KR20030025714A - 마이크로 광스위치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신 시스템에 있어서 광신호의 전달 방향을 바꾸어 주는 초소형 광스위치의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로 제작 오차에 따른 삽입손실의 증가를 억제하는 광스위치의 구조와 또한 광신호를 효율적으로 전달할 수 있는 광스위치의 제작 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 광스위치는 2개의 반사면을 가진 수직형태의 V형거울(45)과 이를 구동하기 위한 마이크로 액츄에이터(21, 49)로 구성된다. 상기 구성 요소는 실리콘/산화막/실리콘 구조의 상층인 실리콘소자층(73)에 반응성 이온 식각의 미세 가공방법으로 제작된다. 효과적인 반사를 위한 금속코팅(86)은 금속유기물 화학기상증착을 이용하여 증착되며, 신호전극(87)이 별도로 필요한 경우에는 실리콘소자층(73)을 식각하기 전에 평활한 기판조건에서 신호전극(87)을 미리 형성하는 방법을 이용한다.

이러한 광스위치의 구성은 스위치의 연결상태에서 광신호의 반사 횟수가 2회이기 때문에 거울두께(33)에 의한 옵셋오차(51)는 물론, 제작오차(36)로 인한 광신호의 옵셋오차(52)를 없애주며, 평활하게 금속코팅(86)되는 공정으로 제작된 미소거울은 광스위치의 삽입손실을 줄이는 효과를 가진다. 또한, 초기에 신호전극(87)을 형성하는 방법은 이후의 실리콘소자층(73)의 가공에 따른 표면의 요철문제를 피할 수 있다는 장점이 있다.

Description

마이크로 광스위치 및 그 제조 방법{Micromachined optical switch and method of manufacture thereof}

본 발명은 광통신 시스템에 있어서 광신호의 전달 방향을 바꾸어 주는 초소형 광스위치의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 제작 오차에 따른 삽입손실의 증가를 억제하는 광스위치의 구조와 광신호를 효율적으로 전달할 수 있는 광스위치의 제작 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

광스위치의 삽입손실을 줄이려는 시도로서, 유럽 특허 WO 98/12589호에는 1개의 거울로 구현된 2x2의 바이패스(by-pass)형 광스위치에 대하여 기재되어 있다.이 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 거울의 양면을 모두 반사면으로 이용하고 있으며, 평면거울(31)이 액츄에이터(21)에 의하여 후진방향(25)으로 구동된 경우에, 광화이버A(11)에서 나온 광신호(16)는 광화이버C(13)로 그리고 광화이버B(12)에서 나온 광신호는 광화이버D(14)로 그대로 출력된다. 또한 액츄에이터(21)가 전진방향(26)으로 구동된 경우에는 광신호가 평면거울(31)의 양쪽면 모두에서 반사가 일어나 광신호의 출력방향이 바뀌게 되어 광화이버A(11)에서 나온 광신호(16)는 광화이버D(14)로 그리고 광화이버B(12)에서 나온 광신호는 광화이버C(13)로 각각 출력된다. 이 광스위치는 1회의 반사로 스위칭이 이루어져 그 구조가 간단하지만, 거울두께(33)로 인한 옵셋 오차{offset error}(51)를 감수할 수 밖에 없다.

또 미국 특허 4,932,745에서는 이와 같은 옵셋오차(51)를 없애기 위하여 보조거울(41) 2개를 추가한 광스위치 구조를 볼 수 있다. 이 구조에서는 반도체 가공에서의 광스위치 제작오차(36)가 있을 경우, 그로 인한 옵셋오차(52)의 발생을 도 2에 나타내었으며, 또한 3번의 반사 횟수로 인하여 추가손실 및 편광 손실이 문제가 될 수 있다.

이와 같이 수직구조의 평면거울(31)이 구동되는 광스위치의 경우, 반사도를 높이기 위하여 거울 표면에 균일한 두께의 금속코팅을 할 필요가 있다. 그러나, 거울높이(76)가 수십 마이크론으로 매우 큰 편이어서 기존의 기화(evaporation) 방법 또는 스퍼터링(sputtering)공정으로는 원하는 평활도의 금속코팅이 어렵게 된다. 또한, 거울 측면에 금속코팅 공정이 요구되지 않는 경우에는 전기 신호의 입출력을 위한 신호전극(87)이 별도의 공정으로 제작되어야 한다. 그러나, 이경우에 미세가공된 실리콘소자층(73)의 표면요철이 매우 크기 때문에 감광막의 도포가 불균일해져서 실리콘소자층(73)의 윗면에 신호전극(87)을 제작하는 것이 쉽지 않다. 반면에 상기의 종래 특허들에 있어서, 이와 같은 광스위치 제작을 위한 효과적인 금속코팅 방법에 대한 구체적인 제시가 없어 실제적인 제작이 어려운 상태이다.

