DE60302374T2

DE60302374T2 - MEMS basierter optischer Schalter

Info

Publication number: DE60302374T2
Application number: DE60302374T
Authority: DE
Inventors: Toshihide Shibuya-ku Norimatsu
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: CN1439906A; EP1338907A1; US20030161021A1; DE60302374D1; CN100501495C; US6728018B2; CA2418575A1; TW594047B; TW200303428A; JP2003241120A; EP1338907B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Lichtsteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um einen optischen Pfad zu schalten oder diesen zu begrenzen (d.h. die Lichtmenge zu steuern), und zwar durch Versetzen einer beweglichen Platte und demzufolge eines auf dieser montierten Spiegels.
1A zeigt den Aufbau eines optischen Schalters, welcher ein Beispiel einer herkömmlichen Lichtsteuervorrichtung dieser Art ist. Der dargestellte optische Schalter ist ein optischer 2×2-Schalter zum Schalten von optischen Pfaden zweier Strahlen B₁ und B₂, die parallel zueinander, jedoch in entgegengesetzter Richtung einfallen.
Auf einer beweglichen Platte 11 sind vier Spiegel 12 als Lichtsteuervorrichtungen angebracht. Die Spiegel 12 sind unter einem Winkel von 45° bezüglich der einfallenden Strahlen B₁ bzw. B₂ angeordnet, wie in 1A dargestellt.
Die bewegliche Platte 11 ist durch zwei Lagerungsträger 13 in einer Weise befestigt, dass sie in Richtung senkrecht zu der von ihr gebildeten Fläche versetzbar ist. Die Lagerungsträger 13 ragen aus einem Paar gegenüberliegender Seiten der beweglichen Platte 11 vor, welche die Form einer rechteckigen Platte hat, und erstrecken sich jeweils entlang drei Seiten von dieser um diese herum. Die verlängerten Enden der Lagerungsträger 13 sind mit den stationären Teilen 15 eines die bewegliche Platte 11 umgebenden Rahmens 14 fest verbunden.
Unter der beweglichen Platte 11 befindet sich eine feststehende Elektrode 16 in einem vorbestimmten Abstand, wie dargestellt in 1b, und der Randabschnitt einer Basis 17, mit der die feststehende Elektrode 16 integral ausgebildet ist, ist mit dem Rahmen 14 verbunden. Die der feststehenden Elektrode 16 gegenüberliegende bewegliche Platte 11 fungiert als bewegliche Elektrode.
Beim optischen Schalter mit der zuvor beschriebenen Konfiguration wird, bei Anlegen einer Spannung über der beweglichen Platte 11 und der feststehenden Elektrode 16, die bewegliche Platte 11 durch eine elektrostatische Kraft zur feststehenden Elektrode 16 heruntergezogen, und bei Wegnehmen der Spannung kehrt die bewegliche Platte wieder in ihre Anfangsposition zurück.
Demgemäß ist der optische Schalter in der Lage, die optischen Pfade durch die Spiegel 12 umzuschalten, welche einem Versetzen unterzogen werden, wenn sich die bewegliche Platte 11 nach oben und unten bewegt. Das heißt, wenn die bewegliche Platte 11 sich in der 1B dargestellten Position befindet, werden die einfallenden Strahlen B₁ und B₂ durch die Spiegel 12 reflektiert, so dass sie sich wie durch die mit Pfeilen markierten durchgezogenen Linien angegeben bewegen, wenn sich hingegen die bewegliche Platte 11 in einer abgesenkten Position befindet, befinden sich die Spiegel 12 außerhalb der optischen Pfade, was ermöglicht, dass sich die einfallenden Strahlen B₁ und B₂ geradlinig bewegen, ohne durch die Spiegel 12 reflektiert zu werden.
2 und 3 zeigen eine Abfolge von Schritten, die zur Herstellung des zuvor erläuterten optischen Schalters ausgeführt werden. Der optische Schalter wird unter Verwendung von zwei Basisplatten oder Substraten gefertigt. Die Schritte S1 bis S4 in 2 zeigen Schritte zur Bearbeitung des oberen Substrates, und die Schritte S5 bis S7 in 3 zeigen Schritte zur Bearbeitung des unteren Substrates.
Beim oberen Substrat handelt es sich bei diesem Beispiel um ein aus vielen Schichten bestehendes SOI-(Silizium-auf-Isolator)-Substrat 24 mit einer SiO₂-Schicht 21, die sich zwischen Silizium-(Si)-Schichten 22 und 23 befindet, wie dargestellt in 2. Dieser Herstellungsprozess wird nachfolgend Schritt für Schritt beschrieben.
Schritt S1: Das SOI-Substrat wird jeweils auf seiner gesamten Ober- und Unterseite mit thermisch oxidierten Filmen 25 bzw. 26 beschichtet.
Schritt S2: Muster für die bewegliche Platte, die Lagerungsträger und die stationären Teile werden durch Photolithographie auf einem Teil der Oberseite des thermisch oxidierten Filmes 25 ausgebildet, dann wird der thermisch oxidierte Film 25 selektiv weggeätzt, wie durch das Muster vorgegeben, und die Si-Schicht 22 wird, unter Verwendung des thermisch oxidierten Filmmusters als Maske, selektiv weggeätzt. Außerdem wird ein Rahmenmuster durch Photolithographie auf der thermisch oxidierten Schicht 26 ausgebildet, und der thermisch oxidierte Film 26 wird selektiv weggeätzt, wie durch das Muster vorgegeben.
