JP3733100B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自由空間伝播光ビームの光路を切り替える光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光スイッチの従来構造の一例を図４に示す。方形状をなす可動電極板１１はこの例ではその互いに対向する２つの角部が支持ビーム１２に支持されており、これら支持ビーム１２は可動電極板１１の２辺に沿うようにそれぞれ配設されて、その他端が基板１３上に形成された一対のアンカー１４にそれぞれ連結支持されている。
枠状をなす基板１３の他面側には固定電極板１５が配置されており、基板１３の枠内に位置された可動電極板１１は固定電極板１５と所定の間隙を介して平行対向されると共に、２本の支持ビーム１２により、その板面と垂直方向に、つまり固定電極板１５の板面に対して垂直方向に変位可能とされている。
【０００３】
可動電極板１１の上面中央部にはマイクロミラー１６が直立されて形成されており、マイクロミラー１６は直方体形状をなすものとされる。
上記のような構造を有する光スイッチ１７はフォトリソグラフィやエッチングといったマイクロマシニング技術、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術と称される技術を使用して作製され、基板１３及び固定電極板１５にはシリコン基板が用いられ、可動電極板１１、支持ビーム１２及びアンカー１４はポリシリコン膜によって一体形成される。
【０００４】
マイクロミラー１６は厚膜タイプのレジストをフォトリソグラフィによりパターニングして形成した基体の表面に金（Ａｕ）をスパッタすることによって作製される。
このような光スイッチ１７においては、固定電極板１５と可動電極板１１との間に電圧を印加して、それら電極板間に互いに吸引する静電気力を発生させることにより、その静電気力によって可動電極板１１が固定電極板１５側に駆動変位され、これによりマイクロミラー１６を可動電極板１１の板面に対して垂直方向に変位させることができるため、可動電極板１１の板面と平行方向から入射する光ビームの光路切り替えを行うことができるものとなっている。
【０００５】
図４Ａ中、２１〜２３は例えばこの光スイッチ１７の周囲に配置される光ファイバを示し、３１は光スイッチ１７に入射される入射光ビーム、３２，３３は出射光ビームを示す。
光路にマイクロミラー１６が挿入されている状態においては、入射光ビーム３１はマイクロミラー１６によって反射され、その出射光ビーム３２は光ファイバ２２に入射される。一方、可動電極板１１が静電駆動され、マイクロミラー１６が変位して光路から外れた状態では、入射光ビーム３１はそのまま直進して出射光ビーム３３となり、光ファイバ２３に入射される（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１２１９６７号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光スイッチ１７においては、例えば可動電極板１１上へのマイクロミラー１６の作製時に、入射光ビーム３１の光軸に対してマイクロミラー１６のなす角度がずれると、光の結合効率の大幅な低下を招き、性能不良になるといった問題があった。
図５はこの様子を示したものであり、マイクロミラー１６が破線で示した正規の位置（角度位置）から角度δ回転した状態で作製されると、出射光ビーム３２の出射方向は破線で示した正規の方向から角度δの２倍の２δずれることになり、光ファイバ２２に入射する出射光ビーム３２に大きな損失が生じるものとなる。
【０００８】
従って、従来の光スイッチ１７においてはマイクロミラー１６の作製精度に極めて高い精度が要求されるものとなっており、この点で光スイッチ１７の歩留りは良好とは言えず、高価なものとなっていた。
一方、この種の光スイッチにおいては、例えば直方体形状をなすマイクロミラー１６の裏面側も反射面として使用し、表裏両面の反射面によって２つの入射光ビームの光路切り替えを同時に行うといったことが考えられる。
図６はこのようなことを考えた場合のマイクロミラーと光ファイバの配置構成例を示したものであり、この例では直交する２軸の交点にマイクロミラー１６が配置され、それら２軸上に４本の光ファイバ２１〜２４が配置されている。
