JP2004004713A - 光スイッチングマトリックス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬するビームについての挿入損失が低減された光スイッチングマトリックスを提供することである。
【解決手段】本発明の光スイッチングマトリックスは、互いに直交して配置された少なくとも一組の入力用光ファイバ（１２）と少なくとも一組の出力用光ファイバ（１４）と、複数の光ファイバによって画定された方向の交差点に配置した一組の可動ミラー（５，１３）と、ミラー間に形成された一組のチャネル一組のチャネルとを備え、さらに一組のミラーは第１のウェハー（２）上に形成され、第１のウェハーは第２のウェハー（２１）でカバーされ、複数のチャネル（３８）が、第２の基板ウェハーの下の突起部（３４）間に形成され、突起部はハウジング（３３）を備え、その内部で可動ミラーが動くことができることを特徴とする。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学手段によって通信に適用されるマイクロエレクトロニクスの分野に関するものである。特に、“スイッチ”として知られるスイッチング機能を備えたマイクロエレクトロニクス通信光学コンポーネントに関するものである。さらに詳細には、本発明は、スイッチのようなマトリックスを含むコンポーネントの構造であって、種々の光ファイバの間に設定可能なリンクを提供することができるものを提供することを目的とする。本発明の目的は、特に挿入損失現象に関して、光学クロスコネクタ（ＯＸＣ）あるいはアドドロップマルチプレクサ（ＡＤＭ）のようなコンポーネントの光学的挙動を改善することである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、光スイッチングマトリックスあるいは光学的クロスコネクタ（ＯＸＣ）は、直交して配置された入力用光ファイバのセット（組）及び出力用光ファイバのセットを備えている。これらの光ファイバの２つのセットのそれぞれは、共に複数の反射構造をもたらすように矩形ゾーンの２つの隣接側に配置される。それぞれの反射構造あるいはミラーは、入力用光ファイバから出力用光ファイバへ進む光ビームを反射することができるな向きに向いている。これらの反射構造のそれぞれは個別に、この反射を提供しあるいは提供しないように移動することができる。いかなる入力用光ファイバと出力用光ファイバとの間のリンクを提供することも可能である。
【０００３】
スイッチングマトリックスは、マトリックスの矩形ゾーンの他の２つの側に配置された入力用光ファイバの第２のセット及び出力用光ファイバの第２のセットも備えている。入力ファイバの第２のセットは出力ファイバの第１のセットに位置合わせされ、補償するような形で、出力ファイバの第２のセットは入力ファイバの第１のセットに位置合わせされている。それらの両面において反射可能な種々の反射構造上で適当に作用することによって、光学要素によって確立され若しくはカットすることができるリンクの数は増加し、通常“アドドロップ”機能と称される機能を実行する。
【０００４】
一般に、光ファイバからのビームはコンポーネント内を伝播するときに、多くのパラメータに依存する“挿入損失”と称される損失が観察される。特に、このような損失は、スイッチング内で変わるビームが伝播する光路の長さに依存してもよい。このような損失は、ビームが当たるミラーの反射係数にも依存する。マトリックス内のミラー毎に、この反射係数は、その損失がビーム毎に一様でないように非常にわずかに異なってもよい。
【０００５】
同様に、挿入損失は、ミラーに対するファイバの位置合わせ、又は、ビームの理論的方向に対するミラーの位置合わせのわずかな不備に起因してもよい。このような損失は、最適でないコリメーションに起因したビームの発散に大きく依存してもよい。
【０００６】
挿入損失を低減するために、国際公開第０５０１２号パンフレットは、スイッチングマトリックスが種々のミラーの間に配置された１組の導波路を備えることを提案している。さらに詳細には、このような導波路は、反射構造が設置された面の下に形成される。ミラー若しくは反射構造が移動するとき、それらに達するビームは問題の導波路内においてより下の方のレベルで反射する。次いで、ビームは、この導波路内で、入力ファイバの面の下方に配置した出力ファイバまで伝搬する。この構造は、入力ファイバと出力ファイバとの間に差ができて異なるレベルに配置するので、多くの欠点を有することは理解されるだろう。さらに、このような構造の製造は、多くのマスクレベルを必要とするので、特に複雑である。
