-
Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Router und insbesondere
integrierte optische Router.
-
Mit
der zunehmenden Verwendung von optischen Fasern zur Übermittlung
von Information gibt es einen wachsenden Bedarf an effizienten optischen Routern
(oder Schaltern) zur Weiterleitung von Signalen zwischen optischen
Fasern und/oder anderen Typen von Lichtleitern. Herkömmlicherweise
sind große
Router mechanischer Art verwendet worden, die zwischen einer oder
mehreren Eingangsfasern und einer oder mehreren Ausgangsfasern angeordnet
sind. Die Router können
durch Elektromotoren oder Drehmagnete betätigt werden. Solche Router sind
sowohl voluminös
als auch teuer, und es sind integrierte optische Router vorgeschlagen
worden.
-
Ein
integrierter Ansatz betrifft die Herstellung von Wellenleitern in
einem Planaren Substrat, wobei jeder Wellenleiter mit einer entsprechenden
optischen Faser gekoppelt ist. In den Wellenleitern sind Phasenschieberkomponenten
angeordnet, die elektrisch betätigbar
sind, um die optischen Eigenschaften des Wellenleitermaterials zu
verändern.
Dies kann die Übertragung
von Licht durch einen Wellenleiter sperren und/oder kann bewirken,
daß das
Licht in einen angrenzenden Wellenleiter gekoppelt wird. Ein solcher
Router ist in
US 6028552 beschrieben.
-
Ein
anderer Ansatz zur Bereitstellung eines integrierten optischen Routen
besteht darin, eine linear bewegbare Schalter-„Platte” in einem Planaren Substrat
zwischen in dem Substrat ausgebildeten Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern bereitzustellen.
Die Platte ist infolge einer elektrostatischen Kraft bewegbar. In
einer ersten Stellung kann ein in der Platte ausgebildeter Wellenleiter
entsprechende Eingangs- und Ausgangs-Wellenleiter auf dem Substrat koppeln,
während
der Wellenleiter in der Platte in einer zweiten Stellung mit den
Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern nicht in einer Flucht ist,
so daß sie
nicht miteinander gekoppelt sind. Solche Vorrichtungen arbeiten
grundsätzlich
als Ein/Aus-Schalter, das heißt,
ihre Fähigkeit,
Signale weiterzuleiten (das heißt,
von einem einzelnen Eingang zu einem von mehreren Ausgängen), ist
begrenzt.
-
JP-A-5-241084 beschreibt
einen optischen Drehschalter, der einen Rotor und einen Stator umfaßt, wobei
auf dem Rotor ein Paar bogenförmiger Wellenleiter
und ein linearer Wellenleiter ausgebildet sind. Der Rotor kann gedreht
werden, um diese Wellenleiter mit optischen Fasern auszurichten,
die am Stator befestigt sind.
-
JP-A-58-080603 beschreibt
ebenfalls einen optischen Drehschalter, der einen Stapel von drehbaren
Scheiben umfaßt,
von denen jede mit einem Satz optischer Fasern gekoppelt ist. Jede
Scheibe umfaßt einen
Satz bogenförmiger
Wellenleiter, die dafür
angeordnet sind, bei Verwendung Licht zwischen Fasern zu koppeln.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile bekannter
optischer Router zu überwinden
oder wenigstens zu mildem. Diese und weitere Aufgaben werden gelöst, indem
Mikrobearbeitung verwendet wird, um eine drehbare Schalterkomponente
in einem Planaren Substrat zwischen Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitern
auszubilden.
-
Ein
Verfahren zur Herstellung eines optischen Routen gemäß der Erfindung
ist in Anspruch 1 definiert.
