KR20020019628A - 마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광스위치 - Google Patents

마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광스위치 Download PDF

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KR20020019628A
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Abstract

마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치에 관한 것으로, 마이크로미러 어레이는 입력 광섬유 다발과 출력 광섬유 다발간의 광 경로를 제어하는 광 스위치에 있어서, 광 스위치는 다수 개의 마이크로미러(micromirror)와, 각각의 마이크로미러를 x축 방향으로 구동하는 x축 구동기와, 각각의 마이크로미러를 y축 방향으로 구동하는 y축 구동기와, 각각의 마이크로미러의 x축 및 y축 방향 회전 운동을 독립적으로 제어하는 짐벌(gimbal)을 포함하여 구성된다. 여기서, x축 구동기와 y축 구동기는 외팔보 형태를 갖는 압전 구동기이다. 따라서, 마이크로머시닝 기술 및 반도체 일관 공정 등을 통하여 소형 경량화의 부품을 구현할 수 있고, 부품 단가를 절감할 수 있으며, 구동 전압을 낮추고, 마이크로미러 구동 응답 속도를 개선하여 광 신호 멀티플렉싱 시스템의 성능을 개선할 수 있다.

Description

마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치{micromirror array and method for fabrication the same and optic switch for use this}
본 발명은 광 소자에 관한 것으로, 특히 마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치에 관한 것이다.
최근의 정보 관련 기술인 컴퓨터 및 통신 기술은 다량의 정보를 실시간(real time)으로 송수신할 수 있는 광 섬유 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 전송선을 이용한 통신망은 그 한계에 봉착하였으며, 높은 반송 주파수(carrier frequency)의 고속, 무왜곡 전송이가능한 광 신호 형태의 통신망이 그 대안으로 대두되고 있다.
전기적 신호를 송수신하는 기존의 통신망은 논리 회로(logic circuit), 증폭기, 스위치 등의 집적회로(IC:Integrated Circuits) 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 또는 포토 다이오드, 레이저 다이오드 등으로 구성된 광 커넥터 모듈로 구성되어야 한다.
현재 상품화되어 있는 광 통신망용 데이터 인터페이스는 전송선인 광섬유(optical fiber)와 가입자를 연결시키기 위해 광섬유 커넥터(fiberoptic connector), 광 스위치(optical switches), 레이저 다이오드를 포함한 광 송신기(transmitter) 등으로 구성되어 있다.
또한, 기존의 광 데이터 인터페이스의 핵심 부품인 멀티플렉싱 스위치는 기계적 장치에 의해 입력 광섬유 및 출력 광섬유를 이동시켜 필요한 입출력 광섬유를 연결 또는 단락시키는 방식을 채용하는 방법, 또는 광 도파로 바이패스 스위치(bypass switch)를 확장하여 구성하는 방법 등이 있다.
그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 광데이터 인터페이스는 다음과 같은 문제점이 있다.
광 스위치의 입력측, 또는 출력측 광섬유의 선단부를 기계적으로 움직여서광 축을 정렬하여 스위칭(switching) 기능을 수행하기 때문에, 정밀 가공 및 각 부품의 조립에 의존한 제조 방법 등으로 가격이 비싸고, 기계 장치가 커서 스위치의 크기를 소형화하기 어려우며, 스위칭 속도가 낮고, 스위칭 할 수 있는 용량이 극히 제한적이며, 소모 전력이 큰 단점이 있다.
또한, 광 도파로 바이패스 스위치를 확장하여 구성하는 방법은 n×n 크로스-커넥트 스위치(cross-connect switch)를 구성하기 위해서, n2개의 바이패스 스위치가 필요하게 되므로, 구동 및 제어 시스템이 복잡해지는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 동일 평면상에 구성되는 2차원 배열의 임의의 개수의 구동 마이크로미러 어레이를 이용하여 자유 공간에서 레이저빔의 광로를 조절하는 마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 마이크로미러 어레이에 의해 광 경로 조절을 하여 스위칭하는 동작 원리를 나타낸 도면.
도 2a와 도 2b는 도 1의 구동 마이크로미러 어레이 및 구동 마이크로미러 어레이의 단위 셀에 대한 평면도.
도 3은 구동 마이크로미러 어레이의 단위 셀에 대한 2축 회전 운동 방향을 나타낸 사시도.
도 4a와 도 4b는 2축 회전 자유도를 갖는 압전 구동 마이크로미러의 단위 셀 구성 요소를 나타내는 평면도 및 단면도.
도 5a는 본 발명에 따른 마이크로미러의 평면도.
도 5b 내지 도 5d는 도 5a의 X-X'선과 Y-Y'선에 따른 마이크로미러의 단면도로 2축 회전 자유도를 갖는 구동 형태를 나타내는 도면.
도 6a 내지 도 6k는 본 발명에 따른 2축 회전 구동 자유도를 갖는 압전 구동 마이크로미러 어레이의 단위 셀에 대한 마이크로머시닝 기술 및 반도체 소자 제조 공정을 나타내는 공정 단면도.
