一种采用直通光路对准结构的抗高过载MOEMS光开关装置

本发明属于微光机电系统（moems），具体涉及一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置。

背景技术：

1、moems光开关是一种基于微光机电系统实现光路通断控制的微型光学器件，主要由moems芯片和外部封装结构组成。moems光开关通过微执行器控制光纤光路的通断，实现输入光信号与输出光信号之间的导通或阻断。其具有体积小、响应快、抗电磁干扰能力强等优点，在激光引信安全系统中具有较好的应用价值。

2、现有光开关技术主要包括机械式光开关、波导式光开关以及moems光开关等类型。机械式光开关具有较好的抗过载能力，但其体积较大且控制精度较为有限，应用场景存在局限性。波导式光开关在扩展性、一致性和抗电磁干扰性能方面具有一定优势，但其结构相对复杂、布线较多，存在电磁干扰的风险。相比之下，基于半导体工艺制造的moems光开关可通过半导体工艺在同一基片上实现大批量、低成本制造，同时能够实现微小尺寸的精确控制。

3、然而，在军事和航空航天等极端工况环境中，光开关往往需要承受较大的冲击载荷、高过载以及强振动等力学环境。对于moems光开关而言，当外部载荷超过其内部微结构的承载极限时，容易导致芯片微结构发生断裂、破损或脱离，从而造成光路偏移、卡死或开关失效，进而影响整个系统的可靠性和安全性。因此，提升moems光开关芯片的结构强度和抗高过载能力，成为其在上述极端环境中应用时需要解决的关键问题。

4、在现有技术中，中国授权专利cn109932782b和cn218767409u公开了一种基于光纤moems光开关装置的微机电系统，该光开关装置的通断通过v型执行器驱动可动式微镜平移实现，由输入光纤、输出光纤和可动式微镜组成的插合反射式结构完成光路通断。该方案有助于提升微机电安全系统的集成度并实现尺寸微型化，但其系统采用反射式光路进行光路传输，光路耦合效率不高；且当进行高功率激光信号传输时，硅基微镜在高功率激光下易产生烧蚀，无法稳定进行光路传输。同时，该系统未进行抗高过载设计，在极端环境下易出现结构损伤而导致功能丧失。

5、中国授权专利cn113204079b公开了一种moems光开关抗高过载结构及其设计方法，该方案将moems光开关衬底层设计为空腔梁状结构，当moems光开关受到垂直于芯片方向的高过载冲击时，衬底层通过梁状结构的支撑来消耗可动式微镜受到的冲击能量并将其限定在下限位置，从而防止因过量变形导致的结构断裂。然而，该方案仅具有单向限位保护能力，在承受反向载荷时缺乏保护，难以应对复杂的过载和强振动工况。同时该光开关也采用反射式光路，因此具有较大的改进空间。

技术实现思路

1、针对现有moems光开关在高过载冲击条件下易出现可动结构断裂、卡死或光路偏移等失效问题，以及无法同时满足极端工况下抗高过载与光路传输效率双重需求的技术不足，本发明旨在提供一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，能够兼顾优异的抗高过载性能和光路传输效率。

2、本发明采用直通对准式光路并使用电热执行器实现直通式光路通断控制，有效提升光路传输效率；通过一体化设计的v型电热执行器-光路隔离硅片结构、双重限位保护设计以及光纤固定设计，实现优异的抗高过载性能。

3、具体技术方案如下：一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，包括管壳、moems光开关芯片、玻璃盖板、金属引脚和金线。

4、所述moems光开关芯片为三层复合结构，其上集成有电极、v型电热执行器、光路隔离硅片、光纤定位结构和保护支撑结构。所述v型电热执行器与光路隔离硅片为一体式结构，光路隔离硅片位于输入光纤和输出光纤之间的光路上，用于控制光路的通断。所述保护支撑结构位于v型电热执行器的垂直工作面上，用于在过载条件下限制执行器的过量位移并提供支撑。

