JP2004004769A

JP2004004769A - Optical switch and beam direction module

Info

Publication number: JP2004004769A
Application number: JP2003112303A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kazama; 風間　敦; Yasuhiro Ito; 伊藤　康博; Tadaaki Ishikawa; 石川　忠明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP3960253B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accomplish a three-dimensional optical switch having more channels by improving the arrangement density of mirrors in the multichannel three-dimensional optical switch using a biaxial movable mirror. <P>SOLUTION: A 1st mirror array where a plurality of 1st mirrors having a single rotating axis and a plurality of 1st windows are arrayed and a 2nd mirror array where a plurality of 2nd mirrors having a single rotating axis perpendicular to the rotating axis of the 1st mirror and a plurality of 2nd windows are arrayed is arranged adjacent to the beam exit surface of a fiber collimator array. The multichannel optical switch is provided with an optical path where the beam emitted from the fiber collimator is transmitted through the 1st window and reflected by a fixed mirror and the movable mirror in this order, thereafter, transmitted through the 2nd window, and then, ejected outside. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
複数のファイバーを伝送する光信号の接続を切替える光スイッチに関し、ビーム化した光信号の向きをミラーにより制御する三次元光マトリクススイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた光通信においては、Ｎ×Ｎの光スイッチ、すなわち、Ｎ個の入力ポートに光ファイバを通して送られてきた光信号のうちの任意の１つを、Ｎ個の出力ポートのうちの１つに接続でき、これらの接続を切替えることのできる装置が用いられる。
アレイ化したファイバコリメータおよびミラーアレイを用いて、光路を形成できる三次元光マトリクススイッチについて米国特許第６３４７１６７号に記載がある。
【０００３】
本従来例では、ファイバーとコリメータレンズを配列したハウジングと、入力側と出力側のマイクロミラーを同一面に配列した基板と、反射面を形成したキャップをそれぞれ平行に配置する。レンズから出たビームは基板を透過してキャップの反射面で反射し、次に入力側マイクロミラーに反射してキャップを透過して射出される。さらに第２のキャップで反射してビームが折り返され、今度は出力側のマイクロミラーで反射し、入力側と同様の経路を辿り出力側ファイバーに結合する。
【特許文献１】米国特許第６３４７１６７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、米国特許第６３４７１６７号においては、ミラーの配列面に、ビームの通過領域を配置する必要があるため、光マトリクススイッチのミラーのアレイ密度が低くなってしまう。入出力ファイバ間の光路長（ワーキングディスタンス）と、ミラーの最大振り角は限られているため、ミラーの配列密度が低下すると、結合可能なチャンネル数が低下してしまう。
【０００５】
上記のような課題を克服し、ミラーの配列密度を向上できる三次元光スイッチを実現するのが本発明の目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、例えば以下の構成を有する。
（１）複数の可動ミラ−が配置され、異なる回転軸で駆動されて、ビームをコントロールする。例えば、複数の光ファイバを伝播する光信号を切替える光スイッチであって、第一の支持部材と、前記第一の支持部材に支持されており、ビームを出す第一のコリメータと、前記支持部材に対向して設置される第一の基板と、前記第一の基板に設置される第一のマイクロミラーと、前記第一の基板に対向して設置される第二の基板と、前記第二の基板に設置される第二のマイクロミラーと、を備えた入力側ビームダイレクションモジュールと、前記入力側ビームダイレクションモジュールからの光を受光する出力側ビームダイレクションモジュールと、を備え、前記第一のマイクロミラーは第一の方向を軸として回転し、前記第二のマイクロミラーは第二の方向を軸として回転する機構を備える。
（２）出力側のビームダイレクションモジュールも入力側と基本的に同様の構成を持つようにすることができる。例えば、入力側モジュールおよび出力側モジュールとして対向させて設置して、前記入力側モジュールの任意のファイバーの信号を前記出力側モジュールの任意のファイバーに接続するようにすることができるようにする。一例としては、（１）において、前記出力側ビームダイレクションモジュールは、第二の支持部材と、前記第二の支持部材に支持されたビームを受ける第二のコリメータと、前記第二の支持部材に対向して設置される第三の基板と、前記第三の基板に設置される第三のマイクロミラーと、前記第三の基板に対向して設置される第四の基板と、前記第四の基板に設置される第四のマイクロミラーと、を備えた出力側ビームダイレクションモジュールと、を備える。
（３）（１）〜（２）に関して、第一の基板は第一のビーム通過領域を備え、前記第二の基板は第二のビーム通過領域を備え、前記第一のコリメータから出たビームは前記第一のビーム通過領域を通って前記第二のマイクロミラーで反射され、前記第二のマイクロミラーで反射されたビームは前記第一のマイクロミラーで反射され、前記第一のマイクロミラーで反射されたビームは前記第二のビーム通過領域を通って前記出力側ビームダイレクションモジュールに導かれる。
（４）（１）〜（３）に関して、ファイバコリメータから射出するビームが、前記第１のミラー基板、および前記第２のミラー基板に対して斜めに入射するように形成される。
【０００７】
例えば、前記第一の支持部材は、第一の連結部材を介して前記第一の基板に支持され、前記第一の基板は第二の連結部材を介して前記第二の基板に支持される。
（５）（１）〜（４）に関して、前記入力側のビームダイレクションモジュールの前記コリメータは複数設置され、前記入力側のビームダイレクションモジュールの前記コリメータは複数設置され、前記入力側のコリメータのうち第一のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度は前記第一のコリメータより前記出力側のビームダイレクションモジュール側に位置する第二のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度より小さくなるよう形成されているものを含むことを特徴とする光スイッチ。
または、例えば、前記入力側モジュールにおいて、前記入力側モジュールから射出させたビームが前記第一のマイクロミラーおよび前記第二のマイクロミラーが回転していない状態で、前記出力側モジュールの前記第三のマイクロミラー配列領域の中心付近に向くように第一のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度を変化させて設置され、前記出力側モジュールにおいては、前記出力側モジュールから射出させたビームが前記第三のマイクロミラーおよび前記第四のマイクロミラーが回転していない状態で、前記入力側モジュールの前記第一のマイクロミラー配列領域の中心付近に向くように第二のコリメータの前記第三の基板の主面に対する角度を変化させて設置される。
【０００８】
また、（１）〜（４）のビームダイレクションモジュールで、前記第１の可動ミラーおよび第２の可動ミラーは、動作させない状態で表面がそれぞれ第１のミラー基板表面および第２のミラー基板表面と実質的に平行になるように形成されていることが好ましい。精度誤差の範囲程度で平行であればよい。
（６）（１）〜（５）に関して、貫通孔の径はその２つの主面で大小がある。
【０００９】
例えば、前記第一のビーム通過領域或いは前記第二のビーム通過領域は、基板に開口部が形成されてなり、それぞれ前記第一の可動ミラー或いは第二の可動ミラーを配置した面の開口径は前記可動ミラー配置面の反対側より小さくなるよう形成されている。具体的にはテーパのついた貫通孔であることが好ましい。
（７）（１）〜（６）に関して大ミラー付構造にする。光が入力側モジュールから出た後出力側に至る間の光路に大ミラーが配置される。
【００１０】
例えば、前記入力側のビームダイレクションモジュールから出たビームは大ミラー（反射板）で反射されて前記出力側のビームダイレクションモジュールに導かれるよう形成される。
【００１１】
このように、大ミラーとともに設置してなり、前記入力側モジュールと前記出力側モジュールとの間の光路において、前記大ミラーでビームが反射するように配置されており、前記入力側モジュールの任意のファイバーの信号を前記出力側モジュールの任意のファイバーに接続することができるようにすることが好ましい。
（８）（１）〜（７）において、前記大ミラーは前記入力側ビームダイレクションモジュール側に対して凹曲面形状を有する。
【００１２】
このようにすることにより、前記入力側モジュールおよび前記出力側モジュールの任意の前記コリメータからビームを射出したときに、前記ビームが、対応する前記第一の可動ミラーおよび第二の可動ミラーが回転していない状態で、それぞれ対向するモジュールの前記第一の可動ミラーの配列領域の中心付近に向くように、前記大ミラーの曲面を調節することもできる。
【００１３】
本発明の一例としては、光信号の入出力用のファイバーを複数有し、各ファイバーに伝播する光信号をビーム化してそれぞれ任意の方向に向けることのできるビームダイレクションモジュールに関して、光信号が伝播するファイバーと、前記ファイバーからの光信号をコリメートビーム化するように配置されたコリメータレンズにより構成されるファイバコリメータが、ファイバコリメータ支持体に複数配列して設置されたファイバコリメータアレイと、１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第一の可動ミラーと、ビームが通過できる複数の第一の窓が、薄板状の第１のミラー基板上に、それぞれ前記ファイバコリメータに対応して配列された第一のミラーアレイとを有する。そして、前記第一の可動ミラーの回転軸と直交する１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第二の可動ミラーと、ビームが通過できる複数の第二の窓が、薄板状の第二のミラー基板上に、それぞれ前記ファイバコリメータに対応して配列された第二のミラーアレイを有し、前記ファイバコリメータアレイのビーム射出面と前記第一のミラーアレイ、および前記第一のミラーアレイと前記第二のミラーアレイがそれぞれ近接して設置され、前記ファイバコリメータから射出したビームが、前記第一の窓を通過し、前記第二の可動ミラーで反射して、前記第一の可動ミラーで反射して、前記第二の窓を通過して外部に向けて射出されるように各部材が配置されており、前記第一の可動ミラーおよび第二の可動ミラーの傾き角を調節することで、前記ビームの射出方向を制御できるようになっている。
