CN1643430A - 联合微机械和光学器件阵列 - Google Patents

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Abstract

一个单元(600)由电子集成电路(604)、MEMS装置(608)以及有源光学装置(602)组成，该有源光学装置与电子集成电路电耦合并位于电子集成电路和MEMS之间。将MEMS装置电耦合到电子集成电路并定位，根据在电子集成电路控制下的MEMS装置中的元件相对于有源光学器件的位置影响光的状态。

Description

联合微机械和光学器件阵列
                              技术领域
本发明涉及微机械，且尤其涉及与如激光器或光电探测器等的光学器件联合使用的微机械。
                         相关申请的交互引用
本发明根据美国专利法119(e)(1)要求对2002年3月19日提交的美国临时专利申请序号为60/366,040的优先权。
                              背景技术
微型电子机械设备(MEMS)由微小的用电驱动很小结构的″微机械″组成。在光学领域，MEMS被极其广泛地用于进行制造使用一系列微反射镜来控制从一个光纤到另一个光纤的光线的光学交叉连接器的尝试。
图1和图2显示了一个现有技术的MEMS光学交叉连接器100。一组光纤102、104、106、108以成直线的方式排列，这样离开其中一个光纤108的光线将穿过气隙110并进入与第一个光纤108排成一直线的另一个光纤104。同样，从不同的光纤106离开的光线将进入与其排成一直线的不同的光纤102。还设置一个可移进和移出气隙110的MEMS微镜片112。微镜片112进出气隙110的移动将影响离开一个光纤进入气隙110的光线将射向何处，且这样就可以用于依靠微镜片112的位置来控制离开一个光纤的光线进入不同的光纤。例如，当微镜片112不在气隙110中时，即，在图1所示的位置上时，光线直线穿越气隙110。然而，当微镜片112移入气隙110中时，如图2所示，光线将被控制射向相邻的光纤。换句话说，当微镜片112在图1所示的位置时，离开其中一个光纤106的光线将越过它直接进入光纤102。反之，微镜片112在图2所示的位置时，离开同一个光纤106的光线将被控制射向不同的光纤104。
但是目前，即便这种微机械光学交叉连接器仍然存在，它们的使用也是有限的，而且它们只是被配置成孤立的元件。
这样，技术上就需要可以更简单地与有源光学器件相结合使用的更加多功能的MEMS装置。
                          发明内容
我们提出了多种MEMS装置及其配置，这些MEMS装置及其配置能以这样的方式将电子有源光学器件和以微机械为基础的无源光学器件微机械结合在一起，使MEMS装置及其配置功能更齐全并与有源光学装置更紧密的耦合。
本文描述的优点及特征是可从典型的实施例中获得的众多优点和特征中的一部分，并且只被提出用于帮助理解本发明。应该理解它们不应被认为如权利要求所限定的那样是对本发明的限制，或对于权利要求的等效物的限制。例如，这些优点中的一些优点相互对立，因为它们不能同时在一个实施例中出现。同样，一些优点可应用在本发明的一个方面，却不能应用在其他方面。这样，特征和优点的概括不应该被认为在确定等价中是决定性的。本发明的其他特征和优点将在下面的说明中，以及通过附图以及权利要求而更加明显。
                             附图说明
图1是在一个位置上具有其镜片的现有技术的一种MEMS光学交叉连接器；
图2是在另一个位置上具有其镜片的现有技术的一种MEMS光学交叉连接器；
图3是根据本发明的原理的一个变型单元的简化的典型实例；
图4A显示了一个来自图3实例的在中立位置上的单独装置；
图4B显示了沿y轴移动后的图4A的透镜；
图4C是透镜沿x轴移动后的图4A的装置；
