JP3730083B2 - 変形可能ミラーを含む物品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、適応光学に係り、特に、電気制御変形可能ミラーに関する。
【0002】
【従来の技術】
電気制御マイクロマシンド(micro-machined)「ミラー」は、光信号の経路を変更するために使用され得る。そのようなミラーは、ポリシリコンの金属化層または誘電体スタックとして通常具現化される。他のアプリケーションの中で、そのようなミラーは、再構成可能な光ネットワークを作るために使用されることができ、そこで、1つまたは2つ以上のソースファイバからの1つまたは2つ以上の光信号が、ミラーの動作によりいくつかのあて先ファイバのうちのいずれか1つに向けられる。光エレメント(例えば、ミラー)が、典型的には検知された状態に応じて調節されるそのような構成は、一般に、「適応光学(adaptive optics)」と呼ばれる。
【0003】
1つの従来の適応光学構成において、均一の厚さを有する反射層が、電極の上に吊される。電圧が反射層および電極に加えられるとき(以下、「アクチュエーション」と呼ぶ)、反射層が変形する。反射層上に入射する光信号は、反射層の変形された形状または変形されない形状の機能として、反射の異なるあて先に向けられる。
【0004】
そのような構成の単純化された概略が、図1に示されており、反射層またはミラー102が、サポート104により電極106上に吊されている。ミラー102および電極106の両方が、基板表面108に実質的に平行である。光ファイバ110,112および114は、ミラー102と光通信する。
【0005】
図1に示された構成において、ミラー102からの反射により光信号が従う経路は、ミラーの形状により決定される。この関係が、図2Aおよび2Bに示されている。図2Aおよび2Bにおいて、光ファイバ110および112は、各光信号116および118をミラー102に送る。
【0006】
ミラーが図2Aに示されているように平坦な形状を持つように変形されていない場合、各光ファイバ110および112からミラー102へ送られる光信号116および118は、反射によりこれらの光ファイバに戻される。一方、ミラー102が、図2Bに示されているように曲がった形状を持つように変形された場合、ミラーに送られる光信号116および118は、ソースファイバ110および112ではなく、光ファイバ114に反射される。
【0007】
ミラー102は、ミラーおよび電極106に電圧を加えることにより変形される。加えられる電圧は、ミラー102を電極106に向かって動かす静電力を生じる。ミラー102の端部は動かないようにされているので、ミラーは、特性的に放物線形状に変形する。電圧が取り除かれた場合、静電力が減少し、ミラー102は、その平坦な変形されていない形状に実質的に戻る。
【0008】
図1に示された前述した構成から明らかなように、ミラー102からの反射により光信号が従う経路は、ミラーの形状により決定される。そして、ミラー102の形状は、ミラーとして働く均一な厚さの反射層の機械的応答に依存する。したがって、ミラーの光学的および機械的応答または特性は、不都合に結合されている。即ち、それらは、互いに独立でない。また、そのような均一層の機械的応答は、正確に制御することが困難である。ファイバ間で光信号を向けるために必要とされる極端に厳しい許容誤差の観点から、特に、シングルモードファイバの場合約1ミクロンの許容誤差の観点から、そのようなデバイスの実用性は限定される。
【0009】
第2の従来の適応光学構成は、複数の個々に制御される個別のミラーエレメントを含むミラーアレイである。ミラーアレイの光学的振る舞いは、アレイを含む複数の個々のミラーエレメントの状態(例えば、向き、形状など)の関数である表面特徴により決定される。したがって、それらの関連するアクチュエータの動作によりミラーエレメントを個別に制御することにより、アレイの表面特徴が、所望の光応答を得るように変化させられ得る。
【0010】
様々なアクチュエータが、そのような構成において使用され得る。アクチュエータの1つのタイプが、図3に示されており、これは、アクチュエータ326に接続された単一のミラーエレメント322を示す。
【0011】
アクチュエータ326は、ミラーエレメント322を傾けるように動作可能である。特に、サポート部材340およびトーション部材342は、ミラーエレメント322を基板表面328の上につる。電極344aおよび344bは、ミラーエレメント322を引きつけるために、図示しない電源により個々にかつ別個にチャージされている。
【0012】
トーション部材342は、ミラーエレメント322が±θの角度を移動することを可能にする。ミラーエレメント322の位置は、電極344aまたは344bのどちらが所定のモーメントでチャージされているかによる。ミラーエレメント322により受信された図示されていない光信号は、ミラーエレメントの傾きの関数として異なるあて先に反射される。
【0013】
前述したミラーアレイは、第1の構成の問題のある結合された光/機械的応答特性を実質的に防ぐ。しかし、この問題を防ぐ際に、他の問題が生じる。特に、従来技術によるミラーアレイにおいて、アレイの各エレメントに対して1つのアクチュエータが必要とされる。そのようなアレイにおけるアクチュエータが多数あることは、その複雑さおよびコストを大きく加える。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
均一な反射層の光的/機械的独立性を除去し、かつ従来のミラーアレイの多数のアクチュエータを除去するマイクロマシンドミラーの形式における適応光学が求められている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
光信号の経路を変更するように動作可能なセグメント化された反射層を含む物品が開示される。セグメント化された反射層は、互いに機械的かつ電気的にリンクされ、かつ単一のアクチュエータにより制御される複数のミラーエレメントを含む。
【0016】
「静止“quiescent”」(即ち、アクチュエートされていない)状態において、反射層は、典型的には、平坦形状であると仮定する。ミラーエレメントおよびその近くの固定電極に電極を加えることにより生じ得るアクチュエーションにより、ミラーエレメントは、電極に向かって大きくまたは小さく移動し、これにより反射層を変形させる。アクチュエートされた状態において、反射層は、光的に通信する光ファイバに対して特性的に上向きに1つの形状になる。反射層の形状の変化は、それに入射する光信号の経路を変更するために使用される。
【0017】
各ミラーエレメントは、好都合に、弾性の導電性リンキング部材により隣接するミラーエレメントに機械的かつ電気的にリンクされている。アクチュエーションの間に、ミラーエレメントではなくリンキング部材が変形する。そのような変形により、リンキング部材は、エネルギを蓄積する。アクチュエーティング力が取り除かれる場合、リンキング部材は蓄積されたエネルギを開放し、反射層は、実質的に平坦な形状に復元する。
【0018】
いくつかの実施形態において、リンキング部材の機械的応答は、等方性であり、他の実施形態において、リンキング部材の機械的応答は、方向的または領域的に変化する。このように、反射層は、変形により仮想的にいかなる形状にもなるように設計され得る。
【0019】
この構造の性質により、本発明は、従来技術による適応光学デバイスの欠点を好都合に除去する物品を提供する。特に、アクチュエーションにより変形するものはミラーエレメントではなくリンキング部材であるので、反射層の光学的振る舞いおよび機械的振る舞いは分離される。そして、反射層を含む個々のミラーエレメントは、互いに機械的にリンクされているので、反射層を変形させるために単一のアクチュエータのみが必要とされる。
【0020】
【発明の実施の形態】
いくつかの実施形態において、本発明は、光信号を選択された光導波路に向けることに適した物品を提供する。そのようなデバイスは、これに限定されることなく、パケットルータ、アド/ドロップ(add-drop)マルチプレクサおよび再構成可能なネットワークを含む様々な光システムとの組合せで有用である。
【0021】
図4Aは、本発明の一実施形態による物品400を示す。物品400は、サポート部材404によりサポート即ち基板408の上に吊られた複数のリンクされたミラーエレメント450を含む反射層402からなる。ミラーエレメント450は、復元力がありかつ望ましくは導電性のリンキング部材458により機械的にリンクされている。そのようなリンキング部材458は、ミラーエレメント450をサポートエレメント404に連結する。
【0022】
各ミラーエレメント450は、反射表面452を有する。一実施形態において、反射表面452は、ミラーエレメント上に設けられた金属の層として実現される。他の実施形態において、反射表面452は、誘電体ミラー、誘電体フィルタ、偏光子、変調器、減衰器などである。そのような他の実施形態において、誘電体ミラーなどは、ミラーエレメント450上に設けることができ、または代替的に、ミラーエレメントおよび反射表面は、一体のもの(即ち、誘電体ミラーがミラーエレメント)とすることができる。リンクされたミラーエレメント450は、各ミラーエレメントの反射表面452が、物品400aが静止状態にある場合、実質的に同一方向を向くように配置されることが望ましい。
【0023】
