KR20100119485A - 쌍안정 광 위상 변조 장치 및 상기 변조 장치의 구동 방법과 어레이 배열 - Google Patents

쌍안정 광 위상 변조 장치 및 상기 변조 장치의 구동 방법과 어레이 배열 Download PDF

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Abstract

광의 반사면 위치에 의해 광 위상을 변조하는 방식에 있어서, 마이크로미터 크기의 구조에 마이크로미러를 일체화한 구조체의 구동에 있어서 광 파장보다 충분히 짧은 위치 정밀도로 광의 반사면 위치를 제어하는 가능성이 있지만, 그 동작 위치 정밀도로 양호한 재현성을 얻는 것은 곤란하다.
가동 구조체의 이동을 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판 사이에 끼운 범위로 한정하여, 원하는 광 위상 변조량으로부터 상기 정지판 사이 거리를 설정하고, 상기 범위의 중앙으로부터 양단부를 향하여 보다 낮은 에너지 포텐셜 상태를 형성하고, 메모리 셀 데이터에 의해 상기 구조체의 이동 방향을 차별화하고, 상기 구조체를 상기 범위의 어느 하나의 단부로 이동시키고, 단부에 형성한 상기 빔 정지판에 의해 상기 구조체를 정지하여 유지 안정화시키는 쌍안정 구동에 의해, 상기 구조체에 일체화한 마이크로미러에 의해 반사되는 광의 광로 길이를 절환하여, 재현성이 양호한 광 위상 변조를 실현한다.

Description

쌍안정 광 위상 변조 장치 및 상기 변조 장치의 구동 방법과 어레이 배열{BISTABLE OPTICAL PHASE MODULATOR, AND DRIVING METHOD AND ARRAY ARRANGEMENT OF THE SAME}
본 발명은 공간 광의 위상을 고속, 또한 고해상도로 변조하는 장치, 상기 장치의 구동 방법 및 어레이 배열에 관한 것이다.
CD, DVD 등 종래의 광학 디스크는 레이저 펄스 1개로 1비트의 정보를 면에 선 형상으로 연결하여 기록하는 종렬 데이터 방식을 채용하여, 예를 들어 청색 레이저 광 DVD에서는 디스크당 수십 기가바이트의 기록 용량이 얻어지며, 한편, 장래에는 예를 들어, 레이저 펄스 1개로 수천 비트의 페이지 정보를 체적으로 기록하는 홀로그래픽 데이터 기록 방식에 의해 디스크당 수 테라바이트의 기록 용량 달성을 목표로 연구가 진행되고 있다.
또한, 위상이 정렬된 레이저 광의 간섭에 의해 형성되는 홀로그램의 간섭 무늬를 컴퓨터에 의해 계산하고, 전자 제어에 의해 표시 디바이스에 간섭 무늬를 표시시켜 자연스러운 3차원 입체상을 표시하는 전자 홀로그래피 방식에 있어서, 표시 디바이스의 기술 개발에 수반하여 보다 고품위의 시스템을 구축할 수 있게 되어 홀로그래피를 응용한 동화상 3차원 디스플레이의 연구 개발이 진전되고 있지만, 홀로그램의 미세한 간섭 무늬를 표시ㆍ재현하는 디바이스에는 매우 큰 공간 대역 폭적이 요구된다.
홀로그램은 진폭 변조형과 위상 변조형으로 나뉘고, 위상 변조형은 투과율이나 회절 효율이 진폭 변조형을 크게 상회하는 특징을 갖는다.
수백만 화소 이상으로 이루어지는 프레임을 매초 1만회 이상 절환할 수 있는 광 위상 변조기는, 디지털 정보를 광의 위상면에 변조하여 광 홀로그램에 의한 기록ㆍ재생을 행하는 기술, 예를 들어 홀로그램 데이터 스토리지나 홀로그래피를 응용하는 동화상 3차원 디스플레이 실용화에 유용하다.
하기의 문헌에 있어서, 디지털 미소 반사 표시기[Digital Micromirror Device(DMD)]의 미러 회전 동작에 있어서의 쌍안정화의 원리, 미러 구동 방법, 미러 회전 스톱 구조, 유연한 박막 금속 빔(스프링 팁)의 휨, 콜리니어 방식을 이용한 HVD(홀로그래피 다기능 디스크; Holographic Versatile Disc) 규격에 관한 내용을 참조할 수 있다.
[특허문헌1]Knipeetal.:U.S.Patent5912758,Jun.15,1999 [특허문헌2]DiCarloetal.:U.S.Patent7252395B2,Aug.7,2007 [특허문헌3]Kaeriyama:U.S.Patent2009/0034043A1,Feb.5.2009
[비특허 문헌 1] L.J.Hornbeck and W.E.Nelson:OSA Technical Digest Series, Vol.8, Spatial Light Modulator and Applications, pp.107-110, 1988 [비특허 문헌 2] R.L.Knipe:SPIE Europto Proceedings, Vol.2783, pp.135-145, June 12-13, 1996 [비특허 문헌 3] http:www.ecma-international.org/publications/standards/standard.html
광의 반사면 위치에 의해 광 위상을 변조하는 방식에 있어서, 마이크로미터 크기의 구조에 마이크로미러를 일체화한 구조체의 구동에 있어서 광 파장보다 충분히 짧은 위치 정밀도로 광의 반사면 위치를 제어할 수 있는 가능성이 있지만, 상기 구조체 시스템의 구동에 있어서, 상기 구조체의 제조 공정 편차, 온도 등 환경 조건에 있어서 변하는 구조재 물성, 장기 신뢰성 동작에 의한 금속 피로 등의 요인에 의해 광 파장보다 충분히 짧은 정밀도로 그 동작 위치 정밀도의 재현성을 보증하는 것은 곤란하다.
가동 구조체의 이동을 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판 사이의 범위로 한정하여, 원하는 광 위상 변조량으로부터 상기 정지판 사이 거리를 설정하고, 상기 구조체를 상기 정지판에 의해 정지시키고, 또한 그 위치에 전기 기계적으로 유지 안정화시킨다.
2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판 사이에 설정되는 위치의 단부와 단부 사이를 가동 구조체가 천이 이동하는 쌍안정 구동에 의해, 상기 구조체에 일체화되는 마이크로미러에 의해 반사되는 광로 길이 차이를 상기 위치의 단부와 단부 사이의 거리에 의해 정확하게 정할 수 있어, 재현성이 양호한 광 위상 변조를 실현할 수 있다.
마이크로미러를 일체화하는 가동 구조체의 중량은 수 마이크로그램이며, 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판 사이에 설정되는 위치의 단부와 단부 사이의 천이에 필요한 시간은 ㎲ 정도이며, 상기 구조체를 평면에 배열하여 광 반사판으로 이루어지는 마이크로미러 어레이로 함으로써 반사되는 2차원 광면의 위상을 고속, 또한 고해상도로 변조하는 기능을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)의 기본 구성 단면을 도시한 도면.
도 2는 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력의 방향과 크기의 높이 위치 의존예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 시퀀스를 도시한 도면.
