专利摘要

一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器17由单个堆叠式二轴微镜驱动器16阵列化排布而成。单个堆叠式二轴微镜驱动器16由下电极结构13，中间电极结构14和上电极结构15共三个独立部件构成。其中三个独立部件由以下结构构成：弯曲悬臂梁1、扭转悬臂梁2、扭转悬臂梁3、台阶下电极4、X轴转动方向基底镜面的限位平面5、台阶下电极的引线锚点6、X轴转动方向基底镜面7、X轴转动方向基底镜面的限位凸点8、Y轴转动方向上镜面支撑锚点9Y轴转动方向上镜面10，Y轴转动方向上镜面的限位凸点11、Y轴转动方向上镜面的电极引线锚点12。

说明书

技术领域

本发明涉及一种二轴微镜阵列驱动器结构及其应用。更确切的说，本发明涉及一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜驱动器及其构成的微镜阵列驱动器，同时该微镜阵列驱动器可应用于波长选择开关，属于光电子通信器件领域。

背景技术

Internet和光通信技术的快速发展使光通信网络发生根本的变化。网络已迅速扩展为包括广域网、城域网和接入网的大规模光通信网络。光传送网从大容量宽带传送转变为提供端到端的服务连接，并采用光交换技术来实现动态、快速的波长指配，最终光联网的全光智能光网络成为主要发展趋势。透明的波长交换，无需光-电-光(OEO)转换，将突破“电子瓶颈”，极大地降低智能光网络的成本。可重构的光上/下路复用器(ROADM，Reconfigured Optical Add-Drop Multiplexer)是智能光网络系统中最为核心的功能模块，其主要作用是对网络系统中的波长资源进行动态的配置、调度和管理。迄今为止ROADM经历了三个功能越来越复杂、强大的发展阶段，形成了三代的ROADM。

第一代ROADM由分立的波分复用器、光开关和解复用器组成。其体积较大，仅适于选择波长较少的应用场景，如图1所示。

第二代ROADM由分光器、可调滤波器、波长阻挡器和合波器组成。其结构简单、体积小，能够实现单个波长的上下以及波长带(多个波长)的上下，但是管理较为复杂，不适用于环网，且每个光端口只能上下一个波长。如图2所示。

第三代ROADM即波长选择开关(WSS，Wavelength Selective Switch)。在原理上由多个波分复用器、多个光开关和一个解复用器组成，可以实现任何一个波长(或多个波长的任意组合)以任何顺序从任何一个端口(或多个端口)路由到任何一个端口(或多个端口)。如图3所示。这使ROADM系统具有了极强的灵活组网能力，同时WSS本身也具有升级扩展能力，为组网带来更大的灵活性。

波长选择开关现有的技术方案主要用衍射光栅+微电子机械系统(MEMS)微镜阵列、平面光波导器件(PLC)+MEMS微镜阵列、衍射光栅+液晶阵列以及完全单片集成的PLC技术来实现。现有的无论哪一种技术，都需要同时具备多个波分复用器、多个光开关和一个解复用器。实际上，随着MEMS工艺技术的不断成熟和发展应用，基于衍射光栅+MEMS微镜阵列的WSS已逐渐在光网络中得到应用，并且快速发展成目前在市场上用量最多的WSS产品。而基于衍射光栅+MEMS微镜阵列的WSS也经历了从一轴MEMS微镜阵列到二轴MEMS微镜阵列的发展过程。

现有的二轴MEMS微镜阵列结构主要可分为双框架结构和二轴梳齿驱动结构。双框架结构的二轴微镜阵列，如文献([1]Dennis S et al.，“CrystallineSilicon Tilting Mirrors for Optical Cross-Connect Switches”Journal of Microelectromechanical system.Vol.12，NO.5，2003[2]Gokde.D etal.，“Design and fabrication of two-axis micromachined steelscanners”J.Mi cromech.Mi croeng.VOL.19，2009)所示，其采用一个内外旋转轴方向垂直的双框架结构构成二轴微镜的驱动器。其中文献[1]中方案采用静电驱动，其镜面占空比由于其结构而无法提高。而文献[2]虽采用电磁驱动，但器件体积大，且阵列结构镜面的占空比低。

而二轴梳齿驱动结构如文献([3]Kim M et al.，“High fill-factormicromirror array using a self-aligned vertical comb drive actuatorwith two rotational axes”J.Micromech.Microeng.19.2009；[4]TsaiJ et al.，″Two-axis MEMS scanners with radial vertical combdriveactuators-design，theoretical analysis，and fabrication″J.Opt.A：Pure Appl.Opt.10.2008；[5]Tsai J et al.，″Design，Fabrication，and Characterization of a High Fill-Factor，Large Scan-Angle，Two-AxisScanner Array Driven by a Leverage Mechanism″Journal ofMicroelectromechanical system，Vol.15，NO.5，2006)其中，文献[3]采用下梳齿结构静电驱动方式，虽然可以较大的提高其镜面占空比，但是下梳齿之间的电隔离及引线非常复杂，同时又导致了镜面占空比的降低。而对于二轴梳齿驱动结构，一般采用表面微机械加工技术制作下梳齿驱动结构，带动上镜面进行两轴转动，其结构如文献[4]和文献[5]所示。该种结构虽然也可以实现很高镜面占空比，但是由于采用表面微机械加工技术制作，其镜面质量不高，且镜面大小受到限制，同时制作工艺复杂，对制作工艺的要求很高，且也存在一定的局限性。因此为了实现高占空比的二轴微镜阵列驱动器，同时减低器件的设计及其制造难度。

