KR20010076346A - Ｍｅｍｓ 광학적 교차-연결 스위치 및 마이크로일렉트로닉소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법 - Google Patents

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KR20010076346A KR1020010002914A KR20010002914A KR20010076346A KR 20010076346 A KR20010076346 A KR 20010076346A KR 1020010002914 A KR1020010002914 A KR 1020010002914A KR 20010002914 A KR20010002914 A KR 20010002914A KR 20010076346 A KR20010076346 A KR 20010076346A
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우드로버트엘.
힐에드워드에이.
마하드반라마스와미
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Abstract

입력 파이버로부터 두 개 또는 그 이상의 출력 파이버들 중 하나로 광학적 신호들을 스위칭할 수 있는 마이크로일렉트로미케니컬 구조(MEMS)가 개시된다. 일 실시예에서, 상기 MEMS 광학적 교차-연결 스위치는 표면 위에 배치된 팝-업 거울을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 가변 제어 자계 소스와 같은 회전 자계 소스를 포함한다. 회전 자계 소스는 팝-업 거울이 비-반사 상태에서 반사 상태로 동작하는데 있어서의 신뢰성을 제공한다. 이 외에 본 발명은 표면 위에 배치된 팝-업 거울을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 이 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계를 갖도록 배치된 위치 지정 구조물을 포함한다. 이 위치 지정 구조물은 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계를 갖는 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 연장된다. 이 위치 지정 구조물은 팝-업 거울이 반사 상태로 동작하고 있을 때 팝-업 거울의 더 이상의 움직임을 제한한다. 이 외에도, 위치 지정 구조물은 제2 마이크로일렉트로닉 기판과 연결된 전압 소스를 통해 정전기적으로 활성화될 수 있으며, 이 위치 지정 구조물의 정전기적 활성화에 의해 팝-업 거울이 반사 상태로 고정된다. 본 발명은 다수의 팝-업 거울들 및 위치 지정 구조물들의 광학적 교차-연결 스위치 어레이 내에 채용된다. 그 밖에, 본 발명은 하나 또는 그 이상의 광학적 파이버 입력들과 두 개 또는 그 이상의 파이버 출력들을 갖는 광학적 교차-연결 스위치 시스템에도 또한 채용될 수 있다. 광학적 교차-연결 스위칭을 수행하는 방법 및 제조 방법들도 역시 개시된다.

Description

ＭＥＭＳ 광학적 교차-연결 스위치 및 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법{MEMS optical cross-connect switch and method for switching of optical signals in a microelectronic device}
본 발명은 광학적 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로일렉트로미케니컬(microeletromechanical) 단일 모드의 광학적 파이버 교차-연결 스위치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
박막 기술의 발전으로 인하여 정교한 집적 회로의 개발이 가능하게 되었다. 이 발전된 반도체 기술은 MEMS(Micro Electro Mechanical System: 마이크로 전기기계적 시스템) 구조체를 만들어내는데도 역시 도움을 주었다. 통상적으로 MEMS 구조체는 운동력 또는 인가력을 받을 수 있다. 마이크로센서, 마이크로기어, 마이크로모터, 그리고 다른 마이크로공학적 소자들을 포함하는 MEMS 소자들의 많은 다른 종류들이 만들어지고 있다. MEMS 소자들은 다양한 응용 분야에서 개발되고 있는데, 그 이유는 그 소자들이 저렴한 비용, 높은 신뢰도 및 매우 작은 크기와 같은 이점들을 제공하기 때문이다. 이와 같은 MEMS 기술은 단일 모드의 광학적 파이버에 대한 자유-공간 스위치의 개발에도 적용되고 있다.
광학적 파이버는 전기적 케이블에 비교하여 많은 장점들을 제공하는데, 그 장점들에는 높은 밴드폭, 낮은 손실, 경량, 전류 서지(surge)로부터의 안전 및 매우 적은 전자기적 간섭이 포함된다. 광범위한 파이버 광학 네트워크의 이용이 폭넓게 받아들여지고 있으며, 고속 근거리 통신망(LAN; Local Area Network)에 대한 국제 표준들 중의 하나로서 이동통신 산업에 의해 뒷받침되고 있다. 파이버 광학적 스위치는 네트워크에서 그 네트워크를 재구성하는데 사용되고, 그리고(또는) 전체적인 신뢰도를 증가시키는데 사용된다. 예를 들면, 광학적 바이패스 스위치가 네트워크 내의 불량 노드들을 회피할 수 있도록 하기 위해 채용되고 있다.
파이버 광학적 스위치는 자유-공간 접근 혹은 도파로 접근법에 의해 제조될 수 있다. 자유-공간 접근법은 통상적인 도파로 접근법에 비하여 많은 이점들을 제공한다. 통상적인 도파로 접근법의 예는 1995년 6월 25일부터 29일까지 스웨덴의 스톡홀름에서 개최된 국제 고체-상태 센서 및 액츄에이터 회담 - 변환기 1995에서 "마이크로기구적 1 X 2 광학적-파이버 스위치(Micromachined 1 X 2 Optical-FiberSwitch)"라는 명칭으로 발표된 엘.에이.필드(L.A. Field) 등의 기술 논문에 나타나 있다. 자유 공간 접근법은 낮은 결합 손실과 최소화된 크로스 토크(cross talk)를 갖는다. 그러나, 종래의 자유-공간 파이버 광학적 스위치는 벌크 광학적 요소를 채용하고, 일반적으로 제조하는데 많은 비용이 소요된다. MEMS 기술에 따르면, 자유 공간 파이버 광학적 스위치의 성능이 향상되고, 비교적 최소화된 비용으로 제조될 수 있다. 이와 같은 자유 공간 MEMS 스위치의 예는 "실리콘 마이크로기구적 토션 거울에 의한 광학적 교차연결(Optical Crossconnection by Silicon Micromachined Torsion Mirrors)라는 명칭을 갖는 토시요시(H. Toshiyoshi) 등의 기술 논문, 1996년 8월 5-9일 CO 키스톤의 다이제스트 IEEE/LEOS 1996 여름 주제 모임(Digest IEEE/LEOS 1996 Summer Topical Meetings)의 기술 논문의 63-64페이지, 그리고 1997년 10차 IEEE 국제 MEMS 워크샵에서 "파이버 광학적 스위칭 응용에 있어서 반응성 이온 식각에 의해 제조된 수직적 거울(Vertical Mirrors Fabricated by Reactive Ion Etching for fiber Optical Switching Applications)"이라는 명칭을 갖는 씨.마서(C. Marser) 등의 기술 논문의 349-354페이지에 나타나 있다.
가장 기본적인 형태의 MEMS 파이버 광학적 스위치는 입력을 단일 파이버로부터 두 개의 가능한 출력 파이버들 중의 하나로 보내줄 수 있는 것이다. 파이버를 기반으로 하는 이동 통신 산업은 하나의 어레이로 다중 스위치 요소들을 집적할 수 있도록 할 마이크로일렉트로닉 스위치 구조를 요구한다. 어레이 디자인에 있어서의 중요한 점은, 하나의 스위치 요소를 하나의 입력 파이버로 연결시켜주는 설정으로 인해 다른 스위치 요소를 다른 입력 파이버들로 연결시키고자 하는 설정이 방해받지 않도록, 비-차폐(non-blocking) 및 일대일 동작 가능한 스위치 어레이를 만드는 능력이다. 또 다른 중요한 점은, 본 출원에 의해 설명되어지는 바와 같이 많은 입력 파이버들이 출력 파이버들로 연결되도록 크기를 변화시킬 수 있는 어레이 구조를 만들고자 한다는 점이다. 광학적 파이버들을 안정적인 형식으로 재배열시킬 수 있는 정적인 반사 상태를 제공함으로써 삽입 손실이 제한되도록 파이버 광학적 스위치를 고안하여야 한다.
현재의 마이크로일렉트로닉 광학적 스위치의 또 다른 관심사는 반사 구조체, 또는 거울을 비-반사 상태에서 반사 상태로 적절하게 동작시키는 능력이다. 거울들을 동작시키기 위해 자계를 사용하는 것은 약간은 성공적이다. 대부분의 경우들에 있어서, 비-반사와 반사 상태 사이의 중간점에서 거울에 최대 토크를 제공하는 일정한 자계가 사용된다. 토크가 그 중간점에서 최대가 되고 나면, 거울이 반사 상태에 도달하여 토크가 낮은 값에 도달하기까지 토크는 점점 감소한다. 낮은 토크는 거울이 요구하는 반사 상태로 일정하게 도달하는 것을 방해하는 효과를 나타낸다.
