KR20030046877A - 광 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 의한 MEMS 광 스위치는 중앙에 위치한 왕복 질량과, 상기 왕복질량의 좌우측에 대칭으로 위치한 제1 회전축들과, 상기 제1 회전축들에 회전 연결되는 제1 회전질량들과, 상기 제1 회전질량들을 지지하는 제1 회전스프링들과, 상기 제1 회전질량들에 연결되어 상기 제1 회전스프링과 함께 상기 제1 회전질량들을 지지하는 선형 스프링들과, 상기 선형 스프링들에 연결되어 한 쪽 방향 변위가 제한되는 제2 회전질량들과, 상기 제2 회전 질량들을 좌우측 양단으로 연결지지하는 제2 회전 스프링들과, 상기 제2 회전 질량들을 회전 연결하는 제2 회전축들과, 상기 제2 회전축들을 포함하는 좌우측 양단의 구조체 앵커들과, 구동전극 및 상기 왕복 질량과 동일한 변위로 운동하는 미소거울을 포함하는 것으로서, 상기 왕복 질량과 좌우 측의 회전 질량에 대한 2개소에서의 구조적인 안정점을 갖는 정전 액츄에이터; 및 기판;을 포함하는 것으로서, 액츄에이터의 전력 소모를 최소화할 수 있는 광 스위치를 개발하는 것을 목적으로 한다.

Description

광 스위치{OPTICAL SWITCH}

본 발명은 광통신용 광 스위치에 관한 것으로서, 특히 MEMS 기술을 이용한 광 스위치(OPTICAL SWITCH)에 관한 것이다.

일반적으로 MEMS 기술은 저가의 고성능 초소형 소자 개발에 강점을 갖고 있으므로 관성 센서, 압력 센서, 생의학 소자 및 광통신 부품 등의 응용을 위해 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 응용 분야 중의 하나로 MEMS 기술을 이용한 광통신용 광 스위치는 기판 위에 미세 가공으로 제조되는 미소 정밀 거울을 이용해 광 파이버를 통해 전송되는 광신호의 경로 변경 등에 이용되고 있다.

현재 개발된 MEMS 광 스위치에는 기판에 평행하게 작동하는 2D형 광 스위치와 기판에 수직한 작동까지를 포함하는 3D형 스위치가 있다.

3D형 MEMS 광 스위치는 하나의 칩에 집적되는 미소 거울의 갯수를 확장하는 것이 용이하므로 다채널의 광 신호를 분배하는 DWDM 시스템에 적용하는 것이 가능하다.

2D형 MEMS 광 스위치는 다채널의 광 신호 분배도 가능하지만, 1x2, 2x2 매트릭스 구조의 광 스위치에 적용할 경우에는 미소 거울이 놓이는 광 파이버 사이의 자유 공간을 최소화하는 것이 가능하므로 저가의 시스템으로도 우수한 광학 성능을 나타낼 수 있으며, 또한 MEMS 광 스위치는 초소형 구동체의 기계적 특성이 우수하여 빠른 응답성을 갖는다.

특히 기판에 평행하게 작동하는 2D형 MEMS 광 스위치 중에서 하나의 미소 거울이 서로 교차하도록 하기 위해, 광로 배치를 한 네 개의 광 파이버 사이를 전진 또는 후진함으로써 광 경로 변경을 하는 2x2 광 스위치에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

상기 2x2 광 스위치에 관한 종래 기술의 한 예로서 앤멜더(Anmelder)등의 국제특허 제 WO98/12589호 "A Fiber Optic Circuit Switch and a Process for Its Production"은 기판과 전도성 소자층 사이에 절연 막 구조를 갖는 샌드위치 웨이퍼로 가공되는 광 스위치에 관한 것이 있다.

상기 국제특허는 전진 및 후진 방향의 구동을 하도록 제작된 양방향 콤 구동 액츄에이터(comb drive actuator)에 연결되어 금속이 증착된 실리콘 미소 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 것으로서 양방향 콤 구동 액츄에이터의 작동에 따라 미소 거울이 광 경로 사이로 당겨져 위치하거나 광 경로 바깥으로 빠져나가 위치하면서 경로의 변경 작용을 하는 구성을 나타내는 것으로서, 상기 액츄에이터는 미소 거울의 전후진 작동시 뿐만 아니라 전후진 중 한 상태를 유지하고 있는 동안에도항상 구동 전력을 소모하게 되는 단점이 있다.

