JP3719208B2 - 光路制御素子、それを用いたミラー搭載発光素子、ミラー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、その製造方法、及び、ミラーに関し、特に、半導体基板、プリント回路基板の配線を光学回路化する光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、その製造方法、及び、ミラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信には、光ファイバ、半導体レーザ素子（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）から形成される光モジュールが用いられる。そのモジュールの光スイッチ、アイソレータ、光導波路のような受動素子、能動素子は、その高性能化、高機能化により、それらの応用範囲が拡大されつつある。光加入者系では、個々の光素子の低価格化が求められるとともに、光素子が機能的に組み合わされて配列される光モジュールの低価格化が不可避的に求められている。
【０００３】
その低価格化のためには、光素子をマイクロオプティツク的にブロック状に配列する同軸型のモジュール構成ではなく、複数の光素子を同一基板上に配列する平面型光回路のモジュール構成がより望ましいと考えられている。図３２は、そのように望ましいとされている従来の双方向モジュールの平面型光回路を示している。同一のＳｉ基板１０１の上面に、ＬＤ１０２、ＰＤ１０３、光導波路１０４、波長フィルタ１０５、光ファイバ１０６が配置されている。送信源であるＬＤ１０２から出射され、波長が１．３μｍである出射光は、光導波路１０４に入射し、波長フィルタ１０５の中で直進して伝送路である光ファイバ１０６により受信側へ伝送される。光ファイバ１０６により伝送されてくる波長が１．５５μｍの信号光は、光導波路１０４に入射し、波長フィルタ１０５で隣接の導波路に光路が変更されてＰＤ１０３に入射して、光の受信がなされる。このように平面型光回路が用いられて、小型の送受信光モジュールが実現され得る。慣用の半導体プロセス技術により、Ｓｉ基板１０１に、光導波路１０４、波長フィルタ１０５、光ファイバ１０６を位置決めする溝が一括に形成され、製作コスト、実装コストの低減が可能であり、更に、実装面積の縮小化が実現される。
【０００４】
光素子には、ＬＥＤ、ＰＤのように表面発光（受光）素子であって光軸が垂直方向に向くものと、ＬＤのように端面発光（受光）素子であって、通常平面内に配置される導波路のように光軸が水平方向に向くものとがある。光軸方向が互いに直交するこれらの２種の光素子が同一基板上に混在して平面的に配置されて光学的に結合されると、光路の９０°変換が必要になる。Masataka Itoh, et.al.,46th Electronic Component & Technology Conference, p.1などに示されるように（図３３）、この技術では、光ファイバ１０６からの出射光を、シリコン基板１０１を異方性エッチングして作製した斜面１０９で反射して、ＰＤ１０３に向かう方向に光路変換して光結合している。また、特開平７−１５９６５８号に示されるように、光路変換の慣用の技術としてプリズムが知られている（図３４）。光導波路１０４から出射した光ビーム１０７は、プリズム１０８又は反射ミラーの反射面１０９で９０゜の方向変換を受ける。しかし、これらの方法では、光ビーム１０７は、光路の変換を可能とするが、その変換方向は１方向に限られている。
【０００５】
光路を変換しない場合の実装方法が、図３５に示されている。ＰＤ１０３の非平面的実装のためには、新たに立体的な位置調整を行い、ＰＤ１０３を支持する他の基板１１０と、その基板を調整位置で固定するための部品とを必要とし、この方法においても光導波路１０４から出射された光ビームをＰＤ１０３にて、一定の位置で受光するものである。
【０００６】
このような問題点が解決されたとしても、次に、光経路のスイッチングのため光経路変換機構が必要になる。光経路変換機構として、非可動式スイッチと可動式スイッチが知られている。非可動式スイッチとして、光学結晶の電気光学効果、磁気光学効果が利用される技術が知られている。可動式スイッチとして、R.Jebens et.al., Sensors and Actuators 20, p.65-73, 1989 で示されているように、光ファイバを機械的に駆動する技術が知られ、又は、L.Y.Lin et.al., IEEE Photon Technol. Lett. 10, 1425, 1998, J.Mohr et.al., Technical Digest of International Conf. on Optical MEMS and Their Applications, p221-226 に示されているように、複数の微小ミラーを駆動する技術・方式（Micro-electro-mechanical-systems:MEMS）が知られている。後者は、安価に大規模な光スイッチを実現する技術として期待されているが、複数の微小ミラーを必要とし、微小ミラーを個々に制御する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するべく、光路変換を任意に変更することを目的とし、光路中に設けられたミラーにより任意に光路の制御を行う事ができる光路制御素子、それを用いたミラー搭載発光素子、ミラーを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光路制御素子は、光路中に設けられたミラーの反射面の角度を任意に設定することによって光路の制御を行うことを特徴とする。
