專利名稱：光束控制的光學切換設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光束控制的光學切換設備，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有機械致動(例如，具有壓電或其它適合的固態(tài)材料)的自由空間光學交接切換設備，或具有這種類型的致動的任何微光學定位或光束控制裝置。
背景技術：
全光學自由空間交接開關通常包括用于發(fā)射準直光束的光發(fā)射器的結(jié)構(gòu)和光接收器的其它結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^改變準直光束的方向以使其照射在選定接收器上而使得所述光發(fā)射器選擇性地與所述接收器相連接。
用于改變以固定方向發(fā)射的準直光束的方向或用于控制的準直光束的方向的全光學自由空間交接開關已經(jīng)被提出。用于改變準直光束方向的開關通常依賴可通過施加靜電力而傾斜的微鏡的布置。相反，用于控制光束方向的開關具有響應于所施加的致動信號而轉(zhuǎn)動或傾斜的光發(fā)射器，或者所述開關相對于準直透鏡的光軸改變光發(fā)射器(諸如光纖尖端)的位置，從而改變光束的角度。兩種類型的光學開關最好使用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術，具有由機械、電磁、壓電、光敏陶瓷或聚合物、熱、化學活性聚合物、電致伸縮的、形狀記憶合金或陶瓷、液壓和/或磁致伸縮的致動器和本領域已知的其它類型的致動器所提供的致動。
微鏡裝置通常是用硅(Si)晶片蝕刻而成的，具有形成為鉸接反射涂布薄片形式的鏡元件，所述鏡元件具有不良限定的靜止位置并且當被致動時易于彎曲，導致改變方向的光束的不精確準直。所述鏡裝置基本是無阻尼的，這限制了它們的響應時間。
近年來，已經(jīng)提出了光束指向受控的包含壓電致動器的光發(fā)射器。壓電致動器最好提供快速響應、產(chǎn)生大作用力、具有用于快速切換的高特征頻率，以及具有明確限定的靜止位置。另外，它們是低成本的并且具有低的振動敏感性。通過為電極提供電荷而可控制壓電致動器的移動。例如，美國專利US 4,512,036描述了沿與光纖的縱軸垂直的兩個方向彎曲光纖的自由端，其中光纖尖端相對于固定透鏡移動。其它裝置提出了利用壓電致動器使得在固定光纖前面的透鏡在與光纖的縱軸垂直的平面中移動。然而，實際的壓電致動器趨于具有有限的移動范圍，這限制了光束可達到的傾斜角。
已經(jīng)提出了放大由壓電致動器所產(chǎn)生的位移或行程以增加光束傾斜角的方案。例如，美國專利US 4,303,302描述了一種簡單桿臂，桿臂具有與臂相連接的光纖，所述桿臂在其固定端上被支撐并且與桿臂固定端附近的壓電雙晶彎曲元件機械連接。從而具有光纖端部的桿臂的自由端可在一個平面中移動并與位于弧上的不同光纖對準。在PCT/GB01/00062中提出了用于增加用萬向架安裝的光纖夾持器的傾斜角的另一種桿機構(gòu)，所述光纖夾持器具有用以發(fā)射準直光束的光纖/透鏡組件。然而，這樣一種桿機構(gòu)增加了由壓電換能器移動的質(zhì)量因此不利地降低了光學組件的特征頻率。降低特征頻率會降低交接開關可達到的切換速度并增加對振動的敏感性。
前述具有桿的壓電致動機構(gòu)不太可能得益于便宜的并且可再現(xiàn)的批量生產(chǎn)工藝(諸如MEMS技術)。對于MEMS，使用來源于IC制造工藝的顯微機械加工技術可將機械元件、傳感器、致動器以及電子器件可被集成在公共的襯底上。使用計算機自動設計工具(諸如AutoCAD等)可設計和優(yōu)化可靠的高性能產(chǎn)品。
MEMS裝置的尺寸可在幾微米到毫米的范圍內(nèi)，并且可由在半導體工業(yè)中的標準平版印刷和蝕刻工藝精確地控制。這種微型化對于準確的致動以及光學感測和定位來說是尤為有吸引力的。特別是，微型化減小尺寸并增加了全光學開關的端口密度，并且可擴展到光學網(wǎng)絡中的其它可調(diào)諧和/或可編程的光學部件。
因此，期望提供用于全光學交接開關中的光束控制和定位的壓電致動動作變換器，所述變換器具有用于高端口計算和快速切換速度的足夠大的光束偏轉(zhuǎn)角，并且可通過傳統(tǒng)的MEMS制造工藝以可再現(xiàn)地并且便宜的方式批量生產(chǎn)。
發(fā)明概述本發(fā)明描述了顯微機械加工的動作變換器以及它們的集成和/或裝配，所述變換器用于小型光學元件的定位從而產(chǎn)生各種可調(diào)諧的光學部件。動作變換器連同不同類型的小尺寸致動器(特別是壓電致動器)可被緊密地裝到可移動光學元件的緊密陣列中，可移動光學元件的緊密陣列又可被獨立使用或一起使用以執(zhí)行更高級的光學功能，諸如用于電信網(wǎng)絡的大端口計算全光學開關。
依照本發(fā)明的一個方面，提供了一種光學定位裝置，所述光學定位裝置包括用于產(chǎn)生機械運動的致動器；可移動的光學部件；以及具有用于連接致動器的第一連接、用于連接光學部件的第二連接、以及用于連接支撐殼體的第三連接的整體組件。所述整體組件響應于致動器的移動相對于支撐殼體向光學元件傳遞移動。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種具有光學定位裝置的光學開關，其中所述光學定位裝置包括用于產(chǎn)生機械運動的致動器、可移動的光學部件、以及整體組件。所述整體組件具有用于連接致動器的第一連接、連接光學部件的第二連接、以及連接支撐殼體的第三連接。所述整體組件響應于致動器的移動相對于支撐殼體向光學元件傳遞移動。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種使用用于移動光學部件的致動器的光學定位裝置，其中所述光學定位裝置包括具有用于連接致動器的第一連接、連接光學部件的第二連接、以及連接支撐殼體的第三連接的整體組件。所述整體組件響應于致動器的移動相對于支撐殼體向光學元件傳遞移動。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用在使用用于移動光學部件的致動器的光學定位裝置中的整體組件，其中所述整體組件包括用于連接致動器的第一連接、連接光學部件的第二連接、以及連接支撐殼體的第三連接。所述整體組件響應于致動器的移動相對于支撐殼體向光學元件傳遞移動。
本發(fā)明的實施例可包括下列一個或多個特征。所述光學部件可包括從包括光纖、透鏡、鏡、準直器、棱鏡、過濾器以及光柵的組中選擇出來的一種部件。所述光學元件的移動可導致光束的形成和/或轉(zhuǎn)向。
所述整體組件可包括順從聯(lián)結(jié)器，所述順從聯(lián)結(jié)器被布置在從包括致動器、光學部件以及支撐殼體的組中選擇出來的部件的任意組合之間。所述順從聯(lián)結(jié)器可包括彎曲部分、扭曲部分、環(huán)狀彎曲部分、膜片、桿臂、剛性連桿、和/或萬向節(jié)。致動器可為壓電致動器、電致伸縮致動器、磁致伸縮致動器、靜電致動器、熱力致動器、電磁致動器、和/或電活化聚合物。所述整體組件可由一層或多層構(gòu)成，諸如襯底。所述整體組件可包括至少一個微制造元件和/或多個桿臂。
所述光學定位裝置還可包括用于放大致動器所產(chǎn)生的機械運動的行程放大器。
這里插入對于可變形光纖和平面型波導件的描述。
從以下對于優(yōu)選實施例的描述中以及從權(quán)利要求中可明顯地看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。
附圖的簡要說明以下的附圖示出了本發(fā)明的某些示例性實施例，其中相似的附圖標記表示相似的元件。所示出的這些實施例應被理解為本發(fā)明的示例而不應被理解為以任何方式限定本發(fā)明。


