TW535016B - Optical switching element having movable optical transmissive microstructure and method of switching an optical signal - Google Patents

Description

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本專利申請案係關於許文瀛（Ying Wen Hsu)所提出之臨時 性美國專利申請案序號第60/233,672號並主張其優先權，收 錄於2000年9月19日且標題為“使用微結構切換光學信號的 方法（Method for switching optical signals using microstructures)” 〇 發明背景 i ·發明領域 本發明之領域一般係指一種元件及具有這些元件之陣列 至一用於切換光學信號之系統之整合。尤其是，此等元件 係由相谷於一般半導體製造程序之製程與材料所製成，故 可高度量產且具有低成本。 2.背景 在電訊工業裏，極度增加之更多利用性及更快速通訊系 統，即較大頻寬，的需求已造就了這些元件的重要性。正 推動此項需求之主要應用實施例為網際網路、隨選視訊/音 樂、以及共同資料儲存。廣泛發展於電話的現存電訊基礎 建設現在無法符合新資料通訊應用的需求。 已發展許多替代方案來符合這項新的需求。這些替代方 案包含無線、光學、以及無障礙空間雷射通訊技術。迄今 ，最有希望符合未來計劃頻寬需求的技術為光學技術。 在-完全屬於光學的網路裏，或一光學及電氣網路之組 合中，必要的元件包含一信號載艟媒介（亦即光纖）、信號路 由系統、以及資料控制系統。這些信號路由系統具有用來 切換光纖之間光學信號的元件。 -4 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 535016

在先前技藝的方式中，光學信號旳切換可藉由兩種具主 導性的主要方式予以達成：€氣及光學。目前大部分的系 統係使用電氣切換。在這些系統中，於網路接點，首先必 須將此等光學仏號轉換成電氣信號。最後，必須在將此等 信號透過光纖傳至次一目的之前將此等信號轉換回光學信 號。與其餘的傳輸設備相比較，此等光學轉換器較貴。 電氣切換技術可靠、不貴（除了光學轉換器之外）、且可 再調整並監控信號。電氣切換系統的主要缺點在於長途網 路的接點數目多，且轉換器的總成本非常高。另外，通常 到達一接點的信號中有超過70%的信號僅需要簡單的直線通 口（pass-through)，且全信號轉換（向下及向上轉換）使得硬體 使用缺乏效率。系統設計者亦預期到未來的系統最好利用 透明光學切換功能；亦即，切換系統能夠再導向光學信號 的路徑而與位元速率、資料格式、或輸入輸出埠之間光學 4吕號的波長無關。大部分的切換系統係設計用於特定速率 及格式，且不能用於多重和動態速率及格式。未來的系統 亦要求能夠處理具不同波長的光學信號，這在電氣切換網 路裏對每一種波長皆需用到個別的通道。這些電氣切換系 統的限制提供新的機會以發展改良式光學切換系統。 直接影響光線路徑方向的切換器一般係視為光學交錯連 接器（0XC)。使用玻璃及其它光學基底的傳統光學製造技術 無法產生符合資料通訊應用效能及成本的產品。與基於成 熟之積體電路技術的電氣切換技術不同，光學切換(;可達到 高埠數的切換技術）取決於較新的技術。微機械的使用是一 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱)