更に、ミラーは回転可能な能動体上に設けられ、更に、能動体が基板上に設けられることを特徴とし、更に、ミラーは支持体を介して前記能動体上に設けられている。
【０００９】
また、本発明のミラー搭載発光素子は、能動体を基板上に有する光路制御素子と同じ基板上に発光素子が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光路制御素子は、ミラーが接して設けられた能動体によって変位力を与えられて変形することで反射面の角度を変化させることを特徴とし、更に、能動体が物理的変位力を受けて変位するものであって、物理的変位力は、電歪、磁歪、磁気、電気、相転移、光圧、熱的膨張収縮、気体圧力、圧電、光圧電のいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光路制御素子は、ミラーが外部より物理的変位力を受けて変形するものであって、物理的変位力は、電歪、磁歪、磁気、電気、相転移、光圧、熱的膨張収縮、気体圧力、圧電、光圧電のいずれかであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光路制御素子は、ミラーが少なくとも１層の薄膜よりなることを特徴とする。更に、ミラーが多層薄膜構造よりなり、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた圧電膜と、更に前記圧電膜の下部に設けられた電極膜とからなることを特徴とする。
また、更に、ミラーが多層薄膜構造よりなり、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた形状記憶合金層とからなることを特徴とする。
更に、ミラーが基板に対し垂直な面において線対称形状を保持する構造よりなることを特徴とし、更に、ミラーが錐体よりなることを特徴とする。
また、更に、ミラーが、錐体の頂点・頂線部分を分離することで１対以上に分離分割された構造よりなることを特徴とし、更に、分離分割されたミラーのそれぞれに電流を流すことによって生じた分離分割されたミラーの吸引力もしくは反発力によってミラーを変形させることを特徴とする。また、分離分割されたミラーのそれぞれが磁気材料よりなり、分離分割されたミラーの極性を変更することによってミラーを変形させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のミラー搭載発光素子は、能動体に接して設けられ、変位力を与えて変形することで反射面の角度を変化させることができるミラーを有する光路制御素子と同じ基板上に発光素子が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の光路制御素子は、光路中に設けられたミラーの位置を任意に設定することによって光路の制御を行うことを特徴とし、さらに、また、光路の発光側からの距離を制御することによってミラーを任意の位置に設け、光路の制御を行うことを特徴とする。
更に、ミラーを能動体上に設け、能動体の位置を制御することでミラーの位置を変更することを特徴とし、更に、能動体が物理的変位力を受けて変位もしくは移動するものであって、前記物理的変位力は、電歪、磁歪、磁気、電気、相転移、光圧、熱的膨張収縮、気体圧力、圧電、光圧電のいずれかであることを特徴とする。
更に、能動体が基板上に設けられていることを特徴とし、更に、ミラーは支持体を介して前記能動体上に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明のミラー搭載発光素子は、光路中に設けられたミラーの位置を任意に設定することによって光路の制御を行う光路制御素子と同じ基板上に発光素子が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
また、更に、本発明のミラーは、少なくとも１層の薄膜より構成された錐体よりなることを特徴とする。
更に、ミラーが多層薄膜構造よりなり、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた圧電膜と、更に前記圧電膜の下部に設けられた電極膜とからなることを特徴とする。
また、更に、ミラーが多層薄膜構造よりなり、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた形状記憶合金層とからなることを特徴とする。
また、本発明のミラーは、錐体の頂点・頂線部分を分離することで１対以上に分離分割された構造よりなることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のミラーは、薄膜で形成された内部に金属が充填されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の実施の形態は、基板にミラーが実装され、図１に示されるように、その基板１の上面側にミラー２が立体的に配置されている。基板１にはその上面に円盤状の歯車３が可動的・回転的に配置されている。歯車３の上面に、それと同軸に台座４が接合している。ミラー２は、後述される別工程で型に形成され、その型から剥がされ台座４の斜面５に転写されて台座４に接合される。ミラー２は、三角錐、三角柱、四角錐、四角柱のような形状に形成されている。ミラー２が三角柱であれば、その軸直角断面上でその三角形は正三角形であり、３つの角度はそれぞれに６０度である。台座４は、その断面が直角三角形であり、斜面５と基板１又は歯車３の上面との間の角度は、３０度である。ミラー２の１つの面は反射面２’として形成され、その反射面２’と基板１の上面との間の角度は、９０度であり、反射面２’は基板１に直交している。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｈ）は、本発明によるミラーの製造方法の実施の形態を示している。図２（ａ）に示されるように、結晶方位（１００）の直径６インチ、厚み１ｍｍのシリコンウエハ６の両面に、熱酸化膜７を厚み１μｍで成膜する。図２（ｂ）に示されるように、片側の熱酸化膜７にフォトレジスト８を厚み５μｍで塗布し、所定のマスクを通して露光した後に、現像、水洗、パターニングの各処理を行って、フォトレジスト８に第１開口部９を形成する。
