JP3716740B2 - マトリクス光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マトリクス光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信のクロスコネクト装置として、従来、入力側と出力側にそれぞれ複数の光ファイバを備え、入力側のある光ファイバから入射された光を、出力側の任意の光ファイバに導くようにしたマトリクススイッチがある。このマトリクススイッチは、入射された光を一旦電気に変換し、再度光に変換して出力するタイプが一般に使用されている。しかし、光―電気変換を行うため、速度に限界があり、例えば今後必要とされる１０Ｇｂｐｓ以上の高速通信に適用することは困難である。
【０００３】
そこで、電気に変換することなく、光のまま光路を切り替えるマトリクス光スイッチの開発が必要となる。そして、係るマトリクス光スイッチは、光導波路を用いるタイプと、ミラーを用いるタイプがある。このうち、本発明の前提となる後者のミラーを用いるタイプは、入出力数が１００×１００以上の大規模な回路を構成可能である。
【０００４】
係るミラーを用いたマトリクス光スイッチとしては、従来、特開２０００―１９４３４号公報に示された光セレクタがある。この光セレクタは、多数のガルバノミラーをマトリクス配置したものを用いるようにしている。そして、ここで用いるガルバノミラーは、磁界中の可動コイルに電流を流すと電磁力が発生し、電流に比例したトルクが得られることを利用し、可動コイルの軸に反射ミラーを取り付けるとともに、所定量の電流を可動コイルに通電することにより、反射ミラーの回転角度を制御するようにしている。
【０００５】
そして、半導体基板を用いたガルバノミラーは、平板状の可動板と、その可動板を囲む枠体と、その可動板を枠体に対して揺動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板により一体形成する。トーションバーは、可動板の両側縁中央部位に設ける。
【０００６】
さらに、可動板の上面周縁部に通電により磁界を発生する平面コイル（可動コイル）と、平面コイルで囲まれる上面中央部に全反射ミラーを設ける。さらに、半導体基板の上下面にガラス基板を設け、これらガラス基板の所定位置に、平面コイルに磁界を作用させる永久磁石を固定した構成をとる。
【０００７】
これにより、平面コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例した回転力（トルク）が生じる。このトルクとトーションバーのバネ力とが平衡する角度まで可動板が回転する。
【０００８】
さらに、コイルの端のみに永久磁石の磁力がかかるように構成し、トーションバーに電磁力を発生させないようにしている。これは、ガルバノミラー全体に外部から磁力をかけると、平面コイルの電磁力がかかる部分と、電流が流れているトーションバーが平行なため、トーションバーにも電磁力がかかり、トーションバーが撓んでしまうため、係る磁界の発生を抑制している。
【０００９】
さらに、入力側と出力側の少なくとも一方が、ｍ行×ｎ列のマトリクス状になっている場合には、反射ミラーで反射する反射光の光路を２次元平面上の任意の位置に向ける必要があることから、反射ミラーを二軸に傾くように構成している。具体的には、可動板が一対の第１トーションバーを介して接続された枠体の外側に、支持枠を配置し、枠体と支持枠とを一対の第２トーションバーを用いて連結する。このとき、第２トーションバーの配置方向と第１トーションバーの配置方向を直交するようにする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガルバノミラーを用いたマトリクス光スイッチの場合、二軸に傾く反射ミラーを備えたガルバノミラーを用いていたため、反射ミラー（可動板）の周囲の駆動機構が大きくなり、集積化ができずに装置全体も大きくなってしまう。
【００１１】
さらに、トーションバーは強度が弱く、ねじり角度を大きく採ることができない。その結果、可動板ひいては反射ミラーの回転角度を大きくすることができず、数度程度しか傾けることができなかった。このように、反射ミラーの傾きが小さいと、反射した光の照射位置の変位を大きくするためには、光路長を長く採る必要がある。従って、このガルバノミラーにより構成されるマトリクス光スイッチは、光路の確保から装置全体が大きくなってしまう。
【００１２】
この発明は、一軸に傾く反射ミラーにより構成することができ、周囲の構造が簡単で集積化が容易に行え、小型化を図ることのできるマトリクス光スイッチを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によるマトリクス光スイッチは、２次元配置された複数の入力側光伝送路と、２次元配置された複数の出力側光伝送路と、前記入力側光伝送路からの光の光路を変換し、所望の前記出力側光伝送路に向けて出力する光路変換機構とを備えたマトリクス光スイッチである。そして、前記光路変換機構は、一軸に傾斜可能な複数の反射ミラーを２次元配置されて構成するミラーアレーを６個用い、前記入力側光伝送路から入力された光ビームは、第１ミラーアレー，第２ミラーアレー，第３ミラーアレー，第４ミラーアレー，第５ミラーアレー，第６ミラーアレーの順に反射しながら進み、その第６ミラーアレーで反射された反射光が前記出力側光伝送路に至るように構成される。さらに、各ミラーアレーの配置が、以下の条件を満たすようにした。
【００１４】
前記第１ミラーアレーと前記第２ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とする。前記第３ミラーアレーと前記第４ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の他方の任意の位置に移動可能とする。前記第５ミラーアレーと前記第６ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とする。そして、前記第２ミラーアレーと前記第３ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるとともに、前記第４ミラーアレーと前記第５ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるようにする。
【００１５】
この発明によれば、一軸に傾く反射ミラーから構成される６枚のミラーアレーを、立体的に配置することにより、２次元配置された複数の入力側光伝送路からの光を任意の出力側光伝送路から出力させることができる。つまり、各ミラーアレーを構成する反射ミラーは、一軸に傾くので、その傾斜角度を変えることにより１次元の範囲内で反射光の光路を切り替えることができる。つまり、対となるミラーアレーの相対位置を調整することにより、行内或いは列内の何れかの方向での任意の位置へ移動させることができる。そこで、行内（列内）→列内（行内）→行内（列内）の任意の位置への切り替えを行うことにより、上記したように任意の出力側光伝送路へ伝達できる。
【００１６】
そして、二軸に傾く反射ミラーを用いるものに比べて、１つのミラーアレーを非常にコンパクトに構成できるので、たとえ６枚のミラーアレーを配置したとしても、全体として小型に構成できる。前記第２ミラーアレーと前記第３ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるとともに、前記第４ミラーアレーと前記第５ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせているので、出力側の光ビームの光軸を自由に動かすことができ、結合効率が最適になるような位置に光ビームを微調整できる。
【００１７】
なお、「光伝送路」としては、実施の形態では光ファイバを用いた例を示したが、本発明はこれに限ることはなく、光導波路その他のものを用いることができる。
【００１８】
一方、平板状の可動板と、その可動板の外周囲を囲むようにして配置される枠体と、前記可動板を枠体に対して回転可能に支持する複数の板バネが一体的に形成された半導体基板と、前記可動板上に形成された反射ミラーと、前記可動板上の前記反射ミラーの周囲に形成される平面コイルと、前記板バネと平行に静磁界を与える磁界発生手段を備え、前記板バネは、前記可動板の側縁に沿って配置されるように構成したガルバノミラーを複数用いて前記ミラーアレーを構成し、前記可動板上に形成された反射ミラーが、前記一軸に傾斜可能な反射ミラーとすることができる。
【００１９】
磁界発生手段により発生される静磁界の向きを板バネと平行にしているので、板バネの上に配線パターンを設け、電流が流れたとしても、電流と磁界の向きが一致しているので板バネに電磁力がかかるのが可及的に抑制される。そして、仮に半導体基板全体の静磁界をかけるようにしても、電磁力は可動板の静磁界の方向の両端部位に形成された平面コイル部分に発生する。よって、電磁力により可動板の一端が上昇し、他端が下降移動するので、可動板ひいては反射ミラーが回転する。この回転に伴い板バネが曲がる。そして、電磁力と板バネの弾性力とが釣り合った位置で可動板が停止する。
【００２０】
板バネの曲げ応力は、従来のトーションバーのねじり応力に比べて強く、同じ寸法とすると変位可能な角度が大きくなる。よって、反射ミラーの傾斜角度を大きくすることができ、反射ミラーで反射された反射光は、短い光路でも大きく偏向させることができる。従って、このガルバノミラーを実装した装置が小型化される。
