JP2003248182A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動電圧を低くしつつ、大ストローク化を図
ることができる光スイッチを提供する。 【解決手段】 光スイッチ１は、上面に電極６が設けら
れた平面導波路２を有している。平面導波路２上には、
可動部材１２の片持ち梁１３が片持ち支持され、この片
持ち梁１３の先端には、平面導波路２の光路上を通る光
を遮断するミラー１４が固定されている。片持ち梁１３
には、可動部材１２の駆動を補助するための複数の駆動
補助用突起１５が櫛歯状に設けられている。平面導波路
２には、各駆動補助用突起１５が入り込む複数の突起収
容用凹部１６が設けられている。突起収容用凹部１６の
底面及び両側面には電極１７が設けられている。可動部
材１２と電極６，１７との間に電圧を印可すると、両者
間に静電気力が発生し、ミラー１４が下方に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光計測等
に用いられる光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光スイッチとしては、例えば、Ro
bustness and reliability of micromachined scanning
mirrors, Proc.of MOEMS'99, pp. 120-125, 1999に記
載されているものが知られている。この光スイッチは、
表面マイクロマシニングによって形成したミラーを、同
時に形成した静電アクチュエーターで基板上に立てて使
用するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、静電アクチュエーターのストローク
を大きくするためには、駆動初期の対向電極間距離を大
きくする必要がある。この場合には、対向電極間に働く
単位電圧当たりの静電気力が弱くなるため、駆動電圧を
上げざるを得なかった。このように駆動電圧を高くする
と、光スイッチの消費電力が増大してしまう。

【０００４】本発明の目的は、駆動電圧を低くしつつ、
大ストローク化を図ることができる光スイッチを提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、光路を有する
ベース部材と、ベース部材に片持ち支持され、光路上を
通る光を遮断するミラーを有する可動部材と、可動部材
に設けられ、可動部材の駆動を補助するための駆動補助
用突起と、ベース部材に設けられ、駆動補助用突起が入
り込む突起収容部と、ベース部材の上面部に設けられた
第１電極と、突起収容部に設けられた第２電極と、可動
部材と第１電極および第２電極との間に静電気力を発生
させることにより、ミラーが上下方向に移動するように
可動部材を駆動する手段とを備えることを特徴とするも
のである。

【０００６】このような光スイッチにおいて、例えば可
動部材がベース部材に対して上方に反っている初期状態
で、可動部材と電極との間に所定の電圧を印可すると、
両者間に生じる静電気力によって可動部材が電極に引き
寄せられ、これに伴ってミラーが下がり、光路上を通る
光を遮断させる位置に達する。このとき、可動部材には
駆動補助用突起が設けられ、ベース部材には駆動補助用
突起が入り込む突起収容部が設けられ、この突起収容部
にも電極（第２電極）が設けられているので、初期状態
において可動部材と電極とのギャップが狭い部分の面積
が増大する。このため、可動部材と電極との間に働く単
位電圧当たりの静電気力が大きくなる。これにより、可
動部材のストロークを大きくすべく、初期状態における
可動部材の反り量を大きくした場合であっても、可動部
材を低電圧で駆動することができる。

【０００７】好ましくは、駆動補助用突起は櫛歯状に複
数設けられ、突起収容部は、駆動補助用突起に対応して
複数設けられている。これにより、可動部材および電極
の表面積が大きくなるので、初期状態において可動部材
と電極とのギャップが狭い部分の面積が更に増大する。
従って、可動部材をより低電圧で駆動することができ
る。

【０００８】また、好ましくは、駆動補助用突起は、可
動部材の下側に突出するように設けられ、突起収容部
は、ベース部材の上面に開口した凹部を有し、第２電極
は、凹部の少なくとも両側面に設けられている。この場
合には、可動部材の剛性が高くなるので、可動部材が駆
動される時の共振周波数が高くなる。これにより、可動
部材の応答速度が上がるため、高速スイッチングが可能
となる。

【０００９】また、駆動補助用突起は、可動部材の先端
側に突出するように設けられ、突起収容部は、可動部材
側に突出した複数の突部を有し、第２電極は、各突部の
両側面に設けられている構成としてもよい。この場合に
は、可動部材と電極との間に生じる静電気力が可動部材
の先端部に集中してかかるため、可動部材の先端部に設
けられたミラーをスムーズに移動させることが可能とな
る。また、ミラー面に複数の櫛歯状の駆動補助用突起を
設けた構造とした場合に、駆動補助用突起と第２電極と
の間に働く静電引力をミラー面の左右両側で同じにし
て、可動部材の駆動によるミラーと光軸との角度ずれを
確実に防止できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光スイッチの
好適な実施形態について、図面を参照しながら説明す
る。