【００２０】
第１開口部９の形状は、縦７０μｍ×横１００μｍである。第１開口部９をバッファ−ドフッ酸に浸してシリコンウエハ６の表面の熱酸化膜７をエッチングし、水洗した後に、図２（ｃ）に示されるように、フォトレジスト８を溶剤で除去し、洗浄して、熱酸化膜７に第２開口部１１を形成して、シリコンウエハ６に露出面１２を形成する。図２（ｄ）に示されるように、水酸化カリウム溶液で第２開口部１１に露出しているシリコンウエハ６を異方性エッチングして（１１１）面を持つ四角錐形状の窪み１３を作製する。図２（ｅ）に示されるように、シリコンウエハ６のくぼみ１３が形成されている側（既述の片側）の熱酸化膜７をバッファ−ドフッ酸で全てエッチングする。ここで、実装を考慮して、シリコンウエハである型６には、図３に示されるように、凸部分１４が形成され、凸部分１４に既述の窪み１３が形成されると好都合である。
【００２１】
図２（ｆ）に示されるように、シリコンウエハ６の窪み１３が形成されている側の面に、銅スパッタ膜１５を厚さ１μｍに成膜する。図２（ｇ）に示されるように、フォトレジスト１６を銅スパッタ膜１５の上面に塗布して、露光し、現像しパターニングを行う。その開口部形状は、図４に示されるように、その開口部は窪み１３を含み、左右に接続部分が形成された形状になっている。ここで、光回路基板１との接続部分を光学的入射方向以外に設けている（その光軸は点線で示されている。）。
【００２２】
次に、電解メッキでＡｕメッキ膜１７を銅スパッタ膜１５の上面に厚さ５μｍで形成する。図２（ｈ）に示されるように、フォトレジスト１６を溶剤で除去し、硫酸５％と過酸化水素水５％のエッチング液に浸して、銅スパッタ膜１５を０．８μｍエッチングする。この工程により、銅スパッタ膜１５が薄くなって、後の工程のミラー転写時の応力を低減することができ、不良を少なくすることができる。
【００２３】
このように形成されるミラー２は、板状に薄く中ぐりされた錐体または角柱体に形成される。全体の質量が小さいので、小さい力で運動しやすく、且つ、変形しやすい。四角錐、四角柱に形成される場合は、屈折ラインを持つ屈折部分の形成が可能であり、屈折的変位が容易である。角柱、錐体は、型としての結晶体の結晶軸の向きが利用されて、慣用のエッチング技術により、容易に形成されることができ、鏡面精度が高い。
【００２４】
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の製造方法の他の実施の形態を示し、特に、歯車３と三角形状部品である台座４を基板１に接合する接合方法を示している。歯車３と台座４とは、Ｘ線リソグラフィーと電気メッキを用いる既述のＬＩＧＡプロセスにより作製され得る。歯車３と台座４は、共にＮｉで形成され、そのＮｉ本体にはＡｕメッキが施されている。
【００２５】
台座４は、図５（ｂ）に示されるように、Ｘ線リソグラフィーにより、基板１上に回転可能に形成されている。台座４は、歯車３の上面に半田を介して接合されて実装される。図５（ｃ）に示されるように、Ａｕメッキ膜１７が形成された図２（ｈ）に示されるシリコンウエハ６と台座４とを接続装置（図示されず）により位置合わせし、Ａｕメッキ膜１７を台座４の斜面５に接合する。その接合の状態で、型であるシリコンウエハ６をＡｕメッキ膜１７から剥離し、Ａｕメッキ膜１７の表面側の銅スパッタ膜１５をエッチングして、Ａｕメッキ膜１７のＡｕ膜面を露出させる。反射面２’は、四角錐面の４つの面（底面側２”は開放されている）の１つに一致している。次に、光ファイバ１８と集光レンズ１９とを目標位置に実装する。
【００２６】
図６に示されるように、基板１上には、静電アクチュエータ２１とラック（時計のガンギ車）２２とが配置されている。静電アクチュエータ２１の線形運動をラック２２が歯車３に伝達し、ラック２２は、静電アクチュエータ２１の線形運動を歯車３の回転運動に変換する。静電アクチュエータ２１の変位量は厳密に制御され、ＰＤ２３の出射光２４は正確に出射側光ファイバ１８の端面に直角に十分な精度で入射することができる。歯車３を正確に９０度回転させて、出射側光ファイバ１８に１８０度で対向する他の光ファイバ１８に入射させることができた。ミラー２の反射面２’の反射損失は、０．１ｄＢ程度であり、十分に低い値がえられることが確認され、結果的に、反射面２’の鏡面度と静電アクチュエータ２１による回転角度制御が十分に高精度であることが確認された。図２（ｄ）のステップで、窪み１３の窪み角度を変更することにより、反射面２’と基板面との間の角度は自由に変更することが可能である。
【００２７】
図７は、本発明によるミラーの製造方法の実施の更に他の形態を示している。図２（ｇ）に示されるフォトレジスト１６により形成されている開口部の形状は、図７に示されるように改変されている。その開口部は、両側の接続部相当面２５’，２６’と、２反射面相当面２５，２６とから形成されている（従って、斜線部は除去される）。図７に示される型で形成されるミラー２は、図８に示されるように、実装される。接続部相当面２５’，２６’に対応して形成される両側接続部２７，２８は、基板１の本体側と、可動側とにそれぞれに接合されている。２反射面相当面２５，２６に対応して形成されている両側反射面を有する両側反射面体２９，３１は、対称基準平面３０に対して対称に形成されている。