따라서, 몇몇 자유 공간 광학적 파이버 교차-연결 스위치가 개발되었지만, 삽입 손실을 최소화시키는 면에서 보다 안정적으로 동작하고, 비-차폐, 일대일 동작 가능한 스위칭 매트릭스를 허용하고, 크기를 변화시킬 수 있는 스위치 어레이를 제공하고, 일정한 동작을 허용하고, 그리고 보다 효율적인 비용으로 제조할 수 있는 다른 형태의 광학적 교차-연결 스위치를 개발하는 것이 여전히 이점이 있다. 결국, 이 MEMS 광학적 교차-연결 스위치들은 보다 다양한 이동 통신 응용 분야들에있어서 적당하다. 파이버 광학 네트워크와 같이 수많은 이동 통신 응용 분야들은 상기와 같이 개선된 속성들을 갖는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치들로부터 혜택을 받을 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 개선한 MEMS 광학적 스위치 교차-연결 스위치 및 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 비-반사 상태의 팝-업 거울과 위치 지정 구조물들 사이의 위치적 관계를 나타내 보인 MEMS 광학적 교차-연결 스위치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 반사 상태의 팝-업 거울과 위치 지정 구조물들 사이의 위치적 관계를 나타내 보인 MEMS 광학적 교차-연결 스위치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 MEMS 팝-업 거울과 관련된 테더 디바이스 및 기판 앵커를 나타내 보인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따라 팝-업 거울이 아래의 비-반사 상태에서 수직적인 반사 상태로 움직일 때의 자계 활성 과정을 나타내 보인 MEMS 광학적 교차-연결 스위치의 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 단지 일정한 자계 소스만을 사용한 실시예 및 일정한 자계 소스와 자극 조각을 사용한 실시예에서의 자기적 토크와 자기적 토크 차이를 증가시키는 팝-업 거울 각도 사이의 관계를 나타내 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 팝-업 거울의 충분히 수직적인 동작을 효과적으로 수행하기 위해 가변 제어 자계를 사용하는 것을 나타내 보인 MEMS 광학적 교차-연결 스위치의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수의 팝-업 거울 어레이의 스위칭 기능을 나타내 보인 MEMS 광학적 교차-연결 스위치 어레이를 나타내 보인 사시도이다.
도 8a 내지 도 8i는 본 발명의 광학적 교차-연결 스위치를 제조하는 방법에 따라 그 위에 형성되는 위치 지정 구조물들을 갖는 제2 마이크로일렉트로닉 기판을 제조하는 여러 단계들을 나타내 보인 단면도들이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 광학적 교차-연결 스위치를 제조하는 방법에 따라 그 위에 형성되는 팝-업 거울을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판을 제조하는 여러 단계들을 나타내 보인 단면도들이다.
본 발명은 하나의 입력 파이버로부터 두 개 또는 그 이상의 출력 파이버들 중의 하나로 광학적 파이버들을 스위칭할 수 있는 마이크로일렉트로미케니컬 구조물을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 MEMS 광학적 교차-연결 스위치는 표면 위에 형성된 팝-업 거울을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 상기 팝-업 거울에게 동작력을 제공하도록 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 근접되게 형성된 회전 자계 소스를 포함한다. 상기 회전 자계는 동작 기간에 걸쳐서 토크를 최대로 할 수 있는 가변 제어 자계를 포함한다. 상기 가변 제어 자계는 대체로 직교하는 자계 축을 갖는 한 쌍의 와이어 코일들을 포함한다. 상기 코일(들)에 공급되는 전류를 변화시키고, 이에 따라 팝-업 거울이 비-반사 상태에서 반사 상태로 움직이는 동안에 걸쳐서 자계 토크를 최대로 하고 최적의 동작력을 발생시킴으로써, 동작 기간 동안에 상기 가변 제어 자계 소스를 조정할 수 있다. 이 외에, 팝-업 거울에 또 다른 자기적 인력을 제공하기 위하여 제2 마이크로일렉트로닉 기판에 근접하도록 자극 조각을 배치시킬 수도 있다.
이 외에도, 상기 실시예는, 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키기 위한 정지-게이트로서 작용하도록 배치된 적어도 하나의 위치 지정 구조물을 포함한다. 상기 위치 지정 구조물은, 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계에 있는 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 연장된 기둥 모양의 구조물로 이루어진다. 상기 위치 지정 구조물은, 이 위치 지정 구조물의 정전기적 동작으로 인하여 팝-업 거울이 "수직적인" 반사 상태로 고정되도록, 제2 마이크로일렉트로닉 기판과 연결된 전압 소스를 통해 정전기적으로 동작될 수도 있다. 그 밖에, 본 실시예의 MEMS 광학적 교차-연결 스위치는, 팝-업 거울의 납작한 비-반사 상태의 팝-업 거울로 "일정 크기 이하로 제한된(clamp-down)" 전압을 제공하기 위하여 제1 마이크로일렉트로닉 기판과 연결되어 정전기적으로 활성화될 수 있는 테더 디바이스를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, MEMS 광학적 교차-연결 스위치는 그 표면 위에 배치된 팝-업 거울을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계로 배치된 위치 지정 구조물을 포함한다. 상기 위치 지정 구조물은, 팝-업 거울이 반사 상태로 동작될 때 상기 팝-업 거울의 위치를 지정한다. 상기 위치 지정 구조물은, 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계에 있는 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 연장된 기둥 모양의 구조물로 이루어진다. 상기 위치 지정 구조물은, 이 위치 지정 구조물의 정전기적 동작으로 인하여 팝-업 거울이 "수직적인" 반사 상태로 고정되도록, 제2 마이크로일렉트로닉 기판과 연결된 전압 소스를 통해 정전기적으로 동작될 수도 있다. 본 실시예의 동작 메커니즘은 자계 소스를 포함한다. 이 외에도, 상기 자계 소스는 가변 제어가 가능한 회전 자계 소스를 포함할 수도 있다. 또한, 팝-업 거울이 소망하는 충분히 수직적인 반사 상태로 도달하도록 하는 충분한 자기적 토크를 갖도록 하는 것을 보장해주기 위하여 제2 마이크로일렉트로닉 기판 내부 또는 근접되게 자극 조각을 위치시킬 수도 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법은, 광 경로로부터 입력 신호를 받는 단계와, 회전 자계를 발생시켜 팝-업 거울을 비-반사 상태에서 반사 상태로 이동시키는 단계, 및 상기 입력 신호를 상기 팝-업 거울로부터 다른 광 경로로 반사시키는 단계를 포함한다. 이 외에도, 상기 방법은 위치 지정 구조물로 상기 팝-업 거울의 움직임으로 제한함으로써 상기 팝-업 거울을 반사 상태로 유지시키는 단계를 포함한다. 또 다른 단계는 관련된 위치 지정 구조물로 전압을 인가함으로써 상기 팝-업 거울을 반사 상태로 정전기적으로 고정하는 단계를 포함한다.
마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호의 교차-연결 스위칭의 또 다른 방법은, 광 경로로 입력 신호를 받는 단계와, 팝-업 거울을 비-반사 상태에서 반사 상태로 자기적으로 동작시키는 단계와, 상기 팝-업 거울이 반사 위치에 위치되도록 유지하는 단계, 및 상기 입력 신호를 상기 팝-업 거울로부터 다른 광 경로로 반사시키는 단계를 포함한다. 상기 팝-업 거울이 반사 위치에 위치되도록 유지하는 단계는, 위치 지정 구조물을 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 연장시키는 것과 같이적어도 하나의 위치 지정 구조물로 상기 팝-업 거울의 동작을 제한하는 단계를 더 포함한다. 상기 자기적으로 동작시키는 단계는, 팝-업 거울을 비-반사 상태에서 반사 상태로 동작시키기 위한 회전 자계를 발생시키는 단계를 포함한다.
이 외에도, 본 발명은 광학적 교차-연결 스위치 어레이에 채용되는데, 상기 광학적 교차-연결 스위치 어레이는, 그 표면 위에 배치된 적어도 두 개의 팝-업 거울들을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 근접하게 배치된 회전 자계 소스를 포함한다. 상기 교차-연결 스위치 어레이는, 상기 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키기 위하여 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계에 있도록 배치된 적어도 두 개의 위치 지정 구조물들을 포함한다. 상기 위치 지정 구조물들은 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계를 갖는 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 연장된 기둥 모양의 구조물들을 포함한다. 통상적으로, 상기 어레이는 비-차폐, 일대일 스위칭 매트릭스를 허용하기 위해 정렬된 n열과 m행의 팝-업 거울들과 대응되는 위치 구조물들을 포함할 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 광학적 교차-연결 스위치 어레이는 그 표면 위에 배치된 적어도 두 개의 팝-업 거울들을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계로 배치된 제2 마이크로일렉트로닉 기판을 포함한다. 상기 제2 마이크로일렉트로닉 기판은, 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 제1 마이크로일렉트로닉 기판을 향해 연장된 적어도 두 개의 위치 지정 구조물들을 갖는다. 상기 위치 지정 구조물들은 팝-업 거울이 반사 상태의 위치를 벗어나는 더 이상의 움직임을 제한한다. 상기 어레이의 팝-업 거울들은 회전 자계 소스와 같은 자계 소스에 의해 동작될 수도 있다. 통상적으로, 상기 어레이는 비-차폐, 일대일 스위칭 매트릭스를 허용하기 위해 정렬된 n열과 m행의 팝-업 거울들과 대응되는 위치 구조물들을 포함할 것이다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 광학적 교차-연결 스위치 어레이는, 그 표면 위에 배치된 적어도 두 개의 팝-업 거울들을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판과, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계로 배치된 제2 마이크로일렉트로닉 기판을 포함한다. 이 외에도, 본 실시예는, 적어도 두 개의 팝-업 거울들과 상호 작용하도록 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대한 방향을 갖는 자계를 제공하는 자계 소스와, 상기 팝-업 거울의 또 다른 자기적 인력을 제공하기 위해 상기 제2 마이크로일렉트로닉 기판에 근접하게 배치된 적어도 두 개의 자극 조각들을 포함한다.
