KR100331805B1 - optical switch and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
광통신 시스템에 사용되는 광 스위치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 형성되고 광 신호의 입/출력을 위한 제 1 광도파로와, 기판상에 형성되고 외부의 수광부와 발광부에 각각 연결되는 제 2 광도파로와, 제 1 광도파로와 제 2 광도파로를 연결 또는 우회(bypass)시키기 위한 제 3 광도파로가 형성된 구동부로 구성되고, 구동부는 외부의 인가 전압에 따라 변위를 일으키는 액튜에이터와, 액튜에이터에 의해 회전하는 광로 절환판과, 광로 절환판상에 형성되는 광도파로와, 광로 절환판을 고정시키는 고정축으로 구성된다. 이와 같이 제작되는 본 발명은 SOI 기판의 실리콘층을 이용하여 광도파로와 구동부를 만들기 때문에 제작이 용이하고, 광소자와의 집적화, 소형화, 저가화가 가능하다. 또한, 구동부의 구동 방식이 콤 드라이브와 같은 정전 방식의 액튜에이터 등을 사용하기 때문에 구동 전압이 낮다.An optical switch used in an optical communication system, and a method of manufacturing the same, comprising: a first optical waveguide formed on a substrate for input / output of an optical signal; It consists of a drive unit formed with two optical waveguides, and a third optical waveguide for connecting or bypassing the first optical waveguide and the second optical waveguide, the drive unit is an actuator that causes displacement in accordance with the external applied voltage, and the actuator It consists of an optical path switching plate rotated by an optical path, an optical waveguide formed on the optical path switching plate, and a fixed shaft for fixing the optical path switching plate. The present invention manufactured as described above makes the optical waveguide and the driving unit using the silicon layer of the SOI substrate easy to manufacture, and it is possible to integrate, miniaturize, and reduce the cost with the optical device. In addition, since the drive method of the drive unit uses an electrostatic actuator or the like such as a comb drive, the drive voltage is low.
Description
본 발명은 광통신 시스템에 사용되는 광 스위치 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical switch used in an optical communication system and a manufacturing method thereof.
ISDN(Integrated Service Digital Network) 시대를 맞이하여 광통신 시스템의 기능이 다양화되고, 적용분야도 국간 연결을 위한 기간망 뿐만 아니라 광 가입자망 및 LAN(Local Area Network) 등의 지역망으로 널리 확대되고 있다.In the era of ISDN (Integrated Service Digital Network), the function of optical communication system is diversified, and the field of application is widely extended to local networks such as optical subscriber network and LAN (Local Area Network) as well as backbone network for inter-station connection.
이에 따라 광 회로를 구성하는 광 스위치, 광 감쇠기, 광 커플러(coupler) 및 광 스플리터(splitter)와 같은 부품의 중요성이 급격히 증가하고 있으며, 이중 광 스위치는 광 회로에서 가장 큰 비중을 차지하는 주요 부품이다.As a result, the importance of components such as optical switches, optical attenuators, optical couplers, and optical splitters constituting optical circuits is rapidly increasing, and dual optical switches are a major component of optical circuits. .
광 스위치가 하는 역할은 용도에 따라 여러 가지로 나눌 수 있으며, 1×1 스위치에서부터 M×N 스위치까지 용도에 따라 다양한 형태를 갖는다.The role of the optical switch can be divided into various types according to the use, and has various forms depending on the use from 1 × 1 switch to M × N switch.
예를 들면, 1×1 스위치는 광 스위치를 통해 신호를 온/오프(ON/OFF)하는 경우에 사용되고, 1×2 스위치는 단말 장치와 광 케이블의 장애 및 보수 점검시에 광 경로를 바꾸는 경우에 사용된다.For example, a 1 × 1 switch is used to turn a signal ON / OFF through an optical switch, and a 1 × 2 switch is used to change an optical path during failure and maintenance checks of a terminal device and an optical cable. Used for
또한, 2×2 스위치는 LAN과 같이 루프(loop)를 형성하는 광 케이블 네트워크(network)에서 단말 장치의 장애 및 보수 점검시에 광 케이블을 이동하는 데이터를 바이패스(bypass)시키는 역할을 한다.In addition, the 2x2 switch serves to bypass data moving the optical cable during the failure and maintenance check of the terminal device in an optical cable network forming a loop such as a LAN.
