JP2007065035A - 光アッテネータ - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで高精度に減衰できるようにする。
【解決手段】 入出射光軸を一致させた状態の光ファイバＦ１、Ｆ２の先端の間に遮光板３０を進退させて光ファイバ間の光伝達量を可変する光アッテネータであって、遮光板駆動用のアクチュエータ３１を、基板２１の穴２２内に配置され、両光ファイバの先端間方向に延びた一端側に遮光板３０が一体的に形成された回動板３２と、その回動板３２の中間部と基板２１の内縁間を連結して回動自在に支持する軸３３、３４と、回動板３２の他端側に回動力を与えて遮光板３０を両光ファイバの先端間に進退させる駆動手段とにより構成している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光アッテネータにおいて、低コストで高精度に減衰できるようにするための技術に関する。

各種光学機器では、出射光や入射光をパワーを調整するために光アッテネータが使用されているが、近年では、半導体基板に対するエッチング処理により可動部を小型に構成した所謂ＭＥＭＳ構造のものが実現されている。

図１１は、ＭＥＭＳ構造のミラーを用いた従来の光アッテネータ１０の構成を示すものであり、平行に配置された２本の光ファイバＦ１、Ｆ２の入出射光軸Ｌ１、Ｌ２をレンズ１１により一点Ｏで交差するようにし、その交点ＯにＭＥＭＳ構造のミラー１２を配置し、ミラー１２の角度を可変することで、光ファイバＦ１、Ｆ２の間の光伝達量を変化させる。なお、この構造の光アッテネータ１０は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００４−７００５４号公報

しかしながら、上記した従来の光アッテネータ１０では、光ファイバＦ１、Ｆ２の光軸Ｌ１、Ｌ２が、レンズ１１を介してミラー１２の反射面で一点で交わるように各部を配置する必要があり、レンズ１１として極めて高い精度が要求され、コスト高になるという問題があった。

また、ミラー１２自身による損失が定常的に含まれるために、例えば高いＳ／Ｎが要求される測定等に使用することができないという問題もあった。

本発明は、上記問題を解決し、低コストで高いＳ／Ｎが要求される測定等にも使用できる光アッテネータを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光アッテネータは、
内側に穴（２２）が形成された枠状の基板（２１）と、
前記基板の一面側で前記穴を挟んで互いの一端側が対向するように支持され、それぞれの一端側の入出射光軸が一致する第１光ファイバ（Ｆ１）および第２ファイバ（Ｆ２）と、
光を遮断する遮光板（３０）と、
前記穴内で前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に前記遮光板を進退させ、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの間の光伝達量を変化させるアクチュエータ（３１）とを有する光アッテネータであって、
前記アクチュエータは、
前記基板の穴内に配置され、前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に向かって延びた一端側に前記遮光板が一体的に形成された回動板（３２）と、
長手方向に捩れ変形自在で前記基板の内縁から前記回動板の中間部外縁まで延びて、前記回動板を回動自在に支持する一対の軸（３３、３４）と、
前記回動板の他端側に該回動板を回動させる方向の力を与えて、前記一端側の遮光板を前記前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に進退させる駆動手段（２７、３２ｃ、４０）とを有していることを特徴としている。

また、本発明の請求項２の光アッテネータは、請求項１記載の光アッテネータにおいて、
前記遮光板は、前記第１光ファイバおよび第２光ファイバの入出射光軸に非直交の面で光を遮光することを特徴としている。

また、本発明の請求項３の光アッテネータは、請求項１または請求項２記載の光アッテネータにおいて、
前記基板、アクチュエータおよび遮光板は、絶縁層（１００ａ）を導電層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ３層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理によって一体的に形成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の光アッテネータは、請求項３記載の光アッテネータにおいて、
前記各光ファイバの一端側は、前記ＳＯＩ基板に対するエッチング処理で一方の導電層を除去することで形成されたガイド溝（２３、２４）に支持されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項５の光アッテネータは、請求項３または請求項４記載の光アッテネータにおいて、
前記駆動手段は、前記回動板の他端側の一方の導電層と、前記回動板の他端側近傍の前記基板の内縁の他方の導電層との間に印加した電圧によって生じる吸引力で、前記回動板を回動させることを特徴としている。

