JP4002145B2

JP4002145B2 - MEMS optical switch

Info

Publication number: JP4002145B2
Application number: JP2002204517A
Authority: JP
Inventors: 恭子小谷
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP2004045876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，マイクロレンズを用いたＭＥＭＳ光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いたＭＥＭＳ光スイッチが提案されており，光産業技術振興協会光技術動向調査報告書１７，Ｐ．８０−８５で報告されている。その一例として，自由空間ミラータイプのポップアップ方式のＭＥＭＳ光スイッチを図５に示す。図５のスイッチは，８×８のマトリックススイッチであり，並列配置された８本の入力側の光ファイバ１４，各入力側の光ファイバ１４の端面に対向配置された８個のＧＲＩＮレンズ１３，入力側の光ファイバ１４と直交する方向に並列配置された８本の出力側の光ファイバ１６，各出力側の光ファイバ１６の端面に対向配置された８個のＧＲＩＮレンズ１５，６４個のミラー１７，ファイバの端部と上記部品が載置される基板１８を有する。ここで，ＧＲＩＮレンズとは屈折率分布型レンズのことである。
【０００３】
入力側の光ファイバ１４からの光は，ＧＲＩＮレンズ１３によりコリメートされた後，ミラー１７に入射する。ミラー１７はこのコリメート光の進行方向に対し４５度の傾斜角を有する。ミラー１７により反射されたコリメート光は光路を９０度折り曲げられてＧＲＩＮレンズ１５で集光された後，出力側の光ファイバ１６の端面に入射する。
【０００４】
ミラー１７は不図示の可動電極上に設けられており，静電駆動力により各ミラー１７を個別に基板１８に垂直な方向に上下動して，光路に対して挿脱する。図５において，光路中に位置しているミラーを実線で，光路から離脱しているミラーを点線で示す。このように，所定のミラー１７が光路中に位置するよう選択することにより，光路が切り換えられ，光結合させる入力側の光ファイバ１４と出力側の光ファイバ１６の組み合わせが選択されて，光ビームをスイッチングする。図５に示すスイッチは１つのミラーがＯＮ／ＯＦＦの２値しか持たないクロス／バー相当のデジタルスイッチである。
【０００５】
上記構成のスイッチの特徴としては，構成が単純で，基板１８にＶ溝を混載することにより入力側の光ファイバ１４，出力側の光ファイバ１６のパッシブアライメントが可能なこと，デジタル動作なので制御が容易なこと等が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ＧＲＩＮレンズの外径サイズが制限となり，ＧＲＩＮレンズを１ｍｍ以下のピッチで並列配置することが困難である。光スイッチの小型化を進めるにあたり，この点が障壁となっていた。
【０００７】
また，マトリックスを構成する光ファイバの数を増やし，スイッチの大規模化を図る際，必然的に入力側の光ファイバから出力側の光ファイバまでの光路が長くなる。そのため，コリメート長を長くする必要がある。ここで，コリメート長とはコリメートされた光が平行光状態を保って伝搬する距離である。しかし，光の性質からコリメート長を長くするとビーム径が大きくなる。ビーム径の大きな光を反射するためには，ミラーのサイズを大きくしなくてはならず，この点もスイッチの小型化に対する障害となっていた。
【０００８】
さらに，光スイッチの製造工程において，個々のＧＲＩＮレンズを１つずつ所定の位置に高精度に実装するのは容易な作業ではなく，高コスト化につながっていた。
【０００９】
本発明の目的は，このような問題に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，小型化が可能な光スイッチを提供することにある。また，本発明の別の目的は，低コスト化が可能な光スイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，エッチングにより形成され，光軸と交差する方向にアレイ状に配列された複数のレンズ部と，前記レンズ部を一体化して伸長形成される取扱・支持部と、前記レンズ部の形成面側からその対向面側に延びる外周の一部であって，前記取扱・支持部から下方に張り出す張出部と，を有して入出力する光をコリメート又は集光するマイクロレンズアレイと；前記マイクロレンズアレイの前記張出部と外形寸法の一部が略同一である光ファイバと；を具備し，前記張出部と前記光ファイバの一部とは、ミラーが光路上に設けられた同一基板上に形成された溝に載置されることを特徴とするＭＥＭＳ光スイッチが提供される。かかる構成によれば，従来使用していたＧＲＩＮレンズよりも微小サイズのマイクロレンズアレイを用いて光スイッチを構成できるので，光スイッチの小型化を進めることができる。また，複数の微小サイズのレンズ部をまとめて取扱うことができるので，実装時の取扱いが容易になり，作業時間が短縮され，低コスト化が可能になる。また、光ファイバが配置される実装用の溝に，マイクロレンズアレイも光ファイバと同様に実装することができるので，高精度な実装が容易に可能である。
【００１１】
その際に，複数の前記レンズ部のうちの少なくとも１つは他と光学性能が異なるように構成してもよい。例えば，各レンズ部に対応する光路長に応じて，必要最小限のコリメート長が得られるよう，レンズ部の集光性能を異ならせる。かかる構成によれば，必要以上にビーム径が大きくなることがないため，光スイッチの小型化に寄与できる。