그리고, 1×N 스위치는 멀티 미디어 데이터 전송시 복수의 채널 중 한 채널을 선택하는 기능을 가지며, M×N 스위치는 장래에 주류를 이루게 될 WDM(Wavelength Division Multiplexer) 시스템에서 복수 입력 신호 중의 하나를 복수의 출력 중의 하나에 접속시키는 경우에 사용된다.In addition, the 1 × N switch has a function of selecting one channel among a plurality of channels when transmitting multimedia data, and the M × N switch selects one of a plurality of input signals in a WDM (Wavelength Division Multiplexer) system which will become mainstream in the future. It is used when connecting to one of a plurality of outputs.
이와 같이, 많은 역할을 하는 광 스위치는 그 역할을 수행하는 스위칭 방법에 따라 크게 광로 직접 절환형과 광전 교환형으로 나눌 수 있다.As such, optical switches that play many roles can be broadly divided into optical path direct switching type and photoelectric exchange type according to the switching method performing the role.
광로 직접 절환형은 광로를 물리 전기적인 힘으로 직접 절환하는 방식이고, 광전 교환형은 광신호와 전기신호를 상호 교환하는 방식이다.The optical path direct switching type is a method of directly switching an optical path with physical electrical force, and the photoelectric switching type is a method of mutually exchanging an optical signal and an electrical signal.
여기서, 광로 직접 절환형은 다시 기계식과 비기계식으로 나눌 수 있다.Here, the direct path switching type can be divided into mechanical and non-mechanical types.
현재, 시판되고 있는 스위치 중 대부분을 차지하는 기계식은 도 1a와 같이 프리즘(prism)을 이동시켜 광로를 변환하는 방식, 도 1b와 같이 로드 렌즈(rod lens)를 이동시켜 광로를 변환하는 방식, 도 1c와 같이 광 파이버(optical fiber)를 이동시켜 광로를 변환하는 방식, 도 1d와 같이 미러(mirror)를 회전시켜 광로를 변환하는 방식을 나누어진다.Currently, the mechanical type occupying most of the commercially available switches is a method of converting the optical path by moving the prism as shown in Figure 1a, a method of converting the optical path by moving the rod lens as shown in Figure 1b, Figure 1c As shown in FIG. 1D, a method of converting an optical path by moving an optical fiber and a method of converting an optical path by rotating a mirror are divided.
또한, 비기계식은 전기광학효과, 자기광학효과, 음향광학효과, 열광학효과 및 반도체가 갖는 전류광학효과 등을 이용하는 방법이 있으며, 이는 다시 벌크 디바이스(bulk device)형과 광도파로(wave guide)형으로 분류된다.In addition, non-mechanical methods include electro-optic effects, magneto-optical effects, acoustic optical effects, thermo-optic effects, and current optical effects of semiconductors, which in turn are bulk device type and wave guide. Classified as a type.
그러나, 최근까지 많은 MEMS 기술을 이용하여 제작된 광 스위치의 구조 및 동작에 관한 연구가 진행되어 왔지만, 각각의 구조 및 방식이 가지고 있는 장단점으로 인해 실제로 적용되어 쓰이고 있는 예는 거의 없으며, 대부분 벌크 형태의 스위치가 주종을 이루고 있다.However, although researches on the structure and operation of optical switches manufactured using many MEMS technologies have been conducted until recently, few examples are actually applied due to the advantages and disadvantages of each structure and method, and most of them are bulk forms. The main switch is predominant.
최근 광 스위치의 사용 범위는 단순히 광 파이버 네트워크에서 광로를 바꾸어주는 역할뿐만 아니라 소형화된 광 회로에서 광 신호의 스위칭까지 매우 넓다.In recent years, the use of optical switches is not only for switching optical paths in optical fiber networks, but also for switching optical signals in miniaturized optical circuits.
