(57)【要約】【課題】  ＭＥＭＳ光学台において自由空間を介した光のルーティングを正確に制御する。  【解決手段】  光学台（１０２）は、台に形成された複数の溝の自由空間を介して光を伝達し、各溝は深掘りイオン反応性エッチングにより形成されて２つの対向する側壁により定義され、対向する側壁間に自由空間が存在する。例示的な実施例は、光ビームを受け取り、自身の自由空間を介して光ビームを伝達するように動作可能な第１の溝（１０４）と、第１の溝を介してルーティングされた光ビームを受け取り、光ビームの少なくとも一部を反射するように動作可能な角度のついた反射側壁（１０８）と、角度のついた反射側壁（１０８）から反射された光ビームの一部を受け取り、自身の自由空間を介して光ビームの一部をルーティングするように動作可能である第２の溝（１０６）とを具備する。【選択図】図１
2009187006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学台（１０２）であって、前記光学台（１０２）に形成された複数の溝（１０４、１０６）中の自由空間を介して光ビームを伝達するように動作可能であり、前記溝の各々は深掘りイオン反応性エッチングにより形成されて２つの対向する側壁により定義され、前記自由空間は前記対向する側壁の間にあり、
光ビームを受け取り、自身の中の自由空間を介して前記光ビームを伝達するように動作可能である第１の溝（１０４）と、
前記第１の溝を介してルーティングされた前記光ビームを受け取り、前記光ビームの少なくとも一部を反射するように動作可能である角度のついた反射側壁（１０８）と、
前記角度のついた反射側壁（１０８）から反射された前記光ビームの一部を受け取り、自身の中の自由空間を介して前記光ビームの一部をルーティングするように動作可能である第２の溝（１０６）と
を具備する光学台（１０２）。
【請求項２】
前記第１の溝（１０４）と実質的に整列された第３の溝（３０２）であって、前記角度のついた反射側壁（３０４）は前記第３の溝（３０２）と前記第１の溝（１０４）との間にある、第３の溝（３０２）と、
前記角度のついた反射側壁（３０４）上の誘電体コーティングであって、前記角度のついた反射側壁（３０４）が前記光ビームの第１の部分を前記第２の溝（１０６）へと反射し、前記角度のついた反射側壁は前記光ビームの第２の部分を前記第３の溝（３０２）へと伝達する、誘電体コーティングと
をさらに具備する請求項１記載の光学台（１０２）。
【請求項３】
前記光ビームは第１の光ビームであり、前記角度のついた反射側壁（１０８）は第１の外部側壁（３０４）及び前記第１の外部側壁（３０４）と実質的に平行な第２の外部側壁（３０８）により定義され、
前記第１の溝（１０４）と実質的に整列された第３の溝（４０６）であって、前記角度のついた反射側壁（３０４、３０８）は前記第３の溝（３０２）と前記第１の溝（１０４）との間にある、第３の溝（４０６）と、
前記第２の溝（１０８）と実質的に整列された第４の溝（４０２）であって、第２の光ビームを受け取るように動作可能であり、前記角度のついた反射側壁（３０８）は前記第４の溝（４０２）と前記第２の溝（１０８）との間にある、第４の溝（４０２）と、
前記第１の外部側壁（３０４）上の第１の誘電体コーティングであって、前記第１の外部側壁（３０４）は、前記の光ビームの第１の部分を前記第２の溝（１０８）へと反射し、前記第１の外部側壁は、前記第１の光ビームの第２の部分を前記第３の溝（３０２）へと伝達する、第１の誘電体コーティングと、
前記第２の外部側壁（３０８）上の第２の誘電体コーティングであって、前記第２の外部側壁（３０８）は、前記第２の光ビームの第１の部分を前記第３の溝（３０２）へと反射し、前記第２の角度のついた反射側壁（３０８）は、前記第２の光ビームの第２の部分を前記第２の溝（１０６）へと伝達する、第２の誘電体コーティングと
