JP2007248731A - マイクロミラー並びにそれを用いた光部品および光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性や高速制御性に有利なマイクロミラーを提供する。
【解決手段】一方の面に反射面１１２を有する可動ミラー１１１と、可動ミラー１１１が連結される可動ミラー基板１１０と、可動ミラー１１１と可動ミラー基板１１０とを連結し、可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に対して回動可能に支持する梁１１４とを設ける。反射面１１２は可動ミラー１１１の基体１１９に形成された膜で構成され、基体１１９は反射面１１２を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、肉薄部は少なくとも反射面を有する側の面において反射面１１２を有する部分の高さと異なる高さとなるように構成したので、質量の増加を抑えつつ、反射面の反り等に起因する損失を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ビームを反射して光ビームの進行方向を変えるマイクロミラーおよびそれを用いた光スイッチ、光検出器等の光部品に係る。

ＭＥＭＳ技術の光通信部品、光通信システムへの適用は多数提案されている。例えば、シリコン基板上に積層した多結晶シリコンを部材として形成したマイクロミラーが開示されている。マイクロミラーは該マイクロミラーと一体に形成された梁で支持されることで、基板上に浮いた状態で形成されている。該マイクロミラーは静電駆動型のマイクロミラーであり、マイクロミラー下部に形成された電極と該マイクロミラーとの間に電位差を与えることで二軸回転動作を行なうことができる。該マイクロミラーにおけるミラー厚さは数μｍ程度である（特許文献１）。

別の例として、単結晶シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を挟み込んだＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板をエッチング加工することで、単結晶シリコンを部材として形成したマイクロミラーが開示されている。該マイクロミラーは光クロスコネクトスイッチへの適用を目的としている（非特許文献１）。該マイクロミラーは別途形成した電極形成基板上に配置し、該マイクロミラー下部に配置した電極と該マイクロミラーとの間に電位差を与えることで二軸回転動作を行うことができる。該マイクロミラーにおけるミラー厚さはＳＯＩ基板を用いることで１０μｍとしている。

特開２００１-２２１９６２号公報 「コンファレンス ダイジェスト オブ2002 IEEE/LEOS インターナショナルコンファレンス オン オプティカル MEMs（Conference Digest of 2002 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMs）」、2002年8月20-23日、p.11-12 (TuB1)

光通信用部品においては使用する光学部品の光学特性を確保することが極めて重要である。光学部品がミラーである場合には、確保すべき光学特性はミラーの反射面での反射で損失を発生させないことである。ミラーの反射面での損失は、反射率、反射面粗さに起因する散乱、あるいは反射面の反りやうねり等に起因する波面の乱れが、主原因として挙げられる。特許文献１に開示された例においては、反射面の粗さや反りに課題を有しており、低損失を実現することが困難である。非特許文献１に開示された例は、特許文献１での粗さや反りといった課題を解決することを目的の一つとして、バルクマイクロマシニングにてミラーを形成した例である。しかしながら、非特許文献１においても、特に温度変化を与えた場合の反りを抑制するためには、反射膜の成膜時に十分な配慮が必要である。ミラーの反りは、成膜した反射膜の残留応力および熱応力に対してミラーの厚さが十分に大きくないことが原因である。従って、ミラーの厚さを大きくすることで、光学特性を確保することは可能である。しかしながら、むやみにミラー厚を大きくすることは他の特性に影響を与える。具体的にはミラー質量の増大に伴い破損、とくに衝撃が加えられたときの破損、に対する耐性が低下する。更には動作速度の低下を引き起こし、高速制御性が低下する。耐衝撃性や高速制御性の低下を抑制するには、ミラーを支持するまたは保持する力を強くすることが解決策の一つであるが、例えば静電駆動式のマイクロミラーを用いる場合、静電駆動力が小さいので、支持力、保持力を強くすることが困難である。すなわち、従来のマイクロミラーでは、光学特性を確保することと、耐衝撃性や制御性を向上させることとを両立させることは困難であった。

上記の課題に鑑み、本発明は、質量の増加を抑えつつ、反射面の反り等に起因する損失を抑制しやすい構造を備え、耐衝撃性や高速制御性に有利なマイクロミラーを提供することを目的とする。また該マイクロミラーを適用することで、光学特性と、耐衝撃性や高速制御性において優位な光部品、光スイッチを提供する。

本発明は、一方の面に反射面を有する可動ミラーと、前記可動ミラーが連結される可動ミラー基板と、前記可動ミラーと前記可動ミラー基板とを連結し、前記可動ミラーを前記可動ミラー基板に対して回動可能に支持する梁とを備え、前記反射面は前記可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、前記基体は前記反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、前記肉薄部は少なくとも前記反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有するマイクロミラーである。ミラーとしての機能に必要な反射面以外の部分で基体に肉薄部を設けることによって、反射面を有する部分には反りを抑制するために必要な厚さを確保しつつ可動ミラーの質量を削減することができるため、光学特性、耐衝撃性、高速制御性に有利なマイクロミラーを提供することができる。

また、前記マイクロミラーにおいて、前記反射面を有する側の面の反対側の面に形成されたミラー電極部と、前記ミラー電極部に対向して配置された駆動電極部とを備え、前記可動ミラーは、前記駆動電極部と前記ミラー電極部との間に印加される静電力によって駆動することが好ましい。本発明に係るマイクロミラーは、肉薄部を設けることにより効果的に可動ミラー質量が削減されているため、比較的駆動力の弱い前記構成の静電駆動型のマイクロミラーに特に好適である。また、肉薄部は、基体の反射面を有する側において面高さを変えることにより厚さを小さくして形成されているため、反射面を有する側の面の反対側の面は、駆動に必要な電極面を広く確保することが可能である。

さらに、前記マイクロミラーにおいて、前記反射面と前記ミラー電極部が略平行であることが好ましい。かかる構成は、製造工程が煩雑になるのを防ぎ、生産性の向上に寄与する。

さらに、前記マイクロミラーにおいて、前記可動ミラーは前記梁を中心軸として回動し、前記中心軸は前記可動ミラーの面内方向の中央に位置し、前記反射面は前記中心軸に跨っていることが好ましい。肉薄部よりも厚い反射面を有する部分が、中心軸に跨っていることにより、慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する

さらに、前記マイクロミラーにおいて、前記反射面を有する面側に、前記反射面を有する部分の他に、前記肉薄部よりも厚さが大きくなっている肉厚部を有していることが好ましい。肉厚部を設けることは、可動ミラーの反りの抑制に効果的に作用し、光学特性の劣化の抑制に寄与する。

さらに、前記マイクロミラーにおいて、前記肉厚部が、少なくとも一部において前記肉薄部を挟んで、前記反射面を有する部分を枠状に包囲していることが好ましい。枠状にした肉厚部は、可動ミラーを強固に支えるため、反りを抑制するうえでさらに好ましい。

さらに、前記マイクロミラーにおいて、前記可動ミラーの厚さは、前記反射面を有する部分において最大となることが好ましい。該構成は容易に作製できるという利点がある他、慣性モーメントの低減に寄与する。

