JP2004354458A

JP2004354458A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004354458A
Application number: JP2003148985A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Noge; 宏野毛; Hiroshi Harada; 宏原田; Naomasa Oka; 直正岡; Hiroshi Fukushima; 博司福島; Atsushi Ogiwara; 淳荻原; Koji Tsuji; 幸司辻; Kiyohiko Kono; 清彦河野; Hirotaka Jomi; 弘高上ミ
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】挿入損失及びクロストークの低減が可能な光スイッチを提供する。
【解決手段】少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチであって、反射体を交差部に挿入した状態において、反射体が光ビームの中心を基準として反射体面上での光ビームの径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有する。また、反射体を交差部から引き出した状態において、反射体が光ビームの中心を基準として光ビームの径の２倍の楕円の部分と重ならない。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光スイッチに係り、少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、１対の対向する光ファイバ同士を交差させ、その交点に反射体を出し入れすることで光路を切り替える方式の光スイッチであって、反射体の高さが７０〜８０μｍ、反射体の移動距離が４０〜７０μｍである光スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、特許文献１では、請求項３２において反射体の高さ（深さ）を７０〜８０オングストロームとする誤記があると思われる。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００３−５０６７５５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の光スイッチでは、光ファイバを伝播する光ビームの径が大きい時、例えば、反射体面上での光ビームの形状が短径１８μｍ、長径２５μｍの楕円である時、光スイッチの挿入損失が０．１ｄＢ以上、クロストークが−３０ｄＢ以上と大きくなる問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、挿入損失及びクロストークの低減が可能な光スイッチ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、本発明の第１の特徴は、少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチにおいて、反射体を交差部に挿入した状態において、反射体が光ビームの中心を基準として反射体面上での光ビームの径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有することを要旨する。
【０００７】
本発明の第２の特徴は、少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチにおいて、反射体を交差部から引き出した状態において、反射体が光ビームの中心を基準として光ビームの径の２倍の楕円の部分と重ならないことを要旨とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【０００９】
＜光スイッチの全体構成＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る光スイッチの全体の構成を説明する。本発明の実施の形態に係る光スイッチは、シリコン又はその複合基板から成る基板９と、少なくとも１対の対向する光ファイバ１０、１１と、光ファイバ１０、１１の交差部１７に出し入れ可能な反射体１５と、反射体１５を光ファイバ１０、１１の交差部１７に挿入し或いは引き出す駆動機構１３とを有する。
【００１０】
