JP2001242396A - ２軸マイクロミラーを用いた光学スイッチを構成するマイクロマシン - Google Patents

２軸マイクロミラーを用いた光学スイッチを構成するマイクロマシン

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JP2001242396A JP2001011004A JP2001011004A JP2001242396A JP 2001242396 A JP2001242396 A JP 2001242396A JP 2001011004 A JP2001011004 A JP 2001011004A JP 2001011004 A JP2001011004 A JP 2001011004A JP 2001242396 A JP2001242396 A JP 2001242396A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】入力からの光信号を線形構成に制限されない複
数の出力の一つに正確かつ再現可能にして向けることの
できるマイクロマシンを提供すること。 【解決手段】光信号の操向を行う光スイッチを構成する
マイクロマシンは、第１のマイクロミラー・アレイ１６
及び第２のマイクロミラー・アレイ１８を含む。コリメ
ータ・アレイ１２から出射される入射ビームは、これら
のマイクロミラー・アレイ１６、１８を介して、コリメ
ータ・アレイ１４のコリメータの一つに導かれる。マイ
クロミラー・アレイ１６、１８は、静電気により回転動
作するよう構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、光学スイ
ッチに関するものであり、とりわけ、個別に操作される
マイクロミラーを備えた交差接続光学スイッチに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ技術の分野における絶え間の
ない革新によって、さまざまな技術分野において、光フ
ァイバの応用の数が増大し続けている。光ファイバの利
用が増すと、光信号の伝送及びスイッチングに役立つ効
率のよい光学装置が必要になる。現在のところ、光信号
を電気信号に変換せずに、入力光ファイバからいくつか
の出力光ファイバの任意の１つに光信号を送り込む光学
スイッチが必要とされている。
【０００３】スイッチによる光ファイバの結合は、さま
ざまな方法を利用して実現することが可能である。関心
をひく方法の１つでは、入力ファイバの光路内に配置さ
れて、入力ファイバから選択される出力ファイバの１つ
へと光信号を反射するマイクロミラーを利用する。入力
及び出力ファイバは、単方向ファイバとすることもでき
るし、或いは双方向ファイバとすることも可能である。
ミラー法の最も単純な実施例では、ミラーが、２つの出
力光ファイバ間の光路内に配置されていない場合には、
アライメントのとれたファイバが通信状態になるよう
に、入力ファイバと２つの出力光ファイバの一方とのア
ライメントがとられる。しかし、ミラーが、アライメン
トのとれた２つのファイバ間に配置されると、光信号は
入力ファイバからもう１つの出力ファイバに向けられる
（即ち、反射される）。入力ファイバの経路に対するミ
ラーの位置決めは、機械的にミラーを移動させる装置を
用いて実施可能である。マイクロマシン加工技術を利用
して、光信号を生じさせるという提案がいくつかなされ
ている。一般に、この提案は、２つのカテゴリ、即ち、
面内自由空間スイッチと、面内導波スイッチに分類され
る。自由空間光学スイッチは、自由空間を伝搬する際に
おける光ビームの拡大によって制限される。平面アプロ
ーチの場合、光路長は、入力ファイバ数と線形に比例す
る。３０×３０を超えるスイッチは、大型のミラーと、
略１ミリメートル（ｍｍ）ほどのビーム直径を必要とす
る。これらの平面アプローチの場合、入力ファイバ数
（Ｎ）は、ビームの太さ及び光学コンポーネントのサイ
ズに対して線形に比例する。従って、スイッチ全体の寸
法が、Ｎ2として増大する。１００×１００のスイッチ
は、１ｍ2の面積を必要とするが、これは、極めて大き
いスイッチになる。更に、光学アライメント、ミラー・
サイズ、及び、アクチュエータのコストといった制約条
件によって、スイッチははるかに小さい寸法に制限され
ることになりそうである。平面アプローチの１つでは、
光学スイッチは、全光路長ではなく、光路差と比例する
ように設計することが可能であると主張している。これ
が可能であれば、確かに、より大きいスイッチが可能に
なる。しかし、平面アプローチの場合、光路差は、やは
り、入力ファイバ数と線形に比例し、従って、スイッチ
は、ファイバ数に合わせて拡大されるので、極めて大き
いものになる。
【０００４】導波アプローチの場合、ビームの拡大は、
問題ではない。しかし、各交差点における損失、及び、
大型の導波装置を製造することの難しさのために、こう
したスイッチにおける入力ファイバ数が制限されること
になりそうである。
【０００５】両アプローチとも、損失、光学コンポーネ
ントのサイズ、及び、コストといった制約が、ファイバ
数とともに強まる傾向がある。入力及び出力ファイバ数
に対してより効率よく比例する光学交差接続スイッチが
必要とされる。自由空間光学システムには、より効率の
よい比例を実現可能なものもある。これらのシステム
は、２方向における光学操向を利用して、光ファイバ数
を増すことができるという事実を利用している。最近に
なって、こうしたミラーを利用する光学スイッチが発表
された。こうしたシステムでは、圧電素子又は磁気又は
静電気で作動するマイクロミラーが利用される。これら
のアプローチの作動方法は、不明確である。可変スイッ
チを実現するには、一般に、極めて高レベルの光学フィ
ードバックを利用することが必要になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、出力
配列が線形構成に制限されない、少なくとも１つの入力
からいくつかの選択され得る出力に光信号を向けること
を可能にするマイクロマシンを提供することにある。本
発明のもう１つの目的は、スイッチングが正確かつ再現
可能に行えるように、マイクロマシンのアレイを製造
し、構成する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】光学スイッチの実施態様
の１つでは、光信号の操向を行うためのマイクロマシン
に、静電力を利用して、２軸マイクロミラーを操作する
ことが含まれる。マイクロミラーは、基板に対して移動
させることができるように、基板に隣接して支持されて
いる。第１の表面静電装置は、第１軸の周りにおいてマ
イクロミラーを回転させるための静電力を発生するよう
に構成されている。同様に、第２の表面静電装置は、第
２軸の周りにおいてマイクロミラーを回転させるための
静電力を発生するように構成されている。２つの静電装
置を利用して、マイクロミラーの位置決めを制御する単
一ムーバを駆動することもできるし、或いは、個別のム
ーバを駆動することも可能である。
【０００８】マイクロミラーのアレイは、基板上に形成
するのが望ましい。ある適用例の場合、マイクロミラー
は、静電駆動ムーバとは別個に形成される。例えば、マ
イクロミラー基板は、マイクロミラーが直交する第１と
第２の軸まわりにおける回転を可能にするように支持さ
れた、並置されたマイクロミラーのアレイを含むように
形成することが可能である。更に、マイクロミラー基板
をムーバが組み込まれたムーバ基板に取り付けて、マイ
クロミラーがムーバの経路と略平行になるようにするこ
とが可能である。各マイクロミラーは、ムーバ基板に向
かって延び、ムーバの少なくとも１つによって制御され
る突出部に接続することが可能である。この実施態様の
場合、ムーバは、ジョイスティックの操作と同様に突出
部を操作する。
【０００９】もう１つの実施態様では、マイクロミラー
及びムーバは、単一基板に一体化される。各マイクロミ
ラーは、フレームによって基板に支持することが可能で
ある。第１のムーバを静電力によって駆動して、フレー
ムの位置を操作することによって、一方の軸まわりにお
いてマイクロミラーが回転する。第２の静電駆動される
