KR20040057710A

KR20040057710A - Ｍｅｍｓ 가변 광감쇄기

Info

Publication number: KR20040057710A
Application number: KR1020020084501A
Authority: KR
Inventors: 홍윤식; 윤상기; 홍석기; 이영규; 정성천; 이정현
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-02
Also published as: CN1243277C; JP2004212934A; US6901204B2; US20040126081A1; CN1512254A; KR100483047B1

Abstract

본 발명은, 광 콜리메이터와 같이 큰 모드필드직경(MFD)을 갖는 광송수신단에 적합하도록 광차단막의 이동변위를 증폭시킬 수 있는 MEMS 광감쇄기에 관한 것이다.

본 발명은, 평탄한 상면을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단 및 광수신단과, 상기 기판 상에 배치되어 상기 광축에 대해 수직방향으로 작동되는 구동행정을 제공하기 위한 마이크로 전자 엑츄에이터와, 상기 기판 상에 배치되어 상기 마이크로 전자엑츄에이터의 구동행정을 제1 단부에 전달받아 제2 단부를 통해 증폭된 변위로 제공하기 위한 적어도 하나의 지렛대구조물과, 상기 기판 상에 상기 지렛대구조체의 제2 단부에 연결되도록 배치되어 상기 증폭된 변위에 따라 상기 광축 상의 소정의 감쇄 위치로 이동되는 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기를 제공한다.

본 발명의 MEMS 가변 광감쇄기에 따르면, 소형화 요구를 만족시키는 동시에, MEMS 액츄에이터 구조체의 구동행정을 증폭시켜, 큰 모드필드직경(MFD)을 갖는 광송수신단에 적합한 광차단막의 이동변위를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 MEMS 가변 광감쇄기는 광송수신단에 광콜리메이터를 장착하여도 원하는 광쇄량을 얻을 수 있으므로, 광성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.

Description

ＭＥＭＳ 가변 광감쇄기{MEMS VARIABLE OPTICAL ATTENUATOR}

본 발명은 마이크로 전자기계적 시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS)형 광감쇄기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 콜리메이터와 같이 큰 모드필드직경(MFD)을 갖는 광송수신단에 적합하도록 광차단막의 이동변위를 증폭시킬 수 있는 MEMS 광감쇄기에 관한 것이다.

광통신용 광 감쇄기는 한 쌍의 입사단과 출사단을 구비하고, 그 입사단으로부터 광신호에 소정의 광손실을 발생시켜 감쇄된 광출력을 출사하는 광부품을 말한다.

일반적으로, 광통신에서 광수신출력수준은 그 시스템의 구성에 따라 다양하게 사용된다. 예를 들어, 광수신출력수준은 전송거리의 장단에 의한 광섬유의 전송손실의 차이, 광섬유 접속부의 수와 전송로에 사용되는 광분기 결합등의 광부품 수 및 성능에 의해 결정된다. 따라서, 광수신부의 광량수신이 허용수준이상으로 과다한 경우에는 광 감쇄기가 요구된다. 이 외에도, 광감쇄기는 통신기기나 광측정기기에 대한 평가, 조정 및 교정에서도 다양하게 적용될 수 있다.

상기 광 감쇄기는 일정한 감쇄량을 주는 고정 광감쇄기(fixed optical attenuator)와, 감쇄량을 필요에 따라 변화시킬 수 있는 가변 광감쇄기(variableoptical attenuator: VOA)로 분류될 수 있다. 광감쇄기는 보다 저렴한 비용으로 신뢰성이 우수하고 소형화된 크기로 제조될 것이 요구되고 있다.

이러한 요구를 만족시키기 위해, 최근에는 박막 기술을 이용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System)구조로 개발되고 있다. MEMS 가변 광감쇄기의 경우에는, 박막기술을 적용하여 실리콘 등의 기판 상에 미세 구조의 엑츄에이터를 형성하는 방식으로 구성된다. 통상 그 엑츄에이터의 구동방식은 열팽창 또는 정전방식을 이용하며, 그 구동에 따라 광차단막의 변위가 제공되어, 송신단(또는 출사단이라고도 함)으로부터 수신단(또는 입사단이라고도 함)으로 향하는 광량을 조절하게 된다.

도1a 및 1b는 각각 종래의 정전 엑츄에이터를 이용한 가변 광감쇄기를 나타내는 사시도 및 평면도이다.

