JP2004325982A - Optical switch - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、基体上に磁歪膜を形成した素片を用いた光スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信システムにおいては、光通信回線を切り替えるために光スイッチが必要である。光スイッチの方式の一つとして、例えば、光路上に反射ミラーを配置し、その角度を変化させることにより光の反射方向を変える方式の光スイッチが知られている。かかる光スイッチにおいて、反射ミラーの角度を変化させる方法としては、例えば、静電方式、圧電方式、磁気力方式などが知られている。
【0003】
従来の磁気力方式の光スイッチとして、磁石と電磁石との吸引力を利用した光スイッチが知られている(例えば、特許文献1参照)。この光スイッチは、磁性体が取り付けられているミラーが3次元的に運動可能な支持体を介して基板に取り付けられるとともに、ミラー近傍に電磁石を設けて構成されている。かかる光スイッチでは、電磁石を動作させて電磁石から磁界を発生させ、ミラーに取り付けられている磁性体を磁気的な相互作用により電磁石に引き付け、ミラーに入射したレーザを所定の方向にスイッチングさせている。
【0004】
また、これとは異なる磁気力方式の光スイッチとして、曲げ弾性及び可撓性を有する基体上に磁歪材料からなる膜を形成した素片(磁歪素片)を利用した光スイッチが知られている(例えば、非特許文献1参照)。この光スイッチでは、入射用の光ファイバからの光を磁歪素片の表面に形成したミラーで反射させている。磁歪素片に磁界を印加していない状態では、光は上記ミラーに対して所定の角度をもって入射し、ミラー面で反射された光は第1の出射用光ファイバに導かれる。これに対し、磁歪素片に磁界を印加した状態では、磁歪素片に撓みが生じる。これにより、光は磁界が印加されていない場合とは異なる入射角で上記ミラー面に入射し、ミラー面で反射された光は第1の出射用光ファイバとは異なる位置に配置された第2の出射用光ファイバに導かれる。このように、印加する磁界の値を切り替えて磁歪素片の撓み量を制御することにより、光のスイッチングを行うことができる。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−162520号公報(第1−5頁)
【非特許文献1】
S.Moon, S.H.Limらによる著,「オプティカル・スイッチ・ドリブン・バイ・ジャイアント・マグネトストリクティブ・シン・フィルムズ (Optical Switch Driven by Giant Magnetostrictive Thin Films)」 Part of the Symposium on Design, Test, and Microfabrication of MEMS and MOEMS(パリ,フランス)(1999年3−4月)(第854−862頁)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁石と電磁石との吸引力を利用した光スイッチにおいては、ミラーに磁性体を取り付けるとともに、変形可能な支持体を介してミラーを基板に取り付ける必要があるために、部品点数が多くなるとともに構造が複雑になり、製造工程もまた複雑化するという問題があった。
【0007】
また、磁歪素片を利用した光スイッチにおいては、磁歪素片に磁界を印加した後に印加磁界をゼロとした場合、磁気ヒステリシスの影響による残留磁化が一定時間経過することによって消滅してしまう。磁歪膜が磁気ヒステリシスを有する場合、図8(a)に示すように、消磁状態から磁界を印加して磁化を飽和させた後、再び磁界をゼロにしても厳密には元の消磁状態には戻らず、残留磁化状態となる。この状態で磁歪膜に印加する磁界のON/OFFを繰り返すと、飽和磁化状態と残留磁化状態とを往復し、短時間の間ではこれらの状態を繰返して再現する。これにより、磁歪膜もこれらの状態の変化に応じて伸縮する。これに対し、残留磁化状態で磁界を印加せずにそのまま数時間放置した場合、磁歪膜は残留磁化状態から消磁状態に徐々に変化し(図8(a)中、矢印AR8)、磁歪膜の磁歪状態も磁界が印加されていないときの元の状態に戻る。この結果、わずかではあるが磁歪素片の撓み量(撓み角度)が変化し、ミラー面で反射した光の光路が微妙にずれて、出射用の光ファイバへ光が入射するときに損失を生じる。
【0008】
また、消磁状態で磁歪膜の磁化状態が変化する別の原因として、図8(b)に示すように、印加磁界がゼロであっても磁歪膜の撓みが残留する場合があることが挙げられる。例えば、磁歪膜における各磁化の方向が、図8(b)下段左図に示すように、ランダムな方向に向く場合や、図8(b)下段右図に示すように、所定の方向に逆向きに揃う場合がある。、図8(b)下段左図のように、磁化方向がランダムとなる場合には、全体としての磁化がキャンセルされるために磁歪膜は伸縮しない。これに対し、、図8(b)下段右図のように、隣り合う磁化の向き(ベクトル)が互いに逆向きとなる場合には、隣り合う磁化の向きは逆向きであるが一定方向に沿って配列しているため、その方向に磁歪膜の磁歪定数の正負に応じて伸びるまたは縮むことになる。このように、印加磁界をゼロとした場合でも、磁歪膜の磁化の向きが所定方向に沿って向くように磁化が分布していることにより、磁歪膜が伸縮した状態となる。即ち、印加磁界がゼロであっても磁歪素片の撓みが残る場合がある。この磁歪素片の撓みの残留は、上記の通り、反射光の光路に影響を及ぼすことになる。