ムーバをマイクロミラーに接続することによって、もう
一方の軸まわりにおいてマイクロミラーを回転させるこ
とができる。しかし、単一ムーバを用いて、両方の軸ま
わりにおける回転を制御する実施態様も可能である。例
えば、ムーバは、２つの直交方向に静電駆動することが
可能である。
【００１０】各表面静電装置には、少なくとも２組の電
極が含まれている。特定の表面静電装置の場合、第１の
組をなす駆動電極は、ムーバ表面に沿って形成すること
が可能であるが、第２の組をなす駆動電極は、基板表面
に沿って形成される。電極の全長は、ムーバの移動方向
に対して垂直である。駆動電極は、組をなす駆動電極の
少なくとも１組に可調整パターンをなす電圧供給するた
めに利用される、１つ以上の電圧源に電気的に結合され
る。電圧パターンの変動によって静電力の変化が生じる
と、ムーバが移動する。一例として、第１の組をなす駆
動電極は、第１のパターンをなす電圧を供給する電圧源
に電気的に接続することができるが、第２の組をなす駆
動電極は、個々の駆動電極に異なる電圧を選択的に印加
するように構成されたマイクロコントローラに電気的に
接続される。印加される電圧パターンを再構成すること
によって、基板とムーバの間の静電力が修正され、ムー
バが側方に変位することになる。
【００１１】各表面静電装置には、駆動電極と同じ表面
に浮揚電極を含むのが望ましい。駆動電極とは異なり、
浮揚電極は、電極の全長がムーバの移動方向と平行にな
るように配置される。浮揚電極に沿った許容可能な固定
電圧パターンは、高電圧と低電圧の間で交番するパター
ンである。浮揚電極間の反発静電力によって、ムーバは
基板から間隔をあけた位置につく。浮揚電極は、ムーバ
の移動方向と平行であるため、ムーバの側方変位時にミ
スアライメントが生じることはない。更に、２組の浮揚
電極間において発生する反発静電力は、駆動電極によっ
て発生する吸引力を無効にする働きをする。
【００１２】本発明の別の実施態様の場合、光学スイッ
チは、２つの独立した２軸マイクロミラー・アレイと、
コリメータのような２つの独立した光信号導体アレイを
含むように構成されている。マイクロミラー・アレイの
１つは、各２軸マイクロミラーが、入射光信号を受信す
るコリメータの１つに対して専用になるように、第１の
コリメータ・アレイに対して配置される。もう１つのマ
イクロミラー・アレイは、第１のアレイにおいて反射さ
れた光信号を第２のアレイをなすマイクロミラーの任意
の１つに送ることができるように、第１のマイクロミラ
ー・アレイに対して配置される。即ち、第１のアレイに
おける特定の２軸マイクロミラーを操作することによっ
て、特定のマイクロミラーに入射する光信号を第２のア
レイをなすマイクロミラーの任意の１つに向けて反射す
ることが可能になる。第２のコリメータ・アレイは、第
２のアレイをなすマイクロミラーによって反射された光
信号が、第２のコリメータ・アレイをなすコリメータの
関連する１つに送られるように、第２のマイクロミラー
・アレイに対して配置される。即ち、第２のアレイをな
すマイクロミラーは、第２のアレイをなすコリメータに
対して特有の関連付けが施されるが、第１のアレイから
のビーム角度を補償するように操作することが可能であ
る。光学スイッチのこの実施態様の場合、マイクロミラ
ーの操作は、本発明を逸脱することなく、静電力以外で
実施することも可能である。
【００１３】マイクロミラーの操作が発生した静電力を
変化させることによって実施される実施態様に戻ると、
光学マイクロマシンの製造方法には、基板表面上に表面
静電ムーバを形成すること、及び、各マイクロミラー
が、略直交する第１及び第２の軸まわりで回転すること
が可能になり、ムーバの少なくとも１つの移動によって
操作されるように、基板に対してマイクロミラーを支持
することが含まれている。前述のように、ムーバ及びマ
イクロミラーは、別個の基板上に形成することもできる
し、或いは、単一基板上に一体に製作することも可能で
ある。ムーバ及びムーバ基板には、駆動電極アレイと、
浮揚電極アレイが含まれている。静電表面作動法は、解
説の光学スイッチ内におけるマイクロミラーの位置決め
にうってつけである。各マイクロミラーは、２つの軸の
それぞれに対して約１０゜傾斜させることが可能であ
り、マイクロマシンの観点からすると比較的大型であ
る。マイクロミラーは、略１ｍｍほどの幅とすることが
可能である。マイクロミラーを駆動するムーバを約１０
０μｍの作動距離に沿って変位させ、極めて正確で、再
現可能な位置決めが行えるようにすることが可能であ
る。１２ボルト以下の電圧を利用して、十分な静電力を
発生することができる。低電圧動作によって、光学スイ
ッチを相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路要素に
結合することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して本発明
の好適実施形態となるマイクロマシン及びその製造方法
について説明する。図１を参照すると、光学スイッチ１
０には、図示のように、第１のコリメータ・アレイ１
２、第２のコリメータ・アレイ１４、第１のマイクロミ
ラー・アレイ１６、及び、第２のマイクロミラー・アレ
イ１８が含まれている。交差接続光学スイッチは、２軸
マイクロミラーを利用して、入力光ビームを偏向して、
出力光学素子の任意の１つに送る。図１の解説におい
て、第１のコリメータ・アレイ１２は、入力素子を含む
ものとして解説され、第２のコリメータ・アレイ１４
は、出力素子を含むものとして解説される。しかし、こ
れは、クリティカルではない。個々の導体を双方向素子
として、光信号が両方向に伝搬するようにすることも可
能である。更に、ビームの拡大を制御するための他の手
段に置き換えることが可能であれば、コリメータの利用
はクリティカルではない。
【００１５】信号光ファイバ２０は、図示のように、第
１のコリメータ・アレイ１２に接続されている。実際に
は、１６の光ファイバが４×４アレイに接続されること
になる可能性がある。アレイ内の素子数は、本発明にと
ってクリティカルではない。光学スイッチの本質的な特
徴は、各マイクロミラーを２つの物理的軸に沿って個別
に操作できるという点である。図１の場合、第１のアレ
イ１６には、１つのマイクロミラー２２だけしか示され
ておらず、第２のアレイ１８には、２つのマイクロミラ
ー２６及び２８だけしか示されていない。しかし、第１
のアレイの１６のセグメントのそれぞれについて、及
び、第２のアレイの１６のセグメントのそれぞれについ
て、別個に操作可能な２軸マイクロミラーが存在する。
【００１６】ファイバ２０のような各入力ファイバが、
第１のコリメータ・アレイ１２におけるそれ自体のコリ
メータに結合されている。ファイバ２０からの入力光信
号３０は、わずかに収束したビームとしてコリメータ・
アレイ１２から出射する。収束ビームは、第１のマイク
ロミラー・アレイ１６における特定のマイクロミラー２
２に入射するように向けられる。従って、第１のアレイ
の各マイクロミラーは、コリメータの１つに対して専用
である。しかし、各マイクロミラーを操作することによ
って、入射ビームは、第２のアレイ１８をなすマイクロ
ミラーの任意の１つに向け直される。例えば、第１のア
レイ１６のマイクロミラー２２から第２のアレイのマイ
クロミラー２８への点線は、マイクロミラー２２を操作
した結果として、入力ビーム３０の向きが直されたこと
を表している。好適な実施態様の場合、マイクロミラー
２２のようなマイクロミラーの操作は、静電力を用いて
実施される。それにもかかわらず、他のアプローチを用
いることも可能である。
【００１７】マイクロミラー２２が、その軸の１つに沿
って旋回すると、反射ビーム３２によって、第２のマイ
クロミラー・アレイ１８を横切って水平に掃引が行われ
る。一方、マイクロミラー２２が、その第２の軸まわり
で旋回すると、反射ビーム３２によって、第２のマイク
ロミラー・アレイ１８を横切って垂直に掃引が行われ
る。マイクロミラー２６のような、第２のアレイをなす
マイクロミラーは、それぞれ、第２のコリメータ・アレ
イ１４をなすコリメータの１つに対して専用である。第
２のマイクロミラーの２軸能力によって、各マイクロミ
