KR100492488B1 - 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치에 관한 것으로, 광통신을 위한 광도파로와, 상기 광도파로를 고정하는 고정부와, 상기 각 광도파로의 입출력 포트간 광통신 방향을 변환하는 거울 및 상기 거울을 움직이는 구동수단이 실장된 구조층과, 상기 구조층 하단에 위치하며, 상대적으로 작은 면적으로 에칭되어 상기 구조층을 공중 부양하는 희생층과, 상기 희생층 하단에 위치하며, 상기 희생층 및 구조층을 지지하는 지지층;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 구조층은 상기 고정부, 거울의 형태 및 거울을 움직이는 구동수단으로 에칭되어 식각되며, 대응하는 각 광도파로의 입력포트와 출력포트는 상호 약 3°～ 20°정도의 경사각으로 설치되는 것이 보다 바람직하다.

Description

다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치{Optical Switch Utilizing Multi Layer Structure Wafer}
본 발명은 파장 분할 다중화(WDM: Wavelength Division Multiplex) 방식의 광통신 시스템에서 사용되는 광스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조층과 희생층 및 지지층으로 이루어진 웨이퍼를 구비하고, 상기 웨이퍼의 희생층을 에칭하여 상기 희생층이 최소한의 면적으로 구조층을 부양토록 하며, 상기 구조층은 광도파로를 지지하는 패널의 형태와 상기 각 광도파로 간의 전송광의 반사를 위한 거울의 형태 및 거울을 움직이는 구동수단으로 에칭되어 이루어지는 구조인 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치에 관한 것이다.
일반적으로 파장 분할 다중 방식(WDM)은 광섬유를 이용하는 통신에서, 상이한 파장의 빛을 이용하여 복수의 채널을 동시에 전송하는 방식이다. 이 때 통상적으로 사용되는 단일 모드 광섬유에서는 감쇠가 적은 1.3m와 1.55m 2종류의 광파장을 이용한다.
이러한 파장 분할 다중방식의 구현을 위한 장치는 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer)라 불리우며 일종의 광커플러(optical coupler)로서 기능하는데, 하나의 광섬유 채널을 빛의 파장에 의해서 분할하여 복수의 통신로로 사용할 수 있게 하는 장치이다.
예를 들면 1.55m 파장으로부터 1.3m 파장을 분리하고 2개의 별도 신호를 각각 다른 파장대로 입력시켜 1개의 광섬유를 통해서 전송한다. 그리고 다시 이 통합된 신호를 받아 2개의 신호로 분리시켜 감지토록 한다.
상기와 같은 파장 분할 다중화기의 기능에 대한 메커니즘은 2가지가 있으며 하나는 파장에 따라 굴절, 반사가 달라지는 원리이고, 다른 하나는 다이크로익 필터를 채용해서 분리하는 방법을 사용한 것이다. 즉 한 파장은 필터를 통과하나 다른 파장은 반사하는 원리를 이용하는 방법이다.
이 때 상기 파장 분할 다중방식화기로서 광 가감기(optical add drop mutiplexer)가 사용되며, 상기 광 가감기에는 광학소자를 기계적으로 구동해서 빛이 이동하는 길 즉 광로를 차단하거나 변화하는 멤스형 광 스위치가 사용된다.
상기 멤스형 광 스위치(MEMS; Micro Electro Michanical System; 초소형 기전 시스템, 기판상에 설치되는 구조물을 움직이게 만드는 공정기술 또는 그러한 공정기술로 만들어진 소자)는 삽입 손실, 누화, 편광 및 파장 의존 손실 등이 낮다는 장점으로 인하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
이러한 상기 광 스위치는 기본적으로 1 x 2 구성과 2 x 2 구성방식으로 구분되며, 이 중 상기 2 x 2 구성방식의 광스위치가 보다 널리 사용된다. 아울러 상기 광스위치의 구성에 있어서 유리혹은 폴리머와 같은 물질을 도관 혹은 막대기의 형태로 제작하여 빛의 전송통로로서 사용하는 것이 광도파로이다.
상기와 같은 광 스위치에서 광전송로로서 기능하는 광도파로 간의 반사손실을 낮추기 위해 굴절율 맞춤액을 사용하는데, 광도파로를 정렬, 혹은 패키징할 때 맞춤액의 취급이 어렵다는 문제점이 있다.