【００１３】
また、前記張出部は，前記レンズ部の光軸を中心軸とする略円弧形状の外形で形成されることが好ましい。
【００１４】
なお，上記光スイッチは自由空間ミラータイプであるように構成してもよい。また，前記マイクロレンズアレイは，例えばシリコン結晶基板からなるようにしてもよい。あるいは，ＧａＡｓ，Ｉｎｐ，ＧａＰ，ＳｉＣ，Ｇｅ等を材料とする基板からなるようにしてもよい。また，前記レンズ部は回折光学素子からなるよう構成してもよい。更に、前記基板上に形成された前記溝は，Ｖ溝であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお，以下の説明および添付図面において，略同一の機能および構成を有する構成要素については，同一符号を付すことにより，重複説明を省略する。
【００１６】
図１は，本発明の第１の実施の形態にかかるＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。本スイッチでは，コリメート用のレンズとして図５に示すＧＲＩＮレンズに代わり，マイクロレンズアレイを用いている。本スイッチは自由空間ミラータイプのポップアップ方式のＭＥＭＳ光スイッチであり，８×８のマトリックススイッチである。
【００１７】
本スイッチは，マイクロレンズアレイ１０，１２と，８本の入力側の光ファイバ１４と，８本の出力側の光ファイバ１６と，６４個のミラー１７と，光ファイバの端部と上記部品が載置される基板１８とを有する。
【００１８】
図２に主要構成部品であるマイクロレンズアレイ１０の一例の部分斜視図を示す。マイクロレンズアレイ１０は所定間隔を持って列状に配置された８つのレンズ部２と，それらレンズ部２を一体化して一方向に伸長した取扱・支持部４を有する。取扱・支持部４は，図２に示す通り，レンズ部２の外周の上部側でレンズ部と接続し，レンズ部２表面に略平行な面上でレンズ部２を越えてレンズ部２の列方向に沿って伸長し，１列中の全レンズ部２を接続して一体化するように形成されている。
【００１９】
レンズ部２はここでは円形形状をしており，エッチングにより形成された回折光学素子からなる。レンズ部２は，回折光学素子の１つであるＣＧＨ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｅｄＨｏｌｏｇｒａｍ）素子により形成してもよい。ＣＧＨ素子は，所望の光学特性を示す光学素子の光路差関数から所望の光学特性を得るに必要なフォトマスクのパターンをコンピュータを用いて求め，そのマスクパターンを用いて光学基板の表面の所望箇所にエッチング処理を施すことにより，所望の光学特性を有する回折型光学素子を形成したものである。
【００２０】
レンズ部２の下部側にはレンズ部２の外周の一部としての縁部３が位置し，レンズ部２の円周形状に沿った円弧形状を有する。この縁部３の円弧形状を呈する外形はレンズ部２の形成面側からその対向面側まで延びており，レンズ部２の光軸を中心軸とする略円柱形状の一部である略蒲鉾形の形状となっている。取扱・支持部４から下方に張り出すこの略蒲鉾形の部分を張出部５と呼ぶ。張出部５の円弧形状の外径寸法は，光ファイバ１４，１６の外径寸法と等しくなるよう構成されており，例えばその外径寸法はφ１２５μｍである。この張出部５の２つの端面は取扱・支持部４の所定の対応する面とそれぞれ同一平面となる。そしてこの張出部５の一方の端面とそれに対応する取扱・支持部４の所定の面とで成す平面にレンズ部２が形成されている。なお，上述の説明では，縁部３はレンズ部２を囲むように設けられているが，レンズ部２の外周が縁部３を構成するようになっていてもよい。
【００２１】
取扱・支持部４の上面および側面は平坦に形成されている。したがって，上方あるいは側方から保持手段によりマイクロレンズアレイ１０を保持することが容易である。保持手段としては例えば，挟持手段や吸引保持する負圧吸盤のような負圧保持手段が考えられる。
【００２２】
マイクロレンズアレイ１０はここでは，シリコン結晶基板からなる。マイクロレンズアレイ１０は，半導体技術で用いられるフォトリソ・エッチング技術を用いて，シリコン結晶基板にマイクロレンズアレイ１０に対応する形状のパターンをフォトマスクパターンとして用いてエッチングを行うことにより作製される。なお，マイクロレンズアレイ１２もマイクロレンズアレイ１０と同様の構成を有する。
【００２３】
図１にもどって，ＭＥＭＳ光スイッチの構成を説明する。図１に示す本スイッチでは，図１に示す基板１８の左辺側に８本の入力側の光ファイバ１４が並列配置されている。各光ファイバ１４の端面に各レンズ部２が対向するように，マイクロレンズアレイ１０が配置されている。なお，ここではレンズ部２が形成されている面が光ファイバ１４に対向するように構成されているが，これに限定するものではない。レンズ部２の構成によっては，レンズ部２が形成されている面に対向する面が光ファイバ１４に対向するようにマイクロレンズアレイ１０を配置してもよい。
【００２４】
この光ファイバ１４とマイクロレンズアレイ１０のレンズ部２の結合状態を図３の部分拡大図に示す。光ファイバ１４およびマイクロレンズアレイ１０は基板１８に形成された断面がＶ字形状のＶ溝１９上に載置されて配置される。マイクロレンズアレイ１０は図２に示した張出部５がＶ溝１９の側壁に当接している。このように，同じ外径を有する光ファイバ１４と張出部５それぞれをＶ溝１９に当接して載置することにより，光ファイバ１４とレンズ部２は同一の光軸を共有でき，高精度な実装が可能になる。
