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JPH11154447A - 光作動微小機械光子スイッチを備える物品 - Google Patents

光作動微小機械光子スイッチを備える物品

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Publication number
JPH11154447A
JPH11154447A JP10255876A JP25587698A JPH11154447A JP H11154447 A JPH11154447 A JP H11154447A JP 10255876 A JP10255876 A JP 10255876A JP 25587698 A JP25587698 A JP 25587698A JP H11154447 A JPH11154447 A JP H11154447A
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JP
Japan
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article
photogenerator
light
mems
optical
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Pending
Application number
JP10255876A
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English (en)
Inventor
Vladimir A Aksyuk
エー．アクシュック ヴラデミール
David J Bishop
ジェー．ビショップ ディヴィッド
Peter L Gammel
エル．ガメル ピーター
C Randy Giles
ギルズ シー．ランディ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nokia of America Corp
Original Assignee
Lucent Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Lucent Technologies Inc filed Critical Lucent Technologies Inc
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光作動光子スイッチを備える物品が開示され
る。 【解決手段】 前記光作動光子スイッチには、非常に低
い電圧要求を有する微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）
スイッチに電力を供給するフォトゼネレータが含まれる
ので有利である。ＭＥＭＳスイッチは２つの導波管の間
を伝えられる光信号の経路を出入りするよう反射器を移
動させるよう作動する。ＭＥＭＳスイッチは低い電圧要
求を有するので、比較的低い電圧を発生する長波フォト
ゼネレータが使用できる。長波長光は光ファイバでの減
衰が比較的少ないので、前記光作動光子スイッチを組み
込んだ能動光波回路は遠隔ノードへの非常に大きな長さ
のファイバを有することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、光子スイ
ッチに関し、より詳細には、光作動光子スイッチおよび
それを組み込んだシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】＜
関連出願＞本出願は、「微小機械光子スイッチ」と題さ
れた１９９７年９月１０日出願の仮出願第６０／０５
８，４６５号の優先権を主張する。「能動的」な光波回
路またはネットワークには、通常、ネットワークの状態
を変更する電気的または電子機械的スイッチが含まれ
る。こうした状態の変更は、例えば、ネットワークを通
る情報の流れを制御するために使用される。こうした回
路で使用されるスイッチは作動するための電力を必要と
するが、それは、通常、銅線を通じて外部電源によって
供給される。従って、光波回路中の端末、中継器および
遠隔ノード・サイトは、電力が各位置に存在するスイッ
チに供給されるように配線されなければならない。
【０００３】多くのネットワークでは、上記で説明した
方法で電気を供給することは非実際的であるか、または
非常に費用がかかる。さらに、能動装置（例えば、スイ
ッチ）の存在によって、現場に配備された能動光波回路
は信頼性の問題が生じ、保守コストがかさむことになり
やすい。受動光波システムは、１つの代替案であるが、
こうした受動システムは、端末サイト外の制限された機
能を補償するため端末サイトの複雑さを増す傾向がある
ので不利である。
【０００４】光電力回路は、さもなければ受動的な光シ
ステムの機能を向上させることができる。こうした回路
では、電力は外部電源ではなく光ビームによって供給さ
れる。光電力回路の中には、光ビームが電子機械的また
は電気光学的装置を駆動する電流／電圧を発生するフォ
トゼネレータに電力を供給するものがある。例えば、イ
ンジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）フォトゼネレー
タによって電力を供給される微小電力ステップ・モータ
は、１００ｋｍの伝送ファイバを通じて遠隔作動されて
いる。Ｄｅｎｔａｉ他、「高電圧（２．１Ｖ）集積Ｉｎ
ＧａＡｓフォトゼネレータ」 Ｅｌｅｃｔ．Ｌｅｔ
ｔ．、第３３巻、第８号、 ７１８〜１９ページ、１９
９７年、およびＢｕｒｒｏｗｓ他への米国特許第５，７
１４，７７３号を参照されたい。
【０００５】こうした光波回路で使用されるフォトゼネ
レータは照射されるビームの波長によって分類される。
短波フォトゼネレータは約９５０ナノメートル（ｎｍ）