图5是一个适合于与本发明的各种实施相关联使用的倾斜的MEMS微镜片；
图6是根据本发明的原理的另一个变型单元的简化的典型实例；
图7A显示了一个来自图6实例的在一个微镜片608位置上的装置；
图7B显示了绕其轴枢轴旋转到一个位置后的图7A的微镜片608；
图7C是微镜片608绕其轴旋转到另一个位置后的图7A的装置；
图8A是根据本发明的原理与单个有源装置一起使用的一种无源装置的另一个实例；
图8B显示在一个位置上的图8A的装置；
图8C显示在另一个位置上的图8A的装置；
图9A是根据本发明的原理用于与单个有源装置一起使用的一种无源装置的另一个实例；
图9B显示在一个位置上的图9A的装置；
图9C显示在另一个位置上的图9A的装置；
图10以简化的概观显示制作根据本发明的阵列的过程；
图11是实施本发明的原理的以平面可移动透镜为基础的单元的剖面侧视图；
图12显示MEMS透镜与IC1104形成一体后的图11的最终单元；
图13是同样可以与图11的有源光学器件和IC形成一体的绕枢轴旋转的MEMS微反射镜的剖面侧视图；
图14显示MEMS微反射镜与IC形成一体后的图13的最终单元；
图15显示根据本发明的原理可以与有源光学器件形成一体的MEMS装置的又一个实例；以及
图16显示根据本发明的原理可以与有源光学器件形成一体的MEMS装置的又一个实例。
                            具体实施方式
本发明涉及在形成一体的光子学装置(激光器、检测器、和/或调节器)阵列的顶部上的阵列微机械(可移动透镜和反射镜)的集成，光子学装置本身通常在顶部与电子芯片紧密地形成一体。
有两种主要的光学器件的分类：有源的和无源的。有源光学器件是通过使用外部电源和材料来改变光状态的装置。有源光学装置的实例是激光器、检测器和调节器。无源光学装置是没有外部能量来改变光状态，而是使用光和装置自身的材料的相互作用来影响光状态的改变的装置。无源光学器件的实例是透镜、反射镜和波导管。
虽然无源光学器件不使用能量来改变光状态，但通过移动相关的无源光学元件，可以改变光与其相互作用的方式。例如，如果通过倾斜移动反射镜，那么光与反射镜相互作用产生的效果将是不同的，因为它可以在不同角度被反射。如果反射镜是可变形的，将反射镜从平整的平面变换成曲面可以引起光与反射镜相互作用的方式的改变。
同样，光与特定透镜的相互作用也将是不同的，这依赖于光照射到透镜上的位置。
结果，通过制造在其中无源装置可移动的无源光学MEMS装置，并将这些装置与有源光学器件紧密形成一体，可以获得高度多功能且有益的结果。
根据本发明，取决于具体的实施，可以使无源光学装置这样移动：在基本上垂直于有源光学器件发射出/接收到光的方向的平面上移动，以相对于有源光学装置发射出/接收到光的方向倾斜的方式移动，沿有源光学装置发射出/接收到光的方向移动，或它们的一些组合。
图3是根据本发明的原理的一个变型单元300的简化的典型实例。在该实例中，单元300由多个有源光学装置302组成，在本案例中这些有源光学器件为激光器，激光器与电子集成电路(IC)芯片304形成一体而形成光电子芯片。一个透镜308阵列位于有源光学装置302的上面。每个透镜308可单独移动，在本案例中为在x-y平面上(即基本上垂直于激光器发射方向的平面)移动。通过沿x轴、y轴或两个轴移动透镜，来自激光器的光束可以被″控制″。这可使来自一个单独激光器的光耦合到两个或更多不同的光纤上。
图4A显示了一个来自图3实例的在中立位置上的单独装置；在该位置上，发射出的光线沿z轴前进。
图4B显示了沿y轴移动到一个位置后的图4A的透镜，这样激光器发射出的光沿y-z平面被控制。
图4C是透镜沿x轴移动到一个位置后的图4A的装置，这样激光器发射出的光沿x-z平面被控制。
当然，通过使用x和y两个方向上的移动组合，可以控制光束朝向图4B和图4C方向之间的不同的位置。同样，负x和负y方向上的移动将产生类似的结果。