도1a 및 1b를 참조하면, 상기 MEMS 가변 광감쇄기는, 송신단인 광도파로(19a)과 수신단인 광도파로(19b)를 구비한 기판(11)과, 구동전극(12a,12b), 접지전극(14), 스프링역할을 하는 탄성구조물(15) 및 이동질량부(16)로 구성된 정전 액츄에이터와, 상기 엑츄에이터의 이동질량부(16)에 연결된 광차단막(17)을 포함한다. 이러한 각 구조물은 실리콘과 같은 물질로 이루어진다.

상기 구동전극(12a,12b)과 접지전극(14)은 산화물층("앵커(anchor)"라고도 함: 18)에 의해 기판(11) 상에 지지되며, 상기 이동질량부(16)는 상기 스프링(15)을 통해 상기 접지전극(14)에 연결되어 기판(11) 상에 부유하는 빗살구조를 갖는다. 또한, 상기 구동전극(12a,12b)으로부터 연장된 부분(13a,13b)도 상기 콤구조인 이동질량부(16)와 서로 맞불린 빗살(interdigitated combs)구조로 이루어진다.

이러한 구조에서, 구동전극(12a,12b)과 접지전극(14) 사이에 전위차가 형성되도록 구동신호를 인가하면, 이동질량부(16)와 구동전극 연장부(13a,13b) 사이의 빗살구조에서 정전력이 형성되고, 그 정전력에 의해 이동가능한 이동질량부(16)가 구동전극 연장부(13a,13b)로 이동하게 되며, 정전력이 해제되면, 탄성구조물(15)의 탄성력에 의해 다시 원위치를 복귀한다. 이와 같은 정전력에 의한 이동질량부(16)의 구동행정을 통해 광차단막(17)이 송신단(19a)와 수신단(19b) 사이로 입사되는 빛을 부분적으로 차단시킬 수 있다.

상기 MEMS 가변 광감쇄기에 송수신단으로는 통상의 광섬유가 일반적으로 사용될 수 있다. 이러한 광섬유의 광성능을 향상시키기 위해서 광 콜리메이터(collimator)를 장착하여 사용하는 것이 고려될 수 있다. 광콜리메이터를 사용하는 경우에는, 모드필드직경이 크므로 정렬손실을 감소시킬 수 있으며, 파장의존손실(wavelength dependence loss: WDL)및 편광의존손실(polarization denpendence loss: PDL)의 변동량과, 반사손실 및 초기 삽입손실에 있어서 보다 우수한 광성능을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

하지만, 상기 광 콜리메이터는 상술된 바와 같은 우수한 장점에도 불구하고,모드필드직경(mode field diameter: MFD)의 크기로 인해, 종래의 MEMS 가변 광감쇄기의 구조에 채용될 수 없다. 종래의 MEMS 가변 광감쇄기의 엑츄에이터는 광섬유의 모드필드직경에 적합한 10㎛정도의 구동행정을 갖도록 구성되나, 광 콜리메이터를 사용하는 경우에는 그 모드필드직경이 약 100㎛(경우에 따라 200∼300㎛)이상이므로, 종래의 MEMS 엑츄에이터의 구동행정으로 적절한 감쇄량을 발생시키기 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 광차단막의 이동거리를 결정하는 MEMS 엑츄에이터의 구동행정을 증대시켜야 하지만, MEMS 가변 광감쇄기 소형화라는 제약사항으로 인해 한계가 있다. 즉, 종래의 MEMS 가변 광감쇄기의 엑츄에이터에서 광차단막(17)의 이동거리를 결정하는 구동행정의 변위는 두 대향하는 콤구조, 즉 이동질량부(16)와 구동전극연장부(13)의 간격(d)에 의해서만 정의되므로, 그 간격(d)만을 이용하여 광 콜리메이터에 적합한 구동행정의 변위까지 확대하는 것은 MEMS 가변광감쇄기의 소형화요구를 만족시키지 못하는 문제가 있다.

따라서, 당 기술분야에서는, 우수한 광성능을 갖는 MEMS 가변 광감쇄기를 구현하기 위해서는, MEMS 액츄에이터 구조체를 개선하여 광 콜리메이터의 모드필드직경에 적합한 크기의 구동행정을 증폭시켜 원하는 광감쇄량을 얻을 수 있는 MEMS 가변 광감쇄기가 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 그 목적은 MEMS 엑츄에이터에 지렛대 구조를 적용하여 그 구동행정을 증폭된 변위로 작동하여 광 콜리메이터와 같은 MFD에서도 원하는 감쇄량을 구현할 수 있는 MEMS 가변 광감쇄기를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 MEMS 가변 광감쇄기를 나타내는 사시도이다.

도2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 평면도이다.

도3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 사시도이다.