종래 기술의 다른 실시예로서, 난 장(Nan Zhang)등의 미합중국 특허 US6,229,640B1 "Microelectromechanical Optical Switch and Method of Manufacture Thereof"는 단일 콤 액츄에이터를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 미합중국 특허에서, 초기에 광 경로 사이에 삽입되어 있던 미소 거울은 액츄에이터의 작동으로 광 경로로부터 빼내는 것이 가능하고, 다시 광 경로 사이에 삽입하기 위해서는 액츄에이터의 작동을 멈춤으로써 액츄에이터와 기판 사이를 연결하는 보 구조물의 복원력으로 다시 원래의 초기 위치로 돌아가게 된다. 즉, 액츄에이터는 미소 거울의 전진 상태에서는 구동 전력의 소모가 없으나 후진 상태에서는 여전히 계속 구동 전력을 소모하게 되는 단점이 있다.

따라서 전술한 종래 기술은 미소 거울이 광 경로 사이로 들어가거나 나가는 전진 상태 혹은 후진 상태 중 적어도 하나의 상태를 유지하는 동안에는 복원력에 해당하는 구동력을 반대 방향으로 발생시켜야 미소 거울이 정지하게 되므로, 액츄에이터의 전력을 불필요하게 소모해야 하는 문제점을 갖게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 단 한번의 펄스 구동 신호에 의해 미소 거울의 위치가 전진 상태에서 후진 상태로 또는 후진 상태에서 전진 상태로 전환될 수 있도록 액츄에이터를 개선하여 액츄에이터의 전력 소모를 최소화할 수 있는 광 스위치를 개발하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 광 스위치의 일 실시예를 나타내는 도면으로서 광 경로가 미소거울에 의해 반사되는 것을 나타내며.

도 2는 본 발명에 의한 광 스위치의 일 실시예를 나타내는 도면으로서 광 경로가 통과되는 것을 나타내며.

도 3a, 3b, 3c 및 3d는 광 스위치의 구성요소인 기판의 미세 가공 공정에 대한 구조 단면의 개략도를 나타내며.

도 4는 본 발명에 의한 광 스위치의 단순화 모델에 대한 초기의 1차 안정 형상을 나타낸 도면이며.

도 5는 본 발명에 의한 광 스위치의 단순화 모델에 대한 2차 안정 형상을 나타낸 도면이며.

도 6a 및 6b는 각 변위에 따른 탄성에너지와 구동력의 변화를 각각 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 정전 액츄에이터 2: 왕복질량

3,3': 좌우측 제1 회전질량 4,4': 좌우측 제2 회전질량

5,5': 좌우측 선형스프링 6a,6a': 좌우측 제2 회전스프링

6b,6b': 좌우측 제1 회전스프링 7,7': 좌우측 제2 회전축

8,8': 좌우측 제1 회전축 9,9': 좌우측 구조체 앵커

10,10':좌우측 전진방향 구동전극 11: 후진방향 구동전극

12: 미소거울 13a,13b,13c,13d: 광 경로

14: 실리콘층 15: 1차 식각마스크

16: 유리기판 17: 2차 식각마스크

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 미세 가공을 이용해 하부 기판으로부터 떠있는 수직 구조체를 만들고 그 수직 구조체의 옆면을 거울이 연결된 정전 액츄에이터(electrostatic actuator)를 이용해 광 경로를 변경하는 기전 복합 광(micro-electro-mechanical optical) 스위치를 제공하고자 하는 것이다.

