WO2001053874A1

WO2001053874A1 - Commutateur optique mecanique et procede de fabrication correspondant

Info

Publication number: WO2001053874A1
Application number: PCT/JP2001/000260
Authority: WO
Inventors: Philippe Helin; Makoto Mita; Hiroyuki Fujita
Original assignee: Japan Science And Technology Corporation
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2001-07-26
Also published as: US20020159683A1; US6711321B2; EP1182487A1; JP3438139B2; EP1182487A4

Description

明細

機械式光スィツチ及びその製造方法技術分野

この発明は、光通信ネットワークの構築に使用される光スィッチに関し、さらに詳しくは、複数の光ファイバ一間の光結合を、ミラ一を機械的に動かして制御する機械式光スィツチ及びその製造方法に関する。景技俯

光ファイバ一通信ネットワークの急速な成長により、光スィツチを含む多くの光学構成要素に対して大きな要望が生まれている。低コス卜の光学構成要素は、特に光ファイバ一を基礎にした大規模通信ネットワーク及びローカルェリァネヅトワーク（L A N ) にとつて重要である。

最近、マイクロマシン技術を機械式光スィツチの性能の改善及びコス卜の低下に用いることに大きな関心が寄せられている。特に重要なのは、マイクロマシン技術が単一チップ上に多数の入出力間の切替えが可能な光マトリックススィッチの一体製造を可能にするということである。これらの光マトリックススィツチは、動的に再編成可能な高密度波長分割多重通信ネットワークにおいて欠けている最も重要な構成要素である。

従来の光スィッチにおいては、互いに要因が異なっているが、性能を総合的に悪化させる複数の要因がある。マトリックススィッチの場合、これらの要因に含まれる誤差や不確実性が累積して性能を悪化させるので、シングルスィツチの場合よりも更にこれらの要因の影響が重大である。最も重大な要因は、光学的視点からのものである。実際、従来の光スィッチは、ミラ一面の質が悪く、多重反射を必要とする用途には使用できなかったり、あるいは、光ファイバ、ミラ一等の個別部品を組み合わせて構成する従来の光スィツチは、ミラーとファイバ一整列用構造との光軸合わせ精度が十分でないため、個々の光ファイバ毎に、光軸を微調整することが必要であり、従って調整コストが高 t、と言つた問題がある。

S iのマイクロマシン技術を用いれば、上記の問題を解決することができる。しかしながら、従来のマイクロマシン技術による光スィッチは、深堀り反応性ィオンエッチング，表面マイクロマシンニング、またはバルクマシンニングを使用して製造されている力、機械式光スィツチとして十分な性能のものが得られていない。

例えば、深堀り反応性ィオンエッチングによる光スィッチは、エッチングした垂直面にリプル（波状の凹凸）があり、ミラーとして用いた場合に光学損を増大させる問題がある。

また、表面マイクロマシンニングによる光スィッチは、ミラー、マイクロレンズ又はファイバーを光軸合わせして製造するが、製造毎に微妙に光軸がばらつくため、使用に先立って、各々の部品を光軸合わせする必要があるため、基板上の多数の光スィツチを一括して、微調整無しにバッチ製造することができない。また、バルクマイクロマシンニングは、結晶方位面依存エッチングに基づいて、光学部品を自己整合させて形成することを可能にする。

しかしながら、従来のバルクマイクロマシンニングを使用して製造した光スィツチには、（ 1 1 0 ) シリコンウェハを使用して、垂直（ 1 1 1 ) 側壁をミラ一に用いるものが報告されているが、ファイノ一整合用 V溝は形成することができない。

また、ノ 'ルクマイクロマシンニングを使用して形成した光スィツチの他の例には、（ 1 0 0 ) シリコンウェハを使用し、ミラーとファイバ一整列用構造とを、自己整合によって形成し、（ 1 0 0 ) 側壁をミラーに使用するものが報告されているが、ビ一ムスプリッ夕のような受動的装置に使用できるものであり、ミラーを機械的に動かして複数の光ファイバ一間の光結合を制御する機械式光スィツチはない。

