专利名称：电磁驱动的光开关及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光开关，特别涉及一种以微机电技术制作的电磁驱动光开关。
背景技术：
光通讯网络技术发展趋势中，以高密度分波多任务技术(DWDM)来增加传输的频宽已成为主要的趋势。但承载信号的频宽倍数成长速度对管理信号的网络节点设备而言，造成了沉重的负担，使得用高速电子组件作交换或路由等处理已无法达到要求。因此，未来趋势是希望能在节点上让光信号尽可能在光域(Optical Domain)中作交换，以增加处理速度，并保持光的通透性(Transparent)，因此，用于光域上做交换核心的光开关(Optical Switch，或称光阀)，便成为技术发展的趋势。
光开关，指光信号由一输入端口(Port)切换至目的输出端口的装置，应用于光通讯网路节点的光交换连结(OXC，Optical Cross Connect)、光塞取多任务(OADM，Optical Add & Drop Multiplexer) 等系统的全光交换核心(Switch Core)技术，完成错误恢复(Restoration)、交换等功能。
目前所提出关于光开关的技术，包括有利用热气泡式(thermalbubble)、液晶(Liquid crystal)、微马达(micro motor)以及利用微机电(MEMS)技术制作的光开关，而本发明所公开的微机电光开关的技术中是一种电磁驱动式的光开关，例如Silicon Micro Optical Switching Devicewith an Electromagnetically Operated Cantilever，如图1所示，利用一缠绕于电磁材料10A上的线圈11A，与一磁膜12A，组成电磁驱动单元，导引悬臂13A产生垂直位移，以悬臂13A上的镜面14A阻断光纤15A的通过。
另一种所提出的光开关系刊载于IEEE期刊中的SelfAligned VerticalMirrors and V-grooves Applied to a Self-Latching Matrix Switch for OpticalNetworks。如图2所示，其利用一缠绕于电磁材料10B上的线圈11B，与一镍铁透磁合金材料(permalloy)材料的磁膜12B，组成电磁驱动单元，导引悬臂13B产生位移，悬臂13B上的镜面14B阻断光纤的通过。
上述两种电磁驱动的光开关其技术特征都是利用一悬臂，通过电磁线圈的驱动产生垂直方向上的位移，达成光开关的目的；然而其存在一些技术问题，首先为了增加悬臂的位移量，必须增加悬臂的长度，而增加长度却会使切换速度变慢；其次以大型电磁线圈来驱动镜面，必须利用额外的制作过程将线圈对位黏着于镜面下方。再者，使用大型线圈来驱动镜面，容易产生串音(corsstalk)，无法精确控制个别镜面，不仅无法提高可靠度，组件也无法小型化、集成化。
另外一种光开关系刊载在Journal of Magnetism and Magnetic Materials期刊上的Electromagnetic optical switch for optical network communication光开关，如图3所示，它是利用一电镀在电磁材料10C上的平面线圈(图中未示)，和一镍铁透磁合金材料的磁膜12C，组成电磁驱动单元，导引悬臂13C产生位移，阻断光纤的通过。然而为了增加位移量，必须使用刚性较小的聚酰亚胺(polyimide)薄膜，但为了制作这种薄膜，必须使用激光微机加工(laser micro-machining)的技术，逐一将薄膜雕刻出来，不仅无法达到产量的目的，制造过程也和IC不相容。
综上所述，高度可靠性、高精确度、低插入损失(low insertion loss)、以及高切换速度(high switch speed)为目前光开关技术发展的趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高切换速度的光开关，以两组电磁驱动单元，配合一形成在悬臂上的扭力杆增加悬臂的位移量和恢复力，以加快切换速度。