各ミラーエレメント450は、少なくとも部分的に導電性であることが望ましい。図4Aに示された実施形態において、そのような導電性は、ドープされたポリシリコンの層または他の導電性材料のような導電性表面456を各ミラーエレメント450上に提供することにより与えられる。導電性表面456は、反射表面452の反対側のミラーエレメント450の側に設けられる。
【0024】
他の実施形態において、ミラーエレメント450は、全体として導電性材料から形成される、または適切なドーピングにより導電性とされた材料から形成される。サポート部材404およびリンキング部材458は、ミラーエレメント450が互いに電気的に接続されるように、導電性であることまたは導電性材料を含むことが望ましい。
【0025】
図4Aに示された実施形態において、固定電極406が、基板408とミラーエレメント450との間に配置される。固定電極406は、ドープされたポリシリコンまたは他の導電性材料から製造され得る。他の実施形態において、個別に構成された電極(即ち、堆積された材料の層)を使用するのではなく、基板408は、固定電極406として機能するように、適切な領域を導電性にするために適切にドープされる。
【0026】
固定電極406および各ミラーエレメント450の導電性表面456は、図示しない制御された電源と電気的に接触している。制御された電源は、固定電極406および導電性ミラーエレメント450に電圧を加えるように動作可能である。加えられる電圧がない場合、ミラーエレメント、および反射層402は、静止状態にある。そのような状態において、反射層402は、図4Aに示されているように、実質的に平坦形状を有する。
【0027】
電圧が固定電極406および導電性ミラーエレメント450に加えられるとき、静電的吸引力がそれらの間に生じる。そのような力は、ミラーエレメント450および反射層402を、ベクトル460により示されているように、固定電極406に向かってひたむきに移動させる。図4Bに示されているように、反射層402は、固定電極406に向かうその移動の結果として、導波路に対して、「上向きに凸」の形状となる。
【0028】
光導波路410,412および414は、基板408(図示されない導波路サポート)の上に配置される。各導波路410,412および414の端部411,413および415は、ミラーエレメント450の少なくともいくつかと光学的に整合され、かつその反射表面452に面する。図4B中の光線のトレーシングにより示されているように、反射層402が、上向きに凸の形状にバイアスされる場合、その上に入射され、導波路414から送られる光信号418は、導波路410に送られる。同様に、導波路414から送られる光信号420は、導波路412に送られる。
【0029】
アクチュエーションの間に、ミラーエレメント450をリンクするリンキング部材458は、ミラーエレメントが電極406に向かって引っ張られるとき、変形される。変形により、リンキング部材458は、エネルギを蓄える。アクチュエーティング力(例えば、印加電圧)が取り除かれるとき、リンキング部材458は、蓄えられたエネルギを開放し、これによりミラーエレメント450および反射層402が、ベクトル462(図4B)により示されているように、静止状態かつ実質的に平坦な形状に復元される。反射層402が図4Aに示されているように静止している場合、導波路414から発せられた光信号は、反射層402にあたった後、導波路414に戻される。
【0030】
前述した実施形態において、反射層402は、ミラーエレメント450の1×Nアレーとして示された。図5に示されているような他の実施形態において、本発明による物品500は、ミラーエレメント450のM×Nアレーを含む反射層502を有する。隣接するミラーエレメント450は、リンキング部材458によりリンクされている。そして、末端のミラーエレメント450は、リンキング部材458により、サポートエレメント504にリンクされる。電極506は、反射層402の下側に配置されている。
【0031】
図示されている実施形態において、サポートエレメント504は、反射層502の全ての側にある。他の実施形態において、サポートエレメント504は、反射層の2つ(対向する)側にのみある。また、反射層502が矩形形状を有するものとして示されているが、他の実施形態においては、例えば正方形、円形、楕円または他の形状のような異なる形状を有することが可能であることが理解されなければならない。
【0032】
個々のミラーエレメント450は、正方形に製造されることが望ましい。アレイに配置される場合、正方形のミラーエレメントは、比較的少量の無効(非反射)領域を有する反射層を提供する。無効スペースの相対的比率が重要でないアプリケーションにおいて、円形、楕円形または他の形状を有するミラーエレメントが適切に使用され得る。
【0033】
図6は、物品500のより小さいバージョンの透視図を示す。物品500は、サポートエレメント504により2つの側面(他の実施形態においては4つの側面)において支持される反射層502を含む。反射層502は、リンキング部材458により機械的かつ電気的にリンクされたミラーエレメント450のアレイを含む。各サポートエレメント504は、直立部504aおよびクロス部材504bを含む。各クロス部材504bから吊るされているリンキング部材458は、ミラーエレメント450を吊るし、基板508上に配置されたまたはその中に形成された電極506の上に反射層502を吊るす。
【0034】
電極506および反射層502に電圧を加えることによりアクチュエートされた場合、反射層は電極506に向かって反る。アクチュエーション下での反射層502の形状は、それが2個または4個のサポートエレメント504により支持されるかどうかの関数として異なることになることが理解されるであろう。
【0035】
一実施形態において、反射層502の機械的応答は、等方性(即ち、方向の関数として不変)である。そのような実施形態において、反射層502における各リンキング部材458の「かたさ“stiffness”」または機械的振る舞いは、実質的に同一であり、アレイは、典型的には、サポータエレメント504により4個の側面において支持される。他の実施形態において、反射層502は異方性である。さらに他の実施形態において、リンキング部材458のかたさは、領域的に変化し、または特定の機械的応答を達成するように他の所望の方法で変化する。
【0036】
図7は、本発明による物品700の透視図を示す。物品500とは異なり、静止状態にある場合、物品700の反射層702は、表面708aに対して実質的に平行でない。実際、物品700において、反射層702の反射表面(即ち、層702を含む個々のミラーエレメント450の反射表面452)は、基板表面708aに対して実質的に直交する。他の実施形態において、反射層702が、基板708の表面708aに対して鈍角に配置され得る。
【0037】
図7に示された実施形態において、反射層702は、サポートエレメント704の直立部704Aおよびクロス部材704bから吊るされる。別の実施形態において、図示しない第4のクロス部材が、基板表面708aに対して近くに配置されるミラーエレメント450の行に取り付けられる。前述の実施形態におけるように、リンキング部材458は、ミラーエレメント450間の機械的および電気的相互接続を提供することが望ましい。固定電極706は、反射層702から適切に間隔をおかれ、かつ電極サポート716により適切に高くされている。電極サポートは、以下に説明するようなヒンジプレートから製造されたロッキング部材により所定位置に固定され得る。
【0038】
図8は、リンキング部材458の一実施形態を示す概略図である。前述したように、リンキング部材458は、隣接するミラーエレメント450を相互接続し、それらを近くに接する関係に配置する。
【0039】
図9Aに詳細が示されているように、各リンキング部材458は、図示のように相互接続されたV字形部960およびサイド部材962aおよび962bからなる。V字形部960は、アーム966aおよび966bおよび接続アーム968からなる。アーム966aの一方の端部は、接続アーム968の第1の端部から垂れ下がり、アーム966aの他方の端部は、サイド部材962aから垂れ下がる。
【0040】
同様に、アーム966bの一方の端部は、接続アーム968の第2の端部から垂れ下がり、アーム966bの他方の端部は、サイド部材962bから垂れ下がる。各サイド部材962aおよび962bの端部964aおよび964bは、ミラーエレメント450の側面851または支持構造(例えば、クロス部材504b(図6)、クロス部材704bまたは直立部704a(図7))のいずれかから垂れ下がる。
【0041】
ミラーエレメント450がアクチュエーティング力に応じて動くとき、リンキング部材458は図9Bに示されているように変形する。接続アーム968がベクトル972に沿って下向きに移動し、サイド部材962aおよび962bが各ベクトル974および976により示された方向に互いに離れるように動くとき、V字形部960は「開く」。アクチュエーションによりV字形部960が「開いた」とき、エネルギが蓄えられる。
【0042】
アクチュエーション力が減少するとき、V字形部960は「閉じ」、リンキング部材458は、蓄えられたエネルギを開放しつつ、その静止状態および形状(図9A)に戻る。リンキングエレメント450のV字形部960の閉成は、反射層を静止状態の平坦形状特徴に戻す復元力を提供する。
【0043】
他の実施形態において、ミラーエレメント450に対する復元力を提供することができる他のエレメントが、適切に使用され得る。そのような他の剛性は、例えば、スプリング機構またはコイルを含む。
【0044】