未満の波長を有する光によって電力を供給され、長波フ
ォトゼネレータは約１２００ｎｍを超える波長を有する
光によって電力を供給される。短波フォトゼネレータは
長波フォトゼネレータより多い電流と電圧を発生するこ
とができる。従来技術の光電力回路で使用される機械的
または電子機械的装置の無視できない電流および電圧の
必要を満足するために、短波フォトゼネレータが、通
常、使用される。
【０００６】短波フォトゼネレータに電力を供給する
「短い」波長の光は、長波フォトゼネレータに電力を供
給する「長い」波長の光より光ファイバではるかに大き
く減衰するので不利である。その結果、短波フォトゼネ
レータとスイッチが配置される遠隔ノードに通じるファ
イバは、通常、長波フォトゼネレータがノードに存在す
る場合よりはるかに短い長さに制限される。配線される
ファイバの長さを延長するには、より高出力の光ビーム
をファイバに投入しなければならない。こうした高出力
ビームに関連する必要な電力の増大の他に、増大した電
力ビームと、ノードに供給される情報搬送光信号の間の
クロストークの尤度と強度が増大する。上記で言及した
欠点に加えて、従来技術の能動光波回路は通常比較的低
い帯域幅と長い切換時間という欠点がある。
【０００７】従って、当業技術は長波フォトゼネレータ
を使用してスイッチ等を作動させる電力を供給する光電
力回路から利益を受けるものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】１つの実施形態では、光
作動光子スイッチを備える物品には、きわめて低い電圧
を必要とする微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッ
チに電力を供給する長波フォトゼネレータが含まれる。
ＭＥＭＳスイッチは機械的にアクチュエータと連結した
装置を組み込んでいる。１つの実施形態では、この装置
は入射する光信号を反射する反射器である。ＭＥＭＳス
イッチの反射器は信号源と宛先光ファイバまたは他の光
伝送メディアを分離するギャップに位置している。
【０００９】動作の際、光ビームが長波フォトゼネレー
タに供給される。照射されると、フォトゼネレータは比
較的低い電圧を発生し、それがＭＥＭＳスイッチのアク
チュエータに伝えられる。通常、５ボルト未満であり約
１ボルト程度である低電圧を適用すると、機械的に連結
された反射器が信号源ファイバからギャップに至る光信
号の経路に移動する。光信号は反射器に接触し、１つの
実施形態では、信号源ファイバに反射される。この方法
で、光信号がギャップを越えて宛先ファイバに入ること
が防止される。
【００１０】大部分のＭＥＭＳスイッチは、静電的に作
動する装置であるため、無視できるほど小さい平均電流
を使用して作動するが、電圧は無視できない大きさであ
る。本発明者は、低電圧ＭＥＭＳスイッチが開発されれ
ば、長波フォトゼネレータによって電力を供給すること
ができ、従来技術の能動光波回路のいくつかの欠点を避
けることができることを認識した。こうした低電圧ＭＥ
ＭＳスイッチがここで説明される。この光作動光子スイ
ッチを利用する能動光波回路は、遠隔ノードにわたるフ
ァイバの長さを従来技術に対して約５０〜１００パーセ
ント増大する。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の例示としての実
施形態による光作動光子スイッチ１００を示す。スイッ
チ１００には、フォトゼネレータ１０４を有するフォト
ゼネレータ・チップ１０２と、スイッチ機能を提供する
よう構成された微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）構造
１２４を有するスイッチ・チップ１２２（以下「ＭＥＭ
Ｓスイッチ」）が含まれる。フォトゼネレータ１０４
は、ここで約１２００ｎｍを超える波長を有する光ビー
ムによって電力を供給されるフォトゼネレータとして定
義される長波フォトゼネレータであるので有利である。
フォトゼネレータ１０４は電気的導線１０６および１０
８を介してＭＥＭＳスイッチ１２４に電気的に接続され
る。例示としての実施形態ではフォトゼネレータ１０４
とＭＥＭＳスイッチ１２４は異なったチップ上に製作さ
れるが、当業技術分野ではこれらの２つの装置を一体的
に集積する方法が知られている。すなわち、代替実施形
態では、フォトゼネレータとＭＥＭＳスイッチは１つの
チップに集積される。
【００１２】ＭＥＭＳスイッチ１２４は、通常、約１〜
５ボルトといった非常に低い電圧で作動するよう設計お
よび構成されているので有利である。こうしたスイッチ
を使用する利点はすでに説明した。本発明と共に使用さ
れる低電圧ＭＥＭＳスイッチの詳細は、以下この明細書
で図２に関連して提供される。
【００１３】引き続き図１を参照すると、ＭＥＭＳスイ
ッチ１２４は、連結機構１２８を介してアクチュエータ
１２６に機械的に連結された装置１３０を含む。装置１
３０は、信号源光伝送メディア１３２ａと宛先光伝送メ
ディア１３２ｂとの間のギャップ１３６に配置されてい
る。アクチュエータ１２６の動作の関数として、装置１
３０は、信号源ファイバ１３２ａを出る光信号１３４の
経路を出入りする。
【００１４】光伝送メディアは、例えば、スラブ導波
管、光ファイバ等といった光信号を導くために適した多
様な材料の何れか１つである。説明を容易にするため
に、この光伝送メディアは、この詳細な説明と請求項の
両方で、以下集合的に「ファイバ」または「光ファイ
バ」と呼ぶ。ギャップ１３６の寸法は装置１３０を受け
入れるものだが、レンズがない場合、光信号が信号源フ
ァイバ１３２ａを離れる際の光信号の発散が有限である
ため比較的小さくするべきである。約２０ミクロンのギ
ャップが適当であることが発見されている。１つかそれ
以上のレンズがギャップ１３６の中に配置される場合、
ギャップの寸法は、通常、かなり大きくなる。
