JP2003516561A - 微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）シャッターアレイを用いた波長選択交叉接続スイッチ - Google Patents

微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）シャッターアレイを用いた波長選択交叉接続スイッチ

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JP2003516561A
JP2003516561A JP2001544075A JP2001544075A JP2003516561A JP 2003516561 A JP2003516561 A JP 2003516561A JP 2001544075 A JP2001544075 A JP 2001544075A JP 2001544075 A JP2001544075 A JP 2001544075A JP 2003516561 A JP2003516561 A JP 2003516561A
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ロバート ジー． リンドクイスト
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コーニング・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 ２つの入力光信号の間で波長分割された入力チャネルを選択的に切り替える波長選択交叉接続スイッチ。交叉接続スイッチは２つの分散要素を含み、各々の分散要素は、入力光信号を受信し、その信号を複数の波長分割された入力チャネルに分散せしめる。この交叉接続スイッチはまた微小電気機械システム（MEMS）シャッターアレイのような切り替えアレイ機構を含み、このアレイ機構は、各々の分散要素から複数の波長分割された入力チャネルを受信し、光信号の間で１つ以上の波長分割された入力チャネルを選択的に切り替える動作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長選択交叉接続スイッチ（WSXC）に関し、特に、微小電気機械シ
ステム（MEMS）シャッターアレイを用いた波長選択交叉接続スイッチに関する。
【０００２】
【発明の背景】
通信ネットワークは、高速かつ低コスト伝送のために光ファイバにますます依
存する傾向にある。光ファイバは、高速同軸ケーブルおよび低速側撚線対ケーブ
ルのような電気通信媒体の光学的代替物として本来構想されてきた。しかしなが
ら、40Gbit/秒の伝送システムが試作されたものの、高速光ファイバでさえ、送
信端および受信端での電子回路によって通常数ギガビット/秒に限定されてしま
う。かかる高速電子システムは高価であり、依然として光ファイバシステムの固
有帯域を十分に活用していない。一方で、光学部品でのみ構成されている通信ネ
ットワークは、すべての主要な伝送経路で電子部品を用いるシステムに比して多
数の固有な利点を提供する。
【０００３】 波長分割多重化（WDM）は、光通信システムに浸透している。WDMは、異なるデ
ータ信号を異なる搬送周波数に電子的に印加し、これらすべては単一光ファイバ
によって搬送される。最近の研究開発は、全光学ネットワークが、光信号を電子
信号に変換する必要なく、別々のWDMチャネル（搬送周波数）を異なる方向に切
り替え可能な切り替えノードを有して構築されることができることを示唆してい
る。かかる光学切り替えが簡素な光学部品によって達成される場合、高度な光ネ
ットワークが、比較的低コストにて構築され得る。さらに、かかる光ネットワー
クに用いられる高速電子部品は、個々のチャネルのみの処理速度を必要とし、シ
ステムの総処理量の速度を必要としないシステムの端末のみに限定されてしまう
のである。
【０００４】
【発明の概要】 本発明の１つの特徴は、２つの光信号の間で波長チャネルを選択的に切り替え
る光学スイッチである。この光学スイッチは２つの分散要素を含み、各々の分散
要素が光入力信号を受信して、その信号を複数の波長分割された入力チャネルに
分散せしめる。そして、微小電気機械システム（MEMS）シャッターアレイは、各
々の分散要素から複数の波長分割された入力チャネルを受信し、複数の入力信号
の間で１つ以上の波長分割された入力チャネルを選択的に切り替える動作をする
。
【０００５】 本発明のさらなる特徴および利点は、後述される発明の詳細な説明で説明され
ており、それぞれの特徴や利点が、当業者にとってその詳細な説明から直ちに明
白となり、あるいは、特許請求の範囲のみならず添付図面に従う詳細な説明に記
載された如く発明を実施することにより認識されるであろう。 前述の概説および後述する詳細な説明は共に、本発明の単なる例示的なものに
過ぎず、特許請求の範囲で請求される発明の本質および特性を理解するための概
観すなわち構成を提供しようと意図されたものであることを理解すべきである。
添付図面は、本発明のより深い理解の助けとなり、かつ本明細書に組み込まれて
その一部を構成している。これらの図面は、本発明の様々な特徴や例を示してお
り、詳細な説明とともに本発明の原理および動作を説明する。
【０００６】
【実施の形態】