【００２１】
さらに、板バネの配置レイアウトを、可動板の側縁に沿うようにしたため、板バネの長さを長くしても、外側に大きく突出することもなく、ガルバノミラーの小型化も図られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
まず、マトリクス光スイッチの実施の形態を説明するに先立ち、本形態に用いられる一軸に傾く反射ミラーを備えたガルバノミラーの一例を説明する。図１，図２に示すように、ガラス基板１とシリコン基板２を積層するとともに、その外周囲で陽極接合した構造をとっている。
【００２３】
シリコン基板２は、平板状の可動板１０と、その可動板１０の外周囲を囲むようにして配置される枠体１１と、それら可動板１０と枠体１１に対して傾斜可能に支持する４本の板バネ１２を備えている。そして、枠体１１とガラス基板１とが接合され、一体化される。
【００２４】
また、可動板１０は、平面長方形状であり、その４つの角に、各板バネ１２がそれぞれ連結されている。各板バネ１２は、何れも可動板１０の長辺と平行に配置している。すなわち、可動板１０の長辺の外側に、２本ずつ板バネ１２が配置され、外側（可動板１０から離れた側）に配置された一対の第１板バネ１２ａと、連結腕１４により可動板１０の一方の短辺の両側に接続される。また、内側（可動板１０に近接する側）に配置された一対の第２板バネ１２ｂは、可動板１０の他方の短辺の両側にそれぞれ接続される。
【００２５】
上記した構成の一対の第１板バネ１２ａは、可動板１０が回転して傾斜した際に、同一方向に曲がる。同様に、一対の第２板バネ１２ｂは、可動板１０が回転して傾斜した際に、同一方向に曲がる。そして、第１板バネ１２ａと第２板バネ１２ｂの曲がる方向は反対向きとなる。なお、以下の説明において、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂを区別する必要がない場合には、板バネ１２と称する。
【００２６】
さらに、可動板１０の表面には、反射ミラー１５を設ける。この反射ミラー１５の平面形状も長方形状にしているが、可動板１０の上面に比べて一回り小さい寸法形状としている。よって、可動板１０の表面には、その外周縁部に反射ミラー１５の未形成領域が構成される。なお、この反射ミラー１５並びに以下に示す配線パターンは、例えば金属蒸着により形成することができる。
【００２７】
そして、この未形成領域に平面コイル１７を形成する。このとき、平面コイル１７の両端は、同一方向に曲がる一対の第１板バネ１２ａの上面に配線され、さらに平面コイル１７の一端は、第２板バネ１２ｂ上を通って可動板１０の他方の短辺上を横断するように配線される。つまり、２本の第１板バネ１２ａの上に配線パターン１７ａを形成し、第２板バネ１２ｂ上に配線パターン１７ｂを形成する。そして、この第２板バネ１２ｂに形成した配線パターン１７ｂは、０．５ターン分のコイルとしての機能も発揮する。また、このように４本の各板バネ１２に配線パターンを設けたことにより、バネのバランスが均等にとれる。
【００２８】
上記の構成により、ガルバノミラー素子が形成される。そして、このガルバノミラー素子の外側所定位置に、磁界発生手段として、永久磁石を装着する。この永久磁石により発生する磁界は、板バネ１２と平行になるようにする。
【００２９】
次に、上記したガルバノミラーの動作原理を説明する。平面コイル１７に対し、電流を右回りに通電し、永久磁石により磁界を手前から奥に向けてかけたとする。つまり、図３に示すように、第２板バネ１２ｂの可動板１０に対する接続部位側から、第１板バネ１２ａの可動板１０に対する接続部位側に向けて磁界がかかる。
【００３０】
すると、フレミングの左手の法則に従って磁界と直交する配線パターン、つまり、可動板１０の短辺上の配線パターンに電磁力がかかる。そして、両短辺に形成された配線パターンを流れる電流の向きが逆方向であるので、図３に示すように、可動板１０の長手方向両端に逆向きの力がかかり、その力に引っ張られて可動板１０が回転して傾斜する。そして、板バネ１２の弾性力と電磁力とが釣り合った位置で傾きが停止する。従って、通電する電流の大きさにより、傾きを制御できる。
【００３１】
また、可動板１０の表面には反射ミラー１５を設けているので、図４に示すように、反射ミラー１５に対して光ビームを照射すると、反射光が可動板１０（反射ミラー１５）の傾斜角度に応じた方向に進む。よって、反射ミラー１５の傾斜角度を変えることにより、光ビームの方向、つまり反射光の方向を切り替えることができるので、光スイッチとして機能させることができる。
【００３２】
なお、符号１９は、磁界発生手段たる永久磁石である。すなわち、第１の実施の形態では、磁界は板バネ１２と平行になるように永久磁石を配置するようにしたが、図４に示すように、基板の裏面側に配置することもできる。この場合に、永久磁石１９から発生する磁力線は、可動板１０に対して弧を描いて横切るが、磁界ベクトルの板バネ１２と平行な成分によって、可動板１０ひいては反射ミラー１５を傾斜させることができる。
【００３３】
このように永久磁石１９を基板の裏側配置することにより、ガルバノミラーをよりコンパクトに構成することができる。さらに、ガルバノミラーを横方向に連なって配置したとしても、反射ミラー１５の周囲に存在する駆動系が小さいので小型なものにすることができ、半導体基板上に複数のガルバノミラーを一体で形成し、小型なミラーアレーを構築することもできる。
【００３４】
そして、本形態によれば、電磁力に対抗する弾性力を板バネ１２としているため、以下に示す作用効果を奏する。すなわち、仮に板バネと従来のトーションバーを同じ大きさにしたとすると、単結晶シリコンの物理的性質から、ねじれ応力よりも曲げ応力の方が強い。従って、板バネを使う本形態の方が可動板を大きな角度に傾けることができる。
【００３５】
さらに、仮に可動板を同じ角度に傾けるようにすると、トーションバーは長くなってしまう。すると、可動板の外側に大きく突出するようになり、ガルバノミラー全体が大型化してしまう。これに対し、本形態では係る問題は無く小型化が図れる。しかも、板バネ１２は、可動板１０の側方に沿って配置しているので、ある程度長くしてもガルバノミラー全体の大型化は招かない。
【００３６】
さらに、本形態では、永久磁石１９から発生する磁界をガルバノミラー全体にかかるように構成している。このように全体に磁界がかかったとしても、電磁力が加わるのは、磁力線と直交する配線パターンとなる可動板の短辺部分のみとなるので、板バネに力が直接かかって撓むことが無い。
【００３７】
さらにまた、可動板１０は、長手方向中央部位を中心に回転するので、その可動板１０の長手方向端部（短辺部位）の移動軌跡（円弧）に沿って板バネ１２の先端が動くように設計すると、板バネ１２に曲げ以外のストレスがかからないので好ましい。
【００３８】
次に、上記した構成のガルバノミラーが、実際に動作することを実証する。永久磁石として、現状で最強の磁束密度を有するネオジム磁石を使用すると、３ｍｍのギャップで０．３Ｔの磁力を得ることができる。この磁力に基づいて可動板１０の配線パターンが受ける力Ｆは、下記のようになる。
Ｆ＝μＩＬＨｓｉｎθ （１）
となる。ここで、Ｉは電流，Ｌは配線パターンの長さ，Ｈは磁界の強さ，θは電流と磁界のなす角である。本形態では、透磁率（μ）は１であり、θは９０度である。そして、シリコン基板２の寸法形状は、長辺が２８３０μｍ，短辺が２０００μｍで厚さが４００μｍとし、可動板１０は、長辺が１６００μｍ，短辺が８００μｍで厚さが１００μｍとする。平面コイル１７のターン数を４ターンとし、連結腕１４の部分も考慮すると、配線パターンの長さＬは６．６ｍｍとなる。そして、電流を１０ｍＡ通電した場合の電磁力Ｆは約２０μｍＮとなる。
【００３９】
一方、板バネ１２の寸法を、長さが１０００μｍ，幅が１０μｍで厚さが４μｍとすると、１５度曲げたときの弾性力は、下記式により求められ、約５μＮとなる。よって、４本の板バネ全体で得られる弾性力の合計は、約２０μＮとなる。従って、上記した電磁力と釣り合いがとれるので、可動板１０は１５度傾いた状態で停止する。
Ｗ＝Ｅｂｔ３θ／６Ｌ２ （２）
ここで、Ｗは曲げ荷重，Ｅはヤング率，ｂは板バネの幅，ｔは板バネの厚さ，θは曲げ角，Ｌは板バネの長さである。
【００４０】
一方、上記したようにして電磁力により可動板１０が傾斜し、板バネ１２が曲がると、磁界と電流のなす角θが０で無くなるので、上記した式（１）に従って所定の力が板バネ１２にかかることになる。しかし、本形態では、同一方向に曲がる一対の第１板バネ１２ａの配線パターン１７ａに流れる電流の向きは逆向きであるため、第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａが受ける力は相殺される。第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂについても同様である。よって、本形態では、可動板１０の傾斜角度に関係なく、電磁力が板バネ１２にかかり、撓むことが無い。
【００４１】
次に、上記した構成のガルバノミラーを用いて構成される本発明に係るマトリクス光スイッチの好適な実施の形態について説明する。入力側光伝送路として複数本（ｍ×ｎ本）の光ファイバ２１ａをｍ×ｎに配列した入力用光ファイバアレー２１を用いる。本例では、ｍ＝ｎ＝３２とした。従って、合計１０２４本の光ファイバ２１ａを備える。