도4a 및 4b는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 작동을 설명하기 위한 평면도이다.

도5는 이동질량부와 구동전극부가 개량된 MEMS 가변 광감쇄기의 평면도이다.

도6은 본 발명에 따른 제3 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

121: 기판 122: 구동전극

124a,124b: 접지전극 125: 지지구조물

126: 이동질량부 127: 광차단막

128: 산화물층 129a,129b: 광송수신단

131a,131b: 제1 탄성구조물 132a,132b: 제2 탄성구조물

133a,133b: 제3 탄성구조물 134a,134b: 제4 탄성구조물

135a,135b: 제1 및 제2 지렛대구조물

상기 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

평탄한 상면을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단 및 광수신단과, 상기 기판 상에 배치되어 상기 광축에 대해 수직방향으로 작동되는 구동행정을 제공하기 위한 마이크로 전자 엑츄에이터와, 상기 기판 상에 배치되어 상기 마이크로 전자엑츄에이터의 구동행정을 제1 단부에 전달받아 제2 단부를 통해 증폭된 변위로 제공하기 위한 적어도 하나의 지렛대구조물과, 상기 기판 상에 상기 지렛대구조체의 제2 단부에 연결되도록 배치되어 상기 증폭된 변위에 따라 상기 광축 상의 소정의 감쇄 위치로 이동되는 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기를 제공한다.

본 발명은 다양한 실시형태로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 제1 실시형태에서는, 평탄한 상면을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단 및 광수신단과, 상기 기판 상에 고정되어 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부와, 상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부와, 상기 기판 상에 고정되어 상기 이동질량부에 제1 탄성구조물로 연결된 접지전극부와, 상기 기판 상에 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 배치되어, 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 단부와 상기 제1 단부의 반대측 단부인 제2 단부를 갖는 지렛대 구조물과, 상기 기판 상에서 상기 지렛대 구조물을 기준으로 이동질량부의 반대편에 형성되며, 상기 지렛대 구조물의 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 연결된 지지구조물과, 상기 기판 상에 배치되고 상기 지렛대구조체의 상기 제2 단부에 연결된 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기는, 평탄한 상면을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단 및 광수신단과, 상기 기판 상에 배치되어 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부와, 상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부와, 상기 기판 상면 중 상기 이동질량부의 양측에 각각 배치되며, 상기 이동질량부의 양측에 제1 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 접지전극과, 각각 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 제1 단부가 서로 인접하도록 상기 기판 상에서 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 직렬 배치되고, 상기 제1 단부는 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 및 제2 지렛대 구조물과, 상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대편에 배치되어, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물 중 상기 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 연결된 지지구조물과, 상기 기판 상에 배치되어 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 상기 제2 단부에 제4 탄성구조물로 각각 연결된 광차단막로 이루어질 수 있다.

본 발명의 제3 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기는, 평탄한 상면을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단과 광수신단과, 상기 기판 상에 배치되어 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부와, 상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부와, 상기 기판 상면 중 상기 이동질량부의 양측에 각각 배치되며, 상기 이동질량부의 양측에 제1 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 접지전극과, 각각 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 제2 단부가 서로 인접하도록 상기 기판 상에서 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 직렬 배치되고, 상기 제1 단부는 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 및 제2 지렛대 구조물과, 상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대편에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물 중 상기 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 지지구조물과, 상기 기판 상에 배치되어 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 상기 제2 단부에 제4 탄성구조물로 각각 연결된 광차단막으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 제3 실시형태에서는, 상기 이동질량부에 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 배열방향과 평행하고, 그 배열된 길이에 상응하는 길이를 갖는 연결구조물을 구비하고, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 제1단이 상기 이동질량부의 연결구조물의 양단에 각각 연결되도록 구성함으로써 보다 충분한 변위를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 각 실시형태에서 상기 정전전극부와 상기 이동질량부의 접촉부는 서로 맞물린 콤구조의 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이와 같은 본 발명은 광수신단과 광수신단에 모드필드직경이 큰 광 콜리메이터를 장착하는 경우에도 원하는 광차단막의 변위를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도2를 참조하면, 상기 MEMS 가변 광감쇄기는, 광송신단(29a)과 광수신단(29b)을 구비한 기판(21)과, 구동전극(22), 접지전극(24a,24b) 및 이동질량부(26)로 구성된 정전 액츄에이터와, 상기 정전 엑츄에이터의 구동행정을 증폭된 변위로 제공하는 지렛대구조물(35)과, 상기 지렛대구조물(35)에 연결된 광차단막(27)을 포함한다.

