JP3907634B2 - 光デバイス - Google Patents
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従来技術の具体例として、特許文献1に開示されているMEMS光スイッチの構造を図9に示す。この光スイッチは光ファイバ106が十字型に配置され、その交叉部分にミラー102が挿抜自在に配置される。ミラー102は可動ロッド116の先端に支持されており、可動ロッド116の後端に櫛歯型静電アクチュエータ122が連結される。可動ロッド116はヒンジ124で軸線方向に可動自在に支持されており、櫛歯型静電アクチュエータ122の駆動によりミラー102を光導波部に対して挿抜駆動する。
ミラー102が光導波路に挿入されている状態では出射用光ファイバ106Aから出射した光をミラー102で反射させて受光用光ファイバ106Cで受光し、また、出射用光ファイバ106Bから出射した光は受光用光ファイバ106Dに入射する状態とされる。ミラー102を光導波路から抜き出した状態では出射用光ファイバ106Aから出射した光は受光用光ファイバ106Dに入射し、また、出射用光ファイバ106Bから出射した光は受光用光ファイバ106Cで受光する状態に切り替えられる。
そのため、アクチュエータの駆動力が前記駆動部を駆動すべき所望の方向とは異なるベクトル成分を含有している場合や、衝撃力等の外乱が作用した場合に、前記可動部がピッチングやヨーイング等の回転運動を起こす危険性を内在していた。
一方、前記光デバイスを光スイッチとして適用する場合、前記ミラー102を光導波部に挿入された状態と、同光導波部から退避した状態との間で2値制御する必要がある。何れか一方の状態で保持する場合、願わくは、電力の供給が絶たれてもその状態を保持し続けられる自己保持機能を有していることが望ましい。この自己保持機能を実現する一手段として、“bistable”と称される屈曲したヒンジを座屈させることにより2安定状態を生み出す構造が従来より知られている。
前記光デバイスでは、ヒンジ幅の許容マージン上限はアクチュエータの最大駆動力で制限され、下限は耐衝撃性(安定状態を保持し得る限界衝撃力)によって決定される。従って、上述のように、第1安定状態と第2安定状態の保持力が大きく異なれば、ヒンジ幅の上限は大きい方の保持力とアクチュエータ最大駆動力との関係で制限され、また、下限は小さい方の保持力と耐衝撃性との関係で決まる。その結果、ヒンジ幅の許容マージンが挟小化(すなわち、製造歩留まりの低下)するという弊害が生じる。
この発明の第2の目的は2安定状態を生み出す構造のヒンジを用いて、ミラーの挿抜位置において電圧の印加を解くことができる光デバイスを提供することにある。
この発明の第3の目的はヒンジ幅許容マージン幅を拡大し、製造歩留まりを向上することができる光デバイスを提供することにある。
この発明の請求項3では、請求項1記載の光デバイスにおいて、前記光ファイバ溝に保持される光ファイバは全てファイバ・コア端面の屈折率がnで、端面が研磨角度θ′で加工されており、ミラー反射面に入射する光と、前記ミラーで反射される光の為す角度を90度にすべく、出射用光ファイバと、前記ミラー面の反射光受光用光ファイバの為す角度θが
θ=π/2−2{sin−1(nsinθ′)−θ′}
となるよう前記光ファイバ溝が形成されている光デバイスを提供する。
これにより、例え、アクチュエータの駆動力が可動部を駆動すべき所望の方向とは異なるベクトル成分を含有している場合においても、駆動力の不要ベクトル成分に対し複数のヒンジから均等に反力が作用するため、可動部の所望の駆動方向以外への動きを効果的に抑制することができる。
更に請求項1の特徴に加え、請求項2に示すようにアクチュエータの駆動力作用点が可動部重心と概ね一致することで、衝撃力等の外乱が作用した場合においても、
1)重心に関し対称な位置に複数のヒンジが設けられている、
2)重い構造体であるアクチュエータを複数のヒンジが均等に支持している、
という2点の構造的特徴により可動部の不必要な動きを効果的に抑制することができる。
1)シリコン・デバイス層表面にシリコン酸化膜を形成する。
2)フォトリソグラフィー技術により前記シリコン酸化膜のパターニングを行う。
3)パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン・デバイス層をDRIE(Deep Reactive Ion Etching)等の手法により異方性エッチングする。
4)シリコン酸化膜に対して選択性のあるエッチャントを用いて、シリコン基板とシリコン・デバイス層の間に埋め込まれているシリコン酸化膜を除去し、可動部をリリースする。この時、可動部と固定部それぞれの島状に独立した構造部は面積的なコントラストがつけてあるため、適切な時間内でエッチングを終了する限り、固定部下のシリコン酸化膜は残存する。
5)ミラー、電極パッドの必要部位に対して、Au等の反射率の高い金属で表面をメタライズする。
ファイバ端面が互いに向き合ったクロス導波部にはミラー4が挿入されている。ミラー4はクロス導波部に挿入されて光を反射する時に最も高精度にアライメントされている必要があることから、本実施形態においては、ミラー4がクロス導波部に挿入されている状態を初期形状としてデバイスを作製している。ミラー4、櫛歯型静電アクチュエータの可動電極5、板バネ状ヒンジ6A〜6Dといった一連の構成要素は可動ロッド7により連結され、それら全体として可動部を形成している。櫛歯型静電アクチュエータの第1固定電極8、第2固定電極9、及びアンカ10は絶縁層(シリコン酸化膜)を介してシリコン基板に固定されているが、可動部は基板から浮いた状態で4本の板バネ状ヒンジ6A,6B及び6C,6Dによって支持されている。図1に示す11、12は第1固定電極8及び第2固定電極9の電位を電圧印加状態とアースに落とす状態に切り替えるための電極を示す。
同様に、Addポートから入射された光はOutputポートへと反射される。可動部と板バネ状ヒンジ6A〜6Dを介して電気的につながれたアンカ10、第2固定電極9、及び基板をそれぞれアースした状態で第1固定電極8に電圧を印加すれば、第1固定電極8と可動電極5との間に静電吸引力が働き、その力が第1安定状態の保持力よりも大きい場合、板バネ状ヒンジ6A〜6Dは第2安定状態へと反転し、電力の供給を絶ってもその状態で自己保持される。この時、ミラー4はクロス導波部から退避した状態であるため、Inputポートから入射された光はそのままOutputポートへと導かれる。逆に、アンカ10、第1固定電極8、及び基板をアースした状態で第2固定電極9に電圧を印加すれば、第2固定電極9と可動電極5との間に静電吸引力が作用し、その力が第2安定状態よりも大きい場合には再び第1安定状態へと戻る。
本実施形態の光デバイスのパッケージングを実施する際、ファイバをパッケージから互いに平行に引き出そうとすれば、ファイバの最小曲げ半径によってパッケージ・サイズは制約を受けることになる。従って、パッケージのダウン・サイジングを優先すれば、ミラー反射面に対する入射光と反射光の為す角を鋭角もしくは鈍角にする方が有利と考えられる。然し乍ら、ミラー反射面への入射光と反射光の為す角を鋭角にすれば光のワーキング・ディスタンス(WD)は長くなる。
また、仮にレンズ系の工夫によりBWDを広げずにWDを長くすることができたとしても、それによって光学系のアライメントに要求される精度はより厳しいものになるというデメリットも生まれる。
以上のことを総合的に踏まえて、本実施形態における光デバイスにおいては、上述の通り、ミラー反射面に対する入射光と反射光の為す角が90°で結合効率が最大となるように各ファイバ溝1を形成した。上記ルールに従って端面斜め研磨されたファイバを使用する場合には、ミラー反射面に入射する光を出すファイバとミラー4からの反射光を受光するファイバとの為す角は若干鋭角となり、各ファイバ溝自体を90°間隔で配するよりはパッケージのダウン・サイジングの面においても幾分有利となる。
θ=π/2−2{sin−1(nsinθ′)−θ′}
ここで、θ′は光ファイバ端面研磨角度、nはファイバ・コアの屈折率、また、光ファイバの配置条件としては、
1)図2のように、出射側と受光側の2本のファイバの端面斜め研磨の鋭角部を互いに近接して対向する位置関係に配置する。
2)図2のように、ミラー4への入射光と反射光の為す角が90°である。
以上の2点が前提となる。
この例では、例えば、θ′=6°、また、n=1.46とすると、光ファイバの軸線相互の為す角度θはθ=84.44°となり若干鋭角となる。
このような構造をとることにより、例え、アクチュエータの駆動力が前記可動部を駆動すべき所望の方向とは異なるベクトル成分を含有している場合においても、前記駆動力の不要ベクトル成分に対し前記4本の板バネ状ヒンジ6A,6B,6C,6Dから均等に反力が作用するため、前記可動部の所望の駆動方向以外への動きを効果的に抑制することができる。
このような構造をとることにより、衝撃力等の外乱が作用した場合においても、
1)可動部の重心に関し対称な位置に4本の板バネ状ヒンジ6A,6B,6C,6Dが設けられていること、
2)重い構造体である可動電極5を4本の板バネ状ヒンジ6A,6B,6C,6Dが均等に支持していること、
という2点の構造的特徴により可動部の不必要な動きを効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の光デバイスでは、可動部を支持する2本の板バネ状ヒンジ6が座屈することにより2つの安定状態で自己保持することが可能な“bistable”方式を採用している。“bistable”の特徴はその力−変位特性(図4)に見ることができる。初期形状にある板バネ状ヒンジ6A〜6Dに対し、ミラー4を退避させる方向(紙面下方向)に強制変位を与えていった時の板バネ状ヒンジ6A〜6Dの反力は、変位が小さな初期段階では単調増加するが、座屈荷重で極大を示し、その後変位の増大と共に単調減少し、やがて極小値を迎えた後再び増大する。このように、力−変位特性において極大/極小を示し、尚且つ、極小値が負の値をとる時にのみ2つの安定状態で自己保持することが可能となる。
図5に示されるように、第1安定状態と第2安定状態の保持力が大きく異なれば、ヒンジ幅の上限は高い方の保持力とアクチュエータ最大駆動力との関係で制限され、また、下限は低い方の保持力と耐衝撃性との関係で決定される。その結果、ヒンジ幅の許容マージンは狭小化を余儀なくされる。すなわち、安定状態の保持力を等しくすることは、ヒンジ幅の許容マージンを拡大し、ひいてはデバイスの製造歩留まりを向上させることができる。
1)挿入損失 :0.7dB以下
2)偏波依存損失 :0.1dB未満
3)反射減衰量 :50dB以上
4)クロストーク :70dB以上
5)スイッチング時間 :1ms以下
尚、4本の板バネ状ヒンジ6A〜6Dがアクチュエータ駆動力の不要ベクトル成分を効果的に抑制していることの現れとして、前記可動部の動作は図1の紙面縦軸方向(y軸)に滑らかな動きをしており、連続スイッチング動作による繰り返し耐久性試験では、10億回のスイッチング動作後も特性上特に異常は認められていない。また、板バネ状ヒンジ6A〜6Dの形状を最適化し、第1安定状態と第2安定状態の保持力を概ね等しくした効果として、サンプルを次の2点の試験項目すなわち、
1)50Gの衝撃力作用時に自己保持機能が維持されていること、
2)75Vの駆動電圧にて安定に動作することでスクリーニングしたところ、同一ロット140サンプルの全てが評価項目をパスしており、一方ヒンジ形状を最適化していない場合では140サンプル中15サンプルが上記試験項目の何れかを満足することができず、同試験の合格率は約90%であった。このことは第1安定状態と第2安定状態の保持力を概ね等しくしたことにより、ヒンジ幅の許容マージンが拡大されたことを示唆している。
本実施形態では、第1安定状態の保持力が第2安定状態のそれの約2倍(F1/F2=2)であったことから、第1安定状態から第2安定状態へ駆動する際の力がそれとは逆方向の駆動力のほぼ2倍になるよう、該方向への駆動時に寄与する櫛歯の櫛歯数を逆方向の約1.2倍(N1/N2=1.2)に増やすと共に櫛歯間ギャップを約0.6倍(g1/g2=0.6)に挟小化している。これは、第1の実施形態で第1安定状態と第2安定状態の保持力が等しくなるようヒンジ形状の最適化を図ったのと同様の効果を狙ったもので、図8に示される通り、大きい方の保持力とアクチュエータ最大駆動力(許容駆動電圧)との関係で制限されるヒンジ幅の上限を広げることができる。
2 ファイバ押圧バネ 11、12 電極
3 ファイバ端面突き当て
4 ミラー
5 可動電極
6A〜6D 板バネ状ヒンジ
7 可動ロッド
8 第1固定電極
9 第2固定電極
Claims (4)
- 基板上に形成された光デバイスであって、
前記基板上に形成され光ファイバを保持する少なくとも2本以上の光ファイバ溝と、
可動ロッドとこの可動ロッドの先端に装着したミラーとから構成された可動部と、
この可動部を構成する可動ロッドの中間部分に、その両側に延長した一個の可動電極が装着され、この可動電極を挟んで前記可動ロッドの先端側と後端側の双方各々に固定電極が配され、前記可動ロッドを軸線方向に移動させる櫛歯型静電アクチュエータと、
この櫛歯型静電アクチュエータの駆動力が作用する駆動力作用点を挟んで前記可動ロッドの先端側と後端側の双方で前記可動ロッドを可動自在に支持する複数のヒンジとによって構成され、
前記複数のヒンジは可動ロッドの軸線方向に平行な中心線に対して線対称な配置で前記可動ロッドを支持し、前記複数のヒンジと可動ロッドとの連結点が前記駆動力作用点に関して対称な位置にあることを特徴とした光デバイス。 - 請求項1記載の光デバイスにおいて、前記櫛歯型静電アクチュエータの駆動力作用点は、櫛歯型アクチュエータを構成する可動電極を含む可動部の重心としたことを特徴とする光デバイス。
- 請求項1記載の光デバイスにおいて、前記光ファイバ溝に保持される光ファイバは全てファイバ・コア端面の屈折率がnで、端面が研磨角度θ′で加工されており、ミラー反射面に入射する光と、前記ミラーで反射される光の為す角度を90度にすべく、出射用光ファイバと、前記ミラー面の反射光受光用光ファイバの為す角度θが
θ=π/2−2{sin−1(nsinθ′)−θ′}
となるよう前記光ファイバ溝が形成されていることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至3記載の光デバイスの何れかにおいて、
前記複数のヒンジの第1安定状態の自己保持力をF1、及び第2安定状態の自己保持力をF2、
第1安定状態から第2安定状態へ駆動するための櫛歯型静電アクチュエータの櫛歯の数をN1及び櫛歯間のギャップをg1、
第2安定状態から第1安定状態へ駆動するための櫛歯型静電アクチュエータの櫛歯の数をN2、及び櫛歯間のギャップをg2としたとき、
F1・g1/N1とF2・g2/N2とをほぼ等しくすることを特徴とする光デバイス。
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