【００４２】
この入力用光ファイバアレー２１の出射側端面近傍には、レンズアレー２２を配置している。レンズアレー２２も、光ファイバ２１ａに対応して、コリメートレンズを３２×３２に配置している。これにより、各光ファイバ２１ａから出射された光は、対応するコリメートレンズを通過して平行光束に変換される。そして、係る平行光束の光路上に、上記した一軸に傾くガルバノミラーをｍ×ｎ（３２×３２）に配列したアレー状に集積して構成される第１ミラーアレー２３を配置する。
【００４３】
図６に一部を取り出して示すように、入力用光ファイバアレー２１を構成する光ファイバ２１ａと、レンズアレー２２を構成するコリメートレンズ２２ａと、第１ミラーアレー２３を構成する各ガルバノミラー（反射ミラー１５）は、それぞれ対応しており、所定の光ファイバ２１ａからの光は、必ず対応付けられたコリメートレンズ２２ａを通って所望のガルバノミラー（反射ミラー１５）に照射され、反射されるようになっている。
【００４４】
また、図６に示すように、各ガルバノミラーを構成する板バネと平行に磁界をかけるための磁界発生手段たる永久磁石１９は、素子の裏面（ガラス基板１の非接合面）の外側に配置する。このとき、永久磁石１９から発生した磁界は、ガルバノミラー全体にかかっても問題がないので、図示するようにガルバノミラーの配置ピッチを合わせてＮ極とＳ極とが交互に出現するように着磁している。なお、各ガルバノミラーは、１つ置きに磁界の向きが反転するが、隣り合った反射ミラー１５を同一方向に傾ける場合には、平面コイルに流す電流の向きを逆にすれば良いので問題は無い。
【００４５】
さらに本形態では、上記した第１ミラーアレー２３と同一構成のミラーアレーを全部で６個用意し、第１ミラーアレー２３→第２ミラーアレー２４→第３ミラーアレー２５→第４ミラーアレー２６→第５ミラーアレー２７→第６ミラーアレー２８の順に配置する。第Ｎミラーアレー（Ｎ：２〜５）は、第（Ｎ―１）ミラーアレーからの光を反射させ、第（Ｎ＋１）アレー上の所定の反射ミラーに照射させるようにする。そして、第６ミラーアレー２８の各反射ミラーで反射された反射光は、その反射光の光路上に配置されたレンズアレー２９を構成する各コリメートレンズを介して集光され出力用光ファイバアレー３０の各光ファイバ３０ａに至るようにする。
【００４６】
そして、各ミラーアレーは、一軸に傾く反射ミラーを持っているので、各反射ミラーでは、行または列の何れか一方の一次元の範囲内で反射光の光路を変更することができる。なお、列，行の何れになるかは傾斜方向を９０度変えることにより対応できる。
【００４７】
そこで、本形態では、まず第１，第２ミラーアレー２３，２４間では、第１ミラーアレー２３の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を列内で任意の位置に移動させるようにしている。つまり、図６に示す例では、左端の光ファイバ２１ａからの光は、第１ミラーアレー２３の左端の反射ミラーで反射され、第２ミラーアレー２４の左端の反射ミラーに照射されるようになっている。この状態から、第１ミラーアレー２３の左端の反射ミラーの傾斜角度を徐々に小さくすることにより、反射光が照射される第２ミラーアレー２４の反射ミラーは、左から２番目→３番目→右端というように変更される。
【００４８】
さらに、第２ミラーアレー２４の反射ミラーの角度を調整することにより、図６に示す例では、第２ミラーアレー２４の反射ミラーでの反射光は、常に上方に向くようにする。つまり、第１ミラーアレー２３のどの反射ミラーからの反射光であっても、第２ミラーアレー２４の反射ミラーにおける反射光の光路は、常に同一となるように制御される。これにより、第２ミラーアレー２４の各反射ミラーは、それぞれ第３ミラーアレー２５の各反射ミラーと１対１に対応付けられる。よって、第２ミラーアレー２４のある反射ミラーで反射された反射光は、それが第１ミラーアレー２３のどの反射ミラーからの光かを問わず、必ず第３ミラーアレー２５のある一つの反射ミラーに照射されるようになる。
【００４９】
同様に、第３，第４ミラーアレー２５，２６の間では、第３ミラーアレー２５の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を行内で任意の位置に移動させるようにしている。そして、第４ミラーアレー２６の反射ミラーの角度を調整することにより、第４ミラーアレー２６の各反射ミラーは、それぞれ第５ミラーアレー２７の各反射ミラーと１対１に対応付けられる。
【００５０】
さらにまた、第５，第６ミラーアレー２７，２８の間では、第５ミラーアレー２７の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を列内で任意の位置に移動させるようにしている。そして、第６ミラーアレー２８の反射ミラーの角度を調整することにより、第６ミラーアレー２８の各反射ミラーは、それぞれ出力用光ファイバアレー３０の各光ファイバ３０ａと１対１に対応付けられる。
【００５１】
さらに、図５に示すように、各反射ミラーが１対１に対応付けられた第２ミラーアレー２４と第３ミラーアレー２５の間、並びに第４ミラーアレー２６と第５ミラーアレー２７の間は、それぞれ傾斜方向を９０度異ならせている。
【００５２】
このように構成することにより、３２×３２の入力用光ファイバアレー２１の任意の光ファイバ２１ａから入力された光ビームは、６枚のミラーアレーの反射ミラーによりその光路が適宜変更されながら進み、最終的に３２×３２の出力用光ファイバアレー３０の任意の光ファイバ３０ａから出力させることができる。つまり、入出力数で１０２４×１０２４のマトリクス光スイッチを構成することができる。
【００５３】
次に、本発明の作用をより詳しく説明する。説明の便宜上、ｍ行ｎ列のミラーアレーを４行×３列とし、１２本の光ファイバの信号切り替えができるマトリクス光スイッチについて説明する。この例では、１２本の入力側光ファイバ２１ａのうち１行１列目からの信号の光路を追って説明する。まず、１行１列目にある入力側光ファイバ２１ａからコリメートレンズ２２ａを通し入力された光ビームは、第１ミラーアレー２３の１行１列目にある反射ミラーに当たる。
【００５４】
反射ミラー１５は、個々に一軸に角度を変えられるようになっているので、その反射ミラーを所定角度を傾けることによって、光ビームは第２ミラーアレー２４の１列目の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射することができる。この動作により同一の列内で行の信号の入れ替えができる。図７の場合、信号は３行１列に切り替えられている。
【００５５】
図８は、第２ミラーアレー２４から第３ミラーアレー２５への光路を示している。第２ミラーアレー２４の３行１列目の反射ミラーは光ビームを第３ミラーアレー２５の３行１列目の反射ミラーに投射するように角度が調整される。つまり、第２ミラーアレー２４の各反射ミラーは入射する光を第３ミラーアレー２５の同行同列の反射ミラーに投射するように調整される。また、第２ミラーアレー２４と第３ミラーアレー２５は、実装される反射ミラー１５の向きを９０度異ならせている。
【００５６】
図９は第３ミラーアレー２５から第４ミラーアレー２６への光路を示している。第３ミラーアレー２５の３行１列目の反射ミラーは光ビームを第４ミラーアレー２６の３行の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射できる。この動作により同一の行内で列の信号の入れ替えができる。図９では３行２列へ光ビームを切り替えている。
【００５７】
図１０は第４ミラーアレー２６から第５ミラーアレー２７への光路を示している。第４ミラーアレー２６の３行２列目の反射ミラーは光ビームを第５ミラーアレー２７の３行２列目の反射ミラーに投射するように角度が調整される。つまり、第４ミラーアレー２６の各反射ミラーは入射する光を第５ミラーアレー２７の同行同列の反射ミラーに投射するように調整される。この機能は、第２，第３ミラーアレー２４，２５の関係と同じである。また、第４ミラーアレー２６と第５ミラーアレー２６も、その反射ミラー１５の向きを９０度異ならせている。
【００５８】
図１１は第５ミラーアレー２７から第６ミラーアレー２８への光路を示している。第５ミラーアレー２７の３行２列目の反射ミラーは、光ビームを第６ミラーアレー２８の２列の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射できる。この動作により同一の列内で行の信号の入れ替えができる。この図１１では切り替え無しで、出力しているが、もちろん切り替えることはできる。そして、第６ミラーアレー２８の反射ミラーは、出力用光ファイバ３０に入射できるように光ビームの方向を調整する。
【００５９】
このように、このマトリクス光スイッチの光ビームは、行の変更、列の変更、行の変更と３回に分けて順序を入れ替えることにより、入力を任意の出力に導くことができる。
【００６０】
図１２は、本発明の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、上記した図５に示す実施の形態を基本とし、第６ミラーアレー２８の傾斜方向を異ならせている。つまり、第６ミラーアレー２８の反射ミラーで反射された光ビームは、入力側の光ファイバ２１ａからの光ビームと平行で同一方向（図５の実施の形態と逆方向）に進むように調整している。
【００６１】