依上所述，本发明拟提出一种新颖的基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器以克服现有技术存在的缺陷并列举其在波长选择开关中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列的驱动器，同时利用该堆叠式二轴微镜阵列驱动器，制作波长选择开关器件。

本发明提出一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器是由单个堆叠式二轴微镜驱动器阵列化排布而成。单个堆叠式二轴微镜驱动器是由3个独立功能的部件组成，即下电极，中间电极和上电极三部分构成。

在单个堆叠式二轴微镜阵列驱动器中的下电极机构是由台阶下电极、X轴转动方向基底镜面的限位平面和台阶下电极的引线锚点构成，所述的单个堆叠式二轴微镜驱动器的台阶下电极结构，其整体作为施加电压驱动的下电极结构，也即构成堆叠式二轴微镜驱动器的第一个独立部分，限位平面分别与所述的台阶下电极和下电极引线锚点相连接。

在单个堆叠式二轴微镜阵列驱动器中的中间电极结构是由所述的弯曲悬臂梁、X轴转动方向基底镜面和X轴转动方向基底镜面的限位凸点构成，所述的单个堆叠式二轴微镜驱动器的X轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加中间电压驱动的中间电极结构，也即构成堆叠式二轴微镜驱动器的第二个独立部分。

在单个堆叠式二轴微镜阵列驱动器中的上电极结构是由左扭转悬臂梁、右扭转悬臂梁、Y轴转动方向的上镜面、Y轴转动方向上镜面支撑锚点，Y轴转动方向上镜面的限位凸点、Y轴转动方向上镜面的电极引线锚点构成，所述的单个堆叠式二轴微镜驱动器的Y轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的上电极结构，也即构成堆叠式二轴微镜驱动器的第三个独立部分。

其中在第二个独立部分中，X轴转动方向的微镜结构也可以采用其它能够产生微镜面X方向扭转的非单悬臂梁结构。在第三个独立部分中，Y轴转动方向的微镜结构也可以采用其它能够产生Y轴旋转的镜面结构，如两侧为支撑锚点，中间为悬臂梁结构。

利用下电极结构和中间电极结构，可以构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。同时利用X轴转动方向基底镜面的限位凸点和X轴转动方向基底镜面的限位平面来防止X轴转动方向的一轴微镜结构由于吸合效应导致的器件结构破坏。

上电极结构可以构成在Y轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。其中左扭转悬臂梁、右扭转悬臂梁排列于Y轴转动方向上镜面支撑锚点两侧，起到支撑Y轴转动方向的上镜面，并产生弹性回复扭转力矩的作用。同时利用Y轴转动方向上镜面的限位凸点来防止Y轴转动方向的一轴微镜结构由于吸合效应导致的器件结构破坏。Y轴转动方向上镜面电极引线锚点作为整个上电极结构的固定引线连接，而不影响可动的Y轴转动方向上镜面。

在利用MEMS中的键合技术将下电极结构、中间电极结构和上电极结构按顺序键合在一起时，其中上电极结构是堆叠在中间电极结构上面，三个结构一起共同构成了单个堆叠式二轴微镜驱动器，并可以在阵列化排布后形成堆叠式二轴微镜阵列驱动器。通过控制下电极结构与中间电极结构之间的驱动关系可以使得X轴转动方向基底镜面实现X轴方向转动。而通过控制上电极结构与中间电极结构之间的驱动关系，可以使得Y轴转动方向上镜面实现Y轴方向转动。两者共同控制就可以实现X轴方面镜面转动和Y轴方向镜面转动的堆叠式二轴微镜驱动器。

本发明提出的一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器在波长选择开关中的应用，是由堆叠式二轴微镜阵列驱动器、波分复用/解复用器以及相应的光路设计构成。输入的DWDM光信号通过波分复用/解复用器后进行信号分解，同时通过光路将不同通道的光信号投射到不同的微镜面上，通过堆叠式二轴微镜阵列驱动器的选择控制不同的波长输出而构成波长选择开关器件。

本发明提供了一种新颖的堆叠式二轴微镜阵列驱动器的结构，其利用两个不同轴向的微镜驱动器利用MEMS键合技术堆叠在一起共同构成二轴微镜阵列驱动器。相对于现有的二轴微镜阵列技术方案有结构简单，可以实现镜面的高占空比要求。同时本方案利用静电精密驱动，可以实现微镜面转动角度的精密可控，实现二轴方向的微镜面转动要求。同时利用本发明提出的堆叠式二轴微镜阵列驱动器可以实现制作波长选择开关。