また、本発明の請求項６の光アッテネータは、請求項５記載の光アッテネータにおいて、
前記駆動手段は、前記回動板の他端側で一方の導電層により櫛歯状に形成された複数の突起（３２ｃ）と、前記基板の内縁で他方の導電層により櫛歯状に形成され、前記回動板の他端側の複数の突起の間にそれぞれ隙間を持って入り込むように形成された複数の突起（２７）とを有していることを特徴としている。

このように、本発明の光アッテネータでは、入出射光軸を一致させた状態の第１、第２光ファイバの先端の間に遮光板を進退させて光ファイバ間の光伝達量を可変する光アッテネータであって、遮光板駆動用のアクチュエータを、基板の穴内に配置され、両光ファイバの先端間方向に延びた一端側に遮光板が一体的に形成された回動板と、その回動板の中間部と基板の内縁間を連結して回動自在に支持する軸と、回動板の他端側に回動力を与えて遮光板を両光ファイバの先端間に進退させる駆動手段とにより構成している。

このように、遮光板の位置で両光ファイバ間の光伝達量を可変する構造であるので、高精度のレンズを必要とせず、低コストに製造できる。

また、前記した従来装置のようなミラーによる定常損失は存在せず、ほぼ減衰量ゼロの状態から完全遮光状態（オフ状態）まで光ファイバ間の減衰量を可変することができ、高いＳ／Ｎが要求される測定等にも使用することができる。

また、回動板の一端側に要求される回動ストロークは、両光ファイバのビーム幅とほぼ等しくて済み、しかも、他端側の駆動ストロークは軸から一端までの距離に対して軸から他端側までの距離を小さくすることで、さらに小さくできるので、少ない駆動力で前記した広い範囲の減衰量を得ることができる。

また、回動板の一端側に遮蔽板を形成し、他端側を駆動する構造であるので、軸の両端のモーメントをバランスさせておくことで、振動などの外部の力による回動を防止でき、安定な動作が可能となる。

また、基板、遮蔽板およびアクチュエータは、絶縁層を導電層で挟んだ３層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理によって一体的に形成されているので、製造が容易でさらに低コスト化できる。

また、両光ファイバの一端側は、ＳＯＩ基板に対するエッチング処理で一方の導電層を除去することで形成されたガイド溝に支持されているので、その溝の底の高さ位置が絶縁層の表面位置で規定される。このため、ガイド溝に支持される両光ファイバの基板厚さ方向の位置のバラツキがなく、光ファイバの光軸ずれが少なく光軸合わせが容易である。

さらに、回動板の他端側で一方の導電層により形成された櫛歯状の突起と、基板の内縁で他方の導電層により形成された櫛歯状の突起との間に電圧を印加して回動板を回動させるので、低い電圧で大きな力を回動板に与えることができ、駆動電源が簡単になる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図４は、本発明を適用した光アッテネータ２０の構成を示している。

図１、図２に示しているように、この光アッテネータ２０は、後述の光ファイバＦ１、Ｆ２を除いて、例えばＳｉＯ_２の絶縁層１００ａを、高い導電性を有するシリコン（Ｓｉ）の導電層１００ｂ、１００ｃで挟んだ３層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理により、枠状の基板２１、遮蔽板３０およびアクチュエータ３１が一体的に形成されている。なお、遮蔽板３０の遮蔽機能（非透過性能）を向上させるために、少なくとも遮蔽板３０の表面にクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）を蒸着する方法も有効である。

基板２１は外形がほぼ正方形で、上板２１ａ、下板２１ｂ、左板２１ｃおよび右板２１ｄにより矩形枠状に形成され、中央に横長の長方形の穴２２が同心に形成されている。

基板２１の上板２１ａ、下板２１ｂの上層側（導電層１００ｂ側）には、２本の光ファイバＦ１、Ｆ２をそれぞれ受け入れて、その一端側を、基板表面に沿って穴２２の右部まで導くガイド溝２３、２４が穴２２を挟んで一直線上に並ぶように形成されている。

ガイド溝２３、２４は、図４に示しているように、光ファイバＦ１、Ｆ２の径より僅かに広い幅と、導電層１００ｂの層厚に等しい深さを有する矩形溝であり、導電層１００ｂの厚さは、例えば光ファイバＦ１、Ｆ２のコア径より大きく外径とほぼ等しくなるように設定されている。したがって、光ファイバＦ１、Ｆ２の先端側の外周は基板２１の絶縁層１００ａの表面に接し、各入出射光軸はガイド溝２３、２４の深さのほぼ１／２の位置を通過することになる。