すなわち、図５に示す実施の形態では、入力される光ビームと出力される光ビームは平行で逆向きになり、入力用光ファイバアレー２１と出力用光ファイバアレー３０とを同一面に設置することが可能となる。また、図１２に示す実施の形態では、入力される光ビームと出力される光ビームは平行で同一方向を向くことになり、入力用光ファイバアレー２１と出力用光ファイバアレー３０とをほぼ一直線状（実際には、ミラーアレーの幅分以上ずれるが）に配置することが可能となる。このように、システムの形態によって入出力の光ファイバの位置を調整できる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６２】
なお、各ミラーアレーを構成するガルバノミラーは、上記した図１〜図４に示す構成に限ることは無く、各種の構成を採ることができる。一例を示すと、図１３に示すようにすることができる。この図示した例は、図１に示す構成を基本とし、配線パターンを異ならせている。すなわち、平面コイル１７の両端に連続するようにして、一対の第１板バネ１２ａの上面に形成した配線パターン１７ａを設ける。
【００６３】
そして、配線パターン１７ａと、その第１板バネ１２ａと同一側に配置された第２板バネ１２ｂの上面に設けた配線パターン１７ｂを並列接続する。つまり、一方の第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａと第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂは、それぞれ接続点Ａ１，Ａ２で接続される。他方の第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａと第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂは、それぞれ接続点Ｂ１，Ｂ２で接続される。さらに、接続点間の配線パターン１７ａ，１７ｂの長さ（抵抗値）は同じになるように設計する。
【００６４】
このように構成すると、接続点間で配線パターンが二股状に分岐されているので、たとえ一方の配線パターンが断線されたとしても、残りの配線パターンを介して平面コイル１７に通電させることができる。つまり、断線に強くなり、耐久性が向上する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した第１の実施の形態と同様であるので、対応する部材には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
また、図１４に示すように、板バネの形状を異なるせるようにしてもよい。つまり、枠体１１の内周縁中央部位に突起部１１ａを設ける。この突起部１１ａの板厚も枠体１１と同様であり変形しない。
【００６６】
この突起部１１ａから、分岐するようにして長手方向に沿って第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂが形成され、その第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの先端が可動板１０の両端に接続される。さらに、本形態では、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの途中にＳ字状に曲げた緩衝部２０を設ける。
【００６７】
このように形成すると、可動板１０が傾いて板バネ１２が曲がる際に、伸びのストレスを受ける。そこで、このストレスを受けた際に緩衝部２０が伸びることによりストレスを緩和し、板バネ１２が損傷するのを抑制している。
【００６８】
なお、図示省略するが、可動板１０の表面に形成した反射ミラー１５の周囲に平面コイルを設け、その平面コイルの両端は、所定の板バネ１２を介して枠体１１側に引き出される。この時、永久磁石による磁界の方向と、配線方向が、各実施の形態と同様に、可動板１０の短辺側部分に設けた配線パターンと磁界が直交するようにする。
【００６９】
なお、その他の構成並びに作用効果は上記した各実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。もちろん、第２の実施の形態と同様に配線パターンの一部を二股状にすることもできる。一方、本形態では緩衝部２０を設けたが、本実施の形態と同様の板バネの構成をとりつつ緩衝部を設けないようにしてももちろんよい。
【００７０】
また、図１５に示すように構成することもできる。この形態も板バネ１２の形状が相違する。すなわち、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの何れも中央で折り返す構造をとることにより、全長を長くしている。これにより、板バネ１２の変位量を大きくし、可動板１０（反射ミラー１５）の傾斜角度を大きく採ることができる。
【００７１】
なお、係る構成をとった場合、各板バネ１２ａ，１２ｂの折り返し部分１２ａ′，１２ｂ′は、ねじれ応力がかかるので、それに耐えられるようにするために厚くするのが良い。
【００７２】
さらにまた、図１６に示すように、２本の板バネ１２により可動板１０を支持するようにしたものでもよい。また、板バネ１２の先端は、可動板１０の長手方向中央部位に連結するようにしている。本実施の形態においても、板バネ１２には曲げ応力がかかるだけであり、大きく曲げることができる。
【００７３】
本形態でも、平面コイル１７に通電すると、可動板１０の短辺部位に形成した配線パターンに電磁力がかかり、板バネ１２の可動板１０長手方向両端がそれぞれ上方向／下方向に移動し、回転する。よって、反射ミラー１５も傾斜させることができる。
【００７４】
さらにまた、上記した各例では、何れも可動板１０を板バネを用いて支持するようにしたが、本発明はこれに限ることは無く、トーションバーを用いても良い。つまり、例えば、特開平７−１７５００５号公報などに開示されたガルバノミラーのようなものでもよく、要は一軸に傾斜可能な反射ミラーを備えた素子を複数備えたものであれば良い。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、一軸に傾斜する反射ミラーを２次元配置したミラーアレーを６枚設けるとともに、所定の位置関係に配置することにより、マトリクス光スイッチを構成することができる。そして、各ミラーアレーは、一軸に傾斜するので、反射ミラーの周囲の構造が簡単ですむため、たとえ６枚のミラーアレーを用いたとしても、全体としては小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられるガルバノミラーの一例を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線矢視断面図である。
【図３】作用を説明する図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ′線矢視断面図である。
【図５】本発明に係るマトリクス光スイッチの好適な一実施の形態を示す図である。
【図６】作用を説明する図である。
【図７】作用を説明する図である。
【図８】作用を説明する図である。
【図９】作用を説明する図である。
【図１０】作用を説明する図である。
【図１１】作用を説明する図である。
【図１２】本発明に係るマトリクス光スイッチの他の実施の形態を示す図である。
【図１３】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１４】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１５】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１６】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ガラス基板（基板）
２ シリコン基板（半導体基板）
１０ 可動板
１１ 枠体
１２ 板バネ
１２ａ 第１板バネ
１２ｂ 第２板バネ
１２ａ′，１２ｂ′ 折り返し部分
１４ 連結腕
１５ 反射ミラー
１７ 平面コイル
１７ａ，１７ｂ 配線パターン
１９ 永久磁石（磁界発生手段）
２０ 緩衝部
２１ 入力用光ファイバアレー
２１ａ 光ファイバ
２２ レンズアレー
２２ａ コリメートレンズ
２３ 第１ミラーアレー
２４ 第２ミラーアレー
２５ 第３ミラーアレー
２６ 第４ミラーアレー
２７ 第５ミラーアレー
２８ 第６ミラーアレー
２９ レンズアレー
３０ 出力用光ファイバアレー
３０ａ 光ファイバ
【発明の属する技術分野】
この発明は、マトリクス光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信のクロスコネクト装置として、従来、入力側と出力側にそれぞれ複数の光ファイバを備え、入力側のある光ファイバから入射された光を、出力側の任意の光ファイバに導くようにしたマトリクススイッチがある。このマトリクススイッチは、入射された光を一旦電気に変換し、再度光に変換して出力するタイプが一般に使用されている。しかし、光―電気変換を行うため、速度に限界があり、例えば今後必要とされる１０Ｇｂｐｓ以上の高速通信に適用することは困難である。
【０００３】
そこで、電気に変換することなく、光のまま光路を切り替えるマトリクス光スイッチの開発が必要となる。そして、係るマトリクス光スイッチは、光導波路を用いるタイプと、ミラーを用いるタイプがある。このうち、本発明の前提となる後者のミラーを用いるタイプは、入出力数が１００×１００以上の大規模な回路を構成可能である。