도 7은 2차원 배열 압전 구동 마이크로미러 어레이와, 입력 및 출력용의 광섬유 배열을 이용한 임의의 입출력 단에 대한 광 크로스-커넥트 스위치 시스템의 구성도 및 동작 원리를 설명한 도면.
도 8은 입출력용의 광섬유 다발 선단부의 상세한 구조 단면도.
도 9는 단일한 2n개의 압전 구동 마이크로미러 어레이 단일 칩과 반사 거울을 이용한 임의의 입출력단 개수를 갖는 광 크로스-커넥트 스위치(또는, 광 라우터) 시스템의 구성도 및 동작 원리를 설명한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 마이크로미러
2 : 짐벌(gimbal)
3 : y축 회전 제 1압전 구동기
4 : y축 회전 제 1압전 구동기 전극
5 : y축 회전 제 2압전 구동기
6 : y축 회전 제 2압전 구동기 전극
7 : x축 회전 제 1압전 구동기
8 : x축 회전 제 1압전 구동기 전극
9 : x축 회전 제 2압전 구동기
10 : x축 회전 제 2압전 구동기 전극
11 : 고정부(anchor)
12 : y축 회전 힌지(hinge)
13 : x축 회전 힌지
14 : 실리콘 기판
15 : 변형 방지체
101, 71, 72, 91 : 마이크로미러 어레이
102 :마이크로미러 어레이의 단위 셀(unit cell)
73, 74 : 광섬유 다발 고정부
75 : 입출력용 광섬유 선단부
81: 광섬유
82: 시준 렌즈(collimating lens)
92: 미러
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치의 특징은 입력 광섬유 다발과 출력 광섬유 다발간의 광 경로를 제어하는 광 스위치에 있어서, 광 스위치는 다수 개의 마이크로미러(micromirror)와, 각각의 마이크로미러를 x축 방향으로 회전 구동하는 x축 구동기와, 각각의 마이크로미러를 y축 방향으로 회전 구동하는 y축 구동기와, 각각의 마이크로미러의 x축 및 y축 방향 회전 운동을 독립적으로 제어하는 짐벌(gimbal)을 포함하여 구성되는데 있다.
여기서, x축 구동기와 y축 구동기는 외팔보 형태를 갖는 압전 구동기이다.
또한, 마이크로미러와 연결되어 상기 마이크로미러를 상기 짐벌로부터 현가시키는 x축 힌지(hinge)와, 짐벌과 연결되어 짐벌을 마이크로미러 소자가 형성되는 기판으로부터 현가시키는 y축 힌지와, 마이크로미러의 하부에 형성되어 마이크로미러의 변형을 방지하는 변형 방지체를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 또 다른 특징은 각각의 입력 광섬유 및 출력 광섬유 위치와 광학적으로 정렬되어 있는 마이크로미러를 2차원적으로 배열하여 어레이를 이루는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 입/출력 광섬유 다발과, 입력 광섬유 다발로부터 입력된 광을 반사하는 다수 개의 구동 마이크로미러로 이루어진 제 1 마이크로미러 어레이와, 제 1마이크로미러 어레이로부터 반사된 광을 상기 출력 광섬유 다발로 반사하는 제 2마이크로미러 어레이를 포함하여 구성되는데 있다.
여기서, 제 1, 제 2 마이크로미러 어레이는 상기 입/출력 광섬유 다발과 45。를 이루도록 광축 정렬된다.
본 발명의 또 다른 특징은 입/출력 광섬유 다발과, 입력 광섬유 다발로부터 입력된 광을 반사하는 다수 개의 구동 마이크로미러로 이루어진 마이크로미러 어레이와, 마이크로미러 어레이로부터 반사된 광을 다시 마이크로미러 어레이로 반사하는 반사 거울을 포함하여 구성되는데 있다.
