JP2005018015A - 光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、消費電力が少なくパッケージング工程が容易でありながらスイッチング速度が速い光スイッチを提供する。
【解決手段】本発明による光スイッチは、光信号が入力される入力側光ファイバ31に連結される入力側導波路32;光信号が出力されるべき多数の出力側光ファイバ33に各々連結される多数の出力側導波路34a、34b;前記入力側導波路32と出力側導波路34との間に位置し、固定部38と、前記固定部38にスプリングで連結され所定の力により動き変位が生じる可動部36とで成るMEMS構造のアクチュエータ37;及び、前記アクチュエータ37の可動部36上においてその変位方向に応じて各々前記可動部36が動き、その一端が前記入力側導波路32と向き合う際、各々の出力端は対応する多数の出力側導波路34と各々向き合うよう形成される多数の可動導波路35a、35bから成る。
【選択図】図1
【解決手段】本発明による光スイッチは、光信号が入力される入力側光ファイバ31に連結される入力側導波路32;光信号が出力されるべき多数の出力側光ファイバ33に各々連結される多数の出力側導波路34a、34b;前記入力側導波路32と出力側導波路34との間に位置し、固定部38と、前記固定部38にスプリングで連結され所定の力により動き変位が生じる可動部36とで成るMEMS構造のアクチュエータ37;及び、前記アクチュエータ37の可動部36上においてその変位方向に応じて各々前記可動部36が動き、その一端が前記入力側導波路32と向き合う際、各々の出力端は対応する多数の出力側導波路34と各々向き合うよう形成される多数の可動導波路35a、35bから成る。
【選択図】図1
Description
本発明は波長分割多重化方式の光通信網において核心部品として用いる光スイッチに関するもので、より詳しくは応答速度及び消費電力が低く、単純な接合工程のみで光ファイバと連結可能で、パッケージング工程に要求される精密度及び便利性を保障する光スイッチ及びその製造方法に関するものである。
一般に、光スイッチは波長分割多重化方式(Wavelength division multiplexing;以下、WDMという。)の光通信網において、光ファイバを通して伝達される光信号の経路を変更する役目を果たすものとして、現在のところMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で具現された光スイッチと、熱エネルギーによる屈折率の変化を利用して具現された光スイッチとの両方で研究開発が進んでいる。
前記においてMEMS光スイッチはMEMS構造から成るアクチュエータの変位発生により入力端光ファイバから発された光が微細鏡で反射し2つ以上の方向に伝達されるようにした方式であり、その概略的な構造は図6に示したとおりである。
図6の(A)、(B)に示したように、MEMS光スイッチは基本的に、スイッチングされる光信号が入力される入力端光ファイバ(811)と、前記入力端光ファイバ(811)に対して垂直方向に位置した第1出力端光ファイバ(812)と、前記入力端光ファイバ(811)に対して一直線上に位置した第2出力端光ファイバ(813)と、前記入力端光ファイバ(811)と第1、2出力端光ファイバ(812、813)との間に位置し反射により入力された光信号の方向を変えるための微細鏡(814)と、前記微細鏡(814)を動かすアクチュエータ(815)とで成り、前記アクチュエータ(815)を駆動して微細鏡(814)を入力端光ファイバ(811)と出力端光ファイバ(812、813)との間に位置させると入力端光ファイバ(811)から入力された光信号が前記微細鏡(814)から反射して第1出力端光ファイバ(812)へ進み、逆に前記アクチュエータ(815)が微細鏡(814)を退くよう移動させると、前記入力端光ファイバ(811)に入力された光信号は反射せずに直進し第2出力端光ファイバ(813)を通して出力される。
即ち、MEMS構造から成るアクチュエータ(815)の変位発生によりそれに連結された微細鏡(814)に変位が生じて光の方向を変えるもので、微細構造のアクチュエータを用いることによりスイッチング速度が速く、消費電力が少ない利点があるものの、パッケージング工程において入力端光ファイバと出力端光ファイバを精密に整列しなければならない困難がある。
