JP2003315699A - 圧電性光逆多重化スイッチ - Google Patents

圧電性光逆多重化スイッチ

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JP2003315699A JP2003106009A JP2003106009A JP2003315699A JP 2003315699 A JP2003315699 A JP 2003315699A JP 2003106009 A JP2003106009 A JP 2003106009A JP 2003106009 A JP2003106009 A JP 2003106009A JP 2003315699 A JP2003315699 A JP 2003315699A
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piezoelectric
relay
demultiplexing switch
piezoelectric element
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マーヴィン・グレン・ワン
Arthur Fong
アーサー・フォン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ラッチ可能な光スイッチを得る。 【解決手段】 リレーのそれぞれが圧電素子１８０を備
えた、第１光リレー１０２及び複数の第２圧電性光リレ
ー１０４、１０６と、第１側面及び第２側面を備え、該
第１側面が圧電素子１８０に当接するダイアフラム１７
０と、入射地点１４２と第１出射地点１４４と第２出射
地点１４６と光路内にノッチ１９０を有する分岐点とを
有する光路１４０と、前記第２側面に装着され、ノッチ
１９０内へと移動可能な光素子１６０と、信号入力ポー
トと、第１信号出力ポート及び第２信号出力ポートとを
含んでなり、前記第１光リレーの信号入力ポート１４２
が前記逆多重化スイッチ１００の外部にある光信号源に
接続され、前記複数の光リレーの信号入力ポート１４２
が前記複数のリレーの１つの信号出力ポート１４６に接
続されている圧電性光逆多重化スイッチ１００を提供す
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、圧電性光逆多重化
スイッチ（piezoelectric optical demultiplexing swi
tch）に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電材料（piezoelectric materials）
及び磁歪材料(magnetostrictive materials)（以下、
「圧電材料」と総称する）は、電界又は磁界を印加する
と変形する。従って、圧電材料をアクチュエータとして
使用すると、２つの面の相対的な位置を制御することが
できる。
【０００３】圧電気現象(piezoelectricity)は、圧力を
印加したときに特定の結晶に表れる電気的な分極特性を
表す一般用語である。石英が圧電結晶の良い例である。
石英等の結晶に圧力を印加すると、印加した圧力に比例
する電気モーメントが発生する。
【０００４】これは直接的な圧電効果である。逆に、圧
電結晶を電界中に配置した場合には、わずかにその形状
が変化する。これが逆圧電効果（inverse piezoelectri
c effect）である。
【０００５】最もよく使用されている圧電材料の１つが
前述の石英であるが、圧電気は、トルマリン（tourmali
ne）やロシェル塩(Rochelle salt)などの強誘電性結晶
(ferroelectric crystals)にも表れる。これらの場合に
は、既に自発分極（spontaneous polarization）を有し
ており、圧電効果はその自発分極における変化として表
れる。また、圧電材料は、特定のセラミック材料や特定
の重合体材料も含む。これらの圧電材料は、２つの面の
相対的な位置を制御する能力を有しているため、従来よ
り、バルブアクチュエータや顕微鏡の位置制御装置とし
て使用されてきている。特にセラミックタイプの圧電材
料は、大きな力を生成する能力を有している。しかしな
