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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter zur Verwendung
in optischen Kommunikationssystemen oder dgl. und ein Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Durch
die neueren Entwicklungen optischer Netze kommt optischen Schaltern
als optischen Bauelementen nunmehr größte Bedeutung zu. Außerdem besteht
die Nachfrage nach ihrer Miniaturisierung im Zuge optischer Netze
mit ständig
steigender Kapazität.
Um diese Nachfrage zu befriedigen, ist ein miniaturisierter optischer
Schalter vorgeschlagen worden, dessen beweglicher Schaltabschnitt
unter Anwendung der Mikrobearbeitungstechnologie ausgeformt wird.
Seine Struktur ist in 1 dargestellt. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet
eine Silizium(Si)-Substrat, in das eine Nut durch Mikrobearbeitung
gefräst
wird, wodurch sich ein Paar paralleler einseitig eingespannter Arme 14a und 14b ergibt,
die an ihren freien Enden miteinander gekoppelt sind. Auf dem Substrat 10 nahe
den gegenüberliegenden Enden
der einseitig eingespannten Arme 14a und 14b sind
Führungsblöcke 11 und 13 in
Längsrichtung fest
angeordnet. Neben dem Führungsblock 13 befindet
sich ein weiterer Führungsblock 12,
der integral mit dem Kopplungsabschnitt der freien Enden der einseitig
eingespannten Arme ausgebildet ist. Der Führungsblock 12 ist
allseitig oder an seiner Unterseite mit einem weichmagnetischen
Film 19c beschichtet. Diese Führungsblöcke 11, 12 und 13 haben
die gleiche Höhe.
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Ein
Lichtwellenleiter 15A ist mit einem Ende am Führungsblock 12 befestigt
und wird über
die Oberseite des Führungsblocks 11 geführt und
von dieser getragen. Zwei Lichtwellenleiter 15B und 15C sind
an einem Ende parallel zum Führungsblock 13 befestigt.
Auf dem Substrat 10 sind an beiden Seiten des Führungsblocks 12 magnetische
Joche 19a und 19b angebracht, auf denen jeweils
Spulen 17a bzw. 17b gewickelt sind. Die magnetischen
Joche 19a und 19b sind in ihrer Mitte geteilt
und zwischen ihren Spalten sind Dauermagnete 18a und 18b eingeführt.
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Bei
einem optischen Schalter mit der oben beschriebenen Konstruktion
bewirkt das Anlegen einer Steuerspannung z. B. an die Spule 17a,
dass sie den weichmagnetischen Film 19c, mit dem der Führungsblock 12 beschichtet
ist, anzieht, um die einseitig eingespannten Arme 14a und 14b elastisch
zum magnetischen Joch 19a zu biegen, wodurch das Licht
emittierende Ende des Lichtwellenleiters 15A in eine Position
gebracht wird, in der es dem Licht empfangenden Ende des Lichtwellenleiters 15B gegenübersteht.
Umgekehrt bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Spule 17b des
Jochs 19b, dass das Licht emittierende Ende des Lichtwellenleiters 15A gegenüber dem
Licht empfangenden Ende des Lichtwellenleiters 15C steht.
Auf diese Weise kann das vom Lichtwellenleiter 15A emittierte
Licht wahlweise in die Lichtwellenleiter 15B und 15C geschickt
werden.
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Bei
der Herstellung eines solchen herkömmlichen optischen Schalters
besteht die Schwierigkeit in der Miniaturisierung der magnetischen
Joche 19a und 19b mit den darauf gewickelten Spulen 17a und 17b;
das Substrat 10 z. B. wird unvermeidlich bis zu ca. 20
mal 17 mm groß.
Es ist auch vorgeschlagen worden, den optischen Schalter dadurch
zu miniaturisieren, indem die Lichtwellenleiter in den einseitig eingespannten
Armen 14a und 14b von 1 ausgeformt
werden, aber die vorgeschlagene Struktur des optischen Schalters
treibt dennoch auf elektromagnetische Weise die einseitig eingespannten Arme
und misst ca. 16 mal 18 mm. Außerdem
hat der vorgeschlagene optische Schalter den Nachteil, dass der
Einfügungsverlust
des Wellenleiters bis zu einigen dB beträgt.
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Die
EP-A-0 219 358 offenbart einen optischen Schalter mit: einem Substrat;
einem auf dem Substrat angebrachten festen Elektrodenmittel; einem
beweglichen Elektrodenmittel, das gegenüber dem festen Elektrodenmittel
zu diesem beabstandet angeordnet ist; elastischen Stützmitteln
zum Koppeln des beweglichen Elektrodenmittels und des Substratmittels
und zum elastischen Abstützen
des beweglichen Elektrodenmittels, so dass das bewegliche Elektrodenmittel
um eine senkrechte Achse geschwenkt werden kann; wobei das bewegliche
Elektrodenmittel eine Licht empfangende Oberfläche hat und wobei das bewegliche
Elektrodenmittel durch EIN-AUS-Steuerung des Anlegens der Spannung über das
bewegliche Elektrodenmittel und das feste Elektrodenmittel in Richtung
des festen Elektrodenmittels versetzt und in seine Normalposition
zurückgebracht
wird, um den optischen Weg eines einfallenden Lichtstrahls selektiv
umzuschalten.
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Die
DE-C-38 17 035 offenbart einen mikromechanischen Schalter für Lichtwellenleiter
mit einem Substrat und einem schaukelähnlichen Schaltelement, das
aus dem Substrat geätzt,
aber noch mit diesem verbunden ist, so dass es schwenkbar vom Substrat
gelagert wird. Das Schaltelement trägt ein Stück eines Wellenleiters. Das
Stück des
Wellenleiters ist zwischen zwei anderen Wellenleitern so positioniert,
dass das Stück
des Wellenleiters in einer Schwenkposition des Schaltelements die
beiden anderen Wellenleiter verbindet, d. h. den optischen Weg schließt, während der
optische Weg zwischen den zwei anderen Wellenleitern in der anderen Schwenkposition
unterbrochen ist. In diesem Dokument werden verschiedene Möglichkeiten
zum Ansteuern des Schaltelements angedeutet, jedoch keine Einzelheiten
dargelegt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Schalter
bereitzustellen, der mit einer niedrigen Spannung angesteuert und
deshalb miniaturisiert werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen optischen Schalters.