【００１５】装置１３０は適用業務の仕様によって光信
号１３４に影響するよう作動するので、ＭＥＭＳスイッ
チ１２４を交差する信号の特性には測定可能な相違が存
在する。様々な実施形態では、装置１３０は反射、回
折、吸収その他によって光信号の特性を変更することが
できる。装置１３０の特定の実現例の多数の無制限の例
には、金属化表面、誘電ミラー、誘電フィルタ、変調
器、偏波器、減衰器、および周波数二倍器のような非線
形光学応答を有する装置が含まれる。説明を容易にする
ために、装置１３０を以下「反射器１３０」と呼ぶが、
「反射器」という用語はその辞書的な意味に制限される
ことを意図したものではなく、この詳細な説明と請求項
の両方で、上記で説明した実現例の何れかに言及する簡
略な伝達法として使用されることを理解されたい。
【００１６】動作の際、光ファイバ１１０は光ビーム１
１２をフォトゼネレータ１０４に供給する。ビーム１１
２によって照射されると、フォトゼネレータ１０４は電
圧を発生する。フォトゼネレータ１０４によって発生し
た電圧は電気的導線１０６および１０８を介してＭＥＭ
Ｓ構造１２４のアクチュエータ１２６に伝えられる。そ
の電圧をアクチュエータ１２４に適用すると、反射器１
３０が連結機構１２８によって信号源ファイバ１３２ａ
からの信号１３４の経路に移動する。この方法で、光信
号１３４がギャップ１３６を越えて宛先ファイバ１３２
ｂに達することが防止される。代替実施形態では、反射
器１３０の特定の実現例によって、光信号１３４は反射
器１３０によって部分的に減衰されるか、信号強度以外
の信号１３４の特性が変更される。ＭＥＭＳスイッチの
動作は、この明細書で図４ａおよび図４ｂの議論と関連
して以下さらに詳細に説明される。
【００１７】図２に示される例示としてのＭＥＭＳスイ
ッチ２２４には、図示されるように相互関連するアクチ
ュエータ２２５、連結機構２２８および反射器２３０が
含まれる。連結機構２２８は反射器２３０をアクチュエ
ータ２２５に機械的に接続する。反射器２３０は信号源
および宛先ファイバ２３２ａおよび２３２ｂの間のギャ
ップ２３６に配置される。そのように接続および配置さ
れると、アクチュエータ２２５は反射器２３０が信号源
ファイバ２３２ａによって供給される光信号の光経路Ａ
−Ａに出入りするよう作動する。光伝送メディア２３２
ａおよび２３２ｂが集積導波管構造でなく実際の光ファ
イバである場合、こうしたファイバは図２に例示されて
いるように、基盤２００の表面に配置された案内「レー
ル」によって位置調節される。また、光ファイバは、図
４ａおよび図４ｂに示される周知の「ｖ溝」のような溝
を使用して位置調節されることもある。位置調節後、こ
うした光ファイバは、通常、定位置に接着される。
【００１８】図２を参照すると、アクチュエータ２２５
は、可動プレートの下に位置する電極２０２（図示せ
ず）の上で懸架要素２４０によって懸架されている可動
プレート２２６からなる。可動プレート２２６と電極２
０２はどちらも導電性である。実施形態によっては、電
極２０２は可動プレート２２６の下の基盤２００の上に
配置された導電性材料の層から形成される。こうした電
極はここでは「ディスクリート」電極と呼ばれる。こう
した実施形態の１つでは、導電性材料の層はポリシリコ
ンを含む。基板２００が導電性である実施形態の中に
は、基板自体が電極２０２として機能するものがある。
さらに、また他の実施形態では、基板２００が非導電性
の場合、電極２０２として機能できるようにドーピング
によって適度の導電性を帯びることがある。ここで「電
極２０２」と呼ぶ場合、上記で言及した実現例の何れか
を包含することが意図されている。
【００１９】懸架要素２４０は相互間に吸引力が発生す
ると変形して可動プレート２２６が電極２０２の方向に
移動するようにする。こうした吸引力は、例えば、電極
２０２と可動プレート２２６に電圧を適用することによ
って発生する。懸架要素２４０はまた、吸引力が消失す
る場合可動プレート２２６を中立または静止位置に復帰
させる回復力も提供する。
【００２０】短絡を防止するために、可動プレート２２
６は電極２０２と接触してはならないことが理解でき
る。電極２０２がディスクリート電極である１つの実施
形態では、電極はそこにパターン成形され下にある非導
電性層（例えば、基板）を通じて延びる穴を有する。突
起またはスパイクが可動プレート２２６の「下面」（す
なわち、下側の電極２０２に面する可動プレートの表
面）から延びている。こうした突起は可動プレート２２
６の下面からある距離だけ延びる。電極２０２の穴は突
起を受け入れるよう位置調節されている。
【００２１】可動プレート２２６が電圧を適用されて電
極２０２に方向に移動すると、電極２０２の穴は突起を
受け入れる。突起は、穴の外周を形成する電極材料と接
触せずに穴に受け入れられるのに適した直径を有する。
さらに、突起の長さは電極２０２の厚さより大きい。従
って、穴に受け入れられると、突起は、可動プレート２
２６の下面が電極２０２に接触する前に電極２０２の下
に配置された非導電性層に接触する。突起の端部と非導
電性層がこうして接触することによって、可動プレート
２２６が電極２０２と短絡する前にその下向き運動が停
止される。約０．５ミクロンの厚さを有する電極と共に
使用するには、約０．７５ミクロンの長さを有する突起
が適当である。
【００２２】基板（ドーピングまたは非ドーピング）が
電極２０２として機能する実施形態では、窒化シリコン
のような非導電性材料の薄い層が電極２０２の上に配置
されるので有利である。非導電性層は、電圧の適用によ
って可動プレート２２６が下向きに移動する際電極２０
２と接触するのを防止する。
【００２３】例示としての実施形態では、懸架要素２４
０は支持パッド２４２から延びる「ばね」として実現さ
れる。この懸架要素の例示としての実施形態の詳細は、
図３ａおよび図３ｂで提供される。
【００２４】図３ａに示されるように、懸架要素２４０
