TWI441222B - 開關元件及具有該開關元件之光開關裝置 - Google Patents

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TWI441222B
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Description

開關元件及具有該開關元件之光開關裝置
本發明係關於一種開關元件及包括該開關元件之光開關裝置，詳而言之，係關於一種雙穩態結構配合熱致動器之開關元件，以及整合光開關與可調式光衰減器之包括該元件之光開關裝置。
隨著通訊產業的日益發達以及使用者對於通訊速度的需求，光通訊產品已逐漸成為市場之主流，且各種光通訊元件，如光纖、光波導(optical waveguide)、光開關(optical switch)、可調式光衰減器(variable optical attenuator,VOA)等，已在光通訊產品中廣泛地應用。
一般光通訊產品中，光纖由於具有高傳輸速率、低雜訊、質輕、及保密性等優點，已成為現今通訊網路所不可或缺的傳輸媒介。此外，光開關元件在光通訊網路中扮演著切換光訊號的重要角色，亦即光開關元件擁有將訊號由輸入端切換至特定輸出端之功能，而光衰減器係使用於調整光通訊中訊號的強度，主要用於光纖系統的指標測量、短距離通信系統的信號衰減以及系統試驗等場合。目前針對光纖、光開關或光衰減器等光通訊元件已有許多不同的技術，例如熱光(thermo-optics)技術、液晶(liquid-crystal)技術及微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技術等。
於習知技術中揭示有利用微機電技術所設計的十字型光開關(cross-bar-type switch)，如第1A圖至第1B圖所示，四個光通道係呈對稱十字型。於第1A圖中，鏡子10係於初始位置(未進入光訊號路徑)，由第一光輸入通道11所輸入的光訊號進入第一光輸出通道13，由第二光輸入通道14所輸入的光訊號進入第二光輸出通道12。於第1B圖中，鏡子10從初始位置15位移至第二位置(進入光訊號路徑中)，使得由第一光輸入通道11所輸入的光訊號會進入第二光輸出通道12，該由第二光輸入通道14所輸入的光訊號會進入第一光輸出通道13。於此技術中，為了避免光訊號偏離十字軸，鏡子10需為可雙面反射且有厚度限制，此外，為了將鏡子10維持於第一位置(或第二位置)亦需要額外的能量(如靜電等)。另一方面，關於光通訊裝置，亦有Kwon等人於2006年提出之“attenuation-controllable micromachined 2x2 Optical switches using 45-deg micromirrors”，由於輸入之光訊號需藉由兩組鏡面反射至輸出端，此會造成較多的光訊耗能量損失，再者，Chen等人於2008年提出之“Novel multifunctional device for optical power splitting,switching,and a attenuating”，主要是以一個可動的懸臂樑配合三角形的反射鏡面所構成，藉由懸臂樑的偏移或是扭轉，達到分光(splitter)、光路切換和光衰減三項功能，然而此僅能用於1×2的光路切換和調整，且製程困難度相當高。
隨著整個通信技術及應用趨勢，光纖相關技術的應用已蔚然成為光纖通訊網路、資料傳輸、有線電視等不可或 缺的重要傳輸媒介，因而微小化、增強光訊號切換速度性能及降低光訊號的能量損失勢必成為目前的主要需求。是故，如何能提供一種開關元件及包括該元件之光開關裝置，可減少裝置尺寸、降低光能量損失，進而降低光纖網路之複雜化，即為各界所亟待解決之課題。
鑒於以上習知技術之缺失以及未解決上述各界所亟待解決之課題，本發明提供一種開關元件，係包括：雙穩態結構，係具有兩固定錨及設於該兩固定錨間的曲型樑，於該曲型樑之彎曲部設置有兩端延伸出該曲型樑之第一懸臂，該第一懸臂的一端設置有被驅動部，該被驅動部具有遠離該曲型樑之第一側及相對於該第一側之第二側，且該雙穩態結構具有第一穩態及第二穩態；第一電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構之被驅動部處，該第一電熱致動器具有兩固定錨及設於該兩固定錨間的第一樑，該第一樑具有朝該雙穩態結構的方向彎曲之彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第一樑之第一驅動臂，且該第一驅動臂之末端鄰近該被驅動部之第一側；以及第二電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構之被驅動部處，該第二電熱致動器具有兩固定錨及設於該兩固定錨間的第二樑，該第二電熱致動器係以其一固定錨與該第一電熱致動器的一固定錨串連耦接，該第二樑具有遠離該雙穩態結構的方向彎曲之彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第二樑之第二驅動臂，該第二驅動臂之末端鄰近該被驅動部之第二側。