本発明の現時点での好ましい実施例について、より詳細に言及する。それらの
例は添付図面に示される。可能な限り、同じ符号は図面を通じて、同じかもしく
は同等の部分を示すのに用いられる。 本発明による波長選択交叉接続（WSXC）スイッチ10の例示的な実施例は、図１
および図２に示される。このWSXCスイッチ10は、２つの波長分散要素12および14
と、これら２つの分散要素の間に配置される切り替えアレイ機構アレイ30とを含
む。各々の分散要素12、14は光信号を受信し、これらを複数の波長分割された入
力チャネルに分散せしめる。切り替えアレイ機構30は、分散要素12、14の各々か
ら、複数の波長分割された入力チャネルを受信し、複数の入力信号の間で１つ以
上の波長分割された入力チャネルを選択的に切り替える動作をすることができる
。
【０００７】 より具体的には、第１の分散要素12が、第１の光ファイバ16によって搬送され
る第１の光信号を受信するのに対して、第２の分散要素14は、第２の光ファイバ
18によって搬送される第２の光信号を受信する。各々の光信号は、対応する分散
要素12、14に当たり、該光信号が複数の波長分割された入力チャネルに空間的に
分離される。分散要素12、14は回折格子である方が好ましいが、本発明では、他
の受動型または能動型の分散要素（例えばプリズム）も用いることができる。当
業者にとっては明らかなように、入力チャネル数は、光信号に混合されるWDM信
号成分の数に依存する。
【０００８】 さらに、集光レンズ20が、各々の分散要素と切り替えアレイ機構30との間に配
置されている。各々のレンズ20は、切り替えアレイ機構30の個々の切り替え構造
に波長分割された入力ビームを集中せしめる。 切り替えアレイ機構30の好ましい実施例は、超微小電子機械システム（MEMS）
シャッターアレイである。このMEMSシャッターアレイは、複数の切り替え構造を
用いて構成されており、各々の切り替え構造が、波長分割された入力チャネルの
１つに対応している。個々の切り替え構造32は、図３Ａおよび図３Ｂに示されて
いる。この構造では、鏡34もしくは他の反射要素が、適当な基板38に形成された
開口部36の上に吊着される。１つの実施例では、鏡34は、ポリシリコン部材35の
片面もしくは両面に積層された金または他の反射材料の層であっても良い。貫通
した開口部36は、ディープイオンエッチング（deep ion etching）や湿式エッチ
ングもしくはいくつかの他に知られているエッチング技術を用いて、基板38をエ
ッチングすることによって形成される。当業者にとって明らかなように、MEMSシ
ャッターアレイは、さもなければ、バルク加工技術または表面微細加工技術を用
いて製作され得る。光学システムに対するチャネル分割および他の設計上の特徴
に依存して、シャッターアレイの各々の鏡34は、50〜200μmの間隔（中心間距離
で）で配置される。
【０００９】 動作の面では、鏡34は、シャッター開放位置（図３Ａ）とシャッター閉鎖位置
（図３Ｂ）との間で横方向に可動である。このシャッター開放位置では、図３Ａ
に示されるように、各々の入力ビームが切り替え構造の開口部36を通り抜ける。
従って、入力ビームは対応する出力チャネルに向けて通過する。例えば、第１の
入力光ファイバ16からの入力ビームは、第１の出力光ファイバ42に向けて通過し
、第２の入力光ファイバ18からの入力ビームは、第２の出力光ファイバ44に向け
て通過する（図１参照）。シャッター閉鎖位置では、入力ビームはどちらも図３
Ｂに示される如く鏡34に入射する。この場合、各々の入力ビームは、他方の出力
光ファイバの対応する出力チャネルに向きを変える。以下により詳細に記述され
るように、鏡34の作用は、様々な超小型アクチュエータ装置を用いてなされ得る
。
【００１０】 図２に戻ると、切り替えアレイ機構30からの出力ビームは、適切な集光レンズ
20を透過する。各々の集光レンズ20は、出力ビームを再平行化（再コリメーショ
ン）する。集光レンズ20を透過した後、各々の出力ビームは分散要素12および14
のうちの１つに当たる。この場合、各々の分散要素は、波長分割された出力ビー
ムを単一の出力ビームに再結合する動作を行う。各々の出力ビームは、第１の出
力光ファイバ42または第２の出力光ファイバ44によって搬送される。
【００１１】 偏光依存損失を最小化するために、本発明によるWSXCスイッチ10は、任意に偏
光分散要素24および26を含んでも良い。当業者であれば、この偏光分散要素24、
26が各々の入力ビームの異なる偏光成分を空間的に分離することを容易に認識で
きるだろう。好ましくは、この偏光分散要素24、26は、光ファイバ16、18と波長
分散要素12、14との間の光路に沿って配置された複屈折結晶（例えば方解石）で
ある。偏光状態を同期させるために、半波長板28もまた、要素24のような偏光分
散要素の１つとして組み込まれ得る。当業者にとっては明らかなように、更なる
光学要素が、入力ビームを偏光成分24、26から波長分散要素12、14に導くように
活用され得る。
【００１２】 本発明のMEMSシャッターアレイの用法に対する例示的な超小型アクチュエータ
が、図４〜図６に示されている。例えば、共鳴くし型アクチュエータ装置（reso
nant comb actuator device）50が図４に示されている。本実施例では、鏡34が
