KR100417405B1 - 압전 구동형 광스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 구동형 광스위치에 관한 것으로, 종래 광스위치는 광섬유의 선단부를 기계적으로 구동시켜, 광축을 정렬시킴으로써, 스위칭동작이 이루어지도록 하였으며, 이에 따라 광 스위치의 크기가 커지고, 그 구동전력의 증가에 의해 소비전력이 증가하는 문제점과 아울러 그 가격이 고가인 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기판과; 상기 기판의 중앙부를 중심으로 상호 소정각도로 이격되어 그 기판상에 위치하는 광섬유 지지대와; 상기 광섬유 지지대 상에 실장되어, 광이 지나는 경로로 사용되는 광섬유와; 상기 기판의 일측 가장자리로 부터 광 경로상에 이르는 위치에 위치하며, 인가되는 전압에 따라 상기 기판의 중심부분에 위치하는 부분을 상하로 구동하는 압전 구동형 캔틸레버와; 상기 압전 구동형 캔틸레버의 기판 중앙부에 위치하는 영역 상에 수직으로 위치하는 마이크로 미러로 구성하여 압전 구동형 캔틸레버에 의해 구동되는 마이크로 미러를 사용하여 광섬유를 통해 인가되는 광을 서로다른 경로로 스위칭 변환할 수 있도록 함으로써, 그 구조를 단순화하여 제조비용 및 설치비용을 줄이는 효과와 아울러 종래와 같이 광섬유 자체를 구동하지 않고, 캔틸레버만을 구동하여 소비전력을 절감함과 아울러 다수의 광경로를 가지는 시스템에 용이하게 적용할 수 있어 그 효율이 증대되는 효과가 있다.

Description

압전 구동형 광스위치{PIEZOELECTRICALLY ACTUATED OPTICAL SWITCH}

본 발명은 압전 구동형 광스위치에 관한 것으로, 특히 광섬유의 선단을 기계적으로 움직이지 않고 입출력 광신호를 처리할 수 있는 광통신망용 송수신 모듈의 압전구동 광스위치에 관한 것이다.

최근 정보 관련 기술인 컴퓨터 및 통신기술은 다량의 정보를 송수신 할 수 있는 고속 광 섬유통신을 통해 비약적으로 발전하고 있다. 특히, 동화상과 음성신호 및 문자신호 등의 다양한 형태의 데이터를 포함한 멀티미디어 정보의 고속전송, 쌍방향의 대화형 통신환경, 가입자 수의 폭발적인 증가 추세에 따라 기존의 구리 전송선을 이용한 통신망은 그 한계에 봉착하였으며 높은 반송주파수의 고속전송이 가능한 광신호 형태의 통신망이 그 대안으로 대두되고 있다.

전기적 신호를 송수신하는 기존의 통신망은 논리회로, 증폭기, 스위치 등 집적회로를 사용하여 가입자 전송선로를 저렴하게 구성할 수 있었다. 그러나 광신호를 사용하는 광 통신망의 경우, 가입자와 중계기 혹은 통신 사업자를 연결해 주는 인터페이스가 전자회로를 이용한 논리 집적회로가 아닌 광 스위치 및 포토다이오드, 레이저 다이오드 등으로 구성되는 광 커넥터 모듈로 구성되어 그 비용이 증가하게 된다. 현재 광 통신망용 데이터 인터페이스는 전송선인 광섬유(OPTICAL FIBER)와 가입자를 연결시키기 위해 사용하는 광 섬유 커넥터, 광스위치, 레이저 다이오드를 포함하는 광송신기 등으로 구성되어 있으며, 정밀 가공 및 각 부품의조립의 난해함에 의해 가격이 비싼 단점이 있다. 특히 광 인터페이스의 핵심부품인 광 스위치의 경우 입력측 또는 출력측 광 섬유의 선단부를 기계적으로 움직여 광축을 정렬하여 스위칭되도록 구성되어 있어, 스위치의 크기를 소형화하기 어렵고, 전력의 소모가 많으며, 가격 또한 고가인 단점을 가지고 있다.

광 스위치의 주요한 적용분야로서 고속 및 신뢰성이 특히 중요시되는 기간 광통신망 등의 용도로 제안된 ANSI X3T9.5 규격에 필요한 FDDI(FIBER DISTRIBUTED DATA INTERFACE)의 경우, 단말기에 수신이 끊어질 경우라도 기간 망 내에서는 계속적으로 광 신호가 전송되어야 하므로 가입자의 단말기에 입력광신호가 연결되지 않더라도 연결된 광 통신망이 단절되지 않도록 루프백(LOOPBACK) 기능을 수행할 수 있는 바이패스 스위치(BYPASS SWITH)가 필요하게 된다.