图5是一个适合于与本发明的各种实施相关联使用的倾斜MEMS微镜片500；该微镜片500在微镜片500的对角上有两个销502(尽管矩形、椭圆形、圆形等可以被用于不同的实施，在本实例中微反射镜形状为正方形)。微镜片500的一个部分504含有电荷(或者磁荷)以便例如来自一个充电的或静电充电板，衬垫或线圈506的微电场的施加将使该部分504被吸引到该电场或被该电场排斥，从而使微反射镜500绕销502枢轴旋转。任选地，如下文更详尽所述，孔508可以被包括在微反射镜500中，以便依靠孔508的尺寸和它在反射镜中的位置可以获得不同的效果。
图6是根据本发明的原理的另一个变型单元600的简化的典型实例。在本实例中，单元600由多个有源光学装置602组成，在本案例中有源光学器件为检测器，该检测器与电子集成电路(IC)芯片604形成一体而形成光电芯片。一个可枢轴旋转的微反射镜608的阵列606位于有源光学器件602的上面。每个微反射镜608可绕销(未显示)单独倾斜。通过绕销枢轴旋转微镜片608，光束可以被不同方向上的反射所控制。此外，设置在反射镜中的任选孔610允许光到达位于微镜片608之下的检测器602。取决于孔610的尺寸和位置，一小部分光可以到达检测器而大部分光被反射、大部分或全部的光可以到达检测器602、或全部的光被反射。
有利的是，这允许某些变型进行工作，以便当下面的检测器602检测一些光并根据光束中的信息转换反射镜时，微反射镜608可以控制外部光线。
图7A显示了一个来自图6实例的在一个微镜片608位置上的装置。在该位置，入射光被反射向左面。
图7B显示了绕其销枢轴旋转后的图7A的微反射镜608，这样入射光被反射向右面。
图7C是绕其销枢轴旋转后的图7A的装置，这样一部分入射光穿过孔610到达下面的检测器602，而其余入射光被反射；
图8A是根据本发明的原理与单个有源装置一起使用的一个无源装置800的另一个实例。在本实例中，无源装置800是不透光的并具有偏离其中心的孔802。无源装置800被设计成在x-y平面上移动，类似图3或图4的透镜。通过将该装置800放置在激光器上面，激光器可以处在持续发射或″开″的状态，且取决于装置800的位置，被发射光束不是穿过孔802(图8B)就是被装置800所阻挡(图8C)。在这种方法下，装置可被用作例如一个开关。
取决于具体的实施，应该理解装置800可以是一种反射性材料或吸收光的材料。
图9A是根据本发明的原理与单个有源装置一起使用的一个无源装置900的另一个实例；在本实例中，无源装置900是不透光的并具有偏离其中心的孔902。无源装置900被设计成绕销904旋转，类似图5、图6或图7的微反射镜。通过将该装置800放置在激光器上面，激光器可以处在持续发射或″开″状态，且取决于装置900的位置，被发射光束不是穿过孔902(图9B)就是，如果制成装置900的材料是反射性的，被引向另一个位置，例如光纤、另一个无源装置或附近的检测器。如果材料是吸收光的，那么被发射光束将被装置800所阻挡。在这种方法下，该装置既可被用于控制光束又可被用作开关。此外，如果材料在一个区域内是反射性的而在另一个区域内吸收光，那么可以获得进一步的组合。
图10以简化的概观显示构成根据本发明的阵列的过程，图中的视线垂直于装置的平面。首先IC1002上有附着到其上的有源装置1004的阵列。取决于具体的实施，这可以用技术上众所周知的技术或如2001年6月29日提交的共同转让的美国专利申请号为09/896,189、09/896,665、09/897,160、09/896,983、09/897,158中显示和叙述的技术来实现，这些专利申请的全部内容都通过引用而结合在本文中。然后，MEMS装置1006的阵列被附着在有源装置上面。在一个替代的变化例中，光学装置1004在它们与IC1002形成一体之前可以先与MEMS装置1006形成一体。
如图所示，MEMS装置1006是透镜1008，它们每一个均可通过由一对元件1010沿x轴产生的沿x轴推拉透镜1008的场和由一对元件1012沿y轴产生的沿y轴推拉透镜1008的场而在x-y平面上移动。
