JP3639978B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自由空間伝播光ビームの光路を切り替える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来提案されているこの種の光スイッチの構造を光ファイバと共に示したものであり、この例では光スイッチは出射用と入射用の光ファイバが各２本配置される２×２光スイッチとなっている。
方形状をなす可動電極板１１は４本のフレクチャー部１２によって支持されており、これらフレクチャー部１２は貫通孔１３が設けられた基板１４の貫通孔１３を挟む対向辺上に形成された一対のアンカー部１５の各両端部からそれぞれ導出され、可動電極板１１の一辺にそれぞれ沿うように延伸されて可動電極板１１の４つの角部に連結されている。
【０００３】
基板１４上には光ファイバ載置用のＶ溝１６が一対のアンカー部１５の互いの外側にそれぞれ２本ずつ形成されており、可動電極板１１を挟んで対をなすＶ溝１６は同一直線上に位置されている。可動電極板１１上には両側のＶ溝１６を結ぶ線上にマイクロミラー１７が２つ配置され、計４つのマイクロミラー１７が可動電極板１１上に直立されて形成されている。
基板１４の下面側には中央に隆起部１８を有する固定電極板１９が配置される。固定電極板１９はその隆起部１８が基板１４の貫通孔１３に嵌め込まれて基板１４に接合されている。
【０００４】
貫通孔１３上に位置する可動電極板１１は固定電極板１９の隆起部１８と所定の間隙を介して平行対向され、４本のフレクチャー部１２により隆起部１８の上面に対して、つまり固定電極面に対して垂直方向に変位可能とされている。
上記のような構造を有する光スイッチはフォトリソグラフィやエッチングといったマイクロマシニング技術を使用して作製され、基板１４及び固定電極板１９には単結晶シリコン基板が用いられる。また、可動電極板１１、フレクチャー部１２及びアンカー部１５は例えば単結晶シリコン膜によって一体形成される。図７中、２１，２２は酸化膜（二酸化シリコン膜）を示す。
【０００５】
なお、このように単結晶シリコンよりなる基板１４の上に酸化膜２１を介して単結晶シリコンよりなるアンカー部１５及びアンカー部１５に支持されたフレクチャー部１２、可動電極板１１が形成されてなる構造は、二酸化シリコン層の両面に所要の厚さの単結晶シリコン層が配置された三層構造のＳＯＩ（Silicon on
Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を使用して作製することができる。
マイクロミラー１７は例えば厚膜タイプのレジストをフォトリソグラフィによりパターニングして形成したミラー基体の表面に、金（Ａｕ）等の金属をコーティングすることによって作製される。
【０００６】
このような構成の光スイッチにおいては、固定電極板１９と可動電極板１１との間に電圧を印加して、それら電極板間に互いに吸引する静電気力を発生させることにより、その静電気力によって可動電極板１１が固定電極板１９側に駆動変位され、これによりマイクロミラー１７を可動電極板１１の板面に対して垂直方向に変位させることができるため、可動電極板１１の板面と平行方向から入射する光ビームの光路切り替えを行うことができるものとなっている。
４つのＶ溝１６上には図７に示したように、出射用の光ファイバ３１−１，３１−２及び入射用の光ファイバ３１−３，３１−４がそれぞれ位置決め載置される。
【０００７】
この構成において、可動電極板１１が図７に示した定常状態の位置に位置している場合には、光ファイバ３１−１から出射された光ビームは２つのマイクロミラー１７によって順次反射されて光ファイバ３１−３に入射され、同様に光ファイバ３１−２から出射された光ビームはマイクロミラー１７によって反射されて光ファイバ３１−４に入射される。
一方、可動電極板１１が静電駆動され、マイクロミラー１７が変位し、光路から外れた状態では、光ファイバ３１−１及び３１−２からそれぞれ出射された光ビームはマイクロミラー１７によって反射されることなく直進し、対向する光ファイバ３１−４及び３１−３にそれぞれ入射される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構造を有する光スイッチにおいて、低電圧化を図るためには、可動電極板１１と固定電極板１９との距離（間隙）を必要最小限に設定する必要があるものの、基板１４（ＳＯＩ基板を用いる場合は基板１４となる単結晶シリコン層）の厚さは、作製プロセス上、あまり薄くすることはできず、よって図７に示したように固定電極板１９に隆起部１８を設けることによって、それら電極板間の距離を狭めるといったことが行われていた。