여기서, 마이크로미러 어레이는 상기 입/출력 광섬유 다발과 45。를 이루도록 광축 정렬되고, 반사 거울은 입/출력 광섬유의 광 진행 방향과 평행하도록 설치되며, 입/출력 광섬유 다발은 입력 광섬유와 출력 광섬유가 번갈아 가면서 조립되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로미러 어레이 제조방법의 특징은 기판의 상/하부에 확산 방지막을 형성하고, 기판 상부에 형성된 확산 방지막을 패터닝하여 기판 상부의 소정 영역을 노출시키는 제 1단계와, 기판 상부에 불순물을 주입하여 p-n 접합을 형성하는 제 2단계와, 기판 상/하부에 형성된 확산 방지막을 제거하고, 기판 상/하부에 실리콘 질화막을 형성하는 제 3단계와, 기판 상부에 형성된 실리콘 질화막 상에 제 1전도체와, 압전물질과, 제 2전도체를 순차적으로 형성하고, 상기 제 1전도체/압전물질/제 2전도체를 대칭적인 형상으로 패터닝하는 제 4단계와, 대칭적인 제 1전도체/압전물질/제 2전도체 패턴이 형성된 기판 중심부에 미러면을 형성하는 금속들 등의 물질을 형성하는 제 5단계와, 기판 상부에 식각 방지막을 형성하고 패터닝하는 제 6단계와, 기판 하부의 실리콘 질화막을 기판 상부에 형성된 제 1전도체/압전물질/제 2전도체와 금속층과 대응되는 위치의 기판 하부면이 노출되도록 패터닝하고, 기판 하부를 상기 p-n 접합과 기판 상부의 실리콘 질화막이 노출되도록 식각하는 제 7단계와, 기판 상부에 형성된 식각 방지막 패턴을 통하여 기판 상부의 노출된 실리콘 질화막을 식각하여 기판을 관통하고, 식각 방지막을 제거하는 제 8단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
여기서, 확산 방지막은 실리콘 산화막으로 이루어지고, 증착이나 열산화 방법(thermal oxidation)으로 형성된다.
그리고, 제 2단계의 불순물 주입은 자동 식각 정지법과 전기 화학적 식각 정지법 중 어느 하나를 이용하여 그 농도를 조절한다.
또한, p-n 접합의 두께는 상기 불순물의 확산 시간 및 온도와 불순물 이온 가속 전압과 어닐링(annealing) 온도 및 시간에 의해 조절된다.
본 발명의 특징에 따르면, 마이크로머시닝 기술 및 반도체 일관 공정 등을 통하여 소형 경량화의 부품을 구현할 수 있고, 부품 단가를 절감할 수 있으며, 구동 전압을 낮추고, 마이크로미러 구동 응답 속도를 개선하여 광 신호 멀티플렉싱 시스템의 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 광 스위치와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 라우터의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 반도체 일관 공정 및 MOEMS(Micro Opto Electo Mechanical System) 기술로 제작되는 미세 구동 마이크로미러(micromirror) 어레이를 구현하여, 광 통신망의 인터페이스에 필요한 광 스위치, n×n 광섬유 어레이의 입출력 멀티플렉싱 스위치 어레이(또는, 광 매트릭스 스위치)를 구성하는 방법에 대한 것이다.
도 1은 입력 광섬유 배열로부터 들어오는 복수의 입력 광 신호를 2차원 배열의 n개의 각기 독립적으로 구동되는 마이크로미러 어레이(101)에 의해 자유 공간에의 광 경로 조절을 하여 임의의 개수를 갖는 출력단으로 스위칭하는 동작 원리를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, n개의 배열을 이루는 입력 광섬유들로부터 방출되는 레이저빔들이 각각의 입력 광섬유에 대응되는 마이크로미러에 입사되고, 입사된 빔들은 마이크로미러의 구동에 의해 원하는 위치로 광로가 변경된다.
즉, 구동 마이크로미러 어레이(101)와 특정한 각도로 정렬되어 있는 입력 광섬유 배열로부터 방출되는 레이저빔은 각 입력 광섬유에 대응하는 마이크로미러의 2축 자유도를 갖는 회전 구동에 의하여 광의 진행 방향이 임의로 조절되게 된다.
이러한 구동 마이크로미러 어레이(101)는 광섬유 다발을 전송선으로 이용하는 광통신 시스템에서 임의의 입출력을 연결하는 크로스-커넥트 스위치를 구성하는 핵심 부품이 된다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 구동 마이크로미러 어레이(101) 및 구동 마이크로미러 어레이(101)의 단위 셀(unit cell)(102)에 대한 평면도이다.
또한, 도 3은 구동 마이크로미러 어레이의 단위 셀(102)에 대한 2축 회전 운동 방향을 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 구동 마이크로미러 어레이를 구성하는 각각의 단위 셀(102)은 외팔보 형태를 갖는 압전체 미세 구동기들과 고 반사도를 갖는 미러 금속 및 미러 금속을 지탱하는 미러 판(mirrror plate), 각 축 방향의 독립적인 구동을 보장하기 위한 짐벌(gimbals)(2)이 y축 방향으로 형성되어 있는 회전 힌지(hinge)를 중심으로 하여 구동되며, 짐벌에 현가된 마이크로미러(1)의 구동은 짐벌이 y축으로 회전한 상태에서도 x축을 중심으로 자유롭게 회전 운동을 할 수 있게 된다.
즉, 2축 자유도의 회전 운동이 가능한 구동 마이크로미러(1)가 구성되며, 각 축 방향의 구동은 짐벌 구조에 의해 서로 영향을 주지 않게 되어 독립적인 제어가 가능하게 되므로, 2차원 평면 내에서 임의의 각도를 갖는 구동 미러를 구현할 수 있게 된다.
