JP5519614B2 - 光通信装置およびミラー素子 - Google Patents

Description

本発明は、ミラー素子およびこのミラー素子を備えた光通信装置に関するものである。

近年、光通信の分野では、１つの波長に１つの光信号を対応させ、波長多重して伝送するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術により、大容量の光伝送を行うことが実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチングデバイスが脚光を浴びている。なかでも、小型、軽量、低コストを実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた空間光学系光スイッチングデバイスが注目されている（特許文献１参照）。このＭＥＭＳ技術を用いた空間光学系光スイッチングデバイスの構成部品として最も特徴的なものが、複数のマイクロミラー素子を高密度に配列したマイクロミラーアレイである。

マイクロミラーアレイは、ミラー素子（マイクロミラー素子）が、１次元的あるいは２次元的に配列されたものである。このようなミラー素子は、図７Ａ，図７Ｂに示すように、電極基板１００と、電極基板１００から離間して電極基板１００と略平行に対向配置されたミラー基板２００とを備えている。

電極基板１００は、ミラー基板２００と対向する面上に、電極１０１−１〜１０１−４が配設されている。この電極１０１−１〜１０１−４は、後述するミラー基板２００の可動梁１０２−１〜１０２−４と１対１に対応して対向配置されている。
ミラー基板２００は、互いに平行に配設された一対の支持部２０１と、この支持部２０１に一端が接続された可動梁２０２−１〜２０２−４と、この可動梁２０２−１〜２０２−４の他端に接続されたバネ２０３−１〜２０３−４と、このバネ２０３−１〜２０３−４を介して可動梁２０２−１〜２０２−４の可動端に接続されたミラー２０４とを備えている。

このようなミラー素子において、電極１０１−１〜１０１−４に駆動電圧を印加すると、電極１０１−１〜１０１−４と可動梁２０２−１〜２０２−４との間の電位差により発生する静電引力によって、可動梁２０２−１〜２０２−４がその電極１０１−１〜１０１−４の側に引き寄せられる。すると、その可動梁２０２−１〜２０２−４の移動に伴って、これらの可動梁２０２−１〜２０２−４にバネ２０３−１〜２０３−４を介して接続されたミラー２０４も変位する。したがって、選択的に電極１０１−１〜１０１−４に駆動電圧を印加することによって、ミラー２０４は任意の方向へ回動させられることとなる。

このようなミラー素子は、例えば、１つの入力ポート、複数の出力ポート、入力ポートから入力された光をミラー２０４に照射するとともに、このミラー２０４による反射光を何れかの出力ポートに導く光学系などを備えた光通信装置に用いられる。この光通信装置において、ミラー素子は、入力ポートから入力された光をミラー２０４により所定の方向に反射させていずれかの出力ポートに導くことにより、ポートの選択というスイッチング動作を実現することができる。

このようなミラー素子において、ミラー２０４や可動梁２０２−１〜２０２−４の曲率が増加したり、欠損が生じたりするといった故障が生じると、ミラー２０４により反射される信号光が、所望する方向に反射されなかったり、減衰したりする場合がある。このような場合、ミラー素子を用いた光通信装置において通信障害が発生することとなるので、対策を採るためにミラー素子の状態を検出することが望まれている。

特開２００９−２２９９１６号公報

しかしながら、ミラー素子の状態を検出することは困難であり、その仕組みについて何ら提案されていなかった。

例えば、ミラー素子の状態が正常であるか否かは光通信装置における光損失の変動として現れるが、この光損失はミラー素子以外の光通信装置の構成要素によっても発生するので、光損失の変動だけではミラー素子の状態を検出することは困難である。また、その光損失が変動する一因として経時変化による駆動力の変動に基づくミラーの偏向角の変動が挙げられ、この偏向角の変動量を検出できればミラー素子の状態をいくらか絞り込むことが可能となるが、その偏向角を検出する方法が未だに確立されていない。

そこで、本発明は、ミラー素子の状態を検出することができる光通信装置およびミラー素子を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る光通信装置は、基板、この基板上に設けられた支持部材、この支持部材に一端が接続された可動梁、この可動梁の他端部とバネ部材を介して接続されたミラー、可動梁およびミラーの少なくとも一方と対向して基板上に配置された電極、および、可動梁およびミラーの少なくとも一方に設けられ、変形によって電気抵抗が変化するように形成された金属薄膜を備えたミラー素子と、金属薄膜の電気抵抗を検出する検出部と、この検出部の検出結果に基づいてミラー素子の状態を判定する判定部とを備えたことを特徴とするものである。

