JP4227547B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて構成される光スイッチに属し、特に可動ミラーの構造に関するものである。

近年のインターネットの普及に伴い、光通信網の高速化、大容量化は目覚ましく進んでいる。光伝送容量を増加させる手段として、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Devision Multiplexing）通信方式の導入が活発に行われた。それに伴い、波長依存性の少ない光スイッチが要求され、光信号を電気信号に変換することなくそのままスイッチングする光アドドロップ（ＯＡＤＭ：Optical Add/Drop Multiplexing）や、光クロスコネクト（ＯＸＣ：Optical Cross Connect）の期待が高まった。

それらの基礎的な製造技術として集積化した光マトリクススイッチを一括加工できるＭＥＭＳ方式が注目されている。ＭＥＭＳ技術を用いると、半導体の集積回路の加工技術を基にした立体的な微細加工により、小型システムを集積化できる。ＭＥＭＳ型光スイッチの光学特性は、導波路型光スイッチに比べ消光比が高く、波長依存性がないといった特徴がある。

また、ＭＥＭＳ技術を用いると、小型高密度、マトリクス構成による大規模化、非閉塞型の光スイッチが実現でき、ミラー角度を自己保持することによって低電力型のものも実現できるため期待されている。

これらを意図した非閉塞型マトリクス光スイッチが提案されている（特許文献１、２参照）。

以下にその従来技術の光スイッチについて説明する。

図７は、従来技術の光スイッチ６０の構成を示した斜視図である。

光スイッチ６０は、光スイッチ６０の構成部材を配置（アライメント）する基板６１と、光スイッチ６０に信号光７０を伝送する光ファイバ６２と、光スイッチ６０に外部からの信号光７０を入力する光入力ポート６３と、光入力ポート６３から可動ミラー６６に平行光としての信号光７０を飛ばすためのマイクロレンズ６４と、入力した信号光７０を反射する複数の可動ミラー６６と、ＭＥＭＳ技術を用いて形成した可動ミラー６６を支持するミラーベース６５と、可動ミラー６６を回動させスイッチングさせるために対向して設けられた永久磁石６７、６７と、スイッチングされた信号光７０を外部に出力する光出力ポート６８とを備えて構成される。

光入力ポート６３、光出力ポート６８は、互いに対向して設けられ、それぞれ接続された光ファイバ６２及びマイクロレンズ６４を固定するためのファイバアレイ６９を有している。マイクロレンズ６４は、光ファイバ６２から入出力された信号光７０の経路に設けられ、ファイバアレイ６９に接着されている。永久磁石６７、６７は、可動ミラー６６に対して、磁場がかかるように対向して配置されている。

光スイッチ６０では、光ファイバ６２から入力された信号光７０が光入力ポート６３に伝送される。光入力ポート６３では、光入力ポート６３にあるマイクロレンズ６４から可動ミラー６６に向けて信号光７０が空間に出力される。空間に出力された信号光７０は、可動ミラー６６で反射されて他の可動ミラー６６に伝送される。可動ミラー６６からの反射光を受けた他の可動ミラー６６は、信号光７０を反射する。

可動ミラー６６と他の可動ミラー６６は各々の可動ミラー６６がほぼ平行に位置するように、各々を支持しているミラーベース６５がほぼ平行して設けられている。永久磁石６７、６７からの磁場を受けた可動ミラー６６は、可動ミラー６６周囲に設けられた図示しない微細コイルに流れる電流と永久磁石６７、６７から受けた磁場との相互作用により発生するローレンツ力により回動し、可動ミラー６６の向きが変わる。

光スイッチ６０がＯＮに設定されている場合には、他の可動ミラー６６で反射された信号光７０は、設定された可動ミラー６６の向きにより光出力ポート６８に出力される。光出力ポート６８に出力された光は、光ファイバ６２により、光スイッチ６０外部に伝送される。

光スイッチ６０がＯＦＦに設定されている場合には、他の可動ミラー６６で反射された信号光７０は、設定された可動ミラー６６の向きにより光出力ポート６８には向かわず、光出力ポート６８には出力されない。