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Diese
Aufgabe wird durch einen optischen Schalter gemäß Anspruch 1 bzw. 21 und ein
Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Anspruch 32 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Schalters
zeigt;
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2A ist
eine Draufsicht, die eine Verbesserung des Beispiels nach dem Stand
der Technik zeigt;
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2B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 2B-2B in 2A;
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3A bis 3I sind
Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung
des in den 2A und 2B dargestellten
optischen Schalters zeigen;
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4A ist
eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 4B-4B in 4A;
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5A bis 5I sind
Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung
des optischen Schalters gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigen;
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6 ist
eine Draufsicht einer Schalteranordnung in Matrixform, bei der die
optischen Schalter der 2A und 2B verwendet
werden;
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7 ist
eine Draufsicht einer Schalteranordnung in Matrixform, bei der die
optischen Schalter gemäß der ersten
Ausführungsform
verwendet werden;
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8A bis 8H sind
Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung
einer modifizierten Form des optischen Schalters gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigen;
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9A ist
eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9B ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 9B-9B in 9A;
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10 ist
eine Draufsicht, die die Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche
Elektrode zeigt;
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11 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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12 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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13 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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14 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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15 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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16 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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17 ist
eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung
für die
bewegliche Elektrode;
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18 ist
eine Draufsicht eines optischen Schaltmoduls, bei dem der optische
Schalter der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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19 ist
ein Graph der Mindeststeuerspannungen, die bezüglich der Schaltergröße gemessen wurden,
wobei die Dicke der elastischen Lagerung der Struktur von 18 als
Parameter dient; und
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20 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen der Mindeststeuerspannung
und der Leistungsaufnahme zeigt, die für verschiedene Schaltergrößen gemessen
wurden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
mögliche
Lösung
für die
oben beschriebenen Probleme des Beispiels nach dem Stand der Technik
ist die Struktur eines optischen Schalters, bei der: eine bewegliche
Elektrode elastisch in einer Öffnung
eines rahmenartigen Substrats gehalten wird; ein Spiegel fest an
der beweglichen Elektrode im rechten Winkel zur Elektrodenoberfläche angebracht ist;
eine feste Elektrode auf dem Substrat gegenüberliegend, aber im Abstand
zur Unterseite der beweglichen Elektrode angebracht ist; eine Steuerspannung über die
bewegliche und die feste Elektrode angelegt wird, um die erstgenannte
durch eine elektrostatische Kraft in Richtung der zweitgenannten
anzuziehen; und der optische Weg vom Licht emittierenden Ende eines
ersten Lichtwellenleiters zum Licht empfangenden Ende eines zweiten
Lichtwellenleiters durch den auf der beweglichen Elektrode angebrachten
Spiegel ein- und ausgeschaltet wird. Die 2A und 2B zeigen
eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines optischen Schalters
mit einer derartigen Struktur. In einer Öffnung 21a z. B. eines
rechteckigen rahmenförmigen
Silizium(Si)-Substrats 21A ist eine bewegliche Elektrode 24 mit
rechteckiger Form bei diesem Beispiel parallel zum Substrat 21A angeordnet,
wobei zwei gegenüberliegende
Seiten der Elektrode 24 mit feststehenden Abschnitten 22a und 22b auf
dem rahmenförmigen
Substrat 21A über elastische
Halterungsabschnitte 23a bzw. 23b gekoppelt sind.
Aufgrund der Lagerung durch die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b kann
sich die bewegliche Elektrode relativ zur Substratoberfläche senkrecht
bewegen. Auf der beweglichen Elektrode 24 ist ein Mikrospiegel 25 angebracht,
dessen reflektierende Oberfläche
im rechten Winkel zur Elektrodenoberfläche gehalten wird.
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An
der Unterseite ist die Öffnung 21a des Substrats 21A jedoch
durch ein leitfähiges
Substrat 21B abgedeckt, das als eine feste Elektrode gegenüberliegend,
aber im Abstand zur Oberflächenzone des
Substrats 21A angeordnet ist, das die bewegliche Elektrode 24 und
die Halterungsabschnitte 23a und 23b enthält.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist das leitfähige Substrat 21B so
bearbeitet, dass es der Öffnung 21a entspricht
und an der Unterseite des Substrats 21A mit diesem verbunden
ist. Die Oberseite des leitfähigen
Substrats 21B, die in der Öffnung 21a sitzt,
d. h. die Oberfläche
der festen Elektrode, wird in einer vorgegebenen Höhe unter
der Unterseite des Substrats 21A gehalten; damit ist eine
maximale Bewegung der beweglichen Elektrode 24 gegeben,
so dass sich der Mikrospiegel 25 nach oben und unten bewegen
kann, um den Durchgang des Lichtstrahls zu sperren oder zu gestatten.
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Beim
optischen Schalter 20 mit einer solchen Konstruktion sind
die feststehenden Abschnitte 22a, 22b, die elastischen
Halterungsabschnitte 23a, 23b und die bewegliche
Elektrode 24 integral aus demselben leitfähigen Material
wie Polysilizium geformt. Durch Anlegen einer Spannung über die
bewegliche Elektrode 24 und das leitfähige Substrat 21B wird
die erstgenannte durch elektrostatische Kraft in Richtung des zweitgenannten
ausgelenkt, so dass sich der senkrecht auf der beweglichen Elektrode 24 stehende
Mikrospiegel 25 relativ zur Substratoberfläche in senkrechter
Richtung bewegt, um dadurch den optischen Weg eines aus der Richtung
parallel zur Substratoberfläche
einfallenden Lichtstrahls umzuschalten.
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In 2A kennzeichnen
die Bezugszeichen 15A, 15B und 15C Lichtwellenleiter,
die z. B. um den optischen Schalter 20 herum angeordnet
sind; La kennzeichnet auf den optischen Schalter 20 fallendes
Licht und Lb und Lc kennzeichnen Licht, das vom optischen Schalter 20 emittiert
oder ausgestrahlt wird. Wenn der Mikrospiegel 25 in den
optischen Weg gebracht wird, reflektiert er das einfallende Licht La
und schickt das reflektierte Licht Lc in den Lichtwellenleiter 15C.
Wenn der Mikrospiegel 25 zur Seite der festen Elektrode
ausgelenkt wird und den optischen Weg freigibt, wird das einfallende
Licht La unverändert
als ausgehendes Licht Lc in den Lichtwellenleiter 15B geschickt.
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3 zeigt im Schnitt eine Abfolge von Schritten,
die bei der Herstellung des in den 2A und 2B dargestellten
optischen Schalters 20 beteiligt sind. Nachstehend folgt
eine Beschreibung jedes Herstellungsschrittes.
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Schritt
S1 (3A): Ein Siliziumsubstrat, das bei diesem Beispiel
quadratisch ist, wird als das Substrat 21A vorbereitet,
dessen Oberfläche
dann allseitig mit einem SiO2-Schutzfilm 2a mit
einer Dicke von ca. 1 μm
beschichtet wird.
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Schritt
S2 (3B): Der Schutzfilm 2a wird selektiv
weggeätzt,
um Löcher 2ah herzustellen,
die beispielsweise ca. 100 mal 100 μm messen, wo schließlich die
feststehenden Abschnitte 22a und 22b ausgeformt
werden.
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Schritt
S3 (3C): Ein leitfähiger
Polysiliziumfilm 2b wird auf dem gesamten Oberflächenbereich
des SiO2-Films 2a mit den Löchern 2ah auf
eine Dicke von ca. 3 μm
ausgebildet, um die feststehenden Abschnitte 22a, 22b,
die elastischen Halterungsabschnitte 23a, 23b und
die bewegliche Elektrode 24 als integrale Struktur zu bilden.
Der leitfähige
Polysiliziumfilm 2b ist vom P-Typ, in den Bor (B) thermisch eindiffundiert
wird.
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Schritt
S4 (3D): Der Polysiliziumfilm 2b wird selektiv
weggeätzt,
um die bewegliche Elektrode 24, die elastischen Halterungsabschnitte 23a, 23b und
die feststehenden Abschnitte 22a, 22b auszuformen.
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Schritt
S5 (3E): Ein SiO2-Schutzfilm 2c wird
allseitig über
die Ober- und Unterseite der Substratbaugruppe ausgebildet.
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Schritt
S6 (3F): Der Schutzfilm 2c wird selektiv
von der Zone an der Unterseite des Substrats 21A (gestrichelte
Linie 21b in 2A) weggeätzt, die der beweglichen Elektrode 24 und
den elastischen Halterungsabschnitten 23a und 23b entspricht.
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Schritt
S7 (3G): Das Substrat 21A wird unter Verwendung
einer KOH-Lösung
anisotrop geätzt,
um die Öffnung 21a zu
bilden.
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Schritt
S8 (3H): Die verbliebenen Schutzfilme 2a und 2c werden
entfernt.
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Schritt
S9 (3I): Das leitfähige
Substrat 21B, das wie erforderlich bearbeitet wurde, um
die feste Elektrode zu bilden, wird in die Öffnung 21a eingepasst
und mit dem Substrat 21A an dessen Unterseite verbunden.
