KR20040094810A - 콤비네이션 마이크로머신 및 광소자 어레이 - Google Patents

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Abstract

장치는 전자 집적회로, MEMS 소자, 및 상기 전자 집적회로에 전기적으로 결합되고, 상기 전자 집적회로 및 상기 MEMS 소자 사이에 위치된 능동형 광소자로 구성된다. 상기 MEMS 소자는 상기 전자 집적회로에 전기적으로 결합되고, 상기 전자 집적회로에 의해 제어되는 바와 같이 상기 MEMS 소자에서의 요소의 위치에 기초한, 상기 능동형 광소자와 연관된, 광의 거동에 영향을 주도록 위치된다.

Description

콤비네이션 마이크로머신 및 광소자 어레이{COMBINATION MICROMACHINE AND OPTICAL DEVICE ARRAY}
미세전자기계 장치(MEMS)는 매우 작은 구조물을 이동시키기 위해 전기를 이용하는 작은 "마이크로머신(micromachines)"으로 이루어진다. 광학 계에서, MEMS는 하나의 광섬유로부터 다른 광섬유로 광을 스티어링(steering)하기 위한 일련의 마이크로미러를 이용하는 광 크로스-커넥트(cross-connects)를 제작하는데 널리 이용되었다.
도 1 및 도 2는 종래기술의 MEMS 광 크로스-커넥트(100)를 나타낸다. 광섬유(102, 104, 106, 108)의 그룹이 정렬된 방식으로 배열되어, 광섬유(108) 중 하나를 지나가는 광이 에어 갭(110)을 가로질러 제 1 광섬유(108)와 정렬된 다른 광섬유(104)에 들어간다. 마찬가지로, 광섬유(106)를 지나가는 다른 광섬유(106)로부터의 광은 광섬유(106)와 정렬된 다른 광섬유(102)에 들어가게 된다. 에어 갭(110)의 내부 및 외부에서 이동 가능한 MEMS 마이크로미러(112)를 더 구비한다. 에어 갭(110)의 내부 및 외부에서의 마이크로미러(112)의 이동은 광섬유를 지나가는 광이 진행하는 방향에 영향을 주며, 그에 따라, 마이크로미러(112)의 위치에 따라 광섬유를 지나가는 광을 다른 광섬유로 스티어링하도록 이용될 수 있다. 예를 들면, 마이크로미러(112)가 에어 갭(110) 내에 존재하지 않을 때, 즉, 도 1에 도시된 위치에 존재할 때, 광이 에어 갭(110)을 통해 일직선으로 진행한다. 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로미러(112)가 에어 갭(110)으로 이동할 때, 광이 인접 광섬유로 스티어링될 것이다. 즉, 마이크로미러(112)가 도 1의 위치에 있을 때, 광섬유(106) 중 하나를 지나가는 광이 바로 맞은쪽에 위치한 광섬유(102)로 들어갈 것이다. 반면, 마이크로미러(112)가 도 2의 위치에 있을 때, 동일한 광섬유(106)를 지나가는 광이 다른 광섬유(104)로 스티어링될 것이다.
하지만, 현재 이러한 마이크로머신 크로스-커넥트가 단지 존재하는 범위까지, 이들 사용이 제한되고, 이들은 독립적인 요소로서 구성된다.
그래서, 본 기술 분야에서 능동형 광소자와 관련하여 보다 더 용이하게 이용될 수 있는 보다 더 다재다능한(versatile) MEMS 소자를 필요로 한다.
본 발명은 마이크로머신에 관한 것으로서, 특히, 레이저 또는 광검출기와 같은 광학 소자와 콤비네이션하여 이용된 마이크로머신에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 USC 119(e)(1) 규정에 근거하여 2002년 3월 19일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 No. 60/366,040의 우선권을 주장한다.
도 1은 한 위치에서 미러를 구비한 종래기술의 MEMS 광 크로스-커넥트를 도시한 도면.
