專利名稱：電磁驅(qū)動的光開關(guān)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光開關(guān)，特別涉及一種以微機電技術(shù)制作的電磁驅(qū)動光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢中，以高密度分波多任務(wù)技術(shù)(DWDM)來增加傳輸?shù)念l寬已成為主要的趨勢。但承載信號的頻寬倍數(shù)成長速度對管理信號的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備而言，造成了沉重的負(fù)擔(dān)，使得用高速電子組件作交換或路由等處理已無法達(dá)到要求。因此，未來趨勢是希望能在節(jié)點上讓光信號盡可能在光域(Optical Domain)中作交換，以增加處理速度，并保持光的通透性(Transparent)，因此，用于光域上做交換核心的光開關(guān)(Optical Switch，或稱光閥)，便成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。
光開關(guān)，指光信號由一輸入端口(Port)切換至目的輸出端口的裝置，應(yīng)用于光通訊網(wǎng)路節(jié)點的光交換連結(jié)(OXC，Optical Cross Connect)、光塞取多任務(wù)(OADM，Optical Add & Drop Multiplexer) 等系統(tǒng)的全光交換核心(Switch Core)技術(shù)，完成錯誤恢復(fù)(Restoration)、交換等功能。
目前所提出關(guān)于光開關(guān)的技術(shù)，包括有利用熱氣泡式(thermalbubble)、液晶(Liquid crystal)、微馬達(dá)(micro motor)以及利用微機電(MEMS)技術(shù)制作的光開關(guān)，而本發(fā)明所公開的微機電光開關(guān)的技術(shù)中是一種電磁驅(qū)動式的光開關(guān)，例如Silicon Micro Optical Switching Devicewith an Electromagnetically Operated Cantilever，如圖1所示，利用一纏繞于電磁材料10A上的線圈11A，與一磁膜12A，組成電磁驅(qū)動單元，導(dǎo)引懸臂13A產(chǎn)生垂直位移，以懸臂13A上的鏡面14A阻斷光纖15A的通過。
另一種所提出的光開關(guān)系刊載于IEEE期刊中的SelfAligned VerticalMirrors and V-grooves Applied to a Self-Latching Matrix Switch for OpticalNetworks。如圖2所示，其利用一纏繞于電磁材料10B上的線圈11B，與一鎳鐵透磁合金材料(permalloy)材料的磁膜12B，組成電磁驅(qū)動單元，導(dǎo)引懸臂13B產(chǎn)生位移，懸臂13B上的鏡面14B阻斷光纖的通過。
上述兩種電磁驅(qū)動的光開關(guān)其技術(shù)特征都是利用一懸臂，通過電磁線圈的驅(qū)動產(chǎn)生垂直方向上的位移，達(dá)成光開關(guān)的目的；然而其存在一些技術(shù)問題，首先為了增加懸臂的位移量，必須增加懸臂的長度，而增加長度卻會使切換速度變慢；其次以大型電磁線圈來驅(qū)動鏡面，必須利用額外的制作過程將線圈對位黏著于鏡面下方。再者，使用大型線圈來驅(qū)動鏡面，容易產(chǎn)生串音(corsstalk)，無法精確控制個別鏡面，不僅無法提高可靠度，組件也無法小型化、集成化。
另外一種光開關(guān)系刊載在Journal of Magnetism and Magnetic Materials期刊上的Electromagnetic optical switch for optical network communication光開關(guān)，如圖3所示，它是利用一電鍍在電磁材料10C上的平面線圈(圖中未示)，和一鎳鐵透磁合金材料的磁膜12C，組成電磁驅(qū)動單元，導(dǎo)引懸臂13C產(chǎn)生位移，阻斷光纖的通過。然而為了增加位移量，必須使用剛性較小的聚酰亞胺(polyimide)薄膜，但為了制作這種薄膜，必須使用激光微機加工(laser micro-machining)的技術(shù)，逐一將薄膜雕刻出來，不僅無法達(dá)到產(chǎn)量的目的，制造過程也和IC不相容。
綜上所述，高度可靠性、高精確度、低插入損失(low insertion loss)、以及高切換速度(high switch speed)為目前光開關(guān)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高切換速度的光開關(guān)，以兩組電磁驅(qū)動單元，配合一形成在懸臂上的扭力桿增加懸臂的位移量和恢復(fù)力，以加快切換速度。