【００２５】
図１に示す基板１８の下辺側には８本の出力側の光ファイバ１６が並列配置されている。また，各光ファイバ１６の端面に各レンズ部２が対向するように，マイクロレンズアレイ１２が配置されている。この光ファイバ１６とマイクロレンズアレイ１２の結合状態は，前述の光ファイバ１４とマイクロレンズアレイ１０の結合状態と同様である。
【００２６】
図１に示すように，マイクロレンズアレイ１０とマイクロレンズアレイ１２は直交する向きに配置されており，マイクロレンズアレイ１０の各レンズ部２の光軸とマイクロレンズアレイ１２の各レンズ部２の光軸もまた直交する。これらの光軸の交点となる基板１８上の６４個の位置にミラー１７が設けられている。ミラー１７の反射面は各レンズ部２の光軸に対し，４５度の角度を有する向き配置されている。
【００２７】
ミラー１７は不図示の可動電極上に設けられている。静電駆動力により各ミラー１７を個別に基板１８に垂直な方向に上下動して，光路に対して挿脱する。図１において，光路中に位置しているミラーを実線で，光路から離脱しているミラーを点線で示す。このように，所定のミラー１７が光路中に位置するよう選択することにより，光路が切り換えられ，光結合させる入力側の光ファイバ１４と出力側の光ファイバ１６の組み合わせが選択されて，光ビームをスイッチングする。図１に示すスイッチは１つのミラーがＯＮ／ＯＦＦの２値しか持たないクロス／バー相当のデジタルスイッチである。
【００２８】
本スイッチの動作を説明する。入力側の光ファイバ１４からの光はそれぞれ，対向するマイクロレンズアレイ１０のレンズ部２によりコリメートされた後，光路中に位置する所定のミラー１７で反射される。反射光は光路を９０度折り曲げられて進行した後，マイクロレンズアレイ１２のレンズ部２で集光されて，それぞれ対向する出力側の光ファイバ１６の端面に入射する。
【００２９】
ここで，図１に示すファイバ間隔であるピッチＰを考える。ピッチＰを狭くすると，隣接する光ファイバからの光が干渉して影響が生じる。回折理論によれば，干渉の影響を考慮しなくてよいピッチＰの限界値は，８×８マトリックススイッチの場合で１２５μｍ，１６×１６マトリックススイッチの場合で２５０μｍ，３２×３２マトリックススイッチの場合で５００μｍである。
【００３０】
このような狭ピッチは，従来のＧＲＩＮレンズを用いた光スイッチではＧＲＩＮレンズのサイズのために実現できなかったが，本実施の形態のような，エッチングにより形成されたレンズ部２を有するマイクロレンズアレイを用いた光スイッチでは実現可能である。具体的に８×８マトリックススイッチを考えた場合，従来のＧＲＩＮレンズを用いたスイッチでは数十ｍｍ^２のサイズになるが，本実施の形態のスイッチでは１ｍｍ^２程度にすることができるので，従来に比べ数十分の１の小型化が達成可能となる。
【００３１】
以上より，本実施の形態によれば，エッチングにより形成されたレンズ部を有するマイクロレンズをコリメータレンズとして用いることにより，レンズ外径サイズによる制限がなくなり，回折理論上十分な値までピッチを小さくできる。よって，ＭＥＭＳ光スイッチの小型化を大いに進めることができる。ピッチを小さくすることができるため，従来に比べ全体的に光路長を短くでき，必要なコリメート長も短くなる。前述のコリメート長とビーム径の関係から，コリメート光のビーム径も従来に比べて小さくなり，必要なミラーサイズを小さくできる。また，複数のレンズ部が一体化されたマイクロレンズアレイの構成を採用することで，複数のレンズ部を一括して取り扱うことができるので，実装時の取扱が非常に容易になり，低コスト化が達成できる。さらに，上記マイクロレンズアレイは光ファイバと同じ外径を有する張出部を備えているため，Ｖ溝に高精度に実装することができる。
【００３２】
次に，図４を参照しながら，本発明の第２の実施の形態にかかるＭＥＭＳ光スイッチについて説明する。図４はスイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態の光スイッチでは，レンズ部の構成が第１の実施の形態の光スイッチと異なる。以下，この点に注目して説明し，同様の構成については，重複説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態では，第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレイ１０，１２に代わって，マイクロレンズアレイ２０，２２が用いられている。マイクロレンズアレイ２０は８つのレンズ部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを有し，マイクロレンズアレイ２２は８つのレンズ部２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌ，２ｍ，２ｎ，２ｐ，２ｑを有する。これらのレンズ部は異なる光学性能を有する。ここでは，各レンズ部によってコリメートされた光のコリメート長が異なるように構成されている。
【００３４】
各レンズ部に対応する最長の光路長は異なるため，必要とされるコリメート長もレンズ部ごとに異なる。例えば，マイクロレンズアレイ２０において，図４で上端に位置するレンズ部２ａは，下端に位置するレンズ部２ｈより長いコリメート長を有する光ビームを形成する必要がある。よって，本実施の形態では，各レンズ部に対応する光路長を考え，必要最小限のコリメート長が得られるよう，各レンズ部を構成している。
【００３５】