하지만, 이 경우 기존의 벌크형 광 스위치로는 실현하기 어렵다.However, in this case, it is difficult to realize with a conventional bulk optical switch.
그 이유는 여러 가지가 있지만 그 중에서도 특히 광 스위치가 갖는 신뢰성 및 광 소자와의 집적화(integration) 문제 때문이다.There are many reasons for this, in particular, due to the reliability of the optical switch and integration problems with the optical device.
그러므로, 향후 이러한 요구에 적절히 대응할 수 있는 구조의 광 스위치가 요구되고 있다.Therefore, there is a need for an optical switch having a structure capable of adequately responding to these demands in the future.
종래의 광 스위치에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.The conventional optical switch has the following problems.
종래의 광 스위치는 신뢰성이 떨어지고, 광 소자와의 집적화가 용이하지 않으며, 광 스위치를 필요로 하는 시스템의 요구에 맞는 크기로 소형화하기가 쉽지 않다.Conventional optical switches are not reliable, are not easy to integrate with optical elements, and are not easy to be downsized to a size that meets the needs of systems requiring optical switches.
본 발명은 이러한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 광 소자와의 집적화(integration)이 용이하고, 신뢰성이 향상된 광 스위치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide an optical switch which is easy to integrate with an optical device and has improved reliability, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 구동전압을 낮추고, 제조공정을 단순화하는데 있다.Another object of the present invention is to lower the driving voltage and simplify the manufacturing process.
도 1a 내지 도 1d는 일반적인 광 스위치들을 보여주는 도면1A-1D show typical optical switches
도 2a는 본 발명 제 1 실시예에 따른 광 스위치를 보여주는 평면도2A is a plan view showing an optical switch according to a first embodiment of the present invention;
도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅰ선상에 따른 단면도FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 2A
도 3은 본 발명의 광 스위치가 적용된 광 섬유 네트워크를 보여주는 도면3 shows an optical fiber network to which an optical switch of the present invention is applied;
도 4a 내지 도 4f는 본 발명 제 1 실시예에 따른 광 스위치의 제조 공정을 보여주는 공정단면도4A to 4F are cross-sectional views showing a manufacturing process of the optical switch according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명 제 2 실시예에 따른 광 스위치를 보여주는 구조단면도5 is a structural cross-sectional view showing an optical switch according to a second embodiment of the present invention.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : SOI 웨이퍼 2 : 제 1 광도파로1: SOI wafer 2: First optical waveguide
3 : 제 2 광도파로 4 : 제 3 광도파로3: second optical waveguide 4: third optical waveguide
5 : 광로 절환판 6 : 고정축5: optical path switch plate 6: fixed shaft
7 : 액튜에이터 11 : 실리콘 기판7: Actuator 11: Silicon Substrate
12 : 절연층 13 : 제 1 홈12: insulating layer 13: first groove
14 : 제 2 홈 15 : 씨드층14: second groove 15: seed layer
16 : 제 1 금속층 17 : 제 2 금속층16: first metal layer 17: second metal layer
17a : 고정축 18 : 광로 절환판17a: fixed shaft 18: optical path switching plate
본 발명에 따른 광 스위치는 기판과, 기판상에 형성되고 광 신호의 입/출력을 위한 제 1 광도파로와, 기판상에 형성되고 외부의 수광부와 발광부에 각각 연결되는 제 2 광도파로와, 제 1 광도파로와 제 2 광도파로를 연결 또는 우회(bypass)시키기 위한 제 3 광도파로가 형성된 구동부가 마련된다.An optical switch according to the present invention includes a substrate, a first optical waveguide formed on the substrate for input / output of an optical signal, a second optical waveguide formed on the substrate and connected to an external light receiving portion and a light emitting portion, respectively; A driving unit having a third optical waveguide for connecting or bypassing the first optical waveguide and the second optical waveguide is provided.
여기서, 기판은 SOI(Silicon On Insulator)구조의 웨이퍼이며, 제 1, 제 2, 제 3 광도파로는 실리콘으로 이루어진다.The substrate is a wafer having a silicon on insulator (SOI) structure, and the first, second, and third optical waveguides are made of silicon.