【００１１】図１は、本発明に係る光スイッチの第１の
実施形態を示す垂直方向断面図である。同図において、
本実施形態の光スイッチ１はＯＮ／ＯＦＦスイッチであ
る。光スイッチ１は、Ｓｉ等からなるベース基板である
平面導波路２を有し、この平面導波路２は、コア部３
と、このコア部３の周囲に形成されたクラッド部４とを
有している。コア部３は、例えば縦横の長さが５〜５０
０μｍの断面矩形状をなしている（図３参照）。

【００１２】平面導波路２の中央部には、上面に開口し
平面導波路２の幅方向に延びる溝部５が設けられてお
り、この溝部５においてコア部３の一部分がカットさ
れ、光路Ａ，Ｂを形成している。平面導波路２の片側に
おいて、平面導波路２の上面にはＮｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａ
ｕ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｔｉ等の金属からなる電極６が設けら
れ、この電極６上にはＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、樹脂、Ｔａ
Ｏ₂、強誘電体等からなる絶縁層７が設けられている。

【００１３】このような平面導波路２上にはミラーデバ
イス８が載置・固定されている。ミラーデバイス８は、
Ｓｉ等で形成されると共に凹部９ａをもった基板９を有
し、この基板９の表面（下面）には、ＳｉＯ₂層１０及
び導電層１１を介して、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｉ合金、Ｃｕ合
金等で形成された可動部材１２が固定されている。この
可動部材１２は、平面導波路２の一端側で絶縁層７上に
片持ち支持された片持ち梁１３を有し、この片持ち梁１
３の先端側は溝部５の位置まで延びている。

【００１４】片持ち梁１３の先端部には、光路Ａ上を通
る光を遮断するミラー１４が固定されている。このミラ
ー１４は、平面導波路２の溝部５内に挿入可能となるよ
うに、片持ち梁１３の下側に突出している。なお、ミラ
ー１４の幅は、例えば５〜５００μｍであり、ミラー１
４の高さは、例えば５〜５００μｍである。

【００１５】また、片持ち梁１３の先端側には、図２に
示すように、可動部材１２の駆動を補助するための複数
の駆動補助用突起１５が可動部材１２の幅方向に櫛歯状
に配列されている。これらの駆動補助用突起１５は、ミ
ラー１４と同時に形成され、片持ち梁１３の基端側から
先端側に向かって延びるように片持ち梁１３の下側に突
出している。駆動補助用突起１５は、例えばミラー１４
と同等の高さ寸法を有している。また、駆動補助用突起
１５の厚み（配列方向の幅）は、例えば３〜４μｍであ
る。

【００１６】平面導波路２の片側には、図３及び図４に
示すように、上面に開口し各駆動補助用突起１５が入り
込む複数の突起収容用凹部１６が設けられている。これ
らの突起収容用凹部１６は、平面導波路２の幅方向に対
して垂直な方向に延びて溝部５とつながっている。

【００１７】突起収容用凹部１６の底面及び両側面に
は、電極６と同じ材質からなる電極１７が設けられ、こ
の電極１７上には、絶縁層７と同じ材質からなる絶縁層
１８が設けられている。電極１７は電極６と接続され、
絶縁層１８は絶縁層７と接続されている。つまり、突起
収容用凹部１６の部分では、電極および絶縁層がジグザ
グ状に形成されている。なお、突起収容用凹部１６の幅
は、例えば８〜１０μｍであり、突起収容用凹部１６の
深さは、例えば２５〜５２０μｍである。

【００１８】図１に戻り、片持ち梁１３と電極６は電圧
源１９を介して接続されており、この電圧源１９により
可動部材１２と電極６，１７との間に所定の電圧を印可
することで、可動部材１２と電極６，１７との間に静電
気力（静電引力）を発生させ、ミラー１４を上下方向に
移動させる。

【００１９】具体的には、初期状態では、図１に示すよ
うに、片持ち梁１３は、その基端部を支点として上方に
反っている。この状態では、ミラー１４は平面導波路２
の溝部５に入り込まず、光路Ａ上を通る光はスルーして
光路Ｂに導かれる。

