CN1620626A - 光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置 - Google Patents

光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置 Download PDF

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横山和夫
浅井胜彦
入江庸介
青木新一郎
野村幸治
森仲克也
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Abstract

由反射元件(1)、薄膜压电体(3)、电极(4a、4b、4c)、弹性体(5)构成的压电元件(2)在基板(7)上构成，通过在电极上外加电压，薄膜压电体挠曲变形，驱动反射元件。压电元件沿其长度方向(8)平行地配置多个，在与该长度方向垂直的方向上设置扭转弹簧(6)，将反射元件连接保持在基板上。并且，反射元件通过应变吸收部(10)与压电元件连接。根据这种构成，以扭转弹簧为旋转轴(9)，绕该旋转轴倾斜反射元件。

Description

光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置
技术领域
本发明涉及光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置，尤其涉及具有驱动反射元件的执行机构的光学开关以及使用该开关的信息传送装置。
背景技术
近年来，使用光的信息传送装置随着频分多址等传送高速化技术的发展，而成为实现互联网的宽带化、使高速大容量的信息通信成为可能的关键装置。
并且，为了高效率地连接光通信网，具有光信号水平的交换机的功能和光学衰减器功能的各种光学开关成为不可缺少的装置。
此前，光通信网特别以基础系统为中心得到了发展，但是今后，在以地方城市、地域住宅区为单位的、更加接近家庭的终端，该光学开关也会益发需要。
这样，要在光通信网中进一步广泛普及光学开关，希望有确保-60dB左右的插入损失和开关时间等基本性能、同时能够以比以前更简单的构成便宜地制造的光学开关。
作为现有的光学开关的示例，在“MOEMS97，Technical Digest(1997，p165～p170)”中，公开了一种将输入信号的光纤利用电磁驱动转换到输出信号的光纤的光学开关。这种形式的光学开关具有如下的缺点，即需要驱动光纤自身的比较大的质量，在转换时间的缩短方面有局限，并且需要用于电磁驱动的大电流。
同样，作为现有的光学开关的示例，在“MOEMS97，Technical Digest(1997，p238～p242)”中，公开了一种将波导的一部分用油充满，通过使该油移动、或利用加热而产生气泡，来转换光路的形式的光学开关。这种形式的光学开关具有如下的缺点，即通过反射表面的油的有无来控制反射表面的反射率，从而插入损失相对较大。
并且，在“MOEMS97，Technical Digest(1997，p233～p237)”中，公开了一种利用静电驱动型的反射镜转换光路的形式的光学开关。这种形式的光学开关具有如下的缺点，即由于静电驱动一般需要高电压，而且为了获得较大的驱动力，需要微米单位的静电间隙，所以其制造中需要微细加工。
并且，已有的光学开关的现有技术文献中，未公开本发明的“利用薄膜压电体压电驱动的光学开关”。
如上所述，为了进一步广泛普及光学开关，实现一种能够在确保插入损失和开关时间等基本性能的同时，减少驱动电力，并且能够以简便的构成便宜地制造的光学开关是一个很重要的课题。而且，也需要以紧凑的构成转换多个光传送线路。
因而，在特开2000-339725号公报中，公开了一种如下的结构，即如图10所示，在基板121上，在硅板的中央部配置正多边形的微小反射镜122，沿着该反射镜122的各边配置悬臂梁123，在固定该悬臂梁123的一端的同时，将另一端安装在反射镜122的边的一端，在悬臂梁123的表面或者内部，沿悬臂梁123的长度方向形成压电构件，在全部的压电构件上施加相同的电压而使悬臂梁123的前端部弯曲，利用这一现象使反射镜122平移。并且，124是压电物质。
而且，在特开2001-033713号公报上，公开了一种如下的结构，即如图11所示，从光源产生的光被相对于光而在基板101上45度倾斜、且向该45度的方向平移的反射镜106反射，该反射镜106的平移将反射镜106放置到正方形的支撑体104上，在该支撑体104的各边上，悬臂梁103以其前端部支撑支撑体104，在悬臂梁103的表面上配置压电体105，通过向压电体105外加电压，使压电体105位移，进而使悬臂梁103位移，并使反射镜106平移。
