JP3572062B2 - カンチレバーおよび光ビーム調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カンチレバーおよび光ビーム調整装置に関し、より詳細には、基板上に配置された光導波路の光路を制御するための溝に挿入可能に配置されたミラーを移動するカンチレバーおよびこれらを有する光ビーム調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光路間に設けられた溝に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術で構築された微小ミラーを出し入れすることにより、光路を切り替えたり、光の透過量を調整する光ビーム調整装置が知られている。
【０００３】
図４に、従来の光ビーム調整装置の構成を示す。図４（ａ）は、溝部分を拡大して示した上面図である。コア層とクラッド層とからなる２つの光導波路１１，１２の交点に、光導波路を横断する溝１３が設けられている。溝１３には、カンチレバーに取り付けられた、ミラー１４が挿入されている。
【０００４】
図４（ｂ）は、Ａ−Ａ’の断面図である。基板１５上に光導波路を構成する下部クラッド層１６と、コア層１７とを順次堆積し、フォトリソグラフィで光導波路１１，１２を形成する。下部クラッド層１６とコア層１７とを上部クラッド層１８で覆い、光導波路が完成する。溝１３は、コア層１７と下部クラッド層１６の一部とを削除して設けられている。溝１３の上部には、先端部にミラー１４が取り付けられたカンチレバー１９が設置されている。カンチレバー１９は、図４の右方を固定端（図示しない）とし、ミラー１４が固定されている部分を自由端とする片持ち梁となっている。
【０００５】
カンチレバー１９は、導電性の配線パターン２０を有している。配線パターン２０に印加電圧を加えることで、静電力によりカンチレバー１９の自由端が上下動する。印加電圧を制御することにより、ミラー１４は、溝１３の深さ方向、すなわち光導波路の光軸の垂直方向に移動することができる。
【０００６】
このようにして、ミラー１４の位置により、光導波路１１ｂから入射した光ビームが、ミラー１４により遮断される遮断状態と、光導波路１１ｂから入射した光ビームが、そのまま光導波路１１ａに進む透過状態とが実現される。遮断状態において、光導波路１１ｂから入射した光ビームは、ミラー１４で反射して、光導波路１２ｂに進む。
【０００７】
互いに平行なｍ本の光導波路と互いに平行なｎ本の光導波路とを交差させ、それぞれの交差位置に光ビーム調整装置を配置すれば、、ｍ×ｎのマトリクス型光スイッチを構成することができる。また、ミラー１４の位置により、光導波路１１ｂから入射した光ビームを、一部を遮断し、残りを透過すれば、減衰量を可変することができる光ビーム調整装置となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
カンチレバー１９には、機械的強度を有し、複数の配線パターンを相互に絶縁することができる窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられている。また、配線パターン２０には、高伝導材料であるアルミニウムが配線材料として用いられている。すなわち、カンチレバー１９は、線膨張係数が異なる２つの材料が積層された構造になっている。
【０００９】
従って、周囲温度の変動により、２つの材料の間に伸張差が生じ、バイメタル効果による反りや歪みが、カンチレバー１９に生ずる。カンチレバー１９の反りや変形により、溝１３内のミラー１４の位置が変動し、スイッチング動作や可変減衰動作に支障をきたすという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、周囲温度の変動に対して安定に動作するカンチレバーおよび光ビーム調整装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光を導波する光路の一部または全部を遮断する溝に挿入可能に配置されたミラーを上下に移動させるカンチレバーにおいて、前記ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させ、前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、光を導波する光路の一部または全部を遮断する溝に挿入可能に配置されたミラーを上下に移動させるカンチレバーにおいて、前記ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させ、前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、基板上に配置された光導波路と、該光導波路の光路の一部または全部を遮断する溝とを有する導波路型の光ビーム調整装置において、前記溝に挿入可能に配置されたミラーと、該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、該カンチレバーは、前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、基板上に配置された光ファイバと、該光ファィバの光路の一部または全部を遮断するように設けられたスリットとを有する光ビーム調整装置において、前記スリットに挿入可能に配置されたミラーと、該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、該カンチレバーは、前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、基板上に配置された光導波路と、該光導波路の光路の一部または全部を遮断する溝とを有する導波路型の光ビーム調整装置において、前記溝に挿入可能に配置されたミラーと、該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、該カンチレバーは、前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、基板上に配置された光ファイバと、該光ファィバの光路の一部または全部を遮断するように設けられたスリットとを有する光ビーム調整装置において、前記スリットに挿入可能に配置されたミラーと、該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、該カンチレバーは、前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる光ビーム調整装置の構成を示す。