JP2004138703A

JP2004138703A - ミラー部品及びそのミラー部品を用いた光スイッチ

Info

Publication number: JP2004138703A
Application number: JP2002301629A
Authority: JP
Inventors: Ryuzo Fukao; 深尾　隆三; Teruaki Takeuchi; 竹内　輝明
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】簡単な構成で光路の高精度な切り替えを行うことができるミラー部品と、そのミラー部品を用いた安価で小型の多チャンネル光スイッチを提供する。
【解決手段】本発明のミラー部品は、階段状に配置されている複数の反射面を有している。このミラー部品を、所定の入射光に対して変位させ、光が照射される反射面を変更する。各反射面は階段状に配置されているので、各反射面で反射した光の光路は互いに異なる。この反射光路の違いを利用して、光のスイッチングを行うことができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光スイッチや光アッテネータ等の光学部品に使用されるミラー部品及びそのミラー部品を利用した１×Ｎの多チャンネル光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の発展により、光クロスコネクトによるネットワーク網が拡大しつつある。これに伴い、高速で大容量の光信号をダイレクトに切り替えるための光スイッチの需要が高まっている。光スイッチの光切り替え手段として、機械的に光ファイバを可動させる方式（例えば、非特許文献１参照）、２次元又は３次元のＭＥＭＳミラー方式（例えば、非特許文献２参照）、静電駆動ミラー方式（例えば、特許文献１参照）等の種々の方式が知られている。
【０００３】
【非特許文献１】
日立金属社製光スイッチＭＳ−１０２　取扱い説明書
【非特許文献２】
藤田博之、他１名，「マイクロメカニカル光デバイス」，応用物理，応用物理学会，第６９巻，第１１号（２０００）ｐ．１２７８−１２８１
【特許文献１】
特開２００２−２３０７４号公報（第６頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれの方式による光スイッチも、多チャンネル化に対して以下のような課題がある。例えば、単一のスイッチ素子を用いて１×Ｎチャンネルのスイッチアレイを構成する場合には、Ｎチャンネル分の光スイッチを並べて配置する必要がある。これにより、多チャンネル（１×Ｎチャンネル）の光スイッチは大型化する。ＭＥＭＳミラーを用いて大規模のマトリクスアレイの作製が行われているが、この方式は障害回避用途等の上記１×Ｎチャンネルスイッチアレイに対しては製造コスト及び量産性の面で適していなかった。
【０００５】
また、別な課題として、特に可動式の光スイッチを多チャンネル構成にした場合、位置の変動による影響が極めて大きい。例えば、カンチレバーを撓ませ、カンチレバー面上に設置したミラーの角度を変位させて光路を切り替える光スイッチでは、カンチレバーの変位を高精度に制御する必要がある。ミラー角度が所定の角度から微妙に変化した場合、ミラーで反射した光の経路も変化してしまう。これにより、所望の光出射部に光を導くことができなくなる。この問題を解消するために、カンチレバーの変位量を高精度に制御するためのシステムを導入する必要が生じ、光スイッチの高コスト化を招くことになる。また、カンチレバー上にミラーを垂直に立てる構成の場合、上記変位量制御の問題は多少緩和されるが、前述のアレイ化に伴う問題は存在する。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で光路の高精度な切り替えを行うことができるミラー部品と、そのミラー部品を用いた安価で小型の多チャンネル光スイッチを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様に従えば、複数の反射面を有するミラー部品であって、該複数の反射面が階段状に配置されていることを特徴とするミラー部品が提供される。
【０００８】
本発明のミラー部品は、階段状に配置されている複数の反射面を有している。このミラー部品を、所定の入射光に対して変位させ、光が照射される反射面を変更する。各反射面は階段状に配置されているので、各反射面で反射した光の光路は互いに異なる。この反射光路の違いを利用して、例えば、光のスイッチングを行うことができる。入射光に対して垂直方向に延在する反射面を構成する複数の段部がそれぞれ異なる高さ位置に形成されており、反射面と入射光の出射部との距離が互いに異なる状態をいい、例えば、図１に示すように、段部の反射面の高さ位置が高くなる程、段階的に反射面と光出射部との距離が長く（又は短く）なる場合だけでなく、図６に示すように、段部の高さ位置とは無関係に反射面と光出射部との距離が変わる場合も含まれる。
