JPWO2005085929A1 - ミラーデバイス，光制御装置，ミラーの制御方法およびミラー素子 - Google Patents

Abstract

簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光入力が過大となることを予防できるようにした、ミラーデバイスである。 反射面が回転可能に構成されるとともに、入力される入力光の輻射圧により反射面が回転するミラー（１３）と、該入力光の輻射圧で回転したミラー（１３）を元の位置に復元させようとする復元力を生成しうる復元力生成機構（３ａ，３ｂ）とをそなえるように構成する。

Description

本発明は、光通信分野における光伝送装置や、光強度の測定等を行なう際に用いて好適の、ミラーデバイス，光制御装置，ミラーの制御方法およびミラー素子に関するものである。

近年の技術進歩により、レーザ光などの光源の出力増加や光増幅器による増幅により光装置の光出力は増大している。たとえば、光通信装置においては波長多重伝送による波長数の増加や、ラマン増幅器に用いられる励起光などによりワット級の光が出力される光通信装置が少なくない。
さて、このような大きな光出力を光測定器を用いて測定する場合は注意が必要である。光測定器の中には、過大な光入力があると機能を損なう可能性があるためである。このような場合は、過大な光入力が起きないような予防処置をとる必要があり、通常は光測定器の光入力の前に光減衰器を挿入して光測定器への光入力強度を低下させている。
また、光伝送装置においても過大な光入力があると機能を損なう光部品や機能がある。このような場合も過大な光入力が起きないような予防処置をとる必要がある。幹線系に用いられる光通信装置の場合においては、信頼性を確保させるため、通常は光通信装置において、自身の装置における光入出力を監視して、過大な光入力、または光出力を抑制するような制御装置をそなえている。
以上のように、従来においては、光装置への光入力が過大とならないようにする予防処置としては、測定系あるいは光装置の構築の際に、作業者が過大な光入出力が生じうる箇所について注意を払い、これら光入出力を監視して減衰させる制御装置が必要であった。
しかしながら、このような従来の技術においては、作業者が予期せぬ光入出力がある場合や、注意不足があった場合等においては、光装置に対して過大な光入力が発生することを回避できないという課題がある。
さらに、制御装置で過大な光入力、あるいは光出力を抑制させる場合は、制御装置の構成が複雑になる。このため、幹線系に用いられる光通信機器などとは異なり、小規模、あるいは一般家庭に用いられる光通信機器では高価となり現実的ではない。また、制御装置は能動的に働くため、受動的なデバイスと比べると、制御装置の故障などに対するバックアップ装置の構成も複雑にならざるを得ない。
したがって、過大な光入力、あるいは光出力を抑制するためには複雑、かつ高価な制御装置を設ける必要があり、小規模、あるいは一般家庭に用いられる光装置への適用は困難である。
他の従来技術として、熱レンズというものがある。入力光を吸収して屈折率が変化する色素溶液を用いてレンズとして振舞うものである。この熱レンズを用いることで、光強度を抑制することは可能であるが、入力光を常に吸収してしまうため、常に光強度が低下すなわち損失が発生してしまう。また、色素の吸収特性の波長依存性により使用できない波長も存在するため、汎用的な利用に支障をきたす。
なお、本願発明に関連する公知技術として、特許文献１に記載された技術があるが、この特許文献１に記載された技術は、比較的簡単な構成で光信号を同時に多重化および逆多重化することが可能な装置を提供しようとするものであり、光入力が過大とならないようにするためのデバイスを、簡素な構成で実現しようとするものではない。
なお、本願発明に関連する公知技術として、以下に示す特許文献２および特許文献３に記載された技術もあるが、これらの技術のいずれについても、光入力が過大とならないようにするためのデバイスを、簡素な構成で実現しようとするものではない。
さらに、詳細な構成についての開示はないが、本願発明に関連する技術として、以下に示す非特許文献１に記載されたものもある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光入力が過大となることを予防できるようにした、ミラーデバイス，光制御装置，ミラーの制御方法およびミラー素子を提供することを目的とする。
また、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光スイッチ機能や光フリップフロップ機能を実現できるようにした、を提供することを目的とする。
特開平７−２０２８４８号公報 特開２０００−１４６６５４号公報 特開２００２−８７５７４号公報 トム・マラポード（Ｔｏｍ Ｍａｒｒａｐｏｄｅ）他１名、「光伝送システムにもヒューズ 過剰なパワーを抑制」、日経エレクトロニクス、日経ＢＰ社、２００３年１１月２４日発行、１４５〜１４８ページ

上記の目的を達成するために、本発明のミラーデバイスは、反射面が回転可能に構成されるとともに、入力される入力光の輻射圧により反射面が回転するミラーと、該入力光の輻射圧で回転したミラーを元の位置に復元させようとする復元力を生成しうる復元力生成機構とをそなえて構成されたことを特徴としている。
このとき、該輻射圧を該ミラーに与える入力光を、信号光とすべく構成することができる。
また、該輻射圧を該ミラーに与える入力光を制御光とするとともに、信号光を該ミラーの反射面上における回転軸位置で反射させるように構成することができる。この場合においては、該制御光を、該ミラーの反射面上において該回転軸を挟んだ２箇所の位置にそれぞれ入射される第１および第２の制御光とするとともに、前記第１および第２の制御光の入力が無くなった場合においても、ミラー位置を保持するためのミラー位置保持機構をそなえて構成してもよい。
上述の本発明のミラーデバイスにおいては、該復元力生成機構を、該ミラーの回転軸を支持するトーションバーをそなえるとともに、該トーションバーのねじれ応力を前記復元力とすべく構成してもよい。