光ファイバ１０、１１、反射体１５及び駆動機構１３は、基板９の上に配置されている。基板９として、単結晶シリコンから成る基板、絶縁層上に単結晶シリコン層（活性層）が形成されたシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板などを用いることができる。なお、実施の形態では、光導波路の一例として光ファイバについて説明するが、光を伝達する物質を有する光導波路であれば、これに限られることはない。また、１対の光ファイバが１つの交差部１７において互いに交差している場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、２対以上の光ファイバが２以上の交差部において交差していても適用可能である。
【００１１】
１対の対向する光ファイバ１０、１１は互いに交差している。交差部１７を境にして、光ファイバ１０は光路１０ａと光路１０ｂとに分割され、光ファイバ１１は、光路１１ａと１１ｂとに分割されている。反射体１５は、光ファイバ１０、１１の交差部１７或いはその近辺に配置される。駆動機構１３は、反射体１５に接続され、反射体１５を光ファイバ１０、１１の交差部１７に挿入し或いは引き出す機能を有する。
【００１２】
駆動機構１３は、電圧を印加することにより駆動力が生じる静電コムアクチュエータ（以下、「静電コム」という）３１と、静電コム３１に接続された板バネ３３と、板バネ３３に接続された支持体３５とを有する。板バネ３３は、反射体１５を交差部１７に挿入した状態或いは引き出した状態の何れかに保持する。支持体３５の先端には反射体１５が接続されている。
【００１３】
光ビームは光ファイバ１０、１１の光路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ内を伝播することができる。反射体１５を交差部１７に挿入することで、光ビームは反射体１５によって反射され、交差部１７において光路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂが変更される。例えば、光路１０ａを交差部１７に向けて伝播する光ビームは、反射体１５により反射され、光路１１ｂを伝播する。また、光路１１ａを交差部１７に向けて伝播する光ビームは、反射体１５により反射され、光路１０ｂを伝播する。一方、反射体１５を交差部１７から引き出すことで、光ビームは交差部１７を直進して通過し、光路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂは変更されない。即ち、光路１０ａを伝播する光ビームは、交差部１７をそのまま通過して光路１０ｂを伝播し、光路１１ａを伝播する光ビームは、交差部１７をそのまま通過して光路１１ｂを伝播する。
【００１４】
このように、図１に示す光スイッチは、１対の対向する光ファイバ１０、１１同士を交差させ、光ファイバ１０、１１の交差部１７に反射体１５を出し入れすることで光ビームの光路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂを切り替える方式の光スイッチである。
【００１５】
なお、本発明の実施の形態では、光ファイバ１０、１１の外径を１２５μｍとし、光ファイバ１０、１１対の交差角θを６０度とする。反射体１５は光ファイバ１０、１１の交差角θの２本対象分割線のうち狭い方の線上に移動させる。反射体１５が挿入された状態において、狭い光ファイバ１０、１１の先端に取り付けられたレンズによって、反射体１５面上の光ビームの短径が１８μｍになるように設計する。即ち、交差部１７において光ビームの径は１８μｍに調整される。
【００１６】
なお、光ビームは通常光ファイバ１０、１１の先端から放射された時には、その中心軸に対して対称的なほぼガウス分布の電界強度を持つ。しかしながら、光スイッチにおいて、光ビームは反射体１５表面に垂直に照射されるではなく、通常、光ビームの中心軸と反射体１５表面の法線のなす角度（θ）が１５度から７５度の範囲で照射される。図１では、光ビームは反射体１５表面に６０度の角度で照射される例を示す。
【００１７】
また、光ビームの径は、電界強度が光ビームの中心軸上の強度の１／ｅになる点をもとに定義される。光ビームは反射体１５表面に斜めに照射される為、反射体１５面上における光ビームの形状は円ではなく、短径と長径で定義される楕円である。したがって、光ビームの成す楕円の長径は短径の１／ｃｏｓθ倍となる。反射体１５面上の光ビームの短径が１８μｍである場合、即ち、交差部１７における光ビームの径が１８μｍに調整されている場合、反射体１５表面での光ビームの成す楕円の長径は、短径（１８μｍ）の１／ｃｏｓ６０°倍、即ち３６μｍと成る。
【００１８】
＜駆動機構＞
図１に示した反射体１５が交差部１７に挿入された状態の駆動機構１３を図２を参照して説明する。静電コム３１は、互いに噛み合う１対の櫛状電極（コム）を有する。板バネ３３は、一定の間隔をおいて配置された複数の板状体を有し、一方の主表面が静電コム３１に接続され、他方の主表面が支持体３５に接続されている。支持体３５は反射体１５の横ブレを防止するための格子構造をその一部に有する。反射体１５が図１の交差部１７に挿入された状態において、静電コム３１はその先端部分のみが交差し、深く噛み合っていない。なおここでは、板バネ３３として、初期曲がり形状を有する板バネを採用している。勿論、板バネ３３の替わりに、初期形状として各板状体が平行に配置された初期フラット形状の板バネを採用しても構わない。