그리고, 구동부는 외부의 인가 전압에 따라 변위를 일으키는 액튜에이터와, 액튜에이터에 의해 회전하는 광로 절환판과, 광로 절환판상에 형성되는 광도파로와, 광로 절환판을 고정시키는 고정축으로 구성된다.The drive unit is composed of an actuator causing displacement in accordance with an externally applied voltage, an optical path switching plate rotated by the actuator, an optical waveguide formed on the optical path switching plate, and a fixed shaft for fixing the optical path switching plate.
여기서, 액튜에이터는 열, 정전기력, 형상 기억 합금, 압전기, 전자기 중 어느 하나를 이용하는 액튜에이터이며, 광로 절환판은 고정축 및 기판에 미세 간격으로 떨어져 있다.Here, the actuator is an actuator using any one of heat, electrostatic force, shape memory alloy, piezoelectric, and electromagnetic, and the optical path switching plate is spaced apart from the fixed shaft and the substrate at minute intervals.
한편, 본 발명의 광 스위치 제조방법은 기판상에 광도파로, 구동기에 의해 회전하는 광로 절환판, 상기 광로 절환판을 고정시키는 고정축을 갖는 광 스위치에 있어서, 기판을 패터닝하여 광도파로를 형성하는 제 1 단계와, 광로 절환판 영역 및 구동기 영역이 기판과 미세 간격으로 분리되도록 제 1 홈을 형성하고 고정축이 형성될 영역에 제 2 홈을 형성하는 제 2 단계와, 제 1, 제 2 홈을 포함한 전면에 씨드층을 형성하는 제 3 단계와, 전면에 제 1 금속층을 형성하고 패터닝하여 제 2 홈을 노출시키는 제 4 단계와, 노출된 제 2 홈에 제 2 금속층을 형성하여 고정축을 형성하는 제 5 단계와, 제 1 금속층, 씨드층 및 광로 절환판 영역의 기판 일부분을 제거하여 광로 절환판 및 구동기를 형성하는 제 6 단계로 이루어진다.On the other hand, in the optical switch manufacturing method of the present invention, in the optical switch having an optical waveguide, an optical path switching plate rotated by a driver, and a fixed shaft for fixing the optical path switching plate on the substrate, the optical pattern is formed by patterning the substrate A first step of forming a first groove so that the optical path switching plate region and the driver region are separated at a fine interval from the substrate, and a second step of forming a second groove in a region where the fixed shaft is to be formed; A third step of forming a seed layer on the entire surface, a fourth step of forming and patterning a first metal layer on the front surface to expose the second groove, and a second metal layer on the exposed second groove to form a fixed shaft A fifth step and a sixth step of removing the substrate portions of the first metal layer, the seed layer and the optical path switching plate region to form the optical path switching plate and the driver.
이와 같이 제작되는 본 발명은 SOI 기판의 실리콘층을 이용하여 광도파로와구동부를 만들기 때문에 제작이 용이하고, 광소자와의 집적화, 소형화, 저가화가 가능하다.The present invention manufactured as described above makes the optical waveguide and the driving unit using the silicon layer of the SOI substrate easy to manufacture, and it is possible to integrate, miniaturize, and reduce the cost with the optical device.
또한, 구동부의 구동 방식이 콤 드라이브와 같은 정전 방식의 액튜에이터 등을 사용하기 때문에 구동 전압이 낮다.In addition, since the drive method of the drive unit uses an electrostatic actuator or the like such as a comb drive, the drive voltage is low.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.
일반적으로 광 스위치는 광 스위치를 필요로 하는 시스템의 요구에 맞는 크기로 소형화할 필요가 있으므로 광 소자와의 집적화가 중요하다.In general, since the optical switch needs to be downsized to a size that meets the requirements of the system requiring the optical switch, integration with the optical element is important.
이러한 요구에 적절히 대응할 수 있는 구조가 광도파로를 이용한 광 스위치이다.An optical switch using an optical waveguide is a structure that can suitably meet such demands.