도 4는 메모리 셀 CMOS 회로가 내부에 형성된 실리콘 반도체 기판을 도시한 도면.
도 5는 다층 금속 박막 구조체를 형성해 가는 기초면(46) 상에 박막 금속 전극판(2)을 형성한 구조(47)를 도시한 도면.
도 6은 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조(48)를 도시한 도면.
도 7은 박막 금속 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조(53)를 도시한 도면.
도 8은 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조(48)와 상기 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조(53)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(58)를 도시한 도면.
도 9는 박막 금속 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조 구성의 변형예를 도시한 도면.
도 10은 구조(47)에 구조(58)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(60)를 도시한 도면.
도 11은 박막 금속 전극판(4)의 중앙에 개구부(61)를 형성한 상기 전극판(4)을 공중에 지지하는 구조(62)를 도시한 도면.
도 12는 구조(60)에 구조(62)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(67)를 도시한 도면.
도 13은 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 지지 기둥(20)으로 이루어지는 구조(68)를 도시한 도면.
도 14는 구조(67)에 구조(68)를 위치 맞춤 접속하여 완성한 전체 구조(69)를 도시한 도면.
도 15는 2종류의 안정 상태로 구동되는 쌍안정 광 위상 변조 장치를 도시한 도면.
도 16은 쌍안정 광 위상 변조 장치의 어레이 배열(73)의 예를 도시한 도면.
광의 반사면 위치에 의해 광 위상을 변조하는 방식에 있어서, 마이크로미터 크기의 구조에 마이크로미러를 일체화한 구조체의 구동에 있어서 광 파장보다 충분히 짧은 위치 정밀도로 광의 반사면 위치를 제어할 수 있는 가능성이 있다.
그러나, 마이크로미터 크기의 가동 구조체 시스템의 구동에 있어서 상기 구조체의 제조 공정 편차, 온도 등의 환경 조건에 있어서 변하는 구조재 물성, 장기 신뢰성 동작에 의한 금속 피로 등의 요인에 의해 광 파장보다 충분히 짧은 정밀도로 그 동작 위치 정밀도의 재현성을 보증하는 것은 곤란하다.
마이크로미터 크기의 가동 구조체 시스템이 본질적으로 내포하는 이 과제에 대하여 해결 수단을 제공하는 본 발명 내용을 이하에 설명한다.
도 1에 본 발명의 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)의 기본 구성 단면을 도시한다.
쌍안정 광 위상 변조 장치(1)는 예를 들어 메모리 셀을 형성한 CMOS 실리콘 반도체 기판 상에 도전성을 갖는 다층의 박막 금속으로부터 모놀리식으로 형성되는 입체 구조로 구성된다.
CMOS 실리콘 반도체 기판 상에 마이크로미터 크기의 입체 구조를 구성하는 최하층의 박막 금속 전극판(2)을 형성하여 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 접속하고, 박막 금속 전극판(4)을 상기 전극판(2)의 상부 공중에 위치를 맞추어 형성하여 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 접속한다.
박막 금속 전극판(5)에 상하로 휘는 박막 금속 빔(6, 7)의 일단부를 접속하고, 타단부를 도면 중의 표시로부터 생략되어 있는 지지 기둥에 접속하며, 상기 전극판(5)을 박막 금속 전극판(2)에 위치 맞춤하고, 상기 전극판(5)을 상기 전극판(2) 위치와 박막 금속 전극판(4) 위치의 중간 부근의 높이의 공간에 수평으로 현수한다.
박막 금속 전극판(5)과 박막 금속 전극판(2) 사이의 공간, 및 상기 전극판(5)과 박막 금속 전극판(4) 사이의 공간에 상기 전극판(5)으로부터 하측 방향 내지는 상측 방향으로 각각 거의 동등한 거리로 이격된 높이 위치에, 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 자유 단부(10b, 11b)를 상기 전극판(5)의 모서리의 하면(18b, 19b)에 약간 중첩되도록, 또한 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 자유 단부(12b, 13b)를 상기 전극판(5)의 모서리의 상면(18a, 19a)에 약간 중첩되도록 입체 배치한다.
상하 방향으로 휘는 박막 금속 빔(6, 7)에 의해 공중에 수평으로 현수되어 있는 박막 금속 전극판(5)의 중앙에 박막 금속 전극판(4)에 접촉하지 않게 세워진 지지 기둥(20)에 의해 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)을 접속하여 일체화한 가동 구조체(22)를 형성하고, 상기 구조체(22)와 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11, 12, 13)에 공통의 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가하여, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 접속한 박막 금속 전극판(2)과, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 접속한 상기 전극판(4) 사이에 전위차에 의한 정전 인력을 작용시킨다.
지지 기둥(20)의 높이는, 박막 금속 전극판(4)과 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21) 사이에 작용하는 정전 인력이 박막 금속 전극판(4)과 박막 금속 전극판(5) 사이에 작용하는 정전 인력보다 충분히 작아지도록 설정한다.
어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a), 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 인가한 상태에서 작은 값의 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가하였을 때, 박막 금속 전극판(5)과 박막 금속 전극판(2) 사이에 작용하는 정전 인력과, 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 상기 전극판(5)이 지지 기둥(20)에 의해 일체화된 가동 구조체(22)와 박막 금속 전극판(4) 사이에 작용하는 정전 인력의 합성력이 상기 구조체(22)에 작용하는 결과, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)을 현수하는 박막 금속 빔(6, 7)이 상측 내지는 하측으로 휘어 상기 구조체(22)는 수평을 유지하여 위치를 이동하고, 휨에 의해 발생하는 복원력과 상기 정전 인력의 합성력이 균형을 이루는 위치에서 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)은 정지한다.
어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a), 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 인가한 상태에서 바이어스 전압(Vb)(23)을 더 증가해 가면, 박막 금속 전극판(5)과 박막 금속 전극판(2) 사이에 작용하는 정전 인력과 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 상기 전극판(5)이 지지 기둥(20)에 의해 일체화된 가동 구조체(22)와 박막 금속 전극판(4) 사이에 작용하는 정전 인력의 합성력이 더욱 증가하여, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)을 현수하는 박막 금속 빔(6, 7)의 복원력에 거슬러 상기 구조체(22)가 수평을 유지하면서 위치를 이동하는 결과, 상기 빔(6, 7)의 상측 내지는 하측으로의 휨량이 증가해 가고, 마침내 상기 전극판(5)의 모서리의 상면(18a, 19a)이, 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 자유 단부(12b, 13b)에, 내지는 상기 전극판(5)의 하면(18b, 19b)이 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 자유 단부(10b, 11b)에 접촉하여, 상기 전극판(5)은 상기 빔 정지판의 자유 단부에 의해 정지하고, 동시에 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)도 부호(25a) 내지는 부호(25b) 중 어느 하나의 높이 위치에 있어서 정지한다.
