JP3907634B2 - 光デバイス - Google Patents

Description

この発明は例えば半導体異方性エッチング等の方法によって、基板上にミラー、ヒンジ、アクチュエータ、光導波部の各要素を形成し、光導波部にミラーを挿抜することによって光路の切換えや、各入射ポートに結合される光量の調整を行う光デバイスに関する。

半導体異方性エッチング等の方法により、基板上にミラー、ヒンジ、アクチュエータ、光導波部の各要素を形成し、光導波部にミラーを挿抜することによって光路の切換えを行う機能を有する光スイッチが提案されている。
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。

櫛歯型静電アクチュエータ１２２は可動櫛歯１１０と固定櫛歯１０８とによって構成され、これらの間に電圧を印加することにより静電気の力で吸引力が発生し、可動ロッド１１６を図面中下向に移動させ、ミラー１０２を光導波部から抜き出した状態に維持させる。電圧の印加を解くと、可動ロッド１１６はヒンジ１２４の復帰力で上昇し、ミラー１０２を光導波路に挿入し、元の状態に戻される。
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。
特表２００３−５０６７５５号公報

従来のＭＥＭＳ光デバイスにおいては、ミラーを含む可動部に対するアクチュエータの可動力作用点とヒンジによる支持点の位置関係、或は、それらと前記可動部の重心との位置関係について、前記可動部の動特性を充分に配慮した最適な配置になっていないのが実状であった。
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。

つまり、特許文献１に開示されているＭＥＭＳ光スイッチでは、可動部における櫛歯型静電アクチュエータ１２２の位置は、ヒンジ１２４を挟んでミラー１０２とは対極の端に設けられている。今仮に、前記アクチュエータ１２２が一連の作製プロセスを終えた時点で、本来均一であるはずの可動櫛歯１１０の側壁と固定櫛歯１０８の側壁との隙間（櫛歯間ギャップ）がある任意の櫛歯から見て左右で異なるといったような何らかの構造的不均一性や非対称性を有していれば、前記アクチュエータ１２２の駆動力は図９において紙面横軸方向（ｘ方向）のベクトル成分を含むこととなる。なぜなら、電位差のある櫛歯間に作用する静電吸引力は前記櫛歯間ギャップの大きさに反比例し、前記隙間が小さい櫛歯間にはより大きな吸引力が作用するからである。

この時、駆動力作用点は前述の通り可動部の最も紙面下端に位置しているため、前記駆動力作用点からより近いヒンジ１２４の支持点により強い力のモーメントが加わり、可動部は紙面に垂直な軸（ｚ軸）回りに回転運動（ヨーイング）を起こすこととなる。この現象が度を過ぎれば可動電極と固定電極とが接触して電気的に短絡するという事故が発生する。また、櫛歯電極等の比較的重い構造体が可動部の端部にあれば、外乱が作用した場合に可動部はヨーイングやピッチング（ｘ軸回りの回転運動）等の回転運動を起こしやすく、衝撃力の作用時やスイッチング動作時の可動部安定性の観点からも不適切な構造と言える。
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“ｂｉｓｔａｂｌｅ”の具体例として、図１０に示されるようなヒンジ構造の特性がＭＩＴのＪｉｎ Ｑｉｕらによって解析的及び実験的に明らかにされている。このヒンジは、シリコン・プロセスによって形成されたモノリシック構造であり、その初期形状は板バネの両端の回転自由度を拘束しながら圧縮して座屈させた時の形状を模して形成されている。この場合、初期形状（第１安定状態）からヒンジが反転した形状（第２安定状態）に移行させる時のヒンジの最大反力（すなわち、第１安定状態の保持力）と第２安定状態から第１安定状態に戻すときのヒンジの最大反力（すなわち第２安定状態の保持力）との比は１：１とはならず、前者に比べて後者の方がかなり小さくなることが示唆されている。

前記光デバイスに前記“ｂｉｓｔａｂｌｅ”構造のヒンジを適用した場合、次の点に関し改善の余地が残されている。一般に、前記光デバイスにおいて寸法上の許容マージンが最も厳しいのが前記ヒンジの幅と考えられる。なぜなら、前記ヒンジは可動部を支持するという役割を担っていることから、駆動方向に柔軟な構造であることが要求され、その幅は極めて細く形成することが求められる。更に、前記ヒンジの曲げ剛性はその断面が長方形の場合、ヒンジ幅の３乗に比例し、ヒンジ幅の変化に非常に敏感であると言える。
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１の目的は衝撃力作用時やスイッチング動作時に安定性が高い光デバイスを提供することにある。
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１では、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装着され、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光デバイスを提供する。

この発明の請求項２では、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光デバイスを提供する。
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。

この発明の請求項４では、請求項１記載の光デバイスであって、複数のヒンジの第１安定状態及び第２安定状態の自己保持力をそれぞれＦ１及び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数及び櫛歯間ギャップをそれぞれＮ１及び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数及び櫛歯間ギャップをＮ２及びｇ２としたとき、Ｆ１・ｇ１／Ｎ１とＦ２・ｇ２／Ｎ２とをほぼ等しくする構造とした光デバイスを提供する。