図８は、図７に示した光スイッチ６０の可動ミラー６６の構造図である。

可動ミラー６６は、光を反射するミラー７３と、可動ミラー６６をＸ軸の回りに回転させるポリイミド製のトーションバー７５と、可動ミラー６６をトーションバー７５に対して直交するＹ軸の回りに回転させるポリイミド製のトーションバー７２と、図７に示す永久磁石６７、６７からの磁場を受けるための銅メッキされた微細コイル７１と、永久磁石６７、６７からの磁場を受けるための銅メッキされた他の微細コイル７６と、ミラー７３をＹ軸に対して無電力状態で特定の角度に保持するラッチ機構７４と、ミラー７３をＸ軸に対して特定の状態に保持する他のラッチ機構７７とを備えて構成される。ラッチ機構７４、７７は、ミラー７３を保持する。

可動ミラー６６は、２本のポリイミド製のトーションバー７５と、トーションバー７５とは直交した２本の他のトーションバー７２とで図７に示す光スイッチ６０のミラーベース６５に支持され、トーションバー７２、７５を軸として回動するジンバル構造を成している。ミラー７３は表面がＡｕの薄膜で覆われており、図７において信号光７０を反射するものである。

可動ミラー６６の内側に位置するＹ軸の回りの可動部分は、図７に示す永久磁石６７、６７による磁場をミラー７３の回りを囲むように銅メッキされた微細コイル７１によって受け、微細コイル７１の受ける磁場の強さや向きに応じて、電流の流れている微細コイル７１はローレンツ力を受ける。ローレンツ力を受けた微細コイル７１を有する可動ミラー６６は、受けたローレンツ力の大きさに応じてトーションバー７２（即ち、Ｙ軸）を軸として回動する。

回動した可動ミラー６６は、ラッチ機構７４により、一定角度に保持される。

可動ミラー６６の外側に位置するＸ軸の回りの可動部分は、図７に示す永久磁石６７、６７による磁場をミラー７３の回りを囲むように銅メッキされた微細コイル７６によって受ける。微細コイル７６の受ける磁場の大きさや向きに応じて、電流の流れている微細コイル７６はローレンツ力を受ける。ローレンツ力を受けた微細コイル７６を有する可動ミラー６６は、受けたローレンツ力の大きさに応じてトーションバー７５（即ち、Ｘ軸）を軸として回動する。Ｘ軸の回りを回動した可動ミラー６６は、ミラーベースに設けられているラッチ機構７７により、一定角度に保持される。

可動ミラー６６は、ラッチ機構７４、７７により、光スイッチ６０のＯＮ、ＯＦＦ状態が次に変化するまで保持される。

図９は、図７に示した光スイッチ６０において図８の可動ミラー６６が回動する動作原理を示す説明図である。

図９に示した各部材は、図７、図８で説明したもののうち、動作原理説明に必要なものだけを示してある。永久磁石６７、６７は、例として極性Ｎ、Ｓを付けて示した。これら永久磁石６７、６７により、平行な磁場Ｂが形成されている。

対向した永久磁石６７、６７の間に発生する磁場Ｂにおいて、ミラー７３の周囲に在る微細コイル７１、７６に各々電流ｉを流す。このとき各々の微細コイル７１、７６に生じるローレンツ力Ｆは、Ｆ＝Ｂ×ｉとなる。このローレンツ力Ｆとトーションバー７２、７５にローレンツ力Ｆがかかることによるトーションバー７２、７５に生じる反力との釣り合いで、ミラー７３の回動する角度が決定される。

特開２００２−０３１７６７号公報 特願２００２−１４０３６０号

しかしながら、従来技術における光スイッチ６０のミラー駆動方法では、可動ミラー自体にコイルを形成した構造体であるためミラー面積に対するコイル（アクチュエータ部分）の占める面積比率が高くなる。これにより、ミラーをアレイ状に並べたときに、各ミラー間のピッチが広くなる傾向があり、光スイッチの小型化が困難であった。また、ミラーの支持構造は、トーションバーによる２軸ジンバル構造であり、ミラーの動く自由度が制限されていた。