【００１４】
本発明では、２つのミラーを一軸づつ制御して用いてビームの射出方向を制御するところに一つの特徴がある。
これにより、ミラーデバイスのサイズを小型化できる。
前記従来技術のように固定ミラーと二軸可動ミラーとの組合せにより調整する場合において、一般的に二軸可動ミラーでは、実効的なミラー面が一軸中心に回転する他に、もう一軸の回転を担う可動子が必要になるのに対して、一軸可動ミラーではそのような可動子を必要としないので、ミラーデバイス全体のサイズを小さくできる。また、一般的に用いられている静電駆動のミラーの場合、二軸可動ミラーでは、４個あるいは少なくとも３個の静電パッドを必要とするのに対して、一軸可動ミラーでは２個で良いため、静電パッドに給電するための配線の引き回しスペースを小さくできる。上記のような効果から、本発明では、ミラーの配列密度を向上でき、より多チャンネルの光マトリクススイッチを実現できる。
【００１５】
また、前記従来技術のように固定ミラーと二軸可動ミラーとの組合せにより調整する場合、二軸可動ミラーでは、実効的なミラー面が可動子の回転に追従して傾くため、ミラー面を回転させるためにパッドに印可する電圧値とミラー面の回転量との関係の特性が、可動子の回転量に応じて変化してしまうこととなり、ビームの方向制御が非常に難しくなる。
【００１６】
一方、本発明においては、独立した２つのミラーにより一軸ずつの回転を担うため、軸間の干渉がなく、ビームの方向制御が容易である。
【００１７】
また、薄い基板上にアレイ化された第１のミラーアレイおよび第２のミラーアレイを、ファイバコリメータアレイのビーム射出面に近接して設置する構成であるため、ファイバーから第１の可動ミラーおよび第２の可動ミラーまでの光路を非常に短くでき、かつ、多チャンネル化してアレイサイズが拡大しても、ファイバーからミラーまでの光路の増加を抑制できる。そのため、ファイバコリメータの光軸やミラー制御の角度ずれに対して、結合効率の低下を小さくできる。また、上記のような近接配置であるために、ファイバコリメータアレイ、第１のミラーアレイ、および第２のミラーアレイを、溝やピンなどを用いて直接的に位置決めでき、アクティプな調芯方法を必要としないので、位置合わせの手間を低減できる。また、溝の寸法精度はマスクにより高精度に制御できるので、高精度な位置決めが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を添付図面を用いて説明する。
【００１９】
図１に断面模式図を示す本発明の第１の実施形態は、光信号の入出力用のファイバーを複数有し、各ファイバーに伝播する光信号をビーム化して、それぞれ任意の方向に向けることのできるビームダイレクションモジュール１であって、光信号が伝播するファイバー２と、ファイバー２からの光信号をコリメートビーム化するように配置されたコリメータレンズ３により構成されるファイバコリメータ４が、ファイバコリメータ支持体５に複数配列して設置されたファイバコリメータアレイ６と、１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第１のミラー７と、ビームが通過できる複数の第１の窓８が、薄板状の第１のミラー基板９上に、それぞれ前記ファイバコリメータ４に対応して配列された第１のミラーアレイ１０と、前記第１のミラー７の回転軸と直交する１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第２のミラー１１と、ビームが通過できる複数の第２の窓１２が、薄板状の第２のミラー基板１３上に、それぞれ前記ファイバコリメータ４に対応して配列された第２のミラーアレイ１４を有し、ファイバコリメータアレイ６のビーム射出面６ａと第１のミラーアレイ１０、および第１のミラーアレイ１０と第２のミラーアレイ１４がそれぞれ近接して設置され、ファイバコリメータ４から射出したビーム１５が、第１の窓８を通過し、第２のミラー１１で反射して、第１のミラー７で反射して、第２の窓１２を通過して外部に向けて射出されるように各部材が配置されており、第１のミラー７および第２のミラー１１の傾き角を調節することで、ビーム１５の射出方向を制御できる。
【００２０】
本発明の第２の実施形態は、図２の断面模式図に示すように、第１の実施形態のビームダイレクションモジュール１を２基対向させて配置し、一方を入力側モジュール１６、他方を出力側モジュール１７として構成した光スイッチ１８である。入力側モジュール１６のファイバー２ａに送られてきた光信号は、ビーム化され、対応する第１のミラー７ａおよび第２のミラー１１ａを制御することにより、出力側モジュール１７の任意の第１のミラー７ｂに向けられる。出力側モジュール１７では、第１のミラー７ｂおよび第２のミラー１１ｂの傾きを制御して、対応するファイバー２ｂの端面にビームが集光するように調節する。こうして、入力側モジュール１６の任意のファイバー２ａに送られてきた光信号を、出力側モジュール１７の任意のファイバー２ｂに接続することができる。
【００２１】
比較例としての三次元型の光スイッチの基本的な構成例を図３に示す。ファイバー端からの光をコリメートビームにして射出、あるいはコリメートビームをファイバー端に集光することのできるファイバコリメータを二次元的に配列したファイバコリメータアレイを入力側と出力側の二対有し、さらに各ファイバーに対応して可動ミラーを二次元配列したミラーアレイを入力側と出力側それぞれに対して設置する。各マイクロミラーは二軸可動で、傾き角を制御できるようになっており、任意の入力側ファイバコリメータからのビームは、対応する入力側ミラーアレイ上のミラーで反射されて、出力側ミラーアレイの行き先の出力ポートに対応するミラーに導かれ、このミラーにより出力側のファイバコリメータに導かれて、光結合が達成される。
【００２２】
図４に前記比較例の三次元型光マトリクススイッチの水平方向一列分の配置を示す。高い結合効率を達成するためには、ファイバコリメータおよびミラーアレイの相対位置や、ミラーの制御などを高精度に行い、光ビームのエネルギーが確実に出力側ファイバーに結合する必要がある。例えば、ファイバコリメータアレイの各ファイバコリメータに光軸方向の角度ばらつきがあると、ビームがミラーからはみ出して損失が発生する。また、出力側ミラーの角度制御にずれが発生すると、出力側ファイバー上でのビームの集光点がずれて損失が発生する。上記のビーム入射位置ずれは、いずれもコリメータレンズ／ミラー間距離Ｌに比例して大きくなるため、損失の低減、つまり結合効率の向上のためには、Ｌを短くすることが重要になる。
【００２３】
しかしながら、図４に示した比較例の光マトリクススイッチにおいては、ファイバコリメータアレイが光路に干渉しないように、ファイバコリメータアレイとミラーアレイを離して設置するため、Ｌが比較的大きくなってしまう。またレンズとミラーの配列面が平行でないため、Ｌが場所により変化し、結合効率のばらつきを発生する恐れがある。また多チャンネルになりミラーアレイのサイズが大きくなるほど、Ｌの最大値（Ｌｍａｘ）が大きくなってしまう。
【００２４】
本発明の一実施形態としての光スイッチでは、第１のミラーアレイ１０および第２のミラーアレイ１４にビームが通過できる窓を形成するため、図３および図４に示した比較例の三次元光スイッチのようにビーム光路とファイバコリメータアレイとの干渉を考慮する必要がなく、よって、第１のミラーアレイ１０および第２のミラーアレイ１４をファイバコリメータアレイ６のビーム射出面６ａに近接させて設置することができ、コリメータレンズ３から第１のミラー７あるいは第２のミラー１１までの光路を非常に短くできる。よって、比較例の光スイッチと比較して、ビーム入射位置ずれを小さくでき、結合効率を向上できる。また、レンズからミラーまでの光路長は場所によって変化せず、また多チャンネル化しても最大光路長が増加しないため、結合効率のばらつきおよび低下を防ぐことができる。
【００２５】
さらに、本発明では、ファイバコリメータアレイ６、第１のミラーアレイ１０、および第２のミラーアレイ１４が近接して配置しているため、それぞれを直接的に位置合わせすることができる。図５はファイバコリメータアレイ６、第１のミラーアレイ１０、および第２のミラーアレイ１４の位置合わせ方法の一例を示す断面模式図である。ファイバコリメータ支持体５、第１のミラー基板９、第２のミラー基板１３の周辺部の所定の位置にそれぞれ位置合わせ用の第１の溝１９、第２の溝２０、および第３の溝２１を形成し、精度の保証された第１のピン２２および第２のピン２３を用いて互いに位置合わせする。位置合わせ用の溝は、ミラーおよび窓を配列している領域の外周部に設けることが望ましく、少なくとも２箇所以上で位置合わせすることが望ましい。溝の形成は、例えばマスクパターンに従ってエッチングなどにより行うことで、高い精度で加工が可能なので、十分な位置合わせ精度が得られる。
【００２６】
例えば、比較例の三次元光スイッチにおいては、ファイバコリメータアレイと、ミラーアレイが互いに離れて設置されるため、両者の相対位置合わせは、例えばミラーアレイを移動ステージに固定し、ファイバコリメータアレイから出る参照ビームをモニタしながらミラーアレイの位置をステージで調整するといった位置合わせ手順および装置が必要であった。本発明では、上記のように直接的に高精度な位置合わせが可能なので、位置合わせにかかる手間と費用を低減することができる。溝形状は、例えばＶ字溝や、貫通孔などを用いることができる。ピンは円柱形か、円柱形で先端が球状のもの、あるいは球状のものなどを用いることができる。
【００２７】
本発明の一実施例のビームスキャニングモジュールにおいては、ファイバー２、コリメータレンズ３、第１のミラー７、第１の窓８、第２のミラー１１、および第２の窓１２の、それぞれ１つずつが組となって、一本のビーム１５の光路を形成するように配置されることが必要であり、その限りであれば、さまざまな配置をとってよい。ただし、第１のミラー７および第２のミラー１１を、それぞれ第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の表面に対して非平行に形成しようとすると、製造上難しく手間がかかる。その点で、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の表面に平行になるように形成した第１のミラー７および第２のミラー１１を用いてビーム１５の光路を構成することが望ましく、そうした構成は、ビーム１５が第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３に対して斜めに入射するように、ファイバコリメータ４を配置することにより達成できる。
【００２８】
また、本発明の一実施例では、互いに回転軸が異なるミラー２つを主に一軸駆動させて、ビームの射出方向を制御する。図６でビーム射出方向を制御する仕組みを説明する。コリメータレンズ３から射出したビームが、第１の窓８を通過し、第２のミラー１１および第１のミラー７で反射し、第２の窓１２を通過した後の、任意のビーム投射面２４を考える。図に示すようにｘ方向１０１、ｙ方向１０２を定める。第１のミラー７を第１のミラー回転軸２５を中心に回転させることにより、ビーム投射面２４上でｘ方向１０１にビームを振ることができ、さらに、第２のミラー１１を第２のミラー回転軸２６を中心に回転させることにより、ビーム投射面２４上でｙ方向１０２にビームを振ることができる。このように、互いに直交した回転軸を持つ２つの一軸駆動ミラーを用いて、ビームを任意の方向に向けることができる。もちろん、２つのミラーの回転軸の向きは反対になってもよいし、また、軸同士は直交していることが最も望ましいが、完全に直交していなくてもよい。
【００２９】
