一种采用光驱动控制的MEMS光开关
技术领域
本实用新型涉及微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种采用光驱动控制的MEMS光开关。
背景技术
光开关是一种具有一个或多个选通端口的光路转换器件，其作用是对光学信号进行路径的通断和切换(光路切换)，从而实现物理开关或者逻辑寻址的功能。在光通信网络中主要功能用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换线路。在光纤测试系统中，多用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感的多点监测系统。在激光起爆系统中，多用于预保护机制及多模寻址点火。
MEMS光开关是基于半导体加工技术构筑在基片(通常为半导体)上的微镜阵列，其将电、机械和光集成为一块芯片，能够透明地传送不同速率、不同协议的信号。MEMS光开关的结构有多种，其包括光路布置部分(包括光导纤维布置及微镜的设置)和光路切换执行部分，光路切换执行部分常采用静电执行器，其典型结构为采用平板电极静电执行器或疏齿电极静电执行器。静电执行器上设有固定电极和可动电极，可动电极上连接有微反射镜，其通过控制可动电极动作带动微反射镜的移动来实现光路的切换。
上述结构的MEMS光开关大多采用电压驱动控制，即在静电执行器的两个电极上加载驱动电压，在电压的作用下两个静电电极之间产生静电作用力，带动动微反射镜的移动来实现光路的切换。
但是，上述结构的MEMS光开关由于需要使用电压，限制了其应用的范围。例如，在要求采用纯光线驱动的条件下，或者在强交变磁场等环境下，现有的MEMS光开关无法使用。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型提出一种采用光驱动控制的MEMS光开关，旨在实现采用纯光线驱动模式下的光路切换，具体的技术方案如下：
一种采用光驱动控制的MEMS光开关，包括第一基片、与所述第一基片相键合的第二基片；所述第一基片上集成有用于传输光信号的通信光纤、用于切换所述通信光纤光路的移动式微反射镜、用于驱动所述移动式微反射镜移动的静电执行器，所述静电执行器包括一对电极，所述一对电极包括固定设置的固定静电电极、可动设置的移动静电电极，所述移动式微反射镜设置在移动静电电极上；所述第一基片与第二基片相键合后在所述第一基片与第二基片之间形成一密闭腔室，所述密闭腔室内设置有第一对金属面，所述的第一对金属面相对靠近设置，且在所述的第一对金属面中，其中的一个金属面为具有光电效应的第一光电子发射金属面，其中的另一个金属面为用于接收光电子的第一光电子接收金属面；所述密闭腔室上设置有驱动光纤，所述驱动光纤的输出光线直接射向第一光电子发射金属面，或者通过在所述密闭腔室内的至少一次反射射向第一光电子发射金属面；所述的一对电极分别通过第一导线、第二导线与所述第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面对应连接。
根据静电执行器的不同结构，上述微反射镜的移动可以是平移移动，也可以是转动移动。
作为本实用新型的改进方案之一，所述的第一光电子发射金属面与第一光电子接收金属面之间连接有导流电阻。
其中，所述导流电阻的阻值比所述的第一导线、第二导线的导线电阻要大，使得其一方面可以实现光电子的回流，另一方面可以稳定第一光电子发射金属面与第一光电子接收金属面两端的电压。
上述技术方案中，通过在密闭腔室内设置第一光电子发射金属面和第一光电子接收金属面，使得由驱动光纤射出的光线通过直射或反射的方式照射到具有光电效应的第一光电子发射金属面上，光电子从第一光电子发射金属面溢出并发射到第一光电子接收金属面，从而形成光电流，并使得第一光电子发射金属面呈现正电势，第一光电子接收金属面呈现负电势，即在第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面之间产生一定的电压，该电压通过第一导线、第二导线对应的加载到固定静电电极和移动静电电极上，形成静电激励，在静电力的作用下移动静电电极带动微反射镜一起移动，从而实现光路的切换。
