以下に本発明の実施例を添付図面を用いて説明する。
なお、本発明は、本明細書で開示した内容は一例を開示したものであり、その開示形態に限定するものではない。また、本発明について、周知技術を付加或いは修正することを阻害するものでない。
図1は本発明の第1の実施例を示す断面模式図である。本発明の光スイッチ1は、ファイバ2を伝播する光をビームにして射出できるコリメータ3が複数配列してなるコリメータアレイ4と、ビームの反射方向を制御できる可動のマイクロミラー5が複数配列してなるマイクロミラーアレイ6と、第1の固定ミラー7、および第2の固定ミラー8を有し、コリメータアレイ4の任意の2つのコリメータ間で光信号を結合することができる。説明のため、図1中に示すように図面の奥行き方向をX、高さ方向をY、長さ方向をZとする。図1の実施例は、コリメータ3がY方向に2列配列した場合の例を示しており、X方向にも複数のコリメータ3が配列している。例えば8列あるとすると、コリメータ3の数は16である。マイクロミラーアレイ6のマイクロミラー5は、コリメータ3から射出されたビームが入射する位置に、各コリメータ3に対応して配列している。
本発明の光スイッチは、コリメータアレイ4のうちの任意の2つのコリメータを、入力コリメータ3aおよび出力コリメータ3bとし、入力コリメータ3aと出力コリメータ3bとの間で光信号を結合することができるものである。結合は、入力コリメータ3aから射出されたビーム9が、マイクロミラーアレイ6の入力コリメータ3aに対応する入力マイクロミラー5aに反射され、次に第1の固定ミラー7に反射され、第2の固定ミラー8に反射し、再び第1の固定ミラー7に反射して、マイクロミラーアレイ6の出力コリメータ3bに対応する出力マイクロミラー5bに反射され、出力コリメータ3bに入射して達成される。ビームがマイクロミラー5bに正しく入射するように入力マイクロミラー5aの角度を調節し、また、ビームが出力コリメータ3bに正しく入射するように出力マイクロミラー5bの角度を調節する。なお、図1中の入出力コリメータの選び方は一例であり、X方向に配列するものも含めてさまざまに選択できる。前記のような構成では、入出力の組合せが多いため、多数の切替えに対応できるが、入力側と出力側のコリメータ群が既に決まっているものであってもよい。
ここで第2の固定ミラー8は、光路を中間点で折り返すために設置されており、これにより、マイクロミラーおよびコリメータを、それぞれ入出力一体とすることができる。
第1の固定ミラー7は、マイクロミラーアレイ6から第2の固定ミラー8までの光路をさらに折り曲げることにより、できるだけ小さな空間の中に光路を収めることができる。
図2は、本発明の第1の固定ミラー7にあたる部品を持たない比較例の光スイッチ101の断面模式図を示している。ビーム109の方向の切替に用いられるのは、光路中の入力マイクロミラー105aと出力マイクロミラー105bの間の部分であるため、限られたミラーの最大振り角と光路長の中で、できるだけ多くのチャンネルの結合を得るためには、入出力ミラー間の光路長をできるだけ長く、その分コリメータ103からマイクロミラー105までの光路を短くすることが好ましい。図2に示した比較例の光スイッチでは、光路を長くとりたい入出力マイクロミラー間(マイクロミラーアレイ106と折り返し固定ミラー107との間)の光路と、コリメータ103およびファイバ102の軸方向が直交したレイアウトになってしまう。この構成を筐体108内に収めるレイアウトはさまざま考えられるが、ボックス状の筐体に収めようとすると、筐体内に発生するデッドスペースが大きくなり、小型の光スイッチを実現しにくい。
図1に示した本発明の光スイッチでは、第1の固定ミラー7により光路を折り曲げて、第1の固定ミラー7から第2の固定ミラー8までの光の進路方向が、コリメータアレイ4からマイクロミラーアレイ6までのそれとほぼ平行逆向きになるようにすることで、光スイッチの筐体10内のデッドスペースを小さくし、小型の光スイッチを実現できる。
第1の固定ミラー7は、第1の固定ミラー7で反射されたビームがコリメータアレイ4にぶつからない範囲でマイクロミラーアレイ6の近くに配置し、第1の固定ミラー7から第2の固定ミラー8までの光路が長くなるようにすることで、筐体10の高さをおさえて薄型にでき、またコリメータアレイ4の後ろのスペースにファイバ2の引き回しに用いることで、ファイバ2を束ねて一ヶ所から筐体10外に引き出すことができ、引き出し部の封止が容易になり、ファイバ2の光スイッチ筐体外部での引き回しも容易になるなどし、そうした点で、筐体10内部のスペースが有効活用される。
上記のような光路構成をとる限りは、コリメータアレイ4、マイクロミラーアレイ6、第1の固定ミラー7の相対的な位置関係はどのようにしてもよいが、図3に示すように、マイクロミラー5を動作しない状態において、マイクロミラー5におけるビームの反射角度12が約90度で、第1の固定ミラーにおけるビームの反射角度13も約90度となるように配置を決定することにより、上記の光路はより自然に実現される。
また、他の形態としては、上記マイクロミラー5におけるビームの反射角度12は、90度でない角度とすることができる。例えば、図4に示すように、コリメータ3の光軸とマイクロミラーアレイ6の相対角度14を45度より大きくし、上記の反射角度12を90度より小さい角度にする。ビームがマイクロミラー5により反射された後、第2の固定ミラー8で折り返してマイクロミラーアレイ6に戻ってきたときの、ビームが図4のX方向に振られる距離を考えると、上記反射角度12が小さいほど、マイクロミラー5の振り角が同じでも、ビームが振られる距離が大きくなる。よって、より小さいマイクロミラーの振り角でポート間を接続するためには、コリメータ3の光軸とマイクロミラーアレイ6の角度13は大きくすることが好ましい。例えば、上記相対角度13を45度から60度にすることで、X方向にビームが振られる距離は約23%増加するため好ましい。より好ましくは、マイクロミラー5で反射したビームがコリメータアレイ4に当たらないようにマイクロミラーアレイ6の位置と角度を調節する。