（その１つが示される）は（支持された可動プレート２
２６が中立位置にあるとき）細長いＵ形の構成を有す
る。懸架要素２４０の第１の足３４６から延びる部材３
４４が支持パッド２４２に接続される。第２の足３５０
の第１端部３５２から延びる部材３５４は、部分断面図
で示すように、可動プレート２２６に機械的に接続され
ている。
【００２５】図３ｂに示すように、プレートが下にある
電極２０２（図示せず）の方向に引っ張られると、第２
の足３５０は可動プレート２２６の運動に続いて下向き
に移動する。第２の足３５０は第１の足３４６を一緒に
下向きに引っ張る。プレート２２６が下側の電極２０２
の方向に下降する距離の約半分は第２の足３５０の湾曲
が対応し、もう半分は第１の足３４６の湾曲が対応す
る。足３５０および３４６が中立位置から下向きに移動
する際、エネルギーが懸架装置２４０に蓄積される。プ
レート２２６が電極２０２の方向に中立位置から離れて
移動する運動の原因である吸引力が除去されると、懸架
要素２４０の蓄積されたエネルギーが開放され、プレー
ト２２６と第１および第２の足３５０および３４６を中
立位置に復帰させる。
【００２６】懸架要素２４０と懸架パッド２４２は、導
電性であるか、または金属を塗布するなどして導電性に
されているので有利である。懸架要素２４０の例示とし
ての実施形態によって示される柔軟性と弾性を提供する
ために適したほかの構成がＭＥＭＳスイッチと共に適切
に使用されることがある。
【００２７】図２に戻ると、連結機構２２８は、跳ね橋
または「シーソー」の方法でビーム２６０が「揺れる」
ようにする支点２６６の上に置かれたビーム２６０を含
む。支点２６６は機能的にビーム２６０を、第１部分２
６２と第２部分２６４の２つの部分に「分割」する。例
示としての実施形態では、支点２６６はビーム２６０の
側面から延びる腕２７０として実現される。腕２７０は
支点支持物２６８の上に乗っているがそれに固定されて
はいない。すなわち、腕２７０は自由に旋回または動揺
するので、ビーム２６０の第１部分２６２が可動プレー
ト２２６の下向き運動によるなどして下向きに動かされ
る場合、ビーム２６０の第２部分は基板２００から離れ
て上向きに移動する。
【００２８】可動プレート２２６は懸架要素２４０によ
って提供される回復力によって静止または中立位置に復
帰する。ビーム２６０の重量だけでは（可動プレート２
２６が静止位置に復帰した後で）ビームを確実に静止位
置に復帰させることができないので、回復力をビームに
提供しなければならない。例示としてのＭＥＭＳスイッ
チ２２４では、ビーム２６０に対する回復力は「ねじ
り」ばねによって提供される。例示としての実施形態で
は、このねじりばねは支点支持物２６８の上で付着また
は他の方法で腕を腕支持物２７６に固定する横に延びる
腕２７０によって実現される。腕２７０は腕支持物２７
６に固定されているので、ビーム２６０の第１部分２６
２が下向きに動くとき、腕はねじれてエネルギーを蓄積
する。可動プレート２２６とビーム２６０の第１部分２
６２を下向きに動かす作動力がない場合、腕２７０はね
じれを解くことによって蓄積されたエネルギーを開放
し、その結果、ビーム２６０は静止または中立位置に復
帰する。
【００２９】従って、例示としての実施形態では、腕２
７０は２つの機能を有する。それはピボット要素である
と同時にねじりばねとしても機能する。他の実施形態で
は、別個の要素がこれらの２つの機能を提供する。例え
ば、１つの実施形態（図示せず）では、腕は支点支持物
２６８の上にあってそれ以上延びていない。このように
実現される場合、腕は単にピボットとして機能する。例
えば、ばね２４０の方法で構成される別個の１組のねじ
りばねがビーム２６０の第２部分２６４の端部２７８の
近くでビーム２６０の側面に取り付けられる。
【００３０】例示としてのスイッチ２２４ではビーム２
６０に蝶番状に取り付けられた反射器支持物２７２が、
ビームの第２部分２６４に配置される。反射器２３０が
配置された反射器支持物２７２の一部分がファイバ２３
２の第１および第２部分２３２ａおよび２３２ｂの間の
ギャップ２３６に延びる。ビーム２６０の第１部分２６
２の一部は可動プレート２２６の下に位置し、それと当
接する。
【００３１】例示としてのＭＥＭＳスイッチ２２４の動
作を図４ａおよび図４ｂを参照して説明する。図４ａは
中立または静止状態にあるＭＥＭＳスイッチ２２４の単
純化したバージョンを示す。こうした静止状態では、反
射器２３０はファイバ・コア４７０によって形成される
光学軸（すなわち図２の光学軸Ａ−Ａ）から外れたとこ
ろに位置しているので、ファイバ・コアを通じて伝わる
光信号を遮断することはない。図４ｂは作動状態にある
ＭＥＭＳスイッチ２２４を示す。電圧がプレート２２６
と電極２０２に適用されると、相互間に静電吸引力が発
生する。この吸引力は可動プレート２２６を下向きに電
極２０２の方向に移動させ、相互間の分離距離Ｓを縮小
する。ビーム２６０の第１部分２６２は、可動プレート
２２６の下面２２７に当接し、下向きに可動プレート２
２６に沿って移動する。支点２２６によって、ビーム２
６０の第２部分２６４は、第１部分２６２の下向き運動
に応答して基板２００から離れて上向きに移動する。ビ
ーム２６０の第２部分２６４の上向き運動によって反射
器２３０はファイバ・コア４７０によって形成される光
学軸の中に移動し、伝送される光信号を遮断する。ビー
ム２６０の長さに沿った支点２６６の位置はビームの第
２部分２６４の端部の望ましい量の垂直運動を提供する
よう適切に調整されるので、アクチュエータ２２５に電
圧を加えると反射器２３０は光学軸を遮断する。
【００３２】図４ａで例示としての実施形態では、反射
器２３０は、静止位置でファイバ・コア４７０の下に位
置し、作動の際ファイバ・コアの経路に移動するものと
して示される。他の実施形態では、反射器２３０は静止
位置でファイバ・コア４７０の経路に位置し、作動の際