そこで、本発明の目的は、可動ミラーの偏向方向の自由度を高くし、光スイッチの小型化を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、外部からの光を入力する光入力ポートと、入力した光を反射するミラーと、該ミラーで反射した光を外部へ出力する光出力ポートとを備えた光スイッチにおいて、上記ミラーを裏面から支持する屈曲可能な支柱と、該支柱を屈曲させる力を与えて上記ミラーを偏向させる駆動源とを備え、上記駆動源は、上記ミラーの周りに環状に形成された強磁性体と、その強磁性体に磁場を与える磁力源と、上記強磁性体と上記磁力源との間で磁場を遮断すると共に磁場を通過させる窓を有するシャッターとを備え、上記シャッターを移動させることにより、上記強磁性体の任意の位置に磁場を与えて上記ミラーを偏向させるものである。

第２の発明は、上記支柱は、該支柱を中心とする全方向に屈曲可能であるものである。

第３の発明は、上記ミラーが上記支柱で支持されると共にトーションバーによっても支持されるものである。

本発明によれば、多軸偏向によるミラーの偏向自在を実現することができ、小型化された光スイッチを提供することができる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１（ａ）は、本発明の好適実施の形態を示す光スイッチ１の斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した光スイッチ１の断面図である。

但し、図１（ａ）は、説明に必要ない部分を一部省略しており、図１（ａ）、（ｂ）の示す部材は全て一致するものではない。

光スイッチ１は、外部からの信号光２を入力する図示しない光入力ポートと、入力した光（光スイッチ１に入出力される光は一般的に信号光であるため、以下信号光と称する）２を反射するミラー３と、ミラー３の周囲に設けられた強磁性体膜によりなる磁性体アクチュエータ４と、ミラー３及び磁性体アクチュエータ４が設けられたミラー構造体５と、ミラー構造体５をミラー３裏面から支持する全方向に屈曲可能な支柱６と、支柱６の基端を支持しミラー構造体５とほぼ並行に設けられたバルク単結晶Ｓｉの基板７と、永久磁石を用いた磁力源８と、磁力源８から磁性体アクチュエータ４への磁力を遮断する強磁性体のシャッター９と、ミラー３で反射した信号光２を外部へ出力する図示しない光出力ポートとを備えて構成される。

強磁性体よりなる磁性体アクチュエータ４と、強磁性体からなる磁性体アクチュエータ４に磁場Ｂを与える磁力源８との間には、磁場Ｂを遮断すると共に通過させる窓１０を有する強磁性体のシャッター９が位置する。強磁性体からなる磁性体アクチュエータ４と、磁力源８とにより、強磁性体からなる磁性体アクチュエータ９の任意の位置に磁場Ｂを与え（すなわち、磁場Ｂを変化させ）てミラー３を偏向させるための駆動源を成している。

この駆動源により後に詳述するように、支柱６を屈曲させる力を支柱６に与えて、ミラー３を変更させることがことができる。

ミラー構造体５及び支柱６は、バルク単結晶Ｓｉの基板７の上に設けられる。支柱６は、ミラー構造体５と一体構造となっており、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着）法によりｐｏｌｙ−Ｓｉで形成される。尚、この支柱６、ミラー構造体５及び基板７は、製造上容易なため一体構造となっているが、分離された部材を組み合わせて構成した場合でも、その機能には相違はない。

ミラー構造体５は、円盤状に形成されている。支柱６は、ミラー構造体５の円盤のほぼ中心から基板７に向かってミラー構造体５の法線方向に伸びた円柱状に形成されており、支柱６を中心とする全方向に屈曲可能である。

尚、ミラー構造体５の形状は円盤に限定されないし、支柱６の位置はミラー構造体５の中心に限定されない。また、支柱６の伸びる方向はミラー構造体５の法線方向に限定されない。更に、支柱６の本数は１本に限らず複数あってもよい。

ミラー構造体５上の中心部には、一般的な金属薄膜に比べて使用する通信用光信号の波長での反射率が良好な金の薄膜により、例えば直径５００μｍ前後の円形パターンのミラー３が形成されている。

