JP2006058682A

JP2006058682A - 光反射素子およびこれを用いた光学装置

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Publication number: JP2006058682A
Application number: JP2004241415A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Fujimura; 直之藤村; Tomoya Kimura; 友哉木村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】モータや直動機構を用いることなくミラーの回転角度を調整する光反射素子およびこれを用いた光学装置を提供する。
【解決手段】反射部と、反射部の中心線上に配置され、前記反射部を回転可能に保持するねじりばねと、前記ねじりばねの両端を保持する第１の基板と、前記第１の基板の前記反射部に対応する位置にギャップを備え、前記ねじりばねを中心に配置された前記反射部の両側の位置にそれぞれ電極を備える第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板を一体に接合して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力光の反射角度を可変可能な光反射素子およびこれを用いた光学装置に関するものである。

一般に、波長可変装置などでは、光ファイバからの入射光をレンズを介して平行光に変換して回折格子に入射し、その回折光をミラー等反射手段で反射して再び光ファイバに接続する構成が用いられている。回折格子は、光の回折を利用して、分光、波長選別、或いは光偏光等を行う光学部材であって、平面あるいは凹面の基板上に周期的な凹凸構造を持たせたものである。反射手段は回転可能に構成されていて、回折格子からの入射光に対する角度を調整することによって、波長の選択を行う。

引用文献１の図１には、モータ３による回転運動によりリードネジが回転して、アームにベアリングを介して連結されたナットが直線運動を行い、このナットの直線運動によって、アームが図示の矢印（Ｃ）方向に角度が変化し、アームに固定されているミラーのグレーティングに対する角度を変化させて、波長を選択する波長可変機構の構成例が記載されている。

特開２００３−２９１６７号公報

特許文献１に記載の波長可変機構では、本体とアームとの間の第１の関節以外に、モータの駆動軸とアームとの間の第２の関節及び本体とモータとの間の第３の関節の３個の関節を有して各構成要素間を連結しているので、機構の強度を従来のものに比較して高くすることができる。

しかし、ミラーの回転をモータと直動機構により行なっているため、小型化する事が困難である。また、モータによりミラーの角度を制御しているため、精度を上げるためには直動機構のバックラッシュに対する補正が必要であり、また、機構が大きいため、温度変化による波長確度も低下するという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、モータや直動機構を用いることなくミラーの回転角度を調整する光反射素子およびこれを用いた光学装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、請求項1に記載の発明は、反射部と、反射部の中心線上に配置され、前記反射部を回転可能に保持するねじりばねと、前記ねじりばねの両端を保持する第１の基板と、前記第１の基板の前記反射部に対応する位置にギャップを備え、前記ねじりばねを中心に配置された前記反射部の両側の位置にそれぞれ電極を備える第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板を一体に接合して構成することを特徴とする。

請求項２の発明は、反射部と、反射部の中心線上に配置され、前記反射部を回転可能に保持するねじりばねと、前記ねじりばねの両端を保持するシリコン基板と、前記シリコン基板の前記反射部に対応する位置にギャップを備え、前記ねじりばねを中心に配置された前記反射部の両側の位置にそれぞれ電極を備えるガラス基板とを備え、前記シリコン基板と前記ガラス基板を陽極接合により一体に接合して構成することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の光反射素子において、前記反射部は表裏両面にＡｕ−Ｃｒをコーティングすることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３記載の光反射素子において、前記反射部と前記ねじりばねはシリコン単結晶で一体に形成することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４記載の光反射素子において、前記ねじりばねは、前記反射部の一辺の長さより長く形成することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至４記載の光反射素子において、前記反射部は、四角形に形成する事を特徴とすることを特徴とする。

請求項７の発明は、入射光を回折し反射する回折格子と、前記回折格子からの光を入射する前記光反射素子と、前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、前記光反射素子からの戻り光を入射するサーキュレータを備え、前記制御装置により前記電極に印加する電圧を制御して前記反射部の角度を調整し、反射部からの反射光を回折格子を介して前記サーキュレータの出力側光ファイバから取り出すことを特徴とする。