도 2는 다른 위치에서 미러를 구비한 종래기술의 MEMS 광 크로스-커넥트를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 교시에 따른 하나의 가변 장치의 간소화된 대표적인 실례를 도시한 도면.
도 4A는 중립 위치에서 도 3의 실례로부터의 단일 소자를 도시한 도면.
도 4B는 y-축을 따라 이동한 후의 도 4A의 렌즈를 도시한 도면.
도 4C는 x-축을 따라 이동한 후의 도 4A의 소자를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 다양한 구현과 관련하여 사용에 적합한 틸팅 MEMS 마이크로미러를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 교시에 따른 다른 가변 장치의 간소화된 대표적인 실례를 도시한 도면.
도 7A는 하나의 미러(608) 위치에서 도 6의 실례로부터의 하나의 소자를 도시한 도면.
도 7B는 핀을 중심으로 다른 위치로 선회된 후의 도 7A의 마이크로미러(608)를 도시한 도면.
도 7C는 핀을 중심으로 다른 위치로 선회된 후의 도 7A의 소자를 도시한 도면.
도 8A는 본 발명의 교시에 따른 단일 능동형 소자와 이용하기 위한 하나의 수동형 소자의 다른 실례를 도시한 도면.
도 8B는 한 위치에서의 도 8A의 소자를 도시한 도면.
도 8C는 다른 위치에서 도 8A의 소자를 도시한 도면.
도 9A는 본 발명의 교시에 따른 단일 능동형 소자와 이용하기 위한 하나의 수동형 소자의 다른 실례를 도시한 도면.
도 9B는 한 위치에서의 도 9A의 소자를 도시한 도면.
도 9C는 다른 위치에서 도 9A의 소자를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 어레이를 제작하는 프로세스를 개략적으로 도시한 간소화된 도면.
도 11은 본 발명의 교시를 구현한 면 이동 렌즈 기반 장치(plane moveable lens based unit)의 절단 측면도.
도 12는 MEMS 렌즈가 IC(1104)와 통합된 후의 도 11의 최종 장치를 도시한 도면.
도 13은 도 11의 능동형 광소자 및 IC와도 통합될 수 있는 선회 MEMS 마이크로미러(pivoting MEMS micromirror)의 절단 측면도.
도 14는 MEMS 마이크로미러가 IC와 통합된 후의 도 13의 최종 장치를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 교시에 따른 능동형 광소자와 통합될 수 있는 MEMS 소자의 또다른 실례를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 교시에 따른 능동형 광소자와 통합될 수 있는 MEMS 소자의 또다른 실례를 도시한 도면.
발명의 요약
보다 더 다재다능하고 능동형 광소자와 보다 더 밀접하게 결합시키는 방식으로 전자 소자, 능동형 광소자 및 마이크로머신 기반 수동형 광소자를 결합시킬 수있는 MEMS 소자 및 배치를 고안했다.
여기서 설명된 장점 및 특징은 대표적인 실시예로부터 이용가능한 여러 장점 및 특징이고, 본 발명을 이해하는데 도움을 주기 위해서 단지 설명된 것이다. 이들이 청구의 범위에 정의된 발명을 제한하거나 청구의 범위의 균등물을 제한하는 것으로 고려되지 않음을 이해하여야 한다. 예를 들면, 이들 장점의 일부분은 단일 실시예에서 동시에 나타날 수 없다는 점에서 상호 모순적이다. 마찬가지로, 일부 장점은 본 발명의 하나의 양상에는 적용 가능하지만, 다른 양상에는 적용 불가능하다. 그래서, 균등물 판단 시 결정적으로 이러한 특징 및 장점의 요약을 고려하지 않는다. 본 발명의 부가적인 특징 및 장점은 다음의 설명, 도면 및 청구의 범위에서 명확하게 될 것이다.
상세한 설명
본 발명은 전형적으로 전자 칩 위에 밀접하게 통합된 광소자(레이저, 검출기 및/또는 변조기)의 통합형 어레이 위에서의 어레이 마이크로머신(이동 렌즈 및 미러) 통합에 관한 것이다. 광소자의 2가지 주요한 종류는 능동형 및 수동형이다. 능동형 광소자는 외부 전원을 이용하여 광의 거동을 변화시키는 소자이다. 능동형 광소자의 실례는 레이저, 검출기 및 변조기이다. 수동형 광소자는 외부 전력이 광의 거동을 변형시키는데 이용되지 않는 소자이다. 소자 재료와 광의 상호작용 대신에, 소자 자체는 광의 거동에서의 변화에 영향을 주는데 이용된다. 수동형 광소자의 실례는 렌즈, 미러 및 도파관이다.
관련 수동형 광 요소를 이동시킴으로써 수동형 광소자가 광의 거동을 변화시키기 위해 전력을 이용하지 않지만, 수동형 광 요소와 광이 상호작용하는 방식을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 미러가 틸팅(tilting)에 의해 이동되면, 광이 상이한 각도로 반사될 수 있기 때문에, 미러와 광의 상호작용으로 기인한 효과는 상이할 것이다. 미러가 유연하면, 미러를 평탄면으로부터 곡선면으로 변경함은 광이 미러와 상호작용하는 방식을 변화시킨다.
마찬가지로, 특정 렌즈와 광의 상호작용은 광이 충돌하는 렌즈 상의 위치에 따라 상이할 것이다.
결과적으로, 수동형 광소자가 이동 가능할 경우 수동형 광 MEMS 소자를 제작하고 수동형 광소자를 능동형 광소자와 밀접하게 통합시킴으로써, 고도로 다재다능하면서 이로운 결과를 달성할 수 있다.
특정 구현에 의존하는 본 발명에 따르면, 광이 능동형 광소자에 의해 방출/수신되는 방향에 본질적으로 수직하는 면에서, 광이 능동형 광소자에 의해 방출/수신되는 방향에 관련된 틸팅 형태로, 또는 광이 능동형 광소자에 의해 방출/수신되는 방향을 따라, 또는 이들의 조합에 따라 수동형 광소자를 이동 가능하도록 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 교시에 따른 하나의 가변 장치(300)의 간소화된 대표적인 실례를 나타낸다. 본 실례에서, 장치(300)는 광전 칩을 형성시키기 위해 전자 집적회로(IC) 칩(304)과 통합된 다중 능동형 광소자(302), 즉, 레이저로 구성된다. 렌즈(308)의 어레이를 능동형 광소자(302) 위에 위치시킨다. 이 경우에, 각 렌즈(308)는 x-y면에서 (즉, 레이저가 방출하는 방향에 본질적으로 수직하는 면에서) 개별적으로 이동 가능하다. x축을 따라 렌즈를 이동시킴으로써, 레이저로부터의 광빔을 "스티어링"할 수 있다. 이는 단일 레이저로부터의 광을 적어도 2개의 서로 다른 광섬유로 결합시킬 수 있다.
도 4A는 중립 위치에서 도 3의 실례로부터의 단일 소자를 나타낸다. 이 위치에서, 방출광은 z축을 따라 진행한다.
도 4B는 레이저로부터 방출된 광이 y-z면을 따라 스티어링되도록 하는 위치로 y축을 따라 이동된 후의 도 4A의 렌즈를 나타낸다.
도 4C는 레이저로부터 방출된 광이 x-z면을 따라 스티어링되도록 하는 위치로 x축을 따라 이동된 후의 도 4A의 소자를 나타낸다.
물론, x 및 y 방향에서의 이동 조합을 이용하여 도 4B 및 도 4C의 방향 사이의 상이한 위치로 빔을 스티어링할 수 있다. 마찬가지로, 마이너스 x 또는 마이너스 y 방향에서의 이동은 유사한 결과를 산출할 것이다.