このように、従来の機械式光スィッチは、入出力用の光ファイバ一と可動ミラ一の光軸を精度良く合わせて製造することが困難であり、したがって、使用に先立って光軸の微調整を必要とするという課題があった。またミラーの表面が十分に平滑でないため、挿入損失が大きいという課題があった。この発明は、このような従来の技術における課題を解決するものであり、第 1 の目的として、高品質なミラ一を有し、かつ、ミラーとファイバー整列用構造との光軸合わせ精度の高い低挿入損失の機械式光スィツチを提供することにある。さらにこの発明の第 2の目的として、生産コス卜が劇的に低いその製造方法を提供することにある。発明の開示

上記第 1の目的を達成するために、この発明の機械式光スィッチは、結晶方位面依存エッチングにより単結晶基板に同時に形成された、光ファイバ一を固定する溝と可動ミラーとから構成されていることを特徴とする。

上記構成において、光ファイバ一を固定する溝を V溝とし、可動ミラーをたわみ可能な弾性支持梁と弾性支持梁と一体のミラーとからなるよう構成し得る。また、 V溝が S i ( 1 1 1 ) 面からなり、前記ミラ一のミラ一面が S i ( 1 0 0 ) 面からなっていてよい。

この構成によれば、光ファイバ一を固定する溝と可動ミラーの光軸が、エッチングマスクの精度ゃェッチング時間によらずに結晶方位面の精度で定まる精度で形成されるから、光ファイバ一とミラ一の光軸を高精度に整合させることができる。また、結晶方位面依存エッチングで形成したミラー面は結晶方位面の精度で平滑であるから、光損失を大幅に低減することが出来る。

また、外力を弾性支持梁に印加して弾性支持梁をたわませて、ミラー面を光ファィノ一の光軸から外すことができるから、複数の光ファィ ) '一間の光路を変化させることができ、また、外力を除けば、ミラー面は弾性支持梁の弾性エネルギ —により元の位置に戻るから、複数の光ファイバ一間の光路を元に戻すことができる。すなわち、光スイッチング動作が可能となる。

また、本発明の機械式光スィッチにおいて、前記可動ミラーが、たわみ可能な弾性支持梁の裏面に永久磁石を有し、この永久磁石の真下に配置した駆動コイル又はヨークを内包する駆動コイルに電流を流すことによって生ずる磁界により駆動するよう構成してもよい。

さらにまた、駆動コイル又はヨークを内包する駆動コイルに永久磁石を付加することにより、裏面に永久磁石を有する弾性支持梁の双安定位置を形成し、コィルに流す電流の向きを変えて、双安定位置のいずれか一つの安定位置を選択するようしてもよい。

この構成によれば、駆動コイルに流す電流を O Nすることにより、駆動コイルに磁界を発生させれば、駆動コイルの磁界により弾性支持梁の磁石が力を受け、弾性支持梁がたわみ、ミラー面を光ファイバ一の光軸から外すことができるから、複数の光ファイバ一間の光路を変化させることができる。また、駆動コイルに流す電流を O F Fすることにより、磁界を除けば、ミラー面は弾性支持梁の弾性エネルギーにより元の位置に戻るから、複数の光ファイバ一間の光路を元に戻すことができる。すなわち、光スイッチング動作が可能となる。

また、駆動コイル又はヨークを内包する駆動コイルに永久磁石を付加する構成では、光スィツチングの O Nと O F Fにそれそれ対応した双安定位置間を移動させるときのみコイルに電流を流せば良いので、消費電力の少ない光スィツチングが可能になる。

このように、本発明の機械式光スィッチを用いれば、低挿入損失の機械式光スィツチとして有利に使用できる。

この発明の第 2の目的を達成するために、本発明の機械式光スィツチの製造方法によれば、結晶方位面依存エッチングにより S i ( 1 0 0 ) 単結晶基板に、光ファイバーを固定する V溝と、弾性支持梁とミラーから成る可動ミラ一とを同時に形成することを特徴とする。