また、光スイッチの筐体の高さを抑えるためには、第1の固定ミラー7と第2の固定ミラー8の間の光路は、マイクロミラー5を動作させない状態で、コリメータ3の光軸と製造誤差の範囲内で平行であることが好ましい。そのためには、例えば、マイクロミラーアレイ6と第1の固定ミラー7の相対角度15が約90度になるようにし、第2固定ミラー8は、コリメータレンズ3の光軸と垂直な姿勢になるように設置する。
マイクロミラー5には、MEMS(Micro Electromechanical System)技術を用いて製作される静電駆動ミラーなどを用いることができる。静電駆動ミラーの場合、マイクロミラーアレイ6のミラー駆動用電極に外部から電圧を印加するために、例えばフレキシブル配線板11を用いてマイクロミラーアレイ6から光スイッチ筐体外部に設置した制御系に電気的に接続することができる。また、ファイバ2のコリメータと反対側の端部には、通信システムに接続するための光コネクタを取り付けることができ、必要に応じて、出力コリメータに接続するファイバの先に、光ビームを部分的に取り出すための光カプラと、光強度を検出するためのフォトダイオードを接続して、光信号の強度をモニタするようにすることができる。モニタした信号強度の情報をマイクロミラー5の制御にフィードバックすることで、信号強度をリアルタイムに一定に保つようにすることもでき、チャンネルごとの信号強度のばらつきをなくし、また信号強度を安定化して信頼性の高い光スイッチシステムを実現できる。
このように、第二のミラーに行く光と第二のミラーから来る光が共に第一のミラーを経るよう配置されていることが好ましい。
例えば、光ファイバに連絡される光射出部(例えばコリメータ)を複数備えた入力部(例えばコリメータアレイ)と、光射出部から射出された光が照射される可動ミラー(例えばマイクロミラー5)を複数備えたミラーアレイ(例えばマイクロミラーアレイ6)と、そのミラーアレイのミラーから出た光が照射される第一ミラー(例えば、第一の固定ミラー7)と、第一のミラーから出た光が照射される第二のミラーと(例えば、第二の固定ミラー)、光ファイバに連絡する光受光部を複数備えた出力部と、を備え、第二のミラーから出た光が第一のミラーとミラーアレイとを経由して出力部の中から選択された光受光部に照射されるよう配置された形態を有する。また具体的形態として、光ファイバ2に連絡されるコリメータ3を複数備えたコリメータアレイ4と、コリメータアレイ4のある第一のコリメータから出た光が光学的に連絡される可動ミラーであるマイクロミラー5を複数備えたマイクロミラーアレイ6と、ミラーアレイ6のミラー5から出た光が光学的に連絡される第一のミラーとしての第一の固定ミラー7と、第一のミラーから出た光が光学的に連絡される第二のミラーとしての第二の固定ミラー8と、第二のミラーを出た光が連絡するコリメータアレイ4の第二のコリメータと、を備え、第二の固定ミラー8から出た光が第一の固定ミラー7、そしてマイクロミラーアレイ6とを経由して前記第二のコリメータに光学的に連絡するよう形成される形態をとることにより、3次元に切替える多数の入出力ファイバが連結される場合であっても、小型化・薄型化した光スイッチを提供できる。
入力ミラー出力ミラー間の光路十分な距離をとるようにする。また、入出力ファイバ接続部はある程度スペース要である。このため、ミラーを介して入出力レンズと折返しミラーが略直交配置/ミラーを介して入力レンズと出力レンズが略直交配置するように配置されることが好ましい。
前記出力部と入力部が明確に区別されている場合だけでなく、入力部と出力部の機能を兼ね備えた入出力部が形成されていてもよい。これにより、3次元に切替える多数の入出力ファイバが連結される場合であっても、小型化・薄型化した光スイッチを提供できる。
また、第一のミラーである第一の固定ミラー7と第二のミラーである第二の固定ミラー8との間の光路はコリメータ3の長手方向におけるコリメータ3と光ファイバ2との連絡部よりも光ファイバ2側に位置する領域を含むよう形成されることが好ましい。また、マイクロミラーアレイ6と第一の固定ミラー7はコリメータ3の長手方向におけるコリメータ3とファイバ2との連絡部よりもコリメータ側に配置されるものであることが好ましい。
例えば、入力コリメータアレイとミラーアレイ間と第一ミラーと第二ミラー間の光路が逆でほぼ平行になるような配置であることができる。具体的には、例えば、マイクロミラーアレイのマイクロミラーを動作しない状態で、前記コリメータアレイから前記マイクロミラーアレイまでのビーム伝播方向と、前記第1の固定ミラーから前記第2の固定ミラーまでのビーム伝播方向を、ほぼ平行逆向きにする。ほぼ平行とは製造誤差により平行から外れる程度を含むものである。
また、コリメータアレイからマイクロミラーアレイまでのビームの進行方向と、第1の固定ミラーから第2の固定ミラーまでのビームの進行方向が、ほぼ平行逆向きになるようにすることより、第1の固定ミラーと第2の固定ミラー間の光路と、コリメータおよびコリメータから引き出されるファイバが同一方向に整列し、光スイッチの筐体内部のデッドスペースを小さくして小型の光スイッチが実現できる。
見方を変えると、マイクロミラーアレイ6と第一の固定ミラー7間の光路方向に平行な方向に見ると、第一の固定ミラー7と第二の固定ミラー8間の光路は前記コリメータアレイ4と重なる位置に形成されることが好ましい。