상기 구동전극(22)과 접지전극(24a,24b)은 산화물층(미도시)에 의해 기판(21) 상에 고정된 구조물(빗금으로 표시됨)이다. 상기 이동질량부(26)는 제1 탄성구조물(31a,31b)을 통해 그 양측에 배치된 접지전극(24a,24b)에 연결되어 기판(21) 상에 뜬 상태로 존재한다. 상기 이동질량부(26)와 상기 구동전극(22)은정전력을 보다 효율적으로 작용하도록 서로 맞불린 빗살(interdigitated comb)구조로 이루어질 수 있다.

상기 제1 탄성구조물(31a,31b)은 상기 이동질량부(26)가 소정의 경로를 따른 구동행정을 보장하는 선형 스프링과 같은 기능을 수행한다.

본 실시형태와 같이, 양측에 배열하는 경우에는 정확한 직선운동이 가능하도록 안내할 수 있는 잇점이 있지만, 상기 제1 탄성구조물과 상기 접지전극의 배열위치와 개수에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 즉, 상기 제1 탄성구조물과 접지전극은 이동질량부가 이동된 후에 원위치로 복원가능될 수 있도록 하나로 다른 위치에 배치될 수도 있다.

상기 지렛대구조물(35)은 상기 이동질량부(26)의 이동방향과 거의 수직으로 배치되며, 그 제1 단부는 제2 탄성구조물(32)에 의해 상기 이동질량부(26)과 연결되고, 제2 단부는 상기 광차단막(27)과 수직으로 연결된다. 또한, 상기 지렛대구조물(35)은 지렛대작용을 수행하기 위해서, 상기 제1 단부의 인접한 부분에 지렛목이 형성되도록, 제3 탄성구조물(33)을 통해 기판(25) 상에 고정된 지지구조물(25)에 연결된다. 상기 지지구조물(25)은 접지전극(24a,24b)과 동일하게 금속을 도포하여 추가적인 접지전극으로도 구현될 수 있다. 상기 제2 탄성구조물(32)과 제3 탄성구조물(33)은 상기 지렛대구조물(33)의 작동을 원만하게 이루어질 수 있도록 보장하는 기능을 수행한다.

도2에 도시된 MEMS 가변 광감쇄기에서는, 구동전극(22)에 소정의 전기적 신호가 입력되어 정전력이 발생되면, 이동질량부(26)는 구동전극부(22)의 방향으로 이동되고, 이후 정전력이 감소되거나 해제되면, 상기 제1 탄성구조물(31a,31b)의 탄성력에 의해 소정의 위치로 다시 복원된다. 이러한 구동행정에 의한 이동질량부(26)의 이동변위는 그 이동질량부(26)의 빗살단부와 구동전극(22)본체의 간격(D1)에 의해 정의된다.

상기 간격(D1)을 갖는 구동행정은 상기 제2 탄성구조물(32)을 통해 상기 지렛대구조물(35)의 제1 단부에 전달되어 상기 이동질량부(26)의 이동간격과 거의 동일한 간격으로 이동된다. 이와 같이 제1 단부가 이동되면, 상기 지렛대구조물(35) 중 광차단막(27)에 연결된 제2 단부는, 상기 지렛대구조물(35) 중 상기 지지구조물(25)에 연결된 지렛목으로 하여 증폭된 변위로 이동될 수 있다.

이와 같이 상기 제2 단부가 증폭된 변위로 이동함에 따라, 그 제2 단부에 수직으로 연결된 광차단막(27)도 광송수신단 사이의 광축(또는 광경로)를 향해 그 증폭된 변위로 이동될 수 있다.

상기 MEMS 가변 광감쇄기에서 지렛대구조물에 의한 변위의 증폭정도는 지렛목의 위치에 따라 결정된다. 즉, 제1 단부측 지렛대구조물의 길이(ℓ1)와 제2 단부측 지렛대구조물의 길이(L1)의 비로 결정된다.

예를 들어, 도2에 도시된 지렛대구조물(35)에서, 제2 단부측 지렛대구조물의 길이(L1)를 제1 단부측 지렛대구조물의 길이(ℓ1)의 약 10배가 되도록 지렛목을 형성하면, 상기 제2 단부에 연결된 상기 광차단폭의 변위도 이동질량의 구동행정에 의한 제1 단부의 변위의 약 10배로 증폭시킬 수 있다. 따라서, 약 10-30㎛의 변위를 갖는 MEMS 가변 광감쇄기의 경우에 약 100-300㎛정도로 증폭시킬 수 있다. 상기 변위값은 MEMS 가변 광감쇄기의 광콜리메이터를 사용하는 경우에 그 모드필드직경에서도 원하는 광감쇄량을 얻을 수 있는 변위가 될 수 있다.