ここでは，レンズ部はエッチングにより形成される回折光学素子からなるため，１つのマイクロレンズアレイにおいて性能の異なるレンズ部を形成するには，個々のレンズ部に応じたマスクパターンを用いてエッチングを行えばよく，容易に作製可能である。
【００３６】
以上より，本実施の形態によれば，第１の実施の形態と同様に，エッチングにより形成されたレンズ部を有するマイクロレンズをコリメータレンズとして用いることにより，レンズ外径サイズによる制限がなくなり，回折理論上十分な値までピッチを小さくできる。よって，ＭＥＭＳ光スイッチの小型化を大いに進めることができる。ピッチを小さくすることができるため，従来に比べ全体的に光路長を短くでき，必要なコリメート長も短くなる。前述のコリメート長とビーム径の関係から，コリメート光のビーム径も従来に比べて小さくなり，必要なミラーサイズを小さくできる。また，複数のレンズ部が一体化されたマイクロレンズアレイの構成を採用することで，複数のレンズ部を一括して取り扱うことができるので，実装時の取扱が非常に容易になり，低コスト化が達成できる。さらに，上記マイクロレンズアレイは光ファイバと同じ外径を有する張出部を備えているため，Ｖ溝に高精度に実装することができる。
【００３７】
さらに本実施の形態では，各レンズ部に異なる光学性能を持たせて必要最小限のコリメート長を有する光を発生させるよう構成している。これによって，ビーム径を最小限にすることができるので，ミラーサイズの縮小化にいっそう寄与できる。この点は特に，大規模化された光スイッチに適用する際に非常に有効である。
【００３８】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３９】
上記説明では，主に自由空間ミラータイプのポップアップ方式の８×８のマトリックススイッチを例にとり説明したがこれに限定するものではない。本発明は２軸チルトミラー方式やスタンドアップ方式等の自由空間ミラータイプのＭＥＭＳ光スイッチに適用可能である。マトリックスを構成する光ファイバの数も上記例以外のものも可能である。また，上記例では，一列中の全てのレンズ部が連結されたレンズアレイを示したが，必要に応じて複数のレンズアレイの組み合わせ，単体のレンズとレンズアレイの組み合わせを採用することもできる。また，レンズアレイを構成するレンズ部，縁部，取扱・支持部，張出部等の形状は上記例に限定されず，様々な形状が考えられる。例えば，レンズ部は，円形に限らず所望の形状で形成可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，小型化が可能な光スイッチを提供できる。また，本発明の別の観点によれば，実装が容易で低コスト化が可能な光スイッチを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２】図１の光スイッチが有するマイクロレンズアレイの構成を示す斜視図である。
【図３】図１の光スイッチにおけるマイクロレンズアレイと光ファイバの結合状態を示す部分拡大斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【図５】従来のＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
２レンズ部
３縁部
４取扱・支持部
５張出部
１０，１２マイクロレンズアレイ
１３，１５ＧＲＩＮレンズ
１４，１６光ファイバ
１７ミラー
１８基板
１９Ｖ溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS optical switch using a microlens.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a MEMS optical switch using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology has been proposed. 80-85. As an example, a free space mirror type pop-up type MEMS optical switch is shown in FIG. The switch shown in FIG. 5 is an 8 × 8 matrix switch, which includes eight input-side optical fibers 14 arranged in parallel, eight GRIN lenses 13 arranged to face the end faces of the input-side optical fibers 14, Eight output-side optical fibers 16 arranged in parallel in a direction orthogonal to the input-side optical fiber 14, eight GRIN lenses 15 arranged opposite to the end face of each output-side optical fiber 16, and 64 mirrors 17. It has the board | substrate 18 in which the edge part of a fiber and the said component are mounted. Here, the GRIN lens is a gradient index lens.