次いで、図7は導波路の屈折率変化を利用する光スイッチを示した概略構成図である。これは入力側導波路(821)と相互に太さの異なる第1、2出力側導波路(822、823)をY字形に配置し、前記第1、2出力側導波路(822、823)のうち、より薄い方の第2導波路(823)上に熱を与えられるヒーティング手段(824)を設けて成るもので、ヒーティング手段(824)が動作しないオフ状態では入力側導波路(821)に入射した光信号が第1出力側導波路(822)に進行し、ヒーティング手段(824)が動作するオン状態では前記ヒーティング手段(824)からの熱エネルギーにより第2出力側導波路(823)の温度が上昇し屈折率が下がって入力側導波路(821)から入射した光信号が第2出力側導波路(823)に進行することにより、光信号の経路をスイッチングする。
こうした屈折率変化を利用した光スイッチはウェーハ上に導波路が直接作製される為、異なる導波路素子との集積が容易で、光ファイバを整列せずとも単に入力端と出力端各々に光ファイバを接合する工程によりパッケージングが可能な利点があるが、動作に熱エネルギーを使うことから電力消耗が大きく、スイッチング速度が遅いという欠点がある。
本発明は前述した従来の問題点を解決すべく案出されたもので、その目的はMEMS構造の光スイッチの利点と導波路構造の光スイッチの利点のみを取り合わせて、消費電力が低くパッケージング工程が容易でありながらスイッチング速度が速い光スイッチを提供することにある。
前述した目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は、光信号が入力される入力側光ファイバに連結される入力側導波路;光信号が出力されるべき多数の出力側光ファイバに各々連結される多数の出力側導波路;前記入力側導波路と出力側導波路との間に位置し、固定部と、前記固定部にスプリングで連結され所定の力により動き変位が生じる可動部とで成るMEMS構造のアクチュエータ;及び、前記アクチュエータの可動部上においてその変位方向に応じて各々前記可動部が動きその一端が前記入力側導波路と向き合う場合、各々の出力端は対応する多数の出力側導波路と各々向き合うよう形成される多数の可動導波路から成る光スイッチを提供する。
前記本発明による光スイッチはMEMS構造のアクチュエータにより可動導波路に変位が生じ入力側導波路を多数の出力側導波路に選択連結することにより、光信号のスイッチングを可能にしたもので、応答速度が速く消費電力が少なく、且つ光ファイバとの結合が容易であるとの効果を奏する。さらに、本発明による前記光スイッチは静電力を利用して前記アクチュエータの可動部を変位させるアクチュエータ駆動部をさらに含むことを特徴とし、前記アクチュエータ駆動部は前記アクチュエータの可動部の一側端に一体に形成された櫛歯形態の可動電極と、前記可動電極と所定間隔離れて固定設置される櫛歯形態の固定電極とを含み、前記可動電極と固定電極に所定の電圧を印加してその印加された電圧により発生した静電力により可動電極及びそれに一体に形成された可動部に変位を発生させることができる。
さらに、前述したような構造の本発明の光スイッチは、第1シリコン基板の上部にキャビティ(cavity)を形成する段階;前記キャビティが形成された第1シリコン基板の上部に第2シリコン基板を接合する段階;前記第2シリコン基板を所定の厚さに研磨する段階;前記研磨された第2シリコン基板の上部に所定の厚さの電極層を形成する段階;前記形成された電極層をエッチングしてMEMS構造物に対応するマスク用電極パターンを形成する段階;前記第2シリコン基板及び電極パターンのクラッドとコアとで成る導波路を形成する段階;及び、前記第2シリコン基板を電極パターンをマスクにしてエッチングしMEMS構造物を形成する段階から成る製造方法により製造することができる。
前記本発明による光スイッチの製造方法は、第1シリコン基板の下部所定位置に整列マークを形成する段階をさらに含み、キャビティ形成、電極パターン形成、導波路形成段階においてキャビティ及び電極パターン及び導波路の位置を前記整列マークを基準に設定することができる。また、前記本発明による光スイッチの製造方法において前記導波路形成段階は、第2シリコン基板及び電極パターンの上部に下部クラッディングを蒸着する段階;前記形成された下部クラッディング層の上部にコアを装着する段階;前記コアが装着されたクラッディング層の上部に再びクラッディングを蒸着する段階;及び、前記導波路部分を除く残りの部分のクラッディングを除去する段階から成ることができる。