請求項８の発明はレーザダイオードの出射光を回折し反射する回折格子と、前記回折格子からの光を入射する前記光反射素子と、前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、
前記光反射素子からの戻り光を入射するアイソレータを備え、前記制御装置により前記電極に印加する電圧を制御して前記反射部の角度を調整し、反射部からの反射光を回折格子を介して前記アイソレータから取り出すことを特徴とする。

請求項９の発明は、外部光源からの光を入射する前記光反射素子と、前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、前記光反射素子からの反射光を入射する第１の光ファイバを備え、前記光を前記光反射素子に入射し、前記制御装置にて電極に電圧を印加し、前記反射部を回転して第１の光ファイバに入射する光量を可変することを特徴とする。

請求項１０の発明は、外部光源からの光を入射する前記光反射素子と、前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、前記光反射素子からの反射光を入射する第２の光ファイバと、前記光反射素子からの反射光を入射する第３の光ファイバと備え、前記光を前記光反射素子に入射し、前記制御装置にて電極に電圧を印加し、前記反射部を回転して第２の光ファイバと第３の光ファイバに入射する光を切り替えることを特徴とする。

この発明によれば、モータ及び著駆動機構を用いないので、装置全体を小型化することができ、機械的な振動、共振等が発生しにくい構成で、精度良く角度を決定することができる。

また、反射部とねじりばねを、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によりシリコン基板上に一体に構成しているので、反射部とねじりばねの組み立て等は不要であり、残留応力や動作時のヒステリシスがない上に機械的疲労がなく、素子としての安定性、信頼性が向上する。

さらに、反射部を含む構成をシリコン基板で一体に形成し、電極を含む構成をガラス基板で形成することにより、それぞれの加工が容易であり、また、シリコンとガラスは同程度の線膨張係数であるので、これらを陽極接合で一体化することにより、温度変化に対して強く、信頼性が向上する。

このミラー駆動機構を使用することにより、波長可変フィルタや波長可変光源、可変アッテネータ、光スイッチ等、光学装置自体を小型化することができる。

以下、本発明による光反射素子の構成を説明する。図１の（ア）は本発明による光反射素子（ＭＥＭＳミラー）１０の平面図であり、図１の（イ）は図１（ア）のＡ−Ａ断面図である。図１（ア）で、シリコン基板２には反射部３とねじりばね４が形成されている。反射部３とねじりばね４の詳細については後述する。

ガラス基板１には、ねじりばね４を中心に、反射部３の両側に電極５が形成されている。電極５は、図１（イ）に示すように、ガラス基板１に設けられたギャップ１Ａ上に形成されている。ギャップ１Ａは、ミラーの回転に必要なスペースを確保するためのものである。ギャップ１Ａは、例えば微細砥流を使用したブラスト工法で形成する。ブラスト加工は、通常の半導体製造時のケミカルな工法ではないため、対環境性に優れ、加工レートも高い。

反射部３には、表面にスパッタリングによりＡｕ／Ｃｒがコーディングされている。これにより、反射部の表面反射率はＳｉ素地の約３０％から98％に向上する。反射部の一方の面にのみＡｕ／Ｃｒをコーティングすると、Ａｕの収縮応力により表面に反りが生じる。この応力を打ち消すため、反射部の裏面にもＡｕ／Ｃｒをコーティングする。

シリコン単結晶にしたのは、機械的疲労がないためである。例えば、ねじりばねが仮に金属の場合、何度も回転させていると、金属疲労により折れるなどの破壊が起こってしまう。しかし、シリコン単結晶の場合、何度回転させても疲労することはなく、半永久的に破壊することがない。