【０００７】
結局、反射ビームが導波路に入る角度が高いために、導波路内の反射数が特に高く、深刻な損失が回避できない。導波路の金属コーティングは、ビームの偏光に依存する損失の根源であることも留意されたい。この種の損失は通常“偏光依存損失”を略してＰＤＬと称され、いくつかの用途においては許されない。
【０００８】
他の方策として反射構造の間に導波路が配置されたものが、米国特許出願公開第２００２／０３４３７２号明細書及び米国特許出願公開第２００１／０２４５５６号明細書で提案されている。このような導波路は、ビームが周囲環境内で反射されるように、空気あるいは液体であってもよい周囲環境の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料から成る。これらの方策の主要な欠点は、これらの導波路が、自由に移動することができるために反射構造に近づいて破損するということに因る。結果として、導波路と周囲環境との間に界面（インターフェース）ができる。これらの界面が、伝搬損失の根源となる反射現象を形成する。これらの損失は、マトリックスが反射構造数、及び、導波路と周囲環境との間の界面の数を多く有する場所において大きい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする第１の課題は、同じマトリックス内を伝搬する種々のビームについての挿入損失を低減し、あるいは標準化（統一、画一化）することである。本発明が解決しようとする第２の課題は、種々のファイバの位置合わせの不備、又は、スイッチングマトリックスの構造における欠陥を補償することである。本発明の目的は、より複雑なコンポーネントを製造する方法を作ることなく、これらの種々の問題を解決することができるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体若しくは誘電体を母材とする基板から成る光スイッチングマトリックスに関するものである。このマトリックスは、公知の様式で、互いに直交して配置された少なくとも一組の入力光ファイバと少なくとも一組の出力光ファイバとを備える。また、このマトリックスは、複数の光ファイバによって画定された方向の交差点に配置した一組の可動ミラーであって、各ミラーは入力光ファイバから出たビームが反射されて出力光ファイバへ向かうように動くことができるところ一組の可動ミラーも備える。このマトリックスは、ミラー間に形成された一組のチャネルであって、その中において種々のビームがミラーに当たる前後で伝搬するものであるところの一組のチャネルも備える。
【００１１】
本発明では、この光スイッチングマトリックスは、前記一組のミラーは第１の基板ウェハー上に形成され、前記このウェハーは蓋を成す第２の基板ウェハーでカバーされていることを特徴とする。複数のチャネルは、第２の基板ウェハーの下に存在する突起部の間に形成されている。これらの突起部はハウジングを備え、その内部では前記可動ミラーが動くことができる。
【００１２】
言い替えると、ミラー間に形成された多くのスペースは、マトリックスの蓋を成すウェハーの下に突起（隆起）部を形成する部分によって占められている。これらの突起部は、チャネルを備え、その内部ではミラーに向かい又はミラーからくるビームが伝搬する。マトリックス内のビームが伝搬する光路のほとんどは、異なる材料間で変化（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）なく、完全に連続的なチャネル内にある。これらのチャネルは、いくつかの方法で“逆にされた（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）”導波路として機能する。なぜなら、これらは周囲の環境の屈折率より小さい屈折率を有するからである。この導波路内では、ビームはチャネルの壁で反射する。驚くことには、ビームはチャネルの壁を形成する基板上で部分的に反射するが、導波路内では損失率は低く観測され、このため、導波路を有さないコンポーネントに対して圧倒的に有利さを付与する。実際、チャネルのクラッディングが基板から及び典型的には屈折率が３．５のシリコンから成るので、挿入損失は高いと思われていた。しかしながら、ビーム全体はコリメートされるので、導波路で伝搬するビームの壁への入射角は比較的低く、そのため、驚くほど低い損失率となる。
