KR100443670B1 - 마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법 - Google Patents

마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 광의 경로를 조정하는 광 스위치에 있어서, 광 스위치의 기판 소정 부위에 형성된 오픈 영역과, 오픈 영역 외곽의 기판에 배치되며 내부에 코어와, 그 둘레를 감싸는 클레이드로 구성되며 코어를 통해 광이 전달되는 적어도 두 개 이상의 광 도파로들과, 어느 한 광 도파로를 통해 오픈 영역으로 입사되는 광에 대한 출사 방향이 조정되도록 입사 광을 반사시키는 마이크로 미러와, 오픈 영역으로 마이크로 미러 위치를 조정하는 액츄에이터를 포함한다. 따라서, 본 발명은 광 스위치를 구성하는 칩 내부에 광섬유를 배치하고 정렬하는 과정을 생략하여 생산 수율을 향상시키고 광 도파로를 박막 증착과 식각 공정을 통해 제작함으로써 정교한 위치 정렬이 가능하므로 광의 삽입 손실을 최소화시킬 수 있다. 또한 1×N 다채널 스위치로 확장시 하나의 칩에서도 설계가 가능하다.

Description

마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법{MICRO OPTICAL SWITCH AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 광 신호를 전달하는 부분을 트렌치에 놓여진 광 섬유(optical fiber)대신에 실리콘 미세 가공 기술로 코어(core) 및 클레이드(clade)로 이루어진 광 도파로(waveguide)를 미러와 구동기로 구성되어 있는 스위치 칩에 같이 제작해 줌으로써 광 신호 입출력을 위해서 사용되는 광 섬유의 정렬 과정을 생략할 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근 통신 발달로 인하여 각 가정에 초고속 인터넷 회선이 설치되는 것처럼 광통신망도 거미줄처럼 확장되는데, 광 신호들을 각 망이나 가입자에게 배분하는데 사용되는 장비의 핵심 부품인 광 파장 변환기나 광 스위치(optical switch) 등이 중요한 통신 소자로 대두되고 있다. 더욱이 광 스위치는 광 신호를 통과/차단하는기능, 복수의 전송로에 배분하거나 고속 광통신 중계기의 광 신호가 끊어질 때 백업 라인(backup line)으로 즉시 연결해주는 등 여러 가지 스위칭 역할을 한다.
일반적으로 광 스위치는 광의 전송 방향을 바꾸어 주기 위하여 단일 구조(1×2) 또는 M개(M>1)의 입력과 N개(N>1)의 출력이 곱해진 M×N 매트릭스 구조를 갖는다. 예를 들어, 2×2 마이크로 광 스위치는 총 4개의 광 경로(optical path)를 갖게 된다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 마이크로 광 스위치에서 액츄에이터의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들로서, 예를 들어 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치를 나타내었다. 이때 마이크로 광 스위치는 2×2 광 스위치를 예로 든다.
2개의 입력용 광 섬유(30, 32)에서 나온 광 신호를 다른 2개의 출력용 광 섬유(34, 36)로 전송하기 위하여 광 스위치의 기판(1)에 정전기형 엑츄에이터(10)가 형성되어 있다. 엑츄에이터(actuator)(10)의 끝에는 마이크로 미러(micro mirror)(18)가 부착된다. 마이크로 미러(18)는 입력용 광 섬유(30, 32)로부터 입사된 광을 반사(reflection)시켜 광의 진행 방향을 바꾼다. 입력용 광 섬유(30, 32)와 출력용 광 섬유(34, 36)는 광이 진행하면서 광의 발산(divergence)에 의한 손실을 줄이기 위하여 트렌치(trench) 구조로 이루어진 광 도파로 홈(optical waveguide groove)(26) 위에 부착된다. 그리고 마이크로 광 스위치는 기판(1)과, 광 도파로 홈(26)을 위한 트렌치를 형성하면서 액츄에이터(10) 공간을 마련하기 위한 슬롯(slot) 단위의 절연체막(2)을 포함한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 정전기형 액츄에이터(10)의 전극들이 움직이고 이로 인해 탄성체가 인장된 상태를 유지하면 액츄에이터(10)는 온(ON)로 작동하게 된다. 이에 마이크로 미러(18)가 광 도파로 홈(26)쪽으로 전진 이동하지 않게 되어 입력용 광 섬유(30)에서 나온 광 신호(28)는 입사 방향으로 계속 나아간다.
