JP2010529504A5

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Publication number: JP2010529504A5
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Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2011-05-06

Description

光スイッチ

本発明は、光スイッチ、光スイッチの形成方法、光スイッチを備えた装置、並びにスイッチを相互接続、マルチプレクサー及びその他オプトエレクトロニクス構造体へと組み込む方法に関する。

光ファイバー通信用の電子スイッチは、高額且つ複雑である。スイッチングが起こる前に、信号は光モードから電子モードへと変換されなければならない。あらゆる光スイッチは、そのような変換を行わないことによって通信信号の伝達を単純化するが、従来のあらゆる光スイッチは、スイッチング速度、波長域または機械的複雑性に問題がある。

最速の光スイッチは、製造コストだけでなく、動作に必要な電力のために高額である。さらに、従来のミラー型スイッチは、スイッチ内の光通信信号を切り替える複雑な作動機構のために、振動の影響を受けやすい。現在、光通信伝達回路の主なラインに大規模で高額な光スイッチを使用することは一般的であり、高額な費用は多量のデータによって正当化されている。近い将来、光スイッチは、消費者により近いものとなり、消費者の家庭内で必要なものとなるだろう。従って、安価、小型、且つ安定な光スイッチが必要である。

光ファイバーの中には、住宅の近くに備えられているものもあり、室内に直接備えられている場合もある。しかしながら、現在の住宅内のエンターテインメント機器（テレビ、セットトップ受信機、モデム他）は、電子信号を必要とするため、光信号のプロバイダーは一般的に光ファイバーを通じて提供された光信号を、住宅機器へと供給される電子信号へと変換する。光ファイバーの能力を完全に活用するためには、光学機器は住宅内で使用されるべきである。そのような用途のためには、低価格且つ高容量のスイッチが必要となる。

また、光学回路は航空機、さらには自動車に設置されていることが知られている。そのような用途では、特に振動の影響を受けにくい光スイッチが利用され得る。

米国特許第６１６９８２７号明細書米国特許第６１４４７８０号明細書

Ｈｅｒｄｉｎｇ、「Ａｎｅｗｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｗｉｔｃｈｆｏｒｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｕｒｐｏｓｅｓ」、ＭＥＭＳ，ＭＯＥＭＳ，ａｎｄＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ５４５５，Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ，ＷＡ，２００４Ｆ．Ｌ．Ｗ．Ｒａｂｂｅｒｉｎｇ，Ｊ．Ｆ．Ｐ．ｖａｎＮｕｎｅｎａｎｄＬ．Ｅｌｄａｄａ，「Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ１６×１６ＤｉｇｉｔａｌＯｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈＭａｔｒｉｘ」，２７ｔｈＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌｕｍｅ６，Ｐａｇｅｓ７８−７９，２００１

従来のスイッチは、静電的に作動するスイッチを含むアクチュエータ駆動型スイッチである。典型的に、静電作動は移動ガイドを備えないミラースイッチに見られる。この典型的スイッチは、固定式入力光学ガイドと、可動式基板上に形成された小型ミラーとを備える。基板は、入力光学ガイドからミラーへの入射光をミラーの移動とともに変化させるように作動して、様々な位置に移動する。受入光学ガイドに対するミラーの移動を計算することによって、入力光学ガイドからの光は所望の通りに受入光学ガイドの１つへと偏位させることができる。しかしながら、これらの従来のスイッチは振動の影響を受けやすく、構築及び整列が困難である。

その他の光スイッチは、１つの作動チャンバに設置された１つの入力ファイバーと、２つの出力ファイバーとを使用する。電極は、非特許文献１に記載されているように、入力ファイバーと出力ファイバーとが互いに並ぶように両者を移動させるように、作動チャンバの下部に設けられている。非特許文献１は参照により全体がここに組み込まれる。

スイッチ要素の全光路が単一の材料から成るその他の光スイッチもある。それらのスイッチは、全てポリマーから成るガイドを含む。１実施例は、光を一方向に向けるために全反射が使用されたポリマースイッチである。このスイッチは、ヒーターでポリマーの温度を変化させることでガイドの部分の屈折率を変化させることによって作動する。屈折率に応じて、光は全反射によって１出力ガイドに導かれるかまたは直接伝達によって別のガイドへと導かれる。屈折率を変化させる同様の機構を使用して干渉計スイッチを製造することもできる。いずれの場合の設計も静電機構よりも多くの電力を使用するヒーターを必要とする。

例えば、スイッチ部材と光ファイバーとを配置させるポリマー配列特性を備えたマイクロ光スイッチがＨｏｌｍａｎによる特許文献１に記載されており、参照により全体がここに組み込まれる。Ｈｏｌｍａｎは、２つの接触部のうちの１つと接続されるように光ファイバーを曲げる方法を示している。しかしながら、Ｈｏｌｍａｎはスイッチング動作に必要とされるように光ファイバーを配置するために使用される複雑な微細加工装置を使用している。しかしながら、それぞれ周知のＭＥＭＳ機構は、配列が困難であるアクチュエータ及びガイドの組み合わせを使用し、ガイドは基板に固定される。

ポリマーガイドスイッチ及び方法がＭａｒｃｕｓｅによる特許文献２に記載されており、参照により全体がここに組み込まれる。Ｍａｒｃｕｓｅは、光ガイドとして使用されるポリマー部材を示している。しかしながら、Ｍａｒｃｕｓｅのポリマー部材は基板に固定され、スイッチは熱機構を通じて作動する。

本発明の側面によると、第１光経路と第２光経路との間で光信号をスイッチングするための光学装置は、基板と、基板上に形成され、基板から分離された可動部を備え、第１光経路の少なくとも一部を形成している第１ガイドと、第１ガイドに隣接して配置され、第２光経路の少なくとも一部を形成している第２ガイドと、第１ガイドを第２ガイドへと光学的に連結させるよう可動部を静電的に湾曲させる手段と、を備える。