ミラー構造体５のミラー３の周りには、スパッタ法により強磁性体材質のＦｅ−Ｎｉ膜から成る磁性体アクチュエータ４が環状に形成されている。磁性体アクチュエータ４は、ミラー３を偏向させるための部材である。

基板７の下側には、永久磁石を用いた磁力源８と、磁力源８から磁性体アクチュエータ４への磁場Ｂを遮断する強磁性体材質のシャッター９とが設けられている。シャッター９は、基板７と磁力源８との間に配置されており、ミラー３及び基板７に対してほぼ水平に設けられている。シャッター９には窓１０が一箇所以上設けられている。シャッター９は、磁性体アクチュエータ４より径が大きく、窓１０はシャッター９の外周寄りに配置されているので、窓１０は磁性体アクチュエータ４よりも外側に位置している。

シャッター９は、磁性体アクチュエータ４と同様にＦｅ−Ｎｉによって形成されており、窓１０の面積の広狭により窓１０を通過する磁場Ｂの強さを調整できる。

光スイッチ１のミラー３の偏向の原理を説明する。光スイッチ１の初期状態は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す通りである。

光スイッチ１は、初期状態では磁力源８とミラー構造体５の間には、窓１０の開いたシャッター９があるが、窓１０を透過する磁場Ｂは、磁性体アクチュエータ４には掛かっていない。よって磁場Ｂによる引力は磁性体アクチュエータ４には働かず、ミラー構造体５は基板７と平行を保つ。即ち、ミラー３は偏向しない。

次に、図１（ａ）、（ｂ）に示した光スイッチ１において、ミラー構造体５が偏向した時の状態を図２（ａ）の斜視図及び図２（ｂ）の断面図に示す。

但し、図２（ａ）は、説明に必要ない部分を一部省略しており、図２（ａ）、（ｂ）の示す部材は全て一致するものではない。

図２（ｂ）に示すように、シャッター９を矢印５５に方向に移動させることにより、窓１０を平行移動させる。窓１０がミラー３を偏向させたい方向の磁性体アクチュエータ４の直下位置に移動したとき、シャッター９の窓１０から透過する磁場Ｂが磁性体アクチュエータ４に掛かる。

磁力源８から発生する磁場Ｂが窓１０を通して、磁性体アクチュエータ４に届いたとき、ミラー構造体５には窓１０から磁力源８を見通す方向に引力を生じる。この磁場Ｂを浴びた部分において、磁力源８からの引力で磁性体アクチュエータ４が下方に引き下げられ、ミラー構造体５が傾くので、ミラー３が偏向される。

シャッター９に設ける窓１０を適宜一箇所以上配置することにより、ミラー３を従来技術のような特定の軸を限定せずに多軸方向即ち任意の方向に自在に偏向させることができる効果が得られる。

また、シャッター９が、磁性体アクチュエータ４より径が小さく、窓１０はシャッター９の内周寄りに配置されている場合、窓１０は磁性体アクチュエータ４よりも内側に位置している。この場合も、シャッター９が平行移動することにより、窓１０が磁性体アクチュエータ４の直下に移動し、磁場Ｂを透過させることができる。

また、シャッター９を平行移動させる場合を記載したが、シャッター９を回転制御させることでも同様の効果が得られる。磁性体アクチュエータ４と同径の位置に窓１０を一個設けたシャッター９を回転させることにより磁性体アクチュエータ４の必要な部分に磁場Ｂを掛けることができ、ミラー３を連続的な任意の所定の方向に偏向させることも可能であるし、シャッター９の平行移動と回転を併用する等も本発明に含まれる。

図３は、段差部２０を設けた光スイッチ２１の断面図である。

光スイッチ２１は、光スイッチ１の基板７上にミラー構造体５の角度決めのための段差部２０を設けたものである。

段差部２０は、ミラー構造体５が図示しない磁力源の磁場による引力により傾いた時にミラー構造体５を特定の角度で止めて支持するためのものである。段差部２０は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）技術を用いたＳｉエッチング技術により形成され、段差部２０の高さはミラー構造体５が精度良い角度で支持されるように設定される。