をさらに具備する請求項１記載の光学台（１０２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自由空間マイクロマシン光学台のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学系は、システムを通過する光の透過を制御するように動作可能な様々な光学素子を備えた光学台を使用する。そのような光学素子は、レンズ、全反射ミラー、部分反射ミラー及び／又は導波路を含んでもよい。全反射ミラー及び部分反射ミラーなど、いくつかの光学素子は、光学台に手動で置かれるか、あるいは「ピックアンドプレース」マシンにより光学台に配置される。その後、そのようなミラーは位置合わせされて所定の位置に固定される。
【０００３】
光学台に１つ又は複数のミラーを置き、位置合わせし、固定するプロセスは、比較的高価な時間のかかるプロセスである。デバイスがより小さくなるほど、光学台にミラーを置き、位置合わせし、固定することの難しさ及びコストはさらに増す。
【０００４】
導波路は光学デバイスを通って正確に光を送るために使用することができる。シリコンは光透過性であるので、導波路は製造プロセスの一部として光学台上に形成されてもよい。しかし、いくつかの応用例は、光が自由空間を介して伝送されることを要求する。自由空間はガスで満たされてもよいし、自由空間は真空であってもよい。従って、自由空間を介して伝送される光をルーティングすることは、全反射及び／又は部分反射ミラーを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、ＭＥＭＳ光学台において自由空間を介した光のルーティングを正確に制御することが望ましい。全反射及び／又は部分反射ミラーは、ＭＥＭＳ光学台を介した光のルーティングを正確に制御できるが、そのようなミラーの使用により深刻な不利益を被る、すなわち、特にミラーの手による位置合わせが必要な場合に、光学台にそのようなミラーを置き、位置合わせし、固定することは困難であり高価である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光学台に形成された溝内の自由空間を通して光を伝達するように動作可能な光学台を構築する方法が示される。例示的な実施例は、光ビームを受け取り、自身の自由空間を介して光ビームを伝達するように動作可能な第１の溝と、第１の溝を介してルーティングされた光ビームを受け取り、光ビームの少なくとも一部を反射するように動作可能な角度のついた反射側壁と、角度のついた反射側壁から反射された光ビームの一部を受け取り、自身の自由空間を介して光ビームの一部をルーティングするように動作可能な第２の溝とを有する。
【０００７】
本発明のさらなる側面によれば、例示的な実施例は、光学台を形成し、結晶基板台に溝をエッチングするプロセスによって製造され、当該溝は、互いとともに自由空間を形成する対向する側壁によって定義され、さらに、当該溝の自由空間を通って伝達される光を受け取るように動作可能な角度のついた反射側壁によって定義される。いくつかの実施例では、光学台は結晶基板台である。
【０００８】
好ましい代替的な実施例は、添付の図面を参照して以下に詳細に記述される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】２つの溝及び角度のついた反射側壁の例示的な実施例を備えた光ビーム反射器として動作可能な光学台の一部の平面図である。
【図２】図１の光学台における溝の実施例の断面図である。
【図３】３つの溝及び部分反射側壁の例示的な実施例を備えた光ビームスプリッタとして動作可能な光学台の一部の平面図である。
【図４】４つの溝及び部分反射側壁の例示的な実施例を備えた光ビーム結合器として動作可能な光学台の一部の平面図である。
【図５】溝及びＶ字溝側壁の例示的な実施例を備えた結晶基板光学台へ、あるいは当該光学台から、光ビームを反射するように動作可能な結晶基板光学台の一部の平面図である。