즉, 일반적으로 공기의 굴절률을 1로 본다면, 광도파로의 굴절율은 1.5정도가 되는바, 입출력 포트 사이에는 광도파로가 존재하지 않는 공간이기 때문에, 입력 포트를 통과하는 빛의 일부가 입력포트로 되돌아가게 되는 반사 손실이 발생한다. 이를 방지하기 위해서 액상의 굴절율 맞춤액을 넣어 광도파로와 동일한 굴절율을 갖도록 하지만 상기 굴절율 맞춤액이 증발 또는 어는 현상이 발생할 수 있으며, 이것을 방지하기 위해서 패키지화 해야 하는 문제점이 있다.
또한, 주변온도에 따른 광 스위치의 광학적, 기계적 특성이 많이 달라진다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 굴절율을 맞추기 위해서 패키지화된 액상의 굴절률 맞춤액을 이용하여 광도파로의 입출력 포트 사이를 연결해야 때문에, 작업공정이 늘어남은 물론 미세공정에서 작업하는 것이 매우 어려운 일이었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 굴절률 맞춤액을 이용하지 않고 각 광도파로의 입출력포트 간 광통신이 가능한 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2목적은, 지지층, 희생층 및 구조층으로 이루어진 웨이퍼를 사용하여 입출력 광 스위칭 소자의 미세구동의 발현이 용이하도록 할 수 있는 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적들은, 양단에 일정각도의 경사진 단면을 갖는 광통신용 입력포트(11) 및 출력포트(12)가 각각 형성되는 광도파로(10);
상기 광도파로(10)를 고정하는 고정부(30)와, 상기 입출력 포트(11,12)간 광통신 방향을 변환하는 거울(20) 및 상기 거울(20)을 움직이는 구동수단이 실장된 구조층(100);
상기 구조층(100) 하단에 위치하며, 상기 구조층(100)에 비해 상대적으로 작은 면적으로 에칭되어 상기 구조층(100)을 이격 지지하는 희생층(200); 및
상기 희생층(200) 하단에 위치하며, 상기 희생층(200) 및 구조층(100)을 지지하는 지지층(300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치에 의하여 달성된다.
여기서 상기 고정부(30)는 상기 광도파로(10)에 면접촉되어 측부에서 지지하는 제 1고정패널(31)과, 상기 광도파로(10)에 선접촉되어 측부에서 탄성 지지하는 제 2고정패널(32)로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광도파로(10)의 입출력포트(11,12) 끝단은 일정각도로 라운드진 것이 바람직하다.
아울러 상기 각 광도파로(10)의 입력포트(11)와 출력포트(12) 사이에는 렌즈(1100)가 더 실장되는 것이 바람직하다.
또한 상기 구조층(100) 및 지지층(300)은 실리콘으로 이루어지고, 상기 희생층(200)은 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 광도파로(10) 입출력포트(11,12)의 각 끝단면은 무반사 코팅되어진 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
다음으로는 본 발명에 따른 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 광 스위치에 이용되는 웨이퍼의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼는 광 스위치(1000)에서 광도파로(10)를 지지하는 고정부(30)와, 각 광도파로(10) 간의 통신용 빛의 방향 전환(또는 차단)을 위해 사용되는 거울(20) 및 상기 거울(20)을 구동하는 구동수단의 형성에 이용되는 것이다.
이러한 상기 웨이퍼의 최상부에는 구조층(100)이 위치한다. 그리고 상기 구조층(100)의 하부에는 희생층(200)이 위치하며, 상기 희생층(200)의 하부인 최하부에는 지지층(300)이 위치한다. 따라서 웨이퍼는 웨이퍼의 높이방향을 따라 구조층(100), 희생층(200) 및 지지층(300)으로 이루어져 있다.
이 때 상기 구조층(100)의 재질은 실리콘이며, 광도파로(10)를 고정하는 고정부(30)와, 상기 광도파로(10) 간의 입출력 포트(11,12)를 변환하는 거울(20) 및 거울(20)을 움직이는 구동수단(미도시)이 에칭된다. 이 때 에칭은 SF6 가스 등이 이용한다.