본 발명은 MEMS 광학적 교차-연결 스위칭 시스템에도 또한 채용되는데, 상기 MEMS 광학적 교차-연결 스위칭 시스템은, 제1 마이크로일렉트로닉 기판, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판의 주위에 배치된 적어도 하나의 광학적 파이버 입력과 두 개의 파이버 출력들, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 근접되게 배치된 적어도 하나의 팝-업 거울, 및 상기 팝-업을 비-반사 상태로부터 반사 상태로 동작시키는 회전 자계 소스를 포함한다. 선택적인 MEMS 광학적 교차-연결 스위칭 시스템은 제1 마이크로일렉트로닉 기판, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판의 주위에 배치된 적어도 하나의 광학적 파이버 입력과 두 개의 파이버 출력들, 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 근접되게 배치된 적어도 하나의 팝-업 거울, 및 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계로 배치된 제2 마이크로일렉트로닉 기판을 포함한다. 상기 제2 마이크로일렉트로닉 기판은, 제2 마이크로일렉트로닉 기판으로부터 제1 마이크로일렉트로닉 기판을 향해 연장된 적어도 두 개의 위치 지정 구조물들을 갖는다. 상기 위치 지정 구조물들은 팝-업 거울이 반사 상태의 위치를 벗어나는 더 이상의 움직임을 제한한다.
본 발명의 MEMS 광학적 교차 연결 스위치는 동작 메커니즘으로써 회전 자계 소스를 구비함으로써 여러 가지 장점들을 갖는다. 이 형식에서, 상기 팝-업 거울들은 충분히 그리고 반복적으로 비-반사 상태로부터 반사 상태로 동작될 수 있다. 이 외에도, 본 발명은, 팝-업 거울들을 충분히 그리고 반복적으로 비-반사 상태로부터 반사 상태로 동작시키기 위한 또 다른 대안으로서 자극 조각들을 사용한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 기둥 모양의 구조물들과 같은 위치 지정 구조물들을 채용하는데, 상기 위치 지정 구조물들은, 팝-업 거울들이 각각 그것들의 반사 상태에 도달할 때 팝-업 거울들의 정지-게이트로서 작용한다. 더욱이 상기 위치 지정 구조물들에 정전기적 전압을 인가함으로써 상기 팝-업 거울들을 반사 상태로 고정시킬 수 있다. 위치 지정 구조물의 특정 디자인에 의하면, 하나의 스위치 요소를 하나의 입력 파이버로 연결시켜주는 설정으로 인해 다른 스위치 요소를 다른 입력 파이버들로 연결시키고자 하는 설정이 방해받지 않도록, 비-차폐(non-blocking) 및 일대일 동작 가능한 스위치 어레이가 구성될 수 있다. 또한 본 발명은, 본 출원에서 설명되어지는 바와 같이, 크기 변경이 가능한 어레이 구조를 제공함으로써 많은 입력 파이버들이 출력 파이버들과 연결되어지도록 한다. 본 발명의 자유-공간 MEMS 기술에 의한 파이버 광학적 스위치는, 광학적 파이버들을 안정적인 형식으로 재배열시킬 수 있는 정적인 반사 상태를 제공함으로써 삽입 손실이 제한되도록 한다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예들이 나타난 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 다른 많은 형태들로 구현될 수 있으며, 여기서 설명된 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 오히려 본 실시예들은 본 발명의 설명이 철저하고 완전하게 되도록 하기 위하여 제공되어지는 것이며, 이 기술 분야의 숙련된 사람들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 전반적으로 동일한 참조 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로일렉트로미케니컬(MEMS) 광학적 교차-연결 스위치를 나타낸 사시도들이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 교차-연결 스위치(10)는 대체로 평평한 표면을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉(microelectronic) 기판(12)을 포함한다. 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)은 실리콘으로 이루어질 수 있는데, 다른 적당한 반도체 물질들도 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 형성하는데 또한 사용될 수 있다. 팝-업(pop-up) 거울(14)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면 위에 배치된다. 도 1에서, 팝-업 거울(14)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면과 대체로 평행하게 놓여있는 평면에 배치된다. 비-반사 상태(non-reflective state)로 지칭되는 이 팝-업 거울(14) 방향에 있어서, 광학적 신호들은 변경되거나 반사되지않고 그 거울 구조물을 통과할 수 있다. 도 2에서, 팝-업 거울(14)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면과 대체로 수직하게 놓여있는 평면에 배치된다. 반사 상태(reflective state)로 지칭되는 이 팝-업 거울(14) 방향에 있어서, 광학적 신호는, 도 2의 화살표(16)로 나타낸 바와 같이, 팝-업 거울(14)의 반사면(18)과 만날 것이며, 그리고 그 신호들의 광 경로를 변경시킬 것이다.
광학적 교차-연결 스위치는 제2 마이크로일렉트로닉 기판도 또한 포함하는데, 이 제2 마이크로일렉트로닉 기판은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 대하여 정해진 위치 관계로 배치된다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판은 도 1 및 도 2에서 나타나지 않지만, 도 4a 내지 도 4c의 단면도들과 도 7의 사시도에서는 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)이 나타난다. 하나 또는 그 이상의 위치 지정 구조물(positioning structure)(22)들이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 및 팝-업 거울(14)에 대응되도록 배치되어서, 소망하는 반사 상태를 넘어 팝-업 거울(14)이 더 이상 이동하는 것을 억제시킨다. 도 4a 내지 도 4c와 도 7에 나타낸 실시예들에 있어서, 상기 위치 지정 구조물(22)들은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면을 향하도록 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)으로부터 연장된 기둥 모양(pillar-like)의 구조물이다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 위치 지정 구조물(22)들은, 통상적으로, 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 사이의 전기적인 절연을 보장하기 위하여 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 접근은 하지만 접촉하지는 않을 것이다. 위치 지정 구조물(22)들이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 접촉하도록 할 위치 지정 구조물(22)들의 단부 위 또는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위에 절연층을 배치시키는 것도 역시 가능하다. 이 기술 분야의 숙련된 사람들은 팝-업 거울(14) 및 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 대응하여 다른 정해진 위치 관계로 위치 지정 구조물(22)들을 배치시키는 것도 역시 가능하며, 그리고 본 발명의 범주 내에 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 정해진 위치 관계는, 팝-업 거울(14)이 반사 상태로 작동되고 있을 때 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임을 제한하도록 하는 위치 지정 구조물(22)들의 능력에 의해 좌우될 것이다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 및 그에 따른 위치 지정 구조물(22)들은 <110> 결정 실리콘으로 이루어질 수 있는데, 다른 적당한 반도체 물질들도 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 및 위치 지정 구조물(22)을 형성하는데 또한 사용될 수 있다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 구성하는데 선택된 물질은 위치 지정 구조물(22)에 요구되는 정밀면(precision face)을 허용하는 특성을 갖는 것이 바람직할 것이다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 위치 지정 구조물(22)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면을 향해 연장되지만 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면과 접촉하지는 않는다. 따라서 위치 지정 구조물(22)들은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 사이의 정해진 위치 관계에 대한 수단을 제공하지 않으며, 그에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 지지 구조체(24)들이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면의 외부 가장자리 둘레에 배치되도록 하는 것이 일반적이다. 이 지지 구조체(24)들은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 사이의 정해진 위치 관계를 제공한다.