本发明的另一目的在提供一种高可靠度与高精确度的光开关，以一扭力杆让悬臂成为一悬浮结构，使得悬臂，配合两组电磁驱动装置的驱动进行跷跷板运动，以提高可靠度与精确度。
本发明的次一目的在于提供低串音(corsstalk)效果，经模拟结果显示驱动光开关所需的磁力和相邻近磁膜产生的磁力大七个数量级。
本发明的再一目的在于提供一种具有较好的恢复力光开关，利用悬臂上的扭力杆，辅助悬臂产生垂直位移并提供悬臂恢复至原来位置所需的恢复力。
为实现上述目的，本发明提供了一种高切换速度的光开关，主要包括有两部分，第一部分为跷跷板单元(teeterboard portion)，第二部分为电磁驱动单元(magnetic actuation portion)，跷跷板单元与铁磁驱动单元共同形成在一外罩中。
跷跷板单元主要包括有悬臂(cantilever)、扭力杆(torsion bar)、以及镜面(mirror)，而且跷跷板单元形成在一外罩(shell)中。
扭力杆与悬臂是在同一制作步骤中完成，由电磁线圈驱动悬臂产生垂直位移，运动形式与跷跷板的运动形式类似，用来阻断光通过路径或使光束通过。上述镜面位于悬臂其中一侧的上方，其位置为光纤通过的路径。悬臂、扭力杆与镜面为一体成型结构，形成在一硅基板上，用干蚀刻或湿蚀刻等制作步骤蚀刻硅基板完成上述组件制作。
第二部份主要为电磁驱动单元，包括有一铁磁线圈所形成的螺旋电感，位于外罩底部的凹槽内，作为电磁驱动线圈是利用电镀方式制作，其线圈的材质为具有良好导电性的金属，比通常使用的导电金属中含有金或铜等金属；而凹槽的制作方式，可以利用干蚀刻或湿蚀刻方式制成，等到凹槽蚀刻完成后，再将金属电镀于凹槽中完成线圈的制作。
另外，在悬臂两侧下方形成有磁膜，与螺旋电感共同组成电磁驱动单元。磁膜的制作方式以电镀方式来完成，将可导电的材质电镀在悬臂上。
除此之外，磁膜外侧有一小块的铁磁材料作为制止器(STOPPER)，其制作方式和材质组成和磁膜相同，也是在同一制作步骤完成，用来作为垂直位移运动时的缓冲垫，当螺旋电感产生电磁作用吸引磁膜时，制止器可作为一缓冲垫，避免悬臂直接撞击凹槽的底部，起到保护悬臂作用。
本发明所公开的电磁驱动光开关制做主要分为三个部分，第一部分为形成跷跷板单元，包括电磁驱动单元中磁膜以及制止器，并同时形成外罩的上半部。第二部分为形成电磁驱动单元中螺旋电感以及外罩的下半部。第三部分为将外罩的上半部、下半部接合在一起，而为了将上下两部分硅芯片所形成的外罩精确对位接合在一起，外罩上半部的侧壁与外罩下半部的侧壁中还具有一定位沟，利用本身光纤圆形外径，设计上下V型凹槽，以方便对位。利用一哑光纤(dummy fiber)放置在上下两硅芯片的定位沟中，再利用胶水(glue)以加热加压方式将上下两部分的硅芯片精确对位接合在一起，完成光开关的结构组装。
为能更进一步了解本发明的特征及技术内容，配合附图详细说明如下
图1为公知光开关的架构图；
图2为公知光开关的架构图；图3为公知光开关的架构图；图4为本发明所公开的电磁驱动光开关侧视图；图5为本发明所公开的电磁驱动光开关上视图；图6为本发明所公开的电磁驱动光开关立体架构图；图7为本发明所公开的电磁驱动光开关扭力杆的另一实施例；8图A至图8F为悬臂、镜面、扭力杆、磁膜与制止器的制作流程示意图；图9A至图9C为螺悬电感的制作流程示意图；图10A为本发明所公开的电磁驱动光开关定位沟示意图；以及图10B为本发明所公开的电磁驱动光开关定位沟完成结构组装后的示意图。
其中，附图标记说明如下10A--电磁材料，10B--电磁材料，10C--电磁材料，11A--线圈，11B--线圈，12A--磁膜，12B--磁膜，12C--磁膜，13A--悬臂，13B--悬臂，13C--悬臂，14A--镜面，14B--镜面，15A--光纤，100--跷跷板单元，110--悬臂，121--第一扭力杆，122--第二扭力杆，130--镜面，200--电磁驱动单元，211--第一螺旋电感，212--第二螺旋电感，221--第一磁膜，222--第二磁膜，231--第一制止器，232--第二制止器，241--第一凹槽，242--第二凹槽，300--外罩，310--侧壁，320--底部，330--侧壁，340--侧壁，410--第一定位沟，420--第二定位沟，500--哑光纤，810--第一硅基板，820--种子层，830--光阻，840--光阻，910--第二基板，920--凹槽，930--平面线圈，940--电极，