【図６】図５の溝及びＶ字溝の断面図である。
【図７】図５のＶ字溝の断面図である。
【図８】４つの溝、部分反射側壁及び角度のついた反射側壁の例示的な実施例を備えた並列の光ビーム生成器として動作可能な光学台の一部の平面図である。
【図９】カバーを備えた光学台の溝の実施例の断面図である。
【図１０】結晶基板光学台及びＶ字溝側壁を形成するためのマスク層パターンの一部の斜視分解立体図である。
【図１１】先に形成されたＶ字溝を備えた結晶基板光学台並びに２つの溝及び角度のついた反射側壁を形成するためのマスク層パターンの一部の斜視分解立体図である。
【図１２】溝、角度のついた反射側壁及び形成されたＶ字溝を備えた完成した光学台の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
光学台自由空間光ビーム・ルータの実施例は、光学台にエッチングされた側壁を備えた複数の溝の自由空間を通じて光ビームをルーティングする（導く）よう動作可能である。いくつかの実施例では、側壁は実質的に垂直である。複数の溝及び角度のついた反射側壁を形成するために深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が使用される。
【００１１】
図１は、２つの溝１０４、１０６及び角度のついた反射側壁１０８の例示的な実施例を備えた光ビーム反射器１００として動作可能な光学台１０２の一部の平面図である。光ビームはパス１１０に沿って第１の溝１０４を介してルーティングされる。光ビームが角度のついた反射側壁１０８に入射すると、光ビームは第２の溝１０６へ反射され、当該光ビームはパス１１２に沿ってルーティングされる。
【００１２】
図１では、第２の溝１０６は第１の溝１０４に垂直であるものとして描かれている。しかし、様々な実施例では、第１の溝１０４から第２の溝１０６へ光ビームを反射するために、角度のついた反射側壁１０８は任意の適切な位置で方向付けられてもよい。すなわち、光ビームは任意の所望の角度で反射されてもよく、従って、溝１０４及び１０６は互いに対して任意の所望の角度で方向付けられてもよい。
【００１３】
いくつかの実施例では、角度のついた反射側壁１０８の反射率を改善するために、角度のついた反射側壁１０８の反射面は集束イオンビームで研磨される。角度のついた反射側壁１０８の反射率をさらに改善し及び／又は制御するため、金属の層あるいは他の適切な反射材料が角度のついた反射側壁１０８の表面に加えられる。
【００１４】
図２は、図１の光学台１０２に形成された溝１０４の実施例の断面図である。側壁２０２及び２０４が実質的に垂直となるよう、溝１０４がエッチングされる。さらに、溝１０４の底面２０６は実質的に水平であってもよい。従って、溝１０４を通じてルーティングされた光ビーム２１０は側壁２０２、２０４及び底面２０６によって定義される自由空間を介して伝わる。エッチングのタイプ及び持続時間によって、溝１０４の底面の角は実質的に直角であってもよいしあるいは丸まっていてもよい。他の溝が同様に構成される。
【００１５】
図２は、さらに溝１０４を介して伝送された光ビーム２１０の断面図を説明する。光ビーム２１０の直径２１２が溝１０４の幅より小さいので、光ビーム２１０は、溝１０４の側壁２０２、２０４及び／又は底面２０６によって実質的に妨害されない。
【００１６】
上述の光学台１０２は任意の適切な材料から形成されてもよい。光学台１０２の適切な材料の例はガラス、プラスチック、結晶基板などを含んでいるがこれらに限定されない。いくつかの実施例では、光学台１０２の材料は、以下により詳しく記述されるように、材料の一部が光ビームを分割するために使用されるような場合に、溝１０４及び１０６を通じてルーティングされた光ビームの波長に対して透明（光透過性）である。光学台１０２が光透過性の材料で作られているような実施例において、反射材料のコーティングは角度のついた反射側壁１０８から光ビームを反射するために使用されてもよい。