【００１３】
一の実施形態では、蓋を成す第２の基板ウェハーから最も遠いチャネルの壁は第３の基板ウェハーから成る。この第３のウェハーは、ミラーを受容する部分において開口を有する。
【００１４】
実際、チャネルは矩形断面、好適には正方形断面を有してもよい。チャネルは、作製方法に依存して、台形、三角形若しくは円形のような他の断面を採用してもよい。
【００１５】
好都合には、光ファイバとそれに関連するコリメート部材とが、第１及び第２の基板ウェハーにおいて部分的に形成されたハウジングに配置されている。言い替えると、蓋を成す第２の基板ウェハーは、光ファイバの周縁の一部を収容する溝を有する。
【００１６】
本発明は、このようなスイッチングマトリックスを製造可能な製造方法に関するものでもある。
【００１７】
本発明では、この製造方法は、
−第１の基板ウェハーの上に可動ミラーの組を製造する段階と、
−第１の基板ウェハーをカバーするように形成された第２の基板ウェハー上に、可動ミラーのマトリックスの寸法より実質的に小さい寸法の層厚部を形成する段階と、
−その層厚部上において、
・光ファイバから出て光ファイバへ向かうビームの位置に一組のチャネルと、
・可動ミラーの位置に一組の対角線方向溝と、を形成する段階と、
−前記層厚部上に形成された前記チャネルを閉めるために、第２のウェハーを第３のウェハーでカバーする段階と、
−前記層厚部上に形成された対角線方向溝に通じるように第３のウェハーにアパーチャを形成する段階と、
−ミラー間に、光ファイバから出、光ファイバへ向かうビームが前記層厚部に形成されたチャネルにおいてルーティングされ、かつ、ミラーが対角線方向溝によって画定されたハウジングにはまることができるように、第１のウェハーを第２のウェハーと第３のウェハーとから成るアセンブリによってカバーする段階と、を備える。
【００１８】
言い替えると、コンポーネントは複数の基板ウェハーから成る。第１のウェハーは、可動ミラーの組、あるいは、もっと一般的には反射構造を備える。これらの反射構造は、アセンブリにある程度の剛性を付与するフレームを成す構造内において、複数の変形可能部とアクチュエータとに関連する。導波路の組は、マトリックスに対して蓋として機能する基板ウェハーの下に形成する。導波路は以下のように作製される。すなわち、蓋がミラーマトリックス上の適所に配置されたときに、ミラーを基板の残りの部分に結合するための部分と機械的に干渉することなく、それらの導波路がミラー間の正確に位置決めされるように作製される。このように、ミラー間のスペースは、導波路の外側の光路を極端に制限した最適の形で占められてもよい。
【００１９】
実際、第２のウェハー上に層厚部を製造する前に、光ファイバを受容するハウジングの部分を形成するようにされた溝を、第２のウェハー上の、層厚部の周縁部上に形成する。このように、蓋がミラーマトリックス上の適所に配置されたときに、光ファイバーの上面から突き出たそれらの特徴的な溝に入る。
【００２０】
好都合なことには、実際に、導波路のチャネルを閉じる第３のウェハーを形成するために、扱うのに十分な厚さの基板を使用することが可能である。この第３のウェハーの厚さを、適所に配置した後に薄くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明を実施する方法及びその利点は、添付図面を参照して以下の実施形態の記載から明らかになるだろう。
【００２２】
図面に記載の要素の寸法は、本発明を容易に理解できるようにすることを目的としているものであり、実際の要素の寸法とは異なる。
【００２３】
すでに述べたように、本発明は光スイッチングマトリックスに関するものであり、そのアクティブ要素を図１に示す。
【００２４】
このような要素１は、典型的には、シリコン、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、若しくは、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）装置の製造分野において公知の方法によってエッチングすることができる種類の基板である基板ウェハー２から成る。
【００２５】
この要素１はセルのマトリックス３を備え、それぞれがユニットスイッチを形成する。各セルは、ミラーを成す反射構造５が設置された可動部４を備える。この可動構造は、基板の主要面に直交して移動するように、（図示しない）アクチュエータによって動くことができる。図１で概略的に示した結合部６は、セル３間に配置する種々の部分によって形成されたフレーム８に対して可動部４を動かすことを可能にするものである。