本発明の別の側面によると、第１光経路と第２光経路との間で光信号をスイッチングするための光学装置は、基板と、その長手方向の端部に位置する端面並びに端面に隣接する第１側壁及び第２側壁を備えて基板から分離された可動部を備え、基板上に形成され、第１光経路を形成している第１ガイドと、可動部の第１側壁上に形成された第１導電層と、可動部に対向して基板から突出し、第１電極と第１導電層との間に第１電圧が印加された場合に第１ガイドの可動部を静電的に湾曲させるように構成された第１電極と、第１ガイドの端面に隣接して配置され、第１電圧によって第１ガイドの可動部が静電的に湾曲された場合に第１ガイドと光学的に連結され、第２光経路を形成している第２ガイドと、を備える。

本発明の別の側面によると、入力光経路から複数の出力光経路の１つへと光信号をスイッチングするための光学装置は、基板と、その長手方向の端部に位置する端面及び端面に隣接する側壁を備えて基板から分離された入力ガイドの可動部を備え、基板上に形成され、入力光経路を形成している入力ガイドと、可動部の側壁上に形成された導電層と、基板に接続されて入力ガイドから分離され、対応する導電層に対向し、入力ガイドの可動部を少なくとも部分的に覆い、電極のうちの１つと導電層のうちの１つとの間に対応する電圧が印加された場合に入力ガイドの可動部を静電的に湾曲させるように構成された電極と、入力ガイドの可動部が静電的に曲げられた場合に複数の出力ガイドのうちの選択された１つと光学的に連結される入力ガイドの端面に隣接して配置され、出力光経路を形成している出力ガイドと、を備える。

本発明の別の実施形態によると、第１ガイドと第２ガイドとの間で光信号をスイッチングするための方法は、基板上に形成された第１ガイドの可動部を支持する基板から分離された可動部に光信号を導入する段階と、第１ガイドの可動部の第１側壁上に形成された第１導電層と基板上の第１電極との間に第１電圧を印加して、第１ガイドの可動部を静電的に湾曲させて第１ガイドの端面に隣接し、基板上に位置する第２ガイドに第１ガイドを光学的に連結させる段階と、を含む。

本発明の別の実施形態によると、入力ガイドから多様な出力光学ガイドの１つへと光学信号をスイッチングするための方法は、基板上に形成された入力ガイドの可動部を支持する基板から分離された可動部に光信号を導入する段階と、入力ガイドの可動部の側壁上に形成された導電層の１つと入力ガイドの可動部を少なくとも部分的に覆う電極のうちの１つの電極との間に電圧を印加して、入力ガイドの可動部を静電的に湾曲させて、隣接した出力光学ガイドのうちの選択された１つに入力ガイドを光学的に連結させる段階と、を含む。

２つの電極の間に形成されたガイドの全体像を表す図である。入力ガイドと２つの出力ガイドを備えた光学スイッチを表す図である。出力ガイドと並列された電極ブロックを備えた図２の装置を表す図である。曲がった入力ガイドを備えた図３の装置を表す図である。本発明の別の実施形態による光学スイッチを表す図である。ガイドの垂直方向の移動を定める出力ガイド及び入力ガイドを表す図である。複数の電極によって取り囲まれた入力ガイドを表す図である。光スイッチ及び複数の光スイッチを含む回路の略図である。光スイッチ及び複数の光スイッチを含む回路の略図である。光スイッチ及び複数の光スイッチを含む回路の略図である。１２の光スイッチを備えた統合光クロスコネクトの略図である。複数の光スイッチを備えたルーターの略図である。光スイッチ及び使用される材料の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。ガイドの処理における様々な段階の略図である。処理が行われたガイドの異なる断面の略図である。処理が行われたガイドの異なる断面の略図である。

添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照することによって本発明へのより深い理解が得られ、付随する多くの利点がさらに理解されるだろう。

図面において同一の参照符号はいくつかの図にわたって同一または対応する部分を示し、これらの図面を参照すると、図１は基板４上の２つの電極３及び５の間に形成されたガイド１の概略図を示す。ガイド１は、一体的に取り付けられるが基板から分離された可動部を有する。一体的取り付け及び所望の分離によって、その位置は明確に画定され且つその弾性特性は予測可能であり長期サイクルで再現性のある堅固な可動部が提供される。その機構は、可動部を静電的に曲げてガイド１から別のガイドへと光信号を伝達する。以下でさらに詳細に説明する。

１実施形態において、ガイド１は導波管例えば光ファイバーであり得る。しかしながら、ガイド１は光信号の全反射、つまりはガイドの一端からガイドの他端への光信号の伝播を許容する光学材料であり得る。言い換えると、ガイド１の横断面サイズは、カットオフ周波数を考慮せずに無作為に選択されることができる。この実施形態におけるガイド１は、電極３及び５に電圧が印加されない静止位置を有する。この実施形態におけるガイド１は、ガイド１の側面１ａ上に形成された少なくとも１つの電極２ａを備える。ガイド１は、ガイド１の側面１ａ上に第１電極２ａと、ガイド１の側面１ｂ上に第２電極２ｂとの２つの電極を備え得る。

１実施形態におけるガイド１は、後述のように、（ｉ）端面１ｃと、（ｉｉ）ガイド１の端面１ｃ及び隣接する側面が可動できるような端面１ｃに隣接する側面１ａ及び１ｂとを備えて形成され、つまり可動部１ｄが形成される。言い換えると、この実施形態において、ガイドの端部はカンチレバー構造を有する。

この場合、電極２ａと５との間または電極２ｂと３との間に適当な電圧が印加された場合、端面１ｃ及び端面の隣接部分は電極３または５に向かって曲げられ得る。１実施形態において、ブロック電極３は、絶縁材料から成る本体を有し、ブロック電極３の表面上に導電部３−１が形成され、導電部３−１と電極２ｂとが直接接触することを防ぐための導電部３−１を被覆する絶縁体３−２を備えることができる。適当な電圧（後述する）を印加することによって、ガイド１の端面１ｃがガイド７または９の端面７ａまたは９ａとそれぞれ面するようになるまでガイド１の端面１ｃは移動して、別のガイド７または９（図２参照）と整列される。従って、この実施形態において、ガイド１に入力される光信号１１は、適当な電圧を印加することによって、ガイド７またはガイド９へと伝達され、所望の光スイッチングが実現される。