광도파로를 이용한 광 스위치는 집적화된 광회로인 PLC(Planar Lightwave Circuit) 소자에도 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있다.An optical switch using an optical waveguide has an advantage that it can be easily used in a PLC (Planar Lightwave Circuit) device which is an integrated optical circuit.
광도파로를 구성하는 재료로는 LiNbO3와 같은 절연 결정 유전체, GaAs, InP와 같은 화합물 반도체, SiO2와 같은 글래스 석영계, 폴리머(polymer) 등이 있으며, 최근에는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용한 실리콘 웨이브 가이드(Si wave guide)가 널리 연구되고 있다.Materials constituting the optical waveguide include an insulating crystal dielectric such as LiNbO 3 , a compound semiconductor such as GaAs, InP, a glass quartz-based such as SiO 2 , a polymer, and the like, and recently, a silicon on insulator (SOI) wafer is used. The Si wave guide used is widely studied.
SOI 웨이퍼를 이용한 광도파로의 경우는 다음과 같은 장점이 있다.The optical waveguide using the SOI wafer has the following advantages.
첫째, 저가화가 가능하다.First, lower prices are possible.
둘째, 집적화가 가능하므로 소형화가 용이하다.Second, miniaturization is easy because integration is possible.
셋째, CMOS 공정을 적용할 수 있다.Third, a CMOS process can be applied.
넷째, 특성이 우수한 단결정 실리콘을 이용할 수 있다.Fourth, single crystal silicon having excellent characteristics can be used.
다섯째, PLC(Planar Light wave Circuit) 제작이 용이하다.Fifth, it is easy to manufacture a Planar Light Wave Circuit (PLC).
여섯째, 다른 공정과 호환이 가능하다.Sixth, it is compatible with other processes.
본 발명은 상기와 같은 장점을 갖는 SOI 구조의 웨이퍼를 이용하였다.The present invention uses a wafer of SOI structure having the above advantages.
본 발명은 크게 고정된 광도파로와 광로를 스위칭할 수 있도록 광도파로가 형성된 구동부로 나눌 수 있다.The present invention can be divided into a fixed optical waveguide and a driving unit in which the optical waveguide is formed to switch the optical path.
본 발명의 구조를 상세히 설명하면 다음과 같다.The structure of the present invention will be described in detail as follows.
도 2a는 본 발명 제 1 실시예에 따른 광 스위치를 보여주는 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 Ⅰ-Ⅰ선상에 따른 단면도이다.FIG. 2A is a plan view showing an optical switch according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 2A.
본 발명의 광 스위치는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(1)의 한쪽에는 광 신호의 입/출력을 위한 제 1 광도파로(2)가 형성되고, SOI 웨이퍼(1)의 다른쪽에는 외부의 수광부와 발광부에 각각 연결되는 제 2 광도파로(3)가 형성되며, 웨이퍼(1)의 중심부에는 제 1 광도파로(2)와 제 2 광도파로(3)를 연결 또는 우회(bypass)시키기 위한 제 3 광도파로(4)가 형성된 구동부가 구성되어 있다.In the optical switch of the present invention, as shown in FIGS. 2A and 2B, a first optical waveguide 2 for input / output of an optical signal is formed on one side of a silicon on insulator (SOI) wafer 1, and the SOI On the other side of the wafer 1, a second optical waveguide 3 is formed, which is connected to an external light receiving portion and a light emitting portion, respectively, and a first optical waveguide 2 and a second optical waveguide 3 are formed at the center of the wafer 1. ) Is configured with a drive unit in which a third optical waveguide 4 is formed for connecting or bypassing.
여기서, SOI 웨이퍼(1)는 실리콘 기판 내에 실리콘 산화막 등과 같은 절연층이 형성된 구조이며, 제 1, 제 2, 제 3 광도파로(2,3,4)는 이 실리콘층에 형성된다.Here, the SOI wafer 1 is a structure in which an insulating layer such as a silicon oxide film or the like is formed in a silicon substrate, and the first, second and third optical waveguides 2, 3 and 4 are formed in this silicon layer.