[0003]
Light from the input-side optical fiber 14 is collimated by the GRIN lens 13 and then enters the mirror 17. The mirror 17 has an inclination angle of 45 degrees with respect to the traveling direction of the collimated light. The collimated light reflected by the mirror 17 is bent 90 degrees in the optical path, collected by the GRIN lens 15, and then incident on the end face of the output optical fiber 16.
[0004]
The mirror 17 is provided on a movable electrode (not shown), and each mirror 17 is individually moved up and down in a direction perpendicular to the substrate 18 by an electrostatic driving force to be inserted into and removed from the optical path. In FIG. 5, the mirror located in the optical path is indicated by a solid line, and the mirror separated from the optical path is indicated by a dotted line. Thus, by selecting the predetermined mirror 17 to be positioned in the optical path, the optical path is switched, and the combination of the input side optical fiber 14 and the output side optical fiber 16 to be optically coupled is selected, and the light beam is selected. Switching. The switch shown in FIG. 5 is a digital switch corresponding to a cross / bar in which one mirror has only a binary value of ON / OFF.
[0005]
Features of the switch having the above configuration are that the configuration is simple, and that the optical fiber 14 on the input side and the optical fiber 16 on the output side can be passively aligned by mounting a V-groove on the substrate 18, and control is possible because of digital operation. Easy things are mentioned.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the outer diameter size of the GRIN lens is limited, and it is difficult to arrange the GRIN lenses in parallel at a pitch of 1 mm or less. This point was a barrier to miniaturization of optical switches.
[0007]
Further, when the number of optical fibers constituting the matrix is increased to increase the size of the switch, the optical path from the input side optical fiber to the output side optical fiber inevitably becomes longer. Therefore, it is necessary to increase the collimation length. Here, the collimation length is the distance that collimated light propagates in a parallel light state. However, due to the nature of the light, increasing the collimation length increases the beam diameter. In order to reflect light with a large beam diameter, the size of the mirror must be increased, which is also an obstacle to miniaturization of the switch.
[0008]
Furthermore, in the optical switch manufacturing process, mounting individual GRIN lenses one by one at a predetermined position with high accuracy is not an easy task, leading to higher costs.
[0009]
An object of the present invention is made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical switch that can be miniaturized. Another object of the present invention is to provide an optical switch capable of reducing the cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to a first aspect of the present invention, a plurality of lens portions formed by etching and arranged in an array shape in a direction intersecting the optical axis are integrated with the lens portion. and handling-support portion is extended form, a part of the outer periphery extending from the forming surface of the lens portion on the side facing, have a, a projecting portion projecting downward from the handling and support portions A microlens array that collimates or condenses light input and output ; and an optical fiber that has substantially the same external dimensions as the protruding portion of the microlens array, and the protruding portion and the A part of the optical fiber provides a MEMS optical switch characterized in that a mirror is placed in a groove formed on the same substrate provided on the optical path . According to such a configuration, an optical switch can be configured using a microlens array having a smaller size than that of a GRIN lens that has been used in the past, so that the optical switch can be miniaturized. In addition, since a plurality of micro-sized lens parts can be handled collectively, handling at the time of mounting becomes easy, work time is shortened, and cost can be reduced. Further, since the microlens array can be mounted in the mounting groove in which the optical fiber is disposed in the same manner as the optical fiber, high-precision mounting is easily possible.
[0011]
At this time, at least one of the plurality of lens units may be configured to have different optical performance from the others. For example, according to the optical path length corresponding to each lens unit, the light condensing performance of the lens unit is made different so that the minimum necessary collimation length can be obtained. According to such a configuration, since the beam diameter does not become larger than necessary, it can contribute to miniaturization of the optical switch.
[0013]
Further, it is preferable that the projecting portion is formed in a substantially arc-shaped outer shape with the optical axis of the lens portion as a central axis.
[0014]
The optical switch may be configured to be a free space mirror type. The microlens array may be made of, for example, a silicon crystal substrate. Alternatively, it may be made of a substrate made of GaAs, Inp, GaP, SiC, Ge or the like. Further, the lens unit may be constituted by a diffractive optical element. Furthermore, the groove formed on the substrate is preferably a V-groove.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description and the accompanying drawings, components having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0016]
FIG. 1 is a top view showing the configuration of the MEMS optical switch according to the first embodiment of the present invention. In this switch, a microlens array is used as a collimating lens instead of the GRIN lens shown in FIG. This switch is a free space mirror type pop-up type MEMS optical switch, which is an 8 × 8 matrix switch.