但是，在上述2个公报中，在反射镜105、122周围的4个悬臂梁103、123上分别产生挠曲力，保持这4个挠曲力的平衡并平移反射镜105、122很困难，很容易造成平移控制不稳定，而且由于4个悬臂梁103、123点对称配置，所以4个悬臂梁103、123的挠曲力一旦失去平衡，则也有可能马上产生旋转力。为了尽量防止这种情况，而有需要在从反射镜106、122的中心扩展数微米的范围内入射光，反射镜106、122实际上可使用的面积微小的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置，该光学开关可以对应于高速大容量化的光通信网的扩大，可以高速、高精度地转换且可以进行低电压低电力的驱动，并且装置本身紧凑，制造容易，具有实用水平的具体构成，能够稳定地进行转换控制，并且实际上可使用的面积大。
本发明为了实现上述目的而如下构成。
根据本发明的第1形态，提供一种光学开关，包括反射来自入射侧光传送线路的光的反射元件和驱动上述反射元件的执行机构，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路，上述执行机构由包括薄膜压电体、外加用于驱动上述薄膜压电体的电压的电极、和具有上述薄膜压电体及上述电极的弹性体的压电元件构成，并且，夹着上述反射元件对向的压电元件的长度方向平行，通过由向上述电极外加电压而导致的上述薄膜压电体的挠曲变形，驱动上述反射元件。
根据本发明的第2形态，提供一种第1形态所述的光学开关，上述反射元件在与上述薄膜压电体平行的面上设置着反射面，上述执行机构使上述反射元件从平行于上述薄膜压电体的面倾斜。
根据本发明的第3形态，提供一种第2形态所述的光学开关，上述执行机构由在长度方向上平行配置的多个压电元件构成，通过利用与上述长度方向垂直配置的扭转弹簧保持上述反射元件，在以上述扭转弹簧为旋转轴的旋转方向上倾斜上述反射镜。
根据本发明的第4形态，提供一种第2形态所述的光学开关，上述执行机构由两端被固定端支撑、在长度方向上平行配置的至少多个压电元件构成，(为了提高绕曲变形的效率)在上述压电元件的长度方向的一部分上配置沿上述长度方向的应变吸收部。
根据本发明的第5形态，提供一种第1形态所述的光学开关，上述执行机构由多个压电元件构成，并且各压电元件被分割成多个电极，通过在各电极上外加不同的电压，使上述薄膜压电体以不同的曲率挠曲变形。
根据本发明的第6形态，提供一种第1形态所述的光学开关，构成上述压电元件的上述弹性体，至少包含构成绝缘体硅结构基板的薄膜硅或者硅氧化膜。
根据本发明的第7形态，提供一种第1形态所述的光学开关，上述反射元件在上述薄膜压电体的法线方向上设置着反射面，上述执行机构向上述薄膜压电体的法线方向驱动上述反射元件。
根据本发明的第8形态，提供一种第7形态所述的光学开关，上述执行机构由两端被固定端支撑、在长度方向上平行配置的至少多个压电元件构成，(为了提高绕曲变形的变形效率)在上述压电元件的长度方向的一部分上构成长度方向的应变吸收部。
根据本发明的第9形态，提供一种第2或第7形态所述的光学开关，上述执行机构由两端被固定端支撑、在长度方向上平行配置的至少多个压电元件构成，(为了提高绕曲变形的变形效率)构成以与上述压电元件的挠曲曲率相反的曲率挠曲的低弯曲刚性部。
根据本发明的第10形态，提供一种第2或第7形态所述的光学开关，上述执行机构具有使上述反射元件平行移动后保持在规定位置的反射元件保持装置。
根据本发明的第11形态，提供一种第2或第7形态所述的光学开关，上述反射元件保持装置是利用薄膜压电体的驱动之外的静电驱动保持上述反射元件或者机械保持上述反射元件的装置，在保持上述反射元件时，解除向薄膜压电体外加电压。
根据本发明的第12形态，提供一种光学开关的制造方法，该光学开关包括反射来自入射侧光传送线路的光的反射元件和驱动上述反射元件的执行机构，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路，上述执行机构，通过将在基板上形成的薄膜压电体复制到其它基板上来制造压电元件。
根据本发明的第13形态，提供一种光学开关的制造方法，该光学开关包括反射来自入射侧光传送线路的光的反射元件和驱动上述反射元件的执行机构，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路，上述执行机构，通过将薄膜压电体在基板上直接成膜来制造压电元件。
根据本发明的第14形态，提供一种第13形态所述的光学开关的制造方法，上述成膜薄膜压电体的基板是绝缘体硅结构基板。
根据本发明的第15形态，提供一种使用光学开关的信息传送装置，其中上述光学开关包括反射来自入射侧光传送线路的光的反射元件和驱动上述反射元件的执行机构，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路，上述执行机构由包括薄膜压电体、外加用于驱动上述薄膜压电体的电压的电极、和具有上述薄膜压电体及上述电极的弹性体的压电元件构成，并且，夹着上述反射元件对向的压电元件的长度方向平行，通过由向上述电极外加电压而导致的上述薄膜压电体的挠曲变形，驱动上述反射元件。
