專利名稱：光學開關及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及一種用作波分復用(WDM)光通信網(wǎng)絡的基本部件的光學開關，更具體的說，本發(fā)明涉及一種光學開關以及用于制造所述光學開關的方法，所述光學開關的響應速度快、耗電量少并且因為能夠根據(jù)簡單的操作將所述光學開關連接到光纖，因而可以用于精確且容易封裝的處理過程中。
背景技術：
通常，光學開關起到改變在WDM光通信網(wǎng)絡中經由光纖傳輸?shù)墓庑盘柕穆窂降淖饔?，并且對光學開關的最新研究正集中在根據(jù)微電機系統(tǒng)(MEMS)技術實現(xiàn)的光學開關以及使用因熱能引起的折射變化實現(xiàn)的光學開關上。
在MEMS光學開關中，通過輸入光纖的光束由使用具有MEMS結構的致動器控制的精密鏡(fine mirror)反射，以便向兩個或更多方向傳輸，并且在圖1中舉例說明了所述MEMS光學開關的示意性結構。
參考圖1A和1B，所述MEMS光學開關包括輸入光纖11，其中光信號通過該輸入光纖輸入，還包括垂直于輸入光纖11設置的第一輸出光纖12，在與輸入光纖11的同一直線上設置的第二輸出光纖13，在輸入光纖11和第二輸出光纖13之間設置的精密鏡14，用于反射光信號以轉換光信號的方向，所述MEMS光學開關還包括用于驅動精密鏡14的致動器15。當使用致動器15將精密鏡14定位在輸入光纖11和第二輸出光纖13之間時，通過輸入光纖11的光信號由精密鏡14反射以經由第一輸出光纖12前進。另一方面，當使用致動器15將精密鏡14從輸入光纖11和第二輸出光纖13之間的空間中移開時，通過輸入光纖11的光信號不由精密鏡14反射而經由第二輸出光纖13前進。
換言之，光信號由精密鏡14轉換，而所述精密鏡14由具有MEMS結構的致動器15來驅動。由于致動器的尺寸非常小，所以MEMS光學開關因轉換速度快且耗電量少而十分有益。然而，MEMS光學開關因輸入光纖和輸出光纖在封裝處理中必須被精確的排列而具有不方便的問題。
參考圖2，該圖舉例說明了使用波導管折射變化的常規(guī)波導管光學開關。將常規(guī)波導管光學開關設置為這樣的結構，即具有輸入波導管21以及第一和第二輸出波導管22、23，并且上述三個部件按照Y的形狀彼此結合在一起，其中第一輸出波導管22在直徑上大于第二輸出波導管23，并且將加熱單元24附著在第二輸出波導管23上。當加熱單元24關閉時，通過輸入波導管21的光信號經由第一輸出波導管22前進。另一方面，當加熱單元24打開時，第二輸出波導管23由加熱單元24加熱，由此第二輸出波導管23處的折射率減小，且通過輸入波導管21的光信號經由第二輸出波導管23前進，因此轉換光信號的路徑。
常規(guī)的波導管光學開關是有優(yōu)勢的，這是因為波導管元件直接設置在晶片上，故而易于實施波導管元件的集成，并且能夠通過將光纖附著在波導管光學開關的輸入和輸出部件上來實現(xiàn)封裝處理而無需分別地排列光纖。然而，常規(guī)的波導管光學開關也具有缺點，這是因為由于使用熱能來轉換光信號的路徑，故而耗電量很大，并且使得轉換速度不期望地減慢了。

發(fā)明內容
由此，本發(fā)明是緊記出現(xiàn)在現(xiàn)有技術中的上述問題而作出的，并且本發(fā)明的一個方面在于提供一種光學開關，所述光學開關具有MEMS光學開關以及波導管光學開關的優(yōu)勢，所述優(yōu)勢包括更低的耗電量、更容易的封裝處理以及更快的轉換速度。
本發(fā)明的其他方面和/或有益效果將在隨后的說明中部分地闡明，并且通過說明部分地明顯，或者可以通過實踐本發(fā)明來學習。