上述したように、本発明による光スイッチは、光ファイバと連結される入出力部分は導波路で具現され、スイッチング部分はMEMS構造物により入出力側導波路を各々連結する可動導波路を変化させる構造で具現することにより、消費電力が減りながら応答速度は速くなり、さらにパッケージング工程時の精密度への要求が緩まり、便宜を高めるという優れた効果を奏する。
以下、添付の図面を参照しながら本発明による光スイッチの構成及びその製造方法について説明する。図1の(A)、(B)は本発明による光スイッチの基本構成を示したもので、各々相異する動作状態を示したものである。
図1の(A)はオフセット状態の光スイッチで、これを参照すると本発明による光スイッチ(30)は、光が伝達される入力側光ファイバ(31)に連結される入力側導波路(32)と、光が出力されるべき2つ以上の出力側光ファイバ(33)に各々連結される多数の出力側導波路(34)と、前記入力側導波路(32)と多数の出力側導波路(34)との間を各々一対一で連結する多数の可動導波路(35)と、所定のベース(図示せず)上に固定されている固定部(38)と前記固定部(38)にスプリングで連結され前記多数の可動導波路(35)がその上部に配列され所定の力により変位が発生する可動部(36)とで成るアクチュエータ(37)とから成る。
前記において、入力側導波路(32)と出力側導波路(34)は固定設置されるもので、ウェーハ上に直接作製でき、信号伝達媒体に用いられる光ファイバ(31、33)に各々ボンディング技術により連結される。この際、前記において出力側導波路(34)を2個に構成したが、これはスイッチング経路の数に比例して増加でき、それに応じて可動導波路(35)の数も増加する。
さらに、前記出力側導波路(34)は各々相異する光ファイバに連結されるもので、特にその配置形態が限定されるわけではないが、好ましくは図1(A)に示したように略平行に配置することが出力側光ファイバ(33)の連結や可動導波路(35)の形成にあたり便宜が図れる。
さらに、前記多数の可動導波路(35)は前記出力側導波路(34)の数と同じ個数で形成され、一端が前記入力側導波路(32)に近接して向き合うと、その他端は各々対応する出力側導波路(34)と近接して向き合えるよう形成され、このようにさせるべく一部の可動導波路(35)にはやや屈曲が形成されることもできる。
図1の(A)に示した図面は可動導波路(35)の構造を分かり易く模式化したもので、実際の具現においては前記導波路(32、34、35)は大変微細な太さになる為、前記多数の可動導波路(35)は略直線に近い形態となる。しかも、前記可動導波路(35)はMEMS構造に形成されたアクチュエータ(37)の可動部(36)上に形成され可動部(36)と一体に動く。
そして、前記アクチュエータ(37)はMEMS構造から成るもので、位置が固定されている固定部(38)と、前記固定部(38)にスプリングで連結され所定の力(例えば、静電力や熱など)により図面上においてy軸方向に変位可能な可動部(36)とで成る。
こうした可動部(36)の上部に変位方向に前記多数の可動導波路(35)が一列に配置され、前記可動部(36)のy軸方向の変位を調整することにより入力側導波路(32)に多数の出力側導波路(34)を選択的に連結することができるよう構成される。
前記のように構成された光スイッチの動作は次のように行われる。図1において(A)はアクチュエータ(37)が動かない初期状態の光スイッチの動作状態を示し、(B)はアクチュエータ(37)が動いた場合の光スイッチの動作状態を示す。
初期オフ状態においては、図1の(A)に示したように、前記アクチュエータ(37)の可動部(36)のy軸変位には変化が無く、この際、多数の可動導波路(35)中第1可動導波路(35a)の一端が入力側導波路(32)と向き合い、その他端が下端の出力側導波路(34)と向き合うようになる。従って、入力側光ファイバ(31)から入射した光信号が可動導波路(35a)を通して第1出力側導波路(34a)に連結された出力側光ファイバ(33a)に伝達される。
また、アクチュエータ(37)が−y方向に動く場合、図1の(B)に示したように、入力側導波路(32)と出力側導波路(34b)とが第2可動導波路(35b)により連結され、従って、入力側光ファイバ(31)から入射した光信号が可動導波路(35b)を通して出力側導波路(34b)に連結された出力側光ファイバ(33b)に伝達される。