圖1是全光學開關結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖2示出了為了使得光束傾斜而處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的光纖/透鏡組件；圖3示出了通過使得透鏡相對于固定光纖移動而實現(xiàn)光束傾斜的光纖/透鏡組件；圖4示出了通過使得光纖相對于固定透鏡移動而實現(xiàn)光束傾斜的光纖/透鏡組件；圖5示出了通過使得光纖相對于固定透鏡轉(zhuǎn)動而實現(xiàn)光束傾斜的光纖/透鏡組件；圖6示意性地示出了使用圖5光纖/透鏡組件的動作變換器的一個實施例；圖7A是處于靜止位置中的用于圖6的動作變換器的示例性整體桿臂的第一實施例的透視圖；圖7B是處于致動位置的圖7A桿臂的透視圖；圖7C是處于靜止位置中的用于圖6的動作變換器的示例性整體桿臂的第二實施例的透視圖；圖7D是處于致動位置的圖7C桿臂的透視圖；圖7E是處于靜止位置中的用于圖6的動作變換器的示例性整體桿臂的第三實施例的透視圖；圖7F是處于致動位置的圖7E桿臂的透視圖；圖7G是用于動作變換器的示例性整體桿臂的第三實施例的透視圖；圖7H是圖7C的桿臂的底視圖8以截面圖的方式示意性地示出了使用雙膜片彎曲部分和圖5中所示的光纖/透鏡組件的動作變換器的另一個實施例；圖9是沿圖8的線IX-IX所得到的動作變換器的截面底視圖；圖10示出了處于致動狀態(tài)的圖8的動作變換器；圖11示出了用于制造圖8到圖10中所示的動作變換器的粘接的雙膜片彎曲部分的工藝；圖11A-F示出了用于制造包含整體桿臂的動作變換器的層的工藝；圖12示出了用于圖7到圖10的實施例的示例性壓電致動器結(jié)構(gòu)；圖13A是用于形成圖1中所示的光學開關結(jié)構(gòu)的示例性部件的頂視圖和沿線A-A所得到的截面圖；圖13B是單獨的整體單元的透視圖(a)和截面圖(b)，所述整體單元與其它整體單元可形成圖13A中所示的光學開關結(jié)構(gòu)；圖13C以截面圖的方式示意性地示出了接合層、放大器層以及圖13A的組件的透鏡支座的層疊組件；圖13D是圖1的開關結(jié)構(gòu)的分解圖，示出了各種元件和部件；圖13E示出了具有粘接和接線板以及用于光纖連接的毛細管的圖13A的部件的截面圖；圖13F示出了密封的組件；圖14示出了用以校正光發(fā)射器和光接收器的軸向偏移的光學元件；圖15示意性地示出了用于切換設備的初始校準的裝置；圖16示意性地示出了用于使用光纖分接聯(lián)結(jié)器的主動校準和控制反饋的裝置；圖17示意性地示出了用于主動光束對準的發(fā)射器/接收器的方向調(diào)制；圖18示意性地示出了用于光功率控制和光束對準的處于兩個不同波長的光功率輪廓；圖19A示出了直接作用在可移動MEMS套環(huán)組件上的壓電致動器以對于可能的路徑長度改變、光學相位延遲以及可調(diào)諧的濾光器應用而改變光纖延伸率；圖19B示出了用于通過包括微制造的活塞和液壓移動放大的MEMS動作變換元件使得光纖變形(延長)的壓電致動器；
圖20A示出了形成于襯底上的平面型波導件中并具有液壓移動放大的Mach-Zehnder干涉儀；以及圖20B示出了形成于襯底上的平面型波導件中并具有通過機械動作變換部件作用在波導件上的壓電致動的Mach-Zehnder干涉儀。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式文中所描述的系統(tǒng)和方法涉及動作變換器以及其集成和/或裝配，動作變換器用在定向光束和小型光學元件的定位方面以形成各種可調(diào)諧的光學部件。特別是，所述系統(tǒng)和方法可用于具有電活化致動和基于可變形波導的可調(diào)諧部件(諸如開關、可變衰減器以及偏振和色散控制器)的自由空間光學交接切換設備。
詞語“動作變換器”將用于指示在程度和/或方向上的移動的放大或轉(zhuǎn)變。
文中所使用的詞語“電活化”是指對于施加的電信號顯示機械響應的材料范圍。特別是，壓電和電致伸縮的材料都是電活化的，并且在存在外加電場或電壓時可改變它們的尺寸(應變)或施加作用力(應力)。此后可使用詞語“壓電”來取代“電活化”，其中應該理解的是，所述術語不是限制性的，而是應將其理解為當前應用中可使用的電活化材料的范圍和幾何形狀的示例。
電活化材料的使用能夠使致動器施加高作用力，快速對與外加場作出反應并且需要低功耗。使用機械放大結(jié)構(gòu)可將高作用力轉(zhuǎn)變成大偏轉(zhuǎn)或通過合適的機構(gòu)將其從線性轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動或其它類型的移動。合適的機構(gòu)可包括桿、連桿機構(gòu)、彎曲部分、順從機構(gòu)等。與連桿機構(gòu)相比較，包含彎曲部分的順從機構(gòu)提供了較少的機械損失和反沖。高速是晶格對于外加場的迅速壓電響應的結(jié)果。低功耗是大電容裝置的結(jié)果，要求電流流動以啟動移動，但不保持位置。使用這些材料的致動器可具有高剛度，因此被用在具有高共振頻率的結(jié)構(gòu)中，使它們基本上不會受到環(huán)境振動的影響。這又使這些致動器更能夠在開環(huán)操作中保持它們的位置穩(wěn)定性。
首先參照圖1，全光學開關組件10將來自于位于第一圖像平面11a上的光發(fā)射器12、14的光束15、17引向位于第二圖像平面11b上的接收器16、18。所示的例證性的圖像平面11a、11b都具有相對于中心軸線CL對稱地布置的9-元件開關矩陣以有助于光束尋址和控制。發(fā)射器12、14和接收器16、18可被布置在任一個圖像平面11a、11b上并且可使其混和。因此所示出的結(jié)構(gòu)僅僅是例證性的而不是以任何方式對其限定。例如，主動和/或被動的發(fā)射器和/或接收器的任意組合可被組合以構(gòu)成1×N、N×1、或N×N、或M×N開關組件。對于不閉塞的N×N和M×N儀器來說，傳輸和接收元件都應為主動的。在實際應用中，光纖可與位于相應圖像平面11a、11b中的發(fā)射器/接收器位置中的相應光束控制裝置相連接。例如從在圖像平面11a中的發(fā)射器14中發(fā)射的光束可由光束控制裝置被引向圖像平面11b中的任意端口。利用從在一個圖像平面(例如圖像平面11a)中的任意發(fā)射器中發(fā)射到相對圖像平面11b上的中心位置處的接收器18上的光束(如光束路徑17所示的)的被動可使對準光束控制裝置的致動行程被減小。利用這種方式，與第一圖像平面11a上的發(fā)射器位置無關，每個發(fā)射器12、14都將大致需要相同的光束偏轉(zhuǎn)角以便于到達在相對圖像平面上的所有接收器16、18。所示的例證性的端口與光纖相連，盡管也可使用本領域中已知的其它光發(fā)射和接收裝置。下面將詳細描述用于主動地控制光束15、17的適合的方法。為了清楚起見，圖中已省略了致動機構(gòu)。
現(xiàn)在參照圖2到圖5，通過不同的方法可使用光纖/透鏡組件20、30、40、50調(diào)節(jié)例如由位于準直器(透鏡)24的焦平面中的光纖22的端部25所發(fā)射的并由準直器24相對于固定軸A所校準的光束的軌線26。如圖2中所示，光纖22可被固定于準直器24，并且如箭頭21所示，光纖22和透鏡24可一起相對于樞軸點23傾斜。光束傾斜角等于光纖/透鏡組件20的傾斜角。光纖尖端可以一定角度裂開和/或被抗反射涂覆和/或被透鏡化以減小背反射和/或提高光學性能?；蛘?，如圖3中所示，可使得透鏡24相對于光纖22自由端上的固定的光纖尖端25沿基本垂直于固定軸A的方向移動距離y。本實施例中的光束角Θ等于-y/f，其中f為透鏡的焦距。前兩種方案涉及移動較重的元件，這易于減小特征響應/切換頻率。本領域技術人員應該理解的是，也可使得其它光學元件(諸如棱鏡和光柵)相對于光學發(fā)射器/接收器位移以便于進行光束控制。
與之相反，如圖4中所示，可使得光纖尖端25相對于固定透鏡24移動距離y，也給出了Θ＝-y/f。根據(jù)準直透鏡的焦距和所期望的偏轉(zhuǎn)角，光纖平移需要較大的光纖移動距離。盡管可通過使用具有較短焦距的透鏡以提供較大的“光學杠桿率”而增加光束傾斜角Θ，但是用于有效地將準直光束映射在接收器16、18上所需的光束質(zhì)量(波前失真)設定了實際焦距的下限。
圖5中所示的另一種可選擇的光束控制/傾斜機構(gòu)50使用固定器或夾持器52夾持光纖22，所述光纖22可圍繞“有效的”樞軸點53樞轉(zhuǎn)。詞語“有效的”樞軸點是指的是，該樞軸點可根據(jù)固定器52的傾斜位置相對于固定支撐移動。致動器(未示出)可在離有效樞軸點53的距離Δ處的連接點56處與固定器52相連。光纖用作桿臂以將角運動轉(zhuǎn)化成光纖尖端在弧形路徑上相對于樞軸點的放大運動。對于小轉(zhuǎn)動角來說，弧形路徑可被示為偽線性的，與可由非球面透鏡設計校正的真實線性路徑之間具有小的偏差。連接點從靜止位置處的橫向位移ε將使得光纖尖端25移動y。如上所述的，y值的大小又將確定光束角Θ。后兩種方案最好只涉及移動較輕的光纖。
參照圖5，光束傾斜角Θ與光纖尖端25從其靜止位置處的橫向位移y之間的關系為Θmax＝-y/f，其中f為透鏡的焦距。y與連接點56處的橫向偏移ε之間的關系由以下等式表示y＝L/Δ×ε，其中，L是光纖尖端25與光纖固定器的樞軸點53之間的距離，Δ是光纖固定器上的連接點56與樞軸點53之間的距離，而ε是光纖固定器在連接點56處的橫向位移。
因此，Θ＝(-Lfiber/f)×(ε/Δ)也就是說，可通過以下方式增大光束角Θ增加光纖自由端的長度(Lfiber)(由于光纖固有的撓性，這在超過了一定光纖長度的情況下是不切實際的)；增加壓電致動器的可達到的致動器移動(“行程”)或?qū)⒈粍訔U臂連接到致動器(這具有上述的某些缺點)；和/或減小連接點56與樞軸點53之間的距離Δ。
對于新型MEMS制造技術，Δ可被減小到幾十個微米或更小的長度。典型的壓電致動器可產(chǎn)生ε＝10μm的行程，因此在Δ-60μm的情況下可獲得Θ-3°的傾斜角。使用MEMS技術可容易地制造具有所述連接點與樞軸點間隔的傾斜組件?，F(xiàn)將描述兩種不同設計的動作變換器。
