KR20030015886A - 매립된 비임-한정 채널을 가진 광학 ｍｅｍｓ 스위칭어레이 및 이를 동작시키는 방법 - Google Patents

매립된 비임-한정 채널을 가진 광학 ｍｅｍｓ 스위칭어레이 및 이를 동작시키는 방법 Download PDF

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메이춘 루안
준 센
찰리 휠러
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아리조나 스테이트 유니버시티
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Abstract

신규한 광학 스위치 장치 및 이러한 장치를 동작시키는 방법은 원하는 전파 경로에서 광 신호를 한정하도록 매립될 수 있는 광 신호-한정 채널을 사용하여 출력부와 광 신호의 정렬이 확보되도록 함으로써 정렬시 문제점들을 극복한다. 작은 각도의 거울은 원하는 광 스위칭을 달성하기 위해 광 신호를 의도하는 광 신호-한정 채널로 지향하는데 사용될 수 있다. 이러한 거울은 정전기 작동, 열적 작동 또는 전자기적 작동, 또는 그 밖의 기술에 의해 제어될 수 있다.

Description

매립된 비임-한정 채널을 가진 광학 ＭＥＭＳ 스위칭 어레이 및 이를 동작시키는 방법 {OPTICAL MEMS SWITCHING ARRAY WITH EMBEDDED BEAM-CONFINING CHANNELS AND METHOD OF OPERATING SAME}
본 발명의 개발에 대한 부분적인 자금은 미국 공군에 의해 미국 정부 허가 번호(Grant Number) 공군 SBIR F29601-99-C-0101, 부계약 번호 제 ML99-01으로 제공되었다. 미국 정부는 본 발명에 대한 일정 권리를 소유할 수 있다.
스위치는 전기 또는 광학 회로에서 장치를 동작시키기 위해 개방 및 폐쇄 접촉하는 전기적-제어되는 2종-상태의 전형적인 장치이다. 예를 들면, 릴레이(relay)는 전기, 광학 또는 기타 장치들의 부분을 활성 또는 불-활성시키는 스위치로서 기능한다. 릴레이는 통상적으로 통신, RF(radio frequencey) 통신, 휴대용 전자제품, 소비자 및 산업용 전자제품, 우주선 및 기타 시스템을 포함하는 다양한 용도에 사용된다. 가장 최근에는, 광학 스위치(또한 본 명세서에서는 "광학 릴레이" 또는 단순히 "릴레이"라 함)는 하나의 경로로부터 다른 경로로의 광 신호(섬유 광학 또는 기타 광학 통신 시스템에서 광 이동의 펄스와 같은)를 스위칭하기 위해 사용되어 왔다.
가장 최초의 릴레이는 기계적 또는 고체상태의 장치이었으나, 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 기술 및 마이크로전자 제조에 있어 최근의 발전은 마이크로-정전기 및 마이크로-자기 릴레이를 가능하게 하였다. 이러한 마이크로-자기 릴레이는 전형적으로 전기 접촉하거나 또는 전기 접촉을 파괴하기 위한 전기자(armature)를 통전시키는 전자석(electromagnet)을 포함한다. 자석을 통전시키는 경우, 스프링 또는 다른 기계적 힘은 전형적으로 전기자를 정지 위치로 복원시킨다. 다른 정전기 릴레이는 이동자재의 캔틸레버(cantilever) 및 고정 전극 패드 사이의 전압차를 사용하여 전기자 또는 캔틸레버를 작동시키는 정전기력을 발생시킨다. 다른 릴레이들은 열적 작동(thermal actuation), 형상 기억 합금 작동(shape memory alloy actuation) 등과 같은 기타 작동 메카니즘을 사용하였다. 그러나, 이러한 릴레이들은 이들이 단일의 안정한 출력(즉, 정지 상태)만을 나타내고, 이들이 래칭이 아니라는 점(전력이 릴레이로부터 제거될 때 일정한 출력을 유지하지 않는다)에서 전형적으로 다수의 특이할만한 단점을 나타내고 있다. 또한, 종래의 마이크로-자기 릴레이에 의해 요구되는 스프링은 시간 경과에 따라 분해 또는 파괴될 수 있다.
마이크로-자기 릴레이의 일례가 참고문헌으로서 본 명세서에 포함된 1998년 12월8일자로 등록된 테일러 등의 미국 특허 제 5,847,631호에 기재되어 있다. 상기 문헌에 개시된 릴레이는 영구 자석에 의해 발생되는 자기장을 간헐적으로 저지하는 자기장을 발생시키기 위한 영구 자석 및 전자기석이다. 상기 릴레이가 쌍-안정성을 추구하지만, 출력 상태의 적어도 하나 이상을 유지하기 위해 전자석에서의 소비 전력을 필요로 한다. 또한, 반대 자기장을 발생시키기 위해 필요한 전력은 중요하므로, 릴레이를 낮은 소비 전력이 요구되는 우주, 휴대용 전자제품 및 기타 용도로 사용하기에는 보다 덜 바람직하게 된다.
광학 스위치에 있어서, 또 다른 중요한 도전은 입력 레이저광의 정렬에 관한 것이다. 광섬유 또는 기타 구성요소로 레이저광을 정렬할 때 사용되는 가장 보편적인 거울은 일반적으로 본 명세서에서 "플립-업(flip-up)" 거울 또는 "수직 활주(vertical sliding) 거울"로서 언급되는 2개의 카테고리 중 하나에 해당된다. 작동 전에, "플립 업" 거울은 입사광이 거울에 의해 영향을 받지 않도록 전형적으로 편평하게 위치하여야 한다. 작동 후에는, 상기 거울은 전형적으로 수직으로 위치하여 입사 비임을 약 90도만큼 반사하도록 한다. 릴레이의 출력에 있어서, 마이크로 렌즈를 가진 광섬유는 기판 상에 트렌치 에칭된(trench etched) 상태로 존재하여 레이저 비임을 집광한다. 상기 거울은 회전 피봇(pivot)을 제공하기 위해 바닥부에 마이크로 힌지를 가진 작동 아암(또는 아암들)에 의해 지지될 수 있다. 또한 굴곡 스프링(flexure spring)에 의해 지지될 수도 있다. 플립-업 거울은 전형적으로 다양한 메카니즘에 의해 작동된다(예를 들면, 스크래치 구동(scratchdrive), 코움 구동(comb drive), 충격 코움 구동(impact comb drive), 코움 구동을 가진 활주 기어, 거울과 측벽 간의 단순한 정전기력, 자기력 등).
전형적으로 작동 중에 회전을 필요로 하는 "플립-업" 거울과 달리, 수직 활주 거울은 전형적으로 작동하기 위해 특별한 트랜스레이션(translation)을 사용한다. 전형적으로, 상기 거울은 슬라이드의 상부 상에 수직 안착한다. 상기 거울이 작동되면, 스토퍼(stopper)에 의해 소정의 위치로 활주하여 레이저 비임 경로를 차단하고 90도만큼 반사시킨다. 수직 거울은 전형적으로 LIGA (RoentgenLIthographie Galvanik Abformung : X-ray 리토그래피, 전착 및 성형) 공정 또는 심도 반응성 이온건식 식각(deep reactive ion etching (DRIE)) 후 반사성 금속으로 코팅함으로써 제조된다. 거울의 기울기는 LIGA 공정에 있어서는 약 1/1000 정도일 수 있다. 표면 평탄도는 DRIE 공정에서는 약 5nm 정도일 수 있다.
스위치 어레이 크기가 큰 경우(예를 들면 512x512), 자유 공간에서 출력부에 수직 거울에 의해 반사된 레이저 비임을 정렬시키는 것은 종종 극도로 어렵게 된다. 칩 크기가 5cm라고 가정하면, 스위치 크기는 약 5/512 또는 약 100마이크로미터일 필요가 있다. 전형적으로 약 0.01°정도의 정렬 정확도를 요하지만, 표준 마이크로 전자제품의 제조 기술로는 이러한 정확도를 달성하기가 극도로 어렵게 된다. 활성 거울 미세-튜닝은 이러한 문제점을 다소 해결할 수 있지만, 이러한 튜닝은 전형적으로 제조 및 회로에 있어 복잡성, 느린 속도 등과 같은 다른 문제점들을 야기한다. 정렬 문제점 이외에, 레이저 비임의 분기(divergence)는 어레이 크기가 큰 경우(예를 들면, 투과 거리가 약 1cm를 초과하는 경우), 허용할 수 없게 되기도한다. 따라서, 대형 스위치 구조에서 조차도 정밀한 설계 규격을 만족시킬 수 있는 광학 스위치를 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기재내용은 전자 및 광학 스위치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 기재내용은 낮은 소비 전력을 가진 래칭(latching) 마이크로-자기(micro-magnetic) 스위치 및 마이크로-자기 스위치를 제조 및 동작시키는 방법을 기술하고 있다. 더 나아가, 본 발명의 기재내용은 관련 방법에 따라 광의 정렬 불량(mis-alignment) 및 광의 감쇠(attenuation)를 최소화하기 위해 매립된 비임-한정 채널을 가진 광학 스위칭 배열을 기술하고 있다.