ただし、望ましくは、図６に示したとおりに、第１のミラー７の第１のミラー回転軸２５がｙ方向１０２を、第２のミラー１１の第２のミラー回転軸２６がｘ方向１０１を向くようにする。第２の窓１２は、ビームがミラーに振られても通過できるだけのサイズにする必要がある。ミラーから第２の窓までの距離が遠いほど、第２の窓のところでビームが振られる距離は増加する。よって、図６の構成と逆に、第２の窓１２までの距離が第１のミラー７よりも遠い第２のミラー１１においてビームをｘ方向に振ると、第２の窓をｘ方向により広げる必要がある。すると、第２のミラー１１と第２の窓１２のピッチを広げる必要があり、それに応じて、ミラー基板間距離２７も広がってしまう。すると、ミラーから第２の窓までの距離がさらに遠くなり、第２の窓をさらに広げなければならないというように、配列ピッチが大きくなってしまう。逆に第２のミラー１１でｙ方向にビームを振ると、第２の窓はｙ方向により広がるが、これは第２のミラーアレイ間距離２７には影響を及ぼさない。以上のように、図６の構成のように第２のミラー１１でｙ方向にビームを振るように、つまり回転軸がｘ方向を向くようにすることで、ミラーと窓の配列ピッチをより小さくでき、配列密度が高まり、多チャンネルの光スイッチを実現できる。ここでｘ方向は、第１のミラーアレイ１０と第２のミラーアレイ１４が積み重なる方向に対してコリメータ３から出るビーム光軸の傾斜方向２８である。すなわち、望ましくは、第２のミラー１１の第２の回転軸２６をコリメータ３から出るビームが傾く方向と同じ方向にする。つまり、傾斜方向２８は、Ｘ方向１０１になるようにする。
具体的には、ミラーが設置される基板の積層方向から見て、例えば、光ファイバ２（コリメータ３であることができる）の長手方向（光出力方向であってもよい）に対して、第２のミラー１１はその直交方向より平行方向に近い方向に回転軸を有し、第１のミラー７はその平行方向より直交方向に近い方向に回転軸を有する。このため、第１ミラー軸２５より第２ミラー軸２６の方が光ファイバの傾斜方向２８や光出力方向等に近くなる。また、同方向から見て、光ファイバ２あるはコリメータ３からの光出力方向は、第２ミラーが駆動することによって、反射光は前記出力と平行方向の変化よりそれと直交方向の変化が大きく、第１ミラーが駆動することによって、反射光は前記出力方向と直交方向の変化より平行方向の変化が大きくなるよう形成されている。
【００３０】
光マトリクススイッチのミラーには、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造され、静電力により駆動するものを用いることができる。図７ａ〜７ｃに二軸駆動のミラー構造の一例を示す。図７ａは平面構造を示しており、ビームを反射する部分である実効ミラー部３０が、第１の回転軸３１を構成する二本の第１の梁３２を介して可動子３３に結合しており、可動子３３は、第１の回転軸３１と直交する第２の回転軸３４を形成する二本の第２の梁３５を介して、支持体３６に結合され、ミラー構造体３７を構成する。第２の回転軸３４を中心にして可動子３３が実効ミラー部３０とともに回転し、また第１の回転軸３１を中心にして実効ミラー部３０が回転することにより、実効ミラー部３０が二軸で回転することができる。
【００３１】
図７ｂはミラーの駆動方法を示す図７ａのＡ−Ａ断面における断面図である。上記ミラー構造体３７はスペーサ３８を介して電極基板３９上に設置される。ミラー構造体３７の電極基板３９対向面には、導電膜４０が形成されており、電極基板３９表面に形成された静電パッド４１に電圧を印可し、導電膜４０との間に静電引力を発生させて実効ミラーおよび可動子を引き付けて回転させる。なお、ミラー構造体の導電膜４０形成面と反対の面には、少なくとも実効ミラー部３０表面に、ビームを反射できるミラー膜４２を形成する。
【００３２】
図７ｃは静電パッド４１の平面的配置例を示している。第１のミラー回転軸３１を中心とする回転を主に発生する二対の第１の静電パッド４３、および、第２のミラー回転軸３４を中心とする回転を主に発生する二対の第２の静電パッド４４を配置する。静電パッドは合計４つになり、静電パッドに給電するための４本の配線４５が電極基板３９上に形成される。
【００３３】
これに対して、図８ａ〜８ｃに一軸可動ミラーの構造の一例を示す。図８ａに示すように、実効ミラー部５０が、回転軸５１を構成する二対の梁５２を介して支持体５３に結合され、ミラー構造体５４を構成している。回転軸５１を中心に実効ミラー部５０が回転するのみで、二軸可動ミラーのように可動子は必要としない。図８ｃに示すように、静電パッド５５は回転軸５１を中心とする回転を発生させる二対のみで、配線５６も２本になる。
【００３４】
このように、一軸可動ミラーでは可動子を必要としないため、二軸可動ミラーよりもミラー構造体のサイズを小さくできる。また、配線は、二軸可動ミラーでは４本なのに対して、一軸可動ミラーでは２本になるため、配線の引き回しスペースもほぼ半減する。本発明の第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３上には、ミラー構造体、窓、静電パッド、配線をそれぞれ配置する必要があるが、一軸可動ミラーを用いることにより、二軸可動ミラーを用いた場合と比較して、ミラーデバイスそのもののサイズが小さくなり、また配線スペースが小さくなることにより、ミラーの配列ピッチを小さくでき、配列密度を向上できる。これにより、ビームが通過するための窓を配置したことによるミラー配列密度の低下を補い、より多チャンネルの光スイッチを実現できる。
【００３５】
また、図７、図８に示したような一般的な二軸可動ミラーおよび一軸可動ミラーを考えて、入力側ミラーアレイのミラーの角度を振って、出力側ミラーアレイの面上でビームを到達させられる範囲（ビーム到達可能範囲と呼ぶ）を比較した模式図を図９に示す。ミラーの最大振り角は、ミラーが傾いて静電パッドと近づくことで静電力が急激に増大し、ねじり梁の剛性とつりあわなくなって完全に引き付けられてしまうプルイン現象が発生する角度により決まる。プルインが発生せずに回転できる最大角度がθｍａｘであったとすると、二軸可動ミラーでは、ミラーの静電パッドと最も近づく点における角度がθｍａｘとなるところが振り角の限界となるため、ビーム到達可能範囲５８は図９に示すようにほぼ円形になる。一方、一軸可動ミラー２つでビームの方向を制御する本発明の光スイッチでは、直交した２つの軸方向にそれぞれθｍａｘ回転できるため、ビーム到達可能範囲５９は図９に示したように矩形となり、斜線で示したような部分にもミラーを配列可能になる。
【００３６】
さらに、実効ミラー部のサイズが同じ場合、一軸可動ミラーの方が静電パッドの面積を大きくできるため、印可電圧値に対して得られる静電吸引力が大きくなる。すると、駆動力を確保しながら、ミラー構造体と静電パッドの間の距離を離すことができるので、プルインが発生しにくくなり、ミラーの最大振り角を大きくすることができる。
【００３７】
これらの効果により、ビームが通過するための窓を配置したことによるミラー配列密度の低下を補い、より多チャンネルの光スイッチを実現できる。
【００３８】
二軸可動ミラーにおいては、例えば、可動子を第２のミラー回転軸まわりに回転すると、同時に実効ミラーも回転し、すると、実効ミラーと第１の静電パッド間のギャップが変化するため、実効ミラーの第１の回転軸まわりの回転と第１の静電パッドに印可する電圧との関係の特性が変化してしまう。このように、一方の軸まわりにどれだけ回転しているかで、もう一方の軸まわりの回転の特性が変化するため、ミラー回転角の制御が非常に難しい。
【００３９】
しかし、２つの一軸可動ミラーを用いた本発明の構成では、２つの軸まわりの回転は、２つの一軸可動ミラーが独立に受け持つので、軸間の干渉がなく、ミラーの回転と静電パッドに印可する電圧との関係の特性は一定となり、ミラー回転角の制御が容易になる。
【００４０】
複数の第１のミラー７あるいは第２のミラー１１を第１のミラーアレイ１０あるいは第２のミラーアレイ１４に配列して作成する方法は、例えば、図８に示したミラー構造体５４の部分が複数配列したウエハをＭＥＭＳ技術を用いて作成し、スペーサを介して、静電パッドや配線を形成した第１のミラー基板９あるいは第２のミラー基板１３に張り合わせることができる。
【００４１】
なお、ＭＥＭＳ技術とは、シリコンあるいはシリコンの酸化物により構成されるウエハを材料とし、フォトリソグラフィによりマスクをパターニングし、ウェットエッチング、ドライエッチングなどの加工法を用いて立体的な構造を作成する技術である。基本的には周知の製造技術を用いることができる。
【００４２】
なお、第１のミラー７および第２のミラー１１は、図８に示した構成に限られたものではなく、実効ミラー部や梁の形状、静電パッドの形状や配置など様々な構成をとってもよい。例えば図６に示したように、実効ミラーが矩形であってもよい。実効ミラー部以外の部分がなるべく小さい構成のものを用いることにより、ミラーの配列密度を高くすることが好ましい。
【００４３】
第１の窓８および第２の窓１２は、望ましくは、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３にそれぞれ貫通孔を形成してなる。貫通孔とすることにより、ビームがロスなく通過することができる。第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の材料は、例えばシリコンやガラス、あるいは４２−アロイなどの金属材料などを用いる。貫通孔の形成は、ドライエッチングやウェットエッチング、ドリルによる機械加工やレーザー加工など、材料によって様々な加工方法を用いることができる。
【００４４】
第１の窓８および第２の窓１２は、垂直な貫通孔でもよいが、望ましくは、図１に示したようにテーパのついた貫通孔とし、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３のミラー配列面側の貫通孔の開口領域を裏面よりも小さくして、必要最小限の領域にとどめることにより、ミラーの配列密度を高くできる。こうしたテーパのついた貫通孔は、例えば基板の材料をシリコンとし、異方性エッチングを用いることにより加工できる。
【００４５】
また、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の材料をガラスにした場合、第１の窓８および第２の窓１２の部分に貫通孔を形成せずガラスを透過する構成としてもよい。また、基板の材料をシリコンにした場合、使用するビームの波長がシリコンを透過する波長領域に限られる場合は、同様に貫通孔を形成しない構成としてもよい。それらの場合、貫通孔の加工の手間を省くことができるが、表面での反射および透過の際の損失により、貫通孔の場合と比べて結合効率は低下する。この場合、窓の部分の表面には反射防止膜を形成することが望ましい。
【００４６】
なお、第１の窓８、および第２の窓１２においては、窓の周辺部の基板上に、ビームを透過しないような表面処理を施すなどして、光学的な絞りとして機能させることもできる。この絞りにより、目的のビーム以外の信号の反射光や散乱光がファイバーに結合してしまうクロストークを低減することができる。
【００４７】
ファイバコリメータアレイ６は、例えば図１０ａ、図１０ｂに示すように構成することができる。図１０ａの平面図に示すように、ファイバコリメータ支持基板６０上に、ファイバーの位置合わせ用の複数のファイバー合わせ溝６１、およびコリメータレンズの位置合わせ用の複数の第１のレンズ合わせ溝６２を形成する。それぞれの溝に、円筒形のファイバー２、および円筒形あるいは球形のコリメータレンズ４を設置することにより、一列のファイバコリメータ列が構成される。
【００４８】
このファイバコリメータ列を、図１０ｂの断面図（下層から３段を図示し、それ以上は省略してある）に示すようにスタックすることにより、ファイバコリメータを二次元に配列したファイバコリメータアレイ６４が構成される。最下層以外のファイバコリメータ支持基板には、裏面に第２のレンズ合わせ溝６３を形成しておき、レンズを介してスタック方向および平面方向の位置合わせを行う。
【００４９】
図１０ｂの断面図で、最下層に設置されている位置合わせピン６５を用いて、第１のミラーアレイ１０との位置合わせを行う位置合わせ方法の一例を以下に示す。図１０ａに示したような、位置合わせピン合わせ溝６６を用いて、ファイバコリメータアレイ６４のレンズ配列面の外周の４点で、同じ長さだけレンズ配列面から飛び出すように、位置合わせピン６５を設置する。第１のミラーアレイ１０には、第１のミラー基板９のファイバコリメータアレイと対向する面に位置合わせ溝を形成しておき、ここに上記の位置合わせピン６５の先端を合わせることで、ファイバコリメータアレイ６４と第１のミラーアレイ１０の位置合わせを行う。この場合、第１のミラーアレイ側の溝は、四角錘形にしておき、位置合わせピン６５の先端を球形にしておくと、位置合わせがしやすい。
【００５０】
ファイバコリメータ支持基板は、例えばシリコンウエハを材料として、異方性エッチングにより加工することにより、高精度なＶ字溝を形成することができる。ただし、材料、加工法はこれに限られたものではない。結晶面に沿った溝を形成することが好ましい。