[0017]
This switch includes microlens arrays 10 and 12, eight input-side optical fibers 14, eight output-side optical fibers 16, 64 mirrors 17, optical fiber ends, and the above components. And a substrate 18 to be placed.
[0018]
FIG. 2 shows a partial perspective view of an example of the microlens array 10 which is a main component. The microlens array 10 has eight lens portions 2 arranged in a row at a predetermined interval, and a handling / supporting portion 4 that integrates the lens portions 2 and extends in one direction. As shown in FIG. 2, the handling / support unit 4 is connected to the lens unit on the upper side of the outer periphery of the lens unit 2, and extends beyond the lens unit 2 on a surface substantially parallel to the surface of the lens unit 2. It extends along the direction, and is formed so as to connect and integrate all the lens portions 2 in one row.
[0019]
Here, the lens portion 2 has a circular shape and is composed of a diffractive optical element formed by etching. The lens unit 2 may be formed of a CGH (Computer Generated Hologram) element which is one of diffractive optical elements. A CGH element uses a computer to obtain a photomask pattern necessary for obtaining desired optical characteristics from an optical path difference function of an optical element exhibiting desired optical characteristics, and uses the mask pattern to obtain a desired location on the surface of the optical substrate. A diffractive optical element having desired optical characteristics is formed by performing an etching process.
[0020]
An edge 3 as a part of the outer periphery of the lens unit 2 is located on the lower side of the lens unit 2 and has an arc shape along the circumferential shape of the lens unit 2. The outer shape of the edge portion 3 having an arc shape extends from the surface on which the lens portion 2 is formed to the opposite surface side, and is a substantially bowl shape that is a part of a substantially cylindrical shape centering on the optical axis of the lens portion 2. It is the shape of. This substantially bowl-shaped portion protruding downward from the handling / supporting portion 4 is referred to as a protruding portion 5. The outer diameter dimension of the arc shape of the overhanging portion 5 is configured to be equal to the outer diameter dimension of the optical fibers 14 and 16, for example, the outer diameter dimension is φ125 μm. The two end surfaces of the overhang portion 5 are flush with predetermined corresponding surfaces of the handling / support portion 4. The lens portion 2 is formed on a plane formed by one end surface of the overhang portion 5 and a predetermined surface of the handling / support portion 4 corresponding thereto. In the above description, the edge portion 3 is provided so as to surround the lens portion 2, but the outer periphery of the lens portion 2 may constitute the edge portion 3.
[0021]
The upper and side surfaces of the handling / supporting portion 4 are formed flat. Therefore, it is easy to hold the microlens array 10 by the holding means from above or from the side. As the holding means, for example, a holding means or a negative pressure holding means such as a negative pressure suction cup for sucking and holding can be considered.
[0022]
Here, the microlens array 10 is made of a silicon crystal substrate. The microlens array 10 is manufactured by performing etching using a pattern having a shape corresponding to the microlens array 10 as a photomask pattern on a silicon crystal substrate using a photolithography / etching technique used in semiconductor technology. Note that the microlens array 12 has the same configuration as the microlens array 10.
[0023]
Returning to FIG. 1, the configuration of the MEMS optical switch will be described. In the present switch shown in FIG. 1, eight input-side optical fibers 14 are arranged in parallel on the left side of the substrate 18 shown in FIG. The microlens array 10 is arranged so that each lens portion 2 faces the end face of each optical fiber 14. Here, the surface on which the lens portion 2 is formed is configured to face the optical fiber 14, but the present invention is not limited to this. Depending on the configuration of the lens unit 2, the microlens array 10 may be arranged so that the surface facing the surface on which the lens unit 2 is formed faces the optical fiber 14.
[0024]
The coupling state of the optical fiber 14 and the lens portion 2 of the microlens array 10 is shown in the partially enlarged view of FIG. The optical fiber 14 and the microlens array 10 are placed on a V-shaped groove 19 having a V-shaped cross section formed on the substrate 18. In the microlens array 10, the overhang portion 5 shown in FIG. 2 is in contact with the side wall of the V groove 19. Thus, by placing the optical fiber 14 having the same outer diameter and the overhanging portion 5 in contact with the V-groove 19, the optical fiber 14 and the lens portion 2 can share the same optical axis, and high accuracy. Implementation becomes possible.
[0025]
On the lower side of the substrate 18 shown in FIG. 1, eight output side optical fibers 16 are arranged in parallel. Further, the microlens array 12 is arranged so that each lens portion 2 faces the end face of each optical fiber 16. The coupling state of the optical fiber 16 and the microlens array 12 is the same as the coupling state of the optical fiber 14 and the microlens array 10 described above.
