JP2004109724A

JP2004109724A - 光スイッチ素子及びその製造方法

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Publication number: JP2004109724A
Application number: JP2002274347A
Authority: JP
Inventors: Norio Hasegawa; 典夫長谷川; Akira Nakamura; 明中村
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: JP3951872B2

Abstract

【課題】メカニカル型光スイッチの利点と光導波路型光スイッチの利点を兼ね備えた新規な光スイッチ素子を提供する。
【解決手段】固定された光導波路部２Ａと変位可能な光導波路部２Ｂとにより光路を構成する。変位可能な光導波路部２Ｂにはコイル７を形成し、その近傍、例えば固定された光導波路部２Ａ上に永久磁石８を配置する。コイル７への通電によりローレンツ力により変位可能な光導波路部２Ｂが変位し、光路が分断される。すなわち、コイルの通電のオン・オフにより、光がオン・オフされる。
【効果】本発明の光スイッチ素子は、組立工程を必要とせず、光導波路型光スイッチと同様なプロセスで製造が可能であるため、一括生産による低価格な素子が実現可能である。また、その動作原理は、機械的な効果に基づくものであり、高信頼性、高速動作といったメカニカル型光スイッチの利点を生かしたものとなる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光通信ネットワークにおいて光信号の経路切り替え等に用いられる光スイッチ素子に関するものであり、さらにはその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信ネットワークにおいては、光信号の経路切り替えを行う部品が多数使用されており、これらは光スイッチと呼ばれている。光スイッチの主要なものとしては、機械的な可動部を有するメカニカル型光スイッチや、平面基板上に形成した光導波路を基本とした光導波路型光スイッチが知られている。メカニカル型光スイッチの代表例は、特開平６−１４８５３６号公報や特開平１１−１１９１２５号公報等に開示されている。光導波路型光スイッチの代表例は、特開２０００−２４１８３８公報等に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記光スイッチのうち、メカニカル型光スイッチは、電磁石等を用いて光ファイバを物理的に曲げることで光路切り替えを行うもので、信頼性が高く実用にも供されている。反面、大規模なマトリックスイッチを実現することは困難である。また、組立工程が必要で、一括生産が難しく、製造コストの点でも不利である。
【０００４】
一方、光導波路型光スイッチは、通常の分岐型導波路に対して、熱や電界を印加することで経路切り替えを行う。この光導波路型光スイッチは、大量生産に向き、比較的規模の大きな光スイッチを実現することができるという利点を有する。しかしながら、信頼性やスイッチング速度に問題を残している。
【０００５】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであり、メカニカル型光スイッチの利点と光導波路型光スイッチの利点を兼ね備えた新規な光スイッチ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。すなわち、高信頼性を有し、高速動作が可能で、しかも組立工程を必要とせず、一括生産により安価に製造することが可能な光スイッチ素子を提供することを目的とし、また、その製造方法を提供することを目的とする。さらに、小型化が容易で、省電力化も実現し得る光スイッチ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る光スイッチ素子は、固定された光導波路部と、変位可能な光導波路部とを備え、上記変位可能な光導波路部にはコイルが形成されるとともに、その近傍に永久磁石が配されてなり、上記コイルへの通電により上記変位可能な光導波路部が変位し、光路が分断されることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の光スイッチ素子においては、コイルに通電を行うと、ローレンツ力の作用により、変位可能な光導波路部が物理的に変形し、それまで固定された光導波路部との間で構成されていた光路が分断され、光がオフされる。すなわち、コイルへの通電のオン・オフによって光がオン・オフされる。
【０００８】
本発明の光スイッチ素子は、基本的には光導波路型光スイッチとしての構成を有しており、光導波路型光スイッチと同様なプロセスで製造することが可能である。一方、スイッチング動作は、光導波路を物理的に変位（変形）させることにより行われ、動作原理は機械的な効果に基づくものである。したがって、本発明の光スイッチ素子は、光導波路型光スイッチとメカニカル型光スイッチの両者の利点を兼ね備えるものと言える。
【０００９】
また、本発明の製造方法は、基板上に溝部を形成し、当該溝部内にエッチング可能な犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層が形成された基板上に光導波路を形成する工程と、上記光導波路上に薄膜コイルを形成する工程と、上記光導波路を上記溝部の一端部に対応する位置で分断する分断溝を形成し、上記犠牲層を露出させる開口部を形成する工程と、上記犠牲層をエッチング除去する工程と、上記分断溝を挟んで上記薄膜コイルと対向する位置に永久磁石を固定する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１０】
上記プロセスは光導波路の製造プロセスと同様であり、組立工程を含んでおらず、したがって、かかるプロセスを採用することで、一括生産による低価格な素子が実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した光スイッチ素子及びその製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
先ず、本発明を適用した光スイッチ素子の一例を図１に示す。この光スイッチ素子は、基板１上に光導波路２を形成してなるものであり、この光導波路２によって光信号の経路である光路が構成されている。
【００１３】
上記基板１には、通常はガラス基板等の硬質基板が用いられるが、これに限らず、フレキシブル基板等も用いることができる。光導波路２は、光の通り道となる線状のコア３と、これとは屈折率が異なりコア３の周囲を囲むクラッド４とからなり、光信号はこれらコア３とクラッド４の界面で全反射を繰り返しながらコア３の中を伝送されていく。なお、これらコア３やクラッド４には、例えば石英（ＳｉＯ_２）等の透明無機誘電体材料やポリイミド等のポリマーを用いることができる。
【００１４】
そして、上記基板１に上記光導波路２と直交するように溝部５が設けられ、それとともに、上記光導波路２は、上記溝部５の一側縁に沿って分断溝６によって分断されている。したがって、光導波路２は、基板１によって支持された固定導波路部２Ａと、上記溝部５によって片持ち梁構造とされ物理的に変位（変形）可能な変位導波路部２Ｂとから構成され、これらのコア３同士が連なって一連の光路が構成されている。
【００１５】
ここで、上記片持ち梁構造を有する変位導波路部２Ｂの基端部側は基板１上に固定されているが、これとは反対側（先端側）は基板１とは直接的に接しておらず、固定されない自由端とされている。したがって、変位導波路部２Ｂに物理的な力を加えると、当該変位導波路部２Ｂが撓み、前記自由端が図中上下方向に変位する。なお、この変位導波路部２Ｂの構造としては、上記片持ち梁構造に限定されず、物理的な力により変位が可能な構造であれば如何なるものであってもよい。