이하, 상기 및 기타 본 발명의 특징 및 장점은 첨부 도면과 예시를 위한 실시형태의 하기 상세한 설명에 기재되며, 동일 또는 유사한 부분을 확인하기 위해 유사한 도면에서는 유사한 참조 부호가 사용된다:
도 1A 및 1B는 각각 스위치의 예시를 위한 일실시형태의 측면도 및 평면도이다;
도 2A 내지 2H는 스위치를 제조하기 위한 예시적 기술을 나타내는 측면도이다;
도 3A 및 3B는 각각 스위치의 예시적 제2실시형태의 측면도 및 평면도이다;
도 3C는 스위치의 예시적 제2실시형태를 사용하기에 적합한 예시적 캔틸레버의 사시도이다;
도 3D는 구획화된 자기 민감성 부재를 포함하는 스위치의 예시를 위한 일실시형태의 사시도이다;
도 3E는 다중 자기 민감층을 포함하는 예시적 캔틸레버의 측면도이다;
도 4A 및 4B는 각각 래칭 릴레이의 예시적 제3실시형태의 예시적 측면도 및 평면도이다;
도 4C 및 4D는 래칭 릴레이의 제3실시형태로 사용하기 위해 적합한 예시적 캔틸레버의 사시도이다;
도 5는 래칭 릴레이의 제4실시형태의 측면도이다;
도 6A 및 6B는 각각 래칭 릴레이의 제5실시형태의 측면도 및 평면도이다;
도 7A 및 7B는 각각 예시적 "I형" 거울의 측면도 및 평면도이다;
도 8A 및 8B는 각각 수평 배향의 예시적 "II형" 거울의 측면도 및 평면도이다;
도 8C 및 8D는 각각 수직 배향의 예시적 "II형" 거울의 측면도 및 평면도이다;
도 8E는 반사형 거울의 예시적 제2실시형태의 측면도이다;
도 8F 및 8G는 각각 반사기/거울의 예시적 제3실시형태의 평면도 및 측면도이다;
도 9A 및 9B는 예시적 스위치의 제1상태에서의 측면도 및 평면도이다;
도 10A 및 10B는 예시적 스위치의 제2상태에서의 측면도 및 평면도이다;
도 11은 예시적 5 x 5 광학 스위치의 평면도이다;
도 12A는 예시적 광학 교차형 스위치 어레이의 사시도이다;
도 12B(a) 및 12B(b)는 예시적 광 신호-한정 채널의 측면도이다;
도 13은 예시적 광 신호-한정 채널로 또한 통과하는 예시적 광 신호 경로의 확대 사시도이다;
도 14A 및 14B는 제1상태에 있는 외부 상부 채널 표면 상에서만 광학 거울을 갖는 예시적 광 신호-한정 채널을 가진 예시적 광학 교차형 스위치 어레이로 및 통한 광 신호의 경로의 개략도의 평면도 및 측면도이다;
도 15A 및 15B는 제2상태에 있는 외부 상부 채널 표면 상에서만 광학 거울을 갖는 예시적 광 신호-한정 채널을 가진 예시적 광학 교차형 스위치 어레이로 및 통한 광 신호의 경로의 개략도의 평면도 및 측면도이다;
도 16A 및 16B는 제1상태에 있는 외부 상부 채널 표면 및 내부 하부 채널 표면 상에서 광학 거울을 갖는 예시적 광 신호-한정 채널을 가진 예시적 광학 교차형 스위치 어레이로 및 통한 광 신호의 경로의 개략도의 평면도 및 측면도이다;
도 17A 및 17B는 제2상태에 있는 외부 상부 채널 표면 및 내부 하부 채널 표면 상에서 광학 거울을 갖는 예시적 광 신호-한정 채널을 가진 예시적 광학 교차형 스위치 어레이로 및 통한 광 신호의 경로의 개략도의 평면도 및 측면도이다;
도 18은 광 신호-한정 채널이 제1상태에 있는 광학 교차형 스위치 어레이로 광 신호를 입력하기 위해 사용되는 예시적 광학 교차형 스위치 어레이의 사시도이다;
도 19는 광 신호-한정 채널이 제2상태에 있는 광학 교차형 스위치 어레이로 광 신호를 입력하기 위해 사용되는 예시적 광학 교차형 스위치 어레이의 사시도이다.
신규한 광학 스위치 장치 및 이러한 장치를 동작시키는 방법은 원하는 전파 경로에서 광 신호를 한정하도록 매립될 수 있는 광 신호-한정 채널을 사용하여 출력부와 광 신호의 정렬이 확보되도록 함으로써 정렬시 문제점들을 극복한다. 작은 각도의 거울은 광 신호를 의도한 광 신호-한정 채널로 향하도록 사용하여 원하는 광학 스위칭을 달성할 수 있다. 상기 거울은 래칭 마이크로-거울 또는 비-래칭 마이크로-거울일 수 있다. 이러한 거울들은 정전기적 작동, 열적 작동 또는 전자기적 작동 또는 기타 다른 기술에 의해 제어될 수 있다.
본 명세서에 나타내고 또한 기재되는 특정 실시형태들은 본 발명의 예들로서 본 발명의 범위를 결코 한정하고자 하는 것이 아님은 명백하다. 간결성을 위해, 종래의 전자제품, 제조, MEMS 기술 및 기타 시스템(및 시스템의 개개의 동작 구성요소들 중 구성요소)의 기능적 특징들은 본 명세서에 상세하게 기재하지 않을 것이다. 유사하게, 상이한 제어 메카니즘을 위한 다양한 제어 또는 작동 엘리먼트들은 간결성을 위해 도면에 나타내지 않을 수 있다. 더욱이, 간결성을 위해, 본 발명은 전기 또는 전자 시스템에서 사용하기 위한 마이크로-전자적으로-가공된 릴레이와 관련된 것으로 본 명세서에 종종 기재된다. 다수의 다른 제조 기술들이 본 명세서에 기재된 릴레이를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 기술들이 기계적 릴레이, 광학 릴레이 또는 기타 스위칭 장치에서 사용될 수 있음은 물론이다. 또한, 상기 기술들은 전기 시스템, 광학 시스템, 소비자 전자제품, 산업용 전자제품, 무선 시스템, 우주 산업 또는 기타 용도에 적합할 것이다. 게다가, 본 명세서에 기재된 공간적 표현들(예를 들면, "위", "아래", "위로", "아래로" 등)은 예시를 목적으로 할 뿐, 실제적인 래칭 릴레이는 배향 또는 방식에 있어 공간 배치될 수 있다. 이들 릴레이의 어레이는 또한 적절한 방식으로 또한 적절한 장치로 이들을 접속시킴으로써 형성될 수도 있다.
래칭 스위치
도 1A 및 1B는 각각 래칭 스위치의 측면도 및 평면도이다. 도 1A 및 1B를 참조하면, 예시적 래칭 릴레이(100)은 자석(102), 기판(104), 도전체(114)를 수용하는 절연층(106), 접촉부(108) 및 스테이징 층(110)에 의해 기판 위에 위치되는 캔틸레버(112)를 포함한다.
자석(102)은 자기장 Ho(134)을 발생시킬 수 있는 보다 상세히 후술하는 영구 자석, 전자석 또는 기타 유형의 자석과 같은 임의의 유형의 자석이다. 예시를 위한 실시형태에 있어서, 물론 다른 유형의 자석이 사용될 수 있지만, 자석(102)은 캘리포니아주 프레몬트의 덱스터 마그네틱 테크놀로지스사(Dexter Magnetic Technologies corporation)로부터 구입가능한 모델 59-P09213T001 자석이다. 자기장(134)은 약 1 에르스텟 내지 104에르스텟 이상과 같은 크기를 갖도록 임의의 방법에 의해 발생될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 예시를 위한 실시형태에 있어서, 다른 실시형태가 자기장(134)에 대한 다양한 배향 및 크기를 사용할 수 있지만, 자기장 Ho(134)는 Z축에 거의 평행하게 발생될 수 있으며, 약 370에르스텟 정도의 크기를 가질 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 단일의 자석(102)이 공통 기판(104)을 공유하는 다수의 릴레이들(100)과 조합하여 사용될 수 있다.
기판(104)은 실리콘, 갈륨 비화물(arsenide), 유리, 플라스틱, 금속 또는 기타 기판 재료와 같은 임의의 유형의 기판 재료로 형성된다. 다양한 실시형태에 있어서, 기판(104)은 절연 재료(산화물)로 코팅될 수 있으며, 평면화 또는 다른 방법으로 편평하게 될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 다수의 래칭 릴레이들(100)은 단일 기판(104)을 공유할 수 있다. 이와 달리, 다른 소자들(트랜지스터, 다이오드 또는 기타 소자들)은 예를 들면 종래의 집적 회로 제조 기술을 사용하여 하나 이상의 릴레이들(100)과 함께 기판(104)상에 형성될 수 있다. 또한, 자석(102)은 기판으로서 사용될 수 있으며, 상세히 후술하는 부가적인 구성요소가 자석(102) 상에 직접 형성될 수 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 별도의 기판(104)이 필요하지 않을 수 있다.
절연층(106)은 산화물과 같은 재료 또는 박막 절연체와 같은 또 다른 절연체로 형성된다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 절연층은 Probimide 7510 재료로 형성된다. 절연층(106)은 도전체(114)를 적절히 수용한다. 도전체(114)는 도 1A 및 1B에 도시된 바와 같이 코일 패턴에 배열된 2개의 말단부(126, 128)를 갖는 단일의 도전체이다. 도전체(114)의 또 다른 실시형태로는 사행형(meander) 패턴, 지그재그(serpentine) 패턴, 랜덤(random) 패턴과 같은 적절한 패턴으로 배열된 단일 또는 다중 도전체 단편을 사용한다. 도전체(114)는 금, 은, 구리, 알루미늄, 금속 등과 같이 전기를 도전시킬 수 있는 임의의 재료로 형성된다. 도전체(114)가 전기를 전달할 때, 상세히 후술하는 도전체(114) 주위에 자기장이 형성된다.
캔틸레버(112)는 전기자, 익스텐션(extension), 아웃크로핑(outcropping) 또는 자기력에 의해 영향을 받을 수 있는 부재이다. 도 1A에 도시되어 있는 실시형태에서, 캔틸레버(112)는 자기층(118)과 도전층(120)을 적절히 포함한다.자기층(118)은 퍼멀로이(NiFe 합금과 같은) 또는 기타 자기 민감성 재료로 제조될 수 있다. 도전층(120)은 금, 은, 구리, 알루미늄, 금속 또는 기타 도전성 재료로 제조될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 캔틸레버(112)는 릴레이(100)가 상세히 후술하는 "개방" 또는 "폐쇄"되는가에 따른 2개의 상태를 나타낸다. 다수의 실시형태에서, 릴레이(100)는 도전층(120)이 스테이징 층(110)을 접촉부(108)에 접속시킬 때 "폐쇄"된다고 한다. 역으로, 릴레이는 캔틸레버(112)가 접촉부(108)와 전기적으로 접촉되지 않을 때 "개방"된다고 한다. 캔틸레버(112)가 접촉부(108)와 물리적으로 접촉되거나 접촉되지 않게 이동할 수 있기 때문에, 캔틸레버(112)가 적절히 만곡될 수 있도록 캔틸레버(112)의 다양한 실시형태들은 유연성있게 제조된다. 유연성은 캔틸레버(또는 다수의 구성요소 층)의 두께를 변경함으로써, 패턴화시키거나 또는 캔틸레버의 구멍들 또는 절단부를 만들 수 있는 다른 방법에 의해, 또는 유연성이 증가된 재료를 사용함으로써 가능하다. 또한, 캔틸레버(112)는 도 3을 참조하면 후술하는 바와 같은 "힌지형" 배열로 제조될 수 있다. 물론, 캔틸레버(112)의 치수는 실시형태별로 크게 변경될 수 있지만, 마이크로-자기 릴레이(100)에서 사용하기에 적합한 예시적 캔틸레버(112)는 10-1000마이크론 정도의 길이, 1-40 마이크론의 두께, 2-600 마이크론의 폭일 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 실시형태에 따른 예시적 캔틸레버는 약 600 마이크론 x 10 마이크론 x 50 마이크론, 또는 1000 마이크론 x 600 마이크론 x 25 마이크론, 또는 기타 다른 적합한 치수를 가질 수 있다.