[0026]
As shown in FIG. 1, the microlens array 10 and the microlens array 12 are arranged in an orthogonal direction, and the optical axis of each lens unit 2 of the microlens array 10 and the light of each lens unit 2 of the microlens array 12. The axes are also orthogonal. Mirrors 17 are provided at 64 positions on the substrate 18 at the intersections of these optical axes. The reflection surface of the mirror 17 is arranged to have an angle of 45 degrees with respect to the optical axis of each lens unit 2.
[0027]
The mirror 17 is provided on a movable electrode (not shown). Each mirror 17 is individually moved up and down in a direction perpendicular to the substrate 18 by an electrostatic driving force, and is inserted into and removed from the optical path. In FIG. 1, the mirror located in the optical path is indicated by a solid line, and the mirror separated from the optical path is indicated by a dotted line. Thus, by selecting the predetermined mirror 17 to be positioned in the optical path, the optical path is switched, and the combination of the input side optical fiber 14 and the output side optical fiber 16 to be optically coupled is selected, and the light beam is selected. Switching. The switch shown in FIG. 1 is a digital switch corresponding to a cross / bar in which one mirror has only a binary value of ON / OFF.
[0028]
The operation of this switch will be described. Light from the optical fiber 14 on the input side is collimated by the lens portion 2 of the opposing microlens array 10 and then reflected by a predetermined mirror 17 located in the optical path. The reflected light travels after the optical path is bent 90 degrees, and then is collected by the lens unit 2 of the microlens array 12 and enters the end face of the optical fiber 16 on the output side facing each other.
[0029]
Here, the pitch P which is the fiber interval shown in FIG. 1 is considered. When the pitch P is narrowed, the light from the adjacent optical fiber interferes to cause an influence. According to diffraction theory, the limit value of the pitch P that does not need to consider the influence of interference is 125 μm in the case of 8 × 8 matrix switch, 250 μm in the case of 16 × 16 matrix switch, and in the case of 32 × 32 matrix switch. 500 μm.
[0030]
Such a narrow pitch could not be realized with a conventional optical switch using a GRIN lens due to the size of the GRIN lens. However, as in the present embodiment, a microlens having a lens portion 2 formed by etching. This can be realized with an optical switch using an array. Specifically, when considering an 8 × 8 matrix switch, a conventional switch using a GRIN lens has a size of several tens of mm ² , but the switch of the present embodiment can have a size of about 1 mm ^2. Compared to, it is possible to achieve a size reduction of several tenths.
[0031]
As described above, according to the present embodiment, by using a microlens having a lens portion formed by etching as a collimator lens, there is no restriction due to the lens outer diameter size, and the pitch can be reduced to a value sufficient in diffraction theory. . Therefore, the downsizing of the MEMS optical switch can be greatly advanced. Since the pitch can be reduced, the overall optical path length can be shortened compared to the conventional case, and the required collimation length is also shortened. Because of the relationship between the collimation length and the beam diameter described above, the beam diameter of the collimated light is also smaller than before, and the required mirror size can be reduced. In addition, by adopting a microlens array configuration in which multiple lens parts are integrated, multiple lens parts can be handled in a lump, making handling during mounting extremely easy and cost-effective. Can be achieved. Further, since the microlens array has a protruding portion having the same outer diameter as that of the optical fiber, it can be mounted in the V-groove with high accuracy.
[0032]
Next, a MEMS optical switch according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a top view showing the configuration of the switch. In the optical switch of the present embodiment, the configuration of the lens unit is different from that of the optical switch of the first embodiment. The following description will be made with a focus on this point, and a duplicate description of the same configuration will be omitted.
[0033]
In the present embodiment, microlens arrays 20 and 22 are used in place of the microlens arrays 10 and 12 in the first embodiment. The microlens array 20 has eight lens portions 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, and 2h, and the microlens array 22 has eight lens portions 2i, 2j, 2k, 21, 2m, 2n, and 2p. , 2q. These lens parts have different optical performance. Here, the collimated length of the light collimated by each lens unit is different.
[0034]
Since the longest optical path length corresponding to each lens part is different, the required collimation length is also different for each lens part. For example, in the microlens array 20, the lens unit 2a positioned at the upper end in FIG. 4 needs to form a light beam having a longer collimator length than the lens unit 2h positioned at the lower end. Therefore, in the present embodiment, each lens unit is configured so that the optical path length corresponding to each lens unit is considered and the minimum necessary collimation length is obtained.
[0035]
Here, since the lens portion is composed of a diffractive optical element formed by etching, in order to form a lens portion having different performance in one microlens array, etching is performed using a mask pattern corresponding to each lens portion. It can be easily manufactured.