上記構成において、結晶方位面依存エッチングは、矩形状の弾性支持梁用開口パターンと、この開口パターン内に矩形状のミラ一用マスクパターンと、複数の V溝用開口パターンとを含むエッチングマスクパターンを S i ( 1 0 0 ) 単結晶基板上に形成し、結晶方位面依存エッチング液でエッチングして、ミラ一面と V 溝を同時形成するようにしてもよい。

また、上記構成において、矩形状の弾性支持梁用開口パターンと、開口パターン内の矩形状のミラー用マスクパターンは、（ 1 0 0 ) 面内で、く 1 0 0〉方向又はこの方向と等価な方向を有する 1辺と、この辺に垂直な他の辺とを有する矩形であることを特徴とする。前記複数の V溝用開口パターンは、（ 1 0 0 ) 面内で、く 1 1 0〉及びこの方向と等価な方向に長軸を有する矩形状の開口パターンであり、長軸をミラー用マスクパターンの中心に向けて、かつ、弾性支持梁用開口パターンを囲んで配列されていてよい。

また、前記構成において、弾性支持梁は、 S i ( 1 0 0 ) 面の裏面からのエツチングによって、弾性支持梁の形状及び厚さに即した切り込みを入れることによつて形成し得る。

この構成によれば、弾性支持梁用開口パターンと、開口パターン内の矩形状のミラー用マスクパターンによって、（ 1 0 0 ) 面又はこの面と等価な面をエッチング露出面として深さ及び横方向にエッチングが進み、エッチング時間を制御することにより、所望の厚みを有する（ 1 0 0 ) 面をミラー面とするミラーと、所望の形状と厚みを有した弾性支持梁とを一体として形成することができる。このエッチング後に、又は前に、単結晶基板の裏から切り込みエッチングを行って、弾性支持梁の基部、すなわち、単結晶基板と弾性支持梁の結合部以外の周辺を単結晶基板から切り離せば、弾性支持梁をたわみ可能に形成することができる。 V 溝用パ夕一ンは、（ 1 1 1 ) 面又はこの面に等価な面が構成面となるので、エツチング開ロパタ一ンの幅のみで形状が定まり、エツチング時間によらない。このように、本発明の機械式光スィッチの製造方法を用いれば、生産コストが劇的に低い本発明の機械式光スィツチを製造できる。図面の簡単な説明

この発明は以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図面によって、よりょく理解されるものとなろう。なお添付図面に示す実施例は本発明を特定するものではなく、説明及び理解を容易とするものである。

図中、

図 1は本発明による機械式光スィツチの一実施形態を示す斜視図である。図 2は図 1に示された可動ミラ一の拡大斜視図である。

図 3は垂直ミラ一を光路中に挿入した状態を示す斜視図である。

図 4は垂直ミラーを光路から離脱させた状態を示す斜視図である。図 5は本発明の一実施形態に使用するエッチングマスクパターン及び結晶方位面依存性ェッチング方向を示す図である。

図 6は図 5に示した実施形態の結晶方位面依存性ェツチングの C A Dシミュレーシヨン結果を示す図である

図 7は（ 1 0 0 ) 結晶方位面依存性ェツチングによって垂直ェッチング面が生ずることを示す図である。

図 8は（ 1 0 0 ) 結晶方位面依存性ェヅチングによって垂直なミラー面とこれに平行な垂直な側壁が生ずることを示す図である。

図 9は厚さが 2〜 3〃 mのミラーの形成例を示す図である。

図 1 0は V溝と弾性支持梁の高さの違いを示す図である。

図 1 1はエッチング途中で見た本実施例の光学配置を示す図である。

図 1 2は本発明の他の実施形態を示す図である。

図 1 3は本実施形態の弾性支持梁の形成後の外観を示す図である。

図 1 4は複数の弾性支持梁を設けた他の実施形態を示す図である。

図 1 5は弾性支持梁の駆動形態の一実施例を示す図である。

図 1 6は弾性支持梁の周波数レスポンスを示す図である。

図 1 7は本実施例の駆動コイルに流す電流と弾性支持梁のたわみ量との関係を示す図である。

図 1 8は本実施例の◦ N及び 0 F Fにおける光スイッチング動作のディレイ時間を示す図である。

図 1 9はマトリックススィツチの弾性支持梁の一つの周波数レスポンスを示す図である。

図 2 0は弾性支持梁の相互作用を調べるために使用したマトリックススィツチの構造模式図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図面に示した実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。