於本發明之開關元件中，該雙穩態結構於該第一穩態時，該曲型樑處於朝遠離該被驅動部的方向彎曲之狀態，此外，該雙穩態結構於該第二穩態時，該曲型樑處於朝該被驅動部的方向彎曲之狀態。
於一實施例中，該曲型樑、第一樑及第二樑分別為兩熱膨脹相異的導體相鄰接所組成者。此外，該第一樑之彎折部所彎曲的方向與該第二樑之彎折部所彎曲的方向相反。
本發明另提供一種光開關裝置，係包括：基底，係具有至少一光輸入通道及至少一光輸出通道；至少一如上述之開關元件，係形成於該基底上開關元件係具有第一反射單元，該第一反射單元設置於該第一懸臂之相對於該被驅動部的一端；以及至少一第三電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構的第一懸臂處，該第三電熱致動器具有第三樑及設置於該第三樑兩端且固定於該基底上之固定錨，該第三樑具有彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第三樑之第二懸臂，該第二懸臂之末端具有第二反射單元。
相較於習知技術，本發明之開關元件將雙穩態結構與電熱致動器結合，藉由電熱致動器的致動致使驅動臂得以驅動雙穩態結構，使其可於第一穩態與第二穩態之間進行切換。再者，本發明之光開關裝置藉由至少一開關元件及至少一第三電熱致動器於一基底上之作動，可將光開關與可調式光衰減器整合在同一基底上，藉由電熱致動器配合雙穩態結構以將反射單元固定在兩穩定狀態，可達成光開關功能之光訊號切換；藉由分別施加電壓於電熱致動器與雙穩態結構上，改變反射單元的位置，則可調整光訊號的輸出能量，達成可調式光衰減器之功能。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但並非用以限制本發明之範疇。
第一實施例：
請參閱第2圖，其本發明之開關元件之第一實施例之基本結構示意圖。如第2圖所示，開關元件25係包括雙穩態結構(bi-stable mechanism)30、第一電熱致動器(electrothermal actuator)31、第二電熱致動器32。
雙穩態結構30係具有固定錨302及設於固定錨302間的曲型樑301，曲型樑301的彎曲部303設置有以其兩端延伸出曲型樑301之第一懸臂35，第一懸臂35具有第一端352與第二端352’。第二端352’設置有被驅動部34，被驅動部34具有遠離曲型樑301之第一側341及相對於第一側341之第二側342，且雙穩態結構30具有第一穩態及第二穩態，可藉由外力以使雙穩態結構30在第一穩態及第二穩態之間切換。
具體實施時，雙穩態結構30於第一穩態時，曲型樑301處於朝遠離被驅動部34的方向彎曲之狀態；於第二穩態時，曲型樑301處於朝被驅動部34的方向彎曲之狀態。此外，雙穩態結構30之曲型樑301可為兩熱膨脹係數相異的導體相鄰接所組成者，因而當雙穩態結構30於第一穩態時，施加電壓於雙穩態結構30之兩固定錨302上，雙穩態結構30的曲型樑301會朝遠離被驅動部34的方向更加彎曲，換言之，當雙穩態結構30於第二穩態時，施加電壓於雙穩態結構30之兩固定錨302上，雙穩態結構30的曲型樑301會朝被驅動部34的方向更加彎曲。
詳言之，雙穩態結構30可由兩條平行的曲型樑(curved beam)301所組成，如第3A圖與第3B圖所示，並於中心部份將兩條曲型樑301夾持固定，以避免曲型樑301產生旋轉翹曲的運動。曲型樑301的形狀乃為直型樑受軸向負荷(axial loading)時所產生的挫曲模態(buckling mode)。此外，於本實施例中，雙穩態結構30的兩固定錨302之間的距離X可為3000μm，曲型樑301的寬度W可為8μm，曲型樑301偏離中心部份的中心偏移量δ可為40μm，然並不以此為限。一般而言，這些數據會依據開關元件之應用、功效或所形成之裝置不同而有所調整。需說明者，雙穩態結構不限定由兩條曲型樑所構成，於其他實施例中，單一曲型樑或兩條以上的曲型樑亦可構成雙穩態結構。