-
Vorzugsweise
wird eine weitere Oxidschicht auf der Oberfläche des Bauelements ausgebildet, wobei
eine vierte Polysiliciumschicht auf die Oberseite der Oxidschicht
aufgebracht wird. Die vierte Polysiliciumschicht wird dann geätzt, um
eine obere Platte des Stators auszubilden. Noch mehr bevorzugt werden
nach diesem Schritt Wellenleiter auf den Oberflächen des Rotors und der den
Rotor umgebenden Planaren Schicht ausgebildet. Der Schritt des Ausbilden
von Wellenleitern kann das Aufbringen einer Oxidschicht auf die
freigelegte Oberfläche,
gefolgt von einer Nitridschicht, umfassen. Die Nitridschicht wird
dann geätzt,
bevor eine weitere Oxidschicht aufgebracht wird.
-
Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht
werden kann, wird nun anhand von Beispielen auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, wobei diese folgendes zeigen:
-
1 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch einen optischen Route;
-
2A und 2B stellen
schematisch eine Rotor- und eine Statorplatte des optischen Routen
von 1 dar;
-
3A und 3B zeigen
schematisch eine Draufsicht des Routers von 1; und
-
4A bis 4L zeigen
eine Folge von Herstellungsschritten zur Herstellung des Bauelements
von 1 und 3.
-
Ein
Bauelement 1 zur Weiterleitung von Licht zwischen ausgewählten Lichtwellenleitern
ist in 1 und 2 dargestellt.
Das Bauelement 1 umfaßt ein
Substrat 2 mit einer isolierenden Schicht 3, die auf
einer oberen Oberfläche
desselben angeordnet ist. Eine weitere Schicht 4 aus Polysilicium
ist auf der Oberseite der Oxidschicht 3 angeordnet. Ein
zylindrischer Pfeiler 5 ist in die Polysiliciumschicht 4 eingebettet,
durch eine Oxidbeschichtung 6 von ihr isoliert, und steht
nach außen
vom Substrat hervor, um den Stator eines Motors bereitzustellen.
Eine kreisförmige
Polysiliciumplatte 7 schließt den Pfeiler 5 nach oben
ab.
-
Ein
Rotor 8, der einen zylindrischen Polysiliciumkörper 9 mit
einer Wellenleiterbeschichtung 10 umfaßt, umgibt den Stator 5.
Der Rotor 8 ist in einer Aussparung angeordnet, die in
einer Polysiliciumschicht 11 ausgebildet ist. Die Polysiliciumschicht 11 ist
nach oben durch eine Schicht aus Wellenleitermaterial 12 abgeschlossen,
so daß die
Schicht 12 (radial) mit der Schicht aus Wellenleitermaterial 10 des Rotors 8 ausgerichtet
ist. Der Rotor 8 kann sich innerhalb der Schichten 11 und 12 um
den Stator 5 bewegen.
-
2A stellt
in Draufsicht den Abschnitt der Polysiliciumschicht 4 dar,
der unter dem Rotor 8 liegt. Das Polysilicium ist tatsächlich ein
Satz Polysiliciumplatten 4a, die durch ein isolierendes
Material wie etwa Siliciumoxid 4b voneinander getrennt
sind. Jede Platte 4a ist mit einer Spannungsquelle (nicht gezeigt)
elektrisch gekoppelt. Die Schicht 4 ist mit einer Schicht
aus Oxid beschichtet, um die Platten 4a vom Rotor 8 galvanisch
zu trennen. Der Rotor 8 ist in 2B in Draufsicht
dargestellt und umfaßt
ebenfalls einen Satz Polysiliciumplatten 8a. Die Platten 8a sind
durch eine Polysiliciumnabe 8b gelagert.
-
Um
den Rotor zu drehen, werden Spannungsimpulse (zum Beispiel 30 V)
an die Statorplatten 4a angelegt. Man wird anerkennen,
daß die
Platten 4a in zwei oder mehr Phasen angeordnet sein können, um
die Ausrichtungsgenauigkeit des Rotors 8 zu verbessern.
Zwischen dem Anlegen von Impulsen an die Platten 4a können Kapazitätsmessungen vorgenommen
werden, um den exakten Ort des Rotors 8 festzustellen.