図 1はこの発明による機械式光スィツチの一実施形態を示しており、 1はシリコンの単結晶基板であり、結晶方位面依存エッチングにより単結晶基板 1に光フアイバー 2を固定する V溝 3と可動ミラー 4が同時に形成されている。可動ミラ一 4は、図 2に示したように、弾性体支持梁（カンチレバー） 5の弾性支持部とこの弾性支持部の先端部に位置する垂直ミラー 6とからなっていて、磁気カゃ静電気力や熱膨張に伴う力などで弾性支持部をたわませて垂直ミラ一 6を上下動させるようになつている。そして、図 3に示したように、垂直ミラ一 6を光フアイバー 2 a, 2 b, 2 c， 2 dからなる光路中に挿入した時、光ファイバ一 2 aに入力された光が垂直ミラ一 6を介して光ファイバ一 2 bに向けられ、また図 4に示したように、垂直ミラ一 6が光路から離脱した時、ファイバー 2 aに入力された光が光ファイバ一 2 cと他の光機器 7と光ファイバ一 2 dを介して光ファイノ ' — 2 bに向けられようになり、かくしてスィツチ動作が実現する。

次に、上記実施形態の製造方法について説明する。

この発明において、高品質のミラ一面と、ミラーとファイバーの光軸の自己整合は、 1レベルのマスクを用いた結晶方位面依存エッチングを（ 100) シリコンウェハに適用して製作することができる。このプロセスは、極めて低コストで実施することができる。

この製造方法は、バルクマイクロマシンニングの利点を生かした、以下に述べる 3つの特徴を有している。

1. S i ( 100) ウェハにおいて、互いに 45度で交わるく 100 >及びく 1 10〉方向が、垂直ミラ一及び V溝のために用いられる。く 100>方向において、アンダーエッチングされた垂直壁がミラーとして用いられ、同時に光ファィバ一整列のために V溝がく 1 10〉方向に形成される。

2. このミラーの表面は、く 100〉方向に厳密に直角であり、それゆえ光学損失を最小にしている。

3. ( 1 1 1) 面に対するエッチング選択性が、 V溝の深さとミラ一の高さ、すなわち、 2つの異なる構造的深さを形成するのに用いられている。なぜなら、マスクレィァゥ卜で定める V溝の幅によって V溝のエッチング深さが決まり、すなわち、光ファイバの光学軸の高さが決定される。ミラーと、ミラーの作動のために必要な弾性支持梁（カンチレバー）の厚みが形成されるまで、エッチングは継続され、（ 100) 面は継続的にエッチングされる。これを用いて、マスクのレイァゥ卜で定まる V溝の光学軸の高さに対し、ミラー面の位置とカンチレバーの厚みとを自由に変えることができる。

図 5は本実施例に使用するエッチングマスクパターン、及び結晶方位面依存性エッチングのエッチング方向を示す図である。図 5において、表面は S i ( 1 0 0 ) 面又はこの面に等価な面である。白部分は S i ( 1 0 0 ) 面上でマスキングされている領域を表す。 3 aは V溝用の開口パターン（エッチングされるパターン）であり、長軸方向が S i < 1 1 0〉方向又はこの方向と等価な方向を向いている。 5 aは弾性支持部 5を形成するための矩形の開口パターンであり、矩形の開口パターン 5 aの 1辺は < 1 0 0 >方向又はこの方向と等価な方向を向いており、他の辺はこの辺に垂直である。 6 aはミラ一形成用の矩形のマスクパターン (エッチングに対してマスクされるパターン）であり、矩形 6 aは、矩形 5 aよりも小さく、矩形 6 aの中心がミラーの中心位置に一致して、かつ、矩形 6 aの各辺が矩形 5 aの各辺に平行になるように配置されている。

上記構成のェツチングマスクパターンを使用して、結晶方位面依存ェッチング液を使用してエッチングを行うと、

V溝用の開口パターン 3 a部分のエッチングは、（ 1 1 1 ) 面の結晶方位面依存エッチングに基づき、 V溝のエッチングパターン幅で定まる幅、及び深さで停止する。

矩形の開口パターン 5 a部分のエッチングは、（ 1 0 0 ) 面の結晶方位面依存エッチングに基づき、ハッチングで示した 5 a面が単結晶基板の表面に垂直に、かつ、単結晶基板の表面に平行な矢印で示した方向に広がりながら進み、（丄 0 0 ) 面及びこの面と等価なエッチング露出面が形成される。これらの面は基板表面に垂直であり、ミラ一形成用の矩形マスクパターン 6 aの内部に形成された面はミラ一面を形成する。マスクパターン 6 aの内部に残留する未エッチング部分 6の形状が所定の形状になったときにエツチングを停止すれば所望の形状を有するミラー 6を形成することができる。

一方、 V溝用の開口パターン 3 a部分は、結晶方位面依存エッチングの原理に基づき、（ 1 1 1 ) 面及びこの面と等価な面で構成される V溝が形成されるが、開口パターン 3 aの幅で定まるエツチング深さでェヅチングが停止するため、上記ミラー形成のために長時間のエッチングを行っても V溝の形状は変化しない。また、矩形の開ロパタ一ン 5 a部分の基板表面に垂直な方向のエッチングにより、ミラー形成完了と同時に、弾性支持部 5の厚み決定するが、弾性支持部 5の単結晶基板との結合部分、すなわち、基部を除いた弾性支持部 5の外周に対応して、単結晶基板の裏から切り込みを入れれば、弾性支持部 5をたわみ可能にすることができる。すなわち、弾性支持梁が形成できる。

また、上記の矩形の開口パターン 5 a部分のエッチングは、横方向にも広がつて V溝 3 aに達し、 V溝の先端をミラー面に向けて開口させることができる。上記の、 V溝、弾性支持部及びミラーのエッチングマスクパターン形状、寸法を所望の性能に合わせ、適宜設計することにより、所望の弾性率を有する弾性支持梁及び所望のミラ一形状を有する機械式光スィッチを形成することができる。上記方法によれば、 V溝とミラ一は、結晶方位面に基づいて、自己整合的に光軸合わせされる。

この光学スィツチを応用したバイパススィツチの構造を C A Dプロセスシミュレ一シヨンソフトウェアを用いてシミュレーションした結果を図 6に示す。以下に、作製した機械式光スィッチの実施例を示す。

図 7は、（ 1 0 0 ) シリコンウェハにおける垂直側壁とミラーを示している。底面及び側壁面は全て同じ { 1 0 0 } 類から成っているので、側方エッチング速度は垂直エッチング速度に等しい。従って、この方法により垂直ミラーを形成することが可能である。エッチング中のそのようなミラーの例が図 8に示されている。このミラ一の厚みは、図 9から分かるように、数マイクロメ一夕まで減少させることができる。長さが 3 mmで高さが 2 0 0 mで厚さが 3 /z m以下の構造を容易に達成できる。バイパススィッチの場合は、バイパスを構成する一つの光路と他の光路の間の損失の差をなるベく少なくするため、ミラーを極めて薄く作ることは重要なことである。例えば、従来のミラーの裏面の反射も利用した光スィッチにおいては、光路の結合損失を減らすため、ミラーの厚みを考慮してフアイバー配置位置を補正することが行われている。本発明の方法を用いれば、ミラーを極めて薄くできるので、このような補正をする必要がない。

( 1 1 1 ) 面に対するエッチング選択性（結晶面方位依存エッチング）を利用して、スィッチの作動のための 2つのレベルの構造的深さを形成した例が図 1 0 に示されている。

図 1 1は、エッチング途中のバイパススィッチのための自己整合的光学構造を示している（図 5に示したレイアウトのマスクを用いる）。 V溝のオーバ一エツチングを避けるために、マスクレイアウトにおいて、 V溝 A， B， C及び Dはミラーと結合されていない。 V溝はエッチングの終わりにおいてだけミラーに開口される。オーバーエッチングはスイッチ動作にとって致命的ではないが、オーバ一エッチングを抑えることでファイバ一のためのホルダーをミラーにより近づけておくことが可能になる。 V溝はちようどェッチングの終わりでミラ一に向かつて開口する。

このエッチング原理は、 M * Nマトリックススィツチを形成するためにも応用することができる。マトリックススィツチのための光学構造の例が図 1 2に示されている。

さらに、この発明による機械式光スィッチの製造は、以下の順序によって行われる。

( 1 0 0 ) シリコンウェハで始まる。洗浄の後、シリコンは湿式酸化により酸化されて表面に 0 . 5〃mの二酸化シリコン膜を有するようになる。基板表面の二酸ィ匕シリコン膜は光学構造を形成するためのエッチング用マスクパターンをもつように加工され、基板裏面の二酸化シリコン膜は弾性支持梁（カンチレバ一）を形成するための切込み溝のェツチング用マスクパターンをもつように加工される。基板表面の腐食保護の後、最初のエッチングが弾性支持梁（カンチレバー）を形成するために実行され、このエッチングは、 S i基板への切込みの深さが、弾性支持梁（カンチレバ一）の所望の厚さに等しくなるように行う。それから光学構造を形成するために基板表面のエッチングが実行される。この方法により、ミラーの厚みを制御しながら進める。エッチングの丁度終わりに、底面が基板裏面からエツチングして形成した切込みと導通し、カンチレノ、'一の形成も完了する。 C r /A u層が真空蒸着によりミラー面に堆積される。図 1 3 , 図 1 4がバイパス及びスィツチマトリックスの全体像を示している。

エッチングは、水酸化カリウム（K O H ) 水溶液（2 0〜3 0 % ) を使用し、温度 60 °C〜 80 °Cで行う。エツチング速度は約 1〃 m/ s e cである。

次に、本発明の機械式光スィツチの電磁力による駆動の実施例を説明する。電磁力による双安定動作システムは、ミラーを ON— OFF位置に保持するのに動力消費を必要としないために開発された。

この駆動部分は、エアギャップで分離された 2つの部分を含んでいる（図 15 参照）。

1. 垂直ミラ一 6と、頂部に 100〃mの厚さの磁化したパーマロイ片 8を備えたたわみ可能な弾性支持部 5とを含む可動一体シリコン部分。

2. ヨーク 9と卷き線 10と永久磁石 1 1を含む、従来技術により実現された固定された小さな電磁石。

エネルギー消費のない双安定動作は、弾性支持部 5の剛性により安定を保持する機械的位置（OFF位置）と、永久磁石による磁気的な第 2の安定位置（ON 位置）とのおかげで得られる。スイッチング動作は、巻き線に電流を流すことにより実現される。 ON位置は、卷き線に逆の電流を流すことにより解除される。この動作原理は、図 15に記載されている。

上述の作動原理を、図 3のバイパススィッチに適用した例を示す。弾性支持梁 (カンチレバ一）とパーマロイ片の寸法は、それそれ 1 1. 7mm* l. 2mm * 2 Oumと 1mm* 1 mm* 100〃mである。鉄製ヨークのサイズは、 6m m* 6mm* 10 mmで 300回の巻き線が卷かれている。弾性支持梁は、正弦波電流により駆動される。その周波数レスポンスは、振動計により測定されて図 16に描画されている。測定された共振周波数は、 67. 2Hzでクォリティーファクタ一が 33 H zである。

ヨーク上の巻き線 10により発生する磁場と永久磁石 1 1の磁場とが重畳して、弾性支持梁 5は、弾性支持梁 5の剛性に杭して第 2の安定点（ON位置）に移動する。磁場強度は空間的に勾配を有しているから、この第 2の安定点では第 1 の安定点（OFF位置）よりも磁場が強く、従って、ヨーク上の巻き線 10の電流を OFFしても弾性支持梁 5は、第 2の安定点近傍に止まる。ヨーク上の巻き線 10に上記とは逆向きの電流を流せば、弾性支持梁 5は、ヨーク上の第 1の安定点に戻る。図 17に印加された電流と弾性支持梁のたわみ量との関係を示す。シングル及びマルチモードのファイバ一の寸法は、それそれ 9〃 m及び 50 mである。だから、スィッチ動作を正確に行うのに十分な高さである、ミラーの最大変位を 100〃mとすると、動力消費は 1 OmWより小さくなる。

光学的スイッチングは、 1. 55〃mの赤外波長で実行された。最初の結果は、マルチモードファイバーを用いて得られた。ビームの直径は、光学ビームの完全な ON/OFF動作を確実にするミラーのサイズ（ 100〃m* 200〃m) よりも小さい。光学的挿入損は、 ON及び OFF位置においてそれそれ 0. 46 dB及び 0. 53 dBである。

スィツチの動的レスポンスは、可視波長である 633 nmで動作する半導体レ —ザ一源を使用するシリコン製の光検出器により測定した。スィッチのレスボンスの典型的なオシロスコープによるトレースが、図 18に描写されている。立上がり時間は 0. 4 msで、これは ON位置に行くカンチレバーの動きに対応している。立下り時間 2 msは、 OFF位置へのカンチレバーの戻りである。これら両方の値は、一組の、光の偏向と切り替えとの間の光スイッチング及びディレイを含んでいる。だから、ミラーに対するファイバー高さの最適化を行えば、図 1 8の非常に急な勾配から推定してサブミリ秒の切り替え時間（> 500〃s) に達することができる。

ライフタイムの実験が調査の下行われた。 2000万回の後、スィッチの動作の劣化は観察されなかった。

付加電流なしに 0 N位置に保持する自己保持システムの動作機構も実証されている。 0. 5 Aの電流が ON— OFFに切り替えるのに必要である。付言すると、このシステムはいまだ最適化されていない。

マトリックススィツチの特性

図 14に示すマトリヅクススィツチにおいて最初に得られた結果も報告されている。弾性支持梁（カンチレバー）はバイパスの長さより短い（8. 8mm) 。だから、共振周波数は高くて図 19に描写したように 170Hzである。

最初、マルチモードフアイバーが図 20のファイバ一 1及び 2間の挿入損の測定に用いられた。挿入損が高い（> 1 O dB) が、この結果はファイバ一間の長い作動距離（2 . 8 mm) によるものである。次の段階として、ファイバ一端にグレーティングインデックスレンズを備えたファイバーを用いることで、挿入損を劇的に減少させられるであろう。 1 . 5 d Bより低い挿入損が期待できる。揷入損を減少させるための他の方法は、ミラー間の距離を減少させることである。近接するカンチレバーの相互作用を調べるために使用したマトリックススィッチの構造模式図を図 2 0に示す。 1つの巻き線が各カンチレバーの下にそれを駆動するために置かれている。このシステムは、卷き線による 1つのカンチレバ一の駆動が、それに最も近いカンチレバーとほとんど相互作用しないように設計されなければならない。この相互作用を調べるため、電流が卷き線 1に印加され、カンチレバ一 1及び 2の端においてレーザー振動計によりカンチレバーのたわみが測定された。これらのたわみは、それそれ 2 8 0 m及び 7〃mである。 1 0 0〃mの変位はスィツチ動作に十分なので、他のカンチレバーへの影響は上記目的のために十分に小さいことが確認できた。

本発明によれば、シリコンの結晶方位面依存性エッチングを用いた機械式光スィツチ及びこれを応用した M * Nマトリックススィツチを形成するための新規で、容易で、且つ、低コストの方法が実現する。この方法は、自己整合的な垂直ミラ一及び V溝を得ることに主要な特徴があり、ミラ一は光学軸対して厳密に垂直である。これらの両方の特徴は、単結晶基板の結晶格子のおかげで得られる。この方法を用いて、光ネットワークのためのバイパス及びマトリヅクススィッチが製造される。ミラ一の 1 0 0〃111の変位が 1 O mWより少ないエネルギー消費で達成される。 2 m sの最小切り替え時間が得られ、ファイバーとミラーの間の高さの最適化により 5 0 0〃s以下の値に達するであろう。 6 7 H zと 1 7 1 H zの動作周波数が実証され、より高い周波数はより短いカンチレバ一により成し遂げることができる。挿入損は、 O N— O F F位置でそれそれ 0 . 4 6 d B及び◦ . 5 3 d Bである。

電磁力を用いた自己保持システムが開発され、 O N— O F F位置に保持するのにエネルギー消費がないことが実証されている。スイッチング動作は、巻き線に電流を流すことにより提供される。

これらの結果は、設計の最適化や構造の改良により、より大きいマトリックススィツチにも発展させることが期待できる。産業上の利用可能性

以上の説明から理解されるように、本発明の機械式光スィツチを用いれば極めて挿入損失の小さい光スィツチとして使用できる。

さらに本発明の製造方法を用いれば、極めて挿入损失の小さい光スィツチを、極めて低い生産コストで製造できる。

本発明を光通信ネットワークの構築に使用すれば極めて有用である。

Claims

請求の範囲 . 結晶方位面依存エッチングにより単結晶基板に同時に形成された、光フアイバーを固定する溝と可動ミラーとからなることを特徴とする、機械式光スィッチ。 . 前記光ファイバ一を固定する溝が V溝であり、可動ミラーがたわみ可能な弾性支持梁とこの弾性支持梁と一体のミラーとからなることを特徴とする、請求の範囲 1に記載の機械式光スィツチ。 . 前記 V溝が S i ( 1 1 1 ) 面からなり、前記ミラーのミラ一面が S i ( 1 0 0 ) 面からなることを特徴とする、請求の範囲 1又は 2に記載の機械式光スィツチ。 . 前記可動ミラーは、前記たわみ可能な弾性支持梁の裏面に永久磁石を有し、この永久磁石の真下に配置した駆動コイル又はヨークを内包する駆動コイルに電流を流すことによって生ずる磁界により駆動することを特徴とする、請求の範囲 1又は 2に記載の機械式光スィツチ。 . 前記ヨークを内包する駆動コイルに永久磁石を付加することにより、前記裏面に永久磁石を有する弾性支持梁の双安定位置を形成し、上記コイルに流す電流の向きを変えて、上記双安定位置のいずれか一つの安定位置を選択することを特徴とする、請求の範囲 5に記載の機械式光スィッチ。 . 結晶方位面依存エッチングにより S i ( 1 0 0 ) 単結晶基板に、光ファイノ、' 一を固定する V溝と、弾性支持梁とミラーから成る可動ミラーとを同時に形成することを特徴とする、機械式光スィッチの製造方法。 . 前記結晶方位面依存エッチングは、矩形状の弾性支持梁用開口パターこの開口パターン内に矩形状の前記ミラ一用マスクパターンと、複数の前記 V 溝用開口パターンとを含むエッチングマスクパターンを前記 S i ( 100) 単結晶基板上に形成して行うことを特徴とする、請求の範囲 6に記載の機械式光スィツチの製造方法。

8. 前記矩形状の弾性支持梁用開口パターンと、この開口パターン内の矩形状の前記ミラー用マスクパターンは、（ 100) 面内で、く 100>方向又はこの方向と等価な方向を有する 1辺と、この辺に垂直な他の辺とを有する矩形であることを特徴とする、請求の範囲 6又は 7に記載の機械式光スィツチの製造方法。

9. 前記複数の V溝用開口パターンは、（ 100) 面内で、く 1 10〉及びこの方向と等価な方向に長軸を有する矩形状の開口パターンであり、上記長軸を前記ミラ一用マスクパターンの中心に向けて、かつ、前記弾性支持梁用開ロパタ一ンを囲んで配列されていることを特徴とする、請求の範囲 7に記載の機械式光スィツチの製造方法。

10. 前記弾性支持梁の形状及び厚さに対応した切り込みを、前記単結晶基板の裏面からエツチングによって切り込み、上記弾性支持梁をたわみ可能に形成することを特徴とする、請求の範囲 6に記載の機械式光スィツチの製造方法。