結果として、前記アクチュエータ(37)の動作により入力側導波路(32)に印加された光信号は2個の経路(path1、path2)中1個に選択的に伝達される。図1においては最も簡単な形態として、経路を2個のみ構成したが、このスイッチング経路は前記可動導波路(35)及び出力側導波路(34)の数に比例して増加することができる。
図2は4個のスイッチング経路を有する本発明による光スイッチを示したもので、(A)、(B)は各々相異するスイッチング経路を設定した状態を示す。図2に示した光スイッチは、固定された位置を有する入力側導波路(42)と、アクチュエータ(47)の変位方向に配列され固定された4個の出力側導波路(44)と、固定部(48)にスプリングで連結され外部の所定の力によりy軸方向に変位される可動部(46)を有するアクチュエータ(47)と、前記アクチュエータ(47)の可動部(46)上端に位置しアクチュエータ(47)の変位方向に配列され、各々前記アクチュエータ(47)の可動部(46)の移動位置別に一端は入力側導波路(42)に共通に対応し、他端は4個の出力側導波路(44)に各々対応するよう形成される4個の可動導波路(45)とを具備する。
前記光スイッチは、初期状態においては図2の(A)に示したように、入力側導波路(42)が最下部分に位置した可動導波路(45)の一端と向き合い、前記入力側導波路(42)に連結された可動導波路(45)の他端は最下部分に位置した出力側導波路(44)と向き合う。従って、入力側光ファイバ(41)から伝達された光信号は第1出力側光ファイバ(43a)に伝達される。
さらに、前記アクチュエータ(47)の可動部(46)を−y方向に所定間隔移動させると、図2の(B)に示したように、入力側導波路(42)と第2可動導波路(45b)の一端とが向き合い、前記第2可動導波路(45b)の他端と第2出力側光ファイバ(44b)とが向き合い、入力側光ファイバ(41)から伝達された光信号が第2出力側光ファイバ(43b)に伝達される。
同様に、前記アクチュエータ(47)の可動部(46)を−y方向に移動させ続けることにより入力側導波路(42)−第3可動導波路(45c)−第3出力側導波路(44c)または入力側導波路(42)−第4可動導波路(45d)−第4出力側導波路(44d)が繋がれ、入力側光ファイバ(41)から伝達された光信号が第3または第4光ファイバ(43c、43d)に伝達される。
結果として、前記アクチュエータ(47)の可動部(46)の変位を微調整することにより入力側光ファイバ(41)から伝達される光信号を第1ないし第4出力側光ファイバ(43a〜43d)中一側にスイッチングできるようになる。
前記において、アクチュエータ(47)の可動部(46)変位の微調整は、例えば静電力や熱など多様な力により行うことができ、こうしたMEMS構造における可動部可動原理は一般に周知である。
図3は本発明による光スイッチの具体的な実施形態で、一般にMEMS技術分野において広く利用される静電力変化により光経路を変更する光スイッチ構造である。図3によると、先に図1に示した構成において、アクチュエータ(37)の一端に櫛歯(comb)形態の可動電極(37a)が形成され、前記可動電極(37a)と所定間隔離隔され固定電極(37b)が形成される。
前記可動電極(37a)と固定電極(37b)に電圧が印加されない状態では可動部(36)に変位が生じなく、従って、図3の(A)に示したように初期設計状態のまま入力側導波路(32)と第1出力側導波路(34a)との間に第1可動導波路(35a)が位置するようになる。そして、前記可動電極(37a)と固定電極(37b)に各々所定の電圧を印加すると、可動電極(37a)と固定電極(37b)との間に所定の電圧差が生じ、静電力が発生し、それに応じて可動電極(37a)及びそれに一体に連結された可動部(36)が−y方向に移動し、図3の(B)に示したように第2可動導波路(35b)が入力側導波路(32)と第2出力側導波路(34b)との間に位置するようになる。