ファイバ・コアの「上」に移動する。
【００３３】前に述べたように、関連して使用されるＭ
ＥＭＳスイッチは、非常に低い電圧で作動し、本発明の
利益を実現するので有利である。「標準」ＭＥＭＳスイ
ッチの設計にある変更を加えることによって、非常に低
い電圧（と無視できるほど小さい電流）で作動可能なス
イッチが製作できることが発見された。この修正を以下
説明する。
【００３４】第１の修正では、可動プレート２２６を懸
架する懸架要素２４０は「柔らかく」なければならな
い。ここで使用される用語では、「柔らかい」懸架要素
は約０．２５〜０．５ニュートン／メートルの範囲内の
ばね定数を有する。それと対照的に、通常のＭＥＭＳ装
置で使用される懸架要素のばね定数は約１０Ｎ／ｍ程度
である。こうした「柔らかい」懸架要素を製作するため
に、要素は、通常、長くされる。１つの指針として、ば
ね定数はばね要素の長さの３乗に反比例する（すなわ
ち、Ｋ∝（１／Ｌ3））と仮定される。ねじり要素の場
合、ばね定数はねじり要素の長さの１乗に反比例する
（すなわち、 Ｋ∝（１／Ｌ））と仮定される。
【００３５】第２の修正では、可動プレート２２６は、
充分に大きいので、作動中に大きな湾曲が発生するので
有利である。このプレートの湾曲に関しては、可動プレ
ート２２６が電極２０２の方向に引っ張られる際、最初
に電圧が適用されると大きく変形するので、可動プレー
ト（またはそこから出た突起）のわずかな部分だけが下
にある非導電性表面に接触する。こうした「初期」接触
を行う部分は、通常、懸架装置（と可動層２２６の下に
あるビーム２６０の部分）からもっとも遠いプレートの
部分である。接触部分は初期接触点から「ファスナーを
閉めるような」方法で「広がって」いく。こうした湾曲
が可動プレート２２６に提供されると、驚くほど低い電
圧で大きな静電吸引力が発生する。プレートの寸法に関
しては、少なくとも約３００ミクロン×３００ミクロン
×１．５ミクロン厚の可動プレートがこの点で十分であ
ることが発見された。
【００３６】さらに、電極２０２は、上部を覆う窒化シ
リコンの層を有する基板を電極として使用して実現され
るので有利である。こうした装置は、通常、ディスクリ
ート電極を使用するスイッチより低い作動電圧に帰結す
ることが発見されている。さらに、可動層２２６は、１
つのポリシリコン層（以下説明するＭＣＮＣの３ポリシ
リコン層微小機械加工処理の「ＰＯＬＹ２」層）だけを
含むが、他の適用業務で使用される「標準」（すなわち
高電圧）ＭＥＭＳスイッチでは、可動層は２つの層のポ
リシリコンを含むことが多いので有利である。
【００３７】本発明によるＭＥＭＳスイッチ２２６のよ
うなＭＥＭＳスイッチを製作する技術は、例えば、ＭＥ
ＭＳノースカロライナ微小電子技術センター（ＭＣＮ
Ｃ）のような多様な出所から入手可能である。ＭＣＮＣ
によって提供される技術の１つが、３ポリシリコン層表
面微小機械加工処理である。この処理では、シリコン・
ウェハがまず絶縁性窒化シリコン層で覆われる。その
後、ポリシリコンの３つの別個の層ＰＯＬＹ０、ＰＯＬ
Ｙ１およびＰＯＬＹ２が蒸着されパターン成形される。
酸化物（例えば、燐酸シリケートガラス「ＰＳＧ」）の
層が、第１（ＰＯＬＹ０）と第２（ＰＯＬＹ１）層およ
びＰＯＬＹ１層と一番上の（ＰＯＬＹ２）層の間にはさ
まれる。上記の犠牲酸化物層のために、ＰＯＬＹ１とＰ
ＯＬＹ２は（酸化物層をエッチングで除去することによ
って）「開放」されるので、機械的構造物を形成するた
めに使用できる。一番下のＰＯＬＹ０層は開放されず、
絶縁性窒化シリコン層の上にアドレス電極とローカル配
線をパターン成形するために使用される。ポリシリコン
層ＰＯＬＹ０、ＰＯＬＹ１およびＰＯＬＹ２はそれぞれ
０．５、２．０および１．５ミクロンの公称厚さを有す
る。必要に応じて、公称厚さ約０．５ミクロンの金の層
がＰＯＬＹ２層の上に蒸着される。
【００３８】ポリシリコンと酸化物の層は望ましい場合
個別にパターン成形され、望ましくない材料は、次の層
が追加される前に反応性イオン・エッチングによって各
層から除去される。すべての層がパターン成形された
後、ＰＯＬＹ１およびＰＯＬＹ２層は、必要に応じて、
高周波を使用したエッチングで犠牲酸化物層を除去する
ことによって開放される。解放後、パターン成形された
ＰＯＬＹ１およびＰＯＬＹ２層は自由に移動し、製作ス
テップ中に完了しなかった場合組立を進行することがで
きる。
【００３９】「能動的」組立の際、ＭＥＭＳ装置の様々
な要素が形成された後、ＭＥＭＳ装置の様々な要素が定
位置に移動する。より詳細には、様々なプレートが、通
常、基板平面にある初期位置から、最終的な、通常、基
板平面から外れた位置に移動する。プレートは、例え
ば、微量ピペットによって最終位置に移動することがで
きる。能動的に組立てられたＭＥＭＳ装置は、通常、少
なくとも少数の「蝶番付きプレート」を含む。こうした
蝶番付きプレートは蝶番に沿って回転できる。形成され
る際、こうした蝶番付きプレートは基板表面上で平らで
ある。組立の際、通常、このプレートを蝶番に沿って基
板平面から外れた位置に回転することが必要になる。プ
レートの中には９０°回転するものがあり、それより少
ない量だけ回転するものもある。こうした蝶番付きプレ
ートの形成は当業技術分野で周知である。例えば、Ｐｉ
ｓｔｅｒ他「微小加工蝶番」(Microfabricated Hinge
s)、センサとアクチュエータＡ、第３３巻、２４９〜３
５６ページ、１９９２年を参照されたい。また、第０８
／８５６，５６９号として１９９７年５月１５日に出願
された「微小機械加工光スイッチ」(Micro Machined Op
tical Switch)と、第０８／０５６，５６５号として１
９９７年５月１５日に出願された「微小装置を製造する
方法と装置」という本譲受人の同時係属出願も参照され
たい。これらの出願はどちらも引用によって本出願の記
載に援用する。