この実施形態によると、ガイド１を曲げるためにいかなるヒーターまたはロッドも必要としない。この実施形態によると、電極２ａ及び２ｂは、ガイド１自体がアクチュエータとなるようにガイド１と一体的に形成される。さらに、この実施形態において示されたスイッチは、加えられた静電力によって適切な位置に堅固に支えられる移動スイッチング部材を備える。従って、この実施形態の装置は振動の影響を受けにくい。

１実施形態において、入力ガイドの端部と出力ガイド７または９との間の空間が流体媒体で充填され、端部とガイド間の空間との界面での反射が制限される。この機能を遂行するために、媒体の屈折率は空気よりも大きく、光ガイドの光伝導コアよりも小さく設定され得る。このような媒体の例には、屈折率整合流体ＬＳ−５２２９及びＬＳ−５２４１−１０（ＮｕＳｉｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗａｒｅｈａｍ，ＭＡから入手可能）が挙げられ、これらの屈折率はそれぞれ約１．３及び１．４である。

１実施形態において、ガイド１が形成された基板４に可動部１ｄが接着することを防止するために、基板４上に、可動部１ｄに対向する直接下部に導電金属電極６が設けられる。光ガイドの可動部上の電極２ａ及び２ｂが帯電された場合、光ガイド下部の誘電表面において逆の電荷が発生し、可動部１ｄが基板４の表面に接着し得る。可動部にとってこれは、可動部の端部のそれに続く光ガイドへの整列において問題となる。金属電極６が絶縁誘電体の下部に位置し、電極６が可動部上の電極２ａ及び２ｂと同等の電気的電位（電圧）に維持されるならば、異なる電荷は誘起されず、可動部を基板方向へ引き寄せる力は生じない。

１実施形態において、光ガイドの可動部１ｄは、約８μｍ×１０μｍ×７００μｍの寸法を有する。これは、５．６×１０^４μｍ^３または５．６×１０^−５ｍｍ^３または５．６×１０^−８ｃｍ^３の体積を産出する。これは、約５．６×１０^−８ｃｍ^３×１．４２ｇ／ｃｍ^３＝８×１０^−８ｇの質量を産出する。この例は、例示を目的とするものであって、可動部を上記で算出した質量に限定するものではない。また、可動部の長さは５００から１５００μｍの範囲であり得る。これは、約５．７×１０^−８ｇから１．７×１０^−７ｇの質量の範囲を産出する。さらに、光ガイドの横断面は、正方形、直線的またはその他形状の断面であり得る。

図２に示す光スイッチの１特徴は、ガイドを使用して入力から出力へと光信号を伝達すると同時に、同一のガイドがスイッチング機構のアクチュエータとなることであり、この実施形態のガイドは、小型、安価且つ振動に対して安定となることができる。この実施形態の別の利点は、可動部を備えたガイドが基板と一体的に形成されることである。さらに、１実施形態において、１つまたは複数のスイッチを形成し得る複数のファイバー及び電極を基板上に形成することができる。これらの部材は同一の工程の間に形成されるため、時間、空間及び資源を節約することができる。

図３は、ガイド７及び９の間で静止位置にあるガイド１の１実施形態を示す。この位置では、ガイド１の電極並びに電極３及び５には電圧が印加されない。電極３及び５は、ガイド１の作動に必要な静電力を生成するために作用するだけでなく、ガイド１とガイド７及び９との間に必要な整列を提供するためにも作用する。これに関して、それぞれ電極３及び５の側面３ａ及び５ｂは、ガイド７及び９の側面７ｂ及び９ｂとそれぞれ整列されている。

ガイド１の電極２ｂと電極３との間に適当な電圧が印加された場合、この配列に基づいてガイド１は、ガイド１が電極３に接触するまで図４に示す位置に曲げられる。電極３と電極２ｂとの間には、ガイド１または電極３の側面のいずれかに絶縁層が配置されており、電極間での電気的短絡が防止される。絶縁層については、図２２から２５に関して後により詳細に説明する。この位置では、ガイド１の側面１ｂは、電極７の側面７ｂと整列され、入力光信号はガイド１からガイド７へと伝達される。

１実施形態において電極ブロック３及び５は、Ｖ形状、図２に示すような斜位、または図３に示すようなガイド１と相互に平行に位置することができる。電極ブロック３及び５は、任意で互いに整列されずに位置することもできる。また、間隙に最も近い電極３及び５の位置は、整列を強化するためにガイド７及び９と平行であり得、間隙から遠い電極の位置は、電極間の静電的“ジッパー”効果を増強するために傾斜し得る。

別の実施形態によると、ガイド１はガイド１と電極ブロック５との間に電圧が印加された場合、ガイド７と中立位置で、ガイド９と整列される。この実施形態では、第２電極ブロック３を必要としない。ガイド１は、電極ブロック５とガイド１の電極２ａとの間の電圧をゼロ以外に低下することによって、ガイド９から取り外される。従って、可動部の湾曲によって発生する弾性力に起因してガイド１は中立位置に戻る。

図４は、ガイド１をガイド７と整列させるために、ガイド１とブロック電極３との間に５０Ｖの電圧が印加される実施形態を示す。ガイド１からブロック電極３に転流（スイッチング）させるために５ｍｓの期間が想定される。

図５は、本発明の別の実施形態によるガイド１、７及び９と、電極２及び５との概略図を示す。図５において、電極３及び５と対応するパッド１３及び１５の電気的接続が導電フィルム１７及び１９として示されている。また、図５は、導電フィルム２３を介して電極２ａと接続されたガイド１に対応するパッド２１を示す。図５において光信号がガイド１に入力されてガイド７及び９から出力されることが示されているため、この実施形態にでは、ガイド１は入力ガイドであり、ガイド７及び９は出力ガイドである。しかしながら、いずれのガイドも入力または出力ガイドとなることができる。言い換えると、単一の入力を２つの出力のうちの１つに向けるというよりも、２つの入力のうちの１つの間で選択することができる。