【０００４】
係るミラーを用いたマトリクス光スイッチとしては、従来、特開２０００―１９４３４号公報に示された光セレクタがある。この光セレクタは、多数のガルバノミラーをマトリクス配置したものを用いるようにしている。そして、ここで用いるガルバノミラーは、磁界中の可動コイルに電流を流すと電磁力が発生し、電流に比例したトルクが得られることを利用し、可動コイルの軸に反射ミラーを取り付けるとともに、所定量の電流を可動コイルに通電することにより、反射ミラーの回転角度を制御するようにしている。
【０００５】
そして、半導体基板を用いたガルバノミラーは、平板状の可動板と、その可動板を囲む枠体と、その可動板を枠体に対して揺動可能に軸支するトーションバーとを、半導体基板により一体形成する。トーションバーは、可動板の両側縁中央部位に設ける。
【０００６】
さらに、可動板の上面周縁部に通電により磁界を発生する平面コイル（可動コイル）と、平面コイルで囲まれる上面中央部に全反射ミラーを設ける。さらに、半導体基板の上下面にガラス基板を設け、これらガラス基板の所定位置に、平面コイルに磁界を作用させる永久磁石を固定した構成をとる。
【０００７】
これにより、平面コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例した回転力（トルク）が生じる。このトルクとトーションバーのバネ力とが平衡する角度まで可動板が回転する。
【０００８】
さらに、コイルの端のみに永久磁石の磁力がかかるように構成し、トーションバーに電磁力を発生させないようにしている。これは、ガルバノミラー全体に外部から磁力をかけると、平面コイルの電磁力がかかる部分と、電流が流れているトーションバーが平行なため、トーションバーにも電磁力がかかり、トーションバーが撓んでしまうため、係る磁界の発生を抑制している。
【０００９】
さらに、入力側と出力側の少なくとも一方が、ｍ行×ｎ列のマトリクス状になっている場合には、反射ミラーで反射する反射光の光路を２次元平面上の任意の位置に向ける必要があることから、反射ミラーを二軸に傾くように構成している。具体的には、可動板が一対の第１トーションバーを介して接続された枠体の外側に、支持枠を配置し、枠体と支持枠とを一対の第２トーションバーを用いて連結する。このとき、第２トーションバーの配置方向と第１トーションバーの配置方向を直交するようにする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガルバノミラーを用いたマトリクス光スイッチの場合、二軸に傾く反射ミラーを備えたガルバノミラーを用いていたため、反射ミラー（可動板）の周囲の駆動機構が大きくなり、集積化ができずに装置全体も大きくなってしまう。
【００１１】
さらに、トーションバーは強度が弱く、ねじり角度を大きく採ることができない。その結果、可動板ひいては反射ミラーの回転角度を大きくすることができず、数度程度しか傾けることができなかった。このように、反射ミラーの傾きが小さいと、反射した光の照射位置の変位を大きくするためには、光路長を長く採る必要がある。従って、このガルバノミラーにより構成されるマトリクス光スイッチは、光路の確保から装置全体が大きくなってしまう。
【００１２】
この発明は、一軸に傾く反射ミラーにより構成することができ、周囲の構造が簡単で集積化が容易に行え、小型化を図ることのできるマトリクス光スイッチを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によるマトリクス光スイッチは、２次元配置された複数の入力側光伝送路と、２次元配置された複数の出力側光伝送路と、前記入力側光伝送路からの光の光路を変換し、所望の前記出力側光伝送路に向けて出力する光路変換機構とを備えたマトリクス光スイッチである。そして、前記光路変換機構は、一軸に傾斜可能な複数の反射ミラーを２次元配置されて構成するミラーアレーを６個用い、前記入力側光伝送路から入力された光ビームは、第１ミラーアレー，第２ミラーアレー，第３ミラーアレー，第４ミラーアレー，第５ミラーアレー，第６ミラーアレーの順に反射しながら進み、その第６ミラーアレーで反射された反射光が前記出力側光伝送路に至るように構成される。さらに、各ミラーアレーの配置が、以下の条件を満たすようにした。
【００１４】
前記第１ミラーアレーと前記第２ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とする。前記第３ミラーアレーと前記第４ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の他方の任意の位置に移動可能とする。前記第５ミラーアレーと前記第６ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とする。そして、前記第２ミラーアレーと前記第３ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるとともに、前記第４ミラーアレーと前記第５ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるようにする。
【００１５】
この発明によれば、一軸に傾く反射ミラーから構成される６枚のミラーアレーを、立体的に配置することにより、２次元配置された複数の入力側光伝送路からの光を任意の出力側光伝送路から出力させることができる。つまり、各ミラーアレーを構成する反射ミラーは、一軸に傾くので、その傾斜角度を変えることにより１次元の範囲内で反射光の光路を切り替えることができる。つまり、対となるミラーアレーの相対位置を調整することにより、行内或いは列内の何れかの方向での任意の位置へ移動させることができる。そこで、行内（列内）→列内（行内）→行内（列内）の任意の位置への切り替えを行うことにより、上記したように任意の出力側光伝送路へ伝達できる。
【００１６】
そして、二軸に傾く反射ミラーを用いるものに比べて、１つのミラーアレーを非常にコンパクトに構成できるので、たとえ６枚のミラーアレーを配置したとしても、全体として小型に構成できる。前記第２ミラーアレーと前記第３ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるとともに、前記第４ミラーアレーと前記第５ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせているので、出力側の光ビームの光軸を自由に動かすことができ、結合効率が最適になるような位置に光ビームを微調整できる。
【００１７】
なお、「光伝送路」としては、実施の形態では光ファイバを用いた例を示したが、本発明はこれに限ることはなく、光導波路その他のものを用いることができる。
【００１８】
一方、平板状の可動板と、その可動板の外周囲を囲むようにして配置される枠体と、前記可動板を枠体に対して回転可能に支持する複数の板バネが一体的に形成された半導体基板と、前記可動板上に形成された反射ミラーと、前記可動板上の前記反射ミラーの周囲に形成される平面コイルと、前記板バネと平行に静磁界を与える磁界発生手段を備え、前記板バネは、前記可動板の側縁に沿って配置されるように構成したガルバノミラーを複数用いて前記ミラーアレーを構成し、前記可動板上に形成された反射ミラーが、前記一軸に傾斜可能な反射ミラーとすることができる。
【００１９】
磁界発生手段により発生される静磁界の向きを板バネと平行にしているので、板バネの上に配線パターンを設け、電流が流れたとしても、電流と磁界の向きが一致しているので板バネに電磁力がかかるのが可及的に抑制される。そして、仮に半導体基板全体の静磁界をかけるようにしても、電磁力は可動板の静磁界の方向の両端部位に形成された平面コイル部分に発生する。よって、電磁力により可動板の一端が上昇し、他端が下降移動するので、可動板ひいては反射ミラーが回転する。この回転に伴い板バネが曲がる。そして、電磁力と板バネの弾性力とが釣り合った位置で可動板が停止する。
【００２０】
板バネの曲げ応力は、従来のトーションバーのねじり応力に比べて強く、同じ寸法とすると変位可能な角度が大きくなる。よって、反射ミラーの傾斜角度を大きくすることができ、反射ミラーで反射された反射光は、短い光路でも大きく偏向させることができる。従って、このガルバノミラーを実装した装置が小型化される。
【００２１】
さらに、板バネの配置レイアウトを、可動板の側縁に沿うようにしたため、板バネの長さを長くしても、外側に大きく突出することもなく、ガルバノミラーの小型化も図られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
まず、マトリクス光スイッチの実施の形態を説明するに先立ち、本形態に用いられる一軸に傾く反射ミラーを備えたガルバノミラーの一例を説明する。図１，図２に示すように、ガラス基板１とシリコン基板２を積層するとともに、その外周囲で陽極接合した構造をとっている。
【００２３】
シリコン基板２は、平板状の可動板１０と、その可動板１０の外周囲を囲むようにして配置される枠体１１と、それら可動板１０と枠体１１に対して傾斜可能に支持する４本の板バネ１２を備えている。そして、枠体１１とガラス基板１とが接合され、一体化される。
【００２４】