【００１６】
また、上記変位導波路部２Ｂの表面に薄膜コイル７が形成されるとともに、上記固定導波路部２Ａ上には永久磁石８が設置されており、後に詳述するように、これらの間に働くローレンツ力によりスイッチング動作が行われる。なお、上記薄膜コイル７は、変位導波路部２Ｂ上に直接パターニング形成してもよいし、例えばフレキシブル基板上にパターニング形成したものを貼り付けてもよい。また、薄膜コイルの代わりに線材を巻回したものを貼り付けるようにしてもよい。薄膜コイル７は、ターン数が多いほど低電力駆動が可能である。永久磁石８は、ここでは固定導波路部２Ａ上に配置したが、これに限らず、上記薄膜コイル７に対してローレンツ力を加えることができれば、任意の位置に配置することが可能である。
【００１７】
以上が本発明を適用した光スイッチ素子の基本的な構成である。次に、上記光スイッチ素子のスイッチング動作について説明する。
【００１８】
先にも述べたように、変位導波路部２Ｂは片持ち梁構造を有し、その表面に薄膜コイル７が形成されるとともに、固定導波路部２Ａに永久磁石８が設置されている。その断面図及び平面図を図２（ａ），（ｂ）に示す。
【００１９】
薄膜コイル７に通電されていない時には、上記変位導波路部２Ｂは変形しておらず、上記固定導波路部２Ａと変位導波路部２Ｂとは同一平面上にあって、コア同士は真っ直ぐに連なった状態となる。したがって、例えば変位導波路部２Ｂのコアから出射された光信号は、そのまま固定導波路部２Ａのコアに入り、遮断されることなく伝送される。すなわち、オン状態である。
【００２０】
これに対して、薄膜コイル７に通電を行うと、永久磁石８と薄膜コイル７との相互作用により、ローレンツ力が発生する。図２（ｂ）に電流、磁界の様子を示すが、この図の場合には、紙面に対して垂直方向にローレンツ力が働く。その結果、変位導波路部２Ｂが撓み、自由端が図２（ａ）に破線で示すように上方向、あるいは下方向に変位する。すると、変位導波路部２Ｂのコアの光軸と固定導波路部２Ａのコアの光軸とが互いにずれることになり、光路が分断される。したがって、変位導波路部２Ｂのコアから出射された光信号は、固定導波路部２Ａのコアに入ることなく、ここで遮断される。これがオフ状態である。
【００２１】
以上のように、本例の光スイッチ素子では、薄膜コイル７への通電のオン・オフにより、光のオン・オフを行うことができ、すなわちスイッチング動作を行わせることができる。
【００２２】
次に、上記光スイッチ素子の製造プロセスについて説明する。本発明の光スイッチ素子を製造するには、先ず、図３に示すように基板１１を用意し、これに溝１２を形成して、溝１２内に犠牲層１３を充填形成する。犠牲層１３の材料としては、窒化シリコン、クロム等、選択的なウエットエッチングが可能な材料を使用する。
【００２３】
上記犠牲層１３形成の後、図４乃至図６に示すプロセスにより、光導波路を形成する。光導波路形成に際しては、図４に示すように下クラッド１４を形成し、図５に示すように線状のコア１５を形成した後、図６に示すようにコア１５を覆って上クラッド１６を形成する。例えば下クラッド１４や上クラッド１６が石英（ＳｉＯ_２）からなる場合には、ＦＨＤ法やＣＶＤ等によって成膜する。また、ポリマー（例えばポリイミド）を使用することもでき、その場合にはスピンコート等の手法により成膜する。光導波路にポリマーを使用した場合、ポリマーは柔軟であるため、より小さな力でスイッチング可能であり、小型化、低消費電力化に有利である。
【００２４】
次いで、図６に示すように、光導波路上（上クラッド１６上）に薄膜コイル１７を形成する。薄膜コイル１７は、例えば銅等の金属材料を成膜した後、これを半導体プロセスであるフォトリソグラフィーにより形成することができる。あるいはリフトオフ法による形成等も可能である。なお、薄膜コイル１７の形成位置は、上記溝１２に対応した位置とする。
【００２５】
続いて、図７に示すように、光導波路を分断する分断溝１８及び犠牲層１３を露出させるための開口部１９を形成する。なお、分断溝１８は、上記溝１２の一側縁に沿って形成し、開口部１９は、薄膜コイル１７の大きさに合わせてその両側部に形成する。これら分断溝１８や開口部１９を形成するには、例えば対応したマスクレジストを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の手法で光導波路（下クラッド１４，コア１５，上クラッド１６）を選択的に除去すればよい。
【００２６】
上記開口部１９を形成した後、図８に示すように、犠牲層１３をウエットエッチングにより溶解除去し、溝１２内を空間とする。これによって分断溝１８によって分断された光導波路が片持ち梁構造となる。最後に、図９に示すように、永久磁石２０を分断溝１８を挟んで薄膜コイル１７とは反対側に設置し、光スイッチ素子を完成する。
【００２７】
上記光スイッチ素子は、多段化構成とし、光通信機器等において光信号の経路切り替えを行う光スイッチ装置とすることが可能である。多段化構成とは、基本構成である上記構造を有する光スイッチ素子２１を直列、並列に接続したもので、図１０に２段構成（１×４スイッチ）の例を示す。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の光スイッチ素子は、組立工程を必要とせず、光導波路型光スイッチと同様なプロセスで製造が可能であるため、一括生産による低価格な素子が実現可能である。また、その動作原理は、機械的な効果に基づくものであり、高信頼性、高速動作といったメカニカル型光スイッチの利点を生かしたものとなる。さらに、本発明によれば、光スイッチ素子の小型化や低消費電力化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した光スイッチ素子の一構成例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明を適用した光スイッチ素子の動作原理を説明する図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】本発明を適用した光スイッチ素子の製造プロセスを示すものであり、（ａ）は犠牲層形成工程を示す平面図、（ｂ）は断面図である。
【図４】下クラッド形成工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図５】コア形成工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】上クラッド形成工程、およびコイル形成工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】薄膜コイル形成工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】分断溝及び開口部形成工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】犠牲層のエッチング工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】永久磁石設置工程を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１１】光スイッチ素子を多段化構成とした例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１　　　　基板
２　　　　光導波路
２Ａ　　　固定導波路部
２Ｂ　　　変位導波路部
５　　　　溝部
６　　　　分断溝
７　　　　薄膜コイル
８　　　　永久磁石