此外，由於雙穩態結構30可提供兩個穩定的狀態，因此雙穩態結構30具有閂鎖(latching)之功能。請參閱第3A圖與第3B圖，第3A圖係為本發明之開關元件之雙穩態結構之第一穩態示意圖，而第3B圖係為本發明之開關元件之雙穩態結構之第二穩態示意圖。當雙穩態結構30的中心頂端外加施力直到超過一臨界值時，可使雙穩態結構30由第一穩態轉變至第二穩態，相應的，當雙穩態結構30另一側的中心頂端外加施力時直到超過一臨界值時，可使雙穩態結構30由第二穩態轉變至第一穩態，於一較佳態樣中，雙穩態結構30是以跳躍(snap-through)的方式而轉變於兩狀態間。
請再參閱第2圖，本實施例中，第一懸臂35可為衍架(truss)結構以增加第一懸臂35的強度。另外，於本發明之不同實施例中，雙穩態結構30另可選擇性地於第一端352設置反射單元或設置其他構件，以實現驅動物件之功能。
第一電熱致動器31係設置於鄰近雙穩態結構30的被驅動部34處，並具有固定錨312、312’及設於固定錨312、312’間的第一樑311，第一樑311具有朝雙穩態結構30的方向彎曲之彎折部313並於彎折部313設置有延伸出第一樑311之第一驅動臂33，且第一驅動臂33的末端鄰近被驅動部34之第一側341。
第二電熱致動器32係設置於鄰近雙穩態結構30的被驅動部34處，並具有固定錨322、322’及設於固定錨322、 322’間的第二樑321，其中，第二電熱致動器32藉由其一固定錨322’與第一電熱致動器31的一固定錨312’串連耦接，第二樑321具有朝遠離雙穩態結構30的方向彎曲之彎折部323並於彎折部323設置有延伸出第二樑321之第二驅動臂33’，且第二驅動臂33’的末端鄰近被驅動部34之第二側342。
一般而言，第一樑311及第二樑321由一熱膨脹係數較高的導體與熱膨脹係數較低的導體相鄰接所組成，因此當施加電壓於第一樑311及第二樑321之兩固定錨時，由於熱膨脹不均而導致設於兩固定錨之間的第一樑311及第二樑321便會朝熱膨脹較高的導體的一側彎曲。
具體實施時，施加電壓於第一電熱致動器31之固定錨312、312’上，第一樑311於會朝雙穩態結構30的方向彎曲，第一驅動臂33便隨第一樑311的彎曲而朝雙穩態結構30的方向位移，導致第一驅動臂33的末端抵觸被驅動部34的第一側341以施加一驅動力予被驅動部34，進而推動(push)雙穩態結構30從第二穩態轉變至第一穩態，亦即雙穩態結構30的曲型樑301會從朝被驅動部34的方向彎曲(第二穩態)切換為朝遠離被驅動部34的方向彎曲(第一穩態)。
另一方面，施加電壓於第二電熱致動器32之固定錨322、322’上，第二樑321於會朝遠離雙穩態結構30的方向彎曲，第二驅動臂33’便隨第二樑321彎曲而朝遠離雙穩態結構30的方向位移，導致第二驅動臂33’的末端會抵 觸被驅動部34的第二側342以施加一驅動力予被驅動部34，進而拉動(pull)雙穩態結構30從第一穩態切換至第二穩態，亦即雙穩態結構30的曲型樑301從朝遠離被驅動部34的方向彎曲(第一穩態)切換為朝被驅動部34的方向彎曲(第二穩態)。
第一電熱致動器31與第二電熱致動器32施加驅動力予被驅動部34之形式，並不以推動或拉動為限。
於第2圖所示之實施例中，第一樑311及第二樑321可由有複數條平行的V型樑(V-beam)所組成，於本實施例中，第一樑311及第二樑321型樑厚度可為10μm。此外，第一樑311的彎折部313所彎曲的方向與第二樑321的彎折部323所彎曲的方向相反。於一較佳實施態樣中，第一驅動臂33及第二驅動臂33’可為折線結構，並於其折角處具有加強肋331、331’。然於本發明之不同實施例中，第一樑311及第二樑321型樑厚度、彎折部313與彎折部323所彎曲的方向、第一驅動臂33及第二驅動臂33’之結構可視實際需要予以調整，第一驅動臂33及/或第二驅動臂33’亦可選擇性地不設置加強肋331及/或331’。
第二實施例：
於本發明之第二實施例中，利用前述之開關元件25可製成一光開關裝置。本發明所提出之光開關裝置主要包括基底20、至少一如第2圖所示之開關元件25及至少一第三電熱致動器26。
基底20具有至少一光輸入通道及至少一光輸出通道。
至少一如第2圖所示之開關元件25係形成於基底20上。此外，開關元件25之雙穩態結構30、第一電熱致動器31及第二電熱致動器32分別透過各該固定錨固定於基底20上。
請併同參閱第2圖與第4圖，第4圖係應用本發明之開關元件之第二實施例之基本結構示意圖。第三電熱致動器26設置於鄰近該雙穩態結構30的第一懸臂35處，第三電熱致動器26具有第三樑511及設置於第三樑511兩端且用以固定於該基底上之固定錨512，第三樑511具有彎折部513並於彎折部513設置有延伸出第三樑511之第二懸臂52。一般而言，第三樑511由兩熱膨脹係數相異的導體相鄰接所組成者。需特別說明者，於本發明之不同實施例中，第三電熱致動器26可選擇性地設置反射單元或設置其他構件，以實現第三電熱致動器26驅動物件之功能。