また、可動板１０は、平面長方形状であり、その４つの角に、各板バネ１２がそれぞれ連結されている。各板バネ１２は、何れも可動板１０の長辺と平行に配置している。すなわち、可動板１０の長辺の外側に、２本ずつ板バネ１２が配置され、外側（可動板１０から離れた側）に配置された一対の第１板バネ１２ａと、連結腕１４により可動板１０の一方の短辺の両側に接続される。また、内側（可動板１０に近接する側）に配置された一対の第２板バネ１２ｂは、可動板１０の他方の短辺の両側にそれぞれ接続される。
【００２５】
上記した構成の一対の第１板バネ１２ａは、可動板１０が回転して傾斜した際に、同一方向に曲がる。同様に、一対の第２板バネ１２ｂは、可動板１０が回転して傾斜した際に、同一方向に曲がる。そして、第１板バネ１２ａと第２板バネ１２ｂの曲がる方向は反対向きとなる。なお、以下の説明において、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂを区別する必要がない場合には、板バネ１２と称する。
【００２６】
さらに、可動板１０の表面には、反射ミラー１５を設ける。この反射ミラー１５の平面形状も長方形状にしているが、可動板１０の上面に比べて一回り小さい寸法形状としている。よって、可動板１０の表面には、その外周縁部に反射ミラー１５の未形成領域が構成される。なお、この反射ミラー１５並びに以下に示す配線パターンは、例えば金属蒸着により形成することができる。
【００２７】
そして、この未形成領域に平面コイル１７を形成する。このとき、平面コイル１７の両端は、同一方向に曲がる一対の第１板バネ１２ａの上面に配線され、さらに平面コイル１７の一端は、第２板バネ１２ｂ上を通って可動板１０の他方の短辺上を横断するように配線される。つまり、２本の第１板バネ１２ａの上に配線パターン１７ａを形成し、第２板バネ１２ｂ上に配線パターン１７ｂを形成する。そして、この第２板バネ１２ｂに形成した配線パターン１７ｂは、０．５ターン分のコイルとしての機能も発揮する。また、このように４本の各板バネ１２に配線パターンを設けたことにより、バネのバランスが均等にとれる。
【００２８】
上記の構成により、ガルバノミラー素子が形成される。そして、このガルバノミラー素子の外側所定位置に、磁界発生手段として、永久磁石を装着する。この永久磁石により発生する磁界は、板バネ１２と平行になるようにする。
【００２９】
次に、上記したガルバノミラーの動作原理を説明する。平面コイル１７に対し、電流を右回りに通電し、永久磁石により磁界を手前から奥に向けてかけたとする。つまり、図３に示すように、第２板バネ１２ｂの可動板１０に対する接続部位側から、第１板バネ１２ａの可動板１０に対する接続部位側に向けて磁界がかかる。
【００３０】
すると、フレミングの左手の法則に従って磁界と直交する配線パターン、つまり、可動板１０の短辺上の配線パターンに電磁力がかかる。そして、両短辺に形成された配線パターンを流れる電流の向きが逆方向であるので、図３に示すように、可動板１０の長手方向両端に逆向きの力がかかり、その力に引っ張られて可動板１０が回転して傾斜する。そして、板バネ１２の弾性力と電磁力とが釣り合った位置で傾きが停止する。従って、通電する電流の大きさにより、傾きを制御できる。
【００３１】
また、可動板１０の表面には反射ミラー１５を設けているので、図４に示すように、反射ミラー１５に対して光ビームを照射すると、反射光が可動板１０（反射ミラー１５）の傾斜角度に応じた方向に進む。よって、反射ミラー１５の傾斜角度を変えることにより、光ビームの方向、つまり反射光の方向を切り替えることができるので、光スイッチとして機能させることができる。
【００３２】
なお、符号１９は、磁界発生手段たる永久磁石である。すなわち、第１の実施の形態では、磁界は板バネ１２と平行になるように永久磁石を配置するようにしたが、図４に示すように、基板の裏面側に配置することもできる。この場合に、永久磁石１９から発生する磁力線は、可動板１０に対して弧を描いて横切るが、磁界ベクトルの板バネ１２と平行な成分によって、可動板１０ひいては反射ミラー１５を傾斜させることができる。
【００３３】
このように永久磁石１９を基板の裏側配置することにより、ガルバノミラーをよりコンパクトに構成することができる。さらに、ガルバノミラーを横方向に連なって配置したとしても、反射ミラー１５の周囲に存在する駆動系が小さいので小型なものにすることができ、半導体基板上に複数のガルバノミラーを一体で形成し、小型なミラーアレーを構築することもできる。
【００３４】
そして、本形態によれば、電磁力に対抗する弾性力を板バネ１２としているため、以下に示す作用効果を奏する。すなわち、仮に板バネと従来のトーションバーを同じ大きさにしたとすると、単結晶シリコンの物理的性質から、ねじれ応力よりも曲げ応力の方が強い。従って、板バネを使う本形態の方が可動板を大きな角度に傾けることができる。
【００３５】
さらに、仮に可動板を同じ角度に傾けるようにすると、トーションバーは長くなってしまう。すると、可動板の外側に大きく突出するようになり、ガルバノミラー全体が大型化してしまう。これに対し、本形態では係る問題は無く小型化が図れる。しかも、板バネ１２は、可動板１０の側方に沿って配置しているので、ある程度長くしてもガルバノミラー全体の大型化は招かない。
【００３６】
さらに、本形態では、永久磁石１９から発生する磁界をガルバノミラー全体にかかるように構成している。このように全体に磁界がかかったとしても、電磁力が加わるのは、磁力線と直交する配線パターンとなる可動板の短辺部分のみとなるので、板バネに力が直接かかって撓むことが無い。
【００３７】
さらにまた、可動板１０は、長手方向中央部位を中心に回転するので、その可動板１０の長手方向端部（短辺部位）の移動軌跡（円弧）に沿って板バネ１２の先端が動くように設計すると、板バネ１２に曲げ以外のストレスがかからないので好ましい。
【００３８】
次に、上記した構成のガルバノミラーが、実際に動作することを実証する。永久磁石として、現状で最強の磁束密度を有するネオジム磁石を使用すると、３ｍｍのギャップで０．３Ｔの磁力を得ることができる。この磁力に基づいて可動板１０の配線パターンが受ける力Ｆは、下記のようになる。
Ｆ＝μＩＬＨｓｉｎθ （１）
となる。ここで、Ｉは電流，Ｌは配線パターンの長さ，Ｈは磁界の強さ，θは電流と磁界のなす角である。本形態では、透磁率（μ）は１であり、θは９０度である。そして、シリコン基板２の寸法形状は、長辺が２８３０μｍ，短辺が２０００μｍで厚さが４００μｍとし、可動板１０は、長辺が１６００μｍ，短辺が８００μｍで厚さが１００μｍとする。平面コイル１７のターン数を４ターンとし、連結腕１４の部分も考慮すると、配線パターンの長さＬは６．６ｍｍとなる。そして、電流を１０ｍＡ通電した場合の電磁力Ｆは約２０μｍＮとなる。
【００３９】
一方、板バネ１２の寸法を、長さが１０００μｍ，幅が１０μｍで厚さが４μｍとすると、１５度曲げたときの弾性力は、下記式により求められ、約５μＮとなる。よって、４本の板バネ全体で得られる弾性力の合計は、約２０μＮとなる。従って、上記した電磁力と釣り合いがとれるので、可動板１０は１５度傾いた状態で停止する。
Ｗ＝Ｅｂｔ３θ／６Ｌ２ （２）
ここで、Ｗは曲げ荷重，Ｅはヤング率，ｂは板バネの幅，ｔは板バネの厚さ，θは曲げ角，Ｌは板バネの長さである。
【００４０】
一方、上記したようにして電磁力により可動板１０が傾斜し、板バネ１２が曲がると、磁界と電流のなす角θが０で無くなるので、上記した式（１）に従って所定の力が板バネ１２にかかることになる。しかし、本形態では、同一方向に曲がる一対の第１板バネ１２ａの配線パターン１７ａに流れる電流の向きは逆向きであるため、第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａが受ける力は相殺される。第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂについても同様である。よって、本形態では、可動板１０の傾斜角度に関係なく、電磁力が板バネ１２にかかり、撓むことが無い。
【００４１】
次に、上記した構成のガルバノミラーを用いて構成される本発明に係るマトリクス光スイッチの好適な実施の形態について説明する。入力側光伝送路として複数本（ｍ×ｎ本）の光ファイバ２１ａをｍ×ｎに配列した入力用光ファイバアレー２１を用いる。本例では、ｍ＝ｎ＝３２とした。従って、合計１０２４本の光ファイバ２１ａを備える。
【００４２】
この入力用光ファイバアレー２１の出射側端面近傍には、レンズアレー２２を配置している。レンズアレー２２も、光ファイバ２１ａに対応して、コリメートレンズを３２×３２に配置している。これにより、各光ファイバ２１ａから出射された光は、対応するコリメートレンズを通過して平行光束に変換される。そして、係る平行光束の光路上に、上記した一軸に傾くガルバノミラーをｍ×ｎ（３２×３２）に配列したアレー状に集積して構成される第１ミラーアレー２３を配置する。
【００４３】
図６に一部を取り出して示すように、入力用光ファイバアレー２１を構成する光ファイバ２１ａと、レンズアレー２２を構成するコリメートレンズ２２ａと、第１ミラーアレー２３を構成する各ガルバノミラー（反射ミラー１５）は、それぞれ対応しており、所定の光ファイバ２１ａからの光は、必ず対応付けられたコリメートレンズ２２ａを通って所望のガルバノミラー（反射ミラー１５）に照射され、反射されるようになっている。
【００４４】
