JP3722021B2

JP3722021B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP3722021B2
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Authority: JP
Inventors: 基恭宇都宮
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2005-11-30
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム等において、複数の光信号の接続切替を行う光クロスコネクトに関し、特にマイクロマシン技術を用いて構成される自由空間型のアナログビーム操舵式光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報社会の発展に伴い、大容量の情報伝達が可能な光通信システムの開発・整備が進められている。このような光通信システムでは、増大する通信需要を賄うために、１本の光ファイバに異なる波長の信号を重畳して送受信する波長分割多重（WDM：Wavelength Division Multiplexing）伝送技術が用いられており、２点間の通信を光合分波器（Multiplexer/Demultiplexer）を用いて結合するPoint-to-Point方式に加え、中継基地で特定波長を分岐（Drop）、挿入（Add）するAdd-Drop方式などが導入されている。
【０００３】
このようなシステムの実現のためには、高速変調に対応した光源や大容量伝送用光ファイバ、広帯域ファイバー増幅器、多チャンネル波長フィルタなどが不可欠であるが、なかでも、時々刻々と変化する通信需要や通信回線の故障などに柔軟に対応するために、複数の入力ポートから任意波長の光信号を選択的に切り替えて、所定の出力ポートへ接続する光スイッチが重要なキー・テクノロジーとなっている。
【０００４】
一方、光通信システムの開発方向として、低コスト化とシステムの簡素化及び伝送レートの高速化を目的として、光信号を電気信号に変換することなく伝送する全光化が推し進められている。この場合、光路設定を行う大規模スイッチにおいても、一旦光を電気に変換して伝送路を組み換えるのではなく、光のまま経路をつなぎ換える全光型の光クロスコネクタ（OXC：Optical Cross Connector）を光スイッチとして利用することになる。
【０００５】
全光型の光スイッチには、１入力２出力（１×２）の小規模なスイッチから、1１０００×１０００以上の大規模なものまで必要とされている。
【０００６】
図５（ａ）に小規模光スイッチ（１×２）の従来例を示す。この小規模光スイッチでは、１本の入力側光ファイバ１２を、ソレノイドコイルと永久磁石からなる機械式の駆動回路１４を用いて、２本の出力側光ファイバ１３のうちいずれか片方に選択的に接続させるように構成している（NTT,R&D Vol.48 No.9 :1999 p.665-673）。
【０００７】
この場合、図５（ｂ）に示すように、複数の小規模光スイッチ１０４を階層的に組み合わせて、Ｎ×Ｍの多入力・多出力の光スイッチを構成することも可能であるが、階層が大きくなるほど光学的損失が増えるため、あまり大規模スイッチには適していない。
【０００８】
図６に、全光型の大規模光スイッチの従来例（概念図）を、また、図７に光スイッチの光学デバイス部の詳細を示す。これは自由空間型の光クロスコネクトであり、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を応用して、アレイ化したマイクロミラー素子をマイクロアクチュエータにより個々に駆動してファイバ間の光接続を行っている。
【０００９】
図６に示す従来例の光スイッチでは、キャピラリ１７０１のアレイ貫通孔（図示せず）に固定されたＮ本の光ファイバからなる入力側ファイバアレイ１５とコリメート用のレンズアレイ１８０１とからなる入力ポート１９と、同じくキャピラリ１７０２に固定されたＭ本の光ファイバからなる出力側ファイバアレイ１６とレンズアレイ１８０２とからなる出力ポート２０と、２枚の光スイッチアレイ２１０１及び２１０２とから構成されている。
【００１０】
ここで、２枚の光スイッチアレイ２１０１及び２１０２は、図６（ｂ）〜（ｃ）に示すように、入出力ポートに応じた数のマイクロミラー２０３をマトリクス状に２次元配列して構成されており、各マイクロミラー２０３は、図６（ｃ）に示すように、静電力等を利用したマイクロアクチュエータ（図示せず）を用いて２自由度（図６（ｄ）中、ＲＸ及びＲＹ方向）に操舵できるよう構成されており（２軸駆動型）、マイクロミラー２０３へ入射されたレーザ光を任意の方向へ反射させている。
【００１１】
これにより、図６（ａ）に示すように、入力ポート１９から出力され、レンズアレイ１８０１を通過してコリメートされた任意の光信号を、光スイッチアレイ２１０１の該当するマイクロミラー２０３を２軸駆動させることによって反射光をステアリングし、第２の光スイッチアレイ２１０２に入射させ、同じく第２の光スイッチアレイ２１０２のマイクロミラーを同様に可動させ、反射光を出力ポート２０の任意の光ファイバへ入射させてスイッチングを行っている（アナログビーム操舵式）。
