KR100447183B1 - 광 스위치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 시스템에 관한 것으로, 특히 광 송수신 모듈의 광 스위치에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 광 스위치는 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 광 신호의 입/출력을 위한 하나 이상의 입/출력 광 파이버와, 상기 하나 이상의 입/출력 광 파이버를 정렬, 조립하는 미세 구조물과, 상기 입력 광 파이버로 입력된 광 신호를 출력 광 파이버로 스위칭하는 마이크로 프리즘(micro-prism)과, 상기 마이크로 프리즘을 압전 구동, 자성물질을 이용한 구동, 전열 구동하는 구동부를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 광 시스템에 관한 것으로, 특히 광 송수신 모듈의 광 스위치에 관한 것이다
최근 정보 관련 기술인 컴퓨터 및 통신 기술은 다량의 정보를 송수신할 수 있는 고속 광섬유 통신을 통해 비약적으로 발전하고 있다.
특히, 동화상, 음성 신호 및 문자 신호 등의 다양한 형태의 데이터를 포함한 멀티미디어 정보의 고속 전송, 쌍방향의 대화형(interactive) 통신 환경, 가입자 수의 폭발적 증가 등의 추세에 따라 기존의 구리 전송 선(transmission line)을 이용한 통신망은 그 한계에 봉착하였으며, 높은 반송 주파수의 고속 전송이 가능한 광 신호 형태의 통신망이 그 대안으로 대두되고 있다.
또한, 전기적 신호를 송수신하는 기존의 통신망은 논리 회로(logic circuit), 증폭기, 스위치 등 집적회로(integrated circuit) 등으로 가입자 데이터 인터페이스를 저렴하게 구성할 수 있었다.
반면에, 광을 정보 전달 신호로 이용하는 광 통신망의 경우, 가입자와 중계기 혹은 통신 사업자를 연결해 주는 인터페이스가 전자 회로를 이용한 논리 집적회로가 아닌 광 스위치 및 포토 다이오드, 레이저 다이오드 등으로 구성된 광 커넥터 모듈로 구성된다.
현재 상품화되어 있는 광 통신망용 데이터 인터페이스는 전송선인 광 섬유(optical fiber)와, 가입자를 연결시키기 위한 광 섬유 커넥터(fiber optic connector), 광 스위치(optical switches), 레이저 다이오드를 포함한 광송신기(transmitter)등으로 구성된다.
여기서, 상기 광 스위치의 주요한 적용 분야로서 고속 및 신뢰성이 특히 중요시되는 기간(backbone) 광 통신망 등의 용도로 제안된 ANSI X3T9.5 규격에 필요한 FDDI(fiber distributed data interface)의 경우, 단말기에서 수신이 끊어질 경우라도 기간 망 내에서는 계속적으로 광 신호가 전송되어야 하므로, 가입자의 단말기에 입력 광 신호가 연결되지 않더라도 연결된 광 통신망이 단절되지 않도록 루프백(loopback) 기능을 수행할 수 있는 바이패스(bypass) 스위치가 필요하다.
