JP4396299B2

JP4396299B2 - ミラーシステム及び光スイッチ

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Publication number: JP4396299B2
Application number: JP2004031473A
Authority: JP
Inventors: 敦風間; 康博伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-02-09
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Description

ミラーシステムおよび伝送する光信号の接続を切替える光スイッチに関する。

光ファイバーを用いた光通信においては、N×Nの光スイッチ、すなわち、N個の入力ポートに光ファイバーを通して送られてきた光信号のうちの任意の１つを、N個の出力ポートのうちの１つに接続でき、これらの接続を切替えることのできる装置が用いられる。
三次元（あるいは空間型）光マトリクススイッチと呼ばれるスイッチの一般的な構成では、光信号を光ビームにして空間に射出するためのコリメータを複数アレイ状に配列したコリメータアレイと、通常MEMS(Micro Electro-mechanical System)技術を用いて製造される複数の可動マイクロミラーをアレイ状に配列したマイクロミラーアレイの組を、入力側と出力側にそれぞれ配置する。入力側のコリメータから出たビームは、２つのマイクロミラーにより方向を制御され、出力側の任意のコリメータに導かれる。

上記MEMSマイクロミラーの一例としては、例えば、Optical Fiber Conference 2003、Post Deadline Paper、PD36-2、”Drift-Free 1000G Mechanical Shock Tolerant Single-Crystal Silicon Two-Axis MEMS Tilting Mirrors in a 1000x1000-Port Optical Crossconnect”や特開２００２-２５４３９９公報などに開示されている。これらは、平行平板型の静電駆動方式である。本方式は、可動ミラーとミラー駆動用の電極を一定のギャップを介して設置し、両者に適切な電位差を与えることで発生する静電引力を用いてミラーの回転角を制御する。

特開２００２−２５４３９９号公報

Optical Fiber Conference 2003、Post Deadline Paper、PD36-2、"Drift-Free 1000G Mechanical Shock Tolerant Single-Crystal Silicon Two-Axis MEMS Tilting Mirrors in a 1000x1000-Port Optical Crossconnect"

光スイッチにおいては、光結合が得られる位置にミラーの角度を調節し、その角度を保ちつづけることが必要である。しかしながら、上記静電駆動ミラーでは、駆動用電極の周囲にある絶縁膜上に電荷が徐々に増加していき（チャージング）、ミラーの角度が徐々に変化してしまうドリフトと呼ばれる現象が発生し、光結合位置が徐々にずれていってしまう問題がある。ミラー角度や光出力強度をモニタして、フィードバック制御によりミラーにかける電圧を調整することで、光結合位置を保つこともできる。しかしながら、スイッチングの際にミラーの駆動電圧を変えるとき、絶縁膜上のチャージングの状態を予測できなければ、最適結合位置に合わせられないことになるので、フィードバックによる補正時間が必要になると、スイッチングにかかる時間が長くなってしまう。スイッチング完了の定義は、定常状態の光強度の90％以上に達するまでとされているので、スイッチング直後の状態で、最適光結合位置での光出力強度の90％以上が得られる程度まで、チャージングによるミラー角度変動の影響を小さくする必要がある。

非特許文献１にドリフトを防ぐ静電駆動MEMSミラーについて、SOI（Silicon on Insulator）ウエハに可動ミラーを形成した基板と、シリコンウエハ表面のシリコン酸化膜上に電極を形成した基板をポリイミド製のスペーサを介して積層して、静電駆動ミラーを構成する。電極間のギャップに露出するシリコン酸化膜上へのチャージングがドリフトの原因になるため、ウェットエッチングを用いてギャップ部分から下にシリコン酸化膜を掘り込んで除去することで、ドリフトを抑制しようとしているが、電極を形成する基板の製作工程が複雑になってしまう。シリコン酸化膜除去の際のエッチストップ層と電極層を兼ねるポリシリコン層と、その上下を絶縁するシリコン酸化膜層、および最表面の電極層の４層がシリコン基板上に積層され、それぞれにパターニングを要する。また、シリコン酸化膜除去の際にもマスクが必要になると考えられ、パターニングの工程数が多く、製造性が良くない。そのため、製造コストが高くなってしまう原因ともなる。