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五、發明説明（3 項新的方式。項目MEMS(微電子機械系統）係用於描述使用 晶圓製程以微機械方式（大部分在矽晶圓上）製成的元件。 MEMS的整批製程功能使得這些元件在製造上具有低成本及 高產量。 以MEMS為基礎的光學切換器主要可分成三種類別：丨）矽 鏡，2)流動式切換器，以及3)熱光式切換器。已展示流動式 及熱光式切換器，但這些技術缺乏放大通道數或埠數的能 力同埠數對於在接點處有效切換大量光纖是重要的。到 現在為止，在三維（3D)空間裏使用矽鏡是達到高埠數（例如 大於1000)的唯一方法。 使用二維矽鏡的光學交錯連接器面臨極大的挑戰。這些 系統需要非常嚴密的光束路徑角度控制及反射鏡之間的大 型無障礙空間距離以產生一具有高埠數的元件。若不使用 主動式光束路徑控制，一般無法達成所需的精密角度控制 。既然每一條路徑皆必須予以監控並操控（steer)，最終系統 會變得複雜且成本高◊這些系統亦需要大量的軟體及電（處 理）源以監控並控制每一個鏡面的位置。既然鏡面可經由無 限數目之可能位置依兩方向移動（亦即類比式移動），最終的 迴授取得及控制系統會非常複雜，特別是對具有大量埠數 的切換器β例如，如最近之發展報告指出，朗訊科技 (Lucent Technology)之較小型三維鏡面切換原型附有支承設 備，支承設備佔有三個具控制電手元件的全尺寸箱。 理論上，一光學切換器具有底下之主要特徵： 1)可調整其大小以容納大量埠數（大於1〇〇〇埠）； 535016 _〇[ 月日修正Β7 五、發明説明（4 ) 2) 具可靠度； 3) 可用低成本予以製造； 4) 具有低切換時間； 5) 具有低插入漏失/串音。 三維矽鏡若符合可調整尺寸之需求，則無法達成其它目 的。因此，需要一種新的方法，其中可用引導式光學路徑 及數位式（兩種狀態）切換取代三維無障礙空間光學路徑之複 雜性質及類比控制。此種系統可大幅簡化切換操作，強化 可靠度及效能，而又大幅降低成本。本揭露於底下的章節 說明此種系統。 發明概述 本發明關於一種使用可移動式光傳輸微結構切換光學信 號的方法及裝置。本裝置使用可移動式微結構以導向多重 光學路徑。 第一，本發明之個別觀點係一種藉由選擇性移動一可移 動式光傳輸微結構來切換光學信號的裝置，其中光學信號 在微結構未移動時採用一組路徑而在移動微結構時採用不 同組的路徑。 第二，本發明之個別觀點係一種藉由選擇性移動一可移 動式光傳輸微結構來切換光學信號的裝置，其中此等光學 信號所採用的光學路徑取決於微結構的位置。 第三，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一固定式輸入波導、至少兩個鑲嵌於一可移動式 微結構的光傳輸波導、以及一固定式輸出波導。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 535016 五、發明説明（5 ) 第四’本發明之個別觀點係—種用來切換光學信號的裝 置’包含-具有一輸入和一輸出的可移動式光傳輸微結構 ，其中該輸人係緊密鄰接（例如—氣隙）—内含人射光學信號 之波導而置且該輸出係緊密鄰接（例如—氣隙）—載送一射出° 光學信號之波導而置。 第五，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一微結構，其鑲嵌係用於相對於矽晶片基底移動 ’該微結構載有光學傳輸波導。 · 第六，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一晶片之基底、一載有光學傳輸波導並可移動性 地鑲欣於基底供相對於基底移動的微結構、以及一用於相 對於基底移動微結構的控制基底。 第七，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置’包含一晶片基底、一鑲嵌於該基底的支承結構、一載 有光傳輸波導並可移動性地鑲喪於支承結構用於相對於基 底移動的微結構、以及一用於相對於基底移動微結構的控 制結構。 第八，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一具有於χ-γ維度内切換光學信號之可移動性光傳 輸微結構的光學切換器以及一具有於z維度内切換光學信號 之可移動性光傳輸微結構的光學切換器，因而能夠在三維 空間内切換光學信號。 第九，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一具有一可移動性光傳輸微結構的微切換元件， 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 535016 _<|jL年 / 月b] 五、發明説明（1 ) ' ~--—--- 該微切換元件能夠將光學信號由兩輸入導向兩輸出中的任 何一個。 第十，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的裝 置，包含一可移動式光傳輸微結構，藉由使用置於介面之 光學7G件之二維陣列自一光學輸出的二維陣列校正光學偏 差。 第十一，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，&含選擇性移動一可移動 < 光傳輸微結構的步驟， 中此4光子k號於微結構未移動時採用一組路徑而於微 結構移動時採用另一組路徑。 第十二，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，包含步驟為，經由一固定式輸入波導提供一入射光 學#號，藉由選擇性地移動微結構選擇性地將光學信號導 入至少兩鑲嵌於一可移動式微結構的波導中其中之一，並 經由一固定式輸出波導輸出光學信號。 第十二，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，包含步驟為，放置一具有一輸入和一輸出的可移動 式光傳輸微結構而使得輸入緊接（例如一氣隙）一内含一入射 光學信號的波導而置且輸出緊接一用於載送一射出光學信 號的波導而置。 第十四，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，包含步驟為，鑲嵌一光傳輸微結構用於相對於矽晶 片之基底移動，該微結構載有光傳輸波導。 第十五，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號