根据本发明的第16形态，提供一种第15形态所述的信息传送装置，上述反射元件在与上述薄膜压电体平行的面上设置着反射面，上述执行机构使上述反射元件从平行于上述薄膜压电体的面倾斜，从而通过控制反射面的反射角度来转换配置在上述薄膜的大致法线面的多个光传送线路。
根据本发明的第17形态，提供一种第15形态所述的信息传送装置，上述反射元件在上述薄膜压电体的法线方向上设置着反射面，上述执行机构向上述薄膜压电体的法线方向驱动上述反射元件，从而在平行配置在上述薄膜的面内的多个光传送线路中插入上述反射元件，转换传送线路。
根据本发明的第18形态，提供一种第16或第17形态所述的信息传送装置，上述执行机构由在长度方向上平行配置的多个压电元件的列构成，上述多个光传送线路与上述多个压电元件的列对应配置。
附图说明
本发明的上述及其它目的和特征，可通过与有关附图的优选实施方式相关联的下面的叙述而明确。附图中，
图1A是本发明的实施方式1的光学开关的立体图(为了容易理解，电极部分用剖面线表示)；
图1B是本发明的上述实施方式1的变形例的光学开关的立体图(为了容易理解，电极部分用剖面线表示)；
图1C、图1D、图1E分别是本发明的上述实施方式1的各种变形例的光学开关的应变吸收部的放大俯视图(为了容易理解，应变吸收部用剖面线表示)；
图2A是表示本发明的上述实施方式1的光学开关的一部分的剖视图；
图2B、图2C分别是表示本发明的上述实施方式1的光学开关的电极4a-电极4c之间、以及电极4b-电极4c之间的电压和时间的关系的曲线图；
图3是说明本发明的上述实施方式1的光学开关的光传送线路的转换原理的剖视图；
图4A、图4B分别是表示本发明的实施方式1的反射镜端位移和频率的关系的频率响应特性的曲线图；
图5A是本发明的实施方式2的光学开关的立体图(为了容易理解，电极部分用剖面线表示)；
图5B是本发明的上述实施方式2的变形例的光学开关的立体图(为了容易理解，电极部分用剖面线表示)；
图5C、图5D、图5E、图5F分别是本发明的上述实施方式2的各种变形例的光学开关的低弯曲刚性部的放大俯视图(为了容易理解，低弯曲刚性部用剖面线表示)；
图6A、图6B分别是表示本发明的上述实施方式2的光学开关和传送线路的俯视图和侧视图(为了容易理解，电极部分用剖面线表示)；
图7A、图7B分别是本发明的实施方式3的信息传送装置的俯视图和侧视图；
图8A、图8B、图8C分别是用于说明实施方式1的光学开关的制造方法的工序图；
图9A、图9B、图9C分别是用于说明在实施方式1的光学开关的制造方法中，使用绝缘体硅结构(SOI)基板的情况下的制造工艺的工序图；
图10是表示以前的微反射镜装置的各种的立体图；
图11是表示以前的微反射镜装置的各种的立体图。
具体实施方式
在继续本发明的记述之前，在附图中对于相同的部件赋予相同的附图标记。
(实施方式1)
图1A是本发明的实施方式1的光学开关的立体图，图1B是本发明的实施方式1的变形例的光学开关的立体图。图2A是表示本发明的上述实施方式1的光学开关的一部分的剖视图。
在基板7上，通过反射元件1、在反射元件1的两侧相对于旋转轴9线对称地配置的薄膜压电体3、在各薄膜压电体3的上面的反射元件侧配置的第1上部电极4a、在各薄膜压电体3的上面的反射元件相反侧离开第1上部电极4a而配置的第2上部电极4b、在各薄膜压电体3的下面配置的下部电极4c、和在下部电极4c的下面配置于基板7上的弹性体5，在反射元件1的两侧线对称地构成压电元件2，通过闭合电路的开关91，将电源90的电压外加到第1及第2上部电极4a、4b和下部电极4c上，从而薄膜压电体3挠曲变形，反射元件1绕旋转轴9旋转驱动。压电元件2在图1A的基板7上、换言之、与压电元件2的长度方向8平行地隔开间隙配置着一对，在与该长度方向8垂直的方向上设置着扭转弹簧6，利用扭转弹簧6将反射元件1连接保持在基板7上。并且，反射元件1利用应变吸收部10与各压电元件2连接。
并且，优选在压电体3上形成的第1上部电极4a，从第2上部电极4b侧看，配置在朝向反射元件1而到达压电体3的拐点附近的位置。即这是因为，即使越过拐点配置电极，也会有产生挠曲动作不稳定等较坏的影响的可能性。特别是，在以前的2份公报中，由于越过拐点配置电极，所以挠曲动作容易变得不稳定，难于进行高精度的驱动控制。