具体实施例方式
请参考图4至图6，图4为本发明所公开的电磁驱动光开关侧视图，图5为本发明所公开的电磁驱动光开关上视图，图6为本发明所公开的电磁驱动光开关立体架构图。如图4所示，本发明所揭露之电磁驱动光开关主要包括有两部分(以图中虚线为分隔)，分为上下两部分，第一部分为跷跷板单元(teeterboard portion)100，第二部分为电磁驱动单元(magneticactuation portion)200，跷跷板单元100与电磁驱动单元200共同形成于一外罩300中。
跷跷板单元100主要包括有四个构成单元，分别为悬臂110(cantilever)、第一扭力杆(torsion bar)121、第二扭力杆122、镜面(mirror)130，如图所示，跷跷板单元100系形成于一外罩300(shell)中。
上述的悬臂110为一薄片状结构，与外罩300间并未全部接触，而留有一活动空间，方便悬臂作垂直位移的运动；而扭力杆包括有第一扭力杆121与第二扭力杆122(如图5与图6所示)，分别位于悬臂110较长端的两侧相对位置处，第一扭力杆121将悬臂110附着在外罩300的侧壁310上，第二扭力杆122其作用为保持平衡，并增加恢复时所需的恢复力，扭力杆也可为图7所示结构，仅包含第一扭力杆121。第一扭力杆121与第二扭力杆122的作用除了提供悬臂恢复力之外，另一目的在于使其成为一跷跷板结构，由电磁线圈驱动，产生如跷跷板般的运动形式，阻断光的通过路径或使光束通过。
上述镜面130位于悬臂110右端(以图示方向为方向)的上方，如图所示光束通过的路径。
悬臂110、第一扭力杆121、第二扭力杆122与镜面130为一体成型结构，是以IC制做在一硅基板上，利用干蚀刻或湿蚀刻的技术蚀刻硅芯片来完成。
电磁驱动单元200，包括由一铁磁线圈所形成的一第一螺旋电感211与一第二螺旋电感212(如图4与图6所示)，作为电磁驱动线圈，第一螺旋电感211形成位于外罩底部320的第一凹槽241内，第二螺旋电感212形成于第二凹槽242内，第一螺旋电感211与第二螺旋电感212是利用电镀方式制作，其组成材质为具有良好导电性的金属，比通常使用的导电金属还含有金或铜等金属，而第一凹槽241与第二凹槽242的制作方式，可以利用干蚀刻或湿蚀刻方式来行成，第一螺旋电感211与第二螺旋电感212是在第一凹槽241与第二凹槽242完成后，再将电镀金属在第一凹槽241与第二凹槽242而成。
另外，在悬臂110两侧下方形成第一磁膜221与第二磁膜222，第一磁膜211与镜面130位于悬臂110同一侧的不同表面，第二磁膜222则在悬臂110的另一侧，第一磁膜221及第一螺旋电感211共同组成电磁驱动单元200，第二磁膜222及第二螺旋电感212为另一电磁驱动单元。第一磁膜221的制作方式系以电镀方式来完成，将可到电的材质电镀在悬臂110上，其材质可以为镍铁合金(Ni-Fe alloy)、镍钴合金(Ni-Co alloy)或镍金属(Ni metal)之一。
除此之外，第一磁膜221外侧一小块的铁磁材料作为第一制止器(STOPPER)231，第二磁膜222外侧也有一小块铁磁材料作为第二制止器232，材质组成和磁膜相同，可以为镍铁合金(Ni-Fe alloy)、镍钴合金(Ni-Co alloy)或镍金属(Ni metal)之一。第一磁膜221、第二磁膜222与第一制止器231第二制止器232是在同一制做步骤完成。第一制止器231与第二制止器232用来作为悬臂110做跷跷板运动时的缓冲垫，当第二螺旋电感212产生电磁作用吸引第二磁膜222时，第二制止器232可作为一缓冲垫，避免悬臂110直接撞击外罩的底部320，以保护悬臂110。上述磁膜与线圈，并不一定要两组，也可使用其中一组产生电磁作用。