ラーを正確に位置決めすることが可能になるので、ビー
ムが第１のマイクロミラー・アレイ１６の特定のマイク
ロミラーから入射する角度が補償される。従って、マイ
クロミラー２６は、その２つの回転軸のそれぞれのまわ
りに正確に位置決めされ、アレイ１４の対応するコリメ
ータ３４に光ビーム３６を向け直す。マイクロミラー２
６の回転は、第１のアレイ１６のどのマイクロミラー
が、光ビームをマイクロミラー２６に向けているかによ
って決まる。図１の光学スイッチ１０は、対称になって
いるので、光ビームは、いずれの方向にも等しく効率よ
く通過することができる。
【００１８】更に詳細に後述するように、図１の設計の
３次元的性質の特徴の１つは、極めて多いファイバ総数
に適応するように光学スイッチ１０の比例尺を容易に変
化させることができるという点にある。図２には、光学
スイッチ３８の平面図が例示されている。この図面にお
いて、特定の数の入力及び出力ポートを示すことは意図
されていない。それよりも、図２には、コリメータ・ア
レイの幅と最大光路長の関係を決定するため、さまざま
な光学素子の位置が示されている。表示されたスイッチ
の寸法は、全て、コリメータ・アレイ４０及び４２の幅
（Ｗ）を基準としたものである。この図には、入力コリ
メータの任意の１つを出力コリメータの任意の１つにス
イッチする場合に生じる可能性のある最長光路４４も示
されている。この設計の場合、最長光路は、７．３Ｗで
ある。最長光路とコリメータ・アレイの幅の関係によっ
て、特定のビーム幅に結合可能な光ファイバ数に制限が
加えられる。表１には、自由空間を進行するガウス・ビ
ームの角発散によって光学スイッチに課せられる制約が
要約されている。パラメータ Ａは、グレーデッド・イ
ンデックス（ＧＲＩＮ）・レンズにおける半径方向の屈
折率分布（即ち、ｎ（ｒ）＝ｎo×（１−Ａｒ2／２））
の特性を示すものである。グレーデッド・インデックス
・レンズの適合するメーカは、ニュージャージ州サマー
セットのＮＳＧ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．である。
【００１９】
【表１】
【００２０】所定のコリメータには、光ビームが進行可
能で、ビーム両端の太さが同じになることが可能な、最
大長が存在する。この長さは、表１において最大対称ビ
ーム長と呼ばれており、コリメータの直径の略２乗とし
て増大する。システム３８の光路は、コリメータ直径と
線形に長くなるので、より大きいコリメータを用いるこ
とによって、必ずファイバ数を増すことが可能である。
この事実は、表１において実証されており、直径１．０
ｍｍのコリメータを用いると、１２１×１２１のスイッ
チを実現することができるが、直径４．０ｍｍのコリメ
ータを用いると、光学システムのサイズを増大させると
いう犠牲を払って、１０００×１０００のスイッチを実
現することが可能になる。コリメータを出射するビーム
の太さがコリメータの直径に比例して増すものと仮定す
ると、ファイバ入力数は、コリメータ直径の略２乗とし
て増加するはずである。おそらく、ＧＲＩＮレンズのド
ーピングが困難であるため、これが、表１について分析
された３つのコリメータによって示されることはない。
【００２１】図３は、図２の光学スイッチ３８の側面図
である。２つの図において、第１及び第２のマイクロミ
ラー・アレイ４６及び４８は、平面装置として示されて
おり、個々のマイクロミラーは、示されていない。しか
し、マイクロミラー・アレイ４６及び４８には、個別に
操作されるマイクロミラーが組み込まれているので、コ
リメータ・アレイ４０をなす入力コリメータの任意の１
つと、コリメータ・アレイ４２をなすコリメータの任意
の１つを光学的に結合することが可能である。
【００２２】選択されたコリメータ・アレイ・サイズに
対してファイバ数を増大させるために有効な方法がいく
つか存在する。第１に、システムは、光ビームが表１に
示す最大対称ビーム長を越えて進行できるようにするこ
とによって、わずかに非対称にすることが可能である。
しかし、この方法には、関連する光学損失及びクロスト
ークの増大がある。第２に、図４の平面図及び図５の側
面図に示すように、異なるスイッチ構造を利用すること
も可能である。構造が異なるが、コンポーネントが略同
じであるため、図２及び図３の参照番号が、図４及び図
５にも利用される。図４及び図５の実施態様の場合、最
大ビーム長は４．１Ｗだけしかない。この場合、４．０
ｍｍＧＲＩＮレンズを利用して、３，６００×３，６０
０のスイッチを形成することが可能である。このシステ
ム設計によって、アレイ４６及び４８をなすマイクロミ
ラーにより困難な要件が課せられる。最も注目されるの
は、マイクロミラーが、回転して、マイクロミラーが形
成されている基板の平面内に入り込まなければならない
ということである。
【００２３】ファイバ数を増大させる第３の方法は、出
力ビームの太さがコリメータの直径のかなりの部分にな
るような、より効率のよいコリメータを利用することで
ある。第４の方法は、図１に示す正方形アレイではな
く、稠密ファイバ・アレイを利用することである。しか
し、稠密化しても、光ファイバ数が１５％増大するだけ
であり、後述するタイリングの実施がより困難になる。
第５の方法は、マイクロミラーの曲率を極めて正確に制
御して、マイクロミラーが、ガウス・ビーム拡大を補償
する集束素子としての働きができるようにすることであ
る。理論上の第６の方法は、入力段及び出力段に光学素
子を利用して、スイッチ・サイズが、全光路長ではな
く、光路差と比例するようにすることである。
【００２４】〔マイクロ光学コンポーネントへの制約要
件〕本発明による光学スイッチの設計において取り扱わ
なければならないいくつかの制約条件がある。表２に
は、コリメータ、マイクロミラー、及び、アクチュエー
タに課せられる光学制約条件が要約されている。表２に
おいて、３つの異なるサイズのスイッチが識別される。
【００２５】
【表２】
【００２６】コリメータに関して、標準レンズと比較す
ることができるように、各ＧＲＩＮコリメータ毎に、１
／ Ａに等しい有効焦点距離が計算された。マイクロミ
ラーに関して、マイクロミラーは、出力コリメータに対
して正確に光ビームを位置決めするため、極めて厳格な
要件を満たさなければならない。スイッチに用いられる
ビームが太いのは、一般に、数ミリメートルほどに、ミ
ラー・サイズを大きくしなければならないということで
ある。マイクロミラーの製作に用いられる既知の表面マ
イクロマシン加工技法の中には、こうした大型ミラーが
不可能なものもあるかもしれない。わずか数ミクロンの
厚さの場合、これら既知のミラーは、ビームが歪みを生
じることなく伝搬するように、所望の平坦性（曲率半
径）を維持することができなくなる可能性がある。幸い
にも、ボンディッド・ウェーハ・アプローチが、今で
は、マイクロマシン加工されるコンポーネントの製造に
おいてより一般的になっているので、１００ミクロン〜
数百ミクロンの厚さを備えたミラーを設計するのがそれ
ほど困難ではない。この厚さは、ミラーの反射コーティ
ングとして用いられる金薄膜によって、過度の湾曲を生
じることがないことを保証するために必要である。
【００２７】各マイクロミラーは、任意の入力ファイバ
と任意の出力ファイバを結合するため、２つの直交する
軸まわりで１０゜回転するのが望ましい。しかし、１０
゜の回転範囲は、マイクロミラーを操作するアクチュエ
ータのようなシステムの他のコンポーネントに困難な制
約条件を課すことになる可能性がある。詳細に後述する
ことになるアクチュエータの場合、直径２ｍｍのミラー
を１０゜回転させるには、ムーバが約５０〜１００ミク
ロン移動する必要がある。この要件によって、利用可能
なマイクロマシン加工された駆動装置のタイプが制限さ
れる。好適実施形態の場合、静電表面アクチュエータが
利用される。
【００２８】表２には、マイクロミラーのための３つの
異なる角度位置要件も含まれている。第２のマイクロミ
ラー・アレイに対するビームの位置決めと、出力ファイ
バへの〜４０ｄＢの結合（即ち、〜４０ｄＢの最大重な
り損失）の実現の両方に、〜０．５ミリラジアンの角精
度が必要とされる。センサを利用して検出することがで
きるので、〜４０ｄＢのモード結合レベルが選択され