Claims

固定された光導波路部と、変位可能な光導波路部とを備え、
上記変位可能な光導波路部にはコイルが形成されるとともに、その近傍に永久磁石が配されてなり、
上記コイルへの通電により上記変位可能な光導波路部が変位し、光路が分断されることを特徴とする光スイッチ素子。
上記変位可能な光導波路部は、片持ち梁構造を有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ素子。
上記永久磁石は、上記片持ち梁構造を有する光導波路部の先端に対向して上記固定された光導波路部上に配置されていることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ素子。
上記コイルは、薄膜コイルであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ素子。
少なくとも上記変位可能な光導波路部がポリマーにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ素子。
請求項１記載の光スイッチ素子が、直列及び／又は並列に複数配列され、多段化構成とされていることを特徴とする光スイッチ装置。
基板上に溝部を形成し、当該溝部内にエッチング可能な犠牲層を形成する工程と、
上記犠牲層が形成された基板上に光導波路を形成する工程と、
上記光導波路上に薄膜コイルを形成する工程と、
上記光導波路を上記溝部の一端部に対応する位置で分断する分断溝を形成し、上記犠牲層を露出させる開口部を形成する工程と、
上記犠牲層をエッチング除去する工程と、
上記分断溝を挟んで上記薄膜コイルと対向する位置に永久磁石を固定する工程と
を有することを特徴とするスイッチング素子の製造方法。
上記光導波路は、下クラッド、コア、上クラッドを順次形成することにより形成することを特徴とする請求項７記載の光スイッチ素子の製造方法。
上記下クラッド及び上クラッドは、ポリマーを塗布することにより形成することを特徴とする請求項８記載の光スイッチ素子の製造方法。