JP2011008105A - 光スイッチモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラー素子を気密封止した後に正確な特性評価を行うことが可能な光スイッチモジュールを提供する。
【解決手段】MEMSミラーアレイチップ１３を内部に気密封止するパッケージ１２を有する。MEMSミラーアレイチップ１３は、可動反射体を有するマイクロミラー素子により入射光の反射方向を制御できるものである。前記パッケージ１２は、入射光および反射光を透過させる透過窓２２を備えている。この透過窓２２は、少なくとも二つの波長帯領域で光を透過させる反射防止コーティング２３が施されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光通信の分野において光ビームの経路切り替えを行う光スイッチング素子、波長選択スイッチ等を構成するための光スイッチモジュール関するものである。

インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重（ＷＤＭ）化および低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechnical System）技術が脚光を浴びている。前記光ＭＥＭＳ技術を用いたものとしては、例えば特許文献１に開示されている光スイッチがある。このＭＥＭＳ型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものは、複数の可動反射体から構成されるマイクロミラー素子を配列したマイクロミラーアレイである。

光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、経路切り替えを可能にするものである。この光スイッチを用いることにより、多重化された光であっても、これを波長ごとに分波することなく経路を切り替えることが可能になる。このような光スイッチは、例えば、使用している経路に障害が発生した際に他の経路に信号を振り分け、通信できる状態を維持するために用いられている。

また、近年、多重化された光を波長毎に分波した後で分波した各々の波長の光の経路を個別に選択する波長選択スイッチが研究開発されており、この波長選択スイッチにもマイクロミラー素子が使用されている（特許文献２参照）。
前記マイクロミラー素子を用いて光スイッチ等を製造するに当たっては、マイクロミラー素子の特性を評価する必要がある。この特性評価を行うために特に重要視される特性は、マイクロミラー素子の基本特性のうち、駆動電圧に対するミラー回転角の特性（Ｖ−θ特性）と、マイクロミラー素子の応答特性とが挙げられる。この応答特性の評価は、マイクロミラー素子にパルス状の駆動電圧を印加し、ミラー固有の共振周波数を求めることにより行う。

マイクロミラー素子の基本特性を評価するためには、図９に示すように、マイクロミラー素子に実際に光を反射させて行う。すなわち、ミラー１（MEMSミラー）にレーザ光源２（測定用光源）からビーム３を入射し、その反射光ビーム４を光位置センサ５｛以下、単にＰＳＤ(Position Sensitive Detector）という｝で受光する。ＰＳＤ５は、受光面に１つのスポットが当たるとき、その光のスポットの位置を求めることのできるセンサであり、高速応答性と高分解能を有することから、マイクロミラー素子の基本特性であるＶ−θ特性、応答特性の評価に適するものである。ただし、このＰＳＤ５は、受光面に２つのスポットが当たるときには、正確なスポット位置を計測できないものである。

特に、ＰＳＤ５の検出素子として２次元平面タイプのものを使用し、反射光スポットの位置を角度に換算することによって、図１０に示すように、二軸回転ミラーの回転角（θｘ、θｙ）を計測することができる。図１０は、ＰＳＤ５の受光面５ａに反射光ビームが照射されている状態を示している。
一般に市販されているＰＳＤの検出可能な受光波長は、400〜1100nm程度である。このため、このＰＳＤは、入射する光の波長が通信波長帯域である1300nm帯や1550nm帯である場合には使用することができない。

また、マイクロミラー素子（ＭＥＭＳミラー）を安定に動作させるためには、気密封止に対応したセラミックパッケージ等の筺体に搭載することが有効である。この場合、筺体には光信号を入出力するために、透明な材料からなる透過窓を設ける必要がある。この透過窓の両面には、不要反射によるノイズ光を低減する目的、および信号光強度損失の発生を防止する目的で、一般的に、波長が信号波長帯の光のみを透過させる反射防止用のコーティングが施されている。

この透過窓は、枠状のリッドに支持され、このリッドを介して前記筐体に気密に取付けられている。このリッドの筐体への固定は、マイクロミラー素子が実装されている筐体にリッドをレーザ溶接、シーム溶接などにより接合することによって行われている。このようにリッドを筐体に接合することによって、気密封止されたマイクロミラー素子を有する光スイッチモジュールが形成される。マイクロミラー素子は、このように筐体内に気密封止されることにより、大気中の水分等の影響により発生する特性変動、例えば回転角変動を抑制することができ、安定した動作が可能になる。