【００２８】
基板１の一部に低位部分が形成され、その低位部分の上面にアクチェータ２１が対称基準平面３０に直交する方向に変位することができるように配置されている。片側の接続部２７は基板１に対して固着され、他方側の接続部２８は静電アクチュエータ２１の上面に固着されている。接続部２７と接続部２８は、同一平面上に位置している。アクチェータ２１は、線形に１００μｍほど伸縮変位することができる。両側反射面体２９，３１は、ミラー２を形成し互いに相対的に屈折する両側の屈折部分が薄く形成され、その屈折変位が容易である。ここで、片側の接続部２７は、支持体に固着した上で、基板１上に固定しても良い。
【００２９】
図９（ａ），（ｂ）に示されるように、静電アクチュエータ２１は膨縮し、静電アクチュエータ２１の膨張位置と収縮位置との２変位位置で、反射面体２９の反射面と反射面体３１の反射面の角度が異なる。図１０は、このように反射角度を変えることができる２×２の４つのミラー２を用いた光スイッチを示している。４つのミラー２は、４つの静電アクチュエータ２１により個別にそれぞれに既述の通りに変形的に駆動される。２チャンネルの出力側光ファイバ１８と２チャンネルの入力側光ファイバ１８’は、出力側レンズ１９と入力側レンズ１９’と、ミラー２と、反射鏡３３とを介して、光により接続される。
【００３０】
一方の出力側光ファイバ１８から出射する一方の出射光３４は、第１ミラー２の一方の反射面体３１で反射し、反射鏡３３で反射し、第４ミラー２の他方の反射面体２９で反射して、一方の入力側光ファイバ１８’に入射する。他方の出力側光ファイバ１８から出射する他方の出射光３５は、第２ミラー２の一方の反射面体３１で反射し、反射鏡３３で反射し、第３ミラー２の他方の反射面体２９で反射して、他方の入力側光ファイバ１８’に入射する。静電アクチュエータ２１を２位置動作させることにより、出射光３４又は出射光３５を入射させる２つの入力側光ファイバ１８’を選択的に変更することができる。ミラー２が持つ２反射面のうちの１つが用いられ、回路構成が簡素化する。
【００３１】
図１１は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の他の実施の形態を示している。図８に示されるミラー２の頂点・頂線部分（既述の屈折部分）が削除され、両接合部２７，２８はともに基板１に固着されている。２つに分離分割されたミラー部分３６，３７の裏面側に電線（図示されず）が蒸着されている。その電線に電流を流すことにより、ミラー部分３６，３７の電線に電流を流すことにより、その電流に比例する吸引力又は反発力で、両ミラー部分３６，３７は互いに引き合い又は互いに反発して、両ミラー部分３６，３７の反射面体２９，３１の角度が変更される。ミラー２の周囲に配置される複数の出力側光ファイバ１８のいずれかと、同様に配置される複数の入力側光ファイバ１８’のいずれかとを選択的に光学的に接続することができる。このようなミラー２は、その変位力が小さくてすみ、変位速度が速い。
【００３２】
図１２に示されるように、図１１の基板１が大基板１’に接合されている。基板１の基板面は、大基板１’の基板面に直交している。このような直交関係で基板１と大基板１’を接合すれば、図１１のファイバ１８，１８’の光軸を大基板１’の基板面に平行に配置することができ、大基板１’で規定される平面上で光スイッチ回路を形成することができる。
【００３３】
図１３（ａ），（ｂ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の実施の更に他の形態を示している。図８に示されるミラー２の頂点部分が削除され、両接合部２７，２８はともに基板１に固着されている。２つに分離分割されたミラー部分３６，３７に正負の電位を印加することにより、ミラー部分３６，３７の角度を変更することができる。図１３（ａ）は、正又は負の同じ極性の電圧印加により、ミラー部分３６，３７が互いに反発して遠ざかる場合を示し、図１３（ｂ）は、正又は負の異なる極性の電圧印加により、ミラー部分３６，３７が互いに吸引して接近する場合を示している。このようなミラーの駆動により、光スイッチを形成し、又は、光学的回路を自由に多様に形成することができる。
【００３４】
図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の製造方法の更に他の実施の形態を示している。図１４（ａ）に示されるように、図７に示される型で形成される図８のミラー２を基板１に形成することは、既述の通りである。図１４（ａ）で示される状態では、既述の通りのエッチングによりＡｕ膜面は既に露出している。そのミラー２と基板１にそれらの上面側から、スプレー式にレジスト膜４１を形成する。レジスト膜４１をパターニングして、ミラー２の頂点部分を露出させる。図１４（ｂ）に示されるように、イオンビームエッチングにより、ミラー頂点部分を除去する。次いで、図１４（ｃ）に示されるように、レジスト膜４１を剥離して、図１１，１２に示される分離分割型のミラー２が形成され得る。反射面体２９と反射面体３１は、これら両面が反射面として利用され得る。
【００３５】
図１５は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。ミラー２は、２反射面を持つミラー本体４２と、圧電膜４３と、電極層４４とから形成されている。圧電膜４３は、ミラー本体４２の下面に積層化されている。電極層４４は、圧電膜４３の下面に積層化されている。ミラー本体４２と、圧電膜４３と、電極層４４は、既述の図８のミラー２と同様にそれぞれに両側接続部を有し、それらの接続部の３層の積層により基板１に全体として接合されている。基板１に電極４５が形成され、電極４５とミラー本体４２の接続部との間がボンディング４６で電気的に接続されている。電極層４４の接続部と電極４５の間に電圧を印加することにより、図１６（ａ），（ｂ）に示されるように、圧電膜４３が歪んで圧電膜４３に積層されているミラー本体４２の表面の傾斜角度が変更される。ミラー本体４２の表面の傾斜角度は、電圧制御により正確に制御され得る。