이와 같이, 보다 큰 변위증폭율을 얻기 위해서, 상기 지렛대구조물(35)에서 지지구조물(25)과 연결되어 지렛목이 형성되는 지점을 가능한 그 제1 단부에 인접하게 형성하는 것이 바람직하다.

도3는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기의 사시도이다. 본 실시형태는, 광차단막이 광축과 정확히 수직방향으로 이동되는 것을 보장하기 위해서, 2개의 지랫대구조물이 좌우대칭구조로 배치된 구조를 갖는다.

도3를 참조하면, 상기 MEMS 가변 광감쇄기는, 광송신단(129a)과 광수신단(129b)을 구비한 기판(121)과, 구동전극(122), 접지전극(124a,124b) 및 이동질량부(126)로 구성된 정전 액츄에이터와, 좌우에 각각 대칭구조로 배열된 2개의 지렛대구조물(135a,135b)과, 상기 지렛대구조물(135a,135b) 각각에 연결된 광차단막(127)을 포함한다.

도2에서 설명된 실시형태와 유사하게, 상기 구동전극(122)과 접지전극(124a,124b)은 산화물층(128)에 의해 기판(121) 상에 고정된다. 상기 이동질량부(126)는 제1 탄성구조물(131a,131b)을 통해 그 양측에 배치된접지전극(124a,124b)에 연결되어 기판(121) 상에 뜬 상태로 존재한다. 여기서, 상기 제1 탄성구조물(131a,131b)은 상기 이동질량부(126)가 소정의 경로를 따른 구동행정을 보장하는 선형 스프링과 같은 기능을 수행한다.

상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)은 각각 상기 이동질량부(126)의 이동방향과 거의 수직으로 배치되고, 각각 제1 단부가 인접되도록 거의 동일선상에 정렬된다. 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)의 제1 단부는 각각 제2 탄성구조물(132a,132b)에 의해 상기 이동질량부(126)에 연결된다.

또한, 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)은 지렛대작용을 수행할 수 있도록, 상기 제1 단부의 인접한 부분에 지렛목을 형성한다. 이러한 지렛목은 제3 탄성구조물(133a,133b)을 통해 상기 기판(125) 상에 고정된 지지구조물(125)에 연결함으로써 구현할 수 있다. 상기 지지구조물(125)은 접지전극(124a,124b)과 동일하게 금속이 도포되어 추가적인 접지전극역할을 수행할 수도 있다.

상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b) 중 상기 제1 단부에 반대편 단부인 제2 단부는 제3 탄성구조물(133a,133b)에 의해 상기 광차단막(127)과 연결된다.

이와 같이 광차단막(127)과 지랫대구조물(135a,135b)의 정렬된 상태는 상기 광차단막(127)과 이동질량부(126)의 중심을 연결하는 가상선(X-X')을 기준으로 하여 좌우 대칭되는 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

도4a와 도4b는 도3에 도시된 MEMS가변광감쇄기의 작동과정을 나타내는 평면도이다.

도4a에 도시된 MEMS 가변 광감쇄기는, 구동전극(122)에 광감쇄량을 지시하는 전기적 신호가 입력되지 않은 상태를 도시한다. 도3에서 설명되었던 바와 같이, 이동질량부(126)는 제1 탄성구조물로 접지전극(124a,124b)에 각각 연결되어, 광축의 수직인 직선경로를 따라 이동할 수 있는 구조를 갖는다. 또한, 서로 인접한 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)의 제1 단부는 각각 제2 탄성구조물(132a,132b)로 이동질량부(126)에 각각 연결되고, 그 제2 단부는 각각 제4 탄성구조물(134a,134b)로 광차단막(125)에 각각 연결되며, 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)에서 제1 단부와 인접한 부분은 제3 탄성구조물(133a,133b)에 의해 지지구조물(125)에 연결되어 지렛목역할을 한다.

도4a의 MEMS 가변 광감쇄기의 구동전극부(122)에 소정의 광감쇄량을 지시하는 전기적 신호가 입력되면, 정전력이 발생되고, 그 정전력에 의해 도4b와 같이 이동질량부(126)를 구동전극부(122)의 방향으로 이동된다. 이동질량부(126)의 이동방향을 따라 그와 동일한 이동거리로 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)의 제1 단부가 이동된다. 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)의 제1 단부가 이동됨과 동시에 그 반대방향(즉 광축을 향하는 방향)으로 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(135a,135b)의 제2 단부가 이동된다. 이때에 이동되는 제2 단부의 변위는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 단부의 인접한 부분에 지렛목이 형성되므로, 제1 단부측 지렛대구조물의 길이(ℓ2)에 대한 제2 단부측 지렛대구조물의 길이(L2)의 비만큼 증폭될 수 있다.