접촉부(108) 및 스테이징 층(110)은 절연층(106) 상에 적절히 위치한다. 다수의 실시형태에 있어서, 스테이징 층(110)은 진공이거나 또는 공기 또는 또 다른 가스 또는 오일과 같은 액체로 충전될 수 있는 틈(116)을 형성하면서 절연층(106) 상의 캔틸레버(112)를 지지한다. 틈(116)의 크기는 상이한 실시형태별로 상당히 다르지만, 예시적 틈(116)은 약 20 마이크론과 같은 1-100 마이크론 정도일 수 있다. 접촉부(108)는 릴레이(100)가 후술하는 바와 같이 폐쇄 상태인 경우 캔틸레버(112)를 수용할 수 있다. 접촉부(108)와 스테이징 층(110)은 금, 금 합금, 은, 구리, 알루미늄, 금속 등과 같은 도전성 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 접촉부(108)와 스테이징 층(110)은 유사한 도전성 재료로 형성되며, 릴레이는 캔틸레버(112)가 스테이징 층(110)과 접촉부(108) 사이의 회로를 완성하는 경우 "폐쇄"된 것으로 간주된다. 다른 실시형태들은 도 3 및 4를 참조로 하여 후술하는 바와 같이 접촉부(108) 및 스테이징 층(110)에 대해 상이한 화합물을 사용한다. 캔틸레버(112)가 전기를 도전시키지 않는 몇몇 실시형태에 있어서, 스테이징 층(110)은 Probimide 재료, 산화물 또는 기타 재료와 같은 비-도전성 재료로 제조될 수 있다. 또한, 캔틸레버(112)가 절연층(106) 위에서 지지되는 경우 또 다른 실시형태들은 스테이징 층(110)을 필요로 하지 않을 수 있다.
동작 원리
본 발명의 광범위한 특징에 있어서, 자석(102)은 캔틸레버(112)에서 자화 (m)를 유도하는 자기장 Ho(126)를 발생시킨다. 상기 자화는 그 방향에 따라 접촉부(108)를 향해 또는 접촉부(108)로부터 먼 방향으로 캔틸레버(112)에 힘을 가하여 릴레이(100)를 개방 또는 폐쇄 상태로 위치시키는 캔틸레버(112)에 대한 토크(torque)를 적절히 생성시킨다. 캔틸레버(112)에서 자화의 방향은 상세히 후술하는 바와 같이 적절히 도전체(114)에 의해 발생되는 제2자기장에 의해 조정될 수 있다.
도 1A 및 1B를 계속 참조하면, 캔틸레버(112)의 일차원(예를 들면, 길이)에 수직이 되도록 우선적으로 자기장 Ho(134)는 Z-축에 평행한 방향의 자석(102)에 의해 인가된다. 자기장(134)은 연질 자성 재료로 제조될 수 있는 캔틸레버(112)에서 자화를 적절히 유도한다. 캔틸레버(112)의 기하구조에 의해, 캔틸레버(112)에서의 자화는 도 1에서 캔틸레버(112)의 길이(X-축에 평행함)인 캔틸레버의 장축(long axis)을 따라 적절히 정렬한다.
캔틸레버(112)에서 자화의 배향은 인가된 자기장(134) 및 캔틸레버(112)의 장축 사이의 각도(알파)에 따라 적절히 다르다. 구체적으로, 상기 각도(알파)가 90도 미만이면, 캔틸레버(112)에서의 자기 모멘트(m)는 캔틸레버(112)의 말단(130)으로부터 말단(132)로 향한다. 따라서 자기 모멘트 및 자기장 Ho(134) 사이의 상호작용은 적절하게 말단(132)를 상부로 이동시키는 캔틸레버(112)의 말단(130) 주위에서 시계 반대방향으로 토크를 형성하여 스테이징 층(110) 및 접촉부(108) 사이의 회로를 개방시킨다. 역으로, 각도(알파)가 90도를 넘으면, 캔틸레버(112)에서의 자기장(m)은 말단(132)에서 말단(130)을 향하여 말단(130) 주위에서 시계 방향의 토크를 형성한다. 시계방향의 토크는 말단(132)을 하방으로 이동시켜 스테이징층(110) 및 접촉부 사이의 회로를 완성한다. 캔틸레버(112)의 장축 및 인가된 자기장(134) 사이의 각도가 변하지 않는 한, 캔틸레버(112)의 자화(m)가 변화하지 않기 때문에, 인가된 토크는 외부 섭동(perturbation)이 적용될 때까지 잔류할 것이다.
캔틸레버 또는 스토퍼(접촉부와 같은)의 탄성 토크는 인가된 자기 토크의 균형을 맞추고, 따라서 릴레이(100)는 캔틸레버(112)의 상방 및 하방 위치(따라서, 각각 릴레이(100)의 개방 및 폐쇄 상태가 됨)에 상응하는 2개의 안정한 상태를 나타낸다.
캔틸레버의 자기 쌍극자 모멘트의 방향을 역전시키는 적절한 기술에 의해 스위칭이 이루어질 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)의 자화(m)에 영향을 줄 정도로 강한 캔틸레버(112)의 장축을 따라 일 구성요소를 갖는 제2자기장을 형성시킴으로써 스위칭될 수 있다. 도 1에 도시되어 있는 실시형태에 있어서, 제2자기장의 적당한 구성요소는 X-축에 따른 자기장의 구성요소이다. 캔틸레버(112)의 장축에 따른 제2자기장의 세기가 가장 중요하기 때문에, 제2자기장의 자기장의 전체 크기는 전형적으로 자기장(134)의 크기 미만이다 (물론 임의 강도의 자기장이 다양한 실시형태에서 사용될 수 있지만). 물론 다소 강하거나 약한 자기장이 기타 실시형태들에서 사용될 수 있다 하더라도, 예시적 제2자기장은 20 에르스텟 정도일 수 있다.
제2자기장이 예를 들면 전자적으로-제어되는 전자석과 같은 자석을 통해 형성될 수 있다. 이와 달리, 제2자기장은 도전체(114)를 통해 전류를 통과시킴으로써 형성될 수 있다. 전류가 도전체(114)를 통과함에 따라, 자기장은 "오른손 법칙"에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 도전체(114) 상의 지점(126)으로부터 지점(128)으로 흐르는 전류(도 1B)가 전형적으로 도 1A의 화살표(122)에 상응하는 코일의 중심 "으로" 자기장을 형성시킨다. 역으로, 도 1에서 지점(128)으로부터 지점(126)으로 흐르는 전류가 도 1A의 점선 화살표(124)에 상응하는 코일의 중심 "으로부터" 흐르는 자기장을 형성시킨다. 상기 자기장은 도 1A에 도시되어 있는 방식으로 캔틸레버(112) 상에서 자기장의 수평(X) 성분을 강제하면서 도전체(114) 주위에서 순환(loop)할 수 있다.
도전체(114)에 흐르는 전류 또는 전류 펄스의 방향을 변화시키면, 제2자기장의 방향은 원하는대로 변경될 수 있다. 제2자기장의 방향을 변화시킴으로써, 캔틸레버(112)의 자화는 영향을 받게 되고 릴레이(100)는 적절히 개방 또는 폐쇄로 스위칭될 수 있다. 예를 들면, 제2자기장이 자기장 화살표(122) 방향일 때 캔틸레버(112)의 자화는 말단(130)을 향할 것이다. 이러한 자화는 릴레이(100)를 적절히 폐쇄시키는 "하방" 위치로 캔틸레버(112)를 배치시키는 말단(130) 주위에 시계방향의 토크를 형성시킨다. 역으로, 제2자기장이 점선의 자기장 화살표(124) 방향인 경우, 캔틸레버(112)의 자화는 말단(132)을 향하게 되고, 시계 반대방향의 토크가 릴레이(100)를 적절히 개방시키는 "상방" 상태로 캔틸레버(112)를 배치시키며 형성된다. 따라서, 캔틸레버(112)의 "상방" 또는 "하방" 상태(따라서, 릴레이(100)의 "개방" 또는 "폐쇄" 상태)는 도전체(114)를 통해 흐르는 전류를 제어함으로써 조정될 수 있다. 또한, 캔틸레버(112)의 자화가 외부 섭동 없이 일정하게 유지되기 때문에, 제2자기장은 릴레이를 스위칭시키도록 요구되는 대로 "펄스" 형태로 또는 간헐적으로 인가될 수 있다. 릴레이가 상태의 변화를 필요로 하지 않는 경우, 도전체(114)에 대한 전력이 제거될 수 있으므로 정지상태에서 전력 소비 없이 쌍-안정성(bi-stable) 래칭 릴레이(100)를 제조할 수 있다. 이러한 릴레이는 우주선, 항공기, 휴대용 전자제품 등의 용도에 적합하다.
래칭 릴레이의 제조
도 2는 래칭 릴레이(100)를 제조하기 위한 예시적 기술을 나타내는 다수의 측면도를 포함하고 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 래칭 릴레이(100)를 제조하기 위해 사용될 수 있는 다수의 기술 중 단지 하나의 예로서 제공됨은 물론이다.
예시적 제조방법은 절연층을 선택적으로 필요로 하는 기판(102)을 제공함으로써 적절히 개시된다. 상술한 바와 같이, 임의의 기판 재료가 래칭 릴레이(100)를 제조하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 예를 들면 절연 기판이 사용되는 경우 절연층이 불필요하다. 절연층을 포함하는 실시형태에 있어서, 상기 층은 두께 1000옹스트롬 정도일 수 있는 이산화규소(SiO2) 또는 기타 절연 재료의 층일 수 있다. 다시 말해, 절연 재료로 선택된 재료 및 층 두께는 특정 실시형태에 따라 변할 수 있다.
도 2A를 참조하면, 도전체(114)는 기판(104)상에 적절히 형성될 수 있다. 도전체(114)는 퇴적(e-비임 퇴적), 증착, 전기도금 또는 무전해 도금 등과 같은 임의의 기술에 의해 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 도전체(114)는 도1에 도시되어 있는 바와 유사한 코일 패턴으로 형성된다. 이와 달리, 도전체(114)는 선형, 지그재그형, 환형, 사행형, 랜덤형 또는 기타 패턴으로 형성된다. 절연층(106)은 도 2B에 도시되어 있는 바와 같이 방사 또는 다른 방법으로 기판(104) 및 도전체(114)에 적용될 수 있다. 절연층(106)은 상부 장치를 전기적으로 절연시킬 수 있는 포토레지스트, 이산화규소, Probimide-7510 재료 또는 기타 임의의 절연 재료의 층으로서 사용될 수 있다. 단지 하나의 도전층이 도 2A에 도시되어 있지만, 도전성 재료의 반복되는 다중-층이 추가될 수 있다. 이들 다중 층은 바이어스(vias) 또는 다른 기술을 통해 연속적으로(또는 병렬 또는 기타) 연결되어 소정의 전류에 의해 형성되는 자기장의 세기를 증가시킬 수 있다. 다수의 실시형태들에 있어서, 절연성 재료의 표면은 화학-기계적 평면화(chemical-mechanical planarization, CMP)와 같은 기술에 의해 평면화된다.