도 4a와 도 4b는 2축 회전 자유도를 갖는 압전 구동 마이크로미러의 단위 셀 구성 요소를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이, 고 반사도(reflectivity)를 갖는 물잘이 표면에 도포된 마이크로미러(1)가 x축 회전 힌지(13) 및 외팔보 형태의 x축 회전 압전 구동기(7, 9)에 의해 짐벌(2) 구조에 현가되어 있으며, 짐벌(2)은 y축 회전 힌지(12) 및 y축 외팔보 형태의 y축 회전 압전 구동기(3, 5)에 의해 실리콘 기판(14)상에 형성되는 고정부(anchor)(11)에 연결되어 현가된다.
특히, 마이크로미러 및 짐벌은 구동 중 변형이 없어야 하므로, 힌지 및 구동기를 지지하는 저응력의 실리콘 질화막보다 두껍게 가공되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명에서는 불순물 확산을 이용한 p-n 접합을 이용하여 변형 방지체(15)를 형성하는 예를 설명하며, SOI를 이용한 방법, 실리콘 선택적 식각을 이용한 방법 등 여타의 다양한 방법으로도 본 발명의 구조를 구현할 수 있다. 즉, 본 발명의 구조가 핵심이며 구현하는 방법은 다양하며 특허청구 범위는 변형 방지체 구조 자체이다.
그리고, x축 회전 구동기(7, 9)와 y축 회전 구동기(3, 5)가 각 축 방향에 대하여 대칭적으로 위치하는 것은 마이크로미러의 회전 구동이 미러의 중심 축으로부터 대칭적으로 전후 또는 좌우로 구동되어야 하기 때문이다.
즉, 전극(8)을 통하여 x축 회전 제 1압전 구동기(7)에 전압이 인가되면, 압전체의 변형에 의하여 제 1 압전 구동기를 형성하는 외팔보에 굽힘 변형(bending deformation)이 생기고, 이로 인하여, 마이크로미러의 하부가 굽힘 변형 방향으로 함께 움직이므로 x축을 중심으로 반시계 방향의 회전 변위가 발생하게 된다.
한편, 전극(10)을 통하여, x축 회전 제 2압전 구동기(9)에 전압이 인가되면, 외팔보형 압전 구동기에 굽힘 변형이 발생하여 마이크로미러가 x축 회전 힌지(13)를 중심으로 시계 방향의 회전 구동을 하게 된다.
마찬가지로, 전극(4)을 통하여 y축 회전 제 1압전 구동기(3)에 전압이 인가되면, 짐벌(2)의 바깥쪽에 형성되어 있는 외팔보형 압전 구동기에 굽힘 변형이 발생하여, 마이크로미러를 현가하고 있는 짐벌(2)이 y축 회전 힌지(12)를 중심으로 반시계 방향으로 회전 구동을 일으키게 된다.
또한 , 전극(6)에 전압이 인가되면, y축 제 2압전 구동기(5)에 굽힘 변형이 유기되어 짐벌이 y축 회전 힌지(12)를 중심으로 시계 방향의 구동을 일으키게 된다.
이러한, x축 및 y축 방향으로의 구동이 일어날 때, 변형 방지체(15)로 보강되어 있는 짐벌(2)은 x축 압전 구동기(7, 9) 및 y축 압전 구동기(3, 5)에 의한 운동을 서로 차단시키는 역할을 하게 되어, 각기 독립적인 운동을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 만약에 임의의 x축 구동 전압과 임의의 y축 구동 전압이 동시에 인가되면, 복합적인 마이크로미러 구동이 가능하게 된다.
또한, 마이크로미러의 구동 회전량은 압전 구동기에 인가되는 전압의 크기를 조절함으로써 가능하다.
도 5a는 본 발명에 따른 마이크로미러의 평면도이고, 도 5b 내지 도 5d는 도 5a의 X-X'선과 Y-Y'선에 따른 마이크로미러의 단면도로 2축 회전 자유도를 갖는 구동 형태를 나타내는 도면이다.
도 5b에는 하나의 전극(8)에 구동 전압이 인가되고, 나머지 세 개의 전극(4, 6, 10)에는 전압이 인가되지 않은 경우에, X-X'선을 중심으로 마이크로미러가 x축 중심의 회전 변위가 발생한 상태가 도시되어 있다.
도 5c에는 하나의 전극(4)에 y축 방향 회전 구동 전압이 인가된 경우로써, Y-Y' 선을 중심으로 마이크로미러가 회전 변위를 일으킨 상태가 도시되어 있다.
도 5d에는 전극(4) 및 전극(8)에 구동 전압이 인가되어, 마이크로미러가 x축 및 y축의 두 축 모두의 방향으로 회전 변위를 일으킨 복합 구동 모드를 보여준다.