既に説明したように、ミラー構造体５は磁力源からの引力により傾斜する。

傾いたミラー構造体５は、基板７に設けられた段差部２０に当たる。傾斜したミラー構造体５は、段差部２０に押し当たって止まるので、ミラー３の偏向角度が決定される。

段差部２０によって、ミラー構造体５の傾斜角度即ちミラー３の偏向角度を所定の精度良い角度に制御することができるため、光スイッチ２１に入力された信号光が所定の方向に精度良く反射される効果を得られる。

図４に他の実施の形態を示す。図４は、上記光スイッチ１、２１において、一本以上の支柱６の他に、複数のトーションバー１６でも支持された光スイッチ３１を示す説明図である。

光スイッチ３１は、図１（ａ）、（ｂ）の光スイッチ１にミラー構造体５を径方向から支持するトーションバー１６と、トーションバー１６を固定するための固定部１７とを加えたものである。

ミラー構造体５を支持するトーションバー１６は、ミラー構造体５が偏向していない初期状態のミラー３の反射面に平行な軸上に設けられ、ミラー構造体５を径方向外方から支持するようにミラー構造体５に一端を取り付けられる。トーションバー１６の他端は、トーションバー１６を固定するための固定部１７に固定される。トーションバー１６は、支柱６と共にミラー３及びミラー構造体５を支持し、ミラー３が初期位置の状態でトーションバー１６の軸線がミラー３の面に対して平行となるようにミラー３から離れたトーションバー１６の端が固定部１７に固定されている。トーションバー１６の支持により、ミラー３およびミラー構造体５が偏向した場合に偏向方向を精度良く保持できる効果を有する。

また、固定部１７を上下させたり捻ることによって、トーションバー１６に捻りを与え、駆動源によるミラー３の偏向と共に、ミラー３を自在に屈曲させることができる効果を得られる。

また、トーションバー１６は、ミラー３近傍に給電が必要な部材であるアクチュエータやラッチ機構がある場合に、ミラー構造体５の外からミラー構造体５への給電路を併せ設けることもできる。

図５は、磁場を変化させることができる電磁石を設けた光スイッチ４１の実施の形態を示す断面図である。

光スイッチ４１は、外部からの信号光を入力する図示しない光入力ポートと、入力した信号光を反射するミラー３と、ミラー３の周囲に設けられた強磁性体膜によりなる磁性体アクチュエータ４と、ミラー３及び磁性体アクチュエータ４が設けられたミラー構造体５と、ミラー構造体５を支持する支柱６と、ミラー構造体５及び支柱６を形成するバルク単結晶の基板７と、ミラー３で反射した信号光を外部へ出力する図示しない光出力ポートと、永久磁石及び窓の代わりに磁力源として設けられた磁場を変化させることのできる電磁石１８ａ、１８ｂとを備えて構成される。

電磁石１８ａ、１８ｂは、給電された時（電磁石がＯＮ時）に磁石となり磁場を発生する。電磁石１８ａ、１８ｂは、給電されない時（電磁石がＯＦＦ時）には磁石としての機能は発揮せず磁場は発生しない。図示した光スイッチ４１は、電磁石１８ａ、１８ｂに給電されていない状態を示している。このとき、ミラー構造体５に設けられた磁性体アクチュエータ４には磁場が掛からないため磁場による引力ははたらかず、ミラー３は偏向しない。

次に、図５において給電していなかった電磁石１８ａ、１８ｂのひとつに給電した時の光スイッチ４１の状態を、図６に示す。

光スイッチ４１は、給電していなかった電磁石１８ｂに給電されることで、磁場を発生する電磁石１８ｂをひとつ有する状態となる。電磁石１８ｂにおいて生じた磁場Ｂは、電磁石１８ｂの周囲に磁気的な遮蔽物がないため、ミラー構造体５に設けられた磁性体アクチュエータ４に掛かる。この電磁石１８ｂから生じた磁場Ｂにより、磁性体アクチュエータ４の磁場Ｂを浴びた部分が電磁石１８ｂからの引力で下方に引き下げられ、ミラー構造体５が傾いて、ミラー３が偏向される。