따라서, 상기 광차단막(127)은 이동질량부(126)와 구동전극부(122)의 간격으로 정의되는 구동행정의 변위보다 큰 이동변위를 가질 수 있다.

특히, 본 실시형태와 같이, 상기 광차단막(127)를 좌우대칭으로 배열된 2개의 지렛대구조물(135a,135b)에 연결하여 이동시킴으로써, 상기 광송수신단(129a,129b)의 광축에 대해 보다 정확한 수직방향으로 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 MEMS 가변 광감쇄기는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정전력이 발생되는 이동질량부와 구동전극부 사이의 접촉구조를 콤구조가 아닌 다른 구조로 변경할 수도 있다. 상기한 실시형태에서 콤구조를 채용한 것은 단순 평판구조에서보다 정전인력발생면적을 크게 하기 위함이다.

이와 같이 정전인력발생면적을 증가시키는 구조는 평판형구조를 개량하여 다른 실시형태로 구현될 수도 있다. 개선된 평편구조로 형성된 이동질량부와 구동질량부의 일 예는 도5에 도시되어 있다.

도5는 본 발명의 제2 실시형태와 유사한 구조에서 이동질량부(146)와 구동전극부(142)의 구조만을 개조한 형태이다.

도5를 참조하면, 도3에서 도시된 MEMS 가변 광감쇄기와 같이, 이동질량부(146)는 제1 탄성구조물(151a,151b)로 접지전극(144a,144b)에 각각 연결되며, 서로 인접한 제1 및 제2 지렛대구조물(155a,155b)의 제1 단부는 각각 제2 탄성구조물(152a,152b)로 이동질량부(146)에 각각 연결되고, 그 제2 단부는 각각 제4탄성구조물(154a,154b)로 광차단막(145)에 각각 연결된다.

또한, 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(155a,155b)에서 제1 단부와 인접한 부분은 제3 탄성구조물(153a,153b)에 의해 지지구조물(145)에 연결되어 지렛목역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 실시형태에서, 이동질량부(146)는 그 본체와 평행하게 구동전극부(142)를 향해 배열된 2개의 전극연장부(146',146")를 구비하며, 상기 구동전극부(142)도 그 본체와 평행하게 이동질량부(146)를 향해 배열된 2개의 전극연장부(142',142")를 구비한다. 여기서, 구동전극부(142)의 전극연장부(142',142")는 이동전극부와 중첩되지 않도록, 그 본체의 양단으로부터 연장되어, 이동질량부(146)의 본체와 연장전극부(146',146")사이에 각각 배치되도록 형성된다.

상술된 이동질량부(142)와 구동전극부(146)의 구조는 정전력이 발생되는 면적을 증가시켜, 정전인력에 의한 이동질량부(142)의 이동을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.

도6은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 MEMS 가변광감쇄기의 평면도이다. 본 실시형태는, 상술된 제2 실시형태와 다른 지렛대구조물의 연결구조를 갖는 MEMS 가변 광감쇄기를 제공한다.

본 실시형태에 따른 MEMS 가변 광감쇄기는, 광송신단(169a)과 광수신단(169b)을 구비한 기판(161)과, 구동전극(162), 접지전극(164a,164b) 및 이동질량부(166)로 구성된 정전 액츄에이터와, 좌우에 각각 대칭구조로 배열된 2개의 지렛대구조물(175a,175b)과, 상기 지렛대구조물(175a,175b) 각각에 연결된 광차단막(167)을 포함하며, 상기 구동전극(162)과 접지전극(164a,164b)은 산화물층(168)에 의해 기판(161) 상에 고정된다. 상기 이동질량부(166)는 제1 탄성구조물(171a,171b)을 통해 그 양측에 배치된 접지전극(164a,164b)에 연결되어 기판(161) 상에 뜬 상태로 존재한다. 여기서, 상기 제1 탄성구조물(171a,171b)은 상기 이동질량부(176)가 소정의 경로를 따른 구동행정을 보장하는 선형 스프링과 같은 기능을 수행한다.