光スイッチは、後述されるようなシリコンウエハの一部であり得る基板上に形成される。基板は、従来の方法でパッケージされることができ、例えば光ファイバーを配置するために例えばシリコンにおけるＶ型溝を使用して光ファイバーを基板上の入力及び出力ガイドに接続する方法がある。ポリマーガイドは、光を入力ファイバーからスイッチング領域２５へと誘導し、スイッチング領域から他の光学部材及び出力ファイバーへと誘導する。ガイドは基板２７の表面に取り付けられるが、クラッド層によって表面から任意で分離される。ガイドの上面及び側面は、空気またはガイドよりも屈折率の低いその他の流体にさらされるため、ガイドの周囲に効果的な光学クラッドを形成する。この場合、光はガイドに沿って損失せずに伝達される。クラッド層は任意で光学ガイドを覆って被覆される。

次に、図５に示すスイッチを使用する方法について説明する。入力ガイド１は、スイッチング領域２５に連続的に進入する。スイッチング領域２５内の入力ガイドとスイッチング領域の外の入力ガイドとの違いは、スイッチング領域２５内の入力ガイドが基板の表面から分離され、基板及びスイッチング領域２５の外のガイドに対応して移動することができることである。スイッチング領域２５の出力端において、カンチレバー入力ガイド端は、光を出力ガイド７及び９へとスイッチすることができる。

スイッチング領域２５において、２つの電極ブロック３及び５は入力ガイド１のいずれかの側面上に位置する。これらの電極ブロック３及び５は、入力ガイド１の端部（可動部）を帯電したいずれかの電極に向かって引き寄せるための電圧を可能とする。この場合、電極ブロックは停止ブロックとしても作用し、入力ガイドを固定位置に保持する。入力ガイド１からの光が２つの出力ガイド７及び９のうちの１つへと向かうように、２つの固定位置が用意される。ガイド１の中央の中立位置は、いずれの出力ガイドとも接続されず、スイッチの“オフ”位置を提供する。あらゆる電極及びガイドは微細加工プロセスにおいて同一のポリマー層を使用して形成されることができる。スイッチング領域２５における入力ガイド１の静電動作を可能にするために、例えばＡｌ及び／またはＡｕ等の金属が入力ガイド１の短い部分の上、電極ブロック３及び５の近辺、及びガイドに面する電極ブロックの側面上に堆積（例えば斜め蒸着）される。金属は、チタニウム薄膜に続いてタングステン厚膜等のその他の材料を含み得る。

金属電極は、外部の電気接触パッド１３、１５及び２１と接続され得る。この場合、静電ブロック３及び５に印加された電圧に応じて、ガイド１が左または右に引き寄せられる構造が得られる。

スイッチ動作領域２５において、カンチレバー入力ガイドは基板の表面から分離され、可動部１ｄは移動することができる。ガイド１の可動部は、後述のように、微細加工プロセスの間に除去材料を使用することによって基板２７の表面から分離される。この除去材料は、スイッチング動作が行われる領域特有のものであり、ガイド１の残りの部分はクラッド層によって基板２７の表面に接着されたままである。

図５に示すスイッチの動作についてここで説明する。静電ブロックとガイドの電極との間に約５０Ｖが印加された場合、この電圧によってガイドの入力可動部１ｄは中立位置から対応する電極ブロックに接触するように移動される。後述するように、可動部がこれらの電極ブロックに接触する場合、可動部上に形成された導電膜は、電極ブロック３及び５と電気的に接続されないように絶縁される。

第１電極ブロックに印加された５０Ｖを停止すると同時に、同様の５０Ｖの電圧が対向する電極ブロックに印加され、ガイドは対向する電極ブロックへと引き寄せられる。１実施形態において、移動するガイド１が電極ブロック３に隣接する場合にガイド１の出力が出力ガイド７へと向かうように２つの出力ガイド７及び９は配置される。同様に、ガイド１の可動部が電極ブロック５側に引き寄せられている場合、ガイド１の出力は出力ガイド９に向けられる。

１実施形態において、出力ガイド７及び９は、入力ガイド１と同様の方法で適当なクラッド層を介して基板２７の表面に取り付けられる。出力ガイド７及び９は、多重スイッチング要素を形成するためのさらなるスイッチまたは他のガイド回路要素への入力として作用するように基板２７上に配置され得る。１実施形態によると、光通信用の多重スイッチング要素は、図８及び９に示すようなクロスコネクト３５等の構造を含む。図８に示すクロスコネクトは、２つの入力と２つの出力とを備え、入力信号は２つの出力のいずれかで出力され得る。

図５に示す光スイッチ要素は、基板２５の表面上のポリマー層から構成される３つのガイドを含む。しかしながら、３つより多くのガイドが構成され得ることは当業者に容易に理解される。ここではガイド材料の例としてポリマーが使用される。ガラス等のほかの材料も使用されることができる。その他使用可能な有機材料は、ベンゾシクロブテン、さまざまなアクリレート（例えばポリメチルメタクリレート、Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ（登録商標））、オレフィン（例えば環状オレフィンポリマー、商標Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）、環状オレフィンコポリマー、Ｔｏｐａｓ（登録商標））、ポリカーボネート（例えばＬｅｘａｎ（登録商標））、並びにポリイミド及びその他プラスチックのフッ化物を含む。

入力ガイド１の一部及び２つの出力ガイド７及び９の全体は、基板２５の表面に取り付けられている。しかしながら、別の実施形態では、出力ガイド７及び９の端面もまた基板２７の表面に対応して移動し得る可動部を備え、対応する導電膜を備えて出力ガイドを入力ガイド１またはその他のガイドとさらに整列させるように電極ブロックを停止し得る。

出力ガイド７及び９に隣接する入力ガイド１の可動部１ｄは、基板２７の表面から分離されてカンチレバーを形成し、この部分は移動することができる。１実施形態によると、可動部の長さは１ｍｍ未満であり、基板の上を覆う可動部と基板との距離は約１μｍである。一般的に、可動部の長さはさまざまな因子に依存し、例えばガイドを形成する材料の剛性及びその他機械的特性に依存する。