【００１７】
どんな適切なエッチング技術も光学基板１０２に溝１０４及び１０６を形成するために使用できる。さらに、溝１０４及び１０６は図２において実質的に垂直な側壁をもって描かれている。しかし、光ビーム２１０が溝内の自由空間を通過するように、溝は任意の適切な形状をしていてもよい。いくつかの実施例では、光散乱が低減されるように、側壁２０２、２０４、底面２０６及び／又は角度のついた反射側壁１０８は、比較的滑らかであってもよい。例えば、角度のついた反射側壁１０８は、光ビーム２１０が溝１０４から溝１０６へ反射されるときに光散乱を低減するように、好ましくは滑らかである。壁は、（これに限定されないが）集束イオンビームによる照射など、様々な追加のプロセスを使用して、最初の形成の後にさらに滑らかにされてもよい。
【００１８】
図３は、３つの溝１０４、１０６及び３０２並びに部分反射する側壁３０４の例示的な実施例を備えた光ビームスプリッタ３００として動作可能な光学台１０２の一部の平面図である。ここで、溝３０２は溝１０４と同様に構成され、溝１０４と実質的に整列されてもよい。
【００１９】
光ビームが角度のついた部分反射側壁３０４に入射すると、光ビームの反射された部分がパス１１２に沿ってルーティングされるように、入射光ビームの第１の部分は第２の溝１０６へ反射される。側壁３０４が部分反射するに過ぎない（反射率１００％未満である）ので、入射光ビームの第２の部分は光学台１０２のベンチ部３０６を介して伝達される。伝達された光は、光ビームの第２の部分がパス３１０に沿って第３の溝３０２へルーティングされるように、側壁３０８の表面からベンチ部３０６を出る。いくつかの実施例では、側壁３０８の表面は、部分反射側壁３０４と同じ角度で配向されてもよい。光ビームがベンチ部３０６を介して伝わり、側壁３０８の表面を出るとき、ある程度のオフセット（図示されない）が光ビームに存在し得ることが認識される。
【００２０】
光学台１０２は、溝の自由空間を介して伝わる光ビームの周波数において光透過性である。従って、側壁３０４の反射率及び透過率をコントロールするために、部分反射側壁３０４は誘電材料などで覆われてもよい。したがって、誘電材料などの種類及び／又は量の選択は、部分反射側壁３０４から反射され、当該側壁を通して透過される光量を制御するために使用できる。
【００２１】
図４は、４つの溝１０４、１０６、３０２、４０２及び２つの部分反射側壁３０４、３０８の例示的な実施例を備えた光ビーム結合器４００として動作可能な光学台１０２の一部の平面図である。ここで、溝４０２は、溝１０６と同様に構成され、溝１０６と実質的に整列されてもよい。互いに実質的に平行な部分反射側壁３０４及び３０８を備えた光学台１０２のベンチ部３０６を形成するためにエッチングが使用される。あるいは、側壁３０４及び３０８の任意の適切な配向が使用されてもよい。上述のように、側壁３０４及び３０８を部分反射するようにするために誘電体コーティングなどが使用される。
【００２２】
パス１１０に沿って伝達する第１の光ビームが角度のついた部分反射側壁３０４に入射すると、入射した第１の光ビームの第１の部分は第２の溝１０６へ反射されて、第１の光ビームの反射された部分がパス１１２に沿ってルーティングされる。側壁３０４は部分反射するに過ぎない（反射率１００％未満である）ので、入射した第１の光ビームの第２の部分は光学台１０２の部分４０４を通じて伝達される。伝達された光は、部分反射側壁３０８からベンチ部４０４を出て、第１の光ビームの第２の部分はパス３１０に沿って第３の溝３０２へルーティングされる。
【００２３】