また、図６に示すように、各ガルバノミラーを構成する板バネと平行に磁界をかけるための磁界発生手段たる永久磁石１９は、素子の裏面（ガラス基板１の非接合面）の外側に配置する。このとき、永久磁石１９から発生した磁界は、ガルバノミラー全体にかかっても問題がないので、図示するようにガルバノミラーの配置ピッチを合わせてＮ極とＳ極とが交互に出現するように着磁している。なお、各ガルバノミラーは、１つ置きに磁界の向きが反転するが、隣り合った反射ミラー１５を同一方向に傾ける場合には、平面コイルに流す電流の向きを逆にすれば良いので問題は無い。
【００４５】
さらに本形態では、上記した第１ミラーアレー２３と同一構成のミラーアレーを全部で６個用意し、第１ミラーアレー２３→第２ミラーアレー２４→第３ミラーアレー２５→第４ミラーアレー２６→第５ミラーアレー２７→第６ミラーアレー２８の順に配置する。第Ｎミラーアレー（Ｎ：２〜５）は、第（Ｎ―１）ミラーアレーからの光を反射させ、第（Ｎ＋１）アレー上の所定の反射ミラーに照射させるようにする。そして、第６ミラーアレー２８の各反射ミラーで反射された反射光は、その反射光の光路上に配置されたレンズアレー２９を構成する各コリメートレンズを介して集光され出力用光ファイバアレー３０の各光ファイバ３０ａに至るようにする。
【００４６】
そして、各ミラーアレーは、一軸に傾く反射ミラーを持っているので、各反射ミラーでは、行または列の何れか一方の一次元の範囲内で反射光の光路を変更することができる。なお、列，行の何れになるかは傾斜方向を９０度変えることにより対応できる。
【００４７】
そこで、本形態では、まず第１，第２ミラーアレー２３，２４間では、第１ミラーアレー２３の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を列内で任意の位置に移動させるようにしている。つまり、図６に示す例では、左端の光ファイバ２１ａからの光は、第１ミラーアレー２３の左端の反射ミラーで反射され、第２ミラーアレー２４の左端の反射ミラーに照射されるようになっている。この状態から、第１ミラーアレー２３の左端の反射ミラーの傾斜角度を徐々に小さくすることにより、反射光が照射される第２ミラーアレー２４の反射ミラーは、左から２番目→３番目→右端というように変更される。
【００４８】
さらに、第２ミラーアレー２４の反射ミラーの角度を調整することにより、図６に示す例では、第２ミラーアレー２４の反射ミラーでの反射光は、常に上方に向くようにする。つまり、第１ミラーアレー２３のどの反射ミラーからの反射光であっても、第２ミラーアレー２４の反射ミラーにおける反射光の光路は、常に同一となるように制御される。これにより、第２ミラーアレー２４の各反射ミラーは、それぞれ第３ミラーアレー２５の各反射ミラーと１対１に対応付けられる。よって、第２ミラーアレー２４のある反射ミラーで反射された反射光は、それが第１ミラーアレー２３のどの反射ミラーからの光かを問わず、必ず第３ミラーアレー２５のある一つの反射ミラーに照射されるようになる。
【００４９】
同様に、第３，第４ミラーアレー２５，２６の間では、第３ミラーアレー２５の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を行内で任意の位置に移動させるようにしている。そして、第４ミラーアレー２６の反射ミラーの角度を調整することにより、第４ミラーアレー２６の各反射ミラーは、それぞれ第５ミラーアレー２７の各反射ミラーと１対１に対応付けられる。
【００５０】
さらにまた、第５，第６ミラーアレー２７，２８の間では、第５ミラーアレー２７の反射ミラーの傾斜角度を調整することにより、反射光を列内で任意の位置に移動させるようにしている。そして、第６ミラーアレー２８の反射ミラーの角度を調整することにより、第６ミラーアレー２８の各反射ミラーは、それぞれ出力用光ファイバアレー３０の各光ファイバ３０ａと１対１に対応付けられる。
【００５１】
さらに、図５に示すように、各反射ミラーが１対１に対応付けられた第２ミラーアレー２４と第３ミラーアレー２５の間、並びに第４ミラーアレー２６と第５ミラーアレー２７の間は、それぞれ傾斜方向を９０度異ならせている。
【００５２】
このように構成することにより、３２×３２の入力用光ファイバアレー２１の任意の光ファイバ２１ａから入力された光ビームは、６枚のミラーアレーの反射ミラーによりその光路が適宜変更されながら進み、最終的に３２×３２の出力用光ファイバアレー３０の任意の光ファイバ３０ａから出力させることができる。つまり、入出力数で１０２４×１０２４のマトリクス光スイッチを構成することができる。
【００５３】
次に、本発明の作用をより詳しく説明する。説明の便宜上、ｍ行ｎ列のミラーアレーを４行×３列とし、１２本の光ファイバの信号切り替えができるマトリクス光スイッチについて説明する。この例では、１２本の入力側光ファイバ２１ａのうち１行１列目からの信号の光路を追って説明する。まず、１行１列目にある入力側光ファイバ２１ａからコリメートレンズ２２ａを通し入力された光ビームは、第１ミラーアレー２３の１行１列目にある反射ミラーに当たる。
【００５４】
反射ミラー１５は、個々に一軸に角度を変えられるようになっているので、その反射ミラーを所定角度を傾けることによって、光ビームは第２ミラーアレー２４の１列目の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射することができる。この動作により同一の列内で行の信号の入れ替えができる。図７の場合、信号は３行１列に切り替えられている。
【００５５】
図８は、第２ミラーアレー２４から第３ミラーアレー２５への光路を示している。第２ミラーアレー２４の３行１列目の反射ミラーは光ビームを第３ミラーアレー２５の３行１列目の反射ミラーに投射するように角度が調整される。つまり、第２ミラーアレー２４の各反射ミラーは入射する光を第３ミラーアレー２５の同行同列の反射ミラーに投射するように調整される。また、第２ミラーアレー２４と第３ミラーアレー２５は、実装される反射ミラー１５の向きを９０度異ならせている。
【００５６】
図９は第３ミラーアレー２５から第４ミラーアレー２６への光路を示している。第３ミラーアレー２５の３行１列目の反射ミラーは光ビームを第４ミラーアレー２６の３行の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射できる。この動作により同一の行内で列の信号の入れ替えができる。図９では３行２列へ光ビームを切り替えている。
【００５７】
図１０は第４ミラーアレー２６から第５ミラーアレー２７への光路を示している。第４ミラーアレー２６の３行２列目の反射ミラーは光ビームを第５ミラーアレー２７の３行２列目の反射ミラーに投射するように角度が調整される。つまり、第４ミラーアレー２６の各反射ミラーは入射する光を第５ミラーアレー２７の同行同列の反射ミラーに投射するように調整される。この機能は、第２，第３ミラーアレー２４，２５の関係と同じである。また、第４ミラーアレー２６と第５ミラーアレー２６も、その反射ミラー１５の向きを９０度異ならせている。
【００５８】
図１１は第５ミラーアレー２７から第６ミラーアレー２８への光路を示している。第５ミラーアレー２７の３行２列目の反射ミラーは、光ビームを第６ミラーアレー２８の２列の任意の反射ミラー（楕円部内）に投射できる。この動作により同一の列内で行の信号の入れ替えができる。この図１１では切り替え無しで、出力しているが、もちろん切り替えることはできる。そして、第６ミラーアレー２８の反射ミラーは、出力用光ファイバ３０に入射できるように光ビームの方向を調整する。
【００５９】
このように、このマトリクス光スイッチの光ビームは、行の変更、列の変更、行の変更と３回に分けて順序を入れ替えることにより、入力を任意の出力に導くことができる。
【００６０】
図１２は、本発明の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、上記した図５に示す実施の形態を基本とし、第６ミラーアレー２８の傾斜方向を異ならせている。つまり、第６ミラーアレー２８の反射ミラーで反射された光ビームは、入力側の光ファイバ２１ａからの光ビームと平行で同一方向（図５の実施の形態と逆方向）に進むように調整している。
【００６１】
すなわち、図５に示す実施の形態では、入力される光ビームと出力される光ビームは平行で逆向きになり、入力用光ファイバアレー２１と出力用光ファイバアレー３０とを同一面に設置することが可能となる。また、図１２に示す実施の形態では、入力される光ビームと出力される光ビームは平行で同一方向を向くことになり、入力用光ファイバアレー２１と出力用光ファイバアレー３０とをほぼ一直線状（実際には、ミラーアレーの幅分以上ずれるが）に配置することが可能となる。このように、システムの形態によって入出力の光ファイバの位置を調整できる。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６２】
なお、各ミラーアレーを構成するガルバノミラーは、上記した図１〜図４に示す構成に限ることは無く、各種の構成を採ることができる。一例を示すと、図１３に示すようにすることができる。この図示した例は、図１に示す構成を基本とし、配線パターンを異ならせている。すなわち、平面コイル１７の両端に連続するようにして、一対の第１板バネ１２ａの上面に形成した配線パターン１７ａを設ける。
【００６３】