도 6a 내지 도 6k는 본 발명에 따른 2축 회전 구동 자유도를 갖는 압전 구동 마이크로미러 어레이의 단위 셀에 대한 마이크로머시닝 기술 및 반도체 소자 제조 공정의 일례를 나타내는 공정 단면도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 실리콘(100) 기판(61)의 상/하부에 증착 또는 열산화(thermal oxidation) 등의 방법으로 불순물 확산 방지막으로 이용될 실리콘 산화막(62)을 형성한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(61)에서 확산이 진행될 부분의 실리콘 산화막(62)을 반도체 소자 제조 공정의 사진 묘화 공정(photolithography) 및 박막 식각(etching) 공정을 이용하여 선택적으로 제거하여, 실리콘 산화막(62)을 패터닝한다.
이 후, 고온에서의 확산(diffusion), 또는 이온 주입 공정(ion implantation)을 이용하여 마이크로미러 및 짐벌의 변형 방지체로 이용될 p-n 접합(63)을 형성한다.
p-n 접합(63)을 형성하는데 사용되는 불순물은 붕소(boron)나 인(phosphorus) 등이 있으며, 변형 방지체 구조물을 식각 정지법에 의해 형성하는 방식에 따라 불순물 농도를 결정할 수 있다.
즉, KOH나 EDP, TMAH 등의 실리콘 이방성 식각 용액에서의 자동 식각 정지를 이용하여 변형 방지체를 형성하고자 하면, 1020cm-3정도의 고농도의 붕소를 확산 또는 주입하여 접합을 형성하면 되고, KOH나 EDP, TMAH 등의 이방성 식각 용액에서 전기 화학적 식각 정지법(electrochemical etch stop)을 이용하여 구조물을 형성하고자 한다면, 기판(61)에 도핑된 불순물과 타입이 반대인 불순물을 첨가하여 p-n 접합(63)을 형성하면 된다.
특히, 변형 방지체의 두께는 확산의 경우에는 확산 시간 및 확산 온도를 조절하여 그 두께를 조절할 수 있으며, 이온 주입법에서는 불순물 이온 가속 전압과 어닐링(annealing) 온도 및 시간을 통하여 조절할 수 있다.
도 6c에 도시한 바와 같이, 원하는 변형 방지체 두께만큼 도핑이 완료된 후, 확산 방지막인 실리콘 산화막(62)을 습식 또는 건식 식각으로 제거한다.
그리고, 변형 방지체 용도의 p-n 접합(63)이 형성되어 있는 실리콘 기판(61)에 저압 화학 기상 증착(LPCVD)방법 등으로 잔류 응력(residual stress)이 수십 MPa 이하의 약한 인장성 응력(tensile stress)값을 갖는 저응력 실리콘 질화막(low-stress silicon nitride)(64)을 설계된 특정 두께만큼 기판(61)의 상/하부에 형성한다.
이러한 실리콘 질화막(64)은 마이크로미러, 압전 구동기, 짐벌, 회전 힌지 등을 구성하는 뼈대 구조로 이용된다.
도 6d에 도시한 바와 같이, p-n 접합(63)이 형성된 기판(61) 상부면의 실리콘 질화막(64) 상에 하부 전극으로 이용되는 전도체(또는 금속)를 승화(evaporation) 또는, 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착하고, 이 박막 상부에 압전 물질(piezoelectric material)을 도포 또는 증착하고, 이 압전 물질 상에 전도체를 형성하여, 전도체/압전체/전도체 구조(65)를 형성한다.
도 6e에 도시한 바와 같이, 전도체/압전체/전도체 캐패시터 구조(65)에 사진 묘화 공정 및 건식 또는 습식 식각 공정을 통하여 압전체 구동기 패턴, 전극 패턴 등을 형성한다.
여기서, 식각 공정은 각 적층 박막들을 서로의 식각 마스크로 활용하는 이른 바, 자체 정렬 방식으로 제작이 가능하다.
이렇게 하여, 전도체/압전체/전도체 캐패시터 구조(65)가 압전 구동기를 형성하게 된다.
즉, 압전체의 상 하부에 위치하는 전도체에 전압을 인가하게 되면, 압전체가 압전 현상에 의해 변형이 일어나게 되고, 이 수축 변형이 압전체가 형성되어 있는 외팔보가 위쪽 방향으로 굽는 변형을 일으키게 되어 마이크로미러를 구동하게 되는 것이다.
그리고, 도 6f에 도시한 바와 같이, 마이크로미러의 반사막으로 사용되는 고 반사도를 갖는 금속 등의 물질(66)을 기판(61)의 상부에 증착한 후, 패터닝한다.
반사막으로 사용되는 물질(66)의 패터닝은 사진 묘화 후, 금속 박막 식각 공정이나 리프트-오프(lift-off) 방법을 사용한다.
또한, 반사막으로 쓰이는 금속(66)은 금, 알루미늄 등이 널리 쓰이며, 반사하고자 하는 레이저빔의 파장에 따라 반사 효율이 높은 금속을 선택한다.
그리고, 마이크로미러판이 현가되어 있는 구조이므로, 반사막 금속(66)의 잔류 응력을 낮게 제어해야 한다.