반대로 도 1b에 도시된 바와 같이, 정전기형 액츄에이터(10)의 전극들 사이가 이격되어 전극들이 원래의 자리로 돌아가면, 탄성체가 수축하고 이로 인해 마이크로 미러(18)에 연결된 연결부가 전진 방향으로 나아가면 액츄에이터는 오프(OFF)로 작동하게 된다. 그러면 마이크로 미러(18)는 광 도파로 홈(26)쪽으로 전진 이동하게 되고 입력용 광 섬유(30)에서 나온 광 신호(28)는 마이크로 미러(18)에 의해 반사되어 광의 진행 방향이 변경된다.
이상과 같이 종래 기술에 의한 마이크로 광 스위치는 광을 전달하는 광섬유(30, 32, 34, 36)를 마이크로 정밀도를 갖는 칩에 기계적 조작에 의해 트렌치 구조의 광 도파로 홈(26)에 광학적으로 정렬해야 했다. 이러한 정렬시 광섬유 자체의 가공 오차, 기계적 정렬 오차 등으로 광 손실을 최소화하기 위한 광학적 정렬 과정이 매우 어렵다. 더욱이 광 접속을 위한 마이크로 렌즈나 광 섬유 사이의 간격들을 최소화하고 빛의 분산을 막기 위한 고가의 특수 가공된 광 섬유의 사용은 제작 단가를 높일 뿐 아니라 제조 과정이 복잡하여 수율 향상에 한계가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 광 신호를 전달하는 부분을 트렌치에 놓여진 광 섬유대신에 박막 증착과 식각 공정을 통해 제작된 코어 및 클레이드로 이루어진 광 도파로로 변경하여 입출력측 광 섬유의 정렬 과정을 생략할 수 있어 생산성을 높일 수 있는 마이크로 광 스위치 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 마이크로 광 스위치는 광의 경로를 조정하는 광 스위치에 있어서, 광 스위치의 기판 소정 부위에 형성된 오픈 영역과, 오픈 영역 외곽의 기판에 배치되며 내부에 코어와, 그 둘레를 감싸는 클레이드로 구성되며 코어를 통해 광이 전달되는 적어도 두 개이상의 광 도파로들과, 어느 한 광 도파로를 통해 오픈 영역으로 입사되는 광에 대한 출사 방향이 조정되도록 입사 광을 반사시키는 마이크로 미러와, 오픈 영역으로 마이크로 미러 위치를 조정하는 액츄에이터를 포함한다. 이때, 본 발명의 마이크로 광 스위치에 있어서, 액츄에이터는 정전기형 또는 압전형 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치 제조 방법의 일 예는 제 1기판 상부에 절연막을 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역과 광 도파로 홈을 형성하는 단계와, 절연막내 액츄에이터 영역에 정전기형 액츄에이터와 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계와, 연결부에 마이크로 미러를 형성하는 단계와, 제 2기판 상부에 클레이드막 및 코어막으로 이루어진 광 도파로를 형성하는 단계와, 제 1기판의 광 도파로 홈에 제 2기판의 광 도파로를 정렬하여 접합하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치 제조 방법의 다른 예는 기판에 절연막 및 희생막을 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역과 광도파로 홈을 형성하는 단계와, 절연막 및 희생막 내 또는 상부에 압전형 액츄에이터와 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계와, 연결부에 마이크로 미러를 형성함과 동시에 광 도파로 홈에 제 1클레이드막을 형성하는 단계와, 제 1클레이드막 상부에 코어막을 형성한 후에 코어막 및 제 1클레이드막 상부에 제 2클레이드막을 형성하여 광 도파로를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치 제조 방법의 또 다른 예는 기판에 절연막 및 희생막을 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역과 광 도파로 홈을 형성하는 단계와, 절연막 및 희생막 내 또는 상부에 압전형 액츄에이터와 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계와, 연결부에 마이크로 미러를 형성하는 단계와, 제 2기판 상부에 클레이드막 및 코어막으로 이루어진 광 도파로를 형성하는 단계와, 제 1기판의 광 도파로 홈에 제 2기판의 광 도파로를 정렬하여 접합하는 단계를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 의한 마이크로 광 스위치에서 액츄에이터의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치의 구조 예를 나타낸 도면들,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치 어레이의 구조 예를 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들,
도 6a 내지 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도,
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도,
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