【００１２】
図７に、自由空間型光スイッチのマイクロミラー（２軸駆動型）の平面図の一例を、図８に、その動作原理（静電駆動型）を示す。マイクロミラー２０３は、１対のヒンジばね５０３によりミラーフレーム３０３に軸支持されており、一方、前記ミラーフレーム３０３は同じく１対のヒンジばね６０３により外部の枠体７０３に軸支持されている。
【００１３】
このとき、前記マイクロミラー２０３の回転軸と前記ミラーフレーム３０３の回転軸とは直交する向きに設定されており、２軸を独立して駆動することにより反射光を２次元的にステアリングさせている。ヒンジばね部の形状は、所定の剛性が得られるものならば何でも良く、ここでは葛折り形状（図７（ｂ）参照）を採用している。
【００１４】
他方、マイクロミラー２０３の対向面にあたる基板１１０２には、２組の電極対９０３及び１００３が直交配置されており、接地された光学デバイス（マイクロミラー２０３）と組み合わされて静電駆動型のマイクロアクチュエータを構成しており、印加電圧に応じた静電力をアナログ制御することでマイクロミラー２０３及びミラーフレーム３０３を各軸周りに回動させている（図８（ａ）〜（ｃ）参照）。
【００１５】
なお、光クロスコネクトには、この他にも、光路が平面状に構成され、ミラーがＯＮで立ち上がり、ＯＦＦで下がる方式（ディジタルクロスバー式）も提案されている。この光クロスコネクトは、簡単なディジタル制御で操作でき、入出力光ファイバの位置決めが容易で、集積が容易であるいう特徴があるが、スイッチの数がＮ×Ｎの接続で、Ｎ^２のスイッチ素子を必要とし（アナログビーム操舵式では、スイッチ素子は２Ｎ）、かつ光路差が大きくなるため、損失が増加するという欠点があり、大規模スイッチへの適用は困難と考えられている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
光通信システムにおける通信容量は、チャネル当たりの伝送レートとチャネル数の積で決まるため、伝送レートの高速化と共に、今後ますます多チャンネル化への対応が迫られると考えられており、そのため、全光型の大規模光スイッチへの期待は高まっている。
【００１７】
なかでもアナログビーム操舵式の自由空間型光スイッチは、光学損失をある程度抑えて小型・低コストの大規模スイッチを実現する解として期待されており、Lucent Technologiesやχros（現在、Nortelに買収）などから発表されている。
【００１８】
アナログビーム操舵式の自由空間型光スイッチの場合、スイッチの大規模化、即ち、入出力ポート数の増加に伴い、マイクロミラーの操舵量も増加する。換言すれば、２軸駆動時のミラー舵角（以下、チルト角と呼ぶ）を広げて、光信号のステアリング制御範囲を拡大する必要に迫られる。
【００１９】
この場合、別の方法として、入出力ポートとミラー間距離、及び２枚の光スイッチアレイ間距離を広げて、空間を移動する光信号の光路を延長することにより、ミラー・チルト角を抑制することも可能であるが、その場合、ビーム径の拡大に伴うミラー部の“けられ”等が問題となり、光学的損失が大きくなると共に、光スイッチ・モジュール全体も大型化してしまう。
【００２０】
したがって、小型で低損失な大規模光スイッチを構築する場合、十分なミラーチルト角を確保することが重要な課題となっている。しかしながら、静電アクチュエータによりマイクロミラーを駆動する場合、ミラーチルト角はその駆動トルク特性により制約を受ける。
【００２１】
図９に、静電アクチュエータの１軸回転ミラーを例にとった簡単な解析モデルを示す。この場合、静電力によって発生する駆動トルクは、以下の式で表される。
【００２２】
【数１】

【００２３】
【数２】

【００２４】
【数３】

【００２５】
ここで、Ｅ：電界、Ｖ：入力電圧、Ｗ：電極幅、ａ及びｄ：電極間距離（Air Gap）、θ：ミラーチルト角、Ｌ１及びＬ２：電極位置、ε_０：真空の誘電率である。
【００２６】
これらの式を基にして算出した静電駆動トルク（Ｔ_ｅ）のミラーチルト角依存性を図１０に示す。ここでは、電極幅：Ｗ＝１５０μｍ、電極長さ：Ｌ＝１５０μｍ（Ｌ１＝８０μｍ、Ｌ２＝２３０μｍ）、電極間距離（Air Gap）:ｄ＝５０μｍ、入力電圧：Ｖ＝１５０Ｖに設定して計算している。
【００２７】
静電トルク曲線に対して原点を通過する接線は、チルト角に比例するヒンジばね剛性に相当しており、その接点におけるチルト角が安定的に位置決め制御可能な最大チルト角を指している。
【００２８】
したがって、上記設計条件における例では、マイクロミラー２０３を支持するヒンジばね剛性を３２．５×１０^−１０Ｎ-ｍ／ｒａｄに設定したとき、印加電圧１５０Ｖでミラーチルト角は、最大５．２ｄｅｇを得ることができる。ヒンジばね剛性や電極面積及び配置が同様の場合、ミラーフレーム３０３の最大チルト角も同程度となり、光学デバイスは±５．２ｄｅｇの範囲で２軸駆動を行い光信号をステアリングすることになる。
【００２９】