在薄膜压电体3上，形成有分割成2部分的上部电极4a及4b和下部电极4c，薄膜压电体3在其膜厚方向上极化。其理由为，假如象以前的2份公报那样，在薄膜压电体3上由1个电极构成上部电极，则不能控制反射元件侧的部分和反射元件的相反侧部分的挠曲方向相反的拐点的位置，挠曲动作变得不稳定。针对这一点，分割成第1上部电极4a和第2上部电极4b，并且使电极4c为中间电位，在电极4a和4b上外加不同的电压，从而能够在电极4a和电极4b上产生相反的曲率的挠曲变形，能够高精度地控制拐点的位置，能够使挠曲动作稳定。其结果，倾斜方向稳定，所以可以实现高速高精度的转换，响应性良好。
而且，优选反射元件1的平面度为向反射元件1入射的光的波长λ的(1/100)λ～(1/1000)λ。
根据该构成，构成以扭转弹簧6为旋转轴9，利用压电元件2驱动，使反射元件1绕该旋转轴9倾斜的执行机构。通过利用扭转弹簧6固定反射元件1的旋转轴9，能够实现高精度且相对于外部干扰稳定的反射元件1的驱动。
在图2A的剖视图中，说明该压电元件2的驱动动作原理。
在薄膜压电体3上，形成有分割成2部分的上部电极4a及4b和下部电极4c，薄膜压电体3在其膜厚方向上极化。
通过在夹着薄膜压电体3对向的电极间(电极4a-电极4c间、电极4b-电极4c间)外加电压，在薄膜压电体3的面内产生对应于压电常数d31的应变，另外，弹性体5不由于该外加电压而产生应变，所以在由压电体3、电极4a、4b、4c以及弹性体5构成的压电元件2上产生挠曲变形。
通过使电极4c为中间电位，并在电极4a及4b上外加不同的电压，在电极4a和电极4b上产生相反曲率的挠曲变形。其结果，能够以保持反射元件1的扭转弹簧6为旋转轴9，高效率地倾斜反射元件1。
图2B～图2C是向电极4a和电极4b外加反相电压的说明图。图2B表示在上部电极4a-下部电极4c之间外加交变电压时的电压波形。图2C表示在上部电极4b-下部电极4c之间外加与之反相的交变电压时的电压波形。其结果，能够在上部电极4a和上部电极4b上产生相反的曲率的挠曲变形，高效率地倾斜反射元件1。
由于在构造上，压电元件2的固定端和扭转弹簧6的距离固定，所以随着压电元件2这样挠曲变形，会产生束缚该压电元件2的长度方向的应变或者位移的倾向，对高效率地倾斜反射元件1造成障碍。作为缓和该束缚的手段，将减弱压电元件2的长度方向的刚性的构造的应变吸收部10设置在压电元件2和反射元件1之间。由此，与上述多分割电极构成的效果相加，能够高效率地倾斜反射元件1。
并且，虽然在图1A的实施方式1中，压电元件2为沿其长度方向8平行分割成2部分的构成，但这是由于随压电元件2的应变而产生的弯曲不仅在其长度方向8、而且还在其宽度方向产生，为了避免该宽度方向的弯曲阻碍长度方向的挠曲变形，而采用了这种构成。在压电元件2的长度方向8的长度比宽度方向的尺寸大很多的情况下，如图1B所示，也可以不必分割成2部分。
即，如图1B所示，压电元件2也可以沿着其长度方向8配置1个。图1B是在图1A的构造中不设置槽15，不将压电元件2分割的简易的构成。与图1A的情况相比较，图1B的光学开关中，由于与压电元件2的长度方向8垂直的宽度方向的挠曲的影响，产生的位移减小，但是因为压电元件2的刚性变大，所以能够构成共振频率高的构造，能够得到高速响应性优良的结构。图1C～图1E是表示应变吸收部10的不同的形态的各种变形例的局部俯视图。图1C是与图1A所示的应变吸收部10相同形状的结构，即应变吸收部10是将英文字母“H”的两侧分别弯曲成大致C字形和大致反C字形的结构。与之相应，图1D是应变吸收部10D仅在应变吸收部10的中央部连接压电元件2的结构。在图1D的情况下，由于与图1C相比较，应变吸收部10D的长度方向8的方向的刚性大，故反射元件1的驱动角度变小，但能够构成共振频率高的构造，高速响应性优良。并且，图1E表示应变吸收部10的其它构成例，是将应变吸收部10E在反射元件1和压电元件2的不同的端部相互连接的构成。例如，在图1E中，用两端钩形状部连接左侧的压电元件2的下端部和反射元件1的上侧的端部的同时，用两端钩形状部连接反射元件1的下侧的端部和右侧的压电元件2的上端部。在该构造中，使应变吸收部10E的较细的梁部在与压电元件2的长度方向8垂直的方向上较长，所以能够以比较小的空间减小长度方向8的方向的刚性，能够扩大反射元件1的驱动角度。
关于电极4a、4b、4c的配线构造，虽然没有图示，但是向接近于分割成2部分的上部电极的可动部(即与反射元件1近的)第1上部电极4a的配线，可以采用通过该应变吸收部10、10D、10E及扭转弹簧6而向基板7的周边引出的构造。
图3是说明本发明的实施方式1的光学开关的光传送线路的转换原理的剖视图。出射到光传送线路11a的光束12a，入射到反射元件1的反射面1a并由反射面1a反射。被压电元件2驱动而旋转倾斜的反射面1a处于图3所示的倾斜位置时，该光束12a沿箭头12b的方向被反射面1a反射并入射到光传送线路11b。在反射面向相反方向旋转倾斜的位置，入射到光传送线路11c。这样，通过利用压电元件2驱动控制反射元件1的旋转角度，能够将输入光输出到不同的光传送线路。在光传送线路为折射率倾斜型的光纤的情况下，入射光束以被一定程度上校准的状态入射到输出用光纤中。在从光学开关的构成出发，需要延长该到达距离的情况下，虽然没有图示，但是可以根据需要在光纤的入射出射端设置校准透镜。
