DE60021638T2

DE60021638T2 - Optischer Schalter und Verfahren zur Herstellung eines solchen Schalters

Info

Publication number: DE60021638T2
Application number: DE2000621638
Authority: DE
Inventors: Yoshichika Kato
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: DE60021638D1; EP1033601A1; CA2299832C; EP1033601B1; CA2299832A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Schalter zur Verwendung in optischen Kommunikationssystemen oder dgl. und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Schalters zeigt;
2A ist eine Draufsicht, die eine Verbesserung des Beispiels nach dem Stand der Technik zeigt;
2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2B-2B in 2A;
3A bis 3I sind Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung des in den 2A und 2B dargestellten optischen Schalters zeigen;
4A ist eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4B-4B in 4A;
5A bis 5I sind Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung des optischen Schalters gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;
6 ist eine Draufsicht einer Schalteranordnung in Matrixform, bei der die optischen Schalter der 2A und 2B verwendet werden;
7 ist eine Draufsicht einer Schalteranordnung in Matrixform, bei der die optischen Schalter gemäß der ersten Ausführungsform verwendet werden;
8A bis 8H sind Schnittansichten, die eine Abfolge der Schritte bei der Herstellung einer modifizierten Form des optischen Schalters gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;
9A ist eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 9B-9B in 9A;
10 ist eine Draufsicht, die die Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode zeigt;
11 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
12 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
13 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
14 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
15 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
16 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
17 ist eine Draufsicht einer anderen Struktur einer elastischen Lagerung für die bewegliche Elektrode;
18 ist eine Draufsicht eines optischen Schaltmoduls, bei dem der optische Schalter der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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
20 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Mindeststeuerspannung und der Leistungsaufnahme zeigt, die für verschiedene Schaltergrößen gemessen wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Schritt S5 (3E): Ein SiO₂-Schutzfilm 2c wird allseitig über die Ober- und Unterseite der Substratbaugruppe ausgebildet.
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.
Schritt S7 (3G): Das Substrat 21A wird unter Verwendung einer KOH-Lösung anisotrop geätzt, um die Öffnung 21a zu bilden.
Schritt S8 (3H): Die verbliebenen Schutzfilme 2a und 2c werden entfernt.
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.
Schließlich – wenn auch nicht dargestellt – wird der Mikrospiegel 25 auf der beweglichen Elektrode 24 angebracht.
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.
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.
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.
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.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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.
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.
Anhand der 5A bis 5I wird ein Verfahren zur Herstellung des in den 4A und 4B dargestellten optischen Schalters beschrieben.
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.
Schritt S2 (5B): Ein SiO₂-Schutzfilm 2a wird allseitig über der Oberfläche des Polysiliziumfilms 2d ausgebildet.
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.
Schritt S4 (5D): Ein leitfähiger Polysiliziumfilm 2b des P-Typs wird über der gesamten Oberfläche des Schutzfilms 2a einschließlich der freigelegten Bereiche 2ah ausgebildet.
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.
Schritt S6 (5F): Ein SiO₂-Schutzfilm 2c wird über der gesamten Fläche der Ober- und Unterseite der Substratbaugruppe ausgebildet.
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.
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.
Schritt S9 (5I): Die Schutzfilme 2a und 2c werden entfernt.
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.
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.
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.
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.
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.
Die 6 und 7 zeigen im Prinzip die Größendifferenz zwischen den 2 × 2-Matrizen optischer Schalter der Struktur von 2 bzw. 4.
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.
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.
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.
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.