がら、高電圧を印加した場合でもそれらの生成可能な変
位量は僅かしかない。圧電セラミックの場合には、その
変位量は最大でもその材料の長さの０．１％だけであ
る。従って、小さな変位を必要とするアプリケーション
用であるバルブアクチュエータ及び位置制御装置とし
て、圧電材料が使用されてきている。
【０００６】印加した単位電圧当たりの生成変位量を大
きくする方法として、バイモルフ構造（Bimorph assemb
ly）及び積層構造(stack assembly)の２つがある。ま
ず、バイモルフ構造とは、電圧を印加したときに一方の
圧電材料が膨張するように、２枚の圧電性セラミック材
料を一体に接合してその端部を縁部（rim）で結束した
ものである。その結果として生ずる応力によってこれら
の材料がドームを形成し、このドームの中央における変
位量がそれぞれの材料の収縮または膨張よりも大きくな
る。しかしながら、バイモルフ構造の縁部を拘束すると
許容変位量が減少する。そのうえ、バイモルフ構造が生
成する力は、それぞれの材料の収縮または膨張によって
生成される力よりもかなり小さい。
【０００７】一方、積層構造とは、相互接続された複数
の電極と交互に組み合わせた複数の圧電材料層を含むも
のである。複数の電極にわたって電圧を印加することに
よって積層構造が膨張または収縮するが、その積層構造
の変位量は個別材料の変位量の合計に等しい。従って、
相当な変位距離を実現するには、非常に高い電圧または
多数の層を必要とする。しかしながら、従来の積層アク
チュエータの場合には、積層構造が取り付けられた圧電
材料の熱膨張によって位置制御機能が失われる。
【０００８】圧電材料は、その高強度または剛性のため
に、大きな面領域に作用する高圧により生成される力の
ような大きな力に対抗して開閉する能力を有している。
従って、このような圧電材料を有する高い強度によっ
て、開口が大きなバルブ使用できるようになり、バルブ
を開閉するために必要な変位量または作動量を小さくす
ることができる。
【０００９】従来の圧電作動型リレーの場合には、２つ
の電極コンポーネントを接触状態にするように機械部品
を移動させることによってリレーは「閉」じ、２つの電
極の接触状態を終了させるように機械部品を移動させる
ことによってリレーは「開」く。電気的な切換ポイント
は、固体電極の電極コンポーネント間の接点に対応して
いる。しかしながら、このような従来の圧電作動型リレ
ーの場合には、ラッチが容易でなく、ラッチを実現して
いる場合には、圧電材料内の残留電荷を使用するか、ま
たはラッチメカニズムをもったスイッチ接点を使用して
いる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来の光リレー及び光
リレーアレイは、光路内の気泡（bubble）の生成により
光信号を切り換えており、ラッチしない。さらに、気泡
タイプのリレーは、消費電力が大きく、好ましくない熱
を生成する傾向がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電素子の撓
みを用いて、光素子を移動させ、光路面へと接触させ
て、光信号をリダイレクト（redirect）する。撓みのな
い状態では、光信号は、光路内の角度を有する面による
内部反射（internal reflection）によって反射され
る。一方、圧電アクチュエータにより光素子を移動させ
て光路の角度を有する面へと接触させると、光路の屈折
率が一致することになり、光信号が光素子内に入射して
光素子を通過する。効率を向上させるため、この光素子
上に光路の屈折率と一致した被覆を使用することができ
る。この光スイッチアクチュエータでは、光素子を変位
させるのに曲げモードの圧電素子（bending mode piezo
electric element）を使用することができるが、その他
のモードの圧電素子を使用して光素子を変位させること
もできる。
【００１２】本発明は、複数の圧電性光リレーを利用し
て光信号を逆多重化している。各リレーには、別のリレ
ーの１つの出力が接続されており、リレー内部の複数の
光素子の状態によって逆多重化装置の出力が決定され
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明による圧電性光リ
レー１００の側面図であり、リレー１００の３つの層を