上述の構造は、電極ブロックをさらに追加することによって２以上の配置を有するガイドまで拡張され得る。この点において、図６は、電極３及び５以外に、ガイド１を垂直方向に沿って作動させるためにガイド１の上部に配置された少なくとも１つの電極２９を示す。この場合、ガイド１は、電極２９と静電的に相互作用するための補助電極を備える。

さらなる実施形態において、図７は、６つの異なる出力ガイド（図示せず）に対応する６つの異なる位置へのガイドの移動を可能にする複数の外側電極３、３’、５、５’、２９及び３１を示す。この実施形態において、３つの出力は上記で説明した２つの出力の場合と同様の方法、すわなち、表面が３つの出力のいずれかと整列され得る可動部を備えた入力ガイドを備えて表面が形成される方法で製造される。６つの出力を製造するために、３つの追加の出力が出力と電極ブロックとを備え、入力ガイドを備えていない表面上に製造される。この追加の表面は、第１表面の上に返され、“バンプ接合”または“フリップチップ”技術によって整列され定位置に保持される。電極ブロックの頂面からの静電力は、入力ファイバーの可動部を底面から持ち上げ、出力ガイドの頂面と整列させる。３つの出力では、頂面の中央に埋設された電極が光ガイドを頂面の中央に引き寄せるために使用される。この配置については後に詳細に説明する。

図７に示すような２×３の電極またはガイドの周囲の１つの垂直側面及び水平側面上の配置された電極を含むがそれらに限定されず、いかなる電極の組み合わせも可能である。

１実施形態において説明した静電スイッチの設計を使用して集積された光クロスコネクトが形成される。単純化するために、図５に示す２出力スイッチは図８ａにおいて長方形の記号で示す。図８ｂに示すように２つのスイッチを使用して、図５に示すポリマーガイドを使用した２×２光クロスコネクトを作製することができる。単純化した記号をした回路の概略図を図８ｃに示す。

１２の処理された光スイッチを使用して、図９に示すような集積された４×４光クロスコネクトを作製することができる。記号は図８ｃに示すものと同一である。同様に、スイッチをガイド格子と組み合わせて光学マルチプレクサーを作製することができる。

別の実施形態において、図１０はルーターを形成するための複数のスイッチを示す。例えば、３列の光スイッチの２つのグループは、平面ガイド回路を使用していずれかの方向に、８つの入力のいずれかが８つの出力のいずれかにスイッチされることを可能にする。図１０における小さな三角形は、１つの入力と２つの出力を備えた光スイッチを表す。直角連結部４１は、全反射コーナー反射を表す。コーナーレフレクタは、直角連結に起因して光損失が増加するコストのかかるより小さな光回路を形成する。別の実施形態において、集積された光スイッチマトリックスを形成する曲がった交差部を備えた“再帰的ツリー構造”（非特許文献２に記載され、参照により全体がここに組み込まれる）等を使用することによって滑らかに曲がったガイドを使用して方向を変更することができる。

本発明の実施形態は、光ファイバーまたはその他のソースから入力を取り込み、同じバンクのスイッチまたは隣接するバンクのスイッチにおける多くの可能な出力経路のうちの１つへと信号を明確に方向付けるスイッチング構造を提供する。この構造は、ＭＥＭＳミラースイッチよりも単純かつ安価で、典型的な熱スイッチよりも動作が速い。

本発明の１実施形態によるとさらに、微細加工された光スイッチ３３のアレイ（図８参照）が提供され、このアレイは入力光信号を同じバンクのスイッチまたは隣接するバンクにおける多くの可能な出力のうちの１つへと送る。単純な設計は、低電流静電動作で作動する。

さらに、本発明の１実施形態によると、光スイッチアレイ３５（図９及び１０参照）は、複数の出力を備えた単一の基板上に作製される。この設計は動作に使用される電力が小さい。光入力１は、中間電子信号へと変換することなく選択された光出力３７へとスイッチされることができる。平面に製造することによって安価な製品を製造することが可能となる。ガイドの移動を停止するために集積されたブロックは、移動中車両においてでさえ構造体を頑丈且つ安定なものとする。スイッチ３３の静電駆動は、その他の設計において使用される熱駆動よりもずっと高速且つ少ない電力で作動する。

ガイドは、用途に応じて適当なサイズに設定される。単一モード光ファイバーとともに使用する場合、ガイドの幅は約１０μｍである。多重モード光ファイバーとともに使用する場合、ガイドの幅は約６０μｍである。用途に応じてその他のサイズを選択することも可能である。スイッチの長さは、ファイバーの幅及びファイバーが形成される材料の弾性に応じて変化する。

スイッチ３３のアレイは、平面基板上に形成される。所定の入力信号が多数の可能性のある出力の１つへと送られることができるように、スイッチユニットの出力は、後続のスイッチユニットの入力へと送られる。１平面配列からの信号が別の隣接する配列へとスイッチされることができるように、スイッチの平面配列は、“フリップ基板”技術等によって積層されることができる。これにより、低コストでスイッチの密度が増加される。

本発明の実施形態では様々な形態が可能である。基本スイッチユニット３３の出力が、光ファイバー３９、さらなるガイドまたはその他の手段によってさらなるスイッチユニット３３の入力へと伝達されることが予測される。基本スイッチユニットは、さまざまな出力形態を有し得る。図５に示すような入力ガイドの中立中央配置（すなわち、可動部の端面が出力ガイドの端面と整列されない入力ガイドの休止位置）を有するよりもむしろ、中央で出力位置出力配置であり得る。このような出力配置により、３つの可能な出力位置が生じる。停止ブロック上の電極に加えて、平面基板上のガイド下部に適当な電極を配置することによって、スイッチユニットあたり４つの出力位置を有することが可能となる。“フリップ基板”技術などの手段で第１表面上部に第２表面を配置することによって、３つまたは４つの出力位置を追加することが可能となるため、スイッチユニットあたり６または８の出力が生じる。出力位置間の距離は、光がガイドから漏出して意図したもの以外の出力に進入することを防ぐために十分大きくなくてはならない。

