JP4676260B2 - 光スイッチ内で使用される光シャトルシステム - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムに関する。より具体的には、本発明のシステムは、光通信システム内の光スイッチにて使用され得る光シャトルシステムに関している。

現代の通信システムは、広い帯域量を利用し得る光通信システムを含んでいる。効率を改善するために、多くの光通信システムは光スイッチを使用している。光スイッチは、光ファイバ光源から異なる光ファイバ出力ポートへの入力信号を、ときには微小電気機械（ＭＭＳＥ）テクノロジに基づいた光マルチプレクサを使用して、加算又はドロップする。光スイッチは、ルーティング導波路構造を保持するシャトル機構、及びシャトル機構を物理的に動かすアクチュエータの両方も含み得る。

図１は、光通信システムの例示的なダイアグラム図である。様々な例示的な実施形態において、光通信システムは、光加算／ドロップマルチプレクサ１００であり得る。図１に示されているように、光加算／ドロップマルチプレクサ１００は、単一の光ファイバから異なる周波数で多くの光チャンネルにて入力光信号１１０を受け取り得る。入力光信号１１０は、光チャンネル１１２の周波数に基づいて、デマルチプレクサ１２０によって別個の光チャンネル１１２に分波される。ひとたび入力光信号１１０が分波されると、別個の光チャンネル１１２の各々は、複数の光スイッチ２３０の一つに遭遇する。光スイッチ２３０は、光チャンネル１１２の各々の一つをパスするか又はドロップする。ドロップされる光チャンネル１１２のいずれに対しても、さらにそのチャンネルを利用するために、新しい信号１１４が光スイッチ２３０によって加えられても良い。光スイッチ２３０によってパス又は加算されるチャンネル１１６は、マルチプレクサ１４０によって出力光信号１５０に再び合波され、別の単一の光ファイバに出力される。チャンネルは光加算／ドロップマルチプレクサ１００によってドロップ又は加算され得るので、出力光信号１５０は、入力光信号１１０に比べて改変されたデータストリームを含み得る。

図２は、図１に示される光通信システムの中で使用され得る光スイッチ２３０の例示的なダイアグラム図である。図２に示されるように、光スイッチ２３０は導波路スイッチ又は光切換スイッチであり得る。光スイッチ２３０は複数の導波路２３４を持つシャトル２３２を含む。光加算／ドロップマルチプレクサ１００からのチャンネル１１２の一つに対応する入力導波路２２２と、加えられるべき新しい信号１１４を運ぶ導波路２４２とが、導波路２３４の一つの上に配置されている。同様に、光加算／ドロップマルチプレクサ１００からのチャンネル１１６の一つに対応する出力導波路２２４と、信号をドロップする導波路２２８とが、導波路２３４の他端に配置されている。

図２に矢印によって示されているように、シャトル２３２は、一対のアクチュエータ２３６によって横方向に駆動又は動かされ得る。アクチュエータ２３６は、例えば熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、磁気アクチュエータ、または圧電アクチュエータのような任意の適切なタイプであり得る。導波路２３４は、シャトル２３２の横方向の動きが、入力導波路２２２を出力導波路２２４に接続する導波路２３４の一つと新しい信号１１４を運ぶ導波路２４２を出力導波路２２４に接続する導波路２３４の一つとの間で切り替えを行うように、構成されている。入力導波路２２２の信号をドロップするために、導波路２３４の一つが、入力導波路２２２を導波路２２８に接続することができる。

図３は、図２に示される光スイッチ２３０とともに使用され得る従来の光シャトル装置３００の例示的なダイアグラム図である。図３に示されるように、光シャトル装置３００は、剛性を有する熱アクチュエータ３１０、アクチュエータヘッド３０６、及びサスペンションアームの一例であるばね３０２を含む。アクチュエータヘッド３０６は、熱アクチュエータ３１０に接続されている。ばね３０２はシャトル２３２に接続され、また（図２に示されるように）光スイッチ２３０に組み込まれている。ばね３０２は抵抗又は剛性を有しており、これによりシャトル２３２を懸架して、駆動されると適切にガイドされることができる。光シャトル装置３００はまた、熱アクチュエータ３１０に接続された電気端子３０８も含んでいる。光シャトル装置３００はまた、電気端子３１２に接続されたラッチ熱アクチュエータ３０４も含む。