【0009】
なお、上記の磁歪膜における磁気ヒステリシスは、磁歪膜の軟磁気特性を向上させると無視できる程度に減少させることができるが、磁歪膜として磁歪定数が大きい組成の磁歪材料を選択した場合には、磁気ヒステリシスが増加する傾向がある。したがって、磁気ヒステリシスが存在する磁歪膜を用いた光スイッチにおいて、光損失を抑制若しくは消失させることが重要となる。
【0010】
そこで、本発明の目的は、磁歪素片の撓み量の変化を利用して光路の切り替えを行う光スイッチにおいて、磁気ヒステリシスに基づく光損失の発生を防止し、安定な動作を行うことができる光スイッチを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様によれば、光スイッチに光を入射する光入射部と;
該光入射部からの光を光スイッチから選択的に出射する第1光出射部及び第2光出射部と;
基体、該基体の一面上に磁歪材料で形成された薄膜及びミラーを備える素片と;
該素片に磁界を印加する磁界印加手段と;を備え、
上記素片に磁界が印加されたときに、上記光入射部からの光が上記ミラーを介して第2光出射部に導かれ、磁界が印加されていないときに、上記光入射部からの光が第1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。
【0012】
本発明の光スイッチでは、素片に磁界を印加していない状態で、素片は殆どまたは全く撓んでいない状態となる。このとき、光入射部からの光は、素片に遮られることなく、第1光出射部に向けて照射される。一方、素片に磁界を印加したときには、素片を構成している磁歪薄膜が伸びるまたは縮むことにより、素片を構成する基体との間でずれ応力を生じ、素片が基体側または磁歪薄膜側のいずれかの側に撓む。このとき、光は素片に遮られ、光入射部からの光の光路内に素片上に設けられたミラーが変位し、ミラーは光を反射して第2光出射部に導く。本発明の光スイッチは、上述のような印加磁界をゼロとしたときに、光入射部からの光がミラーを照射しないため、素片の撓み量にかかわらず、光は第1光出射部に常に導かれる。これにより、1×2チャンネルの光スイッチの切り替えを、光損失を生じることなく行うことができる。
【0013】
本発明の光スイッチでは、上記ミラーの反射面が上記基体の一面に対して略平行であることが好ましい。また、上記基体の一面上の一部にのみ薄膜が形成されており、上記ミラーが上記薄膜が形成されていない基体の一面上の領域に配置されていることが好ましい。これにより、ミラーが配置されている領域の素片部分は撓まず、よって、ミラーの反射面を水平に保つことができる。
【0014】
本発明の光スイッチでは、磁界が印加されたときに、上記薄膜の磁化が飽和磁化であることが好ましい。また、上記磁界印加手段を用いて印加される磁界が、上記薄膜の飽和磁界よりも大きい磁界であることが好ましい。これにより、磁界印加時の素片の撓み量は最大且つ一定となる。さらに、上記光入射部及び光出射部の少なくとも一方がレンズ付き光ファイバであることが好ましい。
【0015】
本発明の光スイッチでは、上記磁界印加手段が、硬質磁性体を一部に含むコア、該コアに周回して設けられたコイル及び電源で構成されていることが好ましい。また、上記硬質磁性体が、保磁力の異なる硬質磁性体で構成されていてもよい。これにより、磁界印加手段を用いてコアに磁界印加した直後に磁界印加を止めた場合においてもコアに引き続き磁界が生じているので、素片の撓み状態もそのまま維持されることになる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明における実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。
【0017】
【実施例1】
本発明における光スイッチの第1の実施の形態について、図1〜5を用いて説明する。図1(a)及び(b)は、本発明の光スイッチ200の概略図であり、図1(a)は、光スイッチ200を構成する磁歪素片10が撓んでおらず、光入射部となるレンズ付き光ファイバ12から照射された光が、光ファイバ12に対向する位置に配置された第1の光出射部となるレンズ付き光ファイバ14に直接入射する様子を示している。一方、図1(b)は、磁歪素片10が撓んだ状態であり、光ファイバ12から照射された光が、磁歪素片10上に形成されたミラー5を介して、光ファイバ14とは異なる位置に配置された第2の光出射部となるレンズ付き光ファイバ16に入射する様子を示している。本実施例の光スイッチ200の動作に関する詳細については、後に説明する。
【0018】
[磁歪素片の作製方法]