具體而言，於本實施例中，施加電壓於第三電熱致動器26之固定錨512，第三樑511會朝遠離第二懸臂52之末端521的方向彎曲，第二驅動臂52便隨第三樑511彎曲而朝遠離第二懸臂52之末端521的方向位移。於其他實施例中，第三樑511亦可朝第二懸臂52之末端521的方向彎曲，第二驅動臂52便隨第三樑511彎曲而朝第二懸臂52之末端521的方向位移。
於本實施例中，第三樑511可由有複數條平行的V型樑(V-beam)所組成。於一較佳實施態樣中，第一懸臂52可為衍架結構。
請參閱第5圖，其係本發明之光開關裝置之基本結構示意圖。本發明之光開關裝置於具體實施時，係應用於微機電系統(microelectromechanical systems,MEMS)。需注意的是，第5圖乃為本發明光開關裝置之較佳實施例，並不以此限制本發明光開關裝置之應用及任何變化。如圖所示，光開關裝置2包括基底20、形成於基底20上之第一光輸入通道21、第一光輸出通道22、第二光輸入通道23以及第二光輸出通道24、兩個開關元件25、27以及兩個第三電熱致動器26、28。開關元件27與開關元件25結構相同，第三電熱致動器28與第三電熱致動器26結構相同，故不另贅述。
第一光輸入通道21、第一光輸出通道22、第二光輸入通道23以及第二光輸出通道24為基底20上用以置放光纖的凹槽所形成者，其中第一光輸入通道21與第一光輸出通道22垂直，第二光輸入通道23與第二光輸出通24道垂直，且第一光輸入通道21與第二光輸入通道23平行且光訊號以錯位相對方向輸入，第一光輸出通道22與第二光輸出通道24平行且光訊號以錯位相反方向輸出，亦即，於基底20上其四個光通道係呈分裂十字型(split cross-bar,SCB)。需特別說明者，於其他實施例中，基底20之光通道數量以及其光通道用作為光輸入或光輸出的數量，均可視實際需要予以調整。
詳言之，第三電熱致動器26及開關元件27位於第一光輸出通道22與第二光輸入通道23之間所形成的區域；開關元件25及第三電熱致動器28位於第一光輸入通道21與第二光輸出通道24之間所形成的區域。請併同參考第6A圖至第6D圖，此外，開關元件25之第一懸臂的末端、第三電熱致動器26之第二懸臂的末端、開關元件27之第一懸臂的末端及第三電熱致動器28之第二懸臂的末端分別具有第一反射單元250、第二反射單元260、第三反射單元270及第四反射單元280，藉由開關元件25、第三電熱致動器26、開關元件27及第三電熱致動器28分別驅動各自的反射單元，以將從第一及第二光輸入通道21及23所輸入之光訊號在第一及第二光輸出通道22及24之間進行切換，以及調整進入第一及第二光輸出通道22及24的光訊號強度。
再者，為配合本發明之分裂十字型光通道的設計，開關元件25與27的第一懸臂可不為直型臂而可如第5圖所示之折線型臂，其所曲折的角度約為0.6度，於其他實施例中亦可為其他角度。而第三電熱致動器26與28的第二懸臂亦為了配合該十字型光通道而成為折線結構，於不同實施例中，其所曲折的角度係端視不同光開關裝置的設計而異。
其次，於第5圖所示之實施例中，開關元件25與27之第二電熱致動器、開關元件25與27之第一電熱致動器及第三電熱致動器26與28之各該固定錨兩端的距離，即開關元件25與27之第二電熱致動器的第二樑、開關元件25與27之第一電熱致動器的第一樑及第三電熱致動器26與28的第三樑之長度分別為4000μm、3000μm及1000μm。
接著，請參閱第6A圖至第6D圖，係分別用以示上述第2圖所述之開關元件及第4圖所示之第三電熱致動器形成於第5圖所示之基底上，導致本發明之光開關裝置中光訊號的路徑改變之示意圖。光開關裝置2的基底20上設置有四個光通道，第一光輸入通道21、第一光輸出通道22、第二光輸入通道23及第二光輸出通道24以及四個反射單元，分別為第一反射單元250、第二反射單元260、第三反射單元270及第四反射單元280。需說明者，第一反射單元250、第二反射單元260、第三反射單元270及第四反射單元280分別受開關元件25、第三電熱致動器26、開關元件27及第三電熱致動器28所控制。
如第6A圖所示，第一、第二、第三及第四反射單元250、260、270及280皆位在初始位置，由第一光輸入通道21所輸入的光訊號係藉由第一反射單元250進入第一光輸出通道22，由第二光輸入通道23所輸入的光訊號係藉由第三反射單元270進入第二光輸出通道24。