图4A、图4B是表示本发明的实施方式1的光学开关的频率响应特性的一例的曲线图。图4A、图4B表示对图1A所示的构造的光学执行机构分析计算出的光学开关的频率特性。压电常数为由成膜的薄膜压电体(PZT制薄膜压电体)测定的压电薄膜的压电常数d31＝-100×10-12m/V，薄膜压电体的尺寸为长度2mm、宽度0.8mm、厚度3μm，电极长度为可动端侧4a的长度为0.6mm、固定端侧4b的长度为1.2mm。使用铝薄板作为弹性体5，其厚度为6μm，扭转弹簧6和应变吸收部10都是与弹性体5连续的构造，其厚度为6μm、宽度为50μm。基板7是采用硅基板，并将该基板7的一部分蚀刻加工而残留反射元件2的构造，其尺寸为0.5mm×0.5mm、厚度0.2mm，整体尺寸为长度6mm、宽度3mm、厚度0.2mm。
因为电极的刚性和其它构件相比很小，所以在分析计算过程中从计算模型中去除，并利用有限元法进行计算，知道了通过外加±15V的电压，能够将反射元件1绕旋转轴倾斜±2.9度。本实施方式的执行机构，由于使用作为压电体成膜的数微米膜厚的薄膜压电体，所以尽管外加电压低，也能够使在压电体内产生的电场强度很大，能够以低电压高效率地产生位移。
并且，通过该模拟计算知道了，可动端侧的电极4a的长度La和固定端侧的电极4b的长度Lb的比为前述的计算例时的1∶2时，能够效率最高地倾斜反射元件1。至少使固定端侧的电极4b的长度Lb比可动端侧的电极4a的长度La长，比较好。同样地，在没有应变吸收部10的构造中，计算的反射元件1的角度大幅度减小，所以印证了这种应变吸收部10高效率地倾斜反射元件1的效果很大。
图4的上方的曲线图，横轴表示驱动频率，纵轴表示随着反射元件的旋转轴的倾斜而导致的反射元件端的位移，下方的曲线图，横轴表示驱动频率，纵轴表示上述反射镜位移相对于驱动频率的相位。主共振频率为2.7KHz，在较其低的频率下，无相位偏移地响应，由此知道了该光学开关的转换时间是至少1msec以下的高速动作的情况。
下面，说明上述实施方式1的光学开关的制造方法。
作为实施方式1的光学开关的制造方法，大致可以采用2种方法。第1种方法是将在基板上形成的薄膜压电体复制到其它基板上的制造方法。图8A～图8C表示说明该制造工艺的工序的剖视图。在图8A的基板30上蒸镀、图案化电极4a后，在基板30的电极4a上，同样蒸镀、图案化压电薄膜3。在该制造方法中，在利用溅射蒸镀进行对薄膜压电体的压电常数等材料特性有利的基板材料、例如PZT(锆钛酸铅)的成膜时，在PZT的外延生长中使用MgO基板、并且使用Pt作为基底层，则能够得到具有优良的压电特性的PZT膜。这时，Pt基底层以原状态构成电极4a。将该薄膜压电体作为弹性体5，例如通过粘结性的复制层31复制在不锈钢薄板上(图8B)，之后除去该成膜基板，从而能够形成上述构成的光学开关(图8C)。
第2种方法是在基板上直接成膜薄膜压电体的制造方法。这种情况下，为了得到薄膜压电体的良好的压电特性，其基底的构成材料的选择受到限制，但是由于不需要复制工艺，所以制造方法简单。例如，在实施方式1的图2A的剖视图中，薄膜压电体3通过电极4c在弹性体5的上面构成，但是作为该弹性体，在上述计算分析所使用的铝上形成特性优良的压电薄膜，一般很难。在采用直接成膜法的情况下，可以采用如下的方法，即，例如在基板的Si上形成基底缓冲层后，对电极和薄膜压电体进行成膜，然后在其上形成弹性体层后，除去压电元件下部的Si基板。这时的光学开关的截面构成当然不一定是图2所示的构成。作为薄膜压电体的成膜法，除上述的溅射法之外，也可以采用溶胶凝胶法。
在Si上直接成膜薄膜压电体的情况下，采用绝缘体硅结构(SOI)基板，则能够将构成该SOI基板的硅薄膜作为弹性体而残留下来，故较好。图9A～图9C是在使用该绝缘体硅结构(SOI)基板的情况下的制造工艺的说明图。在图9A中，绝缘体硅结构基板32由在硅33上以绝缘体(硅氧化膜)34为基底层并在其上形成的硅薄膜35构成。使用该SOI基板32作为基板，在其上作为电极4b蒸镀Pt后，将之作为基底层并在其上蒸镀、图案化PZT，形成薄膜压电体3。然后，如图9B所示，蚀刻除去硅33和作为绝缘体的硅氧化膜34，最后，如图9C所示蒸镀、图案化电极4a，形成压电元件。
在此，通过利用硅薄膜35和作为硅薄膜的基底层的硅氧化膜34的蚀刻选择性，能够残留均匀的厚度的硅薄膜层35，所以能够形成为获得压电元件的挠曲变形效率而所希望的均匀且较低的弯曲刚性的弹性体层35。
虽然对作为该弹性体而仅残留构成SOI基板的硅薄膜的示例进行了说明，但是同时残留硅薄膜和硅氧化膜是另一种选择。在这种情况下，能够通过干性蚀刻的时间控制形成这种构成的压电元件。并且，通过改变成膜时的剂量气体气氛条件等工艺条件，能够控制在这些薄膜中残留的内部应力，能够通过保持与薄膜压电体的内部应力的平衡来确保压电元件的形状精度。