【００２６】
要素１は多くの溝１０を備え、この溝の断面はＶ字形状であり、このため、これらの溝は通常“Ｖ溝”と称される。この溝は、種々の光ファイバを収容するように設計されたものである。従来、入力ファイバはマトリックスを形成する方形の一の側に配置し、他方、出力ファイバは隣接するの側に配置している。従って、一のファイバ１２からのビームは、ミラー１３で反射して出力ファイバ１４へで伝搬する。
【００２７】
本発明は、“アドドロップマルチプレクシング”と通常称される機能を実行する、異なる種類のスイッチをもカバーする。この場合、このようなスイッチは、入力ファイバの第１のセットの反対側に配置した光学出力（出力用光）ファイバの第２のセットと、出力用光ファイバの第１のセットに対して位置合わせされた入力ファイバの第２のセットとを有することが必要となる。
【００２８】
本発明では、種々のミラー５，１３の間に位置するスペースは、図１に示し以下で説明するように要素２０の下に存在する特徴的な導波路によって占められる。
【００２９】
図１で示した蓋（リド）２０は、図２で示したように、典型的にはシリコンから成る半導体ウェハーから成る。このウェハー２１について、図８で示したマスク上で“ディープ・反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）”の段階を実施する。このマスク２４は、図９で示した溝２３を形成することができようにパターン２２を画定する。典型的には、光ファイバが１２５μｍの直径を有する用途では、マスク２４の使用を実施するエッチングによって約２３μｍの深さとなる。
【００３０】
次に、図４で示したように、図１０で示したマスク２７によって、新規のディープエッチング段階を実施する。このマスク２７は、ウェハー２１の周縁２９をエッチングできるようにする周縁ゾーン２８を備える。このマスクは、ウェハー２１上に位置合わせパッド３１を形成できるパターン３０も有する。
【００３１】
本発明では、マスク２７は、スイッチングマトリックスのミラー５，１３の位置に対応するパターン３２も備える。従って、これらの斜めのパターンによって、ウェハー２１上に形成された突起部３４上に斜め方向の（対角線方向）溝３３を形成することができる。
【００３２】
本発明の他の特徴は、マスク２７が、図１１で示したチャネル３７，３８を形成するのを可能となるパターン３５，３６を備えることである。図４で示したこれらのチャネル３７，３８は、後の特徴的な導波路を画定することになる。
【００３３】
図４には、反射構造５，１３の端部が配置されることになる溝部３３が示されている。
【００３４】
約８０μｍの深さを越えるこのエッチング段階は、前のエッチング段階中に形成された溝２３に対応して、溝３９を保存することができる。図１２で示したように、チャネル３７の底部と溝３９の底部とは、である、第１のエッチング段階の深さ（典型的には、前述の用途に対して２３μｍ）によって、基板面に対してずれている。次いで、、図５に示したように、第３のウェハー４０を第２のウェハー２１のエッチングされた面の上に堆積する。この第３のウェハーは通常、“ウェハーボンディング”処理と称される処理によって従来技術によって適所に配置される。このウェハー４０は、シリコン、又は、第２のウェハー２１を製造するのに用いられた材料と同じかあるいは異なる半導体から成ってもよい。
【００３５】
次いで、図６に示したように、第３のウェハー４０を、その厚さを減じるためにエッチング段階にさらす。この処理が終了すると、厚さ約２００μｍの第３のウェハー４１となる。
【００３６】
次いで、図７に示したように、第３のウェハー４１は、図１３で示したようなマスク４３を用いてエッチングする。その周縁部４４のために、このマスク４３によって、層厚部３４の外側の部分において、ウェハー４１の周縁部を除去することが可能となる。このマスク４３は、ミラーの端部を受けるための種々の溝に対応する１組のパターン４５も備える。マスク４３は、位置合わせパッド３１に対応するパターン４６を備えてもよい。こうして、エッチング後、第３のウェハー４１のいくつかの部分を除去して、以前に得た溝３３を開口すること可能とするアパーチャ４８を形成する。
【００３７】
次の処理では、得られた蓋２０は、“フリップチップ”処理によってミラーマトリックス１の頂部上の適所に配置する。
【００３８】