【０００９】
本発明では、上記複数の反射面が、平面で且つ互いに平行となるように形成されていることが望ましい。段差を持って形成された各反射面に対し、同じ角度で入射した光は、同じ角度で反射する。これにより、各反射面で反射した光の経路は、互いに平行となる。
【００１０】
本発明の第２の態様に従えば、光の伝送経路を切り替えるための光スイッチであって、
光入射部と；
光出射部と；
階段状に配置されている複数の反射面を有するミラー部品と；
上記ミラー部品を駆動させるためのミラー駆動部と；を備え、
上記ミラー駆動部を駆動させることにより上記ミラー部品が変位することにより、上記複数の反射面のうちいずれか一つの反射面に、上記光入射部から照射された光が斜めに照射され、該反射面からの反射光が上記光出射部に導かれることを特徴とする光スイッチが提供される。
【００１１】
本発明の光スイッチは、階段状に配置された複数の反射面を有するミラー部品を用いて、光の切り替えを行う。このミラー部品を、ミラー部品駆動部を駆動させることにより、光入射部から照射される所定の入射光に対して変位させ、光が照射されるミラー部品の反射面を変更する。各反射面は階段状に配置されているので、各反射面で反射した光の光路は互いに異なる。各反射光路に対応した複数の光出射部を配置し、そのうちのいずれか一つの光出射部に選択的に光を導くことにより、光のスイッチングを行うことができる。
【００１２】
本発明では、上記複数の反射面が、平面で且つ互いに平行となるように形成されていることが望ましい。光は、各反射面に対して同じ角度で入射し、同じ角度で反射する。これにより、各反射面からの光路が互いに平行となる。反射光が平行光となるので、例えば、光出射部を、複数の光ファイバが平行に配置されて構成されるファイバアレイ等の既成品を利用して構成することができる。
【００１３】
上記ミラー駆動部が圧電素子で構成されていることが好ましい。これにより、光スイッチを小型化することができる。また、上記ミラー駆動部がカンチレバーで構成されていてもよい。この場合、ミラーの反射面がカンチレバーの長手方向に実質的に平行に配置されていることが望ましい。これにより、各反射面においてカンチレバーの微妙な変位量の差が生じた場合においても、常に反射光の経路を一定に保つことができる。さらに、上記ミラー部品と上記カンチレバーとが一体成形により形成されていてもよい。これにより、光スイッチの製造工程が簡略化される。上記カンチレバーが基体及び該基体上に形成された磁歪膜で構成されており、上記光スイッチがさらに上記磁歪膜に磁界を印加するための磁界印加手段を含んでもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
【実施例１】
本発明における光スイッチを、図１及び２を用いて説明する。図１及び２に示すように、本発明の光スイッチ１００は、主に、ミラー１、圧電素子３、送光用ファイバ５及び受光用ファイバアレイ７で構成されている。ミラー１は、４つの段部１１〜１４からなる階段状の形態を有する。ミラー１の寸法は、長さ（Ｘ方向の長さとする）ｄ_１＝７０７．１μｍ、幅（Ｙ方向の長さとする）ｗ_１＝１．２ｍｍ、高さ（Ｚ方向の長さ）ｈ＝８００μｍである。段１１〜１４は、いずれもＸ−Ｙ平面に平行な上面及び上面に垂直な（Ｙ−Ｚ平面に平行な）側面で形成されており、側面Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを、本光スイッチの反射面とした。上面は入射光に対して平行に延在する面であり、側面は入射光に対して垂直に存在している面である。なお。各段１１〜１４の高さ（Ｚ方向長さ）ｈ_０は、いずれも２００μｍとした。また、各段のＸ方向の長さｄ_０は、いずれも１７６．８μｍとした。ミラー１は、予め所望の形状を得るために作製した型に、電界鋳造法によってニッケルを流し込むことにより作製した。圧電素子３は、ＰＺＴ素子を用いた。圧電素子３は、圧電素子に電力供給した際にＺ方向に向かって収縮するように配置した。次いで、圧電素子３の上面に、ミラー１を、接着剤を用いて固定した。圧電素子３に電力を供給して圧電素子３をＺ方向に収縮させることにより、圧電素子３上に固定されたミラー１は、Ｚ方向に向かって上下に変位する。なお、接着剤に代えて、はんだ付け等でミラー１を圧電素子３上に固定してもよい。
【００１６】