Schritt S3: Der auf dem Teil der Oberseite verbleibende thermisch oxidierte Film 25 wird weggeätzt, und ein Resist-Dickfilm wird auf die gesamte Fläche der Oberseite aufgebracht und mit einem Muster versehen, um Spiegelkörper zu erzeugen, die auf ihrer gesamten Fläche mit einem Au-Film beschichtet werden, um die Spiegel 12 zu bilden.
Schritt S4: Die Si-Schicht 23 auf seiten der unteren Fläche wird selektiv weggeätzt, und die SiO₂-Schicht 21 wird selektiv weggeätzt, um den Rahmen 14 zu bilden. Als Ergebnis sind zwei stationäre Teile 15 auf der SiO₂-Schicht des Rahmens 14 positioniert, die aus der Si-Schicht 23 und der SiO₂-Schicht 21 aufgebaut sind, und die bewegliche Platte 11, welche die Spiegel 12 trägt, wird durch die stationären Teile 15 mittels der Lagerungsträger 13 getragen.
Außerdem wird ein Si-Substrat 27 als unteres Substrat verwendet. Bezug nehmend auf 3 wird der Herstellungsprozess nachfolgend Schritt für Schritt beschrieben.
Schritt S5: Das Si-Substrat 27 wird auf seiner gesamten Ober- und Unterseite mit dem thermisch oxidierten Film 28 bzw. 29 beschichtet.
Schritt S6: Ein Muster einer feststehenden Elektrode wird durch Photolithographie auf dem ther misch oxidierten Film 28 ausgebildet, und der thermisch oxidierte Film 28 wird selektiv weggeätzt, wie durch das Muster vorgegeben.
Schritt S7: Das Substrat 27 wird, wie vorbestimmt, unter Verwendung des Musters des thermisch oxidierten Films 26 als Maske, weggeätzt, und danach wird der thermisch oxidierte Film 28 weggeätzt. Als Ergebnis wird auf der Basis 17 die nach oben vorstehende, feststehende Elektrode 16 ausgebildet.
Das Si-Substrat 27 und das SOI-Substrat 24, die auf diese Weise erhalten werden, werden zu einer einstückigen Struktur vereinigt, bei welcher der Rahmen 14, beispielsweise durch Verkleben, an der Basis 17 fest angebracht wird. Auf diese Weise wird der in den 1A und 1B dargestellte optische Schalter gefertigt.
Bei einer derartigen herkömmlichen Lichtsteuervorrichtung wie dem zuvor beschriebenen optischen Schalter, der einen Aufbau hat, bei dem die bewegliche Platte als bewegliche Elektrode verwendet wird und durch elektrostatisches Antreiben verschoben wird, um die optischen Pfade durch Versetzen der auf der beweglichen Platte angebrachten Spiegel oder lichtabschirmenden Platten zu schalten oder zu begrenzen, wird die bewegliche Platte in ihrer Breitenrichtung angetrieben, d.h. in Richtung senkrecht zur Plattenoberfläche.
Demgemäß muss für das elektrostatische Antreiben der beweglichen Platte die feststehende Elektrode gegenüberliegend der Fläche der beweglichen Platten angeordnet sein, jedoch ist es schwierig, die bewegliche Platte (die bewegliche Elektrode) und die feststehende Elektrode, welche eine derartige Positionsbeziehung zueinander haben, aus einem einzigen Substrat zu erzielen. Aus diesem Grund werden diese herkömmlicherweise separat unter Verwendung von zwei Substraten erzeugt und dann, beispielsweise durch Verkleben, integriert.
Somit beinhaltet das Fertigungsverfahren des Standes der Technik für jedes der zwei Substrate, dass ein Ausbilden eines Musters durch Photolithographie und ein Ätzen erfolgt, und es erfordert deren Integration (durch Verkleben) zu einer unitären Struktur. Durch diese Arbeitsgänge wird unvermeidbar die menschliche Arbeitsstundenanzahl vergrößert, und die Herstellung der Lichtsteuervorrichtung wird kompliziert und zeitaufwändig.
US-A-6,303,885 offenbart eine Lichtsteuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei diesem Stand der Technik sind vier Führungsnuten für optische Fasern von der Mitte einer Basisplatte unter Wickelabständen von 90° in radialer Richtung ausgebildet, so dass sie sich in der Mitte treffen. Ein Spiegel ist vorgesehen, welcher zwischen zwei Positionen bewegbar ist. In der einen Position erstreckt sich der Spiegel zur Mitte hin, wo die vier Führungsnuten aufeinander treffen, wobei die eine Reflexionsfläche des Spiegels unter 45° zu dem einen Paar der Führungsnuten und die gegenüberliegende Reflexionsfläche des Spiegels unter 45° zum anderen Paar der Führungsnuten gehaltert ist. In der anderen Position ist der Spiegel aus der Mitte der Basisplatte zurückgezogen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es ein Ziel der Erfindung, eine Lichtsteuervorrichtung bereitzustellen, die mit einer geringeren Anzahl von menschlichen Arbeitsstunden und mit größerer Genauigkeit gefertigt werden kann.