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.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
Es ist offensichtlich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen ausgeführt werden können, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Optischer Schalter mit einem Schaltmittel (25) zum Umschalten eines optischen Weges, das aus einem und in einen optischen Weg ausgelenkt werden kann, aufweisend: ein leitfähiges Substratmittel (21); einen Niederbodenabschnitt (21L), der als festes Elektrodenmittel im leitfähigen Substratmittel (21) auf einem Niveau unter dessen Oberfläche und parallel zu diesem ausgebildet ist; ein bewegliches Elektrodenmittel (24), das gegenüber dem festen Elektrodenmittel und im Abstand zu diesem angeordnet ist und über der Oberfläche des leitfähigen Substratmittels (21) gehalten wird; und elastische Halterungsabschnitte (22a, 22b, 23a, 23b) zum Koppeln des beweglichen Elektrodenmittels (24) und des leitfähigen Substratmittels (21) und zum elastischen Lagern des beweglichen Elektrodenmittels (24), so dass das bewegliche Elektrodenmittel (24) senkrecht zur Oberfläche des festen Elektrodenmittels ausgelenkt werden kann; bei dem das Schaltmittel (25) zum Umschalten des optischen Weges auf der Oberfläche des beweglichen Elektrodenmittels (24) gegenüber dem festen Elektrodenmittel vorgesehen ist und eine Licht empfangende Oberfläche hat, die senkrecht auf der Oberfläche des beweglichen Elektrodenmittels (24) steht; und bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) durch EIN-AUS-Steuerung des Anlegens einer Spannung über das bewegliche Elektrodenmittel (24) und das feste Elektrodenmittel (21L) in Richtung des festen Elektrodenmittels ausgelenkt und in seine Normalstellung zurückgebracht wird, um den optischen Weg eines einfallenden Lichtstrahls durch das Schaltmittel (25) zum Umschalten des optischen Weges selektiv umzuschalten.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) eine Mehrzahl elastischer Halterungsabschnitte (23a, 23b) zum Koppeln einer Mehrzahl verschiedener Randabschnitte des beweglichen Elektrodenmittels (24) mit dem leitfähigen Substratmittel (21) haben.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) Befestigungsmittel (22a, 22b) größerer Dicke haben, die mit dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt sind, um die elastischen Haltemittel (23a, 23b) und das bewegliche Elektrodenmittel (24) über der Oberfläche des leitfähigen Substratmittels (21) zu stützen.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) und die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) integral aus demselben Material gebildet sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, bei dem das leitfähige Substratmittel (21) ein Siliziumsubstrat entweder des P- oder N-Leitfähigkeitstyps ist; das bewegliche Elektrodenmittel (24) und die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) integral aus einem Polysiliziumfilm des anderen Leitfähigkeitstyps gebildet sind, und ein PN-Übergang im Siliziumsubstrat unter des Oberfläche an einem Abschnitt gebildet wird, der mit den elastischen Haltemitteln gekoppelt ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 5, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) eine Mehrzahl Durchgangslöcher (24h) hat.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) eine Isolierschicht (2a in 8H) enthalten, die mit dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt ist, um das leitfähige Substratmittel und die elastischen Haltemittel elektrisch zu isolieren.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 23a, 23b) zwei elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b) haben, die sich in entgegengesetzten Richtungen von zwei gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Elektrodenmittels (24) aus erstrecken.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem die elastischen Halterungsabschnitte (23a, 23b) jeweils die Form eines rechwinkligen Rahmens haben und im Wesentlichen an den Mittelpunkten ihrer zwei gegenüberliegenden Seiten mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) bzw. dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, bei dem eine im Wesentlichen rechteckige Schalterzone durch die Umhüllende des Umfangs einer Zone definiert ist, die vom beweglichen Elektrodenmittel (24) und den elastischen Haltemitteln (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) belegt wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) einen im Wesentlichen rechteckigen zentralen Elektrodenabschnitt (245) hat, der innerhalb der Schalterzone mit dieser konzentrisch angeordnet ist, wobei seine entsprechenden Seiten parallel zu denen der Schalterzone verlaufen, sowie vier im Wesentlichen rechteckige Umfangselektrodenabschnitte (241–244), die jeweils einen ersten Eckabschnitt haben, der einen von vier Eckabschnitten des zentralen Elektrodenabschnitts (245) überlappt, und einen zweiten Eckabschnitt, der dem ersten Eckabschnitt diagonal gegenüberliegt; und bei dem die elastischen Haltemittel vier elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b, 23c, 23d) haben, die sich jeweils in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer rechteckigen Zone erstrecken, die zwischen den ihnen benachbarten Umfangselektrodenabschnitten (241–244) definiert ist, und an einem Ende mit dem zentralen Elektrodenabschnitt und am anderen Ende mit dem leitfähigen Substratmittel (21) an einer Randkante der Schalterzone gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) zwei elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b) enthalten, die sich jeweils in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer von zwei im Wesentlichen rechteckigen Zonen (32a, 32b) gleicher Größe von zwei gegenüberliegenden Seiten der Schalterzone aus auf einander zu erstrecken und an einem Ende mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) und am anderen Ende mit dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 12, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) ein Rechteck ist, das eine von zwei Zonen belegt, die von der Schalterzone entlang einer Geraden parallel zu einer ihrer Seiten abgeteilt sind; wobei die zwei rechteckigen Zonen (32a, 32b) so definiert sind, dass sie die andere Zone belegen und sich entlang derselben Seite der rechteckigen Zone erstrecken; und bei dem das eine Ende jedes der beiden elastischen Halterungsabschnitte am selben Punkt mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) gekoppelt ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) ein Rechteck ist, das eine zentrale Zone von drei Zonen belegt, die von der Schalterzone entlang zweier Geraden parallel zu einer ihrer Seiten abgeteilt ist; und die elastischen Haltemittel (23a, 23b) in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche der rechteckigen Zone an jeder Seite des beweglichen Elektrodenmittels (24) verlaufen.
