JP2006343555A - Light switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ミラーを用いた光スイッチに係り、ミラー角度の再現性が良く、制御が簡単な光スイッチに関する。 The present invention relates to an optical switch using a mirror, and more particularly to an optical switch with good mirror angle reproducibility and easy control.
近年のインターネットの普及に伴い、光通信網の高速化・大容量化はめざましく進んでいる。光伝送容量を増加させる方法として、波長分割多重(WDM;Wavelength Division Multiplexing)通信方式の導入が活発に行われた。それに伴い、波長依存性の少ない光スイッチが要求され、光信号を電気信号に変換することなく光信号のままスイッチングを行う光アドドロップ(OADM;Optical Add/Drop Multiplexing)や光クロスコネクト(OXC;Optical Cross Connect)への期待が高まった。 With the spread of the Internet in recent years, the speed and capacity of optical communication networks have been remarkably advanced. As a method for increasing the optical transmission capacity, a wavelength division multiplexing (WDM) communication system has been actively introduced. Accordingly, an optical switch with less wavelength dependence is required, and optical add / drop multiplexing (OADM) or optical cross-connect (OXC) that switches an optical signal as it is without converting the optical signal into an electrical signal. Expectations for Optical Cross Connect have increased.
これらの基本要素を集積化して一括加工できるMEMS(Micro Electro Mechanical System)方式が注目されている。MEMS技術を用いると、半導体の集積回路の加工技術をもとにした立体的な微細加工により、小型システムを集積化できる。MEMS型光スイッチの光学特性は、導波路型光スイッチに比べて消光比が高く、波長依存性がないといった特徴がある。また、小型高密度化、大規模化、非閉塞型化、ミラー角度を自己保持する低電力型化についても期待されている。 A MEMS (Micro Electro Mechanical System) system in which these basic elements can be integrated and collectively processed has attracted attention. When the MEMS technology is used, a small system can be integrated by three-dimensional microfabrication based on a semiconductor integrated circuit processing technology. The optical characteristics of the MEMS optical switch are characterized by a high extinction ratio and no wavelength dependence compared to the waveguide optical switch. In addition, there are expectations for downsizing, high-density, large-scale, non-blocking type, and low-power type that can self-hold the mirror angle.
これらを意図した非閉塞型マトリクス光スイッチが特許文献1、特許文献2に記載されている。
Non-blocking matrix optical switches intended for these are described in
図5に示されるように、背景技術の光スイッチは、MEMS技術を用いて4個の可動ミラー501を形成したミラーベース502を基板503上に2つ立てたものである。それぞれのミラーベース502は、基板503に対して垂直であり、互いに対して平行である。光ファイバ504を接続した4心の光ファイバアレイ505に信号光を空間に平行光として飛ばすためのマイクロレンズ506を装着して形成した光入出力ポート507を基板503上に2つ配置してある。これら光入出力ポート507は、2つのミラーベース502を挟んで対面する。各可動ミラー501に磁場をかけるために2つのミラーベース502を挟む2つの永久磁石508を適宜な角度で配置してある。
As shown in FIG. 5, the optical switch of the background art is one in which two
一方の光入出力ポート507から入射した信号光は、その入射側のミラーベース502内の可動ミラー501で反射して出射側のミラーベース502内のいずれかの可動ミラー501で反射して他方の光入出力ポート507から出射される。その際、可動ミラー501の角度を調整することで、信号光が出射される光ファイバ504を切り換えることができる。光路509の一例を点線で示してある。
The signal light incident from one light input /
図6に示されるように、個々の可動ミラー501は、X軸及びY軸について回動できるようジンバル構造で支持されている。可動ミラー501が形成されているY軸回動部601は、そのY軸回動部601の周囲に離れて設けたX軸回動部602からY軸に位置する2本のポリイミド製のトーションバー603を介して支持されている。可動ミラー501となる鏡面はAuの薄膜で形成されている。その可動ミラー501を囲むようにY軸回動部601にはCuめっき製の微細コイル604が形成されている。可動ミラー501を無電力状態で所定のY軸回り角度に保持するためのラッチ機構605がX軸回動部602に設けられている。