圖6示意性地示出了將壓電致動器65、66的線性(左右方向)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w尖端25的(上/下)運動的動作變換器60，所述光纖尖端25位于與殼體或支撐結(jié)構(gòu)61相連的準直透鏡24的焦平面中。壓電致動器65、66被殼體61支撐在固定端上，其中壓電致動器65、66的自由端在連接點67、68處推壓相應的桿63、64。所述桿具有彎曲部分并且一端與支撐結(jié)構(gòu)61相連接而另一個自由端與用以夾持光纖22的固定器/夾持器62相連。如上面參照圖5所述的，透鏡后面的光纖尖端的上下運動改變準直光束的軌線和光束角Θ。
現(xiàn)在參照圖7A到7F，動作變換器放大機構(gòu)的桿臂的設計確定了機械功能、運動的范圍、放大系數(shù)以及所需作用力。在圖7A中的例證性實施例中，桿機構(gòu)70A包括圍繞中心光纖/透鏡光軸71以120°隔開的三個桿臂73、74、75。三個壓電致動器(未示出)在連接點76處與桿臂73、74、75相連接，所述連接點76靠近桿臂與支撐結(jié)構(gòu)78(例如，Si層)相連的桿臂的樞軸點(或拐點)771。桿機構(gòu)放大壓電致動器的線性移動并將所放大的線性移動轉(zhuǎn)變成光纖的傾斜移動。因此，例如在連接點76處由壓電致動器桿臂73施加的任何小偏轉(zhuǎn)都以桿臂的長度與該連接點和與支撐結(jié)構(gòu)78相連的連接點之間的距離之間的比率被放大。這種類型的桿機構(gòu)也可被看作是行程放大器。三個臂73、74、75在其自由端處可通過共用中心結(jié)構(gòu)(例如，用以夾持光纖的光纖夾持器72)被連接。
通常，壓電堆疊組件在承受拉力方面明顯比承受壓縮方面弱。為了使該裝置的操作范圍最大化，在裝配過程中將預加載荷施加到光纖上。預加載荷在壓電致動器中產(chǎn)生壓縮載荷，從而增加了該裝置的操作范圍。
在圖7A中所示的例證性實施例中，三個桿臂73、74、75中的每個都具有三個獨立的彎曲元件771、772和773。三個彎曲部分中的兩個771、772嚴格地用作允許每個桿臂放大壓電致動器的平移運動的桿樞轉(zhuǎn)彎曲點。每個桿臂上的第三個彎曲部分773的取向垂直于其它兩個彎曲部分。該第三個彎曲部分773允許沿垂直于其它兩個彎曲部分的方向彎曲。由于這三個桿臂73、74、75可通過中心光纖/透鏡結(jié)構(gòu)被連接并且所述桿臂可被獨立地致動，每個桿臂都經(jīng)受聯(lián)接運動并從另一個桿臂處彎曲。第三個彎曲部分773為該運動提供順從性，這產(chǎn)生了一定角度的傾斜。致動每個桿獨立地控制中心光纖/透鏡結(jié)構(gòu)平面的三點的位置。控制光纖/透鏡結(jié)構(gòu)平面的三點提供了定位光纖/透鏡的能力，因此光束以在機械限位約束范圍內(nèi)的任何期望角度形成于層結(jié)構(gòu)中。桿的致動使得光纖和/或透鏡一致地沿光軸(z-軸)移動并且可用于改變光束的準直以及用于對光纖施壓，下面將對其進行描述。
圖7B示出了例如通過推壓連接點76’而處于致動狀態(tài)中的圖7A的機構(gòu)。通過桿臂73、74、75之間的偏移差異確定光纖傾斜71’。
可用市場上可買到的硅片制造例證性桿臂結(jié)構(gòu)70A。每個桿臂的長度都在1mm和2mm之間。例證性桿臂結(jié)構(gòu)70的其它典型尺寸如下所示的硅片厚度＝625μm溝道寬度＝70μm溝道深度＝545μm彎曲臂寬度＝30μm推壓點寬度＝70μm光纖孔徑＝140-190μm對于例證性設計中所示的致動器推壓點的這些尺寸和位置，在光纖連接結(jié)構(gòu)的中心處可容易地實現(xiàn)大約5倍(5×)的平移運動放大。如上所述，通過差動地激勵致動器可產(chǎn)生傾斜操作。
在圖11A和11B中示出了一種用于制造例證性桿臂結(jié)構(gòu)70A的工藝。下面將參照圖13A和13B描述裝配的細節(jié)，其中層134包括這里所述的桿臂結(jié)構(gòu)。層134(見圖13A)是通過晶片兩側(cè)上的一系列深層反應離子蝕刻(DRIE)形成的以形成溝道。掩模的前后對準的精心控制對于彎曲部分的形成是不可缺少的。側(cè)壁平直度和溝道底部處的圓角控制對于達到所需的結(jié)構(gòu)強度也是重要的。圖11A和11B示出了制造工藝流程的詳細步驟(步驟A到K)。該工藝中使用的掩模布置是常規(guī)的并且沒有被示出。在步驟A中，表面氧化物在晶片的頂面(T)上生長并形成限定通孔的圖案。在步驟B中，光致抗蝕劑(PR)自旋并且限定出不貫穿晶片的孔的設計。在步驟C中，使用緩沖氧化物蝕刻(BOE)通過氧化物層蝕刻開口，之后在步驟D中，通過425μm(加上附加深度以計算依賴縱橫比的蝕刻(ARDE))的DRIE蝕刻產(chǎn)生幾乎整個溝道深度。在步驟E中，剝離PR掩模并且蝕刻100μm的附加深度以完成晶片的頂面。
在步驟F中(圖11B)，利用氧化物晶片在底面(B)上選擇性地形成圖案。B面還包括具有部件132(圖13A)和致動器推壓點76(圖7)的粘接區(qū)。在步驟G中，利用PR在B面上形成用于通孔和非通孔溝道的圖案。如前面所述的，在步驟H中，執(zhí)行深度為515μm的DRIE蝕刻(加上附加深度以計算ARDE)，之后在步驟I中，剝離PR以露出步驟A的嵌套蝕刻以在B面上形成凹入的特征。在步驟J中，DRIE蝕刻附加的10μm以形成不同于其它凹入表面的推壓點接觸區(qū)域和粘接區(qū)域。在該工藝步驟，用于使桿與晶片其余部分分離的所有區(qū)域已被去除。在步驟K中，所有的掩模殘余物和其它保護層都被剝離，只留下桿臂層134的硅結(jié)構(gòu)。
圖7C示出了另一個桿臂機構(gòu)70B，其中彎曲部分773已被薄臂778取代，所述薄臂778吸收由其它桿臂所產(chǎn)生的扭力。然后，如圖7D中所示，當桿臂在連接點76’處被致動時臂可扭曲。如圖7H中所示，在一個優(yōu)選實施例中，圖7C中的推壓點76包括兩個沿垂直于臂778的縱向的方向隔開的推壓點76a、76b。圖7H示出了用于圖7C中所示的桿臂機構(gòu)70B的層134(圖13A)的底視圖，其中可清楚看到兩個推壓點76a、76b。具有兩個推壓點能夠為致動器附近的設計增加剛度，其中凸臺1376(見圖13A和13C中的層1325)將來自于致動器1320的致動力傳輸?shù)酵茐狐c76a、76b。凸臺層是配合界面的一部分，下面將參照圖13A對其，特別是對部件134進行詳細描述。
圖7E示出了桿臂機構(gòu)的另一個實施例70B，其中彎曲部分780、782和784是通過在整個晶片厚度蝕刻而不是蝕刻到必須精心監(jiān)控的某一溝道深度而形成的，這簡化了生產(chǎn)工藝。與上面參照圖7A到7D所描述的實施例中類似，致動器的連接點76位于固定支撐78附近。如在圖7F中所示的，當桿臂在連接點76’處被致動時光纖和/或光束方向傾斜。
致動機構(gòu)的其它設計可具有至少一個臂、兩個臂、也可能具有四個或更多個臂。通常，諸如上述的三臂實施例的對稱性設計是優(yōu)選的，這是因為它們不受臂與殼體之間的熱膨脹不匹配的影響以及因為它們由于用于差動致動的能力而能夠提供高的有角度的輸出。通過不同的聯(lián)接設計可實現(xiàn)不同的運動模式(平移、下降等)。
桿臂通常為625μm厚(批量微加工的直徑為150-mm的硅晶片的厚度)，其中臂的長度為1到2毫米。當一些致動器被激勵而其它的致動器未被激勵時，實現(xiàn)傾斜操作。對于所示的尺寸，對于在連接點76處獨立致動的任意一個壓電致動器的5μm平移運動，在該結(jié)構(gòu)中可獲得大約±3°的角度擺動。角運動的有效樞軸點位于包含桿臂的結(jié)構(gòu)層的厚度之內(nèi)。在該性能中的限制性因素是在彎曲部分內(nèi)的峰值應力，所述峰值應力限制了在損壞之前它們可適應的最大彎曲。應該注意的是，三個致動器可一致地(共同地)被延伸和/或收縮以使得非翻轉(zhuǎn)而是下降的垂直于裝置平面的z軸運動實現(xiàn)中心光纖接觸點的放大延伸或定位，從而實現(xiàn)例如光纖尖端進入或離開取向平行于裝置平面的透鏡的焦平面中的運動。該運動可導致來自于裝置的出射線束的焦點和準直程度的改變。
為了使得放大和傾斜運動最大化，彎曲部分應該在致動力的方向上具有高的剛度，同時使得固定器自由地傾斜。這可通過圖7A的三鉸接鉸鏈機構(gòu)的彎曲部分773或通過圖7C和7E的薄的垂直彎曲部分778、782來實現(xiàn)。該機構(gòu)也可被理解為能夠使固定器以自由角運動(諸如傾斜一定的立體角)的順從致動機構(gòu)或萬向節(jié)。通常，使彎曲元件的截面較長和較薄將提供更大順從性并減少彎曲部分所經(jīng)受的應力。然而，在實際開關應用中，這將增加開關結(jié)構(gòu)中的每個端口的總徑向尺寸，從而將不利地增加端口與所需的光束控制角度之間的中心到中心的間隔。
圖7G示出了另一種可選擇的運動放大機構(gòu)，其中桿臂環(huán)繞彎曲達到中心結(jié)構(gòu)的相對側(cè)面。如前面所述的，每個臂都具有三個彎曲部分。彎曲部分允許臂的運動以使中心結(jié)構(gòu)可翻轉(zhuǎn)和傾斜。在該設計中，對于給定的傾斜角度，靠近中心結(jié)構(gòu)的彎曲部分經(jīng)受較小的彎曲，因此允許動作變換器增加大約2倍的范圍。