Das leitfähige
Substrat 21B ist in diesem Beispiel ein leitfähiges Siliziumsubstrat
des N-Typs.
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Schließlich – wenn auch
nicht dargestellt – wird
der Mikrospiegel 25 auf der beweglichen Elektrode 24 angebracht.
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Wie
oben beschrieben nutzt der in den 2A und 2B dargestellte
optische Schalter anstelle der elektromagnetischen Kraft eine elektrostatische,
so dass er nicht mit den magnetischen Jochen 19a, 19b,
den Spulen 17a, 17b und den Dauermagneten 18a, 18b wie
in 1 dargestellt ausgeführt zu werden braucht. Deshalb
kann der optische Schalter der vorliegenden Erfindung entsprechend kleiner
hergestellt werden.
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Bei
der Struktur, bei der die Öffnung 21a durch
selektives Wegätzen
des Substrats 21A von dessen Unterseite ausgeformt und
das leitfähige Substrat
von der Unterseite des Substrats 21A aus mit der Öffnung 21a wie
oben beschrieben verbunden wird, hat das Substrat 21A eine
rahmenartige Konfiguration, so dass die Rahmenbreite groß genug sein
muss, um dem Substrat selbst eine hinreichende mechanische Festigkeit
zu verleihen und eine ausreichende Fläche für die Verbindung mit dem Substrat 21B bereitzustellen.
Um diese Anforderungen zu erfüllen,
ist es erforderlich, die Außenabmessungen des
optischen Schalters 20 relativ zu der von der gestrichelten
Linie 21b in 2A umgrenzten Bauelementfläche etwas
größer vorzusehen.
Im Falle der Verwendung eines Silizium (Si)-Substrats als Substrat 21A und
der Ausbildung der Öffnung 21a durch anisotropes Ätzen muss
die Fläche
der Öffnung 21a in
der Unterseite des Substrats 21A besonders groß sein,
da die innere Stirnseite der Öffnung 21a konisch verläuft, wie
in 2B dargestellt ist. Dadurch wird das Substrat 21A größer, was
ein Hindernis für
die Verkleinerung des optischen Schalters bedeutet.
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Außerdem wird
durch das Verbinden des leitfähigen
Substrats 21B die Fertigungsgenauigkeit unweigerlich verringert,
und es kann nicht behauptet werden, dass die Positioniergenauigkeit
auf der Oberseite des leitfähigen
Substrats 21B, d. h. die Positioniergenauigkeit der Oberfläche der
festen Elektrode hoch ist.
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Des
Weiteren beinhaltet die Herstellung des obigen optischen Schalters
den Verbindungsschritt zusätzlich
zu einer Reihe von Schritten zur Ausbildung von Filmen und Ätzschritten,
so dass der Prozess komplex sowie zeit- und arbeitsaufwändig ist. Die
nachstehende Beschreibung von Ausführungsformen des optischen
Schalters der vorliegenden Erfindung soll solche Nachteile überwinden.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist eine bewegliche Elektrode auf einem leitfähigen Substrat
parallel zur Substratoberfläche
angeordnet, im rechten Winkel zur Substratoberfläche auslenkbar und auf der
beweglichen Elektrode ist ein Mikrospiegel angebracht. Ein Niederbodenabschnitt
ist im Substrat durch Ätzen
ausgeformt, und der Grund des Niederbodenabschnitts dient als Oberfläche der
festen Elektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt
und zu dieser parallel verläuft.
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Die 4A und 4B zeigen
den optischen Schalter gemäß der ersten
Ausführungsform, wobei
Teile, die denen in den 2A und 2B entsprechen,
mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform
besteht das Substrat 21 aus einem leitfähigen Material und hat einen
in seiner Oberfläche
durch Ätzen
ausgeformten Niederbodenabschnitt 21L; die Grundoberfläche des
Niederbodenabschnitts 21L bildet die Oberfläche der
festen Elektrode, die sich neben, aber parallel zur beweglichen
Elektrode 24 befindet. Das Substrat 21 dient nämlich als
feste Elektrode. Die bewegliche Elektrode 24 wird durch
die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b,
die wie bei der ersten Ausführungsform
gemäß 2A und 2B integral
mit der Elektrode 24 ausgeformt sind, gelagert. Auf der
beweglichen Elektrode 24 ist der Mikrospiegel 25 angebracht.
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Anhand
der 5A bis 5I wird
ein Verfahren zur Herstellung des in den 4A und 4B dargestellten
optischen Schalters beschrieben.
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Schritt
S1 (5A): Beispielsweise wird ein quadratisches leitfähiges Siliziumsubstrat 21 des N-Typs allseitig auf
seiner oberen Oberfläche
mit einem leitfähigen
Polysiliziumfilm 2d des P-Typs, in das Bor (B) thermisch
eindiffundiert wird, beschichtet.
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Schritt
S2 (5B): Ein SiO2-Schutzfilm 2a wird
allseitig über
der Oberfläche
des Polysiliziumfilms 2d ausgebildet.
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Schritt
S3 (5C): Der Schutzfilm 2a wird selektiv
entfernt, um darin Löcher 2ah an
den Stellen auszuformen, wo die feststehenden Abschnitte 22a und 22b gebildet
werden sollen.
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Schritt
S4 (5D): Ein leitfähiger
Polysiliziumfilm 2b des P-Typs wird über der gesamten Oberfläche des
Schutzfilms 2a einschließlich der freigelegten Bereiche 2ah ausgebildet.
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Schritt
S5 (5E): Der leitfähige
Polysiliziumfilm 2b des P-Typs wird selektiv weggeätzt, um
die bewegliche Elektrode 24, die elastischen Halterungsabschnitte 23a, 23b und
die feststehenden Abschnitte 22a, 22b auszuformen.
Zu diesem Zeitpunkt wird eine Mehrzahl Durchgangslöcher 24h in
Matrixform durch die bewegliche Elektrode 24 gebohrt, wie
aus 4A ersichtlich ist.
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Schritt
S6 (5F): Ein SiO2-Schutzfilm 2c wird über der
gesamten Fläche
der Ober- und Unterseite der Substratbaugruppe ausgebildet.
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Schritt
S7 (5G): Die SiO2-Filme 2a und 2c auf
der Oberseite (der Seite nahe der beweglichen Elektrode 24)
der Substratbaugruppe werden strukturiert, um Durchgangslöcher 24t zu
bilden, die sich auf die Durchgangslöcher 24h der beweglichen
Elektrode 24 ausgerichtet bis hinunter zum Polysiliziumfilm 2d erstrecken.
Gleichzeitig werden die SiO2-Filme 2a und 2c strukturiert,
so dass ihre äußere Form etwas
größer ist
als die der beweglichen Elektrode 24 und der elastischen
Halterungsabschnitte 23a, 23b, aber erforderlichenfalls
größer als
die äußere Form der
feststehenden Abschnitte 22a und 22b.
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Schritt
S8 (5H): Das Substrat 21 wird mittels einer
KOH-Lösung
geätzt.
Die KOH-Lösung fließt durch
die Durchgangslöcher 24t zum
Polysiliziumfilm 2d, wodurch der Polysiliziumfilm 2d durch
anisotropes Ätzen
weggeätzt
wird, um das Siliziumsubstrat 21 freizulegen, das ebenfalls
anisotrop geätzt wird,
um den Niederbodenabschnitt 21L zu formen. Der Polysiliziumfilm 2d unter
den feststehenden Abschnitten 22a und 22b ist übrigens
von den Schutzfilmen 2a und 2c abgedeckt, die
hinreichend dicker sind als der oben genannte Film 2d,
so dass der Polysiliziumfilm 2d ungeätzt bleibt (d. h. die Dicke
des Polysiliziumfilms 2d und die Durchmesser der Maskenstrukturen
der Schutzfilme 2a und 2c über den feststehenden Abschnitten 22a und 22b werden
entsprechend bestimmt.