도 6g에 도시한 바와 같이, 기판(61)의 상부에 공정의 최종 단계에서 미세 구조물을 식각에 의해 릴리즈(release)하는 과정에서 식각 방지막(67)을 증착한 후, 패터닝 한다.
이러한, 식각 방지막(67)은 최종적으로 형성될 마이크로미러, 외팔보 형상들, 짐벌, 회전 힌지들의 평면 형상과 일치하도록 형성한다.
도 6h에 도시한 바와 같이, 기판(61) 하부에 실리콘 식각시 식각이 진행될 영역을 식각 방지막으로 이용하도록 형성된 저응력 실리콘 질화막(64)을 패터닝하여 형성한다.
그리고 나서, 도 6i에 도시한 바와 같이, KOH, EDP, TMAH 또는 하이드라진(hydrazine) 등의 실리콘 이방성 식각(anisotropic etchant) 용액을 이용하여, 실리콘 기판(61)의 하부면을 식각한다.
이러한 실리콘 기판(61)의 식각은 구동 마이크로미러의 뼈대 구조로 이용되는 저응력 실리콘 질화막(64)에서 자동적으로 정지되므로, 기판(61) 상부면에 형성되어 있는 저응력 실리콘 질화막(64)이 드러날 때까지 실리콘 식각을 진행하면 된다.
즉, 선택적 식각이 가능하게 된다는 것이다.
또한, 확산 또는 이온 주입 공정으로 형성된 접합 구조인 변형 방지체에서는 실리콘의 식각율이 현저하게 낮아지도록 조절할 수 있으므로, 이 미세 구조물 역시 실리콘 식각 과정에서 동시에 형성할 수 있게 된다.
도 6j에 도시한 바와 같이, 도 6g에서 형성된 식각 마스크 패턴을 통하여 기판(61) 상부면에 드러난 저응력 실리콘 질화막을 선택적으로 식각한다.
도 6k에 도시한 바와 같이, 식각 마스크 박막(67)을 제거해 낸다.
마지막으로, n개의 단위 셀을 갖는 어레이를 다이싱(dicing)한 후, 각 전극 패드에 전선을 연결하는 와이어 본딩(wire bonding) 공정과 패키징을 거치면 구동 마이크로미러를 완성하게 된다.
그리고, 마이크로미러 어레이의 각 마이크로미러의 구동을 제어하는 회로는 마이크로미러 어레이와 동일한 기판에 형성할 수도 있다.
또한, 마이크로미러의 구동을 제어하는 회로의 형성은 위에 상술한 마이크로미러 제조 공정 전에 완성할 수도 있고, 변형 방지체 확산 공정 등의 고온 열처리 공정 이후에 형성하는 것과 같이 마이크로미러 어레이의 제조 공정 중의 특정 단계에서 형성하는 것도 가능하다.
마이크로미러의 구동을 제어하는 회로를 단일 기판 상에 집적하게 되면, 잡음의 영향을 줄일 수 있고, 기생 성분에 의한 신호 왜곡을 억제할 수 있으며, 회로 조립에 필요한 비용을 절감할 수 있는 등의 여러 가지 장점이 있다.
물론, 마이크로미러의 구동을 제어하는 주변 회로를 마이크로미러 어레이와 별개로 제조하여 회로부와 마이크로미러 어레이를 결합하는 하이브리드(hybrid) 방식도 있을 수 있다.
도 7은 위의 2차원 배열 압전 구동 마이크로미러 어레이(71, 72)와, 입력 및 출력용의 광섬유 배열(73, 74)을 이용한 임의의 입출력 단에 대한 광 크로스-커넥트 스위치 시스템의 구성도 및 동작 원리를 설명한 도면으로, 예를 들어, 임의의 두 개의 입력 광 신호가 임의의 두 개의 출력 신호로 연결(routing)되는 원리를 나타내고 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, n개의 압전 구동 마이크로미러 어레이(71, 72) 두 개를 이용하여 크로스-커넥트 스위치를 구성한다.
n×n 크로스-커넥트 스위치 시스템을 광로에 따라 설명하면, n개의 2차원 배열을 갖는 입력 광섬유 다발(bundle)(73)의 특정한 광섬유로부터 방출되는 레이저빔이 이 광섬유에 대응되어 광축 정렬되어 있는 입력 광섬유 측 마이크로미러 어레이(71) 중 특정한 마이크로미러가 구동 제어 전압에 의해 특정한 출력 광섬유에 대응하여 광축 정렬되어 있는 출력 광섬유 측 마이크로미러 어레이(72)의 특정한 마이크로미러로 향하도록 회전 구동이 발생하고, 구동된 마이크로미러로부터 반사된 레이저빔은 출력 광섬유 측 마이크로미러 어레이(72)의 특정한 마이크로미러의 구동에 의해 원하는 위치의 출력 광섬유로 반사되어 광섬유에서 광 신호가 전파되는 코어(core)로 입사된다.