そこで、本発明は、ミラー角度の経時変動を効果的に抑制した機構を備えたミラーシステム及び光スイッチを提供する。

本発明は上記課題を解決するために、例えば以下の構成を有する。可動ミラーと、前記可動ミラーが両側から支持部により可動に連絡されるミラー基板と、前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する駆動電極が形成された電極基板と、を備え、前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記駆動電極の端部は、前記可動ミラーに連絡する前記支持部を結ぶ線と直交する方向の一端が前記可動ミラーに重なる位置に配置され、他端が前記可動ミラーの端部より外側であって前記可動ミラーと前記駆動電極との間隔の半分以上の長さ離れて配置される。また、可動ミラーと、前記可動ミラーが両側から第一の支持部により可動に連絡される可動枠と、前記可動枠が両側から第二の支持部により可動に連絡されるミラー基板と、前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する第一の駆動電極及び前記可動枠を駆動する第二の駆動電極が形成された電極基板と、を備え、前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ線と直交する方向の、前記第一の駆動電極の端部は、一端が前記可動ミラーと重なる領域に配置され、他端が前記可動枠と重なる領域より外側に配置される。さらに、前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第二の駆動電極の端部は、内側端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に配置され、外側端が前記可動枠と重なる領域より外側に配置される。また、可動ミラーと、前記可動ミラーが両側から第一の支持部により可動に連絡される可動枠と、前記可動枠が両側から第二の支持部により可動に連絡されるミラー基板と、前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する第一の駆動電極及び前記可動枠を駆動する第二の駆動電極が形成された電極基板と、を備え、前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ線と直交する方向の、前記第一の駆動電極は、端部の一端が前記可動ミラーと重なる領域に配置され、他端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域より前記可動枠側に配置され、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第一の駆動電極は、前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に端部が配置され、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第二の駆動電極は、端部の一端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に配置され、他端が前記可動枠と前記ミラー基板との間の領域より基板側に配置される。さらに、前記第一の駆動電極の他端は前記可動枠と前記ミラー基板との間の領域より前記ミラー基板側に配置される。また、光ファイバーに連絡するコリメータを複数備えたコリメータアレイと、可動機構を備えた可動ミラーを複数備えたミラーアレイと、を備え、前記第一のコリメータからの入力光が前記ミラーアレイの第一の可動ミラーに光学的に連絡され、第一の可動ミラーからの反射光が第二の可動ミラーに光学的に連絡され、第二の可動ミラーからの光が第二のコリメータに連絡されて出力光を出力されるよう形成され、前記ミラーアレイは、前記可動ミラーと、前記可動ミラーが両側から支持部により可動に連絡されるミラー基板と、前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する駆動電極が形成された電極基板と、を備え、前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記駆動電極の端部は、前記可動ミラーに連絡する前記支持部を結ぶ線と直交する方向の一端が前記可動ミラーに重なる位置に配置され、他端が前記可動ミラーの外側であって前記可動ミラーと前記駆動電極との間隔の半分以上の長さ離れて配置される。

本発明により、ミラー角度の経時変動を効果的に抑制したミラーシステム或は光スイッチを提供することができる。

以下に本発明の実施例を以下に説明する。なお、本発明は、本実施例に例示の形態に限定されるものではなく、本明細書に記載した形態に周知技術を転用或は修正することを妨げるものではない。

第１の実施例の形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施例を示す断面模式図である。本発明の静電駆動ミラーは、可動ミラー１を有するミラー基板２と、可動ミラー１を駆動するための駆動電極３を有する電極基板４から構成される。ミラー基板２と電極基板４との間はスペーサ（図示せず）を介して積層されている。電極基板４の駆動電極３周囲には、間隔を介して周辺電極５を配置する。電極基板４の駆動電極３および周辺電極５は、基板６（例えば、シリコン基板）表面に形成した絶縁膜７（例えば酸化シリコン膜）上に形成されている。例えば、前記電極の端部は共通する絶縁膜７表面上に設置されている。可動ミラー１と駆動電極３に電位差を与えることにより、静電引力で可動ミラー１を駆動電極に引きつけることで、可動ミラー１を回転軸８（例えばミラーの支持部）として回転させることができる。

可動ミラー１を左右両側に回転させるためには、駆動電極３は、可動ミラー１の回転軸８に対して、左右に２つ設置する。可動ミラー１を一定電位に保ち、駆動電極３の電位を制御することで、可動ミラー１の角度を任意に制御することができる。

可動ミラー１をある回転角で長時間保とうとすると、ミラー角度のドリフトが課題になる。これは、駆動電極３の周囲に露出している絶縁膜７上に、徐々に電荷が蓄積していく現象により、可動ミラー１に働く静電引力が徐々に増加していき、可動ミラー１の角度が徐々に増加していってしまうものである。駆動電極３の電位を一定に保ったとしても、この絶縁膜上の電荷の蓄積によって、可動ミラー１の角度が変化してしまう。

この課題を解決するため、駆動電極３周囲に露出する絶縁膜７の面積をなるべく小さくするために、駆動電極３周囲に周辺電極５を配置して一定電位に保つことで、周辺電極５を配置した部分の電荷量の変動は防ぐことができる。ただし、駆動電極３と周辺電極５とのショートを防ぐために、両者の間にはある程度の幅のギャップ（30μm程度）が必要であり、この部分では絶縁膜７が露出して、電荷の蓄積が問題になる。