즉 본 발명의 의한 MEMS 광 스위치는 중앙에 위치한 왕복 질량과, 상기 왕복질량의 좌우측에 대칭으로 위치한 제1 회전축들과, 상기 제1 회전축들에 회전 연결되는 제1 회전질량들과, 상기 제1 회전질량들을 지지하는 제1 회전스프링들과, 상기 제1 회전질량들에 연결되어 상기 제1 회전스프링과 함께 상기 제1 회전질량들을 지지하는 선형 스프링들과, 상기 선형 스프링들에 연결되어 한 쪽 방향 변위가 제한되는 제2 회전질량들과, 상기 제2 회전 질량들을 좌우측 양단으로 연결지지하는 제2 회전 스프링들과, 상기 제2 회전 질량들을 회전 연결하는 제2 회전축들과, 상기 제2 회전축들을 포함하는 좌우측 양단의 구조체 앵커들과, 구동전극 및 상기 왕복 질량과 동일한 변위로 운동하는 미소거울을 포함하는 것으로서, 상기 왕복 질량과 좌우 측의 회전 질량에 대한 2개소에서의 구조적인 안정점을 갖는 정전 액츄에이터; 및 기판;을 포함한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시를 위하여, 상기 구동전극은 전진 방향 구동 전극과 후진 방향 구동 전극으로 구성된 정전 액츄에이터를 특징으로 하는 광 스위치가 개시되어 있다.

또한, 상기 기판은 양면 식각된 실리콘 구조체를 소자 층으로 사용하는 것을특징으로 하는 광 스위치가 개시되어 있다.

도 1은 본 발명의 의한 광 스위치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 광 스위치는 다음과 같은 구성요소를 포함하는 정전 액츄에이터(1)와 기판(미도시)으로 구성되는데, 특히 상기 정전 액츄에이터(1)는 왕복 질량(2), 좌우측 제1 회전 질량(3, 3'), 좌우측 제2 회전 질량(4, 4'), 좌우측 선형 스프링(5, 5'), 좌우측 제2 회전 스프링 (6a, 6a'), 좌우측 제1 회전 스프링(6b, 6b'), 좌우측 제2 회전축(7, 7'), 좌우측 제1 회전축(8, 8'), 좌우측 구조체 앵커(9, 9'), 좌우측 전진 방향 구동 전극(10, 10'), 후진 방향 구동 전극(11) 및 상기 왕복 질량(2)의 끝에 연결된 미소 거울(12)을 포함한다. 상기 미소 거울(12)에 대해 적어도 하나 이상의 광 경로(13a, 13b)가 반사되어 경로를 유지한다. 상기 정전 액츄에이터(1)의 구성 요소 중 상기 구조체 앵커(9, 9'), 전후진 방향 구동 전극(10, 10', 11)을 제외한 모든 구성 요소는 기판으로부터 떠있는 상태로 제작되어 기판에 평행한 운동에 자유로우며 상기 좌우측 제2 회전 스프링(6a, 6a')이 서로 연결된 떠있는 구성 요소들과 상기 구조체 앵커(9, 9')를 연결하여 지지하게 된다.

도 2는 초기 전진 상태인 상기 액츄에이터(1)가 후진한 상태를 표현한다. 이 상태에서 적어도 하나 이상의 광 경로(13c, 13d)는 도 1의 광 경로(13a, 13b)와 달리 반사가 없는 광 경로를 유지한다.

본 발명에 의한 상기 정전 액츄에이터는 두 개의 구조적 안정자세를 갖는 래치업(latch-up)작동이 가능하다. 즉 초기에 전진 상태로 왕복 질량이 나와 있는액츄에이터 형상에서 임의의 임계점 이상의 후진 구동력을 가하면 왕복 질량은 후진 위치로 밀려나며 구동력을 계속 가하지 않아도 후진 위치에서 정지하게 된다.

또한 반대로 후진 위치에서 전진 구동력을 가하면 구조체는 임계점 이상의 전진 구동력에 대해 초기 전진 위치로 밀려나며 힘을 가하지 않아도 초기 전진 위치를 계속 유지하게 된다.

이와 같이 래치업(latch-up) 작동이 가능한 이유는 왕복 질량과 회전 질량의 형상에서 그 원리를 찾아볼 수 있다.