次に、本発明の光スイッチに用いる磁歪素片の作製方法を、図2を用いて説明する。図2に示すように、磁歪素片10は、基体1、磁歪材料層3及びミラー5で構成されている。基体1は、長さ10mm、幅0.8mm、厚み20μmの平板状の石英ガラスである。次に、基体1の一方の表面上に、磁歪材料層3をスパッタリングにより形成した。このとき、磁歪材料層3として、負の磁歪定数を有するサマリウム−鉄合金を、厚さ6μmとなるように形成した。また、基体1の長手方向の片側端部から1mmの領域1aに磁歪材料層3が形成されないように、予めその領域をマスキングしてスパッタリングを行った。次いで、基体1の磁歪材料層3を形成した面とは反対側の面上で且つ領域1aの裏側の領域1bのみにミラー5が形成されるようにマスキングしてスパッタリングを行った。このとき、ミラー5として金を、厚さ100nmとなるように形成した。また、ミラー5は、表面形状が0.5mm×0.5mmの方形となり、ミラー5の表面が基体1の表面と略平行であった。なお、本実施例では、基体1として石英ガラスを用いたが、シリコン、金属箔等を用いてもよい。
【0019】
[光スイッチの製造方法]
次に、こうして得られた磁歪素片10を用いて製造した光スイッチについて、図1及び3を用いて説明する。図1(a)に示すように、光スイッチ200は、主に、磁気コア100、コイル13、磁歪素片10、入射用のレンズ付き光ファイバ12、出射用のレンズ付き光ファイバ14,16及び電源(不図示)で構成される。磁気コア100は、図3(a)及び(b)に示すように、幅(図中、Y方向の長さ)d1=15mm、長さ(図中、X方向の長さ)d2=10mm及び高さ(図中、Z方向長さ)d3=10mmの四角柱状であり、磁気コア100の内部にはX方向に貫通する貫通孔101が形成されている。貫通孔101により、磁気コア100は、図3(b)に示すように、Z方向に上面部100aと底面部100bに分けられる。さらに、磁気コア100の上面部100aには、Y方向の中央部に、X方向に延在するギャップ18が形成され、ギャップ18は上面部100aを右上面部100arと左上面部100alに分割している。ギャップ18は貫通孔101と連通している。貫通孔101の幅及びギャップ18の幅(ギャップ幅)は、それぞれ、10mm及び1.2mmである。また、磁気コア100は、フェライトからなる軟質磁性体で構成されている。なお、磁気コア100の軟質磁性体は0.2[Oe]の保磁力を有する。磁気コア100は、フェライトからなる軟質磁性体を、所望の形状となるように加圧成形して作製した。
【0020】
図1(a)に示すように、磁気コア100の底面部(100b)には、直径0.3mmのエナメル線からなるコイル13が、X方向及びZ方向に200回程度周回して設けられている。不図示の電源はコイル13の両端に接続され、コイル13に電力を供給する。磁歪素片10は、ギャップ(18)内で、X方向に延在し且つ磁歪素片10の表面が磁気コア100の上面部(100a)の表面と平行になるように配置されている。ここで、図1(a)に示すように、磁歪素片10のミラー5が形成されていない側の一端を固定端として、ギャップ(18)の端部に挟持された支持片15に接着剤等で固着し、磁歪素片10の他端を支持せずに自由端とした。なお、磁歪素片10は、磁歪素片10の磁歪材料層がコイル13側を向くように、ギャップ内に配置される。
【0021】
次に、入射用のレンズ付き光ファイバ12及び出射用のレンズ付き光ファイバ14,16の配置について、図4を用いて説明する。入射用のレンズ付き光ファイバ12及び出射用のレンズ付き光ファイバ14,16は、それぞれ先端部に集光レンズが設置された光ファイバであり、波長1.5μmのシングルモード対応の光ファイバを用いた。図4(a)に示すように、入射用のレンズ付き光ファイバ12から照射された光が直接入射されるように、光ファイバ12に対向する位置に(光ファイバ12の光軸上に)、出射用のレンズ付き光ファイバ14が配置される。これに対し、出射用のレンズ付き光ファイバ16は、図4(b)に示すように、磁歪素片10の撓み量が後述するように飽和状態となったときに、入射用光ファイバ12から照射されて磁歪素片10上に形成されたミラー5の表面で反射された光が入射される位置に配置される。
【0022】
[光スイッチの駆動方法]
次に、光スイッチ200の駆動方法について、図1を用いて説明する。図1(b)に示すように、不図示の電源によってコイル13に電力を供給することにより、磁気コア100に磁界を発生させる。このとき、磁気コア100のギャップに、磁歪素片10の幅方向(Y方向)に磁界が発生する。これにより、ギャップ内に配置された磁歪素片10のサマリウム−鉄合金からなる磁歪材料層が、発生した磁界の方向に縮み、その結果、発生した磁界と直交する方向である素片の長手方向(X方向)に伸長する。磁歪材料層が伸長することにより、磁歪素片10の磁歪材料層と基体との間でずれ応力が生じ、磁歪素片10は支持片15で固定された固定端を支点として、矢印AR1で示すように、コイル13側とは反対側、即ち、上方に向かって撓む。これにより、光スイッチの切り替えに必要な変位量を得る。
【0023】
ここで、磁歪素片10の撓み量について、図5を用いて説明する。図5は、コイルに流した電流と磁歪素片10上に設けたミラーの表面の角度変位との関係を示したグラフである。ミラー表面の角度変位は、電流値90mAで飽和しており、90mA以上電流を流した場合でも角度変位は一定である。この磁歪素片10において、120mAの電流のON/OFFを繰り返した後に電流をゼロにした場合、ミラー表面の角度が徐々に変化し、数時間経過後に0.1°程度変化することが分かった。これは、上述の通り、磁歪素片の磁歪材料層が残留磁化状態から消磁磁化状態へと徐々に変化することに起因する。これに対し、120mAの電流印加状態では、長時間経過した後でもミラー表面の角度変位は認められなかった。
【0024】