ミラー基板２と電極基板４の積層方向について見た場合に、駆動電極３の端部は、可動ミラー１に連絡する前記支持部である梁９間を結ぶ線と直交する方向の一端が可動ミラー１に重なる位置に配置され、他端が可動ミラー１の端部より外側に配置される。より好ましくは、可動ミラー１の周囲に形成される隣接するミラー基板などの部材との間の間隙が形成される領域より外側に外側端部が配置される。

なお、より好ましくは、更に、可動ミラー１が両側の支持部間を結ぶ方向に見て、駆動電極３の端部は、可動ミラー１の端部より外側に配置される。

このように、本実施例では、駆動電極３の端部を、可動ミラー１端部よりもはみ出させることで、絶縁膜７の露出部分を可動ミラー１から遠ざけ、この部分での電荷の変動が、可動ミラー１の回転角に与える影響を小さくする。

例えば、前記ミラー基板を前記電極基板に垂直に投射したときの、前記可動ミラーの回転軸と垂直な方向の位置関係に関して、図１のように、可動ミラー１の回転軸８から可動ミラー１端部までの距離Aと、可動ミラー１の回転軸８或は可動ミラー１を支持する支持部から駆動電極３端部までの距離Bに関して、A＜Bとする。
可動ミラー１と駆動電極３の平面的な関係の一例について図２aおよび図２bを用いて説明する。ミラー基板は、例えば図２aに示すように、可動ミラー１が２つのねじり梁９によって周辺部に接続された構造とすることで、ねじり梁９がねじれることで回転軸の役割を果たし、可動ミラー１が回転することができる。図２bは電極基板４の駆動電極３および周辺電極５の配置の一例を示す。点線で示した可動ミラーの外形線１０に対して、駆動電極３が周囲にはみ出すように配置する。駆動電極３周囲には微小なギャップを介して周辺電極５を配置する。また、駆動電極３には、外部から電圧を印加するための配線１１が接続する。なお、梁が一本づつで支持されているのではなく、複数本ずつで支持されている場合は、それらの中央部又は回転軸を基準にすることができる。

このように、電極基板上の電極間のギャップで、絶縁膜が露出している部分を、可動ミラーおよび可動枠から遠ざけることで、上記絶縁膜の露出部に電荷が蓄積することにより、可動ミラーおよび可動枠に作用する静電トルクが変動する影響を小さくすることができ、ミラー角度のドリフトが小さい１軸可動ミラーおよび２軸可動ミラーを実現できる。本静電ミラーを光スイッチに適用することにより、ミラー角度のドリフトによる、光出力強度の変動が小さい光スイッチを実現することができる。

駆動電極をはみ出させることによる、ミラー角度ドリフトの低減の効果について、二次元静電場解析を用いて確かめた。解析モデルの構成を図３に示す。可動ミラー回転軸８から可動ミラー１端部までの距離500 μm、可動ミラー１と駆動電極の間の垂直方向スペース120 μm、ミラーの回転角は3.6 degの場合で検討した。一方の駆動電極を200V、他方の駆動電極および周辺電極を0Vとした。幅30μmの電極間ギャップの絶縁膜露出部のうち、駆動電極に近い側半分（幅15μm）に蓄積する電荷が、0Vから200Vまで変化したと仮定したときの、可動ミラーに作用する静電トルクの変化率を計算した結果を図４に示す。静電トルクの変動率は、電極はみ出し量が50μmのとき2.5%、100μmのとき0.7％となった。発明者らが、光スイッチに本発明のミラーを適用した場合において、光結合の出力光強度が90％以下にならない条件において許容される静電トルクの変動率は約3％であったため、本解析例に基づけば、電極はみ出し量は50μm程度以上あることが望ましい。或は、駆動電極３と可動ミラー１との間隔の半分以上の長さはみ出していることが望ましい。より好ましくは、はみ出し量は駆動電極３と可動ミラー１との間隔より大きくなっていることが望ましい。

また、図５は、駆動電極と周辺電極間のギャップの電位は0Vとして、電極はみ出し量に対して、可動ミラーに作用する静電トルクの大きさを計算した結果を示している。電極はみ出し量を大きくすることにより、静電トルクを大きくする効果があることが分かる。これは、駆動電極から出る電気力線を考えたときに、駆動電極端部では、周辺電極に向けて電気力線が流れてしまうので、可動ミラーに作用する静電引力がロスしてしまうが、駆動電極をはみ出させることで、静電引力をロスする部分が可動ミラーから遠ざかるため、その影響が小さくなるためである。電極はみ出しにより、静電トルクを大きくできることで、駆動電圧の最大値を低減できたり、可動ミラーの最大回転角を大きくできる効果がある。

次に、第２の実施例を示す。基本的には、第１の実施例に示した形態を用いることができるが、本実施例は２軸可動のミラーを構成している。図６a及び図６bは、本発明の第２の実施例である２軸可動の静電駆動ミラーを示す平面模式図である。図６aはミラー基板の平面構造を、図６bは電極基板の駆動電極配置を示している。