示している。最上位層１１０は、リレーの上部面を密閉
する機能を果たすキャップ層である。中間層１２０は、
リレーの作動手段と光学部品(optics)とを含む光学層で
ある。底部層１３０は、リレーの底面を密閉する機能を
果たすキャップ層である。これらの３つの層１１０、１
２０、１３０のいずれかを使用して、リレー作動手段に
電力を供給するために使用される電気的接続を保持する
ことができる。リレー作動手段に電力を供給するために
使用される電気的接続を中間層１２０に含むことが好ま
しい。
【００１４】図２を参照すると、本発明による圧電性光
リレー１００の光学層１２０の平面図が示されている。
光導波路１４０が光学層１２０内を貫通している。この
導波路１４０は、第１地点１４２から始まっており、こ
こから光信号がリレー１００に入射する。導波路１４０
が光学層１２０の中央で分岐している。２つの信号出力
経路１４４、１４６が光導波路１４０の分岐点から分岐
している。
【００１５】導波路１４０は、その内部にチェンバ１５
０がある光学層１２０の中央で分岐している。このチャ
ンバ１５０は、リレー１００の作動手段を有する。チャ
ンバ１５０の内部には、可動光路ウェッジ１６０と、こ
のウェッジ１６０の下に位置しウェッジに装着されてい
るダイアフラム１７０と、圧電素子１８０とが存在して
いる。ウェッジ１６０は、導波路１４０内にあるノッチ
（notch：または切れ込み）１９０へと、そしてノッチ
１９０から移動可能である。
【００１６】チャンバ１５０は、ダイアフラム１７０を
装着できる支持部として機能する少なくとも２つの棚部
１５２、１５４を有している。ダイアフラム１７０は、
これらの棚部（ledge：またはレッジ）１５２、１５４
の裏面に装着されている。チャンバの側壁は、棚部を設
けずにまっすぐであってもよい。その場合には、ダイア
フラム１７０は側壁に装着される。ダイアフラムを側壁
に装着するには多数の方法が可能であることが当業者に
は明らかであろう。例えば、ダイアフラムを側壁に積層
することも可能であり、ダイアフラムに寸法を合わせた
ノッチ（または切れ込み）を側壁に設けることもでき
る。例としては、棚部を図１に示すものとは反対に形成
し、その棚部にダイアフラムを配置することもできる。
【００１７】圧電素子１８０は、任意のモードの圧電動
作を利用して動作可能である。この圧電素子１８０は、
曲げモードの圧電素子であることが好ましい。圧電素子
１８０は、ダイアフラム１７０に装着されている。この
圧電素子１８０は、ダイアフラム１７０に積層されるの
が好ましいが、一体として曲げられて光素子を移動させ
るように、ダイアフラムと圧電素子との間に近接性を維
持する任意の方法であれば足りることが理解されよう。
ダイアフラム１７０を柔軟性のある任意の材料から形成
することができる。このダイアフラムは、ステンレス鋼
から形成されることが好ましいが、代わりの材料として
は、真鍮、ベリリウム銅、バネ鋼、または、一方が膨張
すると他方が収縮して曲げ動作が生成されるよう、圧電
素子１８０と反対に分極化され結線された圧電材料を含
みうる。また重合体（ポリマー）を使用することもでき
る。なお、図３には、圧電素子１８０用の回路図は示さ
れていない。
【００１８】動作の際には、本発明の切換メカニズムが
圧電素子１８０の変位によりって動作する。好ましい実
施例においては、曲げモードの圧電素子１８０が下方に
曲がる。この圧電素子１８０の曲がりによりダイアフラ
ム１７０が下方に撓み、このダイアフラム１７０の下方
への撓みにより光素子１６０がノッチ１９０内へと挿入
される。図３には、圧電素子１８０用の回路図は示され
ていない。
【００１９】図３は、光素子１６０が変位した状態を示
す、本発明による圧電性光リレー１００の光学層１２０
の平面図である。導波路１４０の第１地点１４２から入
射して通過する光信号がノッチの角度を有する面で反射
されて導波路に沿ってポート１４６に向かわないよう
に、光素子１６０をノッチ１９０へと変位させている。
圧電素子１８０によってダイアフラム１７０が曲げら
れ、光素子１６０が移動して光路１４０の面に接触する
と、光路１４０の屈折率が一致して、光信号が光素子１
６０内に入射する。光信号は、光素子１６０内を進んで
信号出力経路１４４から出射する。本発明の好ましい実