次に、本実施例における光スイッチ切り替えの具体的な方法について、図1及び4を用いて説明する。図1(a)及び図4(a)に示すように、光スイッチ200は、コイル13に電流を流さない状態、即ち、磁気コア100に磁界が印加されていない状態では、磁歪素片10は撓まず、入射用の光ファイバ12から照射された光は、直接出射用の光ファイバ14に入射する。これに対し、コイル13に120mAの電流を流して、磁気コア100のギャップ部に磁界H1=450[Oe]を発生させることにより、図1(b)及び図4(b)に示すように、磁歪素片10は矢印AR1の方向に撓む。上述の通り、磁歪素片10の撓み量は飽和状態となっている。また、磁歪素片10が撓むことにより、入射用の光ファイバから照射された光は磁歪素片10上のミラー5表面に入射し、ミラー5で反射された後に、光ファイバ14とは異なる位置で且つ反射光を入射することができる位置に設置されている光ファイバ16に入射する。このように、コイル13への電力供給をON/OFFすることにより、光路の切り替えが可能となる。これにより、光スイッチングが実現される。
【0025】
本実施例の光スイッチでは、磁歪素片を撓まない元の状態に戻したときに、入射用の光ファイバから照射された光の光路を遮ることがないよう、十分な間隔を開けて磁歪素片が配置されている。これにより、上述のように印加磁界をゼロとした後に残留磁界の影響や磁化状態がランダムに変化することによって磁歪素片の撓み状態が微妙に変化した場合であっても、入射用光ファイバから照射された光に影響を与えない。したがって、出射用光ファイバに入射する光の損失は生じない。また、飽和磁化するような磁界を印加した状態では、磁歪素片の撓み変化は一定となり、磁歪素片のミラー表面で反射した光は常に所定の方向に反射される。よって、この場合において光の損失を生じることはない。
【0026】
さらに、本実施例における磁歪素片10のミラー5は、図2に示すように、基体1の磁歪材料層3が形成されていない領域1aの裏側の領域1bに形成されているので、磁歪素片10が撓んだ状態でも領域1bにおける基体表面の平坦性は保たれる。即ち、ミラー5の反射面の平坦性も保たれることになる。これにより、ミラー5の反射面が凸面鏡として機能することを防止し、反射光の光束の広がりや反射光の断面形状変化を抑制することができる。よって、これらに起因する光損失の発生を抑制することもできる。
【0027】
【実施例2】
本発明の第2の実施の形態について、図6及び7を用いて説明する。図6に本実施例における光スイッチ600を、図7に光スイッチ600に用いる磁気コア500を、それぞれ示す。本実施例では、磁気コアの底面部のY方向中央で磁気コアを分割するように、即ち、ギャップに対向する位置に配置されるように、保磁力が異なる2種類の硬質磁性体材料(フェライト)からなる硬質磁性体部を形成した以外は、実施例1と同様に構成した。磁気コアの硬質磁性体部は、図7(a)に示すように、第1硬質磁性体部55及び第2硬質磁性体部57で構成されており、第1硬質磁性体部55が第2硬質磁性体部57上に重なるように、即ち、磁気コア500のギャップ58側に第1硬質磁性体部55が配置されている。第1硬質磁性体部55及び第2硬質磁性体部57の厚さ(高さ)はそれぞれ2.5mmとした。第1硬質磁性体部55の保磁力は80[Oe]を有し、第2硬質磁性体部57の保磁力は2500[Oe]を有する。なお、磁気コア500は、以下のように製造した。軟質磁性体部51、第1硬質磁性体部55及び第2硬質磁性体部57を、予め所望形状にそれぞれ加圧成形した。次いで、第1硬質磁性体部55と第2硬質磁性体部57とを接着剤で固着し、固着した第1硬質磁性体部55及び第2硬質磁性体部57を軟質磁性体部51に接着剤で固着した。
【0028】
次に、磁気コア500の磁気特性について、図7(b)〜(d)を用いて説明する。コイルに150mAの電流を流して、第1硬質磁性体部55の保磁力と第2硬質磁性体部57の保磁力との間の磁界である外部磁界H1’=90[Oe]を発生させる。外部磁界H1’は、第1硬質磁性体部55の保磁力を上回っているので、第1硬質磁性体部55は外部磁界H1’に揃う方向に磁化する。なお、第2硬質磁性体部57は、予め外部磁界H1’の方向に磁化しているものとする。ここで、外部磁界H1’を消失させても、図7(c)に示すように、第1及び第2硬質磁性体部55,57は、磁気ヒステリシスを有するので、残留磁化AR55a,AR57が残る(図7(b)に示した第1硬質磁性体部のヒステリシスカーブにおける残留磁界Ms’参照)。これらの残留磁化の合成磁化AR7aは、磁気コア500のギャップ58に磁界を発生させている状態を維持する。
【0029】
一方、上記と逆向きに150mAの電流を流し、磁界H2’=−90[Oe](即ち、H2’=−H1’)を印加する。磁界H2’は第1硬質磁性体部55の保磁力よりも大きいため、第1硬質磁性体部55の磁化は、図7(d)に示すように反転する。これに対し、第2硬質磁性体部57の保磁力は外部磁界H2’よりも大きいため、第2硬質磁性体部57の磁化の向きは、図7(d)に示すように変化しない。ここで、外部磁界H2’を消失させると、第1及び第2硬質磁性体部55,57にそれぞれ残留磁化AR55b,57が残る。第1及び第2硬質磁性体部55,57においては、残留磁化AR55b,AR57の大きさが予めほぼ等しくなるように調整されているとすれば、それらは互いに逆向きであるので、硬質磁性体全体の磁化はほぼ0となる。これにより、硬質磁性体により磁気コア500に生じる磁界は消失する。