ガラス基板１とシリコン基板２は同程度の線膨張係数の材料であり、例えば陽極接合法により一体化し接合する。陽極接合法は、接着剤やはんだを用いない直接接合法の中では、最も低温かつ少ない変形量で精密にガラスと金属とを接合することができるものであり、逆電圧印加によって、ガラスと金属とを変形・破壊させることなく分離することができる。さらに分離されたガラスを再接合することも可能な技術である。

ガラス基板１に電極５を形成し、シリコン基板に反射部等を形成した後に、これらを一体にするのは、反射部３と電極５を一つの材料で作ることができないためである。すなわち、回転可能な反射部をガラスのみで形成することはできない。一方、電極５をシリコン基板上に備えることは可能だが、この場合、シリコン基板同士の接合は接着により行うこととなり、動作時に接着剤の残留応力でヒステリシスが出てしまう問題がある。したがって、ガラス基板とシリコン基板を陽極接合するのが一番機構的に安定しており、工数もかからない手段である。

次に、反射部３とねじりばね４について図２を参照して説明する。図２は反射部３とねじりばね４の形成状態部分拡大説明図であり、（ア）は形成前の状態図、（イ）は形成後の状態図である。図２（イ）で、反射部３は、剛性を高めるため四角形状としており、反射部３とねじりばね４はウエットエッチング・ドライエッチングといった通常の半導体加工プロセスにより加工され、形成される。

なお、図１で反射部３とねじりばね４はシリコン基板２に段部２Ａを介して形成されているが、
これは、シリコン基板としてSOI（Silicon on Insulator）基板を利用した場合に、数μｍ〜数１０μｍの厚さの反射部をSOI基板の活性層部分に形成するために、不要な厚さ部分を除去した結果形成されるものである。

ギャップ１Ａは、ミラーの回転角度が大きくなり、ミラー端と電極間の距離が２／３以下になると、静電引力によりミラーが自然に電極側に吸い寄せられるＰｕｌｌ−Ｉｎの発生を避けるだけの深さを有している。例えば、反射部の幅＝600μｍのミラーが＋−５度回転する場合のミラー端の変位は、
３００＊ｔａｎ（５度）＝２６.２μｍである。
したがって、Ｐｕｌｌ−Ｉｎの発生を避けるため、ギャップ１Ａの深さは少なくとも79μｍ必要となる。

以上のように構成された光反射素子は、電極に電圧を与えることにより、反射部３と電極５の間に静電引力が働き、ねじりばね４が捩れ、反射部３が回転する。電圧は、図示を省略した制御回路から与えられ、電圧を可変制御することにより、反射部の回転角度を調節する。

次に、この光反射素子１０を用いた波長可変フィルタの構成を図３に示す。図３で、波長可変フィルタは、本発明によるＭＥＭＳミラー１０と、入力側光ファイバ１１Ａおよび出力側光ファイバ１１Ｂを備えるサーキュレータ１１と、光ファイバ１２と、レンズ１３と、回折格子１４と、制御回路１５を備える。

制御部１５は、反射部３の回転角度を制御する電圧を電極に与える制御のほかに、反射部の角度を一定に保つための制御および、温度変化による電圧等の誤差補正等（温度制御）を行う回路である。

サーキュレータ３は入力側光ファイバ１１Ａおよび出力側光ファイバ１１Ｂと光ファイバ１２との間に接続され、レンズ１３に対向して配置される。入力側光ファイバ１１Ａからの入力光は、サーキュレータ１１をとおり、光ファイバ１２の端面から出射し、レンズ１３により平行光に変換され、回折格子１４に入力される。

回折格子１４に入射して波長選択された回折光は、ＭＥＭＳミラー１０の反射部３に対し垂直に入射し、全反射した後、回折格子１４に戻る。ＭＥＭＳミラー１０の反射部３から回折格子１４への戻り光は、レンズ１３によりファイバ１２の端面に集光され、サーキュレータ１１をとおり、出力側光ファイバ１１Ｂから出力される。