施例においては、光素子１６０は、光路の屈折率に一致
する被覆を用いてコーティングされている。この被覆
は、光路と同種の材料であってもよく、透明な金属酸化
物の薄層から通常は構成される。本発明のより好ましい
実施例においては、選択された波長のみを透過してその
他のものは反射するように、この被覆がフィルタとして
機能する。このフィルタは、三角形の素子が下降して導
波路に接触すると機能する。三角形の素子が上昇する
と、内部反射によって全波長が導波路１４６の方向に向
かう。
【００２０】また、本発明の好ましい実施例では、光素
子１６０が三角形である。係合していないときは光路１
４６内へと反射させ、係合しているときには光路１４４
内へと屈折させる、その他の形状の光素子を使用するこ
ともできることが理解されよう。当業者であれば、本発
明が図面に示す曲げモードの圧電素子１８０に限定され
ないことが理解されよう。例えば、圧電素子は、ダイア
フラムを曲げる能力を有する伸長モードの圧電素子、剪
断モードの圧電素子、またはその他のモードの圧電素子
でありうる。
【００２１】図４は、本発明による圧電性光逆多重化ス
イッチを示している。説明のために、図４には、３つの
圧電性光リレー１０２、１０４、１０６を示している。
当業者であれば、３つより多くても少なくてもよい任意
の数の圧電性光リレーを使用することができることが理
解されよう。光リレー１０２、１０４、１０６のそれぞ
れは、複数の圧電素子２８２、２８４、２８６と、複数
のダイアフラム２７２、２７４、２７６と、複数の光素
子２６２、２６４、２６６と、複数のチャンバ２５２、
２５４、２５６とを含んでいる。圧電素子２８２、２８
４、２８６への電気的な接続は示されていない。
【００２２】動作の際には、圧電性光リレー１０２、１
０４、１０６が光導波路２４０に入射する光信号を逆多
重化するように動作する。信号は第１リレー１０２へと
進む。光素子２６２がノッチ２９２内へと変位していな
い場合は、信号は導波路２４１へと反射されて第２リレ
ー１０４に向かって進む。光素子２６２が（圧電素子２
８２の撓みによるダイアフラム２７２の撓みによって）
ノッチへと変位している場合には、信号は導波路２４２
へと屈折する。この導波路２４２は、この図に示すよう
に信号出力ポートに導波することができるし、その他の
リレーに信号を導波することもできることが理解されよ
う。
【００２３】光素子２６２が変位していないために導波
路２４１へと反射された光信号は、第２リレー１０４に
向かって進み、ここで、導波路２４３へと反射される
か、または導波路２４４へと屈折する。第１リレー１０
２と同様に、光素子２６４の状態に応じて、信号を反射
または屈折する。導波路２４３へと反射された光信号
は、第３リレー１０６に向かって進み、ここでも同一の
プロセスが発生する。任意の導波路を進む信号が、更な
るリレーに進むことができることが理解されよう。従っ
て、本発明によるこの逆多重化体の構成（scheme）は、
リレーのある定められた集合に限定されるものではな
い。
【００２４】以上のように、本発明の特定の実施例のみ
について説明したが、特許請求の範囲内の様々な変更が
可能であることが当業者には想到されるであろう。
【図面の簡単な説明】
本発明は、以下の図面を参照することにより、容易に理
解することができる。これらの図面の構成要素の寸法は
必ずしも正確ではなく、本発明の原理を明瞭に示すこと
に重点が置かれている。
【図１】本発明による圧電性光リレーの側面図である。
【図２】本発明による圧電性光リレーの光学層の平面図
であり、光素子が変位していない状態を示している。
【図３】本発明による圧電性光リレーの光学層の平面図
であり、光素子が変位した状態を示している。
【図４】本発明による逆多重化スイッチの複数の圧電性
光リレーを示している。
【符号の説明】
１００ 圧電性光逆多重化スイッチ １０２、１０４、１０６ 圧電性光リレー １４０ 光路 １４２ 信号入力ポート １４４、１４６ 信号出力ポート １５０ チャンバ １６０ 光素子 １７０ ダイアフラム １８０ 圧電素子 １９０ ノッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーヴィン・グレン・ワン アメリカ合衆国コロラド州80863，ウッド ランド・パーク，ハニー・ヒル・レイン 93 (72)発明者 アーサー・フォン アメリカ合衆国コロラド州80919，コロラ ド・スプリングズ，ソーバック・トレイル 7940 Ｆターム(参考） 2H041 AA14 AB13 AB40 AC02 AZ01