[0036]
As described above, according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, by using a microlens having a lens portion formed by etching as a collimator lens, there is no limitation due to the lens outer diameter size, and diffraction The pitch can be reduced to a theoretically sufficient value. Therefore, the downsizing of the MEMS optical switch can be greatly advanced. Since the pitch can be reduced, the overall optical path length can be shortened compared to the conventional case, and the required collimation length is also shortened. Because of the relationship between the collimation length and the beam diameter described above, the beam diameter of the collimated light is also smaller than before, and the required mirror size can be reduced. In addition, by adopting a microlens array configuration in which multiple lens parts are integrated, multiple lens parts can be handled in a lump, making handling during mounting extremely easy and cost-effective. Can be achieved. Further, since the microlens array has a protruding portion having the same outer diameter as that of the optical fiber, it can be mounted in the V-groove with high accuracy.
[0037]
Furthermore, in this embodiment, each lens unit is configured to have different optical performance so as to generate light having a minimum necessary collimation length. As a result, the beam diameter can be minimized, which can further contribute to the reduction of the mirror size. This point is particularly effective when applied to a large-scale optical switch.
[0038]
As mentioned above, although preferred embodiment concerning this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It is obvious for those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that it belongs to.
[0039]
In the above description, a free space mirror type pop-up 8 × 8 matrix switch has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present invention is applicable to a free space mirror type MEMS optical switch such as a biaxial tilt mirror system or a stand-up system. The number of optical fibers constituting the matrix may be other than the above example. In the above example, a lens array in which all the lens portions in one row are connected is shown. However, a combination of a plurality of lens arrays or a combination of a single lens and a lens array can be adopted as necessary. Further, the shape of the lens portion, the edge portion, the handling / supporting portion, the overhanging portion, etc. constituting the lens array is not limited to the above example, and various shapes are conceivable. For example, the lens portion is not limited to a circle and can be formed in a desired shape.
[0040]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an optical switch that can be miniaturized can be provided. According to another aspect of the present invention, it is possible to provide an optical switch that can be easily mounted and reduced in cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a MEMS optical switch according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a microlens array included in the optical switch of FIG.
3 is a partially enlarged perspective view showing a coupling state of a microlens array and an optical fiber in the optical switch of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a top view showing a configuration of a MEMS optical switch according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a top view showing a configuration of a conventional MEMS optical switch.
[Explanation of symbols]
2 Lens part 3 Edge part 4 Handling and support part 5 Overhang part 10, 12 Micro lens array 13, 15 GRIN lens 14, 16 Optical fiber 17 Mirror 18 Substrate 19 V groove

Claims

エッチングにより形成され，光軸と交差する方向にアレイ状に配列された複数のレンズ部と，
前記レンズ部を一体化して伸長形成される取扱・支持部と、
前記レンズ部の形成面側からその対向面側に延びる外周の一部であって，前記取扱・支持部から下方に張り出す張出部と，
を有して入出力する光をコリメート又は集光するマイクロレンズアレイと；
前記マイクロレンズアレイの前記張出部と外形寸法の一部が略同一である光ファイバと；
を具備し，
前記張出部と前記光ファイバの一部とは、ミラーが光路上に設けられた同一基板上に形成された溝に載置されることを特徴とするＭＥＭＳ光スイッチ。A plurality of lens portions formed by etching and arranged in an array in a direction intersecting the optical axis;
A handling / supporting part formed by extending the lens part;
A part of the outer periphery extending from the lens forming surface side to the opposite surface side thereof, and a projecting part projecting downward from the handling / supporting part;
A microlens array for collimating or focusing the light input and output have a;
An optical fiber having substantially the same external dimensions as the protruding portion of the microlens array;
Comprising
2. The MEMS optical switch according to claim 1, wherein the protruding portion and a part of the optical fiber are placed in a groove formed on the same substrate provided with a mirror on the optical path .

複数の前記レンズ部のうちの少なくとも１つは他と光学性能が異なることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。 The MEMS optical switch according to claim 1, wherein at least one of the plurality of lens units has optical performance different from the others.

前記張出部は，前記レンズ部の光軸を中心軸とする略円弧形状の外形で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。 3. The MEMS optical switch according to claim 1, wherein the projecting portion is formed in a substantially arc-shaped outer shape with the optical axis of the lens portion as a central axis.

自由空間ミラータイプであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。The MEMS optical switch according to any one of claims 1 to 3 , wherein the MEMS optical switch is a free space mirror type.

前記マイクロレンズアレイはシリコン結晶基板からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。The microlenses MEMS optical switch according to claim 1, any one of 4 array, characterized in that it consists of a silicon crystal substrate.

前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。MEMS optical switch according to any one of claims 1 to 5 wherein the lens unit is characterized by comprising a diffraction optical element.

前記基板上に形成された前記溝は，Ｖ溝であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。It said groove formed on said substrate, MEMS optical switch according to any one of claims 1 6, characterized in that the V-groove.