る。この信号レベルにおいて、出力ファイバ自体の光パ
ワーを利用して、マイクロミラーの位置決めを行う制御
ループを閉じることが可能である。第２のマイクロミラ
ー・アレイに対するビーム位置の開ループ制御を実施す
ることには重要な利点がある。別様であれば、ビームが
１つのマイクロミラーからもう１つのマイクロミラーに
移動する際、ビームに操向を施すため、第２のマイクロ
ミラー・アレイの領域に沿ってセンサが必要になる。正
しい出力マイクロミラーの中心にビームを適正に合わせ
ることを保証するために、センサが必要になる可能性も
ある。同様に、〜４０ｄＢのモード重なり損失の精度が
満たされなければ、正しい出力コリメータにビームを向
けるために、センサが必要になる。
【００２９】要するに、アクチュエータを必要とする制
約条件に関して、上述のマイクロミラー特性は、マイク
ロミラーの駆動に用いられるアクチュエータの要件を決
定する上で重要な役割を果たす。好適なマイクロミラー
・サイズ及び角度範囲の場合、アクチュエータは、略１
００ミクロンの距離を移動しなければならない。第２の
アレイをなすミラー間でビームを移動させて、第２のア
レイの特定のミラーの中心にビームを位置決めし、出力
ファイバへの約４０ｄＢの結合を実現するためには、ア
クチュエータを約０．１ミクロンの正確度で繰り返し位
置決めする必要がある。この位置正確度は、静電表面ア
クチュエータによって得ることが可能である。
【００３０】〔提案されるマイクロミラー設計〕図６
は、マイクロミラー基板５２上に形成される１６のマイ
クロミラー５０からなるアレイの平面図である。図７
は、マイクロミラーの１つ及びマイクロミラーの回転を
操作するための機構の側面図である。図８は、マイクロ
ミラーの回転を操作するための機構の平面図である。ま
ず図６を参照すると、各マイクロミラーは、第１と第２
のトーション・バー５６及び５８によってリング部材５
４に結合されている。トーション・バーの位置によっ
て、ミラー５０の第１の回転軸が形成される。図６の配
向の場合、第１の軸はｘ軸である。リング部材５４は、
第２の軸（即ち、ｙ軸）を形成する第３と第４のトーシ
ョン・バー６０及び６２によって基板５２に結合されて
いる。図７の側面図では、第３と第４のトーション・バ
ーだけしか見えない。
【００３１】トーション・バー５６、５８、６０、及
び、６２は、独立した構成要素を接続するために用いら
れる薄膜たわみ材である。ねじれたわみ材に適した材料
には、窒化珪素、ポリシリコン、又は、単結晶シリコン
がある。たわみ材の厚さは、わずか約１０００オングス
トローム（約１００ｎｍ）にすることもできるし、或い
は、１００μｍもの厚さにすることも可能である。厚さ
の特定の選択は、必要とされるスイッチング時間によっ
て決まる。窒化珪素薄膜およびポリシリコン薄膜は、繰
り返し疲労に対する優れた耐性を備えているものとみな
されている。トーション・バーは、材料の弾性限界内に
おいてねじられるだけであるため、後述するアクチュエ
ータによる特定の移動によって、同じミラー位置が得ら
れる。トーション・バーが緩和状態にある場合、マイク
ロミラー５０は、マイクロミラー基板５２の固定部分に
対して平行な位置につく。
【００３２】図７において明らかなように、マイクロミ
ラー基板５２は、ムーバ基板６４に結合されている。２
つの基板を結合するための手段は、本発明にとってクリ
ティカルではない。図７において、シリコン・ビーム６
６が、１対の中間層６８及び７０に接続されている。し
かし、基板を取り付けるための他の機構を利用すること
も可能である。ミラー５０は、厚さが略１００ミクロン
とすることが可能である。前述のように、ミラーの曲率
は、ビームの光路長が比較的長いので、重要な問題であ
る。１０００×１０００のスイッチの場合、ミラーの曲
率半径は、１１ｍを超える必要がある。こうした大きい
曲率半径は、ミラーが比較的厚く、主として単結晶シリ
コンから構成されているので、容易に実現可能である。
シリコン・マイクロミラー５０の露出表面に薄膜金属層
７２のコーティングを施すことによって、所望の反射特
性が実現される。許容可能な金属は、最大厚が２０００
オングストローム（約２００ｎｍ）の金薄膜７２である
ので、１１ｍを超える曲率半径を有するミラーの場合、
金の応力は１５０ＭＰａ未満に制限することが可能であ
る。応力制御は、既知の堆積及びアニーリング技法の多
くを利用すれば容易である。
【００３３】ミラー５０から下方に突出部７４が延びて
いる。この突出部７４を利用することによって、ジョイ
スティック制御装置と同様に、マイクロミラーを操作す
ることができる。即ち、突出部７４に圧力を加えると、
マイクロミラー５０が回転する。回転範囲と回転軸は、
突出部７４の移動の程度及び移動方向によって決まる。
１対のムーバ７６及び７８を用いて、突出部７４の移動
が制御される。ムーバ７６は、図示のように、ムーバを
線形に変位させると、突出部７４を回転させることがで
きるようにするコネクタ・ロッド８０によって、突出部
７４に結合されている。
【００３４】ムーバ７６を起動すると、マイクロミラー
５０が、リング部材５４及びマイクロミラー基板５２に
対して回転する。図６の場合、回転は、トーション・バ
ー５６及び５８によって形成されるｘ軸まわりで生じる
ことになる。第２のムーバ７８を静電駆動すると、ムー
バが変位して、図７に図示されるように出入り方向に移
動することになる。従って、第２のムーバ７８が変位す
ると、リング部材５４（従って、マイクロミラー５０）
は、トーション・バー６０及び６２によって形成される
ｙ軸まわりで回転する。
【００３５】これらの軸の一方のまわりでマイクロミラ
ー５０を回転させるために用いられるモータは、２つの
構成要素、即ち、固定子と並進器から構成される。図７
の実施態様の場合、固定子は、ムーバ基板６４であり、
２つの並進器、即ち、ムーバ７６及び７８が存在する。
しかし、応用例によっては、単一ムーバを利用できるも
のもある。例えば、２つの方向のいずれかに移動させる
ため、静電起動される単一ムーバに、突出部７４の端部
を結合することが可能である。移動が、２つの構成要素
の表面に対して平行であり、その力が、これらの表面に
印加される電圧によって発生するので、モータは、ここ
では、表面静電アクチュエータとして説明される。表面
静電アクチュエータについては、本発明の譲受人に譲渡
された、Ｈｏｅｎ他に対する米国特許第５，９８６，３
８１号にも記載がある。
【００３６】図８には、２つのムーバ７６及び７８と、
ムーバを突出部７４に接続するための手段の平面図が示
されている。ムーバは、ムーバを所望の移動方向に１０
０μｍシフトさせることができるが、ムーバが他の方向
へ移動しないようにするビームたわみ材を曲げることに
よって、ムーバ基板（図８には示されていない）表面の
上方につり下げられている。コネクタ・ロッド８０及び
８３は、それぞれ、関連する所望の移動軸に沿った変位
に対して強固でなければならないが、所望の移動軸に対
して垂直な変位には従わなければならない。例えば、ム
ーバ７６に接続されたコネクタ・ロッド８０は、ムーバ
７６の変位を突出部７４に直接結合しなければならない
が、第２のムーバ７８の作動によって生じる変位と、変
位時に生じる突出部７４の傾斜の両方に適応しなければ
ならない。図８のコネクタ・ロッド８０及び８３は、第
１の薄い曲げ部材８５及び８７によってムーバ７６及び
７８に連結されている。同様に、コネクタ・ロッドは、
第２の薄い曲げ部材８９及び９１によって突出部７４の
両端に連結されている。これらの曲げ部材は、突出部の
傾斜にある程度適応する。更に、各接続機構の領域は、
薄くなっているので、それが関連していないムーバの起
動によって開始される変位に対して比較的柔軟である。
この薄い領域は、ねじれに対しても比較的柔軟であるた
め、突出部の回転に適応することが可能である。
【００３７】ムーバ７６及び７８の下部表面には、組を
なす電極８２が含まれている。この組をなす電極は、基
板６４の表面に沿った組をなす電極８４と略アライメン
トがとれている。ムーバに関連した２組の電極の一方の
電圧パターンを操作することによって、ムーバを起動す
ることができる。
【００３８】図９には、ムーバ７６又は７８における電