この点において、光信号の伝達を最大限にすることを助けるために、入力光ガイドに面する出力光ガイドの端部は、わずかに張り出している。この場合、２つの光ガイドが完全な整列を満たさなくても張り出した端部が依然としてほとんどの光を集める。光ガイドの幅が一般的に約１０μｍである一方で、１実施形態において張り出した端部の幅は約１２μｍである。しかしながら、その他の幅であることも可能である。

さらに、出力光ガイドは、ある出力に意図された光が別の出力に進入する可能性を制限するために距離が置かれる。１実施形態において、分離距離は、約１８μｍである。例えば赤外線通信波長の場合、入力光ガイドの幅プラス各側で伝達される光２波長と同等の分離距離を選択すると、１０μｍ＋（２×２×１．５μｍ）＝１６μｍとなる。

次に、ガイド１の製造方法について説明する。上述の光スイッチは、ポリマーガイドだけでなくスピンオンガラス等のその他の材料を使用してもよいがそれらに限定されるものではない。

図５に示すようなポリマー光スイッチの製造は、典型的にシリコンウエハであるウエハ基板１００上で開始される。電極ブロック３及び５並びにカンチレバー入力ガイド１への電気接続と同様に電気及び光分離を提供するために、パターン化された基層が追加される。層は典型的に金属、ポリマーまたは酸化物である。ガイド１の下部のスイッチング領域２５において、化学作用、熱昇華またはその他の方法で除去されることができる層１０８が設けられる。これにより入力ガイドの対応部分が、層の除去後に自由に移動できるようになる。

これらの層の上部に追加の層１１４が追加され入力ガイドと、２つの出力ガイドと、２つの静電ブロックとを形成するようにパターン化される。次の段階は、基板の静電的駆動のために金属１１６を堆積することである。この段階の１方法には、静電電極ブロックに面するガイドのエッジ及び電極ブロック自体に金属を斜め蒸着する方法がある。金属はまた、制御回路の接触パッドにこれらの側面要素を接続するように作用する。

構造設計及び製造方法は、金属を必要とせず後に従来の物理または化学エッチング法によって除去されるその他の部分の領域を全てマスクするように制御される。追加の製造段階では、ショートを防ぐために金属側壁を被覆する絶縁側壁１２６を形成する。最終製造段階では、剥離層１０８を除去して入力ガイド１の部分１ｄを機械的に自由にする。

光伝達を向上させるための更なる改良は、反射を減少させるためのガイドの端部の反射防止膜を含み得る。更なる変更は、空気以外の流体のスイッチ周囲への使用を含み得る。流体の屈折率は、クラッド要件を満たすために空気より大きくガイドより小さくなるよう選択され得る。

上述の設計は、従来の光スイッチより小型である。ガイドがそれ自体のアクチュエータであり、停止ブロック間の距離が短いため、多くのスイッチが単一のウエハ上に製造されることができる。これによりスケールメリットが可能となり、スイッチの価格が低下する。この構造体はさらに、大規模集積の利益を提供する単一ウエハ上のスイッチを含む複雑な回路の製造を可能にする。ガイドの静電駆動によって、スイッチが必要とする電力が低下する。

上述の光スイッチの製造工程を、図１１から２４を参照してさらに詳細に説明する。図１１は、製造の間に使用される材料とともに処理された光スイッチを示す。しかしながら、光ファイバーを製造する当業者に周知であるようにその他の材料も使用することができる。図１１はさらに、後に説明されるさまざまな横断面図を表示する。

図１２に示されるように、例えばＬＰＣＶＤによって基板１００上にＳｉ_３Ｎ_４層１０２が蒸着される。基板１００はシリコンウエハであり得る。Ｓｉ_３Ｎ_４層は、１５００Åの厚さを有し得る。このＬＰＣＶＤ法は、基板１００全体の上に均一な被膜を形成する。窒化物は、形成されるガイド１の可動部の下部から犠牲酸化物を除去するために使用される工程の最後に“リリースエッチング”を停止するための“エッチングバリア”を提供する。この窒化物はまた、電気接点と基板１００との間に絶縁層を提供する。窒化物層を保護するために基板１００の前側を任意でレジストで被覆することができ、そこの窒化物を除去するために基板１００の背部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）することができる。この任意の段階により、必要に応じてシリコン基板と電気的接触が可能となる。この工程の後に、レジストはウエハの前面から除去され得る。

次に、レジスト層がウエハの前面に堆積され、レジストは第１マスクを通してパターン化される。第１マスクの目的は、ガイドが静電気引力によって基板に向かって湾曲することを防止するために、ガイド１の可動部の下部に導電金属電極を形成することである。

厚さ１０００Åを有するＣｒ層１０４が、シリコン窒化物層１０２上に形成される。Ｃｒ層１０４において応力が大きい場合、１５０Å／１０００Å／１５０Åの厚さを有するＣｒ／Ａｕ／Ｃｒの層の組み合わせが蒸着によってシリコン窒化物１０２上に堆積され得る。その後、レジスト及び余剰の金属はリフトオフ工程で除去される。

さらに、１μｍの厚さを有する第１ポリイミド層１０６がウエハ全体の上に均一に被覆される。ポリイミドは被覆の後に硬化される。金属電極の底部までビアホールを形成するために、パターン化されたレジストが第２マスクを使用してポリイミドの上に堆積される。その後、ポリイミドは反応性イオンエッチングでエッチングされ、レジストは除去される。次に、ＰＥＣＶＤによって酸化物１０８が１μｍの厚さを有するように堆積される。別のレジストが堆積され、第３マスクを使用してパターン化される（ガイドの可動部の下部の剥離層用）。酸化物層１０８は湿式エッチングされて図１２に示されるようなより傾斜したエッジを形成する。その後、レジストは除去される。