이와 같은 광 통신망 인터페이스는 정밀 가공 및 각 부품의 조립에 의존한 제조 방법 등으로 가격이 비싼 단점이 있으며, 특히, 광 데이터 인터페이스의 핵심 부품인 광 스위치의 경우 입력측 또는 출력측의 광섬유 선단부를 기계적으로 움직여 광축을 정렬함으로써 스위칭(switching) 기능을 수행하도록 되어 있어 스위치의 크기를 소형화하기 어렵고, 소모 전력이 많으며, 고가인 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 낮은 구동 전압으로 스위칭 응답 속도를 현저히 증가시키는 광 스위치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광 스위치를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명에 따른 광 스위치의 상부 평면도
도 3은 도 2에 따른 A-B축 단면도
도 4는 본 발명에 따른 광 스위치의 구동 및 광 경로의 변화를 나타낸 도면
도 5a 내지 도 5i는 본 발명에 따른 광 스위치 제조를 순차적으로 나타낸 도면
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 마이크로 프리즘(micro-prism) 2 : 박막 구동기
3 : 외팔보 지지부(cantilever suspension) 4 : 릴리즈 간극
5 : 제 1 전극 패드 6 : 제 2 전극 패드
7 : 광 파이버 정렬/조립 홈 12: 희생층
10 : 기판 21 : 입력 광 파이버
22 : 제 1 출력 광 파이버 23 : 제 2 출력 광 파이버
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조 특징에 따르면, 기판과, 상기 기판상에 형성되고, 광 신호의 입/출력을 위한 하나 이상의 입/출력 광 파이버와, 상기 하나 이상의 입/출력 광 파이버를 정렬, 조립하는 미세 구조물과, 상기 입력 광 파이버로 입력된 광 신호를 출력 광 파이버로 스위칭하는 마이크로 프리즘(micro-prism)과, 상기 마이크로 프리즘을 압전 구동, 자성물질을 이용한 구동, 전열 구동하는 구동부를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 마이크로 프리즘은 상기 기판 표면에 대해 수직인 측벽을, 전반사(total internal reflection) 미러 면으로 이용한다.
그리고, 상기 마이크로 프리즘은 기판에 수직인 방향으로 변위가 발생하고, 상기 미세 구조물은 상기 마이크로 프리즘과 정렬되어 상기 기판에 형성된다.
또한, 상기 구동부는 상기 기판 일부로부터 릴리즈(release)되어 현가 된 외팔보 형태의 지지부 상에 집적된다.
여기서, 상기 릴리즈 간격은 벌크 마이크로머시닝 또는, 표면 마이크로머시닝 중 하나을 이용한다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 기판 상부 면에 소정의 두께로 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계, 상기 희생층을 패터닝하는 단계, 상기 희생층을 포함한 기판 전면에 외팔보 지지부 층과 구동부 박막층을 순차적으로 형성하고 구동부 박막층을 패터닝하는 단계, 상기 구동부 박막층을 패터닝한 후, 드러난 외팔보 지지부 층의 형태를 가공하는 단계, 상기 가공 후, 후막 감광막을 형성하고, 상기 외팔보 지지부 층을 통해 드러난 희생층을 릴리즈 공정을 통해 상기 외팔보 지지부 층을 기판으로부터 분리하는 단계로 이루어진다.
바람직하게, 상기 희생층의 패터닝 방법은 사진 묘화 공정 또는 RIE(reactive ion etching) 또는 플라즈마 식각 또는 습식 화학 식각 중 하나이다.
이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 스위치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 광 스위치의 상부 평면도, 도 3은 도 2에 따른 광 스위치의 A-B 축 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 스위치는 기판(10)과, 상기 기판(10)상에 형성되고, 광 신호의 입/출력을 위한 하나 이상의 입/출력 광 파이버(21, 22, 23)와, 상기 하나 이상의 입/출력 광 파이버(21, 22, 23)를 정렬, 조립하는 미세 구조물(7)과, 상기 입력 광 파이버(21)로 입력된 광 신호를 출력 광 파이버(22, 23)로 스위칭하는 마이크로 프리즘(micro-prism)(1)과, 상기 마이크로 프리즘(1)을 구동하는 구동부(2)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 광 스위치는 기판(10) 표면에 대해 수직인 측벽을 전반사(total internal reflection) 미러 면으로 이용하는 마이크로 프리즘(1)의 위치에 의해 입력 광 섬유(21)로부터 조사되는 입력 레이저 광의 경로를 두 개의 출력 광 섬유(22, 23)으로 각각 절환 시킨다.
이때, 상기 마이크로 프리즘(1)의 위치는 박막 형태의 PZT, ZnO 등의 압전 물질의 전왜 현상(piezoelectricity)에 의하거나, 바이메탈 형태의 박막 금속 층배열을 이용한 전열 구동기나 자성 물질을 이용한 구동기 등의 구동 박막(2)에 의해 상기 기판(1)에 수직인 방향으로 변위가 발생한다.