図６aに示すように、可動ミラー２１は第一の支持部、ここでは第１のねじり梁２２を例示、によって可動枠２３に接続し、可動枠２３は第二の支持部、ここでは第２のねじり梁２４を例示、によって周辺部であるミラー基板に接続している。第１のねじり梁２２は可動ミラー２１の、第２のねじり梁２４は可動枠２３の回転軸の役割を果たし、両者の回転軸は軸方向が異なり、直交していることが望ましい。

図６bに示すように、ミラーを駆動するための電極は、可動ミラー２１を駆動するために２つの第１の駆動電極２５が、可動枠２３を駆動するためにさらに２つの第２の駆動電極２６が配置される。第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６には、外部から電圧を印加するための配線３９が接続する。ミラー基板との位置関係を示すため、可動ミラーの外形線２７および可動枠の外形線２８を図中に点線で示している。

このように、ミラー基板と電極基板の積層方向について、可動ミラー２１に連絡する第一の支持部を結ぶ線と直交する方向の、第１の駆動電極２５の端部は、一端が可動ミラー２１と重なる領域に配置され、他端が可動ミラー２１と重なる領域より外側に配置される。

また、第１の駆動電極２５の端部は可動枠２３と重なる領域より外側に配置される。より好ましくはミラー基板の下のようなミラー基板と重なる領域に位置する程度まで伸びている。

また、第２の駆動電極２６の端部は、内側端が可動ミラー２１と可動枠２３との間の領域に配置され、外側端が可動枠２３と重なる領域より外側に配置される。より好ましくは、外側はミラー基板の下に位置する程度まで伸びている。

また、第１の駆動電極２５の他端は可動枠２３とミラー基板との間の領域よりミラー基板側に配置されることを特徴とする。

図６aに示したX−X断面における断面図を図７aに、Y−Y断面における断面図を図７bに示す。図７aに示すように、本例のような２軸可動の静電駆動ミラーにおいても、前述の１軸可動の場合と同様に、少なくとも、駆動電極の可動ミラー２１端部からのはみ出し量は、可動ミラーと駆動電極との間隔の半分以上の長さ離れて配置されることが好ましい。

より好ましくは、可動ミラー２１の回転軸２９から可動ミラー２１端部までの距離Aと、可動ミラー２１の回転軸２９から第１の駆動電極２５の端部までの距離Bについて、A＜Bとする。

さらに、図７bに示すように、可動枠２３についても、可動枠２３の回転軸３０から可動枠２３端部までの距離Cと、可動枠２３の回転軸３０から第２の駆動電極２６の端部までの距離Dについて、C＜Dとする。

また、Y−Y断面においては、第１の駆動電極２５と第２の駆動電極２６との間のギャップPの絶縁膜３１露出部への電荷の蓄積が、可動ミラー２１および可動枠２３に作用する静電トルクを変動させる影響を小さくするため、可動ミラー２１端部と可動枠２３端部間のギャップQの中に、電極間ギャップPが入るような配置にすることが望ましい。

さらに、X−X断面においては、第１の駆動電極２５の周囲に露出した絶縁膜３１上への電荷の蓄積が、可動枠２３に作用する静電トルクを変動させる影響を小さくするため、可動枠２３端部に対して、第１の駆動電極２５端部がはみ出すようにする。すなわち、図７aにおいて、可動ミラー２１の回転軸２９から可動枠２３端部までの距離Rと、可動ミラー２１の回転軸２９から第１の駆動電極２５までの距離Bに関して、R＜Bとする。本構成においては、X−X断面で見たときに、可動枠２３の直下に、可動ミラー２１を駆動するための第１の駆動電極２５が存在するため、可動ミラー２１を駆動するための電位が、可動枠２３に作用する静電トルクに影響を与えてしまう。この影響がある可動枠２３の部分は、可動枠２３に作用する静電トルクを見たときには、可動枠２３の回転軸３０から近い部分であるため、影響は大きくない。また、この影響を小さくするためには、X−X断面で見たときの可動枠２３の幅を小さくすることが望ましい。また、本ミラーを光スイッチに適用することを考えると、ミラーの角度をある位置に調節して保持するという動作であるため、可動枠が可動ミラーを駆動する電位に影響を受けたとしても、望みの位置に調節できるような、各電極の電位の値が明らかになれば問題はない。

以上のような構成により、電極間の絶縁膜３１露出部分を可動ミラー２１および可動枠２３から遠ざける配置とすることにより、絶縁膜３１露出部への電荷の蓄積による、可動ミラー２１または可動枠２３の角度の変動を小さくすることができる。