組立て後に得られる構成を、基本セルについて図１５に示す。図１５では、マトリックスが光ファイバ１２を受容する部分の間に配置された単一のミラーだけを持っているかのように構造を示した。ＳＯＩ基板から成る可動構造４（これの絶縁層５０は下部においてより薄いシリコン層５１を画定することを可能にするものであるが）が示されている。ここでは、可動構造４を要素１の固定フレームに結合する変形可能部６が作製されている。上部では、この可動構造は２つの反射面を備えたミラー５を備えた。蓋２０の下部では、チャネル３８から形成されかつ第３のウェハー４１の層４７によって閉じられている導波路を観察することができる。
【００３９】
種々のミラーの間、ミラー５とマトリックス１のフレームとの間に位置する実質的に全スペースを導波路３８によって占めていることが示されており、これによって、マトリックス内を伝搬するビームはマトリックス内のほとんどの経路に亘って導かれる。
【００４０】
導波路の前記チャネル３８は、図１６に示した構成で示したように、光ファイバ１２の中央部と同じレベル（高さ）であることに注目されたい。光ファイバ１２がチャネル３８の中心の高さにその中央部を有することが図示されている。これによって、ファイバのコアからのビームを導波路のチャネルの中央部に面することを可能となる。これは、導波路上での反射を最小し、それによって挿入損失を最小にする構成には好ましいことである。
【００４１】
ファイバ１２を円筒型配置とすると、ファイバはＶ字状溝１１に静止し、その上部５６は、最初のエッチング段階においてこの目的のために形成した溝３９に挿入する。これらの溝の最適な寸法によって、ファイバがそのハウジング内に固定され、いかなる場合においてもそれが動きすぎることが防止されることが補償される。
【００４２】
４×４マトリックスに係る上述の実施形態は限定的なものでなく、本発明は、例えば、一方向にセルの数十倍に達するような非常に大きなマトリックスサイズのものも含む。
【００４３】
本発明のスイッチングマトリックスは多くの利点を有することは上述の記載から明らかである。そのいくつかを示すと：
−光ビームは、異なる材料の間に界面を有さない連続チャネル内の光路の実質的に全体に送られ、それによって、従来の導波路システムにおいて損失を示す反射現象が生じるが防止される。
−“逆”導波路とミラーを受容するゾーンの同時製造によって、ミラーに対して光ファイバの位置合わせにおける多くの不備（欠陥）を克服することが可能となる。
−このマトリックスの製造方法は比較的簡単である。というのも、蓋の下部が種々（複数の）のミラー間に位置するスペースを埋めることを目的とするところの蓋の作製には３つのマスキングレベルしか必要ないからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】特徴的な導波路を配置する前のスイッチングマトリックスの概略斜視図である。
【図２】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、最初の段階を示す図である。
【図３】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、次のの段階を示す図である。
【図４】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、次のの段階を示す図である。
【図５】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、次のの段階を示す図である。
【図６】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、次のの段階を示す図である。
【図７】導波路を備えた構造を製造する各段階を示す断面図であって、次のの段階を示す図である。
【図８】図９の斜視図で示した構造を得るために使用するエッチングマスクを示す示す図である。
【図９】溝が形成された基板の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】図１１の斜視図で示した構造を得るために使用するエッチングマスクを示す示す図である。
【図１１】チャネルが形成された基板の概略構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１の斜視図のＸＩＩ部分の詳細図である。
【図１３】図１４の斜視図で示した構造を得るために使用するエッチングマスクを示す示す図である。