Dieses Ziel wird durch eine Lichtsteuervorrichtung wie beansprucht in Anspruch 1 erzielt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Draufsicht, welche den Aufbau eines herkömmlichen optischen Schalters zeigt;
1B ist ein Querschnitt entlang Linie 1B-1B von 1A;
2 ist ein Diagramm, welches eine Abfolge von Schritten zeigt, welche die erste Hälfte des Herstellungsprozesses des in den 1A und 1B dargestellten optischen Schalters umfasst;
3 ist ein Diagramm, welches eine Abfolge von Schritten zeigt, welche die zweite Hälfte des Herstellungsprozesses des optischen Schalters umfasst;
4 ist eine explodierte perspektivische Ansicht, welche eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau des Teiles zeigt, der durch die in 4 dargestellte untere Si-Schicht gebildet ist;
6A ist ein Diagramm, welches eine Operation zum Schalten eines optischen Pfades des in 4 dargestellten optischen Schalters darstellt;
6B ist ein Diagramm, welches eine weitere Operation zum Schalten des optischen Pfades des in 4 dargestellten optischen Schalters zeigt;
7 ist ein Diagramm, welches eine Abfolge von Schritten zeigt, welche die Herstellung des in 4 dargestellten optischen Schalters umfasst;
8 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
9 ist eine perspektivische, teilweise separierte Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
10 ist eine Draufsicht, welche den Aufbau des Teiles zeigt, der durch die untere Si-Schicht in 9 gebildet ist;
11A ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Versetzung des Lagerungsträgers und der dadurch gespeicherten Energie im Fall der Ausführungsform von 5 zeigt;
11B ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Versetzung des Lagerungsträgers und der dadurch gespeicherten Energie im Fall der Ausführungsform von 9 zeigt;
12A ein Diagramm, welches die eine Schaltoperation des einen optischen Pfades bei dem in 9 dargestellten optischen Schalter zeigt;
12B ist ein Diagramm, welches die Schaltoperation des andere optischen Pfades zeigt;
13 ist eine teilweise ausgebrochene Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
14 ist eine Draufsicht der Ausführungsform von 13;
15A ist eine partielle Draufsicht zur Erläuterung des Zustandes, bei welchem der bewegliche Teil des optischen Schalters von 13 durch elektrostatisches Antreiben in der einen Richtung verschoben ist; und
15B ist eine partielle Draufsicht zur Erläuterung des Zustandes, bei welchem der bewegliche Teil des optischen Schalters von 13 durch elektrostatisches Antreiben in der anderen Richtung verschoben ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
4 ist eine diagrammartige Ansicht, welche den Aufbau eines optischen Schalters als Ausführungsform der Lichtsteuervorrichtung der Erfindung zeigt. In dieser Ausführungsform handelt es sich beim optischen Schalter um einen optischen 2×2-Schalter, wie im Fall des in den 1A und 1B dargestellten herkömmlichen optischen Schalters, und der Schalter ist durch ein aus vielen Schichten bestehendes SOI-Substrat 24, mit einer zwischen den Si-Schichten 22 und 23 befindlichen SiO₂-Schicht ausgebildet. Im Übrigen ist in 4 der durch die obere Si-Schicht 22 ausgebildete Teil separat von der SiO₂-Schicht 21 dargestellt.
5 ist eine Draufsicht der Struktur des Abschnittes, der durch die untere Si-Schicht 23 gebildet ist, welche nun als erstes beschrieben wird.
Eine bewegliche Platte 31 weist einen Aufbau in der Art einer rechteckigen Platte auf, und von den gegenüberliegenden Seiten 31A und 31B der beweglichen Platte 31 erstrecken sich schmale Lagerungsträger 32 paarweise in entgegengesetzten Richtungen, und zwar zueinander fluchtend angeordnet. Die Lagerungsträger 32 verlaufen parallel zur Oberseite 31c der beweglichen Platte 31 und unter einem rechten Winkel zu den Seitenflächen 31a und 31b von dieser. In diesem Beispiel erstrecken sich zwei Lagerungsträger 32 von jeder der Seitenflächen 31a und 31b, d.h. es werden zwei Paare von Lagerungsträgern 32 verwendet.
Die verlängerten Enden der Lagerungsträger 32 sind mit den seitlichen Trägern 33 fest verbunden, welche an der rechten und linken Seite angeordnet sind, und demzufolge wird die bewegliche Platte 31 an ihren beiden Enden durch die seitlichen Träger 33 mittels der zwei Paare von Lagerungsträgern 32 getragen, derart, dass sie in X-Richtung versetzbar ist. In der folgenden Beschreibung wird, wie angegeben in 5, die Richtung parallel zur Oberseite 31 und den Seitenflächen 31a und 31b der beweglichen Platte 31 als X-Richtung bezeichnet und die Richtung senkrecht zu den Seitenflächen 31a und 31b wird als Y-Richtung bezeichnet.
