KR100332996B1 - 광스위칭장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광스위칭장치에 관한 것으로서, 특히, 입력광을 반사시켜 광로를 변화시키는 반사미러; 입력신호에 의해 정전인력을 발생하여 기설정된 위치로 스위칭하도록 상기 반사미러를 구동시키고, 상기 반사미러의 변위에 대응하여 정전용량을 변화시키는 구동수단; 상기 구동수단으로부터 정전용량의 변화량을 검출하는 정전용량 검출수단; 및 상기 정전용량 검출수단의 출력신호에 기초하여 상기 반사미러의 스위칭 위치를 판별하여 기설정 위치와 일치하지 않을 시 상기 반사미러의 위치를 보정하도록 상기 구동수단을 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에서는 제어 가능한 초소형 기계적 구조물을 이용하여 반사미러의 변위에 따른 정전용량의 변화량을 검출하여 반사미러의 스위칭 위치를 제어하는 피드백 회로를 구현함으로써, 반사미러의 정밀한 위치 제어가 가능하게 하며, 이로 인해 복수의 광로를 선택할 수 있는 선택성이 개선됨과 아울러 광손실이 줄어드는 효과가 있다.

Description

광스위칭장치{Light Switching Aparatus}

본 발명은 광스위칭장치에 관한 것으로서, 특히, 초소형정밀기계기술(MEMS: MicroElectroMechanical Systems)로 제작된 제어 가능한 초소형 기계적 구조물을 이용하여 반사미러의 스위칭 동작을 정밀하게 제어함으로써, 복수의 광로에 대한 개선된 선택성을 갖는 광통신시스템에서의 광스위칭장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광통신시스템에서의 광스위치는 광신호의 분배를 위해 입력광을 반사시켜 광로를 바꾸어 주는 장치로서, 크게 반사거울의 위치를 이동시켜 광로를 변경시키는 이동형 광스위치와, 상기 반사거울을 사용하지 않고 직접 파이버의 위치를 바꾸어 광로를 변경하는 이동형 파이버 스위치로 나눌 수 있다.

도 1은 미합중국의 벨연구소(Bell laboratory, USA)에서 제안한 이동형 광스위치를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 입력광을 반사시켜 광의 진행 방향을 바꾸는 반사거울(1)과, 반사거울(1)을 스위칭시켜 위치를 조정하는 구동기(2)와, 반사거울(1)의 주변에 정렬된 소정수의 광파이버(4,6,8)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 이동형 광스위치에서는 반사거울(1)이 구동기(2)에 의해 스위치 동작하여 상하로 이동하도록 설계되어 있으므로, 스위칭 동작에 의해 반사거울(1)이 위쪽에 놓일 경우 광파이버(4)에서 방출되는 입력광이 직진하여 광파이버(4)에 대향하여 정렬된 광파이버(4)의 입력단에 입사되고, 이에 반해, 반사거울(1)이 아래쪽에 있을 경우 광파이버(4)에서 방출되는 입력광은 그 진행방향에 대해 90도 반사하여 광파이버(8)의 입력단에 입사된다. 이러한 스위칭 동작에의해 광파이버(4,6,8)는 상호 광학적으로 결합된다.

도 2는 미합중국의 휴렛패커드사(Hewlett Packard co. Ltd, USA)에서 제안한 이동형 파이버 스위치를 나타낸 도면으로서, 한 쌍의 V자 홈(11,12)과, U자홈(14)을 갖는 기판(10)과, 기판(10)의 상부에 탑재되는 한 쌍의 구동기(16,18)와, U자홈의 상부에 탑재되는 광파이버(20)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 이동형 파이버 스위치는 구동기(16,18)에 의해 광파이버(20)를 좌우로 이동시켜 동작되는 것으로, 그 이동 위치에 따라 입력광을 출력하기 위한 광파이버(미도시)를 선택하여 광파이버들을 광학적으로 결합시킨다.