【０００９】
この配置構成において、まずマイクロミラー１６が光路から外れている場合を考えると、光ファイバ２１と２３及び２４と２２はそれぞれ光軸が一致しているため、光ファイバ２１からの入射光ビーム３１は光ファイバ２３に、光ファイバ２４からの入射光ビーム３４は光ファイバ２２にそれぞれ入射する。
これに対し、マイクロミラー１６が光路に挿入された状態では、入射光ビーム３１及び３４がそれぞれマイクロミラー１６によって反射されて出射する出射光ビーム３２及び３５の光軸は、マイクロミラー１６に厚みｔがあるため、図６に示したように直交２軸に対して、それぞれｄ＝（√２／２）ｔのオフセットがかかり、よって光ファイバ２２及び２３の光軸と一致せず、光結合することができないものとなっていた。
【００１０】
つまり、このように４本の光ファイバ２１〜２４が配置される４ポートの光スイッチを考えた場合、マイクロミラー１６の厚みｔがあるために、スルー（光ファイバ２１→２３，２４→２２）と反射（光ファイバ２１→２２，２４→２３）のすべての光軸を合わせることはできないものとなっていた。
この発明の目的はこれら問題に鑑み、マイクロミラー作製時における回転許容公差を緩和でき、その点で歩留り向上、ローコスト化を図ることができ、さらには上述したような４ポート化に対してもすべての光軸を合わせることができ、その点でスイッチングの自由度が大きい光スイッチを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、固定電極板と対向配置された可動電極板上にマイクロミラーが直立形成され、可動電極板をその板面と垂直方向に静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、入射する光ビームの光路切り替えを行う光スイッチを前提とする。
【００１２】
特にこの発明によれば、上記マイクロミラーが入射光ビームを２回反射して入射方向に対し直角に出射させる２つの反射面を、表裏両面にそれぞれ具備するものとされ、それら表裏両面の反射面によって、直交２軸上の２つの入射光ビームの光路切り替えを同時に行う構成とされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光スイッチの一実施例を示したものであり、図４と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例では方形状をなす可動電極板１１は４本の支持ビーム１２によって、その板面と垂直方向に変位可能に支持されている。これら支持ビーム１２は枠状をなす基板１３の対向２辺上に形成された一対のアンカー１４の各両端部からそれぞれ導出されており、それぞれ可動電極板１１の２辺に沿うように、可動電極板１１の回りに同じ向きに延伸されて可動電極板１１の４つの角部に連結されている。
【００１４】
可動電極板１１上に搭載されたマイクロミラー４１は、この例では従来のマイクロミラー１６のような単なる直方体形状ではなく、その中央部がくびれた形状とされ、その表裏両面にはそれぞれくびれを構成する２つの反射面４２，４３及び４４，４５が形成されている。これら反射面４２と４３及び４４と４５とはいわゆるコーナーリフレクターの形状をなすものとされ、反射面４２と４３及び４４と４５とがなす角度θはこの例ではそれぞれ１３５°とされる。
上記のような形状を有するマイクロミラー４１は例えば厚膜タイプのレジストをフォトリソグラフィによりパターニングして形成した基体の表面にＡｕをスパッタすることによって作製される。なお、このマイクロミラー４１の高さは例えば１００μｍ程度とされ、またこの図１に示した光スイッチ４６の全体の寸法（チップの大きさ）は例えば５００μｍ×２５０μｍ程度とされる。光スイッチ４６はＭＥＭＳ技術を使用して作製される。
【００１５】
図２はこの光スイッチ４６において、入射光ビームがマイクロミラー４１によって反射される様子を示したものであり、図中、破線はマイクロミラー４１が正規の位置（角度位置）に作製された状態及びその時の光ビームの進行を示し、実線はマイクロミラー４１が正規の角度位置から角度δ回転して作製された状態及びその時の光ビームの進行を示す。
光ファイバ２１からの入射光ビーム３１はマイクロミラー４１の反射面４２と４３とによって２回反射されるものとなっており、それら反射面４２，４３のなす角度θが１３５°とされているため、出射光ビーム３２は入射光ビーム３１の入射方向に対して９０°の方向に出射される。
【００１６】
マイクロミラー４１が破線で示した正規の角度位置から角度δ回転した状態で作製されたとしても、この出射光ビーム３２の方向は変わらず、つまり図５に示した従来例のように角度δの２倍、出射方向がずれてしまうといった状況は発生せず、図２に示したように出射光ビーム３２は正規の位置に対して、つまり光ファイバ２２の光軸に対してわずかにオフセットするだけとなる。
なお、図２はマイクロミラー４１のくびれ部分の厚みの中央を中心とした回転を強調して、大きさｓのオフセットを描いているが、例えば２つの反射面４２，４３の１３５°の角度をなしている交点を中心とした回転であれば、想定しうる有限の大きさの角度δに対して、オフセットｓは事実上、ゼロといってよい。
【００１７】
これに対して、図４，５に示した従来例では光スイッチ１７の全体の寸法を５００μｍ×２５０μｍ程度とすると、例えば、δ＝１°の回転でも光ファイバ２２の端面が位置する光スイッチ１７の辺縁部において、図２におけるｓと同じ方向に４μｍ以上のオフセットが生じ、結合光量は完全に失われてしまう。
このように、この例によれば従来のように大きな損失は発生せず、マイクロミラー４１は作製時における回転許容公差が大きいものとなる。
図３はマイクロミラー４１の表裏両面の反射面４２，４３及び４４，４５を使用し、２つの入射光ビームの光路切り替えを同時に行うように構成し、４ポートの光スイッチとした場合を、図６に示した従来例と同様に示したものであり、この図３から明らかなように、このマイクロミラー４１においては２回反射させることにより、従来のマイクロミラー１６のような厚みｔによるオフセットは発生せず、スルー（光ファイバ２１→２３，２４→２２）と反射（光ファイバ２１→２２，２４→２３）のすべての光軸合わせが可能となる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による光スイッチによればマイクロミラーの作製における回転許容公差が緩和されるため、作製が容易となり、よって歩留りが向上し、その分ローコスト化を図ることができる。
しかも、この発明によれば、マイクロミラーの表裏両面を反射面として使用し、２つの入射光ビームの光路切り替えを同時に行う４ポートの光スイッチに対しても、光軸ずれのない、すべてのポートの光軸が合った光スイッチを提供することができるため、その点でスイッチングの自由度が大きく、高性能な光スイッチが得られ、また複数の光スイッチをアレイ状に配列した光スイッチアレイも容易に構成できるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による光スイッチの一実施例を示す斜視図。
【図２】図１に示した光スイッチにおけるマイクロミラーの回転による出射光ビームの変化を説明するための図。
【図３】図１に示した光スイッチにおいてマイクロミラーの表裏両面を反射面として使用する４ポート構成とした時の配置及び光ビームの進行を示す図。
【図４】Ａは従来の光スイッチを示す平面図、Ｂはその断面図。
【図５】図４に示した光スイッチにおけるマイクロミラーの回転による出射光ビームの変化を説明するための図。
【図６】図４に示した光スイッチにおいてマイクロミラーの表裏両面を反射面として使用する４ポート構成とした時の、マイクロミラーの厚みによって生じるオフセットを説明するための図。

Claims (1)

1. 固定電極板と対向配置された可動電極板上にマイクロミラーが直立形成され、可動電極板をその板面と垂直方向に静電駆動してマイクロミラーを変位させることにより、入射する光ビームの光路切り替えを行う光スイッチにおいて、
   上記マイクロミラーは入射光ビームを２回反射して入射方向に対し直角に出射させる２つの反射面を、表裏両面にそれぞれ具備するものとされ、
   それら表裏両面の反射面によって、直交２軸上の２つの入射光ビームの光路切り替えを同時に行う構成とされていることを特徴とする光スイッチ。

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