したがって、ガイド溝２３、２４にガイドされた光ファイバＦ１、Ｆ２の先端側の入出射光軸は一致している。

光ファイバＦ１、Ｆ２の先端間には、後述する遮蔽板３０が進退自在に配置されている。

一方、穴２２の左側には、光ファイバＦ１、Ｆ２の先端間に遮蔽板３０を進退させ、光ファイバＦ１、Ｆ２の間の光伝達量を可変させるアクチュエータ３１が形成されている。

アクチュエータ３１は、穴２２の左部側に配置され、外形が横向きＴ字型の回動板３２と、回動板３２の横板部３２ａの中間部上縁から基板２１の上板２１ａの内縁まで直交するように延び長手方向に捩れ変形自在な軸３３と、軸３３と一直線上に並び、回動板３２の横板部３２ａの中間部下縁から基板２１の下板２１ｂの内縁まで延び長手方向に捩れ変形自在な軸３４とを有しており、この１対の軸３３、３４によって回動板３２を穴２２の内側で回動自在に支持している。

回動板３２の横板部３２ａの右端側は光ファイバＦ１、Ｆ２の先端間方向に延びており、遮蔽板３０は、その遮蔽面３０ａ、３０ｂが回動板３２の厚さ方向に平行となる向き（軸３３、３４と直交する向き）で、横板部３２ａの右端中央から光ファイバＦ１、Ｆ２の入出射光軸と交差する位置まで延びている。遮蔽板３０の幅（導電層１００ｂの厚さ）は光ファイバＦ１、Ｆ２のビーム幅より広く設定されている。

また、回動板３２の横板部３２ａの左端側で横板部３２ａと直交する縦板部３２ｂの左縁には、櫛歯状に複数の突起３２ｃが所定間隔で形成されている。

また、基板２１の左板２１ｃの内縁下層部（導電層１００ｃ）には、回動板３２の各突起３２ｃと同一間隔で、各突起３２ｃを隙間のある状態で受け入れる櫛歯状の複数の突起２７が形成されている。

回動板３２側の各突起３２ｃと基板２１側の各突起２７は、所謂櫛歯電極を形成し、後述する駆動回路４０とともに、回動板３２に回動力を与えるための駆動手段を構成している。

即ち、図３に示しているように、上記した突起３２ｃを含む回動板３２、軸３３、３４は、基板２１の上層部とともに導電層１００ｂで形成され、基板２１の下層部に形成された突起２７は導電層１００ｃで形成されており、両導電層１００ｂ、１００ｃは、絶縁層１００ａによって絶縁されている。

したがって、図５の（ａ）に示しているように、基板２１の上面側（導電層１００ｂ）と下面側（導電層１００ｃ）との間に直流電圧を印加できる駆動回路４０を設け、その印直流電圧Ｖを０にした場合には、突起２７、３２ｃ間に吸引力が発生せず、回動板３２は基板２１と平行な状態で静止していて、図６の（ａ）に示すように、右端側の遮蔽板３０の中心が光ファイバＦ１、Ｆ２の光軸と交わる位置に進入した状態となる。このため、例えば光ファイバＦ１から出射された光Ｐ１が全て遮蔽板３０で遮られて光ファイバＦ２に伝達されない状態（減衰量最大）となる。

また、図５の（ｂ）に示しているように、駆動回路４０から０より高い所定の直流電圧Ｖ１を印加すれば、突起２７、３２ａ間に静電的な吸引力が生じ、回動板３２は軸３３、３４を中心にしてその左部が下層側に近づく方向に回動することになり、右端側の遮蔽板３０が、基板２１の上層部から突出する方向に所定距離移動して、例えば図６の（ｂ）のように、遮蔽板３０のエッジが光ファイバＦ１、Ｆ２の光軸と交わる位置で停止した状態となる。

このため、例えば光ファイバＦ１から出射された光Ｐ１のほぼ半分の電力の光Ｐ１′が光ファイバＦ２に伝達されることになる。

また、図５の（ｃ）に示しているように、駆動回路４０からＶ１よりさらに高い所定の直流電圧Ｖ２を印加すれば、回動板３２はより大きく回動して、例えば図６の（ｃ）のように、遮蔽板３０がビーム幅と交わらない位置で停止した状態となる。