【００４０】能動的組立の代替案として、前記ＭＥＭＳ
スイッチは、「受動的に」自己組立することができるの
で有利である。受動的組立では、ＭＥＭＳ装置の様々な
要素は製作処理中にその動作位置に移動する。こうした
受動的組立を達成する１つの方法は、１つの端部だけで
（すなわち、片持式に）支持されるポリシリコンのビー
ムまたはプレートの頂部に高い固有応力を有する材料の
層を蒸着することである。上記で説明したＭＣＮＣ処理
では、ＰＯＬＹ２層の上に必要に応じて蒸着される金の
層が高い固有応力を有するように蒸着される。例えば、
１つの実施形態では、ポリシリコンと金の間の接着層
（通常、必要）の役目を果たす材料はクロムである。高
い固有応力はこのクロムの層に関連する。犠牲酸化物層
がエッチングで除去されてビームまたはプレートを開放
する際、クロムの層は縮小してひずみを最小にする。こ
うした縮小の際、上向き方向の力がビームまたはプレー
トの自由な端部に伝えられ、それを「上向き」方向にた
わませる。そうした上向き運動が使用され、構造物を動
作位置に移動させる。例えば、第０８／９９７１７５号
として１９９７年１２月２２日に出願された本譲受人の
同時係属特許出願「自己組立微小機械装置」(Self-Asse
mbling Micro-Mechanical Device)を参照されたい。こ
の出願は引用によって本出願の記載に援用する。
【００４１】ここで再び図１を参照すると、ＭＥＭＳス
イッチ１２４のアクチュエータ１２６を駆動する電圧は
フォトゼネレータ１０４によって発生する。本発明と共
に使用するために適したフォトゼネレータ５０４の例示
としての実施形態が図５に示される。
【００４２】例示としてのフォトゼネレータ５０４は直
列に接続された８つの長波ダイオード５０６からなるダ
イオード・アレーである。より多数または少数のダイオ
ードからなるダイオード・アレーが適切に使用され、そ
れに対応して、所定の照射エネルギーに対して、フォト
ゼネレータ５０４より大きいかまたは小さい電圧を発生
する。実施形態によっては、ダイオード・アレーは高い
充填率を提供する円形形状を有し、フォトゼネレータ５
０４に電力を供給する証明を提供するビームスポット５
７８と相補的な形状であることがある。
【００４３】フォトゼネレータ５０４の外周は多角形を
形成し、大きな三角形部分５８２の各々の底辺が多角形
の辺を形成する。大きな三角形部分５８２は１つの種類
の導電性（例えば、「ｎ」）であり、小さい三角形部分
５８４は別の種類（例えば、「ｐ」）である。小さい三
角形部分５８４は各ダイオード５８０のｐ−ｉ−ｎ接合
部分である。
【００４４】前に示したように、アレーのダイオード５
８０は直列に接続されている。これは１つのダイオード
のｎ部分を第１の隣接するダイオードのｐ部分に接続
し、その１つのダイオードのｐ部分を第２の隣接するダ
イオードのｎ部分に接続する電気的相互接続５８６によ
って達成される。電気的接続５８８および５９０はフォ
トゼネレータ５０４によって発生した電圧を端子パッド
５９２および５９４に供給する。電気的相互接続（図５
では示していない、図１で相互接続１０８および１０６
として示される）がフォトゼネレータをＭＥＭＳスイッ
チに電気的に接続する。
【００４５】図６は、図５で「Ｓ」として示された切断
線を通して見たフォトゼネレータ５０４のｐ−ｉ−ｎフ
ォトダイオードの１つの断面図を示す。例示としての実
施形態では、フォトダイオードは、蒸着の際パターン成
形され、基板６０２の上に蒸着された５つの層を含む。
基板６０２は、鉄でドーピングされたリン化インジウム
（ＩｎＰ）のような絶縁性または半絶縁性材料である。
【００４６】１つの実施形態では、フォトダイオードは
以下の構造を有する。第１蒸着層６０４はｐ−ｉ−ｎ構
造のｎ層であり、シリコンでドーピングされたＩｎＧａ
Ａｓからなる。層６０６は、例えば、ドーピングされて
いないＩｎＰのような「エッチング阻止」層である。層
６０８は吸収層であり、真性ＩｎＧａＡｓからなる。亜
鉛でドーピングされたＩｎＰを含むＰ層６１０は装置の
動作波長で実質上透明でなければならず、典型的には
１．３〜１．５５ミクロンである。Ｐ＋接点層６１２は
亜鉛でドーピングしたＩｎＧａＡｓである。ポリイミド
のような絶縁体が層６０４〜６１２を覆っている。部分
６１６は、通常金で、隣接するｎ接点との相互接続（図
５）であり、部分６１４はｐ＋接点層６１２との接触を
改善するｐ接点金属である。部分６２０はｎ層６０４と
の接触を改善するｎ接点金属である。部分６２２は、通
常金で、隣接するｐ接点との相互接続（図５参照）であ
る。
【００４７】本発明と共に使用するのに適したフォトダ
イオード・アレーのこれ以上の説明は、引用によって本
出願の記載に援用する、１９９８年２月３日発行の「遠
隔電力供給光波ネットワーク用フォトダイオード・アレ
ー」(Photodiode Array forRemotely Powered Lightwav
e Networks)と題された、Ｂｕｒｒｏｗｓ他による米国
特許第５，７１４，７７３号で提供されている。
【００４８】本発明のさらに他の実施形態では、改善さ
れた光波システムおよびネットワークが上記で説明した
微小機械光子スイッチを組み込んでいる。こうした例示
としてのシステムの中の２つが以下説明される。
【００４９】図７は、本発明の例示としての実施形態に
よる改善されたリング・ネットワーク７００を示す。リ
ング・ネットワーク７００には複数のノードが含まれる
が、その中の２つであるノード７０２および７０４が図
示される。ネットワークの１つのノードが「オフライ
ン」になると、そのオフライン・ノードをバイパスしな
い限り、ネットワーク全体がオフラインになるのがリン
グ・ネットワークの特性である。すなわち、リング・ネ
ットワークの設計は、通常、ノードをバイパスすること
のできるフェイルセーフ対策を有している。前記光作動
微小機械光子スイッチがこのフェイルセーフを実現する