前述したように、アナログビーム操舵式の自由空間型光スイッチの場合、光損失を抑制しながら大規模化に対応するためには、ミラー操舵範囲を拡大する必要があり、２軸駆動型の光学デバイスにおいては、マイクロミラー２０３及びミラーフレーム３０３の位置決め制御可能な最大チルト角が広くなるように、静電アクチュエータ部の設計を行わなければならない。
【００３０】
しかしながら、光学デバイスの最大舵角（チルト角）を大きく設定する場合、マイクロミラーと基板（すなわち電極部）との接触による静電破壊を避けるため、電極間距離（Air Gap）を広げる必要があり、（駆動電圧を固定すると）静電トルク曲線は下降する。
【００３１】
この場合、大舵角におけるトルクの急激な立ち上がりが緩和されるため、ヒンジばね剛性を柔らかく設計すれば、制御可能な最大チルト角を広くとることもできるが、ヒンジ剛性の低下は、加工プロセスにおける破損を誘発し、取り扱いを困難にすると共に、光学デバイスの応答速度を低下させ、スイッチング速度の遅延を引き起こす。
【００３２】
この場合、ヒンジばね剛性を確保して駆動電圧を増加させることで、加工性や応答速度を保証することはできるが、印加電圧の増加は、チルト角変動による駆動トルクの急激な立ち上がりを引き起こすため、制御可能な最大チルト角が、逆に低下してしまう。また、高電圧駆動は、回路の信頼性を損う恐れがあり、特に、大規模スイッチにおいては、電極配線の引き回しが極めてシビアになるため、狭小化された配線間スペース（Line & Space）において、疑似放電等の障害を引き起こす確率が高くなる。
【００３３】
本発明の目的は、アナログビーム操舵式の自由空間型光スイッチにおいて、低電圧駆動で光信号のステアリング角を拡大させて大規模化に対応した、小型・高速且つ低コストで信頼性の高い新規な光スイッチを提供することである。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
【００３５】
即ち、本発明に係わる光スイッチの第１態様は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極から構成されており、前記駆動電極の形状が、前記光学デバイスの回転中心に向かって電極幅を縮小し、且つ前記光学デバイスの外縁に向かって電極幅を縮小するように形成した菱形形状であることを特徴とするものであり、
又、本発明に係わる光スイッチの第２態様は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極から構成されており、前記駆動電極の形状が、前記光学デバイスの回転中心に向かって電極幅を縮小し、且つ前記光学デバイスの外縁に向かって電極幅を縮小する楕円形状であることを特徴とするものであり、
又、第３態様は、第１態様又は第２態様において、
前記光学デバイスは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に回動可能に前記枠体に軸支されていることを特徴とするものであり、
叉、第４態様は、第１態様乃至第３態様の何れかにおいて、
前記光学デバイス及び前記静電アクチュエータが、入出力ポートの数に応じてアレイ状に配列されていることを特徴とするものである。
【００３６】
本発明は、上記したように、マイクロミラーに対向した基板に配置する各電極部形状を、ミラー中心に向かって電極幅を縮小し、且つミラー外縁部に向かっても同様にその電極幅を縮小する菱形形状又は楕円形状としたことを特徴としている。
【００３７】
これにより、２軸駆動型の光学デバイスにおいて、マイクロミラーを回動させる１対の電極と、ミラーフレームを回動させる１対の電極とを、それぞれ、干渉を抑えて可動ミラーの回転中心近傍に配置でき、微小舵角領域における静電駆動トルクを大きく設定でき、しかも、可動ミラー外縁部に向かって電極幅を絞り込む構造を採用することで、大舵角領域で電極間距離（Air Gap）が接近する部位での静電発生力を抑制することができるため、チルト角変動による駆動トルクの急激な立ち上がりを抑える効果を得ている。
【００３８】
したがって、軸支持部のヒンジばね剛性を改善しつつ、低電圧駆動で位置決め制御可能なステアリング角を拡大することができるため、大規模スイッチに対応した小型・低コストで信頼性の高い高速な光スイッチを提供することができる。
【００３９】
又、本発明に係わる光スイッチの第５態様は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対のみから構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置したことを特徴とするものであり、
又、第６態様は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置し、前記光学デバイスの前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性を、前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性よりも硬くなるように設定することを特徴とするものであり、
又、第７態様は、