상술한 바와 같이, 이동형 광스위치는 상·하 또는 좌·우 이동에 의해 입력광의 진행방향을 굴절시키거나 굴절시키지 않는 방법으로 광파이버들을 상호 결합시키고, 이동형 파이버 스위치 역시 광파이버의 단순한 좌·우 이동에 의해 광파이버들을 상호 결합시킨다. 그런데, 이들 두 소자는 공통적으로 제한된 수의 광로에 대한 선택성을 가지므로, 복수의 광로에 대한 선택성이 필요한 광통신시스템의 응용에는 부적합하다고 할 수 있다.

따라서, 복수의 광로에 대해 선택성을 갖기 위해서는 단순한 상·하 또는 좌·우 이동을 하는 구동기가 아닌 이동 위치를 정확히 제어할 수 있는 구동기를 포함하여 원하는 위치로 동작에 제어되는 광스위치가 요구된다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 초소형 정밀기계기술(MEMS)로 제작된 제어 가능한 소형의 기계적 구조물을 이용하여 반사미러의 변위에 따라 정전용량을 변화시키고 그 변화된 정전용량을 기초로 반사미러의 위치를 정밀하게 제어함으로써, 복수의 광로를 선택할 수 있는 선택성을 가짐과 아울러 광손실을 줄일 수 있는 광스위칭장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광스위칭장치는 입력광을 반사시켜 광로를 변화시키는 반사미러; 입력신호에 의해 정전인력을 발생하여 기설정된 위치로 스위칭하도록 상기 반사미러를 구동시키고, 상기 반사미러의 변위에 대응하여 정전용량을 변화시키는 구동수단; 상기 구동수단으로부터 정전용량의 변화량을 검출하는 정전용량 검출수단; 및 상기 정전용량 검출수단의 출력신호에 기초하여 상기 반사미러의 스위칭 위치를 판별하여 기설정 위치와 일치하지 않을 시 상기 반사미러의 위치를 보정하도록 상기 구동수단을 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 이동형 광스위치를 나타낸 도면.

도 2는 종래의 이동형 파이버 스위치를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광스위칭장치를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빗살형상의 구조물과 검지전극을 상세하게 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 검지전극과 구조물로 겹쳐진 빗살만을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구조물과 검지전극에 있어서 빗살이 겹쳐진 길이에 따른 정전용량의 변화를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 반사거울 200: 구동부

201: 구동전극 202: 감지전극

204: 구조물 206: 지지부

208,210,212,214,216,218; 고정부 220; 돌출부

300: 정전용량-전압 검출부 400: 제어부

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 살펴보고자 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광스위칭장치를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 입력광을 반사시켜 광로를 변화시키는 반사미러(100)와, 입력신호(IN)에 의해 정전인력을 발생하여 기설정된 위치로 스위칭하도록 반사미러(100)를 구동시키고, 반사미러(10)의 변위에 대응하여 정전용량을 변화시키는 구동부(200)와, 구동부(200)로부터 정전용량의 변화를 검출하는 정전용량 검출부(300)와, 정전용량 검출부(300)의 출력신호에 기초하여 반사미러(100)의 스위칭 위치를 판별하여 기설정 위치와 일치하지 않을 시 반사미러(100)의 위치를 보정하도록 구동부(200)를 제어하는 제어부(400)로 구성된다.

구동부(200)는 입력신호(IN)에 따라 정전인력을 발생하는 구동전극(201)과, 반사미러(100)의 변위에 따라 정전용량의 변화량을 발생하는 검지전극(202)과, 구동전극(201)과 검지전극(202)에 대해 소정간격 이격되어 구동전극(201) 및 검지전극(202)에 겹쳐지는 구조물(204)과, 구조물(204)에 결합되어 구동전극(201)에서 발생하는 정전인력에 의해 기계적 운동을 하는 지지부(206)로 구성된다.