또한, 상기 구동부(2)는 기판(10)으로부터 릴리즈(release)되어 현가(suspended)된 외팔보 형태의 지지부(3)상에 집적되어 형성된다.
특히, 상기 구동부(2)가 압전 방식일 경우, 상기 지지부(3)가 상기 기판(10) 고정측에 연결되어 형성되며, 지지부(3)의 자유 운동이 가능한 측에는 상기 마이크로 프리즘(1)이 집적되어 형성되어 있다.
그리고 본 발명에 의한 광 스위치의 성능은 입출력 광 섬유들(21, 22, 23)과 마이크로 프리즘(1)의 광 축 정렬 정밀도에 크게 의존하며, 본 발명에 의한 광 스위치에서는 보다 정밀한 광 파이버의 정렬/조립을 위하여 상기 미세 프리즘(1)과 정렬되어 기판(10)에 광 파이버 미세 구조물(7)을 형성한다.
또한, 상기 마이크로 프리즘(1) 및 박막형 구동기(2)를 지지하는 지지부(3)를 기판(10)으로부터 떨어뜨리는 간극인 릴리즈 간극(4)(도 3에 도시함)은 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining)으로 제작할 경우 기판 전체를 관통하는 구조로 가공될 수 있고, 표면 마이크로머시닝(surface micromachining)으로 제작하는 경우라면 희생층(sacrificial layer) 두께에 해당하는 표면 유격일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광 스위치의 구동 및 광 경로의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 구동기(2) 전원이 인가되지 않은 상태에서는 미세 프리즘(1)이 시준(collimated)된 입력 광섬유(21)에서 출사되는 레이저 빔의광로(optical path)에 위치하여 제 1 출력 광섬유(22)로 광로가 변경된다.
반면에, 압전 방식등을 이용한 구동기(2)에 소정의 전원이 인가되어 지지부(3)에 변형이 유기되면, 상기 미세 프리즘(1)의 위치가 광로에서 벗어나게 되어 입력 광섬유(21)에 출사되는 레이저 빔이 또 제 2 출력 광섬유(23)로 절환(switching)된다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명에 따른 광 스위치의 제조 방법을 순차적을 나타낸 도면이다.
참고로 압전 구동 방법을 적용하여 광 스위치를 제조한다.
먼저 도 5a와 같이 웨이퍼 형태의 실리콘 기판(10) 상 하부 면에 실리콘 산화막(11)을 산화(oxidation) 또는 증착 공정에 의해 형성한다.
그리고, 상기 기판(10)의 상부 면에 희생층(sacrificial layer)박막(14)을 형성한다.
여기서 상기 희생층(14)은 비정질(amorphous) 또는 다결정(polycrystalline) 실리콘 박막을 소정의 두께로 형성한다.
이어서, 상기 희생층 박막(14)을 사진 묘화(photolithography) 공정 및 RIE(reactive ion etching), 플라즈마 식각 또는 습식 화학 식각(wet chemical etching) 등의 선택적 박막 식각 공정을 통하여 형상(pattering)한다 (도 5b)
그리고, 상기 희생층 박막(14)이 패터닝된 기판(10) 전면에 외팔보 지지부를 형성할 지지부 박막(13)을 증착(deposition)등의 방법으로 형성한다.(도 5c)
상기 지지부 박막(13)은 잔류 응력(residual stress) 및 응력 기울기(stressgradient) 등을 최소화하여 이 외팔보 지지부 박막(13) 형성 후의 변형을 제거한다.