图11是实施本发明的原理的以平面可移动透镜为基础的单元的剖面侧视图。在本案例中为激光器的有源光学装置1102被设置在电子IC1104上。该IC1104包括既控制激光器输出的数据又使用控制输入X1108和控制输入Y1110控制透镜1106的位置的电路。MEMS透镜1106被放置在有源装置1102上面并通过连接衬垫1112与IC1104的控制输入1108、1110连接。图12显示MEMS透镜1106与IC1104形成一体后的最终单元1200。
图13是同样可以与在本案例中为光电探测器1300的有源光学器件1300，和图11的IC1104形成一体的绕枢轴旋转的MEMS微反射镜1302的剖面侧视图。如图所示，微反射镜1302包括一个反射镜单元1304，在其中具有孔1306以便光可以被反射镜的枢轴旋转所控制而小部分入射光将穿过而射向光电探测器1300，不考虑镜片单元1304的位置。
图14显示MEMS微反射镜1302与IC1104形成一体后的最终单元1400；
图15显示根据本发明的原理可以与有源光学装置形成一体的MEMS装置的又一个实例。在图15的实例中，例如通过固定销1504将可变形的反射元件1500限制在一侧1502上。一对可滑动移动的销1506允许元件1500的曲率被改变，例如从接近平坦到高高隆起弯曲，从而根据入射光的角度、元件1500的曲率和光到达元件1500的位置使入射到元件1500上的光不同地偏转。
图16显示根据本发明的原理可以与有源光学装置形成一体的MEMS装置的又一个实例。在图16的实例中，可变形的反射元件1600在元件的1600任一侧上具有一对允许例如从凹到凸改变元件1600的曲率的可滑动移动的销1602、1604。从而根据入射光的角度、元件1600的曲率和光到达元件1600的位置使入射到元件1600上的光不同地偏转。
应该理解上述说明只是说明性的实施例的典型。为了便于读者理解，上述说明集中在所有可能的实施例的典型实例上，阐明本发明原理的实例上。本说明并没有试图穷举所有可能的变化。可能没有为本发明的特定部分提出替代实施例，或可能对于一个部分可得到其他未描述的替代实施例，但这不能被认为是对那些替代实施例的放弃。一个普通熟练的技术人员可以理解，许多未描述的实施例结合了本发明的相同原理，其他的实施例也是等同的。

Claims (9)

1.一种单元，其特征在于，包括：
电子集成电路；
MEMS装置；以及
有源光学器件，该有源光学器件电耦合到电子集成电路并位于电子集成电路和MEMS装置之间；
将MEMS装置电耦合到电子集成电路并相对于有源光学器件定位，根据在电子集成电路控制下的MEMS装置中的元件的位置影响光的状态。
2.如权利要求1所述的单元，其特征在于，其中所述元件包括透镜。
3.如权利要求1所述的单元，其特征在于，其中所述元件包括具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面的移动微镜片，所述微镜片进一步具有从第一表面向第二表面延伸的孔。
4.如权利要求3所述的单元，其特征在于，其中所述微镜片被配置成在由第一表面限定的平面上移动。
5.如权利要求3所述的单元，其特征在于，所述微镜片被配置成能倾斜移动。
6.如权利要求1所述的单元，其特征在于，其中所述有源光学器件是多个有源光学装置中的一个，所述元件为多个元件中的一个，且其中每个元件都有对应的有源光学装置。
7.如权利要求1所述的单元，其特征在于，其中所述元件为可变形的反射元件。
8.如权利要求7所述的单元，其特征在于，其中所述可变形反射元件包括固定部分和可移动部分，所述可移动部分被定位成通过它的移动来改变所述可变形反射元件的曲率。
9.如权利要求7所述的单元，其特征在于，其中所述可变形反射元件包括一对可移动部分，该可移动部分被配置成使所述可变形反射元件的曲率
a)当使一对中的各个可移动部分相互靠近时增加；和
b)当使一对中的各个可移动部分相互分离时减小。
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