본 발명의 목적은 초소형 거울을 이용한 광스위치에 있어서 옵셋오차의 영향을 최소화함으로써 작은 삽입손실을 갖는 광스위치 구조를 제시하는 것이다. 또한 거울의 반사도를 높이기 위하여 그 표면에 금속코팅을 입히는 방법 및 전기 신호의 입출력을 위한 신호전극의 효과적인 증착 방법을 제시하고자 한다.

도 1은 종래기술로서 1회 반사되는 광스위치의 구조

도 2는 종래기술로서 3회 반사되는 광스위치의 구조

도 3은 본 발명의 실시예로서 2회 반사되는 광스위치의 구조도

도 4는 본 발명의 제 2실시예로서 각 2개의 광화이버가 예각으로 배치된 광스위치의 구조도

도 5는 본 발명의 제 3실시예로서 V형거울을 상하로 분리한 광스위치의 구조도

도 6은 본 발명의 광스위치 거울측면의 제작 방법에 대한 주요 공정도

도 7은 본 발명의 광스위치 신호전극의 제작 방법에 대한 주요 공정도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 광화이버A 12 : 광화이버B

13 : 광화이버C 14 : 광화이버D

16 : 광신호 21 : 액츄에이터

25 : 후진방향 26 : 전진방향

31 : 평면거울 33 : 거울두께

35 : 설계된 평면거울 36 : 제작오차

37 : 제작오차가 있는 평면거울 41 : 보조거울

45 : V형거울 46 : 광화이버 사이의 예각

48 : 왯지{wedge}형거울 49 : 상하에 배치된 액츄에이터

51 : 거울두께에 의한 옵셋오차 52 : 제작오차에 의한 옵셋오차

71 : 실리콘기판 72 : 희생층산화막

73 : 실리콘소자층 76 : 거울높이

81 : 구조체식각용 감광막 86 : 금속코팅

87 : 신호전극 91 : U홈

95 : 광화이버 클래딩{cladding} 96 : 광화이버 코아{core}

98 : 식각 및 전극 보호용 감광막

상기의 목적을 달성하기 위하여 광스위치는 양쪽의 반사면을 가진 초소형의 V형거울과 이를 구동하기 위한 마이크로 액츄에이터로 구성된다. 상기 구성 요소는 실리콘/산화막/실리콘의 상층면인 실리콘소자층에 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching)의 미세 가공방법으로 제작된다. 효과적인 반사를 위한 평활한 금속코팅은 금속유기물 화학기상증착방법으로 형성되며, 신호전극이 별도로 필요한 경우에는 실리콘소자층의 식각을 통하여 구조체를 형성하기 전에 평활한 기판조건에서 신호전극을 미리 형성하는 방법을 이용한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광스위치의 원리를 설명하기 위한 평면도이다. 도 3의 스위칭 원리는 도 1의 종래의 발명에서 액츄에이터의 후진방향(25) 및 전진방향(26)의 구동에 따라 광신호의 방향이 바뀌는 동일한 원리를 사용하고 있다. 그러나 본 발명의 광신호 반사에서는 평면이 아닌 V형거울(45)을 사용하기 때문에 거울의 양쪽면에서 각각 2회의 반사를 통하여 광신호의 방향이 바뀐다. 2회 반사되는 효과는 도 3(b)에서 알 수 있듯이, 제작오차(36)가 있을 경우 중간 광로의 일부가 변화될 수 있지만 반사된 광신호의 최종적인 위치는 변화가 없기 때문에 광스위치의 삽입손실이 작아진다는 장점이 있다.

그러나 도 3의 실시예에 보인 광스위치에서 V형거울(45)이 전진방향(26)으로 구동된 경우, 광신호의 입사각이 67.5도로서 큰 값을 가지고 있으며, 이때는 거울면의 거칠기에 따른 삽입손실이 약간 커지는 경향이 있을 수는 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에서의 경우보다 삽입손실을 더욱 감소시키는 제 2 실시예에 따른 광스위치를 설명하기 위한 평면도이다. 광신호의 입사각을 줄이기 위하여 이웃한 2개 광화이버 사이의 각도를 예각(46)으로 형성한 구조를 보이고 있다. 또한 이 구조는 입출력 광화이버A(11)와 광화이버C(13), 그리고 광화이버B(12)와 광화이버D(14) 사이의 각각의 간격을 줄일 수 있어서 삽입손실에 대한 추가적인 감소 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 5의 제 3 실시예에 보인 바와 같이, V형거울(45)을 중간에서 분리하여 만든 2개의 왯지(wedge)형 거울(48)을 2개의 액츄에이터(49)를 이용하여 상하에서 함께 구동하는 경우에는, 동일한 스위칭 효과를 얻을 수 있는 동시에 액츄에이터(21)에 요구되는 구동거리가 짧아진다는 장점을 가진다.

광신호 반사를 위한 미소 거울의 구동에 이용되는 액츄에이터(21, 49)는 쏘이(SOI: Silicon-On-Insulator) 웨이퍼의 실리콘소자층(73)에 V형거울(45)또는 웨지형거울(48)과 함께 제작되며, 액츄에이터(21, 49)의 구동 방법으로는 정전형, 압전형, 열탄성형 등의 특성을 가진 구동체를 사용할 수 있다.