如第6B圖所示，當第一與第三反射單元250與270於初始位置41a與43a時，分別施加電壓於開關元件25與27的第二電熱致動器，導致該第二電熱致動器的第二驅動臂對設於雙穩態結構彎曲部的第一懸臂之被驅動部的第二側施加一力量，致使該雙穩態結構轉變至第二狀態，因而設置於開關元件25與27的第一懸臂末端之第一與第三反射單元250與270亦隨之位移至第二位置41b與43b，亦即第一與第三反射單元250與270離開由第一與第二光輸入通道21與23所輸入的光訊號之路徑，故由第一光輸入通道21所輸入的光訊號便藉由第二反射單元260進入第二光輸出通道24，由第二光輸入通道23所輸入的光訊號便藉由第四反射單元280進入第一光輸出通道21。
由第6A圖至6B圖之實施例得以瞭解，藉由提供施加電壓在開關元件25與27的第二電熱致動器上，可使開關元件25與27的雙穩態結構從第一穩態轉變至第二穩態，則第一與第三反射單元250與270便隨之從初始位置41a與43a位移至第二位置41b與43b，係如第6B圖所示。若欲使開關元件25與27的雙穩態結構從第二穩態回復轉變至第一穩態，僅需施加電壓在開關元件25與27的第一電熱致動器上，則可使開關元件元件25與27的雙穩態結構從第二穩態回復轉變至第一穩態，而第一與第三反射單元250與270亦可隨之從第二位置41b與43b回復位移至初始位置41a與43a，係如第6A圖所示。於本實施例中，初始位置41a與43a與第二位置41b與43b係分別相距100μm，於其他實施例中，初始位置與第二位置可依實際需求予以調整。
據此，由第一光輸入通道21所輸入之光訊號可於第一光輸出通道22或第二光輸出通道24之間進行切換輸出，而第二光輸入通道23所輸入之光訊號可於第一光輸出通道22或第二光輸出通道24之間進行切換輸出，因此，藉由本實施例之實施，本發明所揭露之光開關裝置可達到光開關的功效。
接著，請參閱第6C圖，當第一與第三反射單元250與270於初始位置41a與43a時，分別施加電壓於開關元件25與27的雙穩態結構上，導致耦接於該雙穩態結構之設有反射單元的第一懸臂朝該反射單元的方向位移，因而設置於開關元件25與27的第一懸臂末端之第一與第三反射單元250與270亦隨之偏離初始位置41a與43a而產生位移，故由第一光輸入通道21所輸入的光訊號便藉由偏離初始位置41a的第一反射單元250，偏離第一光輸出通道22的軸線220而進入第一光輸出通道22，使進入第一光輸出通道22的光訊號減弱。由第二光輸入通道23所輸入的光訊號便藉由偏離初始位置43a的第三反射單元270，偏離第二光輸出通道24的軸線240而進入第二光輸出通道24，使進入第二光輸出通道24的光訊號減弱。此外，於本實施例中，並不限定第一與第三反射單元250與270需同時偏離初始位置41a與43a。
請再參閱第6D圖，當第一與第三反射單元250與270於如第6B圖所示之第二位置41b與43b且第二與第四反射單元260與280於初始位置42a與44a時，分別施加電壓於第三電熱致動器26與28上，導致耦接於該第三電熱致動器26與28之設有反射單元的第二懸臂朝遠離該反射單元的方向位移，因而設置於第三電熱致動器26與28的第二懸臂末端之第二與第四反射單元260與280亦隨之偏離初始位置42a與44a而產生位移，故由第一光輸入通道21所輸入的光訊號便藉由偏離初始位置42a的第二反射單元260，偏離第二光輸出通道24的軸線240而進入第二光輸出通道24，使進入第二光輸出通道24的光訊號減弱，由第二光輸入通道23所輸入的光訊號便藉由偏離初始位置44a的第四反射單元280，偏離第一光輸出通道22的軸線220而進入第一光輸出通道22，使進入第一光輸出通道22的光訊號減弱。此外，於本實施例中，並不限定第二與第四反射單元260與280需同時偏離初始位置42a與44a。
藉由第6C圖及第6D圖所示之實施例得以瞭解，可藉由控制施加在開關元件25與27的雙穩態結構上的電壓而控制第一與第三反射單元250與270相對初始位置41a與43a所偏離的距離，而可調整進入第一與第二光輸出通道22與24的光訊號強度，相應地，可藉由控制施加在第三電熱致動器26與28的電壓而控制第二與第四反射單元260與280相對初始位置42a與44a所偏離的距離，而可調整進入第一與第二光輸出通道22與24的光訊號強度。於第6C圖及第6D圖所示之實施例中，第一與第三反射單元250與270相對初始位置41a與43a所偏離的距離，及第二與第四反射單元260與280相對於初始位置42a與44a所偏離的距離可約為2μm，但不以此為限。因此，藉由本實施例之實施，本發明所揭露之光開關裝置可達到可調式光衰減器的功效。