(实施方式2)
图5A是本发明的实施方式2的光学开关的立体图。在该实施方式2中，沿着薄膜压电体的构成面即基板面的图5A的法线方向设置反射面1b，并且向上述基板面的法线方向驱动反射元件1A。各构成要素基本上都和作为实施方式1的详细说明而叙述过的图1A相同，对于相同的构成要素赋予相同的标记。构成压电元件2的薄膜压电体3、电极4及弹性体5为与实施方式1相同的构成，在此省略其图示。电极4与实施方式1同样由2个上部电极4a、4b构成，这里为了简化而图示为1个电极，实际上如图1A那样构成。但是，电极4也可以为了简化而仅由以相同曲率弯曲的部分构成。在这样简化了的构成中，反射元件1A的被驱动的位移一般会变小，但是除设置应变吸收部10的构成之外，为了对其进行弥补，在以与压电元件2的挠曲曲率相反的曲率的挠曲的部分构成有低弯曲刚性部13。该低弯曲刚性部13，具体而言，通过使弹性体的形状构成从电极侧即固定端侧向搭载反射元件1A的可动端侧逐渐变细的形状，逐渐减小面积，使之高效率地产生相反曲率的弯曲，其结果能够同时兼顾电极构成的简化、和较高的位移效率。并且，在压电元件2的中央沿着其长度方向8设置槽15，是为了减轻压电元件2的宽度方向的挠曲变形，提高长度方向8的挠曲变形的效率。
图5B是在图5A所示的构造中不设置槽15，不分割压电元件2的简易的构成。与图5A的情况相比较，图5B的光学开关中，由于与压电元件2的长度方向8垂直的宽度方向的挠曲的影响，产生的位移减小，但是因为压电元件2的刚性变大，所以能够构成共振频率高的构造，能够得到高速响应性优良的结构。
图5C～图5F是表示低弯曲刚性部13的不同形态的各种变形例的局部俯视图。图5C是与图5A所示的低弯曲刚性部13相同形状的结构，即低弯曲刚性部13在与压电元件2大致相同宽度的带状部分的中央，形成从反射元件侧向电极侧逐渐变细的大致三角形状的贯通口13f，逐渐缩小面积。与之相应，图5D将低弯曲刚性部13D的形状形成为宽度比压电元件2的宽度大幅度减小、且宽度均匀的双支撑梁，并在压电元件2和应变吸收部49之间的宽度方向中央部沿着长度方向8配置。在图5D的情况下，长度方向8周围的形状刚性减小，但设置应变吸收部49的空间增加，该低弯曲刚性部13D所处的部分的低刚性化容易实现。并且，图5E表示低弯曲刚性部13E的其它构成例，将低弯曲刚性部13E形成为其宽度随着离开压电元件侧而变小的锥形的构成。这种锥形的梁，具有梁内部的应力和应变在其长度方向8上均匀的效果，在材料强度方面比较理想。并且，图5F表示使图5D中配置在反射元件1A的两侧的一对低弯曲刚性部13a和13b的刚性不同的构成例。具体而言，低弯曲刚性部13a的宽度比压电元件2的宽度略小，低弯曲刚性部13b的宽度比压电元件2的宽度大幅度减小，并且比低弯曲刚性部13a的宽度小。这样，通过破坏弯曲刚性的平衡，能够使反射元件1A不仅向上下方向，而且绕与长度方向8垂直的轴旋转。利用该功能，例如能够使由反射元件1A反射的返回光从传送线路下降(drop)。
下面，说明利用有限元法对该实施方式2的构成的刚性开关的性能进行计算的结构。压电常数为由成膜的薄膜压电体(PZT制薄膜压电体)测定的压电薄膜的压电常数d31＝-100×10-12m/V，薄膜压电体的尺寸为长度3.2mm、整体宽度1.4mm、槽宽度0.1mm、厚度3μm，电极长度为3.2mm。使用硅及硅氧化膜作为弹性体5，其厚度分别为20μm和10μm，应变吸收部10及低弯曲刚性部13也为相同的构成。另外，反射元件1A的质量为200μg。其结果，知道了在电极4上外加30V的状态下，反射元件1A的位移移动90.6μm。
而且，根据振动模式分析，知道了其主共振频率为1.14KHz，作为开关速度具有1msec级的高速响应性。
图6A、图6B是表示该刚性开关和传送线路的俯视图和侧视图。从传送线路11a出射的输入光束12a在反射元件1A未被驱动到上方的位置，成为光束12c并向传送线路11c出射。在反射元件1A被压电元件2驱动而处于图6B的上方位置的情况下，来自传送线路11a的输入光束12a被具有以90度的V形构成的反射面1b的反射元件1A反射，成为向传送线路11b出射的光束。
希望在图6B中作为附图标记14如假想线所示配置反射元件1A的保持装置14，并以高精度保持反射元件1A的姿势。在前述的反射镜旋转型中，监视出射光，将该监视得到的检测信号向光学开关的驱动电压反馈，从而能够保持反射镜的姿势，但是在本实施方式的向反射元件1A的图6B基板表面的法线方向驱动的情况下，在反射元件1A的上面或者下面(下面的反射元件保持装置的图示省略)设置保持用的基准面，并利用反射元件保持装置14将反射元件1A的上面保持在上方位置，从而可以容易地将反射元件1A高精度地固定保持在预先设计的位置、姿势。