또한, 도 2의 실시예에서, 팝-업 거울(14)은 두 개의 위치 지정 구조물(22)들에 의해 더 이상의 움직임이 제한된다. 이 실시예에서, 팝-업 거울(14)의 측면에 부착된 탭(tab)(25)들은 팝-업 거울(14)의 움직임을 제한하도록 각 위치 지정 구조물(22)의 정밀면의 가장자리와 접촉할 것이다. 팝-업 거울(14)이 단지 하나의 위치 지정 구조물(22)과 접촉하여 제한받도록 위치 지정 구조물(22)들을 구성하는 것도 역시 가능하며, 그리고 본 발명의 범주 내에 포함된다. 단일 위치 지정 실시예에서, 상기 팝-업 거울(14)은 단지 하나의 탭(25)만을 가질 수도 있는데, 이 경우도 상기 탭(25)은 팝-업 거울(14)이 위치 지정 구조물과 연결될 수 있도록 팝-업 거울(14)의 측면에 부착된다. 이 외에도, 위치 지정 구조물(22)들의 다른 면들 또는 표면들로 팝-업 거울(14)을 제한할 수 있다. 위치 지정 구조물(22)들은, 팝-업 거울(14)의 상부 가장자리(즉 거울과 기판이 연결되는 점으로부터 가장 먼 가장자리)에 의해 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임이 제한되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 상기 탭(25)은 팝-업 거울(14)의 상부 가장자리에 부착될 수도 있다. 반대로, 위치 지정 구조물(22)은, 팝-업 거울(14)의 하부 가장자리(즉 거울과 기판이 연결되는 점으로부터 가장 가까운 가장자리)에 의해 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임이 제한되도록 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예에서, 상기 탭(25) 구조는 팝-업 거울(14)의 하부 가장자리에 부착될 수도 있다. 본 발명의 위치 지정 구조물(22)은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 하부 측면의 리세스(recess)에 삽입될 수도 있다. 이와 같은 실시예에서, 탭(25)은 팝-업 거울(14)의 상부 가장자리에 부착될 수도 있다. 팝-업 거울(14)이 반사 상태로 접근하게 되면, 탭(25)은 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임을 제한하기 위하여 리세스의 내부 표면과 접촉될 것이다.
도 3의 평면도에는 팝-업 거울(14)이 보다 상세하게 나타나 있다. 상기 팝-업 거울(14)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 대체로 평평한 표면 위에 배치된다. 팝-업 거울(14)의 제조 동안에 채용되는 희생층 공정(sacrificial layering process)은 상기 팝-업 거울(14)이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 표면으로부터 분리되도록 하며, 제1 마이크로일레트로닉 기판(12) 내의 얕은 트랜치(30)와 중첩되도록 한다. 상기 트랜치(30)는 팝-업 거울(14)과 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 사이의 전기적 절연을 제공해주며, 그리고 제조하는 동안과 소자를 사용하는 동안에, 팝-업 거울(14)이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 고착되는 것(일반적으로 그 기술 분야에 숙련된 자에 의해 "접착력(stiction force)"으로 언급되는 것)과 관계된 문제들을 제한해준다. 트랜치(30)를 제조하는 대신에, 팝-업 거울(14)의 하부 측면, 기판 또는 양쪽 표면을 함몰된 모양(dimple-like)의 어레이 패턴으로 만드는 것도 또한 가능하다. 이 함몰된 표면은 팝-업 거울(14)과 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 사이의 보다 적은 접촉 표면 면적을 제공하며, 따라서 접착에 의한 문제들을 경감시켜준다. 동작중인 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임을 제한해 주는 상기 탭(25)은, 동작하지 않는 위치에서는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위에 놓이며 트랜치(30) 위로 팝-업 거울(14)을 지탱하는데 기여한다. 상기 탭(25)들은 동작중인 반사 위치 또는 동작되지 않는 비-반사 위치 내에 팝-업 거울(14)을 고정시키는데 기여한다.
테더 디바이스(tether device)(32)는 팝-업 거울(14)에게 이동성을 부여하고 팝-업 거울(14)의 탭(25)으로 정전기적 전압을 전송하기 위한 전기적 통로를 제공하는데 사용된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 테더 디바이스(32)는 연장된 타원형 모양(elongated oval shaped)의 테더를 포함할 수 있는데, 일반적으로 헤어핀 테더(hairpin tether)로 불리워진다. 이와 같은 테더 구성은 안정적인 팝-업 거울(14)을 제공할 수 있도록 하는 강인하고 유동성 있는 구조물을 제공한다. 테더 디바이스(32), 보다 구체적으로는 헤어핀 테더의 사용은 예로서 나타낸 것이다. 다른 테더 구조들과 유동성 있는 힌지 형태의 기구들도 부착된 팝-업 거울(14)에게 필요한 이동성을 부여하는데 또한 사용될 수도 있다. 단지 복잡성을 피하기 위하여, 도 1 및 도 2과 도 7a 및 도 7b에 테더 디바이스 또는 힌지 형태의 기구를 나타내지 않았다. 상기 테더 디바이스(32)는 앵커(anchor)(34)로 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 부착된다. 정전기적 에너지의 외부 소스(도 3에서는 도시되지 않음)가 앵커(34)에 전압을 인가하는데, 상기 전압은 테더 디바이스(32)을 가로질러 탭(25)으로 전송된다. 이 정전기적 전압은 테더 디바이스(32)를 활성화시키는데 필요한 에너지를 제공한다. 활성화 상태에서, 테더 디바이스(32)는 팝-업 거울(14)을 정적인 비-반사 상태로 유지하도록, 즉 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 대체로 평행하도록 하는데 필요한 힘을 부여한다. 본 실시예에서, 활성화된 헤어핀 테더는 타원 모양의 테더를 구부리거나 또는 찌그러뜨릴 것이다. 정전기적 전압이 더 이상 테더 디바이스(32)를 가로질러 전송되지 않게 되면, 상기 테더 디바이스(32)는 비 활성화 상태로 되돌아가고, 팝-업 거울(14)은 속박받지 않고 자유롭게 테더 디바이스(32)에 의해 정의되는 축으로 회전한다.
테더 디바이스(32), 앵커(34), 탭(25)들 및 팝-업 거울(14)의 하부 베이스 판(도 3에서 도시되지 않음)은 폴리실리콘과 같은 유사한 물질로 이루어질 수 있다. 상기 테더 디바이스(32), 지지체(34), 탭(25)들 및 팝-업 거울(14)의 하부 베이스 판을 다른 유동적이고 전기적으로 도전성인 물질들로 형성하는 것도 역시 가능하다. 지지체(34), 테더 디바이스(32), 탭(25)들 및 팝-업 거울(14)의 하부 베이스 판이 폴리실리콘과 같은 하나의 물질로 이루어지는 경우, 단일 제조 공정으로 상기와 같은 구조체들을 형성할 수 있다. 팝-업 거울(14)의 반사 표면(18)은 금(gold)으로 형성할 수 있지만, 다른 적당한 반사 물질들도 상기 반사 표면(18)을 형성하는데 또한 사용될 수도 있다. 반사 표면(18) 주위를 둘러싸는 프레임(26) 구조체는 전기 도금된 니켈을 포함할 수 있다. 팝-업 거울(14)의 프레임(26)은 팝-업 거울(14) 구조체 전체를 견고하게 해주고, 그리고 몇몇 실시예에서는 자기적으로 활성화된 물질을 제공한다. 유사한 특성을 제공하는 다른 물질들도 프레임(26) 구조체를 형성하는데 또한 사용될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 사이에서 만들어지는 자계를 이용하여 팝-업 거울(14)을 동작시킨다. 자계가 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 사이에 인가되면, 자기적으로 활성화된 팝-업 거울(14)이 자계 방향으로 스스로 정렬하고자 할 것이다. 이전에 설명한 바와 같이, 정전기적 필드가 팝-업 거울(14)에 인가되어 상기 팝-업 거울(14)이 정적인 비-반사 위치, 즉 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 평행한 위치가 되도록 할 수도 있다. 만약 자계가 채용된다면, 정전기적 필드는 자계보다 더 큰 세기가 되어야만 한다. 정전기적 필드가 제거되면, 자계가 우세해져서 팝-업 거울(14)을 동작시키는데 필요한 힘을 제공한다. 자계 활성화를 이용한 실시예에서, 프레임(26)은 팝-업 거울(14)의 자계적으로 활성화된 성분으로서 작용한다. 사용될 수 있는 자계는 요구되는 자계를 발생시킬 수 있는 외부 영구 자석들, 전자석들 및 다른 어떤 자석들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광학적 교차 연결 스위치는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면과 대체로 수직인 자계를 발생시키는 외부 자계를 채용할 수 있다. 그와 같은 자계는 영구 자석 또는 전자석들의 사용에 의해 만들어질 수도 있다. 요구되는 자계는 일반적으로 대략 200 내지 500 가우스(gauss)가 될 것이다. 도 4a 내지 도 4c는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평평한 표면과 대체로 수직인 자계를 갖는 실시예를 나타내 보인 단면도들이다. 도 4a에서, 팝-업 거울(14)(보다 상세하게는 자기적으로 활성화된 성분)에 대한 자기적 토크는, 제한된(clamp down) 전압이 가해지고 팝-업 거울(14)이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면과 평행인 초기 위치에 있을 때인 낮은 토크 단계부터 시작한다. 전자석(40)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면 아래에 위치하고, 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)과 대체로 수직인 자계를 발생시키는데 기여한다. 이 자계는 팝-업 거울(14)의 자기적 성분이 자계 축에 정렬되도록 하는데, 상기 자계는 테더 디바이스(32)의 비틀림에 역행하도록 작동하는 토크를 만든다. 전자석의 사용은 예로서 나타낸 것이다. 다른 자계 발생기들, 예컨대 영구 자석들도 요구되는 자계를 발생시키기 위해 또한 사용될 수도 있다. 이 외에도, 자계 발생기의 위치는 예로서 나타낸 것이다. 소망하는 자계의 세기 및 방향에 따라 자계 발생기의 위치가 결정된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 팝-업 거울(14)이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 평행한 초기 위치로부터 대체로 대략 45°, 즉 자계 방향에 대해 45°가 될 때 팝-업 거울(14)은 최대 토크 단계가 된다. 팝-업 거울(14)의 최대 토크 단계가 지나가면, 팝-업 거울(14)이 초기 위치로부터 대체로 대략 90° 또는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 대체로 수직이 될 때인 제2의 낮은 토크 단계에 이르기까지 토크가 감소하기 시작한다. 도 4c는 제2의 낮은 토크 단계를 나타낸다. 대부분의 응용 분야에서, 바람직한 반사 상태는 초기 위치로부터 대체로 대략 90°가 되거나 또는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 대체로 수직이 되는 것일 것이다. 90° 레벨에 있는 제2의 낮은 토크 단계에서, 팝-업 거울(14)은 정적인 위치로 충분히 "튀어오르는(poping-up)" 것이 억제되거나, 또는 초기의 평행한 위치와 충분히 수직적인 반사 상태 위치 사이를 안정적으로 왕복하는 것이 억제된다. 이러한 문제점은, 팝-업 거울(14)이 충분히 수직적이고 반사적인 상태 위치에 접근함에 따라 팝-업 거울(14)에 반대로 동작하는(counter-active) 복원력을 제공하는데 기여하는 테더 디바이스(32)의 효과에 의해 더 심각해진다. 이 문제점을 완화하기 위하여, 본 발명은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내부에 배치된 자극 조각(magnetic pole piece)(42)(도 4c에 도시됨)을 포함한다. 상기 자극 조각(42)은 페라이트를 함유한(ferrite-based) 물질과 같이 자성 물질로 이루어질 수 있다.이 자극 조각(42)은, 제2의 낮은 토크 단계에서, 증가된 자기 토크를 제공하기 위해 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 안에 배치되는 것이 일반적이다. 효과적으로는, 자극 조각(42)을 추가함으로써 팝-업 거울(14)이 충분히 수직적인 위치로 접근함에 따라 자계가 증가되도록 하는 것이다. 자계가 증가함에 따라, 팝-업 거울(14)의 탭(25)은 위치 지정 구조물(22)의 일 면 가장자리와 접촉하고, 팝-업 거울(14)은 상대적으로 정적인 반사 상태가 될 것이다.