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リレーのそれぞれが圧電素子を備えた第
    １光リレー及び複数の第２圧電性光リレーと、 第１側面及び第２側面を備え、該第１側面が前記圧電素
    子に当接するダイアフラムと、 入射地点と第１出射地点と第２出射地点と光路内にノッ
    チを有する分岐点とを有する光路と、 前記第２側面に装着され、前記ノッチ内へと移動可能な
    光素子と、 信号入力ポートと、 第１信号出力ポート及び第２信号出力ポートとを含んで
    なり、前記第１光リレーの信号入力ポートが前記逆多重
    化スイッチの外部にある光信号源に接続され、前記複数
    の光リレーの信号入力ポートが前記複数のリレーの１つ
    の信号出力ポートに接続されている圧電性光逆多重化ス
    イッチ。
  2. 【請求項２】 前記信号入力ポートと前記信号出力ポー
    トとは、光導波路を含む請求項１に記載の圧電性光逆多
    重化スイッチ。
  3. 【請求項３】 前記第１リレー及び前記複数の第２リレ
    ーのそれぞれがチャンバを含んでおり、前記圧電素子と
    前記ダイアフラムと前記光素子と前記分岐点とが該チャ
    ンバに位置している請求項２に記載の圧電性光逆多重化
    スイッチ。
  4. 【請求項４】 前記圧電素子が、曲げモードの圧電素子
    である請求項３に記載の圧電性光逆多重化スイッチ。
  5. 【請求項５】 前記圧電素子が、前記ダイアフラムに積
    層されている請求項４に記載の圧電性光逆多重化スイッ
    チ。
  6. 【請求項６】 前記光素子が三角形である請求項５に記
    載の圧電性光逆多重化スイッチ。
  7. 【請求項７】 前記光素子は、屈折率が前記光路と実質
    的に一致するように、ある材料を用いて被覆されている
    請求項６に記載の圧電性光逆多重化スイッチ。
  8. 【請求項８】 少なくとも第１リレー、第２リレー、及
    び第３光リレーを含み、前記リレーのそれぞれが、 圧電素子と、 第１側面及び第２側面を備え、前記第１側面が前記圧電
    素子と当接するダイアフラムと、 入射地点と第１出射地点と第２出射地点と光路内にノッ
    チを有する分岐点とを有する光路と、 前記第２側面に装着され、前記ノッチ内に移動可能な光
    素子と、 信号入力ポートと、 第１信号出力ポート及び第２信号出力ポートとを含んで
    なり、前記第１光リレーの信号入力ポートが前記逆多重
    化スイッチの外部にある光信号源に接続され、前記第２
    リレーの信号入力ポートが前記第１リレーの信号出力ポ
    ートに接続され、前記第３リレーの信号入力ポートが前
    記第２リレーの信号出力ポートに接続されている圧電性
    光逆多重化スイッチ。
  9. 【請求項９】 前記信号入力ポート及び前記信号出力ポ
    ートは、光導波路を含む請求項８に記載の圧電性光逆多
    重化スイッチ。
  10. 【請求項１０】 前記リレーのそれぞれがチャンバを更
    に含み、前記圧電素子と前記ダイアフラムと前記光素子
    と前記分岐点とが該チャンバと共に位置している請求項
    ９に記載の圧電性光逆多重化スイッチ。
  11. 【請求項１１】 前記圧電素子が、曲げモードの圧電素
    子である請求項１０に記載の圧電性光逆多重化スイッ
    チ。
  12. 【請求項１２】 前記圧電素子が、前記ダイアフラムに
    ラミネートされている請求項１１に記載の圧電性光逆多
    重化スイッチ。
  13. 【請求項１３】 前記光素子が三角形である請求項１２
    に記載の圧電性光逆多重化スイッチ。
  14. 【請求項１４】 前記光素子は、屈折率が前記光路と実
    質的に一致するように、ある材料を用いて被覆されてい
    る請求項１３に記載の圧電性光逆多重化スイッチ。
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