JPWO2002103432A1 - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

光スイッチはプラットホームを有し、このプラットホームの光ファイバ固定用Ｖ溝には、光ファイバが保持されている。プラットホーム上にはスイッチ部材が載置されている。スイッチ部材は枠体を有し、この枠体の下面には、プラットホームと供給された複数の位置決め柱が設けられている。枠体には片持ち梁が固定され、この片持ち梁の先端部にはミラーが取り付けられている。また、プラットホーム上には１対の電極が固定されている。そして、電極と片持ち梁との間に電圧を供給し、両者間に静電気力を発生させることでミラーを上下動させる。

Description

技術分野
本発明は、光通信や光計測等に用いられる光スイッチに関するものである。
背景技術
近年、いわゆるＩＴ革命に象徴されるように、通信技術が世界を大きく変えつつある。その趨勢の中、通信容量が飛躍的に増大しており、それを支える情報通信ネットワーク技術も著しい進歩を遂げている。これまで光ファイバの導入により通信容量が増大されてきたが、更に多くの光ファイバが導入されたとしても、通信容量を更に増大するのは難しくなりつつある。このような状況のもと、波長多重伝送、全光化ネットワークなどに関連する技術が世界中で研究開発されている。
通信容量増大のためのキーデバイスの一つとして、光スイッチが注目されている。波長多重化が進むに従って、処理される情報量は飛躍的に増大すると考えられる。従来の情報通信ネットワークでは、光信号を電気信号に変換し、電気信号をスイッチング処理し、再び電気信号から光信号に変換しているため、電気信号部分での信号伝送速度の低下といった問題がある。このような理由により、光信号そのもののスイッチングを可能とする光スイッチが注目を集めている。
今後、通信ネットワークの複雑化に伴い、通信ネットワークにおいて膨大な数の光スイッチが使用されることが予想される。そのため、光スイッチの小型化および集積化が望まれている。
そこで近年、マイクロマシン技術を用いた光スイッチの開発が活発に行われている。例えば、Ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＭＯＥＭＳ’９９，ｐｐ．１２０−１２５，１９９９（以下、第１文献という）には、表面マイクロマシニングによって形成したミラーを、同時に形成した静電アクチュエータで基板上に立てて使用するものが記載されている。また、Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ ｆｏｒ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＭＯＥＭＳ’９９，ｐｐ．１２６−１３１，１９９９（以下、第２文献という）には、表面マイクロマシン技術で形成したミラーを、基板上に立てるのでなく、基板上で数度チルトすることで光の反射方向を変える方式が記載されている。
発明の開示
本発明の目的は、小型化及び集積化を図ることができる光スイッチを提供することである。
本発明の一側面に係る光スイッチは、光路を有するベース部材と、ベース部材に支持された片持ち梁と、片持ち梁に取り付けられ、光路上を通る光を遮断するミラーと、光路上を通る光を通過させる第１位置と光路上を通る光を遮断させる第２位置との間でミラーを上下動させる駆動手段とを備え、ミラーが第１位置にあるときは、ミラーがベース部材の上方に位置し、ミラーが第２位置にあるときは、ミラーがベース部材の上面部で位置決めされるように構成されていることを特徴とするものである。
このような光スイッチにおいて、例えばミラーが第１位置にあるときにフリー（初期）状態となる場合に、駆動手段を作動すると、ミラーは、片持ち梁を付勢力に抗して弾性変形させながら下降して第２位置に達する。このようにミラーをベース部材の上面に直交させる方向に上下動させる構成とすることにより、ミラーを水平方向（ベース部材の上面に平行な方向）に移動させる場合に比べて、水平方向のスペースを大きくとらずに済む。これにより、光スイッチの小型化及び集積化を図ることができる。また、ミラーが第２位置にあるときには、ミラーが例えばベース部材の上面部と嵌め合って位置決めされるので、ミラーの向きは反射率の良好な状態に維持される。
好ましくは、駆動手段は、ベース部材上に設けられた電極と、電極と片持ち梁との間に静電気力を発生させる手段とを有する。これにより、駆動手段を簡単かつ小型な構成で実現できる。
この場合、電極上には、ミラーが第２位置にあるときに電極と片持ち梁とのギャップを保持するためのスペーサが設けられている。これにより、ミラーが第２位置にあるときに、片持ち梁と電極とのギャップを一定にすることができる。また、片持ち梁と電極とのギャップが狭い場合に、片持ち梁が電極に接触することを防止できる。
また、好ましくは、ミラーを第１位置または第２位置に保持する位置保持手段を更に備える。これにより、電極と片持ち梁との間に電気信号を供給し続ける必要がなくなるため、電力消費量を抑えることができる。また、停電時などにおいても有効である。
この場合、好ましくは、ミラーは磁性体からなり、電極は永久磁石からなり、位置保持手段は、ミラーと電極との間に生じる磁力によりミラーを第２位置に保持する手段である。これにより、ミラーを簡単な構成で第２位置に自己保持させることができる。
また、ミラーは永久磁石からなり、電極は磁性体からなり、位置保持手段は、ミラーと電極との間に生じる磁力によりミラーを第２位置に保持する手段であってもよい。この場合も、ミラーを簡単な構成で第２位置に自己保持させることができる。
また、好ましくは、位置保持手段によるミラーの位置保持を解除するための電磁石を更に備える。これにより、静電気力のみでミラーの位置保持を解除する場合に比べて、ミラーの位置保持解除時に、電極と片持ち梁との間に供給する電圧値を低くできるため、省電力化が図れる。
また、好ましくは、ミラーは、Ｘ線リソグラフィ及び電鋳を用いることにより、片持ち梁と一体的に形成されたものである。これにより、ミラー反射面の平坦度が良くなると共に、ミラー反射面が滑らかになるので、ミラーの反射率が高くなる。
さらに、好ましくは、ミラーの表面には、金、銀、アルミニウムのいずれかの膜がコーティングされている。これにより、赤外光のような光通信用波長帯域の光に対して反射率の高いミラーを得ることができる。
また、好ましくは、片持ち梁を挟むようにベース部材の上部に設けられたシリコン構造体を更に備え、片持ち梁、ミラー及びシリコン構造体でスイッチ部材を構成する。この場合には、シリコン構造体によって封止性が確保されるため、片持ち梁及びミラーを埃や水分等から保護することができる。
この場合、好ましくは、ミラーを有する片持ち梁をシリコン構造体の表面に形成し、フッ素系ガスを用いてシリコン構造体をエッチングすることにより、スイッチ部材を形成した構成とする。これにより、エッチング終了後に、片持ち梁の表面に水分が付着したままの状態となることが無いため、片持ち梁の強度・耐久性が高くなる。
また、好ましくは、スイッチ部材を形成するためのマスクパターン部が設けられたマスクを、マスクパターン部がシリコンウェハのオリエンテーションフラットに対して斜め方向の角度をもつようにシリコンウェハの表面に形成し、その後でミラーを有する片持ち梁をシリコンウェハの表面に形成し、エッチング液を用いてシリコンウェハを表面側よりエッチングすることにより、スイッチ部材を形成した構成とする。
ミラーが第１位置にあるときに、ミラーをベース部材の上方に位置させるには、スイッチ部材の製作時に、シリコンを深さ方向及び側方にエッチングすることにより、片持ち梁を反らせるための凹部をシリコン構造体に形成する必要がある。ここで、ＨＦ＋ＨＮＯ_３に代表される等方性エッチング液では、ほとんどの金属を溶かすため、材料選定の自由度が狭まる。一方、異方性エッチング液では材料の選択肢は増えるが、マスクのマスクパターン部がシリコンウェハのオリエンテーションフラットに対して平行または垂直な方向の角度をもつように、シリコンウェハの表面にマスクを形成した場合には、側方に対するエッチングは、結晶方位としてエッチングされにくい（１１１）面に対応する方向へのエッチングとなる。このため、深さ方向のエッチングだけが進行し、側方のエッチングが進行しないことがある。そこで、上述したようにマスクパターン部がシリコンウェハのオリエンテーションフラットに対して斜め方向の角度をもつように、シリコンウェハの表面にマスクを形成することにより、側方に対するエッチングは、（１１１）面とこれ以外の面とを含む方向へのエッチングとなる。このため、異方性エッチング液を使用した場合であっても、側方のエッチングが進行するようになる。従って、安価なエッチング液を用いて、片持ち梁下のシリコンを効率良くエッチングすることができ、これにより片持ち梁を反らせることが可能となる。