特開２００３−０５７５７５号公報 特開２００７−２４０７２８号公報

マイクロミラー素子の特性を評価するに当たっては、マイクロミラー素子をパッケージ等の筐体内に実装し、マイクロミラー素子が封止された状態（光スイッチモジュールの状態）で行うことが望ましい。これは、前述したようにミラーの回転角の変動等を抑制することができるからである。前記筐体の透過窓は、通信波長帯の光のみを透過させるものであり、これに対して、前記特性の評価を行う際に用いる光位置センサ（ＰＳＤ）は、非通信波長帯の光しか検出することができないものである。

マイクロミラー素子が筐体内に封止されている状態で前記光位置センサを使用して例えばミラーの回転角を測定すると、透過窓の表面に形成されている反射防止コーティング部分で不要な反射が発生してしまい、正確に測定を行うことはできない。
このため、マイクロミラー素子の特性評価は、気密封止をする以前（反射防止コーティングがない状態）に行わなければならず、安定した状態で行うことができないという問題があった。

本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、マイクロミラー素子を気密封止した後に正確な特性評価を行うことが可能な光スイッチモジュールを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る光スイッチモジュールは、可動反射体を有するマイクロミラー素子により入射光の反射方向を制御する光スイッチモジュールであって、前記マイクロミラー素子を内部に気密封止するパッケージを有し、前記パッケージは入射光および反射光を透過させる透過窓を備え、前記透過窓は、少なくとも二つの波長帯領域で光を透過させる反射防止処理が施されているものである。

本発明においては、前記透過窓に通信波長帯の光の他に非通信波長帯の光を透過させることができるから、マイクロミラー素子がパッケージ内に封止されている状態で光位置センサ（ＰＳＤ）を使用してマイクロミラー素子の特性評価を行うことができる。
したがって、本発明によれば、マイクロミラー素子の特性を安定にかつ正確に評価することが可能な光スイッチモジュールを提供することができる。

本発明に係る光スイッチモジュールの斜視図である。 本発明に係る光スイッチモジュールの透過窓部分をパッケージ本体に接合する以前の状態を示す分解斜視図である。 本発明に係る光スイッチモジュールの断面図である。 本発明に係る光スイッチモジュールの他の実施例を示す断面図である。 本発明に係る光スイッチモジュールの他の実施例を示す断面図である。 反射防止コーティングの波長と透過率との関係を示すグラフである。 他の反射防止コーティングの波長と透過率との関係を示すグラフである。 光スイッチモジュールの他の実施例を示す側面図である。 マイクロミラー素子の基本特性を評価するための測定系の構成図である。 光位置センサの受光面に反射光ビームが照射されている状態を模式的に示す図である。

（第１の実施例）
以下、本発明に係る光スイッチモジュールの一実施例を図１〜図７によって詳細に説明する。
この実施例に示す光スイッチモジュール１１は、図１〜図３に示すように、パッケージ２内にMEMSミラーアレイチップ１３を気密に封止することによって形成されている。

前記パッケージ２は、セラミックによって略箱状を呈する形状に形成されたＰＧＡ（Pin Grid Array）タイプのパッケージ本体１４と、このパッケージ本体１４の開口部分を閉塞する蓋体１５とから構成されている。パッケージ本体１４を形成する材料としては、アルミナセラミック、ガラスセラミック等の各種材料を使用することができる。

前記パッケージ本体１４の外側底面には、多数の接続用ピン１６（図３参照）が立設され、前記パッケージ本体１４の開口縁部には、後述する蓋体１５を接合するためにシールリング１７が設けられている。シールリング１７は、パッケージ本体１４の開口縁に沿って途切れることなく延在しており、前記開口を囲むようにロ字状に形成されている。この実施例によるシールリング１７の厚みは、全域にわたって略一定に形成されている。

MEMSミラーアレイチップ１３は、複数のマイクロミラー素子（図示せず）を同一平面上で並べて一つの支持部材に支持させることによって形成されたものである。すなわち、前記マイクロミラー素子は、複数アレイ状に配置されている。このMEMSミラーアレイチップ１３は、図３に示すように、前記パッケージ本体１４の内側底部に実装されている。このMEMSミラーアレイチップ１３の電極（図示せず）は、図３中に符号１８で示すボンディングワイヤを使用してパッケージ本体１４の電極（図示せず）に接続されている。
ミラーアレイチップ１３とパッケージ本体１４との電気的な接続は、上述したボンディングワイヤによる方法の他に、図４に示すように、ミラーアレイチップ１３底部に電極用パッド（図示せず）を形成し、はんだボール２５等により直接接続する構成を採ることも可能である。