極パターンの実施態様の１つが示されている。ムーバの
下部表面は、２つの別個の組をなす電極が設けられてい
る。図９の配向において、駆動電極８２は、ｘ軸に対し
て平行に延びるように示されており、一方、浮揚電極８
６は、ｙ軸に対して平行に延びている。ムーバ基板６４
の対応する領域には、同様の組をなす電極がパターン化
されている。駆動電極８２は、移動方向に対して垂直に
アライメントがとられ、移動方向においてムーバの位置
決めを行うために利用される。これらの駆動電極に、適
合する電圧パターンを印加すると、電極によって、ムー
バ位置において周期的な１組のポテンシャルの井戸が生
じることになる。
【００３９】図１０には、駆動電極に関する電圧パター
ンの１つが示されている。電極は、ムーバ上の６つの駆
動電極８２のそれぞれに対して、基板６４に沿って７つ
の駆動電極８４が存在するように構成されている。ムー
バ電極は、空間的に交番する印加電圧パターンを備えて
いる。即ち、所定の電極が１２Ｖに保持される場合、最
も近い隣接電極は０Ｖに保持される。このパターンが、
ムーバの下部表面に沿って繰り返される。同様の電圧パ
ターンが、基板電極８４にも印加される。しかし、基板
の電圧パターンは、単一の崩壊部分、即ち、交互パター
ンが崩れる場所が含まれている。この崩壊は、この特定
の実施態様の場合、７つの電極につき１回ずつ生じる
が、他の構成に置き換えることも可能である。ムーバ７
６を変位させるため、これらの崩壊部分は一方の方向又
はもう一方の方向に移動させられる。図１０の場合、崩
壊部分は、両方とも１２Ｖのバイアスがかけられた中心
対をなす電極によって形成される。崩壊部分を右に移動
させると、中心対の右側の電極が、１２Ｖから０Ｖにス
イッチされる。崩壊部分は、この時点で、両方とも０Ｖ
のバイアスがかけられた１対の隣接電極によって形成さ
れることになる。同様に、崩壊部分を順次右に移動させ
ることが可能である。崩壊部分が右に移動すると、ムー
バは左に変位する。変位の工程・サイズは、ムーバに沿
った電極のピッチと、１グループをなす基板電極の数の
両方によって決まる。即ち、変位工程・サイズは、ムー
バの電極ピッチを、１グループをなす基板電極の数で割
った値である。例えば、ムーバの電極ピッチが１ミクロ
ンであれば、図１０に示す電圧パターンをスイッチする
と、並進器が０．１４３ミクロンずつ移動する。
【００４０】この静電装置のもう１つの特徴は、ムーバ
の位置が、崩壊部分に印加される相対電圧によって線形
に決まるという点である。例えば、駆動電圧の３５％
が、崩壊電極に印加されると、並進器は、全工程距離の
３５％、即ち、この場合、５０ｎｍ移動する。留意すべ
きは、各電極８２及び８４の駆動電圧を一様に変化させ
ても、ムーバが加えることのできる力の量が変化するだ
けであるため、ムーバの位置は変化しないという点であ
る。この駆動構成のもう１つの特徴は、所定の電圧に対
して極めて大きい力が生じるという点である。静電装置
によって加えることの可能な最大力は、コンデンサの２
つのプレート間における吸引力、即ち、Ｆ cap＝− 0Ａ
Ｖ2／（２ｄ2）であり、ここで、Ａは、コンデンサの表
面積であり、ｄは、プレート間の間隔である。このモー
タによって加えられる力は、この最大力の〜２５％であ
り、側方に加えられる。
【００４１】付勢されると、駆動電極８２及び８４は、
ムーバ７６とムーバ基板６４の間にもかなりの吸引力を
加える。駆動電極が唯一の静電素子である場合、支持た
わみ材が安定する吸引力の範囲が狭いので、この吸引力
によって移動範囲が制限される。前述のように、ムーバ
７６は、たわみ材によって基板６４の上方に支持される
のが望ましい。システムに浮揚（反発）電極を追加する
と、吸引力が相殺され、移動範囲が大幅に拡大され、側
方の力が大幅に増大する。図９及び図１０には、浮揚電
極の構成の１つが示されている。回転子（即ち、ムーバ
７６）における浮揚電極のピッチは、固定子（即ち、基
板６４）における浮揚電極のピッチと同じである。電圧
パターンは、回転子電極８６と固定子電極（不図示）の
両方の印加されるので、回転子のバイアスのかかった電
極は、固定子のバイアスのかかった電極と真向かいの位
置につく。同様に、２つの表面の接地電極は、互いに真
向かいの位置につく。適正な電極電圧及び電極間隔を選
択すると、２つの素子６４と７６の間に静電電圧によっ
て反発力を生じさせることが可能である。この効果は、
電極間の周縁電界のために生じる。図９及び図１１に示
す浮揚電極は、同様のサイズのコンデンサによって発生
する最大力の３０％ほどを発生するが、この場合、この
力によって、２つの電極が直接押し離される。前述のよ
うに、浮揚電極は、ムーバ７６の移動方向に対して平行
になるようにアライメントがとられている。従って、ム
ーバの側方変位時に、浮揚電極によって加えられる力
は、一定である。
【００４２】図１２及び図１３には、モータに浮揚電極
８６及び８８を追加する効果がグラフで示されている。
図１３のグラフには、側方及び面外の力が、ムーバと、
表面積が１ｍｍ2で、基板電極のピッチが１μｍのムー
バ基板との間のギャップの関数として示されている。こ
の計算では、ムーバが、幅が１μｍで、厚さが４０μ
ｍ、長さが５００μｍの折り返しビームたわみ材によっ
て支持されているものと仮定されている。１．７５Ｖの
バイアス電圧が、ムーバが不安定になって、基板に急降
下する前に、浮揚電極に印加可能な最高電圧である。こ
の不安定性は、図１３のグラフにおいて、ゼロである１
つのポイントを除けば、面外力が常に負であるという事
実によって明らかである。この安定性に乏しいケースで
は、側方力は、バネをかろうじて１５０μｍ曲げるだけ
の強さしかない。駆動電極に浮揚電極を追加すると、利
用可能な力、及び、行程が大幅に増大する。図１２のグ
ラフには、浮揚電極と駆動電極の間で、１ｍｍ2の領域
が均等に分割されているモータの側方力と面外力が示さ
れている。留意すべきは、１２Ｖ印加される場合でも、
モータは１．２５ｍｍの位置にあって極めて安定してい
るという点である。モータが加えることの可能な側方力
は、今や、たわみ材を１５０μｍ曲げるのに必要な力の
４倍である。
【００４３】モータは、上記表において識別される性能
要件の多くを満たすことが期待される。位置の正確度
は、製造時に固定された平均電極ピッチによって略完全
に決まる。曲げ剛性又は印加バイアス電圧をいかように
変化させても、ほとんど影響はない。従って、このモー
タによれば、マイクロミラーの位置決めが正確かつ再現
可能に行われるはずである。電圧から側方力への変換効
率のため、モータをあまり大きくする必要がないので、
マイクロミラーの間隔を極めて密にすることができる。
図１２及び１２に示す側方力は、ムーバ７６の１０ｇの
加速を生じさせるのに十分である。ムーバが、１００μ
ｍの厚さで、マイクロミラーの位置決めに１５０μｍ移
動する必要があると仮定すると、また、マイクロミラー
の有効サイズが、ムーバの質量の約３倍であると仮定す
ると、フィードバックせずに、マイクロミラーを位置決
めする時間は、約５ｍｓになる。出力コリメータに対す
るビーム位置を微同調させるフィードバックを伴う場合
でも、マイクロミラーは、１０ｍｓ内に位置決めされる
はずである。ムーバを位置決めする力は、１０ｇまでの
加速に耐えることができるので、設計全体として、かな
りの衝撃に対する耐性を備えているはずである。起動さ
れない限り、モータ自体は、電力を必要としないので、
電力消費はかなり微量になるはずである。しかし、モー
タは安定したバイアス電圧を必要とする。従って、関連
するＣＭＯＳ電子装置を動作させるのに多少の電力が必
要になる。ムーバと組をなす基板電極の膨張又は収縮時
に、基板に対するアクチュエータ位置は変化しないの
で、熱安定性は良好であるはずである。マイクロミラー
の角位置は、全て、単結晶シリコンから構成されるコン
ポーネントによって決まるので、温度変化が生じても、
その温度変化が一様である限りにおいて、マイクロミラ
ー角度に影響を及ぼさないはずである。
【００４４】〔代替実施形態〕図１４乃至図１７には、
本発明のもう１つの実施形態が例示されている。この実
施態様の場合、マイクロミラー９０の一方の側は、フレ
ーム９４によって基板９２に対して支持されている。マ