为了提升镜面的反射率，采用金属屏蔽(metal mask)的方式，并放置成45度角来镀金属在硅镜面上，可选择高反射率的金属作为反射材料，如金或铝等金属。
上述电磁驱动光开关的较佳实施例制作步骤详细说明如下。其制作步骤主要分为三个部分，第一部分为形成跷跷板单元100，包括电磁驱动单元200中的第一磁膜221、第二磁膜222以及第一制止器231、第二制止器232，同时形成外罩300的上半部。
第一部份的制作步骤如图8A至图8F所示，为悬臂、镜面、扭力杆、磁膜与制止器的制作流程示意图。
首先在一第一硅基板810上沉积一种子层(seed layer)820，如图8A所示；接着在种子层820上以光阻830形成磁膜与制止器的形状，如图8B所示；再将镍金属电镀在光阻所形成形状中，并将光阻830移除，至此完成第一磁膜221、第二磁膜222、第一制止器231与第二制止器232的制作，如图8C所示。第一磁膜221、第二磁膜222、第一制止器231与第二制止器232之制程完毕之后，再以光阻形成悬臂与扭力杆的图样，如图8D所示；再将光阻移除以形成悬臂与扭力杆，并将不需要的种子层去除，如图8E所示，并用干蚀刻或湿蚀刻蚀刻硅基板，再将光阻移除。最后，在硅基板上形成一镜面，并在镜面上镀上金属，以增加反射率，其结果如图8F所示。
第二部分为形成电磁驱动单元200中第一螺旋电感211与第二螺旋电感222，以及外罩300的下半部，主要包括有三个步骤，形成凹槽，在凹槽中电镀金属制作平面线圈，最后制作电极完成线圈的制作。
首先在一第二基板910形成凹槽920，其制作过程包括有以低压化学汽相沉积法(LPCVD)沉积一层氮化物、接着上光阻以及凹槽920的图样，并以反应离子蚀刻法对氮化层进行干蚀刻，再去除不必要的光阻，最后再进行湿蚀刻制程，完成凹槽920的制作，如图9A所示。
接着在凹槽920中制作平面线圈930，平面线圈930的步骤包括有在该凹槽920中沉积一种子层，上光阻，并形成线圈的图样，再以电镀法镀上金属线圈，最后再移去光阻，如图9B所示。
最后再形成电极940，其步骤包括有上光阻、形成电极图样以反应性离子蚀刻法蚀刻氮化层，再将光阻移除，接着再进行一道湿蚀刻制程，再以无电镀法(electroless)将电极镀上，便完成电极的制程，如图9C。
第三部分为将外罩300之上半部、下半部接合在一起，为了将上下两部分硅芯片所形成的外罩精确对位接合在一起，外罩上半部的侧壁330与外罩下半部的侧壁340中更具有一第一定位沟410与第二定位沟420，以V型的沟槽为最佳，如图10A所示，再利用一哑光纤500(dummy fiber)放置在上下两硅基板的第一定位沟410与第二定位沟420中的空间，再利用黏胶(glue)以加热加压方式将上下两部分的硅芯片精确对位接合在一起，以便完成光开关的构装，如图10B所示。
发明的功能效果本发明所揭露的电磁驱动的光开关及其制作方式，是利用一扭力杆以增加悬臂之垂直位移量和恢复力，增加其切换速度，另外以该悬臂的翘翘板形状设计，并配合两组电磁驱动装置，具有快速切换的功效，并可降低串音效果、增加镜面的控制性及准确性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些更动与润饰，因此本发明保护范围应当视权利要求书所要求保护的范围为准。
权利要求
1.一种电磁驱动的光开关，包括有一悬臂，为一薄片状结构；一扭力杆，位于该悬臂较长端的两侧；一镜面，系形成于该悬臂上的一侧；一平面线圈，形成位于该外罩底部之凹槽内；以及一磁膜，是形成在该悬臂的下方，与该平面线圈成相对位置；其中，当平面线圈产生磁力吸引磁膜时，带动悬臂作垂直位移，使镜面阻断光束通过，在平面线圈磁力消失时，以扭力杆所产生的一恢复力将悬臂恢复至原来位置。
2.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中还包括有一制止器，形成在该悬臂下端的磁膜外侧，用来作为悬臂垂直位移时的缓冲垫。