図３の構成において、制御回路１５で可変制御した電圧を電極５に与えることにより、反射部３と電極５の間に静電引力が働き、図示を省略したねじりばねが捩れ、矢印方向に反射部３が回転する。反射部３を回転させて入射光に対する角度を調節することによって、任意の波長が選択可能になる。また、反射部３によって、回折格子１４からの光を反射させて再度回折格子１４に戻しているので、光が回折格子１４を２回通過することになり、波長選択性をより高めることが可能になる。

次に、この光反射素子１０を用いた波長可変光源の構成を図４に示す。図４で、光源２５の端面から出射した光はレンズ２６により平行光にされ、回折格子１４に入射する。回折格子１４に入射して波長選択された回折光は、ＭＥＭＳミラー１０内の反射部３に垂直に入射して全反射し、回折格子１４に戻る。即ち、２回の回折格子１４による波長選択により、波長選択性が高められる。

制御回路１５で可変制御した電圧を電極５に与えることにより、反射部３と電極５の間に静電引力が働き、図示を省略したねじりばねが捩れ、矢印方向に反射部３が回転する。反射部３を回転させて入射光に対する角度を調節することによって、波長掃引が可能となる。

こうして波長選択された光は、レンズ２６により集光されて、光源２５に帰還する。すなわち、光源２５の端面と回折格子１４とにより外部共振器が構成されて、レーザ発振するようになっている。光源２５の端面からの出射光は、レンズ２４により平行光に変換され、アイソレータ２３を通過して、レンズ２２により集光された後、光ファイバ２１から出力光として取り出される。

次に、この光反射素子１０を用いた可変減衰器の構成を図５に示す。図５で、光ファイバ３１の端面から出射した光は、レンズ３２により集光されて、ＭＥＭＳミラー１０内の反射部３に入射して全反射した後、レンズ３３により集光されて、光ファイバ３４から出力光として取りだされる。

制御回路１５で可変制御した電圧を電極５に与えることにより、反射部３と電極５の間に静電引力が働き、図示を省略したねじりばねが捩れ、矢印方向に反射部３が回転する。反射部３を回転させて入射光に対する角度を調節することによって、光ファイバ３４が入射する光のパワーが調整される。

次に、この光反射素子１０を用いた光スイッチの構成を図６に示す。図６で、光ファイバ４１の端面から出射した光はレンズ４２により集光されて、ＭＥＭＳミラー１０内の反射部３に入射して全反射した後、レンズ４３Ａにより集光され、出力ファイバ４４Ａから出力光として取り出される。

制御回路１５で可変制御した電圧を電極５に与えることにより、反射部３と電極５の間に静電引力が働き、図示を省略したねじりばねが捩れ、矢印方向に反射部３が回転する。反射部３の回転により、レンズ４３Ａに集光されていた光をレンズ４３Ｂに集光されるようにし、出力ファイバ４４Ｂへ入射するようにする。図６では出力ファイバ数は２つだが、ミラーの回転角により出力ファイバ数の増設が可能である。

なお、本発明の説明では、ミラー駆動機構の電極を備える基板がガラス基板の場合について説明したが、シリコン基板や金属基板としても良い。シリコン基板の場合、接合面のＳｉ表面を酸化させて、陽極接合をする。また、金属基板の場合は、接合面の金属表面にガラス薄膜をつける等の処理を施し、陽極接合を行う。

また、本発明では、光反射素子の反射部を含む構成を、シリコン単結晶により形成した場合について説明したが、機械的疲労がない物質であれば、シリコン単結晶に限らず、反射部を含む基板材料に用いることができる

また、本発明の説明では電極が２つの場合について説明したが、４つ、６つ等偶数の電極をねじりばねを中心としたミラーの両側に配置し、制御回路で制御することにより、ミラーの角度調整をさらに微調整するようにしてもよい。また、実施例では説明では電極が２つの場合について説明したが、４つ、６つ等偶数の電極をねじりばねを中心としたミラーの両側に配置し、制御回路で制御することにより、ミラーの角度調整をさらに微調整するようにしてもよい。