도 5는 본 발명의 다양한 구현과 관련하여 사용에 적합한 틸팅 MEMS 마이크로미러(500)를 나타낸다. 마이크로미러(500)는 마이크로미러(500)에서 서로 마주보고 있는 모서리에서 2개의 핀(502)을 구비한다 (직사각형, 타원형, 원형 등이 서로 다른 구현에 이용될 수 있지만, 이 경우에 마이크로미러는 모양에서 정사각형임). 마이크로미러(500)의 부분(504)은 (전기적인 또는 자기적인) 전하를 포함하여, 예를 들면, 전기적으로 또는 정전기적으로 하전된 플레이트, 패드 또는 코일(506)로부터의 마이크로 전계를 적용하여 전계에 의해 부분(504)이 유인 또는 반발되도록 하여, 핀(502)을 중심으로 마이크로미러(500)를 선회시킨다. 선택적으로, 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 홀(508)이 마이크로미러(500)에 구비되어, 홀(508)의 크기 및 미러 상에서의 변위에 따라 서로 다른 효과가 달성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 교시에 따른 다른 가변 장치(600)의 간소화된 대표적인 실례를 나타낸다. 본 실례에서, 장치(600)는 광전 칩을 형성시키기 위해 전자 집적회로(IC) 칩(604)과 통합된 다중 능동형 광소자(602), 즉, 검출기로 구성된다. 선회가능한 마이크로미러(608)의 어레이(606)는 능동형 광소자(602) 위에 위치된다. 각 마이크로미러(608)는 개별적으로 (도시되지 않은) 핀을 중심으로 틸팅가능하다. 핀을 중심으로 마이크로미러(608)를 선회시킴으로써, 서로 다른 방향에서의 반사에 의해 광빔을 스티어링할 수 있다. 부가적으로, 미러에 위치된 광홀(610)은 광을 마이크로미러(608) 아래에 위치된 검출기(602)에 도달하게 한다. 홀(610)의 크기 및 변위에 따라, 벌크를 반사시키는 동안 소량의 광을 검출기와 충돌시킬 수 있거나, 대부분 또는 모든 광을 검출기(602)에 도달시킬 수 있거나, 모든 광을 반사시킬 수 있다.
유익하게도, 이는 일부 변형을 동작시켜, 검출기(602)가 광 일부를 아래에서 검출하고, 광 스트림에서의 정보에 기초한 미러를 스위칭하는 동안 마이크로미러(608)가 외부 광을 스티어링할 수 있다.
도 7A는 하나의 마이크로미러(608) 위치에서 도 6의 실례로부터의 하나의 소자를 나타낸다. 이 위치에서, 입사광을 좌측으로 반사시킨다.
도 7B는 입사광이 우측으로 반사되도록 핀을 중심으로 선회된 후의 도 7A의 마이크로미러(608)를 나타낸다.
도 7C는 잔류 입사광이 반사되는 동안 입사광의 일부가 아래의 검출기(602)로 홀(610)을 관통하도록 선회된 후의 도 7A의 소자를 나타낸다.
도 8A는 본 발명의 교시에 따른 단일 능동형 소자와 이용하기 위한 하나의 수동형 소자(800)의 다른 실례를 나타낸다. 본 실례에서, 수동형 소자(800)는 광학적으로 불투명하고 소자 중심에서 벗어난 홀(802)을 구비한다. 도 3 또는 도 4의 렌즈와 유사한 수동형 소자(800)가 x-y면에서 이동하도록 설계한다. 이 소자(800)를 레이저 위에 위치시킴으로써, 레이저가 연속적인 방출 또는 "온(on)" 상태로 될 수 있고, 소자(800)의 위치에 따라, 방출빔은 홀(802)(도 8B)을 관통하거나 소자(800)(도 8C)에 의해 차단될 수 있다. 이러한 방식으로, 소자가, 예를 들면, 스위치로서 이용될 수 있다.
특정 구현에 따라, 소자(800)가 반사형 재료 또는 광 흡수 재료일 수 있다.