Bewegliche kammartige Elektroden 34 erstrecken sich, in Y-Richtung von den beiden Seitenflächen 31a und 31b der beweglichen Platte 31 in der Nähe von deren einem Ende in X-Richtung. Die kammartigen Elektroden 34 bestehen jeweils aus einem Basisabschnitt, der sich in Y-Richtung erstreckt, und Kammzähnen 34b, die sich, jeweils mit regelmäßigem Abstand in Y-Richtung, vom Basisabschnitt 34a aus in X-Richtung erstrecken.
Eine feststehende kammartige Elektrode 35, die gegenüberliegend den beiden beweglichen kammartigen Elektroden 34 angeordnet ist, besteht aus einem Basisabschnitt 35a, der sich in Y-Richtung erstreckt, und Kammzähnen 35b, die sich ausgehend vom Basisabschnitt 35a, jeweils mit in Y-Richtung regelmäßigem Abstand, in X-Richtung erstrecken. Die bewegliche kammartige Elektrode 34 und die feststehende kammartige Elektrode 35 sind so angeordnet, dass sich ihre Kammzähne 34b und 35b, in der Art einer Interdigitalelektrode, in Verzahnungseingriff befinden. In diesem Beispiel bilden die bewegliche und die feststehende kammartige Elektrode 34 und 35 die Antriebseinrichtungen zum Versetzen der beweglichen Platte 31 in X-Richtung durch elektrostatisches Antreiben.
Andererseits weist die obere Si-Schicht 22, wie dargestellt in 4, eine mittig angeordnete Öffnung 36 und zwei Paare von V-Nuten 37 auf, die sich von gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 36 in Y-Richtung zur festen Aufnahme von optischen Fasern erstrecken. In den V-Nuten 37 sind, auch wenn dies nicht in 4 dargestellt ist, optische Fasern, die beispielsweise jeweils eine Linse an ihrem einen Ende tragen, zueinander fluchtend fest angebracht.
Die Körper von vier Spiegeln 38, die sich in der Öffnung 36 befinden, um als Lichtsteuervorrichtungen zu dienen, sind durch die Si-Schicht 22 ausgebildet und durch eine SiO₂-Schicht 21 an der durch die Si-Schicht 23 ausgebildeten beweglichen Platte 31 angebracht. Die Spiegel 38 sind jeweils unter einem Winkel von 45° bezüglich des einfallenden Lichtes angeordnet.
6A und 6B zeigen, wie ein Schalten der optischen Pfade beim optischen Schalter des zuvor beschriebenen Aufbaus erfolgt. Durch Anlegen einer Spannung über der beweglichen kammartigen Elektrode und der feststehenden kammartigen Elektrode 34 bzw. 35 im Zustand von 6A wird die bewegliche kammartige Elektrode 34 durch eine elektrostatische Kraft von der feststehenden kammartigen Elektrode 35 angezogen, wodurch ein Durchbiegen der Lagerungsträger 32 erfolgt und somit die bewegliche Platte 31 in X-Richtung verschoben und die optischen Pfade geschaltet werden, wie dargestellt in 6B.
Als nächstes wird mit Bezug auf 7 eine Abfolge der Schritte S1 bis S9 beschrieben, welche die Herstellung des optischen Schalters in dieser Ausführungsform umfasst. Im Übrigen zeigt die Si-Schicht 23 den Querschnitt sowohl der Kammzähne 34b als auch 35b, und die Si-Schicht 22 zeigt den Querschnitt der V-Nut 37.
Schritt S1: Die thermisch oxidierten Filme 25 und 26 werden auf der gesamten Ober- bzw. Unterseite des SOI-Substrates 24 ausgebildet.
Schritt S2: Ein Durchgangsloch 41 wird durch Photolithographie und Ätzen mittels des an der Unterseite befindlichen thermisch oxidierten Filmes 26 an einem vorbestimmten Ort ausgebildet.
Schritt S3: Ein aus zwei Schichten bestehender Au-/Cr-Film wird auf der gesamten Unterseite ausgebildet und in Form einer Elektrodenkontaktfläche selektiv weggeätzt. Auch wenn dies in den 4 und 5 nicht dargestellt ist, ist die Elektrodenkontaktfläche 42 auf jedem seitlichen Träger 33 und dem Basisabschnitt 35a der feststehenden kammartigen Elektrode 35 vorgesehen.
Schritt S4: Muster für die bewegliche Platte, die Lagerungsträger, die seitlichen Träger, die bewegliche kammartige Elektrode und die feststehende kammartige Elektrode werden durch Photolithographie auf dem gesamten thermisch oxidierten Film 26 ausgebildet, und danach wird der bodenseitige thermisch oxidierte Film 26 selektiv weggeätzt, wie durch das Muster vorgegeben.
Schritt S5: Muster für die V-Nuten zur Aufnahme der optischen Fasern, die Öffnung und die Spiegel werden durch Photolithographie auf dem gesamten an der Oberseite befindlichen thermisch oxidierten Film ausgebildet, und danach wird der thermisch oxidierte Film 25 selektiv weggeätzt, wie durch das Muster vorgegeben.
Schritt S6: Die bodenseitige Si-Schicht 23 wird durch Trockentiefätzen, unter Verwendung des thermisch oxidierten Filmmusters 26 als Maske, selektiv entfernt.