送光用ファイバ５は、コア径９μｍの日本ガイシ社製光ファイバである。送光用ファイバ５は、そこから射出される光ＬＳ１が、ミラー１の各反射面に対して４５°の入射角で入射するように配置されている。光ＬＳ１は、送光用ファイバ５からＸ−Ｙ平面に対して平行に進行するように照射される。この光ＬＳ１の各反射面におけるスポット径は、１００μｍであった。なお、本実施例では、送光用ファイバに供給される光の光源として、波長λ＝１５４４．７ｎｍ、出力１ｍＷの半導体レーザを用いた。ファイバアレイ７は、同一平面上で４本平行に配置し固定した、ファイバ径が１２５μｍの日本ガイシ社製光ファイバ群であり（受光ファイバＦ_１〜Ｆ_４）、各光ファイバ間ピッチは２５０μｍである。ファイバアレイ７は、全ての受光ファイバＦ_１〜Ｆ_４の光軸の高さ（Ｚ方向位置）が同じとなり且つそれらの光軸がそれぞれＸ−Ｙ平面で反射面Ａ〜Ｄに対して４５°の傾きとなるように配置されている。また、送光用ファイバ５のミラー側先端部分７ａから、各反射面Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤを介して各受光ファイバのミラー側先端部分７ａ，７ｂ，７ｃ及び７ｄに至るまでの光の光路長が同じとなるように、図２に示すように、ファイバアレイ７の各受光ファイバの先端部分７ａ〜７ｄが、所定の間隔でずれて配置されている。
【００１７】
次に、本光スイッチ１００の作動方法を、図１及び２を用いて説明する。ここでは、光スイッチ１００を切り替えて、送光用ファイバ５から照射した光を反射面Ａ〜Ｄに、この順で照射し、各反射面から反射された光をファイバアレイ７の各受光ファイバに導く場合について説明する。光ＬＳ１の光スポット全体が垂直面である反射面Ａ内に入るように、入射角４５°で送光用ファイバ５から光を照射する。反射面Ａで反射した光ＲＬ１は反射角４５°で反射し、ファイバアレイ７の受光ファイバＦ_１に導かれる。次に、圧電素子３に電力を供給して、光ＬＳ１が照射される高さ位置に対するミラー１の相対的な位置を２００μｍだけ垂直下方向（Ｚ方向下向き）に降下する（矢印ＡＲ１）。ミラー１が降下した後、光ＬＳ１を入射すると、光ＬＳ１はミラー１の反射面Ｂを照射する。反射面Ｂに入射した光は、反射面Ａと同様にして、反射角４５°で反射する。次いで、反射面Ｂで反射した光ＲＬ２は、ファイバアレイ７の受光ファイバＦ_１に隣接する受光ファイバＦ_２に導かれる。さらに、圧電素子３の変位を制御して、光ＬＳ１の照射位置に対するミラー１の高さを、２００μｍ垂直下方向に降下する。ミラー１が降下した後、光ＬＳ１を入射すると、光ＬＳ１はミラー１の反射面Ｃを照射する。反射面Ｃに入射した光は、反射面Ａ及びＢと同様にして、反射角４５°で反射する。次いで、反射面Ｃで反射した光ＲＬ３は、ファイバアレイ５の受光ファイバＦ_２に隣接する受光ファイバＦ_３に導かれる。同様にして、圧電素子３の変位を制御することにより、さらにミラー１の高さを２００μｍ垂直下方向に降下する。ミラー１が降下した後、光ＬＳ１を入射すると、光ＬＳ１はミラー１の反射面Ｄを照射する。反射面Ｄに入射した光は、反射面Ａ，Ｂ及びＣと同様にして、反射角４５°で反射する。次いで、反射面Ｄで反射した光ＲＬ４は、受光ファイバＦ_３に隣接する受光ファイバＦ_４に導かれる。送光用ファイバ５を介して照射された光ＬＳ１は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行に照射される。また反射面Ａ〜ＤがいずれもＸ−Ｙ平面に対して垂直で且つ互いの面が平行となるように形成されているので、各受光ファイバに導かれた反射光の光路の高さ（Ｚ方向の高さ）は変わらず、反射光の光路は互いに平行となる。これにより、複数の受光ファイバを同一平面上で互いに平行となるように配置し固定したファイバアレイを用いて光の切り替えが可能となる。
【００１８】
また、本光スイッチ１００では、反射面Ａ〜ＤがＸ−Ｙ平面に対して垂直な面で形成されているので、仮に圧電素子３の上下変位量（Ｚ方向の変位量）が微妙に変化してミラーの反射面の高さ位置が変わった場合でも、許容範囲内であれば反射光の光路を変化させることなく、光を所定の受光ファイバに導くことができる。
【００１９】
上記実施例の場合、各反射面の高さはｈ＝２００μｍ、各反射面における入射光の光スポット径は１００μｍであるので、例えば、ある反射面の中心高さ位置、即ち、反射面の下部から１００μｍの高さに光スポットの中心が来るように光を照射した場合、上下方向（Ｚ方向）に対しそれぞれ５０μｍのマージンがあることになる。よって、この範囲内であれば仮に反射面が光の照射位置に対してＺ方向のいずれかの方向にずれた場合でも、所定の受光ファイバに光を導くことができる。
【００２０】
以上のようにして、光スイッチ１００の圧電素子３の高さを制御することにより、一つの光入射部（送光用ファイバ等）からの光を、複数の光出射部（受光ファイバ等）のうちいずれか一つの光出射部に導くことができる。これにより、１×Ｎの光スイッチングが可能となる。
【００２１】