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Schritt
S9 (5I): Die Schutzfilme 2a und 2c werden
entfernt.
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Daran
schließt
sich – wenn
auch nicht dargestellt – das
Anbringen des Mikrospiegels 25 auf der beweglichen Elektrode 24 an,
um den optischen Schalter 20 fertigzustellen. Der Mikroschalter 25 wird gebildet
durch: Abscheiden eines Metallstegs als Kern für eine galvanische Beschichtung
an der Position, wo der Mikrospiegel 25 auf der beweglichen Elektrode 24 auszuformen
ist, z. B. in 3I; allseitiges Beschichten
der Substratoberfläche
mit einem Resist-Film auf eine Dicke, die etwas größer ist
als die Höhe
des auszuformenden Mikrospiegels 25; selektives Wegätzen des
Resist-Films, um
ein Loch mit einer Form entsprechend dem auszuformenden Mikrospiegel 25 zu
bilden, das sich nach unten bis zum Metallsteg erstreckt: Füllen des
Lochs mit Gold (Au), Nickel (Ni) oder einem ähnlichen Metall durch galvanisches
Beschichten; und Entfernen des Resist-Films zum Ausbilden des Mikrospiegels 25 auf der
beweglichen Elektrode 24. Bei dem später beschriebenen optischen
Schaltmodul wird z. B. ein Goldblock mit den Abmessungen 45 × 200 × 40 μm als Mikrospiegel
ausgeformt. Alternativ kann der Mikrospiegel erhalten werden, indem
eine Spiegelträgerplatte
aus einem Resist-Material auf der beweglichen Elektrode 24 an
der Position, wo der Mikrospiegel ausgeformt werden soll, gebildet
wird und dann Gold, Nickel oder ein ähnliches Metall auf der Trägerplatte
aufgedampft wird.
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Im
oben beschriebenen Schritt S1 diffundiert das in den Polysiliziumfilm 2d thermisch
eindiffundierte Bor (B) nach unten zur Oberflächenzone des Siliziumsubstrats 21 den
N-Typs, um einen PN-Übergang
zu bilden. Wenn also eine Steuergleichspannung über die bewegliche Elektrode 24 und
das Siliziumsubstrat 21 angelegt wird, wobei die erstgenannte
relativ zum zweitgenannten negativ ist, wird der PN-Übergang
in Sperrrichtung betrieben, wodurch der Durchgang des Gleichstroms
durch das feststehende Teil 22 und den Polysiliziumfilm 2d gesperrt
ist.
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Bei
dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann nach der Ausbildung
der beweglichen Elektrode 24, der elastischen Halterungsabschnitte 23a, 23b usw.
der Niederbodenabschnitt 21L tief genug im Substrat 21 ausgebildet
werden, um die Auslenkung der beweglichen Elektrode 24 zu
gestatten, indem es selektiv von der Seite weggeätzt wird, wo die oben genannten
Elemente bereitgestellt sind. Der Grund des Niederbodenabschnitts 21L dient
als die Oberfläche
der festen Elektrode gegenüber
der beweglichen Elektrode 24.
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Somit
entfällt
bei dieser Ausführungsform der
Verbindungsschritt, der bei der Herstellung des optischen Schalters 20 gemäß der Ausführungsform von 2 erforderlich ist, womit eine genaue
und einfache Fertigung des optischen Schalters möglich ist.
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Da
außerdem
keine Notwendigkeit besteht, die Öffnung 21a im Substrat 21A auszuformen
wie bei den 2A und 2B, d.
h., das Substrat 21 ist nicht rahmenförmig, wird die Zone zur Bereitstellung der
erforderlichen Rahmenbreite überflüssig, wodurch
der optische Schalter 20 entsprechend kleiner wird.
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Die 6 und 7 zeigen
im Prinzip die Größendifferenz
zwischen den 2 × 2-Matrizen
optischer Schalter der Struktur von 2 bzw. 4.
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Wenn
im Fall von 6 die Öffnung 21a im z. B.
400 μm dicken
Substrat 21A durch anisotropes Ätzen ausgeformt wird, erfordert
die Ausbildung der 1 × 1
mm in der Substratoberfläche
messenden Öffnung 21a die
Bildung eines ca. 1,6 × 1,6
mm großen Ätzfensters 21w in
der Unterseite des Substrats. Hinsichtlich der mechanischen Festigkeit
und der Verbindungsfläche
für das
Substrat 21B ist es erforderlich, dass die Breiten W1 und W2 mindestens
ca. 1 mm messen. Wie aus 6 ersichtlich ist, verursachen
diese Rahmenabschnitte einen erheblichen Verlust der effektiven
Fläche
der optischen Schaltermatrix.
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Im
Gegensatz zur obigen Anordnung benötigt die optische Schaltermatrix
von 7 die oben genannten Rahmenabschnitte nicht und
gestattet eine deutliche Verringerung des Abstandes zwischen benachbarten
Schaltelementen (z. B. 10 μm
oder weniger). Demzufolge ist die Struktur des optischen Schalters
der Ausführungsform
von 7 hervorragend zur Miniaturisierung der Schaltermatrix
geeignet.
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Wie
oben beschrieben ist beim optischen Schalter der ersten Ausführungsform
die Ausbildung der rahmenartigen Zone des Substrats 21A um
jedes Schaltelement wie im Fall des in den 2A und 2B dargestellten
optischen Schalters 20 nicht erforderlich. Somit kann der
optische Schalter in Matrixanordnung besonders klein ausgeführt werden.
Außerdem
verkürzt
die Miniaturisierung der Struktur des Bauelements den optischen
Weg weiter, was eine höhere
optische Leistung bewirkt.
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Ferner
wird bei dieser Ausführungsform
keine Struktur mit Substratverbindung wie beim optischen Schalter
von 2 verwendet, so dass das Problem
der geringeren Positioniergenauigkeit der Oberfläche der festen Elektrode durch
das Verbinden oder durch den Einfluss von Spannungen beim Verbinden
gelöst
wird. Da außerdem
kein Verbindungsschritt beteiligt ist, kann der Herstellungsprozess
entsprechend vereinfacht werden.
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Beim
Herstellungsprozess des optischen Schalters dieser oben unter Bezugnahme
auf die 5A bis 5I beschriebenen
Ausführungsform werden
der Polysiliziumfilm 2d und das Siliziumsubstrat 21 mit
entgegengesetzter Leitfähigkeit
hergestellt, ein PN-Übergang
wird im Substrat unter seiner Oberfläche gebildet, und der die bewegliche
Elektrode 24 und den elastischen Halterungsabschnitt 23 bildende
Polysiliziumfilm 2b wird durch die im SiO2-Schutzfilm 2a gebildeten
Löcher 2ah (5C) mit
dem Polysiliziumfilm 2d verbunden. Wie in den 8A bis 8H dargestellt
ist, kann der SiO2-Schutzfilm 2a auch als Isolierschicht
ohne Herstellung der Löcher 2ah im
Schritt gemäß 5C belassen
werden. Das bedeutet, dass der Polysiliziumfilm 2b allseitig über dem
SiO2-Schutzfilm 2a, der im Schritt
von 8B aufgebracht wird, ausgebildet wird und dann
werden genau die gleichen Fertigungsschritte gemäß den 8D bis 8H wie
in den 5E bis 5I ausgeführt, in
denen der Polysiliziumfilm 2d und der SiO2-Film
als Isolierschicht 2a zwischen dem Siliziumsubstrat 21 und
den feststehenden Abschnitten 22 nicht entfernt werden.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
zuvor beschrieben nutzt die vorliegende Erfindung die elektrostatische
Kraft für
die Auf- und Abwärtsbewegung
durch EIN-AUS-Steuerung der Spannung, die über die bewegliche und die
feste Elektrode angelegt wird, allerdings ist bei der Ausführungsform
von 2 eine relativ hohe Steuerspannung
erforderlich. Um die Steuerspannung zu senken, müssen die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b durch
größere Längen und/oder
eine Vergrößerung der
Fläche
der beweglichen Elektrode 24 flexibel gemacht werden. Die
Verlängerung
der elastischen Halterungsabschnitte 22 und die Vergrößerung der
Fläche
der beweglichen Elektrode 24 führt unweigerlich zu einem großen optischen
Schalter. Dies führt
mit Sicherheit zu einer unerwünschten Vergrößerung einer
hochintegrierten optischen Schaltmatrix mit mehrfachen Ein- und
Ausgängen (optischer
Matrix-Schalter)
aus optischen Schaltern, die in einer N × M-Matrixform angeordnet sind.