さらに、電気力線が隣接する電極に向けて流れるために、可動ミラー２１または可動枠２３に作用する静電引力がロスしてしまう課題に対しても、電極が可動ミラー２１または可動枠２３端部からはみ出しているために、静電トルクに最も寄与する可動ミラー２１または可動枠２３の直下において、上記静電引力のロスを防ぐことができ、静電トルクのロスを小さくすることができる。

ミラーの回転軸の役割を担うねじり梁の構造については、図２aおよび図６aに示したような直梁に限ったものではなく、例えば、梁断面が同じでも、よりねじり剛性を低下させるために、図８に示すねじり梁３６のように、折れ曲がりの梁構造を用いても良い。

ミラーの回転軸の役割を担うねじり梁の構造については、図２aおよび図６aに示したような直梁に限ったものではない。例えば、図８に２軸可動ミラー構造の例を示すように、折れ曲がりの梁構造を用いても良い。すなわち、可動ミラー８１を第１の折れ曲がりねじり梁８２によって可動枠８３に接続し、可動枠８３を第２の折れ曲がりねじり梁８４によって周辺部に接続したミラー構造を用いる。ねじり梁に関しては、梁幅を細くまたは梁厚さを厚くするほど、梁のねじり剛性を小さくでき、より小さな静電力でもミラーを回転できるようになる。しかし、梁幅に関しては、加工精度の点で細くするには限界があり、また、梁厚に関しては、可動ミラーが同じ厚さになることから、あまり薄いと可動ミラーの反りが大きくなり、挿入損失が増大してしまう恐れがある。よって、例えば、梁幅、梁厚さとも10μm程度にすることが好ましい。こうした限界を考慮して、直梁では十分に低いねじり剛性が得られない場合に、折れ曲がりねじり梁を用いることで、同じ断面形状でもねじり剛性を下げることができる。

また、上記のようなミラーおよびねじり梁構造の加工には、例えば薄い薄い単結晶シリコン層に対してドライエッチング加工を施すことで行うことができる。ドライエッチング加工を用いる場合、エッチングが側面にも進行してしまうアンダーカットするが発生し、エッチング部のパターンがマスクパターンよりも若干大きくなってしまう現象を考慮する必要がある。上記のミラー構造のように、ミラーおよび梁間の細い隙間をエッチングする場合、エッチング部の幅が広いほど上記のサイドエッチが大きい傾向がある。そこで、加工精度が非常に重要であるねじり梁の部分においては、エッチング部の幅を一定にするように、ねじり梁周囲に突起部８５を設けてもよい。

本発明の静電駆動ミラーを適用できる光スイッチについて説明する。図９は、光スイッチの一実施例を示す断面模式図および平面模式図である。ファイバー４２に連絡するコリメータ４３を複数備えたコリメータアレイ４４と、可動機構を備えた可動ミラー（可動マイクロミラー）４５を複数備えたマイクロミラーアレイ４６と、を備えている。コリメータアレイ４４のうちの第一のコリメータからの入力光がマイクロミラーアレイ４６の第一の可動ミラーに光学的に連絡され、第一の可動ミラーからの反射光が第二の可動ミラーに光学的に連絡され、第二の可動ミラーからの光が第二のコリメータに連絡されて出力光を出力されるよう形成される。

具体的には、光スイッチ４１は、ファイバー４２を伝播する光をビームにして射出できるコリメータ４３が複数配列してなるコリメータアレイ４４と、ビームの反射方向を制御できる可動のマイクロミラー４５が複数配列してなるマイクロミラーアレイ４６と、第１の固定ミラー４７、および第２の固定ミラー４８を有し、コリメータアレイ４４の任意の２つのコリメータ間で光信号を結合することができる。説明のため、図９中に示すように図面の奥行き方向をＸ、高さ方向をＹ、長さ方向をＺとする。図９は、コリメータ４３がＹ方向に２列配列した場合の例を示しており、Ｘ方向にも複数のコリメータ４３が配列している。例えば８列あるとすると、コリメータ４３の数は１６である。マイクロミラーアレイ４６のマイクロミラー４５は、コリメータ４３から射出されたビームが入射する位置に、各コリメータ４３に対応して配列している。
本実施例の光スイッチ４１は、コリメータアレイ４４のうちの任意の２つのコリメータを、入力コリメータ４３aおよび出力コリメータ４３bとし、入力コリメータ４３aと出力コリメータ４３bとの間で光信号を結合することができる例を示している。結合は、入力コリメータ４３aから射出されたビーム４９が、マイクロミラーアレイ４６の入力コリメータ４３aに対応する入力マイクロミラー４５aに反射され、次に第１の固定ミラー４７に反射され、第２の固定ミラー４８に反射し、再び第１の固定ミラー４７に反射して、マイクロミラーアレイ４６の出力コリメータ４３bに対応する出力マイクロミラー４５bに反射され、出力コリメータ４３bに入射して達成される。ビームがマイクロミラー４５bに正しく入射するように入力マイクロミラー４５aの角度を調節し、また、ビームが出力コリメータ４３bに正しく入射するように出力マイクロミラー４５bの角度を調節する。なお、図９中の入出力コリメータの選び方は一例であり、Ｘ方向に配列するものも含めてさまざまに選択できる。前記のような構成では、入出力の組合せが多いため、多数の切替えに対応できるが、入力側と出力側のコリメータ群が既に決まっているものであってもよい。