이와 같이 가동 구조체(22)와 박막 금속 전극판(2) 및 가동 구조체(22)와 박막 금속 전극판(4) 사이에 작용하는 정전 인력의 합성력은, 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)으로부터 박막 금속 빔(6, 7)과 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11) 내지는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)에 배분 인가되고, 정전 인력 에너지의 일부는 박막 금속 빔(6, 7) 및 상기 빔 정지판(10, 11) 내지는 상기 빔 정지판(12, 13)의 휨 에너지로 변환되어 축적된다.
메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)과 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b), 바이어스 전압(Vb)(23)의 인가 조건의 조합에 의해 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)이 부호(25a) 내지는 부호(25b) 중 어느 하나의 높이 위치에서 정지할 때, 상기 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)에 입사하여 반사되는 광의 광로 길이 차(위상차)를 상기 표면(24)의 높이 위치(25a와 25b) 사이의 거리에 의해 원하는 값이 되도록 설계한다.
박막 금속 전극판(2)에 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a), 박막 금속 전극판(5)에 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b), 가동 구조체(22)에 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가한 조건에 있어서, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)으로부터 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부에 작용하는 응력에 의해 상기 빔 정지판의 자유 단부가 휨으로써 발생하는 복원력과 그 응력이 균형을 이루어 상기 전극판(5)이 정지하여 안정 상태에 있을 때, 상기 전극판(5)이 안정되는 위치가 상기 빔 정지판의 자유 단부의 휨에 의해 변동하는 결과, 상기 전극판(5)에 접속되는 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)의 위치도 그 변동에 연동한다.
도 2에 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력의 방향과 크기의 높이 위치 의존예를 도시한다.
가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)은 박막 금속 전극판(2)과 박막 금속 전극판(4)의 높이의 중간에 위치하고, 예를 들어 상기 전극판(2)과 상기 전극판(5)의 공간 간격, 및 상기 전극판(5)과 상기 전극판(4)의 공간 간격을 각각 약 1㎛로, 또한 전극판(2) 및 상기 전극판(4)의 전극 면적을 각각 80㎛2로 설정하고, 가동 구조체(22)에 인가하는 바이어스 전압(Vb)(23)을 25V로 설정하고, 상기 전극판(2)에 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 5V 내지는 0V를 인가하며, 상기 전극판(4)에 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 0V 내지는 5V를 인가한 경우에 상기 전극판(5)의 높이 위치에 있어서 작용하는 정전 인력의 관계를 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력축(26)과 상기 전극판(5)의 높이 위치축(27)의 2차원도로 도시하고 있다.
가동 구조체(22)에 인가하는 바이어스 전압(Vb)(23)을 25V로 설정하고, 박막 금속 전극판(2)에 인가하는 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 5V로 하고 박막 금속 전극판(4)에 인가하는 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 0V로 설정한 경우의 관계 곡선(33)으로부터, 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)과 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)에 박막 금속 전극판(5)이 위치하는 경우에 상기 구조체(22)가 상기 전극판(4)으로 당겨지는 방향(31)의 정전 인력은 25nN 전후이며, 상기 위치(28)로부터 벗어남에 따라서 정전 인력은 비선형으로 증가해 가고, 벗어난 정도가 예를 들어, 0.5㎛인 상기 빔 정지판(12, 13)의 높이에 상당하는 위치(29)에서는 상기 구조체(22)가 박막 금속 전극판(4)으로 당겨지는 방향(31)의 정전 인력은 1300nN으로, 또한 상기 빔 정지판(10, 11)의 높이에 상당하는 위치(30)에서는 상기 구조체(22)가 상기 전극판(2)으로 당겨지는 방향(32)의 정전 인력은 910nN으로 된다.
한편, 가동 구조체(22)에 인가하는 바이어스 전압(Vb)(23)을 25V로 설정하고, 박막 금속 전극판(2)에 인가하는 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 0V로 하고 박막 금속 전극판(4)에 인가하는 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 5V로 설정한 경우의 관계 곡선(34)으로부터, 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)과 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)에 박막 금속 전극판(5)이 위치하는 경우에 상기 구조체(22)가 상기 전극판(2)으로 당겨지는 방향(32)의 정전 인력은 25nN 전후이며, 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)의 위치가 상기 위치(28)로부터 벗어남에 따라서 정전 인력은 비선형으로 증가해 가고, 벗어난 정도가 예를 들어, 0.5㎛인 상기 빔 정지판(12, 13)의 높이에 상당하는 위치(29)에서는 상기 구조체(22)가 상기 전극판(4)으로 당겨지는 방향(31)의 정전 인력은 780nN으로, 또한 상기 정지판(10, 11)의 높이에 상당하는 위치(30)에서는 상기 구조체(22)가 상기 전극판(2)으로 당겨지는 방향(32)의 정전 인력은 1400nN으로 된다.
따라서, 25V의 바이어스 전압(Vb)(23)을 가동 구조체(22)에 인가하고, 메모리 셀로부터 5V의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 박막 금속판(2)에 인가하며, 0V의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 박막 금속 전극판(4)에 인가한 경우의 정전 인력과 박막 금속 전극판(5)의 높이 위치의 관계 곡선(33)과, 또한 그 상태에 있어서 메모리 데이터 셀 내용을 재기입하여 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 0V로 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 5V로 반전한 경우의 정전 인력과 상기 전극판(5)의 높이 위치의 관계 곡선(34)으로부터, 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이에 상당하는 위치(29) 내지는 상기 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 높이에 상당하는 위치(30)에 있어서 상기 구조체(22)에 작용하는 정전 인력은 메모리 셀의 데이터 내용을 재기입하여 반전하면 각각 약 40퍼센트 감소하는 것을 알 수 있다.
바이어스 전압(Vb)(23)을 가동 구조체(22)에 인가하고, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 박막 금속 전극판(2)에 인가하며, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 박막 금속 전극판(4)에 인가하여, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13 내지는 10, 11)의 높이 위치에서 정지 상태에 있었던 경우, 상기 어드레스 상보 출력 전압{[Va(-)](3a), [Va(+)](3b)}를 절환하여 상기 전극판(5)으로부터 상기 정지판(12, 13 내지는 10, 11)에 가해지는 응력이 감소한 상태에 있어서도 상기 전극판(5)이 상기 정지판(12, 13 내지는 10, 11)의 위치에 머무르도록 상기 전극판(5)을 수평으로 현수하는 박막 금속 빔(6, 7)의 빔 특성을 설계한다.
이와 같이 바이어스 전압(Vb)(23), 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압{[Va(-)](3a), [Va(+)](3b)}의 인가를 제거하면, 정전 인력이 작용하지 않고 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)을 현수하는 박막 금속 빔(6, 7)은 휘지 않으며 상기 전극판(5)은 박막 금속 전극판(2)과 박막 금속 전극판(4)의 높이의 중간 위치에서 수평으로 정지 상태에 있지만, 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가ㆍ증가해 가면 정전 인력의 작용에 의해 이번에는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13) 내지는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 높이 위치가 에너지 포텐셜이 낮은 안정 상태로 옮겨 가고, 또한 상기 어드레스 상보 출력 전압{[Va(-)](3a), [Va(+)](3b)}의 값이 반전해도 상기 전극판(5)은 상기 정지판(12, 13) 내지는 상기 정지판(10, 11)의 높이 위치에 머물러, 상기 전극판(5)을 상기 정지판(12, 13) 내지는 상기 정지판(10, 11)의 높이 위치에 전기 기계적으로 유지할 수 있게 된다.
즉, 25V의 바이어스 전압(Vb)(23)을 박막 금속 전극판(5)에 인가하고, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a) 5V를 박막 금속판(2)에, 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b) 0V를 박막 금속 전극판(4)에 인가하여 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이 위치에 전기 기계적으로 유지된 상태에서 메모리 데이터를 기입하여 갱신하고 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a) 0V를 상기 전극판(2)으로, 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b) 5V를 상기 전극판(4)으로 절환해도 상기 전극판(5)은 상기 정지판(12, 13)의 높이 위치에 전기 기계적으로 유지된다.
메모리 셀의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a) 0V를 박막 금속 전극판(2)에, 상기 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b) 5V를 박막 금속 전극판(4)에, 바이어스 전압(Vb)(23) 25V를 가동 구조체(22)에 인가하여, 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 위치에 전기 기계적으로 유지한 상태에 있어서, 상기 구조체(22)의 기계 공진 주파수 성분을 포함하는 리셋 펄스(전압 펄스)를 바이어스 전압(Vb)(23)에 중첩하여 상기 구조체(22)를 기계 공진 진동시키고, 다음에 바이어스 전압(Vb)(23)을 상기 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)와 동등한 5V로 설정하여 바이어스 전압 오프의 상태로 하여 상기 구조체(22)와 상기 전극판(4) 사이에 작용하는 정전 인력을 제거하면, 상기 구조체(22)는, 휜 박막 금속 빔(6, 7)과 휜 상기 빔 정지판(12, 13)으로부터 해방되는 복원력과, 상기 리셋 펄스에 의한 상기 구조체(22)의 기계 공진의 진동 운동력에 의해, 상기 전극판(5)과 상기 전극판(2) 사이의 5V의 전위차에 의해 상기 빔 정지판(12, 13)의 부근에 있어서 상기 전극판(2)으로 당겨지는 방향(32)에 작용하는 수 nN의 정전 인력 가속을 받으면서, 상기 빔 정지판(12, 13)으로부터 이륙하여 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)를 향하여 복귀되는 운동 과정으로 들어간다.
박막 금속 표면은 저접촉력층 코팅을 실시하여 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)과 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13) 사이의 접촉력은 낮게 제어되어 있지만, 여전히 분자간 접촉력이 존재하고 있어, 상기 구조체에 상기 구조체(22)의 기계 공진 주파수 성분을 포함하는 리셋 펄스(전압 펄스)를 인가하여 상기 구조체(22)에 기계 공진의 진동 운동력을 부여하고, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)의 상기 빔 정지판(12, 13)으로부터의 이륙을 보다 확실한 것으로 한다.
한편, 메모리 셀의 데이터가 재기입되어도 내용이 동일한 경우에는, 바이어스 전압 오프의 상태에 있어서 박막 금속 전극판(5)에 5V, 박막 금속 전극판(4)에 0V가 인가된 상태이며 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)으로부터 이륙하는 경우에는, 휜 박막 금속 빔(6, 7)과 휜 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 복원력과 가동 구조체(22)의 기계 공진 주파수 성분을 포함하는 리셋 펄스 인가에 의한 상기 구조체(22)의 기계 공진의 진동 운동력에 의해, 상기 전극판(5)과 상기 전극판(4) 사이의 5V의 전위차에 의해 상기 빔 정지판(12, 13)의 부근에 있어서 상기 전극판(4)으로 당겨지는 방향(31)에 작용하는 30nN의 정전 인력 제동을 받으면서, 상기 빔 정지판(12, 13)으로부터 이륙하여 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)로 복귀되는 운동 과정으로 들어간다.
또한, 메모리 셀의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a) 5V를 박막 금속 전극판(2)에, 상기 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b) 0V를 박막 금속 전극판(4)에, 바이어스 전압(Vb)(23) 25V를 가동 구조체(22)에 인가하여, 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 위치에 전기 기계적으로 유지한 상태에 있어서, 상기 구조체(22)의 기계 공진 주파수 성분을 포함하는 리셋 펄스(전압 펄스)를 바이어스 전압(Vb)(23)에 중첩하여 상기 구조체(22)를 기계 공진 진동시키고, 다음에 바이어스 전압(Vb)(23)을 상기 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)과 동등한 5V로 설정하여 바이어스 전압 오프의 상태로 하여 상기 구조체(22)와 상기 전극판(2) 사이에 작용하는 정전 인력을 제거하고, 상기 구조체(22)를 휜 박막 금속 빔(6, 7)과 휜 상기 빔 정지판(10, 11)으로부터 해방되는 복원력과, 상기 리셋 펄스에 의한 상기 구조체(22)의 기계 공진의 진동 운동력에 의해, 상기 빔 정지판(10, 11)으로부터 이륙하여 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)를 향하여 복귀되는 운동 과정으로 들어가고자 할 때에, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)이 상기 빔 정지판(10, 11)의 높이 위치 부근에 있어서, 상기 구조체(22)에 상기 전극판(4)으로 당겨지는 방향(31)의 수 nN의 정전 인력을 작용시켜 두기 위해, 상기 전극판(4)과 박막 금속 전극판 겸 광 반사판(21) 사이에 작용하는 정전 인력이 상기 전극판(4)과 상기 전극판(5) 사이에 작용하는 정전 인력의, 예를 들어 50％가 되도록 상기 전극판 겸 광 반사판(21)과 상기 전극판(5)을 접속하는 지지 기둥(20)의 높이를 설정한다.
따라서, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이 위치 내지는 부호(10, 11)의 높이 위치에 유지된 상태에 있어서, 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 인가한 박막 금속 전극판(2)과 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 인가한 박막 금속 전극판(4)과, 바이어스 전압을 상기 어드레스 상보 출력 전압과 동등한 값으로 설정한 바이어스 전압 오프 상태의 상기 구조체(22) 사이의 전위차의 관계가 메모리 셀의 데이터에 의해 결정되고, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치(28)로 복귀하고자 하는 운동 속도에 차이가 발생하여 그 상태가 차별화되고, 또한 바이어스 전압 오프로부터 수 ㎲ 후에 바이어스 전압을 재인가함으로써, 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11)의 높이 위치에 상당하는 높이 위치(30)를 향하여 이동해 가거나, 또는 상기 빔 정지판(12, 13)의 높이 위치에 상당하는 높이 위치(29)로 복귀되어 그 위치를 유지해 가는 것 중 어느 하나의 동작 과정 내지는 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이 위치에 상당하는 높이 위치(29)를 향하여 이동해 가거나, 또는 상기 빔 정지판(10, 11)의 높이 위치에 상당하는 높이 위치(30)로 복귀되어 그 위치를 유지해 가는 것 중 어느 하나의 동작 과정으로 들어가 그 동작을 완료한다.
그리고, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 새로운 유지 위치(29 내지는 30)의 높이에 도달하여 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13 내지는 10, 11)에 착지하고, 상기 구조체(22)의 착지시의 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답이 감쇠하는 동안, 예를 들어 10㎲ 동안 안정화시킨다.
또한, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)의 위치 이동 내지는 위치 유지의 차별화와 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)의 위치 이동 내지는 위치 유지의 동작 과정에 설정되는 어드레스 상보 출력 전압은, 3.3V나 5V의 통상 어드레스 상보 출력 전압값으부터 일시적으로 예를 들어 8V로 높게 설정하고, 상기 위치 이동 내지는 위치 유지의 차별화 및 상기 위치 이동 내지는 위치 유지 동작의 특성을 개선한다.
가동 구조체(22)의 착지시의 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답이 감쇠하여 안정화된 상태에 있어서, 메모리 데이터를 재기입해도 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)의 위치가 오동작에 의해 바뀌게 되는 일은 없어지므로, 다음의 메모리 데이터 기입 사이클을 개시할 수 있다.
그러나, 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가한 상태에 있어서, 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)으로부터 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11, 12, 13)의 자유 단부(10b, 11b, 12b, 13b)에 작용하는 정전 인력에 의해 상기 빔 정지판(10, 11, 12, 13)이 휘고, 상기 전극판(5)이 정지하는 높이 위치는 그 휨에 연동하여 변동하기 때문에, 상기 구조체(22)의 위치 이동 내지는 위치 유지의 쌍안정 동작 구동에 적합한 바이어스 전압과 상기 전극판(5)에 일체화 형성되어 있는 박막 금속 전극 겸 광 반사판(20)의 표면(24)에서 반사되는 광의 원하는 광로 길이가 얻어지는 바이어스 전압과는 일치하지 않기 때문에, 상기 구조체(22)의 착지시의 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답이 감쇠하여 안정 상태로 들어간 후에 바이어스 전압은 광로 길이를 보정하는 값으로 설정한다.
도 3에 본 발명의 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 시퀀스를 도시한다.
쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 시퀀스는 A: 메모리 셀의 데이터 기입, B: 광로 길이 보정 바이어스 전압 리셋/어드레스 상보 출력 전압 하이, C: 광로 길이 보정 바이어스 전압 오프/위치 이동 내지는 위치 유지의 차별화, D: 구동 바이어스 전압 인가/위치 이동 내지는 위치 유지의 동작, E: 어드레스 상보 출력 전압 하이 오프, F: 착지 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답 안정화, G: 광로 길이 보정 바이어스 전압 재인가의 7단계로 구성된다.
쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 시퀀스(35)는 접지 레벨(36)에 대하여 바이어스 전압이 광로 길이 보정 바이어스 전압(37)으로 설정되어 있는 상태에 있어서 메모리 셀의 데이터 기입 후, 공명 펄스(38)를 상기 바이어스 전압(37)에 중첩하여 가동 구조체(22)에 기계 공진 진동 에너지를 부여함과 동시에 통상 어드레스 상보 출력 전압(39)을 하이 상태의 어드레스 상보 출력 전압(40)으로 설정하고, 다음에 상기 바이어스 전압(37)을 어드레스 상보 출력 전압(40)과 동일한 값의 바이어스 전압(41)으로 떨어뜨려 바이어스를 오프 상태로 한 후, 구동 바이어스 전압(42)을 인가하고, 다음에 하이 상태의 어드레스 상보 출력 전압(40)을 통상 어드레스 상보 출력 전압(39)으로 복귀시키고, 착지 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답 안정화를 거쳐, 구동 바이어스 전압(42)을 광로 길이 보정 바이어스 전압(37)으로 복귀시킨다.
쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 응용 시퀀스(43)는 바이어스 전압 리셋에 있어서 바이어스의 극성을 반전시키는 쌍극성이 큰 리셋 펄스(44)에 의해 가동 구조체(22)에 기계 공진 진동 에너지를 부여하는 점을 제외하고 기본 시퀀스(35)와 동일하다.
지지 기둥(20)에 의해 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)을 박막 금속 전극판(5)에 일체로 형성한 가동 구조체(22)의 중량은 수 마이크로그램 정도이며, 상기 구조체(22)가 정전 인력에 의해 30㎝/초의 속도로 동작할 때, 상기 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이에 상당하는 위치(29)와 박막 금속 외팔보 정지판(10, 11)의 높이에 상당하는 위치(30) 사이를 예를 들어 1㎛로 설계한 경우에, 상기 위치(29)와 상기 위치(30) 사이 천이는 3㎲로 완결된다.
(실시예)
쌍안정 광 위상 변조 장치(1)는 통상의 웨이퍼 프로세스 라인을 사용하여 실리콘으로부터 CMOS 어드레스 회로 형성, 다층 금속 박막 구조체 형성, 패키지ㆍ어셈블리 공정으로부터 제조할 수 있다.
그 구조 실시예를 이하에 설명한다.
도 4에 메모리 셀 CMOS 회로가 내부에 형성된 실리콘 반도체 기판을 도시한다.
십수 ㎛평방각 크기의 실리콘 반도체 기판(45)의 내부에 메모리 셀 회로를, 예를 들어 6 트랜지스터 CMOS SRAM에 의해 구성하고, 트윈 웰 CMOS, 더블 레벨 메탈(DLM) 배선 기술을 이용하여, DLM CMOS 어드레스 회로 형성 후, 두꺼운 산화막의 퇴적, 그리고 그 두꺼운 산화막을 CMP에 의해 평탄화하여 다층 금속 박막 구조체를 형성해 가는 기초면(46)으로 하고, CMOS SRAM 메모리 셀의 어드레스 상보 출력 전압, 바이어스 전압을 두꺼운 산화막에 개방된 접속 구멍을 통해 상기 기초면(46)으로 인출한다.
도 5에 다층 금속 박막 구조체를 형성해 가는 기초면(46) 상에 박막 금속 전극판(2)을 형성한 구조(47)를 도시한다.
박막 금속 전극판(2)을, 예를 들어 막 두께 0.3㎛, 면적 80㎛2로 설계하여 CMOS SRAM 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을 접속한다.
도 6에 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조(48)를 도시한다.
예를 들어, 막 두께 0.4㎛, 한 변 11㎛, 면적 120㎛2의 박막 금속 전극판(5)이 정전 인력의 작용을 받아 균형적으로 수평을 유지하여 상하로 움직일 수 있도록, 상기 전극판(5)의 모서리에 상하로 휘는 박막 금속 빔(6, 7, 8, 9)의 각 일단부를 균등하게 접속하고, 상기 빔의 각 타단부를 지지 기둥(49, 50, 51, 52)에 접속하여 4개의 상기 빔(6, 7, 8, 9)에 의해 상기 전극판(5)을 1.3㎛ 정도의 높이의 공중에 수평으로 현수한다.
박막 금속 빔(6, 7, 8, 9)을, 예를 들어 Al 재료로 막 두께 0.15㎛, 폭 1㎛, 길이 8㎛의 빔과 등가로 설계하고, 빔 1개당 130nN의 응력이 가해졌을 때의 빔의 휨량을 0.6㎛ 정도로 되도록 제어한다.
도 7에 박막 금속 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조(53)를 도시한다.
지지 기둥(54)에 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 12)의 일단부를 접속하고, 상기 빔 정지판(10, 12)의 타단부를 자유 단부로 하며, 마찬가지로 지지 기둥(55)에는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(11, 13)의 일단부를 접속하고, 상기 빔 정지판(11, 13)의 타단부를 자유 단부로 하며, 지지 기둥(56)에는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(14, 16)의 일단부를 접속하고, 상기 빔 정지판(14, 16)의 타단부를 자유 단부로 하며, 지지 기둥(57)에는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(15, 17)의 일단부를 접속하고, 상기 빔 정지판(15, 17)의 타단부를 자유 단부로 한다.
도 8에 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조(48)와 상기 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조(53)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(58)를 도시한다.
지지 기둥(54, 55, 56, 57)을 박막 금속 전극판(5)의 주위에 배치하고, 상기 전극판(5)의 높이를 지지 기둥(54 내지는 55, 56, 57)에 접속하는 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12 내지는 11과 13, 14와 16, 15와 17)의 중간의 높이로 설정하고, 각 지지 기둥에 접속하는 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부가 상기 전극판(5)의 모서리에 약간 중첩되도록 레이아웃 배치하며, 상기 전극판(5)의 가동 범위를, 예를 들어 상측 방향으로 0.5㎛, 하측 방향으로 0.5㎛로 제한하도록 설정한다.
도 9에 박막 금속 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조ㆍ구성의 변형예를 도시한다.
박막 금속 전극판(5)에 박막 금속 외팔보 빔 정지판(59)을 형성하고, 상기 금속 외팔보 빔 정지판(59)의 높이를 지지 기둥(54)에 형성한 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 12)의 중간 높이로 설정하여 상기 금속 외팔보 빔 정지판(59)의 자유 단부(59b)가 2매의 상기 빔 정지판의 자유 단부(10b, 12b)와 약간 중첩되도록 배치한다.
박막 금속 전극판(5)이 2매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 12) 사이를 천이 이동하고, 상기 빔 정지판(10, 12)에 의해 유지되는 경우에 상기 빔 정지판(10)에는 항상 방향(32)의 응력이, 한편 상기 빔 정지판(12)에는 항상 방향(31)의 응력이 인가되지만, 상기 전극판(5)에 형성한 박막 금속 외팔보 빔 정지판(59)에 대해서는 방향(31)과 방향(32)의 양쪽의 응력이 교대로 인가된다.
도 10에 구조(47)에 구조(58)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(60)를 도시한다.
도 11에 박막 금속 전극판(4)의 중앙에 개구부(61)를 형성한 상기 전극판(4)을 공중에 지지하는 구조(62)를 도시한다.
박막 금속 전극판(4)의 중앙에 개구부(61)를 형성한 상기 전극판(4)은 4개의 지지 기둥(63, 64, 65, 66)에 접속하고, 상기 전극판(4)의 면적을 박막 금속 전극판(2)의 면적과 등가로 설계하고, CMOS SRAM 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 접속한다.
예를 들어, 막 두께 0.4㎛의 박막 금속 전극판(4)은 박막 금속 전극판(5)의 상부에 박막 금속 전극판(2)과 상기 전극판(5)의 간격과 동일한 간격을 취하여 배치하고, 상기 전극판(5)에 대한 상기 전극판(4)의 유효 전극 면적을 상기 전극판(2)과 상기 전극판(5)에 대한 유효 전극 면적과 등가인 80㎛2로 설정한다.
도 12에 구조(60)에 구조(62)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조(67)를 도시한다.
도 13에 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 지지 기둥(20)으로 이루어지는 구조(68)를 도시한다.
가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11, 14, 15)에 의해 유지 안정화되어 있을 때, 구동 시퀀스(35 내지는 43)에 있어서의 바이어스 전압 오프의 단계에서 상기 전극판(5)이 상기 빔 정지판(10, 11, 14, 15)으로부터 이륙할 때에, 상기 구조체(22)에 상기 전극판(4)으로부터 당겨지는 방향(31)으로 수 nN의 정전 인력이 작용하도록, 지지 기둥(20)의 높이를, 박막 금속 전극판(4)의 높이 위치와 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10 내지는 11, 14, 15)의 높이 위치의 거리의 3배로 설정하고, 예를 들어 4.5㎛로 한다.
도 14에 구조(67)에 구조(68)를 위치 맞춤 접속하여 완성한 구조(69)를 도시한다.
구조(68)의 지지 기둥(20)은 박막 금속 전극판(4)에 접촉되지 않도록 상기 전극판의 개구부(61)의 중앙을 통과시켜, 박막 금속 전극판(5)의 중앙에 접속하고, 지지 기둥(20)에 의해 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 상기 전극판(5)이 일체화된 가동 구조체(22)가 완성되고, 상기 구조체(22)를 현수하는 박막 금속 빔(6, 7, 8, 9)을 통해 바이어스 전압(Vb)(23)을 인가한다.
예를 들어, 막 두께 0.4㎛, 한 변 15㎛평방각의 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)은 4.5㎛ 높이의 지지 기둥(20)에 의해 박막 금속 전극판(4)의 상부 2.6㎛ 높이에 설치한다.
이와 같이 기초면(46) 상에 구조(47), 구조(48), 구조(53), 구조(58), 구조(60), 구조(62), 구조(67), 구조(68), 구조(69)를 순서대로 공중 구축해 가지만, 실제의 제조 공정에 있어서 각 기능 구조는 높이별의 구조 요소로 분해되어 기초면(46) 상에 하측의 층으로부터 차례로 유기 중합체에 의한 희생층을 이용하여 쌓아 올려 형성해 가고 전체의 구조(69)가 완성된 후에 등방성 플라즈마 에칭에 의한 희생층 제거 공정에서 입체 구조를 공간으로 해방한다.
도 15에 2종류의 안정 상태로 구동되는 쌍안정 광 위상 변조 장치(70)를 도시한다.
박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 상측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 광 위상 변조 장치(71)에서는 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5) 상이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13, 16, 17)에 의해 유지 안정화되어 있는 한편, 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 하측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 광 위상 변조 장치(72)에서는 가동 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5) 상이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11, 14, 15)에 의해 유지 안정화되어 있다.
2종류의 안정 상태로 구동되는 쌍안정 광 위상 변조 장치(70)에 있어서, 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)이 정지ㆍ안정되는 높이 위치(25a와 25b)의 거리 차이(d)에 포함되는 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 11, 14, 15 내지는 12, 13, 16, 17)의 응력 휨에 의한 위치 이동량과 메모리 셀의 데이터 재기입 반전에 의한 응력 휨 변동에 의한 위치 변동량의 성분은, 상기 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)으로부터 반사되는 광의 광로 길이와 광로 길이 정밀도에 4배의 영향을 미친다.
예를 들어, 532nm 파장 광의 광로 길이를 1/8 파장 정밀도로 절환하는 요구에 대하여, 가동 구조체(22)에 25V의 바이어스 전압(Vb)(23)을, 박막 금속 전극판(2)에 메모리 셀로부터의 5V의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)](3a)을, 박막 금속 전극판(4)에 0V의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)](3b)을 인가하여, 상기 구조체(22)의 박막 금속 전극판(5)이 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13)의 높이 위치에서 유지 안정되어 있는 상태에 있어서, 메모리 셀의 데이터를 반전하면, 상기 구조체(22)의 상기 전극판(5)으로부터 상기 전극판(5)을 유지 안정화하고 있는 4매의 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12, 13, 16, 17)에는 상기 빔 정지판 1매당 약 100nN의 응력 감소 변동이 일어나고, 그때에 상기 빔 정지판 1매당의 휨 변화량이 1/32 파장 상당의 17㎚ 정도로 되도록, Al 재료로 폭 1㎛, 길이 4㎛, 판 두께 300㎚의 박막 금속 외팔보 빔 정지판을 설계한다.
도 16에 쌍안정 광 위상 변조 장치의 어레이 배열(73)의 예를 도시한다.
CMOS 회로 실리콘 반도체 기판(74) 상에 64개의 쌍안정 광 위상 변조 장치를 어레이 배열하고, 동작 상태에 있는 상기 광 위상 변조 장치는 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 상측 위치 내지는 하측 위치 중 어느 하나의 상태에 있고, 광원으로부터의 위상이 정렬된 입사광(75)이 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 상측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 광 위상 변조 장치(71)에 각도(76)로 입사하여 상기 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)에서 각도(77)로 반사하여 반사광(78)으로 되고, 마찬가지로 광원으로부터의 입사광(75)과 위상이 정렬되어 병행으로 진행하는 입사광(79)이 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 하측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 위상 변조 장치(72)에 각도(80)로 입사하여 상기 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)에서 각도(81)로 반사하여 반사광(82)으로 되고, 상기 반사광(78)과 상기 반사광(82) 사이에 광로 길이 차이를 발생하여, 어레이 배열면 전체로부터 반사되는 광면은 해상도 64로 위상 변조 유, 무의 2 상태에 의해 변조된다.
마이크로미터 크기의 마이크로미러 구조체 어레이 소자에 있어서 광 위상을 고속, 또한 고해상도로 절환하여 변조하는 기술은 홀로그래피 데이터 스토리지, 홀로그래피를 응용하는 동화상 3차원 디스플레이 등의 광 응용 기술에 적용되어 간다.
1 : 쌍안정 광 위상 변조 장치
2, 4, 5 : 박막 금속 전극판
3a : 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(-)]
3b : 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압[Va(+)]
6, 7, 8, 9 : 박막 금속 빔
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판
10b, 11b, 12b, 13b : 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부
18a, 19a : 박막 금속 전극판(5)의 모서리의 상면
18b, 19b : 박막 금속 전극판(5)의 모서리의 하면
20 : 지지 기둥
21 : 박막 금속 전극 겸 광 반사판
22 : 박막 금속 전극판(5) 상에 지지 기둥(20)에 의해 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)을 접속하여 일체화한 가동 구조체
23 : 바이어스 전압(Vb)
24 : 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면
25a, 25b : 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)의 표면(24)이 정지하여 안정되는 높이 위치
26 : 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력축
27 : 박막 금속 전극판(5)의 높이 위치축
28 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10과 12)의 높이의 중간에 상당하는 높이 위치
29 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(12 내지는 13)의 높이에 상당하는 높이 위치
30 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10 내지는 11)의 높이에 상당하는 높이 위치
31 : 박막 금속 전극판(4)으로 당겨지는 방향
32 : 박막 금속 전극판(2)으로 당겨지는 방향
33 : 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력과 박막 금속 전극판(5)의 높이 위치의 관계 곡선
34 : 메모리 셀 내용을 반전하였을 때의 가동 구조체(22)에 작용하는 정전 인력과 박막 금속 전극판(5)의 높이 위치의 관계 곡선
35 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 시퀀스
36 : 접지 레벨
37 : 광로 길이 보정 바이어스 전압
38 : 공명 펄스
39 : 통상 어드레스 상보 출력 전압
40 : 하이 상태의 어드레스 상보 출력 전압
41 : 하이 상태의 어드레스 상보 출력 전압(40)과 동일한 값의 바이어스 전압
42 : 구동 바이어스 전압
43 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(1)를 구동하는 기본 응용 시퀀스
44 : 쌍극성의 리셋 펄스
45 : 실리콘 반도체 기판
46 : 다층 금속 박막 구조체를 형성해 가는 기초면
47 : 다층 금속 박막 구조체를 형성해 가는 기초면(46) 상에 박막 금속 전극판(2)을 형성한 구조
48 : 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조
49 : 박막 금속 빔(6)을 지지하는 지지 기둥
50 : 박막 금속 빔(7)을 지지하는 지지 기둥
51 : 박막 금속 빔(8)을 지지하는 지지 기둥
52 : 박막 금속 빔(9)을 지지하는 지지 기둥
53 : 박막 금속 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조
54 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(10, 12)을 접속하는 지지 기둥
55 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(11, 13)을 접속하는 지지 기둥
56 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(14, 16)을 접속하는 지지 기둥
57 : 박막 금속 외팔보 빔 정지판(15, 17)을 접속하는 지지 기둥
58 : 박막 금속 전극판(5)을 공중에 수평으로 현수하는 구조(48)와 상기 전극판(5)의 상하의 동작 범위를 제한하는 정지 구조(53)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조
59 : 박막 금속 전극판(5)에 형성한 박막 금속 외팔보 빔 정지판
59b : 박막 금속 전극판(5)에 형성한 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부
60 : 구조(47)에 구조(58)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조
61 : 박막 금속 전극판(4)의 중앙의 개구부
62 : 박막 금속 전극판(4)의 중앙에 개구부(61)를 형성한 상기 전극판(4)을 공중에 지지하는 구조
63, 64, 65, 66 : 박막 금속 전극판(4)을 지지하는 지지 기둥
67 : 구조(60)에 구조(62)를 위치 맞춤 배치하여 형성한 구조
68 : 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)과 지지 기둥(20)으로 이루어지는 구조
69 : 구조(67)에 구조(68)를 위치 맞춤 접속하여 완성한 구조
70 : 2종류의 안정 상태로 구동되는 쌍안정 광 위상 변조 장치
71 : 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 상측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 광 위상 변조 장치
72 : 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)이 하측 위치에서 안정 상태에 있는 쌍안정 광 위상 변조 장치
73 : 쌍안정 광 위상 변조 장치의 어레이 배열
74 : CMOS 회로 실리콘 반도체 기판
75 : 광원으로부터의 위상이 정렬된 입사광
76 : 광원으로부터의 입사광(75)의 입사 각도
77 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(71)에 입사광(75)이 입사하여 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)에서 반사하는 광의 반사각
78 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(71)에 입사광(75)이 입사하여 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)에서 반사각(77)으로 반사하는 광
79 : 광원으로부터의 입사광(75)과 위상이 정렬되어 병행하여 진행하는 입사광
80 : 광원으로부터의 입사광(79)의 입사 각도
81 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(72)에 입사광(79)이 입사하여 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)에서 반사하는 광의 반사각
82 : 쌍안정 광 위상 변조 장치(72)에 입사광(79)이 입사하여 박막 금속 전극 겸 광 반사판(21)에서 반사각(81)으로 반사하는 광

Claims (8)

  1. 쌍안정 광 위상 변조 장치이며,
    기판 상에 도전성을 갖는 다층의 박막 금속으로부터 모놀리식(monolithic)으로 공간에 형성되는 마이크로미터 크기의 구조체를 갖고,
    상기 구조체는,
    1층째에 전극판, 2층째에 박막 금속 외팔보 빔 정지판, 3층째에 전극판, 4층째에 박막 금속 외팔보 빔 정지판, 5층째에 전극판, 6층째에 전극판 겸 광 반사판에 의한 6층 구조로 이루어지고,
    상기 6층째의 전극판 겸 광 반사판과 상기 3층째의 전극판을 상기 5층째의 전극판에 접촉하지 않게 세운 지지 기둥에 의해 접속함으로써 일체화된 구조로서 또한 상기 3층째 전극판에 상하로 휘어지는 빔의 일단부를 접속하고 상기 빔의 타단부를 상기 기판 상에 설치한 지지 기둥에 접속하고, 상기 3층째 전극판을 상기 1층째 전극판과 상기 5층째 전극판의 중간 높이 위치의 공간에 수평으로 현수하고, 상기 1층째 전극판과 상기 5층째 전극판 사이의 공간에 있어서 상하로 움직이는 가동 구조체를 포함하며,
    상기 3층째 전극판이 위치하는 높이로부터 하측 내지는 상측에 거의 동등한 거리로 이격된 높이 위치의 상기 2층째와 상기 4층째의 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부를 상기 3층째 전극판의 모서리에 약간 중첩하여 배치 형성하여, 상기 가동 구조체를 구성하는 상기 3층째 전극판의 가동 거리의 범위를 제한하고, 또한 설정하는 구조이며,
    상기 가동 구조체는, 상기 1층째 전극판에 메모리 셀로부터의 어드레스 상보 출력 전압의 한쪽을 공급하고, 상기 5층째 공중 전극판에 상기 어드레스 상보 출력 전압의 다른 쪽을 공급하고, 상기 가동 구조체와 상기 빔 정지판에 공통의 바이어스 전압을 인가하여, 각 전극 사이에 작용하는 정전 인력의 작용에 의해 상기 1층째와 상기 5층째 방향을 향하여 보다 낮은 에너지 포텐셜 상태를 형성하고, 상기 메모리 셀로부터의 상기 어드레스 상보 출력 전압에 의해 상기 가동 구조체의 상기 1층째 내지는 5층째 중 어느 하나의 방향으로의 이동처를 제어하고, 상기 가동 구조체를 이동하여 상기 가동 구조체에 일체로 형성된 상기 3층째 전극판을 상기 2층째 내지는 4층째에 형성된 어느 하나의 상기 빔 정지판의 자유 단부에 의해 정지하여 유지 안정화시키고, 상기 가동 구조체를 2층째와 4층째에 형성된 상기 빔 정지판의 자유 단부 사이를 고속으로 천이 이동시키는 쌍안정 구동을 시킴으로써, 상기 가동 구조체에 일체로 형성된 상기 전극판 겸 광 반사판으로부터 반사되는 광의 광로 길이차(위상차)를 정확하게 제어하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가동 구조체는, 상기 3층째 박막 금속 전극판의 모서리에 상기 박막 금속 외팔보 빔 정지판을 형성하고, 상기 빔 정지판의 높이를 상기 2층째 및 4층째에 형성된 상기 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 높이의 중간으로 설정하고, 상기 3층째 박막 금속 전극판의 모서리에 형성된 상기 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부가 상기 2층째 및 4층째에 형성된 상기 빔 정지판의 자유 단부와 약간 중첩되도록 배치하고, 천이 이동하는 상기 3층째 박막 금속 전극판의 모서리에 형성된 상기 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 자유 단부를 상기 2층째 내지는 4층째에 형성된 상기 빔 정지판의 자유 단부에 착지시켜, 천이 이동하는 상기 3층째 박막 금속 전극판을 정지하여 유지 안정화시키는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 박막 금속 외팔보 빔 정지판의 응력 휨 특성에 의해, 상기 가동 구조체에 일체로 형성되는 상기 전극판 겸 광 반사판으로부터 반사되는 광의 위상 변조 정밀도를 설정하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구조체는, 상기 5층째 전극판과 상기 2층째 박막 금속 외팔보 빔 정지판 사이의 공간 거리의 2배에 상기 5층째 전극판의 두께를 더한 거리 이상의 높이의 지지 기둥에 의해 상기 6층째 전극판 겸 광 반사판과 상기 3층째 전극판을 접속하여 일체화하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구조체는, 상기 6층째 전극 겸 광 반사판에 의해 상기 5층째 이하에 형성된 하부 구조를 덮어 가리는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구조체는, 상기 5층째 공중 전극판의 중앙에 개구부를 마련하고 상기 개구부에 접촉하지 않게 상기 개구부 중앙에 지지 기둥을 통과시키고, 상기 6층째 전극판 겸 광 반사판의 중앙부와 상기 3층째 전극판의 중앙부를 접속하여 일체화한 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치.
  7. 제1항에 기재된 쌍안정 광 위상 변조 장치를 복수로, 또한 평면에 어레이 배열하여 광 반사판으로 이루어지는 마이크로미러 어레이면으로부터 반사되는 2차원 광면의 광 위상을, 상기 복수의 쌍안정 광 위상 변조 장치를 독립적으로 동작시킴으로써 변조하는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치의 어레이 배열.
  8. 쌍안정 광 위상 변조 장치의 구동 방법이며,
    상기 쌍안정 광 위상 변조 장치는, 구동 시퀀스에 의해 구동되고,
    상기 구동 시퀀스는,
    메모리 셀의 기입을 행하는 단계,
    광로 길이 보정 바이어스 전압 리셋하는 동시에 어드레스 상보 출력 전압을 승압하여 하이 상태로 하는 단계,
    상기 광로 길이 보정 바이어스 전압을 제거하여 오프 상태로 하고, 위치를 이동할지 유지할지 중 어느 하나의 동작으로의 이행에의 차별화를 결정하는 단계,
    구동 바이어스 전압을 인가하여 위치를 이동할지 유지할지 중 어느 하나의 동작으로의 이행을 실행하는 단계,
    상기 어드레스 상보 출력 전압의 하이 상태를 정상 전압으로 복귀시켜 오프 상태로 하는 단계,
    착지 충격에 의한 기계 진동의 과도 응답 안정화를 행하는 단계,
    상기 광로 길이 보정 바이어스 전압의 재인가를 행하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 쌍안정 광 위상 변조 장치의 구동 방법.
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