또한, 구동부(200)는 복수의 고정부(208∼218)와, 구조물(204)의 중심부에 연장형성된 돌출부(220)를 갖는다. 복수의 고정부(208∼218)는 구조물(204)을 기판에 고정시키는 역할을 하는 부재로서 제작시 고정시키고자 하는 부분의 희생층을 제거한 구조물 층을 증착시킴으로써, 구조물(204)을 기판에 고정시킨다. 상기 제 1 고정부(208)는 구동전극(201)의 일측에 결합되고, 제 2 고정부(210)는 검지전극(202)의 일측에 결합되고, 제 3 내지 제 6고정부(212,214,216,218)는 지지부(206)에 결합된다.

반사미러(100)는 입력광을 반사시켜 광로를 바꾸어주는 역할을 수행하는 부재로서 돌출부(220)의 끝단에 형성되어 구조물(204)과 일체를 이루며, 빛의 반사도가 좋은 금속물질로 구성된다.

지지부(206)는 구동에 사용되는 구조물(204)을 제 3 내지 제 6고정부(212,214,216,218)에 기계적으로 연결시켜줌과 동시에 구동전극(201)에서 발생하는 구동력에 의해 기계적 운동을 행하여 반사미러(100)를 스위칭시키고, 상기 정전인력이 제거된 상태에서 기계적 복원력에 의해 구조물(204)을 원래의 상태로 복원시킨다.

구동전극(201)은 입력신호(IN)에 따라 초소형 기계적 구조물(204)을 가동할 수 있는 구동력을 발생시키는 부재로서, 전력소모가 없고 열 에너지와 같은 외부 환경의 영향을 받지 않으면서도 간단하게 초소형 구조물(204)의 동작에 필요한 구동력을 발생하도록 상술한 바와 같은 정전인력에 의한 구동방식이 채용된다.

상술한 바와 같은 구동력을 얻기 위해 구동전극(201)과 구조물(204)은 각각 빗살형상을 갖고, 구동전극(201)은 구조물(204)에서 소정간격 이격되어 빗살형상의 구조물(204)과 겹쳐진다. 이와 같이 기계적으로 결합된 초소형 구조물(204)은 입력신호(IN)에 의한 구동전극(201)의 전위와 구조물(204)간의 전위차에 따라 발생되는 정전인력에 의해 동작된다.

검지전극(202)은 구동전극(201)과 유사하게 빗살형상을 갖고, 구조물(204)에서 소정간격 이격되어 빗살형상의 구조물(204)과 겹쳐지고, 상기 정전인력에 의해 반사미러(100)와 일체로된 구조물에 변위가 발생하면, 그 변위에 대응하여 정전용량이 변화한다.

본 발명의 실시예에서 구조물(204)과 검지전극(202)을 빗살형상으로 설계한 이유는 상기 정전용량의 변화가 선형적 변화율을 갖도록 하기 위함이다.

상술한 바와 같이 빗살형상으로 제작할 경우 정전용량의 변화가 선형성을 갖는 이유를 아래에 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빗살형상의 구조물과 검지전극을 상세하게나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 검지전극과 구조물로 겹쳐진 빗살만을 나타낸 도면이다.

도 4에서와 같이 검지전극(202)에 전압이 인가되고 빗살 형상의 구조물(204)이 접지(GND)되었을 경우 빗살의 양쪽에 유도되는 전하에 의해 정전용량이 생기게 된다. 이때 정전용량은 도 5에 나타낸 바와 같이 빗살이 겹쳐진 부분만을 고려하면 정전용량(Q/V)은 아래의 수학식 1과 같이 유도된다.

여기서, Q는 전하량, V는 전위차, E는 전계, ρ는 단위면적당 전하량, t는 두께, l은 평판길이, g는 평판사이의 간격, ε는 공기의 유전상수를 나타내는 파라미터이다.

상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 검지전극(202)과 구조물(204)의 겹쳐진 부분에 덜어져 있는 사이간격(g)과 두께(t)가 일정할 경우 정전용량은 정전용량은 검지전극(202)과 구조물(204)의 빗살이 겹쳐진 길이(l)에 따라 변하게 된다.

그런데, 동작중 구조물의 치수와 빗살이 겹쳐진 면 사이의 간격이 변하지 않으므로 변위가 생기게 될 경우 정전용량에 영향을 미치는 변수가 면이 겹쳐진길이(l)에 한정되기 때문에 정전용량 값은 선형적으로 변하게 된다.