当驱动光纤不输出光线时，静电力消失，移动静电电极在弹性回复力的作用下带动微反射镜回到原位，光路切换到原始状态。
作为本实用新型的改进方案之二，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关还包括第二对金属面，所述的第二对金属面相互靠近设置，且在所述的第二对金属面中，其中的一个金属面为具有光电效应的第二光电子发射金属面，其中的另一个金属面为用于接收光电子的第二光电子接收金属面；所述第二光电子发射金属面通过第一稳流电阻连接第一光电子接收金属面，所述第二光电子接收金属面通过第二稳流电阻连接第一光电子发射金属面；所述驱动光纤的输出光线通过直射或在所述密闭腔室内的至少一次反射射向第二光电子发射金属面及第一光电子发射金属面。
上述改进方案之二中，通过增加包含第二光电子发射金属面和第二光电子接收金属面的第二对金属面，并利用驱动光纤的输出光线和光电效应在第二对金属面上形成光电流和电压，该电压反向加载到第一对金属面上，起到了引导光电子定向流动的作用，使得原来有散射趋向的光电子在反向电压的作用下从第一光电子发射金属面向第一光电子接收金属面定向流动，形成增强的光电流，提高了加载到固定静电电极、移动静电电极上的电压，从而提高了光纤驱动的可靠性。
上述第二对金属面的设置，也使得第一对金属面、第二对金属面互为反向加载电压，因此具有提高光电流的双向增益和稳定作用。
作为本实用新型的进一步改进，所述驱动光纤的输出光为紫外光，所述第一光电子发射金属面、第二光电子发射金属面发生光电效应的截止频率均小于紫外光的频率，所述第一光电子接收金属面、第二光电子接收金属面发生光电效应的截止频率比紫外光的频率要高。
在光电效应中，当入射光的频率高于某一频率时光电效应才会发生，低于该频率时不会产生光电效应。这一特定频率称为光电效应的截止频率。不同的金属具有不同的截止频率。
本实用新型利用不同金属具有不同的截止频率这一特性，光电子发射金属面与光电子接收金属面采用不同的金属进行制造，同时使得入射光的频率高于光电子发射金属面的截止频率、低于光电子接收金属面的截止频率，从而防止因反射光线的作用在光电子接收金属面上逆向发射光电子而使得光电流减小，因此可以稳定光电流和电压，增强光电效应的可靠性。
作为本实用新型的优选方案之一，所述第二基片为硅晶片，在位于所述密闭腔室的硅晶片腔壁上通过金属沉积方法形成所述的第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面、第二光电子发射金属面、第二光电子接收金属面。
作为本实用新型的优选方案之二，所述的第一稳流电阻、第二稳流电阻中，至少其中的一个稳流电阻是通过在所述密闭腔室的硅晶片腔壁上掺杂三阶或五阶化学元素而形成。
其中，另一个稳流电阻可以是掺杂三阶或五阶化学元素而形成的电阻，也可以是金属在硅晶片的腔壁上沉接形成的阻值较小的金属电阻。
作为本实用新型的优选方案之三，所述第二基片为硅晶片，在位于所述密闭腔室的硅晶片腔壁上通过掺杂三阶或五阶化学元素形成所述的导流电阻。
作为本实用新型的优选方案之四，所述第一基片为绝缘基片，所述第一导线、第二导线是通过在所述的第一基片上进行穿孔、并在所述的穿孔中进行金属填充所形成的导线，在所述第一基片与第二基片之间的键合界面上设置有分别连接第一光电子发射金属面和第一光电子接收金属面的导电层；所述第一导线、第二导线分别与所述的导电层对应连接。
通过在第一基片上进行微米级别的穿孔，并在所述的穿孔中进行金属填充所形成的导线，从而简化了第一基片与第二基片上导线的互联结构，从而也简化了MEMS光开关的整体结构，从而有利于进一步提高MEMS光开关的可靠性。
作为本实用新型的优选方案之五，所述第一光电子发射金属面、第二光电子发射金属面为金属锑铯层形成的金属面，所述密闭腔室通过真空封装成为真空腔。
作为本实用新型的优选方案之六，所述三阶化学元素为硼元素，所述五阶化学元素为磷元素，在所述密闭腔室的所述电阻的外露表面覆盖有绝缘薄膜，所述第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面、第二光电子发射金属面、第二光电子接收金属面为反光金属面。
上述在所述密闭腔室的所述电阻(其包括导流电阻和稳流电阻)的外露表面覆盖有绝缘薄膜，可以防止光电子散射至电阻上而影响到光电效应的效率。