図３の光シャトル装置３００は非ラッチ位置にあり、それによって、電気端子３０８にはパワーは印加されず、熱アクチュエータ３１０は戻り位置又は平衡位置から変位されない。さらに、アクチュエータヘッド３０６は、シャトル２３２に接触していない。しかし、パワーが電気端子３０８に印加されると、熱アクチュエータ３１０の内部で熱的膨張が生じて、熱アクチュエータ３１０をその戻り位置から変位させる。熱アクチュエータ３１０が変位されると、アクチュエータヘッド３０６はシャトル２３２に接触し、シャトル２３２を（図３に示される）非ラッチ位置から（図４に示される）ラッチ位置まで駆動する。つまり、熱アクチュエータ３１０とシャトル２３２との間に初期隙間があるので、熱アクチュエータ３１０はシャトル２３２をラッチ位置まで駆動する際にシャトル２３２自体の移動距離よりも長い距離を移動することが必要となる。シャトル２３２は導波路２３４を有する光学部品を含んでいるので、光シャトル装置３００は、シャトル２３２の上の導波路２３４を制御して光加算／ドロップマルチプレクサ１００の内部で様々な導波路に位置合わせするようにアクチュエータヘッド３０６によって駆動されると、スイッチとして機能する。この機能は、光通信システムの内部で光信号の方向を制御する。

図４は、変位した位置にある図３の従来の光シャトル装置３００の例示的なダイアグラム図である。図４に示されるように、パワーが電気端子３０８に印加された後に、熱アクチュエータ３１０は、アクチュエータヘッド３０６がシャトル２３２に接触するように変位される。熱アクチュエータ３１０は、その平衡位置から外れるように変位されるので、熱アクチュエータ３１０内で復元力を生成する剛性（又は抵抗）が克服されて、シャトル２３２を変位させる。さらに、ばね３０２もまた、図４に示されるように折りたたまれて変位され、シャトル２３２の動きがばね３０２の復元力を克服する。折りたたまれたばね３０２はまた、シャトル２３２をその平衡位置に戻す復元力も供給する。ひとたびシャトル２３２が所定の位置に駆動されると、シャトル２３２は、電気端子３１２にパワーを印加することがラッチ熱アクチュエータ３０４にラッチ３１４を駆動させて、シャトル２３２を所定の位置に保持することをひきおこすことにより、 所定の位置に保持される。光シャトル装置３００は、電気端子３１２からのパワーを除去することによってその平衡位置に戻り、ばね３０２の中の復元力及び熱アクチュエータ３１０が克服される。これより、光シャトル装置３００は、図３に示される位置に戻る。

従来の光スイッチは、典型的には光スイッチ及び光スイッチアクチュエータに対して別個の部品を使用する。さらに、従来のシャトル機構は、熱駆動アクチュエータを使用して、光通信システム内のスイッチング機能を制御する。例えば、シャトル機構がスイッチング素子を形成すると、熱アクチュエータが熱的に駆動されて、シャトル機構をスイッチング位置の間で移動させる。しかし、この構成は、熱アクチュエータがシャトル機構のサスペンションアームの復元力と熱アクチュエータ自身の復元力との両方を克服することを要求する。また、図３に示すように、熱アクチュエータとシャトル機構とに初期隙間があるので、熱アクチュエータはシャトル機構よりも長い距離を移動することが必要となる。これより、シャトル機構を適切に駆動するためには、高い駆動力及び長い変位距離が必要とされる。結果として、高い駆動力は高パワー消費を要求し、長い変位距離は、長い熱アクチュエータが光スイッチとともに使用されることを要求する。したがって、スイッチングシステム内部の空間の増加が要求され、これはその後に光スイッチ内部における熱アクチュエータの面外変形の傾向を増加させる。上述の問題に基づいて、多量のパワーを消費せず且つ光通信システムの内部で空間的制約の低減をもたらすような、光スイッチ内部の改良された光シャトルシステムが必要とされている。