前記光学デバイスの前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性と、前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性との剛性比を、駆動電圧を等しくしたときに、前記第１の電極対が発生する静電駆動トルクと、前記第２の電極対が発生する静電駆動トルクとの比に等しくなるように設定することを特徴とするものであり、
又、第８態様は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置し、前記光学デバイスの前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性と、前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性との剛性比を、駆動電圧を等しくしたときに、前記第１の電極対が発生する静電駆動トルクと、前記第２の電極対が発生する静電駆動トルクとの比に等しくなるように設定することを特徴とするものであり、
又、第９態様は、
前記第１の電極対のそれぞれの配線が、前記第２の電極対の対向する間に設けられた間隙間を通すように構成したことを特徴とするものであり、
又、第１０態様は、
前記光学デバイス及び前記静電アクチュエータが、入出力ポートの数に応じてアレイ状に配列されていることを特徴とするものである。
【００４０】
上記したように構成することで、２軸駆動型の光学デバイスにおいて、マイクロミラーを回動させる１対の電極と、ミラーフレームを回動させる１対の電極とを、マイクロミラーに対向する基板上の実効的な電界領域内に電極面積を極力大きく確保して、効率的な配置を可能にすると共に、可動ミラー外縁部に向かって実質的な電極幅を絞り込む円弧形の電極形状により、上述した第１乃至第３の態様の光スイッチと同様に、微小蛇角領域において静電駆動トルクを大きく設定でき、大蛇角領域で電極間距離（Air Gap）が接近する部位での静電発生力を抑制することができるため、静電駆動トルクの急激な立ち上がりを抑える効果を得ている。
【００４１】
また、この場合、マイクロミラーの駆動用電極に対して、その外周に配置するミラーフレーム駆動用電極の面積が大きくなることを受けて、ステアリング制御の整合性をとるために、ミラーフレーム側を軸支持するヒンジばねのチルト剛性を、マイクロミラー側を軸支持するヒンジばねのチルト剛性よりも硬くなるように設定しており、これにより可動ミラーの２軸が連成した運動を回避する効果も得られるため、ミラー制御性を改善することも可能になる。
【００４２】
従って、上述した第１乃至第３の態様の光スイッチと同様に、軸支持部のヒンジばね剛性を改善しつつ、低電圧駆動で制御可能なステアリング角を拡大することができるため、大規模スイッチに対応した高精度な光スイッチを提供することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極から構成されており、前記駆動電極の形状が、前記光学デバイスの回転中心側から外縁部に向かって、電極幅を縮小していくように形成されていることを特徴とするものである。
【００４４】
又、本発明の第２の実施の形態は、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向するように配設すると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置したことを特徴とするものである。
【００４５】
【実施例】
次に、本発明の光スイッチの実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例を示す光スイッチの構成を示す平面図及び側面図、図２は、本発明の第１の実施例における電極形状の実施例を示す平面図、図３は、本発明の第１の実施例における光スイッチの駆動トルク特性を示すグラフであり、これらの図には、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板１１０１と、前記基板１１０１上に固定された駆動電極９０１、１００１から構成されており、前記駆動電極９０１、１００１の形状が、前記光学デバイスの回転中心側から外縁部に向かって、電極幅Ｗを縮小していくように形成されていることを特徴とする光スイッチが示され、
又、前記光学デバイスは、マイクロミラー２０１と、前記マイクロミラー２０１の周囲を囲む形で配置されるミラーフレーム３０１と、前記ミラーフレーム３０１の周囲を囲む形で配置される枠体７０１とから構成されており、前記マイクロミラー２０１は、第１のヒンジばね５０１により前記ミラーフレーム３０１に軸支され、前記ミラーフレーム３０１は、第２のヒンジばね６０１により、前記マイクロミラーの回転軸Ａ１と直交する方向Ａ２に回動可能に前記枠体７０１に軸支されていることを特徴とする光スイッチが示され、
又、前記駆動電極９０１、１００１の形状が、前記光学デバイスの回転中心Ｏに向かって電極幅Ｗを縮小していくように形成されていることを特徴とする光スイッチが示されている。
【００４６】