도 5는 자기적 플레이트(magnetic plate)와 극 조각을 이용한 실시예 및 단지 자기적 플레이트만을 이용한 실시예에서의 자기적 토크와 팝-업 거울 각도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 예에서, 극 조각은 도 4c에 나타낸 위치와 유사하게 팝-업 거울의 충분히 수직적이고 반사적인 위치에 치우치도록 배치된다. 단지 자기적 플레이트만을 배치한 실시예에 있어서, 최대 토크는 대략 40-50°에서 정점을 이루며, 50°를 넘어서 토크가 감소함에 따라 팝-업 거울은 충분히 수직적인 위치를 얻기 어렵다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 극 조각과 자기적 플레이트를 사용한 실시예와 대조적인데, 상기 실시예에서 팝-업 거울은 대략 80-85°에서 최대 토크에 도달하며, 팝-업 거울이 충분히 수직적인 90° 수준에 도달함에 따라 요구되는 수준의 토크를 유지한다.
이 외에도, 본 발명의 다른 실시예는, 활성화 기간에 걸쳐서 팝-업 거울로 공급되는 자기적 토크가 최대가 되도록 하는 회전 자계를 만들기 위하여, 가변 제어 자계 소스(variably controlled magnetic field source)를 사용할 수 있다. 이와 같이 가변 제어 자계 소스는, 헬몰츠 코일(Helmholtz), 스플릿-갭(split-gap)솔레노이드, "새들(saddle)" 코일 또는 유사한 에어 코어(air core) 기술에 의한 자석과 같은 와이어 코일(wire coil) 형태인 단일 또는 쌍을 이룬 전자석들을 포함할 수 있다. 가변 제어 자계를 만들기 위해 페라이트 코어 자석들도 또한 사용할 수 있지만, 복수의 자기적 귀환 경로와 패키징의 제한으로 인하여 소망하는 성능 특성을 얻지 못할 수도 있다. 와이어 코일 쌍들(pairs)을 사용한 실시예에서, 그 쌍들은 대체로 직각이 되는 자계 성분들을 만들 수 있도록 광학적 교차 연결 스위치에 근접하게 배치되는 것이 일반적이다. 그와 같은 배치에 있어서, 제1 자계가 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판의 평평한 표면에 대체로 수직하도록 만들어진다. 제2 자계는 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판의 평평한 표면에 대체로 평행하고 테더 디바이스 또는 힌지 구조물의 회전축에 대체로 수직하도록 만들어진다.
도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 가변 제어 제1 와이어 코일(50)이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 아래 영역과 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 위 영역을 감싸면서 감겨있다. 제1 와이어 코일(50)은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)의 평평한 표면에 대체로 수직이 되는 자계를 발생시킨다. 가변 제어 제2 와이어 코일(52)은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)의 마주보는 측면들을 감싸면서 감겨있다. 제2 와이어 코일(52)은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)의 평평한 표면과 대체로 평행한 자계를 발생시킨다. 이와 같은 배치에 있어서, 일반적으로 와이어 코일들(51, 52)은 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20) 전체를 둘러쌀 것이다. 와이어 코일 쌍들(50, 52)의 위치는 예로서 나타낸 것이다. 이 외에도, 코일 쌍들도 예로서 나타낸 것이며, 하나의 코일을 사용하여 가변 제어 자계를 발생시키도록 할 수도 있다.
상기 와이어 코일 쌍들(50, 52)은, 복합적인 초기 자계가 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면으로부터 대체로 대략 45° 기울어진 제1 자기축(54)을 갖도록, 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12, 20)에 근접하는 소정 위치에 배치될 수도 있다. 제1 코일에 가해지는 전류와 제2 코일에 가해지는 전류의 비를 변화시킴으로써, 인가되는 자계의 크기 및 방향이 제어될 수 있다. 예를 들면, 팝-업 거울(14)의 활성 과정 동안에 코일들에 가해지는 전류를 변화시킴으로써, 소정 시간 주기에 걸쳐서 대략 90° 정도 자계를 회전시켜서 활성 과정 동안에 최대 자기 토크를 갖는 팝-업 거울(14)을 효율적으로 제공할 수 있다. 따라서, 팝-업 거울(14)이 충분히 수직적인 반사 상태에 접근하게 되면, 최종 자계는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면에 대체로 대략 135° 기울어진 제2 자기축(56)을 갖는다. 자계축이 회전되는데 소요되는 시간 주기는, 팝-업 거울(14)이 움직이는 속도를 포함한 많은 인자들에 의해 좌우될 것이다. 자계의 크기 및 방향의 제어 변동은 팝-업 거울(14)이 활성 과정에 걸쳐서 일정한 최대 자기 토크로 이득을 보는 것을 허용한다. 가변 제어 자계 소스를 제공함에 따라, 팝-업 거울(14)은, 적어도 하나의 위치 지정 구조물(22)의 일 면 가장자리에 일정하게 접촉하는 충분히 수직적인 반사 상태를 신뢰성 있게 얻을 수 있다.
가변 제어 자계를 사용함으로써, 전체적으로 보다 낮는 파워의 자계, 즉 일반적으로 보다 낮는 전류를 사용하는 것이 가능하다. 예로서, 대략 200 가우스의자계를 갖는 에어 코어 전자석을 사용하는 것이 가능하며, 그리고 이 전자석들로 공급되는 전류를 대략 1-3 암페어 정도 변화시킴으로써 팝-업 거울(14)을 충분히 수직적인 반사 상태로 활성화시킬 수 있다. 이 외에도, 많은 응용 분야에서 회전 자계를 사용함으로써 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 극 쌍들을 사용할 필요성이 경감된다. 가변 제어 자계들을 사용함으로써 자계 방향이 360° 반경에 걸쳐서 제어되도록 할 수 있으며, 이에 따라 극 쌍에 대한 필요성이 줄어든다. 극 쌍 자석들을 사용하지 않음으로써, 광학적 교차-연결 스위치의 전체 제조 공정이 단순해진다.