パス４０４に沿って伝達する第２の光ビームが角度のついた部分反射側壁３０８に入射すると、入射した第２の光ビームの第１の部分は第３の溝３０２へ反射されて、第２の光ビームの反射された部分がパス４０６に沿ってルーティングされる。従って、第１の光ビームの第２の部分及び第２の光ビームの第１の部分は、第３の溝３０２を下ってともにルーティングされ、したがって、有効に結合される。
【００２４】
側壁３０４は部分反射するに過ぎない（反射率１００％未満である）ので、入射した第２の光ビームの第２の部分は光学台１０２の部分３０６へと伝達される。伝達された光は、部分反射側壁３０４からベンチ部３０６を出て、第２の光ビームの第２の部分はパス４０８に沿って第２の溝１０６へルーティングされる。従って、第１の光ビームの第１の部分及び第２の光ビームの第２の部分は、第２の溝１０６を下ってともにルーティングされ、したがって、有効に結合される。
【００２５】
上述のように、光学台１０２は、溝の自由空間を介して伝わる光ビームの周波数において光透過性である。従って、側壁３０４、３０８の反射率及び透過率をコントロールするために、部分反射側壁３０４、３０８は誘電材料などで覆われてもよい。したがって、誘電材料などの種類及び／又は量の選択は、部分反射側壁３０４、３０８から反射され、当該側壁を通して伝達される光量を制御するために使用できる。異なる量及び／又は種類の誘電材料は、第１の光ビーム及び第２の光ビームをそれぞれの部分へ異なったように分割するために部分反射側壁３０４、３０８に対して使用されてもよい。
【００２６】
図５は、溝５０２及びＶ字溝５０６のＶ字溝側壁５０４を備えた光学台１０２の一部の簡略化された概念平面図である。Ｖ字溝側壁５０４は、光学台１０２へあるいは光学台から光ビームを反射するように動作可能である。図６は、図５の自由空間溝５０２及びＶ字溝５０６の平面６−６‘に沿った簡略化された概念断面図である。図７は、図５のＶ字溝５０６の平面７−７‘に沿った簡略化された概念断面図である。この実施例では、Ｖ字溝５０６のエッチングを容易にするために、光学台１０２は好ましくは結晶基板で構成される。
【００２７】
２つの側壁５０４及び５０８を備えたＶ字溝５０６は、（１１１）ミラー指数で定義される（がこれに制限されない）結晶面などの結晶構造の選択された平面に沿った結晶基板光学台１０２の異方性エッチングによって光学台１０２にエッチングされる。エッチングマスクは、Ｖ字溝５０６をエッチングするために使用されるマスクパターンに沿った正確な幅を使用する。Ｖ字溝５０６は、溝５０２の長さ方向に実質的に垂直である。
【００２８】
パス５１０に沿って伝達する光ビームはＶ字溝側壁５０４に入射する。Ｖ字溝側壁５０４の角度は、パス５１２に沿って結晶基板光学台１０２の外へ入射光ビームを反射させる。反対に、結晶基板光学台１０２に向かってパス５１２に沿って伝達する光ビームがＶ字溝側壁５０４に入射する。Ｖ字溝側壁５０４の角度により、パス５１０に沿って結晶基板光学台１０２の溝５０２へと入射光ビームを反射する。（１１１）平面に沿ったＶ字溝側壁５０４の例示的な角度は、ほぼ５４．７°である。
【００２９】
いくつかの実施例では、Ｖ字溝側壁５０４の反射面は受容できる水準の散乱で光ビームを反射するのに十分に滑らかである。Ｖ字溝側壁５０４の光散乱をさらに低減し及び／又は反射率を制御するため、金属の層あるいは他の適切な反射材料がＶ字溝側壁５０４の表面に加えられてもよい。
【００３０】
図８は、並列の光ビーム生成器８００として動作可能な光学台１０２の一部の平面図である。この例示的な実施例には４つの溝１０４、１０６、３０２及び８０２、部分反射する側壁３０４及び角度のついた反射側壁１０８がある。図３に関して上に述べたように、光ビームが角度のついた部分反射側壁３０４に入射すると、入射した光ビームの第１の部分は第２の溝１０６へ反射されて、光ビームの反射された部分がパス１１２に沿ってルーティングされる。側壁３０４が部分反射するに過ぎない（反射率１００％未満である）ので、入射光ビームの第２の部分は光学台１０２のベンチ部３０６を介して伝達される。伝達された光は、光ビームの第２の部分がパス３１０に沿って第３の溝３０２へルーティングされるように、側壁３０８の表面からベンチ部３０６を出る。