次に、本発明の第１の実施例について、詳細に説明する。
【００４７】
図１において、本発明の光スイッチ１０１は、光学デバイスと静電アクチュエータから構成されており、このうち前記光学デバイスは、マイクロミラー２０１とミラーフレーム３０１と枠体７０１とから構成されている。また、前記マイクロミラー２０１は、１対のヒンジばね（以下、第１のヒンジばね５０１と呼ぶ）により前記ミラーフレーム７０１に対して軸支されており、図１に示す回転軸Ａ１周り（ＲＹ方向）に回動できるよう保持されている。一方、前記ミラーフレーム３０１は、別に用意された１対のヒンジばね（以下、第２のヒンジばね６０１と呼ぶ）により、前記マイクロミラー２０１の回転軸Ａ１と直交する回転軸Ａ２周り（ＲＸ方向）に回動できるように、前記枠体７０１に対して軸支されている。
【００４８】
他方、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを搭載する基板１１０１と、前記基板上に固定された駆動電極と、前記光学デバイスとから構成されており、このうち前記駆動電極は、前記マイクロミラー２０１を駆動させる２枚の電極（以下、第１の電極対９０１と呼ぶ）と、同じく前記ミラーフレームを駆動させる２枚の電極（以下、第２の電極対１００１と呼ぶ）とを組み合わせて構成されている。これら２組の駆動電極は、基板上の、前記マイクロミラー投影位置に配置されており、各電極対は、２枚の電極がそれぞれの駆動軸を間に挟む形で設置され、しかも、各電極対は、互いに直交して固定されている。また、前記駆動電極と前記光学デバイスとの間には、所定の電極間距離（Air Gap）２２が設定されており、前記第１及び第２の電極対の片側に駆動電圧を印加することで、接地された光学デバイスと駆動電極との間で静電力を発生させ、マイクロミラー２０１及びミラーフレーム３０１を各軸周りに回動させて、入射した光信号を任意の方向へ反射させている。
【００４９】
このとき、本実施例では、各駆動電極の形状を、図１（ａ）に示すように、マイクロミラー２０１の中心Ｏに向かって電極幅Ｗを縮小し、同時にマイクロミラー２０１の外縁部に向かっても同様に電極幅Ｗを縮小していくような菱形形状に設定している。
【００５０】
これにより、マイクロミラー２０１を駆動させる第１の電極対９０１と、ミラーフレーム３０１を駆動させる第２の電極対１００１とを、幾何学的に干渉することなく可動ミラー（マイクロミラー２０１）の回転軸近傍まで接近して配置できるようになるため、電極面積を大きく設定しても、ミラーチルト角増加に対する静電駆動トルクの急激な立ち上がりを抑制することができ、更に、微小舵角領域（駆動初期）における静電駆動トルク（イニシャルトルク）を大きく設計できるようになる。
【００５１】
加えて、マイクロミラー２０１の外縁部に向かっても電極幅Ｗを絞り込むように設定しているため、大舵角領域でミラーのエッジ部が駆動電極に接近し、電極間距離（Air Gap）２２が小さくなるような場合でも、その部位における電極幅Ｗを漸近的に小さくしているため、結果的に静電発生力の増加が抑制され、駆動トルクの急激な立ち上がりを抑える効果が得られるようになる。
【００５２】
図３（ｃ）に、本発明の菱形電極を用いた場合の静電駆動トルク特性の計算結果を示す。
【００５３】
設計条件は、図１０において示したモデルと共通である。
【００５４】
従来の正方電極（あるいは長方電極）を用いた場合に比べて、可動ミラーのイニシャルトルク（微小チルト角領域での静電駆動トルク）が上昇し、且つチルト角増加に対する静電駆動トルクの上昇が抑制されているのがわかる。
【００５５】
このことは、安定的に位置決め制御ができるステアリング角（原点からの接線と駆動トルク曲線との接点におけるチルト角）を広げることができる（５．２ｄｅｇ→６．２ｄｅｇ）と共に、ヒンジばね剛性（チルト剛性）を硬く設計することもできる（Ｋ_１＝３２．５×１０^−１０Ｎ−ｍ／ｒａｄ→Ｋ_２＝３６．８×１０^−１０Ｎ−ｍ／ｒａｄ)ことを意味している。したがって、可動ミラーの応答速度を低下させることなくミラー・ステアリング角を拡大した光スイッチを提供することができるため、大規模化に対応した小型・低コストで信頼性の高い高速光スイッチを提供することができるようになる。
【００５６】
図２に、本発明の光スイッチにおける電極形状の他の実施例を示す。
【００５７】
図２（ａ）は、等辺の菱形電極であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した菱形電極の最大電極幅位置をマイクロミラーの外縁側へシフトさせたもの（ａ１＜ａ２）であり、光学デバイスの設計パラメータの制約や駆動電圧の回路側からの要求にあわせて電極形状の最適化を図ったものである。
【００５８】
図２（ｃ）は、電極形状を楕円形に設定したものであり、長径を駆動軸に一致させるように、それぞれの電極対を配置している。この場合も、ミラー中心部に向かって電極幅を絞り、同時にミラー外縁部に向かっても電極幅を絞り込む形状となっているため、駆動特性に対する効果は、上記菱形電極と同様に得ることが可能である。なお、長径と短径の寸法は、光学デバイスや静電アクチュエータの設計パラメータに応じて最適化が図られるから、場合によっては、円形に設定してもよい。