【００３６】
図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、ミラーの製造方法の更に他の実施の形態を示し、特に、図１５のミラー２の製造方法を示している。図２（ｅ）のステップに次いで、型であるシリコンウエハ６に銅スパッタ膜１５が形成され、レジストをパターニングして、Ａｕメッキ膜１７を銅スパッタ膜１５の上面に形成してレジストを剥離する。次に、図１７（ａ）に示されるように、スパッタで圧電膜４３をＡｕメッキ膜１７の上面に１μｍの厚さで形成し、レジストでパターニングし、ドライエッチングでミラー形成部分にのみパターニングを行う。次に、図１７（ｂ）に示されるように、電極層４４になる金属を蒸着により圧電膜４３の上面に形成し、レジストを剥離する。図１７（ｃ）に示されるように、電極層４４と圧電膜４３とＡｕメッキ膜１７と銅スパッタ膜１５とで形成される４層の積層体を基板１の所定位置に転写する。その転写の際には、電極層４４の接合部が、基板１に対して半田で接合される。次に、銅スパッタ膜１５を既述の通りにエッチングにより除去する。図１７（ｄ）に示されるように既述の通りにボンディングを行って、図１５に示されるミラー２が基板１に実装されて形成される。
【００３７】
このような電歪効果を持つ圧電膜に代えられて、磁歪効果を持つ磁気膜、光磁気的に磁歪効果を持つ光学的磁気膜が用いられ得る。
【００３８】
図１８は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。大基板１’の上面に小基板１が移動可能に支持されている。基板１に既述のミラー２が接合されている。大基板１’に超音波発生源（例示：圧電素子、レーザーによる超音波励起）４５が接合している。図１９に示されるように、超音波発生源４５により大基板１’に生成される表面弾性波４６は、その進行波によりミラー２を目標位置に移動させることができ、その定在波によりそのミラー２をその目標位置に正確に固定させることができる。このようなミラー２の変位駆動により、図１８に示されるように、１つの出力側光ファイバ１８と複数の入力側光ファイバ１８’との間の光学的回路を選択的に変更することができる。
【００３９】
図２０は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の実施の更に他の形態を示している。基板１上に、２つの電磁石４７と１つの永久磁石４８とが基板１上に接合している。永久磁石４８は、基板１の上面で摺動的に変位・移動自在である。ミラー２は、永久磁石４８の上面側に固着されて実装されている。図２１（ａ），（ｂ）に示されるように、永久磁石４８の磁気的極性を変えることにより、永久磁石４８は一方側の電磁石４７又は他方側の電磁石４７に吸着又は反発して２位置間で変位し、移動する。永久磁石４８のこのような２位置間の移動により、図２０に示されるように、出力側光ファイバ１８を複数の入力側光ファイバ１８’のいずれかとの間の光学的接続回路を選択的に変更することができる。
【００４０】
図２２（ａ），（ｂ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。本実施の形態のミラー２は、頂点部分が分離分割された既述のミラーが使用されている。両ミラー部分３６，３７に磁気材料が使用され、ミラー部分３６とミラー部分３７の磁化方向を変えることにより、内側面どうしの同極性と異極性とを選択的に変更することにより、両ミラー部分３６，３７の離隔と接近を切り換えて、その反射面の角度を変更することができる。
【００４１】
図２３は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。ミラー２は、反射面を備えるミラー本体４９と、ミラー本体４９の下面側に積層される形状記憶合金層５１とから形成されている。形状記憶合金層５１には、通電回路が接続されている。その通電により、形状記憶合金層５１の温度は高低の２温度状態を採ることができる。その２温度状態により、図２４（ａ），（ｂ）に示されるように、形状記憶合金層５１は初期形状と終期形状の２形状状態を採ることができる。このような２形状状態は、ミラー本体４９の反射面が変形され、その反射角度は２状態で選択的に変更され得る。このような選択的変更により、出力側光ファイバ１８から出射される光を複数の入力側光ファイバ１８’に入射させる複数の光学的回路を選択的に変更することができる。
【００４２】
図２５は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。基板１の内部に熱変化セル５２が設けられている。熱変化セル５２の内部には液体５３が充填されている。流体を加熱することにより、セル５２の内部の圧力が変化して、図２６（ａ），（ｂ）に示されるように、基板１は通常変形と加熱時変形の２変形状態を採ることができる。その２変形状態により、基板１は、初期形状と終期形状の２形状状態を採ることができる。このような２形状状態は、ミラー２の高低位置が変更される。このような選択的変更により、図２５に示されるように、出力側光ファイバ１８から出射される光を複数の入力側光ファイバ１８’に入射させる複数の光学的回路を選択的に変更することができる。液体５３とともに光吸収体がセル５２の中に充填され、光エネルギーをその光吸収体に吸収させて液体５３の温度を変化させることができる。ここで、熱変化セルとして内部に液体を充填させているが、体積を変化させるものであれば良く、気体を充填させ、ポンプにより体積を変化させても良く、ヒータ等の加熱手段によって、体積を膨張させても同様の動作をさせることができ、複数の光学的回路を選択的に変更することができる。