前記蓋体１５は、図２および図３に示すように、パッケージ本体１４の開口縁部を覆う枠状に形成されたリッドフレーム２１と、このリッドフレーム２１の開口部分を閉塞する透過窓２２とによって構成されている。透過窓２２は、入射光および反射光を透過させるためのもので、詳細は後述するが、透明な材料によって板状に形成されてリッドフレーム２１に気密になるように接着されている。
なお、透過窓２２をリッドフレーム２１に取付ける位置は、図３に示すようにモジュールの内側であっても、図５に示すようにモジュールの外側であってもよい。

リッドフレーム２１は、前記シールリング１７に重ねた状態でシーム溶接によって気密となるように接合されている。シーム溶接は、図１に示すように、リッドフレーム２１の周囲の全域がシーム溶接部２３となるように行う。図１においては、シーム溶接部２３をハッチングによって示している。
リッドフレーム２１の溶接は、パッケージ１２内が乾燥窒素やアルゴン等の不活性ガスに置換される状態で行っている。すなわち、MEMSミラーアレイチップ１３は、不活性ガスで満たされたパッケージ１２内に気密に封止されることになる。
なお、ここではリッドフレーム２１とシールリング１７との接合にシーム溶接を用いた例を説明したが、接合の方法はシーム溶接に限定されることはなく、例えばレーザ溶接等の方法を用いてもよい。レーザ溶接を用いた場合には、シールリング１７の形状は矩形に限定されることなく、円形や楕円形とすることが可能である。
また、リッドフレーム２１とシールリング１７との接合の方法として、熱硬化型や紫外線硬化型等の接着剤を用いることも可能である。

前記透過窓２２は、厚みが約０．５mmの板状のサファイアによって透明になるように形成されている。この板状のサファイアは、透過窓２２の主面（表面と裏面）がＣ面となるように形成されている。
この透過窓２２の表面と裏面とには、本発明でいう反射防止処理として反射防止コーティング２４（図３参照）がそれぞれ施されている。この反射防止コーティング２４は、通信波長帯域と可視光波長帯域とを含む少なくとも二つの波長帯領域で光が透過するように構成されている。このような反射防止コーティング２４は、誘電体膜を透過窓２２の表面と裏面とにそれぞれ所定の層数だけ積層させることによって形成することができる。

この実施例においては、５酸化タンタル（Ｔａ₂０₅）と二酸化珪素（ＳｉＯ₂） とを材料としてイオンアシスト蒸着法を使用して多層膜を成膜させることによって、透過窓２２に反射防止コーティング２４が施されている。なお、透過窓２２に反射防止処理を施すに当たっては、上述した蒸着法によるコーティングに限定されることはなく、スパッタ法等を用いても形成可能である。

この実施例による反射防止コーティング２４の特性を図６に示す。図６は、この実施例による反射防止コーティング２４の波長に対する透過率の特性（透過スペクトル）の一例を示すグラフである。図６から判るように、この実施例による反射防止コーティング２４を透過窓２２に施すことによって、測定系に用いる可視光レーザ光源の波長帯域(630−700nm）と、通信波長帯域（1400−1630nm）との２波長帯域の光が透過窓２２を透過するようになる。通信波長帯域の反射率は０．１％以下であり、測定波長帯域の反射率は１％以下である。透過窓２２を１５ｄｅｇ傾けた場合においても、垂直入射の場合とほぼ同等の特性が得られている。
また、反射防止コーティング２１の特性としては、図７に示すように、２つの波長域において透過領域を分離させた特性とせずに、２波長領域を含む全体域において高い透過性を持たせるようにしてもよい。

このように構成された光スイッチモジュール１１においては、前記透過窓２２に通信波長帯の光の他に非通信波長帯の光を透過させることができる。このため、MEMSミラーアレイチップ１３がパッケージ１２内に封止されている状態で光位置センサ（ＰＳＤ）を使用してMEMSミラーアレイチップ１３の特性評価を行うことができる。
したがって、この実施例によれば、MEMSミラーアレイチップ１３（マイクロミラー素子）の特性を安定にかつ正確に評価することが可能な光スイッチモジュールを提供することができる。

（第２の実施例）
透過窓は、図８に示すように、MEMSミラーアレイチップに対して傾斜させることができる。図８は他の実施例を示す側面図で、同図（Ａ）はシールリングの溶接面を傾斜させた例を示し、同図（Ｂ）はリッドフレームの透過窓用取付座を傾斜させた例を示す。図８において、前記図１〜図５によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図８（Ａ）に示すシールリング１７は、リッドフレーム２１を溶接するための溶接面１７ａがMEMSミラーアレイチップ１３（静止状態にあるマイクロミラー素子のミラー）に対して所定の角度だけ傾斜するように形成されている。
図８（Ｂ）に示すリッドフレーム２１は、透過窓２２を取付けるための取付座２１ａがMEMSミラーアレイチップ１３（静止状態にあるマイクロミラー素子のミラー）に対して所定の角度だけ傾斜するように形成されている。