5、所述玻璃盖板键合于所述moems光开关芯片的上表面，与芯片上的光纤定位结构配合形成光纤固定腔，实现输入光纤和输出光纤的双向定位固定。所述玻璃盖板上开设有电极接线孔和光纤观察孔。

6、所述管壳采用高强度金属材料制成，管壳侧壁对应光纤定位结构的位置开设有光纤通孔，底部开设引线安装孔。所述金属引脚通过绝缘烧结工艺固定于管壳的引线安装孔中，金属引脚表面设有保护镀层。

7、所述金线连接于moems光开关芯片的电极与金属引脚之间，形成v型电热执行器的供电回路。

8、进一步地，所述输入光纤和输出光纤采用直通对准式光学通路布置。当v型电热执行器未通电时，光路隔离硅片位于输入光纤和输出光纤之间的直通光路上，完全遮挡光信号，光开关处于关断状态。当v型电热执行器通电加热后，利用焦耳热效应，执行器产生垂直于芯片平面方向的位移，带动光路隔离硅片移出光路，输入光纤的光信号直接传输至输出光纤，光开关处于导通状态。当停止通电后，v型电热执行器冷却收缩，弹性恢复力带动光路隔离硅片复位至光路中，光开关回到关断状态。

9、进一步地，所述保护支撑结构与玻璃盖板共同构成v型电热执行器的双重限位保护结构。在承受垂直于芯片平面的高过载冲击时，所述保护支撑结构限制v型电热执行器向下方向的超限位移，所述玻璃盖板限制v型电热执行器向上方向的超限位移，二者协同作用，将执行器的变形范围限制在弹性变形范围内，防止执行器发生塑性变形或断裂。

10、进一步地，所述管壳采用可伐合金材料制成，表面经发黑处理形成防反射镀层。所述金属引脚表面经热浸镀锡形成绝缘保护镀层。所述管壳与金属引脚之间通过玻璃烧结工艺实现绝缘密封。

11、进一步地，所述管壳侧壁的光纤通孔同时作为装置的安装固定孔，用于将光开关装置与外部系统进行机械连接。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

13、通过v型电热执行器与光路隔离硅片的一体化设计，结构紧凑、响应速度快、光路切换可靠性高。

14、通过保护支撑结构与玻璃盖板形成的双重限位保护机制，有效限制了高过载冲击下微执行器的过量位移，显著提升了装置的抗高过载能力，能够适应军事和航空航天领域的极端应用环境。

15、通过直通式光路对准设计，输入光纤与输出光纤之间采用直接耦合方式，提高了光开关的光路传输效率。

16、综上所述，本发明实现了高抗过载与高光路传输效率的兼顾。

1.一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：包括：管壳（1）、moems光开关芯片（2）、玻璃盖板（3）、金属引脚（4）和金线（5）。所述管壳（1）两侧开设有两个直径为1 mm的光纤通孔（1-2），底部开设有两个引线安装孔（1-3），内部有芯片安装腔（1-4）。moems光开关芯片（2）与玻璃盖板（3）通过阳极键合工艺完成封装后，设置在管壳（1）的芯片安装腔（1-4）中，金属引脚（4）被设置在管壳（1）的引脚安装孔（1-3），金线（5）被设置为连接moems光开关芯片（2）的两端电极（2-1）与两个金属引脚（4）。

2.如权利要求1所述的一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：所述moems光开关芯片（2）结构层（2-7）有以下结构：电极（2-1）被配置在v型电热执行器（2-3）两端，光路隔离硅片（2-5）与所述v型电热执行器（2-3）为一体式结构，且位于输入光纤和输出光纤之间的直通光路上；两对光纤限位块（2-4）分布于光纤槽（2-6）中心旁侧位置，光纤槽（2-6）沿直通光路方向贯通，用于固定输入光纤和输出光纤。moems光开关衬底层（2-8）有保护支撑结构（2-2），位于所述v型电热执行器（2-3）的垂直工作面下方。