회전 자계를 발생시키는 가변 제어 자계의 사용이, 팝-업 거울(14)의 다른 동작(즉, 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키는 것)을 제한하는데 이용되는 위치 지정 구조물의 기계적 구성에 의해 제한받지 않는다는 것은 당연하다. 이와 같이, 가변 제어 자계 개념은 자계 동작을 요구하는 어떤 광학적 스위치와도 사용될 수 있으며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범주 내에 포함된다. 설명 및 도면이 본 발명의 위치 지정 구조물을 갖는 실시예에 대해 나타내지만, 가변 제어 자계가 다른 스위치들과 함께 사용될 수도 있는데, 그 스위치들은 그 스위치의 더 이상의 움직임을 제한하는 소정의 적당한 수단들을 갖는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 위치 지정 구조물(22)은, 팝-업 거울(14)이 광학적 신호 반사를 허용하도록 동작될 때, 팝-업 거울(14)의 더 이상의 움직임을 제한하는데 사용된다. 전압이 테더 디바이스(25)로부터 방출되면, 팝-업 거울(14)은 "아래(down)" 위치에서 더 이상 전기적으로 제한되지 않는다. 자계가 우세해지고,팝-업 거울(14)의 자기적으로 활성화된 성분이 자계 방향에 스스로 정렬되도록 한다. 팝-업 거울(14)이 소망하는 반사적인 상태가 되면, 반사된 광학적 신호가 소망하는 아주 균일한 경로로 지나가도록 하기 위해 팝-업 거울(14)의 위치를 안정화하거나 또는 "위치를 고정"할 필요가 있다. 이 외에도, 기둥 모양의 구조물과 같은 위치 지정 구조물(22)이 팝-업 거울(14)을 충분히 수직적인 반사 상태로 정전기적으로 고정시키는데 사용될 수도 있다. 팝-업 거울(14)의 탭(25)이 적어도 하나의 위치 지정 구조물(22)의 일 면 가장자리와 접촉하게 되면, 정전기적 전압이 외부 소스로부터 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 통해 위치 지정 구조물(22)로 인가된다. 이 정전기적 힘은 팝-업 거울(14)을 수직적인 반사 상태로 고정시킨다. 정전기적으로 고정된 위치는, 신호 손실이 최소화되고 광학적 신호 경로가 반복 가능해지는 것을 보장하도록 광학적 신호 반사 주기 동안에 지속적으로 요구된다. 광학적 신호가 반사되었거나 또는 반사 상태가 더 이상 요구되지 않게 되면, 팝-업 거울(14)은, 위치 지정 구조물(22)에 인가되는 제한된 전압을 방출함으로써 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 평행한 "아래(down)" 위치로 움직일 수 있다. 테더 디바이스(25)의 힘으로만도 팝-업 거울(14)을 "아래(down)" 위치로 움직이는데 충분하다. 테더 디바이스(25)가 팝-업 거울(14)을 비-반사적인 "아래(down)" 위치로 이동시키는데 필요한 힘을 제공하는 경우에, 역 자계를 발생시키지 않고 그와 같이 할 수도 있다.
이 외에도, 본 발명은 어레이 형태로 구성된 복수의 팝-업 거울들로 구현된다. 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 팝-업 거울들(14)가 위치 지정구조물들(22)을 이용한 광학적 교차-연결 스위치 어레이(70)를 나타내 보인 단면도들이다. 상기 교차-연결 스위치 어레이(70)는 대체로 평평한 표면을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 포함한다. 이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)은 실리콘으로 구성될 수 있지만, 다른 적당한 반도체 물질들도 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 형성하는데 이용될 수도 있다. 렌즈로 된 파이버들이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 평면과 평행한 광학축을 가지면서 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 주변을 둘싸는 위치에 배치된다. 팝-업 거울(14)들의 어레이는 가로 및 세로의 파이버들의 교차점에서 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면 위에 배치되고, 입력 파이버들(72)에 대해 45°의 방향을 갖는다. 입력 렌즈들(74)은 대략 직경이 150마이크로미터인 평행 광 빔(16)을 만드는데, 이 평행 광 빔(16)은 팝-업 거울(14)(납작하고 비-반사적인 상태임) 위로 통과하거나, 혹은 팝-업 거울(14)(수직적이고 반사적인 상태임)에 의해 반사된다. 광학적 빔이 세로열을 따라 모든 팝-업 거울들(14) 위로 지나가는 경우, 그 빔은 그 세로열에 인접하게 위치한 출력 렌즈(76)로 배출되어 결과적으로 출력 파이버(78)로 연결될 것이다. 광학적 빔이 팝-업 거울(14)에 의해 반사되는 경우, 그 빔은 가로열로 된 경로를 따라 지나가서 그 가로열에서 인접하게 위치한 출력 렌즈(80)로 배출되어 결과적으로 출력 파이버(82)로 연결될 것이다. 어레이에서 각각의 팝-업 거울(14)은 독립적으로 어드레스 지정될 수 있어서, 어떤 입력 파이버(72)도 세로열 또는 가로열로 연결된 출력 파이버들 중 어느 한 출력 파이버로 반사됨으로써 방해받게 혹은 방향이 바뀌지 않게 통과하도록 하는 것이 허용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 나타낸 스위치 어레이의 형성은 예로서 나타낸 것이다. 기판 위의 팝-업 거울 구조는 다중 스위치 요소들(즉 팝-업 거울들)을 n×n 또는 m×n 스위치 어레이로 집적시킬 필요성에 의해 좌우되는데, 여기서 m 및 n은 2 내지 256, 바람직하게는 2 내지 128 범위 내의 정수들이다. 이 어레이는 일대일 동작이 허용될 수 있어야 하는데, 즉 하나의 스위치 요소가 파이버 A로 통하도록 설정하는 것이 파이버 B 등의 세팅과 간섭되지 않아야 한다. 각 팝-업 거울(14)이 두 개의 위치 지정 구조물(22)에 의해 고정되는 실시예에 있어서, n×n 스위치 어레이는 n+1 열과 n+1 행으로 정렬된 (n2+n+(n-1)) 위치 구조물들을 더욱 포함할 것인데, 여기서 n은 1보다 큰 정수이다.
동작에 있어서, 정전기적 힘을 팝-업 거울(14)에 인가함으로써 팝-업 거울(14)은 아래 혹은 비-반사 상태로 될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 정전기적 힘은 앵커를 통해 팝-업 거울(14)과 전기적 연결 상태에 있는 외부 전압 공급기에 의해 발생될 수 있다. 전기적 연결은 앵커 요소들과 기판을 연결하는 컨택(84)을 통해 만들어지는데, 그에 따라 팝-업 거울(14)들은 기판과 전기적으로 절연된다. 팝-업 거울(14)과 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 사이에 전압을 인가함으로써 반대 자계에 의해 유기되는 토크에 저항할 정도로 충분한 정전기적 힘이 만들어진다. 일정 이하의 전압이 방출되면, 자계가 제공되어 팝-업 거울(14)이 반사 상태로 동작되도록 한다. 자계(도 7a 및 도 7b에는 나타내지 않음)는 교차-연결 스위치에 근접하도록 배치되고, 펄스 형태의 자계, 가변 제어 자계 혹은 어떤다른 적당한 자계 발생기를 포함할 수 있다. 팝-업 거울(14)이 충분히 수직적인 반사 상태로 접근함에 따라, 팝-업 거울(12)은 위치 지정 구조물(22)과 접촉하게 된다.
도 7a 및 도 7b의 절단면에 나타난 바와 같이, 위치 지정 구조물(22)은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)으로부터 연장되고, 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)쪽으로 향하지만 접촉하지는 않는다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 대해 정해진 위치 관계로 배치된다. 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)의 정해진 위치 관계는 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)과 연결되는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 표면 상에 배치된 지지 구조체(24)에 의해 정의될 수 있다. 위치 지정 구조물(22)과 같이 위치를 지정하는 구조물은 팝-업 거울들(14)의 탭들(25)에 대해 "정지-게이트(stop-gate)"로서 작용한다. 팝-업 거울(14)이 수직적인 반사 상태로 동작되면, 탭(25)의 일 면은 하나 또는 그 이상의 위치 지정 구조물(22)의 일 면과 접촉할 것이다. 바람직하게는, 팝-업 거울(14)이 두 개의 위치 지정 구조물(22)과 접촉할 것이다. 팝-업 거울(14)을 소망하는 정적인 반사 상태로 유지시키기 위해서 정전기적 전압이 위치 지정 구조물(22)과 팝-업 거울(14) 사이에 인가된다. 위치 지정 구조물과 팝-업 거울의 중복 및 정전기적 전압의 결합은 테더 디바이스의 로딩에 저항하기에 충분한 정전기적 힘을 제공하여야 한다.
다른 실시예에서, 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판(12)(20)은 그라운드에 고정되어 있을 수 있어서, 어레이 내의 각 팝-업 거울이 아래의 비-반사 상태와수직적인 반사 상태에서 고정된 포텐셜을 유지하도록 할 수 있다. 팝-업 거울(14)을 아래 위치에서 수직적인 위치로 이동시키기 위해서, 제한된 전압은 순간적으로 강하되어 자계가 팝-업 거울을 동작시키도록 한다. 팝-업 거울(14)을 수직적인 위치에서 아래 위치로 이동시키기 위해서, 제한된 전압은 일시적으로 다시 순간적으로 강하되고 테더 디바이스로부터의 힘은 팝-업 거울(14)을 필요한 만큼의 아래 방향으로 이동시킨다(즉 자계가 요구되지 않는다).