また、本発明の光部品は、前記いずれかのマイクロミラーを、光偏向手段として用いた光部品である。光学特性、耐衝撃性、高速制御性に有利な前記マイクロミラーを用いることにより、該特性をそのまま活かした光部品を実現できる。ここで、光部品とは、光スイッチ、光検出器等、広く光を対象とした部品であって、光偏向手段を必要とするものであればよい。

また、本発明の光スイッチは、前記いずれかに記載のマイクロミラーと、１以上の入力側光ファイバと、入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、出力側コリメートレンズとを備え、
前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記マイクロミラーで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する光スイッチである。本発明に係るマイクロミラーは、反りを抑制しつつ軽量化が図られるため、集積化が要求される光スイッチに好適に用いられる。

さらに、前記光スイッチにおいて、集光光学系を用いて前記マイクロミラーの反射面に光ビームを集光することが好ましい。かかる構成は、光スイッチの小型化に寄与し、その結果光スイッチの集積化にも有利である。

さらに、前記光スイッチにおいて、前記集光光学素子がシリンドリカルレンズであり、前記入力側光ファイバが１本であり、前記出力側光ファイバが２本であり、前記可動ミラーが、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの一方の光ファイバとの間に光路を形成する第一の姿勢と、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの他方の光ファイバとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、前記第一の姿勢および前記第二の姿勢において可動ミラーが他の部材との接点を有することが好ましい。本発明に係るマイクロミラーを適用する、かかる構成の光スイッチは、各姿勢が安定していることから精度、信頼性が高く、また小型化にも寄与しうるものであり、本発明に係るマイクロミラーの効果と相俟って優れた光スイッチが実現可能である。

本発明によれば、質量の増加を抑えつつ、反射面の反り等に起因する損失を抑制しやすい構造を備え、耐衝撃性や高速制御性に有利なマイクロミラーが提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しつつ説明する。なお、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係るマイクロミラーの一実施形態の断面図である。本実施形態では、駆動力として静電力を用いた静電駆動マイクロミラーを例に説明するが、駆動力は静電力に限定するものではなく、電磁力、ピエゾ素子、熱変形、バイモルフ素子等を駆動力としたマイクロミラーでもよい。ただし、本発明のマイクロミラーは、駆動力が弱い場合、あるいは駆動力が面積に比例する場合に好適であるので、静電駆動マイクロミラーとして構成することがより好ましい。

可動ミラー１１１は一方の面に反射面１１２を有する。可動ミラー１１１は梁１１４によって可動ミラー基板１１０に連結され、梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に対して回動可能に支持している。梁１１４は弾性を有しており、可動ミラーを挟んだ両側で一対の梁として可動ミラーに連結されている。可動ミラー１１１は梁１１４を中心軸として回動し、与えられる駆動力によって所定の角度範囲で傾斜するようにしてある。図１の実施形態では、電圧を印加するための電極基板１２０を可動ミラー１１１に対向して配置するとともに、可動ミラー１１１の反射面を有する一方の面の反対側、すなわち電極基板１２０と対向する側の面にはミラー電極部１１３を設けてある。電極基板１２０には、ミラー電極部１１３に対向して駆動電極部１２１が配置されている。ミラー電極部１１３と反射面１１２は略平行な平面である。これらを平行とした構成は、作製が容易であるとともに、高精度を確保しやすい。略平行とは、製造上の誤差程度は許容する意味である。反射面１１２は、半導体または半導体酸化物の少なくとも一方で構成された可動ミラーの基体１１９に反射膜１３２を形成することで構成されている。

前記基体１１９は、反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部１１７を有する。肉薄部１１７は反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有している。すなわち、反射面を有する側の面において、肉薄部の面は反射面を有する部分の面よりも低くなっており、これによって可動ミラー１１１に凹部が形成されている。静電力等の駆動力を作用させるため、可動ミラーには電極面積等を確保するためのある程度の大きさ、広がりが必要とされるが、反射面は必ずしも可動ミラー全面に形成されている必要はない。反射面１１２の面積は光ビームを反射するために必要十分な大きさに限定する。一方、ミラー電極部１１３の面積はマイクロミラー１００の構成上不都合がない範囲でできるだけ大きくして強い静電力を発生させる。反射面１１２を有さない部分はできるだけ梁１１４と同じ厚さとすることが望ましい。

ここで反射面１１２の反りＲは、反射面を有する部分の基体１１９の厚さｈと基体１１９のヤング率Ｅと基体１１９のポアッソン比νと、反射膜１３２の厚さｔと反射膜１３２の応力σを用いて
Ｒ＝（Ｅ×ｈ^２)/{６×（１−ν）×ｔ×σ}
で表される。図１４に反射面を有する部分の基体の厚さと肉薄部の厚さの比と反り耐性の関係を示す。反り耐性の基準は反射面を有する部分の基体の厚さが肉薄部と同じ厚さであるときの値とした。反射面１１２を有する部分の厚みを肉薄部の３.２倍以上とすることで、反り耐性を１０倍以上向上させることができる。上記構成をとることによって、反射面１１２の反りを防止しつつ可動ミラー１１１の質量増大と慣性モーメント増大を抑制することができる。そこで、本実施形態では、反射の機能に必要な広さの反射面は確保し、それ以外の部分において基体１１９に肉薄部を設けており、これにより可動ミラーの軽量化、高速制御性の向上が図られている。また、ミラーの反り等を防止するためには、基体１１９を厚くする必要があるが、本実施形態では肉薄部１１７を設けているので、ミラー質量の増加を抑えつつ、基体の厚さを大きくすることが可能である。

また、図１および図２に示す本実施形態では、反射面１１２を有する部分の他に、肉薄部１１７よりも厚さが大きい肉厚部１１６が、肉薄部１１７を挟んで反射面１１２を有する部分を枠状に包囲している。該肉厚部は、反射面側から見て線状に形成されている。本実施形態では、反射面１１２を有する部分と肉厚部１１６の基体の厚さは等しくしてある。かかる肉厚部１１６は必ずしも設ける必要はなく、該肉厚部を設けなくてもミラーの軽量化、反りの防止等の効果が得られる。ただし、特にミラーの反り、特に肉薄部１１７での反り防止の観点からは、反射面を有する部分の他に肉厚部を設けることが好ましい。

図１では、回動の中心軸は、可動ミラーの面内方向の中央に位置しており、反射面１１２が、反射面側から見て中心軸１１５に跨がっている構成になっている。前記中央とは、可動ミラーの対称的動作を阻害しない誤差範囲内も許容する趣旨である。かかる構成とすることで可動ミラー１１１の慣性モーメントの増大を効果的に抑制でき、制御性の向上に寄与する。

また、図１の構成では、可動ミラー１１１の厚さが、反射面１１２を有する部分において最大となっており、該構成は容易に作製できるという利点がある。この作製方法については後述する。

電極基板１２０は１つ以上、例えば一対の駆動電極部１２１を有する。該駆動電極部１２１と前記ミラー電極部１１３との間には静電アクチュエータが構成されており、該駆動電極部１２１と該ミラー電極部１１３との間に電位差を与えることで両者の間に静電力を印加し、可動ミラー１１１を動作させる。