ために使用される。
【００５０】光作動微小機械光子スイッチがネットワー
ク内の各ノードに提供される。ノード７０２および７０
４のスイッチが図７に示される。ノード７０２の光作動
微小機械光子スイッチはＭＥＭＳスイッチ７１０および
７１２とフォトゼネレータ７１４を含む。ノード７０４
の光作動微小機械光子スイッチはＭＥＭＳスイッチ７１
４および７１６とフォトゼネレータ７１８を含む。
【００５１】７０２のようなノードがオンラインである
とき、光信号はファイバ７０６を通じて送られ、フォト
ゼネレータ７１４に電力を供給する。フォトゼネレータ
は、電気的相互接続７０８を通じてＭＥＭＳスイッチ７
１０および７１２に供給される電圧を発生する。スイッ
チ７１０および７１２のようなＭＥＭＳスイッチは、フ
ォトゼネレータ７１４によって発生する電圧によって電
力を与えられるかまたは作動するとき、ノード７０２が
リングと光で通信するよう構成されている。
【００５２】７０４のようなノードがオフラインである
とき、関連するフォトゼネレータはもはや光電力信号を
受信しない。その結果、フォトゼネレータ７１８からの
電気的出力は消失する。作動電圧がない場合、スイッチ
７１４および７１６のようなＭＥＭＳスイッチは、関連
ノード（すなわち、ノード７０４）への接続が停止し、
ノードがバイパスされるように構成されている。
【００５３】図８は、複数の光ネットワーク・ユニット
へのデータ供給を制御する光作動微小機械光子スイッチ
を組み込んだ、本発明の例示としての実施形態による受
動光ネットワーク８００を示す。
【００５４】集合的に信号８０２として特定される、フ
ォトゼネレータ８１２に電力を供給する光ビームと制御
装置８１６を制御する光制御信号が、中央局ＣＯのマル
チプレクサ８０６でデータ信号８０４と多重化される。
データ信号８０４は、波長分割多重化（ＷＤＭ）信号を
含む複数のスペクトル成分（すなわち、波長）に変調さ
れた複数の光ネットワーク・ユニットＯＮＵ1 ．．．Ｏ
ＮＵN （例えば、ホーム、ビジネス等）用のデータを有
するＷＤＭ信号である。多重化信号８０７はマルチプレ
クサ８０６からファイバ８０８を通じて遠隔ノードＲＮ
に伝えられる。ファイバ８０８は、１００ｍＷ（２０ｄ
Ｂｍ）、１５５０ｎｍの信号源および０．２５ｄＢ／ｋ
ｍのファイバ損失を仮定すると、約２００ｋｍ程度の非
常に大きな長さとなる。
【００５５】遠隔ノードＲＮでは、光電力および制御信
号がデータ信号から多重分離されフォトゼネレータ８１
２に供給される。それに応答して、フォトゼネレータ８
１２は電圧を発生し、それが制御装置８１６に供給され
る。データ信号はデマルチプレクサ８１４で、光ネット
ワーク・ユニットＯＮＵ1 ．．．ＯＮＵN 用の多数の数
Ｎのデータ信号８１６1 ．．．８１６N に多重分離され
る。制御装置８１６によって処理される制御信号に従っ
て作動するＭＥＭＳスイッチ８１８1．．．８１８Nは各
光ネットワーク・ユニットへの情報信号の流れを制御す
る。
【００５６】ネットワーク８００のような受動光ネット
ワークは様々な方法で構成されることが認識される。例
えば、１つのフォトゼネレータ８１２と制御装置８１６
を使用する代わりに、複数の光作動スイッチが代用さ
れ、異なったフォトゼネレータが各ＭＥＭＳスイッチ８
１８1 ．．．８１８N と関連する。こうした実施形態は
制御装置８１６の使用を回避する。さらに、適当な場
合、多重化の代わりに変調が使用される。
【００５７】ここで説明された実施形態は、本発明の原
理を適用する際考案される多くの可能な特定の装置の例
示に過ぎないことを理解されたい。当業技術分野に普通
に熟練した者によって、本発明の範囲と精神から逸脱す
ることなく、これらの原理によって他の装置が考案され
る。従ってこうした他の装置は以下の請求項とその同等
物の範囲内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示としての実施形態による光作動光
子スイッチの概略図を示す。
【図２】図１のスイッチと共に使用される例示としての
ＭＥＭＳ構造を示す図である。
【図３ａ】図２のＭＥＭＳ構造と共に使用される例示と
しての懸架要素を示す図である。
【図３ｂ】変形した状態の懸架要素を示す図である。
【図４ａ】静止状態の図２のＭＥＭＳ構造を示す図であ
る。
【図４ｂ】電力を供給された、または作動状態の図２の
ＭＥＭＳ構造を示す図である。
【図５】図１のスイッチと共に使用される例示としての
フォトゼネレータを示す図である。
【図６】図５の例示としてのフォトゼネレータの断面図
を示す。
【図７】フェイルセーフとして光作動光子スイッチを組
み込んだ本発明の例示としての実施形態によるリング・
ネットワークを示す図である。
【図８】複数の光ネットワーク・ユニットへのデータの
供給を制御する光作動光子スイッチを組み込んだ、本発
明の例示としての実施形態による受動光ネットワークを
示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディヴィッド ジェー．ビショップ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ イ，サミット，オーク クノール ロード ７ (72)発明者 ピーター エル．ガメル アメリカ合衆国 07041 ニュージャーシ イ，ミルバーン，ホワイトンハム テラス 58 (72)発明者 シー．ランディ ギルズ アメリカ合衆国 07981 ニュージャーシ イ，ホイッパニー，パーシパニー ロード 114

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光作動光子スイッチを備える物品であっ
    て、該スイッチが、光ビームによって照射されるとき、
    電圧を発生するフォトゼネレータと、 スイッチ機能を提供するよう動作可能な第１微小電子機
    械システム（ＭＥＭＳ）装置とを備え、該ＭＥＭＳ装置