-
Mit
Bezug auf die Draufsicht von 3A ist eine
Wellenleiter-Anordnung gezeigt, die es ermöglicht, daß Licht von einem einzelnen
Eingangs-Wellenleiter (zum Beispiel A) zu einem aus einer Vielzahl von
Ausgangs-Wellenleitern (zum Beispiel B bis P) weitergeleitet wird.
Sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangs-Wellenleiter (gemeinsam
mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet) erstrecken sich durch die
Wellenleiter-Beschichtung 12, die den Rotor 8 umgibt.
Ein Ende jedes Wellenleiters A bis P endet an dem Raum 21,
der den Rotor 8 umgibt. Obwohl es in 3 nicht
gezeigt ist, können
die anderen Enden der Wellenleiter an einem Rand des Bauelements
enden, wo sie mit optischen Komponenten, wie etwa optischen Fasern
(oder im Fall des Eingangs-Wellenleiters A, einer LED- oder Laser-Lichtquelle),
gekoppelt werden können.
Alternativ können
die Wellenleiter Licht in und aus optischen Verarbeitungskomponenten
auf dem Chip (zum Beispiel Verstärkern
und weiteren Schaltern) koppeln.
-
Eine
Vielzahl von bogenförmigen
Wellenleitern 20 (mit den Nummern 1' bis 7') ist in der Wellenleiter-Beschichtung 10 ausgebildet,
die auf der Oberseite des Rotors 8 sitzt. Die Wellenleiter 20 sind
in zwei Sätzen
ausgebildet, die auf den jeweiligen Hälften des Rotors 8 angeordnet
sind, wobei die beiden Enden jedes Wellenleiters 20 am
Umfangsrand des Rotors 8 im Raum 21 enden. Die
Wellenleiter 20 sind so angeordnet, daß ihre Enden mit freiliegenden
Enden der im Körper
des Bauelements 1 ausgebildeten Wellenleiter 13 ausgerichtet
sein können.
Man wird anerkennen, daß der
Eingangs-Wellenleiter A mit einem ausgewählten der fünfzehn Ausgangs-Wellenleiter
(B bis P) gekoppelt werden kann, indem der Rotor 8 in die
passende Winkelstellung des Rotors 8 gedreht wird. Zum
Beispiel stellt 3A eine erste Stellung des Rotors 8 dar,
in welcher der Rotor-Wellenleiter 1' den Eingangs-Wellenleiter A mit
dem Ausgangs-Wellenleiter F koppelt, während 3B den Rotor 8 in
einer zweiten Stellung zeigt, in welcher der Rotor-Wellenleiter 5' den Eingangs-Wellenleiter
A mit dem Ausgangs-Wellenleiter K koppelt.
-
Mikrobearbeitungsmethoden
werden verwendet, um das optische Schalter-Bauelement von 1 zu
bauen. Geeignete Methoden werden zum Beispiel in „A Low
Voltage Actuator Fabricated Using a Five Level Polysilicon Surface
Micromachining Technology",
Thomas W. Krygowski, Intelligent Micromachine Department, Sandia
National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, 871851080, beschrieben.
Die Mikrobearbeitungstechnologie ist ein rasant wachsendes Gebiet,
wo Methoden zur Siliciumverarbeitung verwendet werden, um kleine
mechanische Systeme auszubilden.
-
Ein
bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des mikrobearbeiteten Bauelements 1 wird
nunmehr mit Bezug auf 4A bis 4L beschrieben,
welche jeweils die Herstellungsschritte 1 bis 12 darstellen.
-
Schritt
1 zeigt einen Siliciumwafer 16, der oxidiert worden ist.
Polysilicium 17, das stark dotiert ist, damit es leiten
kann, wird in Schritt 2 auf die Oxidschicht 18 aufgebracht.