접촉 패드(108, 110)는 포토리토그래피, 에칭 등과 같은 임의의 기술을 통해 절연층(106) 상에 형성될 수 있다(도 2C). 패드(108, 110)는 절연층(106) 상에 하나 이상의 도전성 재료의 층을 퇴적시킨 다음, 예를 들면 습식 에칭(wet etching)에 의해 패드를 패턴화함으로써 형성될 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 패드(108, 110)는 크롬 또는 티탄의 제1층(절연층(106)과의 접착성을 개선하기 위함) 및 금, 은, 구리, 알루미늄 또는 다른 도전성 재료의 제2층을 적절히 포함한다. 또 다른 금속층들이 접촉 신뢰성(contact reliability)을 개선하고, 저항을 낮추기 위해 전기도금 또는 무전해 도금함으로써 접촉부에 추가될 수 있다.
도 2D를 참조하면, 접촉 패드(108, 110)는 포토레지스트, 알루미늄, 구리 또는 기타 재료의 층으로 적절히 커버되어 희생층(sacrificial layer, 202)를 형성할 수 있다. 캔틸레버 기재 영역 상의 희생층(202)에서 개구부(206)는 포토리토그래피, 에칭 또는 다른 공정에 의해 한정될 수 있다. 이후, 캔틸레버(112)는 도 2E에 도시되어 있는 바와 같이, 희생층(202)의 상부 상에 하나 이상의 재료 층을 퇴적, 스퍼터링 또는 다른 방법으로 배치시키고 개구부(206) 위로 연장함으로써 형성될 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 크롬 또는 기타 금속 기재층(204)은 희생층(202) 상에 배치되어 접착성을 개선할 수 있고, 하나 이상의 도전층들(120)이 역시 형성될 수 있다. 층(204, 120)은 예를 들면 퇴적 후 화학적 또는 기계적 에칭에 의해 형성될 수 있다. 층(120)은 전기도금 또는 무전해 도금 방법에 의해 다른 도전층(금, 금 합금 등)을 첨가함으로써 후막화될 수 있다. 캔틸레버(112)는 또한 도 2F에 도시되어 있는 바와 같이, 도전층(120)의 상부 상에 퍼멀로이(NiFe 퍼멀로이와 같은) 층(118)을 전기도금 또는 다른 방법으로 배치시킴으로써 형성된다. 퍼멀로이 층(118)의 두께는 도금 전류 및 전기도금 시간을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 예를 들면 평방 센티미터 당 0.02암페어에서 60분 동안 전기도금하면, 약 20 마이크론의 예시적 퍼멀로이 층을 얻을 수 있다. 다수의 실시형태들에 있어서, 추가적인 퍼멀로이 층(306)(도 3에 도시됨)은 캔틸레버(112)의 상부에 전기도금되어 자기장에 대한 캔틸레버(112)의 반응성을 증가시킬 수 있다.
도 2G를 참조하면, 희생층(202)은 예를 들면 습식 또는 건식(즉, 산소 플라즈마) 이형(releasing) 기술에 의해 제거되어 캔틸레버(112) 및 절연층(106) 사이에 틈(116)을 형성한다. 다수의 실시형태들에 있어서, 접착층(204)은 적절한 에칭또는 이와 동등한 제거 기술을 사용하여 제거되어 릴레이(100)를 형성할 수 있다(도 2H). 이후, 릴레이(100)는 다이싱(dicing)되어 자석(102)과 패키징되거나(도 1에 도시됨) 또는 다른 방법으로 적절히 처리된다. 또한, 영구 자석(102)이 기판 상에 직접 구성되거나 캔틸레버 또는 코일의 상부에 배치될 수 있고, 캔틸레버는 영구 자석 기판 상에 직접 구성될 수 있음은 물론이다.
래칭 릴레이의 또 다른 실시형태들
도 3 및 4는 래칭 릴레이(100)의 또 다른 실시형태들을 개시하고 있다. 도 3A 및 3B는 각각 힌지형 캔틸레버(112)를 포함하는 래칭 릴레이의 또 다른 실시형태의 측면도 및 평면도이다. 도 3A 및 3B의 사시도는 힌지형 캔틸레버를 보다 구체적으로 나타내기 위해 도 1A 및 1B에 도시되어 있는 사시도로부터 X-Y 면에서 90도 회전된다. 도 3A 및 3B를 참조하면, 힌지형 캔틸레버(112)는 절연층(106) 상에 자기 민감성 부재(306)를 지지하는 하나 이상의 스트링(302, 304)을 적절히 포함한다. 부재(306)는 도전성 재료로 형성될 수 있는 스트링(302, 304)에 비해 상대적으로 두꺼울 수 있다(약 50 마이크론 정도). 도 1을 참조하여 상술한 릴레이들(100)에 있어서, 힌지형 캔틸레버를 가진 릴레이들(100)은 자석(102) 및 도전체(114)에 의해 형성되는 바와 같이 자기장에 민감할 수 있다. 다수의 실시형태들에 있어서, 하나 또는 2개의 스트링(302, 304)은 릴레이가 "폐쇄" 상태에 있는 경우 접촉 패드(108)와 통전된다. 물론, 임의적인 수의 스트링이 사용될 수 있다. 예를 들면, 단일의 스트링이 부재(306)의 총 중량을 지지하기 위해 형성될 수 있다. 또한, 부재(306) 상의 임의의 지점에 스트링이 위치될 수 있다. 도 3은 부재(306)의 중심 부근에서 스트링(302, 304)을 도시하고 있지만, 상기 스트링은 예를 들면 부재(306)의 말단 근처에 접촉부(108)를 향해 위치되어 자석(102)에 의해 형성되는 토크를 증가시킬 수 있다.
도 3C는 도 3A 및 3B에 도시되어 있는 실시형태들 뿐 아니라 다른 실시형태들에도 사용하기에 적합한 예시적 캔틸레버(112)의 사시도이다. 캔틸레버(112)는 도전층(120)과 결합되는 부재(306)를 적절히 포함한다. 구멍(310 및/또는 312)은 도전층(120)에 형성되어 캔틸레버(112)의 유연성을 개선시킬 수 있으며, 선택적인 접촉 범프(308)는 도전층(120)의 표면에 형성되어 접촉부(108)와 접촉할 수 있다. 스트링(302, 304)(도 3C에 도시하지 않음)은 캔틸레버(112) 상의 임의의 위치(도전층(120)의 중심 또는 도전층(120)의 적절한 일단)에 고정되거나 다른 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 스트링은 비-도전성 재료로 형성될 수 있고, 캔틸레버(112)는 후술하는 폐쇄 위치에서 캔틸레버에 의해 동시에 접촉되는 2개의 별도 도전체 사이의 도전 경로를 제공할 수 있다.
상대적으로 광범위한 자기 민감성 부재(306)를 포함하는 임의의 스위치는 캔틸레버(112)의 폭 대비 길이의 상대적으로 큰 비율 때문에 자화의 감소가 나타난다는 것이 관찰되었다. 또한, 폭이 증가하면, 캔틸레버의 꼬임(twisting)을 초래할 수 있는 캔틸레버(112)의 폭을 따라 자화가 증가될 수 있으며, 캔틸레버(112)와 접촉부(108) 사이의 접촉이 감소될 수 있다. 도 3D는 구획된 자기 민감성 부재(306A, 306B, 306C 및 306D)를 포함하는 스위치의 사시도이다. 캔틸레버(112)의 길이를 따라 자화를 증가시기키 위해, 자기 민감성 부재(306)는 구획화되어, 각 부재(306A-D)의 자화는 폭 대신에 부재의 길이를 따라 최대가 될 수 있다. 구획화는 도전층(120) 상의 각 부재(306A-D)를 별도로 형성(예를 들면, 전기도금)하거나, 또는 예를 들면 단일의 전기도금층(306) 내의 틈들을 에칭(또는 다른 방법으로 형성)함으로써 달성될 수 있다. 물론, 다수의 자기 민감성 구획들(306A-D)은 다양한 실시형태들로 사용될 수 있고, 각 구획의 크기는 실시형태별로 다양할 것이다. 예를 들면, 다수의 예시적 캔틸레버들(112)은 약 1000 x 600 x 25 마이크로미터 치수의 4개의 부재(306A-D), 약 1000 x 50 x 25 마이크로미터 치수의 8개의 부재 (약 25 마이크로미터로 이격됨), 약 1000 x 20 x 25 마이크로미터 치수의 14개의 부재 (약 25 마이크로미터로 이격됨), 또는 임의 치수를 가지는 다수의 부재로 형성될 수 있다. 다수의 실시형태들에 있어서, 자성 재료, 금속 또는 다른 재료의 연결(interlink)은 부재(306A-D) 사이에 부가되어 캔틸레버(112)를 강화시킬 수 있다. 도 3E는 다중 층으로 형성된 캔틸레버(112)의 개략도이다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)는 도 3E에 도시되어 있는 바와 같이, 자성 재료(118) (퍼멀로이와 같은) 및 도전성 재료(120)의 교차층을 포함하며, 이때 물론 다른 재료들이 상술한 재료를 대체하거나 추가되어 사용될 수도 있다. 다중-층의 캔틸레버는 예를 들면, 상술한 도 2E 및 도 2F과 관련하여 상술한 바와 같은 스퍼터링, 퇴적 또는 다중 층을 형성하는 다른 기술들에 의해 형성될 수 있다. 다중-층의 캔틸레버는 또한 상술한 바와 같이 구획화될 수 있으며, 본 발명의 다양한 실시형태를 참조로 하여 사용될 수 있다.
도 4A 및 4B는 각각 래칭 릴레이(100)의 또 다른 일실시형태의 측면도 및 평면도이다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 캔틸레버(112)의 다양한 실시형태들은 스테이징 층(110)으로부터 접촉부(108)로 전기를 직접 안내할 수 없다. 이들 실시형태에 있어서, 릴레이(100)가 "폐쇄" 상태에 있을 때 도전성 엘리먼트(402)는 캔틸레버(112)에 부착되어 접촉부(108, 408) 사이에 적절한 전기 접촉을 제공한다. 도 4C 및 4D는 각각 캔틸레버(112)의 또 다른 예시를 위한 실시형태들의 사시도이다. 이들 실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)는 유전성 절연체일 수 있는 절연층(410)에 의해 도전부(402)로부터 분리되는 자기 민감부(118)를 포함할 수 있다. 광학 접촉 범프(308)는 또한 도시한 바와 같이 도전부(402) 상에 형성될 수도 있다. 캔틸레버(112)가 릴레이(100)의 "폐쇄" 상태에 상응하는 상태에 있는 경우, 전류는 접촉 패드(108, 408) 사이의 화살표(412)에 의해 나타나는 경로를 적절히 따를 수 있다.
도 5는 릴레이(100)의 또 다른 예시를 위한 일실시형태의 측면도이다. 도 5를 참조하면, 릴레이(100)는 상술한 바와 같이 자석(102), 기판(104) 및 캔틸레버(112)를 포함할 수 있다(예를 들면, 도 1 참조). 그러나, 기판(104) 상에 형성된 도전체(114) 대신에(또는 이외에), 도전체(114)는 도시되어 있는 바와 같이 제2기판(504) 상에 형성될 수 있다. 제2기판(504)은 플라스틱, 유리, 실리콘 등과 같은 임의 유형의 기판일 수 있다. 상술한 실시형태들에 있어서, 도전체(114)는 절연층(506)으로 적절히 코팅될 수 있다. 릴레이(100)를 제조하기 위해, 다양한 구성요소가 기판(104, 504) 상에 형성될 수 있으며, 상기 기판은 적절히 정렬 및위치될 수 있다. 2개의 기판(104, 504)( 및 그위에 형성된 다수의 구성요소)은 도 5에서 임의의 재료로 형성될 수 있는 스페이서(510, 512)와 같은 스페이서에 의해 서로 분리될 수 있다.
도 5를 더 참조하면, 접촉부(108)는 상술한 바와 같이 절연층(106) 상에 형성될 수 있다. 이와 달리, 접촉부(508)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 제2기판(504) 상에 형성될 수 있다(물론, 캔틸레버(112)는 캔틸레버(112)의 도전부가 접촉부(508)와 접촉하게 되도록 재구성된다. 다른 실시형태들에 있어서, 캔틸레버(112)가 접촉부(108)와 접촉될 때 릴레이(100)가 제1상태에 있고, 캔틸레버(112)가 접촉부(508)와 접촉될 때 릴레이(100)가 제2상태에 있으며/또는 캔틸레버(112)가 접촉부(108, 508)에 모두 접촉하지 않을 때 릴레이(100)가 제3상태에 있도록 접촉부(108, 508)가 제공될 수 있다. 물론, 도 5에 도시되어 있는 릴레이(100)의 전체적인 배치는 임의의 기술 및 상술한 배치를 조합하여 릴레이(100)의 새로운 실시형태를 구성할 수 있다.
도 6A 및 6B는 각각 래칭 릴레이(100)의 또 다른 실시형태의 측면도 및 평면도이다. 도 6A 및 6B를 참조하면, 릴레이(100)의 다양한 실시형태들은 정전기 작동을 사용하여 도전체(114)에 의해 형성되는 자기 에너지 대신에 캔틸레버(112)의 상태를 스위칭할 수 있다. 이러한 실시형태들에 있어서, 하나 이상의 스위칭 전극(602, 604)은 절연층(106) 상에 퇴적되거나 또는 다른 방법으로 형성될 수 있다. 전극(602, 604)은 금속 또는 또 다른 도전성 재료로 형성될 수 있으며, 리드선, 전선 또는 다른 접속 장치(도시하지 않음)에 전기적으로 연결되어 상기 전극들과 캔틸레버(112) 사이의 전기적 전위를 발생시킬 수 있다.
도 6A 및 6B는 중심-힌지형 캔틸레버(112)를 도시하고 있지만, 전극(602, 604) 및/또는 정전기적 작동의 원리는 도전체(114)에 의해 형성되는 자기 작동 대신에(또는 이외에) 본 명세서에 기재된 임의의 릴레이 또는 스위치에 포함될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 전극(602, 604)은 캔틸레버(112)에 대해 적절히 위치됨으로써 2개의 전극에 의해 발생되는 정전기력은 캔틸레버(112)에 대해 상반된 효과를 갖는다. 도 6A 및 도 6B에 도시되어 있는 중심-힌지형 실시형태에 있어서, 예를 들면 전극(602, 604)은 힌지(110)의 양측에 위치하여 전극(602) 및 캔틸레버(112) 간의 전압차가 캔틸레버(112)를 "개방" 상태로 푸싱(pushing)한다. 역으로, 전극(604) 및 캔틸레버(112) 간의 전압차는 캔틸레버(112)를 "폐쇄" 상태로 풀링(pulling)함으로써 캔틸레버(112)가 접촉부(108)와 접촉되도록 한다. 이러한 실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)의 상태는 영구 자석(102)에 의해 발생되는 자기장에 의해 고정되고, 따라서 쌍안정성 스위치를 얻을 수 있다. 상기 릴레이는 캔틸레버(112)를 적절히 유도하기 위해 적절한 전극에 전기적 전위를 제공함으로써 안정한 상태들 사이에서 스위칭될 수 있다. 예시적 릴레이(100)에 있어서, 약 1000 x 200 x 20 마이크로미터의 치수를 갖는 힌지형 캔틸레버(112) 및 280 x 20 x 3 마이크로미터의 치수를 갖는 지지 토션(torsion) 스트링(110)은 약 200 에르스텟의 영구 외부 자기장에서 캔틸레버(112)를 스위칭하기 위해 캔틸레버와 전극 간의 중첩 영역이 200 x 400 평방 마이크로미터 정도일 때 약 37볼트의 전압을 필요로 할 수 있다. 다시 말해, 스위치 또는 릴레이는 임의의 치수 또는 구조로 제조될수 있으며, 상태간 스위칭을 위해 필요한 전압은 실시형태별로 적절히 변할 수 있다. 특히, 전극(602, 604)을 사용하는 정전기적 스위칭 기술은 상술한 임의의 릴레이 또는 본 명세서에 기재된 임의의 스위치에 포함될 수 있다. 전극(602, 604)은 매우 얇을 수 있기 때문에(예를 들면 약 100옹스트롬 내지 약 0.5마이크로미터 정도의 두께), 자기적 스위칭에 비해 정전기적 스위칭을 사용하는 이점은 소비 전력 감소 및 제조 용이성을 포함한다. 또한, 정전기 스위치는 몇몇 상응하는 자기 스위치에 비해 소형으로 제조될 수 있기 때문에, 스위칭 장치의 전체적인 크기를 감소시킬 수 있다. 마이크로콘트롤러, 마이크로프로세서, 주문형 반도체(ASIC(application specific integrated circuit)), 논리 회로, 아날로그 또는 디지털 제어 회로 등과 같은 제어 장치에 의해 스위칭 제어가 제공될 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 콘트롤러는 전기 신호 형태로 제어 신호를 전극(602, 604)에 제공하여 적절히 전압차를 형성할 수 있다.
다양한 릴레이의 다수의 다른 실시형태가 본 발명의 범위를 벗어나는 것 없이 제조될 수 있음은 물론이다. 예를 들면, 쌍투형 릴레이(double-throw relay)는 캔틸레버(112)가 개방 상태에 있을 때 캔틸레버(112)와 접촉하는 추가적인 접촉부(108)를 부가함으로써 제조될 수 있다. 유사하게, 릴레이(100)의 다양한 지형(topography) 및 기하구조가 다양한 구성요소(패드(108, 110) 및 캔틸레버(112)와 같은)의 배치를 변화시킴으로써 형성될 수 있다.
광학 스위치
전기 릴레이를 참조하여 상술한 메카니즘, 원리 및 기술은 또한 통신 또는 다른 광학 시스템에 사용하기에 적합한 광학 스위치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 광학 스위치의 다양한 실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)의 자기 민감부는 광을 반사하는 거울 또는 기타 재료에 고정될 수 있다. 캔틸레버가 "개방" 상태에서 "폐쇄" 상태로 스위칭될 때, 반사면이 광 신호에 노출되거나 또는 광 신호로부터 은닉되어 신호가 적절히 상세히 후술되는 바와 같이 반사 또는 흡수될 수 있다.
도 7A 및 7B는 각각 예시적 광학 거울(700)("I형" 거울이라 함)의 측면도 및 평면도이다. 상술한 전기 스위치와 같이, 캔틸레버(112)는 지지 스트링, 힌지 또는 다른 스페이서(110)에 의해 절연층(106) 상에 적절히 위치된다. 캔틸레버(112)는 연질 자성재료(132)로 형성될 수 있고(상술함), 퇴적, 스퍼터링 또는 다른 방법으로 자성재료에 배치된 반사 코팅(702)(알루미늄 또는 금과 같은)을 가질 수 있다. 하나 이상의 선택적인 스토퍼(704)는 절연층(106) 상에 적절히 위치되어 필요한 경우 캔틸레버(112)를 수용하고 위치시킬 수 있다. 스토퍼(704)는 에칭된 실리콘, 금속 또는 폴리이미드와 같은 적합한 임의의 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 지지 스트링(110)은 "상방" 상태 및 "하방" 상태로 적절히 캔틸레버(112)가 회전하도록 지지한다. 예를 들면, 캔틸레버(112)가 "상방" 상태에 있으면, 캔틸레버(112)는 캔틸레버(132)의 말단(742)이 스토퍼(704L)에 접촉하기까지 스트링(110) 주위에서 시계 반대방향으로 회전할 수 있다. 예시적 "하방" 상태에서, 캔틸레버(112)는 스트링(110) 주위에서 시계방향으로 회전하여 캔틸레버(112)의 말단(740)이 스토퍼(740R)에 접촉하도록 할 수 있다. 132의 우측말단이 바닥 스토퍼(704)와 접촉할 때, "하방"이 된다. 구조에 따르면, 지지 스트링(110)은 캔틸레버(112)의 말단(742)에 보다 근접하게 배치되어 캔틸레버(112)가 "하방" 위치 보다는 "상방" 위치에서 보다 큰 각도로 경사질 수 있다. 물론, 지지 스트링(110)은 또한 캔틸레버(112)의 말단으로부터 거의 등거리로 배치될 수 있거나, 또는 "하방" 위치가 보다 큰 각도를 형성하도록 배치될 수 있으며, 다수의 배향이 발명의 다른 실시형태에서 형성될 수 있다.
광학 거울(700)의 동작은 상술한 전기 스위치(100)의 동작과 유사할 수 있다. 다양한 예시를 위한 실시형태에 있어서, 래칭과 스위칭은 도전체(114)(도 7에 도시함) 또는 선택적인 전극(도 6과 관련하여 상술함)을 가진 캔틸레버(112)에서 자기 토크를 유도함으로써 달성될 수 있다. 캔틸레버(112)는 상술한 바와 같이 자석(102)에 의해 발생되는 자기장을 통해 "상방" 또는 "하방" 상태로 안정하게 유지될 수 있다.