また、該復元力生成機構を、該ミラーに前記復元力となる静電気力を与える静電気力付与機構により構成してもよい。この場合においては、該静電気力付与機構を、該ミラーの反射面裏側に隔離して設けられた電極をそなえるとともに、該電極に印加される電圧を通じ該ミラーに与えられる静電気力により、前記復元力を生成すべく構成することができる。
また、上述の本発明のミラーデバイスにおいては、該復元力生成機構を、該ミラーに前記復元力となる磁力を与える磁力付与機構により構成することとしてもよく、この場合においては、該磁力付与機構を、該ミラーの反射面裏側に隔離して設けられた磁石をそなえるとともに、該磁石を通じて得られる磁力により、前記復元力を生成すべく構成することができる。
さらに、上述の本発明のミラーデバイスにおいては、該復元力生成機構を、該ミラーに前記復元力となる表面張力を与える表面張力付与機構により構成することとしてもよい。
また、本発明の光制御装置は、所定角度で入力光を出射する入力光光学系と、該入力光学系からの前記入力光について反射させるミラーデバイスと、該ミラーデバイスで反射された前記入力光を出力光として入射される出力光光学系とをそなえ、該ミラーデバイスが、反射面上に入力される入力光を反射させる、前記反射面が回転可能に構成されたミラーと、該ミラーを回転させようとする力に対し該ミラーの位置を元の位置に復元させようとする復元力を生成する復元力生成機構とをそなえ、該復元力生成機構で生成される復元力によって、前記反射面が所定の角度になるように構成され、かつ、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率が、定められた前記反射面の角度となるように、制御することを特徴としている。
また、本発明の光制御装置は、所定角度で入力光を出射する入力光光学系と、該入力光学系からの前記入力光について反射させるミラーデバイスと、該ミラーデバイスで反射された前記入力光を出力光として入射される出力光光学系と、該ミラーデバイスに向けて制御光を発光する制御光光源とをなえ、該ミラーデバイスが、反射面上に入力される入力光を反射し、前記反射面が回転可能に構成されたミラーと、該ミラーを回転させようとする力に対し該ミラーの位置を元の位置に復元させようとする復元力を生成する復元力生成機構とをそなえ、前記入力光が該ミラーデバイスにおける前記回転のための回転軸上で反射させるように、該入力光学系が配置され、該復元力生成機構で生成される復元力によって、前記反射面の角度が定めた角度となるように構成され、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率となるよう前記反射面の角度を制御することを特徴としている。
上述の光制御装置においては、好ましくは、前記制御光の強度を調整することにより、当該制御光の輻射圧を調整する輻射圧調整部をそなえて構成する。
この場合においては、該輻射圧調整部を、前記制御光強度を互いに異なる第１の強度又は第２の強度で調整し、該第１の強度で調整された制御光による第１の輻射圧により、該ミラーの反射面の角度が第１の角度に定められて、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率をオン状態とし、該第２の強度で調整された制御光による第２の輻射圧により、該ミラーの反射面の角度が第２の角度に定められて、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率をオフ状態とすべく構成することができる。
さらに、該輻射圧を該ミラーに与える制御光を、該ミラーの反射面上において該回転軸を挟んだ２箇所の位置にそれぞれ入射される第１および第２の制御光とするとともに、前記第１および第２の制御光の入力が無くなった場合においても、ミラー位置を保持するためのミラー保持機構をそなえ、かつ、該輻射圧制御部を、前記第１および第２の制御光による輻射圧を制御することにより、上記の第１および第２の制御光のうちいずれか一方における輻射圧をトリガとして該ミラーの面を第１状態に保持する一方、上記の第１および第２の制御光のうちいずれか他方における輻射圧をトリガとして該ミラーの面を第２状態に保持すべく構成することとしてもよい。
また、本発明のミラーデバイスは、反射面が回転可能に構成されるとともに入力される入力光の輻射圧により反射面が回転するミラーと、該入力光によるミラーの回転とは別に、ミラーを回転させる力を発生する手段とを設けた事を特徴としている。
さらに、本発明のミラーの制御方法は、反射面が回転可能に構成されたミラーに対して入射される光の輻射圧により該ミラーを回転させ、該入力光により回転したミラーを所定の位置に回転させることを特徴としている。
また、本発明のミラー素子は、反射面と、該反射面を回転させるための回転軸と、該回転軸を支持する支持部とからなり、該回転軸と該支持部との関係は該反射面に照射される光の輻射圧により回転可能に構成されていることを特徴としている。
このように、本発明のミラーデバイス，光制御装置，ミラーの制御方法およびミラー素子によれば、以下の効果ないし利点がある。
（１）ミラーデバイスとして、ミラーと復元力生成機構とをそなえているので、入力光が自分自身の強度に応じた輻射圧で光路中に設けられたミラーを回転させて自分自身の結合効率を変化させることができ、簡易、かつ受動的に動作しながら、安価で信頼度の高い光強度抑制制御を行なうことができる利点があり、延いては、比較的小規模の光装置や、一般家庭などに用いられる光装置への適用が可能となる。
（２）制御光の第１又は第２の輻射圧によって、入力光としての入力信号光に対する反射信号光について、出力光学系である光ファイバへの結合効率をオンオフ状態とすることができるので、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光スイッチ機能を実現することができる利点がある。
（３）ミラー位置保持機構と、第１および第２の制御光の輻射圧におけるいずれかのトリガとによって、ミラーの面を第１状態又は第２状態にすることができるので、入力光としての２つの信号光に対する反射信号光の出力を２つの状態に切り替えることができるので、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光フリップフロップ機能を実現することができる利点がある。

図１は本発明の第１実施形態にかかる光制御装置を示す図である。
図２は本発明の第１実施形態におけるＭＥＭＳミラーの構成を示す図である。
図３は、図１および図２に示す光学系における寸法および物性値の設定例を示す図である。
図４は、第１実施形態における光制御装置において、レンズからの光入力強度に対してのミラー回転角の関係を示す図である。
図５は、第１実施形態における光制御装置において、光ファイバからミラー本体への光入力強度と、ミラー本体から光ファイバへの光出力強度との関係について示す図である。
図６は、梁で生成される復元力により、ミラー本体における反射面の角度を一意に定めることができることを説明するためのモデルとなる光学系を示す図である。
図７，図８はともに、梁で生成される復元力により、ミラー本体における反射面の角度を一意に定めることができることを説明するための図である。
図９（ａ），図９（ｂ）および図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、本発明の第１実施形態の変形例を示す図である。
図１１は本発明の第２実施形態にかかる光制御装置を示すブロック図である。
図１２は本発明の第３実施形態にかかる光制御装置を示すブロック図である。
図１３は本発明の第３実施形態の動作を説明するための図である。

以下、図面を参照することにより、本発明の実施の形態について説明する。
〔Ａ〕第１実施形態の説明
図１は本発明の第１実施形態にかかる光制御装置を示す図であり、この図１に示すように、第１実施形態にかかる光制御装置１０は、光伝送装置を構成する光デバイス等の前段に設けられ、この光デバイスに対して過大な光入力を予防するためのものであって、入出力共用の光ファイバ１１と、レンズ１２と、ミラーデバイスとしてのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー１３をそなえて構成されている。
すなわち、この図１に示す光制御装置１０の光学系としては、光ファイバ１１からの光はレンズ１２を通じてコリメート光となって、ミラー１３に出射するようになっており、このときの光ファイバ１１およびレンズ１２は、所定角度で入力光を出射する入力光学系を構成する。
また、ミラー１３で反射された光は再びレンズ１２を通じて光ファイバ１１に入射されるようになっており、このときのレンズ１２および光ファイバ１１は、ミラーデバイスとしてのＭＥＭＳミラー１３で反射された入力光を出力光として入射される出力光学系を構成する。
ＭＥＭＳミラー１３は、回転軸を中心としてミラー面を回動させて、レンズ１２から入射されるコリメート光の反射角度を可変させることができるようになっている。即ち、ＭＥＭＳミラー１３は、反射面が回転可能に構成されるとともに、入力される入力光としてのレンズ１２からのコリメート光を反射面上の一定位置で反射させることができるようになっている。
このＭＥＭＳミラー１３は、一般的なＭＥＭＳ技術による作成方法および半導体プロセスを用いることで作製可能なものである。具体的には、ＭＥＭＳミラー１３は、例えば図２に示すように、基板フレーム１と、例えば反射面が長方形形状を持つミラー本体２とをそなえるとともに、ミラー本体２を基板フレーム１で支持するための梁３ａ，３ｂをそなえて構成されている。
梁３ａ，３ｂは、例えばミラー本体２の長方形長辺を２分する両端位置と基板フレーム１とをそれぞれ接続し固定するもので、例えばシリコン等の弾性材質により構成される。そして、この梁３ａ，３ｂがねじれることによって、ミラー本体２の反射面２ａを図中Ｃの方向で回動させることができるようになっている。従って、梁３ａ，３ｂは、ミラー本体２の回転軸を支持するトーションバーとしての機能を有している。
なお、ミラー本体２は基板底面１ａに対して空間を空けて支持されるようになっており、これにより、梁３ａ，３ｂがねじれて、ミラー本体２が所定角度範囲の自由度をもって回転させることができるようになっている。
また、上述の梁３ａ，３ｂのねじれに対するねじれ応力として、梁３ａ，３ｂのねじれを復元するような力が発生するようになっている。換言すれば、この梁３ａ，３ｂにより、ミラー本体２を回転させようとする力に対しミラー本体２の位置をもとの位置に復元させようとする復元力としてのねじれ応力を生成しうる復元力生成機構を構成する。
ここで、本実施形態においては、後述するように、上述のレンズ１２からの光自身の輻射圧Ｆによって、ミラー本体２を回動させることができるようになっている。そして、この輻射圧Ｆの大きさに応じて、復元力生成機構としての梁３ａ，３ｂで生成される復元力により、ミラー本体２における反射面の角度を一意に定めることができるようになっている。
上述の図１および図２に示す光学系においては、例えば図３に示すように寸法および物性値を決めることができる。尚、これらの寸法および物性値の具体例は、本発明の理解を容易にするために示したものであって、本発明は、これらの寸法および物性値の具体例に限定されるものではない。
ここで、これらの図１〜図３において、光入射位置Ｌは、ミラー本体２の反射面２ａにおいてレンズ１２からの光が反射する位置であって、梁３ａ，３ｂによる回転軸ＡＸからの距離「Ｌ」によって表されるものである。又、ミラー幅「Ｈ」は、ミラー本体２の図中長方形短辺の長さ、「ａ」は梁３ａおよび梁３ｂについての断面の長辺、「ｂ」はその短辺、「ｕ」は梁３ａ，３ｂの長さ、「ｆ」はレンズの焦点距離である。図３中の他の値については後述する。
ところで、上述の図３に示す寸法設定を有する光制御装置１０において、レンズ１２からの光入力強度に対してのミラー回転角θは、図４に示すように比例関係にある。この図４から、光ファイバ１１からミラー本体２への光入力強度が１ワット（Ｗ）の場合には、ミラー本体２は０．００９３度回転することが分かる。
そして、ミラー本体２の回転とともに、ミラー本体２で反射された光がレンズ１２を通じて光ファイバ１１へ戻る割合も変化するので、光ファイバ１１からミラー本体２への光入力強度と、ミラー本体２から光ファイバ１１への光出力強度との関係は、図５に示すように変化することとなる。即ち、この図５に示すように、光入力強度１ワット付近で光出力強度は最大値約０．７ワットになることがわかる。
これにより、光入力強度にかかわらず、光出力強度を約０．７ワット以下に抑制することができる。また、光入力強度が約０．４ワット以下では、光入力強度と光出力強度はほぼ等しく、この光入力強度範囲で用いる場合は過剰な損失は発生しない。
上述の構成により、本発明の第１実施形態においては、光ファイバ１１から入力される光（入力光）は、レンズ１２を通じてコリメート光としてミラー本体２で反射するが、この入力光としてのコリメート光自身の輻射圧に応じて、ミラー本体２が所定角度回転する。即ち、入力光の輻射圧に応じてミラー本体２での反射角が変化するので、もとの光ファイバ１１に入射される出力光としての割合も、この輻射圧に応じて変化することになる。
たとえば、この入力光を、データが変調されている信号光とした場合においては、本実施形態にかかる光制御装置１０としては、光ファイバ１１からの光信号の強度を一定レベル以下に抑制する光強度を抑制する光制御装置を構成することができる。
ついで、輻射圧Ｆの大きさに応じて、復元力生成機構としての梁３ａ，３ｂで生成される復元力により、ミラー本体２における反射面の角度を一意に定めることができることについて、以下に詳述する。
説明の便宜のため、たとえば、図６に示すように、入力光が、光ファイバ１１ａから出射されてレンズ１２ａによりコリメート光にされて、ＭＥＭＳミラーをなすミラー本体２で反射されて、レンズ１２ａとは別なレンズ１２ｂで集光されて、光ファイバ１１ａとは別な出力ファイバ１１ｂに入射している光学系を想定する。
この場合において、図７に示すように、光がミラー本体の反射面２ａで反射する時には、ミラー本体２を押す力、即ち輻射圧が発生する。図７に示す光子の運動量ｐは、プランク定数をｈ、波長をλとして、式（１）のように表すことができる。
ｐ＝ｈ／λ …（１）
そして、ミラー本体２に作用する力Ｆは、単位時間あたりにミラー本体２に衝突する光子の数をｎとして、式（２）のように表すことができる。
Ｆ＝２×ｐ×ｎ …（２）
光子の数ｎは、光の強度（単位時間あたりのエネルギー）をＩ、光の速度をｃとすると、式（３）のように表すことができる。
ｎ＝Ｉ／（ｈ×ｃ／λ） …（３）
したがって、ミラー本体に作用する力Ｆは、式（４）のように表すことができるので、光の強度Ｉに比例してミラーを押す力Ｆ、すなわち輻射圧は大きくなる。
Ｆ＝２×（ｈ／λ）×（Ｉ／（ｈ×ｃ／λ））＝２×Ｉ／ｃ …（４）
また、前述の図２に示すように、ミラー本体２は固定された細い直方体の梁３ａ，３ｂにつながっているので、この梁３ａ，３ｂを中心軸として回転することができる。そして、ミラー本体２が回転すると梁３ａ，３ｂがねじれて応力が発生し、ミラー本体２を元の位置に戻す復元力が発生する。ミラー本体２の回転角θは、ミラー本体２を回転させるモーメントをＴ、横弾性係数をＧ、梁の長さをｕ、梁の断面の長辺をａ、短辺をｂ、幾何学的形状を表す係数をｆ１とすると、式（５）のように表すことができる。
θ＝（Ｔ／２）／（ｆ１×Ｇ×ａ×ｂ^３）×ｕ …（５）
なお、ｆ１の値は、梁３ａ，３ｂの断面を長方形とした場合には、この長方形の２辺ａ，ｂの比ａ／ｂの増加とともに増加するもので、図８に示すような値をとるようになっている。
また、光がミラー本体２の回転軸、すなわち梁３ａ，３ｂから距離Ｌの位置に入射しているとすると、ミラー本体２を回転させるモーメントＴは、式（６）のように表すことができる。
Ｔ＝Ｆ×Ｌ …（６）
したがって、ミラー本体２の回転角θは、式（７）に示すように表すことができる。即ち、ミラー本体２は、光の強度Ｉに比例して回転するといえる。
θ＝（Ｆ×Ｌ／２）／（ｆ１×Ｇ×ａ×ｂ^３）×ｕ
＝（Ｉ／ｃ）×Ｌ／（ｆ×Ｇ×ａ×ｂ^３）×ｕ …（７）
なお、梁３ａ，３ｂの断面形状としては、本実施形態においては長方形であるが、本発明によればこれ以外の形状とすることを妨げるものではない。即ち、式（７）から、梁３ａ，３ｂの断面形状にかかわらず、光の強度Ｉに比例してミラー本体２が回転するといえる。
図１に示すように、レンズの焦点距離をｆとすると、ミラー本体２がθ回転した場合、ファイバへ再入射する光線ビームはφ＝２θ回転し、ｘ＝ｆ×ｔａｎ２θだけ光軸に垂直にずれる。光ファイバ１１から出射される光と光ファイバ１１へ入射される光の結合がガウシアンビーム同士の結合と考えると、反射光の光ファイバ１１への結合効率ηは、ファイバのモードフィールド直径を２ｗとして、式（８）のように表すことができる。
η＝ｅｘｐ［−｛ｘ^２／ｗ^２ ＋ π^２φ^２／λ^２×ｗ^２｝］ …（８）
以上の関係から、入力光が自分自身の強度に応じた輻射圧で光路中に設けられたミラー本体２を回転させて自分自身の結合効率を変化させることができ、簡易、かつ受動的に動作しながら、安価で信頼度の高い光強度抑制制御を行なう光制御装置を実現することができる。
このように、本発明の第１実施形態によれば、ミラーデバイス１３として、ミラー本体２と復元力生成機構としての梁３ａ，３ｂをそなえているので、入力光が自分自身の強度に応じた輻射圧で光路中に設けられたミラー本体２を回転させて自分自身の結合効率を変化させることができ、簡易、かつ受動的に動作しながら、安価で信頼度の高い光強度抑制制御を行なうことができる利点があり、延いては、比較的小規模の光装置や、一般家庭などに用いられる光装置への適用が可能となる。
〔Ａ１〕第１実施形態の変形例の説明
図９（ａ），図９（ｂ）および図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、本発明の第１実施形態の変形例を示す図である。上述の第１実施形態においては、ミラー本体２の復元力を梁３ａ，３ｂのれじれ応力から得たが、必ずしも梁３ａ，３ｂのねじれ応力である必要はなく、静電気力、磁力、表面張力などでも能動的な動作が可能である。
このため、ミラー本体２としては、前述の図２に示すように必ずしも梁３ａ，３ｂで基板フレーム１に固定支持される構成を有する必要はなく、例えば図９（ａ），図９（ｂ）に示すように自在に回転できるように構成することができる。図９（ａ）は第１実施形態の変形例におけるミラーデバイス１３Ａを示す斜視図で、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すミラーデバイス１３ＡのＡ方向矢視図である。
