TWI418847B - Composite optical switch device - Google Patents
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Description
本發明為一種開關裝置，特別是一種用以作為光通訊網路設備使用之複合式光開關裝置。
近年來，隨著光通訊網路的蓬勃發展，對於高穩定度、大容量的光開關系統(Optical switching systems)之需求，亦隨之快速增加。而光切換連結器(Optical cross connect，OXC)則是於所發展的高容量且複雜的光開關系統中，極為關鍵的重要元件。
目前光開關系統皆朝向全光式切換(All optical switching)發展，其方式多半以增加訊號傳輸的頻寬與速度以進行改良，而過去透過光電轉換的傳輸方式，則逐漸被全光式切換所取代。目前已有許多不同的技術運用於全光式切換之光開關，例如熱光技術(Thermo-optics)、液晶(Liquid-crystal)技術、以及微機電技術(Microelectromechanical systems, MEMS)等各式技術。在前述技術領域中，微機電技術則居於領導的領先地位。因使用微機電技術所製造出的元件不僅擁有高精準度、同時又有微小化的優點，而且更具有批次量產的能力，可大量降低生產成本，具有實用的效益。
目前以微機電技術所製造的矽基微鏡面，已被廣泛地應用於光開關系統上。而最常見用來製造矽基微鏡面的兩
種微機電技術，分別為深反應離子蝕刻(Deep reactive ion etching，DRIE)及濕式非等向性蝕刻(Wet anisotropic etching)。深反應離子蝕刻，通常用於製造高深寬比的微結構，且因此蝕刻技術不受矽晶圓方向的限制，是一種被廣泛運用的製造技術。惟深反應離子蝕刻的製造成本則較為昂貴。
此外，另一種低成本的製造技術，即濕式非等向性蝕刻則更為適合製造低成本的矽基微鏡面。通常可使用濕式非等向性蝕刻技術，搭配(110)矽晶圓，製造出垂直且光滑的(111)矽基微鏡面。然而，濕式非等向性蝕刻則深受矽晶圓方向的限制，例如，垂直的(111)微鏡面與V型槽(V-groove)，無法同時於(110)矽晶圓進行蝕刻製造。
故而，為了能更有效率地操作光通訊裝置，需要研發新式之光通訊開關裝置，藉以提高光通訊效率，且降低製造時間與製造成本。
本發明為一種具有低成本、高精密度之複合式光開關元件，主要具有兩大部分，即使用微機電技術所製造之矽基微鏡面陣列，以及使用傳統精密機械技術所製成之致動器陣列所組合而成。
本發明之致動器陣列包含複數個單獨的致動器，其係於電磁式繼電器(Relay)上黏附一桿件，藉由控制驅動繼電器帶動桿件之運動，進而驅動矽基微鏡面陣列結構中之微
鏡面產生運動，使其進入或是脫離光路徑。且繼電器具備雙穩態功能，不需要消耗額外的能量，其驅動電壓僅為5伏特，故具有低驅動電壓之優勢。
本發明使用以氫氧化鉀(KOH)為基礎之濕式非等向性蝕刻技術，並使用(100)矽晶圓，以將垂直的(100)矽基微鏡面與沿著<110>方向之光路凹槽同時蝕刻製造生產，且具有微鏡面與光路凹槽自我對準(Self-aligned)之優點，故而可降低後續的組裝困難度。
本發明之矽基微鏡面陣列結構不會有任何殘留應力，微鏡面得以精確地反射光訊號，降低光學損失。
本發明矽基微鏡面陣列結構之製造可經由濕式非等向性蝕刻製程而同時蝕刻以製造產生，故本發明可使得元件製程流程單純化，製程良率因而提高。
本發明複合式光開關可大幅降低製造成本，且具高精準度、高製造良率、低驅動電壓、光路自我對準以及易組裝之各式優點。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明為一種複合式光開關裝置，詳細如下列所示：請參考第1圖所示，主要以4x4複合式光開關為例，惟本發明更可以擴展至N×N複合式光開關。本發明之基本設計操作原理如第1圖示，包括了輸入端光纖11，微鏡面
12以及輸出端光纖13。於操作時，光訊號由光源產生，並經輸入端光纖11導入後，由微鏡面12控制光訊號，而由特定的輸出端光纖13輸出。
亦如第2圖所示，係本發明之矽基微鏡面陣列較佳實施例圖。第2圖為矽基微鏡面陣列，包括由矽基微鏡面201、矽基微鏡面202、矽基微鏡面203、矽基微鏡面204、矽基微鏡面205、矽基微鏡面206、矽基微鏡面207、矽基微鏡面208、矽基微鏡面209、矽基微鏡面210、矽基微鏡面211、矽基微鏡面212、矽基微鏡面213、矽基微鏡面214、矽基微鏡面215至矽基微鏡面216等共約有16個矽基微鏡面裝置所組成，整齊排列而成的陣列。其中每個矽基微鏡面裝置皆包括了一個微鏡面與一個懸臂樑，以成為矽基微鏡面陣列結構。而矽基微鏡面之功能即作為反射光訊號之用。