作为压电驱动的特征，具有其产生力随着位移而降低的特性，所以希望该反射元件保持装置14是利用薄膜压电体的驱动之外的静电驱动保持反射元件1A或者机械保持上述反射元件的装置14，在保持上述反射元件1A时，利用控制机构(例如，作为图1A的开关91配置，根据来自其它装置等的信息或信号，开闭向薄膜压电体的电压外加电路的控制机构)解除向薄膜压电体的电压外加。特别是静电驱动能够利用经由薄的绝缘层的电极间的静电吸引力，随着电极间隔越小，该力就越大，而且所需的电流非常小，耗电低，比较理想。
并且，在此，作为反射元件1A，说明了具有以V型构成的反射面1b的反射元件的情况，但是也可以仅将反射元件1A作为反射入射光(例如图1A那样的反射元件1)还是透射入射光的反射元件来转换光路。
(实施方式3)
图7A、图7B是本发明的实施方式3的信息传送装置的俯视图和侧视图。在该实施方式3中，执行机构由沿其长度方向8平行配置的多个压电元件2的列构成，多个光传送线路11与该多个压电元件2的列对应配置。通过采用这种构成，可以高密度地配置多个光传送线路11，并且能够使包含多个光传送线路的光学开关小型紧凑地构成。
特别是，作为光传送线路使用的光纤，一般将多个纤维捆束使用，其终端的连接器一般是和各纤维平行配置的形式。图7A中，平行配置多个光传送线路11(具体而言，传送线路11a、11b)其末端与光连接器16结合在一起。来自传送线路11a的入射光束12a，根据反射元件1的倾斜角度而由反射元件1反射，成为向传送线路11b的出射光束12b。倾斜驱动反射元件1的形式的光学开关中，利用反射元件保持装置固定保持反射元件1比较困难，所以将用输出光监视器17检测出的出射光量取入驱动控制部18中，根据该检测信号进行反馈控制，驱动压电元件2，从而能够进行稳定的信息的传递、转换。
本发明的上述实施方式3的信息传送装置，如图7A中单点划线所示，可以是包含上述压电元件1的驱动控制部18的光学开关19，而且也可以是包含其周围的功能部件的信息传送装置20。在此，在光网络中多个波长重叠的光传送线路的输入被输入到光放大器22，多个波长重叠的各信号通过分波器22解调为波长λ1～λn的信号。各光传送线路入射到作为副信息传送装置的光学开关装置19的光传送线路11a。通过光学开关装置19转换的从光传送线路11b的输出，被送至各接收器R1～Rn，向各终端传送信息。
根据本发明的上述实施方式的光学开关，通过将其驱动元件的长度方向8与纤维的列对应配置，能够高密度地构成光学开关组。而且，光纤连接器的定位功能以亚微米单位设计，通过与本发明的上述实施方式的由薄膜Si工艺制作的多个光学开关组的良好的排列精度组合，能够提供高精度且构成简单的光学开关。而且，根据本发明的上述实施方式，通过将上述说明的光连接器一体化，也可以实现光纤连接器嵌入式的超小型光学开关，能够得到极其显著的效果。而且，由于能够高精度地控制反射表面的反射率，所以虽然以前有数十dB左右的插入损失，但是根据本发明，能够为-60dB左右的插入损失，换言之，出射光相对于入射光的损失比率能够减少到万分之一。
如上所述，根据本发明，可以得到如下的显著效果，即可以实现可以对应于高速大容量化的光通信网的扩大，可以用低电压低电力的驱动实现高速、高精度地光转换，并且装置本身紧凑，制造容易，具有实用水平的具体构成的光学开关及其制造方法、使用该开关的信息传送装置。
并且，通过将上述各实施方式中的任意的实施方式进行适当组合，能够得到各自具有的效果。
虽然本发明参照附图并与优选实施方式相关联进行了充分的说明，但是本领域的普通技术人员明白其各种变形和修正。这种变形和修正，只要不脱离所确定的本发明的范围，就应理解为包含在其中。

Claims (18)

1.一种光学开关，包括反射来自入射侧光传送线路(11、11a)的光的反射元件(1、1A)和驱动上述反射元件的执行机构(2)，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路(11、11a、11b)，其特征在于，
上述执行机构由包括薄膜压电体(3)、外加用于驱动上述薄膜压电体的电压的电极(4a、4b、4c)、和具有上述薄膜压电体及上述电极的弹性体(5)的压电元件(2)构成，并且，夹着上述反射元件对向的压电元件的长度方向平行，通过由向上述电极外加电压而导致的上述薄膜压电体的挠曲变形，驱动上述反射元件。
2.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于，上述反射元件在与上述薄膜压电体平行的面上设置着反射面(1a)，上述执行机构使上述反射元件从平行于上述薄膜压电体的面倾斜。