상기한 바와 같이 종래 광스위치는 광섬유의 선단부를 기계적으로 구동시켜, 광축을 정렬시킴으로써, 스위칭동작이 이루어지도록 하였으며, 이에 따라 광 스위치의 크기가 커지고, 그 구동전압의 증가에 의해 소비전력이 증가하는 문제점과 아울러 그 가격이 고가인 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 광섬유의 선단부를 고정시킨 상태에서 광 스위칭 기능을 수행할 수 있는 압전 구동형 광스위치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명 압전 구동형 광스위치의 사시도.

도2a 및 도2b는 각각 본 발명 압전 구동형 광스위치의 평면도 및 그 평면도의 A-A'방향 단면도.

도3은 도2b에 있어서, 캔틸레버와 마이크로 미러의 상세 단면도.

도4a 및 도4b는 각각 구동전압이 0일때, 마이크로 미러의 위치와 광전달 경로를 보인 평면도 및 그 평면도의 A-A'방향의 단면도.

도5a 및 도5b는 각각 구동전압이 0이 아닐때, 마이크로 미러의 위치와 광전달 경로를 보인 평면도 및 그 평면도의 A-A'방향의 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1:기판 2:광섬유 지지대

3:캔틸레버 4:압전 액튜에이터

5:마이크로 미러 OF1~OF4:광섬유

상기와 같은 목적은 기판과; 상기 기판의 중앙부를 중심으로 상호 소정각도로 이격되어 그 기판상에 위치하는 광섬유 지지대와; 상기 광섬유 지지대 상에 실장되어, 광이 지나는 경로로 사용되는 광섬유와; 상기 기판의 일측 가장자리로 부터 기판의 중심부분에 이르는 위치에 위치하며, 인가되는 전압에 따라 상기 기판의 중심부분에 위치하는 부분을 상하로 구동하는 압전 구동형 캔틸레버와; 상기 압전 구동형 캔틸레버의 기판 중앙부에 위치하는 영역 상에 수직으로 위치하는 마이크로 미러로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명 압전 구동형 광스위치의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)과; 상기 기판(1) 상에 중앙부에 상호 수직되게 위치함과 아울러 그 기판(1)의 중앙부에서 이격구간을 가지도록 네방향으로 배치된 광섬유 지지대(2)와; 상기 광섬유 지지대(2)의 상부에 실장되는 광섬유(OF1~OF4)와; 구동부분이 상기 기판(1)의 중앙부에 위치하고, 구동전압 입력단이 상기 특정한 광섬유 지지대(2) 사이 기판(1)의 일측 모서리 상에 위치하는 캔틸레버(3)와; 상기 캔틸레버(3)의 중앙상부에 위치하며, 상기 구동전압 입력단으로 입력되는 구동전압에 따라 상기 캔틸레버(3)의 선단부를 상하로 구동시키는 압전 액튜에이터(4)와; 상기 캔틸레버(3)의 구동부분의 상부에 수직으로 위치하며, 상기 광섬유 지지대(2)의 대각선 방향으로 위치하는 마이크로 미러(5)로 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 압전 구동형 광스위치의 구조 및 동작을 좀 더 상세히 설명한다.

도2a와 도2b는 각각 상기 도1에 도시한 본 발명 압전 구동형 광스위치의 평면도와 그 평면도의 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 정사각형의 기판(1)상에 그 기판(1)의 각면에 수직한 방향으로 4개의 광섬유 지지대(2)가 배치된다.

이때 광섬유 지지대(2)는 광섬유(OF1~OF4)가 고정될 수 있도록 홈을 가지며, 그 광섬유(OF1~OF4)의 출력을 절환할 수 있도록 내측에는 개방된 구조를 가진다.

이와 같은 광섬유 지지대(2)는 광섬유(OF1~OF4)를 통해 내측으로 출력되는 광이 전달될 수 있도록, 그 기판(1)의 중심부에서 상호 90도의 각도를 이루도록 배치된다.

또한, 상기 4개의 광섬유 지지대(2) 중 선택된 두 광섬유 지지대(2)의 사이에는 캔틸레버(3)가 위치하며, 그 캔틸레버(3)는 선택된 두 광섬유 지지대(2)가 이루는 기판(1)의 모서리로부터 상기 광섬유(OF1~OF4)의 출력이 수직으로 교차하는 기판(1)의 중심영역까지 이르도록 위치한다.

이때 캔틸레버(3)는 탄성이 우수한 절연막인 질화막 등을 미세가공을 통해 제조하며, 그 중앙부에는 패드(PAD1, PAD2)를 통해 인가되는 전압을 받아 그 기판(1)의 중앙부에 위치하는 캔틸레버(3)의 구동부를 벤딩(bending) 시키도록 구동하는 압전 액튜에이터(4)가 위치한다.

이 압전 액튜에이터(4)는 하부전극, 압전층, 상부전극이 적층된 구조를 가지며, 전압이 인가됨에 따라 상기 기판(1)의 중앙부에 위치하는 캔틸레버(3)의 구동부를 상하로 구동하게 되며, 상기 기판(1)은 캔틸레버(3)의 하측에서 천공된 부분을 가지며, 패드(PAD1, PAD2)와 인접한 부분에서 기판(1)과 캔틸레버(3)가 접하는지지부를 가진다.

그리고, 상기 캔틸레버(3)의 구동부 상에는 마이크로 미러(5)가 수직으로 배치되며, 그 양면의 배치방향은 각 광섬유(OF1~OF4)와 양면 각각이 45도를 이루는 상기 기판(1)의 대각선 방향으로 배치된다.

이와 같은 구조에서 상기 광섬유(OF3)로 부터 출력되는 광은 상기 마이크로 미러(5)가 광의 진행로 상에 있지 않은 경우 마주하는 광섬유(OF1)를 통해 전달되며, 상기 광의 진행로 상에 마이크로 미러(5)가 위치하는 경우, 그 마이크로 미러(5)에 의해 반사되어 90도 방향으로 틀어져 있는 광섬유(OF2)를 통해 출력되는 스위칭이 이루어진다.

도3은 상기 A-A'단면에서 캔틸레버(3), 압전 액튜에이터(4) 및 마이크로 미러(5)의 단면부를 보인 상세 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 캔틸레버(3)는 외곽측에서만 기판(1)에 의해 지지되며, 그 캔틸레버(3)의 지지되지 않는 쪽 끝의 상부에 상기 마이크로 미러(5)가 위치하고, 그 캔틸레버(3)의 중앙상부측에는 하부전극, 압전층, 상부전극이 적층된 압전 액튜에이터(4)가 위치한다.

상기의 동작을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도4a와 도4b는 각각 인가되는 구동전압이 0일때의 압전 구동형 광스위치의 평면도와 그 평면도의 A-A'방향의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 패드(PAD1, PAD2)에 인가되는 구동전압(VA)이 0인 경우에는 상기 압전 액튜에이터(4)가 구동되지 않으며, 이에 따라 상기 마이크로 미러(5)는 상기 광섬유(OF1~OF4)와 동일 평면상에 위치하게 된다.

이와 같이 상기 마이크로 미러(5)가 광섬유(OF1~OF4)와 동일 평면상에 위치함에 따라 광섬유를 통해 입사된 광은 그 입사에 사용된 광섬유의 좌 또는 우측에 인접한 광섬유를 통해 출력되도록 스위칭된다.

도면에서의 예는 광섬유(OF3, OF4)를 통해 인가된 광이 각각 마이크로 미러(5)의 양면에 의해 반사되어 인접한 광섬유(OF2, OF1)를 통해 출력되도록 하는 예를 도시하였다.

상기의 구조에서 광섬유(OF4)를 통해 인가되는 광은 패드(PAD1, PAD2) 측에서 보았을때 마이크로 미러(5)의 우측면에 45도로 입사되고, 그 입사각과 동일한 45도의 반사각으로 반사되어 그 광섬유(OF4)와는 90도방향으로 틀어져 있는 광섬유(OF1)를 통해 출력된다.

이와 유사하게 광섬유(OF3)를 통해 인가되는 광은 패드(PAD1. PAD2) 측에서 볼때 마이크로 미러(5)의 좌측면에 45도 각도로 입사되고, 그 입사각과 동일한 45도의 반사각으로 반사되어 그 광섬유(OF3)에 대하여 우측면에 90도 각도로 틀어져 위치하는 광섬유(OF2)를 통해 출력된다.

그리고, 도5a 및 도5b는 각각 패드에 인가되는 구동전압이 0이 아닌 경우의 본 발명 압전 구동형 광스위치의 평면도 및 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 패드(PAD1, PAD2)에 인가되는 구동전압(VA)이 0이 아닌 경우 상기 압전 액튜에이터(4)의 상부전극과 하부전극에는 패드(PAD1, PAD2)에 인가되는 구동전압(VA)이 인가되어, 그 사이의 압전물질의 특성에 의해 캔틸레버(3)의 구동부가 상부측으로 구동된다.

이와 같은 캔틸레버(3)의 구동에 의해 마이크로 미러(5)는 상기 광섬유(OF1~OF4)가 이루는 평면보다 상부측에 위치하게 된다.

상기 캔틸레버(3)의 구동에 따라 마이크로 미러(5)는 그 위치를 변경하여, 상기 광섬유(OF3)를 통해 인가되는 광은 마주하는 광섬유(OF1)를 통해 출력되며, 이와 동일하게 광섬유(OF4)를 통해 인가되는 광은 마주하는 광섬유(OF2)를 통해 출력된다.

이와 같이 본 발명 압전 구동형 광스위치는 압전 구동형 캔틸레버를 사용하여, 마이크로 미러(5)의 위치를 상하로 변경하여, 광의 출력경로를 변경함으로써, 종래와 같이 광섬유 자체의 위치를 변경하는 구조에 비하여 그 구조를 단순화 할 수 있고, 구동 전압 또한 보다 낮은 전압을 사용하여 스위칭 변환 함으로써 소비전력을 절감하게 된다.

상기 실시예에서는 2×2 매트릭스 형식, 즉 4개의 광경로를 가지는 매트릭스형의 광스위치를 예로 한 것이며, 상기 마이크로 미러(5)의 특성상 입사각과 반사각이 동일하므로, 상기 광경로가 4개 뿐만 아니라 보다 많은 M개의 광경로를 가지는 광스위치의 구현이 가능하다,

상기 구조에서 광섬유 지지대(2)를 복수인 M개로 하고, 각 광섬유 지지대(2)의 중앙부로 부터의 각도를 동일하게 배치함으로써, M개의 광경로를 가지는 스위치를 구성할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 압전 구동형 광스위치는 압전 구동형 캔틸레버에의해 구동되는 마이크로 미러를 사용하여 광섬유를 통해 인가되는 광을 서로다른 경로로 스위칭 변환할 수 있도록 함으로써, 그 구조를 단순화하여 제조비용 및 설치비용을 줄이는 효과와 아울러 종래와 같이 광섬유 자체를 구동하지 않고, 캔틸레버만을 구동하여 소비전력을 절감함과 아울러 다수의 광경로를 가지는 시스템에 용이하게 적용할 수 있어 그 효율이 증대되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 기판과; 상기 기판의 중앙부를 중심으로 상호 소정각도로 이격되어 그 기판상에 위치하는 복수의 광섬유 지지대와; 상기 복수의 광섬유 지지대 상에 각기 실장되어, 광이 지나는 경로로 사용되는 복수의 광섬유와; 상기 기판의 일측 가장자리로 부터 기판의 중심부분에 이르는 위치에 위치하며, 인가되는 전압에 따라 상기 기판의 중심부분에 위치하는 부분을 상하로 구동하는 압전 구동형 캔틸레버와; 상기 압전 구동형 캔틸레버의 기판 중앙부에 위치하는 영역 상에 수직으로 위치하는 마이크로 미러로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 압전 구동형 광스위치.
2. 제 1항에 있어서, 압전 구동형 캔틸레버는 기판에 의해 일측이 지지되며, 그 지지되는 일측의 반대편 끝이 압전력에 의해 용이하게 휘어질 수 있도록 하는 지지부와, 상기 지지부의 중앙상부에 순차 적층된 하부전극, 압전층, 상부전극으로 이루어지는 압전 액튜에이터와, 상기 지지부가 고정되는 후면의 기판 상에 위치하며, 상호 절연되어 상기 하부전극과 상부전극에 구동전압을 인가하는 패드로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 압전 구동형 광스위치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 기판은 상기 압전 구동형 캔틸레버의 일부영역에서 천공되어 상기 압전 구동형 캔틸레버의 압전력의 손실을 방지하는 구조인 것을 특징으로 하는 압전 구동형 광스위치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 미러는 상기 압전 구동형 캔틸레버의 구동부 상에 수직으로 위치함과 아울러 양측면에 복수의 광섬유에 대한 고유의 입사각과 반사각을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 구동형 광스위치.