上述和/或其他方面是通過提供一種光學開關來實現(xiàn)的，所述光學開關包括輸入波導管以及多個輸出波導管，所述輸入波導管與輸入光纖相連，其中光信號經由該輸入光纖輸入，所述多個輸出波導管與多條輸出光纖相連，其中光信號經由所述輸出光纖輸出。在輸入波導管和輸出波導管之間的位置上設置有致動器，并且所述致動器具有包括固定部件以及通過彈簧與所述固定部件相連以便通過預定的力來移動的活動部件的MEMS結構。此外，在致動器的活動部件上制造了多個活動波導管，并且按照使活動波導管的第一末端在位置上對應于輸入波導管，并且使活動波導管的第二末端在位置上對應于輸出波導管的這種方式向與活動部件移動方向相同的方向移動。
依照本發(fā)明的光學開關具有這樣一種結構，其中活動波導管由具有MEMS結構的致動器來移動以便有選擇地連接輸入波導管和輸出波導管，因此轉換光學信號。由此，由于使用所述光學開關響應速度更快，耗電量更小，并且易于連接所述光學開關與光纖，因而所述光學開始是十分有益的。
此外，所述光學開關可進一步包括致動器驅動部件，以用于使用靜電力來移動所述致動器的活動部件。對此，所述致動器驅動部件包括梳形活動電極以及梳形固定電極，所述梳形活動電極整體連接到所述致動器的活動部件的末端，而所述梳形固定電極安裝在距活動電極的預定距離處。此時，活動電極以及與該活動電極整體裝配的活動部件通過由施加到所述活動電極和固定電極的預定電壓所產生的靜電力來移動。
上述和/或其他方面通過提供一種制造光學開關的方法來實現(xiàn)，所述方法包括在第一硅襯底的上部形成腔，在其上形成所述腔的第一硅襯底的上部粘接第二硅襯底，研磨第二硅襯底到預定厚度，在已研磨的第二硅襯底上形成具有預定厚度的電極層，蝕刻所述電極層以形成用于形成MEMS結構的掩模的電極圖形，形成多個包括有第二硅襯底以及電極圖形的覆層和核的波導管，以及使用作為掩模的電極圖形蝕刻第二硅襯底以形成MEMS結構。
此外，所述方法可進一步包括在所述第一硅襯底的低部上形成對準標記(alignment mark)，由此當形成所述腔、電極圖形以及波導管時，根據(jù)對準標記的位置來定位所述腔、電極圖形以及波導管。
波導管的形成包括在所述第二硅襯底以及電極圖形上淀積下覆層，在所述下覆層上形成所述核，在其上形成有核的下覆層上淀積上覆層，以及消除除了在其上待形成波導管的下覆層的部分外的下覆層部分。


通過隨后結合附圖對優(yōu)選實施例的說明，將使本發(fā)明的這些以及其他方面和有益效果變得更清楚并且更容易理解，其中圖1A和1B舉例說明了常規(guī)MEMS光學開關的結構和操作；圖2舉例說明了常規(guī)波導管光學開關的結構；圖3A和3B舉例說明了依照本發(fā)明第一實施例的光學開關；圖4A和4B舉例說明了依照本發(fā)明第二實施例的光學開關；圖5A和5B舉例說明了依照本發(fā)明第三實施例的光學開關；圖6是舉例說明制造依照本發(fā)明的光學開關的流程圖；圖7A到7J是舉例說明制造依照本發(fā)明的光學開關的截面圖。
具體實施例方式
將詳細地進行對本發(fā)明的現(xiàn)有優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的例子將依照附圖來舉例說明，在附圖中相同的參考標記始終表示相同的元件。
圖3A和3B舉例說明了依照本發(fā)明第一實施例的光學開關。
圖3A舉例說明了在偏置狀態(tài)中的光學開關30。所述光學開關30包括輸入波導管32，多個輸出波導管34a、34b，多個活動波導管35a、35b以及致動器37，所述輸入波導管32與輸入光纖31相連，其中光信號經由所述輸入光纖輸入，所述多個輸出波導管34a、34b與兩條或更多輸出光纖33相連，其中光信號經由所述輸出光纖輸出，所述多個活動波導管35a、35b用于連接輸入波導管32和輸出波導管34a、34b，所述致動器37具有設置在預定基底(未示出)上的固定部件38以及活動部件36。這時，活動部件36通過彈簧與固定部件38相連，并且與活動波導管35a、35b裝配在一起。所述活動部件36通過預定力垂直地移動。