、２つのくし型ドライブ52の間に配置されている。これらの共鳴くし型ドライブ
52は、鏡34に初期変位を与える。その後、クランピング電圧が、鏡34とくし型ド
ライブ52のうちの１つとの間に配置された１つ以上のシャッター止め具54に印加
される。このクランピング電圧は、鏡34をシャッター止め具54の近くに引き寄せ
かつ保持して、鏡34をシャッター開放位置に動かす。短絡を防止するために、止
め柱（stopping pillar）56が、鏡34とシャッター止め具54との間に配置されて
いる。鏡34をシャッター閉鎖位置に動かすために、クランピング電圧が、別のシ
ャッター止め具55の対に印加される。その結果、鏡34は、ばね58に蓄積されたエ
ネルギを用いて反対方向に移動せしめられる。共鳴くし型アクチュエータに関し
て前述の説明がなされる一方で、別のタイプの静電気アクチュエータ装置もまた
本発明によるMEMSシャッターアレイ30において用いるのに適していることが容易
に理解される。
【００１３】 図５に示されているように、スクラッチドライブ装置60は、本発明で用いられ
得る代替静電気アクチュエータ装置である。このスクラッチドライブ装置60は、
その装置のミュール列（mule train）64と接続している熱作動型ラッチ62を含む
。上述された適当な鏡34が、ミュール列64と接続している。また、ばね58が、鏡
34の動きを助けるべく鏡構造34と接続している。
【００１４】 MEMSシャッターアレイ30に用いる好ましいタイプの超小型アクチュエータ装置
は、電熱アクチュエータ70である。図６を参照すると、鏡34が、機械的摺動子72
の一端と接触している。鏡34をシャッター開放位置とシャッター閉鎖位置との間
で作動させるために、２つ以上の温度アクチュエータ74が、該機械的摺動子72の
両端に配置されている。各々の温度アクチュエータ74は、U字型の非対称微小構
造に形成された２つのアーム76を有すべく構成されている。該アーム76の断面積
が異なるので、電気抵抗がアーム毎に異なる。動作において、電流が温度アクチ
ュエータ74のアーム76の両端に印加される。不均一な構造上の熱膨張が、アクチ
ュエータ74の横方向の動きを生じさせる。このようにして、鏡34がシャッター開
放位置に動かされる。同様の電熱アクチュエータのより詳細な説明は、米国仮特
許出願（コーニング社代理人事件整理番号、第Pai P14858号）でなされており、
その開示内容は本明細書に組み入れられたものとする。
【００１５】 本発明の様々な変更および調整が、発明の精神や範囲を逸脱することなくなさ
れることは、当業者にとって明白であろう。従って、本発明の変更および調整な
どが、添付された請求の範囲およびこれらに均等な物の範囲内にある場合、本発
明はこれらの変更および調整などを包含する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長分割交叉接続スイッチの正面図である。
【図２】本発明による波長分割交叉接続スイッチの側面図である。
【図３Ａ】鏡要素がシャッター開放位置にある状態を示している、本発明による
微小電気機械システム（MEMS）シャッターアレイの部分側面図である。
【図３Ｂ】鏡要素がシャッター閉鎖位置にある状態を示している、本発明による
MEMSシャッターアレイの部分側面図である。
【図４】本発明によるMEMSシャッターアレイと関連する例示的な共鳴くし型ドラ
イブ装置を示す図である。
【図５】本発明によるMEMSシャッターアレイと関連する例示的な熱作動ドライブ
装置を示す図である。
【図６】本発明によるMEMSシャッターアレイと関連する例示的なスクラッチドラ
イブ装置を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＡＥ，Ａ Ｇ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，Ｕ Ｇ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの光信号の間で選択的に波長を切り替える２つの分散要素を有
    し、前記２つの分散要素の各々が入力光信号を受信し、かつ前記光入力信号を複
    数の波長分割された入力チャネルに分散せしめる光学スイッチであって、 前記２つの分散要素の各々から複数の波長分割された入力チャネルを受信し、
    前記２つの光信号の間で１つ以上の前記複数の波長分割された入力チャネルを選
    択的に切り替えるように動作可能である微小電気機械シャッターアレイ、 を含むことを特徴とする光学スイッチ。
  2. 【請求項２】前記微小電気機械シャッターアレイが、前記波長分割された入力チ
    ャネルの各々に対する可動切り替え要素を含み、前記可動切り替え要素が、前記
    ２つの分散要素の各々から入力ビームを受信し、前記入力ビームが、前記複数の
    波長分割された入力チャネルの１つと対応することを特徴とする請求項１記載の
    光学スイッチ。
  3. 【請求項３】前記可動切り替え要素が、開放位置と閉鎖位置との間で選択的に可
    動であり、開放位置にある時に、入力ビームを前記複数の波長分割された入力チ
    ャネルの１つから第１の出力チャネルに透過せしめ、閉鎖位置にある時に、入力
    ビームを第２の出力チャネルへと反射することを特徴とする請求項２記載の光学