Schritt S7: Die an der Oberseite befindliche Si-Schicht 22 wird durch KOH-Naßätzen selektiv entfernt, und zwar unter Verwendung des thermisch oxidierten Filmmusters 25 als Maske.
Schritt S8: Die Spiegelkörper werden auf ihrer gesamten Oberfläche mit einem Au-Film 43 beschichtet, um den Spiegel 38 zu bilden.
Schritt S9: Die verbleibende SiO₂-Schicht wird durch Nassätzen selektiv entfernt, und zwar abgesehen von der SiO₂-Schicht 21, die sich auf den seitlichen Trägern 33 und dem Basisabschnitt 35a der feststehenden kammartigen Elektrode 35 befindet, der SiO₂-Schicht 21, die sich unter jedem Spiegel 38 befindet, und dem thermisch oxidierten Film 26 eines jeden Elektrodenkontaktflächenabschnittes 42. Auf diese Weise wird der optische Schalter von 4 erzielt.
Wie zuvor beschrieben wird in diesem Beispiel die bewegliche Platte 31 parallel zu ihrer Oberseite 31c angetrieben, um die optischen Pfade zu schalten, und das Ausbilden der beweglichen Platte 31, die durch die Lagerungsträger 32 getragen wird, und der Antriebseinrichtung, die aus der beweglichen und der feststehenden kammartigen Elektrode 34 und 35 zum Antreiben und Versetzen der beweglichen Platte 31 besteht, erfolgt durch einen einzigen Photolithographie-Ätzprozess und aus einem einzigen Substrat.
Demgemäß kann der optische Schalter dieses Beispiels mit einer geringeren Anzahl von menschlichen Arbeitsstunden gefertigt werden als zur Herstellung des herkömmlichen optischen Schalters benötigt werden, der einen Aufbaus hat, bei dem zwei Substrate verwendet werden und die bewegliche Platte für ein Versetzen in Richtung senkrecht zur Plattenfläche angetrieben wird.
Da weiter die feststehende und die bewegliche kammartige Elektrode, welche die Antriebseinrichtungen für das elektrostatische Antreiben der beweglichen Platte bilden, gleichzeitig (durch photolithografisches Ätzen) ausgebildet werden können, können sie mit großer Genauigkeit ausgebildet werden – dies erlaubt eine unschwierige Fertigung hochpräziser kammartiger Elektroden, welche miteinander wie zuvor beschrieben verzahnt sind.
In diesem Beispiel ist das Substrat zur Ausbildung der beweglichen Platte und der Antriebseinrichtung ein Siliziumsubstrat, bei der es sich um die eine Si-Schicht des SOI-Substrates handelt, und die andere Si-Schicht wird zur Ausbildung der V-Nuten und der Spiegel verwendet; demgemäß lassen sich die bewegliche Platte, die V-Nuten und die Spiegel, welche dreidimensional angeordnet sind, ohne Weiteres miniaturisieren.
8 stellt schematisch eine modifizierte Form der zuvor beschriebenen Ausführungsform dar, bei welcher die bewegliche kammartige Elektrode und die feststehende kammartige Elektrode 34 bzw. 35 durch eine bewegliche und eine feststehende planare Elektrode 51 bzw. 52 ersetzt wurden, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind, um die Einrichtungen zum Antreiben der beweglichen Platte 31 zu bilden. In diesem Fall ergibt sich, wenn die Van-der-Waalsschen Kräfte die vom Kontakt zwischen der beweglichen und der feststehenden planaren Elektrode herrühren, größer sind als die elastische Rückstellkraft der Lagerungsträger 32, ein festes Aneinanderhaften der Elektroden (das Phänomen, dass die bewegliche Elektrode ihre anfängliche Position nicht wieder einnimmt, sogar wenn die angelegte Spannung weggenommen wird). Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, ein kontaktfreies Antreiben der beweglichen Elektrode durchzuführen, dadurch, dass eine Spannung angelegt wird, die innerhalb eines solchen Bereiches liegt, dass die bewegliche Elektrode nicht in Kontakt mit der feststehenden Elektrode gebracht wird. In diesem Fall müssen die bewegliche und die feststehende Elektrode um mehr als 3D voneinander entfernt angeordnet sein, d.h. um mehr als das Dreifache der Elektroden-Antriebsdistanz D, die zum Schalten der optischen Pfade der optischen Strahlen erforderlich ist, in welchem Fall die Spannung, die zum Antreiben der beweglichen Elektrode um die Strecke D benötigt wird, ca. das 5,2-fache der Spannung beträgt, die für ein kontaktierendes Antreiben benötigt wird.
Im Gegensatz dazu ist die Struktur mit kammartigen gegenüberliegenden Elektroden sehr vorteilhaft für eine unschwierige Positionssteuerung, kontaktfreies Antreiben und geringen Spannungsverbrauch.
Da im Übrigen die zuvor beschriebene Antriebseinrichtung, welche elektrostatische Kräfte nutzt, die bewegliche Platte lediglich während des Anlegens der Spannung in ihrer verschobenen Position hält, ist ein andauerndes Anlegen der Spannung erforderlich, um die optischen Pfade mit der beweglichen Platte in verschobenem Zustand zu halten. Es stellt ein Problem dar, dass die optischen Pfade bei Auftreten einer Störung auf Seiten der Antriebsstromversorgung, wie beispielsweise eines Stromausfalls, nicht beibehalten werden können.
9 und 10 stellen eine modifizierte Form der Ausführungsformen der 4 bis 5 dar, welche mit einer Funktion ausgerüstet ist, um die bewegliche Platte in ihrer Position zu halten (nachfolgend als Rastfunktion bezeichnet). In diesem Beispiel, wie dargestellt in 10, verlaufen die zwei Paare von Lagerungsträgern 32 unter einem vorbestimmten Neigungswinkel zu den Seitenflächen 31a und 31b der beweglichen Platte 31, und die zwei Paare von Lagerungsträgern 32 sind bezüglich der parallel zur X-Richtung verlaufenden Mittellinie der beweglichen Platte 31 symmetrisch angeordnet.
Das heißt, diese Ausführungsform hat eine bistabile Struktur, bei der eine derartige Schrägstellung der Lagerungsträger 32 für einen Spitzenwert bei der Energie sorgt, die in den Lagerungsträgern 32 gemäß deren Versetzung gespeichert wird.
Wie in 11A dargestellt, erfolgt im Fall von parallel zur Y-Richtung angeordneten Lagerungsträgern bei einem Vergrößern und einem Verringern der Versetzung in X-Richtung eine monotones Zunehmen und Abnehmen der in jedem Lagerungsträger gespeicherten Energie. Um eine gewünschte Versetzung eines derartigen Lagerungsträgers beizubehalten, ist es erforderlich, andauernd die Energiezufuhr beizubehalten, welche das Gleichgewicht zur im Lagerungsträger in dessen aktueller Position gespeicherten Energie herstellt.
Im Gegensatz dazu tritt im Fall der bezüglich der Y-Richtung geneigt angeordneten Lagerungsträger bei der im jeweiligen Lagerungsträger gespeicherten Energie bei einem Vergrößern und Verringern der Versetzung ein Spitzenwert auf, wie in 11B dargestellt. In diesem Fall bleibt der Lagerungsträger, sobald ihm von außen eine etwas größere Energie als dieser Spitzenwert zugeführt wird, in einer gewissen Position, sogar wenn die Zufuhr externer Energie gestoppt wird. Das heißt, eine derartige Energiezufuhr versetzt den Lagerungsträger mittels eines Schnappvorgangs in eine vorbestimmte Position und hält ihn dort in stabiler Weise.
Im Übrigen werden, durch den Schnappvorgang der unter einem vorbestimmten Neigungswinkel angeordneten Lagerungsträger, für das Versetzen in X-Richtung der beweglichen Platte 31 nach vorne und nach hinten wirkende Kräfte (elektrostatische Anziehungskräfte) benötigt. Um dieser Anforderung zu genügen, ist die Antriebseinrichtung der Ausführungsform der 9 bis 10, die aus der beweglichen und der feststehenden kammartigen Elektrode 34 und 35 besteht, auch auf derjenigen Seite der beweglichen Platte 31 angeordnet, die der zuvor erwähnten Antriebseinrichtung in X-Richtung gegenüberliegt.
12A und 12B zeigen, wie die bewegliche Platte 31 für ein Versetzen durch die Antriebseinrichtungen angetrieben wird, welche auf beiden Seiten der beweglichen Platte 31 in X-Richtung angeordnet sind, um optische Pfade zu schalten.
Auch wenn im Vorhergehenden die Konstruktion beschrieben wurde, bei welcher die Antriebseinrichtung durch gegenüberliegende Elektroden ausgebildet ist und die bewegliche Platte durch elektrostatische Kräfte angetrieben wird, kann die bewegliche Platte ebenfalls unter Verwendung einer anderen Kraft als einer elektrostatischen Kraft verschoben werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
13 und 14 stellen einen optischen Schalter dar, der mit einer Antriebseinrichtung versehen ist, welche thermische Ausdehnung nutzt. In diesem Beispiel sind, wie dies auch bei der Ausführungsform der 9 bis 10 der Fall war, die Lagerungsträger 32 bezüglich der Y-Richtung geneigt und sind für einen Schnappvorgang ausgebildet. In 13 ist der Teil nicht dargestellt, welcher durch die obere Si-Schicht 22 des SOI-Substrates in 9 gebildet ist. Und 14 ist eine Draufsicht der Struktur, die durch die in 13 dargestellte untere Si-Schicht 23 gebildet ist.
Bezug nehmend auf 14 wird nachfolgend der Aufbau der Antriebseinrichtung beschrieben.
In diesem Beispiel weist die Antriebseinrichtung zum Antreiben der beweglichen Platte 31 vier aus warmausdehnenden Elementen 61 und Energieumwandlungsmechanismen 62 bestehende Sätze auf, welche die thermische Ausdehnung der warmausdehnenden Elemente 61 in einen Druck in X-Richtung umwandeln. Mit dieser Konfiguration können die durch die zwei Paare gegenüberliegender Antriebseinrichtungen aufgebrachten, nach vorne und nach hinten wirkenden Drücke in X-Richtung auf die Druckstücke 71 aufgebracht werden, die von beiden Seitenflächen 31a und 31b der beweglichen Platte 31 vorragen.