【0030】
この磁気コア500を用いて、実施例1と同様にして、図6に示すような光スイッチ600を作製することができる。本実施例における光スイッチ600では、コイル53に所定時間(例えば、10msの間)電流を流した後に、コイル53への電力供給を停止した場合でも、磁気コア500のギャップ(58)に引き続き磁界が発生した状態が維持される。これにより、図6に示すように、磁気コア500のギャップ(58)に配置されている磁歪素片50の撓み状態も維持される。これに対し、コイル53に上記と逆向きの電流を所定時間(例えば、10msの間)流すことにより、磁気コア500に生じていた磁界は消失する。これにより、磁歪素片50は撓まない状態に戻る。このように、本実施例における光スイッチでは、磁歪素片50の撓み状態を切り替えるときにのみ、即ち、光のスイッチングを行うときのみ電力供給を行えばよく、電力供給を停止した後も磁歪素片の撓み状態はそれぞれの状態で維持され、自己保持している状態といえる。また、本実施例の光スイッチは、大きさの等しい外部磁界の極性(±H1’)を切り替えるだけで、光スイッチの状態切り替えを行うことができる。
【0031】
本実施例では、第1硬質磁性体部と第2硬質磁性体部とを、接着剤を用いて固着したが、第2硬質磁性体部上に第1硬質磁性体部を、接着剤を用いずに密着させ、その側面に軟質磁性体51を接着剤で固着してもよい。また、本実施例では、保磁力が異なる2種類の硬質磁性材料を同じ厚さで成形したが、保磁力が高い硬質磁性体部の厚さが保磁力の低い硬質磁性体部の厚さに比べて小さくなくなるように、第1及び第2硬質磁性体部を成形してもよい。これにより、硬質磁性体部の磁化を相殺するための印加磁界を小さくすることができる。さらに、硬質磁性体部を1種類の硬質磁性体で構成し、磁気コアの軟質磁性体の磁化を硬質磁性体の磁化で相殺して、磁気コアのギャップに生じる磁界をゼロにするような磁界を印加することにより、本実施例と同様な効果を得ることができる。
【0032】
上記実施例では、磁歪材料層を負の磁歪定数を有するサマリウム−鉄非晶質合金を用いて形成したが、エルビウム−鉄合金、ツリウム−鉄合金、サマリウム−鉄−コバルト合金、サマリウム−エルビウム−鉄合金、サマリウム−ツリウム−鉄合金等を用いて形成してもよい。また、正の磁歪定数を有するテルビウム−鉄合金、ホロミウム−鉄合金、テルビウム−ニッケル合金、テルビウム−コバルト合金、テルビウム−鉄系合金(例えば、Tb−Co−Fe,Tb−Ni−Fe)、テルビウム−ニッケル系合金(例えば、Tb−Co−Ni)、ジスプロシウム−鉄合金、ガドリニウム−鉄合金、テルビウム−ジスプロシウム−鉄合金等を用いて磁歪材料層を形成することもできる。磁歪材料層に正の磁歪定数を有する磁歪材料を用いる場合、磁歪素片の撓み方向を一定とするために、磁歪材料層が磁気コアの外側、即ち、ミラー形成面側に配置されるように基体上に形成される。
【0033】
上記実施例では、磁気コアに用いる軟質磁性体部及び硬質磁性体部を、保磁力の異なるフェライトを用いて作製したが、鉄−ボロン−シリコン非晶質合金、サマリウム−コバルト系硬質磁性体等を用いて作製してもよい。また、上記実施例では、光ファイバ54に光ファイバ52から直接光が入射する場合を示したが、光ファイバ54の位置を変更して光スイッチをコンパクトにするために、適宜反射部材を介在させて光ファイバ54に光を入射させてもよい。光ファイバ56についても同様にして位置を変更し、適宜反射部材を介在させて、光ファイバ56に光を入射させてもよい。
【0034】
【発明の効果】
本発明の光スイッチは、印加磁界をゼロにしたときの素片の撓み量の微小な差に関係なく、光入射部から照射された光を第1または第2光出射部に正確に導くことができるので、光損失を生じることなく、1×2チャンネルの光スイッチの切り替えを行うことができる。
【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構成図である。
【図2】実施例1における磁歪素片の概略構成図である。
【図3】実施例1における光スイッチに用いる磁気コアの概略図である。
【図4】実施例1における光スイッチに切り替えの様子を説明するための図である。
【図5】実施例1の光スイッチの磁歪素片に形成したミラー表面の角度変位とコイルに流した電流との関係を示したグラフである。
【図6】本発明の実施例2における光スイッチの概略構成図である。
【図7】実施例2の光スイッチにおける自己保持機能を説明するための図である。
【図8】従来の磁歪素片を利用した光スイッチにおける課題を説明するための図である。
【符号の説明】
1 基体
3 磁歪材料層
5,5’ ミラー
10,50 磁歪素片
12,52 入射用レンズ付き光ファイバ
14,16,54,56 出射用レンズ付き光ファイバ
13,53 コイル
15,55 支持体
18,58 ギャップ
51 軟質磁性体部
55 第1硬質磁性体部
57 第2硬質磁性体部
100,500 磁気コア
200,600 光スイッチ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical switch using a piece having a magnetostrictive film formed on a substrate.