【００２０】この状態において、電圧源１９により可動
部材１２と電極６，１７との間に所定の電圧を印可する
と、可動部材１２と電極６，１７との間に生じる静電気
力によって可動部材１２の先端側部分が電極６，１７に
引き寄せられる。これにより、図５に示すように、片持
ち梁１３はまっすぐ延びた状態となり、これに伴ってミ
ラー１４は下降して溝部５内に入り込む。この状態で
は、光路Ａ上を通る光はミラー１４で反射され、光路Ｂ
に導かれることは無い。

【００２１】このとき、可動部材１２に複数の駆動補助
用突起１５が設けられていると共に、各駆動補助用突起
１５が入り込む複数の突起収容用凹部１６の底面及び側
面に電極１７が形成されているので、初期状態において
可動部材１２と電極とのギャップが狭い部分の面積が増
大する。つまり、可動部材１２の基端側だけでなく、可
動部材１２の先端側でも、可動部材１２と電極とのギャ
ップが狭い部分が形成されることになる。このため、可
動部材１２と電極との間に働く単位電圧当たりの静電気
力が大きくなる。また、電極６，１７上に絶縁層７，１
８がそれぞれ形成されているので、可動部材１２と電極
との間の誘電率が高くなり、両者間に電荷がたまりやす
くなる。これによっても、可動部材１２と電極との間に
生じる静電気力を大きくする作用が働く。従って、初期
状態における片持ち梁１３の反り量が大きく、可動部材
１２の大ストロークを必要とする場合であっても、可動
部材１２を低電圧で安定して駆動することができる。そ
の結果、光スイッチ１の消費電力を低減することが可能
となる。

【００２２】また、可動部材１２には複数の駆動補助用
突起１５が設けられているので、可動部材１２の厚さが
見かけ上大きくなり、可動部材１２の剛性が高くなる。
このため、可動部材１２を駆動する際の共振周波数が高
くなるため、可動部材１２の応答速度が上がり、これに
より高速スイッチングを行うことができる。

【００２３】さらに、平面導波路２の上面に設けられた
絶縁層７が、片持ち梁１３の基端部から先端部まで延び
ているので、ミラー１４が図５に示す遮断位置にある状
態では、絶縁層７がスペーサとしての機能を果たすこと
になる。このため、片持ち梁１３の中央部分が撓んで電
極６に接触することを防止できる。

【００２４】また、ミラー１４が上下方向に移動するよ
うに可動部材１２を駆動する構成としたので、ミラー１
４を移動させるための水平方向のスペースを大きくとら
ずに済む。これにより、光スイッチ１の小型化および高
集積化を図ることができる。

【００２５】図６は、上記のミラーデバイス８の製作プ
ロセスの一例を示したものである。同図において、まず
Ｓｉ基板２１を用意する。そして、このＳｉ基板２１の
表面の一部および裏面にＳｉＯ₂層２２を形成すると共
に、Ｓｉ基板２１の表面にチタン等の導電層２３を形成
する（図６（ａ））。Ｓｉ基板２１の表面に形成したＳ
ｉＯ₂層２２は、最後の基板エッチングの際にマスクと
なる。続いて、フォトリソグラフィー及び現像によっ
て、導電層２３上にレジスト２４を形成する（図６
（ｂ））。そして、めっきによって、導電層２３上に片
持ち梁部２５を形成し、この片持ち梁部２５の表面を研
磨する（図６（ｃ））。続いて、ＳＲ（シンクロトロン
放射光）リソグラフィー及び現像によって、片持ち梁部
２５上にレジスト２６を形成する（図６（ｄ））。そし
て、めっきによって、片持ち梁部２５上にミラー部２７
及び駆動補助用突起部２８を形成し、このミラー部２７
及び駆動補助用突起部２８の表面を研磨する（図６
（ｅ））。続いて、レジスト２４，２６のアッシングを
行う（図６（ｆ））。その後、導電層２３のエッチング
及びＳｉ基板２１のエッチングを行う（図６（ｇ））。

【００２６】以上により、上記の片持ち梁１３、ミラー
１４及び駆動補助用突起１５を有する可動部材１２が形
成される。このようにミラー１４と一緒に駆動補助用突
起１５を製作することにより、製作プロセスの簡略化お
よび製作コストの削減が図れる。