【００１９】
図３は、反射体１５が図１の交差部１７から引き出された状態の駆動機構１３を示す。静電コム３１に一定の電圧を印加することで、１対のコムが深く噛み合う方向に駆動力が生じる。この駆動力によって板バネ３３の板状体が変形して、支持体３５に接続された反射体１５が引き出される。電圧印加を停止すると、図２に示した状態に戻る。実施の形態においては、３５Ｖの電圧を１対のコムの間に印加することにより、図２に示した挿入状態及び図３に示した引出し状態との間の反射体１５の変位量を７５μｍとすることができる。また、コム同士が短絡しないようにコムの横ブレを防止する。反射体１５が図１の交差部１７から引き出された状態において、板バネ３３はフラット形状を有する。これにより変位方向と垂直方向に対するバネ剛性を確保して横ブレを抑制することができる。
【００２０】
＜交差部における反射体及び光ビーム＞
次に、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して、図１に示した光スイッチの交差部１７における光ビーム２１と反射体１５について説明する。図４（ａ）は反射体１５を交差部１７に挿入した状態の図１のＡ−Ａ切断面に沿った断面図であり、図４（ｂ）は反射体１５を交差部１７から引き出した状態の図１のＡ−Ａ切断面に沿った断面図である。
【００２１】
図４（ａ）に示すように、反射体１５を図１の交差部１７に挿入した状態において、反射体１５面上に光ビーム２１が照射される。反射体１５面上での光ビーム２１は、挿入方向に長径Ｒ_Ｌを成し、反射体１５の高さ（Ｈ）方向に短径Ｒ_Ｓを成す楕円形状を有する。光ビーム２１の中心２３は、長径Ｒ_Ｌと短径Ｒ_Ｓとの交点によって定義される。反射体１５を図１の交差部１７に挿入した状態において、反射体１５は、光ビーム１２の中心２３を基準として反射体１５面上での光ビーム２１の径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有する。即ち、反射体１５は、光ビーム２１の中心２３を基準にして短径方向に短径Ｒ_Ｓの２倍の短径と、光ビーム２１の中心２３を基準にして長径方向に長径Ｒ_Ｌの２倍の長径とにより定義される楕円領域２５と同等或いは楕円領域２５よりも広い領域に配置される。換言すれば、反射体１５は、光ビーム２１の中心２３を基準にして短径方向に楕円の短径Ｒ_Ｓの２倍以上の高さＨを有し、光ビーム２１の中心２３を基準にして長径方向に楕円の長径Ｒ_Ｌの２倍以上の長さを有する。
【００２２】
具体的には、交差部１７付近での光ビーム２１の直径（短径Ｒ_Ｓ）を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、反射体１５の高さＨを８０μｍ乃至１１５μｍとすることが望ましい。また、交差部１７付近の光ビーム２１の直径（短径Ｒ_Ｓ）を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、反射体１５を交差部に挿入した状態において、反射体１５の先端部２７の位置を光ビーム２１の中心２３から３５μｍ乃至４５μｍの範囲（突出距離Ｌａ）まで突出させることが望ましい。更に望ましくは、突出距離Ｌａを３７．５μｍとすることである。
【００２３】
なお、図１の光ファイバ１０、１１は、反射体１５の下端より２μｍ低い位置にある平面上に固定されている。この時、反射体１５が挿入された時の反射体１５面上における光ビーム２１の２倍の径をもつ楕円（楕円領域）２３の上端位置は、反射体１５の高さＨより、７．５μｍ低い位置にくる。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、反射体１５を交差部１７から引き出した状態において、反射体１５面上に光ビーム２１は照射されない。更に、反射体１５を交差部１７から引き出した状態において、反射体１５は、光ビーム２１の中心２３を基準として光ビーム２１の径の２倍の楕円の部分（楕円領域）２５と重ならない。また、交差部１７付近の光ビーム２１の直径（短径Ｒ_Ｓ）を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、反射体１５を引き出す時の移動距離Ｌｂを７０μｍ乃至９０μｍとすることが望ましい。即ち、図４（ａ）の引き出した状態と図４（ｂ）の挿入した状態との間での反射体１５の移動距離Ｌｂは、７０μｍ乃至９０μｍとすることが望ましい。更に望ましくは、移動距離Ｌｂは７５μｍである。