100, 200 : 광 스위치의 기판 102 : 하부 절연막
103 : 희생막 104 : 상부 절연막
106 : 코어 110 : 액츄에이터
120 : 마이크로 미러 130, 132, 134, 136 : 광 도파로
140 : 광
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치의 구조 예를 나타낸 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 마이크로 광 스위치는 기판 소정 부위에 형성된 오픈 영역(138)과, 오픈 영역(138) 외곽의 기판에 배치되며 코어를 통해 광이 전달되는 적어도 두 개 이상의 광 도파로들(wave guide)(130, 132, 134, 136)과,어느 한 광 도파로를 통해 오픈 영역(138)으로 입사되는 광에 대한 출사 방향이 조정되도록 입사 광을 반사시키는 마이크로 미러(120)와, 오픈 영역(138)으로 마이크로 미러(120)의 위치를 조정하는 액츄에이터(110)로 구성된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마이크로 광 스위치는 광의 전송 방향을 바꾸어 주기 위하여 단일 구조(1×2, 2×2, 1×N) 또는 M개(M>1)의 입력과 N개(N>1)의 출력이 곱해진 M×N 매트릭스 구조를 갖는다. 단일 칩에서 매트릭스 구조로의 확장은 그림 3에서 설명하겠다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 마이크로 광 스위치는 기판(100)과, 기판(100) 상부에 절연체막(102)이 형성되어 있으며 절연체막(102)이 식각된 부위가 오픈 영역(138)이 된다. 절연체막(102) 상부에는 예를 들어, 4개의 광 도파로(130, 132, 134, 136)가 형성되어 있다. 이들 광 도파로들(130, 132, 134, 136)은 내부에 코어(106)와, 그 둘레를 감싸는 클레이드로 구성되며 코어(106)를 통해서 광이 전달된다. 광 도파로(130, 132, 134, 136)의 클레이드 수직 단면은 다각형 구조, 예를 들어 삼각형 또는 사각형 등 구조를 갖는다.
본 발명의 마이크로 광 스위치에서 액츄에이터(110)가 압전형일 경우 공급 전압에 따라서 미러의 변위가 선형적 특성을 갖고 있기 때문에 디지털 또는 아날로그 방식으로 마이크로 미러(120)의 위치를 선형적으로 조정하여 광 도파로(130, 132, 134, 136)에 전달되는 광의 양을 조절할 수 있다. 이에 광 스위치를 감쇠기로 활용할 수 있다. 만약 액츄에이터(110)가 정전기형 및 압전형일 경우 액츄에이터의 구동 위치를 고정시키는 래치(latch) 구조를 채택하도록 함으로써 빗살 무늬의 전극들에 공급되는 전압을 계속 인가하지 않고서도 래치에 의해서 전극들이 안정적으로 광 경로를 변환하는 상태로 유지될 수 있어 전원 차단시 광 경로를 유지시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 압전형 액츄에이터를 사용한 마이크로 광 스위치는 액츄에이터(110)의 구동을 감지하기 위해 액츄에이터(110) 부분에 변위에 따라 저항이 변화되는 압전감응형(piezoresistive) 또는 커패시턴스 성질을 이용한 위치 센서를 구비해서 피드백 제어(feed-back control)에 의한 마이크로 미러(120)의 위치 제어가 가능하다.
또한 본 발명의 마이크로 광 스위치에 있어서 광손실을 최소화하기 위해 광도파로(130, 132, 134, 136) 사이의 간격을 최소화 할 수 있도록 오픈 영역(138)쪽의 광도파로 폭을 점진적으로 줄여준다.
또한 오픈 영역(138)쪽의 광도파로(130, 132, 134, 136) 끝단에서 방출되는 빛의 퍼짐을 최소화하기 위해 광도파로의 끝단이 빛이 잘 집광될 수 있도록 곡률을 가지거나 오픈 영역으로 갈수록 점차적으로 면적이 줄어드는 형태를 갖는다. 본 발명에서 광도파로(130, 132, 134, 136)의 구조가 고집적 반도체 공정에 사용되는 마이크로머시닝 기술을 통해 가공되므로 이러한 광도파로 끝단의 가공은 마이크로 이내의 정밀도를 가지고 반복적으로 재현 생산이 가능하다.
추가적으로 본 발명의 마이크로 광 스위치에 있어서 광 도파로들(130, 132, 134, 136)의 끝단이 모여 있는 오픈 영역(138)에 인덱스 매칭 오일(index matching oil)을 채워주어 광 손실을 줄일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 마이크로 광 스위치에 구비되는 액츄에이터(110)를 압전형(piezoelectric)을 채택하였지만, 이는 정전기형 구조로 변경할 수 있다. 마이크로 미러(120)는 압전형 액츄에이터의 구동 방식에 따라 오픈 영역(138)쪽에서 위쪽으로 상향 이동하거나, 위쪽에서 오픈 영역(138)쪽으로 하향 이동할 수도 있다. 도면에 미도시되어 있지만, 마이크로 미러(120)는 정전기형 액츄에이터의 구동 방식에 따라 절연막(102)쪽에서 오픈 영역(138)으로 전진 이동하거나, 오픈 영역(138)에서 절연막(102)안쪽으로 후진 이동할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 마이크로 광 스위치의 광 도파로(130, 132, 134, 136) 구조는 다음과 같다.