ここで第２の固定ミラー４８は、光路を中間点で折り返すために設置されており、これにより、マイクロミラーおよびコリメータを、それぞれ入出力一体とすることができる。

第１の固定ミラー４７は、マイクロミラーアレイ４６から第２の固定ミラー４８までの光路をさらに折り曲げることにより、できるだけ小さな空間の中に光路を収めることができる。

図１０は本実施例の光スイッチの具体的な組立構造の一例を示す斜視図である。本例では、コリメータ４３を保持してコリメータアレイ４６を形成するための構造部品であるコリメータアレイブロック５０に、マイクロミラーアレイ４６および第１の固定ミラー４７を直接設置することで、コリメータ４３、マイクロミラー４５および第１の固定ミラー４７間の相対位置決めおよび固定を行う。コリメータアレイブロック５０は、中央部にコリメータ４３を配列し、周辺部でマイクロミラーアレイ４６、第１の固定ミラー４７との位置決めを行う。コリメータアレイブロック５０には、マイクロミラーアレイ４６に接してその面方向を決定するための第１の斜面５１と、同じく第１の固定ミラー４７に接してその面方向を決定するための第２の斜面５２を有する。

マイクロミラーアレイ４６の各マイクロミラー４５は、コリメータアレイ４４の対応する各コリメータ４３から射出されたビームが正しく入射するように位置決めされなければならない。本例では、ガイドピン５３を用いて両者を位置決めする。そのため、コリメータアレイブロック５０およびマイクロミラーアレイ４６に位置合わせ用貫通孔を形成し、そこにガイドピン５３を通すことで位置決めを行う。マイクロミラーアレイ４６の固定は、同じく位置決め用貫通孔を有する押さえブロック５４をガイドピン５３に通し、押さえブロック５４のマイクロミラーアレイ４６に接する第３の斜面５５と、コリメータアレイブロック５０の第１の斜面５１の間でマイクロミラーアレイ４６をはさみ、ガイドピン５３先端にねじを形成しておいて、ナット５６を用いて締め付けるなどして実現される。第２の固定ミラー４８は、固定ミラー取付ブロック５７に貼り付けて固定し、固定ミラー取付ブロック５７と、コリメータアレイブロック５０をベース５８上に固定することで、光スイッチが構成される。

上記に示した光スイッチに用いるマイクロミラーアレイ４６に、本発明の静電駆動ミラーを適用した場合の実施形態の一例を示す。本例の光スイッチでは、ミラーが２次元的に配列しているため、任意の入出力ファイバー間で結合するためには、前述の第２の実施形態で示したような２軸可動の静電駆動ミラーを用いる。マイクロミラーアレイ４６は、ミラー構造を形成したミラー基板６１と、駆動電極を形成した電極基板６２と、両者の間に適切なギャップを形成するスペーサ６３を積層して構成される。図１１aおよび図１１bに、ミラー基板６１の構成の一例を示す平面模式図および断面模式図を示す。ここでは簡単のため、２×４列の例を用いて説明する。図１１bの断面図に示すように、ミラー基板６１は、ハンドルシリコン層６４とデバイスシリコン層６５がシリコン酸化膜層６６を介して積層されたSOI（Silicon On Insulator）ウエハを加工して形成することができる。デバイスシリコン層６５に、可動ミラー６７、第１のねじり梁６８、可動枠６９、第２のねじり梁７０の各構造を形成し、これらを含む領域において、デバイスシリコン層６５およびシリコン酸化膜層６６を除去してキャビティ７１を形成することにより、ミラー構造がリリースされる。ミラー基板６１の両端には、位置決め用の貫通孔７２を形成し、ここに位置決めピン５３を通すことで、位置決めができる。可動ミラー６７は、キャビティ７１側の面をビームを反射する面とする。その反対側の面は電極面として、駆動電極との間に静電引力を発生させる。そのため、ミラー基板６１の両面には金属薄膜を形成する。金属薄膜の内部応力による可動ミラー６７の反りを小さくするため、表裏に形成する金属薄膜は同じ材料および厚さにすることが望ましい。例えば、Ti／Au薄膜をスパッタリングを用いて形成する。