【００５１】
上記ファイバコリメータアレイの構成は一例であり、溝やピンなどの配置や形状などはこれに限られたものではない。また、レンズとファイバーを融着して一体化されたファイバコリメータを用いてもよく、その場合はレンズ部分のみ溝で位置合わせすればよい。
【００５２】
また、ファイバコリメータ支持基板をスタックした構造に限られたものでもなく、例えば、図１１に示すような構成をとってもよい。二次元的に配列された複数のコリメータレンズ７０を一体で形成したコリメータレンズアレイ７１を用い、コリメータレンズアレイ７１のコリメータレンズ７０形成面の裏面に、コリメータレンズ７０と対応した位置にファイバー７２を接続する。ファイバコリメータアレイ７１は、例えばガラス板から削り出す、溶融したガラスを型に流し込むなどの方法で加工することができる。この場合も、コリメータレンズアレイ７１のコリメータレンズ７０形成面の外周に、位置合わせ用の溝を形成し、第１のミラーアレイ１０に形成した溝に対してピンやボールを用いて位置合わせすることができる。
【００５３】
以上説明してきた本発明のビームダイレクションモジュールにより光スイッチを構成するための配置法としては、図２に示した第２の実施形態の他にも様々な配置を取りうる。
【００５４】
図１２は本発明の第３の実施形態を示す断面模式図である。入力側モジュール７５と出力側モジュール７６が左右対称になるように配置され、両モジュールに対向するように大ミラー７７が配置され、入力側モジュール７５の任意のファイバー２ａの光信号はビーム化して射出され、大ミラー７７に反射して、出力側モジュール７６の任意のファイバー２ｂに接続する。ここで、大ミラー７７は、少なくとも複数のコリメータレンズから出たビームが反射されるようなものである。好ましくはすべてのポートから出たビームを反射できるものである。また、ミラーアレイを構成するマイクロミラーよりは十分にサイズが大きい固定ミラーで構成されることが望ましい。好ましくは１枚のミラーで構成することが効率的である。本実施形態では、入力側のファイバーと出力側のファイバーを同方向に出すことができ、また光路が折りたたまれているため、全体として省スペース化を図れる。
【００５５】
また、上記第３の実施形態を発展させた形態として、本発明の第４の実施形態を図１３の断面模式図に示す。第３の実施形態における入力側と出力側に相当する部分を、１つのビームダイレクションモジュール７８として形成する。第３の実施形態と同様の効果に加えて、ビームダイレクションモジュールが一つで済むので、製造コストと組立てコストを低減できる。
【００５６】
また、図１４に示す本発明の第５の実施形態である光スイッチは、入力側モジュール８０および出力側モジュール８１において、各ファイバコリメータ４からのビームが、対向するモジュールの第１のミラーアレイ７の第１のミラーの配列領域の中心付近に向くように、ファイバコリメータ４の傾きを変えて、ファイバコリメータアレイ６に配列したことを特徴とする。第１のミラー７および第２のミラー１１が、ミラーに駆動力（例えば静電力や電磁力）を与えない状態（以下ニュートラル状態と呼ぶ）のときに、対向するミラーアレイの外周部にビームが向くように配置されていると、対向するミラー配列領域内でビームを振るために必要とされる最大の振り角が、ニュートラル状態に対して片側に偏ってしまう。通常のミラーデバイスでは、最大振り角はニュートラル状態の両側でほぼ等しいため、より大きく振られる側がミラーに要求される最大振り角を決定する。本発明の第５の実施形態では、ニュートラル状態でビームがすべて対向するミラーアレイの中心を向いているため、それぞれのミラーが両側のミラー振り角をほぼ均一に使用できるため、ミラーに要求される最大振り角を小さくすることができる。または、最大振り角が一定だとすれば、モジュールの間隔を狭めて光路長を小さくすることができる。
【００５７】
図１０ａ、ｂに示したファイバコリメータアレイの構成法を用いた場合、第１のレンズ合わせ溝６２および第２のレンズ合わせ溝６３の形状や配置を変更することにより対応できる。ファイバコリメータ支持基板のスタック方向において、ファイバコリメータの向きを中心に向けるのが困難な場合は、平面方向のみ実施しても、片方の一軸可動ミラーに対しては上記効果を得ることができる。また、図１１に示したファイバコリメータアレイの構成法を用いた場合は、ファイバーをコリメータレンズアレイに接続する向きを変更することにより実施できる。
【００５８】
また、図１５に示す第６の実施形態では、前記第３の実施形態と同様の構成で曲面形状を有する大ミラー８２を用いることにより、ニュートラル状態において任意のビームが対向するモジュールのミラーアレイの中心付近に向くようにすることができ、前記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図＠、図４に示した比較例の三次元光スイッチのような構成で、ファイバコリメータアレイの部分に本発明のビームダイレクションモジュールを用いる構成としてもよい。図１６に示すように、入力側ビームダイレクションモジュール９０と出力側ビームダイレクションモジュール９１を設置し、その間に入力側の第１の外部ミラーアレイ９２、および出力側の第２の外部ミラーアレイ９３を設置する。第１の外部ミラーアレイ９２および第２の外部ミラーアレイ９３には光スイッチのポート数分のマイクロミラー９４が配置され、マイクロミラー９４は二軸可動であることが望ましい。本構成では、ビームダイレクションモジュールが有する可動ミラーの振り角に加え、外部ミラーアレイのミラー振り角が使用できることでビームを振れる範囲が広がるため、例えば１０００チャンネル程度の大規模光スイッチを構成するのに有利である。またその際、ビームを出すだけのファイバコリメータのかわりに本発明のビームダイレクションモジュールを用いることで、ビームダイレクションモジュールに内蔵されているミラーによりビームの射出方向を制御して外部ミラーアレイの目的のミラーに確実にビームを当てることができるため、ビームダイレクションモジュールと外部ミラーアレイの相対位置を高精度に合わせる必要がなく、実装組立てが容易である。
【００６０】
本発明のビームダイレクションモジュールは、それ単体で光ビームスキャナとして使用することができる。具体的には、例えば、レーザービームプリンターや、バーコードなどを読み取る光スキャナ、あるいは走査型のプロジェクタなどに適用できる。こうした用途においては、例えばビームを直線状に走査する動作が必要になるが、ここで二軸可動のミラーを用いていると、軸間に干渉があるために、片方の軸まわりの回転に沿って直線状に走査しようとすると、他方の軸まわりの回転を与える印可電圧値も逐次変えていかなくてはならず、制御が非常に難しい。一方で、本発明の何れか一実施形態で用いたビームダイレクションモジュールの構成を用いることにより、容易に所望の位置における直線状の走査が可能となる。例えば、２つの一軸可動ミラーを用いて、片方のミラーは所定の角度に固定しておき、他方のミラーだけを動かすように制御する。
【００６１】
【発明の効果】
本発明により、ミラーの配列密度を向上して多チャンネルに好適な三次元光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるビームダイレクションモジュールの構成を示す断面模式図。
【図２】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図３】比較例の三次元光スイッチの概略構成を示す斜視図。
【図４】比較例の三次元光スイッチの断面構成を示す断面模式図。
【図５】本発明のビームダイレクションモジュールの組立て方法の一例を説明する断面模式図。
【図６】ビームの向きを制御する仕組みを説明する概略斜視図。
【図７】ａ二軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成を示す平面模式図。ｂ二軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成および駆動方法を示す断面模式図。ｃ二軸可動の静電駆動マイクロミラーの駆動用静電パッドの構成を示す平面模式図。
【図８】ａ一軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成を示す平面模式図。ｂ一軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成および駆動方法を示す断面模式図。ｃ一軸可動の静電駆動マイクロミラーの駆動用静電パッドの構成を示す平面模式図。
【図９】二軸可動ミラーと一軸可動ミラーのビーム振り角範囲を比較した模式図。
【図１０】ａファイバコリメータを配列する支持基板の構成の一例を示す平面模式図。ｂファイバコリメータアレイの構成方法の一例を示す断面模式図。
【図１１】ファイバコリメータアレイの構成方法の一例を示す断面模式図。
【図１２】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１３】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１４】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１５】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１６】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【符号の説明】
１．．．ビームダイレクションモジュール、２．．．ファイバー、２ａ．．．入力側のファイバー、２ｂ．．．出力側のファイバー、３．．．コリメータレンズ、４．．．ファイバコリメータ、５．．．ファイバコリメータ支持体、６．．．ファイバコリメータアレイ、６ａ．．．ファイバコリメータアレイのビーム射出面、７．．．可動ミラー、７ａ．．．入力側の可動ミラー、７ｂ．．．出力側の可動ミラー、８．．．第１の窓、９．．．第１のミラー基板、１０．．．第１のミラーアレイ、１１．．．固定ミラー、１２．．．第２の窓、１３．．．第２のミラー基板、１４．．．第２のミラーアレイ、１５．．．ビーム、１６．．．入力側モジュール、１７．．．出力側モジュール、１８．．．光スイッチ、１９．．．第１の溝、２０．．．第２の溝、２１．．．第３の溝、２２．．．第１のピン、２３．．．第２のピン、２４．．．ビーム投射面、２５．．．第１のミラー回転軸、２６．．．第２のミラー回転軸、２７．．．ミラー基板間距離、２８．．．ファイバーの傾斜方向、３０．．．実効ミラー部、３１．．．第１の回転軸、３２．．．第１の梁、３３．．．可動子、３４．．．第２の回転軸、３５．．．第２の梁、３６．．．支持体、３７．．．ミラー構造体、３８．．．スペーサ、３９．．．電極基板、４０．．．導電膜、４１．．．静電パッド、４２．．．ミラー膜、４３．．．第１の静電パッド、４４．．．第２の静電パッド、４５．．．配線、５０．．．実効ミラー部、５１．．．回転軸、５２．．．梁、５３．．．支持体、５４．．．ミラー構造体、５５．．．静電パッド、５６．．．配線、５８．．．ビーム到達可能範囲（二軸可動ミラーの場合）、５９．．．ビーム到達可能範囲（一軸可動ミラーの場合）、６０．．．ファイバコリメータ支持基板、６１．．．ファイバー合わせ溝、６２．．．第１のレンズ合わせ溝
、６３．．．第２のレンズ合わせ溝、６４．．．ファイバコリメータアレイ、６５．．．位置合わせピン、６６．．．位置合わせピン合わせ溝、７０．．．コリメータレンズ、７１．．．コリメータレンズアレイ、７２．．．ファイバー、７５．．．入力側モジュール、７６．．．出力側モジュール、７７．．．大ミラー、７８．．．ビームダイレクションモジュール、８０．．．入力側モジュール、８１．．．出力側モジュール、８２．．．大ミラー、１０１．．．ｘ方向、１０２．．．ｙ方向[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch for switching connection of optical signals transmitted through a plurality of fibers, and to a three-dimensional optical matrix switch for controlling the direction of a beamed optical signal by a mirror.