輸入波導管32以及輸出波導管34a、34b固定地安裝在晶片上，并且與輸入光纖31和輸出光纖33a、33b相連，所述輸入光纖和輸出光纖根據(jù)接合處理(bonding process)而用作信號傳輸介質。圖3A示出了兩個輸出波導管34a、34b，但是輸出波導管34a、34b的數(shù)量可隨光信號的路徑的數(shù)量而按比例增加，由此活動波導管35a、35b的數(shù)量可隨輸出波導管34a、34b的數(shù)量而按比例增加。
輸出波導管34a、34b與不同的輸出光纖33a、33b相連。輸出波導管34a、34b的排列沒有限制，但是優(yōu)選地是將輸出波導管34a、34b如圖3A所示那樣平行地與輸出光纖33a、33b連接，以便易于將輸出波導管34a、34b連接到輸出光纖33a、33b，并且以便易于安裝活動波導管35a、35b。
此外，活動波導管35a、35b的數(shù)量與輸出波導管34a、34b的數(shù)目相同。所述活動波導管35a、35b以這樣的方式垂直的移動，所述方式為活動波導管35a、35b的第一末端在位置上對應于輸入波導管32，并且活動波導管35a、35b的第二末端在位置上對應于輸出波導管34a、34b。這時，可將某部分的活動波導管35輕微地彎曲。
圖3A舉例說明了活動波導管35a、35b的放大圖，以示出波導管的結構。在這點上，波導管32、34a、34b、35a、35b具有非常小的直徑，由此大部分活動波導管35a、35b幾乎是直的。此外，活動波導管35a、35b與具有MEMS結構的致動器37的活動部件36裝配在一起，以便與該活動部件36一起整體地移動。
致動器37具有MEMS結構，并且包括不移動的固定部件38，以及通過彈簧與該固定部件38連接的活動部件36，并且所述活動部件36通過預定靜電力或者諸如熱能的能量來垂直地移動。
與活動部件36裝配在一起的活動波導管35a、35b垂直的排列，以便當活動部件36垂直移動時，使輸入波導管32有選擇地連接到多個輸出波導管34a、34b上。
下面，將給出對所述光學開關的操作的詳細描述。
圖3A舉例說明了當致動器37沒有移動時，所述光學開關在初始狀態(tài)中的操作，而圖3B舉例說明了當致動器37移動時，所述光學開關的操作。
如圖3A所示，當在初始狀態(tài)中，致動器37的活動部件36沒有垂直移動時，第一活動波導管35a的第一末端在位置上對應于輸入波導管32，且該第一活動波導管35a的第二末端在位置上對應于第一輸出波導管34a。這時，通過輸入光纖31的光信號經由所述第一活動波導管35a進入第一輸出光纖33a，所述第一輸出光纖33a與第一輸出波導管34a相連。
此外，當致動器37如圖3b所示那樣垂直向下移動時，輸入波導管32經由第二活動波導管35b與第二輸出波導管34b連通。由此，通過輸入光纖31的光信號經由第二活動波導管35b進入第二輸出光纖33b，所述第二輸出光纖33b與第二輸出波導管34b相連。
由此，通過輸入波導管32的光信號，經由致動器37選擇的兩條轉換路徑(路徑1、路徑2)的任意一條路徑而前進。
圖3A和3B僅僅舉例說明了兩條轉換路徑，其中所述光信號經由這兩條轉換路徑通過，但是轉換路徑的數(shù)量可隨活動波導管35和輸出波導管34的數(shù)量按比例增加。
圖4A和4B舉例說明了依照本發(fā)明第二實施例的具有4條轉換路徑的光學開關，其中圖4A和4B的光信號通過不同的轉換路徑。