도 8A 내지 8G는 광학 거울(800)(본 명세서에서 "II형" 거울 또는 "반사기"라고 함)의 제2유형의 다양한 외관과 상태를 도시하고 있다. 이들 장치가 스위치 또는 릴레이와 함게 사용되는 반사형 장치로서 일차적으로 언급되어 있지만, 본 명세서에 기재된 원리 및 구조는 몇몇 용도에서 사용가능한 몇몇 유형의 액츄에이터(반사 또는 비-반사형)를 제조하기 위해 사용될 수 있다.
도 8A 및 8B를 참조하면, 광학 거울(800)은 자기 민감부(132)를 포함하는 캔틸레버(112)를 포함한다. 캔틸레버(112)는 또한 일측 또는 양측 상에 반사 코팅을 가진 반사부(804)를 포함할 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 도 8A에도시한 바와 같이 반사부(804)는 표면(802) 상에 퇴적되거나 또는 다른 방법으로 배치된 반사 코팅을 갖는다. 하나 이상의 스토퍼(704)는 또한 캔틸레버(112)를 적절히 위치시키거나 또는 상승시키기 위해 필요한 경우 절연층(106) 상에 배치될 수 있고, 지지체, 스트링 또는 힌지(110)(도 8A 및 8C에 도시되지 않음)는 기판(104) 위에서 캔틸레버(112)를 회전자재로 고정할 수 있다.
예시를 위한 일실시형태에 있어서, 스트링(110)은 캔틸레버(112)의 2개의 상태 사이에서 90도 회전을 지지한다(제조 등에 있어 오차에 대한 약간의 보정을 가감함). 도 8A 및 8B에 도시되어 있는 실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)는 기판(104)의 표면에 거의 평행하도록 자석(102)(도시하지 않음)에 의해 "상방" 상태로 위치된다. "상방" 위치는 예를 들면 반사 없이 II형 거울을 직접 통과시키기 위해 광학 비임에 대한 명백한 경로를 가질 필요가 있을 때 유용하다. 거울(800)의 제2 "하방" 상태가 도 8C 및 8D에 도시되어 있다. 거울(800)은 예를 들면 자석(102)에 의해(원칙적으로는, 상기 자석은 2개의 안정한 상태로 캔틸레버를 유지할 수 있다) 및/또는 중력으로 하여금 캔틸레버(112)의 자기 민감부(132)를 "상방" 위치로부터 멀리 풀링함으로써 "하방" 상태로 배치될 수 있다. 다른 힘들(스토퍼(704) 상에 선택적인 조임(buckling) 구조에 의해 인가되는 힘과 같은)이 외부력을 요구하는 것 없이 "하방"위치로 캔틸레버(112)를 유지할 수 있기 때문에, 거울(800)의 각 실시형태에 대해 영구 자석(102) 및 도전체(114)가 필요하지 않을 수 있다. 다수의 실시형태들에 있어서, 반사 코팅이 제조 중에 캔틸레버(112)에 적용된 후 제거되는 동안 일시적인 자기장이 제공될 수 있다. 거울(800)의 또 다른 실시형태들에 있어서, 힌지(110) 및 자기 민감부(132)는 제거될 수 있고, 반사부(804)는 기판(102) 또는 절연층(104)에 강직하게 고정될 수 있다.
도 8E를 참조하면, 반사기(800)의 또 다른 실시형태는 캔틸레버(112) 및 기판(104)에 고정될 수 있는 토션 바 힌지 또는 다른 앵커(870)를 적절히 포함한다. 코일 또는 다른 도전체(114)가 또한 제공되거나, 캔틸레버(112)에 정전기적 인력을 제공할 수 있는 전극이 또 다른 실시형태에서 제공될 수 있다. 캔틸레버(112)는 상술한 바와 같이 자기 민감성일 수 있고, 상술한 바와 같이 하나 이상의 반사면을 가질 수 있다. 토션 바 힌지(870)는 스위치 또는 릴레이의 다른 실시형태와 관련하여 상술한 바와 같은 하나 이상의 힌지로서 실시될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 상기 토션 바 힌지는 캔틸레버(112)의 말단부 또는 그 근처에 위치할 수 있고, 캔틸레버(112)의 큰 회전성 편향이 유의적인 기계적 토크없이 일어날 수 있도록 캔틸레버(112)에 비해 상대적으로 얇고/또는 길게 형성될 수 있다. 또한, 반사기(800)에 인가되는 외부 자기장 (Ho)(134)의 방향은 기판(104)의 면으로부터 직각인 (Z)에 대한 각도(γ)로 배치될 수 있다. 다른 실시형태가 다른 각도를 사용할 수 있지만, 예를 들면 도 8E에 도시되어 있는 예시를 위한 실시형태에서 γ는 약 45도가 되도록 선택된다.
자기장(134)의 방향은 캔틸레버(112)에 대해 "상방" 상태 및 "하방" 상태에 해당하는 2개의 안정한 위치를 형성할 수 있다((캔틸레버(112)는 도 8E에서 상기 2개의 상태 사이에 도시되어 있다). 다양한 실시형태에 있어서, 캔틸레버(112)는 "상방" 상태에서 기판(104)에 거의 수직으로 정렬되고, "하방" 상태에서는기판(103)에 거의 평행하게 정렬될 수 있다. 물리적 스토퍼(도 8E에는 도시되지 않음)는 캔틸레버(112)가 "상방" 및/또는 "하방" 상태에 대해 소망하는 위치로 캔틸레버(112)를 유지하도록 제공될 수 있다.
다양한 실시형태에 있어서, 약 χHosin (γ+ φ) 에르스텟 등의 크기를 가진 자기장은 도전체(114)에 의해 제공되어 상태 간 캔틸레버(112)를 스위칭할 수 있으며, 이때 "χ"는 캔틸레버(112)의 자기 민감도이고,"φ"는 "하방" 상태의 캔틸레버(112) 및 수평축(X) 사이의 각도이다. 상기 크기의 자기장은 캔틸레버(112)가 2개의 안정한 상태에서 스위칭하도록 상술한 기술과 유사하게 캔틸레버(112)의 자화 벡터를 적절히 재정렬할 수 있다. 도전체(114)에 의해 발생되는 자기장이 외부장(134)에 비해 상대적으로 약할 수 있기 때문에, 외부장(134)은 장치(800)를 작동시킬 만큼 충분하지만, 도전체(114)에 의해 발생되는 자기장이 캔틸레버(112)의 자화 벡터를 역전시킬 수 없을 정도로 강하지 않도록 설계될 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 다른 자기장 세기가 물론 사용될 수도 있지만 자기장(134)은 약 200에르스텟 정도로 설계될 수 있다. 본 명세서에 기재된 반사기(800)는 약 90도 이상의 회전성을 나타낼 수 있으며, 결과적으로 릴레이 또는 광학 스위치 이상의 광범위한 용도를 가질 수 있다. 예를 들면, 상대적으로 높은 반사도를 갖는 반사기(800)는 광학 영사(projection) 또는 스위치 시스템에 유용할 수 있다.
도 8F 및 8G를 참조하면, 90도 이상으로 회전시키기 위해 사용될 수 있는 반사기(800)의 제3실시형태는 힌지(870)(도 8F에서 2개의 토션 힌지(870A, 870B)로서 도시됨)에 의해 기판(104)에 힌지성으로 연결될 수 있는 캔틸레버(112) 상에 배치되는 도전체(114)를 적절히 포함한다. 전류는 전기 전력원에 연결될 수 있는 전기 리드선(872)(도 8F에서 리드선(872A, 872B)으로 도시됨)에 의해 도전체(114)에 제공된다. 또한, 도전체(114)와의 전기 접촉은 힌지(870) 상에 퇴적, 스퍼터링 또는 다른 방법으로 배치되는 도전성 재료(금속과 같은)를 통해 제공될 수 있다. 다양한 실시형태에 있어서, 자기장에 대한 반응이 캔틸레버(112)에서 자기 민감성 재료를 통하기 보다는 도전체(114)에 의해 제공될 수 있기 때문에, 캔틸레버(112)는 반사성 재료(유전성 필름, 다결정성(polycrystalline) 실리콘, 금속, 비-금속 등)로 제조될 수 있다. 다양한 실시형태들에 있어서, 자석(102)은 기판(104)에 수직으로 또는 도 8E를 참조로 하여 상술한 경사각으로 제공될 수 있는 자기장 Ho를 제공한다.
반사기(800)는 예를 들면 도전체(114)의 면에 수직일 수 있는 자기 쌍극자 모멘트(M)를 형성하는 전류로 도전체(114)를 활성화시킴으로써 작동될 수 있다. 자기 쌍극자 모멘트(M)는 공급된 외부 자기장(Ho)과 상호작용하여 캔틸레버(112) 상에서 T = M x Ho인 토크(T)를 발생시킬 수 있다. 상기 토크(T)는 상술한 바와 같이 "상방" 상태 및 "하방" 상태 사이에서 캔틸레버(112)를 스위칭시키도록 제어될 수 있다. 상기 원리에 대한 보다 상세한 기술내용은 본 명세서에 참고문헌으로 포함되는 Chang Liu, T. Tsao, Y-C Tai and C-M Ho, "Surface Micro-machined Magnetic Actuators", MEMS'94, Oiso, Japan, pp. 57-62 (1994)에 제공되어 있다.
도 9A 및 9B는 각각 2개의 I형 거울(700A, 700B) 및 하나의 II형 거울/반사기(800)를 포함하는 예시적 스위치(900)의 측면도 및 평면도이다. 도 9B에 가장 잘 나타낸 바와 같이, 거울(800)의 축은 거울(700A, 700B)의 축들로부터 45도(또는 다른 각도로)로 회전될 수 있다. 선택적인 반사층(902)(거울과 같은)은 보다 상세히 후술되는 광 신호를 반사하기 위해 다양한 실시형태들에서 제공될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태들에 있어서, 광 신호(펄스 또는 광의 비임과 같은)(904)는 2개의 출력부(910, 920) 중 하나로 스위칭될 수 있다. 스위치(900)의 제1상태에서(도 9A 및 9B에 도시됨), 거울(700A, 700B)의 캔틸레버(112A, 112B)는 광 신호(904)가 도시한 바와 같이 반사면(702)(도 7)에서 반사되도록 "상방" 위치에 배치된다. 반사층(902)은 거울(700A 및 700B) 사이의 거울(800)을 적절히 바이패스하여 광 신호(904)를 출력 단자(910)로 적절히 전송한다.