この場合、好ましくは、エッチング液は水酸化テトラメチルアンモニウムである。これにより、片持ち梁及びミラーの材質として、応力制御が容易なニッケル等を使用する場合に、片持ち梁及びミラーを溶かすことなく、片持ち梁下のシリコンをエッチングすることができる。
また、好ましくは、電極の上面には絶縁層が設けられ、片持ち梁は、絶縁層に対して当接・離間可能となるようにベース部材に支持されている。これにより、片持ち梁およびミラーを含む部分と電極を含むベース部材とを同時に形成することが可能となるため、製作に必要な部品点数を減少させることができる。
本発明の他の側面に係る光スイッチは、複数の第１通常用光路と当該各第１通常用光路に対向配置された複数の第２通常用光路と少なくとも１つの予備用光路とを有するベース部材と、ベース部材に支持され、第１通常用光路または予備用光路からの光を水平方向に反射させる複数の可動ミラーと、各可動ミラーを上下方向に移動させる駆動手段とを備えることを特徴とするものである。
このような光スイッチにおいて、例えば、通常時には可動ミラーをベース部材に対して上方に位置させ、第１通常用光路から出射された光を、そのまま第２通常用光路に入射させる。一方、予備用光路を使用するときは、可動ミラーを下げ、第１通常用光路から出射された光を可動ミラーで反射させて予備用光路に入射させる。このように可動ミラーを上下方向に駆動させることにより、各通常用光路におけるチャンネル間ピッチを狭くすることが可能となる。そのため、光スイッチの小型化および集積化を図ることができる。
また、この場合には、空間伝搬型光スイッチを構成したときに、可動ミラーと予備用光路との間の光路長を短くすることができるので、ビーム発散が抑制される。このため、光路に対する光の挿入損失を低減することができる。さらに、各可動ミラーと予備用光路との間の光路長差が小さくなるため、各チャンネル間における光の挿入損失のばらつきを低減することができる。
好ましくは、第１通常用光路と第２通常用光路とを光結合させると共に、第１通常用光路と予備用光路とを光結合させる複数のコリメータレンズを更に備える。この場合には、高性能な空間伝搬型光スイッチを簡単に構成することができる。
また、好ましくは、予備用光路は、各第１通常用光路に対して垂直方向または斜め方向に延びるように構成されている。このように構成することにより、例えば第１通常用光路から出射された光を、可動ミラーで反射させて予備用光路に直接入射させることが可能となる。この場合には、ミラーが一つなので反射による光損失が最小限に抑えられる。
また、予備用光路は、各第１通常用光路に対して平行に延びるように構成され、ベース部材には、可動ミラーで反射された光または予備用光路からの光を水平方向に反射させる固定ミラーが設けられていてもよい。このように構成することにより、例えば第１通常用光路から出射された光を可動ミラーで反射させ、その反射光を更に固定ミラーで反射させて予備用光路に入射させることが可能となる。この場合には、複数の第２通常用光路と予備用光路とを１枚の同一の光ファイバテープ心線で形成することができ、機械的強度が高くなり、有利である。
さらに、好ましくは、駆動手段は、ベース部材に片持ち支持され、可動ミラーが固定された複数の片持ち梁と、各片持ち梁と対向するようにベース部材の上面部に設けられた複数の電極と、片持ち梁と電極との間に静電気力を発生させる手段とを有する。この場合には、駆動手段を簡単な構成で実現することができる。
本発明に係るプロテクション用光スイッチは、上記の光スイッチを応用したことを特徴とする。これにより、小型化および集積化されたプロテクション用の光スイッチが実現される。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る光スイッチの好適な実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図であり、図２はその光スイッチの垂直方向の一部断面図である。これらの図において、本実施形態の光スイッチ１は、複数の１×２スイッチをアレイ化したものであり、シリコン等からなるプラットホーム（ベース部材）３を有している。このプラットホーム３の両端上面部には、１組の１×２スイッチに対して、光ファイバ固定用Ｖ溝４が２本ずつ形成されている。一端側の光ファイバ固定用Ｖ溝４には、光ファイバＦ１、Ｆ２が保持固定され、他端側の光ファイバ固定用Ｖ溝４の一つには光ファイバＦ３が保持固定されている。光ファイバＦ１、Ｆ２およびＦ３は、光路の一部を構成している。
なお、本実施形態の光スイッチ１は１×２スイッチであるが、残りの光ファイバ固定用Ｖ溝４にも光ファイバを保持させることで、２×２スイッチを構成することも可能である。
プラットホーム３の上面部における光ファイバ固定用Ｖ溝４の内側には、１対のレンズ固定用Ｖ溝５が設けられ、各レンズ固定用Ｖ溝５には、セルフォックレンズ６が位置決め固定されている。また、プラットホーム３の上面部における２つのレンズ固定用Ｖ溝５間には、後述するミラー１２が挿入されるミラー挿入溝１３が形成され、このミラー挿入溝１３は、各１×２スイッチの配列方向に延びている。なお、このような光ファイバ固定用Ｖ溝４及びレンズ固定用Ｖ溝５の他に、用途に応じて、他の光学部品との位置合わせに用いるアライメントピンを位置決め接着するための溝などが設けられることもある。
このようなプラットホーム３上には、スイッチ部材７が載置・固定されている。スイッチ部材７はシリコンで形成された枠体１０を有し、この枠体１０の下面には、プラットホーム３とスイッチ部材７との位置合わせを行うための複数の位置決め柱９が設けられている。各位置決め柱９は、プラットホーム３上に形成された柱固定用穴２に挿入されている。
枠体１０には、例えば板バネからなる片持ち梁１１がミラー挿入溝１３の長手方向に延びるように片持ち的に支持されている。これにより、片持ち梁１１は、プラットホーム３と枠体１０とに挟まれた状態となる。ここで、片持ち梁１１は、容易に破壊しないように、応力制御が容易なニッケル（Ｎｉ）等の金属製であることが好ましい。なお、片持ち梁１１の材料としては、特にニッケルには限定されず、タングステンやタンタル等の金属をスパッタしたもの、あるいは酸化シリコンや窒化シリコン等といったシリコン系の材料を使用できる。
片持ち梁１１の先端部には、ミラー１２が下方に突出するように取り付けられている。このミラー１２は永久磁石からなっている。例えば、ミラー１２は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐを電鋳し着磁することで作成されている。
このようなミラー１２は、駆動部４０により上下動するように構成されている。駆動部４０は、ミラー挿入溝１３を挟んでプラットホーム３の上面に対向配置された一対の電極８（図４参照）と、これら電極８と片持ち梁１１の間に電圧を供給して、両者間に静電気力を発生させる電圧源４１とからなっている。電極８は、磁性体からなっている。電極８は、例えばフォトリソグラフィで導電成膜をパターニングした後、パーマロイめっきを行うことによって形成される。その他にも、ニッケル、パーマロイ等の磁性体膜をスパッタで製作し、その後フォトリソグラフィとエッチングで電極パターンとする方法もある。
以上のように構成した光スイッチ１において、図２に示すようなフリーの状態では、片持ち梁１１がプラットホーム３に対して上方に反っており、ミラー１２がプラットホーム３の上方位置（第１位置）にある。このような状態では、光ファイバＦ１から出射された光は、スイッチ部材７をスルーし、光ファイバＦ３に入射される。
このようなフリー状態において、電圧源４１より一対の電極８と片持ち梁１１との間に所定の電圧をかけると、両者間に静電気力が発生し、片持ち梁１１は、その付勢力に抗して弾性変形して、電極８に対して接近するようになる。それに伴い、ミラー１２も下降し、ミラー挿入溝１３の底部に突き当たる第２位置に達する。図３は、ミラー１２が第２位置にある状態を示す図であり、図４は、図３において矢印Ｘ側から見た断面図である。このとき、ミラー１２の反射面はプラットホーム３の上面に対して垂直になっている。このような状態では、光ファイバＦ１から出射される光は、ミラー１２で反射されて光ファイバＦ２に向かう。
このとき、ミラー１２は永久磁石で形成され、電極８は磁性体で形成されているので、片持ち梁１１が電極８に近づいたときには、片持ち梁１１と電極８との間に磁力が働いて片持ち梁１１が電極８に吸引される。これにより、ミラー１２は、図３及び図４に示す第２位置に保持された状態となる。従って、片持ち梁１１と電極８との間に電圧を供給し続ける必要がなくなり、電圧消費量を抑えることができる。また、万が一停電があっても、ミラー１２を第２位置に確実に保持しておくことができる。
また、ミラー１２を第２位置から図２に示す第１位置に戻すときは、電圧源４１により電極８と片持ち梁１１との間に逆方向の静電気力を発生させる。すると、片持ち梁１１が電極８から離れ、フリーの状態となる。
このように、プラットホーム３上に電極８を配置すると共に、片持ち梁１１にミラー１２を固定し、静電気力によりミラー１２をプラットホーム３に対して上下動させる構成としたので、ミラー１２を駆動させるための水平方向のスペースを大きくとらずに済む。これにより、光スイッチの小型化及び集積化を図ることができ、大規模化に適した光スイッチアレイを得ることができる。
また、ミラー１２が第２位置にあるときは、ミラー１２はミラー挿入溝１３の底部に突き当たって、位置決めされた状態となるので、ミラー１２はプラットホーム３の上面に対して垂直度が高く、且つ光ファイバＦ１から出射される光が高効率で反射される状態に維持される。
なお、参考までに、電極８と片持ち梁１１との間隔を１０μｍとした場合に、電極８と片持ち梁１１との間に４０Ｖの電圧を印加すると、ミラー１２がミラー挿入溝１３の底部に突き当たるように構成できる。これは、比較的低い電圧値である。
このようなスイッチ部材７の製作工程の一例を図５に示す。まず、シリコン基板３Ａを用意し、このシリコン基板３Ａの表面に導電膜、例えばチタンをスパッタしてチタン膜１４を形成する。また、シリコン基板３Ａの裏面には、シリコンエッチングを行う際に、溶解しない材料（例えば窒化シリコン）の膜１５をスパッタ成膜する（図５Ａ参照）。
次に、フォトリソグラフィとエッチングによって、裏面の窒化シリコン膜１５をパターニングする（図５Ｂ参照）。これは、最後のシリコンエッチングの際にマスクとなる。
続いて、フォトリソグラフィとめっきによって、チタン膜１４上にニッケル製の片持ち梁１１Ａを形成する（図５Ｃ参照）。片持ち梁１１Ａは、圧縮応力がかかるようにめっき、あるいは成膜される。これによって、後の工程（図５Ｇ参照）でシリコン基板３Ａをエッチングした際に、シリコン基板３Ａ上面よりも下方に曲った片持ち梁１１Ａが形成されることになる。
その後、チタン膜１４上にＳＲ（シンクロトロン放射光）リソグラフィー用のレジスト１６を塗布し、ＳＲリソグラフィーを行う（図５Ｄ参照）。ＳＲとしては１〜３オングストロームの波長を主に使用する。これは軟Ｘ線と呼ばれる領域で、波長が短いので、数μｍのパターンであっても回折の影響を受けずに露光できる。また、透過性が良いので、数百μｍの厚さのレジスト膜１６でも露光可能であり、更に直進性が良いので、基板３Ａに対して垂直なレジスト構造体を形成できる。
次に、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐを電鋳し、ミラー１２Ａ及び位置決め用柱９Ａを形成する（図５Ｅ参照）。例えば、レジスト１６の厚さは例えば１１０μｍとし、めっき後に研磨して高さを調節し、ミラー１２Ａの高さ及び位置決め用柱９Ａの高さは、いずれも例えば１００μｍとする。
このようにミラー１２Ａの形成にＸ線リソグラフィと電鋳を用いると、基板３Ａに対するミラー面の垂直度が高くなると共に、表面粗さが小さくなるので、より反射率の高いミラーを得ることができる。
続いて、電鋳により形成したＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐに対して着磁を行い、この後、レジスト１６を除去する（図５Ｆ参照）。そして、チタン膜１４をウェットエッチングで溶解し、最後にシリコン基板３ＡをＫＯＨ（水酸化カリウム）あるいはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）で異方性エッチングして、枠体を形成する。これにより、片持ち梁１１Ａの先端側が位置決め用柱９Ａに対して、例えば２００μｍだけ下方に反るようになる（図５Ｇ参照）。
スイッチ部材７の製作に関し、上記以外の方法を図６に示す。本工程により作られるスイッチ部材７は、上記の枠体１０の代わりに、片持ち梁１１を反らせるための凹部をもったシリコン基板を有するものである。
このようなスイッチ部材７を製作する場合は、まずシリコン基板３Ａの裏面に、図５と同様に窒化シリコンの膜１５を形成し、基板３Ａの表面に、エッチングマスクとなるシリコン酸化膜１７を形成する（図６Ａ参照）。そして、シリコン基板３Ａの表面にチタンをスパッタし、チタン膜１４を形成する（図６Ｂ参照）。続いて、フォトリソグラフィとめっきによって、チタン膜１４上に片持ち梁１１Ａを形成する（図６Ｃ参照）。その後は、図５Ｄ〜図５Ｆと同様の工程を実施する（図６Ｄ〜図６Ｆ参照）。
続いて、チタン膜１４をウェットエッチングで溶解する（図６Ｇ参照）。その後、フッ素系ガス、例えばＸｅＦ_２でシリコン基板３Ａを表面側より等方的なドライエッチングを行い、凹部３ａを形成する（図６Ｈ参照）。これにより、片持ち梁１１Ａの先端側が凹部３ａに入り込み、シリコン基板３Ａの上面よりも下方に曲った片持ち梁１１Ａが形成されることになる。この場合には、裏面側からエッチングしていくよりも、片持ち梁１１Ａの反り量の制御性が良くなる。また、このようなドライエッチングを用いた場合には、エッチングを終了した後に、水分が片持ち梁１１Ａの表面に残って付着したままとなる事がないため、片持ち梁１１Ａの強度・耐久性が高くなる。
上記のようにして得られたスイッチ部材７においては、ミラー１２Ａと位置決め用柱９Ａは同じマスクを用いたリソグラフィーで形成されるので、相対位置精度は非常に高いものとなる。また、片持ち梁１１と電極８との間隔についても、高い精度で制御される。
また、プラットホーム３の製作は、以下のようにして行う。即ち、既存のダイシング技術を用いて、柱固定用穴２、光ファイバ固定用Ｖ溝４、レンズ固定用Ｖ溝５等を形成する。これらの精度は例えば１μｍ以下となっている。また、光ファイバ固定用Ｖ溝４、レンズ固定用Ｖ溝５の製作には、シリコンの異方性エッチングを用いることも可能である。そして、プラットホーム３の上面におけるミラー挿入溝１３を挟んだ位置に、スパッタ等により一対の電極８を形成する。
このようにスイッチ部材７とプラットホーム３とを組み合わせて光スイッチ１を構成することで、設計の自由度の高い光スイッチが得られる。
なお、本実施形態では、電極８を磁性体で形成し、ミラー１２を永久磁石で形成するようにしたが、電極８を永久磁石で形成し、ミラー１２を磁性体で形成してもよい。この場合、電極８は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂなどの永久磁石をスパッタして成膜し、フォトリソグラフィ及びエッチングによってパターニングするか、あるいはフォトリソグラフィを行った後にスパッタし、リフトオフといわれる方法でパターニングして形成する。また、電極８は、前述したＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐをめっきして形成してもよい。ミラー１２は、例えばパーマロイ電鋳で製作する。
図７は、本発明の第２の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図である。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ１８は、複数の１×１スイッチ（ＯＮ／ＯＦＦスイッチ）をアレイ化したものである。光スイッチ１８は、プラットホーム１９を有している。このプラットホーム１９の両端上面部には、一組の１×１スイッチに対して光ファイバ固定用Ｖ溝２０が一本ずつ形成され、各光ファイバ固定用Ｖ溝２０には光ファイバＦ１、Ｆ２が保持固定されている。プラットホーム１９における両光ファイバ固定用Ｖ溝２０間には、後述するミラー２１が挿入されるミラー挿入溝５１が形成され、このミラー挿入溝５１は光ファイバ固定用Ｖ溝２０の長手方向に延びている。
このようなプラットホーム１９上には、スイッチ部材５２が載置されている。このスイッチ部材５２は、第１の実施形態のスイッチ部材７と同様の枠体１０を有し、この枠体１０の下面に設けられた複数の位置決め柱９がプラットホーム１９に固定されている。枠体１０には、片持ち梁２２がミラー挿入溝５１の長手方向に延びるように片持ち的に支持され、この片持ち梁２２の先端部にはミラー２１が取り付けられている。なお、図示はしないが、プラットホーム１９の上面にはミラー挿入溝５１を挟んで一対の電極が対向配置されている。
このような光スイッチ１８において、フリーの状態では、片持ち梁２２がプラットホーム１９に対して上方に反っており、ミラー２１がプラットホーム１９の上方位置（第１位置）にある。この状態では、光ファイバＦ１から出射された光はスイッチ部材５２をスルーして、光ファイバＦ２に入射される。このようなフリー状態において、片持ち梁２２と電極（図示せず）との間に所定の電圧をかけると、両者間に静電気力が発生し、ミラー２１が下降してミラー挿入溝５１の底部に突き当たる第２位置に達する。このとき、ミラー２１の反射面はプラットホーム１９の上面に対して垂直となっている。この状態では、光ファイバＦ１から出射された光は、ミラー２１で遮断または反射される。
このようにミラー挿入溝５１及び片持ち梁２２を光ファイバ固定用Ｖ溝２０の長手方向に延びるように構成したので、１×１スイッチをアレイ化した場合に狭ピッチ化を図ることが可能となる。
図８は、本発明の第３の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ６０は、第１の実施形態における電極８上にギャップ保持用のスペーサ６１を設けたものである。このスペーサ６１は、ミラー１２が光を反射させる位置（第２位置）にあるときに、片持ち梁１１と電極８とのギャップを保持するものである。
スペーサ６１の材料としては、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコネート）、ＰＬＺＴ（鉛ランタン・ジルコネート・チタネート）、チタン酸バリウム等の強誘電体や、アルミナ、ジルコニア、ポリエチレン、ポリイミド等といった電荷が蓄積しにくい絶縁材料を使用するのが好ましい。強誘電体を用いる場合には、駆動電圧を低くすることができ、電荷が蓄積しにくい絶縁材料を用いる場合には、予定外の駆動（動作）を防止できる。
このようなギャップ保持用のスペーサ６１の製作工程の一例を図９に示す。まず、シリコン基板６２を用意し、このシリコン基板６２上に、電極を形成するための膜６３をスパッタ成膜し、更にこの膜６３上に、スペーサを形成するための膜６４をスパッタ成膜する（図９Ａ参照）。次いで、フォトリソグラフィによって、膜６４上にレジストパターン６５を形成する（図９Ｂ参照）。次いで、そのレジストパターン６５をマスクとして膜６４をエッチングする（図９Ｃ参照）。これにより、電極６３上にスペーサ６４が形成されることになる。
ギャップ保持用のスペーサ６１の他の製作工程を図１０に示す。まず、シリコン基板６６を用意し、このシリコン基板６６上に、電極を形成するための膜６７をスパッタ成膜する（図１０Ａ参照）。次いで、フォトリソグラフィによって、スペーサを形成するためのレジストパターン６８を膜６７上に形成する（図１０Ｂ参照）。つまり、フォトレジストをそのままスペーサとして使用する。これにより、電極６７上にスペーサ６８が形成されることになる。
以上のような光スイッチ６０においては、ミラー１２が光路上の光をスルーさせるフリー状態（第１位置）にあるときには、片持ち梁１１がスペーサ６１から離間して上方に反り（図８参照）、ミラー１２が光路上の光を遮断させる第２位置にあるときには、片持ち梁１１がスペーサ６１に接触した状態となる。これにより、ミラー１２が第２位置にある状態では、片持ち梁１１と電極８とのギャップが一定に保持されるようになる。また、片持ち梁１１と電極８とのギャップが狭い場合に、片持ち梁１１が電極８に接触することが防止される。
図１１は、第３の実施形態の変形例を示したものである。同図において、本実施形態の光スイッチ６０Ａは、第２の実施形態と異なる構造をもったギャップ保持用のスペーサ６１Ａを電極８上に設けたものである。スペーサ６１Ａには、図１２に示すように複数の円形状の穴６９が形成されており、スペーサ６１Ａが電極８の一部を覆うように構成されている。なお、そのように電極８の一部を覆うようなスペーサとしては、メッシュ状等の構造を有するものを用いてもよい。
図１３は、本発明の第４の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ２３は、第１の実施形態におけるプラットホーム３の下面に、ミラー１２の位置保持を解除するための電磁石２４を設けたものである。片持ち梁１１が光を反射させる位置（第２位置）にある状態において、片持ち梁１１と電極８との吸引力よりも大きな磁力が発生するように、電磁石２４のコイルに電流信号を供給すると、第２位置に自己保持されたミラー１２の位置保持が解除され、片持ち梁１１は図１３に示すようなフリー状態に戻る。これにより、静電気力のみでミラー１２の位置保持を解除する場合に比べ、電極８と片持ち梁１１との間に供給する電圧値を低くすることができ、省電力化が図られる。
なお、ここでは、電磁石２４をプラットホーム３の下部に配置したが、電磁石２４を枠体１０の上部に取り付けても構わない。
図１４は、本発明の第５の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ７０は、複数の１×１スイッチをアレイ化したものである。光スイッチ７０は、シリコン等からなるプラットホーム７１を有し、このプラットホーム７１には光路としてのコア７２が設けられている。プラットホーム７１の上面部には、コア７２の延在方向に対して垂直な方向に延びるミラー挿入溝７３が形成されており、このミラー挿入溝７３によってコア７２が分断され、光路Ａ，Ｂを形成している。また、プラットホーム７１の上面には、ミラー挿入溝７３の延在方向に配列された複数の電極７４が設けられ、この電極７４上にはギャップ保持用のスペーサ７５が設けられている。
スペーサ７５上には、スイッチ部材７６が載置・固定されている。スイッチ部材７６はシリコン基板７７を有し、このシリコン基板７７の表面（下面）には、ＳｉＯ_２等の絶縁層７８を介して片持ち梁７９が設けられている。片持ち梁７９は、図１５に示すように複数本有し、これらの片持ち梁７９がプラットホーム７１上の各電極７４に対向するように配列されている。そして、各片持ち梁７９の基端側が、スペーサ７５に接合されている。
各片持ち梁７９の先端部にはミラー８０が取り付けられており、このミラー８０がミラー挿入溝７３に入り込むことで、光路Ａ上を通る光が遮断される。ミラー８０の表面には、めっきやスパッタリング等によって、光通信に用いられる赤外領域の波長の光に対して反射率の高い金属製の反射膜がコーティングされている。反射膜は、金、銀、アルミニウム等で形成されている。このような反射膜をミラー８０の表面に設けることにより、ミラー８０による光の吸収率が低くなるため、反射時の光損失が低減される。
また、シリコン基板７７には、ミラー８０が光路Ａ上を通る光をスルーさせる位置にあるフリー状態において、片持ち梁７９を上方に反らせるための凹部８１が設けられている。この凹部８１は、後述する等方的なエッチングによって形成されたものであり、矩形状の底面８１ａと４つのテーパ状の側面８１ｂとを有している。このように片持ち梁７９を上方に反らせるための構造を開放構造ではなく凹部８１とすることにより、高い封止性が確保されるため、埃や水分等が片持ち梁７９及びミラー８０に付着することが防止される。これにより、片持ち梁７９の作動に悪影響を及ぼすことは無い。
このようなスイッチ部材７６の製作工程の一例を図１６に示す。まず、図１７に示すようなオリエンテーションフラット（オリフラ）８２を有するシリコンウェハ８３を用意する。このシリコンウェハ８３としては、例えば厚さが１ｍｍの３インチタイプのものを使用する。
そして、フォトリソグラフィとエッチングによって、最後のシリコンエッチングを行うためのハードマスク８４をシリコンウェハ８３の表面に形成する（図１６Ａ参照）。このハードマスク８４は、ＳｉＯ_２等で形成されている。また、ハードマスク８４は、図１７に示すように、複数のスイッチ部材７６を形成するための矩形状のマスクパターン部８５を有している。このマスクパターン部８５には、各スイッチ部材７６に対応する複数のスイッチ形成パターン８６がマトリックス状に設けられている。
このようなハードマスク８４をシリコンウェハ８３の表面に形成するときは、マスクパターン部８５がオリフラ８２に対して斜め方向の角度、好ましくは４５度の角度をもつようにする。つまり、マスクパターン部８５の縦横に対するスイッチ形成パターン８６の配列方向がオリフラ８２に対して斜め方向の角度をもつように、ハードマスク８４をシリコンウェハ８３の表面に形成する。
続いて、シリコンウェハ８３の表面にチタンの導電膜８７を形成する（図１６Ｂ参照）。続いて、フォトリソグラフィとめっきによって、導電膜８７上にニッケル製の片持ち梁８８を形成する（図１６Ｃ参照）。続いて、ＳＲリソグラフィーとめっきによって、片持ち梁８８上にニッケル製のミラー８９を形成する（図１６Ｄ参照）。続いて、めっき又はスパッタリング等によって、ミラー８９の表面に、金、銀、アルミニウム等の反射膜９０を成膜する。また、片持ち梁８８の下側以外に存在するチタンの導電膜８７をウェットエッチングする（図１６Ｅ参照）。
続いて、シリコンウェハ８３を表面側からウェットエッチングすると共に、片持ち梁８８下のチタンの導電膜８７をウェットエッチングする（図１６Ｆ参照）。ここで、シリコンウェハ８３のエッチングにおいては、ニッケル製の片持ち梁８８やチタンの導電膜８７が溶け出さないように、エッチング液としてＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用するのが好ましい。そして、エッチング液の温度を７０℃程度にして、２５〜３０μｍ／ｈのエッチングレートで、シリコンウェハ８３を深さ方向に１２０〜４００μｍ程度エッチングする。また、導電膜８７のエッチングにおいては、エッチング液として例えばＨ_２Ｏ_２とＮＨ_４ＯＨとの混合液（混合比１：１）を使用する。そして、エッチング液の温度を室温程度にして、０．１〜０．４μｍ／ｍｉｎのエッチングレートで、厚さ１μｍの導電膜８７をエッチングする。
このようなエッチングが終了した後、洗浄処理を行い、更に凍結乾燥法や臨界点乾燥法を用いた乾燥処理を行う。これにより、片持ち梁８８がシリコンウェハ８３に貼り付くことが防止される。
なお、ここでは、ニッケルやチタンの溶融を防止すべく、ＴＭＡＨを用いてシリコンエッチングを行うものとしたが、片持ち梁８８及びミラー８９が溶けないものであれば、ＴＭＡＨ以外の異方性エッチング液、例えばＫＯＨやＮａＯＨ等を使用してもよく、あるいは等方性エッチング液を使用してもよい。
ところで、シリコンウェハの結晶方位としては、表面の（１００）面と、オリフラの（１１０）面と、表面に対して５４度の（１１１）面とを有している。一般に（１００）面はエッチングされやすいが、（１１１）面はエッチングされにくい。他方、本実施形態のように片持ち梁８８下のシリコンウェハ８３をエッチングするには、深さ方向にエッチングするだけではなく、側方にもエッチングしていく、いわゆる等方的なエッチングを行う必要がある。
ここで、ハードマスク８４をシリコンウェハ８３の表面に形成する場合は、図１８に示すように、マスクパターン部８５がオリフラ８２に対して平行・垂直な角度をもつ、つまりマスクパターン部８５の縦横に対するスイッチ形成パターン８６の配列方向がオリフラ８２に対して平行・垂直な角度をもつようにするのが一般的である。この場合には、上記のようにＴＭＡＨを用いたシリコンウェハ８３のエッチング工程において、等方的なエッチングが困難になる。具体的には、側方に対するエッチングは、エッチングが進行しにくい（１１１）面が隙間無く並んでいる方向へのエッチングとなる。このため、図１９に示すように、（１００）面に対応する深さ方向のエッチングに対して、側方のエッチングがほとんど進まないため、片持ち梁８８下のシリコン８３がエッチングされず、結果的に片持ち梁８８を反らせることはできない。
これに対し本実施形態では、マスクパターン部８５がオリフラ８２に対して斜め方向の角度をもつように、シリコンウェハ８３の表面にハードマスク８４を形成したので、側方に対するエッチングは、（１１１）面に対して傾いた方向へのエッチングとなる。つまり、この場合には、（１１１）面と（１１１）面でない面とを含む方向にエッチングされることになるため、（１１１）面でない面によって側方のエッチングが進んでいく。これにより、図１６Ｆに示すように、片持ち梁８８下のシリコン８３が確実にエッチングされるため、片持ち梁８８の先端側を反らせることができる。
このように高価なドライエッチングを使用しなくても、片持ち梁８８及びミラー８９を溶かすことなく、片持ち梁８８下のシリコン８３をエッチングすることができる。従って、低コスト化およびエッチング時間の短縮化を図ることが可能となる。
図２０は、本発明の第６の実施形態による光スイッチを示す平面図である。図中、第１の実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ２６はプラットホーム２５を有し、このプラットホーム２５の上面部には、第１の実施形態と同様の光ファイバ固定用Ｖ溝４及びレンズ固定用Ｖ溝５が設けられている。光ファイバ固定用Ｖ溝４には、光ファイバＦ１〜Ｆ３が保持され、レンズ固定用Ｖ溝５には、セルフォックレンズ６が固定されている。
プラットホーム２５の上面部における２つのレンズ固定用Ｖ溝５間にはスイッチ部材２９が設けられている。スイッチ部材２９は、図２１に示すように、プラットホーム２５上に固定された電極３０を有し、この電極３０の上面には絶縁層３１が設けられている。この絶縁層３１としては、窒化シリコン、シリコン酸化膜などの他、パレリンなどの樹脂薄膜が使用される。
また、プラットホーム２５の上面には片持ち梁２８が片持ち的に支持され、この片持ち梁２８は、図示しない電圧源により絶縁層３１に対して当接・離間可能となるように構成されている。また、片持ち梁２８の先端部には、ミラー２７が上方に突出するように取り付けられている。
このような光スイッチ２６において、フリーの状態では、図２１Ａに示すように、片持ち梁２８がプラットホーム２５に対して上方に反っており、ミラー２７がプラットホーム２５の上方位置にある。この状態において、電圧源（図示せず）により片持ち梁２８と電極３０との間に所定の電圧をかけると、両者間に静電気力が発生し、片持ち梁２８が電極３０に対して接近するようになり、それに伴ってミラー２７も下降する。そして、図２１Ｂに示すように片持ち梁２８が絶縁層３１に突き当たることで、ミラー２７が位置決め保持される。
このような光スイッチ２６においては、スイッチ部材２９とプラットホーム２５とを同一の工程で製作することができる。これにより、製作に必要な部品点数の削減を図ることが可能となり、製造負担が軽減できる。
なお、本実施形態において、電極３０を、導電性を有する永久磁石の膜で作成し、ミラー２７及び片持ち梁２８の少なくともどちらか一方をパーマロイのような磁性体で形成すると、電圧を切った状態でも、ミラー２７の位置は固定される。なお、電極３０を磁性体とし、ミラー２７及び片持ち梁２８の少なくともどちらか一方を永久磁石としても良い。
図２２は、本発明に係る光スイッチの第７の実施形態を示す水平方向断面図であり、図２３は図２２のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図２４は図２２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２２〜図２４において、本実施形態の光スイッチ１００は、８対の通常用光路と１つの予備用光路とを有するプロテクション用光スイッチである。
光スイッチ１００はプラットホーム２００を有し、このプラットホーム２００の一端部には、テープファイバ１３０と接続された光ファイバアレイ１０４が配置され、プラットホーム２００の他端部には、テープファイバ１５０と接続された光ファイバアレイ１０６が配置されている。
光ファイバアレイ１０４は、テープファイバ１３０から露出させた８本の光ファイバ１１７を互いに並列に保持しており、これらの光ファイバ１１７は第１通常用光路を構成している。光ファイバアレイ１０６は、テープファイバ１５０から露出させた８本の光ファイバ１１７を各光ファイバ１１７と対向するように互いに並列に保持しており、これらの光ファイバ１１８は第２通常用光路を構成している。光ファイバ１１７，１１８の配列ピッチは、例えば０．２５ｍｍである。
光ファイバアレイ１０４，１０６間には、コリメータレンズアレイ１０９，１１０が対向配置されている。このコリメータレンズアレイ１０９，１１０は、それぞれ、光ファイバ１１７，１１８同士を光結合させる８つのコリメータレンズ１１１，１１２を有している。これらのコリメータレンズ１１１，１１２は、例えば１００〜１５０μｍ程度のコリメート径をもった光を作り出すようなレンズである。これらのレンズは、すべて同じでも良いし、光路の違いに応じて異なっていても良い。
プラットホーム２００の一側部には、予備用光路を構成する１本の光ファイバ１１３が、光ファイバ１１７，１１８の軸心に対して垂直に延びるように配置されている。また、プラットホーム２００上には、光ファイバ１１３を光ファイバ１１７に対して光結合させるコリメータレンズ１１４が配置されている。このコリメータレンズ１１４は、コリメータレンズ１１１，１１２と同じ構造をもったレンズである。
さらに、プラットホーム２００上には、主ベース基板１０５と補助ベース基板１１５とがコリメータレンズ１１４を挟むように配置されている。これらのベース基板１０５，１１５は、Ｓｉやガラス等で形成されている。
主ベース基板１０５には、光ファイバ１１７，１１８の軸心方向に延びる８つの溝部１０７が形成され、補助ベース基板１１５には、各溝部１０７に対応した８つの溝部１０８が形成されている。これらの溝部１０７，１０８は、コリメータレンズ１１１，１１２間で光を空間伝搬させるために設けられたものである。なお、溝部１０７，１０８の幅は、光のコリメート径よりも大きな寸法であることは言うまでもない。
主ベース基板１０５の上面には、溝部１０７に沿って延びる細長状の複数の電極１１９が設けられ、この電極１１９はＮｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｔｉ等の金属で形成されている。各電極１１９上には、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、樹脂、ＴａＯ_２、強誘電体等からなる絶縁層１２０が設けられている。
なお、プラットホーム２００、光ファイバアレイ１０４，１０６、コリメータレンズアレイ１０９，１１０、主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５は、光スイッチ１００のベース部材を構成するものである。
主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５の上部には、スイッチ部材１２１が載置・固定されている。スイッチ部材１２１は、Ｓｉ等で形成されたスイッチ基板１２２を有している。スイッチ基板１２２の表面（下面）には、ＳｉＯ_２等からなる絶縁層１２３を介して、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金等からなる導電性構造体１２４が設けられている。この導電性構造体１２４には８本の片持ち梁１２５が一体成形されており、この片持ち梁１２５は、電極１１９と対向するように主ベース基板１０５を突出した位置まで延びている。
各片持ち梁１２５の先端部には、光ファイバ１１７からの光を光ファイバ１１８に向けて水平方向に反射させるミラー１２６が固定されている。このミラー１２６は、光ファイバ１１７，１１８の軸心に対して４５度で傾くように設けられており、これにより、光ファイバ１１７からの光が光ファイバ１１３に向けて垂直方向に反射するようになる。ミラー１２６は、導電性構造体１２４及び片持ち梁１２５と同じ金属で形成され、ミラー面にＡｕ、Ａｌ、Ａｇ等をスパッタ或いはめっきによりコートすることで、安定した光反射率を有している。また、ミラー１２６は、主ベース基板１０５と補助ベース基板１１５との間の空間に配置されているので、光導波路にミラー収納溝が設けられたような構造と異なり、光伝搬時のクロストークはほとんど生じない。
このようなスイッチ部材１２１は、導電性構造体１２４が主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５の上面部に固着されている。また、スイッチ基板１２２には、片持ち梁１２５を上方に反らせるための凹部１２２ａが設けられている（図２５参照）。これにより、ミラー１２６は上下方向に移動可能となる。
導電性構造体１２４と各電極１１９とは、電圧源１２７及び電気スイッチ１２８を介して接続されている。そして、電圧源１２７により導電性構造体１２４と電極１１９との間に所定の電圧を印加することで、片持ち梁１２５と電極１１９との間に静電気力（静電引力）を発生させ、ミラー１２６を上下動させる。電気スイッチ１２８は、各ミラー１２６を個別に駆動できるように複数（８個）有している。
なお、電極１１９、導電性構造体１２４、片持ち梁１２５、電圧源１２７及び電気スイッチ１２８は、各ミラー１２６を上下方向に移動させる駆動手段を構成するものである。
ここで、通常は、図２５に示すように電気スイッチ１２８はオフ状態であり、全ての片持ち梁１２５は、導電性構造体１２４を支点として上方に反っている。よって、ミラー１２６は、上方位置（第１位置）に保持される。この状態では、光ファイバアレイ１０４の各光ファイバ１１７から出射された光は、コリメータレンズ１１１を介して、主ベース基板１０５の溝部１０７及び補助ベース基板１１５の溝部１０８を空間伝搬し、コリメータレンズ１１２を介して光ファイバアレイ１０６の対応する光ファイバ１１８に入射される。
一方、電気スイッチ１２８をオンすると、電圧源１２７によって片持ち梁１２５と電極１１９との間に所定の電圧が印加され、片持ち梁１２５と電極１１９との間に生じる静電気力によって片持ち梁１２５が電極１１９に引き寄せられ、図２３に示すようにミラー１２６が下降し、下方位置（第２位置）に保持される。このとき、片持ち梁１２５と電極１１９との間には絶縁層１２０が存在するため、片持ち梁１２５が電極１１９に接触することは無い。この状態では、光ファイバアレイ１０４の光ファイバ１１７から出射された光は、コリメータレンズ１１１を介して主ベース基板１０５の溝部１０７を空間伝搬し、ミラー１２６で垂直方向に反射される。そして、その反射光は、主ベース基板１０５と補助ベース基板１１５との間を空間伝搬し、コリメータレンズ１１４を介して光ファイバ１１３に入射される。
なお、ここでは、プラットホーム２００上に主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５を設ける構成としたが、主ベース基板１０５だけでスイッチ部材１２１を十分に支持できるのであれば、補助ベース基板１１５は特に設けなくてもよい。
図２６は、スイッチ部材１２１の製作プロセスの一例を示したものである。同図において、まずＳｉ基板３００を用意し、このＳｉ基板３００の表面の一部に熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）１３１をパターンニングする（図２６Ａ）。続いて、フォトリソグラフィ及びＮｉめっきによって、Ｓｉ基板３００及び熱酸化膜１３１上に片持ち梁部１３２を形成する（図２６Ｂ）。続いて、ＳＲ（シンクロトロン放射光）リソグラフィーによって、片持ち梁部１３２上にレジスト１３３を形成する（図２６Ｃ）。続いて、Ｎｉめっきによって、片持ち梁部１３２上にミラー部１３４を形成する（図２６Ｄ）。続いて、片持ち梁部１３２上のレジスト１３３を剥離する（図２６Ｅ）。次いで、ミラー面にＡｕ、Ａｌ、Ａｇ等をスパッタ或いはめっきによりコートする。続いて、Ｓｉ基板３００における片持ち梁１３２部の下側部分をエッチングする（図２６Ｆ）。これにより、上記のスイッチ部材１２１が得られる。そして、そのスイッチ部材１２１をひっくり返して、別途製作された主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５に組み付ける（図２６Ｇ）。
以上のような光スイッチ１は、図２７及び図２８に示すように、箱状のパッケージ１３５に収納されている。このようなパッケージ１３５に光スイッチ１を組み入れる場合は、まず光ファイバアレイ１０４，１０６、コリメータレンズアレイ１０９，１１０、光ファイバ１１３及びコリメータレンズ１１４が予め実装されたプラットホーム２００を、パッケージ１３５のパッケージ本体１３６内に入れて固定させる。続いて、スイッチ部材１２１、主ベース基板１０５及び補助ベース基板１１５からなる光スイッチデバイスを、プラットホーム２００の所定位置にアライメントして実装する。続いて、スイッチ部材１２１の導電性構造体１２４と主ベース基板１０５の各電極１１９とを、パッケージ本体１３６の外部に配置された電圧源１２７及び電気スイッチ１２８に配線接続する。そして最後に、パッケージ本体１３６の上部にパッケージ蓋１３７を取り付けて封止する。
以上のように構成した光スイッチ１００において、通常使用時は、図２５に示すように、全てのミラー１２６を上方に待避させておく。この場合には、光ファイバアレイ１０４の各光ファイバ１１７から出射された光は、コリメータレンズ１１１，１１２を介して、そのまま光ファイバアレイ１０６の対応する光ファイバ１１８に入射される。
一方、いずれかの光ファイバ１１８に断線、故障等の不具合が生じたときは、図２３に示すように、その光ファイバ１１８に対応するミラー１２６を下げる。この場合には、当該光ファイバ１１８に対応する光ファイバ１１７から出射された光は、コリメータレンズ１１１を通った後、ミラー１２６で反射し、その反射光がコリメータレンズ１１４を介して予備用光路である光ファイバ１１３に入射される。従って、光伝送不能になることが回避される。
ここで、ミラー１２６は上下方向に駆動可能な構成となっているので、ミラー１２６を水平方向に駆動させる場合に比べて、光が空間伝搬する主ベース基板１０５の各溝部１０７の配列ピッチ（チャンネル間ピッチ）を大幅に小さくすることが可能となる。この場合には、ミラー１２６で反射された光が空間伝搬する時のビーム発散が抑制されるため、光ファイバ１１３に対する光の挿入損失が低減される。特に、光ファイバ１１３から離れた位置を空間伝搬する光において、そのような効果が顕著に現れる。また、チャンネル間ピッチを小さくすることで、各ミラー１２６と光ファイバ１１３との間の光路長差が小さくなるため、各チャンネル間における光の挿入損失のばらつきも低減される。
また、ミラー１２６で反射された光がそのままコリメータレンズ１１４を介して光ファイバ１１３に入射されるので、ミラーの反射による光損失を最小限に抑えることができる。この場合には、光の伝搬距離を長くすることが可能となる。
なお、本実施形態では、予備用光路としての光ファイバ１１３を、通常用光路としての光ファイバ１１７，１１８に対して垂直方向に延びるように設けたが、光ファイバ１１３を光ファイバ１１７，１１８に対して斜め方向に延びるように構成してもよい。この場合には、光ファイバ１１７からの光がミラー１２６で反射したときに、確実に光ファイバ１１３に向かうように、ミラー１２６の配置角度を設定する。
また、本実施形態では、光ファイバ１１７から出射された光を光ファイバ１１８に入射させるものとしたが、これとは逆に、光ファイバ１１８から出射された光を光ファイバ１１７に入射させてもよい。この場合、予備用光路としての光ファイバ１１３の使用時には、光ファイバ１１３から出射された光は、コリメータレンズ１１４を通った後にミラー１２６で反射し、その反射光がコリメータレンズ１１１を介して光ファイバ１１７に入射されることになる。
図２９は、本発明に係る光スイッチの第８の実施形態を示す水平方向断面図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ４００は、上述した実施形態における光ファイバアレイ１０６、コリメータレンズアレイ１１０及び補助ベース基板１１５の代わりに、光ファイバアレイ１４１、コリメータレンズアレイ１４２及び補助ベース基板１４３を有している。
光ファイバアレイ１４１は、テープファイバ１４０から露出させた９本の光ファイバ１４５を互いに並列に保持しており、そのうち８本の光ファイバ１４５ａは第２通常用光路を構成し、一端側に位置する残りの１本の光ファイバ１４５ｂは予備用光路を構成している。従って、光ファイバ１４５ｂは、各光ファイバ１１７，１４５ａに対して平行に延びることになる。
コリメータレンズアレイ１４２は９つのコリメータレンズ１４６を有し、そのうち８つのコリメータレンズ１４６ａは、通常用光路である光ファイバ１１７，１４５ａ同士を光結合させるものであり、他の１つのコリメータレンズ１４６ｂは、光ファイバ１４５ｂを光ファイバ１１７に対して光結合させるものである。
また、補助ベース基板１４３には９つの溝部１４７が形成されており、これらの溝部１４７は、各コリメータレンズ１４６ａに対応する８つの溝部１４７ａと、コリメータレンズ１４６ｂに対応する１つの溝部１４７ｂとからなっている。
主ベース基板１０５と補助ベース基板１４３との間における溝部１４７ｂに対応する位置には、ミラー１２６で反射した光を光ファイバ１４５ａに向けて水平方向に反射させる固定ミラー１４８が配置されている。この固定ミラー１４８も、ミラー１２６と同様に、光ファイバ１１７，１４５の軸心に対して４５度で傾くように設けられている。
このように構成した光スイッチ４００において、予備用光路に切り換えるべくミラー１２６を下げた場合、光ファイバ１１７から出射された光は、コリメータレンズ１１１を介して主ベース基板１０５の溝部１０７内を空間伝搬し、ミラー１２６で反射される。そして、その反射光は、主ベース基板１０５と補助ベース基板１４３との間を空間伝搬し、固定ミラー１４８で反射される。そして、その反射光は、補助ベース基板１４３の溝部１４７ｂ内を空間伝搬し、コリメータレンズ１４６ｂを介して光ファイバ１４５ａに入射される。
以上のような本実施形態にあっては、複数の通常用光路としての光ファイバ１４５ａと予備用光路としての光ファイバ１４５ｂとを、１つの光ファイバアレイ１４１及び１枚の光ファイバテープ心線１４４でまとめて形成したので、予備用光路としての光ファイバの強度が高くなり、信頼性が向上する。また、予備用光路としての光ファイバをプラットホーム２００に組み付ける作業（アセンブリ）が簡便に行える。さらに、通常用光路に対応する複数のコリメータレンズ１４６ａと予備用光路に対応するコリメータレンズ１４６ｂとを、１つのコリメータレンズアレイ１４２としてまとめて形成したので、コリメータレンズのアセンブリが簡便に行える。
図３０は、本発明に係る光スイッチの第９の実施形態を示す水平方向断面図である。図中、上述した実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。
同図において、本実施形態の光スイッチ５００は、３対の通常用光路に対して１つの予備用光路を有するものを２組設けた光スイッチである。
この光スイッチ５００においては、光ファイバアレイ１４１に保持された９本の光ファイバ１４５のうち、６本の光ファイバ１４５ａを通常用光路として使用し、２本の光ファイバ１４５ｂを予備用光路として使用し、残りの１本を未使用としている。また、コリメータレンズアレイ１４２のコリメータレンズ１４６（１４６ａ，１４６ｂ）及び補助ベース基板１４３の溝部１４７（１４７ａ，１４７ｂ）は、光ファイバ１４５（１４５ａ，１４５ｂ）に対応して構成されている。
主ベース基板１０５と補助ベース基板１４３との間には、光ファイバ１４５ｂの本数に対応して２つの固定ミラー１４８が配置されている。また、光スイッチ５００は、上述した実施形態におけるスイッチ部材１２１の代わりに、６本の片持ち梁１２５をもったスイッチ部材１５１を有している。
なお、本発明は、上記実施形態には限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、静電気力を用いてミラーを上下動させる構成としたが、特にこれに限らず、例えば電磁力によりミラーを上下動させてもよい。
また、上記実施形態では、ミラーが光路上を通る光を通過させる位置をフリー状態としているが、ミラーが光路上を通る光を遮断させる位置をフリー状態としてもよい。この場合には、例えば磁力によって、光路上を通る光を通過させる位置にミラーを自己保持させることもできる。
さらに、上記実施形態の光スイッチは、１×２スイッチや１×１スイッチ等をアレイ化したものであるが、単独の１×２スイッチや１×１スイッチ等であってもよい。また、本発明は、ｎ×ｎマトリクススイッチ等にも適用可能である。
また、上記実施形態では、同一の光スイッチを複数配列したものを示したが、特にこれに限らず、異なる光スイッチを複数配列しても良い。
また、上記実施形態の光スイッチは、光アッテネータとして機能させることも可能である。即ち、静電気力や電磁力を制御してミラーの駆動ストロークを調整することにより、光の透過度を変化させることができる。
また、上記実施形態は、片持ち梁と電極との間に生じる静電気力によってミラーを上下動させるものであるが、特にこれに限らず、電磁力等を利用してミラーを上下動させる構成としてもよい。
また、本発明に係る光スイッチの光路の一部が光ファイバで構成されたが、本発明は、光路の一部が光導波路で構成された光スイッチにも適用可能である。
さらに、上記の第７、第８、および第９の実施形態では、予備用光路が１つのものに限らず、通常用光路数／予備用光路数が異なる多種多様なタイプの光スイッチを構成することができる。
産業上の利用可能性
本発明は、ベース部材に支持された片持ち梁にミラーを取り付け、光路上を通る光を通過させる第１位置と光路上を通る光を遮断させる第２位置との間でミラーを上下動させるようにしたので、小型で集積化されたＯＮ／ＯＦＦスイッチ、１×２スイッチ、ｎ×ｎマトリクススイッチ等を得ることができる。
その結果、光通信や光計測等の分野において、光スイッチの小型化及び集積化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図である。
図２は、図１に示すミラーが光を通過させる位置にある状態を示す垂直方向断面図である。
図３は、図１に示すミラーが光を遮断させる位置にある状態を示す垂直方向断面図である。
図４は、図２に示す片持ち梁と電極の配置部位を示す断面図である。
図５Ａ〜図５Ｇは、図２に示すスイッチ部材の製作工程の一例を示す図である。
図６Ａ〜図６Ｈは、図２に示すスイッチ部材の製作工程の他の例を示す図である。
図７は、本発明の第２の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図である。
図８は、本発明の第３の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。
図９Ａ〜図９Ｃは、図８に示すギャップ保持用スペーサの製作工程の一例を示す図である。
図１０Ａ，図１０Ｂは、図８に示すギャップ保持用スペーサの製作工程の他の例を示す図である。
図１１は、本発明の第３の実施形態による光スイッチの変形例を示す垂直方向断面図である。
図１２は、図１１に示すギャップ保持用スペーサの平面図である。
図１３は、本発明の第４の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。
図１４は、本発明の第５の実施形態による光スイッチを示す垂直方向断面図である。
図１５は、図１４に示すスイッチ部材の平面図である。
図１６Ａ〜図１６Ｆは、図１４に示すスイッチ部材の製作工程の一例を示す図である。
図１７は、図１４に示すスイッチ部材の製作工程において、シリコンウェハの表面にハードマスクを形成した状態を示す図である。
図１８は、シリコンウェハの表面にハードマスクを形成した状態の一般例を示す図である。
図１９は、図１８に示すハードマスクが形成されたシリコンウェハをウェットエッチングした状態を示す図である。
図２０は、本発明の第６の実施形態による光スイッチを示す平面図である。
図２１Ａ，図２１Ｂは、図２０に示すミラーが光を通過させる位置と光を遮断させる位置にある状態を示す垂直方向断面図である。
図２２は、本発明の第７の実施形態による光スイッチの一実施形態を示す水平方向断面図である。
図２３は、図２１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
図２４は、図２１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図２５は、図２３に示す光スイッチが通常使用時にあるときの状態を示す断面図である。
図２６Ａ〜図２６Ｇは、図２３及び図２４に示すスイッチ部材の製作プロセスの一例を示す図である。
図２７は、図２１に示す光スイッチがパッケージに収納された状態を示す水平方向断面図である。
図２８は、図２１に示す光スイッチがパッケージに収納された状態を示す垂直方向断面図である。
図２９は、本発明の第８の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図である。
図３０は、本発明の第９の実施形態による光スイッチを示す水平方向断面図である。

Claims (20)

1. 光路を有するベース部材と、
   前記ベース部材に支持された片持ち梁と、
   前記片持ち梁に取り付けられ、前記光路上を通る光を遮断するミラーと、
   前記光路上を通る光を通過させる第１位置と前記光路上を通る光を遮断させる第２位置との間で前記ミラーを上下動させる駆動手段とを備え、
   前記ミラーが前記第１位置にあるときは、前記ミラーが前記ベース部材の上方に位置し、前記ミラーが前記第２位置にあるときは、前記ミラーが前記ベース部材の上面部で位置決めされるように構成されていることを特徴とする光スイッチ。
2. 前記駆動手段は、前記ベース部材上に設けられた電極と、前記電極と前記片持ち梁との間に静電気力を発生させる手段とを有することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
3. 前記電極上には、前記ミラーが前記第２位置にあるときに前記電極と前記片持ち梁とのギャップを保持するためのスペーサが設けられていることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
4. 前記ミラーを前記第１位置または前記第２位置に保持する位置保持手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
5. 前記ミラーは磁性体からなり、前記電極は永久磁石からなり、
   前記位置保持手段は、前記ミラーと前記電極との間に生じる磁力により前記ミラーを前記第２位置に保持する手段であることを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
6. 前記ミラーは永久磁石からなり、前記電極は磁性体からなり、
   前記位置保持手段は、前記ミラーと前記電極との間に生じる磁力により前記ミラーを前記第２位置に保持する手段であることを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
7. 前記位置保持手段による前記ミラーの位置保持を解除するための電磁石を更に備えることを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
8. 前記ミラーは、Ｘ線リソグラフィ及び電鋳を用いることにより、前記片持ち梁と一体的に形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
9. 前記ミラーの表面には、金、銀、アルミニウムのいずれかの膜がコーティングされていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
10. 前記片持ち梁を挟むように前記ベース部材の上部に設けられたシリコン構造体を更に備え、
    前記片持ち梁、前記ミラー及び前記シリコン構造体でスイッチ部材を構成したことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
11. 前記ミラーを有する前記片持ち梁を前記シリコン構造体の表面に形成し、フッ素系ガスを用いて前記シリコン構造体をエッチングすることにより、前記スイッチ部材を形成したことを特徴とする請求項１０記載の光スイッチ。
12. 前記スイッチ部材を形成するためのマスクパターン部が設けられたマスクを、前記マスクパターン部がシリコンウェハのオリエンテーションフラットに対して斜め方向の角度をもつように前記シリコンウェハの表面に形成し、その後で前記ミラーを有する前記片持ち梁を前記シリコンウェハの表面に形成し、エッチング液を用いて前記シリコンウェハを表面側よりエッチングすることにより、前記スイッチ部材を形成したことを特徴とする請求項１０記載の光スイッチ。
13. 前記エッチング液は水酸化テトラメチルアンモニウムであることを特徴とする請求項１２記載の光スイッチ。
14. 前記電極の上面には絶縁層が設けられ、
    前記片持ち梁は、前記絶縁層に対して当接・離間可能となるように前記ベース部材に支持されていることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
15. 複数の第１通常用光路と当該各第１通常用光路に対向配置された複数の第２通常用光路と少なくとも１つの予備用光路とを有するベース部材と、
    前記ベース部材に支持され、前記第１通常用光路または前記予備用光路からの光を水平方向に反射させる複数の可動ミラーと、
    前記各可動ミラーを上下方向に移動させる駆動手段とを備えることを特徴とする光スイッチ。
16. 前記第１通常用光路と前記第２通常用光路とを光結合させると共に、前記第１通常用光路と前記予備用光路とを光結合させる複数のコリメータレンズを更に備えることを特徴とする請求項１５記載の光スイッチ。
17. 前記予備用光路は、前記各第１通常用光路に対して垂直方向または斜め方向に延びるように構成されていることを特徴とする請求項１５記載の光スイッチ。
18. 前記予備用光路は、前記各第１通常用光路に対して平行に延びるように構成され、
    前記ベース部材には、前記可動ミラーで反射された光または前記予備用光路からの光を水平方向に反射させる固定ミラーが設けられていることを特徴とする請求項１５記載の光スイッチ。
19. 前記駆動手段は、前記ベース部材に片持ち支持され、前記可動ミラーが固定された複数の片持ち梁と、前記各片持ち梁と対向するように前記ベース部材の上面部に設けられた複数の電極と、前記片持ち梁と前記電極との間に静電気力を発生させる手段とを有することを特徴とする請求項１５記載の光スイッチ。
20. 請求項５に記載の光スイッチを応用したことを特徴とするプロテクション用光スイッチ。

Images