【０００９】
一方、この種の光スイッチにおいては可動電極板が固定電極板に吸着して貼り付いてしまい、印加電圧を解除しても可動電極板が元の位置に復帰しない、いわゆるスティッキングという問題があり、これを解決するため、例えば固定電極板上に微小な突起を形成して可動電極板と固定電極板の接触面積を減少させたり、あるいは固定電極板上にスティッキング防止を目的とした第２の固定電極パターンを形成するといった構成が従来、提案されている。
図８は一例として、固定電極板１９の隆起部１８の上面に微小な突起２３を設けた構成を示したものであり、突起２３の存在によって可動電極板１１と固定電極板１９とは互いに面接触せず、その接触面積は極めて少なくなるため、貼り付きを防止することが可能となる。
【００１０】
しかしながら、このような突起２３を隆起部１８の上に形成することは極めて困難であった。即ち、フォトリソグラフィ及びエッチングによって隆起部１８に突起２３を形成しようとすると、レジストを隆起部１８上に塗布する必要が生じるが、例えばそのような隆起部１８が形成されている固定電極板１９が配列されているウェハにレジストをスピンコートしてもレジストを均一な厚みで良好に塗布することはできず、よって所望の突起２３を精度良く形成することができないものとなっていた。
【００１１】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、可動電極板と固定電極間の距離を所望の距離に容易に狭めることができ、かつ突起や貼り付き防止用の電極パターン等を固定電極側に容易に、かつ精度良く形成することができるようにした光スイッチを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、固定電極と対向する可動電極板上にマイクロミラーが直立形成され、可動電極板を固定電極面に対し垂直方向に静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、入射する光ビームの光路切り替えを行う光スイッチは、上面に固定電極が形成された下部基板とスペーサと上部基板とよりなり、上部基板は異方性エッチングにより光ファイバ載置用のＶ溝が表面に形成され、かつ異方性エッチングにより表面に対して垂直にミラー基体が形成されてそのミラー基体に金属がコーティングされてマイクロミラーが構成されている上面側単結晶シリコン層と、可動電極板とその可動電極板を支持するフレクチャー部とが形成されている下面側単結晶シリコン層と、それら上面側単結晶シリコン層と下面側単結晶シリコン層との間に介在する二酸化シリコン層との三層構造とされ、下面側単結晶シリコン層が接合面側とされて、上部基板と下部基板とがスペーサを介して接合されているものとされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光スイッチの一実施例を光ファイバと共に示したものであり、図２はそれを各部に分解して示したものである。この例では光スイッチは図７に示した従来の光スイッチと同様、２本の出射用の光ファイバ３１−１，３１−２と、２本の入射用の光ファイバ３１−３，３１−４が配置される２×２光スイッチとなっている。
【００１４】
光スイッチは、この例では所要の構造を備えた下部基板４０とスペーサ５０と上部基板６０とよりなるものとされる。
上部基板６０には厚い単結晶シリコン層６１と二酸化シリコン層６２と薄い単結晶シリコン層６３との三層構造よりなるＳＯＩ基板が用いられ、上面側の厚い単結晶シリコン層６１の表面には光ファイバ載置用の４本のＶ溝６４が形成され、さらに４つのマイクロミラー６５が構成されている。
マイクロミラー６５は単結晶シリコン層６１の中央に設けられた貫通孔６６内に位置されており、単結晶シリコンよりなるミラー基体に金属がコーティングされて構成されている。コーティング金属は例えば金／クロムの二層とされる。なお、これらマイクロミラー６５及びＶ溝６４は図７に示した従来の光スイッチにおけるマイクロミラー１７及びＶ溝１６と同様の位置関係に配置されている。