도 10A 및 10B는 각각 제2상태(출력 단자(920)에 상응함)에서 광학 스위치(900)의 측면도 및 평면도이다. 거울(700A)의 캔틸레버(112A)는 광 신호(904)가 거울(700A)의 반사면(702)에 의해 더 이상 반사되지 않지만, 도 10B에 가장 잘 나타낸 바대로 출력 단자(920)를 향해 배향될 수 있는 거울(800)의 반사면에서 반사하도록 "하방" 상태로 배치될 수 있다. 물론, 거울(700B)의 캔틸레버(112B)도 또한 "하방" 위치로 배치될 수 있지만, 이러한 변화는 광 신호(904)가 도 10에 도시되어 있는 상태에서 거울(700B)에 도달하지 않기 때문에 필요하지 않을 수 있다. 광학 스위치의 다른 실시형태는 상이한 배치를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 쌍-방향성(bi-directional) 스위치는 반사성 재료를 가진 거울(800)에서 반사부(804)의 양측을 코팅함으로써 제조될 수 있다.
도 11은 상술한 바와 같은 스위치(900)로 제조될 수 있는 예시적 5 x 5 광학 스위치(950)의 평면도이다. 도 11을 참조하면, 광 신호(904A-E)는 입력부(930A-E)에서 각각 수신된다. 각 신호는 스위치(950)에 의해 원하는 출력부(940A-E)로 적절히 라우팅(routing)될 수 있다. 도면에 도시되어 있는 예시적 스위치(950)에서, 입력부(il)는 출력부(o3)로 라우팅되고, 입력부(i2)는 출력부(ol)로 라우팅되며, 입력부(i3)는 출력부(o4)로 라우팅되고, 입력부(i4)는 출력부(o5)로 라우팅되며, 입력부(i5)는 출력부(o2)로 라우팅된다. 물론, M은 입력부의 수를 나타내고, N은 출력부의 수를 나타내며, M 및 N은 각각 정수인 M x N 스위치 구성이 형성될 수 있다. 예를 들면, 1 x 4 스위치, 4 x 8 스위치, 8 x 16 스위치, 2 x 2 스위치, 또는 기타 스위치 구성은 스위치(700, 800)의 수를 조정함으로써 제조될 수 있다.
도 11을 계속 참조하면, 예시적 5 x 5 광학 스위치는 25개의 II형 거울 및 8개의 I형 거울의 메트릭스를 포함할 수 있다. II형 거울(대각 사각형으로 도시됨)은 각 입력부(930)가 각 출력부(940)에 상응하는 II형 거울을 갖도록 배열될 수 있다. I형 거울(작은 사각형으로 도시됨)은 반사층(902)(도 11에는 도시되어 있지 않지만, 도 9A에 도시되어 있음)에서 신호를 반사함으로써 원하는 II형 거울 주위에서 광 신호(904)를 편향시키도록 적절히 배열된다. 예를 들면 신호(i5)를 출력부(o2)로 라우팅하기 위해, I형 거울(751, 752)은 거울(851) 주위에서 신호(i5)를 편향시키도록 "상방" 상태로 배치될 수 있다. I형 거울(753, 754)은 출력부(940B)를 향해 II형 거울(852)에서 신호(i5)가 편향되도록 "하방" 위치로 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 다양한 I형 거울이 자석(102)에 의해 발생되는자기장에 의해 "상방" 또는 "하방" 상태로 고정될 수 있다. 다양한 거울들이 적절한 캔틸레버(112)를 이동시키는 토크를 형성하기 위해 도전체(114)를 통해 적절한 자기 펄스를 발생시키거나(도 7) 또는 전극(602/604)을 통해 정전기적 펄스를 발생시킴으로써(도 6) 스위칭되어 원하는 거울에 대해 원하는 상태를 형성할 수 있다.
광학적 교차형 스위치 어레이
상술한 바와 같은 광학 스위치 어레이의 성능, 효율 및 전체적인 유효성은 다양한 실시형태들에 있어서 신호-한정 채널을 추가함으로써 강화될 수 있다. 이러한 채널은 스위치 내부에 다양한 광 경로 주위에 배치되어 광을 원하는 경로로 한정시킬 수 있다. 도 12A는 광 신호-한정 채널을 포함하는 예시적 광학적 교차형 스위치 어레이(1200)의 사시도를 제공하고 있다. 간결함을 위해, 2x2 구성(즉 2개의 입력부와 2개의 출력부)을 갖는 스위치 어레이가 도시되어 있지만, 본 명세서에 기재된 기술들은 임의의 크기 N x M (이때, N과 M은 모두 정수이다)를 갖는 스위치들로 용이하게 확장될 수 있다. 신호-한정 채널을 사용하면, 512 x 512, 1024 x 1024 또는 그 이상의 구성과 같은 종래에 가능하였던 것에 비해 훨씬 대형인 스위치 구성이 가능하다.
도 12A를 참조하면, 광 신호(904A, 904B)는 입력 광섬유(1210A, 1210B)로부터 입사하여, 출력부 광섬유(1210C-D)로 스위칭되기 전에, 각각 렌즈(1220A, 1220B)를 통해 시준(collimation)된다. 광학 거울(1280A-D)은 상술한 바와 같이 "I-형" 또는 "II-형" 거울과 같은 유형의 거울일 수 있다. 광 신호-한정채널(1230A, 1230B)은 상세히 후술되는 의도하는 목적지로 광 신호를 향하게 할 수 있는 채널, 통로 또는 기타 경로들이다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 채널(1230A, 1230B)은 Al, Au, Ag, Cr 등과 같은 금속성 또는 기타 반사성 표면으로 코팅된 벽(1240)(도 12B)을 갖는 통로로서 형성된다. 입력 신호(904A-B)는 광학적 거울(1280A-D)에 의해 적당히 편향되어 신호가 광섬유(1210C) 또는 섬유(1210D) 상의 의도하는 출력 경로를 향해 원하는 광 신호-한정 채널(1230A-B)로 편향된다. 광 신호(904)가 광섬유 코어(1210A-B)로부터 나오면, 각각 마이크로 렌즈(1220A 또는 1220B)를 통과한다. 이후, 광 신호(904)가 시준되고, 고반사성 표면(1240)으로 코팅된 적절한 광 신호-한정 채널(1230)로 반사하기 위해 정확한 광학 거울(1280)에 도달하기 까지 전방으로 전파된다. 렌즈(1220)는 도 12A에 광섬유로부터 분리되어 있는 것으로서 도시되어 있지만, 섬유 말단부를 용융시키고, 섬유 상에 에폭시 소적(drop)을 형성하며, 경화시키거나 또는 다른 기타 방법으로 광섬유에 대해 편리하게 직접 제조가 가능하다.
신호-한정 채널(1230)은 임의적 기술에 의해 기판 또는 상기 기판 상에 퇴적되는 층에 형성될 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 채널(1230)은 다이싱, 소잉(sawing), 미세-가공(micro-machining) 또는 다른 방법으로 기판에 홈을 형성한 다음, 상기 홈 위에 반사 커버링(covering)를 적절히 배치함으로써 형성된다. 상기 커버링은 기판에 에폭시 등과 같은 접착제 형태로 고정될 수 있다. 이와 달리, 채널(1230)은 기판, 폴리미드(또는 다른 재료)의 층 또는 종래의 미세-가공 기술을 사용하는 다른 층으로 미세 가공될 수 있다. 이후, 반사 코팅의 박막은 채널(1230)에 증착 또는 다른 방법으로 배치될 수 있으며, 부가적인 커버층은 채널(1230)의 상부에 퇴적, 스퍼터링 또는 다른 방법으로 배치될 수 있다. 위에서 짧게 언급한 바와 같이, 광 신호-한정 채널(1230) 내부는 금박, 은박, 알루미늄박, 크롬박 또는 반사 필름의 다중-층 등과 같은 고반사성 재료로 코팅되어 반사면(1240)을 형성한다. 금속박들은 스퍼터링, e-비임 증착 또는 기타 기술에 의해 퇴적될 수 있다. 채널(1230)부 크기는 예를 들면 상이한 유형의 광섬유(1210) 및 마이크로 렌즈(1220), 마이크로 렌즈 크기, 섬유 코어 크기, 섬유 구멍(aperture) 수 등에 따라 실시형태별로 광범위하게 변한다. 그러나, 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 채널 치수는 약 100 마이크론의 폭과 약 30-50 마이크론 깊이 정도이다.
도 12(b) 및 (c)는 광 신호-한정 채널(1230)의 2개의 예시를 위한 실시형태형태의 단면도들이다. 도 12(b)에서, 광 신호(904)는 상술한 바와 같이 반사형 거울(1280)에 의해 채널(1230)로 편향된다. 신호(904)가 출력부를 향해 전파되도록 채널(1230)의 측벽을 코팅하는 반사면(1240)에 의해 신호(904)가 반사된다. 광학 거울(1280)이 폐쇄 위치에 있는 경우, 광 신호-한정 채널(1230)의 개구부를 덮어 다른 신호들이 채널(1230)에서 전파되도록 한다. 예를 들면 부가적인 거울(1284)은 거울(1280)으로부터 신호(904)가 채널로 도입될 때 폐쇄 위치로 남는다. 광학 거울(1280, 1282, 1284)은 상술한 기술을 포함하는 다양한 수단(즉, 자기, 정전기, 압전기 등)에 의해 작동될 수 있다. 예를 들면, 거울이 니켈, 퍼멀로이, 철 또는 기타 연질 자성재료로 코팅되면, 거울은 그 주위에 둘러산 평면 코일에 의해 작동될 수 있다(광학 거울(700, 800)에 대해 상술한 바와 같음). 이와 달리, 다양한 거울들이 임의 유형의 메카니즘에 의해 활성활될 수 있으며, 스크래치 구동(scratch drive), 코움 구동(comb drive), 충격 코움 구동(impact comb drive), 코움 구동을 가진 활주 기어, 전극으로서 거울과 대향의 비-이동성 전극 간의 단순한 정전기력, 자기력 등에 의해 활성화될 수 있다.