スペーサ１３０は、電極基板１２０と可動ミラー１１１との間に一定の空間を設けるために配置されている。スペーサ１３０は、可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立した部材で作製しても良いし、前記可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と一体形成してもよい。図１はスペーサ１３０を電極基板１２０と一体形成した例である。可動ミラー基板１１０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板、シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を挟み込んだＳＯＩ基板、金属基板、などを材料として作製する。可動ミラー１１１は反射面１１２に反射膜を形成することで反射率を向上させることが望ましい。反射膜として金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいは各種多層膜を用いることができる。可動ミラー１１１のミラー電極部１１３には、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）あるいはチタン（Ｔｉ）を単独にあるいは適宜積層して導電性膜を形成する。ただし可動ミラー１１１を構成する材料が十分な導電性を有する場合には、ミラー電極部１１３に導電性膜を形成しなくてもよい。

スペーサ１３０は各種材料を用いて作製することができる。また静電駆動の場合、マイクロミラー１００の構成に応じて、またスペーサ１３０の表面を導電性とすることもできるし、絶縁性とすることもできる。例えば、スペーサ１３０の表面を導電性とすることで、可動ミラー１１１のミラー電極部１１３と外部回路(図示せず)を電気的に接続する経路の一部とすることができる。あるいは、スペーサ１３０の表面を絶縁性とすることで、電極基板１２０上の配線１２３を回避せずにスペーサ１３０を電極基板１２０上に配置できる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０あるいは電極基板１２０と独立して形成する場合、該スペーサ１３０を構成する材料は、可動ミラー基板１１０および電極基板１２０と熱膨張係数が近い、また一致させた材料であることが望ましい。

反射面１１２を構成する部分の基体は梁１１４よりも厚く構成する。可動ミラー１１１には、望ましくは梁１１４と同じ厚さとした、肉薄部をできるだけ多く与える。ただし、部分的に上記肉厚部のように梁１１４よりも厚く構成されている部分があっても良い。梁１１４は可動ミラー１１１を可動ミラー基板１１０に支持し、可動ミラー１１１の変位に対する復元力を与える。梁１１４はミラー駆動電極部１１３を外部回路と電気的に接続する経路としての機能も有する。ただし、可動ミラー１１１のミラー駆動電極部１１３と外部回路(図示せず)との電気的接続は図示していない。図２では梁１１４として折り返し梁を例示しているが、同図は梁構造を限定するものではない。例えば梁１１４は直梁であっても良く、折り返し数が増えても減っても良い。

図２は可動ミラー１１１の反射面１１２側の形状を限定するものではない。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本発明に係るマイクロミラーの別の実施形態を例示する。図３（ａ）は可動ミラー１１１の中央部に配置した反射面１１２にのみ厚さの大きい部分を有する実施形態である。反射面１１２を有する部分以外は全て肉薄部１１７であり、質量および慣性モーメントの低減効果は最も大きい。図３（ｂ）は可動ミラー１１１の中央部に反射面１１２を有し、ミラー長手方向、すなわち回動軸に垂直な方向に細幅の肉厚部１１６を有する実施形態である。肉厚部は反射面１１２を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ２本ずつに延設されている。該肉厚部１１６の厚さは反射面１１２を有する部分の厚さと一致させている。肉厚部１１６は肉薄部１１７が残留応力や熱応力で変形することを抑制する効果を有する。図３（ｃ）は図３（ｂ）と同じ効果を有する肉厚部１１６の配置方法に関する別の実施形態である。肉厚部は反射面１１２を有する部分から長手方向両端部に向かって細幅の線状にそれぞれ１本ずつに延設されている。図３（ｂ）に比べ肉厚部１１６の領域が少なので質量および慣性モーメントは図３（ｂ）の実施形態より優れる。

図４（ａ）に図１に例示した電極基板１２０を可動ミラー基板１１０側から見た図を示す。電極基板１２０は例えばシリコン（Ｓｉ）基板、シリコン（Ｓｉ）層間に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を挟み込んだＳＯＩ基板、金属基板、または絶縁体基板(例えばガラス基板やセラミック基板)などを材料として作製する。電極基板１２０を作製する材料が導電性の場合、電極基板１２０の表面に絶縁膜(例えばシリコンの場合は酸化膜ＳｉＯ_２や窒化膜ＳｉＮ_x)を形成し、該絶縁膜上に導電性膜で駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を形成する。導電性膜は、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）あるいはチタン（Ｔｉ）を単独にあるいは適宜積層し形成する。別の作製方法として、セラミック基板に対しスクリーン印刷を施すことで駆動電極部１２１を形成することができる。

次に、可動ミラーの動きについて説明する。図４（ａ）に示すように、電極基板１２０には可動ミラー１１１を静電アクチュエータで駆動させる駆動電極部１２１が成膜されている。可動ミラー１１１が電極基板１２０に接触するまで回転した場合でも、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が電気的に短絡しない構造とする。具体的には、駆動電極部１２１と可動ミラー１１１が接触しない位置にのみ駆動電極部１２１を配置する方法や、駆動電極部１２１を少なくとも部分的に絶縁膜で覆う方法などを適用する。図４（ａ）は電極１２１と可動ミラー１１１が接触しない位置にのみ電極１２１が配置されている例である。電極基板１２０には、可動ミラー１１１の回転中心軸１１５の下部に相当する位置に突起を形成している。例えば可動ミラー１１１の一方の端部(ミラーエッジ)１１８が電極基板１２０と接触し、可動ミラーのミラー電極を形成した側の面の中央付近が該突起１２２と接触する状態をとることで、可動ミラー１１１の動作角度を機械的に安定に与えることができる。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に例示した可動ミラー１１１は、可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触面積の低減を目的として、ミラー端部１１８の形状を変えた実施形態を示している。該接触部面積を低減することにより、可動ミラー１１１が動作時に電極基板１２０に接触する際、可動ミラー１１１と電極基板１２０との凝着の抑制に寄与する。なお、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は反射面側の形状例とミラー端部１１８の形状例を示しているが、両者の組合せを限定するものではない。特に図３（ｂ）の実施形態では、ミラー端部１１８に曲線を形成しているので、可動ミラー１１１と電極基板１２０とが点接触することになり、接触面積低減効果が最も大きい。図３（ｄ）はミラー端部１１８を肉薄部としない例である。図３（ａ）、（ｂ）の実施形態では可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触部を肉薄部１１７に有するが、図３（ｃ）、（ｄ）の実施形態においては可動ミラー１１１と電極基板１２０との接触部を肉厚部１１６に有する。図３（ｃ）の実施形態では反射面１１２側から厚みを有するミラー端部１１８が確認できる。ただし肉厚部を有するミラー端部は一部である。図３（ｄ）の実施形態ではミラー電極部１１３側を一部加工することで、肉厚部を有するミラー端部１１８を実現している。図３（ｄ）の形態ではミラー端部全体が肉厚部を有する。いずれの形態であってもミラー端部１１８が電極基板１２０と衝突する場合でも、ミラー端部１１８は肉厚部を有するので剛性があり、破損が発生し難い。

図４（ｂ）、（ｃ）は電極基板１２０の別の実施形態である。図４（ｂ）、（ｃ）に示した電極基板１２０は、可動ミラー１１１と突起１２２が接触する場合の接触面積を低減する例である。図４（ｂ）は突起１２２を点状にした例であり、図４（ｃ）は突起１２２を短くしかつ分割した例である。

マイクロミラー１００は突起１２２を有さない構造としても良い。この場合、図１および図４の突起１２２をなくした構造とすることで、突起１２２を有さないマイクロミラー１００が実現できる。後述する図６（ａ）、（ｂ）は突起１２２を有さないマイクロミラー１００の例である。突起１２２を有さないマイクロミラー１００においても、反射面１１２側の形状やミラー端部１１８の形状は図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した形状が適用できる。

また、上述のように、可動ミラー１１１の厚さが、反射面１１２を有する部分において最大となっていることが好ましい。該構成とすることで作製が容易になるからである。該構成の可動ミラー基板１１０の作製方法の例として、ＳＯＩ基板を用いた作製方法を、図５を用いて説明する。可動ミラー基板１１０を形成する基板として、ＳＯＩ基板を用いる（図５（ａ））。ＳＯＩ基板の活性層１７３(Ｓｉ層)側にミラー電極部１１３を形成し、ベース層(Ｓｉ層)１７１に反射面を形成する。ＳＯＩ基板は両面を鏡面研磨する。なお、活性層１７３(Ｓｉ層)にミラー電極部１１３を形成するのは、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いからであるので、もし、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より厚ければ、活性層(Ｓｉ層)１７３側に反射面１１２を形成する。通常、活性層(Ｓｉ層)１７３側がベース層(Ｓｉ層)１７１側より薄いので、以下活性層(Ｓｉ層)１７３側にミラー電極部１１３を形成する場合の作製方法を説明する。

活性層(Ｓｉ層)１７３側の面にフォトリソグラフィーによりミラー電極部１１３の形状および梁１１４の形状を、フォトレジスト、アルミニウム膜、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す（図５（ｂ））。図５（ｂ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。梁１１４の厚さは活性層(Ｓｉ層)１７３の厚さで与えられる。ベース層(Ｓｉ層)１７１側に反射面１１２側の可動ミラー形状を、フォトレジスト、アルミニウム膜、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、ドライエッチングを施す(図５（ｃ）)。図５（ｃ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。反射面１１２側にパターンニングする可動ミラー形状は、例えば、図２に示した形状とする。反射面１１２を有する部分の厚さはベース層(Ｓｉ層)１７１の厚さで与えられるので、可動ミラー１１１の厚さは反射面１１２を有する部分で最大となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部１１７の厚さは活性層(Ｓｉ層)１７３の厚さに中間層(ＳｉＯ_２層)１７２を加えた厚さとなる。中間層(ＳｉＯ_２層)１７２をウェットエッチングで除去する（図５（ｄ））。図５(d)に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。この工程によって可動ミラーは梁１１４のみで可動ミラー基板１１０に連結された状態となる。すなわち梁１１４で与えられる中心軸１１５の周りに回動自在な状態となる。ドライエッチングで薄くした肉薄部１１７の厚さは梁１１４の厚さと一致する。図５（ｄ）に示した状態の可動ミラーを構成する要素を基体１１９と称する。すなわち基体１１９とは可動ミラー１１１構成要素の内、構成材料として用いた基板のみで形成されている部分を示す。最後に反射面１１２に反射膜、ミラー電極部１１３に導電性膜を、例えばスパッタリングで成膜する（図５（ｅ））。

上述したＳＯＩ基板を用いた可動ミラー基板１１０の作製方法の場合、可動ミラー１１１の各部分の厚さをＳＯＩ基板の各層の厚さで制御することができるので製造が容易である。反射面１１２およびミラー電極部１１３は、特に反射面１１２は光学特性を維持するために、平坦であることが必要である。反射面１１２およびミラー電極部１１３の平坦性は両面を鏡面研磨したＳＯＩ基板の平坦性で確保する。上述した作製方法例ではエッチング面を反射面１１２に用いないので、エッチング面の平坦を要求する必要は無い。上述した手順ではＳＯＩ基板の中間層(ＳｉＯ_２層)１７２をドライエッチング(図５（ｂ）、（ｃ）)でのエッチストップ層として利用することができるので製造を容易にできる。同様にドーパントをドープしてエッチレートを変えた層を作製し、該層をエッチストップ層として機能させるシリコン基板を材料とする場合も、可動ミラー基板１１０の製造を容易にできる。該基板を用いた作製方法例の説明は、ＳＯＩ基板を用いた作製方法に準じるので、説明は省略する。

なお、上述した製法は一例であって、本発明のマイクロミラー１００の製法を限定するものではない。例えばベース層(Ｓｉ層)１７１側のシリコンを部分的に適当な深さ(例えば半分)エッチングし、エッチング面を反射面１１２とする構造としても良い。図６（ａ）に可動ミラー１１１を一定量エッチングしてエッチング面を反射面１１２とした静電駆動型のマイクロミラー１００の実施形態を図示する。反射面１１２は可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、反射面１１２を有する部分は可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。また、形成されている肉厚部１１６の表面も可動ミラー基板１１０の表面よりも低く、肉厚部も可動ミラー基板１１０よりも厚さが小さくなっている。図６（ａ）の例では、反射面１１２と同じ厚さとなっている。図６（ａ）の構成では、可動ミラー基板１１０を厚くして、該基板の剛性を高く保ちつつ、可動ミラー基板の質量を小さくすることができる。なお、本実施例は、電極基板１２０に突起１２２を有さない例としているが、突起１２２の有無はマイクロミラー１００の用途に応じて選択すればよい。

別の実施例として肉厚部１１６部分の厚さを、反射面１１２を有する部分の厚さより薄く、かつ可動ミラー１１１で最も薄い部分である肉薄部１１７の厚さより厚くする構成例を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示した構成は、例えば肉厚部１１６に意図的にサイドエッチ(マスク側面から回り込んだエッチャントによる側面からのエッチングの進行)を発生させることで実現することができる。あるいは反射面１１２を有する部分のマスク厚を肉厚部１１６のマスク厚より厚くすることで、図５（ｃ）のエッチング工程の途中から意図的に肉厚部１１６をエッチングすることで実現することができる。肉厚部１１６の厚さを低減することで可動ミラー１１１の質量および慣性モーメントを低減することができる。特にミラー端部１１８付近の肉厚部１１６を薄くすることは慣性モーメントの低減に効果的に寄与する。なお、図に明記していないが、肉薄部１１６の厚さは一様でなくても良く、部分的に薄くすることもできる。例えば反射面１１２付近では反射面１１２部分の厚さと同じ厚さであり、ミラー端部１１８に近付くに連れて徐々に薄くなる構造とすることもできる。

次に電極基板１２０の作製方法例を、図７を用いて説明する。図７の電極基板１２０はスペーサ１３０を電極基板と一体形成した例であり、図１のマイクロミラー１００に用いる電極基板１２０の作製例に相当する。電極基板１２０を形成する基板として、シリコン(Ｓi)基板１８１を用いる（図７（ａ））。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状をフォトレジスト、酸化シリコン膜等のマスク材で、パターニングし、エッチャントにＫＯＨ(水酸化カリウム水溶液)を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図７（ｂ）)。図７（ｂ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。本工程でスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さの差が形成される。表面にフォトリソグラフィーによりスペーサ１３０の形状と突起１２２の形状をパターニングし、エッチャントにＫＯＨ等を用いた異方性ウェットエッチングを施す(図７（ｃ）)。図７（ｃ）に示した矢印はエッチングの進行方向を示す。シリコン(Ｓｉ)基板１８１の表面に絶縁膜として熱酸化膜(ＳｉＯ_２) を形成する(図７(ｄ))。最後に、例えばスパッタリングで導電性の駆動電極部１２１、配線１２３、電極パッド１２４を成膜する(図７（ｅ）)。

なお、上記した製法は一例であり、電極基板１２０の作製方法を限定するものではない。例えばエッチング方法は等方性ウェットエッチングでもドライエッチングでも良い。あるいは突起１２２、スペーサ１３０を積層で作製することもできる。本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０の高さと突起１２２の高さが異なっているので、エッチングを２回施したが、両者の高さは一致していてもよく、その場合、エッチング回数を１回とすることができる。また、本実施形態の電極基板１２０は突起１２２を形成した例であるが、突起１２２を形成しない場合、エッチング回数を１回とすることができる。本実施形態の電極基板１２０はスペーサ１３０を一体形成した例であるが、スペーサ１３０を別部材で作製する場合、エッチング回数を１回とすることができる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合の作製方法は図示しないが、例えばシリコン(Ｓi)基板の厚さをエッチングで調整して形成することができる。さらに必要に応じて、表面を熱酸化し絶縁性を与えることや、表面に導電性膜を成膜して導電性を与えることができる。

以下、マイクロミラー１００を形成する方法を、静電駆動マイクロミラーを例に説明する。図１に示した本発明の実施形態のマイクロミラー１００の例では、図４に例示したスペーサ１３０を一体形成した電極基板１２０と、図２に例示した可動ミラー基板１１０とを接着、接合または締結することで静電駆動型のマイクロミラー１００を構成する。可動ミラー基板１１０と、スペーサを一体形成した電極基板１２０の並進位置は、例えば、両者に位置合わせ用孔(図示せず)を形成し、該位置合わせ用孔にピンまたは球体等を挿入することで、両者の並進位置を制御することができる。別の例として、可動ミラー基板１１０と、スペーサを一体形成した電極基板１２０に位置合わせ用のパターン(図示せず)を形成し、パターン認識(例えば画像処理)によって両者の並進位置を制御することができる。可動ミラー基板１１０と電極基板１２０の高さはスペーサ１３０の精度で与える。接着によって静電駆動マイクロミラー１００を形成する場合は、接着剤として、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。あるいは、熱硬化樹脂を用いることができる。接合で静電駆動マイクロミラー１００を形成する場合は、例えば金-錫はんだ等を用いることができる。スペーサ１３０を可動ミラー基板１１０や電極基板１２０と独立に作製する場合、あるいは可動ミラー基板１１０にスペーサ１３０を一体形成する場合も同様の方法でマイクロミラー１００が作製できる。

図８に本発明のマイクロミラー１００の別の実施形態を示す。図８（ａ）に示す通り、本実施形態のマイクロミラー１００は、マイクロミラー１００を密封可能な筐体１４０に収め、筐体内部を光学オイル１５０で充填することを特徴とする。静電駆動マイクロミラー１００周囲に充填された光学オイル１５０は、可動ミラー１１１に衝撃が加わった時の抑制力として機能するので可動ミラー１１１の耐衝撃性を向上させることができる。図８は可動ミラー動作時に可動ミラー１１１の端部１１８が電極基板１２０と接触する構造の静電駆動マイクロミラー１００の例であるが、可動ミラーの端部１１８が電極基板１２０と接触することを要求するものではない。本実施形態のマイクロミラー１００は可動ミラーの端部１１８を電極基板１２０と接触させずに駆動させる方式とすることもできる。
図８（ｂ）は図８（ａ）に示した電極基板１２０を可動ミラー基板１１０側から見た図である。基本的な構成は図４で説明した電極基板１２０と同じであるが、可動ミラー１１１の端部１１８が接触する付近に抵抗配線１２５を有することを特徴とする。前述の通り、本実施形態のマイクロミラー１００は可動ミラー１１１の端部１１８を電極基板と接触させずに駆動させる方式としても良い。可動ミラー１１１の端部１１８を電極基板と接触させずに駆動させる方式の場合抵抗配線１２５は不要である。該抵抗配線１２５は可動ミラー１１１とは接触しない。可動ミラー１１１を動作させ始めるときに可動ミラーの端部１１８が接近している側の抵抗配線１２５に通電することで、光学オイル１５０に気泡１５１を発生させる。該気泡１５１で可動ミラー１１１に押上げ力を加えることで、可動ミラー１１１に初速度を与え、可動ミラー１１１の動作を補助し、可動ミラー１１１の凝着防止にも寄与する。気泡１５１の発生を図８（ｃ）に示す。

上述したそれぞれの実施形態に基づく構成により、可動ミラー１１１が光学的に機能する部分(すなわち反射面１１２を有する部分)の厚さを維持しつつ、可動ミラー１１１の質量および慣性モーメントを低減させることが可能となり、光学特性すなわち反射面１１２での損失を抑制しつつ、耐衝撃性や高速制御性に優れたマイクロミラーが実現できる。

上記説明は一軸回転の静電駆動マイクロミラーの説明であるが、本発明は一軸回転の静電駆動マイクロミラーに限定されるものではなく、多軸回転ミラーに適用することもできる。図９に二軸回転の静電駆動マイクロミラーの断面図を例示する。図９に示す構成では、可動ミラー１１１を支持して回転軸１１５を与える第１の梁が、可動ミラー１１１の周囲に配置された外枠部１６０に連結され、さらに該外枠部１６０は前記回転軸１１５とは直交する方向で第２の梁１６２によって可動ミラー基板１１０に連結されている。第２の梁１６２が与える回転軸と反射面１１２を有する部分との関係等は前述の一軸回転の場合と同様である。

図１２は本発明の光部品の実施形態として光スイッチの例を示す。本発明のマイクロミラーを光部品に適用することで、光学特性すなわち反射面での損失を抑制しつつ、耐衝撃性や高速制御性に優れた光部品が実現できる。高集積・高速制御性が要求される光スイッチには、本発明のマイクロミラーは好適である。図１２の実施形態では、１×２型の光スイッチを例に示しているが、本発明の光スイッチは、本発明のマイクロミラーと、１以上の入力側光ファイバと、前記入力側光ファイバに対置された入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、前記出力側光ファイバに対置された出力側コリメートレンズとを備えて、前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記マイクロミラーで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する構成であればよい。この場合入力側光ファイバが１で、出力側光ファイバが１の場合は、オンオフスイッチを構成することになる。

図１２(a)は光ファイバ２０２同士を角度配置する光スイッチの構成である。光偏向手段として、本発明に係るマイクロミラーを用いている。光ファイバ２０２ａからの入射光はコリメートレンズ２０４ａでコリメートされ、可動ミラー１１１の反射面に入射する。その光路２０９は可動ミラー１１１の回動によって切り換えられ、光ファイバ２０２ｂと２０２ｃの間で結合を切り換える。可動ミラー１１１で反射された光は光ファイバ２０２ｂまたは２０２ｃに入射する前にコリメートレンズ２０４ｂまたは２０４ｃでコリメートされる。本構成の光スイッチは、本発明に係るマイクロミラーを用いているため、光学特性、耐衝撃性、高速制御性に優れる。

また、図１２（ａ）の構成では、光部品として光ファイバの結合を切り換える光スイッチを示したが、光ファイバの一部の代わりにフォトダイオードなどの光検出素子を配置して、光検出器を構成しても良い。あるいはレーザ光源から発した光の進行方向を本発明のマイクロミラーで切り替えて所望の光ファイバに結合させる光デバイスを構成しても良い。本発明のマイクロミラーは、上述のように光偏向手段として優れる一方、その適用形態に制限はないことから、光偏向手段を必要とする光部品に広く適用することができる。すなわち、本発明のマイクロミラーを光偏向手段として用いて光部品を構成することができる。

図１２（ｂ）の構成例では、光ファイバ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃと可動ミラー１１１との間にコリメートレンズアレイを配置して、前記各光ファイバにはコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃを対置させている。ここで、複数の光ファイバのうちの少なくとも一部、例えば図１２（ｂ）の例では光ファイバ２０２ａ、２０２ｃとそれぞれに対置するコリメートレンズ２０４ａ、２０４ｃをオフセット配置する。オフセット配置とは光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらして配置することとする。光ファイバの光軸とコリメートレンズの光軸をずらすと、コリメートレンズを通過後の光ビーム２０９の光軸は、光ファイバのずれ方向と逆方向に偏向する。従って、図１２（ｂ）において光ファイバ２０２ａをコリメートレンズ２０４ａに対し光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらすと、光ビーム２０９の光軸はマイクロミラー中央方向に偏向する。その結果、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面で反射される。反射光がコリメートレンズ２０４ｃへ向かった場合、光ファイバ２０２ｃがコリメートレンズ２０４ｃに対して光ファイバ２０２ｂから遠ざかる方向にずらしておくことで、光ビームは光ファイバ２０２ｃに結合する。本構成では本発明の静電駆動マイクロミラー１００の特性を活かしつつ、シリンドリカルレンズを不要とすることで光学素子数が低減できる。また入出力側の光ファイバ２０２が平行配列であるので配列し易い。

図１２（ｃ）の構成例では、コリメートレンズ２０４ａ、２０４ｂ、２０５ｃと可動ミラー１１１との間に固定ミラー２３０が配置され、光ファイバ２０２ａからの入射光は可動ミラー１１１の反射面に集光し、該反射面による反射光は光ファイバ２０２ｃに結合される。図１２（ｂ）のコリメートレンズをオフセット配置する変わりに、固定ミラー２３０を用いている。また、入出力側の光ファイバ２０２は図１２（ｂ）の場合と同様に平行配列である。固定ミラー２３０は反射損失、波長依存性損失に優れた光学部品であるので、本構成においては、光スイッチ２００の光学特性向上が期待できる。また固定ミラー２３０は作製が容易という利点もある。

図１０は本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの別の例である。図１０は図１に示した一軸回転ミラーを用いた静電駆動型の１入力２出力の光スイッチの例であるが、マイクロミラー１００の駆動方式を、可動ミラー１１１を電極基板１２０に接触させない駆動方式とすることで、１入力多出力の光スイッチとすることもできる(図示せず)。マイクロミラー１００を、例えば図９に示したような、多軸回転ミラーとすることで、多入力多出力の光スイッチを構成することもできる(図示せず)。

図１０に示した光スイッチ２００は、入力側光ファイバ２０２ａと入力側コリメートレンズ２０４aを有する入力ポートと、シリンドリカルレンズ２０５、マイクロミラー１００、出力側コリメートレンズ２０４ｂ、２０４ｃと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有する出力ポート１００、を構成要素として有する１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)である。すなわち、図１０に示す実施形態は、図１２（ｂ）、（ｃ）のオフセット配置、固定ミラーの代わりに、集光光学系をコリメートレンズとマイクロミラーの間に配置し、該集光光学系を用いて反射面に光ビームを集光する構成である。図１０では、集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いている。

光スイッチ２００内で、マイクロミラー１００の反射面１１２に、光ビーム２０９を集光する集光光学系であるシリンドリカルレンズ２０５を用いると、マイクロミラー１００の反射面１１２を小型化できる。反射面１１２は光ビーム２０９を集光した分だけ小さくできる。このことを、図１１を用いて説明する。図１１にＤ_０で示した領域は集光光学系を用いない場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄ_０を十分にカバーするために、マイクロミラー１００の反射面１１２の長さとしてＬ_０が求められる。一方ハッチングで示した領域Ｄは集光光学系としてシリンドリカルレンズを用いた場合の反射面１１２における光ビーム径である。前記領域Ｄを十分にカバーするため求められる反射面１１２の長さＬで十分となる。その結果、反射面１１２を小さくすることができ、マイクロミラー１００の質量と慣性モーメントを低減することができるので、耐衝撃性、高速制御性はさらに向上する。なお、反射面１１２において光ビーム２０９が集光する特性を有しているのであれば、シリンドリカルレンズ２０５は他の集光光学素子(レンズ)で置き換えることができる。

図１０に示す光スイッチをその機能とともに更に詳述する。図１０の構成は、１本の入力側光ファイバ２０２ａと２本の出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃを有し、可動ミラー１１１が前記入力側光ファイバ２０２ａと第一の出力側光ファイバ２０２ｂとの間に光路を形成する第一の姿勢と前記入力側光ファイバ２０２ａと第二の出力側光ファイバ２０２ｃとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、可動ミラー１１１が第一の姿勢および第二の姿勢において他の部材と接点を持つ構成であり、集光光学系としてシリンドリカルレンズ２０５を用いる光スイッチ２００である。例えば、可動ミラー１１１を図１に示す一軸回転型の静電駆動ミラーとすると、可動ミラー端部１１８およびミラー電極部１１３の中央付近がそれぞれ電極基板１２０および突起１２２と接触することで第一の姿勢あるいは第二の姿勢が実現できる。該構成の静電駆動マイクロミラー１００は、光学特性、耐衝撃性および高速制御性に優れるだけでなく、動作角度の安定性にも優れるので、光スイッチの光学特性向上に効果的である。該構成の静電駆動マイクロミラー１００は、２値デジタル駆動をするので、該構成の静電駆動マイクロミラー１００を用いて１入力２出力の光スイッチ(１×２光スイッチ)が実現できる。上記構成の光スイッチでは入力側光ファイバ２０２ａと出力側光ファイバ２０２ｂ、２０２ｃが一直線上に配置可能であるので、集光光学系としてシリンドリカルレンズを適用することができる。

図１０（ａ）は、入力側光ファイバ２０２ａから第一の出力側光ファイバ２０２ｃへの光路形成状態を示す図である。図１０（ａ）において可動ミラー１１１は第一の姿勢をとる。図１０（ｂ）は入力側光ファイバ２０２ａから第二の出力側光ファイバ２０２ｂへの光路形成状態を示す図である。図１０（ｂ）において可動ミラー１１１は第二の姿勢をとる。図１０（ｃ）は可動ミラー１１１に駆動力を与えない状態を示す図である。

本発明に係るマイクロミラーを図１０に示した１×２光スイッチに適用し、さらに該１×２光スイッチをアレイ化して光スイッチアレイ３００とする例を図１３に示し、本発明に係るマイクロミラーおよび光スイッチをさらに詳しく説明する。

図１３に示した光スイッチアレイ３００は、光ファイバアレイ２０３と、コリメートレンズアレイ２０４と、シリンドリカルレンズ２０５と、静電駆動型のマイクロミラー１００を構成要素に持つ。図１３に示した光スイッチアレイ３００は独立に動作する８組の１×２光スイッチが集積化された光スイッチアレイである。ただし、図１３は１×２光スイッチの集積化可能な数を限定するものではない。また、本発明のマイクロミラー１００の適用デバイスを限定するものでもない。各１×２光スイッチ要素は図１０に示した構造をとる。各１×２光スイッチ要素で使用するマイクロミラー１００は図１に示したマイクロミラーである。可動ミラー１１１はミラー端部１１８とミラー電極部１１３の中央付近が、電極基板１２０と突起１２２に接触することで、動作角度を決定する。光スイッチ２００の切替動作中には一時的に可動ミラー１１１と突起１２２の接触が開放される。

光ファイバアレイ２０３は２４本の光ファイバ２０２と該ファイバを整列させる基板(光ファイバ整列基板)２１８、２１９を構成要素に持つ。本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化するので、２４本の光ファイバ２は一方向に３本、それと直交する方向に８本配列する。ここで、３本配列した光ファイバは１つの１×２光スイッチに対応する1本の入力光ファイバと２本の出力光ファイバに対応する。この配列方向を切り替え方向と定義する。切り替え方向と直交する配列方向を集積化方向と定義する。切り替え方向と集積化方向の定義は図１３に記載する。

本実施例においては切り替え方向の光ファイバピッチを０.５ｍｍとし、集積化方向の光ファイバピッチを１ｍｍとする。光ファイバアレイ２０３においては、光ファイバが精度よく整列されている。本実施例では、光ファイバ整列用孔を形成した光ファイバ整列基板２１８を用いて光ファイバを整列させる。光ファイバアレイ２０３の整列精度は、光ファイバ整列基板２１８に形成する光ファイバ整列用孔の精度で与える。

本実施例は８組の１×２光スイッチの集積化しているので、コリメートレンズアレイ２０４は切り替え方向に３つ配列し、集積化方向に８つ配列した合計２４個のコリメートレンズを構成要素に持つ。ここで切り替え方向と集積化方向の定義は、光ファイバアレイ２０３で定義した方向に準ずる。コリメートレンズアレイ２０４のピッチは光ファイバアレイ２０３のピッチに対応させる。本実施例においてはコリメートレンズアレイの切り替え方向のピッチは０.５ｍｍ、集積化方向のピッチは１ｍｍとする。本実施例ではコリメートレンズアレイ２０４は基板厚さが０.６２５ｍｍのシリコン基板をエッチングすることで作製する。コリメートレンズアレイ２０４の表裏面には使用する光の波長(１５００〜１６５０ｎｍ)に対応した反射防止膜を成膜する。コリメートレンズアレイ２０４は光ファイバアレイ２０３に対向する側が平面でシリンドリカルレンズ２０５に対向する側に凸レンズを形成する構造とする。コリメートレンズアレイ２０４を構成する各コリメートレンズはレンズ径が０.４５ｍｍの球面凸レンズとし、その曲率半径は３ｍｍとする。光ファイバ整列基板２１８とコリメートレンズアレイ２０４との間隙は入力光ファイバから出射された光が所望の特性を持つコリメートビームとなるように選択する。

本実施例では８つの１×２光スイッチで1つのシリンドリカルレンズ２０５を共用する。該シリンドリカルレンズ２０５は光学ガラス(ＢＫ７)製とし、曲率半径を３.５８ｍｍ、焦点距離を７.１５ｍｍとする。シリンドリカルレンズ２０５には表裏面に使用する光の波長(１５００〜１６５０ｎｍ)に対応する反射防止膜を成膜する。シリンドリカルレンズ２０５は曲面側をコリメートレンズアレイ２０４に対向させ、平面側をマイクロミラー１１０に対向させる向きに配置する。

本実施例は８組の１×２光スイッチを集積化しているので、本発明のマイクロミラー１００を８つ有する。各マイクロミラー１００はマイクロミラーの配列方向に回転中心軸を取った一軸回転可能な構造とする。マイクロミラーの配列方向は、光ファイバアレイ２０３およびコリメートレンズアレイ２０４の集積化方向に対応する方向とする。したがってマイクロミラー１００は光ファイバアレイ２０３の集積化方向のピッチに対応したピッチで一列に配列される。本実施例ではマイクロミラー１００のピッチは１ｍｍとする。

可動ミラー１１１は、弾性部材である２本一対の梁１１４によって支持され、該梁１１４は可動ミラーが形成されている基板(可動ミラー基板)１１０に連結されている。梁１１４は可動ミラー１１１が回転およびＺ方向の並進運動すなわち沈み込みを行いやすいように、折り返し構造の梁で構成している。

電極基板１２０には可動ミラー１１１を駆動するための駆動電極部１２１を形成する。電極基板１２０には１５μｍの突起１２２を形成する。電極基板１２０は図７に示した方法で作製する。

可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面の回動中心軸に直交する方向の長さは１７３５μｍとする。可動ミラー１１１は、電極基板１２０に接触するまで動作させる。可動ミラー１１１と電極基板１２０は、ミラー端部１１８で電極基板１２０と接触し、反射面を有する側の反対側の面の中央付近で突起１２２と接触して、傾斜角度１度を実現する。電極基板１２０のミラー端部１１８が接触する部分には駆動電極部１２１を配置しない。

入力側の光ファイバ２０２aから出射され対応するコリメートレンズ２０４ａでコリメートビーム化された光はシリンドリカルレンズ２０５の作用で可動ミラーの反射面１１２において可動ミラーの配列方向に長径を有する擬楕円形状となる(図１１参照)。反射面１１２において、光は長径方向に０.２〜０.２５ｍｍ、短径方向に０.１〜０.１５ｍｍとなるので、可動ミラーの反射面１１２は０.４ｍｍ×０.３ｍｍとする。可動ミラーの反射面を有する側の反対側の面の幅、すなわち回動中心軸方向の長さ、は０.５ｍｍとする。反射面側の肉厚部１１６の形状は図２に示した形状とする。肉厚部１１６の線幅は５０μｍとする。肉厚部１１６部分の厚さは反射面を有する部分の厚さと一致させる。該厚さは可動ミラー基板１１０の厚さと一致する。

可動ミラー基板１１０は活性層(Ｓｉ層)１７３厚さ１０μｍ、中間層(ＳｉＯ_２層)１７２厚さ１μｍ、ベース層(Ｓｉ層)１７１厚さ３００μｍのＳＯＩを材料とし、図５に示した方法で作製する。反射面１１２部分の厚さはＳＯＩ基板の初期厚さと同じ３１１μｍである。梁１１４の厚さはＳＯＩの活性層(Ｓｉ層)の厚さである１０μｍとなる。肉厚部１１６の厚さは、反射面１１２部分の厚さと同じく３１１μｍとなる。可動ミラーの肉薄部１１７の厚さは、梁１１４の厚さと同じ１０μｍである。

本発明静電駆動マイクロミラーは質量と慣性モーメントがそれぞれ２．５×１０^−７［ｋｇ］、６.３×１０^−１４［ｋｇ・ｍ^２］となる。ただし、シリコン(Ｓｉ)の密度は２３３０［ｋｇ／ｍ^３］とした。該質量および慣性モーメントは可動ミラー全体がＳＯＩ基板の初期厚さである３１１μｍである構成例の質量および慣性モーメント６.３×１０^−７［ｋｇ］、１.８×１０^−１３［ｋｇ・ｍ^２］に対して、それぞれ０.４倍、０.３５倍に低減する。したがって、同じ剛性の梁で支持する場合、耐衝撃性は質量に反比例し、２．５倍に向上し、回転動作の共振周波数は慣性モーメントの平方根に反比例し、１.７倍に向上する。また、可動ミラー全体を活性層(Ｓｉ層)の厚さである１０μｍとした場合に対して、反りに対する耐性は厚さの２乗倍すなわち９００倍以上に向上する。なお、本実施例のＳＯＩ基板は十分な厚みを有するので取り扱いが容易な点でも好適である。従って、本発明の静電駆動マイクロミラーは光学特性および耐衝撃性や高速制御性に優れた静電駆動マイクロミラーであり、本発明の静電駆動マイクロミラーを適用することで光学特性および耐衝撃性や高速制御性に優れた光スイッチを提供する。

本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態に適用する可動ミラー基板の反射面側の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態に適用する可動ミラーの反射面側の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態に適用する電極基板の形状を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態に適用する可動ミラー基板の作製方法例を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態に適用する電極基板の作製方法例を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態において集光光学素子を用いる効果を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチの実施形態を示す図である。 本発明のマイクロミラーを用いた光スイッチをアレイ化した光スイッチアレイの実施形態を示す図である。 反射面を有する部分の基体厚さと肉薄部の厚さの比と反り耐性の関係を示す図である。

符号の説明

１００：マイクロミラー １１０：可動ミラー基板 １１１：可動ミラー
１１２：反射面 １１３：ミラー電極部 １１４：梁 １１５：中心軸 １１６：肉厚部
１１７：肉薄部 １１８：端部 １１９：基体 １２０：電極基板 １２１：駆動電極部 １２２：突起 １２３：配線 １２４：電極パッド １２５：抵抗配線
１２６：抵抗配線パッド １３０：スペーサ １４０：筐体 １５０：光学オイル
１５１：気泡 １６０：外枠部 １６２：第２の梁部 １７１：ベース層
１７２：中間層 １７３：活性層 １８１：シリコン基板 ２００：光スイッチ
２０２、２０２a、２０２b、２０２c：光ファイバ ２０３：光ファイバアレイ
２０４：コリメートレンズアレイ ２０４a、２０４b、２０４c：コリメートレンズ
２０５：シリンドリカルレンズ ２０９：光路(光ビーム)
２１８、２１９：光ファイバ整列基板 ２３０：固定ミラー ３００：光スイッチアレイ

Claims (11)

1. 一方の面に反射面を有する可動ミラーと、前記可動ミラーが連結される可動ミラー基板と、前記可動ミラーと前記可動ミラー基板とを連結し、前記可動ミラーを前記可動ミラー基板に対して回動可能に支持する梁とを備え、
   前記反射面は前記可動ミラーの基体に形成された膜で構成され、
   前記基体は前記反射面を有する部分よりも厚さの小さい肉薄部を有するとともに、前記肉薄部は少なくとも前記反射面を有する側の面において前記反射面を有する部分の高さと異なる高さの面を有するマイクロミラー。
2. 前記反射面を有する側の面の反対側の面に形成されたミラー電極部と、前記ミラー電極部に対向して配置された駆動電極部とを備え、
   前記可動ミラーは前記駆動電極部と前記ミラー電極部との間に印加される静電力によって駆動することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー。
3. 前記反射面と前記ミラー電極部が略平行であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロミラー。
4. 前記可動ミラーは前記梁を中心軸として回動し、前記中心軸は前記可動ミラーの面内方向の中央に位置し、前記反射面は前記中心軸に跨っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロミラー。
5. 前記反射面を有する面側に、前記反射面を有する部分の他に、前記肉薄部よりも厚さが大きくなっている肉厚部を有していることを特徴とする請求項１〜４に記載のマイクロミラー。
6. 前記肉厚部が、少なくとも一部において前記肉薄部を挟んで、前記反射面を有する部分を枠状に包囲していることを特徴とする請求項５に記載のマイクロミラー。
7. 前記可動ミラーの厚さは、前記反射面を有する部分において最大となることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロミラー。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロミラーを、光偏向手段として用いた光部品。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロミラーと、１以上の入力側光ファイバと、入力側コリメートレンズと、１以上の出力側光ファイバと、出力側コリメートレンズとを備え、
   前記入力側光ファイバから射出される光ビームを前記マイクロミラーで偏向することで、該光ビームが再結合する出力側光ファイバを選択する光スイッチ。
10. 請求項９に記載の光スイッチにおいて
    集光光学系を用いて前記マイクロミラーの反射面に光ビームを集光することを特徴とする光スイッチ。
11. 請求項１０に記載の光スイッチにおいて、
    前記集光光学素子がシリンドリカルレンズであり、
    前記入力側光ファイバが１本であり、前記出力側光ファイバが２本であり、
    前記可動ミラーが、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの一方の光ファイバとの間に光路を形成する第一の姿勢と、前記入力側光ファイバと前記出力側光ファイバのうちの他方の光ファイバとの間に光路を形成する第二の姿勢を選択可能であり、
    前記第一の姿勢および前記第二の姿勢において可動ミラーが他の部材との接点を有することを特徴とする光スイッチ。

Images