このため、例えば光ファイバＦ１から出射された光Ｐ１のほぼ全部が光ファイバＦ２に入射され、減衰量がほぼゼロの状態で光ファイバＦ２に伝達されることになる。

なお、回動板３２の横板部３２ａ、縦板部３２ｂおよび突起３２ｃの幅、長さは、軸３３、３４の両端の回転モーメントがバランスするように設定されている。

次に、上記構成の光アッテネータの製造方法について簡単に説明する。
始めに、図７の（ａ）のように、ＳＯＩ基板１００の導電層１００ｂの表面のうち、穴２２とガイド溝２３、２４を除く基板２１の上層部、回動板３２、軸３３、３４の各形成部分をマスク１０１で覆い、図７の（ｂ）のように、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング処理を行う。この処理により前記したガイド溝２３、２４が形成される。

次に、図７の（ｃ）のように、ＳＯＩ基板１００の導電層１００ｃの表面のうち、穴２２を除く基板２１の下層部、突起２７の各形成部分をマスク１０２で覆い、図７の（ｄ）のように、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング処理を行う。

さらに、図７の（ｅ）のように、表面に漏出している絶縁層１００ａをエッチング処理により除去して、前記した光アッテネータ２０の光ファイバＦ１、Ｆ２を除く主要部を完成させ、最後に、光ファイバＦ１、Ｆ２をガイド溝２３、２４に固定することで上記光アッテネータ２０が完成する。

このように、実施形態の光アッテネータ２０は、遮光板３０の位置で両光ファイバＦ１、Ｆ２間の光伝達量を可変する構造であるので、高精度のレンズを必要とせず、低コストに製造できる。

また、前記した従来装置のようなミラーによる定常損失は存在せず、ほぼ減衰量ゼロの状態から完全遮光状態（オフ状態）まで光ファイバＦ１、Ｆ２間の減衰量を可変することができ、高いＳ／Ｎが要求される測定等にも使用することができる。

また、回動板３２の一端側に要求される回動ストロークは、両光ファイバＦ１、Ｆ２のビーム幅とほぼ等しくて済み、しかも、他端側の駆動ストロークは軸３３、３４から一端までの距離に対して軸から他端側までの距離を小さくすることで、さらに小さくできるので、少ない駆動力で前記した広い範囲の減衰量を得ることができる。

また、回動板３２の一端側に遮蔽板３０を形成し、他端側を駆動する構造であるので、軸３３、３４の両端のモーメントをバランスさせておくことで、振動などの外部の力による回動を防止でき、安定な動作が可能となる。

また、基板２１、遮蔽板３０およびアクチュエータ３１は、絶縁層１００ａを導電層１００ｂ、１００ｃで挟んだ３層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理によって一体的に形成されているので、製造が容易でさらに低コスト化できる。

また、両光ファイバＦ１、Ｆ２の一端側は、ＳＯＩ基板に対するエッチング処理で一方の導電層を除去することで形成されたガイド溝２３、２４に支持されているので、その溝の底の高さ位置が絶縁層の表面位置で規定される。このため、ガイド溝２３、２４に支持される両光ファイバＦ１、Ｆ２の基板厚さ方向の位置のバラツキがなく、光ファイバの光軸ずれが少なく光軸合わせが容易である。

さらに、回動板３２の他端側で一方の導電層により形成された櫛歯状の突起３２ｃと、基板２１の内縁で他方の導電層により形成された櫛歯状の突起２７との間に電圧を印加して回動板３２を回動させるので、低い電圧で大きな力を回動板に与えることができ、駆動電源が簡単になる。

なお、上記実施形態では、光ファイバＦ１、Ｆ２の共通の光軸に対して、遮蔽板３０の遮蔽面３０ａ、３０ｂが直交するように形成していたが、遮蔽面３０ａ、３０ｂの反射率が高い場合、光ファイバから出射されて一方の遮蔽面で反射した光が光ファイバに戻って光ファイバの他端側の光学系に悪影響を与える場合がある。この場合には、光ファイバＦ１、Ｆ２の共通の光軸と遮蔽面３０ａ、３０ｂとを非直交状態にすればよい。