[0002]
[Prior art]
In optical communication using an optical fiber, an N × N optical switch, that is, an arbitrary one of optical signals transmitted through an optical fiber to N input ports is used to convert any one of the N output ports into N output ports. Is used, and a device that can switch between these connections is used.
US Pat. No. 6,347,167 describes a three-dimensional optical matrix switch capable of forming an optical path using an arrayed fiber collimator and a mirror array.
[0003]
In this conventional example, a housing in which fibers and a collimator lens are arranged, a substrate in which input-side and output-side micromirrors are arranged in the same plane, and a cap in which a reflection surface is formed are arranged in parallel. The beam emitted from the lens is transmitted through the substrate, reflected by the reflection surface of the cap, then reflected by the input side micromirror, transmitted through the cap, and emitted. Further, the beam is reflected by the second cap and turned back. This time, the beam is reflected by the micromirror on the output side, and follows the same path as that on the input side to be coupled to the output side fiber.
[Patent Document 1] US Pat. No. 6,347,167
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in U.S. Pat. No. 6,347,167, it is necessary to arrange a beam passage area on the arrangement surface of the mirrors, so that the array density of the mirrors of the optical matrix switch is reduced. Since the optical path length between the input and output fibers (working distance) and the maximum swing angle of the mirror are limited, when the arrangement density of the mirrors is reduced, the number of channels that can be coupled is reduced.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to realize a three-dimensional optical switch that can overcome the above-described problems and can increase the array density of mirrors.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has, for example, the following configuration to solve the above problems.
(1) A plurality of movable mirrors are arranged and driven by different rotation axes to control a beam. For example, an optical switch for switching an optical signal propagating through a plurality of optical fibers, a first support member, a first collimator that is supported by the first support member and emits a beam, and the support member A first substrate disposed opposite to the first substrate, a first micromirror disposed on the first substrate, a second substrate disposed opposite to the first substrate, the second substrate A second micromirror installed on the substrate, an input-side beam direction module including: an output-side beam direction module that receives light from the input-side beam direction module; and The mirror rotates about a first direction, and the second micromirror has a mechanism for rotating about a second direction.
(2) The beam direction module on the output side can have basically the same configuration as that on the input side. For example, an input module and an output module are installed facing each other so that a signal of an arbitrary fiber of the input module can be connected to an arbitrary fiber of the output module. As an example, in (1), the output-side beam direction module includes a second support member, a second collimator for receiving a beam supported by the second support member, and a second support member. A third substrate installed opposite to the third substrate, a third micromirror installed on the third substrate, a fourth substrate installed opposite to the third substrate, An output-side beam direction module including a fourth micromirror provided on the substrate.
(3) Regarding (1) and (2), the first substrate has a first beam passage area, and the second substrate has a second beam passage area, and the beam emitted from the first collimator is provided. Is reflected by the second micromirror through the first beam passage area, the beam reflected by the second micromirror is reflected by the first micromirror, and reflected by the first micromirror. The reflected beam is guided to the output side beam direction module through the second beam passage area.
(4) Regarding (1) to (3), the beam emitted from the fiber collimator is formed so as to be obliquely incident on the first mirror substrate and the second mirror substrate.
[0007]
For example, the first support member is supported on the first substrate via a first connection member, and the first substrate is supported on the second substrate via a second connection member. .
(5) Regarding (1) to (4), a plurality of the collimators of the input-side beam direction module are provided, a plurality of the collimators of the input-side beam direction module are provided, and The angle of one collimator with respect to the main surface of the first substrate is smaller than the angle of the second collimator positioned closer to the output-side beam direction module than the first collimator with respect to the main surface of the first substrate. An optical switch, characterized in that the optical switch comprises:
Or, for example, in the input-side module, the beam emitted from the input-side module is the third micro-mirror of the output-side module in a state where the first micro mirror and the second micro mirror are not rotating. The first collimator is installed by changing the angle with respect to the main surface of the first substrate so as to face the center of the micromirror array region, and in the output module, a beam emitted from the output module is used. In a state where the third micromirror and the fourth micromirror are not rotating, the third collimator of the second collimator is directed to near the center of the first micromirror array region of the input-side module. It is installed by changing the angle with respect to the main surface of the substrate.
[0008]
In the beam direction module according to any one of (1) to (4), the first movable mirror and the second movable mirror have surfaces that are not operated and have surfaces corresponding to a first mirror substrate surface and a second mirror substrate surface, respectively. Preferably, they are formed so as to be substantially parallel. What is necessary is just to be parallel within the range of the accuracy error.
(6) Regarding (1) to (5), the diameters of the through-holes are large and small on the two main surfaces.
[0009]
For example, the first beam passage area or the second beam passage area has an opening formed in the substrate, and the opening diameter of the surface on which the first movable mirror or the second movable mirror is disposed, respectively. It is formed to be smaller than the opposite side of the movable mirror arrangement surface. Specifically, it is preferably a through hole having a taper.
(7) Regarding (1) to (6), a structure with a large mirror is used. A large mirror is arranged in the optical path between the light exiting the input module and reaching the output.
[0010]
For example, a beam emitted from the input-side beam direction module is formed to be reflected by a large mirror (reflector) and guided to the output-side beam direction module.
[0011]
In this way, it is installed together with a large mirror, and is arranged so that a beam is reflected by the large mirror in an optical path between the input-side module and the output-side module. Preferably, a fiber signal can be connected to any fiber of the output module.
(8) In (1) to (7), the large mirror has a concave curved surface shape with respect to the input-side beam direction module side.
[0012]
By doing so, when a beam is emitted from any of the collimators of the input-side module and the output-side module, the beam rotates, and the corresponding first movable mirror and second movable mirror rotate. The curved surface of the large mirror may be adjusted so as to face the vicinity of the center of the arrangement area of the first movable mirrors of the modules facing each other in a state in which the mirrors are not in contact with each other.
[0013]
As an example of the present invention, an optical signal propagates with respect to a beam direction module that has a plurality of fibers for inputting and outputting optical signals, and can convert an optical signal propagating through each fiber into a beam and direct the beam to an arbitrary direction. A fiber collimator array in which a plurality of fibers and a collimator lens arranged to collimate an optical signal from the fiber are arranged on a fiber collimator support; A plurality of first movable mirrors having a controllable tilt angle and a plurality of first windows through which a beam can pass are arranged on a thin plate-like first mirror substrate in correspondence with the fiber collimators. And a first mirror array. A plurality of second movable mirrors having one rotation axis orthogonal to the rotation axis of the first movable mirror and capable of controlling the tilt angle, and a plurality of second windows through which the beam can pass are formed in a thin plate shape. Has a second mirror array arranged on the second mirror substrate in correspondence with the fiber collimator, a beam exit surface of the fiber collimator array, the first mirror array, and the first mirror array. The mirror array and the second mirror array are respectively installed close to each other, and the beam emitted from the fiber collimator passes through the first window, is reflected by the second movable mirror, and Each member is arranged so that the light is reflected by the movable mirror and passes through the second window and is emitted to the outside, and the tilt angles of the first movable mirror and the second movable mirror are adjusted. To do And you can control the emission direction of the beam.
[0014]
One feature of the present invention resides in that the beam emission direction is controlled by controlling and using two mirrors one by one.
Thus, the size of the mirror device can be reduced.
In the case where adjustment is performed by a combination of a fixed mirror and a two-axis movable mirror as in the related art, in general, in a two-axis movable mirror, in addition to an effective mirror surface rotating around one axis, rotation of another axis is also performed. While a movable element is required, a uniaxial movable mirror does not require such a movable element, so that the size of the entire mirror device can be reduced. In the case of a commonly used electrostatically driven mirror, a biaxial movable mirror requires four or at least three electrostatic pads, whereas a uniaxial movable mirror requires only two. Therefore, it is possible to reduce a wiring space for supplying power to the electrostatic pad. From the above effects, in the present invention, the arrangement density of the mirrors can be improved, and a multi-channel optical matrix switch can be realized.
[0015]
In addition, when the adjustment is performed by a combination of a fixed mirror and a two-axis movable mirror as in the above-described prior art, in the two-axis movable mirror, the effective mirror surface is inclined following the rotation of the mover, so the mirror surface is rotated. Therefore, the characteristics of the relationship between the voltage applied to the pad and the amount of rotation of the mirror surface will change in accordance with the amount of rotation of the mover, making it very difficult to control the beam direction.
[0016]
On the other hand, in the present invention, since two independent mirrors rotate one axis at a time, there is no interference between the axes and beam direction control is easy.
[0017]
In addition, since the first mirror array and the second mirror array arrayed on a thin substrate are arranged close to the beam exit surface of the fiber collimator array, the first movable mirror and the second The optical path from the movable mirror to the second movable mirror can be made very short, and even if the number of channels is increased and the array size is increased, the increase in the optical path from the fiber to the mirror can be suppressed. Therefore, a decrease in coupling efficiency can be reduced with respect to an optical axis of the fiber collimator and an angle shift of mirror control. In addition, because of the close arrangement as described above, the fiber collimator array, the first mirror array, and the second mirror array can be directly positioned by using grooves, pins, and the like. Since it is not required, the labor for positioning can be reduced. In addition, since the dimensional accuracy of the groove can be controlled with high accuracy by using a mask, highly accurate positioning can be performed.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0019]
A first embodiment of the present invention, whose schematic cross-sectional view is shown in FIG. 1, has a plurality of fibers for inputting and outputting optical signals, and converts an optical signal propagating through each fiber into a beam and directs the beam to an arbitrary direction. A fiber collimator 4 comprising a fiber 2 through which an optical signal propagates and a collimator lens 3 arranged to convert the optical signal from the fiber 2 into a collimated beam. A plurality of fiber collimator arrays 6 arranged and arranged on the body 5, a plurality of first mirrors 7 having one rotation axis and capable of controlling the tilt angle, and a plurality of first windows 8 through which a beam can pass. A first mirror array 10 arranged on a thin plate-like first mirror substrate 9 so as to correspond to the fiber collimator 4; A plurality of second mirrors 11 having one rotation axis orthogonal to the rotation axis of the -7 and having a controllable tilt angle, and a plurality of second windows 12 through which a beam can pass are formed of a thin plate-shaped second mirror. A second mirror array 14 is arranged on the substrate 13 so as to correspond to the fiber collimator 4. The beam exit surface 6 a of the fiber collimator array 6, the first mirror array 10, and the first mirror array 10 and a second mirror array 14 are installed close to each other, and a beam 15 emitted from the fiber collimator 4 passes through the first window 8 and is reflected by the second mirror 11 to form the first mirror 7. Each member is disposed so that the light is reflected by the second window 12 and is emitted to the outside through the second window 12. By adjusting the tilt angles of the first mirror 7 and the second mirror 11, How to emit beam 15 It can be controlled.