図１２は電極基板６２の構造の一例を示す平面模式図である。断面図は省略するが、単一のシリコン基板上に、シリコン酸化膜を形成し、その上に電極膜を形成してパターニングすることで構成できる。ミラー基板６１の各ミラーに対して、可動ミラー６７を駆動するための２つの第１の駆動電極７３と、可動枠６９を駆動するための２つの第２の駆動電極７４の、合計４つの電極を配置する。各電極に電圧を供給するため、各電極は、電極基板６２周辺部に配置した外部接続用電極７５と、配線７６により接続される。前述したように、シリコン酸化膜の露出部への電荷の蓄積により、ミラー角度がドリフトする影響を小さくするため、隣接する第１の駆動電極７３、第２の駆動電極７４、および配線７６との間のギャップがなるべく小さくなるようにする。すなわち、前記ギャップの間でショートが発生しない程度まで前記ギャップを小さくするように、第１の駆動電極７３および第２の駆動電極７４を広げた構成とする。電極基板の両端には、ミラー基板と同様に、位置決め用の貫通孔７７を形成し、ここに位置決めピン５３を通すことで位置決めを行うことができる。

図１３はスペーサ６３の構造の一例を示す平面模式図である。シリコン基板を材料として加工することができ、ミラーアクチュエータの設計に従って、ミラー基板６１と電極基板６２との間に適切な高さのギャップをつくるために、例えばシリコンのウェットエッチングなどを用いて厚さを調整する。本例では、ミラー基板６１および電極基板６２の２つの位置決め用貫通孔に対応して、１つの位置決め用貫通孔７８を形成したスペーサを２つ配置した構成としている。位置決め用貫通孔７８に位置決めピンを通すことで位置決めを行う。ただし、スペーサ６３の水平方向位置は高精度に合わせる必要がないので、位置決め用貫通孔７８の寸法精度は、ミラー基板６１および電極基板６２に形成する位置決め用貫通孔と比べて低くてよい。

ミラーの駆動方法については、例えば、すべての可動ミラー６７および可動枠６９をグランド電位に保ち、第１の駆動電極７３あるいは第２の駆動電極７４に選択的に適切な電圧を供給することで、各ミラーの角度を個別に制御できる。可動ミラー６７および可動枠６８をグランドに接続する方法としては、図１２に示すように、電極基板上で、外部接続用電極７５の一つに配線７６で接続したミラー基板接続用電極７９を位置決め用貫通孔の周囲に配置し、かつスペーサ６３の表面に導電膜を形成しておく。ミラー基板６１表面は全て金属膜で覆われているので、全ての可動ミラー６７と可動枠６９は、スペーサ６３とミラー基板接続用電極７９を介して、外部接続用電極７５の一つに接続する。

電極基板６２の外部接続用電極７５は、例えばフレキシブル配線板などを介して、制御系に接続される。例えば、図１０の光スイッチの構成例においては、電極基板から引き出されたフレキシブル配線板は、コリメータブロック５０とベースの間を通して、他端の電極をコネクタピン８０に接続することで、コネクタピン５９を介して制御基板などに実装することができる。

本発明の一実施形態である１軸可動静電ミラーの構成を示す断面模式図。図２aは本発明の一実施形態である１軸可動静電ミラーを構成するミラー基板の構成を示す平面模式図。図２bは本発明の一実施形態である１軸可動静電ミラーを構成する電極基板の構成を示す平面模式図。ミラーに作用する静電トルクの解析モデルの構造を示す模式図。静電トルク変動に対する本発明の効果を示す解析結果のグラフ。静電トルクのロス低減に対する本発明の効果を示す解析結果のグラフ。図６aは本発明の一実施形態である２軸可動静電ミラーを構成するミラー基板の構成を示す平面模式図。図６bは本発明の一実施形態である２軸可動静電ミラーを構成する電極基板の構成を示す平面模式図。本発明の一実施形態である２軸可動静電ミラーの一断面における構成を示す断面模式図。ミラー基板の構成を示す平面模式図。本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。本発明の一実施形態である光スイッチの組み立て構造を示す斜視模式図。光スイッチに適用できる本発明の一実施形態である静電駆動ミラーを構成するミラー基板の構成を示す平面模式図。光スイッチに適用できる本発明の一実施形態である静電駆動ミラーを構成する電極基板の構成を示す平面模式図。光スイッチに適用できる本発明の一実施形態である静電駆動ミラーを構成するスペーサの構成を示す平面模式図。