Es folgt eine Beschreibung eines verbesserten optischen Schalters
zur Verringerung der Steuerspannung, ohne dass der Schalter dadurch
groß wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird eine quadratische Schalterzone 40 gewählt, die
durch die Umhüllende
des Außenumfangs
der von einer beweglichen Elektrodenplatte und elastischen Halterungsabschnitten
belegten Zone begrenzt wird. Eine bewegliche Elektrode in der Schalterzone 40,
ein senkrecht auf der beweglichen Elektrode stehender Spiegel und
die elastischen Halterungsabschnitte, die sich ebenfalls in der
Schalterzone 40 befinden, sind oberhalb eines Substrats
angeordnet, das eine feste Elektrode gegenüber der beweglichen Elektrodenplatte bildet.
Die elastischen Halterungsabschnitte sind an einem Ende mit den
Rändern
der beweglichen Elektrode und am anderen Ende mit dem Substrat an
den Rändern
der Schalterzone 40 gekoppelt. Die elastischen Halterungsabschnitte
verlaufen zick-zack-förmig
zwischen den gegenüberliegenden
Enden, so dass sie im Wesentlichen die gesamte Schalterzone mit
Ausnahme des von der beweglichen Elektrode belegten Bereichs einnehmen.
Mit einer solchen Struktur kann die Nutzung der Elektrodenfläche im Schalterbereich
maximiert werden, wodurch die Steuerspannung entsprechend gesenkt
wird.
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Die 9A und 9B stellen
den optischen Schalter gemäß der zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar. Eine bewegliche Elektrodenplatte 24 ist über einem
quadratischen Substrat 21A parallel zu diesem angeordnet
und auf diesem durch elastische Halterungsabschnitte 23a bis 23d gelagert.
Um die Länge
jedes der Halterungsabschnitte 23a bis 23d zu
vergrößern, sind
sie in Form eines Zick-Zack-Streifens in im Wesentlichen derselben
Ebene wie die bewegliche Elektrodenplatte 24 angeordnet.
Die von den Halterungsabschnitten 23a bis 23d belegten
Zonen 31a bis 31d und die von der beweglichen
Elektrodenplatte 24 (241 bis 245) belegte
Zone bilden eine Schalterzone, die bei diesem Beispiel in ihrer
Gesamtheit im Wesentlichen quadratisch ist, d. h. eine quadratische
Schalterzone (die im Folgenden auch als Schalterumhüllende bezeichnet
wird) 40 mit einer mit L4 gekennzeichneten Seite.
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Bei
dieser Ausführungsform
hat die quadratische bewegliche Elektrodenplatte 24 rechteckige ausgeschnittene Öffnungen 32a bis 32d in
den zentralen Abschnitten ihrer vier Seiten und die elastischen
Halterungsabschnitte 23a bis 23d sind in den ausgeschnittenen Öffnungen 32a bis 32d angeordnet.
Die äußeren Enden
der elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d sind
mit den feststehenden Abschnitten 22a bis 22d verbunden,
die auf dem Substrat 21A in den Mittelpunkten der jeweiligen
Seite der beweglichen Elektrodenplatte 24 stehen, und ihre
inneren Enden sind an den Mittelpunkten der inneren Enden der ausgeschnittenen Öffnungen 32a bis 32d mit
der beweglichen Elektrodenplatte 24 verbunden. Die elastischen
Halterungsabschnitte 23a bis 23d verlaufen zwischen
ihren inneren und äußeren Enden
in Zick-Zack-Form über
die gesamten Zonen der ausge schnittenen Öffnungen 23a bis 23d.
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Das
heißt,
die elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d sind
an ihrem inneren Ende mit den Mittelpunkten der entsprechenden Seite
des zentralen quadratischen Abschnitts 245 der beweglichen
Elektrodenplatte 24 verbunden, verlaufen in Zick-Zack-Form
nach außen
und sind jeweils mit den feststehenden Abschnitten 22a bis 22d verbunden. Die
quadratischen Abschnitte 241, 242 und 243 am Umfang
der beweglichen Elektrodenplatte 24 überlappen die vier Ecken des
zentralen quadratischen Abschnitts 245 abwechselnd mit
den elastischen Halterungsabschnitten 23a bis 23d.
Die Breite L2 des zick-zack-förmigen
elastischen Halterungsabschnitts 23 ist etwas kleiner gewählt als
die Breite W1 der ausgeschnittenen Öffnung 32.
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Die
elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d sind
mit den oberen Enden der feststehenden Abschnitte 22a bis 22d auf
dem Substrat 21A verbunden, die die bewegliche Elektrodenplatte 24 im Abstand
D1 zum Substrat 21A tragen. Wegen ihrer zick-zack-förmigen Streifenstruktur
sind die Halterungsabschnitte 23a bis 23d elastisch
und folglich kann die bewegliche Elektrodenplatte 24 senkrecht zum
Substrat 21A ausgelenkt werden. Das Substrat 21A,
die bewegliche Elektrodenplatte 24, die Halterungsabschnitte 23a bis 23d und
die feststehenden Abschnitte 22a bis 22d können als
integrale Struktur ausgeformt werden.
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Die
Struktur des optischen Schalters dieser Ausführungsform ist gleich der Struktur
der Ausführungsform
von 2 mit Ausnahme der Struktur der beweglichen
Elektrodenplatte 24 und der elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d.
Folglich kann der optische Schalter dieser Ausführungsform in ähnlicher
Weise z. B. mittels der gleichen Herstellungsschritte wie in den 3A bis 3I dargestellt
gefertigt werden. Das heißt,
der SiO2-Schutzfilm 2a wird allseitig über dem
Siliziumsubstrat 21A ausgebildet wie in 3A dargestellt
(Schritt S1) und der Schutzfilm 2a wird selektiv photolithographisch
entfernt, um darin die Löcher 2ah an
den Positionen auszuformen, wo die feststehenden Abschnitte 22a bis 22d bereitzustellen
sind, wie in 3B dargestellt ist (Schritt
S2). Dann wird die Polysiliziumschicht 2c zum Ausbilden
der beweglichen Elektrodenplatte 24 über dem gesamten Oberflächenbereich
der Substratbaugruppe aufgebracht wie in 3C (Schritt
S3) dargestellt und die Polysiliziumschicht 2b wird photolithographisch
strukturiert, um die bewegliche Elektrodenplatte 24, die
Halterungsabschnitte 23a bis 23d und die feststehenden
Abschnitte 22a bis 22d zu formen, wie in 3D (Schritt
S4) dargestellt ist.