[0020]
In the second embodiment of the present invention, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 2, two beam direction modules 1 of the first embodiment are arranged to face each other, one of which is an input-side module 16, and the other is an output-side module. The optical switch 18 is configured as a side module 17. The optical signal sent to the fiber 2a of the input-side module 16 is converted into a beam, and by controlling the corresponding first mirror 7a and the second mirror 11a, an arbitrary first mirror of the output-side module 17 is controlled. 7b. The output-side module 17 controls the inclination of the first mirror 7b and the second mirror 11b to adjust so that the beam is focused on the end face of the corresponding fiber 2b. In this way, the optical signal sent to any fiber 2a of the input module 16 can be connected to any fiber 2b of the output module 17.
[0021]
FIG. 3 shows a basic configuration example of a three-dimensional optical switch as a comparative example. It has two pairs of fiber collimator arrays, two-dimensionally arranged fiber collimators that can emit light from the fiber end into a collimated beam or collimate the collimated beam at the fiber end in two dimensions, and furthermore, A mirror array in which movable mirrors are two-dimensionally arranged corresponding to each fiber is installed for each of the input side and the output side. Each micromirror is biaxially movable so that the tilt angle can be controlled, and a beam from any input fiber collimator is reflected by a mirror on the corresponding input mirror array, and is output from the output mirror array. The light is guided to a mirror corresponding to the output port of the destination, and the mirror is guided to a fiber collimator on the output side, thereby achieving optical coupling.
[0022]
FIG. 4 shows an arrangement of one row in the horizontal direction of the three-dimensional optical matrix switch of the comparative example. In order to achieve high coupling efficiency, it is necessary to control the relative positions of the fiber collimator and the mirror array, control the mirror, and the like with high accuracy, and to reliably couple the energy of the light beam to the output side fiber. For example, if each fiber collimator of the fiber collimator array has an angular variation in the direction of the optical axis, the beam protrudes from the mirror and a loss occurs. Also, if a deviation occurs in the angle control of the output side mirror, the focal point of the beam on the output side fiber will be displaced, causing a loss. Any of the above beam incident position shifts increases in proportion to the distance L between the collimator lens and the mirror. Therefore, it is important to shorten L in order to reduce the loss, that is, to improve the coupling efficiency.
[0023]
However, in the optical matrix switch of the comparative example shown in FIG. 4, L is relatively large because the fiber collimator array and the mirror array are installed separately so that the fiber collimator array does not interfere with the optical path. Further, since the arrangement planes of the lens and the mirror are not parallel, L may vary depending on the location, and the coupling efficiency may vary. Also, as the number of channels increases and the size of the mirror array increases, the maximum value of L (Lmax) increases.
[0024]
In the optical switch according to the embodiment of the present invention, since the first mirror array 10 and the second mirror array 14 have windows through which beams can pass, the three-dimensional light of the comparative example shown in FIGS. It is not necessary to consider the interference between the beam optical path and the fiber collimator array unlike a switch. Therefore, the first mirror array 10 and the second mirror array 14 are installed close to the beam exit surface 6a of the fiber collimator array 6. Therefore, the optical path from the collimator lens 3 to the first mirror 7 or the second mirror 11 can be extremely short. Therefore, as compared with the optical switch of the comparative example, the shift of the beam incident position can be reduced, and the coupling efficiency can be improved. In addition, the optical path length from the lens to the mirror does not change depending on the location, and the maximum optical path length does not increase even if the number of channels is increased, so that it is possible to prevent variation and reduction in coupling efficiency.
[0025]
Furthermore, in the present invention, since the fiber collimator array 6, the first mirror array 10, and the second mirror array 14 are arranged close to each other, they can be directly aligned. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for aligning the fiber collimator array 6, the first mirror array 10, and the second mirror array 14. A first groove 19, a second groove 20, and a third groove 21 for positioning at predetermined positions around the fiber collimator support 5, the first mirror substrate 9, and the second mirror substrate 13, respectively. Are formed, and are aligned with each other by using the first pin 22 and the second pin 23 whose accuracy is guaranteed. The alignment groove is desirably provided on the outer peripheral portion of the area where the mirror and the window are arranged, and it is desirable that the alignment be performed at at least two places. The grooves can be formed with high accuracy by performing etching or the like in accordance with a mask pattern, for example, so that sufficient alignment accuracy can be obtained.
[0026]
For example, in the three-dimensional optical switch of the comparative example, since the fiber collimator array and the mirror array are set apart from each other, relative alignment between the two is performed, for example, by fixing the mirror array to a moving stage and exiting from the fiber collimator array. An alignment procedure and apparatus for adjusting the position of the mirror array with a stage while monitoring the reference beam were required. In the present invention, high-precision positioning can be directly performed as described above, so that labor and cost for positioning can be reduced. As the groove shape, for example, a V-shaped groove, a through hole, or the like can be used. The pin may be a column, a column having a spherical tip, or a spherical pin.
[0027]
In the beam scanning module according to the embodiment of the present invention, one of each of the fiber 2, the collimator lens 3, the first mirror 7, the first window 8, the second mirror 11, and the second window 12 is provided. Need to be arranged so as to form an optical path of one beam 15, and various arrangements may be adopted as long as they are set. However, if the first mirror 7 and the second mirror 11 are formed non-parallel to the surfaces of the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13, respectively, it is difficult and troublesome in manufacturing. At that point, it is possible to configure the optical path of the beam 15 using the first mirror 7 and the second mirror 11 formed so as to be parallel to the surfaces of the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13. Desirably, such a configuration can be achieved by arranging the fiber collimator 4 so that the beam 15 is obliquely incident on the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13.
[0028]
In one embodiment of the present invention, two mirrors having mutually different rotation axes are mainly driven uniaxially to control the beam emission direction. A mechanism for controlling the beam emission direction will be described with reference to FIG. A beam emitted from the collimator lens 3 passes through the first window 8, is reflected by the second mirror 11 and the first mirror 7, and passes through the second window 12. think of. As shown in the figure, an x direction 101 and a y direction 102 are determined. By rotating the first mirror 7 about the first mirror rotation axis 25, a beam can be oscillated in the x direction 101 on the beam projection surface 24. Further, the second mirror 11 is moved to the second mirror. By rotating about the rotation axis 26, the beam can be swung in the y direction 102 on the beam projection surface 24. In this way, the beam can be directed in any direction by using two uniaxial drive mirrors having mutually orthogonal rotation axes. Of course, the directions of the rotation axes of the two mirrors may be opposite, and it is most desirable that the axes are orthogonal to each other, but they need not be completely orthogonal.
[0029]
However, preferably, as shown in FIG. 6, the first mirror rotation axis 25 of the first mirror 7 is in the y direction 102, and the second mirror rotation axis 26 of the second mirror 11 is in the x direction 101. Face it. The second window 12 must be sized to allow the beam to pass through even if it is swung by a mirror. The farther the distance from the mirror to the second window, the greater the distance the beam will swing at the second window. Therefore, contrary to the configuration in FIG. 6, when the beam is swung in the x direction at the second mirror 11 whose distance to the second window 12 is farther than the first mirror 7, the second window is expanded in the x direction. There is a need. Then, it is necessary to increase the pitch between the second mirror 11 and the second window 12, and accordingly, the distance 27 between the mirror substrates also increases. Then, the distance from the mirror to the second window becomes further longer, and the arrangement pitch becomes larger, for example, the second window must be further expanded. Conversely, when the second mirror 11 swings the beam in the y direction, the second window expands in the y direction, but this does not affect the second mirror array distance 27. As described above, by arranging the beam in the y direction by the second mirror 11 as in the configuration of FIG. 6, that is, by setting the rotation axis to be in the x direction, the arrangement pitch of the mirror and the window can be made smaller. As a result, the array density is increased, and a multi-channel optical switch can be realized. Here, the x direction is the inclination direction 28 of the optical axis of the beam emitted from the collimator 3 with respect to the direction in which the first mirror array 10 and the second mirror array 14 are stacked. That is, desirably, the second rotation axis 26 of the second mirror 11 is set in the same direction as the direction in which the beam emitted from the collimator 3 tilts. That is, the inclination direction 28 is set to be in the X direction 101.
Specifically, when viewed from the laminating direction of the substrate on which the mirror is installed, for example, with respect to the longitudinal direction (or the light output direction) of the optical fiber 2 (which can be the collimator 3), The second mirror 11 has a rotation axis in a direction closer to the parallel direction than the orthogonal direction, and the first mirror 7 has a rotation axis in a direction closer to the orthogonal direction than the parallel direction. Therefore, the second mirror axis 26 is closer to the tilt direction 28 and the light output direction of the optical fiber than the first mirror axis 25 is. When viewed from the same direction, the direction of the light output from the optical fiber 2 or the collimator 3 is such that, when the second mirror is driven, the reflected light has a greater change in the direction orthogonal to the output than in the direction parallel to the output. By driving the first mirror, the reflected light is formed so that the change in the parallel direction is larger than the change in the direction orthogonal to the output direction.
[0030]
As the mirror of the optical matrix switch, a mirror manufactured using MEMS (Micro Electromechanical Systems) technology and driven by electrostatic force can be used. 7a to 7c show an example of a mirror structure driven by two axes. FIG. 7A shows a planar structure, in which an effective mirror portion 30 which reflects a beam is coupled to a mover 33 via two first beams 32 constituting a first rotation shaft 31. The mover 33 is coupled to a support 36 via two second beams 35 forming a second rotation axis 34 orthogonal to the first rotation axis 31 to form a mirror structure 37. I do. The mover 33 rotates together with the effective mirror unit 30 around the second rotation axis 34, and the effective mirror unit 30 rotates around the first rotation axis 31, so that the effective mirror unit 30 becomes biaxial. Can rotate.
[0031]
FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 7A showing a method of driving the mirror. The mirror structure 37 is provided on an electrode substrate 39 via a spacer 38. A conductive film 40 is formed on the surface of the mirror structure 37 facing the electrode substrate 39. A voltage is applied to the electrostatic pad 41 formed on the surface of the electrode substrate 39, and an electrostatic attractive force is applied between the mirror structure 37 and the conductive film 40. Is generated to attract and rotate the effective mirror and the mover. A mirror film 42 capable of reflecting a beam is formed on at least the surface of the effective mirror portion 30 on the surface of the mirror structure opposite to the surface on which the conductive film 40 is formed.