此外，請參閱第7A及第7B圖，第7A圖係本發明之 應用於光開關裝置之開關元件之反射單元位移之示意圖，由於第一反射單元250與第三反射單元270於該基底20上的作動原理相同，在此僅以第一反射單元250進行例示性說明，第7B圖係本發明之應用於光開關裝置之第三電熱致動器之反射單元位移之示意圖，由於第二反射單元260與第四反射單元280於該基底20上的作動原理相同，故僅以第二反射單元260進行例示性說明。
如第7A圖所示，第一反射單元250係偏離初始位置41a，需注意的是，第一反射單元250與第一光輸入通道的軸線71的夾角α並未改變而仍維持45度，然，第一反射單元250的位移方向72與第一光輸入通道的軸線71的夾角θ可為任意角度，而第一反射單元250偏離初始位置41a的位移量D a 為d a (cosθ-sinθ)，當θ為45度與225度時，進入第一光輸出通道的光訊號離第一光輸出通道的軸線偏移量最小；當θ為135度與315度時則產生的光訊號離第一光輸出通道的軸線偏移量最大，但因對本實施例的整體設計光訊號路徑之考量，θ較佳地為在0度與45度之間，然於不同實施例中，θ的角度並不以此為限。
同樣地，請參閱第7B圖，第二反射單元260係偏離初始位置42a，需注意的是，第二反射單元260與第一光輸入通道的軸線71的夾角β並未改變而仍維持45度，然，第二反射單元260的位移方向73與第一光輸入通道的軸線71的夾角ψ可為任意角度，而第二反射單元260偏離初始位置42a的位移量L a 為l a (cos+sin)，當ψ為45度與225度 時，進入第二光輸出通道的光訊號離第二光輸出通道的軸線中心偏移量最大，然於不同實施例中，ψ的角度並不以此為限。
由上述實施例得以瞭解，由於第一反射單元250的位移方向72與第一光輸入通道的軸線71的夾角θ，以及第二反射單元260的位移方向73與第一光輸入通道的軸線71的夾角ψ，係依據光開關裝置的光通道的設計而決定其較佳角度範圍，同理，亦可應用於第二反射單元260及第四反射單元280上，因而本發明之光開關裝置達到光衰減器的功能便不限於如第6C圖及第6D圖所示之實施例中反射單元所位移的方式，亦即於其他實施例中，第一/第三反射單元250、270及第二/第四反射單元260、280係可朝相反方向位移。
另一方面，請參閱第8A圖至第8G圖，其係用以顯示本發明之光開關裝置之製程的示意圖。本實施例所使用之晶圓可為silicon-on-insulator(SOI)晶圓。
首先執行如第8A圖所示之步驟，提供一晶圓8，其係為包括基底(handle layer)81、犧牲層(buried oxide layer)82及結構層(device layer)83之堆疊結構，其中基底81及結構層83的較佳態樣為矽，犧牲層82的較佳態樣為二氧化矽。於晶圓8表面利用熱氧化爐管法(thermal oxidation)成長二氧化矽層84’。
接著執行第8B圖所示之步驟，利用微影製程(photolithography)、反應式離子蝕刻(reactive ion etching, RIE)將二氧化矽層84’圖案化，以形成擋罩(etching mask)84。
接著執行第8C圖所示之步驟，利用電感耦合電漿蝕刻機(inductively-coupled plasma etcher,ICP)對覆蓋擋罩84的晶圓8進行深式反應離子蝕刻(DRIE)，直到犧牲層82外露為止，以創設出結構層83的基本結構。
接著執行第8D圖所示之步驟，利用氫氟酸(hydrofluoric acid,HF)並配合適當時間對結構層83下之犧牲層82進行蝕刻，導致可動結構83a下之犧牲層82完全被蝕刻以使可動結構83a懸空，而固定結構83b係藉由犧牲層82而與基底81連結。
接著執行第8E圖所示之步驟，移除擋罩84後形成一遮罩85於結構層83的表面上且外露可動結構83a。
接著執行第8F圖所示之步驟，對覆蓋有遮罩85的晶圓8濺鍍(sputter)金屬86，例如鋁，接著移除遮罩85。由於金屬86製程的均勻性並不佳，導致僅有可動結構83a的表面有金屬86濺鍍，而結構層83下之犧牲層82則沒有濺鍍金屬86，因而結構層83與基底81的絕緣性仍可維持。
接著執行第8G圖所示之步驟，將光纖9置放於結構層83的凹槽830使其成為光輸入/輸出通道。
需說明的是，於上述實施例中，可動結構83a係與其下方的基底81保持懸空，可動結構83a即為電熱致動器的第一、第二樑或第三樑、雙穩態結構的曲型樑、第一懸臂、驅動臂等可於光開關裝置的基底上移動之結構，固定結構83b即為固定錨，而濺鍍鋁的可動結構83a即可作為反射單元，例如鏡子。
綜上所述，本發明之開關元件及包括該元件之光開關裝置具有以下功效：