上記光通信装置において、ミラーの傾きと、電極に印加する駆動電圧との関係を記録したテーブルと、このテーブルに基づいて、電極に駆動電圧を印加する駆動部と、判定部の判定結果に基づいて、テーブルに記録された駆動電圧を補正する補正部とをさらに備えるようにしてもよい。

また、上記光通信装置において、判定部の判定結果に基づいて、外部にミラー素子に故障が生じている旨の警報を出力する警報部をさらに備えるようにしてもよい。

また、上記光通信装置において、金属薄膜は、可動梁に設けられ、ミラーは、金属薄膜と同じ材料からなる反射膜を備えるようにしてもよい。

また、本発明に係るミラー素子は、基板と、この基板上に設けられた支持部材と、この支持部材に一端が接続された可動梁と、この可動梁の他端部とバネ部材を介して接続されたミラーと、可動梁およびミラーの少なくとも一方と対向して基板上に配置された電極と、可動梁およびミラーの少なくとも一方に設けられ、変形によって電気抵抗が変化するように形成された金属薄膜とものである。

本発明によれば、ミラー素子の可動梁およびミラーの少なくとも一方に設けられた金属薄膜の抵抗を検出することにより、ミラー素子の状態を検出することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光通信装置の構成を示すブロック図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係るミラー素子の構成を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、図２ＡのI-I線方向からの正面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係るミラー素子におけるミラー基板の正面図である。 図３Ｂは、図３ＡのII-II線方向からの平面図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る光通信装置における異常判定動作を示すフローチャートである。 図５Ａは、本発明の実施の形態に係るミラー素子における可動梁の変形例を示す正面図である。 図５Ｂは、図５ＡのIII-III線方向からの平面図である。 図５Ｃは、図５ＡのIV-IV線方向からの平面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係るミラー素子における可動梁の変形例を示す正面図である。 図６Ｂは、図６ＡのV-V線方向からの平面図である。 図６Ｃは、図６ＡのVI-VI線方向からの平面図である。 図７Ａは、ミラー素子の構成を模式的に示す平面図である。 図７Ｂは、図７ＡのVII-VII線方向からの正面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

＜光通信装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る光通信装置は、ミラー素子１と、このミラー素子１の状態を検出する検出装置２と、この検出装置２の検出結果に基づいてミラー素子１の動作を制御する制御装置３と、ミラー素子１の状態を外部に送信する通信装置４とを備えている。

≪ミラー素子の構成≫
ミラー素子１は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、例えばシリコン基板などから構成された電極基板１０と、電極基板１０から離間して電極基板１０と略平行に対向配置され、例えばＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板などから構成されるミラー基板２０とを備えている。

電極基板１０は、ミラー基板２０と対向する面上に、電極１１−１〜１１−４が配設されている。この電極１１−１〜１１−４は、後述するミラー基板２０の可動梁１２−１〜１２−４と１対１に対応して対向配置されている。

ミラー基板２０は、互いに平行に配設された一対の支持部２１と、この支持部２１に一端が接続された可動梁２２−１〜２２−４と、この可動梁２２−１〜２２−４の他端に接続されたバネ２３−１〜２３−４と、このバネ２３−１〜２３−４を介して可動梁２２−１〜２２−４の可動端に接続されたミラー２４とを備えている。このミラー２４の上面には、金等の金属薄膜からなる反射膜を設けるようにしてもよい。この反射膜を設けることにより、ミラーに入射する光をより効率的に反射させることができる。なお、以下において、ミラー基板２０において、電極基板１０と対向する側の面を「下面」、その反対側の面を「上面」と言う。

ここで、可動梁２２−１〜２２−４の下面には、金等の金属薄膜から構成されるセンサ部２５−１〜２５−４が設けられている。このセンサ部２５−１〜２５−４は、図３Ａ、図３Ｂに示すように、支持部２１に両端部が接続された平面視略コの字型の形状を有している。その両端部は、支持部２１を介してミラー素子１外部に導出され、検出部２に接続されている。本実施の形態において、センサ部２５−１〜２５−４は、可動梁２２−１〜２２−４の撓みや捻じれによる歪みにより生じる抵抗値を検出できるように金の薄膜をパターニングすることにより形成される。この金は、ミラー２４の表面に反射膜として用いられる材料であるので、ミラー２４に反射膜を設けた場合には、この反射膜とセンサ部２５−１〜２５−４とに同様の材料を用いることで、ミラー２４の反射膜の製膜工程時にセンサ部２５−１〜２５−４の金属薄膜を同時に製膜できるので、製造工程を簡易化できる。

このようなミラー素子１は、公知のＭＥＭＳ技術やフォトリソグラフィ技術によって形成することができる。具体的には、ミラー素子１は、電極基板１０とミラー基板２０とを、スペーサを介して貼り合わせることにより、所定の距離を離間して形成することができる。そのスペーサは、表面を金属により被覆するか、スペーサ自体を金属により形成することにより、導電性とする。センサ部２５−１〜２５−４からの配線と電極基板１０上の配線とを導電性スペーサを介して電気的に接続することで、センサ部２５−１〜２５−４からの信号を電極基板１０上の配線より検出することができる。電極基板１０上の配線には、駆動電極用の電極パッドに加え、センサ部２５−１〜２５−４用の電極パッドを用意し、ワイヤボンディング等により外部と接続するようにしてもよい。

このようなミラー素子１において、電極１１−１〜１１−４に駆動電圧を印加すると、電極１１−１〜１１−４と可動梁２２−１〜２２−４との間の電位差により発生する静電引力によって、可動梁２２−１〜２２−４がその電極１１−１〜１１−４の側に引き寄せられる。すると、その可動梁２２−１〜２２−４の移動に伴って、これらの可動梁２２−１〜２２−４にバネ２３−１〜２３−４を介して接続されたミラー２４も変位する。したがって、選択的に電極１１−１〜１１−４に駆動電圧を印加することによって、ミラー２４は任意の方向へ回動させられることとなる。

このようなミラー素子１は、例えば、１つの入力ポートと複数の出力ポートとの間に設けられ、入力ポートから入力された光をミラー２４により所定の方向に反射させていずれかの出力ポートに導くことにより、ポートの選択というスイッチング動作を実現することができる。

≪検出装置の構成≫
検出装置２は、センサ部２５−１〜２５−４に接続され、これらの電気抵抗の変化を検出する公知のブリッジ回路および電流増幅器等からなる電子機器から構成される。検出部２により検出されたセンサ部２５−１〜２５−４の抵抗値は、制御装置３に出力される。

≪制御装置の構成≫
制御装置３は、光通信装置全体の動作を制御する電子回路から構成される。このような制御装置３は、駆動部３１と、判定部３２と、補正部３３と、警報部３４と、記憶部３５とを備えている。

駆動部３１は、ミラー素子１の電極１１−１〜１１−４に所定の駆動電圧を印加することにより、ミラー２４を所定の角度に傾向させる機能部である。

判定部３２は、検出装置２から入力されるセンサ部２５−１〜２５−４の抵抗値に基づいて、ミラー素子１の状態を判定する機能部である。

補正部３３は、判定部３２の判定結果に基づいて、後述するテーブル領域３５ａに記憶されたテーブルの駆動電圧を補正する機能部である。

警報部３４は、判定部３２の判定結果に基づいて、通信部４を介して外部のオペレータなどにミラー素子１に異常が発生している旨を示す警報を出力する機能部である。

記憶部３５は、制御装置３による動作を実現するための各種情報を記憶する機能部である。このような記憶部３５には、例えば、ミラー２４の角度、この角度を実現するために電極１１〜１〜１１−４に印加する駆動電圧、および、この駆動電圧を印加したときのセンサ部２５−１〜２５−４の抵抗値の関係を示したテーブルを記憶するテーブル領域３５ａと、判定部３２による判定に用いられるしきい値を記憶するしきい値領域３５ｂと、制御装置３の動作プログラムを記憶する動作プログラム領域３５ｃとが少なくとも設けられている。なお、以下において、テーブル領域３５ａに記憶された抵抗値を「記憶値」と言う。

≪通信装置の構成≫
通信装置４は、制御装置３の指示に基づいて、通信回線（図示せず）を介して光通信装置外部と各種情報をやりとりするインターフェース装置から構成される。

＜異常判定動作＞
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る光通信装置におけるミラー素子１の異常判定動作について説明する。

例えば、ミラー２４を所定の角度に傾向させる場合、駆動部３１は、記憶部３５のテーブル領域３５ａに記憶されたテーブルに基づいて、その所定の角度に対応する駆動電圧を電極１１−１〜１１−４に印加する（ステップＳ１）。

駆動電圧が印加されると、判定部３２は、検出装置２を介して、センサ部２５−１〜２５−４における抵抗値（以下、「測定値」と言う。）を検出する（ステップＳ２）。

測定値が検出されると、判定部３２は、テーブルから駆動部３１により印加された駆動電圧に対応付けられた記憶値を取得し、この記憶値と測定値との差を算出し、この差が記憶部３５のしきい値領域３５ｂに記憶されたしきい値以下であるか否かを確認する（ステップＳ３）。このとき、判定部３２は、その差を絶対値として算出し、この絶対値の差としきい値とを比較する。また、しきい値領域３５ｂに記憶されたしきい値は、ミラー素子１の特性等に基づいて適宜設定される。

測定値と記憶値との差がしきい値以下である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、判定部３２は、ミラー素子１に大きな異常が発生していないと判定し、この判定結果を補正部３３に送信する。すると、補正部３３は、テーブルに記録された駆動電圧を補正する（ステップＳ４）。例えば、補正部３３は、測定値と記憶値とが一致するように、電極１１−１〜１１−４に印加する駆動電圧を変化させる。そして、測定値と記憶値とが一致したときの駆動電圧を、テーブルのその記憶値に対応して記憶されていた駆動電圧と置き換える。これにより、経時変化などによりミラー素子の特性が変化した場合であっても、テーブルに記録された駆動電圧がその特性の変化に応じて更新されるので、より正確なミラー２４の傾動動作を実現することができる。

測定値と記憶値との差がしきい値を超える場合（ステップＳ３：ＮＯ）、判定部３２は、ミラー素子１に異常が発生していると判定し、この結果を警報部３４に出力する。すると、警報部３４は、通信部４により、ミラー素子１に異常が発生していることを示す警報を外部のオペレータ等に宛てて送信させる（ステップＳ５）。これにより、オペレータは、ミラー素子１に異常が発生したことを認識できるので、その異常を解消するための処理を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動梁２２−１〜２２−４にセンサ部２５−１〜２５−４を設けることにより、このセンサ部２５−１〜２５−４の抵抗値の変化に基づいて可動梁２２−１〜２２−４の状態を検出することができる。これにより、ミラー素子１が故障しているか否かを特定することもできる。

また、本実施の形態によれば、判定部３２の判定結果に基づいて記憶部３５のテーブル領域３５ａに記憶されたテーブルの駆動電圧が補正されるので、経時変化等によってミラー２４や可動梁２２−１〜２２−４の曲率が変化した場合であっても、ミラーの回動角を正確に制御することができる。

さらに、本実施の形態によれば、判定部３２の判定結果に基づいて警報部３４によりミラー素子に故障が生じている旨の警報が外部のオペレータ等に宛てて送信されるので、オペレータがその故障をいち早く認識できるとともに、その故障を解消するための処理を速やかに行うことができる。

なお、本実施の形態において、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、可動梁２２−１〜２２−４の上面に金属薄膜からなる反り防止部材２６を設けるようにしてもよい。センサ部２５−１〜２５−４を設けたとき、可動梁２２−１〜２２−４の下面側に反りが発生する場合がある。このような場合に反り防止部材２６を設けると、この反り防止部材２６を設けた可動梁２２−１〜２２−４の上面側に反りを生じさせる力が発生し、この力とセンサ部２５−１〜２５−４により可動梁２２−１〜２２−４の下面側に反りを発生させる力とが互いに打ち消し合う。結果として、可動梁２２−１〜２２−４に発生する反りを抑制することができる。

また、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、可動梁２２−１〜２２−４の上面に金属薄膜からなる第２のセンサ部２７−１〜２７−４を設けるようにしてもよい。この場合、センサ部２５−１〜２５−４の抵抗値と、第２のセンサ部２７−１〜２７−４の抵抗値との差分を取り、この差分に基づいて可動梁２２−１〜２２−４の状態を判定することができる。このようにしても、本実施の形態と同等の作用効果を得るとともに、上述した反り防止部材２６を設けた場合と同様に可動梁２２−１〜２２−４の反りを抑制することができる。

また、本実施の形態では、センサ部２５−１〜２５−４を可動梁２２−１〜２２−４に設けた場合を例に説明したが、センサ部２５−１〜２５−４を設ける位置は可動梁２２−１〜２２−４に限定されず、ミラー２４に設けたり、可動梁２２−１〜２２−４およびミラー２４の両方に設けたりするようにしてもよい。このとき、上述した反り防止部材２６や第２のセンサ部２７−１〜２７−４についても、可動梁２２−１〜２２−４のみならず、ミラー２４に設けたり、可動梁２２−１〜２２−４およびミラー２４の両方に設けたりするようにしてもよい。

また、本実施の形態では、センサ部や第２のセンサ部が平面視略コの字型の形状を有する場合を例に説明したが、それらのセンサ部の形状は平面視略コの字型に限定されず、例えばつづら折り形状など適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態では、電極１１−１〜１１−４が可動梁２２−１〜２２−４に対向配置されたミラー素子に適用した場合を例に説明したが、電極１１−１〜１１−４がミラー２４に対向配置されたり、可動梁２２−１〜２２−４およびミラー２４の両方に対向配置されたりしたミラー素子に適用するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、ミラー２４を対向配置された可動梁２２−１〜２２−４によりミラー２４の両側から支持する構造に適用した場合を例に説明したが、ミラー２４の片側から支持する構造に適用するようにしてもよい。また、本実施の形態では、４つの可動梁２２−１〜２２−４を設ける場合を例に説明したが、可動梁の数量についても適宜自由に設定することができる。例えば、一方の側に２つ、他方の側に１つの合計３つの可動梁とするようにしてもよい。また、両側に１つずつ設けるようにしてもよい。さらに、ミラー２４に対向する電極の数量についても、適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態では、１つのミラー素子からなるミラー素子１を用いた光通信装置に適用した場合を例に説明したが、このミラー素子１が１次元的あるいは２次元的に配列されたマイクロミラーアレイを用いた光通信装置にも適用できることは言うまでもない。

本発明は、静電引力等により変位するアクチュエータを備えた各種装置に適用することができる。

１…ミラー素子、２…検出装置、３…制御装置、４…通信装置、１０…電極基板、１１−１〜１１−４…電極、２０…ミラー基板、２１…支持部、２２−１〜２２−４…可動梁、２３−１〜２３−４…バネ、２４…ミラー、２５−１〜２５−４…センサ部、２６…反り防止部材、２７−１〜２７−４…第２のセンサ部、３１…駆動部、３２…判定部、３３…補正部、３４…警報部、３５…記憶部、３５ａ…テーブル領域、３５ｂ…しきい値領域、３５ｃ…動作プログラム領域。

Claims (4)

1. 基板、
   この基板上に設けられた支持部材、
   この支持部材に一端が接続された可動梁、
   この可動梁の他端部とバネ部材を介して接続されたミラー、
   前記可動梁および前記ミラーの少なくとも一方と対向して前記基板上に配置された電極、および、
   前記可動梁および前記ミラーの少なくとも一方に設けられ、変形によって電気抵抗が変化するように形成された金属薄膜を備えたミラー素子と、
   前記金属薄膜の電気抵抗を検出する検出部と、
   この検出部の検出結果に基づいて前記ミラー素子の状態を判定する判定部と
   を備え、
   前記金属薄膜は、前記可動梁に設けられ、
   前記ミラーは、前記金属薄膜と同じ材料からなる反射膜を備える
   ことを特徴とする光通信装置。
2. 前記ミラーの傾きと前記電極に印加する駆動電圧との関係を記録したテーブルと、
   このテーブルに基づいて前記電極に駆動電圧を印加する駆動部と、
   前記判定部の判定結果に基づいて前記テーブルに記録された前記駆動電圧を補正する補正部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光通信装置。
3. 前記判定部の判定結果に基づいて外部にミラー素子に故障が生じている旨の警報を出力する警報部
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の光通信装置。
4. 基板と、
   この基板上に設けられた支持部材と、
   この支持部材に一端が接続された可動梁と、
   この可動梁の他端部とバネ部材を介して接続されたミラーと、
   前記可動梁および前記ミラーの少なくとも一方と対向して前記基板上に配置された電極と、
   前記可動梁および前記ミラーの少なくとも一方に設けられ、変形によって電気抵抗が変化するように形成された金属薄膜と
   を備え、
   前記金属薄膜は、前記可動梁に設けられ、
   前記ミラーは、前記金属薄膜と同じ材料からなる反射膜を備える
   ことを特徴とするミラー素子。

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