또한 상기 지지층(300)은 상기 구조층(100)과 같은 실리콘으로 이루어지며, 일종의 베이스로서 상기 구조층(100) 및 희생층(200)을 하부에서 지지한다.
그리고 상기 희생층(200)은 실리콘 산화물로 이루어지며, 에칭은 불산(HF)을 이용하는데, 상기 구조층(100) 및 지지층(300) 사이에서 각 층에 비해 상대적으로 작은 크기로 에칭됨으로써, 각 층(100,300)간을 연결하는데만 기능한다.
도 2는 본 발명에 따른 광도파로 간의 광전송 원리를 나타낸 간략한 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 광도파로(10)에서 일측의 광도파로(10)의 출력포트(12)는 타측의 광도파로(10)의 입력포트(11) 간을 약 3°∼20°정도의 각도로 경사지게 구성하는 바, 각 포트(11,12)의 경계면에서 각 광도파로(10)에서 반사하는 빛과 공기 중으로 굴절하여 통과하는 빛으로 분리된다.
이 때 일측의 광도파로(10)에서 반사되는 빛은 광도파로(10)의 입사각보다 크므로, 상기 광도파로(10)를 따라 거의 전파되지 못하고 방출되므로, 원래의 광도파로(10)로 돌아가는 빛의 양 즉, 반사손실이 적게 된다.
또한 공기 중으로 굴절하여 통과하는 빛은 대응하는 타측의 광도파로(10)를 만나서 상기 광도파로(10)에서 반사되는 빛과 그 안으로 굴절하여 통과하는 빛으로 분리된다.
이 때 타측의 광도파로(10)에서 반사되는 빛은 초기의 빛이 나온 일측의 도파로(10)를 따라 거의 전파되지 못하고 방출되어 반사손실에 거의 영향을 미치지 않는다.
이와 같이 한 쌍의 대응하는 광도파로(10)의 각도 조건이 대칭이고, 굴절하는 빛의 경로에 맞추어 광도파로(10) 간 측면 이격을 둘 때, 타측의 광도파로(10) 안으로 굴절하여 통과하는 빛은 타측의 광도파로(10)를 따라 상대적으로 적은 삽입 손실을 가지고 전파된다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 광스위치의 제 1작동구성도이고, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 광스위치의 제 2작동구성도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서 두쌍의 경사진 단면을 가진 각 광도파로(10)와 빛의 경로를 바꿔주기 위한 1개의 광 반사용 거울(20)로 구성된 2 x 2 형태의 광 스위치(1000)의 구조를 나타나 있다.
상기 각 광도파로(10)의 양측에는 고정부(30)가 구비되는데, 상기 고정부(30)는 상기 광도파로(10)에 양측에서 각각 지지하는 제 1고정패널(31) 및 제 2고정패널(32)로 이루어진다. 상기 제 1고정패널(31)은 상기 광도파로(10)에 면접촉되어 측부에서 지지한다. 그리고 상기 제 2고정패널(32)은 상기 광도파로(10)에 선접촉되어 측부에서 탄성 지지한다.
이 때 광 정렬을 용이하도록 하기 위해 상기 제 1고정패널(31) 및 제 2고정패널(32)로 광도파로(10)의 위치 및 방향을 수동으로 정렬할 수 있다.
이러한 상기 각 패널(31,32) 및 거울(20)의 바람직한 제작은 앞에서 언급된 바와 같이 구조층(100), 희생층(200) 및 지지층(300) 등이 높이방향을 따라 3층으로 이루어진 웨이퍼를 에칭 등의 방식으로 식각하여 구조층(100)은 상기 각 패널(31,32) 및 거울(20)의 형상으로 형성한다. 또한 희생층(200)은 보다 작은 크기로 형성하여 단지 상기 구조층(100) 및 지지층(300)을 연결하는 수단으로 기능하도록 하여 구조층(100) 부양과 같은 공정으로 제작한다.
이 때 상기 거울(20)의 제작을 위해 빛이 입사되는 표면에 금속을 입히는 공정을 추가할 수 있다.