(1)藉由電熱式致動器配合雙穩態結構，將反射單元固定在兩穩定狀態位置，可達成光開關功能之光訊號切換。此外，由於雙穩態結構提供兩穩定狀態，在光開關切換時反射單元得以在不消耗外加能量下便能停留於光路徑中並反射光訊號，因此可降低在習知光開關的技術中所消耗的功率以及增加光開關切換的速度。
(2)藉由施加電壓於電熱致動器及雙穩態結構上，以改變反射單元的穩定位置，即可調整輸出的光訊號能量，達成可調式光衰減器之功能。
(3)採用分裂十字型光通道設計，將光開關與可調式光衰減器整合在同一晶片上，可減少光開關裝置的尺寸並降低光纖網路的複雜性。
(4)利用單一遮罩製程、SOI晶圓配合深式反應式離子蝕刻技術，製程簡單，故可增加製程良率及降低製造成本。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10．．．鏡子
11‧‧‧第一光輸入通道
12‧‧‧第二光輸出通道
13‧‧‧第一光輸出通道
14‧‧‧第二光輸入通道
15‧‧‧初始位置
2‧‧‧光開關裝置
20‧‧‧基底
21‧‧‧第一光輸入通道
22‧‧‧第一光輸出通道
220‧‧‧第一光輸出通道的軸線
23‧‧‧第二光輸入通道
24‧‧‧第二光輸出通道
240‧‧‧第二光輸出通道的軸線
25、27‧‧‧開關元件
250‧‧‧第一反射單元
26、28‧‧‧第三電熱致動器
260‧‧‧第二反射單元
270‧‧‧第三反射單元
280‧‧‧第四反射單元
30‧‧‧雙穩態結構
301‧‧‧曲型樑
302、312、312’、322、322’‧‧‧固定錨
303‧‧‧彎曲部
31‧‧‧第一電熱致動器
311‧‧‧第一樑
313、323‧‧‧彎折部
32‧‧‧第二電熱致動器
321‧‧‧第二樑
33‧‧‧第一驅動臂
33’‧‧‧第二驅動臂
331、331’‧‧‧加強肋
34‧‧‧被驅動部
341‧‧‧第一側
342‧‧‧第二側
35‧‧‧第一懸臂
352‧‧‧第一端
352’‧‧‧第二端
41a、42a、43a、44a‧‧‧初始位置
41b、43b‧‧‧第二位置
511‧‧‧第三樑
512‧‧‧固定錨
513‧‧‧彎折部
52‧‧‧第二懸臂
521‧‧‧末端
71‧‧‧軸線
72‧‧‧位移方向
73‧‧‧位移方向
8‧‧‧晶圓
81‧‧‧基底
82‧‧‧犧牲層
83‧‧‧結構層
83a‧‧‧可動結構
83b‧‧‧固定結構
830‧‧‧凹槽
84‧‧‧擋罩
84’‧‧‧二氧化矽層
85‧‧‧遮罩
86‧‧‧金屬
9‧‧‧光纖
X‧‧‧距離
W‧‧‧寬度
第1A圖係習知技術之十字型光開關之示意圖；
第1B圖係習知技術之十字型光開關之鏡子反射光訊號之示意圖；
第2圖係本發明之開關元件之第一實施例之基本結構示意圖；
第3A圖係用以顯示本發明之開關元件之雙穩態結構之第一穩態示意圖；
第3B圖係用以顯示本發明之開關元件之雙穩態結構之第二穩態示意圖；
第4圖係應用本發明之開關元件之第二實施例之基本結構示意圖；
第5圖係本發明之光開關裝置之基本結構示意圖；
第6A圖與第6B圖係用以顯示本發明之光開關裝置之作動示意圖；
第6C圖與第6D圖係用以顯示本發明之光開關裝置之作動示意圖；
第7A圖係本發明之應用於光開關裝置之開關元件之反射單元位移之示意圖；
第7B圖係本發明之應用於光開關裝置之第三電熱致動器之反射單元位移之示意圖；以及
第8A圖至第8G圖係用以顯示本發明之光開關裝置之製程的示意圖。
25．．．開關元件
30．．．雙穩態結構
301．．．曲型樑
302、312、312’、322、322’．．．固定錨
303．．．彎曲部
31．．．第一電熱致動器
311．．．第一樑
313、323．．．彎折部
32．．．第二電熱致動器
321．．．第二樑
33．．．第一驅動臂
33’．．．第二驅動臂
331、331’．．．加強肋
34．．．被驅動部
341．．．第一側
342．．．第二側
35．．．第一懸臂
352．．．第一端
352’．．．第二端

Claims (21)

  1. 一種開關元件，係包括：雙穩態結構，係具有兩固定錨及設於該兩固定錨間且具有彎曲部的曲型樑，該曲型樑之彎曲部設置有兩端延伸出該曲型樑之第一懸臂，該第一懸臂的一端設置有被驅動部，該被驅動部具有遠離該曲型樑之第一側及相對於該第一側之第二側，且該雙穩態結構具有第一穩態及第二穩態；第一電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構之被驅動部處，該第一電熱致動器具有兩固定錨及設於該兩固定錨間的第一樑，該第一樑具有朝該雙穩態結構的方向彎曲之彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第一樑之第一驅動臂，且該第一驅動臂之末端鄰近該被驅動部之第一側；以及第二電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構之被驅動部處，該第二電熱致動器具有兩固定錨及設於該兩固定錨間的第二樑，該第二電熱致動器係以其一固定錨與該第一電熱致動器的一固定錨串連耦接，該第二樑具有遠離該雙穩態結構的方向彎曲之彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第二樑之第二驅動臂，該第二驅動臂之末端鄰近該被驅動部之第二側。