그리고, 구동부는 외부의 인가 전압에 따라 변위를 일으키는 액튜에이터(actuator)(7)와, 액튜에이터(7)에 의해 회전하는 광로 절환판(5)과, 광로 절환판(5)상에 형성되는 제 3 광도파로(4)와, 광로 절환판(5)을 고정시키는 고정축(6)으로 구성된다.Then, the drive unit is formed with an actuator 7 causing a displacement in accordance with an externally applied voltage, an optical path switching plate 5 that is rotated by the actuator 7, and a third formed on the optical path switching plate 5. It consists of the optical waveguide 4 and the fixed shaft 6 which fixes the optical path switching plate 5.
여기서, 액튜에이터(7)는 열(thermal) 액튜에이터, 정전기력(electrostatic) 액튜에이터, 형상 기억 합금(shape memory alloy), 압전기, 전자기 등을 이용하는 액튜에이터 등을 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 정전 방식을 이용한 콤 드라이브(comb drive)를 사용하였다.The actuator 7 may include a thermal actuator, an electrostatic actuator, a shape memory alloy, a piezoelectric actuator, an electromagnetic actuator, or the like. In the present invention, a comb drive using an electrostatic method may be used. (comb drive) was used.
또한, 본 발명의 광로 절환판(5)은 회전될 수 있도록 고정축(6)과 실리콘 기판으로부터 미세 간격 떨어져 있도록 형성한다.In addition, the optical path switching plate 5 of the present invention is formed so as to be spaced apart from the fixed shaft 6 and the silicon substrate so as to be rotated.
즉, 본 발명의 광 스위치는 스위치의 구동부를 중심으로 좌우에 입력 신호와 출력 신호를 위한 제 1 광도파로(2)가 있고, 수광부인 포토다이오드(photodiode)와 발광부인 레이저 다이오드(laser diode)를 위한 제 2 광도파로(3)가 있는데, 이러한 제 1, 제 2 광도파로(2,3)들은 고정되어 있으며 중앙에 위치한 구동부의 제 3 광도파로(4)가 콤 드라이브에 의해 회전하면서 광 신호의 경로를 노말 스테이트(normal state)에서 바이패스 스테이트(bypass state)로 또는 바이패스 스테이트에서 노말 스테이트로 바꾸어주게 된다.That is, the optical switch of the present invention has a first optical waveguide (2) for the input signal and the output signal on the left and right around the driving unit of the switch, and includes a photodiode as a light receiving unit and a laser diode as a light emitting unit. There is a second optical waveguide (3) for the first, second optical waveguides (2, 3) are fixed and the third optical waveguide (4) of the drive unit located in the center is rotated by the comb drive of the optical signal The path is changed from normal state to bypass state or from bypass state to normal state.
여기에서, 광도파로와 구동부는 상기에 설명한 바와 같이 SOI 기판(1)의 실리콘층을 이용하여 만들기 때문에 제작이 용이하고, 구동부의 구동 방식은 MEMS에서 이용되는 열 액튜에이터, 정전기력 액튜에이터, 형상 기억 합금 액튜에이터 등을 적용할 수 있다.Here, since the optical waveguide and the driving unit are made using the silicon layer of the SOI substrate 1 as described above, it is easy to manufacture, and the driving method of the driving unit is a thermal actuator, an electrostatic force actuator, and a shape memory alloy actuator used in MEMS. Etc. can be applied.
또한, 본 발명에서는 구동 전압이 낮은 콤 드라이브를 이용하였고, 이 콤 드라이브 역시 SOI 기판의 실리콘층을 그대로 이용하였기 때문에 제조 공정이 간단해 지는 장점이 있다.In addition, in the present invention, a comb drive having a low driving voltage is used, and since the comb drive also uses the silicon layer of the SOI substrate as it is, the manufacturing process is simplified.