前記可動電極(37a)の移動距離は可動電極(37a)と固定電極(37b)との間の静電力に比例し、前記可動電極(37a)と固定電極(37b)との間に発生する静電力は前記電極(37a、37b)同士の電圧差による為、可動電極(37a)と固定電極(37b)に与えられる電圧レベルを調整することにより可動電極(37a)の移動距離を調整することができる。従って、外部から印加される電圧信号を制御することによりアクチュエータ(37)変位の微調整が可能になり、結果としてスイッチング経路の制御が可能になる。
以上説明した本発明の光スイッチはMEMS構造物と導波路とを結合して具現されるもので、その製造方法は図4に示したように行われる。前記光スイッチの製造過程を図4のフローチャート及び図5の工程図を参照しながら以下に説明する。
先ず、上述したアクチュエータ及び導波路を支持する第1シリコン基板(71)上にアクチュエータ(37、47)の可動部(36、46)が位置されるキャビティ(cavity)(71b)を形成する(601)。
前記キャビティ形成過程は先ず、図5の(a)に示したように、以降キャビティ(cavity)の上部にアクチュエータ(37、47)の可動部(36、46)が正確に配置されるよう基準位置を取るべく、先ず前記第1シリコン基板(71)の下面に整列マーク(71a)を形成する。前記整列マーク(71a)は、第1シリコン基板(71)の下面にリソグラフィー(lithography)工程により感光剤(pr)パターンを形成してから、エッチングにより整列マーク(71a)を形成する。前記整列マーク(71a)の大きさは特に制限されない。
次いで、同じ工程により図5の(b)に図示したように前記第1シリコン基板(71)の上面の整列マーク(71a)と対向する位置を食刻してキャビティ(71b)を形成する。そうしてから、図5の(c)に示したように、残った感光剤を除去後、前記第1シリコン(71)の上面にアクチュエータ(37、47)を具現する第2シリコン基板(72)をボンディングし、前記第2シリコン基板(72)を研磨(polishing)して所定の厚さにする(602)。
次いで、前記研磨された第2シリコン基板(72’)の上部に伝導性メタルを蒸着してメタル層(73)を形成する(603)。前記メタル層(73)はアクチュエータ(37、47)部分に対するドライエッチングマスクの役目を果たし、完成後には電極として機能する。この際、前記メタル層(73)はスパッタリング(sputtering)、蒸着(evaporation)などの工程により第2シリコン基板(72’)との食刻選択比に鑑みた所定の厚さに蒸着する。
次の段階604において、図5の(e)に示したように、前記メタル層(73)の上部にアクチュエータ(37、47)を形成するための食刻パターンを感光膜(PR)で形成し、前記感光膜(PR)を食刻マスクとしてマスキングされない残りのメタルを湿式または乾式で食刻しマスク兼用電極パターン(73’)を形成する(604)。この際、前記マスクパターンは整列マーク(71a)を基準にパターニングされる。前記において、電極パターン(73’)をマスクとして第2シリコン基板(72’)を食刻することによりアクチュエータ(37、47)を完成することができるが、導波路(32、34)を形成するためにまだ残しておく。
そして、段階605においては、図5の(f)に示したように、前記電極パターン(73’)が形成された第2シリコン基板(72’)の上部に下部クラッド層(74)を形成する(605)。
次の段階606において、前記下部クラッド層(74)の上部にコア(75)を形成する。この際、図5の(g)に示したように、整列マーク(71a)を基準に前記図1及び図2において可動導波路(35、45)に対応するコア(75)が位置する。
次いで、図5の(h)に示したように前記コア(75)の上部に再びクラッドを蒸着して上部クラッド層(77)を形成する(607)。
次の段階608において、設計された導波路の他の部分に蒸着されたクラッドを除去して図1及び図2の入力側、可動、及び出力側導波路(32、34、35、42、44、45)部分を形成する(608)。
一般に、導波路は材質に応じてシリカ系とポリマー系の2種に大別できるが、こうした両方すべてを本発明の光スイッチに適用することができる。図5の(f)〜(i)には導波路形成工程として代表的なFHD方式による作製過程を示した。
続いて、最後の段階609として、先の段階604において形成された前側パターン(73’)をマスクとして露出した残りの第2シリコン基板(72’)をエッチングしてMEMS構造物、即ちアクチュエータ(37、47)を完成する。