535016 月/^日修正/ϋ充 g 五、發明説明（7 ) 的方法，包含步驟為，提供一晶片基底，可移動性地將 —載有光傳輸波導的微結構鑲嵌於基底用於相對於基底 移動’並選擇性地相對於基底移動微結構以切換此等光 學信號。 第十六，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法’包含步驟為，提供一鑲嵌於一晶片基底的支承結構 ’可移動性地將一載有光傳輸波導的微結構鑲嵌於該支承 結構用於相對於基底移動，並選擇性地相對於基底移動微 結構以切換此等光學信號。 第十七，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法’包含步驟為，提供一於Χ_γ維度内切換光學信號的光 學切換器並提供一於Ζ維度内切換光學信號的光學切換器， 故能夠在三維空間内切換光學信號。 第十八，本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，包含步驟為，提供一具有能將光學信號自兩輸入導 向兩輸出中之任一輸出之可移動式光傳輸微結構的微切換 元件。 第十九’本發明之個別觀點係一種用來切換光學信號的 方法，包含步驟為，選擇性地移動一光傳輸微結構以切換 光學仏號並藉由使用一置於介面之光學元件之二維陣列自 一光學輸出之二維陣列校正光學偏差。 第二十，本發明之個別觀點係一種使用一可移動式光傳 輸微結構製造可移動式及固定式波導的方法。 第二十一，本發明之個別觀點係一種使用一可移動式 -10- 本紙張尺度適用中國國家檫準(CNS) Α4规格(21〇χ297公釐)---*-- 535016 A7 且修正/要藉衆 B7 五、發明説明（8 光傳輸微結構製造可移動式及固定式波導的方法，本方 法包含步驟為整合簡單的切換元件並形成能夠同時將高 密度光學信號自一二維輸入陣列切換至一二維輸出陣列 的結構。 第一十一本發明之個別觀點係任一上述個別觀點，此 等觀點係獨立的或呈某些組合。 本發明之其它個別觀點亦可獨立地或呈組合地於實踐任 一上述個別觀點的系統或方法中找到。 · 本行人士將查閱底下圖示及詳細說明顯知本發明之其它 系統、方法、特性和優點。希望所有此等其它的系統、方 法、特性及優點皆包含於本說明内，包含於本發明之範疇 内，並藉由附件之申請專利範圍予以保護。 圖示簡述 圖示中的元件沒有必要縮放其尺寸，重點在於描述本發 明之原理。另外，圖示中相同的參考編號於所有不同的圖 示中代表對應的部件。 圖1描述一適用於處理1024個埠之光學切換系統範例性具 體實施例的方塊圖β 圖2描述圖1 一光學連接器和〇xc方塊之範例性具體實施 例的分解式概念圖® 圖3 Α描述圖2—單一切換層之範例性具體實施例的平面圖 圖3B描述圖2 —單一切換層之範例性具體實施例的邊緣圖 -11 - 535016 0 I年f月/『曰修正A7 五、發明説明（9 ) 圖4A至圖4 F描述切換層上一波導之不同範例性具體實施 例0 圖5 A描述一可切換8x8個埠之切換層之範例性具體實施例 之平面圖。 圖5B描述圖5A—切換層的邊緣圖。 圖6 A描述一/光學連接器之範例性具體實施例，該光學連 接器的光學基底係作成具有一凸形球面陣列。 圖6B描述圖6 A之光學連接器如何校正一偏差之光束。 圖7 A描述一具有一可移動式光傳輸平台之切換元件之範 例性具體實施例。 圖7B描述圖7A中可移動式平台未移動時之切換元件。 圖7C描述圖7A中可移動式平台移動時之切換元件。 圖7D描述一具有一可移動式光傳輸平台及一雙層波導之 切換元件之範例性具體實施例。 圖8A描述一具有可移動式光傳輸平台之切換元件之範例 性替代具體實施例，其中該可移動式光傳輸平台平行於基 底平面移動。 圖8B描述一具有一可旋轉式或樞軸式（pivoting)光傳輸平 台。 詳細發明說明 圖1描述一適用於處理1024埠乘1024埠之光學切換系統10 之範例性具體實施例的方塊圖。光學切換系統10包含一三 維波導。圖1所示的光學切換系統10使用了導波路徑（即波 導）、數位切換、且能夠處理1024個埠。光學切換系統10之 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

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A B 535016 年7月/f日修正/4^技 五、發明説明（10 β鍵元中的兩個為0XC方塊12、14。〇xc方塊12、14亦視 為切換方塊’因為這兩個方塊分別包含垂直及水平光學切 換器。OXC方塊（Y) 12係用於切換垂直方向上的光束，且 OXC方塊（X) 14則用於切換水平方向上的光束。兩〇xc方塊 (Y和X) 12、14係呈端對端連接而使得第一（γ) 〇xc方塊12 的所有輸出皆連接至第二（x) 〇xc方塊14的輸入。 由於每一個OXC方塊12、14皆為組裝單元，某些製造容 差疋無法避免的。為了處理這些容差的累積，需用到一光 子連接器16以促進系統組裝。同樣地，可於第一 〇xc方塊 12的輸入及第二oxc方塊14的輸出使用光學連接器16以容 許介面連接處的定位誤差。選擇性地，光學連接器16可為 一光學一電氣一光學連接器、許多無障礙空間中的鏡面、 一光纖管束、或任何種類的光學連接器。 光纖18係連接至輸入介面2〇。切換之光學信號存在於 輸出介面22。例如，輸入介面2〇和輸出介面22可為對光 纖的機械性介面。用於控制個別切換元件的電氣信號係 交互連接（層與層之間）於每一個OXC方塊12、14側面上的 電氣交連器24中。這些電線係繞至鄰接〇xc方塊12、14 而置的控制電子電路30和介面。光學切換系統1 〇係鑲嵌 於一板子32上。 圖2描述圖1之光學連接器16A至16C及OXC方塊12、14之 範例性具體實施例的分解概念圖·。為了清楚，垂直切換器 方塊、OXC方塊12僅表示第一和最後之切換層40、42。例 如，每一個切換層40、42皆能夠在垂直方向上將32個輸入 -13 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