イクロミラーの構造は、上述のものと同じにすることが
可能である。即ち、マイクロミラーは、金のような反射
材料の薄いコーティング（例えば、２０００オングスト
ローム（約２００ｎｍ））を施した、厚さが約１００ミ
クロンの単結晶シリコンから構成することが可能であ
る。このマイクロミラーは、２軸装置である。本実施形
態には、平行な方向に移動する２つのムーバ９６及び９
８が含まれている。しかし、他の実施形態も企図され
る。例えば、マイクロミラーが直交する経路を辿るよう
に、ムーバとマイクロミラー９０を接続することが可能
である。別の実施態様では、静電力の印加によって決ま
る直交方向に変位させることが可能な単一ムーバが設け
られている。
【００４５】各ムーバ９６及び９８は、３つのビームた
わみ材１００、１０２、及び、１０４によって基板９２
の上方に支持されている。各ビームたわみ材は、Ｅ字形
をしており、両端の脚が基板に固定され、中央の脚が関
連するムーバに固定されている。たわみ材は、厚さ２μ
ｍで、深さ１００μｍとすることが可能である。
【００４６】ムーバ９６は、ミラー駆動ロッド１０６及
び薄膜たわみ材１０８によってマイクロミラー９０に結
合されている。同様に、ムーバ９８は、フレーム駆動ロ
ッド１１０及び１対の薄膜たわみ材１１２によってフレ
ーム９４に接続されている。薄膜たわみ材１０８及び１
１２は、図２の実施形態に関連して既述のトーション・
バー５６、５８、６０、及び、６２と略同じである。薄
膜たわみ材は、ロッド１０６及び１１０の上部表面に形
成される。図１４には明示されていないが、ムーバを駆
動ロッド１０６及び１１０に取り付けるため、ムーバの
下部表面に沿って、追加薄膜たわみ材が形成される。や
はり、材料は、膜厚が約１０００オングストローム（約
１００ｎｍ）の窒化珪素又はポリシリコンとすることが
可能である。図１４及び図１５に示す、フレーム９４を
支持部材１２２に接続するヒンジのかみ合いパターンに
よって、圧縮と張力の両方で、ヒンジに負荷を加えるこ
とが可能である。即ち、ヒンジの両側を引き離すのに役
立つ力を、ヒンジの両側に加えることが可能であり、ヒ
ンジの両側を互いに押しつけるのに役立つ力を、ヒンジ
の両側に加えることが可能である。例示のヒンジには、
ヒンジに圧縮による負荷が加えられる場合にうまく機能
するＴ字形突出部材１１８と、ヒンジに張力による負荷
が加えられる場合にうまく機能する第２の突出部材１２
０が含まれている。
【００４７】図１５乃至図１７に示すように、ヒンジの
突出部材１１８及び１２０は、薄膜たわみ材１２４によ
って支持部材１２２に結合されている。支持部材１２２
は、接続層１２６によって基板９２に接続されている。
薄膜たわみ材１２８は、ムーバ９８をフレーム駆動ロッ
ド１１０のヒンジ付き領域１３０に接続するためにも用
いられる。
【００４８】図１６には、休止位置にあるマイクロミラ
ー９０が示されている。ムーバ９８を駆動する表面静電
装置には、ムーバ上の１組の電極１１４と、基板９２上
のもう１組の電極１１６が含まれている。この電極パタ
ーンは、図９に関連して既述のパターンと一致すること
が望ましい。従って、６つのムーバ電極１１４の全て
に、７つの基板電極１１６が存在する。これは、好まし
い実施形態であるが、本発明を逸脱することなく、他の
構成を利用することも可能である。組をなす電極１１４
及び１１６は、駆動電極である。図１６及び１７には示
されていないが、ムーバ９８及び基板９２には、浮揚電
極も含まれている。図１４のムーバ９６には、ムーバを
浮揚させ、駆動するための同様の表面静電装置が含まれ
ている。
【００４９】ムーバ９８が休止位置にある場合、マイク
ロミラー９０の反射表面は、ムーバの上部表面と平行な
状態にある。即ち、フレーム９４及びマイクロミラー
は、図１６に例示の位置にある。しかし、組をなす駆動
電極１１４及び１１６の一方又は両方に沿った電圧パタ
ーンを変化させて、ムーバに付勢すると、ムーバは、フ
レーム駆動ロッド１１０に沿って力を加える。ムーバを
右方向に変位させると、フレーム駆動ロッドに加えられ
る力は、フレーム９４及びマイクロミラーを旋回させ
て、ムーバの面外に押しやることになる。薄膜たわみ材
１１２、１２４、及び、１２８によって、フレーム９４
を旋回させ、図１７に示す面外位置につけることが可能
である。マイクロミラーは、図１６の休止位置から少な
くとも約２０゜回転可能であることが望ましい。回転は
少なくとも３０゜に達するのがより望ましい。最も望ま
しい実施態様では、回転は、４５゜に達する。
【００５０】もう一度図１４を参照すると、ムーバ９６
の動作は、ムーバ９８の動作と略同じである。しかし、
多少の複雑さが加味される。ムーバ９６とマイクロミラ
ー９０との間の接続は、マイクロミラーが、フレーム９
４に対して傾斜する際、及び、基板９２に対して傾斜す
る際、多少のねじれを可能にしなければならないので、
ミラー駆動ロッド１０６とマイクロミラー９０の間のた
わみ接続は、より困難である。ミラー駆動ロッド１０６
に沿った解放セクション１３２によって、マイクロミラ
ーの傾斜時における曲げが容易になる。留意すべきは、
フレーム駆動ロッドがフレーム９４の移動を妨げるの
で、図１６に示すように、フレーム９４、マイクロミラ
ー９０、及び、フレーム駆動ロッド１１０が同一平面上
にある間に、ムーバ９６によるミラーの回転を開始すべ
きではないという点である。従って、マイクロミラー
は、ムーバ９６の傾斜移動前に、傾斜させるべきであ
る。ムーバ９６は、少なくとも２０゜マイクロミラー９
０を回転させることが可能である。少なくとも３０゜回
転するのが、より望ましい。
【００５１】〔作用又は動作〕上述の２軸マイクロミラ
ーの実施態様の任意の１つを利用した、図１の光学スイ
ッチの動作には、開ループ電子装置と閉ループ電子装置
の組み合わせを含むことが可能である。コリメータ・ア
レイ１４の第１の出力ファイバから第２の出力ファイバ
に入力光ビーム３０を移動させる信号を受信すると、第
１のマイクロミラー・アレイ１６のマイクロミラー２２
が、２つの軸に沿って回転し、第２のマイクロミラー・
アレイ１８のマイクロミラー２６からの光ビーム３２を
第３のマイクロミラー２８に移動させる。マイクロミラ
ー２２の回転中に、ビーム３２は、ビームが中間マイク
ロミラーにぶつかることのない、第２のマイクロミラー
・アレイ１８の領域内を進行させられる。結果として、
光学クロストークが回避される。これは、マイクロミラ
ーによって、マイクロミラー・アレイのスペースの２５
％〜３３％だけしか充填されないために可能になる。ビ
ームの移動中、第２の出力ファイバに関連したマイクロ
ミラーは、第１のマイクロミラー２２からビームを受光
し、ビームを第２の出力ファイバに正確に反射するよう
に、２つの回転軸に沿って操作される。静電表面アクチ
ュエータは、優れた精度と再現性を備えているはずであ
るので、これらの移動及び位置決めは、開ループ電子装
置を利用して可能になる。このタイプの精度及び移動範
囲は、櫛形駆動装置、スクライブ駆動装置、圧電素子、
又は、静電ギャップ閉鎖駆動装置といった、代替駆動機
構を用いる場合よりも可能性が低い。ビームは、極めて
正確な入射角をなすように出力光ファイバに対して位置
決めされる。出力ファイバに対するビームの位置決めが
済むと、光信号がモニタされ、最適な結合が得られるよ
うに、マイクロミラーの位置に微同調を加えるために利
用される。
【００５２】〔製造プロセス〕次に図１８を参照する
と、本発明による光学スイッチの製造プロセスには、表
面静電ムーバのアレイを形成する工程１３４が含まれて
いる。この工程には、ムーバの静電操作を可能にする表
面静電装置のパターン化が含まれる。図９、図１０、及
び図１１に関連して既述のタイプのような表面静電装置
は、ムーバの表面、及び、ムーバが形成される基板の表
面に製作することが可能である。望ましい実施態様の場
合、表面静電装置には、駆動電極と浮揚電極の両方が含
まれている。
【００５３】工程１３６及び１３８では、２軸マイクロ
ミラー・アレイが、形成され、ムーバによる操作を受け
るように支持されている。図１４乃至図１６の実施態様
の場合、マイクロミラーとムーバが、同じ基板上に共通
の処理で形成されるので、工程１３６及び１３８は同時