以上の製造工程において、第2シリコン基板(72)に形成されるMEMS構造物のアクチュエータ(37、47)と導波路の位置は前記第1シリコン基板(71)の下部に形成された整列マーク(71a)を基準に整列させ、第1シリコン基板(71)のキャビティ(71b)上にアクチュエータの可動部(36、46)が位置し、前記可動部(36、46)の上部に可動導波路(35、45)が形成されるようにする。
図5の(j)は以上の工程から完成された光スイッチの断面図で、図1の(A)、(B)に示した本発明による光スイッチのA−A’断面図となる。図5の(j)によると、入力側導波路(32)、出力側導波路(34)、可動導波路(35)は同じ水平面上に形成され、とりわけ前記可動導波路(35)は前記導波路(32、34、35)が形成された水平面上で所定方向に変位される。そして、前記可動導波路(35)とアクチュエータの可動部(36、46)とキャビティ(71b)とが垂直に配列され、一体となって変位される。
前記のように構成された光スイッチは、入出力側に導波路が各々具備されるので光ファイバとボンディングすることによりパッケージング工程が行われることができ、またスイッチング機能を行う部分がMEMS構造により具現されることから、消費電力が減り応答速度は速くなることができる。
32、42 入力側導波路
34、44 出力側導波路
35、45 可動導波路
37、47 アクチュエータ
34、44 出力側導波路
35、45 可動導波路
37、47 アクチュエータ
Claims (6)
- 光信号が入力される入力側光ファイバに連結される入力側導波路と、
光信号が出力されるべき多数の出力側光ファイバに各々連結される多数の出力側導波路と、
前記入力側導波路と出力側導波路との間に位置し、固定部と、前記固定部にスプリングで連結されて所定の力により動き変位が生じる可動部とで成るMEMS構造のアクチュエータと、
前記アクチュエータの可動部上において当該可動部の変位方向に応じて各々前記可動部が動き、当該可動部の一端が前記入力側導波路と向き合う場合、各々の出力端は対応する多数の出力側導波路と各々向き合うよう形成される多数の可動導波路と、
を有することを特徴とする光スイッチ。 - 前記光スイッチは、静電力を利用して前記アクチュエータの可動部を変位させるアクチュエータ駆動部をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光スイッチ。
- 前記アクチュエータ駆動部は、
前記アクチュエータの可動部の一側端に一体に形成された櫛歯形態の可動電極と、
前記可動電極と所定間隔離れて固定設置される櫛歯形態の固定電極とを含み、
前記可動電極と固定電極に所定の電圧を印加し当該印加された電圧により発生した静電力により可動電極及び当該可動電極に一体に形成された可動部を変位させることを特徴とする請求項2に記載の光スイッチ。 - 第1シリコン基板の上部にキャビティ(cavity)を形成する段階と、
前記キャビティが形成された第1シリコン基板の上部に第2シリコン基板を接合する段階と、
前記第2シリコン基板を所定の厚さに研磨する段階と、
前記研磨された第2シリコン基板の上部に所定の厚さの電極層を形成する段階と、
前記形成された電極層をエッチングしてMEMS構造物に対応するマスク用電極パターンを形成する段階と、
前記第2シリコン基板及び電極パターンのクラッドとコアとで成る導波路を形成する段階と、
前記第2シリコン基板を電極パターンをマスクとしてエッチングしMEMS構造物を形成する段階と、
を有することを特徴とする光スイッチの製造方法。 - 前記方法は、
第1シリコン基板の下部所定位置に整列マークを形成する段階をさらに含み、
キャビティ形成、電極パターン形成、導波路形成段階においてキャビティ及び電極パターン及び導波路の位置を前記整列マークを基準に設定することを特徴とする請求項4に記載の光スイッチの製造方法。 - 前記導波路形成段階は、
第2シリコン基板及び電極パターンの上部に下部クラッディングを蒸着する段階と、
前記形成された下部クラッディング層の上部にコアを装着する段階と、
前記コアが装着されたクラッディング層の上部に再びクラッディングを蒸着する段階と、
前記導波路部分を除いた残りの部分のクラッディングを除去する段階と、
を有することを特徴とする請求項4に記載の光スイッチの製造方法。
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