Optischer Schalter nach Anspruch 14, bei dem ein Ende der elastischen Haltemittel (23a, 23b) mit dem leitfähigen Substratmittel (21) an einer der kürzeren Seiten der rechteckigen Zone gekoppelt ist und das andere Ende jedes der elastischen Halterungsabschnitte von der anderen kürzeren Seite im rechten Winkel zu der einen Seite der Schalterregion geführt und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an seiner kürzeren Seite gekoppelt ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 14, bei dem die herausgeführten elastischen Haltemittel (23a, 23b) an einem Ende mit dem leitfähigen Substratmittel (21) an einer der kürzeren Seiten des Rechtecks und am anderen Ende an zwei Eckabschnitten des beweglichen Elektrodenmittels (24) an der anderen kürzeren Seite des gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 14, bei dem die herausgeführten elastischen Haltemittel (23a, 23b, 23c, 23d) an beiden Enden mit dem leitfähigen Substratmittel (21) an den beiden kürzeren Seiten des Rechtecks und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an der längeren Seite im Wesentlichen in deren Mittelpunkt gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem die Schalterzone (40) im Wesentlichen quadratisch ist; das bewegliche Elektrodenmittel (24) eine im Wesentlichen quadratische Form hat, wobei die Scheiteilpunkte in den Mittelpunkten der jeweiligen Seiten der Schalterzone (40) liegen; die elastischen Haltemittel (23a, 23b, 23c, 23d) an einem Ende mit jeder Seite des beweglichen Elektrodenmittels (24) gekoppelt sind, sich in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche jeder von vier dreieckigen Zonen außerhalb des beweglichen Elektrodenmittels (24) in der Schalterzone (40) erstrecken und mit dem leitfähigen Substratmittel (21) an dem Eckabschnitt der vier Eckabschnitte der Schalterzone gekoppelt sind, der gegenüber der jeweiligen dieser Seiten liegt.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem die Schalterzone (40) im Wesentlichen quadratisch ist; die elastischen Haltemittel (23a, 23b, 23c, 23d) an jedem Eckabschnitt der Schalterzone mit dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt sind, sich in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer im Wesentlichen rechteckigen Lagerungszone (32a, 32b, 32c, 32) erstrecken, die sich von jedem Eckabschnitt der Schalterzone zu deren Mittelpunkt hin erstreckt und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an der Seite der Lagerungszone, die von dem jeweiligen Eckabschnitt abgewandt ist, gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 10, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) eine rechteckige Form mit Seiten hat, die parallel zu entsprechenden Seiten des Schaltermittels sind; und die elastischen Haltemittel (23a, 23b, 23c, 23d) vier elastische Halterungsabschnitte in der Art einseitig eingespannter Arme haben, die an einem Ende mit entsprechenden Eckabschnitten des beweglichen Elektrodenmittels gekoppelt sind, in derselben Drehrichtung mindestens einer der entsprechenden Seiten des beweglichen Elektrodenmittels parallel zu dieser herausgeführt und am anderen Ende mit dem leitfähigen Substratmittel (21) gekoppelt sind.
Optischer Schalter mit einem Schaltmittel (25) zum Umschalten eines optischen Weges, das aus einem und in einen optischen Weg ausgelenkt werden kann, aufweisend: ein Substratmittel (21A) mit einer Öffnung (21a); ein festes Elektrodenmittel (21B), das am Substratmittels angebracht ist, um die Öffnung (21a) zu schließen, wobei die Oberfläche des festen Elektrodenmittels auf einem niedrigeren Niveau liegt als die dazu parallele Oberfläche des Substratmittels (21A); ein bewegliches Elektrodenmittel (24), das gegenüber dem festen Elektrodenmittel (21B) und im Abstand zu diesem angeordnet ist und über der Oberfläche des Substratmittels (21A) gehalten wird; und elastische Haltemittel (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) zum Koppeln des beweglichen Elektrodenmittels (24) und des Substratmittels (21A) und zum elastischen Lagern des beweglichen Elektrodenmittels (24), so dass das bewegliche Elektrodenmittel (24) senkrecht zur Oberfläche des festen Elektrodenmittels (21B) ausgelenkt werden kann; bei dem das Schaltmittel (25) zum Umschalten des optischen Weges auf der Oberfläche des beweglichen Elektrodenmittels (24) gegenüber dem festen Elektrodenmittel (21B) vorgesehen ist und eine Licht empfangende Oberfläche hat, die senkrecht auf der Oberfläche des beweglichen Elektrodenmittels (24) steht; und bei dem eine Schalterzone, die von der Umhüllenden des Umfangs einer vom beweglichen Elektrodenmittel (24) und von den elastischen Haltemitteln eingenommenen Zone definiert wird, und durch EIN-AUS-Steuerung des Anlegens einer Spannung über das bewegliche Elektrodenmittel (24) und das feste Elektrodenmittel (21B) das bewegliche Elektrodenmittel in Richtung des festen Elektrodenmittels ausgelenkt und in seine Normalstellung zurückgebracht wird, um den optischen Weg eines einfallenden Lichtstrahls durch das Schaltmittel (25) zum Umschalten des optischen Weges selektiv umzuschalten.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) einen im Wesentlichen rechteckigen zentralen Elektrodenabschnitt (245) hat, der innerhalb der Schalterzone zu dieser konzentrisch angeordnet ist, wobei seine entsprechenden Seiten parallel zu denen der Schalterzone verlaufen, sowie vier im Wesentlichen rechteckige Umfangselektrodenabschnitte (241–244), die jeweils einen ersten Eckabschnitt haben, der einen von vier Eckabschnitten des zentralen Elektrodenabschnitts (245) überlappt, und einen zweiten Eckabschnitt, der dem ersten Eckabschnitt diagonal gegenüberliegt; und bei dem die elastischen Haltemittel vier elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b, 23c, 23d) haben, die sich jeweils in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer rechteckigen Zone erstrecken, die zwischen den ihnen benachbarten Umfangselektrodenabschnitten definiert ist, und an einem Ende mit dem zentralen Elektrodenabschnitt (245) und am anderen Ende mit dem Substratmittel (21A) an einer Randkante der Schalterzone gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem die elastischen Haltemittel zwei elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b) enthalten, die sich jeweils ein Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer von zwei im Wesentlichen rechteckigen Zonen (32a, 32b) gleicher Größe von zwei gegenüberliegenden Seiten der Schalterzone aus auf einander zu erstrecken und an einem Ende mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) und am anderen Ende mit dem Substratmittel gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 23, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) ein Rechteck ist, das eine von zwei Zonen belegt, die von der Schalterzone entlang einer Geraden parallel zu einer ihrer Seiten abgeteilt sind; wobei die zwei rechteckigen Zonen (32a, 32b) so definiert sind, dass sie die andere Zone zu belegen und sich entlang derselben Seite der rechteckigen Zone erstrecken; und bei dem das eine Ende jedes der beiden elastischen Halterungsabschnitte (23a, 23b) am selben Punkt mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) gekoppelt ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) ein Rechteck ist, das eine zentrale Zone von drei Zonen belegt, die von der Schalterzone entlang zweier Geraden parallel zu einer ihrer Seiten abgeteilt sind; und die elastischen Haltemittel (23a, 23b) in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche der rechteckigen Zone an jeder Seite des beweglichen Elektrodenmittels (24) verlaufen.
Optischer Schalter nach Anspruch 25, bei dem ein Ende der elastischen Haltemittel (23a, 23b) mit dem Substratmittel (21A) an einer der kürzeren Seiten der rechteckigen Zone gekoppelt ist und das andere Ende jedes der elastischen Halterungsabschnitte von der anderen kürzeren Seite im rechten Winkel zu der einen Seite der Schalterregion geführt und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an seiner kürzeren Seite gekoppelt ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 25, bei dem die herausgeführten elastischen Haltemittel (23a, 23b) an einem Ende mit dem Substratmittel an einer der kürzeren Seiten des Rechtecks und am anderen Ende an zwei Eckabschnitten des beweglichen Elektrodenmittels (24) an der anderen kürzeren Seite des Rechtecks gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 25, bei dem die herausgeführten elastischen Haltemittel (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) an beiden Enden mit dem Substratmittel an den beiden kürzeren Seiten des Rechtecks und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an der längeren Seite im Wesentlichen in deren Mittelpunkt gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem die Schalterzone im Wesentlichen quadratisch ist; das bewegliche Elektrodenmittel (24) eine im Wesentlichen quadratische Form hat, wobei die Scheitelpunkte in den Mittelpunkten der jeweiligen Seiten der Schalterzone liegen; und bei dem die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) an einem Ende mit jeder Seite des beweglichen Elektrodenmittels (24) gekoppelt sind, sich in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche jeder von vier dreieckigen Zonen außerhalb des beweglichen Elektrodenmittels (24) in der Schalterzone erstrecken und mit dem Substratmittel an dem Eckabschnitt der vier Eckabschnitte der Schalterzone gekoppelt sind, der gegenüber der jeweiligen dieser Seiten liegt.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem die Schalterzone im Wesentlichen quadratisch ist; die elastischen Haltemittel (22a, 22b, 22c, 22d, 23a, 23b, 23c, 23d) an jedem Eckabschnitt der Schalterzone mit dem Substratmittel gekoppelt sind, sich in Zick-Zack-Form über die gesamte Fläche einer im Wesentlichen rechteckigen Lagerungszone erstrecken, die sich von jedem Eckabschnitt der Schalterzone zu deren Mittelpunkt hin erstreckt und mit dem beweglichen Elektrodenmittel (24) an der Seite der Lagerungszone, die von dem jeweiligen Eckabschnitt abgewandt ist, gekoppelt sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 21, bei dem das bewegliche Elektrodenmittel (24) eine rechteckige Form mit Seiten hat, die parallel zu entsprechenden Seiten des Schaltermittels sind; und die elastischen Haltemittel vier elastische Halterungsabschnitte (23a, 23b, 23c, 23d) in der Art einseitig eingespannter Arme haben, die an einem Ende mit entsprechenden Eckabschnitten des beweglichen Elektrodenmittels (24) gekoppelt sind, in derselben Drehrichtung mindestens einer der entsprechenden Seiten des beweglichen Elektrodenmittels (24) parallel zu dieser herausgeführt und am anderen Ende mit dem leitfähigen Substratmittel gekoppelt sind.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Schalters, bei dem ein auf einer beweglichen Elektrode (24) angebrachtes Element (25) zum Umschalten eines optischen Weges ausgelenkt wird, um den optischen Weg eines einfallenden Lichtstrahls umzuschalten, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Ausbilden eines ersten Polysiliziumfilms (2d) entweder des P- oder N-Leitfähigkeitstyps überall auf einem leitfähigen Siliziumsubstrat (21); (b) Ausbilden eines Musters überall auf dem ersten Polysiliziumfilm (2d), das einen beweglichen Elektrodenabschnitt und damit gekoppelte elastische Halterungsabschnitte enthält, Abstand zu und parallel mittels eines zweiten Polysiliziumfilms (2b) mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie der erste Polysiliziumfilm (2d); (c) Wegätzen derjenigen Oberflächenzone des leitfähigen Siliziumsubstrats (21), die zur beweglichen Elektrode und den elastischen Halterungsabschnitten weist, um einen Niederbodenabschnitt als feste Elektrode auszuformen; und (d) Ausbilden des Elements (25) zum Umschalten des optischen Weges auf der beweglichen Elektrode (24).