도 3 및 도 4에서는 광스위치(1000)의 구성이 평면도로서 도시되었는데, 우선 도 3에서 마주보는 2개의 각 광도파로(10) 중 어느 하나에서 나온 빛이 다른쪽 광도파로(10)에 잘 전파되도록 정렬되어 있으며, 2개의 입력포트(11) 에서 2개의 출력포트(12)로 2개의 직진경로를 따라 자유로이 진행하는 오프 상태(off state)를 나타낸다.
한편, 도 4에서는 반사 거울(20)이 작동방향으로 진행하면, 빛의 방향을 바꾸어 2개의 입력포트(11)에서 나온 빛이 서로 다른 2개의 출력포트(12)로부터 반사경로를 따라 진행하는 온 상태(on state)를 나타내며, 이 때 상기 거울(20)의 반사각도는 일실시예로서 둔각 즉, 반사각도가 90°보다 상대적으로 크지만, 이외에 광도파로(10) 경사각 및 거울(20)과 광도파로(10)의 정렬에 따라 달라질 수 있다.
아울러 상기 거울(20)은 정전력, 전자력, 열, 압전력, 바이메탈 등을 이용한 미세 구동기(미도시) 또는 기계적 구조의 구동기에 의해 구동될 수 있다. 또한 이 구조에서 광도파로(10)의 경사 각도는 웨이퍼의 기판면쪽 혹은 기판의 반대쪽을 향할 수 있고, 이 경우 광 도파로(10)의 측면 이격의 위치가 도 2에 나타낸 굴절방향을 따라 달라질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 광스위치의 제 1작동구성도이고, 도 6은 본 발명의 제 2실시에에 따른 광스위치의 제 2작동구성도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서, 빛이 이동하는 채널을 보다 다양한 여러 채널로 확장할 수 있도록, 경사진 단면을 가지며 상호 마주보지 않는 위치의 두쌍의 광도파로(10)와 각 광도파로(10)간 빛의 경로를 바꿔주기 위한 4개의 반사 거울(20)로 구성된 2 x 2 형태의 광 스위치(1000) 구조를 나타내었다.
이 구조에서 도 5는 2개의 광도파로(10)에서 나온 빛이 다른쪽 2개의 광 도파로(10)에 잘 전파되도록 정렬되어 있으며, 2개의 입력포트(11)에서 2개의 출력포트(12)로 2개의 반사경로를 따라 진행하는 오프 상태(off state)를 나타낸다.
한편, 도 6은 반사 거울(20)이 진행되면, 빛의 방향을 바꾸어 2개의 입력포트(11)에서 나온 빛이 다른 2개의 출력포트(12)로 2개의 반사경로를 따라 진행하는 온 상태(on state)를 나타낸다. 이 때 상기 거울(20)의 반사각도는 일실시예로서 예각 즉 90°보다 상대적으로 작지만, 이외에 광도파로(10) 경사각 및 거울(20)과 광도파로(10)의 정렬에 따라 달라질 수 있다.
아울러 상기 거울(20)은 정전력, 전자력, 열, 압전력 및 바이메탈 등을 이용한 미세 구동기 또는 기계적 구동기에 의해 구동될 수 있다.
그리고 각 광도파로(10)는 광축 배치의 편이를 위해 수직, 또는 다른 소정의 각으로 정렬될 수 있다. 또한 이 구조에서 광도파로(10)의 경사 각도는 기판면쪽 혹은 기판의 반대쪽을 향할 수 있고, 이 경우 광도파로(10)의 측면 이격의 위치가 도 2에 나타낸 굴절방향을 따라 달라질 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 광도파로의 제 1형상 개념도이고, 도 8은 본 발명에 따른 광도파로의 제 2형상 개념도이며, 도 9는 본 발명에 따른 광도파로의 제 3형상 개념도이다.
우선 도 7에서, 일정각도로 각 입출력 포트(11,12)가 경사지게 형성된 각 광도파로(10) 간의 빛의 전송에서는 빛이 퍼져 나가는 현상을 보인다. 이 때 광도파로(10)의 각 입출력포트(11,12) 끝단을 티타늄 산화물(TiO2)으로 무반사 코팅함으로써, 빛의 반사손실을 개선할 수 있다.
그런데 상기 도 8에서와 같이, 각 입출력포트(11,12)의 끝단면을 둥근 렌즈와 같이 라운딩 처리 제작하여 빛을 전송할 경우 앞에서 언급된 빛의 퍼짐 현상이 개선될 수 있다.