図１（ａ）は、溝部分を拡大して示した上面図である。コア層とクラッド層とからなる２つの光導波路２１，２２の交点に、光導波路を横断する溝２３が設けられている。溝２３には、カンチレバーに取り付けられた、ミラー２４が挿入されている。本実施形態では、光導波路２１，２２として、コア／クラッドの比屈折率差Δ＝０．４５％、矩形コアの断面寸法７μｍの石英系導波路を用いた。
【００２１】
図１（ｂ）は、Ａ−Ａ’の断面図である。基板２５上に光導波路を構成する下部クラッド層２６と、コア層２７とを順次堆積し、フォトリソグラフィで光導波路２１，２２を形成する。下部クラッド層２６とコア層２７とを上部クラッド層２８で覆い、光導波路が完成する。溝２３は、コア層２７と下部クラッド層２６の一部とを削除して設けられている。溝２３の上部には、先端部にミラー２４が取り付けられたカンチレバー２９が設置されている。カンチレバー２９は、図１の右方を固定端（図示しない）とし、ミラー２４が固定されている部分を自由端とする片持ち梁となっている。
【００２２】
光ビーム調整装置を光スイッチとして動作させる場合には、ミラー２４の位置により、光導波路２１ｂから入射した光ビームが、ミラー２４により遮断される遮断状態と、光導波路２１ｂから入射した光ビームが、そのまま光導波路２１ａに進む透過状態とが実現される。遮断状態において、光導波路２１ｂから入射した光ビームは、ミラー２４で反射して、光導波路２２ｂに進む。
【００２３】
ミラー２４の寸法は、溝２３に進入または退避に要する時間、すなわちスイッチング速度の観点から小さい方が望ましい。一方で、クラッド領域に染み出した伝播光の広がりを完全に遮断するために、ある程度の大きさを必要とする。上述した石英系導波路においては、光ビームを遮断するミラー２４の最小サイズは、４０μｍ×４０μｍである。また、ミラー２４の上下動の移動幅は、設定誤差を勘案して５０μｍである。このとき、カンチレバー２９の腕の長さは、ミラー２４の移動幅の１０倍以上として、５００μｍである。
【００２４】
図２に、本発明の第１の実施形態にかかるカンチレバーの構成を示す。図２（ａ）は、カンチレバー２９の下面図であり、ミラー２４が固定され、配線パターン３０ａが設けられている。図２（ｂ）は、Ｘ−Ｘ’の断面図である。カンチレバー２９の上面には、ダミーの配線パターン３０ｂが設けられている。図２（ｃ）は、Ｙ−Ｙ’の断面図である。配線パターン３０ａとダミーの配線パターン３０ｂとは、対称線Ｚ−Ｚ’に対して鏡面対称となるように設けられている。従って、カンチレバー２９は、上面と下面とが温度変動に対して等しく伸張するので、反りや変形を生ずることがない。
【００２５】
図３に、本発明の第２の実施形態にかかるカンチレバーの構成を示す。図３（ａ）は、カンチレバー２９の下面図であり、ミラー２４が固定され、配線パターン３０ａが設けられている。図３（ｂ）は、Ｘ−Ｘ’の断面図である。カンチレバー２９の上面には、ダミーの配線パターン３０ｂが設けられている。図３（ｃ）は、Ｙ−Ｙ’の断面図である。配線パターン３０ａとダミーの配線パターン３０ｂとは、点Ｐに対して点対称となるように設けられている。カンチレバー２９は、温度変動に対してＹ−Ｙ’方向にねじれが生じるが、ミラー２４の上下動の方向に反りや変形を生ずることがない。
【００２６】
本実施形態においては、カンチレバー２９の上面と下面とに配線パターン３０ａ，３０ｂを設けて、伸張差が生じないようにした。例えば、硬度や温度係数の異なる窒化シリコンなどの絶縁材料を、複数層重ねてカンチレバーを作成し、上面と下面とにおいて伸張差が生じないようにしてもよい。同様に、異なる材料または形状を組み合わせてカンチレバーを作成し、対称線Ｚ−Ｚ’に対して鏡面対称としたり、点Ｐに対して点対称とすることもできる。
【００２７】
従来例と本実施形態との比較結果について説明する。図４に示した従来の光ビーム調整装置において、カンチレバー１９を窒化シリコンで、配線パターン２０をアルミニウムで作成した。カンチレバー１９の腕の長さは５００μｍ、厚さは１μｍである。配線パターン２０の厚さも１μｍである。カンチレバー１９と配線パターン２０との線膨張係数の違いから、常温付近で、約２０×１０^−６／ｄｅｇの伸張差が生じる。カンチレバー１９の先端の反りを計算すると、常温付近で、１０℃の温度変化により、約２５μｍの反りが生ずる。
【００２８】
一方、ミラー１４が溝１３内に挿入され、光導波路１１を遮断した状態で、３ｄＢの減衰が生ずるようにした。このとき、ミラー１４の設定位置が±０．２μｍ変化すると、減衰量は±０．１ｄＢ変化する。従って、常温付近で、１℃の温度変化により、約２．５μｍの反りが生ずるから、減衰量はおよそ±１ｄＢ変化することになる。
【００２９】
図１に示した本実施形態にかかる光ビーム調整装置において、カンチレバー２９を窒化シリコンで、配線パターン３０ａ，３０ｂをアルミニウムで作成した。カンチレバー２９の腕の長さは５００μｍ、厚さは１μｍである。配線パターン３０ａ，３０ｂの厚さは１μｍであり、図３に示したパターンを設けた。このとき常温付近では、ほとんど伸張差が生じないので、減衰量に変化を与えるような反りも生じない。