本発明の光シャトルシステムは、通信システム内で信号をルーティングする光シャトルシステムであって、電源に接続された複数の端子と、前記信号をルーティングする導波路を含み、所定の位置に駆動されるシャトルと、前記各端子及び前記シャトルに接続され、前記シャトルを懸架するシリコンで形成される複数のビームと、を備え、前記複数のビームの前記シャトルと接続される側の各端部位置は、前記電源から前記各端子に電圧が印加されない平衡状態で前記複数のビームがそれぞれ接続されている各端子側の端部位置よりも前記シャトルが駆動される方向にオフセットした位置となっており、前記複数の端子は、正の電気端子群と負の電気端子群とを含み、前記各電気端子群の間に前記電源から電圧が印加されると、電流は前記正の電気端子群から前記負の電気端子群に向かって流れて前記複数のビームを熱膨張させ、前記シャトルを前記所定の位置に駆動することを特徴とする。

本発明の光シャトルシステムにおいて、電流は前記正の電気端子群から一部の前記複数のビームを通って前記シャトルに向かって流れると共に、残余の前記複数のビームを通って前記シャトルから前記負の電気端子群に向かって流れて前記複数のビームを熱膨張させること、としても好適である。また、本発明の光シャトルシステムにおいて、前記シャトルは、前記複数のビームの長手方向と略垂直な方向に駆動されることとしても好適であるし、シャトルを駆動した後に、シャトルをラッチするラッチを有することとしても好適である。

本発明によると、シャトル機構を適切に駆動するために高駆動力及び長い変位距離を必要とせず、これが、従来のシャトル装置よりも低いパワー消費を使用する装置をもたらすという効果がある。さらに、光シャトルシステムはスイッチングシステムの内部で最小限の空間を利用し、光通信システムの内部で空間的制約の低減をもたらすという効果がある。

本発明に従ったシステム及び方法の様々な例示的な実施形態は、以下の図面を参照して詳細に論じられる。本発明は一般的に、光通信システムにて使用される光シャトルシステムを含む光スイッチのシステム及び方法に関している。簡便のために、本発明の実施形態は、光通信システム内部で光加算／ドロップマルチプレクサとともに光スイッチを使用するとして論じられる。しかし、本発明のシステム及び方法が、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく光通信システムの任意の部分とともに使用されることができることを、当業者は認識するであろう。

図５は、本発明に従って使用される光シャトルシステムの第１の実施形態の例示的なダイアグラム図である。光シャトルシステム５００は、シリコンチップの特定の位置に形成され得る。図５に示されるように、２つのビーム５０２が、電気端子５０８及びシャトル２３２に接続され、２つの他のビーム５０３が電気端子５０９及びシャトル２３２に接続されている。ビーム５０２及び５０３は、電気端子５０８及び５０９ならびシャトル２３２に固定されている。ビーム５０２及び５０３はまた、あらかじめ形状が付けられてもよく、且つシリコンで形成されてビーム５０２及び５０３に剛性を提供し得る。シリコンを使用してビーム５０２及び５０３が形成されるならば、ドーパントを使用してシリコンビームにドープして、ビーム５０２及び５０３の導電率を増加しても良い。

電気端子５０８は正の電気端子になるように構成され、電気端子５０９は負の電気端子になるように構成される。パワー、すなわち電圧が電気端子５０８及び５０９に印加されると、電流Ｉが、電気端子５０８からビーム５０２及び５０３を通って電気端子５０９に流れる。電流Ｉはビーム５０２及び５０３の中で熱膨張を生じさせ、これがシャトル２３２（及び導波路２３４）を所定の位置に駆動する力をもたらす。シャトル２３２は複数のビーム５０２及び５０３の長手方向に実質的に垂直な方向に駆動される。ひとたびシャトル２３２が所定の位置に駆動されると、シャトル２３２は、電気端子３１２にパワーを印加することがラッチ熱アクチュエータ３０４にラッチ３１４を駆動させて、シャトル２３２を所定の位置に保持することをひきおこすことにより、 所定の位置に保持される。ラッチ３１４は、電力が電気端子３１２から除去されても、シャトル２３２を非平衡位置に保持することができる。光シャトルシステム５００は、電力を電気端子３１２に再印加することによってその平衡位置に復帰され得て、ラッチ３１４がシャトル２３２を開放し、ビーム５０２及び５０３の中の復元力がシャトル２３２をその非ラッチ位置に復帰させる。本実施形態では、二対のビームとそれぞれに電気端子が接続されている構成について説明したが、ビームの数は二対に限らず、より複数のビームで構成し、これに対応する電気端子を具備するものでもよい。また、ビーム５０２及び５０３のシャトル２３２と接続される側の端部位置は、平衡状態において、前記ビームの電気端子５０８と接続される側の端部位置より前記所定の位置の方向にオフセットした形状がつけられていてもよい。