に実行される。一方、図６及び７の場合、ムーバとマイ
クロミラーが、その後で、図７に示すアセンブリが得ら
れるように接続される独立した基板上に製作されるの
で、これらの工程は別個に実施される。
【００５４】設計の重要な特徴は、マイクロミラーが、
４×４アレイ（一例として）をなすように製造し、更
に、システム全体が得られるように、統合的にタイリン
グを施すことが可能であるという点である。例えば、３
６の４×４アレイをタイリングすることによって、５７
６×５７６のスイッチを製造することができる。更に、
４×４アレイを基本単位として利用して、スイッチの完
全な生産ラインを設けるのは容易である。２５ミクロン
の許容誤差で、個々のマイクロミラーとその関連するフ
ァイバのアライメントをとるだけですむので、タイリン
グは可能である。アレイの個々のミラーは、タイリング
・プロセスにおいて導入されるいかなる傾斜にも適応す
ることが可能である。完全なシステムのアセンブルが済
むと、個々のミラーに較正を施して、電子メモリにその
情報を記憶し、総合システム・コントローラと共に出荷
することが可能になる。
【００５５】図１８のタイリング・工程１４０は、それ
ぞれ、１．１ｍｍ×１．５ｍｍのマイクロミラーによる
４×４アレイで実行することが可能である。これらの寸
法のマイクロミラーは、太さが３２０μｍのビームの操
向に適している。従って、単一チップを用いて、６２５
×６２５ものスイッチのタイリングを行うことが可能で
ある。図１の第１アレイ１６と第２のアレイ１８の側方
アライメント及び角アライメントは、無理のない初歩的
なものであるため、タイリングが可能である。±２５ミ
クロンの側方許容誤差は、当然可能であり、アセンブル
された光学スイッチ１０の初期較正によって、いかなる
角ミスアライメントも補償することが可能である。タイ
リングによって、個々の４×４アレイを個別に生じさせ
ることが可能になり、また、スイッチが特定のウェーハ
・サイズよりかなり大きくなるようにすることが可能に
なる。
【００５６】工程１４２は、図１に示すようなシステム
が得られるように、マイクロミラー・アレイ及びコリメ
ータ・アレイの位置決めを施す工程である。次に、較正
を実施することができる。光学スイッチの好適な実施態
様には、静電駆動されるムーバが含まれており、１対の
マイクロミラー・アレイ１６及び１８が含まれている
が、他の実施態様も企図されている。例えば、光学系に
は、２つのマイクロミラー・アレイを含むことが可能で
あるが、表面静電起動によって得られる以外の技法を利
用して、マイクロミラーを２つの軸まわりで操作するこ
とが可能である。
【００５７】以上の好適実施形態に沿って本発明を説明
すると、本発明は、光信号の操向を行うためのマイクロ
マシンであって、基板（６４；９２）と、該基板に対す
る移動が可能になるように、該基板に隣接して支持され
た、マイクロミラー（２２、２６、２８；５０；９０）
と、それらの両端間に印加される電圧パターンに応答し
て、第１の静電力を発生するように、アライメントがと
られて構成される第１と第２の組をなす電極（８２、８
４）を含んでおり、前記マイクロミラーに連係し、前記
第１の静電力に応答して、前記基板に対して前記マイク
ロミラーを選択的に回転させる働きをする、第１の表面
静電装置（７６；９６）と、それらの両端間に印加され
る電圧パターンに応答して、第２の静電力を発生するよ
うに、アライメントがとられて構成される第３と第４の
組をなす電極（１１４、１１６）を含んでおり、前記マ
イクロミラーに連係し、前記第２の静電力に応答して、
前記基板に対して前記マイクロミラーを選択的に回転さ
せる働きをする、第２の表面静電装置（７８；９８）が
含まれており、前記第１の表面静電装置の操作による前
記マイクロミラーの回転が、前記第２の表面装置の前記
マイクロミラー操作によって辿ることになる角度経路と
は別個の角度経路を辿ることを特徴とするマイクロマシ
ンを提供する。
【００５８】好ましくは、前記第１の表面静電装置に、
第１の経路に沿って交互変位可能であり、前記マイクロ
ミラー（２２、２６、２８；５０；９０）に結合され
て、前記第１の経路に沿って変位する際、第１の軸まわ
りにおける回転を制御する働きをする第１のムーバ（７
６；９６）が含まれていることと、前記第２の表面静電
装置に、第２の経路に沿って交互変位可能であり、前記
マイクロミラーに結合されて、前記第２の経路に沿って
変位する際、第２の軸まわりにおける回転を制御する働
きをする第２のムーバ（７８；９８）が含まれている。
【００５９】好ましくは、前記第２及び第４の組をなす
電極（８４、１１６）が、一般に、前記基板（６４；９
２）の表面に沿って互いに略垂直であることと、前記第
１の組をなす電極（８２）が、前記第２の組をなす電極
と略アライメントがとれるように、前記第１のムーバ
（７６；９６）上に形成され、前記第３の組をなす電極
（１１４）が、前記第４の組をなす電極と略アライメン
トがとれるように、前記第２のムーバ（７８；９８）上
に形成される。
【００６０】好ましくは、更に、前記第１及び第２のム
ーバ（７６、７８；９６、９８）のそれぞれに沿った、
また、前記基板（６４；９２）の前記表面における対応
する位置に沿った組をなす浮揚電極（８６）が含まれる
ことと、前記浮揚電極に、前記基板と前記第１及び第２
のムーバのそれぞれとの間に反発力を生じさせるように
構成されたパターンをなす電圧が供給される。
【００６１】好ましくは、更に、前記マイクロミラー
（２２、２６、２８；５０；９０）を支持するように接
続されたフレーム（５２；９４）が含まれていること
と、前記第１のムーバが、前記フレームを操作して、前
記マイクロミラーを前記第１の軸まわりで回転させるよ
うに結合されていることと、前記第２のムーバ（７８；
９８）が、前記フレームとは関係なく、前記マイクロミ
ラーを操作するために、前記マイクロミラーに接続され
ている。
【００６２】好ましくは、前記マイクロミラー（２２、
２６、２８；５０；９０）が、前記基板（６４；９２）
に沿った複数の略同じマイクロミラーの１つであること
と、各前記マイクロミラーが、２つの軸まわりで回転さ
せることが可能であり、専用の第１及び第２の表面静電
装置と有効に連係している。
【００６３】好ましくは、更に、前記第１、第２、第
３、及び、第４の組をなす電極（８２、８４、１１４、
１１６）に接続されて、前記組をなす電極のうち少なく
とも２組に印加される電圧パターンを選択的に変化さ
せ、これによって、前記第１及び第２の静電力を選択的
に変化させるコントローラが含まれる。
【００６４】更に本発明は、光学マイクロマシンを製造
するための方法であって、基板（６４；９２）を設ける
工程と、前記基板上に複数の表面静電ムーバ（７６、７
８；９６、９８）を形成し、静電力に応答して、前記ム
ーバを別個に操作できるようにする工程と、前記基板に
対して複数のマイクロミラー（２２、２６、２８；５
０；９０）を支持し、これにより、各前記マイクロミラ
ーが、略直交する第１と第２の軸まわりで回転できるよ
うにし、また、前記静電ムーバの操作によって、前記第
１と第２の軸まわりで前記マイクロミラーの回転が生じ
るようにする工程が含まれる製造方法を提供する。
【００６５】好ましくは、前記マイクロミラー（２２、
２６、２８；５０；９０）の前記支持工程に、前記基板
（６４；９２）上にフレーム（５２；９４）を製作する
工程と、前記基板上に前記マイクロミラーを製作して、
前記マイクロミラーが前記フレームによって支持される
ようにする工程が含まれることと、前記静電ムーバ（７
６、７８；９６、９８）が、これにより、前記フレーム
及び前記マイクロミラーと一体化される。
【００６６】好ましくは、前記静電ムーバ（７６、７
８；９６、９８）の前記形成工程に、前記基板表面上に
第１の組をなす電極（８２）をパターン化する工程と、
各静電ムーバの表面上に第２の組をなす電極（８４）を
パターン化する工程が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２軸マイクロミラー・アレイを利
用した１６×１６光学スイッチの概略図である。
【図２】本発明による２つの２軸マイクロミラー・アレ
イを位置決めするための第１の実施形態の概略を表した