【００３０】
本実施形態にかかる光ビーム調整装置においては、コア層とクラッド層とからなる石英系導波路を用いたが、例えば、光ファィバを基板上に配列した構造を用いることもできる。具体的には、エッチングまたは切削加工により、シリコン基板上に、光ファイバを載置するＶ字溝を形成し、光ファィバを配列する。基板には、ガラス、セラミックス、樹脂などを用いることができ、石英系導波路に比較して安価に光ビーム調整装置を作製することができる。
【００３１】
また、本実施形態にかかるカンチレバーは、一端で支持される片持ち梁に限られず、中央部にミラーを固定して、両端を支持する２点支持梁、または４点を支持する十字梁などを適用することもできる。
【００３２】
本実施形態によれば、導波路に設けられた溝に、ミラーを挿入する光スイッチ、光減衰器などの光ビーム調整装置において、周囲温度の変動に対して、ミラーを安定に動作させることができる。従って、温度制御に要する熱変換素子を光ビーム調整装置に搭載したり、光ビーム調整装置を設置する室内の温度制御を不要にすることができ、装置の小型化、運用の省力化を図ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気配線と線膨張係数が等しい材料を用いて、下面と上面とで伸張差を生じないようにカンチレバーを構成したので、周囲温度の変動に対して、安定してミラーを動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光ビーム調整装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるカンチレバーの構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかるカンチレバーの構成を示す図である。
【図４】従来の光ビーム調整装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１，２２ 光導波路
１３，２３ 溝
１４，２４ ミラー
１５，２５ 基板
１６，２６ 下部クラッド層
１７，２７ コア層
１８，２８ 上部クラッド層
１９，２９ カンチレバー
２０，３０ａ，３０ｂ 配線パターン

Claims (6)

1. 光を導波する光路の一部または全部を遮断する溝に挿入可能に配置されたミラーを上下に移動させるカンチレバーにおいて、
   前記ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させ、
   前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とするカンチレバー。
2. 光を導波する光路の一部または全部を遮断する溝に挿入可能に配置されたミラーを上下に移動させるカンチレバーにおいて、
   前記ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させ、
   前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とするカンチレバー。
3. 基板上に配置された光導波路と、該光導波路の光路の一部または全部を遮断する溝とを有する導波路型の光ビーム調整装置において、
   前記溝に挿入可能に配置されたミラーと、
   該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、
   該カンチレバーは、前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする光ビーム調整装置。
4. 基板上に配置された光ファイバと、該光ファィバの光路の一部または全部を遮断するように設けられたスリットとを有する光ビーム調整装置において、
   前記スリットに挿入可能に配置されたミラーと、
   該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、
   該カンチレバーは、前記電気配線と線膨張係数が等しい材料からなるダミーの電気配線が、前記電気配線が配設された面と反対の面に配置され、前記電気配線の配線パターンと前記ダミーの電気配線の配線パターンとが鏡面対称に配置され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とする光ビーム調整装置。
5. 基板上に配置された光導波路と、該光導波路の光路の一部または全部を遮断する溝とを有する導波路型の光ビーム調整装置において、
   前記溝に挿入可能に配置されたミラーと、
   該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、
   該カンチレバーは、前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とするカンチレバー。
6. 基板上に配置された光ファイバと、該光ファィバの光路の一部または全部を遮断するように設けられたスリットとを有する光ビーム調整装置において、
   前記スリットに挿入可能に配置されたミラーと、
   該ミラーを一方の面に支持し、該一方の面に配設された電気配線に電圧を印加することにより前記ミラーを上下に移動させるカンチレバーとを備え、
   該カンチレバーは、前記電気配線が配設された面と反対の面に、前記電気配線と線膨張係数が等しい絶縁材料が積層され、前記一方の面と前記反対の面とで伸張差を生じないように構成されたことを特徴とするカンチレバー。

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