本發(fā)明的另一目的在提供一種高可靠度與高精確度的光開關(guān)，以一扭力桿讓懸臂成為一懸浮結(jié)構(gòu)，使得懸臂，配合兩組電磁驅(qū)動裝置的驅(qū)動進行蹺蹺板運動，以提高可靠度與精確度。
本發(fā)明的次一目的在于提供低串音(corsstalk)效果，經(jīng)模擬結(jié)果顯示驅(qū)動光開關(guān)所需的磁力和相鄰近磁膜產(chǎn)生的磁力大七個數(shù)量級。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種具有較好的恢復(fù)力光開關(guān)，利用懸臂上的扭力桿，輔助懸臂產(chǎn)生垂直位移并提供懸臂恢復(fù)至原來位置所需的恢復(fù)力。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高切換速度的光開關(guān)，主要包括有兩部分，第一部分為蹺蹺板單元(teeterboard portion)，第二部分為電磁驅(qū)動單元(magnetic actuation portion)，蹺蹺板單元與鐵磁驅(qū)動單元共同形成在一外罩中。
蹺蹺板單元主要包括有懸臂(cantilever)、扭力桿(torsion bar)、以及鏡面(mirror)，而且蹺蹺板單元形成在一外罩(shell)中。
扭力桿與懸臂是在同一制作步驟中完成，由電磁線圈驅(qū)動懸臂產(chǎn)生垂直位移，運動形式與蹺蹺板的運動形式類似，用來阻斷光通過路徑或使光束通過。上述鏡面位于懸臂其中一側(cè)的上方，其位置為光纖通過的路徑。懸臂、扭力桿與鏡面為一體成型結(jié)構(gòu)，形成在一硅基板上，用干蝕刻或濕蝕刻等制作步驟蝕刻硅基板完成上述組件制作。
第二部份主要為電磁驅(qū)動單元，包括有一鐵磁線圈所形成的螺旋電感，位于外罩底部的凹槽內(nèi)，作為電磁驅(qū)動線圈是利用電鍍方式制作，其線圈的材質(zhì)為具有良好導(dǎo)電性的金屬，比通常使用的導(dǎo)電金屬中含有金或銅等金屬；而凹槽的制作方式，可以利用干蝕刻或濕蝕刻方式制成，等到凹槽蝕刻完成后，再將金屬電鍍于凹槽中完成線圈的制作。
另外，在懸臂兩側(cè)下方形成有磁膜，與螺旋電感共同組成電磁驅(qū)動單元。磁膜的制作方式以電鍍方式來完成，將可導(dǎo)電的材質(zhì)電鍍在懸臂上。
除此之外，磁膜外側(cè)有一小塊的鐵磁材料作為制止器(STOPPER)，其制作方式和材質(zhì)組成和磁膜相同，也是在同一制作步驟完成，用來作為垂直位移運動時的緩沖墊，當(dāng)螺旋電感產(chǎn)生電磁作用吸引磁膜時，制止器可作為一緩沖墊，避免懸臂直接撞擊凹槽的底部，起到保護懸臂作用。
本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)制做主要分為三個部分，第一部分為形成蹺蹺板單元，包括電磁驅(qū)動單元中磁膜以及制止器，并同時形成外罩的上半部。第二部分為形成電磁驅(qū)動單元中螺旋電感以及外罩的下半部。第三部分為將外罩的上半部、下半部接合在一起，而為了將上下兩部分硅芯片所形成的外罩精確對位接合在一起，外罩上半部的側(cè)壁與外罩下半部的側(cè)壁中還具有一定位溝，利用本身光纖圓形外徑，設(shè)計上下V型凹槽，以方便對位。利用一啞光纖(dummy fiber)放置在上下兩硅芯片的定位溝中，再利用膠水(glue)以加熱加壓方式將上下兩部分的硅芯片精確對位接合在一起，完成光開關(guān)的結(jié)構(gòu)組裝。
為能更進一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，配合附圖詳細(xì)說明如下


圖1為公知光開關(guān)的架構(gòu)圖；
圖2為公知光開關(guān)的架構(gòu)圖；圖3為公知光開關(guān)的架構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)側(cè)視圖；圖5為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)上視圖；圖6為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)立體架構(gòu)圖；圖7為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)扭力桿的另一實施例；8圖A至圖8F為懸臂、鏡面、扭力桿、磁膜與制止器的制作流程示意圖；圖9A至圖9C為螺懸電感的制作流程示意圖；圖10A為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)定位溝示意圖；以及圖10B為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)定位溝完成結(jié)構(gòu)組裝后的示意圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下10A--電磁材料，10B--電磁材料，10C--電磁材料，11A--線圈，11B--線圈，12A--磁膜，12B--磁膜，12C--磁膜，13A--懸臂，13B--懸臂，13C--懸臂，14A--鏡面，14B--鏡面，15A--光纖，100--蹺蹺板單元，110--懸臂，121--第一扭力桿，122--第二扭力桿，130--鏡面，200--電磁驅(qū)動單元，211--第一螺旋電感，212--第二螺旋電感，221--第一磁膜，222--第二磁膜，231--第一制止器，232--第二制止器，241--第一凹槽，242--第二凹槽，300--外罩，310--側(cè)壁，320--底部，330--側(cè)壁，340--側(cè)壁，410--第一定位溝，420--第二定位溝，500--啞光纖，810--第一硅基板，820--種子層，830--光阻，840--光阻，910--第二基板，920--凹槽，930--平面線圈，940--電極，
具體實施例方式
請參考圖4至圖6，圖4為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)側(cè)視圖，圖5為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)上視圖，圖6為本發(fā)明所公開的電磁驅(qū)動光開關(guān)立體架構(gòu)圖。如圖4所示，本發(fā)明所揭露之電磁驅(qū)動光開關(guān)主要包括有兩部分(以圖中虛線為分隔)，分為上下兩部分，第一部分為蹺蹺板單元(teeterboard portion)100，第二部分為電磁驅(qū)動單元(magneticactuation portion)200，蹺蹺板單元100與電磁驅(qū)動單元200共同形成于一外罩300中。
蹺蹺板單元100主要包括有四個構(gòu)成單元，分別為懸臂110(cantilever)、第一扭力桿(torsion bar)121、第二扭力桿122、鏡面(mirror)130，如圖所示，蹺蹺板單元100系形成于一外罩300(shell)中。
上述的懸臂110為一薄片狀結(jié)構(gòu)，與外罩300間并未全部接觸，而留有一活動空間，方便懸臂作垂直位移的運動；而扭力桿包括有第一扭力桿121與第二扭力桿122(如圖5與圖6所示)，分別位于懸臂110較長端的兩側(cè)相對位置處，第一扭力桿121將懸臂110附著在外罩300的側(cè)壁310上，第二扭力桿122其作用為保持平衡，并增加恢復(fù)時所需的恢復(fù)力，扭力桿也可為圖7所示結(jié)構(gòu)，僅包含第一扭力桿121。第一扭力桿121與第二扭力桿122的作用除了提供懸臂恢復(fù)力之外，另一目的在于使其成為一蹺蹺板結(jié)構(gòu)，由電磁線圈驅(qū)動，產(chǎn)生如蹺蹺板般的運動形式，阻斷光的通過路徑或使光束通過。
上述鏡面130位于懸臂110右端(以圖示方向為方向)的上方，如圖所示光束通過的路徑。
懸臂110、第一扭力桿121、第二扭力桿122與鏡面130為一體成型結(jié)構(gòu)，是以IC制做在一硅基板上，利用干蝕刻或濕蝕刻的技術(shù)蝕刻硅芯片來完成。
電磁驅(qū)動單元200，包括由一鐵磁線圈所形成的一第一螺旋電感211與一第二螺旋電感212(如圖4與圖6所示)，作為電磁驅(qū)動線圈，第一螺旋電感211形成位于外罩底部320的第一凹槽241內(nèi)，第二螺旋電感212形成于第二凹槽242內(nèi)，第一螺旋電感211與第二螺旋電感212是利用電鍍方式制作，其組成材質(zhì)為具有良好導(dǎo)電性的金屬，比通常使用的導(dǎo)電金屬還含有金或銅等金屬，而第一凹槽241與第二凹槽242的制作方式，可以利用干蝕刻或濕蝕刻方式來行成，第一螺旋電感211與第二螺旋電感212是在第一凹槽241與第二凹槽242完成后，再將電鍍金屬在第一凹槽241與第二凹槽242而成。
另外，在懸臂110兩側(cè)下方形成第一磁膜221與第二磁膜222，第一磁膜211與鏡面130位于懸臂110同一側(cè)的不同表面，第二磁膜222則在懸臂110的另一側(cè)，第一磁膜221及第一螺旋電感211共同組成電磁驅(qū)動單元200，第二磁膜222及第二螺旋電感212為另一電磁驅(qū)動單元。第一磁膜221的制作方式系以電鍍方式來完成，將可到電的材質(zhì)電鍍在懸臂110上，其材質(zhì)可以為鎳鐵合金(Ni-Fe alloy)、鎳鈷合金(Ni-Co alloy)或鎳金屬(Ni metal)之一。