本発明の光反射素子は、実施例で説明したもの以外にも、光の反射方向を可変、制御して出力する装置に応用することができる。
＜構成と動作＞

本発明の光反射素子の実施例の構成図である。反射部３とねじりばね４の形成状態部分拡大説明図である。本発明の光反射素子を適用した波長可変フィルタの構成図である。本発明の光反射素子を適用した波長可変光源の構成図である。本発明の光反射素子を適用した可変減衰器の構成図である。本発明の光反射素子を適用した光スイッチの構成図である。従来技術による波長可変機構の構成図である。

符号の説明

１ガラス基板
１Ａギャップ
２シリコン基板
２Ａ段部
３反射部
３ＡＡｕ−Ｃｒ
４ねじりばね
５電極
１０光反射素子（ＭＥＭＳミラー）

Claims

反射部と、
反射部の中心線上に配置され、前記反射部を回転可能に保持するねじりばねと、
前記ねじりばねの両端を保持する第１の基板と、
前記第１の基板の前記反射部に対応する位置にギャップを備え、前記ねじりばねを中心に配置された前記反射部の両側の位置にそれぞれ電極を備える第２の基板とを備え、
前記第１の基板と前記第２の基板を一体に接合して構成することを特徴とする光反射素子。
反射部と、
反射部の中心線上に配置され、前記反射部を回転可能に保持するねじりばねと、
前記ねじりばねの両端を保持するシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記反射部に対応する位置にギャップを備え、前記ねじりばねを中心に配置された前記反射部の両側の位置にそれぞれ電極を備えるガラス基板とを備え、
前記シリコン基板と前記ガラス基板を陽極接合により一体に接合して構成することを特徴とする光反射素子。
前記反射部は表裏両面にＡｕ−Ｃｒをコーティングすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光反射素子。
前記反射部と前記ねじりばねはシリコン単結晶で一体に形成することを特徴とする請求項１乃至３記載の光反射素子。
前記ねじりばねは、前記反射部の一辺の長さより長く形成することを特徴とする請求項１乃至４記載の光反射素子。
前記反射部は、四角形に形成する事を特徴とする請求項１乃至４記載の光反射素子。
入射光を回折し反射する回折格子と、
前記回折格子からの光を入射する前記光反射素子と、
前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、
前記光反射素子からの戻り光を入射するサーキュレータを備え、
前記制御装置により前記電極に印加する電圧を制御して前記反射部の角度を調整し、反射部からの反射光を回折格子を介して前記サーキュレータの出力側光ファイバから取り出すことを特徴とする光学装置。
レーザダイオードの出射光を回折し反射する回折格子と、
前記回折格子からの光を入射する前記光反射素子と、
前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、
前記光反射素子からの戻り光を入射するアイソレータを備え、
前記制御装置により前記電極に印加する電圧を制御して前記反射部の角度を調整し、反射部からの反射光を回折格子を介して前記アイソレータから取り出すことを特徴とする光学装置。
外部光源からの光を入射する前記光反射素子と、
前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、
前記光反射素子からの反射光を入射する第１の光ファイバを備え、
前記光を前記光反射素子に入射し、前記制御装置にて電極に電圧を印加し、前記反射部を回転して第１の光ファイバに入射する光量を可変することを特徴とする光学装置。
外部光源からの光を入射する前記光反射素子と、
前記光反射素子の電極に印加する電圧を制御する制御装置と、
前記光反射素子からの反射光を入射する第２の光ファイバと、
前記光反射素子からの反射光を入射する第３の光ファイバと備え、
前記光を前記光反射素子に入射し、前記制御装置にて電極に電圧を印加し、前記反射部を回転して第２の光ファイバと第３の光ファイバに入射する光を切り替えることを特徴とする光学装置。