図６は、本発明に従って使用される光シャトルシステムの第２の実施形態の例示的なダイアグラム図である。図６に示されるように、光シャトルシステムは、第１のビーム６０２ａおよび第２のビーム６０２ｂを有するビーム対６０２を含み、これらはリンク６０２ｃによって電気端子６０８とシャトル２３２との間の位置で一緒に接続されている。ビーム対６０２はまた、電気端子６０８及びシャトル２３２にも接続されている。電気端子６０８は、ビーム対６０２の各々の内部のそれぞれのビーム６０２ａ及び６０２ｂに対する第１及び第２の電気端子６０８ａ及び６０８ｂを含んでいる。第１の実施形態にて上述のように、ビーム対６０２の内部の第１及び第２のビーム６０２ａ及び６０２ｂ（ならびにリンク６０２ｃ）は、あらかじめ形状が付けられてもよく、且つシリコンで形成されてもよい。電気端子６０８ａ及び６０８ｂの各グループは、第１の電気パッド６０８ａが正の電気端子になり且つ第２の電気パッド６０８ｂが負の電気端子になるように構成され得る。したがって、パワーが電気端子６０８ａ及び６０８ｂを介してビーム対６０２に印加されると、電流Ｉが、第１のビーム６０２ａをシャトル２３２に向かって流れ、リンク６０２ｃを通って、それから第２のビーム６０２ｂを通ってシャトルから離れるように流れて、第２の電気端子６０８ｂに戻る。ビーム対６０２の熱膨張の結果として、ビーム対６０２はシャトル２３２を所定の位置に駆動する。シャトル２３２は複数のビーム６０２ａ及び６０２ｂの長手方向に実質的に垂直な方向に駆動される。ひとたびシャトル２３２が所定の位置に駆動されると、シャトル２３２はその位置にラッチされ得て、引き続いて図５にて述べたプロセスを使用してその平衡位置に復帰され得る。また、ビーム６０２ａ及び６０２ｂのシャトル２３２と接続される側の端部位置は、平衡状態において、前記ビームのそれぞれの電気端子６０８ａ及び６０８ｂと接続される側の端部位置より前記所定の位置の方向にオフセットした形状がつけられていてもよい。

図７は、本発明に従って使用される光シャトルシステムの第３の実施形態の例示的なダイアグラム図である。第３の実施形態は、シャトルを懸架するために使用される複数のシリコンビームの各々がシャトルに接続され且つ正の電気端子及び負の電気端子を接続するリンクの中間部にも接続されている構成としている。図７に示されるように、ビーム７０２は、第１のリンク７０２ａ及び第２のリンク７０２ｂを通って電気端子７０８の一端に接続されている。ビーム７０２の他の端はシャトル２３２に接続されている。電気端子７０８は、リンク７０２ａ及び７０２ｂのそれぞれに対する電気端子対７０８ａ及び７０８ｂを含んでいる。第１及び第２のリンク７０２ａ及び７０２ｂはシリコンで形成されることができ、電気端子７０８とシャトル２３２の間に形成されることができる。また、ビーム７０２はあらかじめ形状が付けられ且つシリコンで形成されることができる。電気端子７０８ａ及び７０８ｂの各グループは、一つの電気端子７０８ａが正の電気端子になり且つ他の電気端子７０８ｂが負の電気端子になるように構成され得る。したがって、パワーが電気端子７０８ａ及び７０８ｂを介してビーム７０２に印加されると、電流が第１のリンク７０２ａからビーム７０２を介して第２のリンク７０２ｂに流れる。ビーム７０２はリンク７０２ａ及び７０２ｂに接続されているので、ビーム７０２内に熱膨張が生じる。これより、ビーム７０２はシャトル２３２を所定の位置に駆動する。シャトル２３２はビーム７０２の長手方向に実質的に垂直な方向に駆動される。ひとたびシャトル２３２が所定の位置に駆動されると、シャトル２３２はその位置にラッチされ得て、引き続いて上述のプロセスを使用してその平衡位置に復帰され得る。また、ビーム７０２のシャトル２３２と接続される側の端部位置は、平衡状態において、前記ビームのリンク７０２ａ及び７０２ｂと接続される側の端部位置より前記所定の位置の方向にオフセットした形状がつけられていてもよい。