與圖7A到7G中所示的對于每個光纖端口使用幾個線性壓電致動器的實施例不同，也可使用一個沿其縱向(z)軸彎曲的單一彎曲類型的壓電致動器來實現(xiàn)放大傾斜運動。下面將參照圖8到圖10描述使用雙膜片彎曲部分的一個實施例的詳細設計。
圖8是具有被支撐在殼體的底部支撐81上或具有側(cè)壁83的支撐結(jié)構(gòu)上的壓電彎曲致動器85的動作變換器機構(gòu)80的截面圖。下面將更詳細地描述壓電致動器85的各種設計和電極布置。在由電荷和/或電壓致動的情況下，壓電致動器85的自由端沿箭頭86的方向側(cè)向移動。雙膜片彎曲部分810被側(cè)壁83橫向地支撐。雙膜片彎曲部分810是由沿它們圓周816的至少一部分和在中心817處粘接在一起的兩個獨立層812和814制成的。本領域技術人員應該理解的是，其它各種光學元件(諸如透鏡、鏡和/或光柵)都可與動作變換器相連。應該理解的是，膜片不一定是連續(xù)的，而是可包括狹縫和其它類型的徑向和/或環(huán)形開口，只要膜片提供足以傳輸橫向作用力的剛度即可。
在所示的實施例中，雙膜片彎曲部分810由硅或在絕緣體上的硅(SOI)晶片制成，但是也可使用其它材料(諸如金屬)。薄的環(huán)形膜片820、822被布置在每個層812、814的平面中的粘接部分816和817之間。所述膜片可為連續(xù)的或分段的。上膜片822的徑向向內(nèi)部分與光纖固定器82相連接，而上膜片822的徑向向外部分被牢固地固定于壁83。下膜片820的徑向向內(nèi)部分與光纖固定器82相連接，而下膜片820的徑向向外部分與環(huán)824相連接，所述環(huán)824被布置在環(huán)824和層812的部分826之間的彎曲部分818彈性地支撐以便于沿箭頭86的方向移動，所述層812的部分826被牢固地固定于壁83。附加的可選擇的環(huán)形結(jié)構(gòu)830可被布置在壓電致動器85的自由端與彈性支撐環(huán)824之間以便于當將壓電致動器85的自由端與環(huán)824相連接時適應制造公差。也可將順從性的上膜片看作是固定器82的萬向架。
圖9是從雙膜片撓性動作變換器的底部81所看到的沿圖8的線IX-IX所截的截面圖。在所示的例證性實施例中，三個彎曲部分818被布置和連接在環(huán)圈824與層812的固定部分826之間以使得環(huán)圈824在壓電致動器85的自由端的所有致動方向上基本均勻地橫向位移。該裝置的最終功能不需要這些彎曲部分818。它們被設計為順從性的以便于保持環(huán)的位置直到它被粘接于致動器并且在操作期間不會降低該裝置的性能。
圖10示出了處于致動狀態(tài)下的動作變換器機構(gòu)80，其中壓電致動器85的自由端沿箭頭96的方向橫向位移距離ε。通過壓縮彎曲部分918a使該位移ε將環(huán)圈824推向壁83的左部以及通過擴展彎曲部分918b使該位移ε將環(huán)圈824推離壁83的右部。因此，作用力被施加于下膜片820的連接點94，該作用力朝向被壓縮的彎曲部分918a拉動連接點94，因此使光纖固定器82圍繞固定器82的基本固定的樞軸點93樞轉(zhuǎn)。如參照圖5所述的，光纖固定器82的該樞轉(zhuǎn)移動使得由光纖尖端(未示出)發(fā)射的光束軌線改變角Θ?？赏ㄟ^MEMS技術非常精確地制造膜片，其中可容易地獲得連接點94與樞軸點93之間的例如為50-100μm的間隔。因此，壓電致動器85的大約5μm的小位移ε可使Θ發(fā)生較大改變。
圖11示出了雙膜片810的MEMS制造步驟?？墒褂镁_設計的市場上可買到的SOI(絕緣體上硅結(jié)構(gòu))晶片進行層(特別為薄膜820、822)的厚度的精確控制。SOI晶片通常由薄SiO2-Si層結(jié)構(gòu)被晶片粘合于其上的處理晶片構(gòu)成，其中SiO2層面對處理晶片。Si和SiO2層的厚度可被良好地控制，其范圍從極薄(10nm)到數(shù)十微米那么厚，具有好于±5％的厚度均勻性。在本實施例中，處理晶片提供結(jié)構(gòu)支撐，而膜片主要由薄Si層構(gòu)成。
現(xiàn)在參照圖11，具體參照工藝步驟A，頂部MEMS層814由裝置表面1104上具有60μm厚的Si層的SOI晶片制成。Si層1104通過中間SiO2層1102被處理層1101支撐。具有厚度約為10μm的剩余層的階梯式凹槽1105被蝕刻于裝置表面1104上。該剩余層稍后將構(gòu)成膜822。中心部分1103通過Si裝置層1104和中間SiO2層1102被部分地蝕刻到處理層1101中。
在獨立工藝步驟B中，蝕刻底部MEMS層812。從具有與上述頂部晶片相同尺寸的SOI晶片處開始，具有厚度約為10μm的剩余層的凹槽1115被蝕刻在裝置表面1104’上。該剩余層稍后將構(gòu)成膜820。中心部分1113和環(huán)形部分1117通過Si裝置層1104’和中間SiO2層1102’被部分地蝕刻到處理層1101’中。
在工藝步驟C中，例如通過熔接或晶片粘合將底層812粘接于頂層814。在工藝步驟D中，例如由Ti/Pt/Au或Ti/Ni/Au制成的金屬化層1132、1132’、1134和1134’被沉積和形成在粘接膜層的相應處理表面1101、1101’上。提供金屬化層1132以隨后將所形成的雙膜片結(jié)構(gòu)810連接于固定器或殼體，而提供金屬化層1132’以連接穿過夾持器817的中心開口延伸的光纖。金屬化層1134’直接或通過中間層與壓電致動器(未示出)相連接。在工藝步驟E中，在粘接膜片層的頂部處理層1101和底部處理層1101’上執(zhí)行DRIE蝕刻以便于蝕刻通過夾持器817并蝕刻到嵌入的SiO2層，從而形成兩個膜片820和822，以及豎直彎曲部分。為了在DRIE蝕刻之后解除處理面的角部處的應力，使裝置上的階梯式凹槽1105和1115的寬度比處理表面上的與凹槽1105和1115相對的DRIE蝕刻凹槽的寬度窄至少幾μm。
圖12示出了能夠提供用于上述例證性動作變換器的移動的壓電致動器的不同實施例。圖12(a)示出了具有順序布置的互相交叉電極1212、1214的壓電疊層1210，在外部電壓施加于互相交叉電極1212、1214后，所述壓電疊層1210沿箭頭方向擴展/收縮。圖12(b)示出了具有內(nèi)部電極1222和外部電極1224的壓電管1220，在外部電壓施加于電極1222、1224后，所述壓電管1220也沿箭頭方向擴展/收縮。圖12(c)示出了具有內(nèi)部電極1232和沿其縱向軸布置于管1230外表面的分段電極1234、1236、1238的管1230。當在內(nèi)部電極1232與電極1234、1236、1238之間施加不同的電壓后，該管可沿箭頭方向彎曲。圖12(d)示出了壓電彎曲裝置1240的一個可選擇的實施例，所述壓電彎曲裝置1240具有布置于支撐結(jié)構(gòu)1248上的可獨立尋址的壓電彎曲元件1242、1244、...。該壓電管也可由涂有壓電材料的材料(諸如金屬管)制成。
工程應用中所使用的典型壓電結(jié)構(gòu)是PZT-類型(鋯鈦酸鉛)。在這種類型的壓電結(jié)構(gòu)中，存在許多具有不同性能和機械特性的變體。其變化由源粉末中的化學摻雜劑的量所確定。PZT材料的典型特征在于，大致動應變、線性響應、以及良好的溫度穩(wěn)定性，而且還具有高蠕變和磁滯并且在操作之前需要被極化。這是可被選擇用于致動器試驗的第一種并且是最通用類型的壓電致動器。
典型的電致伸縮的結(jié)構(gòu)是PMN(鈮鎂酸鉛)類型。這些結(jié)構(gòu)不需要被極化，具有在裝置集成和操作方面有主動意義的特征(允許更高的處理和操作溫度)。PMN材料通常具有以下特征良好的致動應變、極低的磁滯和蠕變，然而表現(xiàn)出高度的線性響應和高的溫度敏感性。
可通過形成其它鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料與PZT和PMN成分的混合物或固溶體而進一步特別設定電子機械致動器特性。例如，一般的分子式(A1A2)(B1B2)O3可用于表示簡單化合物，諸如(Na1/2Bi1/2)O3或者(K1/2Bi1/2)O3，混合的B部位化合物，諸如(Zn1/3Nb2/3)O3或者(Sc1/2Ta1/2)O3或者缺陷化合物，諸如(La2/3□1/3)TiO3，其中□是空位。根據(jù)其致動性能、可靠性、環(huán)境穩(wěn)定性和處理兼容性選擇最佳成分。
圖12(c)和(d)中所示的這種類型的管狀致動器特別適用于圖8-10的實施例。利用雙膜片動作變換器810將側(cè)向移動轉(zhuǎn)移到光纖夾持器82。
盡管上面已經(jīng)參照一個單元對動作變換器和光束偏轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了描述，但這樣的裝置通?？杀患梢孕纬啥喽丝陂_關結(jié)構(gòu)，下面將對其進行描述。