【００４３】
図２７と図２８は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示している。基板１上に回転自在であるマイクロ光車５４が設けられている。マイクロ光車５４の形状は、回転対称であるが鏡面対称ではない。マイクロ光車５４の回転軸心線Ｌを光軸とする第１レーザーと第２レーザーをマイクロ光車５４の表裏面に向かう方向に照射して基板１の表面とマイクロ光車５４の裏面との間に光流層を形成し、マイクロ光車５４を基板１に対する浮遊状態にトラップする。回転軸心線Ｌに直交する方向から１つ又は複数の第３レーザーをマイクロ光車５４の翼部分に照射することにより、基板１に対して浮いているマイクロ光車５４を制御回転位置に固定することができる。
【００４４】
図２９は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の他の実施の形態を示し、特に、図１７に示される製造方法で製造された図１６に示されるミラー２の応用を示している。そのようなミラー２が、基板１に接合されている。ミラー２は、既述の通り、表面層であるミラー本体４２と中間層である圧電膜４３と裏面層である電極層４４とから形成されている。基板１の上方位置に受光部５５が配置されている。受光部５５の下面側に受光素子５６が配置されている。
【００４５】
熱膨張のような原因により、図３０に示されるように、受光素子５６に位置ずれが生じれば、図３１に示されるように、電極４５と電極層４４との間に電圧を印加して、ミラー本体４２の曲率を変更し、出力側光ファイバ１８から出射される光が受光素子５６に再び正しく入射するように正確に制御することができる。受光素子５６が出力する電圧値又は電流値が変化すれば、印加電圧を正負の両方向に変化させて受光素子５６の出力値の増減を検出するフィードバック制御により、出力側光ファイバ１８から出る光を常に正しく受光素子５６に入させる制御が可能である。このような制御により、光学的回路の光結合効率を最適切に保持することができる。
【００４６】
図３６は、本発明によるミラーの他の実施の形態である塊形状のミラーを示している。これまでの実施形態では、図３６(ａ)の断面構造を持つ薄膜ミラーによるものであったが、本実施形態では、断面が図３６(ｂ)のように詰まっている塊形状のミラーについて示している。塊形状のミラーは図３７、図３８に示すようにして形成する。最初に、図３７のように、ワイヤボンダーを用いて、基板に金バンプ５６を形成する。基板の金バンプを形成したい部分に、事前に金パッド５５を設けておく。金バンプの底面の直径８０μｍ、高さ９０μｍで、ほぼ円錐形である。次に、図３８（ａ）のように型５７を金バンプに押し当て、３００℃の熱と５０ｇの圧力を加えながら金バンプ５６を成形して、図３８（ｂ）のように、ミラー２を得ることが出来る。ミラー２の高さは４２μｍで、反射面の大きさは６０μｍ×５２μｍである。型は、シリコン基板を異方性エッチングしたものや、ステンレス等の金属を加工したものを用いることが出来る。
【００４７】
この塊形状のミラー２は、以下の光スイッチに適用することができる。図１の歯車を用いる光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、図１８、図１９の圧電素子で超音波を発生する光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、図２０、図２１の磁石を用いる光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、図２５、図２６の液体を用いる光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子、図２７の光圧力を用いる光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の光スイッチに適用することが出来る。この塊形状のミラーを用いる利点は、ミラーの強度が増加して、温度変化等による反射面形状の変化が小さくなり、安定した反射性能が得られることである。ここで、ミラーの形状は、形状が３角柱を任意の平面で切断した構造を示したが、多角錐で底面以外の面の数は３〜１０であり、反射面が錐面であるもの、円錐であり反射面が錐面であるもの、三角柱であり反射面が柱体の面であるもの、形状が４角柱であり反射面が柱体の面であるもの、四角柱を任意の平面で切断したものでも良い。また、本実施例では、ミラーの材質を金としたが、これ以外にもアルミニウム、銀、銅、白金、チタン、ニッケルであってもよく、金９９％＋パラジウム１％のように、１％程度の他金属を混合するようなものであっても、光スイッチとして作用させる事ができる。
【００４８】
図３９は、本発明の光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の他の実施形態を示している。図３９の光スイッチの構造を説明する。光導波路５８（５８−１，５８−２，５８−３）が３本あり、その交差部に空間を設けている。その空間にガス６０が充填されているとともに、基板１に実装されたマイクロミラー２がある。更に、ヒータが図の位置に設けられている。次にマイクロミラー２の駆動方法を説明する。図３９（ａ）では、上側のヒータ５９−１でガスを加熱する。この作用により、マイクロミラー２の上側の空間の圧力が下側の空間の圧力より高くなり、ミラーは図３９（ａ）の位置に固定される。この位置にミラーがあると、左側の光導波路５８−１から出た光はマイクロミラー２で反射され、下側の光導波路５８−２へ導かれる。逆に、図３９（ｂ）では、下側のヒータ５９−２でガスを加熱する。この作用により、マイクロミラー２の上側の空間の圧力が下側の空間の圧力より低くなり、ミラー２は図３９（ｂ）の位置に固定される。この位置にミラー２があると、左側の光導波路５８−１からの入射光は、マイクロミラー２で反射されず右側の光導波路５８−３に入る。この動作を用いて、光経路を変えることが出来る。つまり、光スイッチとして用いることが出来る。ここで、マイクロミラー２の移動範囲は、ミラー背面に位置する壁面と図３９（ａ）の位置に固定するための位置決めを設けることにより制御し得る。