[0032]
FIG. 7C shows an example of a planar arrangement of the electrostatic pads 41. Two pairs of first electrostatic pads 43 that mainly generate rotation about the first mirror rotation axis 31 and two pairs of first electrostatic pads 43 that mainly generate rotation about the second mirror rotation axis 34. The second electrostatic pad 44 is arranged. A total of four electrostatic pads are provided, and four wires 45 for supplying power to the electrostatic pads are formed on the electrode substrate 39.
[0033]
8a to 8c show an example of the structure of the uniaxial movable mirror. As shown in FIG. 8A, the effective mirror unit 50 is coupled to a support 53 via two pairs of beams 52 forming a rotation shaft 51, and forms a mirror structure 54. Only the effective mirror unit 50 rotates about the rotation shaft 51, and a mover is not required unlike a two-axis movable mirror. As shown in FIG. 8C, there are only two pairs of electrostatic pads 55 that generate rotation about the rotation axis 51, and the number of wirings 56 is also two.
[0034]
As described above, the uniaxial movable mirror does not require a mover, so that the size of the mirror structure can be smaller than that of the biaxial movable mirror. Further, since the number of wirings is four in the case of a two-axis movable mirror, but is two in the case of a single-axis movable mirror, the wiring space for wiring is also substantially reduced by half. On the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13 of the present invention, it is necessary to arrange a mirror structure, a window, an electrostatic pad, and a wiring, respectively. Compared to the case where a movable mirror is used, the size of the mirror device itself is reduced and the wiring space is reduced, so that the arrangement pitch of the mirrors can be reduced and the arrangement density can be improved. As a result, a reduction in the mirror array density due to the arrangement of the window through which the beam passes can be compensated for, and a multi-channel optical switch can be realized.
[0035]
Considering the general two-axis movable mirror and the one-axis movable mirror as shown in FIGS. 7 and 8, the angle of the mirror of the input side mirror array is changed, and the beam reaches the surface of the output side mirror array. FIG. 9 is a schematic diagram comparing the range (called a beam reachable range). The maximum swing angle of the mirror is determined by the angle at which the pull-in phenomenon occurs in which the electrostatic force increases sharply when the mirror is inclined and approaches the electrostatic pad, and does not match the rigidity of the torsion beam and is completely attracted. Assuming that the maximum angle that can be rotated without pull-in is θmax, in the case of a two-axis movable mirror, the angle of θmax at the point closest to the electrostatic pad of the mirror is the swing angle limit, so the beam can reach. The area 58 is substantially circular as shown in FIG. On the other hand, in the optical switch of the present invention in which the beam direction is controlled by the two uniaxial movable mirrors, the beam reachable range 59 becomes rectangular as shown in FIG. Mirrors can also be arranged at the portions indicated by oblique lines.
[0036]
Further, when the size of the effective mirror portion is the same, the uniaxial movable mirror can increase the area of the electrostatic pad, so that the electrostatic attraction obtained with respect to the applied voltage value increases. Then, since the distance between the mirror structure and the electrostatic pad can be increased while ensuring the driving force, pull-in hardly occurs, and the maximum swing angle of the mirror can be increased.
[0037]
By these effects, a decrease in the mirror array density due to the arrangement of the window through which the beam passes can be compensated, and a multi-channel optical switch can be realized.
[0038]
In the two-axis movable mirror, for example, when the movable element is rotated around the second mirror rotation axis, the effective mirror also rotates at the same time, and the gap between the effective mirror and the first electrostatic pad changes. The characteristic of the relationship between the rotation of the mirror about the first rotation axis and the voltage applied to the first electrostatic pad changes. As described above, since the characteristics of rotation about the other axis change depending on how much rotation about one axis, it is very difficult to control the mirror rotation angle.
[0039]
However, in the configuration of the present invention using two uniaxial movable mirrors, the rotation around the two axes is independently handled by the two uniaxial movable mirrors, so there is no interference between the axes, and the rotation of the mirror and the electrostatic pad The characteristics of the relationship with the applied voltage become constant, and the control of the mirror rotation angle becomes easy.
[0040]
A method of arranging a plurality of the first mirrors 7 or the second mirrors 11 in the first mirror array 10 or the second mirror array 14 and making the mirror structure 54 shown in FIG. A plurality of arranged wafers can be created by using the MEMS technology, and can be bonded to the first mirror substrate 9 or the second mirror substrate 13 on which electrostatic pads and wirings are formed via spacers.
[0041]
The MEMS technology is a technology of using a wafer made of silicon or silicon oxide as a material, patterning a mask by photolithography, and creating a three-dimensional structure using a processing method such as wet etching or dry etching. It is. Basically, a well-known manufacturing technique can be used.
[0042]
It should be noted that the first mirror 7 and the second mirror 11 are not limited to the configuration shown in FIG. 8, but may have various configurations such as the shape of an effective mirror portion and a beam, and the shape and arrangement of an electrostatic pad. Good. For example, as shown in FIG. 6, the effective mirror may be rectangular. It is preferable that the arrangement density of the mirrors be increased by using a structure in which portions other than the effective mirror portion are as small as possible.
[0043]
The first window 8 and the second window 12 are preferably formed by forming through holes in the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13, respectively. By forming the through holes, the beam can pass without loss. As a material of the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13, for example, silicon, glass, or a metal material such as 42-alloy is used. Various processing methods can be used for forming the through hole depending on the material, such as dry etching, wet etching, mechanical processing with a drill, and laser processing.
[0044]
The first window 8 and the second window 12 may be vertical through holes, but are preferably tapered through holes as shown in FIG. 1, and the first mirror substrate 9 and the second mirror The mirror arrangement density can be increased by making the opening area of the through hole on the mirror arrangement surface side of the substrate 13 smaller than the back surface and keeping it to the minimum necessary area. Such a tapered through hole can be processed, for example, by using silicon as the material of the substrate and using anisotropic etching.
[0045]
When the first mirror substrate 9 and the second mirror substrate 13 are made of glass, the first window 8 and the second window 12 may not be formed with through-holes and may transmit the glass. Good. When silicon is used as the material of the substrate and the wavelength of the beam to be used is limited to a wavelength region that transmits silicon, the through hole may not be formed. In those cases, the labor of processing the through-hole can be saved, but the coupling efficiency is lower than that in the case of the through-hole due to the loss at the time of reflection and transmission at the surface. In this case, it is desirable to form an antireflection film on the surface of the window.
[0046]
Note that the first window 8 and the second window 12 may be made to function as an optical stop by, for example, performing a surface treatment on the substrate around the windows so as not to transmit a beam. . This aperture can reduce crosstalk in which reflected light or scattered light of signals other than the target beam is coupled to the fiber.
[0047]
The fiber collimator array 6 can be configured as shown in FIGS. 10A and 10B, for example. As shown in the plan view of FIG. 10A, a plurality of fiber alignment grooves 61 for aligning the fiber and a plurality of first lens alignment grooves 62 for aligning the collimator lens are formed on the fiber collimator support substrate 60. I do. By installing a cylindrical fiber 2 and a cylindrical or spherical collimator lens 4 in each groove, one fiber collimator row is formed.
[0048]
The fiber collimator array 64 in which the fiber collimators are two-dimensionally arranged is stacked by stacking the fiber collimator rows as shown in a cross-sectional view of FIG. 10B (three layers from the lower layer are illustrated, and more are omitted). Be composed. A second lens alignment groove 63 is formed on the back surface of the fiber collimator support substrate other than the lowermost layer, and positioning in the stack direction and the planar direction is performed via the lens.
[0049]
In the sectional view of FIG. 10B, an example of an alignment method for performing alignment with the first mirror array 10 using the alignment pins 65 provided in the lowermost layer will be described below. As shown in FIG. 10 a, the positioning pins 65 are moved out of the lens array surface by the same length at four points on the outer periphery of the lens array surface of the fiber collimator array 64 by using the alignment pin alignment grooves 66. Install. In the first mirror array 10, a positioning groove is formed on the surface of the first mirror substrate 9 facing the fiber collimator array, and the tip of the positioning pin 65 is aligned with the groove to thereby form the fiber collimator. The alignment between the array 64 and the first mirror array 10 is performed. In this case, if the groove on the first mirror array side is formed in a quadrangular pyramid shape and the tip of the positioning pin 65 is formed in a spherical shape, the positioning can be easily performed.
[0050]
The fiber collimator support substrate can form a high-precision V-shaped groove by processing, for example, a silicon wafer as a material by anisotropic etching. However, materials and processing methods are not limited to these. It is preferable to form a groove along the crystal plane.
[0051]
The configuration of the fiber collimator array is an example, and the arrangement and shape of the grooves and pins are not limited thereto. Further, a fiber collimator in which a lens and a fiber are fused and integrated may be used, and in that case, only the lens portion may be aligned with the groove.
[0052]
Further, the present invention is not limited to the structure in which the fiber collimator support substrates are stacked, and may have a configuration as shown in FIG. 11, for example. Using a collimator lens array 71 integrally formed with a plurality of two-dimensionally arranged collimator lenses 70, a fiber 72 is connected to the back surface of the collimator lens 70 forming surface of the collimator lens array 71 at a position corresponding to the collimator lens 70. I do. The fiber collimator array 71 can be processed by, for example, shaving a glass plate or pouring molten glass into a mold. Also in this case, a groove for positioning is formed on the outer periphery of the collimator lens 70 forming surface of the collimator lens array 71, and the groove formed on the first mirror array 10 is positioned using a pin or a ball. Can be.
[0053]
As an arrangement method for configuring an optical switch using the beam direction module of the present invention described above, various arrangements can be taken in addition to the second embodiment shown in FIG.
[0054]
FIG. 12 is a schematic sectional view showing a third embodiment of the present invention. The input-side module 75 and the output-side module 76 are arranged so as to be symmetrical, and a large mirror 77 is arranged so as to face both the modules. Then, the light is reflected by the large mirror 77 and connected to an arbitrary fiber 2 b of the output-side module 76. Here, the large mirror 77 is such that at least beams emitted from a plurality of collimator lenses are reflected. Preferably, it is capable of reflecting beams emitted from all ports. Further, it is preferable that the fixed mirror is configured to be sufficiently larger in size than the micromirrors forming the mirror array. Preferably, it is efficient to use one mirror. In the present embodiment, the fiber on the input side and the fiber on the output side can be emitted in the same direction, and the optical path is folded, so that the space can be saved as a whole.
[0055]
A fourth embodiment of the present invention is shown in a schematic cross-sectional view of FIG. 13 as a form obtained by developing the third embodiment. Portions corresponding to the input side and the output side in the third embodiment are formed as one beam direction module 78. In addition to the same effects as in the third embodiment, since only one beam direction module is required, manufacturing costs and assembly costs can be reduced.