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Als
Nächstes
wird der SiO2-Schutzfilm 2c über dem
gesamten Oberflächenbereich
der Substratbaugruppe und über
der gesamten Unterseite des Substrats 21A ausgebildet,
wie in 3E (Schritt S5) dargestellt
ist; dann wird der auf der gesamten Unterseite des Substrats 21A aufgebrachte
Schutzfilm 2c entfernt, so dass nur sein Randabschnitt
wie in 3F dargestellt verbleibt, und
das Substrat 21A wird mittels der KOH-Lösung weggeätzt, wobei der verbliebene
Schutzfilm 2c als Maske dient (Schritt S6), so dass die
große Öffnung 21a im
Abschnitt des Substrats 21A ausgeformt wird, die der beweglichen Elektrodenplatte 24 entspricht,
und das Substrat 21A nur an seinem Randabschnitt verbleibt
(Schritt S7). Danach werden die SiO2-Schutzfilme 2a, 2b und 2c durch
chemisches Ätzen
entfernt, um eine Struktur zu erhalten, die die bewegliche Elektrodenplatte 24 über dem
rahmenförmigen
Substrat 21A trägt,
wie in 3H (Schritt S8) dargestellt
ist. Anschließend
wird wie in 3I gezeigt das leitfähige Siliziumsubstrat 21B von
der Seite gegenüber
der beweglichen Elektrodenplatte 24 aus in die Öffnung 21a des
Substrats 21A eingesetzt und mit dem Substrat 21A verbunden.
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Der
Spiegel 25 wird auf der beweglichen Elektrodenplatte 24 wie
in den 9A und 9B gezeigt
durch das gleiche Verfahren wie oben bei der ersten Ausführungsform
beschrieben angebracht. Der Spiegel 25 wird z. B. unter
45° zur
Richtung einer Linie angeordnet, die die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b verbindet.
Der Spiegel 25 kann integral mit der beweglichen Elektrodenplatte 24 oder getrennt
ausgeformt und fest an der beweglichen Elektrodenplatte 24 gesichert
werden. Die bewegliche Elektrodenplatte 24 und die elastischen
Halterungsabschnitte 23a bis 23d werden z. B.
mit einer Dicke von 2 bis 5 μm
ausgeformt.
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Obwohl
die Ausführungsform
so beschrieben worden ist, dass das leitfähige Substrat 21B mit dem
rahmenförmigen
Substrat 21A verbunden wird wie im Fall des optischen Schalters
von 2, ist es auch möglich, als
feste Elektrode den Niederbodenabschnitt 21L im leitfähigen Substrat 21 auszuformen wie
bei der in den 4A und 4B dargestellten ersten
Ausführungsform.
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Auch
beim optischen Schalter dieser Ausführungsform fällt der
Lichtstrahl La von der Eingangsseite des Lichtwellenleiters 15A auf
der linken Seite in 9A auf den Spiegel 25,
wird von diesem reflektiert und dann in die Ausgangsseite des Lichtwellenleiters 15C geschickt.
Wenn eine Spannung über
der beweglichen Elektrodenplatte 24 und dem Substrat 21B angelegt
ist, um dazwischen eine elektrostatische Kraft zu erzeugen, wird
die bewegliche Elektrodenplatte 24 in Richtung des Substrats 21B ausgelenkt,
so dass der Lichtstrahl La vom Lichtwellenleiter 15A über dem
Spiegel 25 vorbeigeht, um auf der Ausgangsseite des anderen
Lichtwellenleiters 15B auf der rechten Seite in 9A aufzutreffen.
Der Lichtstrahl La vom Lichtwellenleiter 15A kann also durch
selektives Anlegen einer Spannung über die bewegliche Elektrodenplatte 24 und
das Substrat 21B selektiv zwischen den Lichtwellenleitern 15B und 15C umgeschaltet
werden.
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Der
optische Schalter dieser Ausführungsform
hat folgende Abmessungen: 1000 μm
Seitenlänge
L4 der beweglichen Elektrodenplatte 24; 300 μm Länge jedes
der elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d;
200 μm Breite
L2 jedes Zick-Zack-Halterungsabschnitts; 10 μm Breite W2 des Zick-Zack-Streifens; 50 × 50 μm quadratischer Querschnitt
jedes der feststehenden Abschnitte 22a bis 22d;
und 30 μm
Länge L3
jedes Abschnitts, der dem zentralen quadratischen Abschnitt 32a und
jedem der quadratischen Umfangsabschnitte 241 bis 244 gemeinsam
ist.
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Da
die quadratische bewegliche Elektrodenplatte 24 teilweise
mit Ausschnitten versehen ist, um darin Öffnungen zu bilden, und die
elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d in
den ausgeschnittenen Öffnungen 32a bis 32d angeordnet
sind, kann die Fläche
der quadratischen beweglichen Elektrodenplatte 24 groß sein.
Da außerdem
die elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d jeweils
in Form eines Zick-Zack-Streifens bereitgestellt werden, ist der Streifen
relativ zur Länge
L1 des Halterungsabschnitts 23 lang, wodurch es möglich ist,
den erforderlichen Auslenkungsgrad mit einer geringen elektrostatischen
Kraft zu erzielen. Bei der in den 2A und 2B dargestellten
ersten Ausführungsform
ist die bewegliche Elektrodenplatte 24 nur auf den zentralen
quadratischen Abschnitt 245 beschränkt, aber bei dieser Ausführungsform
sind die elastischen Halterungsab schnitte 23a bis 23d und
die quadratischen Umfangsabschnitte 241 bis 244 abwechselnd
um den zentralen quadratischen Abschnitt 245 angeordnet
und mit diesem verbunden, wodurch eine erheblich größere Fläche für die bewegliche
Elektrodenplatte 24 bereitgestellt wird. Bei den obigen
Beispielen mit verschiedenen Zahlenwerten beträgt die Fläche des zentralen quadratischen
Bereichs 245 300 × 300
(μm2), so dass klar ist, dass die Fläche der
beweglichen Elektrodenplatte 24 um die Summe der Flächen der
vier quadratischen Umfangsbereiche 241 bis 244,
d. h. 4 × 380 × 380 μm, größer ist
als die der Ausführungsform
von 2. Andererseits sind die ausgeschnittenen Öffnungen
in der beweglichen Elektrodenplatte 24 vorgesehen und die
elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d in
den ausgeschnittenen Öffnungen
angeordnet, wodurch die Größe der gesamten
Struktur deutlich verringert wird. Nachstehend werden einige Beispiele
von Konfigurationen der beweglichen Elektrode, jedes elastischen Halterungsabschnitts
und jedes feststehenden Abschnitts beschrieben.
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Während bei
der Ausführungsform
von 9 die bewegliche Elektrodenplatte 24 an
vier Punkten von den elastischen Halterungsabschnitten 23a bis 23d um
jeweils 45° um
den Mittelpunkt der Platte 24 versetzt getragen wird, kann
sie auch an zwei Punkten von zwei elastischen Halterungsabschnitten 23a und 23b um
180° versetzt
getragen werden, wie in 10 dargestellt
ist. In diesem Fall hat der optische Schalter die nachstehend aufgeführten Abmessungen.
Die bewegliche Elektrodenplatte 24 ist eine quadratische
Platte (mit zwei rechteckigen ausgeschnittenen Öffnungen 32a und 32b)
und misst 1000 × 1000 μm; die Länge L1 jedes
der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b beträgt 300 μm; die Breite
L2 jedes Zick-Zack-Halterungsabschnitts beträgt 200 μm; die Streifenbreite W2 beträgt 10 μm; die feststehenden
Abschnitte 22a und 22b haben jeweils einen Querschnitt
von 5 × 50 μm; der Abstand L3
zwischen den inneren Enden der ausgeschnittenen Öffnungen 32a und 32b beträgt 300 μm; und die Breite
W1 jeder der ausgeschnittenen Öffnungen 32a und 32b beträgt 240 μm. Bei der
Ausführungsform von 10 hat übrigens
das Substrat 21 etwa die gleiche Konfiguration wie die
quadratische Konfiguration der beweglichen Elektrodenplatte 24.
Das bedeutet, dass die Größe dieses
optischen Schalters in der waagrechten Ebene die gleiche ist wie
die der beweglichen Elektrodenplatte 24 und der Außenumfang des
optischen Schalters 100 × 100 μm in den
oben genannten Beispielen der verschiedenen Zahlenwerte misst.
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Die
bewegliche Elektrodenplatte 24 kann auch auf einem Punkt
getragen werden, wie in 11 dargestellt
ist. Das heißt,
zwei elastische Halterungsabschnitte 23a und 23b sind
entlang einer Seite der beweglichen Elektrodenplatte 24 angeordnet
und die entfernten Enden der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b sind über die
feststehenden Abschnitte 22a bzw. 22b mit dem
Substrat 21 verbunden, während die nahen Enden miteinander verbunden
sind, wobei der Verbindungspunkt über einen Kopplungsabschnitt 33 mit
dem Mittelpunkt der angrenzenden Seite der beweglichen Elektrodenplatte 24 verbunden
ist. Mit anderen Worten, die bewegliche Elektrodenplatte 24 wird
an einer Seite von den elastischen Halterungsabschnitten 23a und 23b über den
Kopplungsabschnitt 33 getragen. Die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b befinden sich
in den ausgeschnittenen Öffnungen 32a und 32b,
die durch Ausschneiden eines Teils der quadratischen beweglichen
Elektrodenplatte 24 entlang einer ihrer Seiten gebildet
werden.
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Ein
Beispiel der Zahlenwerte für
diesen Fall lautet wie folgt: längere
Seite L4 der beweglichen Elektrodenplatte 24 1000 μm; kürzere Seite
L5 780 μm;
Länge L1
jedes der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b 450 μm; Breite
L2 jedes Zick-Zack-Halterungsabschnitts 200 μm; Streifenbreite W1 10 μm; Länge L3 des
Kopplungsabschnitts 33 115 μm und seine Breite W2 10 μm; und Querschnitt
jedes der feststehenden Abschnitte 22a und 22b 50 × 50 μm. Die Außenabmessungen
des optischen Schalters sind 1000 × 1000 μm.
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Obwohl
die bewegliche Elektrodenplatte 24 an einem Punkt getragen
wird, kann sie auch wie in 12 dargestellt
ausgeformt werden. Das heißt, dass
die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b entlang
der beiden längeren
Seiten einer rechteckigen beweglichen Elektrodenplatte 24 angeordnet sind;
die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b sind
an einem Ende derselben Seiten über
die feststehenden Abschnitte 22a bzw. 22b mit
dem Substrat 21 und am anderen Ende mit den gegenüberliegenden
Enden eines Kopplungsstreifens 34 verbunden, der an seinem
Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt einer kürzeren Seite der beweglichen
Elektrodenplatte 24 verbunden ist. Somit ist die bewegliche
Elektrodenplatte 24 mit Ausnahme einer kürzeren Seite
von den elastischen Halterungsabschnitten 23a und 23b sowie
dem Kopplungsstreifen 34 umgeben. Es zeigt sich, dass nach
dem Abschneiden zweier gegenüberliegender
Randabschnitte der quadratischen beweglichen Elektrodenplatte 24 die
Halterungsabschnitte 23a und 23b deren Platz einnehmen.
Bei dieser Struktur kann die Länge
der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b vergrößert werden.
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Die
verschiedenen Abmessungen in diesem Fall sind z. B.: Länge L1 jedes
der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b 940 μm; Länge L2 jedes
Zick-Zack-Halterungsabschnitts 200 μm; Streifenbreite 10 μm; Länge L3 des
Kopplungsstreifens 34 810 μm und Breite W2 10 μm; Querschnitt
jedes der feststehenden Abschnitte 22a und 22b 50 × 50 μm; längere Seite
L4 der beweglichen Elektrodenplatte 24 970 μm und kürzere Seite
L5 560 μm.
Die Außenabmessungen
des optischen Schalters sind 1000 × 1000 μm.
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Wie
in 13 dargestellt kann der Kopplungsstreifen 34 entfallen,
wobei in diesem Fall die elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b über Kopplungsabschnitte 33a bzw. 33b mit
beiden Enden der kürzeren
Seite der beweglichen Elektrodenplatte 24 gekoppelt sind.
Die verschiedenen Abmessungen in diesem Fall sind z. B.: Länge L1 jedes
der elastischen Halterungsabschnitte 23a und 23b 940 μm; Breite
L2 jedes Zick-Zack-Halterungsabschnitts 200 μm; Streifenbreite 10 μm; Länge L3 jedes
der Kopplungsabschnitte 33a und 33b 125 μm und Breite
W2 10 μm;
Querschnitt jedes der feststehenden Abschnitte 22a und 22b 50 × 50 μm; längere Seite
L4 der beweglichen Elektrodenplatte 24 1000 μm und kürzere Seite
L5 560 μm.
Die Außenabmessungen des
optischen Schalters sind 1000 × 1000 μm.
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14 zeigt
eine andere modifizierte Form von 11, bei
der die elastischen Halterungsabschnitte 23c, 23d in
der beweglichen Elektrodenplatte 24 an der von den elastischen
Halterungsabschnitten 23a, 23b entfernten Seite
miteinander gekoppelt sind und der Kopplungsabschnitt mit der beweglichen
Elektrodenplatte 24 gekoppelt ist. Somit ist die bewegliche
Elektrodenplatte 24 an zwei Punkten abgestützt.
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15 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der eine quadratische bewegliche Elektrodenplatte 24 unter
einem Winkel von 45° relativ
zu einer quadratischen Außenform
oder Umhüllenden 40 des
optischen Schalters angeordnet ist, wobei sich ihre Scheitelpunkte
an den Mittelpunkten der entsprechenden Seiten der Umhüllenden 40 befinden,
und die Halterungsabschnitte 23a und 23b an einem
Ende mit den Mittelpunkten der entsprechenden Seiten der beweglichen
Elektrodenplatte 24 und am anderen Ende mit den feststehenden
Abschnitten 22a bis 22d, die senkrecht auf dem
Substrat 21 an vier Ecken der Umhüllenden 40 des optischen
Schalters ausgeformt sind, verbunden sind. Die Breite der Zick-Zack-Ausführung jedes
der Halterungsabschnitte 23a bis 23d nimmt in
Richtung der beweglichen Elektrodenplatte 24 zu, aber in
Richtung des feststehenden Abschnitts ab, so dass der leere Raum
zwischen der beweglichen Elektrodenplatte 24 und der Umhüllenden 40 des
optischen Schalters wirksam genutzt wird. Auch in diesem Fall werden
die vier Eckabschnitte einer Elektrode der gleichen Größe wie die
Umhüllende 40 des
optischen Schalters abgeschnitten, um zentral darin die bewegliche
Elektrodenplatte 24 zu bilden, und die Halterungsabschnitte 23a bis 23d befinden
sich in den ausgeschnittenen Öffnungen.
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Es
ist ebenfalls möglich,
eine Struktur wie in 16 dargestellt zu verwenden,
bei der die bewegliche Elektrodenplatte 24 etwa die gleiche äußere Form
hat wie die Umhüllende 40 des
optischen Schalters und rechteckige ausgeschnittene Öffnungen 32a bis 32d aufweist,
die sich von den vier Ecken der Elektrodentafel 24 aus
zu ihrem Mittelpunkt hin erstrecken, und die Halterungsabschnitte 23a bis 23d sind
in den ausgeschnittenen Öffnungen 32a bis 32d angeordnet,
wobei ihre inneren Enden mit der beweglichen Elektrodenplatte 24 und
ihre äußeren Enden über die
feststehenden Abschnitte 22a bis 22d mit dem Substrat 21 verbunden
sind.
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Bei
einer in 17 dargestellten Ausführungsform
ist eine quadratische bewegliche Elektrodenplatte 24 in
einem quadratischen Schalterbereich in dessen Zentrum angeordnet
und die elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d erstrecken
sich parallel zu ihren Seiten in derselben Drehrichtung und werden
an der nächsten
Ecke in derselben Richtung um 90° gedreht
oder gebogen, verlaufen dann jeweils außerhalb des inneren Halterungsabschnitts parallel
zur angrenzenden Seite und werden aus dem Schalterbereich 40 herausgeführt, wobei
die herausgeführten
Enden an den feststehenden Abschnitten 22a bis 22d befestigt
sind. Bei dieser Struktur haben die elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d jeweils
nur eine Krümmung
und bilden einen langen Halterungsabschnitt. Bei gleicher Länge nimmt
die Federkonstante mit der Anzahl der Krümmungen zu. Demzufolge bietet
die Struktur dieser Ausführungsform
Halterungsabschnitte mit niedriger Federkonstante und gestattet
somit die Ansteuerung des optischen Schalters mit einer niedrigen
Spannung.
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Obwohl
die Beschreibung der obigen Ausführungsformen
die Verwendung des leitfähigen
Polysiliziumfilms zur integralen Ausbildung der beweglichen Elektrode
und der elastischen Halterungsabschnitte vorsieht, können auch
andere leitfähige
Filme wie Metall verwendet werden. Ferner ist bei der Beschreibung
der obigen Ausführungsformen
die Verwendung des Mikrospiegels 25 zum Umschalten des
optischen Weges des eingehenden Lichtstrahls vorgesehen; es kann
aber auch an Stelle des Mikrospiegels ein Mikroprisma als derartiges
Schaltelement für
den optischen Weg verwendet werden.
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18 ist
eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine praktische Ausführung eines optischen
Schaltmoduls, in dem der optische Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird. Der optische Schalter 20 enthält bei der
Ausführungsform
von 4 die Strukturen der beweglichen leitfähigen Platte 24 (241 bis 245),
der elastischen Halterungsabschnitte 23a bis 23d und
der feststehenden Abschnitte 22a bis 22d, die
in 9 dargestellt sind (der Übersichtlichkeit
halber ist keines dieser Bezugszeichen angegeben). Der optische
Schalter 20 ist auf einem rechteckigen Glassubstrat 10 angebracht.
An drei Seiten des Glassubstrats 10 sind V-Nutblöcke 11A, 11B und 11C angebracht,
und der eingangsseitige Lichtwellenleiter 15A sowie die
beiden ausgangsseitigen Lichtwellenleiter 15B und 15C werden
in den V-Nuten aufgenommen, wobei ihre optischen Achsen auf den
Mikrospiegel 25 des optischen Schalters 20 ausgerichtet
gehalten werden. Die bewegliche Elektrodenplatte 24 und
die feste Elektrode sind mit den Anschlusselektroden 42a und 42b verdrahtet
und eine Steuerspannung wird von einer Steuerspannungsquelle 43 über die
Anschlusselektroden 42a und 42b gelegt.
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Auf
dem optischen Schalter 20 sind ebene Mikrolinsen (plane
micro lenses – PMLs) 41A, 41B und 41C entlang
seiner drei Randkanten angeordnet. Diese PMLs 41A, 41B und 41C sind
hinreichend hoch, so dass sie selbst dann im optischen Weg verbleiben,
wenn die bewegliche Elektrodenplatte 24 maximal ausgelenkt
worden ist. Der Durchmesser des einfallenden Lichts vom Lichtwellenleiter 15A wird
von der PML 41A an der Position des Spiegels 25 auf
ein Minimum reduziert und erweitert sich dann wieder. Wenn der Spiegel 25 durch
das Anlegen der Steuerspannung ausgelenkt wird, geht der Lichtstrahl
vom Lichtwellenleiter 15A durch die PML 41A hindurch
und sein Durchmesser wird erneut von der PML 41B reduziert,
wonach er in den Lichtwellenleiter 15B geschickt wird.
Wenn keine Steuerspannung anliegt, wird der Durchmesser des vom
Spiegel 25 reflektierten Lichtstrahls von der PML 41C erneut
reduziert und dann wird er in den Lichtwellenleiter 15C geschickt.
Bei unseren Experimenten erweiterte sich der vom Lichtwellenleiter 15A emittierte
Lichtstrahl auf ca. 140 μm,
bis er auf die PML 41A auftraf, verringerte sich aber auf
33 μm, bis
er den Spiegel 25 von der PML 41A aus erreichte.
Die Höhe
des Spiegels 25 betrug 45 μm.
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19 ist
ein Graph, der die Messwerte der Mindeststeuerspannung des optischen
Schaltmoduls von 18 in Abhängigkeit von Änderungen
der Größe der beweglichen
Elektrode (der Länge
einer Seite) darstellt, wobei die Dicke des elastischen Halterungsabschnitts 23 ein
Parameter ist. Die Wellenlänge
des verwendeten Lichts beträgt
1,55 μm.
Die durchgezogenen Linien entsprechen berechneten Werten bei einer
Simulation. Die Mindeststeuerspannung nimmt mit abnehmender Dicke
des elastischen Halterungsabschnitts oder einer Größenzunahme der
beweglichen Elektrode ab. Die in 19 dargestellten
Messergebnisse legen nahe, dass ein optischer Schalter mit einer
Steuerspannung unter 5 V erzielt werden könnte, und zeigen, dass ein
optischer Ultraminiatur-Schalter
mit einer 600 μm
großen
beweglichen Elektrode verwirklicht werden könnte, wenn die Dicke des elastischen
Halterungsabschnitts z. B. 0,5 μm
betrüge.
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20 ist
ein Graph, der die Beziehungen zwischen den Mindeststeuerspannungen
optischer Schalter mit elastischen Halterungsabschnitten verschiedener
Dicken und beweglichen Elektroden verschiedener Größen sowie
ihre Leistungsaufnahme zeigt. Wie aus dem Graphen ersichtlich ist,
ist es möglich,
einen leistungssparenden optischen Schalter herzustellen, dessen
Steuerspannung unter 5 V und dessen Leistungsaufnahme unter einigen μW beträgt. Der
optische Schalter der vorliegenden Erfindung eignet sich deshalb
für die
Verwendung in optischen Netzen. Bei unseren Experimenten wurde der optische
Schalter durch die Ein/Aus-Steuerung der Gleichspannung angesteuert,
aber es ist in ähnlicher Weise
möglich,
eine elektrostatische anziehende Kraft zwischen Elektroden selbst
mit einer Steuer-Wechselspannung zu erzielen.
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WIRKUNG DER
ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächenzone
des leitfähigen
Substrats gegenüber
der beweglichen Elektrodenplatte und dem elastischen Halterungsabschnitt weggeätzt, um
den Niederbodenabschnitt auszuformen, der als die feste Elektrode
dient. Damit entfällt die
Notwendigkeit, wie im Stand der Technik eine Öffnung im Substrat auszuformen
und ermöglicht
somit die Herstellung eines optischen Schalters in Matrixform ohne
Platzverschwendung.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der optische Schalter
miniaturisiert und die Fläche
der beweglichen Elektrodenplatte groß gemacht werden, da die Zone,
in der sich die bewegliche Elektrodenplatte und die elastischen
Halterungsabschnitte befinden, quadratisch ist; dies gestattet die
wirksame Nutzung des Bereichs der Umhüllenden der Struktur des optischen
Schalters und gestattet das Ansteuern des Schalter mit einer niedrigen
Spannung.
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Es
ist offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen
ausgeführt
werden können, ohne
vom Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.