圖13A示出了沿著一個示例性開關結(jié)構(gòu)130的線A-A得到的頂視圖和截面圖，示例性開關結(jié)構(gòu)130具有如在頂視圖中所示的并且如上面參照圖1所述的可布置成二維陣列形式的多個發(fā)射器/接收器。開關結(jié)構(gòu)130可由分層子組件組裝而成，諸如致動器子組件132、動作變換器子組件134和透鏡/準直器子組件136、24。該裝置的每一個部分最好可被單獨測試并且在最終配合之前驗證其性能，從而提高工藝總產(chǎn)率。
致動器子組件132包括具有電導線1305、壓電致動器1320和分隔(殼體)層1330的基底或者襯底層1310?；讓?310可包括壓電致動器的密封表面、用于光纖22的孔和用于連接致動器或者其它電子部件的電導線1305的孔。該層應該是剛性的以為致動器提供支撐并且例如可由絕緣體上的硅(SOI)晶片或者多層陶瓷制成。或者，可使用通常用于電子芯片技術中的多芯片模塊襯底。也可包括晶片級電子部件，諸如開關和晶體管，以電連接和/或?qū)ぶ酚趩为毜闹聞悠鳌?br> 如上所述，上面參照圖6和圖7A至圖7F所述并且使用線性致動器動作變換器的實施例最好每一個端口具有三個壓電致動器，而圖8-10的雙膜片彎曲動作變換器的每一個端口僅需要一個壓電致動器(圖12(c))或者致動器組件(圖12(d))。致動器1320位于貫穿分隔層1330的孔中并且是利用本領域已知的多種鉆孔或者磨銑工藝形成的，包括激光束機加工和超聲波研磨。分隔層1330可提供附加的結(jié)構(gòu)和分隔器支撐以使致動器相對于放大機構(gòu)和光纖/透鏡精確定位，并且還提供結(jié)構(gòu)支撐，以使致動器作用在其上，諸如圖8的壁83。致動器的類型可是壓電的、電致伸縮、熱的、或者磁致伸縮或者是本領域已知的其它各種致動器，并且可選擇地在它們的自由端上加蓋以有助于與上面一層連接。分隔器材料具有相當于致動器長度的厚度(在本實施例中約為10至11毫米)，并且例如可是PYREX玻璃或者一種陶瓷材料以達到與壓電致動器的配合的最佳的熱膨脹?？讘撌沁@樣定向和布置的，即，使光束端口盡可能靠近地布置，從而使在光纖-光束-控制開關應用中提供光束端口的密集陣列。利用可在市場上得到的直徑為2.2毫米或者更小的的壓電致動器可容易地達到1-4毫米的光束端口的中心到中心的間距或者節(jié)距。分隔層厚度部分是由致動器在給定電壓下的所需的和可達到的應變量或者擺度確定的。層1310和1330應該提供高剛度負載回路以使在致動器基部的負載作用在動作變換臺134上。層1310和1330中的任何順從性趨于減小所完成的組件的致動和動作能力。
第二子組件134，即動作變換子組件134包括一層或者多層1324、1325、1326，層1324、1325、1326基于電活化致動器部件之間的相對移動或者基于兩個或者多個致動器元件之間的相對移動連接在光束控制單元中共同完成連接在光束控制單元中的移動光學元件并且使所述移動光學元件鉸接。子組件134具有致動器層1324，致動器層1324在其底面上與界面或者配合層1325配合以在壓電致動器1320和殼體/分隔器1330上提供定位公差。透鏡安裝層1326與子組件134的致動器層1324的頂面相連以使準直透鏡24定位和與其連接。應該理解的是，圖13A中所示的開關或者致動器結(jié)構(gòu)130僅是示例性的，并且各層和子組件的尺寸和形狀可適合特定的應用。
子組件134例如可由微加工(MEMS)絕緣體上硅(SOI)晶片制成的并且可包括推壓電射束或者環(huán)324(圖8)，推壓電射束或者環(huán)324可直接粘合在子組件中的其它層上的蝕刻結(jié)構(gòu)。子組件134和/或其構(gòu)成的層可用于為壓電致動器發(fā)送信號，例如以一種排/列尋址方式，其中的排地址線可沿著層1310延伸，而列地址線可沿著子組件134的底面延伸。另外，諸如壓電電阻的、壓電的或者電容傳感器的傳感器可裝在子組件134中以提供用于使致動器精確定位和控制的檢測和反饋。
子組件134是主要的動作變換器子組件，它包括包含桿臂結(jié)構(gòu)70A、70B、70C(圖7A-7F)的層或者具有前面所述的光纖固定器的撓性膜片結(jié)構(gòu)810(圖8)。該機構(gòu)將壓電致動器的垂直延長/橫向彎曲移動轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w和(可選擇的)透鏡的一定角度的傾斜以控制光束的軌線?；蛘咴撟咏M件可包括還能夠與圖2中所示的光纖/透鏡傾斜機構(gòu)相連的層或者其一部分。
如上所述，可通過在Si或者Si-SiO2-Si晶片的兩面上的一系列沉積和蝕刻工藝(濕態(tài)蝕刻、DRIE)形成包括子組件134的層以形成彈性撓曲(桿量或者膜片)，對掩模的前后對準進行精心控制。側(cè)壁平直度和在溝道的底部處的圓角控制對于達到所需的結(jié)構(gòu)強度和抗疲勞性也是重要的?？赏ㄟ^多種工藝完成層的形成以及隨后將它們組裝成統(tǒng)一子組件，這些工藝包括但不限于在微型-電-機械系統(tǒng)(MEMS)的制造和組裝中常用的工藝。這些工藝可包括DRIE和/或KOH濕態(tài)蝕刻工藝以及Si-Si晶片粘合和/或利用金和/或其它金屬間層的熱壓縮晶片或者芯片粘合?；蛘?，包括子組件的層可被獨立制造并且在整個裝置組裝和操作過程中機械接合和固定在一起。
子組件134也可包括主要起到與移動光學元件配合作用的層或者層的部分，例如提供用于與移動光學元件配合和/或固定或者粘合的特征，移動光學元件諸如光纖、透鏡、預組裝的光纖/透鏡組件、具有整體透鏡尖端的光纖、棱鏡、光學波長過濾元件或者光柵元件。例如，透鏡和光纖可被組裝在一起并且直接粘合到包括子組件134的層的一部分上，與圖2的光纖/透鏡構(gòu)造類似。
本領域技術人員應該理解的是，其它各種光學元件、諸如透鏡、鏡和/或光柵可與動作變換器相連。
圖13C比較詳細地示出了可被預組裝成一個單元的放大器子組件134的截面圖。其中清楚地示出了具有凸臺1376的配合層1325，凸臺1376推壓桿臂的推壓點76、76a、76b。前面已經(jīng)描述了制造致動器層1324和810的工藝。現(xiàn)將描述關于與圖7中所示的實施例結(jié)合使用的中間層或者配合層1325的布置和制造步驟。
圖11C示出了由一種整體微加工硅絕緣體(SOI)晶片制成的配合層1325。被蝕刻的特征包括與壓電致動器配合的轉(zhuǎn)移柱(未示出)、包圍并固定轉(zhuǎn)移柱以使轉(zhuǎn)移柱能夠垂平移動但不能橫向移動的薄膜1105和在轉(zhuǎn)移柱的頂部上的推壓點梁1376。該推壓點梁1376被直接粘合到在下一層，放大層1324上的蝕刻放大器機構(gòu)上。該梁在致動器移動被轉(zhuǎn)移到放大和傾斜機構(gòu)上的位置處。層1325使得壓電致動器不精確定位并且能夠與放大器層1324上的精確推壓點接觸。
層1325可用于向壓電致動器發(fā)送信號，例如以一種排/列尋址方式，其中的排地址線可沿著層1310延伸而列地址線可沿著層1325延伸。另外，諸如壓電電阻的、壓電的或者電容器傳感器的傳感器可裝在層1325中以檢測和反饋致動器的位置。
利用硅晶片的深層反應離子蝕刻(DRIE)形成這些特征。SOI晶片的處理面為400至600微米。這被向下蝕刻到絕緣體上以形成薄膜的頂面。蝕刻被控制以形成標稱直的側(cè)壁。裝置面的厚度為25至50微米。利用各向同性從背面對裝置面蝕刻直至達到所需的薄膜厚度。
圖11D中示出了用于層1325的制造工藝。從具有Si厚度為40微米的裝置面1101的雙面拋光SOI晶片開始。沉積一種熱氧化物以保護表面。接著以可選擇的方式在處理面上形成圖案并且被DRIE蝕刻到指定深度以限定2微米深的用于推桿的支持面1115(見圖7H)。進行各向同性干態(tài)蝕刻以形成具有逐漸過渡的圓角的10微米厚的驅(qū)動膜片，各向同性干態(tài)蝕刻比隨后在處理面上施加的DRIE蝕刻略窄以防止應力集中在膜片層1105中。晶片的這種狀態(tài)如圖11D中的步驟A中所示。另外，光纖孔1103部分也是由該裝置形成的。
接著通過形成嵌套的氧化物掩模從處理面對晶片進行處理，嵌套的氧化物掩模用于向下蝕刻凹槽1127，凹槽1127能夠使致動器自由移動同時限制它們偏移(步驟B)。Si的薄部留在光纖孔中，在步驟C中，留在光纖孔中的Si的薄部與留在處理面溝道中的任何Si一起被清除。在步驟C后可利用SiO2保護該層以便在與層1326的最終組裝過程中提供保護。
層1326也是SOI晶片批量微加工層。在光學透鏡與光纖的前部尖端之間機械地提供適合間距。該間隔對于形成用于光束的所需光學構(gòu)形是必需的。對于每一個透鏡，蝕刻一個分隔器/固定器。硅分隔器被粘合到放大層(即層1324)上的中心光纖硅結(jié)構(gòu)上。分隔器配合透鏡和光纖并且使它們作為一個整體傾斜。另一種可選擇的構(gòu)造是在多種宏觀制造工藝中利用除硅以外的一些材料制造這種分隔器結(jié)構(gòu)(例如玻璃)。接著，分隔器被組裝在透鏡上并且被粘接到放大層上。在另一種構(gòu)造中，該層1324可被省略并且作為一個整體被組裝在一起的透鏡和光纖可被直接粘合到放大層1324上。
在圖11E中以透視圖的形式示出了透鏡固定器。如圖11E中所示，該三葉式透鏡固定器從晶片的表面上被分離并且在被連接/粘合到致動器夾持器上后，可與致動器一起自由移動和傾斜。