作为本实用新型的优选方案之七，所述第一光电子接收金属面、第二光电子接收金属面为银金属层或铝金属层形成的金属面。
优选的，所述静电执行器为平板电极静电执行器或疏齿电极静电执行器。
优选的，所述MEMS光开关为2×2光开关。
本实用新型的有益效果是：
第一，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，通过在密闭腔室内设置第一光电子发射金属面和第一光电子接收金属面，使得由驱动光纤射出的光线通过直射或反射的方式照射到具有光电效应的第一光电子发射金属面上，光电子从第一光电子发射金属面溢出并发射到第一光电子接收金属面，从而形成光电流，并使得第一光电子发射金属面呈现正电势，第一光电子接收金属面呈现负电势，即在第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面之间产生一定的电压，该电压通过第一导线、第二导线对应的加载到固定静电电极和移动静电电极上，形成静电激励，在静电力的作用下移动静电电极带动微反射镜一起移动，从而实现光路的切换。
第二，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，第一光电子发射金属面与第一光电子接收金属面之间连接有导流电阻，使得其一方面可以实现光电子的回流，另一方面可以稳定第一光电子发射金属面与第一光电子接收金属面两端的电压。
第三，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，通过在密闭腔室内设置第一光电子发射金属面和第一光电子接收金属面，使得由驱动光纤射出的光线通过直射或反射的方式照射到具有光电效应的第一光电子发射金属面上，光电子从第一光电子发射金属面溢出并发射到第一光电子接收金属面，从而形成光电流，并使得第一光电子发射金属面呈现正电势，第一光电子接收金属面呈现负电势，即在第一光电子发射金属面、第一光电子接收金属面之间产生一定的电压，该电压通过第一导线、第二导线对应的加载到固定静电电极和移动静电电极上，形成静电激励，在静电力的作用下移动静电电极带动微反射镜一起移动，从而实现光路的切换。
第四，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，通过增加包含第二光电子发射金属面和第二光电子接收金属面的第二对金属面，并利用驱动光纤的输出光线和光电效应在第二对金属面上形成光电流和电压，该电压反向加载到第一对金属面上，起到了引导光电子定向流动的作用，使得原来有散射趋向的光电子在反向电压的作用下从第一光电子发射金属面向第一光电子接收金属面定向流动，形成增强的光电流，提高了加载到固定静电电极、移动静电电极上的电压，从而提高了光纤驱动的可靠性。
第五，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，第一对金属面、第二对金属面互为反向加载电压，因此具有提高光电流的双向增益和稳定作用。
第六，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，利用不同金属具有不同的截止频率这一特性，光电子发射金属面与光电子接收金属面采用不同的金属进行制造，同时使得入射光的频率高于光电子发射金属面的截止频率、低于光电子接收金属面的截止频率，从而防止因反射光线的作用在光电子接收金属面上逆向发射光电子而使得光电流减小，因此可以稳定光电流和电压，增强光电效应的可靠性。
第七，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，通过在第一基片上进行微米级别的穿孔，并在所述的穿孔中进行金属填充所形成的导线，从而简化了第一基片与第二基片上导线的互联结构，从而也简化了MEMS光开关的整体结构，从而有利于进一步提高MEMS光开关的可靠性。
第八，本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关，在所述密闭腔室的所述电阻(其包括导流电阻和稳流电阻)的外露表面覆盖有绝缘薄膜，可以防止光电子散射至电阻上而影响到光电效应的效率。