3.如权利要求1所述的一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：所述玻璃盖板（3）上开设有光纤装配缺口（3-2）、电极孔（3-3）、光纤观察孔（3-4）以及位于背面对应v型电热执行器（2-3）可动区域位置的执行器活动腔（3-5）；玻璃盖板（3）通过阳极键合固定于所述moems光开关芯片（2）的结构层（2-7）表面，与所述光纤槽（2-6）及光纤限位块（2-4）配合形成光纤固定腔。

4.根据权利要求3所述的抗高过载moems光开关装置，其特征在于，所述玻璃盖板（3）采用bf33硼硅玻璃制成；所述执行器活动腔（3-5）的深度为20 μm，其腔内表面溅射有一层厚度为50 nm的cr金属层。

5.如权利要求1所述的一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：一对金属引脚（4）分别穿设并固定于所述管壳（1）的安装孔（1-3）中，所述金属引脚（4）与管壳（1）之间通过玻璃烧结工艺实现绝缘密封；金线（5）的一端与所述moems光开关芯片（2）上的一个电极（2-1）连接，另一端与所述金属引脚（4）位于管壳（1）内部的一端连接。

6.根据权利要求1所述的一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：所述保护支撑结构（2-2）为长方块状结构，其上表面与所述v型电热执行器（2-3）的垂直工作面之间具有2 μm间隙，所述执行器活动腔（3-5）的底面与v型电热执行器（2-3）的上表面之间具有20 μm间隙；所述保护支撑结构（2-2）的上表面和所述执行器活动腔（3-5）的底面，共同构成限制所述v型电热执行器（2-3）在垂直于芯片平面方向上双向位移行程的机械限位结构。

7.根据权利要求1所述的一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：所述moems光开关芯片（2）以soi晶片为基底，其中器件层厚度为125 μm，埋氧层厚度为2 μm，衬底层厚度为350 μm；所述电极（2-1）的上表面依次设置有厚度为30 nm的cr粘附层和厚度为500 nm的金属薄膜电极层；所述v型电热执行器（2-3）的水平夹角为1°，厚度等于器件层厚度；所述光路阻挡薄片（2-5）的厚度等于器件层厚度，宽度为50 μm。

8.如权利要求1所述一种采用直通光路对准结构的抗高过载moems光开关装置，其特征在于：所述光纤槽（2-6）为正方形截面槽，其刻蚀深度等于器件层厚度，为125 μm；输入光纤和输出光纤分别从管壳（1）两侧的所述光纤通孔（1-2）穿入，经所述光纤槽（2-6）插入并相向抵至槽内末端，使输入光纤和输出光纤的端面在直通光路上彼此对准，且光纤由所述光纤限位块（2-4）进行约束。光纤穿入到位后，在所述光纤通孔（1-2）与光纤装配缺口（3-2）接触处填充紫外固化胶层，将光纤与管壳（1）密封固定。

9.根据权利要求1所述的抗高过载moems光开关装置，其特征在于，所述v型电热执行器（2-3）为多折弯梁式结构，所述光路阻挡薄片（2-5）垂直连接于v型电热执行器（2-3）的一侧，且光路阻挡薄片（2-5）的片平面垂直于芯片平面；当v型电热执行器（2-3）处于自然状态时，光路阻挡薄片（2-5）的下边缘位于所述光纤槽（2-6）底面的下方；当v型电热执行器（2-3）通电热膨胀时，带动光路阻挡薄片（2-5）向上运动至光纤槽（2-6）底面的上方。

10.根据权利要求1所述的抗高过载moems光开关装置，其特征在于，所述管壳（1）采用可伐合金材料制成，其整体外形尺寸为10 mm×5.5 mm×3 mm，所述芯片安装腔（1-4）的尺寸为9 mm×3 mm，管壳（1）侧壁厚度为0.7 mm，引线安装孔（1-3）所在底部的厚度为0.5 mm，所述光纤通孔（1-2）的直径为1 mm。