上記実施例では、ミラーの反射面に対する光の入射角を４５°としたが、この角度に限定されず任意の角度にすることができる。受光ファイバの光軸方向に互いにずれる量は、入射角に応じて変更し得る。なお、反射光量の低下を防止するために、反射面での全反射条件、即ち、ブリュースター角を越えない範囲で入射角を設定するのが好ましい。また、光ＬＳ１は、反射光量の点からすれば、Ｚ方向に偏光した直線偏光が好ましい。
【００２２】
【実施例２】
本発明の別実施例を、図３を用いて説明する。図３に示すように、本実施例における光スイッチ３００では、ミラー１’の各反射面Ａ’〜Ｄ’を、Ｙ方向に対し角度θ＝３０°となるように傾斜して形成し、さらに反射面に対する入射角θ＝３０°を変更した以外は、実施例１と同様に構成した。本実施例では、ミラー１’の反射面傾斜角度θ＝３０°、幅ｗ_２＝５００μｍ、反射面のＸ方向ピッチｄ_０’＝２８９μｍとした。なお、ファイバアレイ７’は、実施例１と同じ２５０μｍのピッチのファイバアレイを使用した。送光用ファイバ５’からミラー１’の反射面に向かって照射された光ＬＳ３は、圧電素子３’の高さを制御することにより、角度θ＝３０°で傾斜した反射面Ａ’，Ｂ’，Ｃ’又はＤ’のいずれかの面に、入射角θ＝３０°で入射する。次いで、反射面Ａ’〜Ｄ’のいずれかの面に入射した光は、反射角θ＝３０°でファイバアレイ７’に向かって反射し、ファイバアレイ７’を構成するいずれかの受光ファイバに導かれる。このとき、ミラー１’の各反射面における光ＬＳ３が照射される位置は、ミラー１’の長さ方向（Ｘ方向）に延びる一つの軸上に存在している。これにより、実施例１のミラーに比べてミラーの幅ｗ_２を小さくすることができる。また、本光スイッチ３００では、ミラーの段数を増やすとともにその数に対応する数の受光ファイバを用意することにより、ミラーの幅（Ｙ方向長さ）の制約を受けずに、さらに多チャンネル化することができる。
【００２３】
【変形例】
上記実施例の光スイッチにおける変形例を、図４及び５を用いて説明する。図４に示すように、本変形例の光スイッチ４００では、ミラーを駆動する駆動部としてカンチレバー４３を用いた以外は実施例１と同様とした。カンチレバー４３は、長さ１０ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ２０μｍの石英からなる基体の一方の面上にスパッタリングによりＴｂ−Ｆｅ合金から構成された磁歪膜を厚さ３μｍで形成し、さらに、その磁性材料膜上にＳｉＯ_２からなる保護層を厚さ０．０５μｍで形成することにより得た。
【００２４】
ミラー４１は、カンチレバー４３の自由端４３ｂ近傍の保護層上に、ミラー４１の各反射面Ａ”〜Ｄ”がカンチレバー４３の長手方向に平行となるように配置されている。また、カンチレバー４３の駆動装置として、図４に示すような、磁界印加装置４０を用いた。磁界印加装置４０は、矩形の枠状に形成されたコア４２、コア４２の各辺部分４２ａ〜４２ｄに周回して配置されるコイル４６ａ〜４６ｄ及び電源（不図示）等で構成されている。この磁界印加装置４０では、不図示の電源を用いて、対向するコイル４６ａ及び４６ｃ（又は、コイル４６ｂ及び４６ｄ）に電力を供給することによって、コイル内側及びこれらのコイルが周回するコアに一定方向の磁界が発生する。磁界印加装置４０を用いて、カンチレバー４３の長手方向に磁界を印加することにより、カンチレバー４３を構成している磁歪膜がカンチレバー４３の長手方向に伸びる。これにより、カンチレバー４３を構成する基体との間にずれ応力が生じ、カンチレバー４３は、支持部４９に固定された端部（固定端）４３ａを支点として自由端４３ｂがほぼ円軌道を描くように撓む（矢印ＡＲ４）。磁界印加装置４０で印加する磁界の大きさを制御することによって、カンチレバー４３の撓み量を変化させる。これにより、送光用ファイバ４５から出射された光ＬＳ４は、カンチレバー４３上に固着されたミラー４１の所望の反射面に照射される。反射面で反射した光は、受光用ファイバアレイ４７のいずれかの受光ファイバに導かれる。これにより。光のスイッチングが可能となる。なお、ミラー４１の反射面がカンチレバー４３の幅方向に平行になるように配置されると、カンチレバー４３の変位量に微小な差が生じた場合、反射光の経路が変化してしまう。したがって、ミラー４１の反射面は、カンチレバー４３の長手方向に平行に配置するのが望ましい。
【００２５】
上記変形例では、カンチレバー及びカンチレバーの駆動装置として、種々のものを用い得る。例えば、カンチレバーとして、ガラス、シリコン等の半導体ウエハ、セラミック、金属又はポリイミド等の高分子樹脂等を用いてもよい。カンチレバーの駆動装置として、静電駆動装置等を用いてもよい。また、カンチレバーとミラーとをニッケル等の金属を用いて一体成形により形成してもよい。これにより、光スイッチの光路切り替え部の精度及び強度が増すだけでなく、光スイッチの生産効率を上げることができる。