附图说明
图1是本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关的结构示意图(其中的静电执行器微具有悬臂梁的平板电极静电执行器)；
图2是图1的剖视图(剖视截面垂直于底面及左侧面)；
图3是图1中的第二基片的结构示意图；
图4是在图1中的密闭腔室中，设置第一对金属面的光驱动控制的MEMS光开关的结构示意图(带有剖面的俯视图)；
图5是在图1中的密闭腔室中，同时设置第一对金属面和第二对金属面的光驱动控制的MEMS光开关的结构示意图(带有剖面的俯视图)；
图6是本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关的结构示意图(其中的静电执行器微为具有疏齿电极结构的疏齿电极静电执行器)。
图中：1、第一基片，2、第二基片，3、通信光纤，4、移动式微反射镜，5、固定静电电极，6、移动静电电极，7、密闭腔室，8、第一光电子发射金属面，9、第一光电子接收金属面，10、驱动光纤，11、第一导线，12、第二导线，13、导流电阻，14、第二光电子发射金属面，15、第二光电子接收金属面；16、第一稳流电阻，17、第二稳流电阻，18、导电层，19、导电层，20、绝缘薄膜，21、驱动光纤的定位安装槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
如图1至6所示为本实用新型的一种采用光驱动控制的MEMS光开关的实施例，包括第一基片1、与所述第一基片1相键合的第二基片2；所述第一基片1上集成有用于传输光信号的通信光纤3、用于切换所述通信光纤3光路的移动式微反射镜4、用于驱动所述移动式微反射镜4移动的静电执行器，所述静电执行器包括一对电极，所述一对电极包括固定设置的固定静电电极5、可动设置的移动静电电极6，所述移动式微反射镜4设置在移动静电电极6上；所述第一基片1与第二基片2相键合后在所述第一基片1与第二基片2之间形成一密闭腔室7，所述密闭腔室7内设置有第一对金属面，所述的第一对金属面相对靠近设置，且在所述的第一对金属面中，其中的一个金属面为具有光电效应的第一光电子发射金属面8，其中的另一个金属面为用于接收光电子的第一光电子接收金属面9；所述密闭腔室7上设置有驱动光纤10，所述驱动光纤10的输出光线直接射向第一光电子发射金属面8，或者通过在所述密闭腔室7内的至少一次反射射向第一光电子发射金属面8；所述的一对电极分别通过第一导线11、第二导线12与所述第一光电子发射金属面8、第一光电子接收金属面9对应连接。
根据静电执行器的不同结构，上述微反射镜4的移动可以是平移移动，也可以是转动移动。
作为本实施例的改进方案之一，所述的第一光电子发射金属面8与第一光电子接收金属面9之间连接有导流电阻13。
其中，所述导流电阻13的阻值比所述的第一导线11、第二导线12的导线电阻要大，使得其一方面可以实现光电子的回流，另一方面可以稳定第一光电子发射金属面8与第一光电子接收金属面9两端的电压。
上述技术方案中，通过在密闭腔室7内设置第一光电子发射金属面8和第一光电子接收金属面9，使得由驱动光纤10射出的光线通过直射或反射的方式照射到具有光电效应的第一光电子发射金属面8上，光电子从第一光电子发射金属面8溢出并发射到第一光电子接收金属面9，从而形成光电流，并使得第一光电子发射金属面8呈现正电势，第一光电子接收金属面9呈现负电势，即在第一光电子发射金属面8、第一光电子接收金属面9之间产生一定的电压，该电压通过第一导线11、第二导线12对应的加载到固定静电电极5和移动静电电极6上，形成静电激励，在静电力的作用下移动静电电极6带动微反射镜4一起移动，从而实现光路的切换。
当驱动光纤不输出光线时，静电力消失，移动静电电极6在弹性回复力的作用下带动微反射镜4回到原位，光路切换到原始状态。
作为本实施例的改进方案之二，本实施例的一种采用光驱动控制的MEMS光开关还包括第二对金属面，所述的第二对金属面相互靠近设置，且在所述的第二对金属面中，其中的一个金属面为具有光电效应的第二光电子发射金属面14，其中的另一个金属面为用于接收光电子的第二光电子接收金属面15；所述第二光电子发射金属面14通过第一稳流电阻16连接第一光电子接收金属面9，所述第二光电子接收金属面15通过第二稳流电阻17连接第一光电子发射金属面8；所述驱动光纤10的输出光线通过直射或在所述密闭腔室7内的至少一次反射射向第二光电子发射金属面14及第一光电子发射金属面8。