圖11F中示出了形成層1326的工藝。它還包括一系列在具有裝置層1104、SiO2層1102和處理層1101的SOI晶片中進行一系列DRIE蝕刻。在步驟A中，該晶片利用SiO2形成圖案并且對于光纖孔，從裝置面切割一個凹槽。在步驟B中，從處理面到嵌埋的氧化物層切割溝道以限定透鏡安裝部的外部。另外，切割用于適應光纖/透鏡組件上的圓角的腔，并且通過晶片切割光纖孔。在步驟C中，在處理面中的氧化物掩模被蝕刻以露出硅表面，并且在裝置面上的光致抗蝕劑被剝離，晶片被清潔以便于硅熔接。如在步驟D和E中所示，在利用晶片熔接使得層1326、1324和1325被接合在子組件134中后，在裝置面上的Si的剩余部分1350被蝕刻以解除透鏡安裝部。
利用熔化/處理溫度低于用于組裝致動器子組件的溫度并且還低于壓電致動器材料或者有機粘接劑(例如一種環(huán)氧樹脂或者氰酸酯)的攝氏溫度的焊料可使層和子組件被熔接和/或焊接。另外，一種陽極粘接工藝可被用于形成粘合?；蛘撸墒褂靡环N紫外線固化環(huán)氧樹脂。致動器應該被機械預加載荷以防止它們受到拉伸。這可通過將小的載荷(小于0.5N)放置在光纖上來實現(xiàn)。如上所述，可使用一種有機粘接劑，例如UV硬化粘接劑將在預加載荷作用下的光纖粘接在層1310的底部上并且密封所述層。
代替焊接開關構(gòu)造的子組件或者各層，也可通過夾緊(可選擇地利用附加的導銷)使這些子組件被對準和機械定位以有助于疊置所述部件。可利用具有壓縮彈簧的螺釘將子組件或者層固定在一起，如本領域已知的。應該理解的是，彈簧作為致動器的加載路徑的一部分必須被這樣設定尺寸，即，在由致動器產(chǎn)生的最大作用力的作用下能夠使部件被牢固定位。在開關結(jié)構(gòu)的其余部件被增加之前，機械夾緊方法還能夠允許測試子組件，并且如果在最終組裝之后開關結(jié)構(gòu)的其它部件破裂，還允許子組件或者層的重新使用。
現(xiàn)參見圖13D，其中示出了圖13A的開關構(gòu)造130的分解圖以更好地說明組裝工藝。除了上面參照圖13A所述的層以外，其中還示出了印刷線路板1303，印刷線路板1303具有用于光纖22的通孔和焊料隆起焊盤以及用于互連的導電路徑。其中還示出了用于將在開關構(gòu)造130中的光纖固定在光纖夾持器72(見圖7)的遠端并且為光纖提供預加載荷的光纖粘合/夾緊層。這被示出在圖13E中。
如圖13E中所示，光纖粘合/夾緊層1302具有適于接收不銹鋼毛細管(1301)的凹槽，不銹鋼毛細管(1301)具有適于容納被涂布的光纖22(所述被涂布的光纖22包括芯部、包層和保護涂層)。沿著靠近頂端30毫米去除涂層的光纖接著被供給通過管直至到達適合的位置，其中所述光纖頂端成斜角以減小后反射。因此，光纖在延伸的長度上被筆直定位并且防止光纖松垂。對于透鏡-以及可選擇的用于游隙的楔(見下面)-處于適當位置，組件被放置在固定裝置中(未示出)并且每一個光纖在z軸上相對于相應的透鏡被獨立地主動對準直至從光纖的自由端(頂端)發(fā)出的光束被準直。在達到所需的對準后，光纖朝向透鏡移動較小的距離(例如5微米)并且利用UV硬化環(huán)氧樹脂使其定位在光纖固定器72、82中。
為了使光纖在開關結(jié)構(gòu)130中保持筆直，通過使光纖從底層1302沿著遠離透鏡的方向縮回上面增加的相同距離(例如5微米)對光纖進行預加載荷。接著例如通過施加硬化環(huán)氧樹脂使預加載荷的光纖22定位在光纖毛細管1301中。
可選擇地，可使組件130單獨或者以傾斜陣列的形式被放置在帶窗的密封外殼中以使各個帶窗的外殼允許光束從一個組件130或者組件陣列130’透過窗以及可選擇的設置在窗之間的透明介質(zhì)或者光學裝置?；蛘?，發(fā)射和接收元件和開關結(jié)構(gòu)可被放置在單一的密封外殼中，如圖13F中所示。如果溫度控制對于在操作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定是需要的，那么利用在外殼內(nèi)的加熱器或者Peltier電熱裝置提供溫度控制。可使用例如由Kovar制成的具有密封引線饋通和接縫密封蓋的密封加熱器以在惰性干燥氛圍中封閉自由空間光學路徑。這能夠隔絕微粒、防止光學表面上的凝結(jié)、提高在外殼內(nèi)彎曲的裸光纖的可靠性以及控制壓電材料的氛圍。
圖13B示出了圖13A中所示的光學開關的各個整體單元。應該注意的是，在圖13B中所示的實施例中，光纖22相對于透鏡移動，而在圖13A中，光纖和透鏡形成一個單元。但是，如上面參照圖2-6中所述的，幾個所示實施例僅是示例性的并且可單獨或者共同執(zhí)行用于移動透鏡/光纖的幾個變體。這些單個單元或者由多個單元構(gòu)成的子組件可被組裝在一個數(shù)量較多端口的較大的開關結(jié)構(gòu)中。各個整體單元中對應于圖13A中的層/子組件的各層和元件用相同的附圖標記表示。
具有上述動作變換器的光束控制組件可由獨立的單元組裝而成，諸如圖13B中所示的單元，或者由組件組裝而成，諸如圖13A中所示的9個單元組件130。接收單元的多種尺寸的發(fā)射組件可以各種二維圖案布置，它們可“平鋪”在一起以形成較大的組件。這樣，在例如由64個元件構(gòu)成的較大單元中可容易地更換小的有缺陷的子單元，從而降低光學開關的總費用。
每一個光纖/透鏡組件必須被精心地校準以使光學發(fā)射器與接收器連接效率達到最佳。這可通過觀察該裝置的波前來實現(xiàn)，并且當光束準直達到最佳時，利用焊料或者環(huán)氧樹脂(例如UV硬化環(huán)氧樹脂)將光纖定位在可傾斜的光纖固定器(圖8中的82)。這可在以人工的方式或者利用能夠沿著光纖軸(z軸)以及x和y平移方向移動光纖的附加的致動器使開關結(jié)構(gòu)組裝在外部固定裝置中后實現(xiàn)以使光束控制保持準直。例如，可利用圖13E中的作用在元件1301和1302之間的壓電致動器實現(xiàn)z軸定位。
回見圖1，在包含圖14的開關構(gòu)造140的光學開關10已經(jīng)被組裝后，來自于發(fā)射器結(jié)構(gòu)11a上的每一個發(fā)射器12、14的光束軌線最好應該指向在接收器結(jié)構(gòu)11b上的中心接收器18。這樣，任何光纖的最大偏轉(zhuǎn)角與其在發(fā)射器結(jié)構(gòu)11a中的位置無關，并且至多是接收器結(jié)構(gòu)11b的立體角γ的一半。
由于所有的發(fā)射器元件最好以一種相同的方式被制造并且與它們在陣列中的最終位置無關，因此元件的“光學”靜止位置，即，發(fā)射光束的指向最好通過在組裝后將附加的光學元件(諸如棱鏡)放置在發(fā)射器的準直透鏡前面被調(diào)節(jié)?；蛘?，獨立的發(fā)射器可被機械對準以使被動(未被致動的)光束定向在接收器陣列的中心。如圖14中所示，由位于在固定準直透鏡后面的發(fā)射器結(jié)構(gòu)11a上的可傾斜的光纖固定器52發(fā)射光束。在光束路徑中沒有棱鏡142，準直光束可照射在位于接收器結(jié)構(gòu)11b上的相對應的透鏡24上并且被接收器52接收。另一方面，棱鏡142將相同的準直光束引向基本位于接收器結(jié)構(gòu)11b的中心處的透鏡24’?？苫谠谙鄳慕Y(jié)構(gòu)11a、11b上的發(fā)射器/接收器與中心元件24’之間的橫向間隔選擇棱鏡。棱鏡可是獨立的棱鏡元件或者單一元件，類似于Fresnel透鏡，被施加在準直器/透鏡組件136前面(圖13)。
開關10(圖1)的總體尺寸是由組裝密度和來自于在開關結(jié)構(gòu)11a、11b上的光束控制裝置的可達到的立體掃描角確定的。利用固定鏡折疊光學路徑能夠縮短該裝置的實際長度。輸入和輸出端口可在相同陣列上或者在不同陣列上。另外，折疊鏡可是曲線形的以引入游隙，從而消除圖14中所示的附加棱鏡142、144的需要和/或減小位置比較靠近開關結(jié)構(gòu)的周邊的光束控制元件的所需傾斜角。
當開關結(jié)構(gòu)10、140被組裝時，每一個光束控制元件可被適度期望具有初始指向誤差。另外，光束軌線-在初始指向誤差的校正-可隨時間和在操作過程中改變。因此，期望在開關系統(tǒng)中包含可靠最好簡單的校準工藝。該校準工藝可通過就在組裝后以及在操作過程中以所需的時間間隔使用的離線設置來實現(xiàn)或者通過建立在系統(tǒng)本身中的永久在板設置來實現(xiàn)。
除了制造公差，壓電致動器的性能以及致動器的磁滯或者非線性響應的差異需要被考慮?？衫秒妷夯蛘唠姾沈?qū)動驅(qū)動致動器以提高再現(xiàn)性。