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五、發明説明（12 ) 達^大㈣數而不需精密且主動地控制光束路徑。由於光 束疋在每個切換層上的波導或波導網路内部補抓到的， 僅有末端連接是具關鍵性的。一波導網路可包含許多波導 ，如圖8A所示的波導網路2G2。事實上，若有必要，一波導 網路可僅包含-單一波導。這裡的具體實施例僅使用一個 波導網路，須瞭解，本具體實施例可用一個波導予以取代 ，反之亦然。於對準具關鍵性處，如介面，一光學連接器 16考慮使用傳統且不貴的光纖校正光束偏差。最終三維波 導及保護環境（例如可密封每—個切換層）之簡化進_步加強 系統的可靠度及嚴謹度，提供不受溫度、濕度、退化及觸 摸影響的光束路徑。 圖3A及圖3B分別描述圖2 一單一切換|，例如切換層料 ，之範例性具體實施例的平面圖和邊緣圖。㈣施例表示 32個輸入如何經由一具有簡單切換元件之陣列⑽連接至u 個輸出。在32x32埠的實施例中，有8〇個切換元件6〇。交連 方法係熟悉信號路由設計的人士所熟知且可為任何一種方 法。貝爾實驗室所完成之路由理論中的首創工作已表示光 學信號可依-特定方式藉由連接簡單的切換器（如2χ2元件） 予以有效路由。藉由底下之這些路由導引，表示每一個輸 入皆可連接至任何輸出而不需遮罩任何連接。 圖3Α、3Β所示的切換層44包含一載有波導料和切換元件 60的基底62。在此範例性具體實施例中，基底“可為任何 一種半導體材料，如矽。為了保護這些波導及切換元件微 結構，可使用另一（帽狀）晶圓63覆蓋並密封基底62。可藉由 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公茇） -15· 535016 今产* 7月/ /日修正/更正/If^T A7 _____ B7 五、發明説明（13 ) 使用已可得到的許多技術中的任何一種技術，包含陽極性 、熔化、和共熔連結，將一帽狀晶圓63連結至基底62來達 到有效密封以排除污染物及濕度。 光學信號50於一邊緣進入切換層44。最好將邊緣磨平並 轉動其角度以提供光束50之完整折射。取決於介面媒介（例 如空氣或另一光學元件）的光學係數（0pticai index)，可設計 邊緣的角度以符合完全折射。一旦光束5〇進入波導64，光 線則因已知為完全内部反射的現象而無法離開波導64。這 與使一光纖長距離載送光線而不致嚴重漏失的現象一樣。 切換動作係藉由應用電壓予以控制。每一個切換元件6〇 皆需要，例如，三個電氣連接：一促動電極、一定位感測 電極、以及電氣接地。可將電氣接地連接結合在一起以使 電氣行徑達到最小。每一個切換元件6〇因而最少具有兩個 電氣連接由帽形晶圓63的底下經過以介合外界。在圖3 A中 ，表不電氣行徑66本質上呈垂直橫越光學路徑並於較低的 邊際終止於電氣聯結腳墊68。當然，電氣行徑66、聯結腳 墊68、輸入埠及輸出埠的真實佈局可修改得與本實施例不 同。 圖4A至圖4 F描述一切換層上波導64之各種範例性具體實 施例。為了維持完全内部反射（TIR)，圍繞波導料的環境必 須具有低於波導64折射率的光學折射率。例如，折射率為 1.5的玻璃可被覆一具有較低折射率的材料，或單純地使用 真空（折射率為1.0)或空氣作為媒介。可使用廣泛的氣體以 ' 《保與晶圓聯結製程的相容性。在-第-具體實施例中， -16- 535016

圖4 A描述一由玻璃製成之波導料的剖面圖，其中圍繞波導 64的媒介乃於真空或空氣中。載體7〇可由玻璃或矽所製成 。在一第二具體實施例中，圖4B描述另一波導64 ,其中波 導64的上部及側面係與真空接觸而其底部表面則與一折射 率低於波導折射率的中介材料聯結。載體7〇可由玻璃或矽 所製成。 在圖4A及圖4B的具體實施例中，較上方的基底應為一種 傳送光學信號的材料，此等光學信號的波長如〇 82、13、 及1.55微米。這些乃一般用於光纖傳輸的波長，且其中支 承設備（如傳輸器、載體及接收器係設計以作處理。在此二 具體實施例中，底部上的材料（載體基底7〇)主要係用來提供 機械性支承予結構。底下將解釋真實的切換機制需要某些 波導以藉由應用一外力作垂直或橫向移動。載體基底7〇可 由玻璃、矽、或任何與微機械相容的材料所製成。 圖4C和圖4D描述它種未使用基底70之波導64的具體實施 例。將波導64橋接至鄰接材料的少量材料72將致使某些光 線漏失及設計需求以考量機械性強度及光學漏失之間的取 捨。圖4C及圖4D中具體實施例之一優點在於僅需要一單層 結構，因而不需要晶圓聯結。使用這些它種具體實施例的 詳細設計應該包含達成容許製造成本與波導機械性和光學 整合之間的平衡。 雖然光學切換系統的較佳具體實施例使用一波導，使用 反射性表面或其它已知結構的光學導管亦可予以使用。圖4 E表不一精由聯結兩晶圓80、82所製成的導管78以產生一 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 535016

气1年7月If日修正A7 封閉式光學導管78。為了強化表面的反射性，被覆如金或 鎳（或任何其它與微機械製程相容的材料）的金屬可在聯結之 前予以沉積於内側表面上。 又一具體體實施例係使用微結構的垂直表面。如同在傳 統光學系統一般，此一方式需#緊密之垂直側μ角度控制 以精密地控制光束。圖4 F表示一蝕刻於晶圓内部的溝渠， 其垂直側壁係具有一上部帽狀物8〇的反射性表面，該上部 帽狀物80形成一封閉式波導78。如前述，可塗敷金屬被覆 物以強化反射性。 圖5 A及圖5B描述一執行8x8埠之非遮罩性切換層44之範例 性具體實施例的平面圖及邊緣圖。為了在此實施例中達到 元全切換功能，需要12個切換元件90。每一個切換元件9〇 皆能夠執行2x2切換。因為光學信號5〇總是經由某些光學路 徑通至光學輸出側，故切換層44屬非遮罩性。 光學連接器16係用於使導因於光纖與切換元件9〇之間或 OXC方塊之間的插入漏失達到最小。在此二案例中，存在 一導因於不良組裝之幾何容差累積，這應該予以校正以使 光線漏失達到最小。最常見的偏差乃導因於線性或角度位 移之組合。 圖6A描述一光學連接器，其基底係製於兩側以具有一凸 狀球面100之陣列。球面陣列之一侧係與一光纖管束連接以 接收入射光束50。反側凸面將光束聚焦於一小點而連接至 此等OXC方塊。例如，光學連接器16對光學切換系統之每 一埠皆可具有如球面100之球面（此處，例如32x32或1024個 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