【００５９】
本実施例における光スイッチは、ＭＥＭＳ技術等を応用して加工することができ、例えば、シリコンウェハー上に多数の光スイッチをマトリクス状に配列してモジュール化し（図６（ｂ）の従来例参照）、入出力ファイバアレイやコリメート用のレンズアレイと組み合わせて、大規模光スイッチ・モジュールを構成する（図６（ａ）の従来例参照）。
【００６０】
なお、本発明の実施例では、駆動電極を基板側に固定し、光学デバイスを接地して静電型のアクチュエータを構築しているが、駆動電極を光学デバイス側に配置し、基板側を接地する構造を採用してもよい。また、本実施例では、ヒンジばね部の構造を従来例で示したような葛折り形状に設定しているが、所定の剛性が得られるものであれば何でもよく、特に規定するものではない。
（第２の実施例）
次に、図４を用いて本発明の第２の実施例を詳細に説明する。
図４（ａ）は、本発明の第２の実施例を示す光スイッチの構成を示す平面図、図４（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の第２の実施例における電極形状を示す平面図であり、これらの図には、
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは、マイクロミラー２０２と、前記マイクロミラー２０２の周囲を囲むように配置されるミラーフレーム３０２と、前記ミラーフレーム３０２の周囲を囲むように配置される枠体７０２から構成されており、前記マイクロミラー２０２は、第１のヒンジばね５０２により前記ミラーフレーム３０２に軸支され、前記ミラーフレーム３０２は、第２のヒンジばね６０２により、前記マイクロミラー２０２の回転軸Ａ１と直交する方向Ａ２に前記枠体７０２に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極９０２、１００２とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラー２０２を回動させるための第１の電極対９０２と、前記ミラーフレーム３０２を回動させるための第２の電極対１００２とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極９０２を互いに対向させると共に、前記マイクロミラー２０２の回転軸Ａ１を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極１００２を互いに対向するように配設すると共に、前記第１の電極対９０２を前記第２の電極対１００２間に配置し、且つ、前記第２の電極対１００２は、前記第１の電極対９０２に対して９０度回転させる位置に配置したことを特徴とする光スイッチが示され、
更に、前記第１の電極対９０２のそれぞれの配線２３０１が、前記第２の電極対１００２の対向する間に設けられた間隙Ｇ間を通すように構成したことを特徴とする光スイッチが示されている。
【００６１】
次に、第２の実施例について、詳細に説明する。
【００６２】
図４において、本発明の光スイッチ１０２は、光学デバイスと静電アクチュエータから構成されており、このうち前記光学デバイスの構成は、上述した第１の実施例と同様である。
【００６３】
一方、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを搭載する基板（図示せず）と、前記基板上に固定された駆動電極８０４と、前記光学デバイスとから構成されており、このうち前記駆動電極８０４は、上述した第１の実施例と同様に、前記マイクロミラー２０２を駆動させる２枚の電極（以下、第１の電極対９０２と呼ぶ）と、同じく前記ミラーフレーム３０２を駆動させる２枚の電極（以下、第２の電極対１００２と呼ぶ）とを組み合わせて構成されており、前記駆動電極８０４と前記光学デバイスとの間には、所定の電極間距離（Air Gap）が設定されて、前記第１及び第２の電極の、各々の片側に電圧を印加することで静電力を発生させて可動ミラーを操舵し、光信号のステアリングを行っている。
【００６４】
このとき、前記第１の電極対９０２及び第２の電極対１００２は、概略１８０度の中心角を持つ２枚の円弧状の電極を対向させて構成しており、このとき前記マイクロミラー２０２を駆動させる前記第１の電極対９０２は、その回転軸を間に挟んでミラー中心側に配置されており、一方、前記ミラーフレーム３０２を駆動させる前記第２の電極対１００２は、前記第１の電極対９０２を内包するように、前記第２の電極対１００２間に第１の電極対９０２を挟み、且つ前記ミラーフレーム３０２の回転軸を２枚の電極で挟むように配置されている。
【００６５】
なお、この場合、前記第１の電極対９０２の、２枚の円弧状の電極配線２３０１は、前記第２の電極対１００２の、２枚の円弧状の電極の対向面間の間隙Ｇを通す形で基板外部へ引き回されている（図４（ｃ）参照）。
【００６６】
また、前記光学デバイスにおいて、前記ミラーフレーム３０２を軸支持する第２のヒンジばね６０２のチルト剛性Ｋ_ｈ２は、前記マイクロミラー２０２を軸支持する第１のヒンジばね５０２のチルト剛性Ｋ_ｈ１よりも大きくなるように設定している。