[0002]
[Prior art]
In an optical communication system, an optical switch is required to switch an optical communication line. As one of the optical switch systems, for example, an optical switch of a system in which a reflection mirror is arranged on an optical path and the angle of change of the reflection mirror is changed to change the light reflection direction is known. In such an optical switch, as a method of changing the angle of the reflection mirror, for example, an electrostatic method, a piezoelectric method, a magnetic force method, and the like are known.
[0003]
2. Description of the Related Art An optical switch using an attractive force of a magnet and an electromagnet is known as a conventional magnetic force type optical switch (for example, see Patent Document 1). This optical switch is configured such that a mirror on which a magnetic body is mounted is mounted on a substrate via a support that can move three-dimensionally, and an electromagnet is provided near the mirror. In such an optical switch, an electromagnet is operated to generate a magnetic field from the electromagnet, a magnetic substance attached to the mirror is attracted to the electromagnet by magnetic interaction, and the laser incident on the mirror is switched in a predetermined direction. .
[0004]
Further, as an optical switch of a magnetic force system different from this, an optical switch using a piece (magnetostrictive element) in which a film made of a magnetostrictive material is formed on a substrate having bending elasticity and flexibility is known. (For example, see Non-Patent Document 1). In this optical switch, light from an incident optical fiber is reflected by a mirror formed on the surface of the magnetostrictive element. When no magnetic field is applied to the magnetostrictive element, light is incident on the mirror at a predetermined angle, and light reflected on the mirror surface is guided to the first output optical fiber. In contrast, when a magnetic field is applied to the magnetostrictive element, the magnetostrictive element bends. Accordingly, light is incident on the mirror surface at an incident angle different from that when no magnetic field is applied, and light reflected on the mirror surface is reflected by the second output optical fiber located at a different position from the first output optical fiber. To the exit optical fiber. As described above, by switching the value of the applied magnetic field and controlling the amount of bending of the magnetostrictive element, light can be switched.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-162520 (
[Non-patent document 1]
S. Moon, S.M. H. Lim et al., "Optical Switch Driven by Giant Magnetostrictive Thin Film Systems, Part of the Digital System, D.E., Optical Switch Driven by Giant Magnetostrictive Thin Films." Paris, France) (March to April 1999) (pp. 854-862)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in an optical switch using the attractive force of a magnet and an electromagnet, it is necessary to attach a magnetic body to the mirror and attach the mirror to the substrate via a deformable support, so that the number of parts increases. There has been a problem that the structure is complicated and the manufacturing process is also complicated.
[0007]
In an optical switch using a magnetostrictive element, if the applied magnetic field is reduced to zero after applying a magnetic field to the magnetostrictive element, the residual magnetization due to the influence of magnetic hysteresis disappears after a certain period of time. When the magnetostrictive film has a magnetic hysteresis, as shown in FIG. 8A, after a magnetic field is applied from the demagnetized state to saturate the magnetization, and even when the magnetic field is again reduced to zero, the original demagnetized state is strictly restored. It does not return and becomes a residual magnetization state. In this state, when the magnetic field applied to the magnetostrictive film is repeatedly turned ON / OFF, the state reciprocates between the saturated magnetization state and the residual magnetization state, and these states are repeatedly reproduced in a short time. Thereby, the magnetostrictive film also expands and contracts according to the change in these states. On the other hand, when the magnetostrictive film is left for several hours without applying a magnetic field in the residual magnetization state, the magnetostrictive film gradually changes from the residual magnetization state to the demagnetized state (arrow AR8 in FIG. 8A). The magnetostrictive state also returns to the original state when no magnetic field is applied. As a result, although slightly, the amount of deflection (deflection angle) of the magnetostrictive element changes, the optical path of the light reflected on the mirror surface is slightly shifted, and a loss occurs when the light enters the output optical fiber. .