上述改进方案之二中，通过增加包含第二光电子发射金属面14和第二光电子接收金属面15的第二对金属面，并利用驱动光纤10的输出光线和光电效应在第二对金属面上形成光电流和电压，该电压反向加载到第一对金属面上，起到了引导光电子定向流动的作用，使得原来有散射趋向的光电子在反向电压的作用下从第一光电子发射金属面8向第一光电子接收金属面9定向流动，形成增强的光电流，提高了加载到固定静电电极5、移动静电电极6上的电压，从而提高了光纤驱动的可靠性。
上述第二对金属面的设置，也使得第一对金属面、第二对金属面互为反向加载电压，因此具有提高光电流的双向增益和稳定作用。
作为本实施例的进一步改进，所述驱动光纤10的输出光为紫外光，所述第一光电子发射金属面8、第二光电子发射金属面14发生光电效应的截止频率均小于紫外光的频率，所述第一光电子接收金属面9、第二光电子接收金属面15发生光电效应的截止频率比紫外光的频率要高。
在光电效应中，当入射光的频率高于某一频率时光电效应才会发生，低于该频率时不会产生光电效应。这一特定频率称为光电效应的截止频率。不同的金属具有不同的截止频率。
本实施例利用不同金属具有不同的截止频率这一特性，光电子发射金属面8、14与光电子接收金属面9、15采用不同的金属进行制造，同时使得入射光的频率高于光电子发射金属面8、14的截止频率、低于光电子接收金属面9、15的截止频率，从而防止因反射光线的作用在光电子接收金属面9、15上逆向发射光电子而使得光电流减小，因此可以稳定光电流和电压，增强光电效应的可靠性。
作为本实施例的优选方案之一，所述第二基片2为硅晶片，在位于所述密闭腔室7的硅晶片腔壁上通过金属沉积方法形成所述的第一光电子发射金属面8、第一光电子接收金属面9、第二光电子发射金属面14、第二光电子接收金属面15。
作为本实施例的优选方案之二，所述的第一稳流电阻16、第二稳流电阻17中，至少其中的一个稳流电阻是通过在所述密闭腔室7的硅晶片腔壁上掺杂三阶或五阶化学元素而形成。
其中，另一个稳流电阻可以是掺杂三阶或五阶化学元素而形成的电阻，也可以是金属在硅晶片的腔壁上沉接形成的阻值较小的金属电阻。
作为本实施例的优选方案之三，所述第二基片2为硅晶片，在位于所述密闭腔室7的硅晶片腔壁上通过掺杂三阶或五阶化学元素形成所述的导流电阻13。
作为本实施例的优选方案之四，所述第一基片1为绝缘基片，所述第一导线11、第二导线12是通过在所述的第一基片1上进行穿孔、并在所述的穿孔中进行金属填充所形成的导线，在所述第一基片1与第二基片2之间的键合界面上设置有分别连接第一光电子发射金属面8和第一光电子接收金属面9的导电层18、19；所述第一导线11、第二导线12分别与所述的导电层18、19对应连接。
通过在第一基片1上进行微米级别的穿孔，并在所述的穿孔中进行金属填充所形成的导线11、12，从而简化了第一基片1与第二基片2上导线的互联结构，从而也简化了MEMS光开关的整体结构，从而有利于进一步提高MEMS光开关的可靠性。
作为本实施例的优选方案之五，所述第一光电子发射金属面8、第二光电子发射金属面15为金属锑铯层形成的金属面，所述密闭腔室7通过真空封装成为真空腔。
作为本实施例的优选方案之六，所述三阶化学元素为硼元素，所述五阶化学元素为磷元素，在所述密闭腔室7的所述电阻13、16、17的外露表面覆盖有绝缘薄膜20，所述第一光电子发射金属面8、第一光电子接收金属面9、第二光电子发射金属面14、第二光电子接收金属面15为反光金属面。
上述在所述密闭腔室7的所述电阻(其包括导流电阻13和稳流电阻16、17)的外露表面覆盖有绝缘薄膜20，可以防止光电子散射至电阻上而影响到光电效应的效率。
作为本实施例的优选方案之七，所述第一光电子接收金属面9、第二光电子接收金属面15为银金属层或铝金属层形成的金属面。
优选的，所述静电执行器为平板电极静电执行器或疏齿电极静电执行器。
优选的，所述MEMS光开关为2×2光开关。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