우선 도 1의 광 스위치는 도 4의 개략도와 같이 왕복 질량과 양쪽 회전 질량의 형상으로 단순화하여 가정할 수 있다. 도 4는 도 1의 구성 요소 중 구동 전극, 광 경로 및 미소 거울 등을 제외한 이동 가능 구조체만을 표현한 개략도로서, 좌우측 회전 질량은 왕복 질량을 중심으로 대칭의 형상을 이룬다. 좌우측 회전 질량은 각각 상부 회전 질량과 하부 회전 질량으로 나뉘고, 상부 회전 질량과 하부 회전 질량 사이에는 압축 변형에 대해 복원력을 발생하는 선형 스프링이 있고, 상부 회전 질량은 왕복 질량과의 사이에 회전축을 갖고 있고, 하부 회전 질량은 고정 좌표계에 대해 회전축을 갖고 있다. 또한 각각의 회전 질량은 고정 좌표계와 왕복 질량에 연결되어 회전 질량을 지지하는 회전 스프링을 갖고 있다.

즉 도 4에서 모든 스프링은 인장 혹은 압축되지 않은 초기 상태이고 왕복 질량은 전진 상태에 있다. 두 개의 팔 구조가 구동 방향에 수직한 축과 이루는 초기 각은로 나타내고, 전체 선형 스프링 상수는, 회전 스프링 상수는로 나타내었다.

상기 도 1과 같은 초기 상태에 후진 구동력 F가 가해져서 좌우 측의 회전 질량 구조가 각각 O와 O'을 중심으로 각만큼 회전한다고 가정할 때 선형 스프링과 회전 스프링에 저장되는 탄성 에너지는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

(수학식 1)

상기 탄성 에너지 Ue를 각 변위에 대해 미분하면 각 모멘트 M을 다음의 식과 같이 표현할 수 있다.

(수학식 2)

그러므로 각 변위를 발생시키는데 필요한 후진 구동력 F는 다음의 식에 의해 계산될 수 있다.

(수학식 3)

또한 도 4의 구조가 두 개의 안정점을 갖도록 설계되면 각 변위에 대한 탄성 에너지와 구동력은 도 6a 및 6b와 같은 그래프로 나타난다.

탄성에너지가 국소 최저값(local minimum)을 갖는 각 변위에서 구조체는 안정점을 갖게 되는데 도 6a에서 보는 바와 같이 안정점은 각 변위가 0과일 경우이다. 도 6b의 Fmax 이상의 구동력이 가해지면 각 변위는이상으로 발생하고 구동력이 없어지면 각 변위에서 정지한다.

왕복 질량과 좌우측의 회전 질량에 대한 첫 번째 안정점은 각 변위가 0일 경우이고 도 4에서 보는 바와 같이 수평축에 대해 팔구조가의 값을 갖는다. 두번째 안정점은 각 변위가일 경우이고 도 5에 도시된 바와 같이 수평축에 대해 팔 구조가의 값을 갖는다.

도 5는 본 발명에 의한 MEMS 광 스위치 단순화 모델에 대한 2차 안정 형상을 나타낸 도면이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 광 스위치는 기판에 대해 평행하게 움직이는 정전 액츄에이터가 이동 가능 영역 내에서 2 곳의 구조적인 안정점을 갖고 있어, 이 지점에서는 구동력을 가하지 않아도 미소 거울이 정지 상태를 유지할 수 있는 특징을 갖는다.

즉 상기 두 곳의 안정점에서는 특별한 힘을 가하지 않으면 상기 액츄에이터가 구동되지 않고 정지 상태를 유지하는 것을 특징으로 하므로, 본 발명을 이용한 광 스위치는 작동 중 전력 소모를 최소화 할 수 있는 장점을 갖게 된다.

본 발명의 또 다른 특징으로는 상기 정전 액츄에이터와 함께 광 스위치를 구성하는 기판에 있다.

도 3a, 3b, 3c 및 3d는 본 발명에 따른 기판의 미세 가공 공정에 대한 구조 단면을 개략도로 표현하고 있다. 단면적인 구성으로 광 스위치의 기판은 실리콘층(14)과 유리기판(16)이 결합된 형태로 나타난다. 상기 실리콘층(14)은 초기에는 기판의 형태로부터 가공된다. 1차 식각 마스크(15)에 의해 식각된 면에 상기 유리기판(16)을 접착한 후 상기 실리콘층(14)의 식각된 반대 면에서 가공을 통해 실리콘층(14)의 두께를 줄인다.