訂

535016 五、發明説明（16 表面100)。 圖6B描述圖6A的光學連接器如何校正一偏差的光束。讓 我們假疋一進入左方的光束5〇，其通常超出進入〇xc方塊 或其它光學通路的範圍。若未予以校正，光束5〇將不會恰 好進入OXC方塊的入口。然而，偏差之光束5〇在藉由光學 連接器16的球面予以校正之後將自聚焦於一影像點1〇2的光 學連接器16射出。藉由將oxc方塊的入口鏡孔或光纖入口 置於影像點102或其附近，射出光束將大約集中並以一入射 角進入光學通路，如波導64，而由完全内部反射程序予以 捕捉。其它不同於球狀的表面亦可用於強化射出光束的品 質。光學表面之詳細設計及光學材料的選擇可包含熟悉光 學設計之人士所已知者。 使用凸狀球面1〇〇的光學連接器16可用一串球體並以精密 製洞（machined hole)將那些球體緊固於一平板而予以製造。 為了使此等球體固定’最簡單的方法乃在一冷盆（例如液態 氣）内縮小此專球體並將此等球體插入平板的洞孔内。適當 的裝配方法將使大量球體同時並精密地插入。或者，可製 作具有凸磨狀工具鑽的專用工具來產生需要的表面。可能 的製造技術是非常多的並包含那些熟悉光學製造之人士所 熟知的技術。 圖7A描述藉由一微機械製程所製成的小型切換元件6〇的 範例性具體實施例。此範例性具體實施例因具有兩個輸入 及兩個輸出而為一 2x2切換元件60 ;當然，可增加或減少輸 入數及輸出數。切換元件60的具體實施例具有兩個整合於 -19 - 本纸乐尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210〉<297公爱） 535016 A7 B7 -严7月/1日修正/史》«； 五、發明説明（17 載體平台110上部之上的波導。此組合結構（波導和載體）係 聯結於一基底62且其位置使得切換元件6〇懸置於一空氣缺 之上或懸置於一之刖在基底上所姓刻的凹洞（eavity) 之上°載體平台110最好懸置於促動電極112上方約30微 米處。波導114、116 —般小於10微米且在此實施例中， 需要小型通道尺寸以確保僅單一模式光學信號之傳輸。 結構之尺寸及支承彈簧130之設計取決於所使用之促動機 制的類別。本具體實施例將使用靜電吸引作為促動的方 法。 為了靜電促動，載體平台110和靜態電極112、126兩者必 須能導電，因而使載體110移向電極112、126，如圖7B及圖 7C所示。載體平台110若由介電材料所製成，則可在其底部 (即面對靜態促動電極112的表面）被覆如金或鎳的金屬使其 導電。載體平台110若由如矽的半導體材料所製成，則可予 以摻雜以提升導電性。於凹洞111底部製作圖樣的靜態電極 112、126與載體平台no相對並呈平行。這些電極112、126 藉由傾斜表面上的行徑圖樣連接至基底62的上部。在凹洞 Π1内製有兩靜態電極112、126，其中一電極112係用於促 動載體平台110的移動而另一電極126則用於迴授感測載體 平台110的位置。 切換元件60的範例性具體實施例運作如下。光學信號5〇於 位置A和B進入切換元件60的左側。光學信號50因本具體實 施例波導的特殊結構而進入波導114、116並交叉（cross over)。來自位置A和B的光學信號50分別離開位於位置D和 •20- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 535016 ή]年1月11曰修JL·/受戈才謂宽 A7 _____ B7 五、發明説明（18 ) c的切換元件60。原始的光學信號50已由A橫越至D並由B橫 越至C。當特定具體實施例中要求光學信號5〇不橫越時，需 要由控制硬體送出電氣信號。藉由將一電壓施加至基底62 上的固定式電極112並將另一不同的電壓施加至載體平台 110之電極，電壓差將產生一靜電吸引力。此一吸引力將藉 由彎曲支承彈簧將載體平台11〇(以及載體平台11〇所承載的 波導114、116)向下拉（此處小於1〇微米）向固定式電極112、 126，並因而於此程序中自光學路徑移除波導.114、116。來 自位置A的光學信號50接著直接通向（經由無障礙空間12〇) 點C ’且來自位置B的光學信號5 〇則直接通向（經由無@礙空 間122)位置D。圖7B描述載體平台11〇因沒有電源施加於促 動電極112而處於其休止將態；此處，來自位於載體平台 110輸入側的固定式波導之位置A和b的光學信號50分別融 入可移動式波導114、116至載體平台11〇輸出側之固定式波 導的位置D和C ;波導114、116因隨著載體平台11〇之移動 而移動故視為“可移動式”。當電源施加至促動電極n 2時 ’圖7C描述最終結構，其中載體平台11〇已移向促動電極 112，此處’來自位於載體平台u〇輸入側之固定式波導 之位置A和B的光學信號5〇分別直接經由無障礙空間通至 位於載體平台11 〇輸出側之固定式波導的位置C和〇，因為 可移動式波導114、116已移離光學信號5〇的範圍。 亦可實行其它促動方法。靜態促動因設計及運作的簡單 性而為較佳的選擇。主要的缺點在於運作最終元件所需的 較高電壓，導因於大型缺口，一般落於2〇至1〇〇伏特的範圍 -21- ^張尺度適財@ s家料(CNS) 格(21GX297公董)------- 535016 呷I年7月U曰修正/奚正m充 g 五、發明説明（19 ) 内。替代性促動方法包含磁式及熱式技術。這些方法係熟 悉微機械設計的人士所熟知。 基底62上的感測電極126係用於彳貞測載體平台11〇的位置 ’其方法係藉助感測載體平台11〇之電極與與電極126之間 電容值的變化，此變化係導因於載體平台u〇移動所導致的 缺口變化。亦可實行其它感測方式，如壓阻性、磁性、光 學架構。來自感測電極126的信號係用於（經由閉迴路控制） 精確地於光學入口和出口上放置波導114、116·。 光學信號的主要漏失將位於可移動式波導114、U6的入 口處（在切換元件60的載體平台11〇上）且位於固定式波導的 入口處。減少位置A/C之間和B/D之間的距離可使此種漏失 達到最小。為了徹底使漏失達到最小，但增加製告複雜度 ，一辅助性波導138、140可設計在載體平台110的底部上。 在該案例中，靜態波導與可移動式波導144、116之間的開 口可減少至2微米之下，取決於蝕刻製程。圖描述一載體 平台110，上部之上具有波導114、116且底部之上具有波導 138、140 ’其中一組係設計用於直線傳遞且另一組則用於 橫向傳遞。如圖7D表示的具體實施例所顯示，在此案例中 ’載體平台110因沒有電源施加至促動電極112而處於休止 狀態，來自位於載體平台11 〇輸入側之固定式波導之位置A 和B的光學信號50經由可移動式波導138、14〇通至位於載體 平台110輸出側之固定式波導。同樣地，當電源施加至促動 電極112時，載體平台ι10移向促動電極112，故來自位於載 體平台110輸入側之固定式波導之位置八和B的光學信號5〇 -22 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) ---