실리콘 기판(100) 위에 절연막(102)이 형성되어 있고, 절연막(102) 위에 코어막(106)과, 코어막(106)을 감싸는 제 1클레이드막(108)이 형성되어 있다. 이때, 코어막(106) 아래 평탄한 절연막(102)은 광 도파로의 제 2클레이드막 역할을 한다. 여기서 광 도파로의 제 1 및 제 2클레이드막(108, 102)은 소정의 광 반사율(R.I)을 갖는 실리콘산화막으로 이루어지고, 코어막(106)은 물질(예를 들어 Ge)이 도핑된 실리콘산화막에 의해 광 반사율(R.I)을 높이는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 광 도파로의 클레이드막과 코어막의 광 반사율 차이를 크게 할수록 코어막의 크기를 작게 해서 밴딩 손실(bending loss)을 줄일 수 있다. 예를 들어,(a는 코어의 반사율, b는 클레이드의 반사율)에서 광 반사율 차이가 0.3%일 경우 코어막의 두께를 8㎛으로 할 수 있지만, 광 반사율 차이가 0.75%일 경우 코어막의두께가 6㎛으로 줄어든다. 또한 클레이드막의 두께는 굴절율을 크게 할수록 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 광 도파로는 제 2클레이드막 역할을 하는 절연막(102)에 홈을 형성하고 그 홈에 코어막(106)을 형성하고 제 1클레이드막(108)을 형성할 수도 있다. 혹은 제 2클레이드막(102)과 제 1클레이드막(108)에 각각 코어막용 일부 홈을 각각 형성할 수도 있다. 또한 본 발명의 광 도파로는 절연막(102) 위에 제 2클레이드막과, 코어막(106) 및 제 1클레이드막(108)을 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치 어레이의 구조 예를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 마이크로 광 스위치는 2×2 스위치를 다수개 어레이로 배치한 M×N 매트릭스로 구성하여 광 경로를 확장할 수 있다.
한편, 본 발명의 마이크로 광 스위치는 모듈(module)로 제작할 수 있는데, 모듈 제작시 광 도파로들중에서 광이 입력 또는 출력되는 광 도파로에 광 섬유 또는 광 어레이 블록을 연결하고, 액츄에이터를 제어하는 구동회로를 광 스위치에 연결해서 집적화하는 것이 바람직하다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들이다. 이들 도면을 참조하여 본 발명의 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 온/오프(ON/OFF) 작동 과정에 대해 설명한다.
우선 도 4a에 도시된 바와 같이, 정전기형 액츄에이터(110')가 온(ON)으로 작동할 경우 정전기형 액츄에이터(110')의 전극들이 움직이고 이로 인해 탄성체가인장된 상태를 유지하며 마이크로 미러(120)에 연결된 연결부(112)가 오픈 영역(138)에서 후진 이동한다. 그러면 제 3 광도파로(134)에 입사된 광(140)은 오픈 영역(138)을 지나서 그대로 직진 방향의 제 2 광도파로(132)의 코어막으로 들어가게 된다. 즉, 액츄에이터(110')의 온(ON) 작동으로 광 경로가 변화되지 않는다.
반대로 도 4b에 도시된 바와 같이, 정전기형 액츄에이터(110')가 오프(OFF)로 작동할 경우 액츄에이터(110')의 전극들이 원래의 자리로 돌아가고 이로 인해 탄성체가 수축해서 마이크로 미러(120)에 연결된 연결부(122)를 오픈 영역(138)으로 전진 이동하게 된다. 그러면 마이크로 미러(120)는 오픈 영역(138)쪽으로 전진 이동하게 된다. 그 결과, 입력용 제 3광 도파로(134)에 입사된 광(140)은 오픈 영역(138)의 마이크로 미러(126)에 의해 반사되어 제 4 광도파로(136)의 코어막으로 들어가게 된다. 즉, 액츄에이터(110')의 오프(OFF) 작동으로 광 경로가 변화된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 온/오프 작동 상태를 나타낸 도면들이다. 이들 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 광 스위치의 온/오프(ON/OFF) 작동 과정에 대해 설명한다.
먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 압전형 액츄에이터(110)가 온(ON)으로 작동할 경우 액츄에이터(110)의 압전 물질층에서 수축이 일어나게 된다. 이로 인해 마이크로 미러(120)에 연결된 연결부(112)가 오픈 영역(138)에서 상향 또는 하향 방향으로 이동하게 된다. 그 결과, 입력용 제 3광 도파로(134)에서 입사된 광(140)은 오픈 영역(138)을 통해서 그대로 직진 방향의 제 2 광도파로(132)의 코어막으로들어가게 된다. 즉, 액츄에이터(110)의 온(ON) 작동에 의해서 광 경로가 변화되지 않는다.
반대로 도 5b에 도시된 바와 같이, 압전형 액츄에이터(110)가 오프(OFF)로 작동할 경우 압전형 액츄에이터(110)의 압전 물질층의 수축이 일어나지 않고 이로 인해 마이크로 미러(120)에 연결된 연결부(122)가 오픈 영역(138)에서 상향 또는 하향 방향으로 이동하지 않고 원래 상태로 있게 된다. 그러면 제 3광 도파로(134)에 입사된 광(140)은 오픈 영역(138)에 있는 마이크로 미러(126)에 의해 반사되어 제 4광 도파로(136)의 코어막으로 들어가게 된다. 따라서, 액츄에이터(110)의 오프(OFF) 작동으로 마이크로 미러(120)가 제 2광 도파로(132)의 코어 방향을 막으면서 제 4광 도파로(136)쪽으로 광 경로를 변경한다.
위에서 설명한 것과 같이 온(ON)/오프(OFF) 상태에 의해서 광의 방향이 바뀌는 것은 거울의 초기 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 도 4와 5에서는 오프 상태일 때 마이크로 미러(120)가 오픈 영역(138) 안에 위치하고 있어 광의 방향을 바꾸지만 초기 미러의 위치가 오픈 영역(138)에서 빠져 있다면 광의 방향은 위에서 설명한 것과 반대로 오프 상태에서는 광의 방향이 바뀌지 않고 직진하고 온 상태에서 광의 방향이 바뀌게 된다.
다음은 본 발명에 따른 마이크로 광 스위치의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 제조 방법은 MEMS(MicroElectroMechanical Systems) 공정을 적용하는 것이 바람직하다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도로서, 이들 도면을 참조하여 정전기형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치를 제조하는 과정을 설명한다.
우선 도 6a에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100) 상부에 절연막(102)으로서 실리콘산화막(SiO2)을 증착하고 이를 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역(138)과 광 도파로 홈(Waveguide Groove)(105)을 형성한다. 이때, 오픈 영역(138)은 적어도 2개 이상의 광 도파로 홈(105)이 교차되는 부분으로서 이후 미러가 배치될 부분이다. 광 도파로 홈(105)에 의해 광 스위치의 광 전달 영역이 결정된다. 여기서, 오픈 영역(138) 및 광 도파로 홈(105)은 통상의 마스크를 이용한 사진 및 건식 식각 공정을 이용하여 형성한다.
그리고 도 6b에 도시된 바와 같이, 절연막(102)의 액츄에이터 영역에 통상의 제조 공정에 따라 정전기형 액츄에이터(110')와 광 스위치의 오픈 영역(138)까지 이어지는 연결부(122)를 형성한다. 예를 들어, 정전기형 액츄에이터(110')는 마이크로 미러(120)와 연결된 연결부(122)와, 연결부(122)에 연결된 빗살 형태의 두 개의 전극들과, 연결부(122)와 전극 사이에 수직으로 연결된 탄성체로 구성되도록 형성된다.
그런 다음 오픈 영역(138)쪽 연결부(122)에 마이크로 미러(120)를 형성한다. 예를 들어, 마이크로 미러(120)는 금속(Au등)이 코팅된 실리콘(Si)/실리콘산화막(SiO2)/실리콘질화막(SiN)으로 이루어진다.
이어서 도 6c에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100) 또는 제 2기판에, 본 실시예에서는 제 1기판(100)의 절연막(102) 외곽 상부에 완충부(116)를 추가 설치할 수 있다. 이러한 완충부(116)에 의해 제 1기판(100)과 접합될 제 2기판(200) 사이의 공간이 확보된다. 이때 완충부(116)는 절연 물질 또는 폴리실리콘막으로 형성될 수 있다.