附图说明

图1为第一代ROADM技术方案示意图；

图2为第二代ROADM技术方案示意图；

图3为第三代ROADM技术方案示意图；

图4(a)为本发明提出的利用单个堆叠式二轴微镜驱动器构成堆叠式二轴微镜阵列驱动器示意图；(b)为本发明提出的单个堆叠式二轴微镜驱动器结构装配示意图；

图5为单个堆叠式二轴微镜驱动器中x轴转动方向的一轴微镜面驱动器示意图；

图6为单个堆叠式二轴微镜驱动器中Y轴转动方向的一轴微镜面驱动器示意图；

图7为本发明提出的单个堆叠式二轴微镜驱动器结构示意图；

图8为本发明提出的单个堆叠式二轴微镜驱动器结构细节图1；

图9为本发明提出的单个堆叠式二轴微镜驱动器结构细节图2；

图10为本发明提出的单个堆叠式二轴微镜驱动器结构细节图3；

图11为本发明提出的利用堆叠式二轴微镜阵列驱动器构成波长选择开关的原理图；

图12为本发明提出的利用堆叠式二轴微镜阵列驱动器构成波长选择开关的构成示意图。

图中：弯曲悬臂梁1、左扭转悬臂梁2、右扭转悬臂梁3、台阶下电极4、X轴转动方向基底镜面的限位平面5、台阶下电极的引线锚点6、X轴转动方向基底镜面7、X轴转动方向基底镜面的限位凸点8、Y轴转动方向上镜面支撑锚点9、Y轴转动方向上镜面10，Y轴转动方向上镜面的限位凸点11、Y轴转动方向上镜面的电极引线锚点12、下电极结构13，上电极结构14，上电极结构15，单个堆叠式二轴微镜驱动器16，堆叠式二轴微镜阵列驱动器17，波分复用/解复用器18，光路19。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

本发明提出的基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器由单个堆叠式二轴微镜驱动器16进行阵列化排布获得堆叠式二轴微镜阵列驱动器17，如图4(a)所示。单个堆叠式二轴微镜驱动器是由下电极结构13，中间电极结构14和上电极结构15三者键合构成，如图4(b)所示。

在单个二轴微镜阵列驱动器是由台阶下电极4、X轴转动方向基底镜面的限位平面5和台阶下电极的引线锚点6构成了单个堆叠式二轴微镜驱动器的台阶下电极结构，其整体作为施加电压驱动的下电极结构13。

由弯曲悬臂梁1、X轴转动方向基底镜面7和X轴转动方向基底镜面的限位凸点8构成了单个堆叠式二轴微镜驱动器的X轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的中间电极结构14。

利用下电极结构13和中间电极结构14键合，可以构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。如图5所示.

由扭转悬臂梁2、扭转悬臂梁3、Y轴转动方向上镜面9、Y轴转动方向上镜面支撑锚点10，Y轴转动方向上镜面的限位凸点11、Y轴转动方向上镜面的电极引线锚点12构成了单个堆叠式二轴微镜驱动器的Y轴转动方向的微镜结构，其整体作为施加电压驱动的上电极结构15，如图6所示。

其单个堆叠式二轴微镜驱动器是由：弯曲悬臂梁1、左扭转悬臂梁2、右扭转悬臂梁3、台阶下电极4、X轴转动方向基底镜面的限位平面5、台阶下电极的引线锚点6、X轴转动方向基底镜面7、X轴转动方向基底镜面的限位凸点8、Y轴转动方向上镜面支撑锚点9，Y轴转动方向上镜面10，Y轴转动方向上镜面的限位凸点11、Y轴转动方向上镜面的电极引线锚点12构成，如图7所示。

利用MEMS中的键合技术将整体下电极结构13、整体中间电极结构14和整体上电极结构15按顺序健合在一起，其中整体上电极结构15堆叠在整体中间电极结构14上。利用整体的下电极结构13和整体的上电极结构14，可以构成在X轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。整体的上电极结构15可以构成在Y轴转动方向的一轴微镜驱动器结构。三个结构一起共同构成了单个堆叠式二轴微镜驱动器，并进行阵列化排布后形成堆叠式二轴微镜阵列驱动器，其局部放大图如图8，图9，图10所示。

本发明提出一种基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器及其在波长选择开关中的应用由堆叠式二轴微镜阵列驱动器16、波分复用/解复用器18和光路19构成。其构成原理图如图11所示。其具体实施例可以如图12所示：光信号输入经过其作为波分复用/解复用器18的光栅后，再经过光学透镜元件构成的光路19聚焦后透射到微镜阵列驱动器17上，通过控制微镜的扭转角度，反射入射的光信号经过光路19和光栅18后输出预计的输出通道完成波长选择开关功能。

基于MEMS技术的堆叠式二轴微镜阵列驱动器及应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。