【００２５】
＜静電コム及び板バネ＞
図５（ａ）に示すように、図３の静電コム３１は、１対の櫛状電極（コム）３１ａ、３１ｂを有する。コム３１ａ、３１ｂの幅はそれぞれ２．０μｍであり、対向するコムの間隔は４．５μｍである。また、図５（ｂ）に示すように、図３の板バネ３３の板状体の幅は、２．３μｍである。このような静電コム３１及び板バネ３３の寸法により、反射体１５を引き出す時の移動距離Ｌｂ：７５μｍを実現することができる。
【００２６】
＜光スイッチの作用効果＞
以上の構成によって実現される光スイッチでは、反射体１５が交差部１７に挿入された状態において、反射体１５が光ビーム２１の中心を基準として反射体１５面上での光ビーム径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有することで、光ファイバ１０、１１から反射体１５で反射されて他の光ファイバ１０、１１に入る光路において挿入損失を０．１ｄＢ未満にすることができ、光ファイバ１０、１１から反射体１５を乗り越えて対向する光ファイバ１０、１１に入る光路においてクロストークを−３０ｄＢ未満にすることができる。
【００２７】
また、反射体１５が交差部１７から引き出された状態において、反射体１５が光ビーム２１の中心を基準として光ビーム径の２倍の楕円の部分と重ならないことで、光ファイバ１０、１１から反射体１５で反射されて他の光ファイバ１０、１１に入る光路においてクロストークを−３０ｄＢ未満にすることができ、光ファイバ１０、１１から反射体１５を避けて対向する光ファイバ１０、１１に入る光路において挿入損失を０．１ｄＢ未満にすることができる。
【００２８】
＜反射体の製造方法＞
次に、図６（ａ）乃至図６（ｅ）を参照して反射体１５の製造方法を説明する。
【００２９】
（イ）先ず、図６（ａ）に示すように、下地シリコン基板９１の上に厚さ２μｍの埋め込み酸化膜９２を介して厚さ９０μｍの活性層９３が形成された基板（ＳＯＩ基板）９を用意する。
【００３０】
（ロ）次に、図６（ｂ）に示すように、熱酸化法（パイロジェニック酸化）を用いて活性層９３の上にＳｉＯ_２膜（熱酸化膜）４１を成膜する。ＳｉＯ_２膜の厚さは１．２μｍである。そして、スピン塗布法及びフォトリソグラフィ法を用いて、ＳｉＯ_２膜４１の上にフォトレジストパターンを作成する。フォトレジストパターンをマスクとして、ドライエッチング法を用いてＳｉＯ_２膜４１を選択的に除去する。その結果、ＳｉＯ_２膜４１は、ミラー部４１ａ及び衝立部４１ｂを有するミラーエッチングマスクパターンとなる。衝立部４１ｂは、ミラー部４１ａの両側に配置されている。衝突立部４１ｂをミラー部４１ａの両側に形成することにより、次に示す活性層９３のエッチング処理において、反射体パターンの側面の垂直性を維持することが可能となる。
【００３１】
（ハ）次に、フォトレジストパターンを除去した後、ミラーエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして、深い反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）法を用いて活性層９３を選択的に除去する。実施の形態では、ＤＲＩＥ法の一例として、ＢＯＳＣＨＤＲＩＥプロセスを使用する。ＢＯＳＣＨＤＲＩＥプロセスは、ステップ１及びステップ２に示す処理条件を交互に繰り返し実施する。ステップ１（デポサイクル）として、Ｃ_４Ｆ_８を１８０ｓｃｃｍ、ガス圧力を１７．２９Ｐａ、コイルパワーを８００Ｗ、そして処理時間を６秒に設定する。ステップ２（エッチングサイクル）として、ＳＦ_６を２５０ｓｃｃｍ、酸素（Ｏ_２）を２５ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ_８を４０ｓｃｃｍ、ガス圧力を３９．９Ｐａ、コイルパワーを２６００Ｗ、プラテンパワーを２５Ｗ、そして処理時間を１２秒に設定する。この結果、図６（ｃ）に示すように、反射体パターン９３ａ及び反射体パターン９３ａの両側に配置された衝立パターン９３ｂが形成される。衝立パターン９３ｂは、反射体パターン９３ａとの間の溝の垂直性を維持するために形成されるものである。
【００３２】
（ニ）次に、弗化水素酸溶液を用いたウェットエッチングを行い、ＳｉＯ_２膜４１及び埋め込み酸化膜（犠牲層）９２の一部を除去する。弗化水素酸溶液は、反射体パターン９３ａの下部の埋め込み酸化膜９２を除去する前に衝立パターン９３ｂの下部の埋め込み酸化膜９２を先に除去する。ウェットエッチングは、衝立パターン９３ｂの下部の埋め込み酸化膜９２を除去した時点で終了する。その結果、図６（ｄ）に示すように、衝立パターン９３ｂは基板９１から離散して消失してしまうが、反射体パターン９３ａは埋め込み酸化膜９２によって下地シリコン基板９１に固定されたままである。