그리고 도 6d에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100)과 별도의 제 2기판(200) 상부에 클레이드막(108) 및 코어막(106)으로 이루어진 광 도파로(130, 132, 134, 136)를 형성한다. 여기서, 클레이드막(108)은 실리콘산화막(SiO2)으로 이루어지고, 코어막(106)은 실리콘산화막에 불순물(Ge 등)이 도핑된다.
그리고나서 도 6e에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100)의 광 도파로 홈(105)에 제 2기판(200)의 광 도파로(130, 132, 134, 136)가 정확하게 위치할 수 있도록 정렬하고 이들 기판(100, 200)을 서로 접합한다. 이때, 제 1 및 제 2기판(100, 200)을 접합할 때 실리콘 웨이퍼 상태에서 접합하고 접합된 웨이퍼를 광 스위치 칩 단위로 절단하거나, 먼저 칩 단위로 각 기판을 절단한 후에 두 기판(100, 200)을 서로 접합할 수 있다.
도 7a 내지 도 7g는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도로서, 이들 도면을 참조하여 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치를 제조하는 과정의 일 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예는 하나의 기판에 압전형 액츄에이터와 미러 및 광 도파로를 함께 제조하는 공정에 관한 것이다. 여기서, A-A'와 B-B'는 각각 도 2b의 액츄에이터와 광 도파로를 절단한 광 스위치의 단면도이다.
우선 도 7a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 절연막(102)으로서 실리콘산화막(SiO2) 및 희생막(예를 들어, 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘)(103)을 증착하고 이를 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역(138)과 광 도파로 홈(105)을 형성한다. 그리고 희생막(103)을 패터닝하여 앵커 영역을 정의하는 홈을 형성한다. 이때, 앵커의 형태는 단순하게 단차가 있는 계단형일 수도 있거나 평면 바 양쪽에 지지부가 부착된 형태일 수 있다.
그 다음 도 7b에 도시된 바와 같이, 희생막(103) 전면에 멤브레인막(112)을 형성하고 그 위에 하부 도전막(110c)과 압전 물질층(110b) 및 상부 도전막(110a)을 순차 적층한다.
이어서 도 7c에 도시된 바와 같이, 적층된 상부 도전막(110a)과 압전 물질층(110b) 및 하부 도전막(110c)을 패터닝하여 압전형 액츄에이터(110)를 형성한다. 그리고 멤브레인막(112)을 패터닝하여 압전형 액츄에이터(110)의 연결부를 형성한다.
계속해서 도 7d에 도시된 바와 같이, 상기 결과물에 절연막 예를 들어, 실리콘산화막(SiO2)을 증착하고 이를 패터닝하여 오픈 영역 방향의 연결부(112)에 마이크로 미러(120)를 형성함과 동시에 광 도파로 홈(105)에 광 도파로의 제 2클레이드막(104)을 형성한다. 이때, 마이크로 미러(120) 표면은 추가로 금속 코팅처리를 할 수 있다.
이어서 도 7e에 도시된 바와 같이, 제 2클레이드막(104) 상부에 코어막(106)을 형성하고, 코어막(106) 상부에 제 2클레이드막(104)과 제 1클레이드막(108)을형성하여 광 도파로를 형성한다. 여기서, 제 1클레이드막(108)은 제 2클레이드막(104)과 동일하게 실리콘산화막(SiO2)으로 형성되는 것이 바람직하고, 코어막(106)은 물질(Ge 등)이 도핑된 실리콘산화막(SiO2)으로 형성된다.
이후 희생막(103)을 제거시켜 압전형 액츄에이터(110)가 구동할 수 있는 영역을 만들어준다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치의 제조 공정을 나타낸 공정 순서도이다. 본 발명의 실시예는 두 개의 기판에 각각 압전형 액츄에이터와 미러, 광 도파로를 별도로 제조하고 이들 기판을 서로 접합하는 공정에 관한 것이다. 여기서, A-A'와 B-B'는 각각 도 2b의 액츄에이터와 광 도파로를 절단한 광 스위치의 단면도이다.
우선 도 8a에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100) 상부에 절연막(102)으로서 실리콘산화막(SiO2) 및 희생막(예를 들어, 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘)(103)을 증착하고 이를 패터닝하여 광 스위치의 오픈 영역(138)과 광 도파로 홈(105)을 형성한다. 그리고 희생막(103)을 패터닝하여 앵커 영역을 정의하는 홈을 형성한다. 이때, 앵커의 형태는 단순하게 단차가 있는 계단형일 수도 있거나 평면 바 양쪽에 지지부가 부착된 형태일 수 있다.