As shown in FIG. 6, each movable mirror 501 is supported by a gimbal structure so that it can rotate about the X axis and the Y axis. The Y-axis rotation unit 601 on which the movable mirror 501 is formed has two polyimide torsion bars located on the Y-axis from the X-axis rotation unit 602 provided away from the periphery of the Y-axis rotation unit 601. 603 is supported. The mirror surface that becomes the movable mirror 501 is formed of a thin film of Au. A
X軸回動部602は、そのX軸回動部602の周囲に離れて設けたミラーベース502からX軸に位置する2本のポリイミド製のトーションバー606を介して支持されている。X軸回動部602の外周部にはCuめっき製の微細コイル607が形成されている。可動ミラー501を無電力状態で所定のX軸回り角度に保持するためのラッチ機構608がミラーベース502に設けられている。
The X-axis rotation unit 602 is supported by two polyimide torsion bars 606 located on the X-axis from a
図7により動作を説明する。2つの永久磁石508間に形成された磁場B中において、微細コイル604,607(本図ではY軸回動部601,X軸回動部602全面をコイルとしている)に電流iを流すと、それぞれの微細コイル604,607にローレンツ力Fが生じる。
The operation will be described with reference to FIG. In the magnetic field B formed between the two
F=B×i
このローレンツ力FによりY軸回動部601及びX軸回動部602が回動する。そのときにトーションバー603,606にはねじりの反力が発生するので、ローレンツ力Fと反力との釣り合いでY軸回動部601及びX軸回動部602の回動角が決まる。よって、各々の微細コイル604,607に流す電流iを変化させれば可動ミラー501の角度を任意の角度に制御することができる。
F = B × i
By this Lorentz force F, the Y-axis rotation unit 601 and the X-axis rotation unit 602 rotate. At that time, a torsional reaction force is generated in the
背景技術では可動ミラーがトーションバーで支持され、トーションバーにはねじりの反力が生じた。しかし、トーションバーには塑性変形も生じるため、可動ミラーの角度に再現性を求めることは困難である。 In the background art, the movable mirror is supported by a torsion bar, and a torsional reaction force is generated in the torsion bar. However, since a plastic deformation also occurs in the torsion bar, it is difficult to obtain reproducibility for the angle of the movable mirror.
また、可動ミラーの角度を正確に制御するためには、可動ミラーの角度を検知して、その検知した角度情報を電流iにフィードバックしてずれ量を補正する必要がある。しかし、従来は、可動ミラーの角度検知に光を使用しており、この角度検知を含めた可動ミラー制御系が複雑になるという問題がある。 In addition, in order to accurately control the angle of the movable mirror, it is necessary to detect the angle of the movable mirror and feed back the detected angle information to the current i to correct the shift amount. However, conventionally, light is used for angle detection of the movable mirror, and there is a problem that the movable mirror control system including this angle detection becomes complicated.
このほかにも、MEMS技術で背景技術の光スイッチを製造する場合、トーションバーの反力に抗してX軸、Y軸の回動部を回動させるには、単位面積あるいは単位体積あたりのパワーが不足するという問題がある。 In addition to this, when manufacturing the optical switch of the background art by the MEMS technology, in order to rotate the X-axis and Y-axis rotating parts against the reaction force of the torsion bar, the unit area or unit volume is required. There is a problem of lack of power.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ミラー角度の再現性が良く、制御が簡単な光スイッチを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical switch that solves the above-described problems, has a good mirror angle reproducibility, and is easy to control.
上記目的を達成するために本発明は、入射した光を鏡面で反射して出射する光スイッチにおいて、上記鏡面を膜厚方向に変形可能な変形膜の表面に形成し、上記変形膜の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにしたものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides an optical switch that reflects incident light by a mirror surface and emits it, and the mirror surface is formed on the surface of a deformable film that can be deformed in the film thickness direction. The incident / exit angles of light differ according to the above.