除此之外，第一磁膜221外側(cè)一小塊的鐵磁材料作為第一制止器(STOPPER)231，第二磁膜222外側(cè)也有一小塊鐵磁材料作為第二制止器232，材質(zhì)組成和磁膜相同，可以為鎳鐵合金(Ni-Fe alloy)、鎳鈷合金(Ni-Co alloy)或鎳金屬(Ni metal)之一。第一磁膜221、第二磁膜222與第一制止器231第二制止器232是在同一制做步驟完成。第一制止器231與第二制止器232用來作為懸臂110做蹺蹺板運動時的緩沖墊，當(dāng)?shù)诙菪姼?12產(chǎn)生電磁作用吸引第二磁膜222時，第二制止器232可作為一緩沖墊，避免懸臂110直接撞擊外罩的底部320，以保護懸臂110。上述磁膜與線圈，并不一定要兩組，也可使用其中一組產(chǎn)生電磁作用。
為了提升鏡面的反射率，采用金屬屏蔽(metal mask)的方式，并放置成45度角來鍍金屬在硅鏡面上，可選擇高反射率的金屬作為反射材料，如金或鋁等金屬。
上述電磁驅(qū)動光開關(guān)的較佳實施例制作步驟詳細(xì)說明如下。其制作步驟主要分為三個部分，第一部分為形成蹺蹺板單元100，包括電磁驅(qū)動單元200中的第一磁膜221、第二磁膜222以及第一制止器231、第二制止器232，同時形成外罩300的上半部。
第一部份的制作步驟如圖8A至圖8F所示，為懸臂、鏡面、扭力桿、磁膜與制止器的制作流程示意圖。
首先在一第一硅基板810上沉積一種子層(seed layer)820，如圖8A所示；接著在種子層820上以光阻830形成磁膜與制止器的形狀，如圖8B所示；再將鎳金屬電鍍在光阻所形成形狀中，并將光阻830移除，至此完成第一磁膜221、第二磁膜222、第一制止器231與第二制止器232的制作，如圖8C所示。第一磁膜221、第二磁膜222、第一制止器231與第二制止器232之制程完畢之后，再以光阻形成懸臂與扭力桿的圖樣，如圖8D所示；再將光阻移除以形成懸臂與扭力桿，并將不需要的種子層去除，如圖8E所示，并用干蝕刻或濕蝕刻蝕刻硅基板，再將光阻移除。最后，在硅基板上形成一鏡面，并在鏡面上鍍上金屬，以增加反射率，其結(jié)果如圖8F所示。
第二部分為形成電磁驅(qū)動單元200中第一螺旋電感211與第二螺旋電感222，以及外罩300的下半部，主要包括有三個步驟，形成凹槽，在凹槽中電鍍金屬制作平面線圈，最后制作電極完成線圈的制作。
首先在一第二基板910形成凹槽920，其制作過程包括有以低壓化學(xué)汽相沉積法(LPCVD)沉積一層氮化物、接著上光阻以及凹槽920的圖樣，并以反應(yīng)離子蝕刻法對氮化層進行干蝕刻，再去除不必要的光阻，最后再進行濕蝕刻制程，完成凹槽920的制作，如圖9A所示。
接著在凹槽920中制作平面線圈930，平面線圈930的步驟包括有在該凹槽920中沉積一種子層，上光阻，并形成線圈的圖樣，再以電鍍法鍍上金屬線圈，最后再移去光阻，如圖9B所示。
最后再形成電極940，其步驟包括有上光阻、形成電極圖樣以反應(yīng)性離子蝕刻法蝕刻氮化層，再將光阻移除，接著再進行一道濕蝕刻制程，再以無電鍍法(electroless)將電極鍍上，便完成電極的制程，如圖9C。
第三部分為將外罩300之上半部、下半部接合在一起，為了將上下兩部分硅芯片所形成的外罩精確對位接合在一起，外罩上半部的側(cè)壁330與外罩下半部的側(cè)壁340中更具有一第一定位溝410與第二定位溝420，以V型的溝槽為最佳，如圖10A所示，再利用一啞光纖500(dummy fiber)放置在上下兩硅基板的第一定位溝410與第二定位溝420中的空間，再利用黏膠(glue)以加熱加壓方式將上下兩部分的硅芯片精確對位接合在一起，以便完成光開關(guān)的構(gòu)裝，如圖10B所示。
發(fā)明的功能效果本發(fā)明所揭露的電磁驅(qū)動的光開關(guān)及其制作方式，是利用一扭力桿以增加懸臂之垂直位移量和恢復(fù)力，增加其切換速度，另外以該懸臂的翹翹板形狀設(shè)計，并配合兩組電磁驅(qū)動裝置，具有快速切換的功效，并可降低串音效果、增加鏡面的控制性及準(zhǔn)確性。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些更動與潤飾，因此本發(fā)明保護范圍應(yīng)當(dāng)視權(quán)利要求書所要求保護的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電磁驅(qū)動的光開關(guān)，包括有一懸臂，為一薄片狀結(jié)構(gòu)；一扭力桿，位于該懸臂較長端的兩側(cè)；一鏡面，系形成于該懸臂上的一側(cè)；一平面線圈，形成位于該外罩底部之凹槽內(nèi)；以及一磁膜，是形成在該懸臂的下方，與該平面線圈成相對位置；其中，當(dāng)平面線圈產(chǎn)生磁力吸引磁膜時，帶動懸臂作垂直位移，使鏡面阻斷光束通過，在平面線圈磁力消失時，以扭力桿所產(chǎn)生的一恢復(fù)力將懸臂恢復(fù)至原來位置。
2.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中還包括有一制止器，形成在該懸臂下端的磁膜外側(cè)，用來作為懸臂垂直位移時的緩沖墊。
3.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該懸臂及扭力桿為一體成型的結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該懸臂是用干蝕刻硅芯片來完成。
5.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該懸臂是用濕蝕刻硅芯片來完成。
6.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該平面線圈是利用電鍍方式制作。
7.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該平面線圈的材質(zhì)是選自金與銅組合中的任意。
8.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該凹槽是利用干或濕蝕刻達(dá)成。
9.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該平面線圈是電鍍在凹槽中。
10.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該磁膜是用電鍍方式來完成。
11.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該磁膜的材料是選自鎳鐵合金、鎳鈷合金與鎳金屬的組合中任意。
12.如權(quán)利要求2所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該制止器的材料是選自鎳鐵合金、鎳鈷合金與鎳金屬的組合中任意。
13.如權(quán)利要求2所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該磁膜與制止器是在同一制作過程中完成。
14.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中該鏡面是采用金屬屏蔽metal mask的方式，以45度角將金屬鍍在硅鏡面上。
15.如權(quán)利要求1所述電磁驅(qū)動的光開關(guān)，其中鍍在該鏡面的金屬是選自金與鋁之組合中之任一。
16.一種電磁驅(qū)動光開關(guān)的制造方法，包括有下列步驟提供一第一基板；在該第一基板上按順序形成一磁膜、一制止器、一懸臂、一扭力桿、與一鏡面；提供一第二基板；在該第二基板上，形成一凹槽，并在該凹槽中形成一平面線圈；以及壓合該第一基板與該第二基板，完成光開關(guān)的組裝。
17.如權(quán)利要求16所述電磁驅(qū)動光開關(guān)的制造方法，其中壓合該第一基板與該第二基板的步驟中，是利用位于該第一基板中的一第一定位溝，與位于該第二基板中的一第二定位溝中所形成空隙，放置一啞光纖在該定位溝中，使得該第一基板與該第二基板可精確對位接合。
18.如權(quán)利要求17所述電磁驅(qū)動光開關(guān)的制造方法，其中該定位溝為一V型溝槽。
19.如權(quán)利要求16所述電磁驅(qū)動光開關(guān)的制造方法，其中該磁膜與該制止器是在同一制作過程步驟中完成。
20.如權(quán)利要求16所述電磁驅(qū)動光開關(guān)的制造方法，其中該懸臂與該扭力桿是在同一制作過程步驟中完成。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種電磁驅(qū)動的光開關(guān)及其制作方法，該開關(guān)包括有一懸臂(cantilever)，其上方設(shè)有一鏡面，懸臂下方設(shè)有一磁膜，在其相對位置處有一平面線圈，線圈與磁膜共同組成一電磁驅(qū)動單元，配合懸臂上的一扭力桿，使得懸臂可進行如蹺蹺板般的運動，帶動鏡面上下移動作為光開關(guān)；本發(fā)明所公開的光開關(guān)是利用IC制作過程以微機電技術(shù)制造而成，首先在一第一基板上形成懸臂、扭力桿、磁膜與鏡面，接著在一第二基板上形成上述之線圈，最后再由第一基板與第二基板上定位溝的精確對位結(jié)合，完成光開關(guān)的結(jié)構(gòu)。
文檔編號G02B6/35GK1506705SQ0215605
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月13日
發(fā)明者盧慧娟, 李新立, 張文陽, 李政鴻 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院