また、マイクロミラーアレイ6の可動ミラーであるマイクロミラー5と第一の固定ミラー7との光路より第一の固定ミラー7と第二の固定ミラー8間の光路が長くなるよう形成される。
なお、この光路は各ミラー間の最長光路に基づいて測定することができる。
また、コリメータとマイクロミラーアレイの可動ミラーとの光路より第一の固定ミラーと第二の固定ミラー間の光路が長くなるよう形成されるようにすることもできる。
また、コリメータアレイからマイクロミラーアレイまで、およびマイクロミラーアレイから第1の固定ミラーまでの光路と比べて、第1の固定ミラーから第2の固定ミラーまでの光路が長くなるように配置することで、筐体の高さをおさえて薄型の光スイッチを実現でき、また第1の固定ミラーから第2の固定ミラーまでの光路の下の、コリメータの裏のスペースを、ファイバを引き回して束ねるスペースに活用できる。
また、前述において言及したが、前記マイクロミラーアレイおよび前記第1の固定ミラーにおいてビームが約90度の角度で反射し、前記第2の固定ミラーにおいてビームが約180度の角度で反射するように前記コリメータアレイ、前記マイクロミラーアレイ、前記第1の固定ミラーおよび前記第2の固定ミラーが配置されていることが好ましい(マイクロミラーアレイのマイクロミラーが動作していない状態で計測するものとすることができる)。
なお、前記実施例では、ミラーアレイからの光が第一のミラーを経て第二のミラーに至り、第二のミラーからの光が再度第一のミラーを経てミラーアレイに至る形態を示したが、複雑化のデメリットが生じるが、入力側コリメータと出力側コリメータとに分けて設置し、ミラーアレイの可動ミラーの振り角幅を小さくする観点から、第二のミラーから第一のミラーの代わりに第三のミラーを経てミラーアレイに至るよう形成することもできる。
上記のような周辺部品を含めた光スイッチシステム20を、例えば図4の模式図に示すように構成できる。マイクロミラーを制御するための制御IC21やアンプIC22などを実装し、それらをつなぐ配線23を有するボード24上に、光スイッチ25を搭載し、さらに光カプラ26やフォトダイオード27も実装して、一枚のボード24上にシステムを実現する。ファイバ28は光コネクタ29を介して光通信系に接続できる。また、電源供給線30、高圧電源供給線31、制御信号線32などが外部から接続される。なお、図4の例は2×2スイッチの場合であるが、チャンネル数はそれに限ったものではない。また、光カプラ26およびフォトダイオード27に代えて、両者を一体化したタップを用いることにより集積度を向上できる。
上記のような光スイッチシステム20を上位の光通信システムに搭載する際には、光通信システムのラックにボードを並列に配置することが考えられる。その際には、ボード上の部品の高さを低くすることで、ラックに搭載できるボードの枚数を増やすことができる。光スイッチシステムの中で、光スイッチ1は他の部品に比べて高くなると考えられるので、光スイッチ1はできるだけ薄型であることが望ましい。
このように、MEMSミラーを用いたスイッチシステムでは、MEMSミラーを駆動するための制御ICやアンプICなどを実装したボードを備えている。また、光出力を検出してフィードバック制御を行うためにフォトディテクタ(PD)や光カプラなども実装する必要がある場合もある。本実施例の光スイッチを用いることにより、こうしたボード上に光スイッチ本体のパッケージも搭載して一つのボード上にシステムを構築するのに好適である。その際に光スイッチ本体だけが高さのあるパッケージであると、本ボードが搭載される上位システムのラックのスペースを占有してしまうが、その点でも、本実施例の光スイッチを用いることにより薄型のパッケージにすることが容易である。
このように、光スイッチシステムとしては、ボードと、前記ボード上に複数の光ファイバが連絡され、第一の光ファイバから入力された光を可動ミラーを駆動して選択された第二の光ファイバに出力する前述したいずれかの光スイッチと、入力された光を選択された前記第二の光ファイバに出力するよう前記可動ミラーの傾きを制御する制御ICと、を備え、前述した形態を有する光スイッチを備えることにより、小型化或は薄型化を図ることができる光スイッチシステムを形成できる。
好ましくは、前述のように、入力する光或は出力する光の一部を分岐して取出す光カプラ26と、光カプラ26で分岐された前記光を受光するフォトダイオード27と、を備え、制御ICはフォトダイオード27からの信号に基づいてミラーの傾きを補正するために印加電圧などの制御を行うことが好ましい。
本実施例で示した形態は前述のように薄型の光スイッチを実現するのに適している。さらに、2次元的に配列したコリメータ3の2方向の配列数を不均一にし、配列数が少ない方向を、マイクロミラーアレイ6によって反射されたビームが進む方向と一致させることにより、より薄型の光スイッチが実現できる。図1においては、X方向の配列数に対してY方向の配列数を小さくする。さらに、望ましくは、小さいほうの配列数を2ないし1にすることで、例えば10mm前後の高さの光スイッチが実現できる。
本発明の実施例の光スイッチの具体的な組立方法について説明する。図5は本発明の光スイッチの組立構造の一例を示す平面模式図である。また、図5の断面A−Aにおける断面模式図を図6に示す。本例では、コリメータ3を保持してコリメータアレイ6を形成するための構造部品であるコリメータアレイブロック40に、マイクロミラーアレイ6および第1の固定ミラー7を直接設置することで、コリメータ3、マイクロミラー5および第1の固定ミラー7間の相対位置決めおよび固定を行う。図5の平面図に示すように、コリメータアレイブロック40は、中央部にコリメータ3を配列し、周辺部でマイクロミラーアレイ6、第1の固定ミラー7との位置決めを行う。図6の断面図に示すように、コリメータアレイブロック40には、マイクロミラーアレイ6に接してその面方向を決定するための第1の斜面41と、同じく第1の固定ミラー7に接してその面方向を決定するための第2の斜面42を有する。