圖4A和4B的光學開關包括沒有移動的輸入波導管42，朝向致動器47移動方向設置的4個輸出波導管44a、44b、44c、44d，通過彈簧與固定部件48相連的致動器47，且所述致動器47具有通過預定力垂直移動的活動部件46，并且所述光學開關還包括設置在致動器47的活動部件46的上部的4個活動波導管45a、45b、45c、45d，且所述4個活動波導管朝向致動器47移動的方向來設置。這時，所述活動波導管45a、45b、45c、45d以這樣的方式垂直移動，所述方式為活動波導管45a、45b、45c、45d的第一末端在位置上對應于輸入波導管42，且所述活動波導管45a、45b、45c、45d的第二末端在位置上對應于輸出波導管44a、44b、44c、44d。
如圖4A所示，當在初始狀態(tài)中致動器47沒有移動時，輸入波導管42在位置上對應于第一活動波導管45a的第一末端，且第一活動波導管45a的第二末端在位置上對應于第一輸出波導管44a。這時，第一活動波導管45a是4個活動波導管的最底部的活動波導管，且第一輸出波導管44a是4個輸出波導管的最底部的輸出波導管。由此，通過輸入光纖41的光信號進入第一輸出光纖43a。
此外，如圖4B所示，當致動器47的活動部件46向下且垂直移動預定距離時，第二活動波導管45b的第一末端在位置上對應于輸入波導管42，且第二活動波導管45b的第二末端在位置上對應于第二輸出波導管44b。這時，通過輸入光纖41的光信號傳輸?shù)降诙敵龉饫w43b。
此外，致動器47的活動部件46以這樣的方式向下且垂直移動，所述方式為第三活動波導管45c在位置上對應于輸入波導管42和第三輸出波導管44c，以便將通過輸入光纖41的光信號傳輸?shù)降谌敵龉饫w43c，并且第四活動波導管45d在位置上對應于輸入波導管42和第四輸出波導管44d，以便將通過輸入光纖41的光信號傳輸?shù)降谒妮敵龉饫w43d。
換言之，通過輸入光纖41的光信號通過調整致動器47的活動部件46的位置而被有選擇地傳輸?shù)降谝惠敵龉饫w43a、第二輸出光纖43b、第三輸出光纖43c或者第四輸出光纖43d。
在這點上，致動器47的活動部件46的位置可通過靜電力或熱能來調整。MEMS結構的活動部件的活動機制在本技術領域中是公知的。
圖5A和5B舉例說明了依照本發(fā)明第三實施例的光學開關，其中光信號的路徑使用靜電力來轉換，這通常在MEMS技術領域中使用。
在圖5A和5B中，梳形活動電極37a在圖3的致動器37的末端形成，并且固定電極37b在距活動電極37a預定距離處形成。
如圖5A所示，當不向活動電極37a以及固定電極37b施加電壓時，活動部件36不移動，并且第一活動波導管35a定位在輸入波導管32和第一輸出波導管34a之間。
另一方面，當向活動電極37a以及固定電極37b施加電壓時，在活動電極37a和固定電極37b之間出現(xiàn)的預定電壓差值產生靜電力，由此使得活動電極37a以及與活動電極37a整體裝配在一起的活動部件36向下垂直移動。這時，如圖5B所示，第二活動波導管35b定位在輸入波導管32和第二輸出波導管34b之間。
活動電極37a的移動距離隨靜電力的強度按比例增加，并且在活動電極37a和固定電極37b之間產生的靜電力，根據(jù)活動電極37a和固定電極37b之間的電壓差值來變化，由此活動電極37a的移動距離通過調整向活動電極37a和固定電極37b施加的電壓水平來控制。由此，致動器37的移動通過調整電壓信號來控制，因此控制光信號的路徑。
如上所述，本發(fā)明的光學開關具有MEMS結構以及波導管，并且其制造過程如圖6所示那樣進行控制。
將參考圖6以及圖7A至7J給出對所述光學開關的制造過程的詳細描述。
在操作601，將在其上設置致動器37、47的活動部件36、46的腔71b，在第一硅襯底71上形成，用于支持致動器和波導管。