Diese Schicht 17 wird dann geätzt, um elektrostatische Platten 19 in
der Form auszubilden, die erforderlich ist, um den Rotor anzutreiben
(das heißt,
wie in 2A dargestellt), und um ein mittiges Loch für die Spindel
bereitzustellen. Es werden elektrische Kontakte zu den Platten 19 hergestellt.
-
In
Schritt 3 wird das Spindelloch 21 bis zur oberen Schicht
des ursprünglichen
Oxids 18 geätzt, und
eine Oxidschicht 20 wird über die erste Polysiliciumschicht 17 aufgebracht.
In Schritt 4 wird eine zweite Polysiliciumschicht 22 auf
die Struktur aufgebracht, um das mittige Spindelloch 21 zu
füllen,
und wird dann in Schritt 5 geätzt,
um das Polysilicium bis auf eine mittige Spindelsäule 23 zu
entfernen.
-
In
Schritt 6 wird die aufgetragene Oxidschicht entfernt. In Schritt
7 werden die Polysiliciumschichten oxidiert, um Oxidschichten 24 auszubilden, und
in Schritt 8 wird eine dritte Polysiliciumschicht 25 aufgebracht.
Die dritte Polysiliciumschicht 25 wird planpoliert, wodurch
der Polysilicium-Achszapfen 23 freigelegt wird (Schritt
9). An diesem Punkt wird die Polysiliciumschicht 25 selektiv
geätzt,
um die in 2B dargestellte Rotorstruktur
auszubilden. In Schritt 10 werden eine weitere Oxidschicht 26 und eine
vierte Polysiliciumschicht 27 so aufgebracht, daß sie mit
der freigelegten Oberseite der Spindel 23 in Kontakt kommen.
Diese vierte Polysiliciumschicht 27 wird selektiv geätzt (Schritt
11), so daß die
den Achszapfen 23 überlagert,
um einen Anschlag auszubilden (der verhindert, daß der Rotor
vom Achszapfen herunterrutscht).
-
Nach
Schritt 10 werden die Lichtwellenleiter unter Verwendung von Materialien
mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften ausgebildet, wie etwa Siliciumnitrid
mit dazwischen angeordnetem Siliciumdioxid oder Siliciumdioxid,
das zwischen Siliciumnitrid angeordnet ist, oder Siliciumnitrid,
das auf Oxid- oder anderen Säulen
gelagert ist, um die optische Transmission zu verbessern. Die Wellenleiter
werden aus Bahnen eines Material gebildet, das aufgebracht werden
kann, und gedruckt und geätzt,
um das erforderliche Muster auszubilden, und zwar auf eine Weise,
die in der Halbleiterindustrie bekannt ist.
-
Ein
entscheidender Schritt besteht hier darin, das Wellenleitermaterial
auf das Substrat aufzubringen, ein dem Rotor entsprechendes mittiges
Fenster zu öffnen,
in das eine sehr dünne
Schicht aufgebracht wird, gefolgt von einem zweiten Aufbringen von
Wellenleitermaterial. Die Schicht wird dann planarisiert, um eine
Oberfläche
auszubilden, welche die dünne
Schicht freilegt, die geätzt
werden kann. Die Wellenleiter werden dann gedruckt, um einen Teil auf
dem Substrat (a) und einen Teil auf dem Rotor (b) auszubilden.
-
Schließlich werden
die Oxidschichten 24, 26, die den Achszapfen 23 umgeben,
weggeätzt,
um den Rotor freizumachen (an diesem Punkt ist möglicherweise zusätzlicher
Schutz nötig,
um zu verhindern, daß die
unter dem Achszapfen 23 liegende Oxidschicht 20 vollständig geätzt wird).
Die resultierende Struktur ist in Schritt 12 gezeigt.
-
Der
Fachmann wird anerkennen, daß an
den oben beschriebenen Ausführungsformen
verschiedene Modifikationen möglich
sind, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.