次に、図１３に示すように（装置の一部のＢ‐Ｂ断面図）、レジストは第４マスクを使用してパターン化される（ポリマーガイドをエッチングするためのエッチング停止を提供する薄い金属ブランケット層用）。アルミニウムが蒸着されて１０００Åの厚さを有する層１１０を形成する。任意でＡｌ／Ｃｕが蒸着される。ここでＣｕはヒロックの形成を低減するために加えられる。次に、レジスト及び余剰の金属が除去される。剥離層の除去によってガイドが空間に張り出している場合は反射クラッドを必要とせず、金属層１１０はガイド１底部の反射クラッドとしても作用する。光学的に優れた方法は、反射クラッドの代わりに、全反射によるクラッド用の低透過度材料を使用するものであり、後に説明される。

図１３に示すように、レジストは第５マスクを使用してパターン化され、完成した装置のワイヤボンディングのためのパッド金属並びにガイド及び電極への金属リードラインを形成する。アルミニウム（またはＡｌ／Ｃｕ）が堆積されて９０００Åの厚さを有する層１１２を形成する。その後、レジスト及び余剰の金属が除去される。

ガイドの光学特性を高めるために金属層は任意でより薄いこともでき、ワイヤボンディングパッド用のより厚い金属を堆積及びパターン化するために、これらの段階の後に追加のマスクを使用することもできる。

第２ポリイミド層１１４は９μｍの厚さで堆積（被覆及び硬化）される。単一のポリイミド層１１４は、任意で３層のポリマー積層体に置き換えることも可能である。積層体の上部及び底部は薄い低屈折率材料であり、中間のポリイミドを被覆してガイドのコアを形成する。ここで光はポリイミドに捕捉される。パリレンはクラッドに可能な材料である。Ｔｉ／Ｗ層１１６は、例えばスパッタリングによって３０００Åの厚さに堆積される。レジストは第６マスクを使用してパターン化されてガイド及び偏向電極を画定する。Ｔｉ／Ｗ層は、９μｍのポリイミド層を反応性イオンエッチングする次の段階のエッチングマスクとして使用される。その後、Ｔｉ／Ｗの層は反応性イオンエッチングされる。

図１４は、Ａ−Ａ横断面における装置の一部を示し、図１５はＢ−Ｂ横断面における同じ装置の一部を示し、図１６は、Ｃ−Ｃ横断面における同じ装置の一部を示す。

図１７に示すように、本実施形態では、Ａｌが斜め蒸着されて２５０Åの厚さを有する層１１８が形成され、次いで２０００ÅのＡｕ層１２０、次いで１８０度回転して斜め蒸着された２５０ÅのＡｌ層１２２、次いで２０００ÅのＡｕ層１２４が形成される。この層１１８〜１２４の積層体によって、図１７（横断面Ａ−Ａ）、図１８（横断面Ｂ−Ｂ）、図１９（横断面Ｃ−Ｃ）に示すようにガイド１の両面の被覆が提供される。次の段階では、Ａｕ／Ａｌ／Ａｕ／Ａｌの積層体の上部及び１０００ÅのＡｌ底層をイオンミルオフする。

図２０は、優れた選択性を得るために湿式エッチング工程でエッチングされたＴｉ／Ｗ層を示す。選択性が優れていれば反応性イオンエッチングを使用してもよい。フォトレジストが第７マスクを使用してパターン化され、光ガイドの端部及び受動ガイドの側面が露出される。光損失を低減するために金属側壁はガイドから除去され、より優れた光伝達のためにガイドの端部から金属が除去される。Ａｕ／Ａｌ／Ａｕ／Ａｌの層は露出された側壁から湿式エッチングされ、その後フォトレジストは除去される。

４０００Åの厚さを有するパリレンの層１２６が堆積されて装置全体に均一な被膜が形成され、その後パリレンの層１２６は異方性エッチングである反応性イオンエッチングされ、図２１に示すようにパリレンはガイドの上面から除去され、ガイドの側面上には残される。パリレン層１２６はガイドの電極と偏向電極との間の電気的絶縁体として作用する。

図２２はガイドの側面に堆積されたパリレン層１２６を示し、さらにＢ−Ｂ横断面におけるガイドの導電膜１１８、１２０、１２２及び１２４を示す。

図２４に示すように、酸化物層１０８は湿式エッチングされてガイド１の可動部が分離され、その後全構造体は超臨界ＣＯ_２乾燥される。図２５は、Ｃ−Ｃ横断面における最終的な光スイッチを示す。上述の段階の変形例として、斜め蒸着の代わりに平面蒸着またはスパッタリングを使用してもよく、ＴｉＷ層は例えばポリイミドエッチングの後等プロセスの間の別の段階で除去されてもよい。

従って、上述の方法を使用することによって、図１〜５の１つに示される光スイッチが得られる。同様の段階を使用して図８ａ〜１１に示される光スイッチを製造することもできる。

好適な実施態様を以下に示す。（１）前記第１ガイドと前記第３ガイドとが光学的に連結された場合に、前記第１ガイドが前記第２電極と接触することを特徴とする請求項７に記載の装置。（２）前記第１ガイドと前記第３ガイドとの間に伸びて、その間の光散乱を低減する媒体をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。（３）前記第１ガイドが前記第１電極と前記第２電極との間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。（４）前記第１電極と前記第２電極とが前記第１ガイドに対して等しい角度で配置されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。（５）前記可動部が所定の距離だけ前記基板から分離されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。（６）少なくとも前記可動部の前記端面または前記第２ガイドの端面に被覆された反射防止層をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。（７）前記光接続が直角接続であることを特徴とする請求項１０に記載の光ルーター。