本発明は、例えば半導体異方性エッチング等の方法により、基板上のミラー、ヒンジ、アクチュエータ、光導波部の各要素を形成し、光導波部にミラーを挿抜することによって光路の切替えや、各入射ポートに結合される光量の調節を行なうＭＥＭＳ光デバイスであって、該光デバイスのミラーを除く可動部は、ミラー駆動方向と平行な中心線に関して線対称な構造を有し、尚且つ、複数のヒンジによる可動部の支持点がアクチュエータの駆動力作用点に関してほぼ対称な位置にあることを特徴とする。
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。

また、本発明の光デバイスは、可動部を支持する複数のヒンジ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で、ヒンジが図１に示すような屈曲部を２ヶ所有したＺ型形状を持ち、上記したＦ１・ｇ１／Ｎ１とＦ２・ｇ２／Ｎ２をほぼ等しくすることにより、アクチュエータの最大駆動力と自己保持機能の耐衝撃性によって制限されるヒンジ幅の許容マージンを拡大し、ひいてはデバイスの構造歩留まりを向上させることができる。

図１乃至図３に基づき、本発明の第１の実施形態となる光デバイスの構成／動作／作用について説明する。まず、本実施形態の光デバイスの全体構成について説明する。本実施形態の光デバイスは、シリコン基板（３５０μｍ）／シリコン酸化膜（３μｍ）／シリコン・デバイス層（１００μｍ）の構成を持つ（１００）ＳＯＩウエハからなる。図１乃至図３は前記光デバイスの平面図であるが、前記デバイスは紙面に垂直な深さ方向（ｚ方向）に均一な厚さを有する２次元構造体である。構造体の加工は概略次のようなステップで進められる。
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。

ファイバ溝１には端面斜め研磨されたコリメーション・ファイバが挿入され、装着された際にこのコリメーション・ファイバはファイバ押圧バネ２（図２参照）によって基準面に押し当てられると共に、ファイバ端面突き当て３によって光軸方向の位置が決定される。本実施形態においては、コリメーション・ファイバのワーキング・ディスタンス（ＷＤ）は１６０μｍ、ビーム・ウエスト径（ＢＷＤ）は１５μｍ、端面斜め研磨角度は６°を想定してデバイスの設計を行なっている。
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。

次に、本実施形態の光デバイスの基本動作について説明する。光デバイスの作製直後の初期形状（第１安定状態）においては、ミラー４はクロス導波部に挿入されている。この時、図２に示すＩｎｐｕｔポートから入射された光はミラー４によって反射されＤｒｏｐポートへと導かれる。
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。

続いて、本実施形態における光デバイスの各要素の果たす作用について詳述する。本実施形態では、端面斜め研磨されたコリメーション・ファイバを用いているが、これはファイバ端面におけるフレネル反射に起因した反射減衰量を抑制する目的からである。４本のファイバ溝１は、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成るように形成されている。このようにファイバ溝１を形成したのは次の理由による。
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。

一般に、ＷＤを長くするためには、ビーム・ウエスト径（ＢＷＤ）を広げるレンズ設計が求められ、それに伴い、ミラーを駆動するストロークも長くする必要が生じる。駆動ストロークの拡大は可動部の剛性を劣化させ、ひいては耐衝撃性等のデバイスの機械的信頼性に問題を残すこととなる。
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。

一方、ミラー反射面に対する入射光と反射光の為す角を鈍角にすれば、ミラー反射面に照射されたビーム・スポットはミラー駆動方向に伸びた楕円形の度合を強め、結果、ミラー駆動ストロークの拡大を余儀なくされる。
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。

ファイバ端面斜め研磨した際におけるミラー４の入射光を出射するファイバとミラー４の反射光を受光するファイバとの為す角度θは、次式のように表すことができる。
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。

本実施形態の光デバイスにおいて、ミラー４以外の可動部はミラー駆動方向と平行な中心線に関して線対称な構造を有し、尚且つ、４本の板バネ状ヒンジ６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄによる可動ロッド７の支持点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（すなわち、ヒンジ反力作用点）は前記可動電極５と可動ロッド７との連結部（すなわち、駆動力作用点Ｓ）に関して対称な位置に配置されている。
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。

更に、前記駆動力作用点は可動部の重心にほぼ一致するように設計されている。
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４において、初期状態を示す原点が第１安定状態、極小値を迎えた後に反力が０となる位置が第２安定状態であり、極大値が第１安定状態の保持力、極小値が第２安定状態の保持力に相当する。本実施形態においては、特に以下の手順で板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄの形状の最適化を図ることにより、図４に示す通り、第１安定状態と第２安定状態の保持力をほぼ等しくしている。本実施形態では、紙面向かって左端からヒンジ全長（ｘ成分）の４分の１の点と右から４分の１の点２ヶ所を屈曲点とし、屈曲部を丸める曲率半径をパラメータとして両安定状態の保持力の比が概ね１になる条件を選択している。尚、ヒンジ両端はミラー駆動方向に垂直に（紙面水平に）伸びている。ミラー駆動ストロークはヒンジ両端の高低差（ｙ方向成分）を変えることによって制御され、本実施形態におけるミラー駆動ストロークは約６０μｍである。両安定状態の保持力を等しくすることは、次の点において重要である。

前記板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄは可動部を支持するという役割上、駆動方向に柔軟な構造であることが要求される。そのため、本実施形態の光デバイスにおいては、ヒンジ幅が最小構造寸法となっている。更に、ヒンジ保持力はヒンジ幅に非常に敏感であるという側面も有するため、ヒンジ幅の許容マージンがこの種の光デバイスの製造歩留まりを大きく左右する。ここで、ヒンジ幅の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。
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。

以上のような設計上の配慮を行なうことにより、本実施形態の光デバイスはＳ、Ｃ、Ｌの通信波長帯域で以下のような特性を達成することができた。
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。

本発明の光デバイスにおいて、第１の実施形態と同等の特性が期待できる他の変形例（第２の実施形態）としては、次の構成が考えられる。第２の実施形態では、板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄの第１安定状態の自己保持力をＦ１、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際に寄与する櫛歯型静電アクチュエータの櫛歯数をＮ１（具体的には第１固定電極８と可動電極５との櫛歯数）、及びその櫛歯間ギャップをｇ１（具体的には第１固定電極８と可動電極５との間のギャップ）、第２安定状態から第１安定状態へ駆動する際に寄与する櫛歯型静電アクチュエータの櫛歯数をＮ２（具体的には第２固定電極９と可動電極５との櫛歯数）、及びその櫛歯間ギャップをｇ２（具体的には第２固定電極９と可動電極５との間のギャップ）とした場合、Ｆ１・ｇ１／Ｎ１とＦ２・ｇ２／Ｎ２とが等しくなるように図６及び図７に示すような櫛歯型静電アクチュエータの櫛歯パラメータ（櫛歯数及び櫛歯間ギャップ）の適正化を行っている。これはすなわち、第１安定状態から第２安定状態への駆動時と、第２安定状態から第１安定状態への駆動時とで駆動電圧を等しくすることを意味する。

尚、実施形態における光デバイスの構造は、板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄ、櫛歯パラメータ以外の部分については前述の第１の実施形態と全く同じである。以下に櫛歯パラメータの適正化についてより具体的に言及する。
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。

櫛歯型静電アクチュエータにおいては、櫛歯間ギャップを挟くした方が発生力は高いため、通常、この種のアクチュエータを設計する場合、作製プロセスで実現可能な最小トレンチ幅付近にまで櫛歯間ギャップを挟小化する。すなわち、櫛歯間ギャップ寸法はプロセスの加工能力で制限されるパラメータといっても過言ではない。本実施形態では、第１安定状態の保持力の方が大きいため、第１安定状態から第２安定状態への駆動に寄与する櫛歯間ギャップを挟小化している。これを可能にしているのは、図７から理解されるように、櫛歯初期形状において互いに深く噛み合わさってはいないためで、本ケースでは、第１固定電極８の幅を２段階に変化させることにより、プロセスの加工限界に影響を受けない形で櫛歯間ギャップを挟小化できる。そして一般に、板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄは初期形状すなわち、第１安定状態の保持力の方が大きくなる傾向にあるため、上述の設計手法は多くの場合に有効であると言える。

尚、本実施形態において、第２安定状態から第１安定状態への駆動に寄与する櫛歯（第２固定電極９の櫛歯）に関しては、それとは逆方向の駆動に寄与する櫛歯数（第１固定電極８の櫛歯数）ほどには数を増やしていない。これは、それらをむやみに増やすことは可動部の等価質量を増大させ、耐衝撃性等の機械的信頼性を劣化させる要因になるからである。

この発明による光デバイスは例えば光通信に関連する分野に活用することができる。

本発明による光デバイスの第１実施形態を説明するための平面図。 図１に示した光デバイスのファイバ溝と光導波部の構造を説明するための拡大平面図。 図１に示した光デバイスの可動電極と固定電極の構造を説明するための拡大平面図。 図１に示した光デバイスに用いた板バネ状ヒンジの力−変位特性の一例を説明するための特性曲線図。 図１に示した光デバイスに用いた板バネ状ヒンジのヒンジ幅と、自己保持力の関係を説明するための特性曲線図。 本発明による光デバイスの第２の実施形態を説明するための平面図。 図６に示した光デバイスに用いる可動電極と第２固定電極の細部を説明するための拡大平面図。 図６に示した光デバイスに用いた板バネ状ヒンジのヒンジ幅と自己保持力の関係を説明するための特性曲線図。 従来技術を説明するための平面図。 ヒンジの自己保持動作を説明するための図。

符号の説明

１ ファイバ溝 １０ アンカ
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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