상기 제1 및 제2 지렛대구조물(175a,175b)은 각각 상기 이동질량부(166)의 이동방향과 거의 수직으로 배치되어, 각각 제1 단부가 인접하도록 거의 동일선상에 정렬된다. 하지만, 본 실시형태는, 도3에 도시된 제2 실시형태와 달리, 상기 제1 및 제2 지렛대구조물(175a,175b) 중 기판(161) 외부로 향하는 제1 단부가 각각 제2 탄성구조물(172a,172b)에 의해 상기 이동질량부(166)과 연결되고, 그 제1 단부의 인접한 부분에 지렛목이 형성되도록, 제3 탄성구조물(173a,173b)을 통해 상기 기판(161) 상에 고정된 지지구조물(165a,165b)에 각각 연결된다. 두 지렛구조물의 지렛목이 이격되므로, 2개의 지지구조물(165a,165b)이 형성되며, 이 지지구조물(165a,165b)도 접지전극(164a,164b)과 동일하게 금속을 도포하여 추가적인 접지전극의 역할을 하도록 구현할 수 있다.

상기 제1 및 제2 지렛대구조물(175a,175b) 중 상기 제1 단부에 반대편 단부인 제2 단부는 제3 탄성구조물(173a,173b)에 의해 상기 광차단막(167)과 연결된다.

여기서, 그 양측에 배열된 접지전극(164a,164b)에 의해 그 폭의 제한된 이동질량부(166)는 제1 및 제2 지렛대구조물(175a,175b)의 제2 단부와 연결되어야 하므로, 제2 탄성구조물(172a,172b)을 구현하는데 어려운 점이 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 도6에 도시된 바와 같이, 상기 이동질량부(166)가, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물(175a,175b)의 배열방향과 평행하면서 그 배열길이에 상응하는 연장된 추가적인 연결구조물(166a)을 구비하도록 형성하고, 그 연결구조물(166a)의 양단부에 제1 단부가 연결되도록 형성할 수 있다.

이와 같이 광차단막(167)과 지랫대구조물(175a,175b)의 정렬된 상태는 상기 광차단막(167)과 이동질량부(166)의 중심을 연결하는 가상선으로 기준으로 하여, 좌우 대칭되는 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 MEMS 광감쇄기에 따르면, MEMS구조가 갖는 소형화라는 기본적 요구를 만족시키는 동시에, MEMS 액츄에이터 구조체의 구동행정을 증폭시켜, 큰 모드필드직경(MFD)을 갖는 광송수신단에 적합한 광차단막의이동변위를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 MEMS 가변 광감쇄기는 큰 모드필드직경을 갖는 광 콜리메이터를 사용하여도 원하는 감쇄량을 용이하게 구현할 수 있다.

Claims

전기적 입력신호에 따라 광량을 소정의 크기로 감쇄시키기 위한 MEMS 가변 광감쇄기에 있어서,

평탄한 상면을 갖는 기판;

상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단과 광수신단;

상기 기판 상에 배치되어 상기 광축에 대해 수직방향으로 작동되는 구동행정을 제공하기 위한 마이크로 전자 엑츄에이터;

상기 기판 상에 배치되어 상기 마이크로 전자엑츄에이터의 구동행정을 제1 단부에 전달받아 제2 단부를 통해 증폭된 변위로 제공하기 위한 적어도 하나의 지렛대구조물; 및

상기 기판 상에 상기 지렛대구조체의 제2 단부에 연결되도록 배치되어 상기 증폭된 변위에 따라 상기 광축 상의 소정의 감쇄 위치로 이동되는 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제1항에 있어서,

상기 마이크로 전자 엑츄에이터는,

상기 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부와, 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되고 상기 적어도 하나의 지렛대의 제1 단부에 연결된 이동질량부와, 상기 이동질량부에 제1 탄성구조물로 연결된 접지전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제2항에 있어서,

상기 이동질량부와 상기 지렛대 구조물은 제2 탄성구조물로 연결된 것을 특징을 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제2항에 있어서,

상기 접지전극부는 상기 이동질량부의 양측에 각각 배치된 2개의 접지전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제2항에 있어서,

상기 기판 상면에서 상기 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대측에 고정된 지지구조물을 더 포함하며,

상기 지렛대 구조물은,

상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 배치되고, 상기 제1 단부에 인접한 부분이 상기 지지구조물에 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 지렛댓 구조물의 제1 단부에 인접한 부분과 상기 지지구조물은 제3 탄성구조물로 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제5항에 있어서,

상기 지지구조물은 금속물질이 도포되어 추가적인 접지전극으로 작용하는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제2항에 있어서,

상기 적어도 하나의 지렛대 구조물은, 제1 지렛대구조물과 상기 제2 지렛대 구조물로 구성되며,

상기 기판 상면에서 상기 제1 및 제2 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대측에 고정된 지지구조물을 더 포함하며,