도 7b에서, 극 조각(42)들의 어레이가 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 나타나 있다. 극 조각(42)들의 어레이는 팝-업 거울(14) 및/또는 위치 지정 구조물(22)의 어레이 형성과 상응되도록 하는 것이 일반적일 것이다. 극 조각(42)들은 팝-업 거울(14)에 보다 높은 자기적 토크를 제공하기 위하여 사용된다. 효과적인 것으로서, 극 조각(42)의 어레이 첨가가, 팝-업 거울(14)들이 충분히 수직적인 위치에 접근함에 따라 자계를 증가시킨다는 점이다. 자계를 증가시킴으로써, 팝-업 거울(14)의 탭(25)들은 위치 지정 구조물(22)의 일 면 가장자리에 접촉할 것이며, 팝-업 거울(14)을 상대적으로 정적인 반사 상태로 유지시킬 것이다. 극 조각(42)들은, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내의 리세스 안에 삽입된 자기 물질의 플러그들을 포함할 수 있거나, 또는 극 조각(42)들의 어레이는 팝-업 거울(14)이 수직적인 위치로 접근함에 따라 자계를 증가시킬 수 있는 어떤 다른 자기 물질 구조를 포함할 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 위치 지정 구조물(22)들의 사다리꼴 단면 모양은 위치 지정 구조물(22)들이 정지-게이트들로서 작용하도록 하며, 반면에반사되거나 비-반사된 광학적 신호들의 경로를 방해하지 않는다. 위치 지정 구조물(22)의 다른 단면 모양들도, 그 위치 지정 구조물(22)이 팝-업 거울(14)들에 대해 정지-게이트들로서 작용하고, 그 위치 지정 구조물(22)이 반사되거나 비-반사된 광학적 신호들의 경로들을 방해하지 않는 한 사용할 수도 있다.
도 8a 내지 도 8i 및 도 9a 내지 도 9g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교차-연결 스위치를 만드는 방법에 따라 다양한 제조 단계들을 나타내 보인 단면도들이다. 도 8a 내지 도 8i는 본 발명의 위치 지정 구조물들을 형성하는데 사용된 제2 마이크로일렉트로닉 기판의 단면도들이다. 도 8a를 참조하면, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)은 패터닝된 산화 구조물(100)을 갖는데, 이 산화 구조물(100)은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 평평한 표면 위에 형성된다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)은 단결정 <110> 실리콘 또는 위치 지정 구조물들에 필요한 절단면을 한정할 수 있는 어떤 다른 기판 물질로 이루어질 수 있다. 통상적인 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 두께는 대략 700마이크론이다. 일반적으로 대략 2마이크론의 두께를 갖는 실리콘 산화물(SiO2)인 산화 구조물(100)은 위치 지정 구조물들의 구조를 한정하도록 패터닝되고 후속의 반응성 이온 식각에 대한 마스크로서 사용된다.
도 8b는 질화막(102)을 적층하고 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 정밀 슬롯(precision slot)(104)을 만들기 위해 이방성 식각 공정을 수행한 후의 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 나타낸 도면이다. 일반적으로 대략 0.3마이크론의두께를 갖는 실리콘 질화물(SiN2)인 질화막(102)은 일반적인 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용하여 만들어진다. 상기 질화막(102)은 이어지는 이방성 식각 공정에 대한 식각 마스크로 사용되며, 후속으로 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 선택적으로 산화시킬 수 있도록 한다. 일반적으로 포타슘 수산화물(KOH)을 식각액으로서 사용하는 이방성 식각 공정은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 슬롯(104)을 형성하기 위하여 사용된다. 통상적으로 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내의 슬롯(104)은 대략 400마이크론의 깊이를 가질 것이다. 이방성 식각이 이 단계에서 선호되는데 그 이유는 이방성 식각이 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 형성되는 정밀면(106)을 한정하는 가파른 경계를 허용하기 때문이다. 이 정밀면(106)은 반사적인 상태에 있는 팝-업 거울(14)과 접촉되는 위치 지정 구조물의 측면을 형성한다.
이제 도 8c를 참조하면, 상기 질화막(102)을 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 배면으로부터 제거하고, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 전체 노출 부분을 산화시킨 후의 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)이 나타나 있다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 배면으로부터 질화막(102)을 제거하기 위하여 통상적인 제거(stripping) 공정이 사용된다. 일반적으로 산화막(108)은 고온에서 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 산소 분위기에 놓아둠으로써 만들어진다. 정밀 슬롯(104) 내의 산화막(108)은, 이어지는 반응성 이온 식각 공정 동안에 위치를 정하는 면을 보존하기 위하여 형성된다. 일반적으로 산화막(108)은 대략 2마이크론의 두께를 갖는다.
도 8d는 이어지는 반응성 이온 식각 공정에서의 마스크로 사용하기 위하여 배면의 산화막(108)을 패터닝하고, 전면의 질화막(102)을 제거한 후의 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 나타낸다. 배면의 산화막(108)을 패터닝하는 것은, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 내에 극 조각을 사용하는 교차-연결 스위치의 여러 실시예들에서 채용되는 것이다. 극 조각이 사용되지 않는 실시예들에 있어서는, 배면의 산화막(108)을 패터닝하는 것이 회피될 수도 있다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 전면으로부터 질화막(102)을 제거하기 위해서는 통상적인 제거 공정이 사용된다. 전면의 질화막(102)을 제거하고 나서 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 전면은 1차 딥(deep) 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching; RIE) 공정에 의해 처리된다. 딥 반응성 이온 식각 공정의 사용은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 잘 알려져 있다. 도 8e에 나타내 바와 같이, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 전면은 결과적으로 산화막(102)에 의해 보호되지 못하는 모든 영역에서 에치 백 된다. 1차 딥 반응성 이온 식각 공정 결과, 실리콘 위치 지정 구조물(110)과 이 위치 지정 구조물(110)의 면을 지속적으로 보호하는 잔류 산화벽(112)이 만들어진다.
도 8f에 도시된 바와 같이, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 관통하는 개구부(114)를 형성하기 위하여 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 배면상에 2차 딥 반응성 이온 식각 공정을 사용한다. 이 딥 반응성 이온 식각 공정에 의해서 산화막(108)에 의해 보호되지 못하는 모든 표면은 식각될 것이다. 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 배면 내의 개구부(114)는 자극 조각(도 8에서는 도시되지 않음)이 그 안에 위치되도록 허용한다. 위치 지정 구조물(110)들 근처로의 자기적 인력 증가를 위한 자극 조각들의 사용은 앞서 상세히 설명한 바 있다. 자극 조각을 사용하지 않는 실시예들에 있어서, 2차 반응성 이온 식각 공정은 회피될 수 있다.
도 8g를 참조하면, 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20) 전체에 대해 습식 식각 공정을 수행함으로써 남아 있는 산화막(108) 및 산화벽(112)을 제거한다. 일반적인 습식 식각 공정은 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 소정 시간 동안에 불화물 욕조에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 산화벽(112)이 제거되면, 도 8h에 도시된 바와 같이, 전체 웨이퍼를 다시 산화시킨다. 이 다시 산화시키는 공정 결과, 대략 2마이크론의 두께를 가지면서 모든 노출된 실리콘 표면 위에 형성되는 산화막(116)이 만들어진다. 도 8i에 도시된 바와 같이, 최종 공정 단계로서 배면의 산화막(116)을 제거하고 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)을 따라 금속층(118)을 형성한다. 배면의 산화막(116)은 통상의 건식 반응성 이온 식각 단계에 의해 제거될 수 있다. 통상적으로 금으로 된 금속층(118)은 표준적인 증착 방법을 사용함으로써 만들어진다. 이 금속층(118)은 위치 지정 구조물(110)들에 정전기적 전압을 공급하기 위한 와이어본딩으로서 사용된다.
도 9a 내지 도 9d는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 제조하는 여러 가지 공정 단계들을 나타내 보인 단면도들이다. 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)은 본 발명의 실시예에 따른 팝-업 거울 및 테더 디바이스를 형성하는데 이용된다. 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)은 실리콘으로 이루어질 수 있지만, 쿼츠(quartz) 또는 글라스(glass)와 같이 다른 적당한 반도체 물질들도 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 구성하는 물질들로서 또한 사용될 수도 있다. 도 9a는 절연막(130)을 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위에 형성하고, 그 절연막(130)을 패터닝하고 식각하여 기판 비아(via)(132)를 형성한 후의 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 나타낸다. 실리콘 나이트라이드로 이루어질 수 있는 절연막(130)은 저압 화학 기상 증착 방법을 사용하여 대략 0.5마이크론의 두께로 만들어진다. 이 절연막(130)은 팝-업 거울이 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)으로부터 전기적으로 절연되도록 한다. 기판 비아(132)는, 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 후속 공정에서 만들어지는 전기적 컨택을 연결시키기 위하여 절연막(130) 내에 형성된다. 이 전기적 컨택은 팝-업 거울을 "다운(down)" 또는 비-반사 상태로 유지시키는데 필요한 제한된 전압을 제공한다.