이와 같이, 구동 전압이 작고 스위칭 속도가 빠른 본 발명의 광 스위치는 도 3과 같은 네트워크 시스템(network system)에서 사용될 수 있다.As such, the optical switch of the present invention having a small driving voltage and a fast switching speed may be used in a network system as shown in FIG. 3.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 광 스위치는 광 신호를 스테이션(station)에서 주고 받는 노말 스테이트(normal state)와 광 신호를 통과시키는 바이패스 스테이트(bypass state)의 역할을 수행한다.That is, as shown in FIG. 3, the optical switch of the present invention serves as a normal state for transmitting and receiving an optical signal at a station and a bypass state for passing the optical signal.
노말 스테이트는 액튜에이터의 구동이 없는 상태로서, 스테이션과 외부의 광 신호를 송수신하는 상태이며, 바이패스 스테이트는 콤 드라이브 액튜에이터에 의해 구동부의 광로를 바꾸어줌으로써 스테이션과의 송수신이 없는 상태이다.The normal state is a state in which an actuator is not driven, and a state in which an external optical signal is transmitted / received from a station, and the bypass state is a state in which there is no transmission / reception with a station by changing the optical path of the drive unit by a comb drive actuator.
이와 같이, 정확한 위치 제어를 통한 광도파로의 정렬은 콤 드라이브의 콤 사이의 간격을 정확히 제작함으로써, 약 1㎛ 이하의 정렬 오차를 실현할 수 있다.In this way, alignment of the optical waveguide through accurate position control can realize an alignment error of about 1 μm or less by accurately manufacturing the spacing between the combs of the comb drive.
SOI구조를 이용한 본 발명의 광 스위치는 서페이스 마이크로머시닝(surface micromachining) 기술을 이용하여 제작된다.The optical switch of the present invention using the SOI structure is fabricated using surface micromachining technology.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명 제 1 실시예에 따른 광 스위치의 제조 공정을 보여주는 공정단면도로서, 먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 실리콘층/절연층/실리콘층으로 이루어진 SOI 구조의 기판을 준비하고, 기판의 소정 영역을 패터닝하여 광도파로들을 형성한다.4A to 4F are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an optical switch according to a first exemplary embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 4A, a substrate having an SOI structure including a silicon layer, an insulating layer, and a silicon layer is prepared. The optical waveguides are formed by patterning a predetermined region of the substrate.
여기서, SOI 구조의 기판은 실리콘 기판(11) 내에 산소 또는 질소 이온을 주입하고 열처리하여 절연층(12)을 형성함으로써 제작되어진다.Here, the substrate of the SOI structure is manufactured by injecting oxygen or nitrogen ions into the silicon substrate 11 and heat-treating to form the insulating layer 12.
이어, 도 4b에 도시된 바와 같이 광로 절환판과 콤 드라이브 및 광로 절환판을 고정시키는 고정축을 제작하기 위해 실리콘 ??(deep) RIE(Reactive Ion Etching) 기술을 이용하여 기판(11)에 제 1, 제 2 홈(13,14)을 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 4B, a first axis of the substrate 11 is formed using silicon deep reactive ion etching (RIE) technology to fabricate a fixed shaft for fixing the optical path changer, the comb drive, and the optical path changer. , The second grooves 13 and 14 are formed.
여기서, 제 1, 제 2 홈은 절연층(12)까지 제거된 깊이이며, 제 1 홈(13)은 광로 절환판 영역과 구동기 영역을 기판(11)으로부터 미세 간격으로 분리시켜 광로 절환판과 구동기가 움직일 수 있는 공간을 제공하기 위한 것이고, 제 2 홈(14)은 고정축을 형성하기 위한 것이다.Here, the first and second grooves are the depths removed to the insulating layer 12, and the first grooves 13 separate the optical path switching plate region and the driver region from the substrate 11 at minute intervals so as to separate the optical path switching plate and the driver. Is to provide a space for moving, and the second groove 14 is for forming a fixed shaft.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이 제 1, 제 2 홈(13,14)을 포함한 기판(11) 전면에 씨드(seed)층(15)을 형성한 다음, 도 4d에 도시된 바와 같이 전기도금(electroplating)을 사용하여 기판(11) 전면에 제 1 금속층(16)을 형성한 후, 패터닝하여 제 2 홈(14)을 노출시킨다.Then, as shown in FIG. 4C, a seed layer 15 is formed on the entire surface of the substrate 11 including the first and second grooves 13 and 14, and then electroplating as shown in FIG. 4D. The first metal layer 16 is formed on the entire surface of the substrate 11 using electroplating, and then patterned to expose the second grooves 14.