여기서, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물은 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 직렬 배치되고, 상기 제1 단부에 인접한 부분이 각각 상기 지지구조물에 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 제1 지렛대구조물과 상기 제2 지렛대 구조물는 상기 광차단막과 상기 이동질량부 중심을 연결하는 가상선을 기준으로 하여 좌우대칭으로 배열된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 지렛대 구조물은 각각의 제1 단부가 서로 인접하도록 배열된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제10항에 있어서,

상기 제1 및 제2 지렛대구조물은 하나의 지지구조물에 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 지렛대 구조물은 각각의 제2 단부가 서로 인접하도록 배열된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 이동질량부와 상기 지렛대구조물의 제1 단부는 각각 제2 탄성구조물로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 제1 및 제2 지렛대구조물의 제1 단부에 인접한 부분과 상기 지지구조물은 각각 제3 탄성구조물로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제8항에 있어서,

상기 광차단막과 상기 지렛대구조물의 제2 단부은 제4 탄성구조물로 연결되는 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광송신단 및 광수신단은 광콜리메이터가 구비된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.
전기적 입력신호에 따라 광량을 소정의 크기로 감쇄시키기 위한 MEMS 가변 광감쇄기에 있어서,

평탄한 상면을 갖는 기판;

상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단과 광수신단;

상기 기판 상에 고정되어 상기 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부;

상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부;

상기 기판 상에 고정되어 상기 이동질량부에 제1 탄성구조물로 연결된 접지전극부;

상기 기판 상에 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 배치되어, 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 단부와 상기 제1 단부와 대향하는 제2 단부를 갖는 지렛대 구조물;

상기 기판 상에서 상기 지렛대 구조물을 기준으로 이동질량부의 반대편에 형성되며, 상기 지렛대 구조물의 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 연결된 지지구조물; 및

상기 기판 상에 배치되고 상기 지렛대구조체의 상기 제2 단부에 연결된 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기.
전기적 입력신호에 따라 광량을 소정의 크기로 감쇄시키기 위한 MEMS 가변 광감쇄기에 있어서,

평탄한 상면을 갖는 기판;

상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단과 광수신단;

상기 기판 상에 배치되어 상기 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부;

상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부;

상기 기판 상면 중 상기 이동질량부의 양측에 각각 배치되며, 상기 이동질량부의 양측에 제1 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 접지전극;

각각 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 제1 단부가 서로 인접하도록 상기 기판 상에서 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 직렬 배치되고, 상기 제1 단부는 각각 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 및 제2 지렛대 구조물;

상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대편에 배치되어, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물 중 상기 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 연결된 지지구조물; 및,

상기 기판 상에 배치되어 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 상기 제2 단부에 제4 탄성구조물로 각각 연결된 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기.
전기적 입력신호에 따라 광량을 소정의 크기로 감쇄시키기 위한 MEMS 가변 광감쇄기에 있어서,

평탄한 상면을 갖는 기판;

상기 기판 상에 서로 광축이 일치되도록 정렬된 광송신단과 광수신단;

상기 기판 상에 배치되어 상기 전기적 입력신호에 따라 정전력을 형성하는 정전전극부;

상기 기판 상에 배치되어 상기 정전전극부의 정전력에 의해 상기 광축의 수직방향으로 이동되는 이동질량부;

상기 기판 상면 중 상기 이동질량부의 양측에 각각 배치되며, 상기 이동질량부의 양측에 제1 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 접지전극;

각각 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 제2 단부가 서로 인접하도록 상기 기판 상에서 상기 이동질량부의 이동경로와 거의 수직으로 직렬 배치되고, 상기 제1 단부는 각각 상기 이동질량부에 제2 탄성구조물로 연결된 제1 및 제2 지렛대 구조물;

상기 기판 상에서 상기 제1 및 제2 지렛대구조물을 기준으로 상기 이동질량부의 반대편에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물 중 상기 제1 단부와 인접한 부분에 제3 탄성구조물로 각각 연결된 2개의 지지구조물; 및,

상기 기판 상에 배치되어 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 상기 제2 단부에 제4 탄성구조물로 각각 연결된 광차단막을 포함하는 MEMS 가변 광감쇄기.
제18항에 있어서,

상기 이동질량부는 상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 배열방향과 평행하고, 그 배열길이에 상응하는 연장된 연결구조물을 포함하며,

상기 제1 및 제2 지렛대 구조물의 제1 단부는 상기 제3 탄성구조물로 상기 이동질량부의 연결구조물의 양단에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 MEMS 가변 광감쇄기.