平面図である。
【図３】図２に表したものの側面図である。
【図４】本発明による２軸マイクロミラー・アレイを位
置決めするための第２の実施態様平面図である。
【図５】図４に表したものの側面図である。
【図６】本発明の実施態様の１つによるマイクロミラー
・アレイの平面図である。
【図７】２つの軸まわりでマイクロミラーを操作するた
めのアクチュエータを備えるムーバ基板に接続された、
図６のマイクロミラーの１つの側面図である。
【図８】図７のマイクロミラーを操作するための１対の
アクチュエータを抜き出した平面図である。
【図９】垂直な配向が施された駆動電極と水平な配向が
施された浮揚電極を示す図７のムーバの底面図である。
【図１０】特定の時間における駆動電極に沿った電圧パ
ターンを示す、図７のムーバ及びムーバ基板の側面図で
ある。
【図１１】浮揚電極に沿った可能性のある電圧パターン
を示す、図７のムーバ及びムーバ基板における浮揚電極
の構成の１つに関する端面図である。
【図１２】表面積が１ｍｍ2で、駆動電極と浮揚電極の
両方を備えた表面静電駆動装置に関する側方力（即ち、
面内力）と面外力のグラフである。
【図１３】１ｍｍ2の駆動装置に駆動電極だけしか含ま
れていない場合の、側方力（即ち、面内力）と面外力の
グラフである。
【図１４】２つの軸まわりでマイクロミラーを操作する
静電駆動ムーバを備えたマイクロマシンの他の１つの実
施形態に関する平面図である。
【図１５】図１４のマイクロマシンのムーバ及びフレー
ムの１つに関する平面図である。
【図１６】休止位置が示された、図１５のムーバ及びフ
レームの側面図である。
【図１７】動作状態が示された、図１６のムーバ及びフ
レームの側面図である。
【図１８】本発明による光学スイッチを製作するための
工程のプロセス流れ図である。
【符号の説明】
２２ マイクロミラー ２６ マイクロミラー ２８ マイクロミラー ５０ マイクロミラー ５２ フレーム ７６ 第１の静電装置 ７８ 第２の静電装置 ８２ 第１の組をなす電極 ８４ 第２の組をなす電極 ８６ 浮揚電極 ９０ マイクロミラー ９２ 基板 ９４ フレーム ９６ 第１の静電装置 １１４ 第３の組をなす電極 １１６ 第４の組をなす電極
フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ.

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光信号の操向を行うためのマイクロマシン
    であって、 基板と、 該基板に対する移動が可能になるように、該基板に隣接
    して支持された、マイクロミラーと、 それらの両端間に印加される電圧パターンに応答して、
    第１の静電力を発生するように、アライメントがとられ
    て構成される第１と第２の組をなす電極を含んでおり、
    前記マイクロミラーに連係し、前記第１の静電力に応答
    して、前記基板に対して前記マイクロミラーを選択的に
    回転させる働きをする、第１の表面静電装置と、 それらの両端間に印加される電圧パターンに応答して、
    第２の静電力を発生するように、アライメントがとられ
    て構成される第３と第４の組をなす電極を含んでおり、
    前記マイクロミラーに連係し、前記第２の静電力に応答
    して、前記基板に対して前記マイクロミラーを選択的に
    回転させる働きをする、第２の表面静電装置が含まれて
    おり、 前記第１の表面静電装置の操作による前記マイクロミラ
    ーの回転が、前記第２の表面装置の前記マイクロミラー
    操作によって辿ることになる角度経路とは別個の角度経
    路を辿ることを特徴とするマイクロマシン。
  2. 【請求項２】前記第１の表面静電装置に、第１の経路に
    沿って交互変位可能であり、前記マイクロミラーに結合
    されて、前記第１の経路に沿って変位する際、第１の軸
    まわりにおける回転を制御する働きをする第１のムーバ
    が含まれていることと、前記第２の表面静電装置に、第
    ２の経路に沿って交互変位可能であり、前記マイクロミ
    ラーに結合されて、前記第２の経路に沿って変位する
    際、第２の軸まわりにおける回転を制御する働きをする
    第２のムーバが含まれていることを特徴とする、請求項
    １に記載のマイクロマシン。
  3. 【請求項３】前記第２及び第４の組をなす電極が、一般
    に、前記基板の表面に沿って互いに略垂直であること
    と、前記第１の組をなす電極が、前記第２の組をなす電
    極と略アライメントがとれるように、前記第１のムーバ
    上に形成され、前記第３の組をなす電極が、前記第４の
    組をなす電極と略アライメントがとれるように、前記第
    ２のムーバ上に形成されることを特徴とする、請求項２
    に記載のマイクロマシン。
  4. 【請求項４】更に、前記第１及び第２のムーバのそれぞ
    れに沿った、また、前記基板の前記表面における対応す
    る位置に沿った組をなす浮揚電極が含まれることと、前
    記浮揚電極に、前記基板と前記第１及び第２のムーバの
    それぞれとの間に反発力を生じさせるように構成された
    パターンをなす電圧が供給されることを特徴とする、請
    求項３に記載のマイクロマシン。
  5. 【請求項５】更に、前記マイクロミラーを支持するよう
    に接続されたフレームが含まれていることと、前記第１
    のムーバが、前記フレームを操作して、前記マイクロミ
    ラーを前記第１の軸まわりで回転させるように結合され
    ていることと、前記第２のムーバが、前記フレームとは
    関係なく、前記マイクロミラーを操作するために、前記
    マイクロミラーに接続されていることを特徴とする、請
    求項２、３、又は、４に記載のマイクロマシン。
  6. 【請求項６】前記マイクロミラーが、前記基板に沿った
    複数の略同じマイクロミラーの１つであることと、各前
    記マイクロミラーが、２つの軸まわりで回転させること
    が可能であり、専用の第１及び第２の表面静電装置と有
    効に連係していることを特徴とする、請求項１、２、
    ３、４、又は、５に記載のマイクロマシン。
  7. 【請求項７】更に、前記第１、第２、第３、及び、第４
    の組をなす電極に接続されて、前記組をなす電極のうち
    少なくとも２組に印加される電圧パターンを選択的に変
    化させ、これによって、前記第１及び第２の静電力を選
    択的に変化させるコントローラが含まれている、請求項
    １、２、３、４、５、又は、６に記載のマイクロマシ
    ン。
  8. 【請求項８】光学マイクロマシンを製造するための方法
    であって、 基板を設ける工程と、 前記基板上に複数の表面静電ムーバを形成し、静電力に
    応答して、前記ムーバを別個に操作できるようにする工
    程と、 前記基板に対して複数のマイクロミラーを支持し、これ
    により、各前記マイクロミラーが、略直交する第１と第
    ２の軸まわりで回転できるようにし、また、前記静電ム
    ーバの操作によって、前記第１と第２の軸まわりで前記
    マイクロミラーの回転が生じるようにする工程が含まれ
    ることを特徴とする、製造方法。
  9. 【請求項９】前記マイクロミラーの前記支持工程に、前
    記基板上にフレームを製作する工程と、前記基板上に前
    記マイクロミラーを製作して、前記マイクロミラーが前
    記フレームによって支持されるようにする工程が含まれ
    ることと、前記静電ムーバが、これにより、前記フレー
    ム及び前記マイクロミラーと一体化されることを特徴と
    する、請求項８に記載の製造方法。
  10. 【請求項１０】前記静電ムーバの前記形成工程に、前記
    基板表面上に第１の組をなす電極をパターン化する工程
    と、各静電ムーバの表面上に第２の組をなす電極をパタ
    ーン化する工程が含まれることを特徴とする、請求項８
    又は９に記載の製造方法。
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