裝 訂

535016 彳/年^月(^日修正/更龙A7 「 —_[____B7 五、發明説明（20 ) 現在經由位於載體平台110輸出侧之固定式波導之波導114 、116通過，因為可移動式波導138、140已移離光學信號50 的範圍且可移動式波導114、116已移至光學信號50的範圍 内。當然，在一使用二個可移動式波導的具體實施例中， 如圖7D所描述，内定者可直線通過或橫越。換句話說，波 導114、116可用於直線傳遞而波導138、14〇則用於橫向傳 遞，反之亦然。 現在說明一MEMS光學切換元件6〇之另一具體實施例。切 換元件60之移動並未侷限於垂直於基底62垂直方向之切換 元件。圖8 A描述一 MEMS切換元件之範例性它種具體實施 例，其中促動方向係橫向或本質上平行於基底62的平面。 圖8B描述一依靠旋轉移動之MEM^々換元件之範例性它種 具體實施例。當然，一光學切換系統1〇可產生自全部依相 同方式（例如全部垂直移動、全部橫向移動、或全部旋轉移 動）移動的光學切換元件，或依不同方式移動（例如某些垂直 移動而其它橫向移動、或某些垂直移動而其它旋轉移動、 或某些橫向移動而其它旋轉移動）的光學切換元件。橫向移 動可藉由將不同的電壓施加於如圖8A所示的叉合式（已知為 MEMS中的梳指（comb finger))結構而予以產生。說明圖8八 所描述者，MEMS切換元件60包含一基底62。懸置 上，例如一凹洞或其它者之上，的為—可移動式光平 2 台110。平台11〇因其具有傳輸光學信號或光束5〇的結構（例 如波導網路200、202)而述明具有“光傳輸性”；不希望专 指整個平台本身必須具有光傳輸性β平台11〇之—侧係耦= -23- 535016 V年Ί1 五、發明説明（21 ) 至支承彈簧130且此等支承彈簧130之此等相對未端係耦接 或固定於基底62。平台110具有電極204。在此實施例中， 電極204與促動電極112呈叉合。藉由將不同電壓施加至平 台110 —側的促動電極112和電極204，如同相對於平台11〇 之另一側，平台110相對於基底62之平面以橫向或本質上水 平之方式移動。在圖8 A中，此橫向移動意指平台1丨〇向上或 向下移動。 平台110承載波導網路200、202，其中起自光學信號5〇輸 入側終至輸出側的光學路徑取視平台110的位置而變。例如 ，若平台處於一第一位置（例如一休止位置），則入射光學信 號50對波導網路200、202輸入A、b、c和D之對準係選擇而 使得光學信號50進入輸入c和D。由於本實施例波導網路 200、202之特殊結構，進入波導網路2〇〇、2〇2輸入C*D的 光學信號50分別融合並離開輸出η和ρ。若平台i 1〇接著移至 其第二位置，入射光學信號5〇將進入輸入A*B，並分別直 線通過輸出E和G。當然，波導網路2〇〇、2〇2可互換而其内 定為直線通過。波導網路之結構可依任何形狀或形式以達 成任何想要的光學路徑。 圖8A所示的橫向移動方法具有不需要底部電極的優點， 因而減少製程中的許多步驟。缺點則在於電極區的面積因 最終結構的短高度而受到侷限，因而需要大量的梳指以產 生足夠的吸引力。圖8A運作橫向移動切換元件所需的電極 區比圖7A之垂直移動切換元件大非常多。 轉到圖8B，可移動式光傳輸平台11〇依相對於基底的旋轉 -24- 535016 1 ί年λ月日修正/史责广痛·^