【００４９】
更に、他のミラー駆動方法について説明する。ヒータ５９の代わりに、図４０のようにポンプ７０（７０−１，７０−２）を用いる。ポンプ７０を用いてガスを吸引又は排出して、ガスの圧力を調整することにより、ミラー２を動かすことが出来る。ガスの代わりに液体を用いることもできる。光導波路間の空間に液体を充填しておく。上側のポンプ７０−１から液体を排出し、下側のポンプ７０−２から液体を吸引するとミラー２は図４０（ａ）の位置に固定される。上下のポンプの作用を逆にすると、ミラーは図４０（ｂ）の位置に固定される。この液体による動作方法を用いても、ガスを用いる場合と同様に光路を切り替えることができる。
【００５０】
図４１で、ヒータを用いた光スイッチの製造方法を説明する。図４１（ａ）では、光導波路を、化学気層形成法とリアクティブイオンエッチング法により形成する工程を示している。次に、図４１（ｂ）のように、ヒータあるいはポンプを実装するために、金属Ｔｉ：１００Ａ／Ａｕ：５０００Ａをスパッタ法により基板全体に成膜し、レジストを１μｍ厚で成膜後、ヒータ形状あるいはポンプ形状のパターニングを行う。次に、ドライエッチング法で不要部分の金属を削り取った後、レジストを除去する。再び、図４１（ｃ）のように、レジストによりパターニングを行った後、ドライエッチング法を用いて、光導波路の交差部に穴を形成する。その後、図４１（ｄ）のように、光導波路の交差部に形成された穴の中に基板に実装されたミラーを図の向きで挿入し、蓋をして、図３９および図４０の光スイッチを得る事ができる。ここでは、空気をガスとして用いている。また、ミラーは、塊形状のもの、薄膜形状のもののいずれも用いることが出来る。以上の過程で光スイッチを作製することが出来る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明による光路制御素子、それを用いたミラー搭載発光素子、ミラーは、光路中に設けられたミラーの反射面の角度を任意に設定することができるので、光路を任意に変更する事ができる。
また、本発明による光路制御素子、それを用いたミラー搭載発光素子、ミラーは、光路中に設けられたミラーの光路の発光側からの距離を任意に制御することができるので、光路を任意に変更する事ができる。
本発明のミラーは、少なくとも一層の薄膜より構成された錐体よりなるので、反射面の角度の変更、および反射面の変形が容易にでき、光路を容易に制御する事ができる。
また、本発明のミラーは、金属からなる微小なミラーを容易に得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による光路制御素子の実施の形態を示す正面図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ）は、本発明によるミラーの製造方法の実施の形態のステップをそれぞれに示す断面図である。
【図３】図３は、図２の型の一部の変形例を示す断面図である。
【図４】図４は、図２（ｇ）の平面図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の製造方法の実施の形態のステップをそれぞれに示す正面図である。
【図６】図６は、図５（ｂ）を更に詳しく示す図５（ｂ）の平面図である。
【図７】図７は、本発明によるミラーの製造方法の実施の他の形態を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明による光路制御素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図９】図９（ａ），（ｂ）は、図８の光路制御素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す正面図である。
【図１１】図１１は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す正面図である。
【図１２】図１２は、本発明による光路制御素子の更に他の実施の形態を示す正面図である。
【図１３】図１３（ａ），（ｂ）は、図１１の光路制御素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明による光路制御素子の製造方法の更に他の実施の形態のステップをそれぞれに示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、図１５の光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図１７】図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本発明による光路制御素子の製造方法の更に他の実施の形態のステップをそれぞれに示す断面図である。
【図１８】図１８は、本発明によ光路制御素子、およびミラー搭載発光素子るの更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図１９】図１９は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図２０】図２０は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図２１】図２１（ａ），（ｂ）は、図２０の光路制御素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図２２】図２２（ａ），（ｂ）は、図１１の光路制御素子の他の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図２３】図２３は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図２４】図２４（ａ），（ｂ）は、図２３光路制御素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図２５】図２５は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す断面図である。
【図２６】図２６（ａ），（ｂ）は、図２５の光路制御素子の２つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図２７】図２７は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す平面図である。
【図２８】図２８は、図２７の正面図である。
【図２９】図２９は、本発明による光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す正面図である。
【図３０】図３０は、図２９の光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の１つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図３１】図３１は、図２９の光路制御素子、およびミラー搭載発光素子の他の１つの動作状態をそれぞれに示す断面図である。
【図３２】図３２は、公知の光回路を示す平面図である。
【図３３】図３３は、公知の他の光回路を示す正面図である。
【図３４】図３４は、公知の更に他の光回路を示す正面図である。
【図３５】図３５は、公知の更に他の光回路を示す正面図である。
【図３６】図３６は、本発明によるミラーを示す断面図である。
【図３７】図３７は、図３６(右)のミラーの製造方法の実施の形態の第１のステップを示す断面図および上面図である。
【図３８】図３８は、図３６(右)のミラーの製造方法の実施の形態の図３７のステップに続くステップを示す図面である。
【図３９】図３９は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の他の実施の形態を示す平面図である。
【図４０】図４０は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の更に他の実施の形態を示す平面図である。
【図４１】図４１は、本発明による光路制御素子、およびそれを用いたミラー搭載発光素子の製造方法の他の実施の形態を示す断面図および平面図である。
【符号の説明】
１…基板
１’…大基板
２，４２…ミラー
３…能動体（アクチェータ）
４，４３，４４、５４…支持体
５…斜面
６…型
１３…凹面
１５…銅層（剥離層）
１７…鏡面層
２１…能動体
２５，２６…反射面相当面
２５’、２６’…接合部相当面
２７…第１接合部分
２８…第２接合部分
２９…第１屈折層（第１能動体、屈折体）
３１…第２屈折層（第２能動体、屈折体）
３１…第２屈折層
３６…第１揺動体
３７…第２揺動体
４２…第１層
４３…第２層
４４…第３層
４７…第２磁石
４８…第１磁石
４９…第１層
５１…第２層
５４…能動体（回転体）

Claims (8)

1. 光路中に設けられたミラーの反射面の角度を任意に設定することによって光路の制御を行うことを特徴とする光路制御素子であって、
   前記ミラーは少なくとも１層の薄膜より構成された錐体を備え、前記錐体の頂点・頂線部分を分離することで１対以上に分離分割された構造を有し、
   外部より物理的変位力を受けて変形する光路制御素子。
2. 前記ミラーは多層薄膜構造を有し、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた圧電膜と、更に前記圧電膜の下部に設けられた電極膜とを具備する請求項１記載の光路制御素子。
3. 前記ミラーは多層薄膜構造を有し、少なくとも反射面を備える本体と、その下部に設けられた形状記憶合金層とを具備する請求項１記載の光路制御素子。
4. 前記ミラーの分離分割された構造のそれぞれに電流を流すことによって生じた吸引力もしくは反発力によってミラーを前記ミラーは変形される請求項１記載の光路制御素子。
5. 前記ミラーの分離分割された構造のそれぞれが磁気材料を有し、前記ミラーの分離分割された構造の極性を変更することによってミラーが変形される請求項１記載の光路制御素子。
6. 前記ミラーは能動体上に設けられ、前記能動体が変位することによって前記光路の制御が行われる請求項１から３のいずれかに記載の光路制御素子。
7. 前記ミラーを形成する薄膜の少なくとも一部が能動体上に設けられ、前記能動体が変位することによって前記ミラーが変形されて前記光路の制御が行われる請求項１から３のいずれかに記載の光路制御素子。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の光路制御素子と同じ基板上に発光素子が設けられているミラー搭載発光素子。

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