符号の説明

１…可動ミラー、２…ミラー基板、３…駆動電極、４…電極基板、５…周辺電極、６…基板、７…絶縁膜、８…回転軸、９…ねじり梁、１０…可動ミラーの外形線、１１…配線、２１…可動ミラー、２２…第１のねじり梁、２３…可動枠、２４…第２のねじり梁、２５…第１の駆動電極、２６…第２の駆動電極、２７…可動ミラーの外形線、２８…可動枠の外形線、２９…可動ミラーの回転軸、３０…可動枠の回転軸、３１…絶縁膜、３２…基板、３３…ミラー基板、３４…電極基板、３５…周辺電極、４１…光スイッチ、４２…光ファイバ、４３…コリメータ、４３a…入力コリメータ、４３b…出力コリメータ、４４…コリメータアレイ、４５…マイクロミラー、４５a…入力マイクロミラー、４５b…出力マイクロミラー、４６…マイクロミラーアレイ、４７…第１の固定ミラー、４８…第２の固定ミラー、４９…ビーム、５０…コリメータアレイブロック、５１…第１の斜面、５２…第２の斜面、５３…ガイドピン、５４…押さえブロック、５５…第３の斜面、５６…ナット、５７…固定ミラー取付ブロック、５８…ベース、５９…コネクタピン、６１…ミラー基板、６２…電極基板、６３…スペーサ、６４…厚膜シリコンハンドルシリコン層、６５…薄膜シリコンデバイスシリコン層、６６…シリコン酸化膜層、６７…可動ミラー、６８…第１のねじり梁、６９…可動枠、７０…第２のねじり梁、７１…キャビティ、７２…位置決め用貫通孔、７３…第１の駆動電極、７４…第２の駆動電極、７５…外部接続用電極、７６…配線、７７…位置決め用貫通孔、７８…位置決め用貫通孔、７９…ミラー基板接続用電極、８１…可動ミラー、８２…第１の折れ曲がりねじり梁、８３…可動枠、８４…第２の折れ曲がりねじり梁、８５…突起部。

Claims

可動ミラーと、
前記可動ミラーが両側から支持部により可動に連絡されるミラー基板と、
前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する駆動電極が形成された電極基板と、を備え、
前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、
前記駆動電極の端部は、前記可動ミラーに連絡する前記支持部を結ぶ線と直交する方向の一端が前記可動ミラーに重なる位置に配置され、他端が前記可動ミラーの端部より外側であって前記可動ミラーと前記駆動電極との間隔の半分以上の長さ離れて配置されることを特徴とするミラーシステム。
可動ミラーと、
前記可動ミラーが両側から第一の支持部により可動に連絡される可動枠と、
前記可動枠が両側から第二の支持部により可動に連絡されるミラー基板と、
前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する第一の駆動電極及び前記可動枠を駆動する第二の駆動電極が形成された電極基板と、を備え、
前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、
前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ線と直交する方向の、前記第一の駆動電極の端部は、一端が前記可動ミラーと重なる領域に配置され、他端が前記可動枠と重なる領域より外側に配置されることを特徴とするミラーシステム。
請求項２に記載のミラーシステムにおいて、
前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第二の駆動電極の端部は、内側端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に配置され、外側端が前記可動枠と重なる領域より外側に配置されることを特徴とするミラーシステム。
可動ミラーと、
前記可動ミラーが両側から第一の支持部により可動に連絡される可動枠と、
前記可動枠が両側から第二の支持部により可動に連絡されるミラー基板と、
前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する第一の駆動電極及び前記可動枠を駆動する第二の駆動電極が形成された電極基板と、を備え、
前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、
前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ線と直交する方向の、前記第一の駆動電極は、端部の一端が前記可動ミラーと重なる領域に配置され、他端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域より前記可動枠側に配置され、
前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第一の駆動電極は、前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に端部が配置され、
前記可動ミラーに連絡する前記第一の支持部を結ぶ方向の、前記第二の駆動電極は、端部の一端が前記可動ミラーと前記可動枠との間の領域に配置され、他端が前記可動枠と前記ミラー基板との間の領域より基板側に配置されることを特徴とするミラーシステム。
請求項４に記載のミラーシステムにおいて、
前記第一の駆動電極の他端は前記可動枠と前記ミラー基板との間の領域より前記ミラー基板側に配置されることを特徴とするミラーシステム。
光ファイバーに連絡するコリメータを複数備えたコリメータアレイと、可動機構を備えた可動ミラーを複数備えたミラーアレイと、を備え、前記第一のコリメータからの入力光が前記ミラーアレイの第一の可動ミラーに光学的に連絡され、第一の可動ミラーからの反射光が第二の可動ミラーに光学的に連絡され、第二の可動ミラーからの光が第二のコリメータに連絡されて出力光を出力されるよう形成され、
前記ミラーアレイは、前記可動ミラーと、前記可動ミラーが両側から支持部により可動に連絡されるミラー基板と、
前記ミラー基板に間隔を介して積層され、前記可動ミラーを駆動する駆動電極が形成された電極基板と、を備え、
前記ミラー基板と前記電極基板の積層方向についてみた場合、
前記駆動電極の端部は、前記可動ミラーに連絡する前記支持部を結ぶ線と直交する方向の一端が前記可動ミラーに重なる位置に配置され、他端が前記可動ミラーの外側であって前記可動ミラーと前記駆動電極との間隔の半分以上の長さ離れて配置されることを特徴とする光スイッチ。