例えば図８に示すように、光ファイバＦ１、Ｆ２（ガイド溝２３、２４）が軸３３、３４に対して傾いた状態で支持する構造、あるいは、図９に示すように遮蔽板３０自体が傾いた構造にしてもよい。また、遮蔽板３０は、遮蔽面３０ａ、３０ｂが平行な平板状である必要はなく、例えば回動板３２の一端側から三角状に突出する形状にして、遮蔽面３０ａ、３０ｂが光ファイバＦ１、Ｆ２の共通の光軸に対して非直交で且つそれぞれ異なる角度で交わるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、回動板３２および遮蔽板３０を同一の導電層１００ｂで形成していたが、図１０のように、回動板３２を一方の導電層（図１０では導電層１００ｃ）で形成し、基板２１側の突起２７と遮蔽板３０を他方の導電層（図１０では１００ｂ）で形成してもよい。

また、前記説明では光アッテネータとして説明したが、減衰量最大の状態と最小の状態とを切り換えることで、光スイッチとして機能させることもできる。

本発明の実施形態の斜視図 本発明の実施形態の平面図 図２のＡ−Ａ線断面図 実施形態のガイド溝断面構造を示す図 実施形態の動作を説明するための断面図 実施形態の動作を説明するための要部拡大図 実施形態の光アッテネータの製造方法を説明するための図 本発明の光アッテネータの変形例を示す図 本発明の光アッテネータの変形例を示す図 本発明の光アッテネータの変形例を示す図 従来の光アッテネータの構成と動作を示す図

符号の説明

２０……光アッテネータ、２１……基板、２２……穴、２３、２４……ガイド溝、２７……突起、３０……遮蔽板、３１……アクチュエータ、３２……回動板、３２ａ……横板部、３２ｂ……縦板部、３２ｃ……突起、３３、３４……軸、４０……駆動回路、１００……ＳＯＩ基板、１００ａ……絶縁層、１００ｂ、１００ｃ……導電層、Ｆ１、Ｆ２……光ファイバ

Claims (6)

1. 内側に穴（２２）が形成された枠状の基板（２１）と、
   前記基板の一面側で前記穴を挟んで互いの一端側が対向するように支持され、それぞれの一端側の入出射光軸が一致する第１光ファイバ（Ｆ１）および第２ファイバ（Ｆ２）と、
   光を遮断する遮光板（３０）と、
   前記穴内で前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に前記遮光板を進退させ、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの間の光伝達量を変化させるアクチュエータ（３１）とを有する光アッテネータであって、
   前記アクチュエータは、
   前記基板の穴内に配置され、前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に向かって延びた一端側に前記遮光板が一体的に形成された回動板（３２）と、
   長手方向に捩れ変形自在で前記基板の内縁から前記回動板の中間部外縁まで延びて、前記回動板を回動自在に支持する一対の軸（３３、３４）と、
   前記回動板の他端側に該回動板を回動させる方向の力を与えて、前記一端側の遮光板を前記前記第１光ファイバの先端と第２光ファイバの先端との間に進退させる駆動手段（２７、３２ｃ、４０）とを有していることを特徴とする光アッテネータ。
2. 前記遮光板は、前記第１光ファイバおよび第２光ファイバの入出射光軸に非直交の面で光を遮光することを特徴とする請求項１記載の光アッテネータ。
3. 前記基板、アクチュエータおよび遮光板は、絶縁層（１００ａ）を導電層（１００ｂ、１００ｃ）で挟んだ３層構造のＳＯＩ基板に対するエッチング処理によって一体的に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光アッテネータ。
4. 前記各光ファイバの一端側は、前記ＳＯＩ基板に対するエッチング処理で一方の導電層を除去することで形成されたガイド溝（２３、２４）に支持されていることを特徴とする請求項３記載の光アッテネータ。
5. 前記駆動手段は、前記回動板の他端側の一方の導電層と、前記回動板の他端側近傍の前記基板の内縁の他方の導電層との間に印加した電圧によって生じる吸引力で、前記回動板を回動させることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光アッテネータ。
6. 前記駆動手段は、前記回動板の他端側で一方の導電層により櫛歯状に形成された複数の突起（３２ｃ）と、前記基板の内縁で他方の導電層により櫛歯状に形成され、前記回動板の他端側の複数の突起の間にそれぞれ隙間を持って入り込むように形成された複数の突起（２７）とを有していることを特徴とする請求項５記載の光アッテネータ。

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