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Leitfähigkeitstyp des ersten Polysiliziumfilms (2d) dem des leitfähigen Substrats (21) entgegengesetzt ist und der Schritt (b) die Schritte aufweist: (b-1) Ausbilden eines SiO₂-Films (2a) überall auf dem ersten Polysiliziumfilm (2d) und Ausbilden von Löchern (2ah) im SiO₂-Film an den Stellen, wo der elastische Halterungsabschnitt mit dem leitfähigen Substrat zu koppeln ist, wobei sich die Löcher bis hinunter zum ersten Polysiliziumfilm (2d) erstrecken; (b-2) Ausbilden eines zweiten Polysiliziumfilms (2b) überall auf dem SiO₂-Film; und (b-3) selektives Ätzen des zweiten Polysiliziumfilms (2b), um ein Muster mit einer Mehrzahl Durchganglöcher auszubilden, die den beweglichen Elektrodenabschnitt und den elastischen Halterungsabschnitt enthält.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt (c) die Schritte aufweist: (c-1) Ausbilden eines SiO₂-Schutzfilms (2c) auf den gesamten Flächen der Oberfläche und Unterseite des leitfähigen Siliziumsubstrats (21); (c-2) Ausbilden von Öffnungen, die sich durch den SiO₂-Schutzfilm (2c) und hinunter zum ersten Polysiliziumfilm (2d) in den Durchgangslöchern erstrecken; (c-3) Wegätzen des ersten Polysiliziumfilms (2d) von der Oberflächenzone des leitfähigen Substrats (21) gegenüber dem beweglichen Elektrodenabschnitt und dem elastischen Halterungsabschnitt und ferner Wegätzen der Oberflächenzone des leitfähigen Substrats auf eine vorgegebene Tiefe, um den Niederbodenabschnitt (21L) auszubilden; und (c-4) Entfernen des SiO₂-Schutzfilms (2c).
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem der Schritt (b) die Schritte aufweist: (b-1) Ausbilden eines SiO₂-Films (2d SiO₂) überall auf dem ersten Polysiliziumfilm (2d); (b-2) Ausbilden des zweiten Polysiliziumfilms (2b) überall auf dem SiO₂-Film; und (b-3) selektives Ätzen des zweiten Polysiliziumfilms, um ein Muster mit einer Mehrzahl Durchganglöcher auszubilden, die den beweglichen Elektrodenabschnitt und den elastischen Halterungsabschnitt enthält.
Verfahren nach Anspruch 35, bei dem der Schritt (c) die Schritte aufweist: (c-1) Ausbilden eines SiO₂-Schutzfilms (2c) über den gesamten Flächen der Oberfläche und Unterseite des leitfähigen Siliziumsubstrats (21); (c-2) Ausbilden von Öffnungen, die sich durch den SiO₂-Schutzfilm und hinunter zum ersten Polysiliziumfilm (2d) in den Durchgangslöchern erstrecken; (c-3) Wegätzen des ersten Polysiliziumfilms (2d) an der Oberflächenzone des leitfähigen Substrats gegenüber dem beweglichen Elektrodenabschnitt und dem elastischen Halterungsabschnitt und ferner Wegätzen der Oberflächenzone des leitfähigen Substrats auf eine vorgegebene Tiefe, um den Niederbodenabschnitt auszubilden; und (c-4) Entfernen des SiO₂-Schutzfilms (2c).
Verfahren nach Anspruch 32, 33 oder 35, bei dem das optische Schaltelement (25) ein Mikrospiegel ist und der Schritt (d) die Schritte aufweist: (d-1) Ausbilden eines Metallstegs als Kern für eine galvanische Beschichtung auf dem beweglichen Elektrodenabschnitt an der Position, wo der Mikrospiegel auszubilden ist; (d-2) Ausbilden einer Resist-Schicht über dem gesamten Oberflächenbereich des Siliziumsubstrats und Freilegen eines Teils des Kern-Metallstegs, indem ein Loch mit der gleichen Form wie der Mikrospiegel in der Resist-Schicht an der Position ausgebildet wird, wo der Mikrospiegel auszuformen ist; (d-3) Füllen des Lochs mit Metall für den Mikrospiegel durch galvanische Beschichtung; und (d-4) Entfernen der Resist-Schicht.