JP4405705B2 - 双安定オプティカルスイッチを含むオプティカルルータおよびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
この出願は、２０００年１月３日に出願された米国出願番号６０／１７４１６４の優先権を主張し、その出願の内容は参照することでここに組み入れる。
【０００２】
発明の技術分野
この発明は、マイクロ構造を使用して光学ビームをルーチングする技術に向けられている。
【０００３】
関連技術の説明
オプティカルスイッチング（optical switching）は、データ通信、データ処理、データ記録において大いに利用されている。典型的には、オプティカルスイッチングの広範な使用の主な障害は、コスト、複雑性および信頼性である。オプティカルスイッチングには、液晶や圧電技術を含む異なる技術が使用されてきた。
【０００４】
現在の液晶表示装置（ＬＣＤ）は、帯域幅が制限されている。それは、充填ファクター（fill factor）が制限されるという欠点がある。また、それはダイナミックレンジが不適当である。
【０００５】
積層圧電構造（ＳＰＺＴ）は、圧電（ＰＺＴ）または鉛マンガンニオブ酸塩（ＰＭ）技術から作られたスイッチ／アクチュエータの最高の利点を特徴とし安価な新世代の圧電技術を利用している。しかしながら、現在のＳＰＺＴデバイスは、高電流動作、アクチュエータの著しい不均一性、重い重量、比較的高い電力消散および適度のヒステリシス効果の欠点がある。さらに、この装置はＬＣＤ装置と比較すると高価である。液晶と圧電の両試みでは、オプティカル作用は電力遮断（power interruption）により有害な影響を受ける。
【０００６】
発明の概要
前記従来技術の問題は、出願人の新規性および進歩性のある改良によって克服される。本願の教示によると、出願人は、複数の動作状態を有するオプティカルマイクロエレメントを有するオプティカルルータであって、前記オプティカルマイクロエレメントが動作状態を変更するように駆動可能で、前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更により光学ビームの方向を変更するオプティカルルータにおいて、複数の条件を有するマイクロラッチが設けられ、該マイクロラッチは条件を変更するように動作可能で、前記１つの条件は前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態を維持することを特徴とするオプティカルルータを発明した。
【０００７】
また、出願人は、複数の動作状態を有する少なくとも１つの移動可能なオプティカルマイクロエレメントと、該オプティカルマイクロエレメントに動作可能に接続されたマイクロアクチュエータとからなり、前記マイクロアクチュエータは前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更を実行するように配置されたオプティカルルータにおいて、前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更は、移動方向を規定する方向に移動する前記オプティカルマイクロエレメントを伴い、前記オプティカルマイクロエレメントは、前記１つの条件において、前記参照方向にほぼ垂直な方向から供給される光学ビームを遮蔽するように配置され、前記他の条件において、前記参照方向にほぼ垂直な他の方向に前記遮蔽光学ビームを反射するように配置されていることを特徴とするオプティカルルータを発明した。
【０００８】
さらに、出願人は、前述の装置にほぼ対応する方法を発明した。本出願にかかる発明の詳細は、添付図面と以下の説明を参照すると明らかであり、特許請求の範囲により規定される。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、例示的であり本発明を限定するものではない添付図面と以下の詳細な説明を読むことで明らかとなる。
【００１０】
実施形態の詳細な説明
本発明の限定的でない実施形態において、光学ビームは、少なくとも１つのオプティカルマイクロエレメントおよび上下動（vertical）マイクロアクチュエータを備える少なくとも１つのオプティカル双安定マイクロスイッチを使用して制御可能に経路を定められる。創意に富む本アプローチは、少なくとも１つのオプティカルマイクロエレメント（例えば、平坦もしくは湾曲したミラー、またはレンズ）を取付部上に配置し、光学ビームの向きを制御するために前記取付部を上下動双安定マイクロアクチュエータに置き換えている。すなわち、光学ビームの向きは、上下動マイクロアクチュエータ上に設けられた少なくとも１つのオプティカルマイクロエレメントによって制御されている。前記アクチュエータは、少なくとも１つのマイクロスプリングによって偏倚（biased）されている。また、前記マイクロエレメントと前記マイクロアクチュエータの組み合わせは、マイクロラッチによって適切な位置に選択的に位置決めされている。
【００１１】
創意に富む本アプローチは、集積回路製造技術によって製造可能な、相対的に軽いマイクロ構造を使用し、光学ビームの向きを制御するという利点を有する。さらに、これらのマイクロ構造は、簡単なものであり、高いダイナミックレンジ（high dynamic range）を有し、それらの性能において推測可能かつ反復可能であり、およびヒステリシスの影響を受けないものである。創意に富む本アプローチは、双安定的な手段により、そして、電力が遮断されない手段により、複数のインプットに入射する少なくとも１つの光学ビームの向きを制御するのに簡単かつ低コストの方法において使用可能である。創意に富む本アプローチは、低電力を消費して、また低電圧信号を使用して光学ビームの経路を定める。
【００１２】
本実施形態において、（限定的でない、アクチュエータ、スプリング、ミラー、レンズ、組み合わせ（interdigitated）フィンガー、アーム部、パッチ、ベース、およびラッチを含む）マイクロ構成要素（component）は、（限定的でない、ＭＥＭの製造技術またはマイクロ機械加工技術を含む）半導体デバイス製造技術を使用して製造するのに適当な寸法を有する構成要素である。
【００１３】
好ましい実施形態において、創意に富む本アプローチは、少なくとも１つのオプティカル双安定マイクロスイッチを使用して光学ビームを制御可能に経路を定める。図１に示すように、本実施形態は、（機能的に静止した２つの位置を有する。１つの位置は、機械的に静止しており、他方の位置は電気的に活動化されている。）オプティカルマイクロスイッチ１１０、マイクロラッチ１５０、および電力および信号を提供する駆動回路１２０を備える。本実施形態によると、光学ビーム１００は、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０により、２つの静止位置の一方の位置（例えば、上方の位置）に向けられている。前記光学ビーム１００は、前記マイクロスイッチ１１０が他方の静止位置（例えば、下方の位置）に位置するとき、その始めの方向において連続する。本発明によると、電力の遮断にも関わらず、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０は、静止した状態で２つの操作位置のいずれかに位置する。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、１つのオプティカルマイクロエレメントが、上下動マイクロアクチュエータに（例えば、直接的に、または間接的に支持されて）機能的に接続され、前記オプティカルマイクロスイッチ１１０を形成している。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の好ましい実施形態に係る上下動マイクロアクチュエータの１つの例示的な実施形態の上面図および断面図をそれぞれ示している。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す実施形態において、マイクロアクチュエータは、少なくとも１つの上方組み合わせマイクロフィンガー２２１、少なくとも１つの下方組み合わせマイクロフィンガー２２３、および複数のマイクロスプリング２２５を備えている。前記上方組み合わせマイクロフィンガー２２１は、前記オプティカルマイクロエレメント（図２において、不図示）が配置された取付部２２２に接続されている。前記下方組み合わせマイクロフィンガー２２３は、支持部２２４に接続されている。前記マイクロスプリング２２５は、スペーサ２２６を介して前記取付部２２２に接続された少なくとも１つの一端２２５−１を備え、また別のスペーサ２２６を介して前記支持部２２４に接続された少なくとも１つの他端２２５−２を備える。前記オプティカルマイクロエレメントは、前記取付部２２２の上に延び、または前記取付部２２２に固定されている。前記取付部２２２上の前記オプティカルマイクロエレメント（図２において、不図示）は、前記マイクロアクチュエータの前記取付部２２２を除く他の構成部材とは接続されていない。
【００１５】
本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、マイクロスプリングに接続された前記取付部２２２および前記支持部２２４の２つ以上または２つ以下の側を備えることによって実施されてもよい。本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、取付部の一方の側に接続された複数のマイクロスプリングを備えることによって実施されてもよい。例えば、２つのマイクロスプリングが、前記取付部２２２の一方の側を前記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用されてもよい。または、各端部に２つの結合部を備えた１つのスプリングを、前記取付部２２２の一方の側を前記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用してもよい。または、各端部で結合された２つのスプリングを、前記取付部２２２の一方の側を前記支持部２２４の一方の側と接続するのに使用してもよい。または、それらの組み合わせでもよい。本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、４面を有しない、三角形、五角形、六角形、円形、および均一でない形状を含む他の形状を用いて実施されてもよい。２セットの組み合わせマイクロフィンガーを使用する代わりに、本発明に係る前記マイクロアクチュエータは、ハウジング内の１つのロッドを使用することにより実施してもよい。
【００１６】
本発明の他の好ましい実施形態の実施において、前記マイクロスプリングスペーサ２２６は、前記マイクロアクチュエータの前記上部および下部が同時に等しい電位になることを回避するように選択されることが好ましい。前記マイクロアクチュエータは、（限定的でない、ＭＥＭの製造技術またはマイクロ機械加工技術を含む）集積回路製造技術により製造されてもよい。前記マイクロアクチュエータは、多結晶シリコン、単結晶シリコン、または金属材料を用いて製造されてもよい。
【００１７】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示す実施形態において、前記マイクロスプリング２２５は、マイクロスプリング２２５内に蓄積された機械的エネルギーを最小化する機械的に静止した状態の方を選ぶので、前記マイクロアクチュエータが電気的にバイアスされていないとき、前記マイクロアクチュエータは、上方の位置（前記機械的静止位置）に位置する。前記マイクロアクチュエータの前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガー（各２２１および２２３）の間に電位差がある場合、前記マイクロアクチュエータは下方の状態に位置する。この場合、前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガー（各２２１および２２３）は、前記蓄積された電気的エネルギーを最小化するためにそれらの重なっている領域を最大化する傾向がある。この傾向は、前記引き伸ばされたマイクロスプリング内に蓄積された前記機械的エネルギーによって阻害される。
【００１８】
本発明の他の好ましい実施形態の実施において、前記マイクロアクチュエータは、電気的にバイアスされていない場合、下方位置に位置するので、前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガーは重なる。下方に位置する状態は、機械的に静止した状態である。前記マイクロアクチュエータを上方に位置する状態に移動させるために、前記マイクロアクチュエータの前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガーは、ゼロではない等しい電位まで充電されている。この状態で、前記上側および下方組み合わせマイクロフィンガーは、お互いに反発してそれらの重なる領域を最小化し、これにより、前記蓄積された電気的エネルギーを最小化する。この傾向は、前記引き伸ばされたマイクロスプリング内に蓄積された前記機械的エネルギーによって妨害される。
【００１９】
本明細書に開示された本発明の原理に基づいて、当業者は、非電場に基づく構成を用いるマイクロアクチュエータを実施可能である。限定的でない実施例として、前記マイクロアクチュエータは、変化する磁場に反応する構成を用いて実施することも可能である。さらに、本発明において開示された原理に基づいて、当業者は、機械的静止位置を提供するための他の手段を使用してもよい。限定的でない実施例として、前記機械的静止位置を達成するために前記マイクロスプリングの代わりに磁力または重力を用いてもよい。好ましい実施形態において、前記マイクロアクチュエータは、マイクロコム（comb）ドライブとして実施されてもよい。この好ましい実施形態の実施において、前記マイクロアクチュエータは、上下動マイクロコムドライブとして実施される。
【００２０】
創意に富む本アプローチは、双安定的な方法において機能するマイクロスイッチを備えることによって電力に依存しない機能を達成する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ解放位置または係合位置にある本発明の好ましい実施形態に係る例示的な側方マイクロラッチ３５０の上面概略図を示す。前記側方マイクロラッチ３５０は、マイクロアーム３５２に接続された（爪部または突起部として機能する）マイクロパッド３５１を備える。前記マイクロアーム３５２は、第１マイクロベース３５３−１に接続されている。前記マイクロアーム３５２は、第１セットの組み合わせマイクロフィンガー３５４−１に接続されている。また、第２マイクロベース３５３−２に接続されている第２セットの組み合わせマイクロフィンガー３５４−２が設けられている。本発明に係る前記マイクロラッチ３５０は、集積回路製造技術に従って製造してもよく、また単結晶シリコン、または多結晶シリコンまたは金属材料から製造されてもよい。
【００２１】
図３（Ａ）は、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が充電されておらず、それゆえ、前記マイクロアーム３５２および前記マイクロベース３５３−１の弾性作用が、前記マイクロパッド３５１をマイクロスイッチ３１０の経路から離している状態を示している。図３（Ｂ）は、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が電位差を有し、それゆえ、前記マイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が、前記マイクロアーム３５２および前記マイクロベース３５３の弾性作用によって平衡を保たせるように蓄積された電気的エネルギーを最小化するために重なっている状態を示している。前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２が重なる動作によって、前記マイクロパッド３５１が前記オプティカルマイクロスイッチ３１０の経路の内側に押圧される。本実施形態において、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２は、妨げられない角運動を可能にする湾曲形状を有してもよい。
【００２２】
創意に富む本アプローチの他の好ましい実施形態によると、図３（Ａ）の状態は、前記マイクロアクチュエータの前記組み合わせマイクロフィンガーが充電されていないとき前記マイクロスイッチが上方の位置に位置するものである。この実施形態において、電力に依存しない上方位置のマイクロスイッチを維持するために前記マイクロラッチ３５０を前記マイクロスイッチ３１０に係合させることは必要ない。この実施形態において、図３（Ｂ）の状態は、前記マイクロアクチュエータの前記組み合わせマイクロフィンガーが電位差を有するまで充電された結果として、前記マイクロスイッチが下方の位置に位置するものである。この状態において、前記マイクロラッチ３５０は、前記マイクロスイッチ３１０と係合可能な位置にあり、それゆえ電力が遮断されたとき前記マイクロスイッチ３１０が上方の位置に移動することを妨げるようになっている。係合された場合、前記マイクロパッド３５１とマイクロスイッチ３１０との間の摩擦力が、前記マイクロラッチ３５０を解放しないようにしている。
【００２３】
この実施形態において、（前記マイクロアクチュエータまたは前記マイクロエレメント、あるいはその両方の）前記マイクロスイッチ３１０が、まず下方位置に移動し、次に前記マイクロラッチ３５０が前記係合位置に移動する。前記マイクロスイッチ３１０が下方位置から上方位置に選択的に移動するものである場合、そのとき、前記マイクロラッチ３５０がまず前記解放位置に移動した後で、前記マイクロスイッチ３１０が上方位置に移動する。
【００２４】
この実施形態において、前記マイクロスイッチ３１０を駆動して上方に移動する回路は、前記マイクロラッチ３５０を解放する回路のトリガー時間より長いトリガー時間を有する。これにより、前記マイクロスイッチ３１０が上方に移動可能となる前に前記マイクロラッチ３５０を解放することが可能となる。さらに、この実施形態において、前記マイクロスイッチ３５０を駆動して下方に移動する回路は、前記マイクロラッチ３５０を係合する回路のトリガー時間より短いトリガー時間を有する。これにより、前記マイクロスイッチ３１０が下方に移動可能となった後で前記マイクロラッチ３５０を係合することが可能となる。
【００２５】
さらに、この実施形態において、前記マイクロパッド３５１は前記マイクロスイッチの経路内に位置するように選択的に駆動されるが、前記マイクロパッド３５１は、前記マイクロスイッチ３１０が下方位置に位置する場合と前記電力が遮断された場合を除いて、前記マイクロスイッチ３１０に物理的に接触していない（すなわち、前記マイクロパッドは、前記マイクロアクチュエータおよび前記マイクロエレメントのどちらにも接触していない）。その結果、過剰な数の電力遮断が起こらない限り、前記マイクロラッチ３５０は磨耗することなく連続的に操作可能である。
【００２６】
他の好ましい実施形態によると、前記マイクロラッチは、マイクロコムドライブを用いて実施される。
【００２７】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、前記マイクロラッチが、電力が遮断されたときだけ前記オプティカルマイクロスイッチ（前記マイクロエレメントまたは前記マイクロアクチュエータ、あるいはその両方）と接触するオプティカルルータの通常操作用の好ましい実施形態におけるタイムチャートの限定的でない実施を示す。図４（Ａ）は、ライン４０１上の信号によって駆動される前記マイクロスイッチの作動のタイムチャートと、ライン４０２上の信号によって駆動される前記マイクロラッチの作動のタイムチャートを示し、前記マイクロスイッチは、（機械的に静止した）上方の状態から（電気的に活動化された）下方の状態に移動し、その後で上方の状態に戻る。時間ｔ_０において、信号がマイクロスイッチに入力されてマイクロスイッチが下方の状態に駆動し始める。時間ｔ_１において、前記マイクロスイッチは下方の状態にある。時間ｔ_２において、信号がマイクロラッチに入力されてマイクロラッチがマイクロスイッチの経路内に駆動し始める。時間ｔ_３において、前記マイクロラッチは、前記マイクロスイッチの経路内に位置するが、前記マイクロスイッチは既に下方の状態にあるので、マイクロラッチはマイクロスイッチとは接触しない。
【００２８】
一実施形態において、オプティカルマイクロスイッチの状態を下方の状態から上方の状態に変化させる必要があるときまで電力が存在し、その後、時間ｔ_４において、信号がマイクロラッチに入力されてマイクロラッチがマイクロスイッチの経路から外側に駆動し始める。時間ｔ_５において、前記マイクロスイッチはマイクロスイッチの経路の外側にある。時間ｔ_６において、信号がマイクロスイッチに入力されて、マイクロラッチがマイクロスイッチの経路内に位置することなくマイクロスイッチが上方の状態に駆動し始める。
【００２９】
電気的遮断が生じた場合のタイムチャートが、図４（Ｂ）に概略的に示されており、マイクロスイッチが（機械的に緊張した（tensed））下方位置にあり、マイクロラッチがマイクロスイッチの経路内に位置する。時間ｔ_ｆにおいて、電力が遮断される。時間ｔ_１１において、ライン４０１を介して供給されると、前記オプティカルマイクロスイッチの状態を維持する電気信号が減少し始め、マイクロスイッチが、不均衡な機械力に応じて上方に移動し始める。しかしながら、前記駆動回路１２０が、ライン４０２を介して供給されると、電気信号が、マイクロラッチ（例えば、マイクロパッド）の位置をマイクロスイッチの経路内に維持することを保証するように構成されている。ライン４０２の電位は、マイクロスイッチがマイクロラッチと接触する時間ｔ_１２の後である、後の時間ｔ_１３で減少し始める。それゆえ、マイクロラッチは、そのとき移動しているマイクロスイッチの経路内に維持される。接触した時点で、マイクロラッチはマイクロスイッチをその機械的に緊張した状態に保持する。マイクロラッチは、摩擦力またはマイクロパッド３５１に設けられた指もしくはフックのような連結機構の実施によって前記保持している位置に維持される。電力が復帰したとき、マイクロスイッチとマイクロラッチは、図４（Ａ）に示すように電気的に作動される。
【００３０】
本明細書に記載された実施形態において、マイクロラッチ３５０（例えば、マイクロパッド３５１）は、前記オプティカルマイクロエレメントまたはマイクロアクチュエータ、あるいはその両方と接触するように実施されてもよい。
【００３１】
本発明に係るマイクロラッチ３５０に、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２を互いに反発させるように実施してもよい。例えば、前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２を、それらが充電されていないとき普通は重なるように配置してもよい。この実施形態において、等しい電位が前記組み合わせマイクロフィンガー３５４−１および３５４−２の両方に付与された場合、前記マイクロアーム３５２とマイクロパッド３５１は通常位置から離れるように押圧され、マイクロパッド３５１がマイクロスイッチ３１０の経路内から外側に移動する。
【００３２】
ここに示された本発明の原理に基づいて、マイクロラッチ３５０もまた他の装置における実施が可能である。例えば、ある実施においては、マイクロパッド３５１はマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１と同じ側に配置され、そして第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロフィンガー３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１から離れた他の側に配置されている。もう一つの実施では、マイクロパッド３５１はマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１から離れた他の側に配置され、第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロフィンガー３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２は第１マイクロベース３５３−１と同じ側に配置されている。さらにもう一つの実施においては、マイクロパッド３５１、第２マイクロベース３５３−２と組み合わされたマイクロフィンガー３５４−１及び３５４−２とはマイクロアーム３５２の第１マイクロベース３５３−１から離れた他の側に配置されている。ここに開示されている創意に富む原理によれば、ポテンシャル差が組み合わされたマイクロフィンガー３５３−１及び３５３−２間に適用されるか否か（或いは、それらが同じ電位ポテンシャルだけ充電されるか否か）の選択は、マイクロパッド３５１がマイクロスイッチ３１０の通路内に、或いはそこから移動するようになっているか否かに依っている。
【００３３】
以下に記述されている好ましい実施形態の典型的な実施においては、マイクロスイッチは少なくとも一つのオプティカルマイクロエレメントと上述した少なくとも一つのマイクロアクチュエータとを含んでいる。限定されるものではないが、以下に記述されるこの典型的な実施形態におけるマイクロアクチュエータは、マイクロスイッチが上方位置にあるときにマイクロスプリングが強く張られない図２（Ａ）におけるように配設される。マイクロアクチュエータのための他の装置は、ここに開示された本発明から逸脱することなく後述する典型的な実施形態で使われる。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロアクチュエータ装置は、マイクロスプリングが引張られて配置される全時間を最小にするように選択される。このことは、例えば光学ビームの最も頻繁な進行方向を決めることにより、そしてマイクロスイッチを張り詰めることを要することなくこの進行を達成するマイクロスイッチ（マイクロエレメント）のための装置を決めることにより達成され、それ故にその装置は、電力が遮断された場合、安定している。しかしながら、当業者であれば、最も容易に或いは経済的に製造できる装置を使ったルータを組立てることの選択もできる。
【００３５】
本発明を実施している好ましい実施形態においては、平面反射面は光学ビームを偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用される。図５は本発明に係る典型的な好ましい実施形態の概略を示し、そこでは単一の双安定マイクロスイッチが二つのレシーバーへの光学ビームの進行を制御している。図５では、上方位置にあるオプティカルマイクロスイッチ５１０が光ファイバー５６１から送出されてきた光学ビーム５００を外へ追い出している。ファイバー５６１は、ファイバ５６１とマイクロスイッチ５１０との間に配置されたマイクロレンズ５８１を有するファイバーホルダー５７１により適所に保持されている。上方位置にあるマイクロスイッチ５１０が、光学ビーム５００をホルダー５７２により適所に保持された光ファイバ５６２に、マイクロレンズ５８２を介して、追い出している。もしも、マイクロスイッチ５１０が下方位置にあれば、そのときそれは光学ビーム５００をホルダー５７３により適所に保持された光ファイバ５６３に、マイクロレンズ５８３を介して、追い出す。上述したように、少なくとも一つのマイクロラッチが、電力が遮断された場合にマイクロスイッチの状態を下方位置に固定する位置に駆動される。この典型的な実施形態では、マイクロラッチは、マイクロスイッチ５１０が上方位置にあるときに、その運動を妨げないであろう位置にある。このマイクロラッチの適切な配置は、上述したようにマイクロアクチュエータ装置に対する特定の選択に依存する。
【００３６】
この典型的な実施形態では、マイクロスイッチ５１０は、オプティカルマイクロエレメントとして少なくとも一つのマイクロミラーを含んでいる。このマイクロミラーは蒸着により上にコーティングされた平面である。このコーティングは光学ビームの波長に対して高い反射率を有している。ある実施においては、コーティング材料は金で、それは一般に広範囲の波長に対して高い反射率を有している。光学ビームの特定の波長に対して設計された多層コーティングを含む他のコーティング材料も使用できる。
【００３７】
本発明を実施するもう一つの好ましい実施形態においては、凹状反射面が光学ビームを偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用されている。この実施形態では、凹状マイクロミラーはマイクロレンズ５８１及び５８２の焦点合せの仕事をするので、マイクロレンズ５８１及び５８２は必ずしも必要ではない。図５により記述された実施形態の非限定的な実施においては、マイクロミラーは、マイクロアクチュエータの運動方向に垂直な入射光学ビームがマイクロアクチュエータの運動方向にもまた垂直なもう一つの方向に偏向させられるように配置される。この実施形態はまた、マイクロレンズ５８１及び５８２を使って実施され得る。
【００３８】
図５に描かれた好ましい実施形態の実施では、ファイバーホルダーのファイバー入力から離れた他の側に配置されたマイクロレンズが設けられている。しかしながら、本開示において後述されている実施形態におけるのと同様、図５に例示されたこの実施形態におけるマイクロレンズは、ファイバーホルダーと対応するオプティカルマイクロエレメントとの間のいずれにも配置され得る。
【００３９】
ここに開示されている本発明は、また光学ビームの進行を制御するための複数のオプティカルマイクロスイッチを使った実施形態においても実施される。例えば、Ｍ×Ｎ（Ｍ或いはＮが１に等しい場合を含む）配列のマイクロスイッチが光学ビームの進行を制御するために使用される。
【００４０】
本発明を記述する（先の、或いはこの後の）実施形態においては、ファイバ、マイクロレンズ（使用された場合）及びオプティカルマイクロエレメントの配置は、機械的に強く緊張した状況からマイクロラッチがマイクロエレメント（或いはマイクロアクチュエータ）に接触し、機械的に強く緊張した状態を維持するまで、オプティカルマイクロエレメントが運動する間、偏向させられたビームがターゲットファイバーになおも効率よく集められるものである。
【００４１】
図６は本発明に係る好ましい実施形態の概略を示し、そこではオプティカルマイクロスイッチの２×２の配列が光学ビームの進行を制御するために使われている。図６では、上方位置にあるマイクロスイッチ６１０が光フアイバー６６１から送出されてきた光学ビーム６００を追い出している。ファイバー６６１は、ファイバー６６１とマイクロスイッチ６１０との間に配置されたマイクロレンズ６８１を有するファイバーホルダー６７１によって適所に保持されている。上方位置にあるマイクロスイッチ６１０は、光学ビーム６００をホルダー６７２により適所に保持された光ファイバー６６２にマイクロレンズ６８２を介して追い出している。マイクロスイッチ６１０が下方位置にある場合、そのときそれは光学ビーム６００をホルダー６７３により適所に保持された光ファイバー６６３にオプティカルレンズ６８３を介して追い出している。上述したように少なくとも一つのマイクロラッチは、電力が遮断された場合にマイクロスイッチの状態を下方位置に固定する位置に駆動される。この典型的な実施形態では、マイクロラッチは、マイクロスイッチ６１０が上方位置にあるときにその運動を妨げないであろう状態にある。このマイクロラッチの適切な配置は、上述したようにマイクロアクチュエータ配置の特定の選択に依存している。
【００４２】
この典型的な実施形態では、マイクロスイッチ６１０はオプティカルマイクロエレメントとして少なくとも一つのマイクロミラーを含んでいる。このマイクロミラーは蒸着により上にコーティングされた平面である。このコーティングは光学ビームの波長に対して高い反射率を有している。ある実施においては、コーティング材料は金であり、それは一般に広範囲の波長に対して高い反射率を有している。光学ビームの特定の波長に対して設計された多層コーティングを含む他のコーティング材料の使用が可能である。
【００４３】
本発明を実施するもう一つの好ましい実施形態では、凹状反射面が光学ビームを偏向させるマイクロオプティカルエレメントとして使用される。この実施形態は、平面反射マイクロミラーの代わりに凹状反射マイクロミラーを使用していることにおいて図６のものと相違している。この実施形態では、マイクロレンズ６８１及び６８２は、凹状マイクロミラーがマイクロレンズ６８１及び６８２の焦点合せの仕事を行う故、必ずしも必要ではない。図６により記述された実施形態の非限定的な実施では、マイクロエレメントの運動方向に垂直な入射光学ビームがマイクロエレメントの運動方向にもまた垂直であるもう一つの方向に偏向させられるようにマイクロミラーは配置される。
【００４４】
複数のオプティカルマイクロスイッチを使用した本発明の実施形態は、各マイクロスイッチに含まれる少なくとも一つのオプティカルマイクロエレメントとして平面及び凹状ミラーの混合物を使用して実施され得る。例えば、図６により例示された実施形態では、マイクロレンズを備えるための適切な選択で、マイクロエレメントの一つが平面マイクロミラーとして実施され、もう一つのマイクロエレメントが凹状マイクロミラーとして実施される。
【００４５】
本発明の実施は、ＭとＮの内、少なくとも一方が２よりも大きいＭ×Ｎの二次元配置マイクロスイッチにまで広げられる。本発明はまた、少なくとも２列が異なる数のマイクロスイッチを有する複数列のマイクロスイッチを使用した二次元の外形形態に実施され得る。例えば、本発明は第１列が３つのマイクロスイッチを有し、第２列が２つのマイクロスイッチを有するように配置された５つのマイクロスイッチを使って実施される。
【００４６】
ここに開示された本発明は、その実施において、オプティカルマイクロスイッチのＭ×Ｎの矩形等距離分布（rectangular equidistant distribution）に限定されるものではない。むしろ、本発明は、限定されるものではないが、少なくとも２つのマイクロスイッチ間の異なる距離を有する矩形配列、マイクロスイッチの三角形、五角形及び六角形配置を含むオプティカルマイクロスイッチの配置の異なる外形形態を使って実施される。
【００４７】
本発明は、光学ビームをファイバーに導くためのマイクロレンズに加えて、或いはそれに代えて他の結像構成要素（imaging component）を使ってもまた実施され得る。
【００４８】
既述の上記実施された本発明の好ましい実施形態では、ルータは、電源が遮断されたときのみマイクロスイッチをマイクロエレメント（或いはマイクロアクチュエータ）に接触させ、そしてマイクロオプティカルエレメントをその状態に保持させる。もう一つの好ましい実施形態では、マイクロラッチは、マイクロスプリングが強く緊張した状態にあるときに、オプティカルマイクロエレメント（或いはマイクロアクチュエータ、或いは双方）に接触するように配置され、そして電力が、オプティカルマイクロエレメントの状態に影響することなく図４（Ｂ）の信号により意図的に除かれる。この実施形態では、電力は、マイクロスイッチが上方の（機械的に静止した）状態に意図的に駆動される直前に図４（Ａ）の信号により元に戻される。このように、電力が図４（Ｂ）の二番目の半分により切られたとき、マイクロラッチは、マイクロスイッチが動かされる前にオプティカルマイクロエレメント（或いはマイクロアクチュエータ）との接触を解除する。この実施形態は、進行状態（routing states）が変えられるときに電力を必要とすることなく、ルータの機能に影響する短い電気信号を使うことを許容している。
【００４９】
本発明は、ある典型的な実施形態を参照してかなり詳細に記述されたが、本発明の種々の修正や応用が本発明の範囲及び精神から外れることなく実現され得ることは明らかであろう。本発明の範囲は請求の範囲によってのみ限定されるようにもくろまれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 少なくとも１つの双安定オプティカルマイクロスイッチを使用して光学ビームを制御可能にルーチングする方法の概略図。
【図２Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロアクチュエータの平面図。
【図２Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロアクチュエータの断面図。
【図３Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロラッチの非係合状態を示す概略図。
【図３Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるマイクロラッチの係合状態を示す概略図。
【図４Ａ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるオプティカルルータの通常動作のタイムチャート。
【図４Ｂ】 本発明の好ましい実施形態の実施によるオプティカルルータの電力遮断があったときの動作のタイムチャート。
【図５】 オプティカルマイクロエレメントとして平面反射ミラーを有する単一のマイクロスイッチを使用した本発明の好ましい実施形態の実施の概略図。
【図６】 オプティカルマイクロエレメントとして平面反射ミラーを有するツーバイツーアレイのオプティカルマイクロスイッチを使用した本発明の好ましい実施形態の実施の概略図。
【符号の説明】
１１０ 双安定オプティカルマイクロスイッチ
２２５ マイクロスプリング
２２１，２２２，２２３，２２４ マイクロアクチュエータ
３５０ マイクロラッチ

Claims (18)

1. 平面基板に形成され、複数の動作状態を有するオプティカルマイクロエレメントを有するオプティカルルータであって、前記オプティカルマイクロエレメントが駆動電力により動作状態を変更するように駆動可能で、前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態の変更により光学ビームの方向を変更するオプティカルルータにおいて、
   前記オプティカルマイクロエレメントは、アクチュエータにより、前記動作状態の間で、前記基板の面にほぼ垂直な移動方向に平行移動され、前記アクチュエータは前記移動方向にお互いに対して移動可能な第１と第２のアクチュエータエレメントを有し、
   複数の状態を有する機械的マイクロラッチが設けられ、該マイクロラッチは状態を変更するように動作可能で、前記状態の１つは、前記駆動電力の遮断中に前記オプティカルマイクロエレメントと機械的に接触することで、前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態を維持することを特徴とするオプティカルルータ。
2. 前記マイクロラッチは、電力が遮断したときに、前記状態の１つにおいて前記オプティカルマイクロエレメントの動作状態を維持することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
3. 前記マイクロラッチは、前記マイクロラッチが状態を変更したときに、前記基板の平面にほぼ平行な方向に移動する少なくとも１つのラッチングマイクロエレメントを含むことを特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
4. 前記アクチュエータは前記オプティカルマイクロエレメントに動作可能に接続された上下動マイクロアクチュエータを有し、該マイクロアクチュエータは前記オプティカルマイクロエレメントを前記基板の平面に垂直に移動してその状態を変更することを特徴とする請求項２に記載のオプティカルルータ。
5. 前記マイクロアクチュエータは上下動マイクロコウムドライブを含むことを特徴とする請求項４に記載のオプティカルルータ。
6. 前記マイクロアクチュエータの第１と第２のアクチュエータエレメントは、駆動信号に応答してお互いに対して移動可能であり、
   前記ルータはさらに、前記マイクロアクチュエータを支持する前記基板上の支持部と、前記マイクロアクチュエータのそれぞれ第１と第２のアクチュエータエレメントに動作可能に接続された第１と第２の端部を有し、駆動信号がないときに前記オプティカルマイクロエレメントを前記動作状態の第１の状態に偏倚する少なくとも１つのマイクロスプリングとを含むことを特徴とする請求項４に記載のオプティカルルータ。
7. 前記ラッチングマイクロエレメントは、前記動作状態の第２状態で前記マイクロアクチュエータを選択的に停止することを特徴とする請求項６に記載のオプティカルルータ。
8. 前記オプティカルマイクロエレメントは光学ビーム反射面を有することを特徴とする請求項１に記載のオプティカルルータ。
9. 前記反射面は平面であることを特徴とする請求項８に記載のオプティカルルータ。
10. 前記反射面は凹面であることを特徴とする請求項８に記載のオプティカルルータ。
11. 前記ルータはさらに、前記オプティカルマイクロエレメントと前記マイクロラッチを含むオプティカルマイクロスイッチからなる請求項１に記載のオプティカルルータ。
12. 前記ルータはさらに、Ｍ×Ｎ配列に配置された複数の前記オプティカルマイクロスイッチを有し、ＭとＮの少なくとも１つは１より大きいことを特徴とする請求項１１に記載のオプティカルルータ。
13. 光学ビームをルーチングする方法であって、駆動電力を選択的に印加することで、ほぼ平面の基板に設けられたオプティカルマイクロエレメントを選択的にスイッチングして、複数の動作状態の間で前記オプティカルマイクロエレメントを平行移動し、光学ビームの方向を変更するルーチング方法において、
    前記オプティカルマイクロエレメントは、アクチュエータにより、前記基板の面にほぼ垂直な移動方向に平行移動され、前記アクチュエータは前記基板の面に垂直な方向にお互いに対して移動可能な第１と第２のアクチュエータエレメントを有し、
    前記電力が遮断されたときに、マイクロラッチを選択的に駆動して、前記オプティカルマイクロエレメントと物理的に接触し、前記動作状態の１つに前記オプティカルマイクロエレメントを保持する工程を有することを特徴とするルーチング方法。
14. 前記アクチュエータは前記オプティカルマイクロエレメントに動作可能に接続され、前記選択的にスイッチングする工程は、前記アクチュエータに駆動信号を供給して、前記第１と第２のアクチュエータエレメントをお互いに対して移動させ、前記オプティカルマイクロエレメントを前記複数の動作状態の間で移動させることによってなされることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記アクチュエータは上下動マイクロコウムドライブを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法はまた、前記アクチュエータに動作可能に接続されたマイクロスプリングにより前記アクチュエータを偏倚して、前記オプティカルマイクロエレメントを前記複数の動作状態の１つに偏倚することを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記マイクロラッチを駆動する工程は、前記偏倚工程によって供給される引張力にもかかわらず、前記オプティカルマイクロエレメントを前記動作状態に保持することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記オプティカルマイクロエレメントは光学ビーム反射面を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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