現(xiàn)參見圖15，在初始后制造構(gòu)造中例如可利用位置傳感器陣列或者攝像頭152校準系統(tǒng)150。激光束被射入到光纖中，產(chǎn)生從結(jié)構(gòu)11a射出的準直光束。光束的一部分被部分反射鏡、立方體分束器或者膜反射并且被攝像頭或者傳感器陣列152接收。光束控制裝置以一種搜索方式移動準直光束同時監(jiān)測與開關結(jié)構(gòu)11b相連的目標光纖中的光功率。在對應于由每一個目標光纖接收的最大功率的攝像頭或者傳感器陣列152上的光束位置被記錄在查閱表中。對于發(fā)射和接收光纖的每一個組合，重復該工藝。接著，每一個光束控制裝置可被移動以利用來自于位置傳感器陣列152的反饋讀數(shù)將光束引導到任何所需的目標光纖。對于發(fā)射和接收端口的每一個組合，完成轉(zhuǎn)變所需的電荷也可被記錄在查閱表中。在完成校準工藝后，分束器154和位置傳感器152可被移除。接著在操作過程中可使用被存儲在查閱表中的電荷數(shù)據(jù)以使任何光束控制元件移動到一個新的目標。
現(xiàn)參見圖16，在端口之間切換后以及在操作過程中，可通過監(jiān)測從發(fā)射器14輸送到接收器16的功率主動地控制光束15的引導和對準。為此，光學分接頭連接器168被安裝在光纖線中的接收器一側(cè)上或者在發(fā)射器一側(cè)上或者在接收器和發(fā)射器的一側(cè)上。通過這些分接頭，利用傳感器166監(jiān)測在接收器處的光功率或者在開關上的不同光功率并且校正信號可被施加在致動器上以使功率最佳化?；蛘撸皇菣z測通信信號，用于減少干擾的可能以與通信信號不同的波長的參考激光器或者LED燈162可通過分接頭連接器164被連接到光纖中并且再次被傳感器166檢測。當不同波長被結(jié)合在該裝置的輸入側(cè)時，輸出連接器(分接頭連接器)168可是選擇波長的。所提出的用于主動對準和優(yōu)化開關的方法不需要或者依賴附加的部件，諸如安裝在移動元件自身上的光學象限檢測器或者電容傳感器，盡管這另外可利用電容或者壓電傳感器來實現(xiàn)。
利用光學象限檢測器、電容或者壓電電阻傳感器，實現(xiàn)用于將每一個光束引導到其目標的控制環(huán)是相當簡單的。但是，需要特定的技術設計僅基于光功率信號的控制環(huán)，這是由于光功率信號不包含用于調(diào)節(jié)到達致動器的信號并從而調(diào)節(jié)發(fā)射或者接收元件(透鏡和/或光纖)的指向的任何方向性信息。因此，控制系統(tǒng)必須能夠確定方向以移動發(fā)射和接收元件以對于常規(guī)的M×N構(gòu)造實現(xiàn)通過光鏈路的最大光功率接合。對于1×N構(gòu)造，僅發(fā)射器需要被主動控制，而接收器可選擇地被被動對準。
圖17是作為發(fā)射器和/或發(fā)射器光束控制元件的傾斜角的函數(shù)的被檢測器16接收的來自于發(fā)射器14的光的強度的三維圖。如圖17中所示，當光纖被最佳定位時，強度具有最大值，并且對于光纖頂端在x-和y-坐標方向上的未對準，強度降低。當小高頻調(diào)制信號(高頻脈動信號)被疊加在x和y信號的一個或者兩個上并且到達每一個致動器的調(diào)制信號被適合地定相，與鉸接發(fā)射器和/或檢測器元件(透鏡和/或光纖)相關的光束軌線描出圍繞標稱位置的小軌道172，這導致了較小的被接收的光功率信號調(diào)制。最佳位置對應于基本上相對于最大功率點對稱的軌道174?？衫迷谑┘佑诟鱾€致動器上的電壓信號之間具有不同相位關系的高頻脈動信號波形產(chǎn)生更復雜的軌道。因此，不同的相位信號可用于分離x-和y-方向。光功率和輸入調(diào)制信號的適合卷積和濾波可用于獲得光功率梯度信息(關于在發(fā)射和接收元件中的每一個致動器的小擾動的功率變化)。接著利用梯度信息閉合在致動器上的環(huán)并且達到所需的光功率水平。可以不同的頻率或者利用不同的高頻脈動信號波形調(diào)制發(fā)射和接收元件并且功率信號可被適當?shù)貫V波以同時獲取關于發(fā)射和接收光束控制元件的梯度信息。
可利用光束引導在開關內(nèi)的有意解諧(由發(fā)射和接收端口的略微控制的未對準而導致的)為變光學衰減器(VOA)功能引入數(shù)量可控制的光學插入損失。該特征可用于實現(xiàn)獨立的單一VOA或者VOA的緊密的多信道平行陣列。該衰減器特征也可與開關操作結(jié)合使用以平衡在光學網(wǎng)絡中的功率并且無需除開關矩陣以外的獨立的VOA?？赏ㄟ^增大在致動器上的調(diào)制振幅實現(xiàn)該功能性。接著，光束可追蹤具有較大的圍繞最佳位置的軌道。隨著軌道的直徑的增大，該系統(tǒng)的光學插入損失增大，從而提供VOA功能性。
功率達到最大的取向可根據(jù)光信號的波長略微改變。該變化是由光學元件性能相對于波長的依賴性導致的。因此，在利用具有不同于通信信號的波長的可選擇的參考激光器或者LED源162使環(huán)閉合的情況下，附加的補償是需要的。另外，可利用多種控制技術實現(xiàn)調(diào)制信號伺服到給定的強度振幅。
圖18示出了作為光束指引角的取向的函數(shù)的處于兩種不同波長的光功率輪廓180。實線182對應于波長λ1，例如，由激光器或者LED源172發(fā)出的參考信號的波長。虛線184對應于波長λ2，波長λ2對應于功率將達到最大(或者可選擇地衰減)的光學通信信號的波長。在校準過程中，λ1和λ2光束的光功率被檢測，它可需要獨立的功率傳感器。在常規(guī)的點A處，兩種波長都沒有處于峰值功率。在點B處，光學通信信號λ2處于峰值功率，而在點C處，參考信號λ1處于峰值功率。這樣，利用上述調(diào)制技術，對于任何一種波長，可發(fā)現(xiàn)功率信號相對于位置的梯度。接著基于λ2功率的梯度閉合控制環(huán)直至該裝置固定在點B處。λ1信號的插入損失及其梯度向量接著被記錄在校準表中。對于開關中的每一個光束控制裝置，重復該校準方法。在操作過程中，接著可通過將參考信號λ1的強度和梯度伺服到被存儲在校準表中的數(shù)值來控制光學元件的取向。
應該注意的是，詳細描述的致動器允許幾種操作模式和動作方向。一般說來，致動器可在一致和相反的方向上被操作。一起同步移動，致動器將產(chǎn)生沿著致動器運動軸線(在上述示例中的光纖軸和光學軸線)的單純平移。例如，利用這些類型的放大壓電致動器可使在自由空間中使用的外腔激光器、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和/或Fabry-Perot可調(diào)諧濾光器或者作為波導被波長調(diào)諧。對于這樣的濾光器或者激光器，調(diào)節(jié)斜度以及軸向位置的能力可提供腔對準的精細控制以優(yōu)化傳送或者激光器腔對準。當被粘接到光纖上時可使用該相同的線性移動以在長度、延遲或者相位控制方面擴展光纖或者對于包含Bragg光纖光柵的光纖擴展它們的調(diào)諧光學波長頻帶和/或散射性能。對于極化模式控制，Birefringent光纖也可被操控。
一種用于改變光纖長度或者使光纖變形的可能的致動機構(gòu)-因此對于具有被施加的Bragg光柵的光纖，改變諸如濾光器波長調(diào)諧的控制光學傳輸特征-被示出在圖19A和圖19B中。圖19A示出了一種特定實施例，其中沿著軸線伸縮的壓電致動器1910作用在與光纖1930相連的可移動的硅微加工套環(huán)1920上?？梢苿拥奶篆h(huán)包括晶片中形成光纖孔的較厚部分，所述較厚部分通過不滲透的膜片被撓性連接，不滲透的膜片被設計成相對于套環(huán)平移是順從的但對于內(nèi)部壓力載荷是剛性的。光纖和致動器被連接在基部以使壓電致動器的變形/致動導致光纖的變形，例如在固定端和移動端之間拉伸。在可替換的實施例(未示出)中，上述移動變換器子組件可被設置在壓電致動器和可移動的硅套環(huán)(以及相連的光纖)之間以使壓電延伸率產(chǎn)生更大(放大)的光纖延伸率。圖19B示出了另一個使用液壓動作放大器的實施例，其中壓電致動器的行程被通過存儲液壓流體的裝置連通的兩個活塞的表面積比放大。光纖在頂部被夾到可移動活塞/套環(huán)上，并且在圖19B的結(jié)構(gòu)的底表面處，光纖的光柵被設置在它們之間。當壓電致動器壓縮對液壓腔加壓的流體存儲裝置時，液體壓力作用在可移動的光纖活塞上以使光纖延伸。提供改變壓電驅(qū)動活塞和光纖活塞的面積，可獲得放大的延伸。也可利用MEMS技術對該結(jié)構(gòu)進行微加工。這些類型的元件也可被用作可變路徑長度元件，作為波長可調(diào)諧的濾光器或者在更復雜的子系統(tǒng)中，諸如波長增大/降低多路調(diào)制器。
快速調(diào)諧最好與掃描類型光學性能監(jiān)視器結(jié)合使用，其中順序地在幾個波長下對光功率和其它信號特征進行采樣，或者與用于穩(wěn)定可調(diào)諧的激光器波長的波長鎖定器技術接合使用。