이제 도 9b를 참조하면, 희생 분리막(sacrificial release layer)(134)을 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위에 형성하고, 이 분리막(134)을 패터닝하고 식각하여 기판 비아(132)와 앵커 비아(136)를 제공한 후의 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)이 나타나 있다. 저온 산화물로 구성될 수 있는 분리막(134)은 통상적인 저압 화학 기상 증착법을 사용하여 대략 1마이크론의 두께로 만들어진다. 후속 공정에서 식각되어 없어지는 분리막(134)은, 팝-업 거울과 관계된 테더 디바이스가 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 표면으로부터 분리될 수 있도록 형성된다. 앵커 비아(136)는, 후속 공정에서 팝-업 거울과 테더 디바이스를 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)에 연결시키기 위해 형성되는 앵커와 절연막(130)을 연결시키도록 분리막(134) 내에 형성된다.
도 9c에 도시된 바와 같이, 분리막(134)을 형성하고 패터닝한 후에, 컴포넌트막(component layer)을 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위에 형성하고, 그 컴포넌트막을 패터닝 및 식각하여 앵커(140), 테더 디바이스(142), 팝-업 거울판과 탭(144) 및 전기적 컨택(146)을 형성한다. 폴리실리콘과 같이 일반적으로 견고하고 유동성 있는 물질로 형성되는 컴포넌트막은 통상의 저압 화학 기상 증착법으로 대략 2마이크론의 두께를 갖도록 형성된다. 앵커(140) 및 테더 디바이스(142)는 절연막(130)에 의해 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 전기적으로 절연된다. 반사막(148)은 팝-업 거울판 위에 형성되고 거울 표면으로 작용한다. 골드와 같이 금속성 물질로 이루어질 수 있는 반사막(148)은 통상의 증착 방법을 사용하여 대략 0.1-1.0마이크론의 두께를 갖도록 형성된다.
도 9d는 프레임층(150)이 팝-업 거울 구조체 위에 형성된 후의 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)을 나타낸다. 니켈과 같이, 일반적으로 자기적으로 활성화된 물질로 형성되는 프레임층(150)은, 팝-업 거울 구조체의 반사 표면에 대한 프레임으로서 작용하도록 반사막(148)의 둘레에 형성된다. 이 프레임층(150)은 표준적인 전기 도금 기법에 의해 형성될 수 있으며, 대략 10미크론 내지 대략 50마이크론의 두께를 갖는데, 바람직하게는 대략 30미크론의 두께를 갖는다. 프레임층(150)의 두께는 전체 팝-업 거울 구조체의 견고함을 제공한다. 프레임층(150)이 갖는 자기적으로 활성화된 특성은 비-반사 상태로부터 반사 상태로 팝-업 거울을 동작시키기 위해 자계를 이용하는 실시예들에서 요구된다.
도 9e를 참조하면, 희생 분리막(134; 도 9e에는 도시되지 않음)이 제거되고, 그에 따라 팝-업 거울과 테더 디바이스(142)가 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)로부터 분리된다. 분리막(134)은 통상의 건식 식각 공정에 의해 제거된다. 전기적 컨택(146)은 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과의 포괄적인 전기적 연결이며, 어레이 실시예에 있어서는 모든 팝-업 거울들에 대해 기여한다. 앵커(140)는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 배면 상에 있는 와이어 본딩(도 9e에는 도시되지 않음)을 통해 전기적 컨택(146)과 전기적으로 연결된다.
제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 위치를 지정하는 것은 도 1 및 도 7에서 나타낸 지지체(24)에 의해 달성될 수 있다. 이 지지체(24)는 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12) 위의 표면 상에 형성될 수 있으며, 통상적으로 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 주위에 위치된다. 지지체(24)는 팝-업 거울들과 일체로 제조될 수도 있으며, 그에 따라 팝-업 거울들을 제조하는데 사용되는 물질층으로 이루어질 수 있다. 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)의 지지체(24)는 통상의 본딩 기술에 의해 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)과 연결될 수 있다. 이 외에도, 지지체(24)는, 각각의 팝-업 거울들과 위치 지정 구조물들을 제조한 후에 제1 마이크로일렉트로닉 기판(12)과 제2 마이크로일렉트로닉 기판(20)의 표면들에 본딩되는 별도로 제작된 본딩 패드일 수도 있다. 골드와 같이 금속성 물질이 지지체(24)를 형성하기 위해 이용될 수도 있다.
본 발명이 앞선 설명 및 도면들에 나타낸 내용의 혜택을 지속적으로 가지게 하는 기술 분야에서 숙련된 사람들에게는 본 발명의 많은 변형과 다른 실시예들이떠오를 것이다. 따라서 본 발명은 개시된 특정 실시예로 한정되지 않으며, 변형 및 다른 실시예들도 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 포함될 것이나는 것은 당연하다. 비록 특정 용어들이 사용되었지만 그 것들은 단지 총칭적이고 묘사적인 의미로 사용되었을 뿐 한정의 목적으로 사용된 것은 아니다.
본 발명의 MEMS 광학적 교차 연결 스위치는 동작 메커니즘으로써 회전 자계 소스를 구비함으로써 여러 가지 장점들을 갖는다. 이 형식에서, 상기 팝-업 거울들은 충분히 그리고 반복적으로 비-반사 상태로부터 반사 상태로 동작될 수 있다. 이 외에도, 본 발명은, 팝-업 거울들을 충분히 그리고 반복적으로 비-반사 상태로부터 반사 상태로 동작시키기 위한 또 다른 대안으로서 자극 조각들을 사용한다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 기둥 모양의 구조물들과 같은 위치 지정 구조물들을 채용하는데, 상기 위치 지정 구조물들은, 팝-업 거울들이 각각 그것들의 반사 상태에 도달할 때 팝-업 거울들의 정지-게이트로서 작용한다. 더욱이 상기 위치 지정 구조물들에 정전기적 전압을 인가함으로써 상기 팝-업 거울들을 반사 상태로 고정시킬 수 있다. 위치 지정 구조물의 특정 디자인에 의하면, 하나의 스위치 요소를 하나의 입력 파이버로 연결시켜주는 설정으로 인해 다른 스위치 요소를 다른 입력 파이버들로 연결시키고자 하는 설정이 방해받지 않도록, 비-차폐(non-blocking) 및 일대일 동작 가능한 스위치 어레이가 구성될 수 있다. 또한 본 발명은, 본 출원에서 설명되어지는 바와 같이, 크기 변경이 가능한 어레이 구조를 제공함으로써 많은 입력 파이버들이 출력 파이버들과 연결되어지도록 한다. 본 발명의자유-공간 MEMS 기술에 의한 파이버 광학적 스위치는, 광학적 파이버들을 안정적인 형식으로 재배열시킬 수 있는 정적인 반사 상태를 제공함으로써 삽입 손실이 제한되도록 한다.

Claims (12)

  1. 제1 표면을 갖는 제1 마이크로일렉트로닉 기판을 포함하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치에 있어서,
    상기 제1 표면 위에 형성된 팝-업 거울; 및
    상기 팝-업 거울을 동작시키도록 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 근접되게 형성된 회전 자계 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 자계 소스는 비-반사 상태로부터 반사 상태로 상기 팝-업 거울을 이동시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키기 위해 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판의 표면상에 배치된 적어도 하나의 위치 지정 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키기 위해 상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판의 표면상에 배치된 적어도 하나의 위치 지정 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 마이크로일렉트로닉 기판에 대해 정해진 위치 관계를 갖도록 배치되며, 상기 팝-업 거울을 반사 상태로 위치시키기 위한 적어도 하나의 위치 구조물을 갖는 제2 마이크로일렉트로닉 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마이크로일렉트로닉 기판 둘레에 배치되어 상기 팝-업 거울이 적어도 두 개의 위치 지정 구조물들에 전기적으로 고정되도록 하는 위치로 상기 팝-업 거울을 이동시키도록 자계를 활성화시키는 자계 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 마이크로일렉트로닉 기판에 근접하게 배치되고, 상기 팝-업 거울의 또 다른 자기적 인력을 제공하는 적어도 두 개의 자극 조각들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 마이크로일렉트로닉 기판에 근접하게 배치되고, 상기 팝-업 거울의 또 다른 자기적 인력을 제공하는 적어도 두 개의 자극 조각들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 광학적 교차-연결 스위치.
  9. 제1 광 경로로부터 입력 신호를 받는 단계를 포함하는 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법에 있어서,
    회전 자계를 발생시켜 팝-업 거울을 비-반사 상태에서 반사 상태로 이동시키는 단계; 및
    상기 입력 신호를 상기 팝-업 거울로부터 제2 광 경로로 반사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 팝-업 거울의 위치를 상기 반사 상태로 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 위치를 유지하는 단계는,
    적어도 하나의 위치 지정 구조물로 상기 팝-업 거울의 움직임을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법.
  12. 제9항, 제10항 또는 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 위치 지정 구조물에 전압을 인가하여 상기 이동된 팝-업 거울을 상기 반사 상태로 정전기적으로 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로일렉트로닉 소자에서의 광학적 신호 스위칭 방법.
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