    スイッチ。
  4. 【請求項４】前記可動切り替え要素が、反射部材およびアクチュエータを含むこ
    とを特徴とする請求項３記載の光学スイッチ。
  5. 【請求項５】前記反射部材が、微小電気機械システム（MEMS）による可動鏡であ
    ることを特徴とする請求項４記載の光学スイッチ。
  6. 【請求項６】前記アクチュエータが、温度アクチュエータ、静電気アクチュエー
    タ、くし型ドライブアクチュエータ、もしくはスクラッチドライブアクチュエー
    タからなるグループから選択されることを特徴とする請求項４記載の光学スイッ
    チ。
  7. 【請求項７】前記微小電気機械シャッターアレイと前記２つの分散要素との間に
    配置される集光レンズをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の光学スイッ
    チ。
  8. 【請求項８】前記入力光信号が異なる偏光成分を有し、前記入力光信号各々の前
    記異なる偏光成分を空間的に分離する偏光分散要素をさらに含むことを特徴とす
    る請求項１記載の光学スイッチ。
  9. 【請求項９】２つの光信号の間の複数の波長チャネルを選択的に切り替える光学
    スイッチであって、 第１の入力光信号を受信し、前記第１の入力光信号を複数の第１の波長分割さ
    れた入力チャネルに分散せしめる第１の分散要素と、 前記複数の第１の波長分割された入力チャネルを受信する第１の集光レンズと
    、 第２の入力光信号を受信し、前記第２の入力光信号を複数の第２の波長分割さ
    れた入力チャネルに分散せしめる第２の分散要素と、 前記複数の第２の波長分割された入力チャネルを受信する第２の集光レンズと
    、 前記第１の入力光信号と前記第２の入力光信号の間の前記波長分割された入力
    チャネルを選択的に切り替える、第１の集光要素と第２の集光要素との間の切り
    替えアレイ機構と、 を含むことを特徴とする光学スイッチ。
  10. 【請求項１０】前記第１の分散要素と前記第２の分散要素とが、各々回折格子を
    含むことを特徴とする請求項９記載の光学スイッチ。
  11. 【請求項１１】前記第１の集光レンズと前記第２の集光レンズとが、各々の焦点
    距離を有し、前記切り替えアレイ機構から前記焦点距離とほぼ等しい距離だけ離
    れて配置されていることを特徴とする請求項９記載の光学スイッチ。
  12. 【請求項１２】前記切り替えアレイ機構が、微小電気機械シャッターアレイを含
    むことを特徴とする請求項９記載の光学スイッチ。
  13. 【請求項１３】前記切り替えアレイ機構が、前記波長分割された入力チャネルの
    各々に対する可動切り替え要素を含み、前記可動切り替え要素が、開放位置と閉
    鎖位置との間で選択的に可動であり、この開放位置では、前記可動切り替え要素
    が、入力ビームを前記複数の波長分割された入力チャネルの１つから第１の出力
    チャネルへ透過せしめ、閉鎖位置では、前記入力ビームを第２の出力チャネルへ
    と反射することを特徴とする請求項９記載の光学スイッチ。
  14. 【請求項１４】前記可動切り替え要素が、反射部材およびアクチュエータを含む
    ことを特徴とする請求項13記載の光学スイッチ。
  15. 【請求項１５】前記反射部材が、MEMS可動鏡であることを特徴とする請求項14記
    載の光学スイッチ。
  16. 【請求項１６】前記アクチュエータが、温度アクチュエータ、静電気アクチュエ
    ータ、くし型ドライブアクチュエータ、もしくはスクラッチドライブアクチュエ
    ータからなるグループから選択されることを特徴とする請求項14記載の光学スイ
    ッチ。
  17. 【請求項１７】前記入力光信号が異なる偏光成分を有し、前記第１の分散要素よ
    り前に配置され、前記第１の入力光信号の前記異なる偏光成分を空間的に分離す
    る偏光分散要素をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の光学スイッチ。
JP2001544075A 1999-12-09 2000-11-30 微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）シャッターアレイを用いた波長選択交叉接続スイッチ Pending JP2003516561A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/458,560 US6535311B1 (en) 1999-12-09 1999-12-09 Wavelength selective cross-connect switch using a MEMS shutter array
US09/458,560 1999-12-09
PCT/US2000/032656 WO2001042844A2 (en) 1999-12-09 2000-11-30 Wavelength selective cross-connect switch using a mems shutter array

Publications (1)

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