[0008]
Another cause of the change in the magnetization state of the magnetostrictive film in the demagnetized state is that, as shown in FIG. 8B, there is a case where the bending of the magnetostrictive film remains even when the applied magnetic field is zero. . For example, the direction of each magnetization in the magnetostrictive film may be in a random direction as shown in the lower left diagram of FIG. 8B, or may be reversed in a predetermined direction as shown in the lower right diagram of FIG. 8B. It may be aligned in the direction. When the magnetization direction is random as shown in the lower left part of FIG. 8B, the magnetostrictive film does not expand or contract because the magnetization as a whole is canceled. On the other hand, when the directions (vectors) of adjacent magnetizations are opposite to each other as shown in the lower right diagram of FIG. 8B, the directions of the adjacent magnetizations are opposite but along a certain direction. Since they are arranged vertically, they expand or contract in that direction in accordance with the sign of the magnetostriction constant of the magnetostrictive film. As described above, even when the applied magnetic field is set to zero, the magnetization is distributed so that the direction of the magnetization of the magnetostrictive film is oriented along the predetermined direction, so that the magnetostrictive film is in a stretched state. That is, even when the applied magnetic field is zero, the bending of the magnetostrictive element may remain. As described above, the residual bending of the magnetostrictive element affects the optical path of the reflected light.
[0009]
The magnetic hysteresis in the magnetostrictive film can be reduced to a negligible level by improving the soft magnetic characteristics of the magnetostrictive film.However, when a magnetostrictive material having a large magnetostriction constant is selected as the magnetostrictive film, Magnetic hysteresis tends to increase. Therefore, in an optical switch using a magnetostrictive film having magnetic hysteresis, it is important to suppress or eliminate optical loss.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical switch that switches the optical path by using a change in the amount of bending of a magnetostrictive element, thereby preventing the occurrence of optical loss based on magnetic hysteresis and achieving stable operation. It is to provide a switch.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to an aspect of the present invention, a light incident portion for entering light into the optical switch;
A first light emitting unit and a second light emitting unit that selectively emit light from the light incident unit from the optical switch;
A substrate comprising a base, a thin film formed of a magnetostrictive material on one side of the base, and a mirror;
Magnetic field applying means for applying a magnetic field to the element;
When a magnetic field is applied to the element, light from the light incident portion is guided to the second light emitting portion via the mirror, and when no magnetic field is applied, light from the light incident portion is emitted. Is guided to the first light emitting unit.
[0012]
In the optical switch of the present invention, the element is hardly or not bent at all while no magnetic field is applied to the element. At this time, the light from the light incident part is irradiated toward the first light emitting part without being blocked by the element. On the other hand, when a magnetic field is applied to the element, the magnetostrictive thin film constituting the element expands or contracts, thereby causing a shear stress between the element and the substrate constituting the element, and the element is placed on the substrate side or the magnetostrictive thin film. Flex to either side. At this time, the light is blocked by the element, the mirror provided on the element is displaced in the optical path of the light from the light incident part, and the mirror reflects the light and guides it to the second light emitting part. In the optical switch of the present invention, since the light from the light incident portion does not irradiate the mirror when the applied magnetic field is set to zero as described above, the light is transmitted to the first light emitting portion regardless of the bending amount of the element. Always guided. Thus, switching of the 1 × 2 channel optical switch can be performed without causing optical loss.
[0013]
In the optical switch according to the aspect of the invention, it is preferable that the reflection surface of the mirror be substantially parallel to one surface of the base. Preferably, a thin film is formed only on a part of one surface of the base, and the mirror is arranged in a region on one surface of the base where the thin film is not formed. As a result, the element portion in the region where the mirror is arranged does not bend, and therefore, the reflection surface of the mirror can be kept horizontal.
[0014]
In the optical switch of the present invention, it is preferable that the magnetization of the thin film is a saturation magnetization when a magnetic field is applied. Further, it is preferable that the magnetic field applied using the magnetic field applying means is a magnetic field larger than the saturation magnetic field of the thin film. Thus, the amount of deflection of the element when a magnetic field is applied becomes maximum and constant. Further, it is preferable that at least one of the light incident portion and the light emitting portion is an optical fiber with a lens.
[0015]
In the optical switch according to the aspect of the invention, it is preferable that the magnetic field applying unit includes a core partially including a hard magnetic material, a coil provided around the core, and a power supply. Further, the hard magnetic material may be made of a hard magnetic material having a different coercive force. Thus, even when the application of the magnetic field is stopped immediately after the application of the magnetic field to the core by using the magnetic field applying means, the magnetic field continues to be generated in the core, so that the bent state of the element piece is maintained as it is.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
[0017]
A first embodiment of the optical switch according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1A and 1B are schematic diagrams of an
[0018]
[Method of manufacturing magnetostrictive element]
Next, a method for manufacturing a magnetostrictive element used for the optical switch of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the
[0019]
[Manufacturing method of optical switch]
Next, an optical switch manufactured using the
[0020]
As shown in FIG. 1A, a coil 13 made of an enameled wire having a diameter of 0.3 mm is provided on the bottom portion (100b) of the
[0021]
Next, the arrangement of the optical fiber 12 with a lens for incidence and the
[0022]
[Driving method of optical switch]
Next, a driving method of the
[0023]
Here, the amount of deflection of the
[0024]
Next, a specific method of switching an optical switch in the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1A and FIG. 4A, in the state where no current flows through the coil 13, that is, when no magnetic field is applied to the
[0025]
In the optical switch according to the present embodiment, when the magnetostrictive element is returned to the original state in which the magnetostrictive element does not bend, a sufficient space is provided between the magnetostrictive elements so that the optical path of light emitted from the optical fiber for incidence is not interrupted. Elements are arranged. As a result, even if the bending state of the magnetostrictive element changes slightly due to the influence of the residual magnetic field or the random change in the magnetization state after the applied magnetic field is reduced to zero as described above, the incident optical fiber is Does not affect the emitted light. Therefore, there is no loss of light incident on the output optical fiber. In addition, when a magnetic field that causes saturation magnetization is applied, the bending change of the magnetostrictive element is constant, and light reflected on the mirror surface of the magnetostrictive element is always reflected in a predetermined direction. Therefore, no light is lost in this case.