따라서, 상기 겹쳐진 길이(l) 즉 움직인 변위를 알고자 할 경우 임의의 시간에 검지된 정전용량 값을 그 때의 위치로 판별할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구조물과 검지전극에 있어서 빗살이 겹쳐진 길이에 따른 정전용량의 변화를 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 상기 겹쳐진 길이(l)에 따라 정전용량(Q/V)이 선형적으로 변화함을 나타내고 있다.

한편, 정전용량 검출부(300)는 정전용량 변화량을 전압값으로 변환하는 정전용량-전압 컨버터(CV converter)로 구성되며, 검지전극(202)에서 변화된 정전용량의 변화량을 검출하고, 이를 전압신호로 변환한 후 제어부(400)에 공급한다.

제어부(400)는 정전용량 검출부(300)에서 공급하는 전압 값을 기초로 거울의 위치를 판별하고, 그 판별결과 반사미러(100)의 이동위치가 원하는 위치와 일치하지 않을 경우 증가된 전압을 구동전극(201)으로 피드백하여 지속적인 변위가 발생하도록 함으로써 반사미러(100)의 위치를 보정하고, 이러한 보정동작을 통해 이동위치가 일치되었을 경우 현재 인가된 전압을 그대로 유지시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 제어 가능한 초소형 기계적 구조물을 이용하여 반사미러의 변위에 따른 정전용량의 변화량을 검출하여 반사미러의 스위칭 위치를 제어하는 피드백 회로를 구현함으로써, 반사미러의 정밀한 위치 제어를 가능하게 하며, 이로 인해 복수의 광로를 선택할 수 있는 선택성이 개선되어 1×N 및 N×N광스위치로 사용할 수 있는 효과가 있으며, 또한 입사광을 대상 광파이버에 정밀하게 정렬시킬 수 있으므로, 광손실이 줄어드는 다른 효과가 있다.

Claims (6)

1. 입력광을 반사시켜 광로를 변화시키는 반사미러;

   입력신호에 의해 정전인력을 발생하여 기설정된 위치로 스위칭하도록 상기 반사미러를 구동시키고, 상기 반사미러의 변위에 대응하여 정전용량을 변화시키는 구동수단;

   상기 구동수단으로부터 정전용량의 변화량을 검출하는 정전용량 검출수단; 및

   상기 정전용량 검출수단의 출력신호에 기초하여 상기 반사미러의 스위칭 위치를 판별하여 기설정 위치와 일치하지 않을 시 상기 반사미러의 위치를 보정하도록 상기 구동수단을 제어하는 제어수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광스위칭장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 구동수단은 상기 입력신호에 따라 정전인력을 발생하는 빗살형상의 구동전극과, 상기 반사미러의 변위에 따라 상기 정전용량의 변화량을 발생하는 빗살형상의 검지전극과, 상기 구동전극과 검지전극에 대해 소정간격 이격되어 상기 구동전극과 검지전극과 겹쳐지는 빗살형상의 구조물과, 상기 빗살형상의 구조물에 결합되어 상기 정전인력에 의해 기계적 운동을 하는 지지부로 구성되는 것을 특징으로 광스위칭장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 구동전극과 검지전극과 구조물은 반사미러의 정확한 위치제어를 위해 상기 반사미러와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광스위칭장치.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 구동수단은 기판과 결합하기 위한 복수의 고정부가 결합되며, 상기 구동전극의 일측에는 제 1 고정부가, 상기 검지전극의 일측에는 제 2 고정부가, 상기 상기 지지부에는 제 3 내지 제 6고정부가 결합되는 것을 특징으로 하는 광스위칭장치.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 구동수단은 상기 구조물의 변위에 따라 정전용량이 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 광스위칭장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 정전용량 검출수단은 상기 검지전극의 정전용량 변화량에 따라 전압신호를 발생하는 정전용량-전압 컨버터로 구성되는 것을 특징으로 하는 광스위칭장치.