或中心繞圈的方式移動。為了達到在—切換元件6g内旋轉 移動的目# ’如較佳具體實施例所用的相同靜電吸引力將 作用。為了感測平台11G的位置，將應用較佳具體實施例中 所說明的類似電容偵測技術。如說明，一旋轉平台"〇之範 例性具體實施例使得輸入A和B在平台11〇處於一第一位置 時與此等光學信號對準。當平台11〇旋轉至其第二位置時， 輸入則與此等光學信號對準。如同所有的具體實施例 ，波導和波導網路之結構可為任何想要的形狀以達到想要 的光學路徑。 〜 仏&已犮明各種應用具體實施例，本行人士顯知有更多 可能的具體實施例和實現係在主題發明之範_内。例如， -具體實施例之每一項㈣可予以混合並與其它具體實施 例中所示的其它特徵匹配。熟悉光纖之人士所已知的特徵 同樣地了依所而予以涵蓋。附加地且明顯地，可視需要增 加或減少特徵，且因而可考慮光學路徑多於兩組之可移動 式平台，其中平台移至三個或更多個位置中的任何一個而 使得每一個位置促動另一組不同的光學路徑。如另一實施 例，光學切換器可接收的輸入多於2並提供超過2個輸出❹ 可組合光學切換器以便產生具有更多埠之更大的光學切換 益。因此，本發明除了按照附加之申請專利範圍及其相等 物之外，並不受到限制。 元件符號說明表 10 光學切換系統 12, 14 OXC 方塊 -25- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) ------

訂

535016 A7 五、發明説明（23 ) 16, 16A，16B，16C光學連接器 18 光纖 20 輸入介面 22 輸出介面 24 電氣交連器 30 控制電子電路和介面 32 板子 4〇, 42, 44, 46 切換層 50 光束 60 切換元件 62 基底 63 帽狀晶圓 64 波導 66 電氣行徑 68 聯結腳墊 70 載體基底 72 材料 78 光學導管 80, 82 晶圓 90 切換元件 100 凸狀球面 102 影像點 110 載體平台 111 凹洞 •26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 535016 年 日修正正/補龙Γ A7 B7 五、發明説明（24 ) 112 靜態電極 114, 116 波導 120, 122 無障礙空間 126 感測電極 130 支承彈簧 138, 140 波導 200, 202 光學路徑網路 204 電極 A，B 輸入 C，D 位置 E，G 輸出 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. 535016 ^090123029號專利申請案 β8年1月）於年，矽。日修料^、申請專利範園 A8 B8 種將光學^號自一第一光學路徑切換至一第二光學 路徑的裝置，該裝置包含： 一基底； 一適於相對於基底而移動的微機械性平台； 一致使平台相對於基底自一第一位置移動至一第二位 置的促動機制；以及 波導網路，其具有一第一輸入和一第二輸入，該波 導網路係耦接至平台而使得波導網路隨著平台移動，其 中當平台處於第一位置時，光學信號進入第一輸入並於 波導網路内沿著第一光學路徑傳遞，且當平台處於第二 位置％，光學#號進入第二輸入並在波導網路内沿著第 二光學路徑傳遞。 如申請專利範圍第1項之裝置 底垂直移動。 3·如申請專利範圍第1項之裝置 底橫向移動。 4·如申請專利範圍第1項之裝置 底轉動。 5·如申請專利範圍第1項之裝置 波導。 6·如申請專利範圍第5項之裝置 _ 少一第一和第二波導’其中波導係彼此呈垂直而置， 使平台之移動取決於波導相對於基底的垂直位置而於 一與第二波導之間作選擇。 2. 其中該平台適於相對於基 其中該平台適於相對於基 其中該平台適於相對於基 其中該波導網路包含許多 其中該等許多波導包含至 f 致第 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 〜vn〇 I1年f _曰修正溪益 〜 C8 、~· ---- ,ι、申明專利範圍第5項之裝置，其中該等許多波導包含至 、/第和第二波導，其中波導係彼此呈橫向而置致使 平:之移動取決於波導相對於基底之橫向位置而於第一 與第二波導之間作選擇。 ^申请專利範圍第5項之裝置，其中該等許多波導包含至 ν第一和第二波導，其中波導係彼此呈一角度偏移而 置致使平台之移動取決於波導之角度偏移而於第一與第 二波導之間作選擇。 9·如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含一將平台懸置 於基底上方的支承結構。 1〇·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該基底包含一凹洞或 空氣缺口，平台係懸置於凹洞或空氣缺口上方。 U•如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包含一輸入靜態波 導，該波導係耦接至基底且其位置乃將光學信號傳輸至 波導網路第一輸入或第二輸入中之任何一個。 12·如申请專利範圍第1項之裝置，進一步包含一輸出靜態波 導’該波導係耦接至基底且其位置乃接收來自波導網路 的光學信號。 13.如申請專利範圍第11項之裝置，進一步包含一輸出靜態 波導，該波導係耦接至基底且其位置乃接收來自波導網 路的光學信號。 14·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該波導網路包含一第 一輸出和一第二輸出。 15·如申請專利範圍第Η項之裝置，進一步包含一輸出靜