如第3A圖與第3B圖所示係本發明之致動器元件30，致動器元件30用以驅動前述矽基微鏡面之運動。而致動器元件30包括了由電磁式雙穩態繼電器31，桿件32所組合而成，其中矽基微鏡面陣列結構，包括了微鏡面301與懸臂樑302，位於該電磁式雙穩態繼電器31上方，而電磁式雙穩態繼電器31具有兩個不同的穩態。
而致動器元件30的運動方式如第3A圖與第3B圖所示。如第3A圖，當電磁式雙穩態繼電器31處於第一穩態時，因懸臂樑302為純矽結構，並無任何的殘留應力，故在不受任何外力影響之下，矽基微鏡面301可以精確地反
射光訊號。
反之，則如第3B圖所示，當電磁式雙穩態繼電器31處於第二穩態時，桿件32可將懸臂樑302進行向上頂出的運動，使得矽基微鏡面301可離開光路徑並讓光訊號直通而過。且由於本發明的繼電器31具備有雙穩態之功能，因此，當本發明的矽基微鏡面301離開光路徑時，並不需要消耗外加能量，同時由於桿件32僅將矽基微鏡面301推離光路徑，不會影響到元件的光學性質，故得以降低致動器的組裝精度要求，達到節省成本的目的。
如第4A圖至第4F圖所示，為矽基微鏡面陣列之製造連續流程圖：第4A圖為於(100)矽晶圓41進行沉積氮化矽層42。
第4B圖所示為矽晶圓41的正面與背面之微影製程，此時進行反應式離子蝕刻的圖案移轉。
接著如第4C圖，為於矽晶圓41上進行氫氧化鉀濕式蝕刻之步驟。
繼續如第4D圖所示，為於矽晶圓41上完成氫氧化鉀濕式蝕刻後之形成情形。
跟著，如第4E圖所示為於矽晶圓41上進行以磷酸移除氮化矽42之步驟。
如第4F圖所示，為於矽晶圓41上進行鏡面濺鍍之步驟，即鍍上一金層43於矽晶圓41上，以增加微鏡面的反射率。
第5圖所示為矽基微鏡面的一體成形製造圖，其中包
括了垂直微鏡面、懸臂樑、光路凹槽等部分。故在光罩的設計上，須將鏡面的蝕刻開口設計成平行於(100)之方向，故光路凹槽的蝕刻開口則必須平行於(110)方向。同時，於鏡面之背面，則設計一懸臂樑以承載微鏡面。且由於矽晶圓之(100)面與(110)面夾角為45度，故蝕刻完成後之垂直微鏡面與光路凹槽便能達成自我對準之優點，進而降低後續組裝步驟時，進行於光學準直器(Collimator)組合時之組裝困難度。
第6圖所示為複合式光開關之各部份分解圖，各組件如下列：將矽基微鏡面陣列601以矽基微鏡面陣列挾持件602固定之，而矽基微鏡面陣列挾持件602則固定於矽基微鏡面陣列微調平台603，致動器陣列606則裝設於矽基微鏡面陣列601之下方，且準直器604置於準直器平台605之上，準直器平台605則以準直器平台支撐件608承載之，準直器平台支撐件608則固定於準直器微調平台609，而外殼607可承載上述各組件。
當本發明輸入5伏特之電壓脈波時，使得致動器內之繼電器可於兩個穩態間切換，並藉以驅動控制矽基微鏡面之位置。故本發明之複合式光開關更具有低驅動電壓的優點。另外，由於矽基微鏡面陣列中的矽基微鏡面具有自我對準的特點，亦可降低於組裝準直器時的困難度。
綜上所述，本發明之複合式光開關，分別由矽基微鏡
面陣列及致動器陣列所組成。而矽基微鏡面陣列由微機電技術所蝕刻製造，具有鏡面自我對準之功能及高精密度之優點。且因使用濕式蝕刻技術，可大幅降低生產製造成本，所簡化的製造流程更能提高元件製程的良率。
而本發明之致動器陣列則由精密機械技術所製造，使用低成本的電磁式雙穩態繼電器，故能擁有低驅動電壓、雙穩態等優勢。因此，本發明所揭露之陣列複合式光開關，相較於傳統之光開關，更具實用性，新穎性以及進步性。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
30‧‧‧致動器元件
31‧‧‧電磁式雙穩態繼電器
32‧‧‧桿件
301‧‧‧矽基微鏡面
302‧‧‧懸臂樑
201~216‧‧‧矽基微鏡面
601‧‧‧矽基微鏡面陣列
602‧‧‧矽基微鏡面陣列挾持件
603‧‧‧矽基微鏡面陣列微調平台
604‧‧‧準直器
605‧‧‧準直器平台
606‧‧‧致動器陣列
607‧‧‧外殼
608‧‧‧準直器平台支撐件
609‧‧‧準直器微調平台
第1圖係本發明之基本操作原理。
第2圖係本發明矽基微鏡面陣列之較佳實施例圖。
第3A圖與第3B圖係本發明陣列式複合光開關元件。
第4A圖至第4F圖為本發明矽基微鏡面之製造連續流程圖。
第5圖為本發明矽基微鏡面的一體成形製造圖。
第6圖為本發明複合式光開關之分解透視圖。
30‧‧‧致動器元件
31‧‧‧電磁式雙穩態繼電器
32‧‧‧桿件
301‧‧‧矽基微鏡面
302‧‧‧懸臂樑
Claims (1)
- 一種具有鏡面的致動器裝置，至少包含：一電磁式雙穩態繼電器；一桿件，其中該桿件位於該電磁式雙穩態繼電器上方；一懸臂樑，其中該懸臂樑位於該電磁式雙穩態繼電器上方，該懸臂樑與該桿件相互分離，當該桿件未與該懸臂樑接觸時，該微鏡面進行反射光訊號，當該桿件推動接觸該懸臂樑時，該懸臂樑上的該微鏡面會脫離光路徑而讓光訊號直通而過；以及一矽基微鏡面，其中該矽基微鏡面位於該懸臂樑上，藉以形成該致動器。
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