參考圖7A，對準標記71a在第一硅襯底71的下部上形成，以設定基底位置，以便在腔71b上精確地對準致動器37、47的活動部件36、46。光致抗蝕劑圖形(photoresist pattern)(PR圖形)根據(jù)平面印刷處理在第一硅襯底71的下部上形成，并且被蝕刻以形成對準標記71a。對準標記71a的尺寸被具體限制。
參考圖7B，在位置上對應于第一硅襯底71的下部上的對準標記71a的腔71b，依照與形成對準標記71a時相同的方式在第一硅襯底71的上部上形成。
轉到圖7C，在操作602，剩余的光致抗蝕劑圖形被消除，將第二硅襯底72粘接到第一硅襯底71的上部，并且研磨到預定厚度。在這點上，致動器37、47使用第二硅襯底72形成。
如圖7D所示，在操作603，在已研磨的第二硅襯底72’上淀積導電金屬以形成金屬層73。將金屬層73用作致動器37、47的干蝕刻掩模，并且在光學開關完成后用作電極。此時，金屬層73依照濺射或蒸發(fā)(evaporation)處理淀積預定厚度。金屬層73的厚度依賴于已研磨的第二硅襯底72’的蝕刻選擇比例。
如圖7E所示，在操作604，在金屬層73上覆蓋光致抗蝕劑層，以形成致動器37、47，并且將沒有掩飾的金屬層部分使用作為蝕刻掩模的光致抗蝕劑層來進行濕蝕刻或干蝕刻，以形成用作掩模的電極圖形73’。對此，掩模圖形根據(jù)對準標記71a來形成圖案。已研磨的第二硅襯底72’可使用作為掩模的電極圖形73’來進行蝕刻，以完成致動器37、47。然而，在本發(fā)明中，已研磨的第二硅襯底72’在波導管32、34形成之前被留下不被蝕刻。
參考圖7F，在操作605，在已研磨的第二硅襯底72’的上部上形成下覆層74，其中在所述第二硅襯底72’上形成有電極圖形73’。
轉到圖7G，在操作606，在下覆層74上形成核75。此時，核75基于對準標記71a，在位置上對應于圖3和4的活動波導管35、45。
如圖7H所示，在操作607，然后在核75上形成上覆層76。
用作蝕刻掩模的金屬層77根據(jù)濺射或蒸發(fā)處理淀積預定厚度，并且依照與圖7E所示情況相同的方式來形成圖案。
在操作608，使用蝕刻掩模77來蝕刻上、下覆層的一部分，以形成圖3和4的輸入波導管32、42，活動波導管35、45，輸出波導管34、44。
通常，波導管可根據(jù)波導管的材料歸類為基于硅的波導管和基于聚合物的波導管，并且上述兩種類型的波導管都可適用于依照本發(fā)明的光學開關。圖7F至7I舉例說明了廣泛用于形成波導管的FHD處理。
在操作609，已研磨的第二硅襯底72’的暴露部分使用電極圖形73’進行蝕刻，以實現(xiàn)MEMS結構，即致動器37、47，其中所述電極圖形73’在操作604作為掩模形成。
在這點上，在第二硅襯底72上形成的作為MEMS結構的致動器37、47以及波導管，根據(jù)在第一硅襯底71下部上形成的對準標記71a來排列。此外，致動器37、47的活動部件36、46定位在第一硅襯底71的腔71b中，并且在活動部件36、46上形成活動波導管35、45。
圖7J是依照本發(fā)明的光學開關沿圖3A和3B的線A-A’的截面圖。
參考圖7J，將輸入波導管32、輸出波導管34以及活動波導管35彼此定位在同一水平面上，并且活動波導管35在其上定位有所述輸入波導管32、輸出波導管34以及活動波導管35的水平面上向預定方向移動。
此外，致動器37、47的活動波導管35、活動部件36、46以及腔71b垂直排列成一條線，并且整體移動。
如上所述，依照本發(fā)明的光學開關包括每個都定位在其輸入端和輸出端的波導管，由此通過將光學開關粘接在光纖上能夠容易地控制封裝處理。此外，因為轉換功能由MEMS結構來實現(xiàn)，因而使用所述光學開關的耗電量更小，并且響應速度更快。