   本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 申清專利範園 m其巾波導縣接至基底且位置乃接收來自波 ν’’用路第一輸出或第二輸出中任何一個的光學信號。 16·如申請專利範圍第】項之震置，進一步包含一主㈣極， 該主動電極係耦接至平台且其中該促動機制包含一盥該 主動電極呈靜電互動而置的促動電極。 、X A如申請專㈣圍⑽項之裝置，其中該促動電極盘 動電極又合。 、/ 18. 如申請專利範圍第Γ項之裝置，進一步包含一置於波導網 路輸入或波導網路輸出之光學連接器。 19. 如中請專利範圍第18項之裝置，其中該光學連接器包含 一對準校Μ面，料準校正以校正_光學錢 準執道誤差。 2〇·如中請專利範圍第19項之裝置，其中對準校正表面係一 球狀表面。 21. 如申請專利範圍第！項之裝置，其中該波導網路包含— 由一媒介所圍繞的波導，該媒介係於_真空或空氣中 22. 如中請專利範圍第w之裝置，其中該波導網路包含一 具有-上部、底部及側面的波導，其中該波導的上部 和侧面與-真空或空氣接觸而其底部則與一中繼材料 聯結，其中該中繼材料的折射率低於該波導的折射率 23. 如申請專利範圍第1之裝置，其中該波導網路包含—與 基底形成一單一性結構的波導。 -3- 六、申請專利範圍 24. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步 台位置的感測電極。 包含一用於判斷平 仏如申請專利範圍第旧之裝置，其中若平台處於第—位置 ^學信號在經由波導網路傳輪期間自[光學路徑 刀：至第二光學路徑’而若平台處於第二位置時， 學信號直線通過波導網路。 26·如申請專利範圍第，項之裝置…若平台處於第一位置 ，則光學信號直線通過波導網路，而若平台處於第二位 置寺則光子彳5號在經由波導網路傳輸期間自第一光學 路fe切換至第二光學路徑。 27· -種將_光學信號自—第_光學路徑切換至—第二光學 路控的方法，該方法包含步驟如下： 將該光學彳5號傳向適於相對於一基底移動的平台，該 平台包含一具有一第一輸入和一第二輸入的波導網路， 該波導網路係耦接至該平台而使得該波導網路隨著該平 台移動； 判斷該光學信號是否沿著第一或第二光學路徑傳播； 以及 相對於基底選擇性地將該平台移動至一第一位置或一 第二位置，其中當該平台處於第一位置時，光學信號進 入第一輸入並沿著波導網路内的第一光學路徑傳遞，而 當平台處於第二位置時，光學信號進入第二輸入並沿著 波導網路内的第二光學路徑傳遞。 28·如申請專利範圍第27項之方法，進一步包含校正光學信 535016 A BCD L年f月曰修正人患 '申請專利範圍 號中對準軌道誤道的步驟 其中該校正光學信號中 ’以校正誤差。 其中移動平台的步驟相 其中移動平台的步驟相 其中移動平台的步驟相 其中該波導網路包含彼 使传平台之移動取決於 29. 如申請專利範圍第28項之方法 執道誤差的步驟使用一球狀表面 30. 如申請專利範圍第27項之方法 對於基底垂直移動平台。 31·如申請專利範圍第27項之方法， 對於基底橫向移動平台。 32. 如申凊專利範圍第27項之方法， 對於基底轉動平台。 33. 如申請專利範圍第27項之方法， 此垂直而置的第一和第二波導， 其相對於基底的垂直位置而於第一與第二波導之間二 擇。 . 、 34. 如申請專利範圍第27項之方法，其中該波導網路包含彼 此呈橫向放置的第一和第二波導，使得平台之移動取決 於其相對於基底之橫向位置而於第一與第二波導之間作 選擇。 35·如申請專利範圍第27項之方法，其中該波導網路包含彼 此呈一角度偏移而置的第一和第二波導，使得平台之移 動取決於其角度偏移而於第一與第二波導之間作選擇。 36·如申請專利範圍第·27項之方法，進一步包含感測平台位 置的步驟。 3 7·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中該基底係一半導體 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 1乙年/月v日 修正/^5^»： 申請專利範圍 其中該基底係一半導體 38·如申請專利範圍第27項之方法 二如申請專利範圍第1項之裝置，其中該基底係石英。 ’如申β專利乾圍第27項之方法，其中該基底係石英。 41. 如申請專利範圍第旧之裝置，其中該基底係發土、。 42. 如申请專利範圍第綱之方法，其中該基底係石夕土。 43. =申請專利範圍第18項之裝置，其中該光學連接器包含 一光學一電氣一光學連接器。 44. 如申請專利範圍第18項之裝置，其中該光學連接器包含 一光纖管束。 45·如申請專利範圍第18項之裝置，其中該光學連接器包含 許多鏡面。 535016 第090123029號專利申請案 中文圖式修正頁(91年7月） ⑴年^月(/曰修正/尾具 64 64 ^ Ur-70 P 一折射 的鍍膜 4A 圖 4B

   反射面金屬 被覆物 ( · ―一 - -------------------- 反射面金屬

   圖 4Ε 圖 4F