특히, 입출력측 마이크로미러 어레이(71, 72)는 입출력용의 광섬유 다발과 45。를 이루도록 광축 정렬하는 것이 유리하다.
도 8은 입출력용의 광섬유 다발 선단부(75)의 상세한 구조 단면도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 광섬유(81)를 정렬하여 고정하고 있는 입출력 광섬유 다발 고정부(73, 74)의 한쪽 끝에 광섬유(81)가 정렬 조립되어 있으며, 이 광섬유(81)의 코어 부분과 광축 정렬되어 레이저빔을 평행광으로 만들어 주기 위한 시준 렌즈(collimator)(82)가 결합된다.
도 8에서는 광섬유(81)와 시준 렌즈(82)가 붙어 있는 것처럼 도시되어 있으나, 광섬유(81)의 선단부와 시준 렌즈(82)는 시스템에서 요구되는 레이저빔의 크기에 맞게 간격을 조절하여 조립한다.
도 9는 단일한 2n개의 압전 구동 마이크로미러 어레이(91) 단일 칩과 반사 거울(92)을 이용한 임의의 입출력단 개수를 갖는 광 크로스-커넥트 스위치(또는, 광 라우터) 시스템의 구성도 및 동작 원리를 설명한 도면이다.
이러한 구성 방식은 도 7에 도시된 실시 예와 비교할 때, 광 축 정렬이 보다단순해지는 이점을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
즉, 도 9에 도시한 바와 같이, 압전 구동 마이크로미러 어레이(91)와 입출력 광섬유가 단일하게 조립되어 있는 광섬유 다발을 정렬하고, 각각 구동 마이크로미러로부터 반사되는 레이저빔을 다시 마이크로미러 어레이(91) 칩으로 반사해주는 반사 거울(92)을 광축 정렬함으로써 구성된다.
여기서, 압전 구동 마이크로미러 어레이(91)의 마이크로미러 배열은 입력 광섬유측 마이크로미러와 출력 광섬유측 마이크로미러가 하나씩 번갈아 가며 배열되도록 한다.
또한, 광섬유 다발 역시 입력 광섬유와 출력 광섬유가 번갈아 가며 정렬 조립되도록 한다. 즉, 광섬유 다발의 배열과 구동 마이크로 미러의 배열을 매치시켜야 한다.
도 9에 도시된 광 스위치의 동작을 광로에 따라 설명하면, 임의의 입력 광섬유로부터 방출되는 레이저빔이 시준 렌즈를 거쳐 평행광으로 바뀌고, 이 평행광은 입력 광섬유에 대응되어 광축 정렬되어있는 마이크로미러 어레이(91)의 특정한 마이크로미러의 구동에 의해 광로를 변경하여 반사 거울(92)로 향하여 반사되고, 반사 거울(92)에 의해 반사된 레이저빔은 다시 원하는 출력측 광섬유에 대응하는 마이크로미러의 구동 제어에 의해 출력 광섬유로 레이저빔을 반사하게 되어 임의의 입출력 멀티플렉싱이 수행된다.
여기서, 압전 구동 마이크로미러 어레이(91) 칩은 광섬유 다발과 45。를 이루어 광축 정렬되도록 하며, 반사 거울(92)은 입출력 광섬유의 레이저빔 진행 방향과 평행하게 설치한다.
그리고, 반사 거울(92)과 압전 구동 마이크로미러 어레이(91)의 간격은 광 손실과 마이크로미러의 최대 구동 범위 내에서 설계되어야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 마이크로미러 어레이와 그 제조방법 및 이를 이용한 광 스위치는 다음과 같은 효과가 있다.
마이크로머시닝 기술 및 반도체 일관 공정 등을 통하여 소형 경량화의 부품을 구현할 수 있고, 부품 단가를 절감할 수 있으며, 구동 전압을 낮출 수 있다.
또한, 마이크로미러 구동 응답 속도를 개선할 수 있으므로, 광 신호 멀티플렉싱 시스템의 성능을 개선할 수 있다.
따라서, 이러한 압전 구동 마이크로미러 어레이를 이용하여 광 통신용의 광 신호 라우터 모듈의 주요 부품인 광 크로스-커넥트 스위치를 구현할 수 있고, 광 통신에서 필요한 중계/분배 기능을 수행하게 되므로 대용량의 고속 정보 통신망의 실현이 가능하게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (23)

  1. 입력 광섬유 다발과 출력 광섬유 다발간의 광 경로를 제어하는 광 스위치에 있어서,
    상기 광 스위치는 다수 개의 마이크로미러(micromirror)와;
    상기 각각의 마이크로미러를 x축 방향으로 회전 구동하는 x축 구동기와;
    상기 각각의 마이크로미러를 y축 방향으로 회전 구동하는 y축 구동기와;
    상기 각각의 마이크로미러의 x축 및 y축 방향 회전 운동을 독립적으로 제어하는 짐벌(gimbal)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 x축 구동기와 y축 구동기는 외팔보 형태를 갖는 압전 구동기인 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로미러와 연결되어 상기 마이크로미러를 상기 짐벌로부터 현가시키는 x축 힌지(hinge)와;
    상기 짐벌과 연결되어 상기 짐벌을 상기 마이크로미러가 형성된 기판으로부터 현가시키는 y축 힌지를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로미러의 하부에 형성되어 상기 마이크로미러의 변형을 방지하는 변형 방지체를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로미러를 2차원적으로 배열하여 어레이를 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 어레이의 단위 마이크로미러는 상기 각각의 입력 광섬유 및 출력 광섬유 위치와 광학적으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이.