通過上述描述顯見，本發(fā)明提供了一種具有這樣結構的光學開關，其中與光纖相連的光學開關的輸入和輸出部件由波導管來實現(xiàn)，并且所述光學開關的轉換部件由MEMS結構來實現(xiàn)，其中所述MEMS結構用于驅動活動波導管以便將輸入波導管和輸出波導管相連。由此，因為使用所述光學開關的耗電量更小，響應速度更快，封裝處理簡單并且易于控制，故而本發(fā)明的光學開關具有優(yōu)勢。
雖然已經示出和描述了本發(fā)明的少數(shù)優(yōu)選實施例，但是本領域的普通技術人員將理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以在這些實施例中進行變化，本發(fā)明的范圍由權利要求書及其等價物來限定。
權利要求
1.一種光學開關，包括輸入波導管，所述輸入波導管與輸入光纖相連，其中光信號通過所述輸入光纖輸入；多個輸出波導管，所述輸出波導管與多條輸出光纖相連，其中光信號通過所述多條輸出光纖輸出；致動器，定位于輸入波導管和輸出波導管之間，并且具有包括固定部件以及通過彈簧與固定部件相連以便通過預定力移動的活動部件的微電機系統(tǒng)(MEMS)結構；以及多個活動波導管，所述多個活動波導管與致動器的活動部件裝配在一起，并且依照使活動波導管的第一末端在位置上對應于輸入波導管，并使所述活動波導管的第二末端在位置上對應于輸出波導管的這種方式，向與所述活動部件移動方向相同的方向移動。
2.如權利要求1所述的光學開關，進一步包括致動器驅動部件，以用于使用靜電力來移動致動器的活動部件。
3.如權利要求2所述的光學開關，其中，所述致動器驅動部件包括整體連接到所述致動器的活動部件的末端的梳形活動電極；以及安裝在距所述活動電極預定距離處的梳形固定電極，因此，活動電極以及與所述活動電極整體裝配在一起的致動器的活動部件，使用通過施加給活動電極和固定電極的預定電壓產生的靜電力來移動。
4.一種制造光學開關的方法，包括在第一硅襯底的上部上形成腔；將第二硅襯底粘接到在其上形成腔的第一硅襯底的上部；研磨所述第二硅襯底到預定厚度；在已研磨的第二硅襯底上形成具有預定厚度的電極層；蝕刻所述電極層，以形成用于形成微電機系統(tǒng)(MEMS)結構的掩模的電極圖形；形成多個波導管，所述多個波導管包括第二硅襯底和電極圖形的覆層以及核；以及使用作為掩模的電極圖形來蝕刻所述第二硅襯底，以形成MEMS結構。
5.如權利要求4所述的方法，進一步包括在所述第一硅襯底的下部上形成對準標記，由此當形成所述腔、電極圖形以及波導管時，根據(jù)對準標記的位置來定位所述腔、電極圖形以及波導管。
6.如權利要求4所述的方法，所述波導管的形成包括在所述第二硅襯底以及電極圖形上淀積下覆層；在所述下覆層上形成核；在其上形成有核的下覆層上淀積上覆層；以及消除低覆層的除了形成波導管的部分之外的部分。
全文摘要
在此公開了一種具有MEMS光學開關以及波導管光學開關的優(yōu)勢，即包括耗電量小、易于封裝并且轉換速度快的光學開關。所述光學開關包括與輸入光纖相連的輸入波導管，其中光信號通過輸入光纖輸入，以及包括與多條輸出光纖相連的多個輸出波導管，其中光信號通過輸出光纖輸出。在輸入波導管和輸出波導管之間定位有致動器，且該致動器具有MEMS結構，并包括固定部件以及通過彈簧與固定部件連接以通過預定力來移動的活動部件。此外，多個活動波導管與致動器的活動部件裝配在一起，并按照使活動波導管的第一末端在位置上對應于輸入波導管，并且使活動波導管的第二末端在位置上對應于輸出波導管的方式，向與活動部件的移動方向相同的方向移動。
文檔編號G02B6/35GK1576928SQ200310102590
公開日2005年2月9日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權日2003年6月25日
發(fā)明者李賢基, 鄭成天, 洪允植 申請人:三星電機株式會社