ここで、この図９（ａ），図９（ｂ）に示すミラーデバイス１３Ａにおいては、反射面および反射裏面（上下面）に回転軸ＡＸに沿った溝２Ａ−１が設けられたミラー本体２Ａと、ミラー本体２Ａを上下面の溝２Ａ−１に沿って突起部１Ａ−１，１Ａ−２で挟んで支持する基板フレーム１Ａをそなえて構成されている。これにより、ミラー本体２Ａは、回転軸ＡＸを中心に基板フレーム１Ａ内において自在に回転させることができるようになっている。
なお、基板フレーム１Ａには、レンズ１２からの入力光についてミラー本体２Ａの反射面２ａに反射させ、その反射戻り光をレンズ１２に導くための開口部１Ａ−２をそなえている。この開口部１Ａ−２は、ミラー本体２Ａが入力光の輻射圧で回転することによって光路がずれた反射戻り光についてもレンズ１２に導くことができるような大きさを有している。
そして、例えば図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、磁力，液体の表面張力あるいは静電気力を、上述の第１実施形態における梁３ａ，３ｂのねじれ応力と同様に復元力として用いるようにすることで、第１実施形態におけるミラーデバイス１３と同様の作用効果を得ることができる。尚、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、復元力生成機構の構成に着目して、ミラー本体２Ａおよび基板フレーム１Ａの全体について図示は省略している。
ここで、図１０（ａ）に示すものにおいては、ミラー本体２Ａの反射裏面上における回転軸ＡＸについての対称位置に磁性体４１Ａ，４１Ｂをそなえるとともに、基板フレーム底面裏側において上述の２つの磁性体４１Ａ，４１Ｂに対向する箇所に、Ｓ極磁石４１ＳとＮ極磁石４１Ｎとをそなえて構成されている。換言すれば、Ｓ極磁石４１ＳおよびＮ極磁石４１Ｎは、ミラー本体２Ａの反射面裏側に隔離して設けられ、これらの磁石４１Ｓ，４１Ｎを通じて得られるミラー本体２Ａに対する磁力により、復元力を生成することができるようになっている。
すなわち、ミラー本体２Ａに対して入力光が入射された場合に、この入力光の輻射圧によってミラー本体２Ａを回転させようとする力が生じるが、このとき、磁石４１Ｓおよび磁性体４１Ａとの間で生成される磁力、磁石４１Ｎおよび磁性体４１Ｂとの間で生成される磁力、および入力光による輻射圧によって、ミラー本体２Ａの角度が所定角度で平衡状態とすることができるのである。
換言すれば、磁石４１Ｓ，４１Ｎによる磁力が作用することにより、この輻射圧の大きさに応じてミラー本体２Ａの角度位置（ミラー面の位置）を一意に定めることができる。
したがって、上述の磁石４１Ｓ，４１Ｎおよび磁性体４１Ａ，４１Ｂにより、ミラー本体２Ａに復元力となる磁力を与える（復元力生成機構としての）磁力付与機構を構成する。
また、図１０（ｂ）に示すものにおいては、ミラー本体２Ａの反射裏面と基板フレーム１Ａとの間の空間に液体４２Ａ，４２Ｂが充填されて構成されたものであって、これらの液体４２Ａ，４２Ｂを通じて得られるミラー本体２Ａに対する表面張力により、復元力を生成することができるようになっている。
すなわち、ミラー本体２Ａに対して入力光が入射された場合に、この入力光の輻射圧によってミラー本体２Ａを回転させようとする力が生じるが、このとき、液体４２Ａによって生成される表面張力、液体４２Ｂによって生成される表面張力、および入力光による輻射圧によって、ミラー本体２Ａの角度が所定角度で平衡状態とすることができるのである。
換言すれば、液体４２Ａ，４２Ｂによる表面張力が作用することにより、この輻射圧の大きさに応じてミラー本体２Ａの角度位置（ミラー位置）を一意に定めることができる。
したがって、上述の液体４２Ａ，４２Ｂにより、ミラー本体２Ａに復元力となる表面張力を与える（復元力生成機構としての）表面張力付与機構を構成する。
さらに、図１０（ｃ）に示すものにおいては、ミラー本体２Ａの反射裏面上における回転軸ＡＸについての対称位置に電極４３Ａ，４３Ｂをそなえるとともに、基板面裏側において上述の２つの電極４３Ａ，４３Ｂに対向する箇所に、電圧印加用の電極４３Ｃ，４３Ｄをそなえて構成されている。換言すれば、電極４３Ｃおよび４３Ｄは、ミラー本体２Ａの反射面裏側に隔離して設けられ、これらの電極４３Ｃ，４３Ｄにプラス電位を付与することを通じて得られるミラー本体２Ａに対する静電気力により、復元力を生成することができるようになっている。
すなわち、ミラー本体２Ａに対して入力光が入射された場合に、この入力光の輻射圧によってミラー本体２Ａを回転させようとする力が生じるが、このとき、電極４３Ｃ，４３Ａによって生成される静電気力、電極４３Ｄ，４３Ｂによって生成される静電気力、および入力光による輻射圧によって、ミラー本体２Ａの角度が所定角度で平衡状態とすることができるのである。
換言すれば、電極４３Ｃ，４３Ｄにプラス電位を付与することによる静電気力が作用することにより、この輻射圧の大きさに応じてミラー本体２Ａの角度位置（ミラー位置）を一意に定めることができる。
したがって、上述の電極４３Ａ〜４３Ｄにより、ミラー本体２Ａに復元力となる静電気力を与える（復元力生成機構としての）静電気力付与機構を構成する。
なお、復元力として、磁力，表面張力あるいは静電気力を生成するための構成としては、上述の図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示す態様に限定されるものではない。
〔Ｂ〕第２実施形態の説明
図１１は本発明の第２実施形態にかかる光制御装置２０を示すブロック図であり、この図１１に示す光制御装置２０は、前述の第１実施形態におけるもの（符号１０参照）に比して、ミラー本体２に入射する光を信号光および制御光とし、制御光の輻射圧の制御によって、信号光の出力をオンオフ制御する光スイッチを構成するようになっている点が異なっている。
この図１１に示す光制御装置２０は、信号光を出射する入力側光ファイバ１１ａ，光ファイバ１１ａから出射された信号光をコリメート光にするレンズ１２ａ，前述の第１実施形態の場合と同様のＭＥＭＳミラー１３，ＭＥＭＳミラー１３をなすミラー本体２で反射された反射信号光を光ファイバ１１ｂに導くためのレンズ１２ｂおよびレンズ１２ｂからの反射信号光が入射される出力側光ファイバ１１ｂをそなえるとともに、本実施形態の特徴的な構成である制御光光源２１および輻射圧調整部２２をそなえて構成されている。
すなわち、第２実施形態においても、ＭＥＭＳミラー１３に、前述の第１実施形態の場合と同様の復元力生成機構をそなえ、制御光の輻射圧に応じて角度を一意に設定できるようになっている。この復元力生成機構としては前述の第１実施形態の場合と同様のねじれ応力のほかに、第１実施形態の変形例の場合と同様、磁力，表面張力又は静電気力を用いることができる。
なお、光ファイバ１１ａおよびレンズ１２ａによって、所定角度で入力光を出射する入力光学系を構成し、レンズ１２ｂおよび光ファイバ１１ｂによって、ミラー本体２で反射された入力光を出力光として入射させる出力光学系を構成する。
また、制御光光源２１は、ミラー本体２に向けて制御光を出力するものである。即ち、ミラー本体２を、その輻射圧によってミラー位置を設定するための制御光を出力するもので、輻射圧調整部２２によってオンオフ制御されるようになっている。
すなわち、輻射圧調整部２２は、制御光光源２１から出力すべき制御光の強度を調整することにより、当該制御光の輻射圧を調整するものである。具体的には、制御光強度を互いに異なる第１の強度又は第２の強度で調整し、第１の強度で調整された制御光による第１の輻射圧により、ミラー本体２の反射面の角度が第１の角度に定められて、ミラー本体２を反射した出力光の出力光学系である光ファイバ１１ｂへの結合効率をオン状態とし、第２の強度で調整された制御光による第２の輻射圧により、ミラー本体２の反射面の角度が第２の角度に定められて、ミラー本体２を反射した出力光の光ファイバ１１ｂへの結合効率をオフ状態としている。
たとえば、輻射圧調整部２２が制御光光源２１をオン制御することで、第１の強度として制御光が出力され、輻射圧調整部２２が制御光光源２１をオフ制御することで、第２の強度として制御光が出力されなくなるようになっている。
なお、第２実施形態においては、レンズ１２ａからの信号光については、反射面２ａにおける回転軸ＡＸ上に入射するようになっているので、当該信号光の輻射圧によっては、ミラー位置は変化することはない。
上述の構成により、本発明の第２実施形態においては、制御光光源２１から制御光が出力されている（オン制御されている）状態においては、ミラー本体２の角度が図１１中のＭ１と角度（第１の角度）となるので、レンズ１２ａからの信号光のミラー本体２に対する反射光は、反射信号光Ｒ１として、レンズ１２ｂを通じて光ファイバ１１ｂに導かれるようになっている（出力信号光のオン状態）。
一方、制御光光源２１から制御光が出力されていない（オフ制御されている）状態においては、ミラー本体２の角度が図１１中のＭ２と角度（第２の角度）となるので、レンズ１２ａからの信号光のミラー本体２に対する反射光は、反射信号光Ｒ２として、レンズ１２ｂを通じて光ファイバ１１ｂには導かれない（出力信号光のオフ状態）。
このように、本発明の第２実施形態によれば、制御光の輻射圧によって、入力光としての入力信号光に対する反射信号光について、出力光学系である光ファイバ１１ｂへの結合効率をオンオフ状態とすることができるので、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光スイッチ機能を実現することができる利点がある。
なお、上述の第２実施形態においては、単一の制御光光源からの制御光の輻射圧によって、ミラー本体２の反射面角度を設定して、入力信号光に対する反射信号光の出力ファイバ１１ｂへの結合効率をオンオフ制御しているが、本発明によれば、制御光光源を２つそなえ、一方がＯＮの時、他方がＯＦＦになるように構成することは、光ファイバ、およびレンズの配置を適宜換えることで容易に構成することができる。
また、輻射圧調整部２２においては、制御光光源２１のをオン制御またはオフ制御することにより、制御光の輻射圧を調整しているが、本発明によればこれに限定されず、少なくとも信号光のオンオフ制御を行なうことができるものであれば、必ずしも制御光光源２１の制御光についてはオンオフ制御に限定されるものではない。
〔Ｃ〕第３実施形態の説明
図１２は本発明の第３実施形態にかかる光制御装置３０を示す図であり、この図１２に示す光制御装置３０は、前述の第２実施形態におけるもの（符号２０参照）に比して、ミラー本体２に入射する光を２つの信号光（第１の信号光および第２の信号光）および２つの制御光（第１の制御光および第２の制御光）とし、これら２つの制御光の輻射圧制御と、後述するミラー保持作用によって、２つの信号光の出力状態を切り替える光フリップフロップ回路を構成するようになっている点が異なっている。
また、この図１２に示す光制御装置３０は、入力光学系として、２つの信号光を出射する入力側光ファイバ１１ａ，光ファイバ１１ａから出射された信号光をコリメート光にするレンズ１２ａをそなえるとともに、前述の第１，第２実施形態の場合と同様のＭＥＭＳミラー１３をそなえ、かつ、出力光学系として、レンズ１２ｂおよび光ファイバ１１ｂからなる第１出力光学系と、レンズ１２ｃおよび光ファイバ１１ｃからなる第２出力光学系とをそなえている。
さらには、光制御装置３０は、前述の第２実施形態におけるもの（符号２１，２２参照）と同様の機能を有する２つの制御光光源３１−１，３１−２および輻射圧調整部３２をそなえるとともに、第３実施形態において特徴的な構成であるミラー保持機構としての磁性体４１Ａ，４１Ｂおよび磁石４１Ｓ，４１Ｎをそなえている。
すなわち、第３実施形態においても、ＭＥＭＳミラー１３に、前述の第１実施形態の場合と同様の復元力生成機構をそなえているが、後述するミラー保持機構により、制御光光源３１−１，３１−２からの２つの制御光の輻射圧に応じて角度が切り替わるとともに、これらの制御光の反射面２ａへの入射がなくなっても、ミラー位置をそのまま保持させることができるようになっている
また、制御光光源３１−１，３１−２は、輻射圧を、ＭＥＭＳミラー１３をなすミラー本体２に与える制御光を出力するものであって、制御光光源３１−１からの第１の制御光および制御光光源３１−２からの第２の制御光を、ミラー本体２の反射面２ａ上において回転軸ＡＸを挟んだ（例えば回転軸について対称な）２箇所の位置にそれぞれ入射させるように配置されている。
さらに、前述の図１０（ａ）の場合と同様、磁性体４１Ａ，４１Ｂは、ミラー本体２の端の反射裏面に塗布されたものであって、Ｓ極磁石４１Ｓは、基板フレーム底面裏側において上述の２つの磁性体４１Ａ，４１Ｂに対向する箇所に、Ｓ極磁石４１ＳとＮ極磁石４１Ｎとをそなえて構成されて、磁性体４１Ａ，４１Ｂがそれぞれ磁石４１Ｓ，４１Ｎと引き合うようになっている。
そして、これらの磁石４１Ｓ，４１Ｎが磁性体４１Ａ，４１Ｂと引き合う磁力は、前述の復元力生成機構としての梁３ａ，３ｂのねじれ応力よりも大きい力で引き合うようにして、ミラー本体２をその回転角が最大となる２つの状態（図１２中の状態Ｍ３又は状態Ｍ４）のどちらかに保持させることができるようになっている。
換言すれば、上述の磁性体４１Ａ，４１Ｂ，磁石４１Ｓ，４１Ｎにより、制御光光源３１−１，３１−２からの第１および第２の制御光の入力が無くなった場合においても、ミラー位置を保持するためのミラー位置保持機構としての機能を有している。
そして、輻射圧調整部３２は、制御光光源３１−１，３１−２から出力すべき第１および第２の制御光の強度を調整することにより、第１および第２制御光の輻射圧を調整するものである。
具体的には、制御光光源３１−１からの第１の制御光をオン制御するとともに制御光光源３１−２からの第２の制御光をオフ制御することにより、第１の制御光における輻射圧をトリガとしてミラー本体２の面を第１状態（例えば図１２中の面状態Ｍ３）に保持することができる。又、制御光光源３１−２からの第２の制御光をオン制御するとともに制御光光源３１−１からの第１の制御光をオフ制御することにより、第２の制御光における輻射圧をトリガとしてミラー本体２の面を第２状態（例えば図１２中の面状態Ｍ４）に保持することができる。
上述の構成により、本発明の第３実施形態においては、輻射圧調整部３２によって第１および第２の制御光による輻射圧を制御するとともに、例えば第１の制御光による輻射圧をトリガとしてミラー本体２の面をＭ３の状態に保持する一方、第２の制御光における輻射圧をトリガとしてミラー本体２の面をＭ４の状態に保持することができる。
このとき、第１の制御光または第２の制御光がオフとなった場合においても、ミラー位置保持機構としての磁性体４１Ａ，４１Ｂおよび磁石４１Ｓ，４１Ｎからの磁力による作用によって、継続してミラー面の状態がＭ３またはＭ４の状態で保持されている。
このようなミラー面の切り替わり動作を利用することにより、例えば図１３に示すように、第１の制御光をオンとし第２の制御光をオフとしてミラー面をＭ３の状態とした場合には、２つの信号光が第１出力光学系の光ファイバ１１ｂに導かれる。このとき、第１の信号光はオンとなり第２の信号光はオフとなるように光フリップフロップとしての設定を行なうことができる。
同様に、第１の制御光をオフとし第２の制御光をオンとしてミラー面をＭ４の状態とした場合には、２つの信号光が第２出力光学系の光ファイバ１１ｃに導かれる。このとき、第１の信号光はオフとなり第２の信号光はオンとなるように光フリップフロップとしての設定を行なうことができる。
なお、上述のごとく、第１の制御光又は第２の制御光についてオン制御がなされると、その後、双方の制御光がオフとなっても、ミラー本体２の面は直前の状態を保持することができるので、２つの信号光のオンオフ設定についても、直前の状態を保持させることができる。
このように、本発明の第３実施形態によれば、ミラー位置保持機構としての磁性体４１Ａ，４１Ｂ，磁石４１Ｓ，４１Ｎと、２つの制御光の輻射圧におけるいずれかのトリガとによって、入力光としての２つの信号光に対する反射信号光の出力を２つの状態に切り替えることができるので、簡素な構成、安価で且つ高信頼度で、光フリップフロップ機能を実現することができる利点がある。
なお、上述の本実施形態においては、復元力生成機構を梁３ａ，３ｂのねじれ応力とし、ミラー位置保持機構を磁性体４１Ａ，４１Ｂおよび磁石４１Ｓ，４１Ｎによる磁力を用いているが、本発明によれば、これに限定されず、ねじれ応力、静電気力、磁力あるいは表面張力のいずれか２つを適宜組み合わせることで、上述の第３実施形態の場合と同様の光フリップフロップを構成することも可能である。
また、輻射圧調整部３２においては、制御光光源３１−１，３１−２のいずれか一方をオン制御とした場合に、他方をオフ制御するようにしているが、本発明によればこれに限定されず、少なくともミラー本体２の面がＭ３，Ｍ４のいずれか一方に保持させるためのトリガとなれば、制御光光源３１−１，３１−２に対して他の態様で制御を行なうようにしてもよい。
〔Ｄ〕その他
なお、上述した実施形態に関わらず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
また、本発明の各実施形態が開示されていれば、当業者によって製造することが可能である。

以上のように、本発明のミラーデバイスおよび光制御装置は、光通信システムに有用であり、特に過大な光が入力されることを防止するほか、光スイッチングや光フリップフロップ機能を行なうのに適している。

Claims (18)

1. 反射面が回転可能に構成されるとともに、入力される入力光の輻射圧により反射面が回転するミラーと、
   該入力光の輻射圧で回転したミラーを元の位置に復元させようとする復元力を生成しうる復元力生成機構とをそなえて構成されたことを特徴とする、ミラーデバイス。
2. 該輻射圧を該ミラーに与える入力光を、信号光とすべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項記載のミラーデバイス。
3. 該輻射圧を該ミラーに与える入力光を制御光とするとともに、信号光を該ミラーの反射面上における回転軸位置で反射させるように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項記載のミラーデバイス。
4. 該制御光を、該ミラーの反射面上において該回転軸を挟んだ２箇所の位置にそれぞれ入射される第１および第２の制御光とするとともに、
   前記第１および第２の制御光の入力が無くなった場合においても、ミラー位置を保持するためのミラー位置保持機構をそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第３項記載のミラーデバイス。
5. 該復元力生成機構が、該ミラーの回転軸を支持するトーションバーをそなえるとともに、該トーションバーのねじれ応力を前記復元力とすべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項記載のミラーデバイス。
6. 該復元力生成機構が、該ミラーに前記復元力となる静電気力を与える静電気力付与機構により構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項記載のミラーデバイス。
7. 該静電気力付与機構が、該ミラーの反射面裏側に隔離して設けられた電極をそなえるとともに、該電極に印加される電圧を通じ該ミラーに与えられる静電気力により、前記復元力を生成すべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第６項記載のミラーデバイス。
8. 該復元力生成機構が、該ミラーに前記復元力となる磁力を与える磁力付与機構により構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項記載のミラーデバイス。
9. 該磁力付与機構が、該ミラーの反射面裏側に隔離して設けられた磁石をそなえるとともに、該磁石を通じて得られる磁力により、前記復元力を生成すべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第８項記載のミラーデバイス。
10. 該復元力生成機構が、該ミラーに前記復元力となる表面張力を与える表面張力付与機構により構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項記載のミラーデバイス。
11. 所定角度で入力光を出射する入力光光学系と、
    該入力光学系からの前記入力光について反射させるミラーデバイスと、
    該ミラーデバイスで反射された前記入力光を出力光として入射される出力光光学系とをそなえ、
    該ミラーデバイスが、
    反射面上に入力される入力光を反射させる、前記反射面が回転可能に構成されたミラーと、
    該ミラーを回転させようとする力に対し該ミラーの位置を元の位置に復元させようとする復元力を生成する復元力生成機構とをそなえ、
    該復元力生成機構で生成される復元力によって、前記反射面が所定の角度になるように構成され、
    かつ、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率が、定められた前記反射面の角度となるように、制御することを特徴とする、光制御装置。
12. 所定角度で入力光を出射する入力光光学系と、
    該入力光学系からの前記入力光について反射させるミラーデバイスと、
    該ミラーデバイスで反射された前記入力光を出力光として入射される出力光光学系と、
    該ミラーデバイスに向けて制御光を発光する制御光光源とをなえ、
    該ミラーデバイスが、
    反射面上に入力される入力光を反射し、前記反射面が回転可能に構成されたミラーと、
    該ミラーを回転させようとする力に対し該ミラーの位置を元の位置に復元させようとする復元力を生成する復元力生成機構とをそなえ、
    前記入力光が該ミラーデバイスにおける前記回転のための回転軸上で反射させるように、該入力光学系が配置され、
    該復元力生成機構で生成される復元力によって、前記反射面の角度が定めた角度となるように構成され、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率となるよう前記反射面の角度を制御することを特徴とする、光制御装置。
13. 前記制御光の強度を調整することにより、当該制御光の輻射圧を調整する輻射圧調整部をそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１２項記載の光制御装置。
14. 該輻射圧調整部が、前記制御光強度を互いに異なる第１の強度又は第２の強度で調整し、
    該第１の強度で調整された制御光による第１の輻射圧により、該ミラーの反射面の角度が第１の角度に定められて、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率をオン状態とし、
    該第２の強度で調整された制御光による第２の輻射圧により、該ミラーの反射面の角度が第２の角度に定められて、該ミラーを反射した出力光の該出力光学系への結合効率をオフ状態とすべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１３項記載の光制御装置。
15. 該輻射圧を該ミラーに与える制御光を、該ミラーの反射面上において該回転軸を挟んだ２箇所の位置にそれぞれ入射される第１および第２の制御光とするとともに、
    前記第１および第２の制御光の入力が無くなった場合においても、ミラー位置を保持するためのミラー保持機構をそなえ、
    かつ、該輻射圧制御部が、前記第１および第２の制御光による輻射圧を制御することにより、上記の第１および第２の制御光のうちいずれか一方における輻射圧をトリガとして該ミラーの面を第１状態に保持する一方、上記の第１および第２の制御光のうちいずれか他方における輻射圧をトリガとして該ミラーの面を第２状態に保持すべく構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１３項記載の光制御装置。
16. 反射面が回転可能に構成されるとともに、入力される入力光の輻射圧により反射面が回転するミラーと、
    該入力光によるミラーの回転とは別に、該ミラーを回転させる力を発生する手段とを設けた事を特徴とするミラーデバイス。
17. 反射面が回転可能に構成されたミラーに対して入射される光の輻射圧により該ミラーを回転させ、
    該入力光により回転したミラーを所定の位置に回転させることを特徴とするミラーの制御方法。
18. 反射面と、
    該反射面を回転させるための回転軸と、
    該回転軸を支持する支持部とからなり、
    該回転軸と該支持部との関係は該反射面に照射される光の輻射圧により回転可能に構成されていることを特徴とする、ミラー素子。

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