マイクロミラーアレイ6の各マイクロミラー5は、コリメータアレイ4の対応する各コリメータ3から射出されたビームが正しく入射するように位置決めされなければならない。本例では、ガイドピン43を用いて両者を位置決めする。そのため、マイクロミラーアレイ6には位置合わせ用貫通孔44を形成し、この位置決め用貫通孔44にガイドピン43を通すことで位置決めを行う。マイクロミラーアレイ6の固定は、マイクロミラーアレイ6に接する第3の斜面を有する押さえブロック45と、コリメータアレイブロック40によりマイクロミラーアレイ6をはさみ、ガイドピン43先端にねじを形成しておいて、ナット46を用いて締め付けるなどして実現される。ガイドピン43はコリメータ3の光軸と同一方向に設置され、よって、マイクロミラーアレイ6はガイドピン43に対して、例えば45度などの角度で斜めに位置合わせされる。この構成により、ガイドピン43やナット46のために光スイッチの高さが高くなるということがない。また、マイクロミラーアレイ6の位置合わせを容易にするために、ガイドピン43をマイクロミラーアレイ6と垂直になる方向に設置してもよい。
マイクロミラーアレイ6は、例えば静電駆動ミラーを用いる場合には、可動のマイクロミラー構造を形成したミラー基板47と、マイクロミラーを駆動するための電極が配置された電極基板48と、マイクロミラーと電極の間のギャップを形成するためのスペーサ基板49をそれぞれ積層することで構成することができる。マイクロミラー5は、ビームをX、Y両方向に振ることができるように、2つの軸まわりに回転できる構造にする。Y方向の配列数が1の場合は、原理的にはX方向のみの1軸可動のマイクロミラーで可能であるが、位置合わせ誤差や熱変形による光路のずれなどが発生しても、ビーム方向を正しく制御できるようにするため、Y方向にも振ることのできる2軸可動のマイクロミラーを用いることが望ましい。静電駆動ミラーの具体的構成例については、特願2002−114099号公報に詳しく記載している。ミラー基板47、電極基板48、スペーサ基板49それぞれに位置合わせ用貫通孔44を形成し、ガイドピン43に対して位置決めを行う。
本実施例の形態を適用しない三次元光マトリクススイッチでは、マイクロミラーアレイとコリメータアレイを、光ビームの入射位置を見ながらアクティブに調芯する必要のあるものが多かったが、本発明の光スイッチでは、上記の位置決め方法によりパッシブに位置決めが可能である。高さ方向(Y方向)の配列数を小さくすることにより、薄型にできるだけでなく、コリメータ3とマイクロミラー5間の距離の最大値を小さくすることができるため、両者の位置合わせ精度への要求を緩和でき、上記したようなパッシブな位置合わせ方法を適用しやすくなる効果もある。
第1の固定ミラー7は、面の角度を、任意のチャンネル間で結合を実現するためのマイクロミラー5の振り角がその最大振り角の能力を越えない程度に位置合わせされればよく、設置する位置には高精度を必要としない。そのため、第2の斜面42に接するように設置されればよく、第2の斜面42に直接接着するなどして固定してよい。
第2の固定ミラー8は、例えば図6に示すように、固定ミラー取付ブロック50に接着して、この固定ミラー取付ブロック50とコリメータアレイブロック40を共通のベース51上に設置することで、位置決めすることができる。第2の固定ミラー8の面方向は、任意のチャンネル間で結合を実現するためのマイクロミラーの振り角が、その最大振り角の能力を越えない程度に位置合わせされればよく、例えばベース51上に形成した第1の押し当て面52および第2の押し当て面53にコリメータアレイブロック40および固定ミラー取付ブロック50を押し当てることで位置決めできる。必要に応じて、ビームの光路を見ながらアクティブに位置を決めてもよい。
コリメータアレイブロック40、固定ミラー取付ブロック50、ベース51の材質は、熱変形による挿入損失の低下を防ぐ観点から、マイクロミラーアレイ6およびコリメータレンズ3の材質と線膨張係数が近いものを選択することが好ましい。より好ましくは、両者の間の線膨張係数にする。例えば、マイクロミラーアレイ6の材質は例えば単結晶シリコンで、コリメータレンズ3の材質は例えば石英や光学ガラスなどである。コリメータアレイブロック40、固定ミラー取付ブロック50、ベース51には、例えば、42アロイ、コバール、石英などの材質が適している。
第1の固定ミラー7と第2の固定ミラー8間の光路スペースの直下で、コリメータアレイ3のビーム射出方向とは反対側のスペースを有効に利用することで、より本発明の光スイッチの利便性を高めることができる。
まず、コリメータ3から引き出されたファイバ2は、上記スペースで引き回して束ねて筐体外部に引き出すことができる。光スイッチをパッケージングする筐体は、下面に設置されるベース51と、例えば側面および上面を覆うカバー54を用いて構成することができる。マイクロミラー5の動作の安定性のため、筐体内部にごみや水分が侵入しないように封止されていることが望ましい。ファイバ2は、例えばカバー54あるいはベース51に設置したファイバ取出し口55から筐体54外部へ引き出すことができる。一箇所から引き出せることで、ファイバ取り出し口55での封止が容易になり、また筐体外部でのファイバ2の引き回しも容易になる。取り出し口55では、例えばファイバ整列用の溝を形成した板状にファイバを整列し、別の板でフタをして隙間を樹脂あるいは金属で封止する。封止部では、ファイバの樹脂被覆を除去することで耐湿性がより向上する。
さらに、図5および図6に示すように、マイクロミラー5を駆動する電圧を筐体外部から供給するための電気インターフェースとなるコネクタピン56を上記スペースに配置することができる。コネクタピン56がベース51の下面から突き出る構成とすることにより、配線ボードやソケットに本光スイッチを直接挿し込むことができるため実装が容易になり、図4に示したような光スイッチシステムを構成するのに有利になる。コネクタピン56の配列ピッチは、規格に合った、例えば2.54 mmや1.27 mmなどにしておくと利便性が良い。図6に示すように配列領域が分割されている場合も、両者の間のピッチは2.54 mmや1.27 mmなどの整数倍にしておくことが好ましい。ベース51が金属の場合、コネクタピン56とショートするのを避けるため、例えば、ベース51に開けたコネクタピン外形よりも大きい径の貫通孔にコネクタピン56を通し、隙間を封止部材58により封止することができる。封止部材58の材質としては例えば低融点ガラスを用いることができる。コネクタピン56と、マイクロミラーアレイ6の電極基板48との間の電気的接続は、例えばフレキシブル配線板57を用い、コリメータアレイブロック40の下面に形成した隙間を通して接続することができる。
このように、ベース51と、ベース51に設置された第一の支持体としてコリメータアレイブロック40を備える。この第一の支持体にコリメータ3を複数備えたコリメータアレイとマイクロミラーアレイ6とが設置される。このため、高精度の位置合わせが必要であったコリメータアレイとミラーアレイの位置合わせを精度良く合わせるのが簡便にできる.さらには、前記第一の支持体に第一のミラーである第一の固定ミラー7が設置されるのが好ましい。さらには,ベース51には第一の支持体と別体の第二の支持体が設置されることができる。この第二の支持体として例えば固定ミラー取り付けブロックがあり、第二のミラーである第二の固定ミラー8が設置される。このようにすることにより、距離があるので構造体が複雑になることを抑制して簡易な構造を構成することができる。
また、アレイ状にコリメータが配列し、ミラーアレイと第一ミラーの間の光路方向の数より、それと直交する方向の数が多くなるようにすることが好ましい。
また、第一の支持体と第二の支持体との間の領域のベース51に外部からミラーに電圧を印加する複数のコネクタが設置されることが好ましい。例えば、複数のコネクタは間隔を介して複数のコネクタグループが配置され,各コネクタグループの間の領域に前記コリメータに連絡する光ファイバが配置されるようにすることができる。また、ミラーアレイとコネクタとの連絡経路が第一の支持体とベース間の間隙を通るよう配置されることが好ましい。
上記した、本発明の光スイッチの組立構造の一例を示す斜視図を図7に示す。図7では、フレキシブル配線板57とファイバ2の大部分、およびカバー54は省略している。コリメータアレイブロック40は、第1の固定ミラー7から第2の固定ミラー8の間の光路を干渉しないように、中央部がえぐれた形状にする。
図7の例は、コリメータ3のX方向配列数が9、Y方向配列数が2で、合計18チャンネルとしたときの例である。本例の光スイッチでは、18チャンネルを任意に入力チャンネルと出力チャンネルに振り分けることができ、たとえば、8×8(予備2)、1×16(予備1)、2×16、2×2を4基(予備2)、1×2を9基などのさまざまな構成の光スイッチを同一の構造で実現することができる。
特に、コリメータアレイのコリメータは2次元的に配列しており、前記マイクロミラーから前記第1の固定ミラーまでのビーム伝播方向に等しい方向の配列数が、それと直交する方向の配列数に比べて小さくなるよう配置することが好ましい。
また一例としては、前記コリメータアレイのコリメータは2次元的に配列しており、前記マイクロミラーから前記第1の固定ミラーまでのビーム伝播方向に等しい方向の配列数が、1または2であることができる。
マイクロミラーアレイ6を構成するミラー基板47、電極基板48およびスペーサ基板49の具体的構造の例について説明する。
図9aおよび図9bに、ミラー基板47の構成の一例を示す平面模式図および断面模式図を示す。ここでは簡単のため、2×4列の例を用いて説明する。図9bの断面図に示すように、ミラー基板47は、第1のシリコン層84と第2のシリコン層85がシリコン酸化膜層86を介して積層されたSOI(Silicon On Insulator)ウエハを加工して形成することができる。ミラー構造を第2のシリコン層85に形成し、ミラー構造を含む領域において、第1のシリコン層85およびシリコン酸化膜層86を除去してキャビティ91を形成することにより、ミラー構造がリリースされる。ミラー構造は、 図9aに示すように、可動ミラー87が第1のねじり梁88を介して可動枠89に接続され、また可動枠89が第2のねじり梁90を介して周辺部に接続した構成になっている。可動ミラー87が第1のねじり梁88を回転軸として、また、可動枠89が第2のねじり梁90を回転軸として回転することができ、その組み合わせで可動ミラー87は2軸まわりに回転することができる。ミラー基板47の両端には、位置決め用の貫通孔92を形成し、ここに位置決めピン43を通すことで、位置決めができる。
可動ミラー87は、キャビティ91側の面をビームを反射する面とする。その反対側の面は電極面として、駆動電極との間に静電引力を発生させる。そのため、ミラー基板47の両面には金属薄膜を形成する。金属薄膜の内部応力による可動ミラー87の反りを小さくするため、表裏に形成する金属薄膜は同じ材料および厚さにすることが好ましい。例えば、Ti/Au薄膜をスパッタリングを用いて形成する。
図10は電極基板48の構造の一例を示す平面模式図である。断面図は省略するが、単一のシリコン基板上に、シリコン酸化膜を形成し、その上に電極膜を形成してパターニングすることで構成できる。ミラー基板47の各ミラーに対して、可動ミラー87を駆動するための2つの第1の駆動電極93と、可動枠89を駆動するための2つの第2の駆動電極94の、合計4つの電極を配置する。各電極に電圧を供給するため、各電極は、電極基板48周辺部に配置した外部接続用電極95と、配線96により接続される。隣接する電極間にできるシリコン酸化膜の露出部に、時間をかけて電荷が蓄積されていく現象により、駆動電極の電圧を一定に保っても、ミラー角度が徐々に変動してしまう場合がある。そのため、隣接する第1の駆動電極93、第2の駆動電極94、および配線96との間のギャップがなるべく小さくなるようにすることが好ましい。すなわち、前記ギャップの間でショートが発生しない程度まで前記ギャップを小さくするように、第1の駆動電極93および第2の駆動電極94を広げた構成とする。電極基板48の両端には、ミラー基板47と同様に、位置決め用の貫通孔97を形成し、ここに位置決めピン43を通すことで位置決めを行うことができる。
図11はスペーサ49の構造の一例を示す平面模式図である。シリコン基板を材料として加工することができ、ミラーアクチュエータの設計に従って、ミラー基板47と電極基板48との間に適切な高さのギャップをつくるために、例えばシリコンのウェットエッチングなどを用いて厚さを調整する。本例では、ミラー基板47および電極基板48の2つの位置決め用貫通孔に対応して、1つの位置決め用貫通孔98を形成したスペーサを2つ配置した構成としている。位置決め用貫通孔98に位置決めピンを通すことで位置決めを行う。ただし、スペーサ49の水平方向位置は高精度に合わせる必要がないので、位置決め用貫通孔98の寸法精度は、ミラー基板47および電極基板48に形成する位置決め用貫通孔と比べて低くてよい。
ミラーの駆動方法については、例えば、すべての可動ミラー87および可動枠89をグランド電位に保ち、第1の駆動電極93あるいは第2の駆動電極94に選択的に適切な電圧を供給することで、各ミラーの角度を個別に制御できる。可動ミラー87および可動枠88をグランドに接続する方法としては、図10に示すように、電極基板48上で、外部接続用電極95の一つに配線96で接続したミラー基板接続用電極99を位置決め用貫通孔の周囲に配置し、かつスペーサ49の表面に導電膜を形成しておく。ミラー基板47表面は全て金属膜で覆われているので、全ての可動ミラー87と可動枠89は、スペーサ49とミラー基板接続用電極99を介して、外部接続用電極95の一つに接続する。
電極基板48の外部接続用電極95は、例えばフレキシブル配線板などを介して、制御系に接続される。例えば、図8の光スイッチの構成例においては、電極基板から引き出されたフレキシブル配線板は、コリメータブロック40とベース51の間を通して、他端の電極をコネクタピン56に接続することで、コネクタピン56を介して制御基板などに実装することができる。
また、駆動電極93の数を少なくするために、例えば図12に示すような電極配置にすることもできる。光スイッチにおいて任意のポート間を結合する場合に、ミラーの角度は、反射したビームが別の任意のミラーに当たるように調整されるので、基本的に、ビームがミラー配列領域の外側に飛び出すような方向にミラーを傾けることはない。すなわち、本例のY方向2段の場合の例では、下段に配列したミラーに対して可動枠を下方に傾けるための駆動電極、および上段に配列したミラーに対して可動枠を上方に傾けるための駆動電極は、本来必要の無いものである。しかし、実際には、組み立てにより誤差が発生するため、上記の駆動電極も必要になる場合がある。そこで、上記駆動電極を互いに接続しておき、一定の電圧をあらかじめかけておくことで、ビームをミラー配列領域の外側にあらかじめ振っておく。そうすることで、組み立て誤差が発生したとしても、ビームをミラー配列領域の内側に向ける駆動電極だけで、全てのミラーにビームを向けることができるようになる。上記のようにあらかじめ電圧をかけておく電極をプリチャージ電極と呼ぶことにする。図12は、上段、下段それぞれにプリチャージ電極を設けた例を示している。並んだ電極列の外周側に位置する電極をこのように形成した。例えば、複数のミラーを制御する共通電極を形成する。例えば、下段に、可動枠を下向きに振るための4つの駆動電極をつないだ第1のプリチャージ電極120を設け、一つの外部接続用電極121と配線で接続する。上段には、可動枠を上向きに振るための4つの駆動電極を接続した第2のプリチャージ電極122を設ける。上段では、配線の引き回しのために下段のように直接電極を接続できないので、駆動電極間接続配線123を用いて電極間を接続し、一つの外部接続用電極124に接続する。こうすることにより、8つの電極を2つにまとめることができ、電極数を6減らすことができる。X方向のミラー配列数が多くなるほど、低減できる電極数は増加する。電極数を低減することにより、電圧制御のための、マルチチャンネルのアンプICやデジタル/アナログ変換のICなどの数を減らすことができ、製造コストが低減できるとともに、制御基板も小さくすることができる。
上段と下段のプリチャージ電極も接続して一つの電極にしてもよい。また、X方向の両端のミラーに対しては、可動ミラーをミラー配列領域の外側に振るための駆動電極に関しても同様のことが言え、互いに接続してプリチャージ電極としてもよい。また、配列されたミラーのうち、どのミラーを入力にするか決まっている場合は、出力側の全てのミラーにビームを向けるために必要のない駆動電極を省くことができる。例えば、組立時にミラーを駆動しない状態でビームを照射した場合、隣接するミラー列側にビームが戻ってくる場合に、プリチャージ電極に補正値を加える。ミラーによって程度が異なるのであれば、例えば、程度の大きいものに合わせる。プリチャージ電極が駆動すると照射したビームが初期に当ったミラーに反射ビームが来るように調整する。より好ましくは、ビームが初期に当ったミラー列よりも外側(隣接するミラー列がある側とは反対側)に反射光がくるようにバイアスを設定する。光スイッチを駆動する際には、他の電極を作動してミラーを駆動させる際にもプリチャージ電極を動作させる。これにより、電極数を少なくでき、シンプルな構成にすることができる。
図13および図14は、8列2段のミラー配列にして、8入力8出力の光スイッチを構成したときの、駆動電極配置を示した模式図である。本構成において、可動ミラーの最大振り角をなるべく小さくするためには、図13に示すように、中央の8つを入力ミラー群130として、周囲の8つを出力ミラー群131とする(または入出力を逆にする)ことが好ましい。これにより両端のミラーはともに出力なので互いに接続することがなく、最も遠い接続は、X方向に6ミラー分となる。この場合、入力ミラー群120のミラーは左右ともに振る必要があるが、出力ミラー群のミラーは内側に向けてしか振る必要はないので、可動ミラー駆動用の駆動電極のうち片方は非駆動電極132とすることができる。非駆動電極132は、グランド電極と接続し、常にグランド電位がかかるようにすることが好ましい。また、上述したように、上段の上側と下段の下側の電極はプリチャージ電極133とすることができる。以上より、本例では、プリチャージ電極の導入により14電極、非駆動電極を省略することにより8電極の、合計22電極を低減できる。
図14は、入力ミラー群130と出力ミラー群131を左右に分割して配置した場合を示している。この場合は両端のミラー同士を接続する必要があり、ミラーの最大振り角は図13の例よりも大きくなる。一方で、入力ミラー群130、出力ミラー群131ともに、可動ミラーを駆動する駆動電極のうち片方を非駆動電極とすることができるので、非駆動電極が16電極となり、プリチャージ電極の導入による14電極とあわせて、合計30電極を低減できる。
プリチャージ電極にかけておく電圧が大きくなると、対向する駆動電圧に電圧をかけてミラーを回転させた際に、ミラーの両側に大きな駆動電圧をかけることになり、ミラーの全体的な沈み込みが大きくなり、十分なミラー振り角がとれなくなる恐れがある。プリチャージ電極の電圧を下げるには、組み立て誤差を小さくすることが望ましい。そのための方策として、コリメータレンズの光軸ずれを制御する方法が効果がある。コリメータレンズは、一般的に、外形軸に対する光軸のずれをある程度有する。図8に示したように、ホールアレイブロック40にコリメータレンズ3を挿入する際に、コリメータレンズ3の光軸ずれ方向を、ビームがミラー配列領域の外に向くようにして設置する。すねわち、上段であれば、ビームが上を向くようにする。そのように光軸方向を揃えておくことで、プリチャージによってあらかじめミラーを振る角度を小さくすることができ、プリチャージ電極の電圧を小さくできる。
また、同様に、光軸ずれの方向を、対応するミラーへの要求振り角が最大の方向にあわせることで、ミラーへの要求振り角を小さくすることができる。例えば、図14の例では、入力ミラー群130に対応するレンズは、出力ミラー群131の方向に、同様に、出力ミラー群131に対応するレンズは、入力ミラー群130の方向にビームが傾くようにコリメータレンズの向きを合わせて設置することが好ましい。
上記効果をより大きく得るために、わざと光軸ずれの大きいコリメータレンズを用意しても良い。ただし、ビームがミラーからはみ出して挿入損失を著しく低下させないように、ミラー位置を調節したり、ミラーのサイズにマージンを与えるなどすることが好ましい。
図15は、本発明の第2の実施例を示す断面模式図である。図1に示した第1の実施例では、光路の中間点で第2の固定ミラーを用いて光路を折り返したが、本実施例の光スイッチ60では、光路を折り返さずに、出力側にもコリメータアレイ、マイクロミラーアレイ、固定ミラーを設置する。すなわち、入力コリメータアレイ61の任意の入力コリメータ62と出力コリメータアレイ63の任意の出力コリメータ64間を結合するときの光路は、入力コリメータ63から出たビーム65が入力マイクロミラーアレイ66の対応する入力マイクロミラー67で反射され、次に入力固定ミラー68で反射され、出力固定ミラー69で反射され、出力マイクロミラーアレイ70の出力コリメータ64に対応する出力マイクロミラー71に反射され、出力コリメータ64に入射するというように構成される。本構成では、第1の実施例と比較して、最大光路長、コリメータの配列、マイクロミラーの最大振り角などが同一のとき、結合可能なチャンネル数を増加できる。一方で、光スイッチはZ方向にサイズが拡大し、また、一方のコリメータアレイ内の2つのコリメータ間で結合することはできない。
本構成においても、第1の実施例について説明した組立構造を実施できる。すなわち、入出力それぞれで、コリメータアレイとマイクロミラーアレイと固定ミラーをコリメータアレイブロックを用いて位置合わせ・固定し、入出力のコリメータアレイブロックを共通のベースに形成した押し当て面に押し当てるなどして位置合わせすることができる。ファイバについては、入力コリメータアレイと出力コリメータアレイの間のスペースで引き回して、入力ファイバ72と出力ファイバ73を一緒に束ねて筐体74外部に引き出すことができる。また、マイクロミラー駆動用の電圧を外部から印加するために、フレキシブル配線板75を用いて、筐体74外部に引き出すことができるが、入力コリメータアレイ61と出力コリメータアレイ63の間のスペースに筐体下面に突き出すコネクタピンを設置して、コネクタピンと入出力それぞれのマイクロミラーアレイとをフレキシブル配線板75で接続し、コネクタピンからミラー駆動用の電圧を印加できるようにすることができる。
このように、折り返しミラーを設けない場合は、入力側に、光ファイバに連絡されるコリメータを複数備えた入力側コリメータアレイと、前記コリメータアレイの第一のコリメータから出た光が光学的に連絡される可動ミラーを複数備えたミラーアレイと、前記ミラーアレイのミラーから出た光が光学的に連絡される第一のミラーと、を備え、出力側に、光ファイバに連絡されるコリメータを複数備えた出力側コリメータアレイと、前記コリメータアレイの第二のコリメータに光学的に連絡される可動ミラーを複数備えたミラーアレイと、前記ミラーアレイのミラーに光学的に連絡される第二のミラーと、を備え、前記第一のミラーを出た光が第二のミラーに照射されるよう配置されることが好ましい。
また、第一のミラーと第二のミラーとの間の前記光の光路は前記入力側或は出力側のコリメータの長手方向における前記コリメータと前記光ファイバとの連絡部よりも前記光ファイバ側に位置する領域を含むよう形成されることが好ましい。
また、例えば、入力側のミラーアレイと前記第一のミラー間の光路方向に平行な方向に見て、前記第一のミラーと前記第二のミラー間の光路は前記コリメータアレイと重なる位置に形成されることが好ましい。
また、例えば、入力側の前記ミラーアレイの可動ミラーと前記第一のミラーとの光路より前記第一のミラーと前記第二のミラー間の光路が長くなるよう形成されることが好ましい。
また、入力側或は出力側のモジュールは図5−7のように、ベースと、前記ベースに設置された第一の支持体のような入力側用及び出力側用の各支持体を備え、前記第一の支持体に前記コリメータアレイと前記ミラーアレイとが設置される。このような支持体を入力側と出力側に各々設ける。さらに好ましくは、入力側の支持体には第一のミラー、出力側の支持体には第二のミラーを搭載する形態であることが好ましい。
また、両支持体間の領域のベースに外部からミラーに電圧を印加する複数のコネクタが設置されることが好ましい。
このように、ビームを光路の中間点で折り返さず、コリメータアレイ、マイクロミラーアレイおよび固定ミラーの組を入出力それぞれに設ける構成にする構成では、前述の構成と比較して、最大光路長、コリメータの配列、マイクロミラーの最大振り角などが同一のとき、結合可能なチャンネル数を増加できる。また本構成においても、前述の構成と同様に、小型あるいは薄型の光スイッチを実現できる。
1…光スイッチ、2…ファイバ、3…コリメータ、3a…入力コリメータ、3b…出力コリメータ、4…コリメータアレイ、5…マイクロミラー、5a…入力マイクロミラー、5b…出力マイクロミラー、6…マイクロミラーアレイ、7…第1の固定ミラー、8…第2の固定ミラー、9…ビーム、10…筐体、11…フレキシブル配線板、12…マイクロミラーアレイにおけるビーム反射角度、13…第1の固定ミラーにおけるビーム反射角度、14…コリメータの光軸とマイクロミラーアレイの相対角度、15…マイクロミラーアレイと第1の固定ミラーの相対角度、20…光スイッチシステム、21…制御IC、22…アンプIC、23…配線、24…ボード、25…光スイッチ、26…光カプラ、27…フォトダイオード、28…ファイバ、29…光コネクタ、30…電源供給線、31…高圧電源供給線、32…制御信号線、40…コリメータアレイブロック、41…第1の斜面、42…第2の斜面、43…ガイドピン、44…位置合わせ用貫通孔、45…押さえブロック、46…ナット、47…ミラー基板、48…電極基板、49…スペーサ基板、50…固定ミラー取付ブロック、51…ベース、52…第1の押し当て面、53…第2の押し当て面、54…カバー、55…ファイバ取り出し口、56…コネクタピン、57…フレキシブル配線板、58…封止部材、60…光スイッチ、61…入力コリメータアレイ、62…入力コリメータ、63…出力コリメータアレイ、64…出力コリメータ、65…ビーム、66…入力マイクロミラーアレイ、67…入力マイクロミラー、68…入力固定ミラー、69…出力固定固定ミラー、70…出力マイクロミラーアレイ、71…出力マイクロミラー、72…入力ファイバ、73…出力ファイバ、74…筐体、75…フレキシブル配線板、84…厚膜シリコン層、85…薄膜シリコン層、86…シリコン酸化膜層、87…可動ミラー、88…第1のねじり梁、89…可動枠、90…第2のねじり梁、91…キャビティ、92…位置決め用貫通孔、93…第1の駆動電極、94…第2の駆動電極、95…外部接続用電極、96…配線、97…位置決め用貫通孔、98…位置決め用貫通孔、99…ミラー基板接続用電極101…光スイッチ、102…ファイバ、103…コリメータ、103a…入力コリメータ、103b…出力コリメータ、104…コリメータアレイ、1055…マイクロミラー、105a…入力マイクロミラー、105b…出力マイクロミラー、106…マイクロミラーアレイ、107…折り返し固定ミラー、108…筐体、109…ビーム120…第1のプリチャージ電極、121…外部接続用電極、122…第2のプリチャージ電極、123…駆動電極間接続配線、124…外部接続用電極、130…入力ミラー群、131…出力ミラー群、132…プリチャージ電極、133…非駆動電極