（８）入力光経路から複数の出力光経路の１つへと光信号をスイッチングするための光学装置であって、基板と、入力ガイドが前記基板に接している部分の反対側の前記入力ガイドの端部、可動部の長手方向の端部に位置する端面及び前記端面に隣接する側壁を備えて基板から分離された入力ガイドの可動部を備え、前記基板上に形成され、前記入力光経路を形成している入力ガイドと、前記可動部の前記側壁上に形成された導電層と、前記基板に接続されて前記入力ガイドから分離され、対応する前記導電層に対向し、入力ガイドの前記可動部を少なくとも部分的に覆い、前記電極のうちの１つと前記導電層のうちの１つとの間に対応する電圧が印加された場合に前記入力ガイドの前記可動部を静電的に湾曲させるよう構成された電極と、前記入力ガイドの前記端部が静電的に湾曲された場合に複数の前記出力ガイドのうち選択された１つと光学的に連結される前記入力ガイドの前記端面に隣接して配置され、前記出力光経路を形成している出力ガイドと、を備えた装置。（９）前記電極が３から１２の電極を含むことを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。（１０）前記導電層が４の導電層を含むことを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。（１１）前記導電層の数が前記電極の数と同一であることを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。（１２）前記基板が複数の基板部分を含むことを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。（１３）前記基板が、それぞれが同一の数の電極がそこに形成された複数の基板部分を含むことを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。（１４）各導電層が前記可動部の前記側壁のうちの各側壁上に形成されたことを特徴とする実施態様（８）に記載の装置。

（１５）前記静電的にが、第１電圧を印加して前記第１ガイドの前記可動部を静電的に湾曲させて前記第１ガイドを前記第２ガイドと光学的に連結させることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。（１６）第２電圧を印加して前記第１ガイドの前記可動部を静電的に湾曲させて前記第１ガイドを前記第１ガイドに隣接して配置された第３ガイドと光学的に連結させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。

（１７）入力ガイドから複数の出力光ガイドのうちの１つへと光信号をスイッチングするための方法であって、基板上に形成された前記入力ガイドの可動部を支持する前記基板から分離されて入力ガイドが前記基板に接している部分の反対側に前記入力ガイドの端部を備えた前記可動部に光信号を導入する段階と、前記入力ガイドの前記端部を静電的に湾曲させて前記入力ガイドを前記複数の出力光ガイドのうちの選択された１つと選択された程度選択的に光学的に連結させる段階と、を含む方法。

本発明は、上述の技術に照らしてさまざまに修正及び変更することが可能である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内においてここで特に説明した方法以外でも実施され得ることが理解される。

１、７、９ガイド
１ａ、１ｂ側面
１ｄ可動部
２ａ、２ｂ電極
３、５電極
４基板
６導電金属電極
１３、１５、２１パッド
１９、２３導電フィルム
２５スイッチング領域
２９、３１電極
３３光スイッチ
３５クロスコネクト
３７光出力端
３９光ファイバー
４１直角連結部

Claims

第１光経路と第２光経路との間で光信号をスイッチングするための光学装置であって、
基板と、
前記基板上に形成され、前記基板から分離されて第１ガイドが前記基板に接している部分の反対側に前記第１ガイドの端部を備えた可動部を備え、前記第１光経路の少なくとも一部を形成している第１ガイドと、
前記第１ガイドに隣接して配置され、前記第２光経路の少なくとも一部を形成している第２ガイドと、
前記第１ガイドを前記第２ガイドへと光学的に連結させるように前記端部を静電的に湾曲させる手段と、を備えた装置。
前記第１ガイドに隣接して配置され、静電的に湾曲させる前記手段によって前記第１ガイドの前記可動部が静電的に湾曲された場合に前記第１ガイドと光学的に連結されるように構成され、第３光経路の少なくとも一部を形成している第３ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記第１ガイドに隣接して配置され、前記第１ガイドの前記可動部が湾曲されない場合に前記第１ガイドと光学的に連結されるように構成され、第３光経路の少なくとも一部を形成している第３ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
第１光経路と第２光経路との間で光信号をスイッチングするための光学装置であって、
基板と、
第１ガイドが前記基板に接している部分の反対側の前記第１ガイドの端部、可動部の長手方向の端部に位置する端面並びに前記端面に隣接する第１側壁及び第２側壁を備えて基板から分離された可動部を備え、前記基板上に形成され、前記第１光経路を形成している第１ガイドと、
前記可動部の前記第１側壁上に形成された第１導電層と、
前記可動部に対向して前記基板から突出し、第１電極と前記第１導電層との間に第１電圧が印加された場合に前記第１ガイドの前記可動部を静電的に湾曲させるよう構成された第１電極と、
前記第１ガイドの前記端面に隣接して配置され、前記第１電圧によって前記第１ガイドの前記端部が静電的に湾曲された場合に前記第１ガイドと光学的に連結され、前記第２光経路を形成している第２ガイドと、を備えた装置。
前記第１ガイドと前記第２ガイドとが光学的に連結された場合に、前記第１ガイドが前記第１電極と接触することを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記第１ガイドと前記第２ガイドとの間に伸びて、その間の光散乱を低減する媒体をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記可動部の前記第２側壁上に形成された第２導電層と、
前記可動部に対向して前記基板から突出し、第２電極と前記第２導電層との間に第２電圧が印加された場合に前記第１ガイドの前記可動部を静電的に湾曲させるよう構成された第２電極と、
前記第１ガイドの前記端面に隣接して配置され、前記第２電圧によって前記第１ガイドの前記可動部が静電的に湾曲された場合に前記第１ガイドと光学的に連結されるよう構成され、第３光経路を形成している第３ガイドと、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記第１ガイドの前記端面に隣接して配置され、前記第１ガイドの前記可動部が湾曲されない場合に前記第１ガイドと光学的に連結されるように構成され、第３光経路を形成している第３ガイドをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
請求項４に記載の複数の光学装置と、
前記複数の光学装置を接続する複数の光ファイバーと、を備えた光ルーティング装置。
請求項４に記載の複数の光学装置と、
前記複数の光学装置を接続する複数の光ファイバーと、
前記光学装置の間で前記光ファイバーを連結するように構成された複数の光接続と、を備えた光ルーター。
第１ガイドと第２ガイドとの間で光信号をスイッチングするための方法であって、
基板上に形成された前記第１ガイドの可動部を支持する前記基板から分離されて第１ガイドが前記基板に接している部分の反対側に前記第１ガイドの端部を備えた前記可動部に光信号を導入する段階と、
前記第１ガイドの前記端部を静電的に湾曲させて前記第１ガイドを前記第２ガイドと光学的に連結させる段階と、を含む方法。