和光纖固定模塊；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側的梳齒式固定電極和固定在所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設在所述梳齒式固定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板式可動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉梁，所述折疊橫梁包括通過短梁連接所述兩可動電極的通梁，通過錨點懸浮固定在所述玻璃襯底上的折疊梁；所述組合扭轉梁包括多個支梁，其中兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接兩可動電極的外側；另兩所述支梁的一端連接所述兩可動電極的內(nèi)側，另一端連接光反射模塊的尾部兩側，再兩所述支梁一端連接所述折疊橫梁，另一端連接所述光反射模塊的尾部；所述光纖固定模塊上以所述光反射模塊為中心，呈放射狀設置有若干光纖槽，且每一所述光纖槽分別對準所述光反射模塊上多個光反射面中的一個。
2、 如權利要求1所述的一種微型光學器件，其特征在于所述組合扭轉梁與 所述折疊橫梁為單端不等高梁。
3、 如權利要求2所述的一種微型光學器件，其特征在于所述單端不等高的 組合扭轉梁與所述折疊橫梁的底部平齊，頂部低于所述折疊橫梁。
4、 如權利要求2所述的一種微型光學器件，其特征在于所述單端不等高的 組合扭轉梁與所述折疊橫梁的頂部平齊，底部高于所述折疊橫梁。
5、 如權利要求1所述的一種微型光學器件，其特征在于所述組合扭轉梁與 所述折疊橫梁為雙端不等高梁。
6、 如權利要求1 3所述一種微型光學器件的制備方法，其主要包括以下工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蝕深槽，所述深槽的深度定出玻璃襯 底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(3) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進行摻雜，以形成歐姆接觸；(4) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結構的引線電極；(5) 將玻璃襯底和硅片進行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(6) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉梁上端的高度差；(7) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩模刻蝕釋放結構，完成微型光學器 件制備。
7、如權利要求1或5所述一種微型光學器件的制備方法，其主要包括以下工藝(1) 采用雙拋N型(100)硅片；(2) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；以光刻膠掩膜為掩?？涛g深槽，深槽的深度定 出折疊橫梁與組合扭轉梁的下端高度差；(3) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩模為掩?？涛g硅片形成深槽，深槽的深度 定出玻璃襯底上的固定電極和可動電極之間的間隙；(4) 去除氧化硅掩膜，對所述硅片表面進行慘雜，以形成歐姆接觸；(5) 在玻璃襯底上制作金屬電極，作為微驅(qū)動結構的引線電極；(6) 將玻璃襯底和硅片進行陽極鍵合，并將硅片減薄到固定電極的厚度；(7) 在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻膠掩膜，進而 形成氧化硅和光刻膠的復合掩模；然后以光刻膠掩膜為掩模刻蝕深槽，定出折疊 橫梁上端與組合扭轉梁上端的高度差；(8) 去除光刻膠掩模，以氧化硅掩膜為掩模刻蝕釋放結構，完成微型光學器 件制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型光學器件及其制備工藝，其特征在于它包括固定電極、可動電極、支撐梁、玻璃襯底、光反射模塊和光纖固定模塊；所述固定電極包括連接在所述玻璃襯底頂面兩側的梳齒式固定電極和固定在所述玻璃襯底頂面中部的平板式固定電極；所述可動電極為插設在所述梳齒式固定電極間的兩梳齒式可動電極和分別位于所述平板式固定電極上方的兩平板式可動電極；所述支撐梁包括折疊橫梁和組合扭轉梁，所述光纖固定模塊上以所述光反射模塊為中心，呈放射狀設置有若干光纖槽，且每一所述光纖槽分別對準所述光反射模塊上多個光反射面中的一個。本發(fā)明的制備工藝簡單，與多種類型的MEMS器件工藝兼容，可用于實現(xiàn)功能更強大的微光集成系統(tǒng)。
文檔編號G02B26/08GK101246259SQ20081005698
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權日2008年1月28日
發(fā)明者吳文剛, 王子千, 王陽元, 郝一龍, 閆桂珍, 陳慶華 申請人:北京大學