【００６７】
これは、電極面積の相違による静電発生力の差異を解消してマイクロミラーの制御性を改善するためであり、前記第１のヒンジばね５０２のチルト剛性Ｋ_ｈ１と、前記第２のヒンジばね６０２のチルト剛性Ｋ_ｈ２との比を、印加電圧を共通にしたときの、前記第１の電極９０２が発生する静電トルクと、前記第２の電極１００２が発生する静電トルクとの比に近づけるように設定しておけばよい。
【００６８】
このような電極構造ならびにヒンジばね剛性を採用することにより、マイクロミラーを駆動する電極と、ミラーフレームを駆動する電極とを、マイクロミラーに対向する基板上の実効的な領域内に電極面積を極力大きく確保して効率的に配置することができ、更に、ミラー外縁部に向かって実質的な電極幅（静電駆動力を発生する電極幅）を絞り込んでいるため、第１の実施例で示した場合と同様に、チルト角変動に対する静電駆動トルクの急激な増加を抑制することができるため、低電圧駆動で制御可能なステアリング角を拡大することができ、大規模スイッチに対応した光スイッチを提供することができる
同時に、マイクロミラーとミラーフレームの静電駆動トルクの差異に応じて、ミラーフレーム側を支持するヒンジばね部のチルト剛性を、マイクロミラー側を支持するヒンジばね部のチルト剛性よりも硬くなるように設定しているため、可動ミラーの２軸が連成した振動を回避し、制御性を改善することができる。
【００６９】
本実施例の光スイッチにおける光学デバイスおよび駆動電極も、ＭＥＭＳ技術を応用して加工することができ、上述した第１の実施例と同様に、１枚のシリコンチップに多数の光スイッチをマトリクス状に２次元配列して、ファイバアレイやレンズアレイと組み合わせて、大規模光スイッチ・モジュールを構成することが可能である。
【００７０】
本実施例においても、駆動電極を基板側に固定し、光学デバイスを接地した構造で説明しているが、駆動電極を光学デバイス側に配置し、基板側を接地する構造を採用しても同様の効果が得られる。また、本実施例でも、ヒンジばね部の構造を葛折り形状に設定しているが、所定の剛性が得られるものであれば何でもよく、特に規定するものではない。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の光スイッチでは、マイクロミラーを駆動する静電アクチュエータの電極形状を、可動ミラーの中心に向かって電極幅を縮小し、同時に可動ミラーの外縁部に向かっても同様にその電極幅を縮小するように設定しており、これによりマイクロミラーの駆動トルク特性を改善し、更に、低電圧駆動で位置決め制御可能なステアリング角を拡大することができるようになるため、大規模化に対応した小型・低コストで信頼性の高い光スイッチを提供することを可能にしている。
【００７２】
又、マイクロミラーを駆動する静電アクチュエータの電極形状を、概略１８０度の中心角を持つ２枚の円弧状電極を対向させて構成し、このうちマイクロミラーの駆動用電極対をミラー中心側に配置し、ミラーフレーム駆動用電極対を、マイクロミラーの駆動用電極対を挟むように配置し、更に、ミラーフレーム駆動用電極対は、マイクロミラーの駆動用電極対に対して、９０度回転させた位置に固定させ、更に、マイクロミラーを支持するヒンジばね部のチルト剛性よりも、その外縁に設置したミラーフレームを支持するヒンジばね部のチルト剛性の方が大きくなるように設定し、これによりマイクロミラーの駆動トルク特性ならびにミラー制御性を改善し、低電圧駆動で制御可能なステアリング角を拡大することができるため、大規模化に対応した高精度な光スイッチを提供することを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による光スイッチの構成を示す平面図及び側面図である。
【図２】本発明の第１の実施例の電極形状を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施例における光スイッチの駆動トルク特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例による光スイッチの構成を示す平面図である。
【図５】光スイッチの第１の従来例を示す構成図である。
【図６】光スイッチの第２の従来例の構成を示す斜視図である。
【図７】光スイッチの第２の従来例の光学デバイス部を示す平面図である。
【図８】光スイッチの第２の従来例の動作原理を示す側面図である。
【図９】１軸回転ミラーの解析モデルを示す側面図である。
【図１０】光スイッチの第２の従来例の駆動トルク特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１〜１０５光スイッチ
２０１〜２０４マイクロミラー
３０１〜３０３ミラーフレーム
４０１〜４０３ヒンジばね
５０１〜５０３第１のヒンジばね
６０１〜６０３第２のヒンジばね
７０１〜７０３枠体
８０１〜８０４駆動電極
９０１〜９０２第１の電極対
１００１〜１００２第２の電極対
１１０１〜１１０２基板
１２入力側光ファイバ
１３出力側光ファイバ
１４駆動回路
１５入力側ファイバアレイ
１６出力側ファイバアレイ