【００１５】
下面側の薄い単結晶シリコン層６３には、方形状をなす可動電極板６７と、可動電極板６７を支持する４本のフレクチャー部６８とが形成されており、フレクチャー部６８は図７に示した光スイッチのフレクチャー部１２と同様に配置されている。これらフレクチャー部６８の基端は可動電極板６７を挟んで両側に位置する基部６９にそれぞれ連結支持されている。可動電極板６７上には４つのマイクロミラー６５が直立されて位置される。
一方、下部基板４０の上面中央部には固定電極４１が形成されており、さらにこの例ではこの固定電極４１の形成領域に微小な突起４２が複数形成されている。下部基板４０には単結晶シリコン基板が用いられる。図１中、４３は酸化膜（二酸化シリコン膜）を示す。なお、固定電極４１は金／クロムの二層構造とされている。
【００１６】
上記のような構造とされた上部基板６０と下部基板４０とは、貫通孔５１が設けられているスペーサ５０を介して互いに接合され、その際、上部基板６０は可動電極板６７及びフレクチャー部６８が形成されている薄い単結晶シリコン層６３が接合面側とされ、つまり基部６９がスペーサ５０に接合される。スペーサ５０も単結晶シリコン基板製とされる。
この例ではこのように、下部基板４０、スペーサ５０及び上部基板６０を接合一体化することにより光スイッチが構成され、可動電極板６７はスペーサ５０により固定電極４１と所定の間隙を介して平行対向され、４本のフレクチャー部６８により固定電極面に対して垂直方向に変位可能とされる。
【００１７】
下部基板４０、スペーサ５０及び上部基板６０の接合には接着剤が用いられる。なお、半田による接合、あるいは静電接合の様な直接接合によっても接合することができる。
次に、上記のような構造を有する上部基板６０、下部基板４０及びスペーサ５０の作製方法について詳細に説明する。
図３〜５はこれら上部基板６０、下部基板４０及びスペーサ５０の作製方法をそれぞれ工程順に示したものであり、まず図３を参照して上部基板６０の作製方法を工程順に説明する。
【００１８】
（１）二酸化シリコン層６２の両面に単結晶シリコン層６１，６３が配置されてなるＳＯＩ基板７１を準備する。
（２）ＳＯＩ基板７１の両面に酸化膜７２，７３を形成する。
（３）下面側の酸化膜７３を可動電極板６７及びフレクチャー部６８の形状にパターニングする。
（４）下面側の薄い単結晶シリコン層６３を、パターニングした酸化膜７３をマスクにしてエッチングし、可動電極板６７とフレクチャー部６８を形成する。
【００１９】
（５）酸化膜７３を除去した後、酸化膜７４を下面側に再形成する。
（６）上面側の酸化膜７２をマイクロミラー６５及びＶ溝６４の形状にパターニングする。
（７）上面側の厚い単結晶シリコン層６１を、パターニングした酸化膜７２をマスクにして異方性エッチングし、表面にＶ溝６４を形成すると共に、表面に対して垂直に二酸化シリコン層６２上に直立するミラー基体７５を形成する。
（８）ミラー基体７５の表面に、金／クロムの二層膜をコーティングしてマイクロミラー６５を構成する。
【００２０】
（９）酸化膜７２，７４を除去して、上部基板６０が完成する。
次に、図４を参照して下部基板４０の作製方法を工程順に説明する。
（１）単結晶シリコン基板４４を準備する。
（２）単結晶シリコン基板４４の両面に酸化膜４５，４６を形成する。
（３）上面側の酸化膜４５を突起４２の形状にパターニングする。
（４）パターニングした酸化膜４５をマスクにして単結晶シリコン基板４４を異方性エッチングする。
【００２１】
（５）酸化膜４５を除去した後、酸化膜４３を上面側に再形成する。
（６）酸化膜４３上にクロムを下地に、金／クロムの二層膜４７を形成する。
（７）固定電極４１の形状に金／クロム二層膜４７をパターニングする。これにより、上面に固定電極４１が形成され、かつ図に示したように突起４２が形成された下部基板４０が完成する。
次に、図５を参照してスペーサ５０の作製方法を工程順に説明する。
（１）単結晶シリコン基板５２を準備する。
【００２２】
（２）単結晶シリコン基板５２の両面に酸化膜５３，５４を形成する。
（３）下面側の酸化膜５４を貫通孔５１の形状にパターニングする。
（４）パターニングした酸化膜５４をマスクにして単結晶シリコン基板５２を貫通エッチングする。