Jedes warmausdehnende Element 61 erstreckt sich in Y-Richtung und ist an seinem Basisende mit der einen feststehenden Elektrode 63 verbunden.
Der Energieumwandlungsmechanismus 62 weist jeweils einen L-förmigen Arm, der an seinem äußeren Ende einen Druckvorsprung 64 trägt, und sehr schmale Verbindungsabschnitte 66 und 67 auf, die an beiden Seiten des Basisendes des Arms 65 an geringfügig in X-Richtung verschobenen Positionen vorstehend vorgesehen sind. Der eine Verbindungsabschnitt 66 ist mit dem äußeren Ende des warmausdehnenden Elementes 61 verbunden, hingegen ist der andere Verbindungsab schnitt 64 an einer feststehenden Elektrode 68 befestigt. Im Übrigen dient der Abschnitt P des Armes 65, an dem der Verbindungsabschnitt 67 vorstehend vorgesehen ist, als Kraftangriffspunkt, und der Abschnitt Q, an dem der Verbindungsabschnitt vorstehend vorgesehen ist, fungiert als Drehpunkt.
Bei der Antriebseinrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau erfolgt, beim Anlegen einer Spannung über den feststehenden Elektroden 63 und 68, um dem warmausdehnenden Element 61 Strom zuzuführen, durch die entstehende Joulsche Wärme eine Ausdehnung des warmausdehnenden Elementes 61.
Auf den Kraftangriffspunkt P wird durch die thermische Ausdehnung des Elementes 61 ein Druck ausgeübt, und demzufolge dreht sich der Arm 65 um den Drehpunkt Q, und der Vorsprung 64 wird im Wesentlichen in X-Richtung verschoben, wodurch ein Schub auf das von der beweglichen Platte 31 vorstehende Druckstück 71 ausgeübt wird.
Demzufolge führt der Lagerungsträger 32 einen Schnappvorgang durch, um sich von dem in 15A dargestellten Zustand in den in 15B dargestellten Zustand zu versetzen, wodurch die bewegliche Platte 31 verschoben wird.
Zum Versetzen der beweglichen Platte in Richtung entgegengesetzt zur oben beschriebenen Richtung wird eine Spannung über den feststehenden Elektroden 63 und 68 auf derjenigen Seite angelegt, bei der die bewegliche Platte 31 in der entgegengesetzten Richtung gedrückt wird.
Es sei b der Abstand zwischen dem Drehpunkt Q und dem Kraftangriffspunkt P, und L die Seitenlänge des L-förmigen Arms 65, auf welchem der Vorsprung 64 vorstehend vorgesehen ist, und damit ist die Versetzung des Vorsprungs 64 ein großer Wert, entsprechend L/b, für eine Größe einer thermischen Ausdehnung a des warmausdehnenden Elementes 61
In diesem Beispiel sind die Lagerungsträger 32 durch einen Dämpfer 72 jeweils an den seitlichen Trägern 33 befestigt, wodurch eine leichtere Durchführung des Schnappvorgangs des Lagerungsträgers 32 ermöglicht wird.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie zuvor beschrieben, wird gemäß der Erfindung die bewegliche Platte parallel zur Plattenfläche verschoben, und die Antriebseinrichtung für das Versetzen der beweglichen Platte ist auf demselben Substrat wie die bewegliche Platte ausgebildet; somit können diese gleichzeitig durch ein einziges Photolithographie-Ätzverfahren ausgebildet werden.
Demgemäß ermöglicht die Erfindung eine Herstellung, mit geringerer Anzahl von menschlichen Arbeitsstunden, jedoch mit größerer Genauigkeit, einer Lichtsteuervorrichtung, beispielsweise eines optischen Schalters, bei dem die bewegliche Platte verschoben wird, um ein Schalten der optischen Pfade durch das Versetzen der auf der beweglichen Platte angebrachten Spiegel durchzuführen.
Außerdem lässt sich, wenn die Antriebseinrichtung durch eine bewegliche und eine feststehende kammartige Elektrode ausgebildet ist, deren Positionssteuerung ohne Weiteres durchführen, deren Aneinanderhaften durch einen direkten Kontakt kann vermieden werden, und die Antriebsspannung kann verringert werden.
Außerdem ist es, dadurch, dass die Lagerungsträger ein wenig schräg bezüglich der Seitenflächen der beweglichen Platte ausgebildet werden, möglich, eine Vorrichtung zu erzielen, bei welcher die Lagerungsträger einen Schnappvorgang durchführen, um die Rastfunktion bereitzustellen. Sobald das Versetzen der beweglichen Platte erfolgt ist, braucht ihr kein Strom mehr zugeführt werden, damit sie in der verschobenen Position bleibt, wodurch beispielsweise bei Unregelmäßigkeiten der Antriebsstromversorgung für größere Zuverlässigkeit gesorgt wird.