  7. 입/출력 광섬유 다발과;
    상기 입력 광섬유 다발로부터 입력된 광을 반사하는 다수 개의 구동 마이크로미러로 이루어진 제 1 마이크로미러 어레이와;
    상기 제 1마이크로미러 어레이로부터 반사된 광을 상기 출력 광섬유 다발로 반사하는 제 2마이크로미러 어레이를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 마이크로미러 어레이는 상기 입/출력 광섬유 다발과 45。를 이루도록 광축 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 입/출력 광섬유 다발은 상기 입/출력 광섬유를 정렬하여 고정하고 있는 고정부와;
    상기 입/출력 광섬유의 코어(core)부분과 광축 정렬되어 광을 평행광으로 만들어 주는 시준 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  10. 입/출력 광섬유 다발과;
    상기 입력 광섬유 다발로부터 입력된 광을 반사하는 다수 개의 구동 마이크로미러로 이루어진 마이크로미러 어레이와;
    상기 마이크로미러 어레이로부터 반사된 광을 다시 상기 마이크로미러 어레이로 반사하는 반사 거울을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로미러 어레이는 상기 입/출력 광섬유 다발과 45。를 이루도록 광축 정렬되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 반사 거울은 상기 입/출력 광섬유의 광 진행 방향과 평행하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 입/출력 광섬유 다발은 입력 광섬유와 출력 광섬유가 번갈아 가면서 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 마이크로미러는 입력 광섬유측 마이크로미러와 출력 광섬유측 마이크로미러가 번갈아 가면서 배열되는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
  15. 기판의 상/하부에 확산 방지막을 형성하고, 상기 기판 상부에 형성된 확산 방지막을 패터닝하여 상기 기판 상부의 소정 영역을 노출시키는 제 1단계;
    상기 기판 상부에 불순물을 주입하여 p-n 접합을 형성하는 제 2단계;
    상기 기판 상/하부에 형성된 확산 방지막을 제거하고, 상기 기판 상/하부에 실리콘 질화막을 형성하는 제 3단계;
    상기 기판 상부에 형성된 실리콘 질화막 상에 제 1전도체와, 압전물질과, 제 2전도체를 순차적으로 형성하고, 상기 제 1전도체/압전물질/제 2전도체를 대칭적인 형상으로 패터닝하는 제 4단계;
    상기 대칭적인 제 1전도체/압전물질/제 2전도체 패턴이 형성된 기판 중심부에 금속층을 형성하는 제 5단계;
    상기 기판 상부에 식각 방지막을 형성하고 패터닝하는 제 6단계;
    상기 기판 하부의 실리콘 질화막을 상기 기판 상부에 형성된 제 1전도체/압전물질/제 2전도체와 금속층과 대응되는 위치의 상기 기판 하부면이 노출되도록 패터닝하고, 상기 기판 하부를 상기 p-n 접합과 기판 상부의 실리콘 질화막이 노출되도록 식각하는 제 7단계;
    상기 기판 상부에 형성된 식각 방지막 패턴을 통하여 상기 기판 상부의 노출된 실리콘 질화막을 식각하여 상기 기판을 관통하고, 식각 방지막을 제거하는 제 8단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로미러 어레이 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 확산 방지막은 실리콘 산화막으로 이루어지고, 증착이나 열산화 방법(thermal oxidation)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2단계는 확산, 또는 이온 주입 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2단계의 불순물 주입은 고농도 불순물에 의한 자동 식각 정지법과 전기 화학적 식각 정지법 중 어느 하나를 이용하여 그 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 p-n 접합의 두께는 상기 불순물의 확산 시간 및 온도와 불순물 이온 가속 전압과 어닐링(annealing) 온도 및 시간에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1전도체/압전물질/제 2 전도체는 저압 화학 기상 증착된 실리콘 질화막 뼈대구조 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  21. 제 15항에 있어서,
    상기 반사 미러층은 반사도가 높은 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  22. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1전도체/압전물질/제 2전도체는 각각 승화(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 졸-겔(sol-gel) 중 어느 한 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
  23. 제 15항에 있어서,
    상기 기판 하부의 식각은 실리콘 이방성 식각(anisotriopic etchant) 용액에서 식각하거나, 플라즈마 건식 식각으로 식각하는 것을 특징으로 하는 광 스위치 제조방법.
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