두께가 줄어든 상기 실리콘층(14)의 상면에 2차 식각 마스크(17)를 통해 상기 실리콘층(14)을 관통하는 2차 식각을 수행한다. 완성된 구조체는 상술한 바와 같이 희생층 식각의 공정을 수행하지 않고, 기판으로부터 떠있는 미세 구조체를 제조할 수 있는 장점을 갖게 된다. 다시 말하자면, 종래의 희생층 식각 공정이 수반되는 경우에는 실리콘층과 실리콘층 사이에 형성되는 산화막층을 최종적으로 불산 용액 내에서 식각하여야 한다. 즉 불산 용액 내에서의 식각 과정 중에 발생되는 것으로서, 용액이 기화되면서 나타날 수 있는 구조체의 고착 현상을 방지하여 미세 구조체의 변형을 막을 수 있다는 것이 본 발명에서의 장점이 된다.

즉, 본 발명을 이용한 광 스위치는 양면 식각된 실리콘 구조체를 소자 층으로 사용하여 희생층 식각이 필요 없는 간략화된 공정으로 제작이 가능한 장점을 갖는다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 분야와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하며 그 적용에 있어서도 다양한 형태로 구현 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 광 스위치는 희생층 식각이 필요없는 MEMS 광 감 스위치의 제조 방식을 채택하여 가격, 소형화 및 양산성의 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 본 발명에 의한 광 스위치는 정전 액츄에이터가 구동 영역 내에서구조적으로 2개의 안정점을 가지므로 전진 혹은 후진 시에만 일시적인 펄스 구동 신호를 액츄에이터에 가함으로써 광 신호의 전달 방향을 바꿀 수 있어 종래의 MEMS 광 스위치가 가지고 있는 고 전력 소비의 문제점을 해결할 수 있으며, 안정점에 위치한 액츄에이터는 구동 신호가 다시 가해지지 않는 한 외부의 외란에 대해서도 다시 안정점으로 돌아가려는 복원력이 작용하도록 구조가 설계되어 있어 위치 정밀도의 성능도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 왕복 질량과,

   상기 왕복질량의 좌우 측에 대칭으로 위치한 제1 회전축들과,

   상기 제1 회전축들에 회전 연결되는 제1 회전질량들과,

   상기 제1 회전질량들을 지지하는 제1 회전스프링들과,

   상기 제1 회전질량들에 연결되어 상기 제1 회전스프링과 함께 상기 제1 회전질량들을 지지하는 선형 스프링들과,

   상기 선형 스프링들에 연결되어 한 쪽 방향 변위가 제한되는 제2 회전질량들과,

   상기 제2 회전 질량들을 좌우측 양단으로 연결 지지하는 제2 회전 스프링들과,

   상기 제2 회전 질량들을 회전 연결하는 제2 회전축들과,

   상기 제2 회전축들을 포함하는 좌우측 양단의 구조체 앵커들과,

   구동전극 및

   상기 왕복 질량과 동일한 변위로 운동하는 미소거울을 포함하는 것으로서, 상기 왕복 질량과 좌우측의 회전 질량들에 대한 2개소에서의 구조적인 안정점을 갖는 정전 액츄에이터; 및

   기판;을 포함하는 광 스위치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구동전극은 전진 방향 구동 전극과 후진 방향 구동 전극으로 구성된 정전 액츄에이터를 특징으로 하는 광 스위치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 양면 식각된 실리콘 구조체를 소자 층으로 사용하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 안정점에서는 특별한 힘을 가하지 않으면 상기 액츄에이터가 구동되지 않고 정지 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 광 스위치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 실리콘 구조체는 실리콘 기판을 가공하는 가공공정과;

   상기 가공공정에 의한 실리콘 기판의 일면에 1차 식각 마스크를 이용하여 식각하는 제1 식각공정과;

   상기 제1 식각공정에 의해 식각된 면에 유리기판을 접착하는 접착공정과;

   상기 접착공정에 의한 상기 실리콘 및 유리로 구성된 기판에서 실리콘층의 면을 갈아내어 두께를 줄이는 연마공정과;

   상기 연마공정에 의해 두께가 줄어든 실리콘층의 면에 2차 식각 마스크를 이용하여 식각하는 제2 식각공정;에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 스위치.