[0026]
Further, as shown in FIG. 2, the
[0027]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows an
[0028]
Next, the magnetic characteristics of the
[0029]
On the other hand, a current of 150 mA flows in the opposite direction to the above, and the magnetic field H 2 '= −90 [Oe] (that is, H 2 '= -H 1 '). Magnetic field H 2 Since 'is larger than the coercive force of the first hard
[0030]
Using this
[0031]
In this embodiment, the first hard magnetic body portion and the second hard magnetic body portion are fixed using an adhesive, but the first hard magnetic body portion is mounted on the second hard magnetic body portion using an adhesive. Instead, the soft
[0032]
In the above embodiment, the magnetostrictive material layer is formed using a samarium-iron amorphous alloy having a negative magnetostriction constant. However, an erbium-iron alloy, a thulium-iron alloy, a samarium-iron-cobalt alloy, and a samarium-erbium- It may be formed using an iron alloy, a samarium-thulium-iron alloy, or the like. Further, a terbium-iron alloy, a holmium-iron alloy, a terbium-nickel alloy, a terbium-cobalt alloy, a terbium-iron alloy (for example, Tb-Co-Fe, Tb-Ni-Fe) having a positive magnetostriction constant, terbium -The magnetostrictive material layer can also be formed using a nickel-based alloy (for example, Tb-Co-Ni), a dysprosium-iron alloy, a gadolinium-iron alloy, a terbium-dysprosium-iron alloy, or the like. When a magnetostrictive material having a positive magnetostriction constant is used for the magnetostrictive material layer, the magnetostrictive material layer is arranged outside the magnetic core, that is, on the mirror forming surface side, in order to keep the bending direction of the magnetostrictive element piece constant. Formed on a substrate.
[0033]
In the above embodiment, the soft magnetic material portion and the hard magnetic material portion used for the magnetic core were manufactured using ferrites having different coercive forces. However, an iron-boron-silicon amorphous alloy, a samarium-cobalt hard magnetic material, or the like was used. May be used. Further, in the above-described embodiment, the case where light is directly incident on the
[0034]
【The invention's effect】
The optical switch of the present invention accurately guides the light emitted from the light incident portion to the first or second light emitting portion regardless of a small difference in the amount of deflection of the element when the applied magnetic field is set to zero. Therefore, the switching of the 1 × 2 channel optical switch can be performed without causing optical loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical switch according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a magnetostrictive element according to the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of a magnetic core used in the optical switch according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining a state of switching to an optical switch according to the first embodiment.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angular displacement of the mirror surface formed on the magnetostrictive element of the optical switch of Example 1 and the current flowing through the coil.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an optical switch according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a self-holding function in the optical switch according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining a problem in an optical switch using a conventional magnetostrictive element.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
3 Magnetostrictive material layer
5,5 'mirror
10,50 magnetostrictive element
12,52 Optical fiber with incident lens
14, 16, 54, 56 Optical fiber with exit lens
13,53 coils
15,55 support
18,58 gap
51 Soft magnetic body
55 1st hard magnetic part
57 2nd hard magnetic part
100,500 magnetic core
200,600 Optical switch
Claims (8)
該光入射部からの光を光スイッチから選択的に出射する第1光出射部及び第2光出射部と;
基体、該基体の一面上に磁歪材料で形成された薄膜及びミラーを備える素片と;
該素片に磁界を印加する磁界印加手段と;を備え、
上記素片に磁界が印加されたときに、上記光入射部からの光が上記ミラーを介して第2光出射部に導かれ、磁界が印加されていないときに、上記光入射部からの光が第1光出射部に導かれることを特徴とする光スイッチ。A light incident part for entering light into the optical switch;
A first light emitting unit and a second light emitting unit that selectively emit light from the light incident unit from the optical switch;
A substrate comprising a base, a thin film formed of a magnetostrictive material on one side of the base, and a mirror;
Magnetic field applying means for applying a magnetic field to the element;
When a magnetic field is applied to the element, light from the light incident portion is guided to the second light emitting portion via the mirror. When no magnetic field is applied, light from the light incident portion is emitted. Is guided to the first light emitting unit.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2003123219A JP2004325982A (en) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | Optical switch |
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JP2004325982A true JP2004325982A (en) | 2004-11-18 |
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JP2003123219A Withdrawn JP2004325982A (en) | 2003-04-28 | 2003-04-28 | Optical switch |
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2003
- 2003-04-28 JP JP2003123219A patent/JP2004325982A/en not_active Withdrawn
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Legal Events
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