도 9A는 본 발명의 교시에 따른 단일 능동형 소자와 이용하기 위한 수동형 소자(900)의 다른 실례를 나타낸다. 본 실례에서, 수동형 소자(900)는 광학적으로 불투명하고 소자의 중심에서 벗어난 홀(902)을 구비한다. 도 5, 도 6 또는 도 7의 마이크로미러와 유사한 수동형 소자(900)는 핀(904)을 중심으로 선회하도록 설계된다. 이 소자(900)를 레이저 위에 위치시킴으로써, 레이저가 연속적인 방출 또는 "온(on)" 상태로 될 수 있고, 소자(900)의 위치에 따라, 방출빔은 홀(902)(도 9B)을 관통하거나, 또는 소자(900)를 구성하는 재료가 반사형이라면, 다른 위치, 예를 들면, 광섬유, 다른 수동형 소자 또는 이웃 검출기로 방출빔을 향하게 할 수 있다. 재료가 광을 흡수하면, 소자(900)가 방출빔을 차단할 수 있다. 이러한 방식으로, 소자가 빔을 스티어링하고 스위치로서 이용될 수 있다. 또한, 재료가 한 영역에서 반사하고 다른 영역에서 광을 흡수하면, 콤비네이션이 달성될 수 있다.
도 10은 소자 면을 수직으로 볼 때 본 발명에 따른 어레이를 제작하는 프로세스를 개략적으로 나타내는 간소화된 도면이다. 먼저, IC(1002)는 이에 부착된 능동형 소자(1004)의 어레이를 구비한다. 특정 구현에 따라, 이는 본 기술분야에서 공지된 기법을 이용하거나, 2001년 6월 29일에 모두 출원되어 일반적으로 할당된 미국특허출원 Nos. 09/896,189, 09/896,665, 09/897,160, 09/896,983, 09/897,158에 도시 및 설명된 바와 같은 기법을 이용하여 달성될 수 있고, 이들의 전체적인 개시 내용은 참고로 여기에 포함된다. MEMS 소자(1006)의 어레이는 능동형 소자 위에 부착된다. 다른 변형에서, 광소자(1004)는 IC(1002)와 통합되기 전에 MEMS 소자(1006)와 통합될 수 있다.
도시한 바와 같이, MEMS 소자는 x축을 따라 렌즈(1008)를 푸쉬-풀하는 요소(1010)의 쌍 및 y축을 따라 렌즈(1008)를 푸쉬-풀하는 요소(1012)의 쌍에 의해 x축을 따라 발생된 필드에 의해 x-y면에서 각각 이동 가능한 렌즈(1008)이다.
도 11은 본 발명의 교시를 구현한 면 이동 렌즈 기반 장치(plane moveable lens based unit)의 절단 측면도를 나타낸다. 능동형 광소자(1102), 즉, 레이저가전자 IC(1104) 상에 탑재된다. IC(1104)는 스티어링 입력 X(1108) 및 스티어링 입력 Y(1110)를 이용하여 레이저에 의해 출력된 데이터 및 렌즈(1106)의 위치를 제어하는 회로를 포함한다. MEMS 렌즈(1106)는 능동형 소자(1102) 위에 위치되어 연결 패드(1112)를 통한 IC(1104)의 스티어링 입력(1108, 1110)에 연결될 것이다. 도 12는 MEMS 렌즈(1106)가 IC(1104)와 통합된 후의 최종 장치(1200)를 나타낸다.
도 13은 능동형 광소자(1300), 즉, 광검출기(1300), 및 도 11의 IC(1104)와 통합될 수 있는 선회 MEMS 마이크로미러(1302)의 절단 측면도이다. 도시한 바와 같이, 마이크로미러(1302)는 미러 요소(1304)의 위치에 상관없이 소량의 입사광이 광검출기(1300)로 관통하는 동안에 미러를 선회시킴으로써 광이 스티어링될 수 있도록 내부에 홀(1306)을 구비한 미러 요소(1304)를 구비한다.
도 14는 MEMS 마이크로미러(1302)가 IC(1104)와 통합된 후의 최종 장치(1400)를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 교시에 따른 능동형 광소자와 통합될 수 있는 MEMS 소자의 또다른 실례를 나타낸다. 도 15의 실례에서, 유연한 반사형 요소(1500)는 일측(1502) 상에서, 예를 들면, 고정핀(1504)에 의해 속박된다. 슬라이드 이동핀(slideably moveable pins)(1506)의 쌍은 요소(1500)의 굴곡이, 예를 들면, 거의 평탄한 형태로부터 심하게 구부러진 형태로 변경되도록 하여, 입사광의 각도, 요소(1500)의 굴곡, 및 광이 요소(1500)와 충돌하는 위치에 기초하여 요소(1500) 상에서 입사광을 상이하게 굴절시킨다.
도 16은 본 발명의 교시에 따른 능동형 광소자와 통합될 수 있는 MEMS 소자의 또다른 실례를 나타낸다. 도 16의 실례에서, 유연한 반사형 요소(1600)는 요소(1600)의 굴곡이, 예를 들면, 오목한 형태로부터 볼록한 형태로 변경되도록 하는 요소(1600)의 어느 하나의 사이드 상에서 슬라이드 이동핀(1602, 1604)의 쌍을 구비하여, 입사광의 각도, 요소(1600)의 굴곡, 및 광이 요소(1600)와 충돌하는 위치에 기초하여 요소(1600) 상에서 입사광을 상이하게 굴절시킨다.
상기 설명이 단지 대표적으로 예시적인 실시예라는 것을 이해하여야 한다. 독자의 편의를 위해서, 상기 설명은 모든 가능한 실시예 중 대표적인 실례에 초점을 맞추었으며, 실례는 본 발명의 원리를 교시한다. 상기 설명은 모든 가능한 변화를 남김없이 열거하지 못하였다. 다른 실시예가 본 발명의 특정 부분을 위해 제공되지 않거나 또는 설명되지 않은 실시예가 어떤 부분에 이용가능한 것은 이들 다른 실시예의 권리 포기(disclaimer)로서 고려되지 않는다. 당업자는 이들 설명되지 않은 실시예가 본 발명의 동일한 원리를 포함하고, 기타는 균등한 것임을 이해할 것이다.

Claims (9)

  1. 전자 집적회로;
    MEMS 소자; 및
    상기 전자 집적회로에 전기적으로 결합되고, 상기 전자 집적회로 및 상기 MEMS 소자 사이에 위치된 능동형 광소자를 포함하되,
    상기 MEMS 소자는 상기 전자 집적회로에 전기적으로 결합되고, 상기 전자 집적회로에 의해 제어되는 바와 같이 상기 MEMS 소자에서의 요소(elements)의 위치에 기초한, 상기 능동형 광소자와 연관된, 광의 거동에 영향을 주도록 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 요소는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 요소는 제 1 면(surface) 및 상기 제 1 면을 마주보고 있는 제 2 면을 구비한 이동 마이크로미러를 포함하고, 상기 마이크로미러는 상기 제 1 면으로부터 상기 제 2 면으로 확장하는 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로미러는 상기 제 1 면에 의해 한정된 면(plane)에서의 이동을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 마이크로미러는 틸팅 이동을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 능동형 광소자는 다중 능동형 광소자 중 하나이고, 상기 요소는 다중 요소 중 하나이고, 상기 요소 각각은 해당 능동형 광소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 요소는 유연한 반사형 요소인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 유연한 반사형 요소는 고정부 및 이동부를 포함하되, 상기 이동부는 상기 이동부의 이동이 상기 유연한 반사형 요소의 굴곡을 변화시키도록 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 유연한 반사형 요소는 이동부의 쌍을 포함하되,
    a) 상기 쌍에서 개별 이동부가 서로 인접해 있을 때 상기 유연한 반사형 요소의 굴곡이 증가하고,
    b) 상기 쌍에서 개별 이동부가 서로 떨어져 있을 때 상기 유연한 반사형 요소의 굴곡이 감소하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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