【００３１】
光ビームの第２の部分が角度のついた反射側壁１０８に入射すると、光ビームの第２の部分は第４の溝８０２へ反射され、当該光ビームの部分がパス８０４に沿ってルーティングされる。この例示的な実施例では、分割されたビームの第２の部分が分割されたビームの第１の部分の伝達方向と実質的に平行な方向で伝達するように、第４の溝８０２は第２の溝１０６と実質的に平行である。他の実施例では、溝１０６及び８０２は平行ではなく、従って、分割されたビームの第１と第２の部分の方向は異なる。
【００３２】
図９は、カバー９０２を備えた光学台１０２の溝１０４の実施例の断面図である。カバー９０２は光学台１０２の上側面９０４に密閉されてもよい。密閉が気密の場合、側壁２０２、２０４及び底壁２０６の間の自由空間は真空でもよいしガスで満たされてもよい。
【００３３】
図１０は、２つの溝１０４、１０６及び角度のついた反射側壁１０８及び第１のマスク層パターン１００２の例示的な実施例が形成される、結晶基板光学台１０２の一部の斜視分解立体図である。マスク層パターン１００４は、光学台１０２へあるいは光学台１０２から光ビームを反射するように動作可能な上記のＶ字溝５０６（図５）をエッチングするために最初に使用される。好ましくは、Ｖ字溝５０６は、ウェットエッチング工程を使用してエッチングされる。従って、マスク層パターン１００４はＶ字溝５０６に対応する。マスク層パターン１００２が任意の適切な工程を使用して光学台１０２の上に形成されることが理解される。
【００３４】
図１１は、結晶基板ベンチ１０２及びマスク層パターン１１０２の一部の斜視分解立体図である。マスク層パターン１１０４は、ＤＲＩＥプロセスを使用して、２つの溝１０４、１０６及び角度のついた反射側壁１０８（図１）の上述の例示的な実施例をエッチングするために使用される。マスク層パターン１１０２はその上にマスクパターン１１０４を有する。マスクパターン１１０４の部分１１０６は第１の溝１０４を形成する。マスクパターン１１０４の部分１１０８は第２の溝１０６を形成する。マスク層パターン１１０４の部分１１１０は角度のついた反射側壁１０８を形成する。マスク層パターン１１０２が任意の適切なプロセスを使用して、光学台１０２の上に形成されることが理解される。
【００３５】
図１２は、溝１０４、１０６、角度のついた反射側壁１０８及びＶ字溝５０６が形成された完成した光学台１０２の斜視図である。従って、光ビームは、溝１０４及び１０６の自由空間を介してルーティングされ、Ｖ字溝５０６を介して出入りすることができる。
【００３６】
当業者であれば、自由空間を介して光ビームをルーティングするために非常に複雑で正確なパスを形成すべく光学台をエッチングするために、非常に複雑で正確なマスクパターンが使用され得ることを理解するであろう。上述の実施例は、単独で又は組み合わせて、光学台１０２の使用に依存する任意の所望のパスに沿って、光ビーム及び／又はその一部をルーティングするために使用できる。
【図１】
2009187006.tif 000003
【図２】
2009187006.tif 000004
【図３】
2009187006.tif 000005
【図４】
2009187006.tif 000006
【図５】
2009187006.tif 000007
【図６】
2009187006.tif 000008
【図７】
2009187006.tif 000009
【図８】
2009187006.tif 000010
【図９】
2009187006.tif 000011
【図１０】
2009187006.tif 000012
【図１１】
2009187006.tif 000013
【図１２】
2009187006.tif 000014
【外国語明細書】
2009187006000001.pdf