【００２７】図７は、上記の平面導波路２の製作プロセ
スの一例を示したものである。同図において、まず導波
路のベースクラッド層３１の上面部をドライエッチング
して、コア層用の凹部３２を形成する（図７（ａ））。
そして、凹部３２にコア層３３を埋め込む（図７
（ｂ））。続いて、ベースクラッド層３１上にオーバー
クラッド層３４を形成する（図７（ｃ））。続いて、こ
のように形成されたクラッド層３５の上面部をドライエ
ッチングして、複数の突起収容用凹部３６を形成する
（図７（ｄ））。続いて、スパッタやＣＶＤ等によっ
て、クラッド層３５の上面、突起収容用凹部３６の底面
及び側面に電極３７を形成する（図７（ｅ））。そし
て、その電極３７上に絶縁層３８を形成する（図７
（ｆ））。このように本製作方法によれば、例えば市販
の光導波路に対してもエッチングを施すことで、ジグザ
グ状の電極を容易に形成することができる。

【００２８】なお、本実施形態では、平面導波路２の上
面に電極６を設け、突起収容用凹部１６の底面及び側面
に電極１７を設ける構成としたが、特にこれに限られ
ず、突起収容用凹部１６の部分では、平面導波路２の上
面に電極を設けない構成としてもよい。この場合には、
図７（ｅ）において電極３７を形成した後に、例えばク
ラッド層３５の上面部を削ればよい。また、突起収容用
凹部１６の部分において、平面導波路２の上面に電極を
設け、突起収容用凹部１６の底面に電極を設けない構成
としてもよい。

【００２９】図８は、本発明に係る光スイッチの第２の
実施形態を示す垂直方向断面図である。図中、第１の実
施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。

【００３０】同図において、本実施形態の光スイッチ４
０は平面導波路４１を有し、この平面導波路４１の中央
部には、平面導波路４１の幅方向に延びる溝部４２が設
けられている。平面導波路４２の片側において、平面導
波路４１の上面には電極４３が設けられ、この電極４３
上には絶縁層４４が設けられている。この絶縁層４４上
には、可動部材４５の片持ち梁４６が片持ち支持されて
いる。

【００３１】片持ち梁４６の先端部には、図９に示すよ
うに、平面導波路４１の幅方向に延在したミラー部４７
が設けられており、このミラー部４７の中央部には、光
路Ａ上を通る光を遮断するミラー面４８が形成されてい
る。ミラー部４７におけるミラー面４８の両側には、可
動部材４５の駆動を補助するための複数の駆動補助用突
起４９が櫛歯状に左右対称となるように設けられてい
る。これらの駆動補助用突起４９は、片持ち梁４６の先
端側に突出している。

【００３２】平面導波路４１の溝部４２における可動部
材４５側とは反対側の側面４２ａには、可動部材４５側
に突出した複数の突部５０が設けられており、これらの
突部５０によって、各駆動補助用突起４９が入り込む複
数の突起収容部５１が形成されている。各突部５０の両
側面及び溝部４２の側面４２ａには、図９及び図１０に
示すように、電極５２が設けられ、この電極５２上には
絶縁層５３が設けられている。

【００３３】片持ち梁４６と電極４３，５２とは電圧源
１９を介して並列接続されている。そして、この電圧源
１９によって可動部材４５と電極４３，５２との間に所
定の電圧を印可すると、可動部材４５と電極４３，５２
との間に生じる静電気力によって可動部材４５の先端側
部分が電極４３，５２に引き寄せられる。これにより、
ミラー部４７が下降して溝部４２内に入り込む。

【００３４】以上のように本実施形態では、可動部材４
５に複数の駆動補助用突起４９を櫛歯状に設けると共
に、平面導波路４１に突起収容部５１を形成する突部５
０を設け、この突部５０の側面及び溝部４２の側面４２
ａに電極５２を設けたので、第１の実施形態と同様に、
可動部材４５のストロークを大きくした場合であって
も、可動部材４５を低電圧で駆動することができる。

【００３５】また、本実施形態では、可動部材４５の先
端のミラー部４７に駆動補助用突起４９を設ける構成と
したので、可動部材４５と電極５２との間に生じる静電
気力が可動部材４５の先端部に集中してかかるため、ミ
ラー部４７をスムーズに駆動することが可能となる。ま
た、駆動補助用突起４９と電極５２との間に働く静電引
力がミラー面４８の左右両側で同じとなるため、ミラー
部４７は左右でバランス良い状態を保って駆動されるこ
とになる。このため、ミラー部４７が下降して溝部４２
内に入り込んだ時に、ミラー面４８と光路Ａ，Ｂの光軸
との角度ずれが生じることは無い。