채널/거울 배열의 또 다른 실시형태가 도 13, 14 및 15에 도시되어 있다. 도 13은 도 12(a)에 도시되어 있는 바와 유사한 배열의 사시도로서, 입력 광 신호(904)는 채널의 상부에 대해 각도 알파로 위치되는 거울(1280)에 의해 채널(1230)로 편향된다. 다양한 실시형태는 광이 채널(1230)로 향하도록 각도 알파에 대해 상이한 값들을 선택할 것이다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 각도 알파는 약 45도와 같이 30도 내지 60도 사이일 수 있다. 도 14(a) 및 (b)는 각각 거울(1280)의 예시적 측배향을 나타내는 평면도 및 측면도이다. 도면에 도시되어 있는 실시형태에 있어서, 거울(1280)은 채널로부터 거의 135도로 위치되어 거의 수직인 각도로 신호(904)를 채널(1230)로 향하도록 한다. 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 거울(1230)은 광이 채널(1230)의 말단(1401)을 향해 반사되는 제1상태에 있다. 이러한 상태에서, 거울(1230)은 광이 원하는대로 반사되도록 약 135도(또는 기타 다른 적절한 각도) 미만의 각도 베타로 위치될 수 있다. 도 15를 참조하면, 거울(1230)은 거울과 채널 사이의 각도 베타가 135도보다 크도록(또는 기타 다른 적절한 각도) 제2상태로 배치되어 채널(1230)의 대향 말단(즉, 말단(1402))을 향하여 광을 편향시킬 수 있다. 물론, 사용되는 정확한 각도는 채널(1230)에 대해 입력 광의 정확한 배열에 따라 변할 것이며, 실시형태별로 광범위하게 변할 수 있다.
채널(1230)에서의 반사율은 채널(1230)의 재료-유형 및 표면 평탄성과 같은 인자에 따라 다양할 수 있다. 예시를 위한 일실시형태에 있어서, 반사율은 약 80% 내지 90%로 다양할 수 있다. 표준 광학 계산으로부터, 다수의 반사 횟수 이후에, 광 신호 세기가 지수적으로(exponentially) 감쇠한다는 것을 쉽게 발견할 수 있다. 예를 들면, 반사율이 0.9이면, 10번의 반사 후, 세기가 초기값의 0.35로 감소된다. 50번 반사 후에는, 그 세기가 0.05로 감소하고; 100번의 반사 후에는 그 세기가 0.000027로 감소한다.
도 12(c)를 간단히 참조하면, 선택적인 제2광학 거울(1282)(또한 "채널 거울"이라 함)은 상부 광학 거울(1280) 아래의 광 신호-한정 채널(1230)의 바닥에 회전자재로 배치되어 광 신호(904)의 방향으로 전환하고 따라서 채널(1230)에서 광 신호(904)의 반사를 줄일 수 있다. 거울(1282)(상술한 바와 같고 마이크로-자기 작동을 이용하는 용도에서는 광학 거울(700) 또는 (800)을 참조로 함)은 거울(1282)이 광 신호-한정 채널(1230)의 바닥면에 회전자재로 부착되도록 상부 거울(1280) 아래에 구성될 수 있다. 상부 및 바닥 거울이 활성화될 때(각각의 특정 설계에 따라 선택되는 수단에 의해), 원하는 시나리오는 송출하는(outgoing) 광 신호(904)가 바닥의 소형 거울(1280)에 의해 반사된 다음 대칭의 채널(1230) 장축을 따라 전파하는 것이다. 바닥 소형 거울(1280)에 의해 반사된 다음, 대칭 채널(1230) 장축을 따라 전파된다. 실제적인 경우, 처리시 한계에 의해 거울(1280)은 정확히 100% 정확도로 기능하지 않기 때문에, 광 신호 전파 방향이처리에 따라 채널 장축으로부터 다소 일탈된다. 그러나, 본 발명에 의해 개시된 방법 및 장치를 사용하면, 반사 크기는 크게 감소될 수 있다. 예를 들면, 편차가 없다면, 광 신호(904)가 바닥 거울로부터 반사된 후 어떠한 반사도 일어나지 않을 것이다. 5cm 길이, 20㎛ 폭 및 20㎛ 높이의 채널에 대해 편차가 1도이면, 반사의 예상치는 약 43이다. 편차가 0.5도이면, 그 수는 22이다. 0.1도이면, 그 수는 4이다. 따라서, 특히 512×512 또는 그보다 더 큰 메트릭스와 같은 대형 시스템에서 그 세기 손실이 크게 줄어든다. 도 16 및 17은 입력 광 신호(904)를 채널(1230)로 향하기 위한 예시 목적의 제1 및 제2상태를 각각 나타내고 있다. 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 채널 거울(1282)은 광이 말단부(1401)(도 17) 또는 말단부(1402)(도 16)를 향해 원하는대로 향하도록 상부 거울(1280)의 각도 함수인 각도로 위치될 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에 있어서, 거울(1282)은 광이 말단부(1402)를 향하도록 180-베타의 각도로 위치되며, 광이 말단부(1401)를 향하도록 베타-90의 각도로 위치된다. 물론, 사용되는 정확한 각도와 구성은 실시형태별로 다양할 수 있다.
또 다른 일실시형태에서, 입사 광 신호 정렬은 추가적인 채널(1230)을 사용함으로써 개선될 수 있다. 도 18 및 19를 참조하면, 채널(1230i)은 입력 광 신호(904)를 안내하기 위해 사용될 수 있다. 간결성을 위해, 채널들이 임의의 수의 입력 신호(904)에 대해 형성될 수 있음은 물론이지만, 하나의 광 신호 추적(trace) 만이 도면에 도시되어 있다. 그러나, 채널(1230)에서 반사의 수를 감소시키기 위해, 추가적인 바닥 거울(1282)이 도 18 및 19에는 도시되어 있지 않은상부 거울 하부에 추가될 수 있다.
광 신호(904)가 채널(1230)에 의해 안내되기 때문에, 어레이 수를 증가시키면 정렬의 문제가 제기되지 않음은 물론이다. 또한, 광학 교차형 스위치 어레이(1200) 설계는 광섬유 유형에 의해 한정되지 않는다. 단일 모드 섬유 및 다중 모드 섬유는 모두 장치에 대해 사용될 수 있다. 도 12A를 참조하면, 도면이 송출 광 신호를 안내하도록 입사 광 신호 단일 방향을 채널(1230)에 수직으로서 나타내고 있지만, 스위치(1200)는 반드시 이러한 방법으로 구성되지는 않는다. 입사 광 신호 방향과 송출 채널 사이의 각도는 광학 교차형 스위치 어레이 용도에 따라 임의의 각도로 설계될 수 있다. 또한, 채널(1230)은 반드시 도시되어 있는 바와 같이 직방형이지는 않으며, 원형, 타원형 등과 같은 임의의 형상으로 적절히 구성될 수 있다. 또한, 채널(1230)은 반드시 직선이지는 않다. 채널(1230) 내부로 광 신호(904)를 전파할 수 있는 한, 만곡형, 지그재그형 등일 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 바와 같은 채널 가이드는 광학 스위치 이외의 장치에 유용할 수 있다. 특히, 광 채널은 스위치, 라우터, 커넥터, 도파관(waveguide), 릴레이, 입력 또는 출력 단자, 헤더, 광 전송기 또는 수신기 등과 같은 광 장치 또는 구성요소에서 유용할 수 있다.
하기 청구범위에서 모든 엘리먼트들의 상응하는 구조, 재료, 행위 및 그와 유사한 것들은 기타 다른 청구 엘리먼트와 조합하여 구체적으로 청구하고 있는 바대로 기능을 수행하기 위한 모든 구조, 재료 또는 행위들을 포함하는 것이다. 또한, 방법 청구범위에서 인용되고 있는 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있다.본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그와 법적으로 동등한 범위에 의해 결정되어야 한다. 최종적으로, 구체적으로 언급된 것을 제외하고는 상술한 어떠한 엘리먼트 또는 구성 요소도 본 발명의 실시에 필수적이거나 또는 중요한 것은 아니다.

Claims (20)

  1. 광 신호 전송 장치에 있어서,
    상기 광 신호를 수신하는 광 입력부;
    적어도 하나 이상의 상기 광 입력부와 광 출력부 사이에서 상기 광 신호를 지향시키는 제어 소자; 및
    상기 광 신호를 소정의 경로로 한정하는 상기 광 입력부 및 상기 광 출력부 사이에 위치하는 채널을 포함하는 광 신호 전송 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어 소자가 그 안에서 상기 광 신호를 반사하도록 구성되는 적어도 하나 이상의 거울 엘리먼트를 포함하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 거울 엘리먼트 각각이 자기 민감성부 및 반사부를 갖는 캔틸레버를 포함하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 캔틸레버가 제1상태 및 제2상태 사이에서 복수 개의 전자기 신호 중 하나에 의해 스위칭되도록 구성되는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전자기 신호 각각이 상기 복수 개의 거울 엘리먼트 중 하나에 상응하는 상기 캔틸레버 중 하나에서 토크를 유도하도록 구성되어 상기캔틸레버가 상기 제1상태 및 상기 제2상태 사이에서 스위칭되는 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 복수 개의 전자기 신호가 복수 개의 도전체에 의해 발생되는 자기 신호를 포함하는 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 복수 개의 전자기 신호가 복수 개의 전극에 의해 발생되는 정전기 신호를 포함하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 채널이 적어도 하나 이상의 반사벽을 포함하는 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 반사성 재료가 알루미늄, 금, 은 및 크롬으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는 장치.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 채널이 적어도 하나 이상의 반사벽을 포함하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 반사성 재료가 알루미늄, 금, 은 및 크롬으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는 장치.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 채널이 상기 광 신호를 수신하고 상기 채널을 통해 상기 광 신호를 지향하도록 구성되는 적어도 하나 이상의 채널 거울을 포함하는 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 채널이 상기 거울 엘리먼트 중 하나와 광통신하는 적어도 하나 이상의 채널 거울을 포함하고, 상기 채널 거울이 상기 광 신호를 수신하고 상기 채널을 통해 상기 광 신호를 지향하도록 구성되는 장치.
  14. 제1출력부 및 제2출력부 사이에서 광 신호를 스위칭하는 방법에 있어서,
    반사부를 갖는 캔틸레버를 포함하는 스위칭 엘리먼트를 제공하는 단계; 및
    상기 제1출력부에서 상기 광 신호를 필요로 할 때 상기 반사부가 상기 광 신호의 경로에 위치되고, 상기 제2출력부에서 상기 광 신호를 필요로 할 때 상기 반사부가 상기 광 신호의 경로 밖에 위치하도록 상기 캔틸레버를 스위칭하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 광 신호를 채널을 통해 안내하는 단계를 더 포함하고, 상기 채널은 반사벽을 포함하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 안내 단계는 채널 거울을 갖는 상기 반사벽으로부터 외부로 상기 광 신호를 지향시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 캔틸레버가 복수 개의 전자기 신호 중 하나에 의해스위칭되도록 구성되는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 전자기 신호가 상기 캔틸레버에서 자기 토크를 발생시키는 방법.
  19. 제 15항의 방법을 수행하도록 구성된 스위치.
  20. 제 18항의 방법을 수행하도록 구성된 스위치.
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