  2. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該雙穩態結構於該第一穩態時，該曲型樑處於朝遠離該被驅動部的方向彎曲之狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該雙穩態結構於該第二穩態時，該曲型樑處於朝該被驅動部的方向彎曲之狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該曲型樑、第一樑及第二樑分別為兩熱膨脹係數相異的導體相鄰接所組成者。
  5. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該曲型樑、第一樑及/或第二樑分別由複數個相互平行的樑所組成者。
  6. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該第一樑之彎折部所彎曲的方向與該第二樑之彎折部所彎曲的方向相反。
  7. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該第一懸臂、該第一驅動臂及/或該第二驅動臂為折線結構。
  8. 如申請專利範圍第7項之開關元件，其中，該第一驅動臂及/或第二驅動臂之折角處具有加強肋。
  9. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該第一懸臂為衍架結構。
  10. 如申請專利範圍第1項之開關元件，其中，該第一懸臂之相對於該被驅動部的一端具有反射單元。
  11. 一種光開關裝置，係包括：基底，係具有至少一光輸入通道及至少一光輸出通道；至少一如申請專利範圍第1項之開關元件，係形 成於該基底上，該開關元件係具有第一反射單元，該第一反射單元設置於該第一懸臂之相對於該被驅動部的一端；以及至少一第三電熱致動器，係設置於鄰近該雙穩態結構的第一懸臂處，該第三電熱致動器具有第三樑及設置於該第三樑兩端且固定於該基底上之固定錨，該第三樑具有彎折部並於該彎折部設置有延伸出該第三樑之第二懸臂，該第二懸臂之末端具有第二反射單元。
  12. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該開關元件之雙穩態結構、第一電熱致動器及第二電熱致動器係分別透過各該固定錨固定於該基底上。
  13. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第三樑係由兩熱膨脹係數相異的導體相鄰接所組成者。
  14. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第三樑係由複數個相互平行的樑所組成者。
  15. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第三樑之彎折部係朝該第二反射單元的方向彎曲。
  16. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第三樑之彎折部係朝該遠離第二反射單元的方向彎曲。
  17. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第二懸臂為折線結構。
  18. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該第二懸臂為衍架結構。
  19. 如申請專利範圍第11項之光開關裝置，其中，該基底 具有第一光輸入通道、第一光輸出通道、第二光輸入通道及第二光輸出通道。
  20. 如申請專利範圍第19項之光開關裝置，其中，該第一光輸入通道與該第二光輸入通道平行且光訊號以錯位相對方向輸入，該第一光輸出通道與該第二光輸出通道平行且光訊號以錯位相反方向輸出。
  21. 如申請專利範圍第19項之光開關裝置，其中，該第一光輸入通道與該第一光輸出通道垂直，該第二光輸入通道與該第二光輸出通道垂直。
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