이어, 도 4e에 도시된 바와 같이 고정축을 형성하기 위해 노출된 제 2 홈(14)에 전기도금으로 제 2 금속층(17)을 형성하고, 도 4f에 도시된 바와 같이 제 1 금속층(16), 씨드층(15) 및 광로 절환판 영역의 절연층(12)을 제거하여 고정축(17a), 광로 절환판(18) 및 구동기(도시되지 않음)를 형성함으로써, 광 스위치를 제작한다.Next, as shown in FIG. 4E, the second metal layer 17 is formed by electroplating in the exposed second groove 14 to form the fixed shaft, and as shown in FIG. 4F, the first metal layer 16, The optical switch is manufactured by removing the seed layer 15 and the insulating layer 12 in the optical path switching plate region to form the fixed shaft 17a, the optical path switching plate 18 and a driver (not shown).
이렇게 제작된 광 스위치의 스위칭 속도와 인서션 로스(insertion loss)를측정한 결과, 약 3dB 이하였으며, 스위칭 속도도 약 1msec 이하의 양호한 결과를 얻을 수 있었다.As a result of measuring the switching speed and the insertion loss of the optical switch fabricated as described above, the switching speed was about 3 dB or less, and the switching speed was about 1 msec or less.
본 발명은 상기에서 설명한 SOI 구조의 웨이퍼뿐만 아니라 SiO2계 광도파로를 이용하여 제작할 수도 있다.The present invention can be fabricated using not only the SOI structure wafer described above but also an SiO 2 based optical waveguide.
도 5는 본 발명 제 2 실시예에 따른 광 스위치를 보여주는 구조단면도로서, 도 5에 도시된 바와 같이 실리콘 기판상에 SiO2층, 폴리실리콘층, 제 1 SiO2클래드층, SiON 코어층, 제 2 SiO2클래드층을 순차적으로 형성하고, 패터닝하여 SiON 코어층에 광도파로들을 형성한다.FIG. 5 is a structural cross-sectional view showing an optical switch according to a second exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, a SiO 2 layer, a polysilicon layer, a first SiO 2 clad layer, a SiON core layer, 2 SiO 2 clad layer is sequentially formed and patterned to form optical waveguides in the SiON core layer.
그리고, 이후의 공정은 본 발명 제 1 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.Since the subsequent steps are the same as in the first embodiment of the present invention, the detailed description will be omitted.
본 발명에 따른 광 스위치 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.The optical switch and its manufacturing method according to the present invention have the following effects.
첫째, 본 발명은 집적화가 가능하므로 광 섬유 네트워크뿐만 아니라 집적화된 광 회로에 이르기까지 적용 범위가 넓다.First, the present invention can be integrated, so that the application range is wide ranging from not only an optical fiber network but also an integrated optical circuit.
둘째, 본 발명은 콤 드라이브 등과 같은 액튜에이터를 이용하여 광로를 절환하므로 구동 전압이 낮고 신뢰성이 좋다.Secondly, the present invention switches the optical path using an actuator such as a comb drive, so that the driving voltage is low and the reliability is good.
셋째, 본 발명은 스위칭 방식이 광도파로를 직접 움직이는 방식을 취하면서 동시에 움직이는 방향이 회전 운동이므로 스위칭 속도가 빠르다.Third, in the present invention, the switching method takes a direct movement of the optical waveguide, and at the same time, the switching speed is high because the moving direction is a rotational motion.
넷째, 본 발명은 광도파로 및 구동부를 SOI 구조의 웨이퍼나 Si 산화물계를 이용하여 제작하므로 제조 공정이 간단하고 제조 공정가가 낮다.Fourth, in the present invention, since the optical waveguide and the driving unit are manufactured using a wafer having an SOI structure or an Si oxide type, the manufacturing process is simple and the manufacturing process cost is low.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
Claims (11)
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