【００３６】なお、本発明に係る光スイッチは、上記実
施形態には限定されるものではない。例えば、上記実施
形態では、可動部材に複数の駆動補助用突起を設ける構
成としたが、駆動補助用突起の数は、最低限１つあれば
よい。

【００３７】また、上記実施形態では、コア部とクラッ
ド部とからなる平面導波路の上部に、可動部材を含むミ
ラーデバイスを設けているが、本発明は、光ファイバが
固定されたベース部材の上部に、可動部材を含むミラー
デバイスが設けられた光スイッチにも適用可能である。

【００３８】さらに、上記実施形態の光スイッチはＯＮ
／ＯＦＦスイッチであるが、本発明は、１×２スイッ
チ、２×２スイッチ、ｎ×ｎマトリクススイッチ等にも
適用可能である。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、可動部材の駆動を補助
するための駆動補助用突起を可動部材に設け、駆動補助
用突起が入り込む突起収容部をベース部材に設け、突起
収容部に第２電極を設けたので、可動部材の駆動電圧を
低くしつつ、可動部材の大ストローク化を図ることがで
きる。これにより、光スイッチの消費電力を低減するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光スイッチの第１の実施形態を示
す垂直方向断面図である。

【図２】図１に示す可動部材の斜視図である。

【図３】図１に示す平面導波路の斜視図である。

【図４】図１に示す駆動補助用突起が突起収容用凹部に
入り込んだ状態を示す図である。

【図５】図１に示すミラーが遮断位置にある状態を示す
垂直方向断面図である。

【図６】図１に示すミラーデバイスの製作プロセスの一
例を示す図である。

【図７】図１に示す平面導波路の製作プロセスの一例を
示す図である。

【図８】本発明に係る光スイッチの第２の実施形態を示
す垂直方向断面図である。

【図９】図８に示す可動部材および平面導波路の斜視図
である。

【図１０】図８に示す可動部材および平面導波路の平面
図である。

【符号の説明】

１…光スイッチ、２…平面導波路（ベース部材）、３…
コア部、６…電極（第１電極）、９…基板（ベース部
材）、１２…可動部材、１３…片持ち梁、１４…ミラ
ー、１５…駆動補助用突起、１６…突起収容用凹部（突
起収容部）、１７…電極（第２電極）、１９…電圧源、
４０…光スイッチ、４１…平面導波路（ベース部材）、
４３…電極（第１電極）、４５…可動部材、４６…片持
ち梁、４７…ミラー部、４８…ミラー面、４９…駆動補
助用突起、５０…突部、５１…突起収容部、５２…電極
（第２電極）、Ａ，Ｂ…光路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光路を有するベース部材と、 前記ベース部材に片持ち支持され、前記光路上を通る光
   を遮断するミラーを有する可動部材と、 前記可動部材に設けられ、前記可動部材の駆動を補助す
   るための駆動補助用突起と、 前記ベース部材に設けられ、前記駆動補助用突起が入り
   込む突起収容部と、 前記ベース部材の上面部に設けられた第１電極と、 前記突起収容部に設けられた第２電極と、 前記可動部材と前記第１電極および前記第２電極との間
   に静電気力を発生させることにより、前記ミラーが上下
   方向に移動するように前記可動部材を駆動する手段とを
   備えたことを特徴とする光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記駆動補助用突起は櫛歯状に複数設け
   られ、 前記突起収容部は、前記駆動補助用突起に対応して複数
   設けられていることを特徴とする請求項１記載の光スイ
   ッチ。
3. 【請求項３】 前記駆動補助用突起は、前記可動部材の
   下側に突出するように設けられ、 前記突起収容部は、前記ベース部材の上面に開口した凹
   部を有し、 前記第２電極は、前記凹部の少なくとも両側面に設けら
   れていることを特徴とする請求項１または２記載の光ス
   イッチ。
4. 【請求項４】 前記駆動補助用突起は、前記可動部材の
   先端側に突出するように設けられ、 前記突起収容部は、前記可動部材側に突出した複数の突
   部を有し、 前記第２電極は、前記各突部の両側面に設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチ。