JP3438139B2 - 機械式光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents
機械式光スイッチ及びその製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
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
光スイッチに関し、さらに詳しくは、複数の光ファイバ
ー間の光結合を、ミラーを機械的に動かして制御する機
械式光スイッチ及びその製造方法に関する。
光スイッチに関し、さらに詳しくは、複数の光ファイバ
ー間の光結合を、ミラーを機械的に動かして制御する機
械式光スイッチ及びその製造方法に関する。
背景技術
光ファイバー通信ネットワークの急速な成長により、
光スイッ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。低コストの光学構成要素は、特に光
ファイバーを基礎にした大規模通信ネットワーク及びロ
ーカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）にとって重要であ
る。
光スイッ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。低コストの光学構成要素は、特に光
ファイバーを基礎にした大規模通信ネットワーク及びロ
ーカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）にとって重要であ
る。
最近、マイクロマシン技術を機械式光スイッチの性能
の改善及びコスト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
リックススイ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イッチは、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。
の改善及びコスト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
リックススイ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イッチは、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。
従来の光スイッチにおいては、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。
マトリックススイッチの場合、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
グルスイッ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、従来の光スイッチは、ミラー面の質が悪
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、光ファイバー、ミラー等の個別部品を組
み合わせて構成する従来の光スイッチは、ミラーとファ
イバー整列用構造との光軸合わせ精度が十分でないた
め、個々の光ファイバー毎に、光軸を微調整することが
必要であり、従って調製コストが高いと言った問題があ
る。
いるが、性能を総合的に悪化させる複数の要因がある。
マトリックススイッチの場合、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
グルスイッ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、従来の光スイッチは、ミラー面の質が悪
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、光ファイバー、ミラー等の個別部品を組
み合わせて構成する従来の光スイッチは、ミラーとファ
イバー整列用構造との光軸合わせ精度が十分でないた
め、個々の光ファイバー毎に、光軸を微調整することが
必要であり、従って調製コストが高いと言った問題があ
る。
Ｓｉ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イッチは、深堀り反応性イオンエ
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が、機械式光スイ
ッチとして十分な性能のものが得られていない。
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イッチは、深堀り反応性イオンエ
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が、機械式光スイ
ッチとして十分な性能のものが得られていない。
例えば、深堀り反応性イオンエッチングによる光スイ
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。
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イッチ
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イッチを一括して、微
調整無しにバッチ製造することができない。
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イッチを一括して、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。
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イッチには、（１１０）シリコン
ウエハを使用して、垂直（１１１）側壁をミラーに用い
るものが報告されているが、ファイバー整合用Ｖ溝は形
成することができない。
使用して製造した光スイッチには、（１１０）シリコン
ウエハを使用して、垂直（１１１）側壁をミラーに用い
るものが報告されているが、ファイバー整合用Ｖ溝は形
成することができない。
また、バルクマイクロマシンニングを使用して形成し
た光スイッチの他の例には、（１００）シリコンウエハ
を使用し、ミラーとファイバー整列用構造とを、自己整
合によって形成し、（１００）側壁をミラーに使用する
ものが報告されているが、ビームスプリッタのような受
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ー間の光結合を制御する機械式
光スイッチはない。
た光スイッチの他の例には、（１００）シリコンウエハ
を使用し、ミラーとファイバー整列用構造とを、自己整
合によって形成し、（１００）側壁をミラーに使用する
ものが報告されているが、ビームスプリッタのような受
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ー間の光結合を制御する機械式
光スイッチはない。
このように、従来の機械式光スイッチは、入出力用の
光ファイバーと可動ミラー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。
光ファイバーと可動ミラー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、高品質なミラー
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イッチを提供
することにある。
決するものであり、第１の目的として、高品質なミラー
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イッチを提供
することにある。
さらにこの発明の第２の目的として、生産コストが劇
的に低いその製造方法を提供することにある。
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
光スイッチは、Ｓｉ単結晶基板に、光ファイバーを固定
する複数のＶ溝と、これらのＶ溝に固定された複数の光
ファイバー間の光路を切り替える可動ミラーと、可動ミ
ラーを駆動する外力印加手段とを備え、Ｖ溝と可動ミラ
ーが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、Ｖ溝と可動ミラー面がＳｉ単結晶基板の結
晶方位面の精度で定まる位置精度で配置されていること
を特徴とする。
光スイッチは、Ｓｉ単結晶基板に、光ファイバーを固定
する複数のＶ溝と、これらのＶ溝に固定された複数の光
ファイバー間の光路を切り替える可動ミラーと、可動ミ
ラーを駆動する外力印加手段とを備え、Ｖ溝と可動ミラ
ーが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、Ｖ溝と可動ミラー面がＳｉ単結晶基板の結
晶方位面の精度で定まる位置精度で配置されていること
を特徴とする。
上記Ｓｉ単結晶基板は（１００）面、または、この面
と等価な面を基板面とするＳｉ単結晶基板である。
と等価な面を基板面とするＳｉ単結晶基板である。
上記複数のＶ溝は、Ｓｉ単結晶基板表面に形成され
た、Ｓｉ（１１１）面、またはこの面と等価な面からな
る。上記Ｖ溝は、＜１１０＞方向及びこの方向と等価な
方向を第１の軸とし、この第１の軸を長軸として互いに
対向して配置された２本のＶ溝と、第１の軸に直交し、
かつ、＜１１０＞方向及びこの方向と等価な方向を第２
の軸とし、第２の軸を長軸として互いに対向して配置さ
れた他の２本のＶ溝とからなり、これらのＶ溝は、その
各一端がＳｉ単結晶基板の側面に達し、かつ、各他端が
直交点の手前で終端して配置されていることを特徴とす
る。
た、Ｓｉ（１１１）面、またはこの面と等価な面からな
る。上記Ｖ溝は、＜１１０＞方向及びこの方向と等価な
方向を第１の軸とし、この第１の軸を長軸として互いに
対向して配置された２本のＶ溝と、第１の軸に直交し、
かつ、＜１１０＞方向及びこの方向と等価な方向を第２
の軸とし、第２の軸を長軸として互いに対向して配置さ
れた他の２本のＶ溝とからなり、これらのＶ溝は、その
各一端がＳｉ単結晶基板の側面に達し、かつ、各他端が
直交点の手前で終端して配置されていることを特徴とす
る。
また、可動ミラーは、Ｓｉ単結晶基板表面に直交する
（１００）面、またはこの面に等価な面をミラー面とす
るＳｉ単結晶基板からなるミラーと、ミラーを支持する
弾性支持梁、とからなり、弾性支持梁が、ミラーをＳｉ
単結晶基板表面に対し垂直方向にたわみ可能に支持する
ことを特徴とする。この弾性支持梁は、ミラー面と直交
する梁面を有し、かつ、ミラー面と平行な長軸を有す
る。前記可動ミラーは、直交点領域に形成され、かつ、
ミラーと弾性支持梁は、Ｓｉ単結晶基板からなる一体物
であり、かつ、弾性支持梁の基部はＳｉ単結晶基板と一
体であることを特徴とする。
（１００）面、またはこの面に等価な面をミラー面とす
るＳｉ単結晶基板からなるミラーと、ミラーを支持する
弾性支持梁、とからなり、弾性支持梁が、ミラーをＳｉ
単結晶基板表面に対し垂直方向にたわみ可能に支持する
ことを特徴とする。この弾性支持梁は、ミラー面と直交
する梁面を有し、かつ、ミラー面と平行な長軸を有す
る。前記可動ミラーは、直交点領域に形成され、かつ、
ミラーと弾性支持梁は、Ｓｉ単結晶基板からなる一体物
であり、かつ、弾性支持梁の基部はＳｉ単結晶基板と一
体であることを特徴とする。
また、本発明では、第１の軸を長軸として互いに対向
して配置した２本のＶ溝にそれぞれ配置された一組の光
ファイバーと、第２の軸を長軸として互いに対向して配
置した他の２本のＶ溝にそれぞれ配置された他の一組の
光ファイバーとで構成される光路から、弾性支持梁をた
わませてミラーを離脱させ、互いに対向する二組の光フ
ァイバー間に光路を形成する状態と、弾性支持梁の弾性
エネルギーによりミラーを光路に挿入し、ミラーによる
光の反射を介し、二組の光ファイバーのうちの隣接する
一組の光ファイバー間に光路を形成する状態とを、外力
印加手段によって二つの状態を切り換えることを特徴と
する。
して配置した２本のＶ溝にそれぞれ配置された一組の光
ファイバーと、第２の軸を長軸として互いに対向して配
置した他の２本のＶ溝にそれぞれ配置された他の一組の
光ファイバーとで構成される光路から、弾性支持梁をた
わませてミラーを離脱させ、互いに対向する二組の光フ
ァイバー間に光路を形成する状態と、弾性支持梁の弾性
エネルギーによりミラーを光路に挿入し、ミラーによる
光の反射を介し、二組の光ファイバーのうちの隣接する
一組の光ファイバー間に光路を形成する状態とを、外力
印加手段によって二つの状態を切り換えることを特徴と
する。
この構成によれば、光ファイバーを固定する溝と可動
ミラーの光軸が、結晶方位面の精度で定まる精度で配置
されているから、光ファイバーとミラーの光軸を高精度
に整合させることができ、光損失を大幅に低減すること
が出来る。
ミラーの光軸が、結晶方位面の精度で定まる精度で配置
されているから、光ファイバーとミラーの光軸を高精度
に整合させることができ、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、ミラー面を光ファイバーの光軸から外すことが
できるから、複数の光ファイバー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
梁の弾性エネルギーにより元の位置に戻るから、複数の
光ファイバー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。
ませて、ミラー面を光ファイバーの光軸から外すことが
できるから、複数の光ファイバー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
梁の弾性エネルギーにより元の位置に戻るから、複数の
光ファイバー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。
外力印加手段は、弾性支持梁の裏面に固定した第１の
永久磁石と、弾性支持梁の真下、かつ、空隙を介して配
置された駆動コイル、またはヨークを内包した駆動コイ
ルとからなり、駆動コイルに流す電流のＯＮ，ＯＦＦに
よって、第１の永久磁石を吸引、または、非吸引して、
二つの状態を切り換えてもよい。
永久磁石と、弾性支持梁の真下、かつ、空隙を介して配
置された駆動コイル、またはヨークを内包した駆動コイ
ルとからなり、駆動コイルに流す電流のＯＮ，ＯＦＦに
よって、第１の永久磁石を吸引、または、非吸引して、
二つの状態を切り換えてもよい。
また、外力印加手段は、弾性支持梁の裏面に固定した
第１の永久磁石と、弾性支持梁の真下、かつ、空隙を介
して配置された駆動コイル、またはヨークを内包した駆
動コイルと、駆動コイル、または、このヨークを内包し
た駆動コイルに付加した第２の永久磁石と、からなり、
弾性支持梁の弾性エネルギーに基づく第１の安定位置
と、第２の永久磁石に基づく第２の安定位置とからなる
双安定位置のいずれか一つの安定位置に、駆動コイルに
流す電流の向きを変えて移動させることにより、二つの
状態をスイッチし、双安定位置間を移動させるときのみ
電力を消費するようにしてもよい。
第１の永久磁石と、弾性支持梁の真下、かつ、空隙を介
して配置された駆動コイル、またはヨークを内包した駆
動コイルと、駆動コイル、または、このヨークを内包し
た駆動コイルに付加した第２の永久磁石と、からなり、
弾性支持梁の弾性エネルギーに基づく第１の安定位置
と、第２の永久磁石に基づく第２の安定位置とからなる
双安定位置のいずれか一つの安定位置に、駆動コイルに
流す電流の向きを変えて移動させることにより、二つの
状態をスイッチし、双安定位置間を移動させるときのみ
電力を消費するようにしてもよい。
この構成によれば、駆動コイルに流す電流をＯＮ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ーの光軸から外す
ことができるから、複数の光ファイバー間の光路を変化
させることができる。また、駆動コイルに流す電流をＯ
ＦＦ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
の光ファイバー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。
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ーの光軸から外す
ことができるから、複数の光ファイバー間の光路を変化
させることができる。また、駆動コイルに流す電流をＯ
ＦＦ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
の光ファイバー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、光スイッチングのＯＮと
ＯＦＦにそれぞ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
い光スイッチングが可能になる。
永久磁石を付加する構成では、光スイッチングのＯＮと
ＯＦＦにそれぞ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
い光スイッチングが可能になる。
このように、本発明の機械式光スイッチを用いれば、
低挿入損失の機械式光スイッチとして有効に使用でき
る。
低挿入損失の機械式光スイッチとして有効に使用でき
る。
この発明の第２の目的を達成するために、本発明の機
械式光スイッチの製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板表
面のＶ溝と、Ｓｉ単結晶基板表面に垂直なミラー面を有
するミラーと、ミラーをたわみ可能に支持する弾性支持
梁の厚みとを、一つのエッチングマスクパターンで、か
つ、一回の結晶方位面依存エッチングで形成し、弾性支
持梁の形状及び厚さに即した切り込みをＳｉ単結晶基板
の裏面から入れて形成することを特徴とする。
械式光スイッチの製造方法によれば、Ｓｉ単結晶基板表
面のＶ溝と、Ｓｉ単結晶基板表面に垂直なミラー面を有
するミラーと、ミラーをたわみ可能に支持する弾性支持
梁の厚みとを、一つのエッチングマスクパターンで、か
つ、一回の結晶方位面依存エッチングで形成し、弾性支
持梁の形状及び厚さに即した切り込みをＳｉ単結晶基板
の裏面から入れて形成することを特徴とする。
また、Ｓｉ単結晶基板は、（１００）面、または、こ
の面と等価な面を基板面とするＳｉ単結晶基板であるこ
とを特徴とする。
の面と等価な面を基板面とするＳｉ単結晶基板であるこ
とを特徴とする。
また、一つのエッチングマスクパターンは、Ｖ溝用開
口パターンと、弾性支持梁用開口パターンと、ミラー用
マスクパターンと、を有することを特徴とする。
口パターンと、弾性支持梁用開口パターンと、ミラー用
マスクパターンと、を有することを特徴とする。
また、Ｖ溝用開口パターンは、＜１１０＞方向及びこ
の方向と等価な方向を第１の軸とし、第１の軸を長軸と
して互いに対向して配置された２本の開口パターンと、
第１の軸に直交し、かつ、＜１１０＞方向及びこの方向
と等価な方向を第２の軸とし、第２の軸を長軸として互
いに対向して配置された他の２本の開口パターンとから
なり、これらの開口パターンは、開口パターンの一端が
Ｓｉ単結晶基板の側面に達し、かつ、これらの開口パタ
ーンの他端が弾性支持梁用開口パターンを囲んで配置さ
れていることを特徴とする。
の方向と等価な方向を第１の軸とし、第１の軸を長軸と
して互いに対向して配置された２本の開口パターンと、
第１の軸に直交し、かつ、＜１１０＞方向及びこの方向
と等価な方向を第２の軸とし、第２の軸を長軸として互
いに対向して配置された他の２本の開口パターンとから
なり、これらの開口パターンは、開口パターンの一端が
Ｓｉ単結晶基板の側面に達し、かつ、これらの開口パタ
ーンの他端が弾性支持梁用開口パターンを囲んで配置さ
れていることを特徴とする。
また、弾性支持梁用開口パターンは、＜１００＞方
向、またはこの方向と等価な方向の一辺と、この辺に垂
直な他の辺を有する矩形状開口パターンであることを特
徴とする。
向、またはこの方向と等価な方向の一辺と、この辺に垂
直な他の辺を有する矩形状開口パターンであることを特
徴とする。
また、ミラー用マスクパターンは、弾性支持梁用開口
パターンの各辺に平行な辺を有する矩形状マスクパター
ンであり、弾性支持梁用開口パターンの内部に形成さ
れ、かつ、マスクパターンの中心はミラーの中心に一致
して配置されていることを特徴とする。
パターンの各辺に平行な辺を有する矩形状マスクパター
ンであり、弾性支持梁用開口パターンの内部に形成さ
れ、かつ、マスクパターンの中心はミラーの中心に一致
して配置されていることを特徴とする。
また、一回の結晶方位面依存エッチングのエッチング
時間は、ミラーと弾性支持梁が所定の厚みにエッチング
される時間であり、Ｖ溝の形状はこの時間の長さによっ
て変化しないことを特徴とする。
時間は、ミラーと弾性支持梁が所定の厚みにエッチング
される時間であり、Ｖ溝の形状はこの時間の長さによっ
て変化しないことを特徴とする。
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、（１００）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
（１００）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溝は、（１１１）面又
はこの面に等価な面が構成面となるので、エッチング開
口パターンの幅のみで形状が定まり、エッチング時間に
よらない。従って、光ファイバー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やエッチング時
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、光ファイバーとミラー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。
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、（１００）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
（１００）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溝は、（１１１）面又
はこの面に等価な面が構成面となるので、エッチング開
口パターンの幅のみで形状が定まり、エッチング時間に
よらない。従って、光ファイバー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やエッチング時
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、光ファイバーとミラー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。
このように、本発明の機械式光スイッチの製造方法を
用いれば、生産コストが劇的に低い本発明の機械式光ス
イッチを製造できる。
用いれば、生産コストが劇的に低い本発明の機械式光ス
イッチを製造できる。
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。
細に説明する。
図１はこの発明による機械式光スイッチの一実施形態
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に光ファイバ
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。可動ミラー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、
磁気力や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ー６を上下動させるようになってい
る。そして、図３に示したように、垂直ミラー６を光フ
ァイバー２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなる光路中に挿入
した時、光ファイバー２ａに入力された光が垂直ミラー
６を介して光ファイバー２ｂに向けられ、また図４に示
したように、垂直ミラー６が光路から離脱したとき、フ
ァイバー２ａに入力された光が光ファイバー２ｃと他の
光機器７と光ファイバー２ｄを介して光ファイバー２ｂ
に向けられようになり、かくしてスイッチ動作が実現す
る。
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に光ファイバ
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。可動ミラー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、
磁気力や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ー６を上下動させるようになってい
る。そして、図３に示したように、垂直ミラー６を光フ
ァイバー２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなる光路中に挿入
した時、光ファイバー２ａに入力された光が垂直ミラー
６を介して光ファイバー２ｂに向けられ、また図４に示
したように、垂直ミラー６が光路から離脱したとき、フ
ァイバー２ａに入力された光が光ファイバー２ｃと他の
光機器７と光ファイバー２ｄを介して光ファイバー２ｂ
に向けられようになり、かくしてスイッチ動作が実現す
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、高品質のミラー面と、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。
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。
を生かした、以下に述べる３つの特徴を有している。
１．Ｓｉ（１００）ウェハにおいて、互いに４５度で交
わる＜１００＞及び＜１１０＞方向が、垂直ミラー及び
Ｖ溝のために用いられる。＜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、同時に光ファイバー整列のためにＶ溝が＜１１０＞
方向に形成される。
わる＜１００＞及び＜１１０＞方向が、垂直ミラー及び
Ｖ溝のために用いられる。＜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、同時に光ファイバー整列のためにＶ溝が＜１１０＞
方向に形成される。
２．このミラーの表面は、＜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。
であり、それゆえ光学損失を最小にしている。
３．（１１１）面に対するエッチング選択性が、Ｖ溝の
深さとミラーの高さ、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
イアウトで定める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、光ファイバーの光学軸の高さが
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、マスクのレイアウトで定まる
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。
深さとミラーの高さ、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
イアウトで定める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、光ファイバーの光学軸の高さが
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、マスクのレイアウトで定まる
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Ｓｉ（１００）
面又はこの面に等価な面である。白部分はＳｉ（１０
０）面上でマスキングされている領域を表す。３ａ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Ｓｉ＜１１０＞方向又はこの方向と等価
な方向を向いている。５ａ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＜１００＞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。６ａはミラ
ー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６ａは、矩形５ａ
よりも小さく、矩形６ａの中心がミラーの中心位置に一
致して、かつ、矩形６ａの各辺が矩形５ａの各辺に平行
になるように配置されている。
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Ｓｉ（１００）
面又はこの面に等価な面である。白部分はＳｉ（１０
０）面上でマスキングされている領域を表す。３ａ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Ｓｉ＜１１０＞方向又はこの方向と等価
な方向を向いている。５ａ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＜１００＞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。６ａはミラ
ー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６ａは、矩形５ａ
よりも小さく、矩形６ａの中心がミラーの中心位置に一
致して、かつ、矩形６ａの各辺が矩形５ａの各辺に平行
になるように配置されている。
上記構成のエッチングマスクパターンを使用して、結
晶方位面依存エ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３ａ部分のエッチングは、（１
１１）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。
晶方位面依存エ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３ａ部分のエッチングは、（１
１１）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５ａ部分のエッチングは、（１０
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５ａ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、（１００）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、ミラー形成用の矩形マスクパターン６ａの内部に形
成された面はミラー面を形成する。マスクパターン６ａ
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ッ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。
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５ａ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、（１００）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、ミラー形成用の矩形マスクパターン６ａの内部に形
成された面はミラー面を形成する。マスクパターン６ａ
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ッ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３ａ部分は、結晶方位面
依存エッチングの原理に基づき、（１１１）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３ａの幅で定まるエッチング深さでエッチングが
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
開口パターン５ａ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。
依存エッチングの原理に基づき、（１１１）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３ａの幅で定まるエッチング深さでエッチングが
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
開口パターン５ａ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５ａ部分のエッチン
グは、横方向にも広がってＶ溝３ａ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。
グは、横方向にも広がってＶ溝３ａ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
定することにより、所望の弾性率を有する弾性支持梁及
び所望のミラー形状を有する機械式光スイッチを形成す
ることができる。
スクパターン形状、寸法を所望の性能に合わせ、適宜設
定することにより、所望の弾性率を有する弾性支持梁及
び所望のミラー形状を有する機械式光スイッチを形成す
ることができる。
上記方法によれば、Ｖ溝とミラーは、結晶方位面に基
づいて、自己整合的に光軸合わせされる。
づいて、自己整合的に光軸合わせされる。
この光学スイッチを応用したバイパススイッチの構造
をＣＡＤプロセスシミュレーションソフトウエアを用い
てシミュレーションした結果を図６に示す。
をＣＡＤプロセスシミュレーションソフトウエアを用い
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イッチの実施例を示す。
図７は、（１００）シリコンウエハにおける垂直側壁
とミラーを示している。
とミラーを示している。
底面及び側壁面は全て同じ｛１００｝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。このミラーの厚みは、図９から
分かるように、数マイクロメータまで減少させることが
できる。長さが３ｍｍで高さが２００μｍで厚さが３μ
ｍ以下の構造を容易に達成できる。バイパススイッチの
場合は、バイパスを構成する一つの光路と他の光路の間
の損失の差をなるべく少なくするため、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イッチにおいては、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ァ
イバー配置位置を補正することが行われている。本発の
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。
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。このミラーの厚みは、図９から
分かるように、数マイクロメータまで減少させることが
できる。長さが３ｍｍで高さが２００μｍで厚さが３μ
ｍ以下の構造を容易に達成できる。バイパススイッチの
場合は、バイパスを構成する一つの光路と他の光路の間
の損失の差をなるべく少なくするため、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イッチにおいては、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ァ
イバー配置位置を補正することが行われている。本発の
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。
（１１１）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、スイ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１０に示さ
れている。
依存エッチング）を利用して、スイ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１０に示さ
れている。
図１１は、エッチング途中のバイパススイッチのため
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溝のオーバーエッチング
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、オーバーエッチングを抑えることでファイバーのた
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溝はちょうどエッチングの終わりでミラーに向
かって開口する。
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溝のオーバーエッチング
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、オーバーエッチングを抑えることでファイバーのた
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溝はちょうどエッチングの終わりでミラーに向
かって開口する。
このエッチング原理は、Ｍ＊Ｎマトリックススイッチ
を形成するためにも応用することができる。マトリック
ススイッチのための光学構造の例が図１２に示されてい
る。
を形成するためにも応用することができる。マトリック
ススイッチのための光学構造の例が図１２に示されてい
る。
さらに、この発明による機械式光スイッチの製造は、
以下の順序によって行われる。
以下の順序によって行われる。
（１００）シリコンウエハで始まる。洗浄の後、シリ
コンは湿式酸化により酸化されて表面に０．５μｍの二
酸化シリコン膜を有するようになる。基板表面の二酸化
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（カンチレバー）を形成するた
めの切込み溝のエッ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、Ｓｉ基板への切込みの深さ
が、弾性支持梁（カンチレバー）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ッチングして形成した切
込みと導通し、カンチレバーの形成も完了する。Ｃｒ／
Ａｕ層が真空蒸着によりミラー面に堆積される。図１
３，図１４がバイパス及びスイッチマトリックスの全体
像を示している。
コンは湿式酸化により酸化されて表面に０．５μｍの二
酸化シリコン膜を有するようになる。基板表面の二酸化
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（カンチレバー）を形成するた
めの切込み溝のエッ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、Ｓｉ基板への切込みの深さ
が、弾性支持梁（カンチレバー）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ッチングして形成した切
込みと導通し、カンチレバーの形成も完了する。Ｃｒ／
Ａｕ層が真空蒸着によりミラー面に堆積される。図１
３，図１４がバイパス及びスイッ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（ＫＯＨ）水溶液（２
０〜３０％）を使用し、温度６０℃〜８０℃で行う。エ
ッチング速度は約１μｍ／ｓｅｃである。
０〜３０％）を使用し、温度６０℃〜８０℃で行う。エ
ッチング速度は約１μｍ／ｓｅｃである。
次に、本発明の機械式光スイッチの電磁力による駆動
の実施例を説明する。
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。
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）。
分を含んでいる（図１５参照）。
１．垂直ミラー６と、頂部に１００μｍ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。
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と巻き線１０と永久磁石１１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。
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、巻
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。
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、巻
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のバイパススイッチに適用し
た例を示す。弾性支持梁（カンチレバー）とパーマロイ
片の寸法は、それぞれ１１．７ｍｍ＊１．２ｍｍ＊２０
ｕｍと１ｍｍ＊１ｍｍ＊１００μｍである。鉄製ヨーク
のサイズは、６ｍｍ＊６ｍｍ＊１０ｍｍで３００回の巻
き線が巻かれている。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ーが３３Ｈ
ｚである。
た例を示す。弾性支持梁（カンチレバー）とパーマロイ
片の寸法は、それぞれ１１．７ｍｍ＊１．２ｍｍ＊２０
ｕｍと１ｍｍ＊１ｍｍ＊１００μｍである。鉄製ヨーク
のサイズは、６ｍｍ＊６ｍｍ＊１０ｍｍで３００回の巻
き線が巻かれている。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ーが３３Ｈ
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
１１の磁場とが重畳して、弾性支持梁５は、弾性支持梁
５の剛性に抗して第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。
１１の磁場とが重畳して、弾性支持梁５は、弾性支持梁
５の剛性に抗して第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。
関係を示す。
シングル及びマルチモードのファイバーの寸法は、そ
れぞれ９μｍ及び５０μｍである。だから、スイッチ動
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１００μｍとすると、動力消費は１０ｍＷより小さ
くなる。
れぞれ９μｍ及び５０μｍである。だから、スイッチ動
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１００μｍとすると、動力消費は１０ｍＷより小さ
くなる。
光学的スイッチングは、１．５５μｍ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Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ動作を確実にするミラーのサイズ（１００μ
ｍ＊２００μｍ）よりも小さい。光学的挿入損は、ＯＮ
及びＯＦＦ位置においてそれぞれ０．４６ｄＢ及び０．
５３ｄＢである。
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Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ動作を確実にするミラーのサイズ（１００μ
ｍ＊２００μｍ）よりも小さい。光学的挿入損は、ＯＮ
及びＯＦＦ位置においてそれぞれ０．４６ｄＢ及び０．
５３ｄＢである。
スイッ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ーザー源を使用するシリコン製
の光検出器により測定した。スイッチのレスポンスの典
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０．４ｍｓ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２ｍｓ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１８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（＞５００μｓ）に達することができる。
ｎｍで動作する半導体レーザー源を使用するシリコン製
の光検出器により測定した。スイッチのレスポンスの典
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０．４ｍｓ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２ｍｓ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１８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（＞５００μｓ）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、スイッチの動作の劣化は観察されなかった。
回の後、スイッチの動作の劣化は観察されなかった。
付加電流なしにＯＮ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。０．５Ａ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。
の動作機構も実証されている。０．５Ａ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。
マトリックススイッチの特性
図１４に示すマトリックススイッ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１７０
Ｈｚである。
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１７０
Ｈｚである。
最初、マルチモードファイバーが図２０のファイバー
１及び２間の挿入損の測定に用いられた。挿入損が高い
（＞１０ｄＢ）が、この結果はファイバー間の長い作動
距離（２．８ｍｍ）によるものである。次の段階とし
て、ファイバー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。１．５ｄＢより低い挿入損が期
待できる。挿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。
１及び２間の挿入損の測定に用いられた。挿入損が高い
（＞１０ｄＢ）が、この結果はファイバー間の長い作動
距離（２．８ｍｍ）によるものである。次の段階とし
て、ファイバー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。１．５ｄＢより低い挿入損が期
待できる。挿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イッチの構造模式図を図２０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、巻き線による
１つのカンチレバーの駆動が、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、電流が巻き線１
に印加され、カンチレバー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、それぞれ２８０μｍ及び７μｍであ
る。１００μｍの変位はスイッ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。
したマトリックススイッチの構造模式図を図２０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、巻き線による
１つのカンチレバーの駆動が、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、電流が巻き線１
に印加され、カンチレバー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、それぞれ２８０μｍ及び７μｍであ
る。１００μｍの変位はスイッ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イッチ及びこれを応用したＭ＊
Ｎマトリックススイッ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ー及びＶ溝を得ることに主要な特徴
があり、ミラー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。
ングを用いた機械式光スイッチ及びこれを応用したＭ＊
Ｎマトリックススイッ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ー及びＶ溝を得ることに主要な特徴
があり、ミラー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
及びマトリックススイッチが製造される。ミラーの１０
０μｍの変位が１０ｍＷより少ないエネルギー消費で達
成される。２ｍｓ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５００μｓ以下
の値に達するであろう。６７Ｈｚと１７１Ｈｚ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
ーにより成し遂げることができる。挿入損は、ＯＮ−Ｏ
ＦＦ位置でそれぞれ０．４６ｄＢ及び０．５３ｄＢであ
る。
及びマトリックススイッチが製造される。ミラーの１０
０μｍの変位が１０ｍＷより少ないエネルギー消費で達
成される。２ｍｓ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５００μｓ以下
の値に達するであろう。６７Ｈｚと１７１Ｈｚ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
ーにより成し遂げることができる。挿入損は、ＯＮ−Ｏ
ＦＦ位置でそれぞれ０．４６ｄＢ及び０．５３ｄＢであ
る。
電磁力を用いた自己保持システムが開発され、ＯＮ−
ＯＦＦ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。
ＯＦＦ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イッチにも発展させることが
期待できる。
より大きいマトリックススイッ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
スイッチを用いれば極めて挿入損失の小さい光スイッチ
として使用できる。
スイッチを用いれば極めて挿入損失の小さい光スイッチ
として使用できる。
さらに本発明の製造方法を用いれば、極めて挿入損失
の小さい光スイッチを、極めて低い生産コストで製造で
きる。
の小さい光スイッチを、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。
て有用である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−255826（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−119123（ＪＰ，Ａ)
特表 昭63−501384（ＪＰ，Ａ)
Ｃ Ｍａｒｘｅｒ ｅｔ ａｌ，Ｖｅ
ｒｔｅｃａｌ Ｍｉｒｒｏｒｓ Ｆａｂ
ｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ Ｄｅｅｐ Ｒｅ
ａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ
ｆｏｒ Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉ
ｏｎｓ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，1997年
９月，ｖｏｌ．６，ｎｏ．３，ｐｐ.
277−285
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 26/00 - 26/08
Claims (17)
- 【請求項１】 Ｓｉ単結晶基板に、光ファイバーを固定
する複数のＶ溝と、これらのＶ溝に固定された複数の光
ファイバー間の光路を切り替える可動ミラーと、この可
動ミラーを駆動する外力印加手段とを備え、上記Ｖ溝と
上記可動ミラーが結晶方位面依存エッチングにより上記
単結晶基板に同時に形成され、上記Ｖ溝と上記可動ミラ
ー面が上記Ｓｉ単結晶基板の結晶方位面の精度で定まる
位置精度で配置されていることを特徴とする、機械式光
スイッチ。 - 【請求項２】 前記Ｓｉ単結晶基板は（１００）面、ま
たは、この面と等価な面を基板面とするＳｉ単結晶基板
であることを特徴とする、請求項１に記載の機械式光ス
イッチ。 - 【請求項３】 前記複数のＶ溝は、前記Ｓｉ単結晶基板
表面に形成された、Ｓｉ（１１１）面、またはこの面と
等価な面からなることを特徴とする、請求項２に記載の
機械式光スイッチ。 - 【請求項４】 前記Ｖ溝は、 ＜１１０＞方向及びこの方向と等価な方向を第１の軸と
し、この第１の軸を長軸として互いに対向して配置され
た２本のＶ溝と、 上記第１の軸に直交し、かつ、＜１１０＞方向及びこの
方向と等価な方向を第２の軸とし、この第２の軸を長軸
として互いに対向して配置された他の２本のＶ溝とから
なり、 これらのＶ溝は、各一端が前記Ｓｉ単結晶基板の側面に
達し、かつ、各他端が上記直交点の手前で終端して配置
されていることを特徴とする、請求項３に記載の機械式
光スイッチ。 - 【請求項５】 前記可動ミラーは、前記Ｓｉ単結晶基板
表面に直交する（１００）面、またはこの面に等価な面
をミラー面とする上記Ｓｉ単結晶基板からなるミラー
と、このミラーを支持する弾性支持梁、とからなり、こ
の弾性支持梁が、上記ミラーを上記Ｓｉ単結晶基板表面
に対し垂直方向にたわみ可能に支持することを特徴とす
る、請求項４に記載の機械式光スイッチ。 - 【請求項６】 前記弾性支持梁は、前記ミラー面と直交
する梁面を有し、かつ、このミラー面と平行な長軸を有
することを特徴とする、請求項５に記載の機械式光スイ
ッチ。 - 【請求項７】 前記可動ミラーは、前記直交点領域に形
成され、かつ、前記ミラーと前記弾性支持梁は、前記Ｓ
ｉ単結晶基板からなる一体物であり、かつ、上記弾性支
持梁の基部は上記Ｓｉ単結晶基板と一体であることを特
徴とする、請求項６に記載の機械式光スイッチ。 - 【請求項８】 前記第１の軸を長軸として互いに対向し
て配置した２本のＶ溝にそれぞれ配置された一組の光フ
ァイバーと、前記第２の軸を長軸として互いに対向して
配置した他の２本のＶ溝にそれぞれ配置された他の一組
の光ファイバーと、で構成される光路から、前記弾性支
持梁をたわませて前記ミラーを離脱させ、上記互いに対
向する二組の光ファイバー間に光路を形成する状態と、
上記弾性支持梁の弾性エネルギーにより上記ミラーを上
記光路に挿入し、上記ミラーによる光の反射を介し、上
記二組の光ファイバーのうちの隣接する一組の光ファイ
バー間に光路を形成する状態とを、前記外力印加手段に
よって上記二つの状態を切り換えることを特徴とする、
請求項７に記載の機械式光スイッチ。 - 【請求項９】 前記外力印加手段は、前記弾性支持梁の
裏面に固定した第１の永久磁石と、上記弾性支持梁の真
下、かつ、空隙を介して配置された駆動コイル、または
ヨークを内包した駆動コイルとからなり、 上記駆動コイルに流す電流のＯＮ，ＯＦＦによって、上
記第１の永久磁石を吸引または非吸引して、前記二つの
状態を切り換えることを特徴とする、請求項１〜８のい
ずれかに記載の機械式光スイッチ。 - 【請求項１０】 前記外力印加手段は、 前記弾性支持梁の裏面に固定した第１の永久磁石と、 上記弾性支持梁の真下、かつ、空隙を介して配置された
駆動コイル、またはヨークを内包した駆動コイルと、 この駆動コイル、または、このヨークを内包した駆動コ
イルに付加した第２の永久磁石と、からなり、 上記弾性支持梁の弾性エネルギーに基づく第１の安定位
置と、上記第２の永久磁石に基づく第２の安定位置とか
らなる双安定位置のいずれか一つの安定位置に、上記駆
動コイルに流す電流の向きを変えて移動させることによ
り、前記二つの状態をスイッチし、上記双安定位置間を
移動させるときのみ電力を消費することを特徴とする、
請求項１〜８のいずれかに記載の機械式光スイッチ。 - 【請求項１１】 Ｓｉ単結晶基板表面のＶ溝と、このＳ
ｉ単結晶基板表面に垂直なミラー面を有するミラーと、
このミラーをたわみ可能に支持する弾性支持梁の厚みと
を、 一つのエッチングマスクパターンで、かつ、一回の結晶
方位面依存エッチングで形成し、 上記弾性支持梁の形状及び厚さに即した切り込みを上記
Ｓｉ単結晶基板の裏面から入れて形成することを特徴と
する、機械式光スイッチの製造方法。 - 【請求項１２】 前記Ｓｉ単結晶基板は、（１００）
面、または、この面と等価な面を基板面とするＳｉ単結
晶基板であることを特徴とする、請求項１１に記載の機
械式光スイッチの製造方法。 - 【請求項１３】 前記一つのエッチングマスクパターン
は、前記Ｖ溝用開口パターンと、前記弾性支持梁用開口
パターンと、前記ミラー用マスクパターンとを有するこ
とを特徴とする、請求項１１に記載の機械式光スイッチ
の製造方法。 - 【請求項１４】 前記Ｖ溝用開口パターンは、 ＜１１０＞方向及びこの方向と等価な方向を第１の軸と
し、この第１の軸を長軸として互いに対向して配置され
た２本の開口パターンと、 上記第１の軸に直交し、かつ、＜１１０＞方向及びこの
方向と等価な方向を第２の軸とし、この第２の軸を長軸
として互いに対向して配置された他の２本の開口パター
ンとからなり、 これらの開口パターンは、これらの開口パターンの一端
が前記Ｓｉ単結晶基板の側面に達し、かつ、これらの開
口パターンの他端が前記弾性支持梁用開口パターンを囲
んで配置されていることを特徴とする、請求項１３に記
載の機械式光スイッチの製造方法。 - 【請求項１５】 前記弾性支持梁用開口パターンは、 ＜１００＞方向、またはこの方向と等価な方向の一辺
と、この辺に垂直な他の辺を有する矩形状開口パターン
であることを特徴とする、請求項１４に記載の機械式光
スイッチの製造方法。 - 【請求項１６】 前記ミラー用マスクパターンは、前記
弾性支持梁用開口パターンの各辺に平行な辺を有する矩
形状マスクパターンであり、上記弾性支持梁用開口パタ
ーンの内部に形成され、かつ、このマスクパターンの中
心は前記ミラーの中心に一致して配置されていることを
特徴とする、請求項１５に記載の機械式光スイッチの製
造方法。 - 【請求項１７】 前記一回の結晶方位面依存エッチング
のエッチング時間は、前記ミラーと前記弾性支持梁が所
定の厚みにエッチングされる時間であり、前記Ｖ溝の形
状はこの時間の長さによって変化しないことを特徴とす
る、請求項１６に記載の機械式光スイッチの製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000012087 | 2000-01-20 | ||
| JP2000-12087 | 2000-01-20 | ||
| PCT/JP2001/000260 WO2001053874A1 (fr) | 2000-01-20 | 2001-01-17 | Commutateur optique mecanique et procede de fabrication correspondant |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3438139B2 true JP3438139B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=18539859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001554107A Expired - Fee Related JP3438139B2 (ja) | 2000-01-20 | 2001-01-17 | 機械式光スイッチ及びその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6711321B2 (ja) |
| EP (1) | EP1182487A4 (ja) |
| JP (1) | JP3438139B2 (ja) |
| WO (1) | WO2001053874A1 (ja) |
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| FR2817629A1 (fr) * | 2000-12-01 | 2002-06-07 | Memscap | Procede de fabrication d'un commutateur optique, commutateur optique obtenu par ledit procede, et matrice de tels commutateurs |
| JP3840225B2 (ja) * | 2001-08-10 | 2006-11-01 | 日本航空電子工業株式会社 | 光スイッチ |
| KR100447183B1 (ko) * | 2001-12-29 | 2004-09-04 | 엘지전자 주식회사 | 광 스위치 및 그 제조 방법 |
| DE10392348T5 (de) * | 2002-03-01 | 2005-03-03 | Rosemount Inc., Eden Prairie | Optischer Schalter mit 3D-Wellenleitern |
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| WO2004104673A1 (ja) * | 2003-05-26 | 2004-12-02 | Nidec Sankyo Corporation | 光スイッチ装置 |
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| KR101872957B1 (ko) * | 2012-01-02 | 2018-07-02 | 삼성전자주식회사 | 반도체 장치 및 그 제조 방법 |
| KR102125277B1 (ko) * | 2012-06-26 | 2020-06-22 | 삼성전자주식회사 | 광 집적 회로, 이를 포함하는 반도체 장치 및 그 제조 방법 |
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| KR101519628B1 (ko) | 2013-03-26 | 2015-05-12 | 주식회사 포벨 | 소형 제작이 가능한 파장 가변 레이저 장치 |
| KR101459495B1 (ko) * | 2013-04-05 | 2014-11-07 | 주식회사 포벨 | 파장 가변 레이저 장치 |
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| JPS57139704A (en) | 1981-02-24 | 1982-08-28 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | Optical switch |
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