Claims

Lichtsteuervorrichtung aufweisend: seitliche Träger (33); eine bewegliche Platte (31), welche gegenüberliegende Seitenflächen (31a, 31b) aufweist; zwei Paare von Lagerungsträgern (32), die sich von den gegenüberliegenden Seitenflächen (31a, 31b) der beweglichen Platte in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, und zwar parallel zueinander und zur beweglichen Platte, und deren äußere Enden jeweils an den seitlichen Trägern (33) befestigt sind, um die bewegliche Platte in einer solchen Weise zu lagern, dass diese innerhalb einer Ebene, in welcher die Plattenfläche (31c) der beweglichen Platte liegt, elastisch versetzsetzbar ist; Antriebseinrichtungen (34, 35), welche die bewegliche Platte innerhalb der Ebene, in welcher die Plattenfläche liegt, relativ zu den seitlichen Trägern (33) von einer vorbestimmten Position in eine andere vorbestimmte Position antreiben; und Spiegeleinrichtungen (38), die an der beweglichen Platte (31) angebracht sind, um einfallende optische Strahlen gemäß der Versetzung der beweglichen Platte durch die Antriebseinrichtung so zu steuern, dass die optischen Pfade der optischen Strahlen verändert werden, indem die Platte von der einen vorbestimmten Position in die andere vorbestimmte Position bewegt wird; wobei die bewegliche Platte (31), die Lagerungsträger (32), die seitlichen Träger (33) und die Antriebseinrichtungen (34, 35; 51, 52) durch Ätzen desselben Substrates (23) ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass: die Spiegeleinrichtungen (38) vier Spiegel aufweisen, die an der beweglichen Platte angebracht sind, wobei ihre Reflexionsflächen senkrecht zu dieser angeordnet sind; und eine obere Platte (22) an den seitlichen Trägern (33) quer zu diesen verlaufend angebracht ist, wobei die obere Platte (22) eine Öffnung (36) aufweist, durch welche hindurch sich die zwei Paare von aufrecht stehend angeordneten Spiegeln (38) erstrecken, und zwei Paare von V-Nuten (37) auf einer Oberseite der oberen Platte (22) ausgebildet sind, um zwei Paare von optischen Fasern aufzunehmen, wobei das eine Paar der V-Nuten parallel zueinander von der einen Randkante der oberen Platte (22) zu einer Innenkante der Öffnung (36) verläuft, und das andere Paar der V-Nuten von der gegenüberliegenden Randkante der oberen Platte (22) zur gegenüberliegenden Innenkante der Öffnung verläuft, und zwar auf verlängerten Linien von dem einen Paar der V-Nuten verlaufen, wobei die Reflexionsflächen eines jeden Paares von Spiegeln (38) die Linien, die von dem einen Paar der V-Nuten verlängert sind, unter 45° schneiden, wenn sich die bewegliche Platte in der einen vorbestimmten Position befindet, und sie diese Linien nicht schneiden, wenn sich die bewegliche Platte (31) in der anderen vorbestimmten Position befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Antriebseinrichtung (34, 35) bewegliche planare Elektroden (34), die sich von den Seitenflächen der beweglichen Platte erstrecken, und eine feststehende planare Elektrode (35) aufweist, die gegenüberliegend zu den beweglichen planaren Elektroden (34) für diese gemeinsam angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Antriebseinrichtung (34, 35) bewegliche kammartige Elektroden (34), die sich von den Seitenflächen der beweglichen Platte (31) erstrecken, und eine feststehende kammartige Elektrode (35) aufweist, die gegenüberliegend den beweglichen kammartigen Elektroden (34) für diese gemeinsam angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher: die paarigen Lagerungsträger (32) sich von den Seitenflächen (31a, 31b) der beweglichen Platte (31) unter einem Neigungswinkel zu diesen und symmetrisch bezüglich der parallel zur Versetzungsrichtung der beweglichen Platte verlaufenden Mittellinie erstrecken; die Antriebseinrichtungen (34, 35) zu beiden Seiten der beweglichen Platte (31) in Versetzungsrichtung der beweglichen Platte angeordnet sind; und die paarigen Lagerungsträger (32) durch die Antriebseinrichtung derart angetrieben werden, dass die bewegliche Platte (31) einen Punkt durchläuft, bei dem die Lagerungsträger im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher: die paarigen Lagerungsträger (32) sich von den Seitenflächen (31a, 31b) der beweglichen Platte (31) unter einem Neigungswinkel zu diesen und symmetrisch bezüglich der parallel zur Versetzungsrichtung der beweglichen Platte verlaufenden Mittellinie erstrecken; die Antriebseinrichtung (61, 62, 63, 64) mehrere jeweils aus einem thermisch ausdehnenbaren Element (61) und einem Energieumwandlungsmechanismus (62) bestehende Sätze aufweist, um eine thermische Ausdehnung eines warmausdehnenden Elementes in einen in Versetzungsrichtung der beweglichen Platte (31) gerichteten Druck umzuwandeln, wobei die Antriebseinrichtung in der Lage ist, nach vorne und nach hinten gerichtete Drücke auf die bewegliche Platte auszuüben; wobei wenn auf das bewegliche Element durch den Energieumwandlungsmechanismus (62) ein Druck ausgeübt wird, der Lagerungsträger (32) einen Schnappvorgang durchführt, um die bewegliche Platte anzutreiben und zu versetzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das Substrat (23) und die obere Platte (22) Siliziumsubstrate sind, die als Siliziumschichten auf der einen und der anderen Seite einer SiO₂-Schicht eines mehrschichtigen SOI-Substrates (24) ausgebildet sind.