그 다음 도 8b에 도시된 바와 같이, 희생막(103) 전면에 멤브레인막(112)을 형성하고 그 위에 하부 도전막(110c)과 압전 물질층(110b) 및 상부 도전막(110a)을 순차 적층한다.
이어서 도 8c에 도시된 바와 같이, 적층된 상부 도전막(110a)과 압전물질층(110b) 및 하부 도전막(110c)을 패터닝하여 압전형 액츄에이터(110)를 형성한다. 그리고 멤브레인막(112)을 패터닝하여 액츄에이터(110)의 연결부를 형성한다.
계속해서 도 8d에 도시된 바와 같이, 상기 결과물에 절연막 예를 들어, 실리콘산화막(SiO2)을 증착하고 이를 패터닝하여 오픈 영역 방향의 연결부(112)에 마이크로 미러(120)를 형성한다. 이때, 마이크로 미러(120) 표면은 추가로 금속 코팅처리를 할 수 있다.
이어서 도 8e에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100)쪽 외곽 상부에 절연 물질 또는 폴리실리콘막이 패터닝된 바 형태의 완충부(116)를 추가 설치한다. 이때, 완충부(116)는 제 1기판(100)과 접합될 제 2기판(200) 사이의 공간을 확보하기 위함이다.
그 다음 도 8f에 도시된 바와 같이, 제 2기판(200) 상부에 제 1클레이드막(108)과 코어막(106) 및 제 2클레이드막(104)으로 이루어진 광 도파로(130, 132, 134, 136)를 형성한다. 이때, 제 1클레이드막(108)과 제 2클레이드막(104)은 코어막(106)을 감싸는 형태를 갖는데, 제 1클레이드막(108)에 홈이 형성되어 이 홈에 코어막(106)이 채워진 구조이거나, 평탄한 제 1클레이드막(108) 위에 코어막(106)이 형성되고 제 2클레이드막(104)이 이를 감싸는 구조로 패터닝될 수도 있다.
그리고 희생막(103)을 제거시켜 압전형 액츄에이터(110)가 구동할 수 있는 영역을 만들어준다.
그런 다음 도 8g에 도시된 바와 같이, 제 1기판(100)의 광 도파로 홈(105)에 제 2기판(200)의 광 도파로(130, 132, 134, 136)를 정렬하여 제 1기판(100)과 제 2기판(200)을 서로 접합하여 본 실시예의 마이크로 광 스위치를 완성한다. 그런데, 제 1기판(100)과 제 2기판(200)을 접합할 때 실리콘 웨이퍼 상태에서 접합하고 접합된 웨이퍼를 광 스위치 칩 단위로 절단하거나, 먼저 칩 단위로 각 기판을 절단한 후에 두 기판(100, 200)을 서로 접합할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 정전형 액츄에이터 또는 압전형 액츄에이터를 갖는 마이크로 광 스위치는 설정된 칩 단위로 절단되고, 각 광 스위치 칩은 모듈 제작이 가능하다. 각 칩의 모듈은 광 도파로들중에서 광이 입력 또는 출력되는 광 도파로에 광 섬유를 연결하고, 액츄에이터를 제어하는 구동회로를 액츄에이터에 연결해서 집적화하고 각 칩을 플라스틱이나 금속 등으로 하우징(housing)한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 광 신호를 전달하는 부분을 트렌치에 놓여진 광 섬유대신에 코어 및 클레이드로 이루어진 광 경로로 변경하여 입출력측 광 섬유의 정렬 과정을 생략할 수 있어 생산성을 높일 수 있다.
그리고 본 발명은 광 스위치의 마이크로 미러까지 고가의 광 섬유를 사용하지 않고서도 광 도파로를 이용하여 광 전송을 할 수 있어 마이크로 광 스위치의 제작 단가를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이가능하다.