3.根据权利要求2所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构由与长度方向(8)平行配置的多个压电元件构成，通过利用与上述长度方向垂直配置的扭转弹簧(6)保持上述反射元件，在以上述扭转弹簧为旋转轴的旋转方向上倾斜上述反射镜。
4.根据权利要求2所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构由两端被固定端支撑、与长度方向(8)平行配置的至少多个压电元件构成，在上述压电元件的长度方向的一部分上配置沿上述长度方向的应变吸收部(10)。
5.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构由多个压电元件构成，并且各压电元件被分割成多个电极，通过在各电极上外加不同的电压，使上述薄膜压电体以不同的曲率挠曲变形。
6.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于，构成上述压电元件的上述弹性体，至少包含构成绝缘体硅结构基板的薄膜硅或者硅氧化膜。
7.根据权利要求1所述的光学开关，其特征在于，上述反射元件在上述薄膜压电体的法线方向上设置有反射面(1b)，上述执行机构向上述薄膜压电体的法线方向驱动上述反射元件。
8.根据权利要求7所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构由两端被固定端支撑、在长度方向上平行配置的至少多个压电元件构成，在上述压电元件的长度方向的一部分上构成长度方向的应变吸收部(49)。
9.根据权利要求2或7所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构由两端被固定端支撑、在长度方向上平行配置的至少多个压电元件构成，构成以与上述压电元件的挠曲曲率相反的曲率挠曲的低弯曲刚性部。
10.根据权利要求2或7所述的光学开关，其特征在于，上述执行机构具有使上述反射元件倾斜或平行移动后保持在规定位置的反射元件保持装置(14)。
11.根据权利要求2或7所述的光学开关，其特征在于，上述反射元件保持装置是利用薄膜压电体的驱动之外的静电驱动保持上述反射元件或者机械保持上述反射元件的装置，在保持上述反射元件时，解除向薄膜压电体外加电压。
12.一种光学开关的制造方法，该光学开关包括反射来自入射侧光传送线路(11、11a)的光的反射元件(1、1A)和驱动上述反射元件的执行机构(2)，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路(11、11a、11b)，其特征在于，
上述执行机构，通过将在基板上形成的薄膜压电体复制到其它基板上来制造压电元件。
13.一种光学开关的制造方法，该光学开关包括反射来自入射侧光传送线路(11、11a)的光的反射元件(1、1A)和驱动上述反射元件的执行机构(2)，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路(11、11a、11b)，其特征在于，
上述执行机构，通过将薄膜压电体在基板上直接成膜来制造压电元件。
14.根据权利要求13所述的光学开关的制造方法，其特征在于，上述成膜薄膜压电体的基板是绝缘体硅结构基板。
15.一种使用光学开关的信息传送装置，其中上述光学开关包括反射来自入射侧光传送线路(11、11a)的光的反射元件(1、1A)和驱动上述反射元件的执行机构(2)，上述反射元件通过上述执行机构的驱动将从上述入射侧光传送线路入射的光的光路转换到出射侧光传送线路(11、11a、11b)，其特征在于，
上述执行机构由包括薄膜压电体(3)、外加用于驱动上述薄膜压电体的电压的电极(4a、4b、4c)、和具有上述薄膜压电体及上述电极的弹性体(5)的压电元件(2)构成，并且，夹着上述反射元件对向的压电元件的长度方向平行，通过由向上述电极外加电压而导致的上述薄膜压电体的挠曲变形，驱动上述反射元件。
16.根据权利要求15所述的信息传送装置，其特征在于，上述反射元件在与上述薄膜压电体平行的面上设置有反射面(1a)，上述执行机构使上述反射元件从平行于上述薄膜压电体的面倾斜，从而通过控制反射面的反射角度来转换配置在上述薄膜的大致法线面的多个光传送线路。
17.根据权利要求15所述的信息传送装置，其特征在于，上述反射元件在上述薄膜压电体的法线方向上设置有反射面(1b)，上述执行机构向上述薄膜压电体的法线方向驱动上述反射元件，从而在平行配置在上述薄膜的面内的多个光传送线路中插入上述反射元件，转换传送线路。
18.根据权利要求16或17所述的信息传送装置，其特征在于，上述执行机构由在长度方向上平行配置的多个压电元件的列构成，上述多个光传送线路与上述多个压电元件的列对应配置。
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