上記変形膜の変形状態は、上記鏡面が凸になる凸状態と上記鏡面が凹になる凹状態の少なくとも2つの状態があってもよい。 The deformation state of the deformation film may include at least two states, a convex state where the mirror surface is convex and a concave state where the mirror surface is concave.
圧力容器に貫通穴を形成し、その貫通穴を上記変形膜で覆い、上記圧力容器内の圧力を変化させることで上記変形膜を変形させてもよい。 A through hole may be formed in the pressure vessel, the through hole may be covered with the deformation membrane, and the deformation membrane may be deformed by changing the pressure in the pressure vessel.
上記鏡面を第一の電極とし、この電極に対向する第二の電極を設け、これら第一、第二電極間の静電容量から上記変形膜の変形状態を検出するようにしてもよい。 The mirror surface may be a first electrode, a second electrode facing the electrode may be provided, and the deformation state of the deformation film may be detected from the capacitance between the first and second electrodes.
上記鏡面への入射光路は、上記変形膜が一方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の一点と、上記変形膜が反対方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の他点とを結ぶ線上にあってもよい。 The incident optical path to the mirror surface connects one point of the mirror surface when the deformation film is most deformed in one direction and the other point of the mirror surface when the deformation film is most deformed in the opposite direction. It may be on the line.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)トーションバーを用いる背景技術に比べてミラー角度の再現性が良い。 (1) The reproducibility of the mirror angle is better than the background technology using a torsion bar.
(2)ミラー角度を光学検知する背景技術に比べて制御が簡単である。 (2) Control is simpler than the background art in which the mirror angle is optically detected.
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示されるように、本発明に係る光スイッチは、入射した光を鏡面1で反射して出射するものである。この実施形態では鏡面1はドーム状に膨らんでおり、鏡面1の正面から見て円形である。図示のように、複数の鏡面1を縦横に並べてアレイ状に配置するとよい。本発明では、各鏡面1を駆動するアクチュエータが鏡面1を配置した面に現れないので、配置密度を高めることができる。例えば、鏡面1の直径は500μmである。入射した光(入射信号光)Liは、鏡面1の接線Aに対する入射角と出射角が等しくなるように反射して出射信号光Loとなる。なお、説明を簡単にするため、入射信号光Liが鏡面1の中心に入射し、接線Aが鏡面1の周の円の直径と平行になっているものとする。
As shown in FIG. 1, the optical switch according to the present invention reflects incident light by a
図2の各図は、鏡面を接線Aに沿った断面で示したものである。図2(a)に示されるように、本発明に係る光スイッチは、鏡面1を膜厚方向に変形可能な変形膜2の表面に形成し、この変形膜2の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにしたものである。鏡面1はAuの薄膜からなり、変形膜2はPoly−Siの薄膜からなる。鏡面1と変形膜2との間に密着層3としてCrの薄膜が設けられる。これら薄膜の3層構造により変形可能なミラー4が形成されている。この実施形態では、鏡面1は図1で説明したように正面から見て円形であり、図2(a)のように断面で見ると円弧状となる。つまり、ミラー4はドーム状に形成されている。ミラー4の周辺部は支持体5に固定されている。従って、ミラー4の変形は中心部に顕著に生じ、周辺部に近づくほど小さく生じるようになっている。
Each drawing in FIG. 2 shows a mirror surface in a cross section along a tangent line A. As shown in FIG. 2 (a), the optical switch according to the present invention has a
変形膜2の変形状態には、図2(a)のように鏡面1が凸になる凸状態、図2(c)のように鏡面1が凹になる凹状態、図2(b)のように鏡面1が平坦な状態などがある。ここでは、変形膜2が一方向に最も変形した状態である凸状態と、変形膜2が反対方向に最も変形した状態である凹状態との2状態を光路切替に使用する。図2(b)のような過渡的な状態よりも、凸状態や凹状態は安定に制御することが容易だからである。なお、図2では、変形膜2を変形駆動するアクチュエータを明らかにしていないが、適宜なアクチュエータを構成することにより、駆動力のかかっていない初期状態を凸状態とし、駆動力をかけて十分に変形させた状態を凹状態としてもよいし、逆に駆動力のかかっていない初期状態を凹状態とし、駆動力をかけて十分に変形させた状態を凸状態としてもよい。あるいは凸状態と凹状態とをともに初期状態とし、過渡状態のみ駆動力をかけるようにしてもよい。