상기 외팔보 지지부 박막(13) 상에 구동부가 형성될 구동부 박막(12)을 증착, 도포 등의 방법으로 형성한다.(도 5d)
그리고, 상기 형성된 구동부 박막(12)층을 사진 묘화 및 선택적 박막 식각 공정을 통하여 형상한다.(도 5e)
상기 형상되어 드러난 구동부 박막(12) 하부의 박막(13)을 사진 묘화 및 RIE(reactive ion etching), 플라즈마 식각 등의 선택적 박막 식각 방법으로 외팔보 지지부(3)의 형태를 가공한다.(도 5f)
그리고, 가공된 지지부(3)와 구동부 박막(12)의 전면에 투명한 광 감응성 다중체(photo-sensitive polymer), 감광막(photoresist)인 후막 감광막(11)을 소정의 두께만큼 도포 또는 증착한다.(도 5g)
이어서, 사진 묘화 공정을 이용하여 미세 프리즘(1) 및 광 섬유 정렬/조립 홈(7) 미세 구조를 완성한다.(도 5h)
그리고, 마지막으로 외팔보 지지부(3)를 통해 드러난 희생층 형성 박막층(14)을 선택적으로 식각하는 이른바 릴리즈(release) 공정을 통하여 미세 프리즘(1)이 장착된 외팔보 지지부(3)의 일부를 기판(10)으로부터 분리하여 구동이 가능하도록 하며 광 섬유 정렬/조립 미세구조(7)에 소정의 위치에 입 출력 광섬유(21, 22, 23)를 조립한다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 전반사를 이용한 미세 프리즘을 구동하여 광 통신용의 송수신 모듈 인터페이스의 주요 부품인 광 스위치를 구현하므로 마이크로머시닝 기술 및 반도체 일관 공정 등을 통하여 소형 경량화의 인터페이스 부품을 구현할 수 있고 부품 단가를 절감할 수 있으며, 동작 중 구동 전압을 현저히 나 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 FDDI용의 바이패스 기능을 갖는 광 스위치 및 이를 확장한 n*n 광 매트릭스 스위치를 광 섬유와 정렬/조립하여 일체화된 형태로 구현하는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.
Claims (9)
- 기판과;상기 기판상에 형성되고, 광 신호의 입/출력을 위한 하나 이상의 입/출력 광 파이버와;상기 하나 이상의 입/출력 광 파이버를 정렬, 조립하는 미세 구조물과;상기 입력 광 파이버로 입력된 광 신호를 출력 광 파이버로 스위칭하는 마이크로 프리즘(micro-prism)과;상기 마이크로 프리즘을 압전 구동, 자성물질을 이용한 구동, 전열 구동하는 구동부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 프리즘은 상기 기판 표면에 대해 수직인 측벽을, 전반사(total internal reflection) 미러 면으로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 제 2항에 있어서,상기 마이크로 프리즘은 기판에 수직인 방향으로 변위가 발생하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 미세 구조물은 상기 마이크로 프리즘과 정렬되어 상기 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 제 1항에 있어서,상기 구동부는 상기 기판 일부로부터 릴리즈(release)되어 현가 된 외팔보 형태의 지지부 상에 집적된 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 제 5항에 있어서,상기 릴리즈 간격은 벌크 마이크로머시닝 또는, 표면 마이크로머시닝 중 하나를 이용한 것을 특징으로 하는 광 스위치.
- 삭제
- 기판 상부 면에 소정의 두께로 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계;상기 희생층을 패터닝하는 단계;상기 희생층을 포함한 기판 전면에 외팔보 지지부 층과 구동부 박막층을 순차적으로 형성하고 구동부 박막층을 패터닝하는 단계;상기 구동부 박막층을 패터닝한 후, 드러난 외팔보 지지부 층의 형태를 가공하는 단계;상기 가공 후, 후막 감광막을 형성하고, 상기 외팔보 지지부 층을 통해 드러난 희생층을 릴리즈 공정을 통해 상기 외팔보 지지부 층을 기판으로부터 분리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 희생층의 패터닝 방법은 사진 묘화 공정 또는 RIE(reactive ion etching) 또는 플라즈마 식각 또는 습식 화학 식각 중 하나인 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조 방법.
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