【図１４】アパーチャが形成された基板の概略構成を示す斜視図である。
【図１５】スイッチングマトリックスの一のセルを示す断面図である。
【図１６】光ファイバが配置されるハウジングの形状を示す詳細側面図である。
【符号の説明】
２　第１の基板ウェハー
５　可動ミラー
１１　ハウジング
１２　入力用光ファイバ
１３　可動ミラー
１４　出力用光ファイバ
２１　第２の基板ウェハー
３３　ハウジング（溝）
３４　層厚部
３８　チャネル
３９　ハウジング（溝）
４１　第３の基板ウェハー
４８　アパーチャ

Claims (7)

1. 半導体若しくは誘電体を母材とする基板から成る光スイッチングマトリックスであって：
   −互いに直交して配置された少なくとも一組の入力用光ファイバ（１２）と少なくとも一組の出力用光ファイバ（１４）と、
   −複数の光ファイバによって画定された方向の交差点に配置した一組の可動ミラー（５，１３）であって、各ミラー（１３）は入力用光ファイバから出たビームを反射して出力用光ファイバへ向かわせるように動くことができるところ一組の可動ミラー（５，１３）と、
   −ミラー間に形成された一組のチャネルであって、その中において種々のビームがミラーに当たる前後において伝搬するものであるところの一組のチャネルと、を備えた光スイッチングマトリックスにおいて、
   −前記一組のミラーは第１の基板ウェハー（２）上に形成され、前記第１のウェハーは第２の基板ウェハー（２０）によってカバーされており、
   −複数のチャネル（３８）が第２の基板ウェハーの下に存在する突起部（３４）の間に形成され、該突起部はハウジング（３３）を備え、その内部では前記可動ミラーが動くことができる、光スイッチングマトリックス。
2. 第２の基板ウェハー（２１）から最も遠いチャネルの壁が第３の基板ウェハー（４１）から成り、可動ミラーを受容する部分において開口（４８）が形成されている請求項１に記載の光スイッチングマトリックス。
3. チャネル（３８）は矩形、好適には正方形の断面を有する請求項１に記載の光スイッチングマトリックス。
4. 光ファイバとそれに関連するコリメート部材とが、第１及び第２の基板ウェハーにおいて部分的に形成されたハウジング（１１，３９）に配置されている請求項１に記載の光スイッチングマトリックス。
5. −互いに直交して配置された少なくとも一組の入力用光ファイバ（１２）と少なくとも一組の出力用光ファイバ（１４）と、
   −複数の光ファイバによって画定された方向の交差点に配置した一組の可動ミラー（５，１３）であって、各ミラー（１３）は入力用光ファイバから出たビームを反射して出力用光ファイバへ向かわせるように動くことができるところの一組の可動ミラー（５，１３）と、を備えた、半導体若しくは誘電体を母材とする基板から成る光スイッチングマトリックスの製造方法であって、
   −第１の基板ウェハー（２）の上に、可動ミラー（１３）の組を作製する段階と、
   −第１の基板ウェハーをカバーするように形成される第２の基板ウェハー（２１）上に、可動ミラーのマトリックスの寸法より小さい寸法の層厚部（３４）を形成する段階と、
   −該層厚部（３４）上に、
   ・光ファイバから出て光ファイバへ向かうビームの位置に一組のチャネル（３８）と、
   ・可動ミラーの位置に一組の対角線方向溝（３３）と、を形成する段階と、
   −前記層厚部上に形成された前記チャネルを閉じるために、第２のウェハーを第３のウェハー（４０）でカバーする段階と、
   −前記層厚部（３４）上に形成された対角線方向溝（３３）に通じるように第３のウェハーにおいてアパーチャ（４８）を形成する段階と、
   −ミラー（１３）間で、光ファイバから出て光ファイバへ向かうビームが前記層厚部に形成されたチャネル（３８）において光路が決められ、かつ、ミラーが対角線方向溝（３３）で形成されたハウジングにはまることができるように、第１のウェハー（２）を第２のウェハー（２１）と第３のウェハー（４０）とから成るアセンブリでカバーする段階と、を備えた製造方法。
6. 層厚部（３４）の作製前又は作製中において、光ファイバを受容するハウジングの一部を成すための溝（３９）を、層厚部の周縁部において、第２のウェハー上に形成する請求項５に記載の製造方法。
7. 第３のウェハー（４０）を第２のウェハー（２１）上の適所に配置した後に、第３のウェハーの厚さを減じる請求項５に記載の製造方法。

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