[0056]
In the optical switch according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 14, in the input-side module 80 and the output-side module 81, the beam from each fiber collimator 4 is applied to the first mirror array 7 of the opposing module. The fiber collimator 4 is arranged on the fiber collimator array 6 by changing the inclination of the fiber collimator 4 so as to face the center of the arrangement area of the first mirror. When the first mirror 7 and the second mirror 11 do not apply a driving force (for example, an electrostatic force or an electromagnetic force) to the mirrors (hereinafter, referred to as a neutral state), a beam is generated on the outer periphery of the mirror array facing the mirrors. If they are arranged so as to face each other, the maximum swing angle required to swing the beam in the opposed mirror array region is biased to one side with respect to the neutral state. In a normal mirror device, since the maximum swing angle is almost equal on both sides of the neutral state, the side with the larger swing determines the maximum swing angle required for the mirror. In the fifth embodiment of the present invention, since the beams are all directed toward the center of the mirror array facing each other in the neutral state, each mirror can use the mirror swing angles on both sides substantially uniformly, and thus the mirror is required. The maximum swing angle can be reduced. Alternatively, if the maximum swing angle is constant, the optical path length can be reduced by narrowing the interval between the modules.
[0057]
When the configuration method of the fiber collimator array shown in FIGS. 10A and 10B is used, it can be dealt with by changing the shape and arrangement of the first lens matching groove 62 and the second lens matching groove 63. If it is difficult to orient the fiber collimator toward the center in the stacking direction of the fiber collimator support substrate, the above effect can be obtained for one uniaxial movable mirror even if only the plane direction is used. Further, when the configuration method of the fiber collimator array shown in FIG. 11 is used, it can be implemented by changing the direction in which the fiber is connected to the collimator lens array.
[0058]
In the sixth embodiment shown in FIG. 15, the large mirror 82 having the same configuration as that of the third embodiment and having a curved surface shape is used, so that a mirror array of a module to which an arbitrary beam faces in the neutral state. It can be directed to the vicinity of the center, and the same effect as in the fifth embodiment can be obtained.
[0059]
The configuration such as the three-dimensional optical switch of the comparative example shown in FIGS. 1 and 4 may be used, and the beam direction module of the present invention may be used for the fiber collimator array. As shown in FIG. 16, an input-side beam direction module 90 and an output-side beam direction module 91 are installed, and a first external mirror array 92 on the input side and a second external mirror array 93 on the output side are installed therebetween. I do. The first external mirror array 92 and the second external mirror array 93 are provided with micromirrors 94 for the number of ports of the optical switch, and the micromirrors 94 are desirably biaxially movable. In this configuration, in addition to the swing angle of the movable mirror included in the beam direction module, the mirror swing angle of the external mirror array can be used, so that the beam swing range is widened. It is advantageous. Also, at this time, by using the beam direction module of the present invention instead of the fiber collimator that only emits the beam, the mirror incorporated in the beam direction module controls the beam emission direction, and the target mirror of the external mirror array is used. Therefore, it is not necessary to adjust the relative position between the beam direction module and the external mirror array with high accuracy, and mounting and assembling are easy.
[0060]
The beam direction module of the present invention can be used alone as a light beam scanner. Specifically, for example, the present invention can be applied to a laser beam printer, an optical scanner that reads a bar code, or the like, or a scanning projector. In such an application, for example, an operation of scanning the beam linearly is necessary.However, if a biaxially movable mirror is used, there is interference between the axes. If it is attempted to scan in a straight line, the applied voltage value that provides rotation about the other axis must also be changed sequentially, which is very difficult to control. On the other hand, by using the configuration of the beam direction module used in any one of the embodiments of the present invention, linear scanning at a desired position can be easily performed. For example, by using two uniaxial movable mirrors, one of the mirrors is fixed at a predetermined angle, and control is performed such that only the other mirror is moved.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a three-dimensional optical switch suitable for multi-channel by improving the arrangement density of mirrors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of a beam direction module according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of a three-dimensional optical switch of a comparative example.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a three-dimensional optical switch of a comparative example.
FIG. 5 is a schematic sectional view illustrating an example of a method for assembling the beam direction module of the present invention.
FIG. 6 is a schematic perspective view illustrating a mechanism for controlling the direction of a beam.
FIG. 7A is a schematic plan view showing the configuration of a biaxially movable electrostatically driven micromirror. b is a schematic cross-sectional view showing a configuration and a driving method of the electrostatically driven micromirror movable in two axes. c is a schematic plan view showing a configuration of a driving electrostatic pad of a c-axis movable electrostatic driving micromirror.
FIG. 8A is a schematic plan view showing the configuration of a uniaxially movable electrostatically driven micromirror. b is a schematic cross-sectional view showing a configuration and a driving method of a uniaxially movable electrostatically driven micromirror. c is a schematic plan view showing a configuration of a driving electrostatic pad of a uniaxially movable electrostatic driving micromirror.
FIG. 9 is a schematic diagram comparing the beam swing angle ranges of a biaxial movable mirror and a uniaxial movable mirror.
FIG. 10 is a schematic plan view illustrating an example of a configuration of a support substrate on which a fiber collimators are arranged. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a method of configuring a b-fiber collimator array.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration method of a fiber collimator array.
FIG. 12 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic sectional view showing the configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical switch according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. . . Beam direction module, 2. . . Fiber, 2a. . . Input side fiber, 2b. . . Output fiber, 3. . . 3. collimator lens; . . Fiber collimator, 5. . . 5. fiber collimator support; . . Fiber collimator array, 6a. . . 6. Beam exit surface of fiber collimator array; . . Movable mirror, 7a. . . Input side movable mirror, 7b. . . 7. Output-side movable mirror, . . 8. first window; . . 10. first mirror substrate; . . First mirror array, 11. . . Fixed mirror, 12. . . 12. second window; . . 13. second mirror substrate; . . Second mirror array, 15. . . Beam, 16. . . Input side module, 17. . . Output side module, 18. . . Optical switch, 19. . . First groove, 20. . . Second groove, 21. . . Third groove, 22. . . First pin, 23. . . Second pin, 24. . . Beam projection surface, 25. . . First mirror rotation axis, 26. . . Second mirror rotation axis, 27. . . 28. distance between mirror substrates; . . 30. fiber tilt direction; . . Effective mirror section, 31. . . First rotation axis, 32. . . First beam, 33. . . Mover, 34. . . Second rotation axis, 35. . . Second beam, 36. . . Support, 37. . . Mirror structure, 38. . . Spacer, 39. . . Electrode substrate, 40. . . Conductive film, 41. . . Electrostatic pad, 42. . . Mirror film, 43. . . First electrostatic pad, 44. . . Second electrostatic pad, 45. . . Wiring, 50. . . Effective mirror section, 51. . . Rotating shaft, 52. . . Beams, 53. . . Support, 54. . . Mirror structure, 55. . . Electrostatic pad, 56. . . Wiring, 58. . . Beam reachable range (in the case of a biaxial movable mirror), 59. . . Beam reachable range (in the case of a uniaxial movable mirror), 60. . . Fiber collimator support substrate, 61. . . Fiber alignment groove, 62. . . First lens alignment groove
, 63. . . Second lens alignment groove, 64. . . Fiber collimator array, 65. . . Alignment pins, 66. . . 70. alignment pin alignment groove . . Collimator lens, 71. . . Collimator lens array, 72. . . Fiber, 75. . . Input-side module, 76. . . Output side module, 77. . . Large mirror, 78. . . 80. beam direction module . . Input side module, 81. . . Output-side module, 82. . . Large mirror, 101. . . x direction, 102. . . y direction

Claims

An optical switch for switching an optical signal propagating through a plurality of optical fibers,
A first support member, a first collimator that emits a beam supported by the first support member,
A first substrate installed facing the support member, and a first micromirror installed on the first substrate,
A second substrate installed facing the first substrate, and a second micromirror installed on the second substrate, and an input-side beam direction module including:
An output-side beam direction module that receives light from the input-side beam direction module,
An optical switch comprising: a mechanism in which the first micromirror rotates around a first direction and the second micromirror rotates around a second direction.

The output-side beam direction module according to claim 1, wherein the output-side beam direction module is installed to face the second support member, a second collimator receiving a beam supported by the second support member, and the second support member. A third substrate, and a third micromirror installed on the third substrate,
A fourth substrate installed to face the third substrate, and a fourth micromirror installed on the fourth substrate, and an output-side beam direction module including:
An optical switch comprising:

The first substrate according to claim 1, wherein the first substrate includes a first beam passage area, the second substrate includes a second beam passage area, and a beam emitted from the first collimator is the first beam. The beam reflected by the second micromirror through the passage area, the beam reflected by the second micromirror is reflected by the first micromirror, and the beam reflected by the first micromirror is reflected by the An optical switch, wherein the optical switch is guided to the output-side beam direction module through a second beam passage area.

In claim 1, the first support member is supported on the first substrate via a first connection member, and the first substrate is connected to the second substrate via a second connection member An optical switch characterized by being supported.

2. The collimator of the input-side beam direction module according to claim 1, wherein a plurality of the collimators of the input-side beam direction module are provided, and an angle of the first collimator among the input-side collimators with respect to a main surface of the first substrate is greater than the angle of the first collimator. 3. An optical switch, comprising: a second collimator located on an output side of a beam direction module, which is formed to be smaller than an angle with respect to a main surface of the first substrate.

In claim 3, the first beam passage area or the previous second beam passage area has an opening formed in the substrate, and the opening diameter of the first micro mirror or the second micro mirror arrangement surface is An optical switch, wherein the optical switch is formed to be smaller than a surface opposite to the mirror arrangement surface.

2. The optical switch according to claim 1, wherein a beam emitted from the input-side beam direction module is reflected by a large mirror and guided to the output-side beam direction module.

The optical switch according to claim 7, wherein the large mirror has a concave curved surface shape with respect to the input-side beam direction module.

A first support member, a first collimator that emits a beam supported by the first support member,
A first substrate installed facing the support member, and a first micromirror installed on the first substrate,
A second substrate installed opposite to the first substrate, and a second micromirror installed on the second substrate, the first micromirror with the first direction as an axis A beam direction module, comprising: a mechanism that rotates and the second micromirror rotates about a second direction as an axis.

An optical switch for switching an optical signal propagating through a plurality of optical fibers,
A first support member, a first collimator that emits a beam supported by the first support member,
A first substrate installed facing the support member, a first micromirror installed on the first substrate and having a first rotation axis,
An input-side beam direction module including a second substrate installed to face the first substrate and a second micromirror installed on the second substrate and having a second rotation axis. ,
An output-side beam direction module that receives light from the input-side beam direction module,
When viewed from the laminating direction of the first substrate and the second substrate, the second rotation axis direction is arranged closer to the beam output direction from the collimator than the first rotation axis direction. An optical switch, comprising: