JP5161160B2 - Optical switch module - Google Patents
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Description
本発明は、光通信の分野において光ビームの経路切り替えを行う光スイッチング素子、波長選択スイッチ等を構成するための光スイッチモジュール関するものである。 The present invention relates to an optical switch module for configuring an optical switching element, a wavelength selective switch, and the like for switching a light beam path in the field of optical communication.
インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重(WDM)化および低コスト化を実現する技術として、光MEMS(Micro Electro Mechnical System)技術が脚光を浴びている。前記光MEMS技術を用いたものとしては、例えば特許文献1に開示されている光スイッチがある。このMEMS型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものは、複数の可動反射体から構成されるマイクロミラー素子を配列したマイクロミラーアレイである。 In the field of optical networks that serve as the foundation of Internet communication networks, optical MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology is in the spotlight as a technology for realizing multi-channel, wavelength division multiplexing (WDM), and cost reduction. . As an example of using the optical MEMS technology, there is an optical switch disclosed in Patent Document 1, for example. The most characteristic component of the MEMS type optical switch is a micromirror array in which micromirror elements composed of a plurality of movable reflectors are arranged.
光スイッチは、光を電気信号に変換することなく、経路切り替えを可能にするものである。この光スイッチを用いることにより、多重化された光であっても、これを波長ごとに分波することなく経路を切り替えることが可能になる。このような光スイッチは、例えば、使用している経路に障害が発生した際に他の経路に信号を振り分け、通信できる状態を維持するために用いられている。 The optical switch enables path switching without converting light into an electrical signal. By using this optical switch, it is possible to switch the path of the multiplexed light without demultiplexing it for each wavelength. Such an optical switch is used, for example, to distribute a signal to another route when a failure occurs in the route being used and to maintain a state where communication is possible.
また、近年、多重化された光を波長毎に分波した後で分波した各々の波長の光の経路を個別に選択する波長選択スイッチが研究開発されており、この波長選択スイッチにもマイクロミラー素子が使用されている(特許文献2参照)。
前記マイクロミラー素子を用いて光スイッチ等を製造するに当たっては、マイクロミラー素子の特性を評価する必要がある。この特性評価を行うために特に重要視される特性は、マイクロミラー素子の基本特性のうち、駆動電圧に対するミラー回転角の特性(V−θ特性)と、マイクロミラー素子の応答特性とが挙げられる。この応答特性の評価は、マイクロミラー素子にパルス状の駆動電圧を印加し、ミラー固有の共振周波数を求めることにより行う。
In recent years, wavelength selective switches that individually demultiplex the multiplexed light for each wavelength and then individually select the path of each wavelength of the demultiplexed light have been researched and developed. A mirror element is used (see Patent Document 2).
In manufacturing an optical switch or the like using the micromirror element, it is necessary to evaluate the characteristics of the micromirror element. Among the basic characteristics of the micromirror element, characteristics that are particularly important for performing this characteristic evaluation include a mirror rotation angle characteristic (V-θ characteristic) with respect to the drive voltage and a response characteristic of the micromirror element. . This response characteristic is evaluated by applying a pulsed drive voltage to the micromirror element and obtaining the resonance frequency unique to the mirror.
マイクロミラー素子の基本特性を評価するためには、図9に示すように、マイクロミラー素子に実際に光を反射させて行う。すなわち、ミラー1(MEMSミラー)にレーザ光源2(測定用光源)からビーム3を入射し、その反射光ビーム4を光位置センサ5{以下、単にPSD(Position Sensitive Detector)という}で受光する。PSD5は、受光面に1つのスポットが当たるとき、その光のスポットの位置を求めることのできるセンサであり、高速応答性と高分解能を有することから、マイクロミラー素子の基本特性であるV−θ特性、応答特性の評価に適するものである。ただし、このPSD5は、受光面に2つのスポットが当たるときには、正確なスポット位置を計測できないものである。
In order to evaluate the basic characteristics of the micromirror element, as shown in FIG. 9, light is actually reflected by the micromirror element. That is, the
特に、PSD5の検出素子として2次元平面タイプのものを使用し、反射光スポットの位置を角度に換算することによって、図10に示すように、二軸回転ミラーの回転角(θx、θy)を計測することができる。図10は、PSD5の受光面5aに反射光ビームが照射されている状態を示している。
一般に市販されているPSDの検出可能な受光波長は、400〜1100nm程度である。このため、このPSDは、入射する光の波長が通信波長帯域である1300nm帯や1550nm帯である場合には使用することができない。
In particular, as a detection element of PSD5, a two-dimensional plane type is used, and by converting the position of the reflected light spot into an angle, as shown in FIG. 10, the rotation angle (θx, θy) of the biaxial rotating mirror is changed. It can be measured. FIG. 10 shows a state in which the
In general, a commercially available PSD has a detectable light receiving wavelength of about 400 to 1100 nm. For this reason, this PSD cannot be used when the wavelength of incident light is in the 1300 nm band or 1550 nm band, which is the communication wavelength band.
また、マイクロミラー素子(MEMSミラー)を安定に動作させるためには、気密封止に対応したセラミックパッケージ等の筺体に搭載することが有効である。この場合、筺体には光信号を入出力するために、透明な材料からなる透過窓を設ける必要がある。この透過窓の両面には、不要反射によるノイズ光を低減する目的、および信号光強度損失の発生を防止する目的で、一般的に、波長が信号波長帯の光のみを透過させる反射防止用のコーティングが施されている。 Further, in order to stably operate the micromirror element (MEMS mirror), it is effective to mount it on a housing such as a ceramic package that supports hermetic sealing. In this case, it is necessary to provide the casing with a transmission window made of a transparent material in order to input and output optical signals. For the purpose of reducing noise light due to unnecessary reflection and preventing the occurrence of signal light intensity loss, both sides of this transmission window are generally used for antireflection to transmit only light in the signal wavelength band. Coating is applied.
この透過窓は、枠状のリッドに支持され、このリッドを介して前記筐体に気密に取付けられている。このリッドの筐体への固定は、マイクロミラー素子が実装されている筐体にリッドをレーザ溶接、シーム溶接などにより接合することによって行われている。このようにリッドを筐体に接合することによって、気密封止されたマイクロミラー素子を有する光スイッチモジュールが形成される。マイクロミラー素子は、このように筐体内に気密封止されることにより、大気中の水分等の影響により発生する特性変動、例えば回転角変動を抑制することができ、安定した動作が可能になる。 The transmission window is supported by a frame-shaped lid, and is airtightly attached to the casing through the lid. The lid is fixed to the casing by joining the lid to the casing on which the micromirror element is mounted by laser welding, seam welding, or the like. By joining the lid to the housing in this manner, an optical switch module having a hermetically sealed micromirror element is formed. Since the micromirror element is hermetically sealed in the housing in this way, characteristic fluctuations caused by the influence of moisture in the atmosphere, such as fluctuations in the rotation angle, can be suppressed, and stable operation becomes possible. .
マイクロミラー素子の特性を評価するに当たっては、マイクロミラー素子をパッケージ等の筐体内に実装し、マイクロミラー素子が封止された状態(光スイッチモジュールの状態)で行うことが望ましい。これは、前述したようにミラーの回転角の変動等を抑制することができるからである。前記筐体の透過窓は、通信波長帯の光のみを透過させるものであり、これに対して、前記特性の評価を行う際に用いる光位置センサ(PSD)は、非通信波長帯の光しか検出することができないものである。 In evaluating the characteristics of the micromirror element, it is desirable to mount the micromirror element in a housing such as a package and seal the micromirror element (the state of the optical switch module). This is because fluctuations in the rotation angle of the mirror can be suppressed as described above. The transmission window of the casing transmits only light in the communication wavelength band. On the other hand, the optical position sensor (PSD) used for evaluating the characteristics can only transmit light in the non-communication wavelength band. It cannot be detected.
マイクロミラー素子が筐体内に封止されている状態で前記光位置センサを使用して例えばミラーの回転角を測定すると、透過窓の表面に形成されている反射防止コーティング部分で不要な反射が発生してしまい、正確に測定を行うことはできない。
このため、マイクロミラー素子の特性評価は、気密封止をする以前(反射防止コーティングがない状態)に行わなければならず、安定した状態で行うことができないという問題があった。
For example, when the rotation angle of a mirror is measured using the optical position sensor while the micromirror element is sealed in a casing, unnecessary reflection occurs at the antireflection coating formed on the surface of the transmission window. Therefore, accurate measurement cannot be performed.
For this reason, the characteristic evaluation of the micromirror element has to be performed before airtight sealing (in the state where there is no antireflection coating), and there is a problem that it cannot be performed in a stable state.
本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、マイクロミラー素子を気密封止した後に正確な特性評価を行うことが可能な光スイッチモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an optical switch module capable of performing accurate characteristic evaluation after hermetically sealing a micromirror element.
この目的を達成するために、本発明に係る光スイッチモジュールは、可動反射体を有するマイクロミラー素子により入射光の反射方向を制御する光スイッチモジュールであって、前記マイクロミラー素子を内部に気密封止するパッケージを有し、前記パッケージは入射光および反射光を透過させる透過窓を備え、前記透過窓は、通信波長帯域と、光位置センサで検出可能な可視光波長帯域とを含む少なくとも二つの波長帯域で光を透過させる反射防止処理が施され、前記通信波長帯域の光の波長は、1400nm〜1630nmであり、前記可視光波長帯域の光の波長は、630nm〜700nmであるものである。 In order to achieve this object, an optical switch module according to the present invention is an optical switch module that controls a reflection direction of incident light by a micromirror element having a movable reflector, and the micromirror element is hermetically sealed inside. The package includes a transmission window that transmits incident light and reflected light, and the transmission window includes at least two communication wavelength bands and a visible light wavelength band that can be detected by an optical position sensor . An antireflection treatment for transmitting light in the wavelength band is performed , the wavelength of light in the communication wavelength band is 1400 nm to 1630 nm, and the wavelength of light in the visible light wavelength band is 630 nm to 700 nm .
本発明においては、前記透過窓に通信波長帯の光の他に非通信波長帯の光を透過させることができるから、マイクロミラー素子がパッケージ内に封止されている状態で光位置センサ(PSD)を使用してマイクロミラー素子の特性評価を行うことができる。
したがって、本発明によれば、マイクロミラー素子の特性を安定にかつ正確に評価することが可能な光スイッチモジュールを提供することができる。
In the present invention, since light in a non-communication wavelength band can be transmitted through the transmission window in addition to light in a communication wavelength band, the optical position sensor (PSD) is in a state where the micromirror element is sealed in a package. ) Can be used to evaluate the characteristics of the micromirror element.
Therefore, according to the present invention, an optical switch module capable of stably and accurately evaluating the characteristics of the micromirror element can be provided.
(第1の実施例)
以下、本発明に係る光スイッチモジュールの一実施例を図1〜図7によって詳細に説明する。
この実施例に示す光スイッチモジュール11は、図1〜図3に示すように、パッケージ12内にMEMSミラーアレイチップ13を気密に封止することによって形成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, an embodiment of an optical switch module according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
The
前記パッケージ12は、セラミックによって略箱状を呈する形状に形成されたPGA(Pin Grid Array)タイプのパッケージ本体14と、このパッケージ本体14の開口部分を閉塞する蓋体15とから構成されている。パッケージ本体14を形成する材料としては、アルミナセラミック、ガラスセラミック等の各種材料を使用することができる。
The
前記パッケージ本体14の外側底面には、多数の接続用ピン16(図3参照)が立設され、前記パッケージ本体14の開口縁部には、後述する蓋体15を接合するためにシールリング17が設けられている。シールリング17は、パッケージ本体14の開口縁に沿って途切れることなく延在しており、前記開口を囲むようにロ字状に形成されている。この実施例によるシールリング17の厚みは、全域にわたって略一定に形成されている。
A large number of connection pins 16 (see FIG. 3) are erected on the outer bottom surface of the package
MEMSミラーアレイチップ13は、複数のマイクロミラー素子(図示せず)を同一平面上で並べて一つの支持部材に支持させることによって形成されたものである。すなわち、前記マイクロミラー素子は、複数アレイ状に配置されている。このMEMSミラーアレイチップ13は、図3に示すように、前記パッケージ本体14の内側底部に実装されている。このMEMSミラーアレイチップ13の電極(図示せず)は、図3中に符号18で示すボンディングワイヤを使用してパッケージ本体14の電極(図示せず)に接続されている。
ミラーアレイチップ13とパッケージ本体14との電気的な接続は、上述したボンディングワイヤによる方法の他に、図4に示すように、ミラーアレイチップ13底部に電極用パッド(図示せず)を形成し、はんだボール25等により直接接続する構成を採ることも可能である。
The MEMS
For the electrical connection between the
前記蓋体15は、図2および図3に示すように、パッケージ本体14の開口縁部を覆う枠状に形成されたリッドフレーム21と、このリッドフレーム21の開口部分を閉塞する透過窓22とによって構成されている。透過窓22は、入射光および反射光を透過させるためのもので、詳細は後述するが、透明な材料によって板状に形成されてリッドフレーム21に気密になるように接着されている。
なお、透過窓22をリッドフレーム21に取付ける位置は、図3に示すようにモジュールの内側であっても、図5に示すようにモジュールの外側であってもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
The position where the
リッドフレーム21は、前記シールリング17に重ねた状態でシーム溶接によって気密となるように接合されている。シーム溶接は、図1に示すように、リッドフレーム21の周囲の全域がシーム溶接部23となるように行う。図1においては、シーム溶接部23をハッチングによって示している。
リッドフレーム21の溶接は、パッケージ12内が乾燥窒素やアルゴン等の不活性ガスに置換される状態で行っている。すなわち、MEMSミラーアレイチップ13は、不活性ガスで満たされたパッケージ12内に気密に封止されることになる。
なお、ここではリッドフレーム21とシールリング17との接合にシーム溶接を用いた例を説明したが、接合の方法はシーム溶接に限定されることはなく、例えばレーザ溶接等の方法を用いてもよい。レーザ溶接を用いた場合には、シールリング17の形状は矩形に限定されることなく、円形や楕円形とすることが可能である。
また、リッドフレーム21とシールリング17との接合の方法として、熱硬化型や紫外線硬化型等の接着剤を用いることも可能である。
The
The
Here, an example in which seam welding is used for joining the
In addition, as a method for joining the
前記透過窓22は、厚みが約0.5mmの板状のサファイアによって透明になるように形成されている。この板状のサファイアは、透過窓22の主面(表面と裏面)がC面となるように形成されている。
この透過窓22の表面と裏面とには、本発明でいう反射防止処理として反射防止コーティング24(図3参照)がそれぞれ施されている。この反射防止コーティング24は、通信波長帯域と可視光波長帯域とを含む少なくとも二つの波長帯領域で光が透過するように構成されている。このような反射防止コーティング24は、誘電体膜を透過窓22の表面と裏面とにそれぞれ所定の層数だけ積層させることによって形成することができる。
The
An antireflection coating 24 (see FIG. 3) is applied to the front and back surfaces of the
この実施例においては、5酸化タンタル(Ta205)と二酸化珪素(SiO2) とを材料としてイオンアシスト蒸着法を使用して多層膜を成膜させることによって、透過窓22に反射防止コーティング24が施されている。なお、透過窓22に反射防止処理を施すに当たっては、上述した蒸着法によるコーティングに限定されることはなく、スパッタ法等を用いても形成可能である。
In this embodiment, an antireflection coating is formed on the
この実施例による反射防止コーティング24の特性を図6に示す。図6は、この実施例による反射防止コーティング24の波長に対する透過率の特性(透過スペクトル)の一例を示すグラフである。図6から判るように、この実施例による反射防止コーティング24を透過窓22に施すことによって、測定系に用いる可視光レーザ光源の波長帯域(630−700nm)と、通信波長帯域(1400−1630nm)との2波長帯域の光が透過窓22を透過するようになる。通信波長帯域の反射率は0.1%以下であり、測定波長帯域の反射率は1%以下である。透過窓22を15deg傾けた場合においても、垂直入射の場合とほぼ同等の特性が得られている。
また、反射防止コーティング21の特性としては、図7に示すように、2つの波長域において透過領域を分離させた特性とせずに、2波長領域を含む全体域において高い透過性を持たせるようにしてもよい。
The characteristics of the
In addition, as shown in FIG. 7, the
このように構成された光スイッチモジュール11においては、前記透過窓22に通信波長帯の光の他に非通信波長帯の光を透過させることができる。このため、MEMSミラーアレイチップ13がパッケージ12内に封止されている状態で光位置センサ(PSD)を使用してMEMSミラーアレイチップ13の特性評価を行うことができる。
したがって、この実施例によれば、MEMSミラーアレイチップ13(マイクロミラー素子)の特性を安定にかつ正確に評価することが可能な光スイッチモジュールを提供することができる。
In the
Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide an optical switch module that can stably and accurately evaluate the characteristics of the MEMS mirror array chip 13 (micromirror element).
(第2の実施例)
透過窓は、図8に示すように、MEMSミラーアレイチップに対して傾斜させることができる。図8は他の実施例を示す側面図で、同図(A)はシールリングの溶接面を傾斜させた例を示し、同図(B)はリッドフレームの透過窓用取付座を傾斜させた例を示す。図8において、前記図1〜図5によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。
(Second embodiment)
The transmission window can be tilted with respect to the MEMS mirror array chip as shown in FIG. FIG. 8 is a side view showing another embodiment, in which FIG. 8A shows an example in which the welding surface of the seal ring is inclined, and FIG. 8B shows that the mounting seat for the transmission window of the lid frame is inclined. An example is shown. 8, the same or equivalent members as those described with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
図8(A)に示すシールリング17は、リッドフレーム21を溶接するための溶接面17aがMEMSミラーアレイチップ13(静止状態にあるマイクロミラー素子のミラー)に対して所定の角度だけ傾斜するように形成されている。
図8(B)に示すリッドフレーム21は、透過窓22を取付けるための取付座21aがMEMSミラーアレイチップ13(静止状態にあるマイクロミラー素子のミラー)に対して所定の角度だけ傾斜するように形成されている。
The
The
図8(A)に示す溶接面17aの傾斜角度と、図8(B)に示す取付座21aの傾斜角度は、MEMSミラーアレイチップ13に設けられているマイクロミラー素子の回転角度範囲の2倍以上に設定している。例えば、マイクロミラー素子の回転角度が±2degである場合は、前記傾斜角度を5degに設定した。このため、この実施例においては、透過窓22を有するリッドフレーム21をシールリング17に溶接することにより、透過窓22は、前記マイクロミラー素子の最大傾斜角度より大きな角度で傾斜することになり、マイクロミラー素子のミラーと平行になることがなくなる。
The inclination angle of the
このように透過窓22がマイクロミラー素子に対して傾斜することにより、反射防止コーティング24の効果をより一層高めることができ、反射した光が入射方向に戻らないため、反射戻り光を−40dB以下に低減することができた。このため、この実施例による光スイッチモジュール11は、反射戻り光が低減されてノイズの発生と光源への影響とが少なく抑えられることから、特性評価をより一層正確に行うことができる。
特に、マイクロミラー素子の回転方向が1軸の場合には、その回転方向に直交する方向に透過窓22を傾斜させ、マイクロミラー素子の回転方向が直交する2軸の場合には、より回転角度が大きい回転方向に直交する方向に透過窓22を傾斜させることにより、本発明の効果をより一層高めることが可能となる。また、マイクロミラー素子の回転方向が直交する2軸の場合であって、各軸の回転角度が等しい場合においては、透過窓22をどちらの方向に傾斜させてもよい。
As the
In particular, when the rotation direction of the micromirror element is uniaxial, the
上述した各実施例においては、PGA型のパッケージ2を使用する例を示したが、パッケージから配線を取り出す形態としては、PGAに限定されることはなく、BGA(Ball Grid Array)、LGA(Land Grid Array)、QFP(Quad Flat Package)等の各種形態を採ることができる。
また、本発明は、透過させる光の波長帯域は、膜の材料、構成で任意に設計することが可能である。さらに、本発明は、搭載するマイクロミラー素子の形状、大きさ、配線方法等に依存せず、かつパッケージの材料、形状、大きさ、種類、窓の材料、形状等に依存せず利用することができる。
In each of the above-described embodiments, an example in which the PGA type package 2 is used has been described. However, the form of taking out wiring from the package is not limited to PGA, and BGA (Ball Grid Array), LGA (Land) Various forms such as Grid Array) and QFP (Quad Flat Package) can be adopted.
In the present invention, the wavelength band of light to be transmitted can be arbitrarily designed by the material and configuration of the film. Furthermore, the present invention should be used without depending on the shape, size, wiring method, etc. of the micromirror element to be mounted, and without depending on the package material, shape, size, type, window material, shape, etc. Can do.
5…光位置センサ、11…光スイッチモジュール、12…パッケージ、13…MEMSミラーアレイチップ、22…透過窓、23…反射防止コーティング。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Optical position sensor, 11 ... Optical switch module, 12 ... Package, 13 ... MEMS mirror array chip, 22 ... Transmission window, 23 ... Antireflection coating
Claims (8)
前記マイクロミラー素子を収納して気密に封止するパッケージを有し、
前記パッケージは、入射光および反射光を透過させる透過窓を備え、
前記透過窓は、通信波長帯域と、光位置センサで検出可能な可視光波長帯域とを含む少なくとも二つの波長帯域で光を透過させる反射防止処理が施され、
前記通信波長帯域の光の波長は、1400nm〜1630nmであり、
前記可視光波長帯域の光の波長は、630nm〜700nmであることを特徴とする光スイッチモジュール。 An optical switch module that controls the reflection direction of incident light by a micromirror element having a movable reflector,
A package that houses the micromirror element and hermetically seals;
The package includes a transmission window that transmits incident light and reflected light.
The transmission window is subjected to an antireflection treatment for transmitting light in at least two wavelength bands including a communication wavelength band and a visible light wavelength band detectable by an optical position sensor ,
The wavelength of light in the communication wavelength band is 1400 nm to 1630 nm,
The optical switch module according to claim 1, wherein a wavelength of light in the visible light wavelength band is 630 nm to 700 nm .
その回転方向に直交する方向に前記透過窓を傾斜させていることを特徴とする光スイッチモジュール。 The optical switch module according to claim 5 or 6 , wherein the rotation direction of the micromirror element is a uniaxial direction.
An optical switch module characterized in that the transmission window is inclined in a direction perpendicular to the rotation direction.
その回転方向のうち、より回転角度が大きい回転方向に直交する方向に前記透過窓を傾斜させていることを特徴とする光スイッチモジュール。 The optical switch module according to claim 5 or 6 , wherein the rotation directions of the micromirror element are two directions orthogonal to each other,
An optical switch module characterized in that the transmission window is inclined in a direction orthogonal to a rotation direction having a larger rotation angle among the rotation directions.
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