そして、配線パターン１７ａと、その第１板バネ１２ａと同一側に配置された第２板バネ１２ｂの上面に設けた配線パターン１７ｂを並列接続する。つまり、一方の第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａと第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂは、それぞれ接続点Ａ１，Ａ２で接続される。他方の第１板バネ１２ａ上の配線パターン１７ａと第２板バネ１２ｂ上の配線パターン１７ｂは、それぞれ接続点Ｂ１，Ｂ２で接続される。さらに、接続点間の配線パターン１７ａ，１７ｂの長さ（抵抗値）は同じになるように設計する。
【００６４】
このように構成すると、接続点間で配線パターンが二股状に分岐されているので、たとえ一方の配線パターンが断線されたとしても、残りの配線パターンを介して平面コイル１７に通電させることができる。つまり、断線に強くなり、耐久性が向上する。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した第１の実施の形態と同様であるので、対応する部材には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６５】
また、図１４に示すように、板バネの形状を異なるせるようにしてもよい。つまり、枠体１１の内周縁中央部位に突起部１１ａを設ける。この突起部１１ａの板厚も枠体１１と同様であり変形しない。
【００６６】
この突起部１１ａから、分岐するようにして長手方向に沿って第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂが形成され、その第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの先端が可動板１０の両端に接続される。さらに、本形態では、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの途中にＳ字状に曲げた緩衝部２０を設ける。
【００６７】
このように形成すると、可動板１０が傾いて板バネ１２が曲がる際に、伸びのストレスを受ける。そこで、このストレスを受けた際に緩衝部２０が伸びることによりストレスを緩和し、板バネ１２が損傷するのを抑制している。
【００６８】
なお、図示省略するが、可動板１０の表面に形成した反射ミラー１５の周囲に平面コイルを設け、その平面コイルの両端は、所定の板バネ１２を介して枠体１１側に引き出される。この時、永久磁石による磁界の方向と、配線方向が、各実施の形態と同様に、可動板１０の短辺側部分に設けた配線パターンと磁界が直交するようにする。
【００６９】
なお、その他の構成並びに作用効果は上記した各実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。もちろん、第２の実施の形態と同様に配線パターンの一部を二股状にすることもできる。一方、本形態では緩衝部２０を設けたが、本実施の形態と同様の板バネの構成をとりつつ緩衝部を設けないようにしてももちろんよい。
【００７０】
また、図１５に示すように構成することもできる。この形態も板バネ１２の形状が相違する。すなわち、第１，第２板バネ１２ａ，１２ｂの何れも中央で折り返す構造をとることにより、全長を長くしている。これにより、板バネ１２の変位量を大きくし、可動板１０（反射ミラー１５）の傾斜角度を大きく採ることができる。
【００７１】
なお、係る構成をとった場合、各板バネ１２ａ，１２ｂの折り返し部分１２ａ′，１２ｂ′は、ねじれ応力がかかるので、それに耐えられるようにするために厚くするのが良い。
【００７２】
さらにまた、図１６に示すように、２本の板バネ１２により可動板１０を支持するようにしたものでもよい。また、板バネ１２の先端は、可動板１０の長手方向中央部位に連結するようにしている。本実施の形態においても、板バネ１２には曲げ応力がかかるだけであり、大きく曲げることができる。
【００７３】
本形態でも、平面コイル１７に通電すると、可動板１０の短辺部位に形成した配線パターンに電磁力がかかり、板バネ１２の可動板１０長手方向両端がそれぞれ上方向／下方向に移動し、回転する。よって、反射ミラー１５も傾斜させることができる。
【００７４】
さらにまた、上記した各例では、何れも可動板１０を板バネを用いて支持するようにしたが、本発明はこれに限ることは無く、トーションバーを用いても良い。つまり、例えば、特開平７−１７５００５号公報などに開示されたガルバノミラーのようなものでもよく、要は一軸に傾斜可能な反射ミラーを備えた素子を複数備えたものであれば良い。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、この発明では、一軸に傾斜する反射ミラーを２次元配置したミラーアレーを６枚設けるとともに、所定の位置関係に配置することにより、マトリクス光スイッチを構成することができる。そして、各ミラーアレーは、一軸に傾斜するので、反射ミラーの周囲の構造が簡単ですむため、たとえ６枚のミラーアレーを用いたとしても、全体としては小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられるガルバノミラーの一例を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ′線矢視断面図である。
【図３】作用を説明する図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ′線矢視断面図である。
【図５】本発明に係るマトリクス光スイッチの好適な一実施の形態を示す図である。
【図６】作用を説明する図である。
【図７】作用を説明する図である。
【図８】作用を説明する図である。
【図９】作用を説明する図である。
【図１０】作用を説明する図である。
【図１１】作用を説明する図である。
【図１２】本発明に係るマトリクス光スイッチの他の実施の形態を示す図である。
【図１３】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１４】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１５】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【図１６】本発明に用いられるガルバノミラーの他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ガラス基板（基板）
２ シリコン基板（半導体基板）
１０ 可動板
１１ 枠体
１２ 板バネ
１２ａ 第１板バネ
１２ｂ 第２板バネ
１２ａ′，１２ｂ′ 折り返し部分
１４ 連結腕
１５ 反射ミラー
１７ 平面コイル
１７ａ，１７ｂ 配線パターン
１９ 永久磁石（磁界発生手段）
２０ 緩衝部
２１ 入力用光ファイバアレー
２１ａ 光ファイバ
２２ レンズアレー
２２ａ コリメートレンズ
２３ 第１ミラーアレー
２４ 第２ミラーアレー
２５ 第３ミラーアレー
２６ 第４ミラーアレー
２７ 第５ミラーアレー
２８ 第６ミラーアレー
２９ レンズアレー
３０ 出力用光ファイバアレー
３０ａ 光ファイバ
Claims (2)
- ２次元配置された複数の入力側光伝送路と、２次元配置された複数の出力側光伝送路と、前記入力側光伝送路からの光の光路を変換し、所望の前記出力側光伝送路に向けて出力する光路変換機構とを備えたマトリクス光スイッチであって、
前記光路変換機構は、一軸に傾斜可能な複数の反射ミラーを２次元配置されて構成するミラーアレーを６個用い、
前記入力側光伝送路から入力された光ビームは、第１ミラーアレー，第２ミラーアレー，第３ミラーアレー，第４ミラーアレー，第５ミラーアレー，第６ミラーアレーの順に反射しながら進み、その第６ミラーアレーで反射された反射光が前記出力側光伝送路に至るように構成され、
前記第１ミラーアレーと前記第２ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とし、
前記第３ミラーアレーと前記第４ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の他方の任意の位置に移動可能とし、
前記第５ミラーアレーと前記第６ミラーアレーの間で、光が照射される前記反射ミラーの行内または列内の一方の任意の位置に移動可能とし、
前記第２ミラーアレーと前記第３ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるとともに、前記第４ミラーアレーと前記第５ミラーアレーの反射ミラーの向きを９０度異ならせるように構成したことを特徴とするマトリクス光スイッチ。 - 平板状の可動板と、その可動板の外周囲を囲むようにして配置される枠体と、前記可動板を枠体に対して回転可能に支持する複数の板バネが一体的に形成された半導体基板と、
前記可動板上に形成された反射ミラーと、
前記可動板上の前記反射ミラーの周囲に形成される平面コイルと、
前記板バネと平行に静磁界を与える磁界発生手段を備え、
前記板バネは、前記可動板の側縁に沿って配置されるように構成したガルバノミラーを複数用いて前記ミラーアレーを構成し、前記可動板上に形成された反射ミラーが、前記一軸に傾斜可能な反射ミラーであることを特徴とする請求項１に記載のマトリクス光スイッチ。
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