図８（Ａ）に示す溶接面１７ａの傾斜角度と、図８（Ｂ）に示す取付座２１ａの傾斜角度は、MEMSミラーアレイチップ１３に設けられているマイクロミラー素子の回転角度範囲の２倍以上に設定している。例えば、マイクロミラー素子の回転角度が±２ｄｅｇである場合は、前記傾斜角度を５ｄｅｇに設定した。このため、この実施例においては、透過窓２２を有するリッドフレーム２１をシールリング１７に溶接することにより、透過窓２２は、前記マイクロミラー素子の最大傾斜角度より大きな角度で傾斜することになり、マイクロミラー素子のミラーと平行になることがなくなる。

このように透過窓２２がマイクロミラー素子に対して傾斜することにより、反射防止コーティング２４の効果をより一層高めることができ、反射した光が入射方向に戻らないため、反射戻り光を−４０ｄＢ以下に低減することができた。このため、この実施例による光スイッチモジュール１１は、反射戻り光が低減されてノイズの発生と光源への影響とが少なく抑えられることから、特性評価をより一層正確に行うことができる。
特に、マイクロミラー素子の回転方向が１軸の場合には、その回転方向に直交する方向に透過窓２２を傾斜させ、マイクロミラー素子の回転方向が直交する２軸の場合には、より回転角度が大きい回転方向に直交する方向に透過窓２２を傾斜させることにより、本発明の効果をより一層高めることが可能となる。また、マイクロミラー素子の回転方向が直交する２軸の場合であって、各軸の回転角度が等しい場合においては、透過窓２２をどちらの方向に傾斜させてもよい。

上述した各実施例においては、ＰＧＡ型のパッケージ２を使用する例を示したが、パッケージから配線を取り出す形態としては、ＰＧＡに限定されることはなく、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＬＧＡ（Land Grid Array）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）等の各種形態を採ることができる。
また、本発明は、透過させる光の波長帯域は、膜の材料、構成で任意に設計することが可能である。さらに、本発明は、搭載するマイクロミラー素子の形状、大きさ、配線方法等に依存せず、かつパッケージの材料、形状、大きさ、種類、窓の材料、形状等に依存せず利用することができる。

５…光位置センサ、１１…光スイッチモジュール、１２…パッケージ、１３…MEMSミラーアレイチップ、２２…透過窓、２３…反射防止コーティング。

Claims (9)

1. 可動反射体を有するマイクロミラー素子により入射光の反射方向を制御する光スイッチモジュールであって、
   前記マイクロミラー素子を収納して気密に封止するパッケージを有し、
   前記パッケージは、入射光および反射光を透過させる透過窓を備え、
   前記透過窓は、少なくとも二つの波長帯領域で光を透過させる反射防止処理が施されていることを特徴とする光スイッチモジュール。
2. 請求項１記載の光スイッチモジュールにおいて、前記反射防止処理が施された透過窓を透過する光の波長領域は、通信波長帯域と可視光波長領域とを含むことを特徴とする光スイッチモジュール。
3. 請求項２記載の光スイッチモジュールにおいて、前記マイクロミラー素子が複数アレイ状に配置されていることを特徴とする光スイッチモジュール。
4. 請求項１記載の光スイッチモジュールにおいて、前記透過窓は、前記マイクロミラー素子の最大傾斜角度より大きな角度で傾斜していることを特徴とする光スイッチモジュール。
5. 請求項４記載の光スイッチモジュールにおいて、前記反射防止処理が施された透過窓を透過する光の波長帯領域は、通信波長帯域と可視光波長帯域とを含むことを特徴とする光スイッチモジュール。
6. 請求項４または請求項５記載の光スイッチモジュールにおいて、前記透過窓の傾斜角度が、前記マイクロミラー素子の最大傾斜角度の２倍以上であることを特徴とする光スイッチモジュール。
7. 請求項６記載の光スイッチモジュールにおいて、前記マイクロミラー素子が複数アレイ状に配置されていることを特徴する光スイッチモジュール。
8. 請求項６または請求項７記載の光スイッチモジュールにおいて、前記マイクロミラー素子の回転方向が１軸方向であり、
   その回転方向に直交する方向に前記透過窓を傾斜させていることを特徴とする光スイッチモジュール。
9. 請求項６または請求項７記載の光スイッチモジュールにおいて、前記マイクロミラー素子の回転方向が直交する２方向であり、
   その回転方向のうち、より回転角度が大きい回転方向に直交する方向に前記透過窓を傾斜させていることを特徴とする光スイッチモジュール。
   

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