本発明の実施形態は、例えば、MEMS Microelectronics Center of North Carolina(MCNC)のような様々なソースから入手可能な表面マイクロマシニング技術を使用して製造され得る。MCNCにより提案されている技術のうちの1つは、3ポリシリコン層表面マイクロマシニングプロセスである。3ポリシリコン層の第1のものは、「POLY0」と呼ばれ、ノンリリーサブル(non-releasable)であり、シリコンウェハのような基板上にアドレス電極およびローカルワイアリングをパターニングするために使用される。
【0045】
他の2つのポリシリコン層は、「POLY1」および「POLY2」と呼ばれ、リリーサブル(releasable)であり、機械的構造(例えば、サポートおよびミラーエレメント)を形成するために使用され得る。そのようなリリースは、製造の間にポリシリコン層間に堆積された犠牲酸化物層をエッチング除去することにより得られる。
【0046】
ポリシリコン層POLY0,POLY1およびPOLY2は、それぞれ0.5,2.0および1.5の公称厚さを有する。ポリシリコンおよび酸化物層は、個々にパターン化され、次の層が加えられる前に、反応イオンエッチングにより各層から不要な材料が除去される。任意的に、公称上0.6ミクロンの厚さの金属層が、POLY2層上に堆積され得る。
【0047】
例示的な実施形態に関して、POLY1および/またはPOLY2層は、様々なサポート構造、弾性部材およびミラーエレメントを形成するために使用され得る。ポリシリコンは、必要な場合、適切な導電性を提供するためにドープされ得る。様々な構造が、適切なマスクを使用してパターン化される。任意的な金属層が、各ミラーエレメント450の反射表面456を形成するために使用され得る。
【0048】
反射層が基板に対してアウトオブプレイン(out-of-plane)に配置される図7に示された物品700を製造するために、異なるサイズおよび形状の様々なヒンジプレートが使用されることが望ましい。そのようなヒンジプレートは、物品700の様々な構造(例えば、サポート、ミラーエレメント、弾性部材)が、基板の表面に対して実質的に平行に平面中に配置されるように形成されることを可能にする。換言すれば、物品を含む様々な構造が、基板上に形成される。最後の組立ステップにおいて、その構造が基板から離れてそのヒンジの周りに回転するように、その構造の自由端がリフトされる。
【0049】
例えば、物品700において、サポートエレメント704の直立部704aおよび電極サポート716は、基板708に対してヒンジされることが望ましい。物品700を組み立てるために、直立部および電極サポートは、例えば静電アクチュエータを使用して「アクティブに」または例えば解放時に縮む応力を加えられた層を使用してパッシブに、面の外へ回転される。そのようなヒンジプレートを形成することは、この技術分野において知られている。
【0050】
Pister等による“Microfabricated Hinges," vol. 33, Sensors and Actuators A, pp. 249-56, 1992 を参照のこと。また、本願の出願人による米国特許出願08/856569、MICRO MACHINED OPTICAL SWITCH, filed May 15, 1997 、米国特許出願08/056565、METHODS AND APPARATUS FOR MAKING A MICRODEVICE, filed May 15, 1997、および米国特許出願08/997175、SELF-ASSEMBLING MICRO-MECHANICAL DEVICE, filed December 22, 1977を参照のこと。
【0051】
上述した実施形態は、本発明の単なる例示であって、当業者は、本発明の範囲から離れることなしに様々な変形を考案し得ることが理解されなければならない。したがって、特許請求の範囲およびその均等物にそのような変形が含まれることが意図されている。
【0052】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、均一な反射層の光的/機械的独立性を除去し、かつ従来のミラーアレイの多数のアクチュエータを除去するマイクロマシンドミラーの形式における適応光学が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】反射層を使用する適応光学のための第1の従来技術による構成を示す図。
【図2】図1の構成の反射層の、静止状態およびアクチュエートされた状態を示す図。
【図3】複数の個別にアクチュエートされるミラーエレメントを含む適応光学についての第2の従来技術による構成と共に使用されるアクチュエータを示す図。
【図4】本発明の第1の実施形態による反射層を有する物品を示す図。