１７０１〜１７０２キャピラリ
１８０１〜１８０２レンズアレイ
１９入力ポート
２０出力ポート
２１０１〜２１０２光スイッチアレイ
２２電極間距離（Air Gap）
２３０１〜２３０３配線

Claims

複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極から構成されており、前記駆動電極の形状が、前記光学デバイスの回転中心に向かって電極幅を縮小し、且つ前記光学デバイスの外縁に向かって電極幅を縮小するように形成した菱形形状であることを特徴とする光スイッチ。
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極から構成されており、前記駆動電極の形状が、前記光学デバイスの回転中心に向かって電極幅を縮小し、且つ前記光学デバイスの外縁に向かって電極幅を縮小する楕円形状であることを特徴とする光スイッチ。
前記光学デバイスは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に回動可能に前記枠体に軸支されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光スイッチ。
前記光学デバイス及び前記静電アクチュエータが、入出力ポートの数に応じてアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光スイッチ。
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対のみから構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置したことを特徴とする光スイッチ。
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置し、前記光学デバイスの前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性を、前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性よりも硬くなるように設定することを特徴とする光スイッチ。
前記光学デバイスの前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性と、前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性との剛性比を、駆動電圧を等しくしたときに、前記第１の電極対が発生する静電駆動トルクと、前記第２の電極対が発生する静電駆動トルクとの比に等しくなるように設定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光スイッチ。
複数の光信号の接続切替を行う光スイッチにおいて、
前記光スイッチが、光学デバイスとこれを駆動する静電アクチュエータとから構成され、前記光学デバイスは少なくとも１つ以上の方向に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、マイクロミラーと、前記マイクロミラーの周囲を囲むように配置されるミラーフレームと、前記ミラーフレームの周囲を囲むように配置される枠体とから構成されており、前記マイクロミラーは、第１のヒンジばねにより前記ミラーフレームに軸支され、前記ミラーフレームは、第２のヒンジばねにより、前記マイクロミラーの回転軸と直交する方向に、前記枠体に回動可能に軸支されており、前記静電アクチュエータは、前記光学デバイスを保持する基板と、前記基板上に固定された駆動電極とで構成されており、前記駆動電極は、前記マイクロミラーを回動させるための第１の電極対と、前記ミラーフレームを回動させるための第２の電極対とで構成されており、前記第１の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記マイクロミラーの回転軸を挟むように配置され、前記第２の電極対は、概略１８０度の中心角からなる１対の円弧状の電極を互いに対向させると共に、前記第１の電極対を前記第２の電極対間に配置し、且つ、前記第２の電極対は、前記第１の電極対に対して９０度回転させた位置に配置し、前記光学デバイスの前記マイクロミラーを軸支する前記第１のヒンジばねのチルト剛性と、前記ミラーフレームを軸支する前記第２のヒンジばねのチルト剛性との剛性比を、駆動電圧を等しくしたときに、前記第１の電極対が発生する静電駆動トルクと、前記第２の電極対が発生する静電駆動トルクとの比に等しくなるように設定することを特徴とする光スイッチ。
前記第１の電極対のそれぞれの配線が、前記第２の電極対の対向する間に設けられた間隙間を通すように構成したことを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の光スイッチ。
前記光学デバイス及び前記静電アクチュエータが、入出力ポートの数に応じてアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項５乃至９の何れかに記載の光スイッチ。