如圖20A和20B中所示，這些致動器使得它們自身與平面波導電路集成，平面波導電路本身是分層的并且可通過微制造技術制造。例如，致動器210可用于在光學波導上施加應力或者變形或者使它們變形以產(chǎn)生應力雙折射，通過光彈性效應導致的折射率調(diào)制改變光學路徑長度或者光傳播特征。這種類型的折射率/長度調(diào)制可與圖20A中所示的Mach-Zehnder干涉計構(gòu)造結(jié)合使用以產(chǎn)生能夠在端口之間切換光輸出或者調(diào)諧、衰減或者調(diào)制光信號的光學相移。在圖20A中所示的特定實施例中，壓電致動器用于對通過微制造工藝形成的密封充填液壓腔加壓。它通過密封的可移動的活塞的強制移動而起作用。加壓流體接著用于使襯底中其上已經(jīng)制造有平面波導元件的薄化部分變形。在這種情況下，這是Mach-Zehnder干涉計的一個支腿。當膜片拉伸并且向外彎曲時，波導也拉伸并且在干涉計的支腿中產(chǎn)生足以使形成大約180度的可控制的相位延遲的路徑變化以選擇性地干涉該干涉計的未變形的支腿中的信號。在一個特定實施例中，用于平面波導的硅襯底沿著波導在直徑為0.5-1毫米的圓形區(qū)域上被薄化(蝕刻)到小于10微米厚度。在腔中的大約0.5至2MPA的壓力使得膜片和波導彎曲并且在硅中產(chǎn)生小于1GPA的應力，并且在變形的波導中的光學路徑長度變化大約為500-1000納米。
在圖20B所示的一個可替換的實施例中，可利用上述類型的機械動作變換層2050產(chǎn)生波導的所需變形，機械動作變換層2050是這樣布置的，即，使壓電致動器的致動通過動作變換器起作用以使薄化襯底(膜片)和固定的平面波導元件2070的變形。
最后，可通過使傳輸平行板和/或鏡傾斜來調(diào)節(jié)光束控制和可調(diào)諧的光束偏移。在另一種光束控制方案中，透鏡可相對于輸入光束或者其它透鏡垂直于光軸平移。在致動器層平面中的這樣一種平移形式可通過連接在陣列所述類型的陣列中的多個致動器的連接器來實現(xiàn)?？稍诒徽澈系缴鲜鰧由系母郊游⒓庸又兄圃爝@些連接器。
盡管已經(jīng)結(jié)合詳細示出和描述的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行披露，但是本領域技術人員顯然可對它們進行各種變型和改進。例如，這里所述的發(fā)射器和接收器不限于光纖，也可包括其它的光波導和其它發(fā)射器，諸如激光器和LED，以及常規(guī)檢測器。關于致動機構(gòu)和光學系統(tǒng)描述的材料僅是示例，本領域技術人員能夠確定和使用其它適用于這種應用的材料，諸如形狀記憶合金、電活化聚合物或者其它任何可被電活化或者磁活化的材料。因此，本發(fā)明的精神和范圍僅是由下列的權(quán)利要求限定的。
權(quán)利要求
1.一種用于定位光學裝置的設備，其包括動作變換器，所述動作變換器具有順應性元件，所述順應性元件與光學裝置相連并且與能夠產(chǎn)生機械運動的致動器相連，以便在該致動器和所述光學裝置之間產(chǎn)生相對機械移動。
2.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括一個單一主體。
3.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括分層子組件。
4.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括微加工層的組件。
5.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括微加工硅晶片的組件。
6.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有一個桿臂的順應性元件。
7.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有一個桿臂和一個用于將桿臂連接到殼體上的撓性接頭的順應性元件。
8.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有一個桿臂和一個用于將桿臂連接到光學裝置上的撓性接頭的順應性元件。
9.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有多個桿臂的順應性元件。
10.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有多個桿臂和多個用于將該多個桿臂連接到殼體上的撓性件的順應性元件。
11.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有膜片的順應性元件。
12.如權(quán)利要求11所述的設備，其特征在于，所述順應性元件還包括用于膜片連接到殼體上的撓性接頭。
13.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，所述動作變換器包括具有上膜片和下膜片的順應性元件。
14.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，還包括用于將順應性元件連接到致動器的機械連接器。
15.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，還包括用于相對于致動器的機械移動以便放大光學裝置的移動的行程放大器。
16.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，還包括與動作變換器相連的固定元件，所述固定元件適于固定光學裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的設備，其特征在于，所述固定元件適于固定從包括光纖、帶透鏡的光纖、透鏡、鏡、光柵、準直器、棱鏡、全息光柵和濾光器的組中選擇的光學裝置。
18.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，還包括形成在襯底上的多個所述動作變換器。
19.如權(quán)利要求18所述的設備，其特征在于，多個所述動作變換器在襯底上形成線性陣列。
20.如權(quán)利要求18所述的設備，其特征在于，多個所述動作變換器在襯底上形成二維陣列。
21.如權(quán)利要求18所述的設備，其特征在于，動作變換器具有適于與圓柱形致動器相連的接觸部。
22.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，動作變換器具有適于與多個致動器相連的接觸部。
23.如權(quán)利要求1所述的設備，其特征在于，動作變換器具有適于與由在獨立控制下操作的多個不連續(xù)致動器形成的致動器相連的接觸部。
24.一種用于定位光學裝置的設備，其包括用于產(chǎn)生機械移動的致動器；以及具有順應性元件的動作變換器，所述順應性元件與光學裝置相連并且與所述致動器相連，以便在該致動器和所述光學裝置之間產(chǎn)生相對機械移動。
25.如權(quán)利要求24所述的設備，其特征在于，所述致動器是從包括壓電致動器、電致伸縮致動器、磁致伸縮致動器、靜電致動器、熱力致動器、電磁致動器、形狀記憶合金和電活化聚合物的組中選擇的。
26.如權(quán)利要求24所述的設備，其特征在于，致動器與順應性元件機械連接，以使順應性元件響應于所產(chǎn)生的機械移動而彎曲。
27.如權(quán)利要求26所述的設備，其特征在于，順應性元件包括桿臂，以及致動器與順應性元件機械連接以使臂在第一和第二位置之間樞轉(zhuǎn)，從而使光學裝置移動到所選擇的位置。
28.如權(quán)利要求26所述的設備，其特征在于，所述順應性元件包括膜片，以及致動器與膜片機械連接以使膜片彎曲，從而使光學裝置移動到所選擇的位置。
29.一種用于控制光束的設備，其包括能夠引導光的光學裝置，以及動作變換器，所述動作變換器具有順應性元件，所述順應性元件與光學裝置相連并且與能夠產(chǎn)生機械運動的致動器相連，以便在致動器和所述光學裝置之間產(chǎn)生相對機械移動。聚焦的新主張改變通過進一步調(diào)節(jié)軸向位置以便調(diào)節(jié)光束的聚焦或準直。
30.如權(quán)利要求29所述的設備，其特征在于，還包括光源
31.如權(quán)利要求30所述的設備，其特征在于，光源是從包括光纖、激光器、半導體激光器和波導件的組中選擇的。
32.如權(quán)利要求29所述的設備，其特征在于，光學裝置包括波導件，通過使所述波導件相對于光引導元件移動來控制光束。
33.如權(quán)利要求29所述的設備，其特征在于，光學裝置包括光引導元件，通過使光引導元件相對于波導件移動來控制光束。
34.一種用于定位光學裝置的方法，其包括使光學裝置與具有順應性元件的動作變換器相連，使順應性元件與能夠產(chǎn)生機械移動的致動器接觸；以及操作該致動器以在該致動器和該光學裝置之間產(chǎn)生相對機械移動。
全文摘要
本發(fā)明所披露的系統(tǒng)和方法涉及動作變換器(80)以及它們的集成和/或組件，以用于引導光束和使小光學元件(82)定位，從而形成多個可調(diào)諧的光學部件。特別是，所述系統(tǒng)和方法可用于具有壓電致動(85)的自由空間光學交接開關設備。
文檔編號G02B6/32GK1599872SQ02824048
公開日2005年3月23日 申請日期2002年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月3日
發(fā)明者N·W·哈古德, K·甘迪, B·克盧捷, M·博爾根 申請人:連續(xù)統(tǒng)光子學公司