【図5】本発明の第2の実施形態による反射層を有する物品を示す図。
【図6】図5の物品の透視図。
【図7】本発明の第3の実施形態による物品を示す図。
【図8】隣接するミラーエレメントを電気的かつ機械的に接続するためのリンキング部材を例示する図。
【図9】図8のリンキング部材の第1の位置および第2の位置を示す図。
【符号の説明】
102 ミラー
104 サポート
106 電極
108 基板表面
110,112,114 光ファイバ
116,118 光信号
322 ミラーエレメント
326 アクチュエータ
328 基板表面
340 サポート部材
342 トーション部材
344 電極
402 反射層
404 サポート部材
406 固定電極
408 基板
410,412,414 導波路
450 ミラーエレメント
452 反射表面
458 リンキング部材
502 反射層
504 サポートエレメント
506 電極
504a 直立部
504b クロス部材
508 基板
702 反射層
704 サポートエレメント
704a 直立部
704b クロス部材
706 固定電極
708 基盤
708a 基盤表面
716 電極サポート
960 V字形部
962 サイド部材
964 端部
966 アーム
968 接続アーム
Claims (14)
- 変形可能なミラーを含む物品であって、該変形可能なミラーは、
第1の表面を有する電極と、
該電極の第1の表面に対して対向して離れて配置された反射層とを含み、該反射層は複数のリンクされたミラーエレメントからなり、前記ミラーエレメントは、該ミラーエレメントへ導電性経路を提供するリンキング部材によってリンクされており、前記ミラーエレメントの少なくともいくつかは、導電性でありかつ反射表面を有し、前記反射層は、前記電極および前記ミラーエレメントから前記反射層への電圧の印加により、平坦な表面から湾曲した表面へ変形可能であることを特徴とする物品。 - 電圧を前記変形可能ミラーに印加するための電圧源をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の物品。
- リンクされたミラーエレメントに光信号を送るための第1の光ファイバと、
前記反射層が湾曲表面に変形されたとき、前記第1の光信号を受信するための第2の光ファイバとをさらに有することを特徴とする請求項1記載の物品。 - 第1の表面を有するサポートをさらに有し、前記電極の第1の表面は、前記サポートの表面に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項1記載の物品。
- 前記ミラーエレメントを支持するサポート手段をさらに有し、それにより前記反射層が前記電極から間隔をおかれることを特徴とする請求項4記載の物品。
- 第1の表面を有するサポートをさらに有し、前記電極の第1の表面が、前記サポートの表面に平行でないことを特徴とする請求項1記載の物品。
- 前記リンキング部材の各々は、復元力を前記反射層に与えるように動作可能なv字形部を含むことを特徴とする請求項1記載の物品。
- 前記リンキング部材は、前記電圧が隣接するミラーエレメント間を伝わるように導電性であることを特徴とする請求項7記載の物品。
- 前記反射層の機械的応答は前記ミラーセグメントの異方性モーメントからなることを特徴とする請求項1記載の物品。
- 前記リンキング部材のいくつかの機械的応答が、前記反射層の機械的応答が異方性となるように、前記リンキング部材の他のものの機械的応答と異なることを特徴とする請求項6記載の物品。
- 反射層を含む複数のミラーエレメントのうちの1つに光信号を送るステップと、
前記反射層が、平坦な平面形状を有し、前記光信号がそれから反射されるとき、第1の経路に従い、前記反射層が湾曲形状を有するように、前記反射層を変形させるステップと、
前記反射層からの光信号を第2の経路に沿って反射させるステップとを有することを特徴とする第1の経路からの光信号の経路を変更するための方法。 - 前記変形させるステップは、前記反射層およびそこから離された電極に電圧を選択的に印加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項11記載の方法。
- 前記光信号を送るステップは、前記光信号を第1の光ファイバにより送るステップをさらに含み、前記反射させるステップは、前記光信号を第2の光ファイバに反射させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項12記載の方法。
- 隣接するミラーエレメントを機械的に接続する弾性的リンキング部材の動作により、非変形形状に前記反射層を復元するステップをさらに含むことを特徴とする請求項13記載の方法。
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