제 6a도, 제 6b도, 제 6c도, 제 6d도 및 제 6e도는 본 발명을 적용하여 제조한 광스위치의 제조공정도로서 광스위치의 단면구조를 보여준다.

먼저 제 6a도는, 쏘이 웨이퍼의 단결정 실리콘 소자층(73)에 V형거울(45)또는 웨지형거울(48)과 액츄에이터(21, 49)를 제작하기 위한 초기 상태를 보여 준다. 제 6b도는 식각 마스크 역할을 하는 감광막(81)을 코팅하여 포토리소그래피{photo lithogrpahy} 공정으로 패턴을 형성한 후의 전체 단면을 보인 것으로서, 이어서 반응성 이온식각(Reactive Ion Etching) 공정을 통하여 실리콘소자층(73)에 구조체를 형성한다.

제 6c도는 액츄에이터(21, 49)를 형성하기 위하여 희생층산화막(72)의 일부를 식각공정으로 제거함으로써 액츄에이터 구조체의 일부가 부유된 상태를 보여준다. 제 6d도에서는 광신호의 반사효율을 높이기 위하여 금속코팅(86) 공정을 수행한 후의 단면을 볼 수 있다. 여기서 수십 마이크론(micron)의 거울두께(33)를 가진 구조체의 측면에 금속코팅(86)을 균일하게 입혀 반사도 특성이 좋은 거울을 제작하기 위해서는 반사율이 우수하고 제작공정중에 유동성(mobility)이 좋은 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 광스위치 제조방법에서는 이와 같은 조건을 만족시키기 위하여 금속유기물 화학기상증착(MOCVD: Metal Organic Chemical VaporDeposition) 방법을 이용한다. 광신호의 방향 변경을 위한 금속은 순도가 높은 구리(copper), 백금 및 알루미늄(aluminum) 등을 사용할 수 있다.

제 6e도는 제작이 완료된 광스위치의 구조를 보인 것으로서, 광화이버의 정렬을 위한 U홈(91)은 거울(45, 48)과 액츄에이터(21, 49)를 제작할 때 같이 만들어진다. 광화이버클래딩(95)은 실리콘기판(71)에 밀착되어 고정됨으로써 광화이버코아(96)의 정렬오차에 의한 삽입손실을 최소화할 수 있다. 여기서 반사손실을 감소시키기 위하여 광화이버(11, 12, 13, 14) 사이에 굴절율 정합유체(index matching oil)를 사용할 수 있다.

제 7도와 같이, 금속코팅의 거울이 요구되지 않는 광스위치의 경우에는 신호전극(87) 형성을 위한 제작 공정이 별도로 필요하며, 이때는 실리콘소자층(73)을 식각하여 구조체를 형성하기 전에 평활한 기판조건에서 신호전극(87)을 미리 형성하는 방법을 이용한다. 이때, 식각 마스크로서의 감광막(98)은 금속의 신호전극(87)을 보호하는 역할도 같이 수행하게 되며, 이후의 제조방법은 제 6도와 같은 방법을 사용한다. 여기에서 사용되는 신호전극(87)용 금속은 알루미늄, TiW 등이며 스퍼터링(sputtering)등의 공정을 이용하여 증착할 수 있다.

전술한 기술 내용으로부터 자명하듯이, 본 발명의 광스위치는 2개의 반사면을 가진 초소형 V형거울(45) 또는 웨지형거울(48)과 이를 구동하기 위한 마이크로 액츄에이터(21 또는 49)로 구성된다. 이러한 광스위치의 구성은 거울이 전진방향(26)으로 구동된 상태에서 광신호의 반사 횟수가 2회이기 때문에, 제작오차(36)로 인한 광신호의 반사위치 변화를 없애주어 광스위치의 삽입손실을 줄이는 효과를 가진다. 광신호의 반사를 위한 미소거울면은 평활하게 금속코팅(86)되는 공정으로 제작함으로써 광스위치의 삽입손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 초기에 신호전극(87)을 형성하는 방법은 이후의 실리콘소자층(73) 가공에 따른 표면의 요철문제를 피할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 광신호의 전달방향을 바꾸어 주는 광통신 시스템용 광스위치에 있어서, 광신호의 옵셋오차를 줄이는 V형 거울과 이를 구동하는 액츄에이터로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 광스위치
2. 제1항에 있어서, V형 거울이 중간에서 분리된 형태의 2개의 왯지형 거울로 이루어지고 거울 구동용 2개의 액츄에이터가 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로 광스위치
3. 제1항 또는 제2항의 어느 한항에 있어서, V형 거울은 금속유기물 화학기상증착방법으로 증착된 고반사율 금속코팅층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광스위치
4. 제1항 또는 제2항의 어느 한항에 있어서, 액츄에이터는 신호전극을 형성한 후 실리콘 소자층을 식각하여 이루어진 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 광스위치