The deformation state of the
さて、図2(a)に示されるように、凸状態において鏡面の一点である頂点26に入射信号光Liが入射するようにしてある。この入射信号光Liの光路は、不動であるものとする。このとき、入射信号光Liは、鏡面1の接線に対する入射角と出射角が等しくなるように反射して出射信号光Lo1となる。鏡面1の接線の傾斜がミラー角度ということができる。
Now, as shown in FIG. 2A, the incident signal light Li is incident on the vertex 26, which is one point on the mirror surface in the convex state. The optical path of the incident signal light Li is assumed to be stationary. At this time, the incident signal light Li is reflected so that the incident angle and the outgoing angle with respect to the tangent to the
次に、図2(c)に示されるように、変形膜2を凹状態に変形する。これによりミラー4は逆ドーム状になる。入射信号光Liの光路は不動であるから、凹状態における入射信号光Liは、頂点26(図2(a))がなくなったことにより、さらに直進し、ミラー4の周辺部に近い点27に入射する。この点27における鏡面1の接線の傾斜(ミラー角度)は頂点26における接線の傾斜と異なるので、入射信号光Liが接線に対する入射角と出射角が等しくなるように反射すると、その出射信号光Lo2は出射信号光Lo1とは異なる角度に進む。このようにして、光路が切り換えられる。
Next, as shown in FIG. 2C, the
以上のように、図2の形態では、ドーム状のミラー4を膜厚方向に変形させるので、トーションバーのような塑性変形を伴わない変形が実現される。塑性変形がないので、変形を繰り返しても同じ駆動力によって同じ大きさの変形が再現できる。従って、ミラー角度の再現性が得られる。
As described above, in the embodiment of FIG. 2, the dome-shaped
図3を用いてアクチュエータの説明をする。図3(a)に示されるように、圧力容器31に貫通穴32を形成し、その貫通穴32を図2で説明した変形膜2で覆う。圧力容器31は、流体通路33があるほかは密封されている。流体通路33には、図示しない加圧・減圧可能な圧力源、切り換えバルブなどが接続され、空気等の圧力流体が導入・排出可能になっている。圧力容器31自体は内圧によらず変形しない程度に剛性があることは言うまでもない。これに対し、変形膜2は適宜な可撓性あるいは弾性を有することにより変形可能である。したがって、圧力容器31内の圧力を変化させることで変形膜2を変形させることができる。
The actuator will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, a through
変形膜2の変形状態に注目すると、図3(a)は図2(a)で説明した凸状態に相当する。このとき変形膜2が駆動力のかかっていない初期状態とし、圧力容器31の内圧をP0とする。一方、図3(b)は図2(c)で説明した凹状態に相当する。このときも変形膜2が駆動力のかかっていない初期状態とし、圧力容器31の内圧をP1とする。P0>P1である。また、雰囲気圧力は大気圧とすると、P0>大気圧>P1である。
When attention is paid to the deformation state of the
さて、図3(a)に示されるように、圧力容器31の内圧がP0で変形膜2が凸状態であって駆動力のかかっていない初期状態のとき、流体通路33を介して内圧がP1になるよう減圧したとする。大気圧>P1であるから変形膜2は貫通穴32に押し込まれて図3(b)の凹状態に変化する。この後、減圧駆動を停止したとしても圧力容器31の内圧はP1に保たれるので、凹状態が維持される。
Now, as shown in FIG. 3A, when the internal pressure of the pressure vessel 31 is P0 and the
図3(b)に示されるように、圧力容器31の内圧がP1で変形膜2が凹状態であって駆動力のかかっていない初期状態のとき、流体通路33を介して内圧がP0になるように加圧したとする。P0>大気圧であるから変形膜2は貫通穴32の外に膨らみ図3(a)の凸状態に変化する。この後、加圧駆動を停止したとしても圧力容器31の内圧はP0に保たれるので、凸状態が維持される。
As shown in FIG. 3B, when the internal pressure of the pressure vessel 31 is P1 and the
このように、本発明では変形膜2の変形が膜厚方向であるため、変形膜2を変形させる力として流体圧を用いることができる。そして、そのアクチュエータは、鏡面1の裏側のみに配置することができる。これにより、光路が通っている空間には、アクチュエータ用の構造物や鏡面を支持する構造物がなくなり、光学系が簡素化される。
Thus, in the present invention, since the deformation of the
また、本発明の光スイッチはMEMS技術で製造することになるが、流体圧で変形膜2を変形させるようにしたので、単位面積あるいは単位体積あたりのパワー不足の問題も生じない。
Further, although the optical switch of the present invention is manufactured by the MEMS technology, since the