또한 상기 도 9에서와 같이, 상기 도 7에서 도시된 경사진 단면의 각 광도파로(10)의 중간에 볼록한 형태의 렌즈(1100)를 실장하게 될 경우 빛이 출력포트(12)에서 입력포트(11)로 이동 중 펴져나가지 않는다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치(1000)에서, 다층구조의 웨이퍼는 2 x 2 형태의 광스위치(1000) 이외에, 1 x 2 형태의 광스위치(1000)에도 적용하여 사용할 수 있다.
아울러 상기 광도파로(10)의 개수 및 거울(20)의 개수는 본 발명의 각 실시예에 언급된 개수 이외에, 본 발명이 미세분야에 적용되는 바 미세 가공기술이 허용되는 범위 내에서 개수를 달리하여 사용할 수 있다.
그리고 상기 거울(20)의 반사각도는 앞에서 언급된 둔각 또는 예각의 범위 이외에, 광도파로(10)의 경사각 및 거울(20)과 광도파로(10)간의 정렬정도 즉 상대적인 거울(20)의 이동 위치에 따라 보다 다양한 반사각도를 발현할 수 있음은 물론이다.
또한 상기 구조층(100)의 에칭물질로 사용되는 것으로 앞에서 언급된 SF6 이외에, PMAH 용액, KOH 용액, EDP 용액 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
더불어 상기 희생층(300)을 에칭하는 것으로 앞에서 언급된 불산(HF) 이외에, 불산을 일정한 농도로 희석한 BOE 용액을 사용할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 광 스위치에 의하면, 광스위치의 패키징에 곤란한 문제점과 주변온도에 따라 광특성 및 기계적 특성이 달라진다는 문제점을 안고 있는 굴절율 맞춤액을 사용하지 않고도 광도파로의 입출력포트 사이의 광전송시 보다 낮은 광손실을 구현할 수 있는 특징이 있다.
아울러, 지지층, 희생층 및 구조층으로 이루어진 웨이퍼를 사용함으로써, 입출력 광 스위칭 소자의 미세구동의 발현이 가능한 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광스위치에 이용되는 웨이퍼의 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 광도파로 간의 광전송 원리를 나타낸 간략한 개념도,
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 광스위치의 제 1작동구성도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 광스위치의 제 2작동구성도,
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 광스위치의 제 1작동구성도,
도 6은 본 발명의 제 2실시예에 따른 광스위치의 제 2작동구성도,
도 7은 본 발명에 따른 광도파로의 제 1형상 개념도,
도 8은 본 발명에 따른 광도파로의 제 2형상 개념상도,
도 9는 본 발명에 따른 광도파로의 제 3형상 개념도이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
10: 광도파로 11: 입력포트
12: 출력포트 20: 거울
30: 고정부 31: 제 1고정패널
32: 제 2고정패널 100: 구조층
200: 희생층 300: 지지층
1000: 광스위치 1100: 렌즈

Claims (6)

  1. 양단에 일정각도로 라운드 된 단면을 갖는 광통신용 입력포트(11) 및 출력포트(12)가 각각 형성되는 광도파로(10);
    상기 광도파로(10)를 고정하는 고정부(30)와, 상기 입출력 포트(11,12)간 광통신 방향을 변환하는 거울(20) 및 상기 거울(20)을 움직이는 구동수단이 실장된 구조층(100);
    상기 구조층(100) 하단에 위치하며, 상기 구조층(100)에 비해 상대적으로 작은 면적으로 에칭되어 상기 구조층(100)을 이격 지지하는 희생층(200); 및
    상기 희생층(200) 하단에 위치하며, 상기 희생층(200) 및 구조층(100)을 지지하는 지지층(300);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부(30)는 상기 광도파로(10)에 면접촉되어 측부에서 지지하는 제 1고정패널(31)과, 상기 광도파로(10)에 선접촉되어 측부에서 탄성 지지하는 제 2고정패널(32)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 광도파로(10)의 입력포트(11)와 출력포트(12) 사이에는 렌즈(1100)가 더 실장되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 웨이퍼를 이용한 광 스위치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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