Claims (25)

  1. 광의 경로를 조정하는 광 스위치에 있어서,
    상기 광 스위치의 기판 소정 부위에 형성된 오픈 영역;
    상기 오픈 영역 외곽의 기판에 배치되며 내부에 코어와, 그 둘레를 감싸는 클레이드로 구성되며 상기 코어를 통해 광이 전달되는 적어도 두 개이상의 광 도파로들;
    상기 어느 한 광 도파로를 통해 상기 오픈 영역으로 입사되는 광에 대한 출사 방향이 조정되도록 입사 광을 반사시키는 마이크로 미러; 및
    상기 오픈 영역으로 마이크로 미러 위치를 조정하는 액츄에이터를 구비한 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광 도파로는 홈이 형성된 제 1클레이드막과, 상기 제 1클레이드막의 홈에 형성된 코어막과, 상기 제 1클레이드막에 부착된 제 2클레이드막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광 도파로는 홈의 일부가 형성된 제 1클레이드막과, 홈의 다른 일부가 형성된 제 2클레이드막이 서로 부착되어 있으며 상기 홈에 코어가 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2클레이드막은 실리콘산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 코어막은 클래드 막과 R-I 값이 차이가 나는 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 광 도파로는 상기 오픈 영역쪽의 클레이드 끝단이 빛이 잘 집광될 수 있도록 곡률을 가지거나 오픈 영역으로 갈수록 점차적으로 면적이 줄어드는 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 미러는 전진/후진 구동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 미러는 상향/하향 구동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 정전기형 또는 압전형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 디지털 또는 아날로그로 마이크로 미러의 위치를 조정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 액츄에이터의 구동 위치를 고정시키는 래치 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터의 구동을 감지하는 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 광 도파로들 중에서 광이 입력 또는 출력되는 광 도파로에 광 섬유 또는 광 어레이 블럭이 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 오픈 영역은 인덱스 매칭 오일(Index Matching Oil)을 넣고 덮개로 밀폐된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 광 스위치는 단일 구조(1×2, 2×2) 또는 매트릭스 구조(M×N)를 갖는 모듈로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 광 스위치는 상기 액츄에이터를 제어하는 구동회로를 구비하여 집적화된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치.
  17. 광의 경로를 조정하는 광 스위치를 제조하는 방법에 있어서,
    제 1기판 상부에 절연막을 패터닝하여 상기 광 스위치의 오픈 영역과 광 도파로 홈을 형성하는 단계;
    상기 절연막내 액츄에이터 영역에 정전기형 액츄에이터와 상기 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계;
    상기 연결부에 마이크로 미러를 형성하는 단계;
    제 2기판 상부에 클레이드막 및 코어막으로 이루어진 광 도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1기판의 광 도파로 홈에 제 2기판의 광 도파로를 정렬하여 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 광 도파로는 상기 클레이드막의 트렌치에 상기 코어막이 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  19. 광의 경로를 조정하는 광 스위치를 제조하는 방법에 있어서,
    기판에 절연막 및 희생막을 패터닝하여 상기 광 스위치의 오픈 영역과 광 도파로 홈을 형성하는 단계;
    상기 절연막 및 희생막 내 또는 상부에 압전형 액츄에이터와 상기 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계;
    상기 연결부에 마이크로 미러를 형성함과 동시에 상기 광 도파로 홈에 제 1클레이드막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1클레이드막 상부에 코어막을 형성한 후에 상기 코어막 및 제 1클레이드막 상부에 제 2클레이드막을 형성하여 광 도파로를 형성하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  20. 광의 경로를 조정하는 광 스위치를 제조하는 방법에 있어서,
    기판에 절연막 및 희생막을 패터닝하여 상기 광 스위치의 오픈 영역과 광 도파로 홈을 형성하는 단계;
    상기 절연막 및 희생막 내 또는 상부에 압전형 액츄에이터와 상기 광 스위치의 오픈 영역까지 이어지는 연결부를 형성하는 단계;
    상기 연결부에 마이크로 미러를 형성하는 단계;
    제 2기판 상부에 클레이드막 및 코어막으로 이루어진 광 도파로를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1기판의 광 도파로 홈에 제 2기판의 광 도파로를 정렬하여 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  21. 제 17항, 제 19항 및 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클레이드막은 실리콘산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  22. 제 17항, 제 19항 및 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어막은 반사율(R.I)값이 차이가 나는 물질이 실리콘산화막에 도핑된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  23. 제 17항, 제 19항 및 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 도파로들중에서 광이 입력 또는 출력되는 광 도파로에 광 섬유 또는 광 어레이 블록이 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  24. 제 17항, 제 19항 및 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액츄에이터를 제어하는 구동회로를 구비하여 상기 광 스위치가 하우징된 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
  25. 제 20항에 있어서, 상기 제 1기판과 제 2기판을 접합할 때 실리콘 웨이퍼 상태의 제 1 및 제 2기판을 서로 접합한 후에 광 스위칭의 칩 단위로 웨이퍼를 절단하거나, 칩 단위로 먼저 실리콘 웨이퍼를 절단한 후에 제 1 및 제 2기판을 접합하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광 스위치의 제조 방법.
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