さらに、図示しなかったアクチュエータの駆動源(圧力源、切り換えバルブなど)はミラー4とは直接関わりのない場所に設けることができる。これにより光スイッチの構造が簡素化され、メンテナンスや故障時の対応が行いやすいという利点がある。
Furthermore, the actuator drive source (pressure source, switching valve, etc.) not shown in the figure can be provided in a place not directly related to the
次に、状態検出について図4を用いて説明する。図4(a)を見れば分かるように、この実施形態は、図3のアクチュエータを用いたものに適用してある。ここでは、金属でできている鏡面1を第一の電極41とし、この電極41に対向する第二の電極42を設けてある。つまり、第二の電極42は、圧力容器31の底面に設けてある。図4(a)が凸状態、図4(b)が凹状態に相当することは説明するまでもない。一般に電極間の静電容量Cは、電極間媒体の誘電率ε、電極間隔d、電極面積Sの関数であり、電極が平行平板のとき、
C=εS/d
となる。第一の電極41と第二電極42との間に生じる静電容量も上式にほぼ準じる。第一の電極41と第二電極42との電極間隔がd0からd1に変化すると、それに伴い静電容量も変化する。よって、静電容量から変形膜2の変形状態を検出することができる。
Next, state detection will be described with reference to FIG. As can be seen from FIG. 4A, this embodiment is applied to the one using the actuator of FIG. Here, the
C = εS / d
It becomes. The electrostatic capacitance generated between the
検出した静電容量を印加する流体圧にフィードバックすることにより、所望した変形量を正確に制御することができる。この制御は、背景技術の光学的角度検知に基づく制御よりも簡単である。なお、静電容量によるフィードバック制御を実施するに際して、静電容量、変形膜の変形量、流体圧(圧力容器内圧)、ミラー角度の相関関係をあらかじめ計測しておき、そのデータに基づいて制御量を校正しておくとよい。 The desired amount of deformation can be accurately controlled by feeding back the detected capacitance to the fluid pressure to which it is applied. This control is simpler than the control based on the optical angle detection of the background art. When performing feedback control using electrostatic capacity, the correlation between the electrostatic capacity, the deformation amount of the deformation film, the fluid pressure (pressure vessel internal pressure), and the mirror angle is measured in advance, and the control amount is determined based on the data. Should be calibrated.
1 鏡面
2 変形膜
31 圧力容器
32 貫通穴
41 第一電極
42 第二電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
The incident optical path to the mirror surface connects one point of the mirror surface when the deformation film is most deformed in one direction and the other point of the mirror surface when the deformation film is most deformed in the opposite direction. The optical switch according to claim 1, wherein the optical switch is on a line.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005169367A JP2006343555A (en) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | Light switch |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005169367A JP2006343555A (en) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | Light switch |
Publications (1)
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ID=37640566
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2005169367A Pending JP2006343555A (en) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | Light switch |
Country Status (1)
Country | Link |
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2005
- 2005-06-09 JP JP2005169367A patent/JP2006343555A/en active Pending
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