本発明の実施形態は、（図３及び図４の従来のシャトル装置に示されているように）ばね、熱アクチュエータ及びアクチュエータヘッドの組み合わせを使用せず、代わりに、例えばアクチュエータ及びサスペンションアームとしてシリコンビームを使用しているので、本発明の光シャトルシステムは、サスペンションアームの復元力、及び別個の装置としての熱アクチュエータの復元力の両方を克服する必要がない。これより、シャトル機構を適切に駆動するために高駆動力及び長い変位距離を必要とせず、これが、従来のシャトル装置よりも低いパワー消費を使用する装置をもたらす。さらに、光シャトルシステムはスイッチングシステムの内部で最小限の空間を利用し、これが、光スイッチ内部で生じる面外変形の傾向を低減する。

長いビームがシリコンを使用して形成されるならば、シャトルを所定の位置まで動かすために、同じ断面積を有する短いビームに比べて、必要とされる駆動力が少ない。さらに、シャトルの変位を、ビームの長さを増し且つビームを通る電流量を減らすことによって増加させることができる。光シャトルシステムのラッチ、シャトル、及び光学部品は、自己整合性リソグラフィープロセスを用いて形成されることができる。したがって、シャトル導波路と静止した導波路との間の位置合わせは、ｘ−ｙ平面内で完成され得る。本発明の光シャトルシステムのシステム性能もまた、熱によって引き起こされるシャトルの動きがビームを制御する電流を使用して容易にモニタされ得るので、改善され得る。

図８は、本発明の光シャトルシステムを使用したビームの変形を示す例示的なグラフである。グラフは、電流が上述のようにビームを流れるときのシャトル変位の温度依存性を示している。図８（ａ）の結果を達成するために使用されたビームの構造は、１２００×２×３．５μｍのサイズの４つのシリコンビーム８０２を含んでいた。図８（ｂ）の結果を達成するために使用されたビームの構造は、１２００×２×３．５μｍのサイズの８つのシリコンビーム８０４を含んでいた。シリコンビームに対する理想的なたわみ量は１４μｍであり、これは約５００〜６００℃の間の温度で首尾よく達成されることができる。図８（ａ）〜（ｂ）の結果は、ビームのたわみの非線形な温度依存性を示している。ビームのたわみを決定する際には、軸方向の応力又はひずみを考慮すべきである。なぜなら、ビーム変形の正確な分析は、ビームのたわみのみを使用して決定されることはできないからである。

本発明に従った光スイッチシステム及び方法は、例えば、ビームの第１の状態（又は平衡状態）に対応する特定の形状を有するようにビームをリソグラフィー的に規定することによって製造され得る。任意の既知のリソグラフィー技法が使用され得る。リソグラフィーは、形状及び構造のようなビームの特徴を適切に製造することを可能にする。

同様に、ビームの構造は、ビームの第２の状態（または非平衡状態）を規定する。これより、本発明のさまざまな例示的な実施形態に従って、製造方法は、ビームの第１の状態に加えてビームの第２の状態を、特定の構造を有するようにビームをリソグラフィー的に規定することによって決定するステップを含む。この特定の構造は、所定の長さ、ある幅、ある高さ、及びある曲率のうちの一つ又はそれ以上を含む。高さがまた、ビームが製造される材料の層の厚さによっても規定され得ることを理解されたい。

また、ビームの所定の構造は、ビームの様々な他の特徴を決定するようにリソグラフィー的に規定され得る。例えば、ビームの構造は、ビームの行程距離及び／又はフォース（力）カーブを決定するようにリソグラフィー的に規定され得る。

上記のように、光スイッチは、シリコン・オン・インシュレータウエハの装置層にパターニングすることによってリソグラフィー的に規定され得る。装置層と基板との間のインシュレータ（絶縁体）層は、部分的にエッチングされ、例えば、ビームを基板にアンカーするように残存しているインシュレータ層の部分を有するビームを開放してもよい。ビームをアンカリングするインシュレータの部分は、ビームに対する所望の境界条件を規定するように、パターニングされ且つエッチングされてもよい。

ビームを製造するために適した例示的な技法は、米国特許第６，３７９，９８９号及び第６，３６２，５１２号、ならびにＵＳ２００３／０２１０１１５号に記述されており、これらは全体的に参照によってここに援用される。

一般に、ポリシリコン表面のマイクロマシニングは、集積回路（ＩＣ）製造産業ではありふれたプレーナ製造プロセスステップを使用して、微小電気機械又は微小機械装置を製造する。標準的なブロックビルディングプロセスは、基板上に交互の層を堆積してフォトリソグラフィー的にパターニングするステップからなっている。交互の層は、基板の上の低ストレス多結晶シリコン（ポリシリコンとしても知られている）と二酸化シリコンのような犠牲層とからなっている。犠牲層を通じてエッチングされたビアが、基板へ及びポリシリコン層の間のアンカー点を提供する。ポリシリコン層は、マイクロマシニングされた装置の機械要素を形成するようにパターニングされる。機械要素は、このように一連の堆積及びパターニングプロセスステップにて層毎に形成される。二酸化シリコン層は、それから、ポリシリコン層をアタックしない沸化水素酸（ＨＦ）のような選択性エッチャントへの露出によって除去される。これが、ポリシリコン層に形成された機械要素を、その動作のために開放する。

光通信システムの例示的なダイアグラム図である。 図１の光通信システムの内部で使用され得る光スイッチの例示的なダイアグラム図である。 図１の光通信システムで使用され得る従来の光シャトル装置及びアクチュエータの例示的なダイアグラム図である。 変位した位置における図３の従来の光シャトル装置及びアクチュエータの例示的なダイアグラム図である。 本発明に従って使用される光シャトルシステムの第１の実施形態の例示的なダイアグラム図である。 本発明に従って使用される光シャトルシステムの第２の実施形態の例示的なダイアグラム図である。 本発明に従って使用される光シャトルシステムの第３の実施形態の例示的なダイアグラム図である。 本発明の光シャトルシステムとともに使用されるビームの変形を示す例示的なグラフである。

符号の説明

２２２ 入力導波路、２２４ 出力導波路、２２８ 導波路、２３０ 光スイッチ、２３２ シャトル、２３４ 導波路、２３６ アクチュエータ、２４２ 導波路、３００ 光シャトル装置。

Claims (4)

1. 通信システム内で信号をルーティングする光シャトルシステムであって、
   電源に接続された複数の端子と、
   前記信号をルーティングする導波路を含み、所定の位置に駆動されるシャトルと、
   前記各端子及び前記シャトルに接続され、前記シャトルを懸架するシリコンで形成される複数のビームと、を備え、
   前記複数のビームの前記シャトルと接続される側の各端部位置は、前記電源から前記各端子に電圧が印加されない平衡状態で前記複数のビームがそれぞれ接続されている各端子側の端部位置よりも前記シャトルが駆動される方向にオフセットした位置となっており、
   前記複数の端子は、正の電気端子群と負の電気端子群とを含み、
   前記各電気端子群の間に前記電源から電圧が印加されると、電流は前記正の電気端子群から前記複数のビームを通って前記負の電気端子群に向かって流れて前記複数のビームを熱膨張させ、前記シャトルを前記所定の位置に駆動する、光シャトルシステム。
2. 請求項１に記載の光シャトルシステムであって、
   電流は前記正の電気端子群から一部の前記複数のビームを通って前記シャトルに向かって流れると共に、残余の前記複数のビームを通って前記シャトルから前記負の電気端子群に向かって流れて前記複数のビームを熱膨張させること、
   を特徴とする光シャトルシステム。
3. 前記シャトルは、前記複数のビームの長手方向と略垂直な方向に駆動される請求項１または２に記載の光シャトルシステム。
4. シャトルを駆動した後に、シャトルをラッチするラッチを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の光シャトルシステム。

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