    が、前記フォトゼネレータに電気的に接続され、 固定電極と間隔を開けて重ね合わされた関係に配置され
    た可動プレートを含むアクチュエータであって、該アク
    チュエータが前記フォトゼネレータによって発生した前
    記電圧を前記可動プレートと前記固定電極に適用するこ
    とによって作動するアクチュエータと、 照射する光信号の特性に影響を与えるよう作動する反射
    器と、 前記アクチュエータを前記反射器に機械的に接続する連
    結機構とを含むＭＥＭＳ装置とを含み、 前記アクチュエータが作動するとき、前記反射器が移動
    して前記光作動光子スイッチの状態を変更する物品。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の物品において、前記電
    圧が約５ボルト以下である物品。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の物品において、前記フ
    ォトゼネレータが、約１２００ナノメートル以上の波長
    を有する光にさらされると電圧を発生するよう作動する
    複数の直列接続されたフォトダイオードを含む物品。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の物品において、前記フ
    ォトゼネレータを形成する前記フォトダイオードが円形
    形状に配置される物品。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の物品において、前記可
    動プレートが約０．５ニュートン／メートル以下のばね
    定数を有する弾性ばねによって支持される物品。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の物品において、前記連
    結機構がビームであり、さらに前記ビームが支点によっ
    て第１および第２部分に機能的に分離され、前記ビーム
    の前記第１部分が前記可動プレートの下に位置してそれ
    に当接し、さらに前記反射器が前記ビームの前記第２部
    分に機械的に接続されて２つの光ファイバの間に配置さ
    れる物品。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の物品において、前記支
    点が前記ビームの側面から延びる腕と、前記腕が自由に
    乗っている支点支持物とを含む物品。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の物品において、さらに
    前記ビームに回復力を提供するねじりばねを含む物品。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の物品において、前記ね
    じりばねが前記ビームの側面から延びる前記腕を含み、
    前記腕が前記支点支持物を越えて横に延び腕支持物に固
    定される物品。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の物品において、前記
    物品が、リング・アーキテクチャに配置された複数の光
    通信ノードを含むネットワークであり、各ノードが２つ
    のＭＥＭＳ装置を含み、その２つのＭＥＭＳ装置が少な
    くとも１つのフォトゼネレータによって作動し、 前記ネットワークの第１状態では、各ノードを通じて伝
    えられる光の一部分が関連する前記１つのフォトゼネレ
    ータに電力を供給し、前記フォトゼネレータが前記２つ
    のＭＥＭＳ装置を作動する電圧を発生し、そのＭＥＭＳ
    装置が、作動状態で前記光を受信しそれを前記関連ノー
    ドに向けるよう構成されており、 前記ネットワークの第２状態では、少なくとも１つのノ
    ードを通じて伝えられる光の前記一部分が前記１つのフ
    ォトゼネレータに電力を供給するために利用されないの
    で、前記１つのノードの前記２つのＭＥＭＳ装置は作動
    せず、この作動しない状態で前記２つのＭＥＭＳ装置は
    前記１つのノード用の前記光を受信し、前記光が前記１
    つのノードをバイパスするようにする物品。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の物品において、前記
    物品が受動光ネットワークであり、 光ビーム、光制御信号、および複数のデータ信号を含む
    多重化光データ信号が多重化されて多重化光信号となる
    中央局と、 前記多重化光信号を遠隔ノードに供給する光ファイバ
    と、 前記遠隔ノードとを備え、該遠隔ノードが、 前記多重化光データ信号中の各データ信号に対して１つ
    のＭＥＭＳ装置が存在するような追加ＭＥＭＳ装置を含
    む前記光作動光子スイッチと、 前記多重化光データ信号から前記光ビームと前記光制御
    信号を多重分離し、その多重分離された光ビームと光制
    御信号が前記光作動光子スイッチの前記フォトゼネレー
    タに供給される第１デマルチプレクサと、 前記第１デマルチプレクサから前記多重化光データ信号
    を受信して各々固有の波長によって特徴付けられる前記
    複数のデータ信号に多重分離し、前記多重分離データ信
    号がＭＥＭＳ装置との光通信に配置される第２デマルチ
    プレクサと、 制御装置とを含む前記遠隔ノードとを含み、 前記フォトゼネレータが前記光ビームと前記制御信号に
    よって照射されると、電圧が発生し、前記制御装置が選
    択的にＭＥＭＳスイッチを作動し、波長によって前記デ
    ータ信号の光ネットワーク・ユニットへの供給を制御す
    るようにする物品。
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