【００３３】
（ホ）最後に、スパッタ法を用いて、基板９表面にクロム（Ｃｒ）膜を厚さ２０ｎｍで形成し、続けて、金（Ａｕ）膜を厚さ４００ｎｍで形成する。図６（ｅ）に示すように、Ｃｒ／Ａｕ膜４３が形成される。反射体パターン９３ａの側面（ミラー面）における金の厚さは０．１５μｍである。以上の手順を経て、反射体パターン９３ａ及びＣｒ／Ａｕ膜４３からなる、高さ９０μｍの反射体１５が完成する。
【００３４】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、挿入損失及びクロストークの低減が可能な光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光スイッチを示す平面図である。
【図２】図１に示した反射体が交差部に挿入された状態の駆動機構を示す平面図である。
【図３】図１に示した反射体が交差部から引き出された状態の駆動機構を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図１に示した光スイッチの交差部における反射体と光ビームのＡ−Ａ切断面に沿った断面図であり、図４（ａ）は反射体を交差部に挿入した状態を示し、図４（ｂ）は反射体を交差部から引き出した状態を示す。
【図５】図５（ａ）は、図３の静電コムを示す斜視図である。図５（ｂ）は、図３の板バネを示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）乃至図６（ｅ）は、反射体の製造工程における主要な工程断面図である。
【符号の説明】
９基板
１０、１１光導波路としての光ファイバ
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ光路
１３駆動機構
１５反射体
１７交差部
２１光ビーム
２３光ビームの中心
２５楕円領域
２７反射体の先端部
３１静電コム（静電コムアクチュエータ）
３３板バネ
３５支持体
４１ＳｉＯ_２膜
４１ａミラー部
４１ｂ衝立部
４３Ｃｒ／Ａｕ膜
Ｒ_Ｌ光ビームの長径
Ｒ_Ｓ光ビームの短径
Ｈ反射体の高さ
Ｌａ突出距離
Ｌｂ移動距離
９１下地シリコン基板
９２埋め込み酸化膜
９３活性層
９３ａ反射体パターン
９３ｂ衝立パターン

Claims

少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、前記光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチにおいて、
前記反射体を前記交差部に挿入した状態において、前記反射体が前記光ビームの中心を基準として前記反射体面上での前記光ビームの径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有することを特徴とする光スイッチ。
少なくとも１対の対向する光導波路同士を交差させ、前記光導波路の交差部に反射体を出し入れすることで光ビームの光路を切り替える方式の光スイッチにおいて、
前記反射体を前記交差部から引き出した状態において、前記反射体が前記光ビームの中心を基準として前記光ビームの径の２倍の楕円の部分と重ならないことを特徴とする光スイッチ。
前記反射体を前記交差部に挿入した状態において、前記反射体が前記光ビームの中心を基準として前記反射体面上での前記光ビームの径の２倍の楕円よりも大きなサイズを有することを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
前記光導波路の外径を１２５μｍとし、前記交差部付近の前記光ビームの径を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、前記反射体の高さを８０μｍ乃至１１５μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の光スイッチ。
前記光導波路の外径を１２５μｍとし、前記交差部付近の前記光ビームの径を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、前記反射体を前記交差部に挿入した状態において、前記反射体の先端の位置を前記光ビームの中心から３５μｍ乃至４５μｍの範囲まで突出させたことを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の光スイッチ。
前記光導波路の外径を１２５μｍとし、前記交差部付近の前記光ビームの径を１５μｍ乃至２５μｍとしたとき、前記反射体を引き出す時の移動距離を７０μｍ乃至９０μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の光スイッチ。