【００２６】
上記実施例では、入射光と垂直方向（高さ方向又はＺ方向）に延在する反射面が、高さ位置が高くなるに従って段階的に入射光源に近づくように構成されたミラーを用いたが、図６に示すように、高さ位置に無関係に入射光源との距離が変化するように反射面が形成されたミラー６１を用いても構わない。
【００２７】
上記実施例では、ニッケルを用いてミラーを作製したが、ニッケル合金、銅又は真鍮等の銅合金を用いてもよい。また、これらの金属面上に、例えば、金等の薄膜をコーティングしてもよい。上記実施例では、電解鋳造法によりミラーを作製したが、予め所望の形状に成形した樹脂若しくは金属又は予め所望の形状に削り出したガラスまたはシリコン等の表面に、金属反射膜を蒸着又はメッキすることによってミラーを作製してもよい。
【００２８】
上記実施例では、ミラーを駆動させるために圧電素子を用いたが、ミラーを垂直方向に上下動させることができるものであれば、磁歪アクチュエータや静電式のアクチュエータ等、種々のものを用い得る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のミラー部品を用いることにより、反射面における光の照射位置が多少変動した場合でも反射光の光路に影響を受けることがない、安定した動作を行う、小型の多チャンネル光スイッチを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における光スイッチの概略図である。
【図２】図１に示す光スイッチの概略平面図である。
【図３】本発明の実施例２における光スイッチの概略平面図である。
【図４】本発明の変形例における光スイッチの概略図であり、（ａ）は、光スイッチの概略上面図を示しており、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線断面図を示している。
【図５】本発明の変形例でカンチレバー上に設置したミラーの拡大図であり、（ａ）は概略上面図を示しており、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図を示している。
【図６】本発明のミラーの別形態を示した図である。
【符号の説明】
１，１’，４１　ミラー
３，３’　圧電素子
５，５’，４５　送光用ファイバ
７，７’，４７　ファイバアレイ
４２　コア
４３　カンチレバー
４６ａ〜４６ｄ　コイル
４９　支持部
１００，３００，４００　光スイッチ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’　反射面
ＬＳ１，ＬＳ３，ＬＳ４，ＬＳ　入射光

Claims

複数の反射面を有するミラー部品であって、該複数の反射面が階段状に配置されていることを特徴とするミラー部品。
上記複数の反射面が、平面で且つ互いに平行となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のミラー部品。
光の伝送経路を切り替えるための光スイッチであって、
光入射部と；
光出射部と；
階段状に配置されている複数の反射面を有するミラー部品と；
上記ミラー部品を駆動させるためのミラー駆動部と；を備え、
上記ミラー駆動部を駆動させることにより上記ミラー部品が変位することにより、上記複数の反射面のうちいずれか一つの反射面に、上記光入射部から照射された光が斜めに照射され、該反射面からの反射光が上記光出射部に導かれることを特徴とする光スイッチ。
上記複数の反射面が、平面で且つ互いに平行に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
上記ミラー駆動部が圧電素子で構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光スイッチ。
上記ミラー駆動部がカンチレバーで構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光スイッチ。
上記ミラーの反射面がカンチレバーの長手方向に実質的に平行に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光スイッチ。
上記ミラー部品と上記カンチレバーとが一体成形により形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の光スイッチ。
上記カンチレバーが基体及び該基体上に形成された磁歪膜で構成されており、上記光スイッチがさらに上記磁歪膜に磁界を印加するための磁界印加手段を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の光スイッチ。