3.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该悬臂及扭力杆为一体成型的结构。
4.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该悬臂是用干蚀刻硅芯片来完成。
5.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该悬臂是用湿蚀刻硅芯片来完成。
6.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该平面线圈是利用电镀方式制作。
7.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该平面线圈的材质是选自金与铜组合中的任意。
8.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该凹槽是利用干或湿蚀刻达成。
9.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该平面线圈是电镀在凹槽中。
10.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该磁膜是用电镀方式来完成。
11.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该磁膜的材料是选自镍铁合金、镍钴合金与镍金属的组合中任意。
12.如权利要求2所述电磁驱动的光开关，其中该制止器的材料是选自镍铁合金、镍钴合金与镍金属的组合中任意。
13.如权利要求2所述电磁驱动的光开关，其中该磁膜与制止器是在同一制作过程中完成。
14.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中该镜面是采用金属屏蔽metal mask的方式，以45度角将金属镀在硅镜面上。
15.如权利要求1所述电磁驱动的光开关，其中镀在该镜面的金属是选自金与铝之组合中之任一。
16.一种电磁驱动光开关的制造方法，包括有下列步骤提供一第一基板；在该第一基板上按顺序形成一磁膜、一制止器、一悬臂、一扭力杆、与一镜面；提供一第二基板；在该第二基板上，形成一凹槽，并在该凹槽中形成一平面线圈；以及压合该第一基板与该第二基板，完成光开关的组装。
17.如权利要求16所述电磁驱动光开关的制造方法，其中压合该第一基板与该第二基板的步骤中，是利用位于该第一基板中的一第一定位沟，与位于该第二基板中的一第二定位沟中所形成空隙，放置一哑光纤在该定位沟中，使得该第一基板与该第二基板可精确对位接合。
18.如权利要求17所述电磁驱动光开关的制造方法，其中该定位沟为一V型沟槽。
19.如权利要求16所述电磁驱动光开关的制造方法，其中该磁膜与该制止器是在同一制作过程步骤中完成。
20.如权利要求16所述电磁驱动光开关的制造方法，其中该悬臂与该扭力杆是在同一制作过程步骤中完成。
全文摘要
本发明是有关于一种电磁驱动的光开关及其制作方法，该开关包括有一悬臂(cantilever)，其上方设有一镜面，悬臂下方设有一磁膜，在其相对位置处有一平面线圈，线圈与磁膜共同组成一电磁驱动单元，配合悬臂上的一扭力杆，使得悬臂可进行如跷跷板般的运动，带动镜面上下移动作为光开关；本发明所公开的光开关是利用IC制作过程以微机电技术制造而成，首先在一第一基板上形成悬臂、扭力杆、磁膜与镜面，接着在一第二基板上形成上述之线圈，最后再由第一基板与第二基板上定位沟的精确对位结合，完成光开关的结构。
文档编号G02B6/35GK1506705SQ0215605
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月13日 优先权日2002年12月13日
发明者卢慧娟, 李新立, 张文阳, 李政鸿 申请人:财团法人工业技术研究院