（５）酸化膜５３，５４を除去する。これにより、貫通孔５１が形成されたスペーサ５０が完成する。
このようにして、上部基板６０、下部基板４０及びスペーサ５０はそれぞれ作製され、これらが前述したように接合一体化されて光スイッチが完成する。
【００２３】
上記のような構成とされた光スイッチにおいては、可動電極板６７が形成されている上部基板６０と、固定電極４１が形成された下部基板４０とはスペーサ５０を介して接合され、つまり可動電極板６７と固定電極４１間の距離（間隙）はスペーサ５０の厚さによって設定されるものとなっているため、このスペーサ５０の厚さを選定することにより、それら電極間距離を所望の距離に容易に設定することができ、低電圧化のために必要最小限に狭めることも容易に行えるものとなる。
【００２４】
また、このようにスペーサ５０によって電極間距離を設定する構造のため、図７に示した従来の光スイッチのように隆起部を固定電極板（下部基板）に設ける必要はなく、つまり下部基板４０はその上面が平坦面とされるため、下部基板４０上での各種パターニングを容易かつ高精度に行うことができ、この例のように突起４２及び固定電極４１を形成することも容易に行えるものとなる。
なお、この例ではマイクロミラー６５のミラー基体７５とＶ溝６４とは同じ単結晶シリコン層６１に形成され、シリコンの異方性エッチングによって同時に形成されるものとなっているため、それらの良好なアライメントが得られるものとなっている。
【００２５】
図６は図１に示した光スイッチを４個配列してアレイ状とした光スイッチを示したものであり、用途に応じてこのような４ｃｈ ２×２光スイッチを構成することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば作製の容易なスペーサの厚さを選定することにより、可動電極板と固定電極間の距離を所望の距離に容易に設定することができ、必要最小限の距離に設定することも容易に行うことができる。
また、従来の光スイッチのように固定電極側に隆起部を必要とせず、つまり固定電極形成面は平坦面とされるため、例えば突起や貼り付き防止用の電極パターン等を固定電極側に容易に、かつ精度良く形成することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光スイッチの一実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。
【図２】図１に示した光スイッチの分解斜視図。
【図３】図１における上部基板の作製方法を説明するための工程図。
【図４】図１における下部基板の作製方法を説明するための工程図。
【図５】図１におけるスペーサの作製方法を説明するための工程図。
【図６】この発明による光スイッチの他の実施例を示す斜視図。
【図７】従来提案されている光スイッチの構成を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。
【図８】図７の光スイッチに対し、固定電極板上に微小な突起を設けた構成を示す断面図。

Claims (1)

1. 固定電極と対向する可動電極板上にマイクロミラーが直立形成され、可動電極板を固定電極面に対し垂直方向に静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、入射する光ビームの光路切り替えを行う光スイッチであって、
   上面に上記固定電極が形成された下部基板と、スペーサと、上部基板とよりなり、
   上記上部基板は、異方性エッチングにより光ファイバ載置用のＶ溝が表面に形成され、かつ異方性エッチングにより表面に対して垂直にミラー基体が形成されて、そのミラー基体に金属がコーティングされて上記マイクロミラーが構成されている上面側単結晶シリコン層と、上記可動電極板と、その可動電極板を支持するフレクチャー部とが形成されている下面側単結晶シリコン層と、それら上面側単結晶シリコン層と下面側単結晶シリコン層との間に介在する二酸化シリコン層との三層構造とされ、
   上記下面側単結晶シリコン層が接合面側とされて、上記上部基板と下部基板とが上記スペーサを介して接合されていることを特徴とする光スイッチ。

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