ミラー３が偏向することで、光スイッチ４１に入力された信号光は、ミラー３により所定の方向に精度良く反射される効果を得られる。

光スイッチ４１は、電磁石１８ａ、１８ｂを設けることにより、電磁石１８ａ、１８ｂから発生する磁場Ｂを給電、無給電により容易に制御でき、電磁石１８ａ、１８ｂに流す電流の大きさに応じて発生する磁場Ｂの強さを変化させることもでき、従来技術のような形状の大きい永久磁石６７を要しないため、光スイッチ４１を小型化できるという効果を得られる。

以上まとめると、本発明は、ミラーを裏面から支柱で支持しその支柱を屈曲可能にした構成により、ミラー周囲に配置される部材が少ないので、各ミラー間のピッチを狭くすることができる。

また本発明は、ミラー周辺にコイル等を設ける必要がないので複雑な構造や配線等が無いため、光スイッチの小型化が可能である。

また本発明は光スイッチにおいて、ミラー近傍に強磁性体で形成された磁性体アクチュエータを形成し、磁性体アクチュエータに掛かる磁場の強さ或いは磁場の掛かる場所を調整することにより、磁性体アクチュエータに掛かる磁場による引力を利用して、ミラーを多軸方向に自在に偏向させることが可能となる。

また本発明は、複数のミラーを有する場合には、各々のミラーに磁性体アクチュエータを設け偏向自在なミラー構造体を形成することが可能なので、個々のミラーで独立して多軸偏向が可能となる。

また本発明は、従来技術ではミラーと一体若しくはミラー近傍に設けられていたミラーの駆動源をミラーと分離し、磁場の強度を調整する手段として、ミラーを形成したミラー構造体と、磁場を発生させる磁力源の間に、目的の領域のみに磁場が掛かるように窓を形成したシャッターを設け、シャッターをミラーに対して平行移動させることにより、ミラー周辺に設けた磁性体アクチュエータに掛かる磁場の強度を変化させることができる。

また、磁性体アクチュエータに掛かる磁場の強さを調整する他の手段としてミラー周辺に設けられた磁性体アクチュエータの特定の領域に磁場が掛かるように電磁石を設け、各々の電磁石を制御することにより調整された磁場強度でミラーを駆動させることも実現可能である。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態を示す光スイッチの斜視図である。図１（ｂ）は、本発明の実施の形態を示す光スイッチの断面図である。 図２（ａ）は、ミラー構造体が傾いた状態を示す光スイッチの斜視図である。図２（ｂ）は、ミラー構造体が傾いた状態を示す光スイッチの断面図である。 段差部を設けた他の実施の形態を示す光スイッチの断面図である。 ミラー構造体５を支持するトーションバーを設けた光スイッチの実施の形態を示す斜視図である。 電磁石を設けた光スイッチの実施の形態を示す断面図である。 電磁石を設けた光スイッチのミラー構造体が偏向した状態を示す断面図である。 従来技術の光スイッチの構成を示す斜視図である。 従来技術の光スイッチに設けられた可動ミラーの構造を示す構造図である。 従来技術の光スイッチの動作原理を示す説明図である。

符号の説明

１ 光スイッチ
２ 信号光
３ ミラー
４ 磁性体アクチュエータ
５ ミラー構造体
６ 支柱
７ 基板
８ 磁力源
９ シャッター
１０ 窓
Ｂ 磁場

Claims (3)

1. 外部からの光を入力する光入力ポートと、入力した光を反射するミラーと、該ミラーで反射した光を外部へ出力する光出力ポートとを備えた光スイッチにおいて、上記ミラーを裏面から支持する屈曲可能な支柱と、該支柱を屈曲させる力を与えて上記ミラーを偏向させる駆動源とを備え、
   上記駆動源は、上記ミラーの周りに環状に形成された強磁性体と、その強磁性体に磁場を与える磁力源と、上記強磁性体と上記磁力源との間で磁場を遮断すると共に磁場を通過させる窓を有するシャッターとを備え、
   上記シャッターを移動させることにより、上記強磁性体の任意の位置に磁場を与えて上記ミラーを偏向させることを特徴とする光スイッチ。
2. 上記支柱は、該支柱を中心とする全方向に屈曲可能である請求項１記載の光スイッチ。
3. 上記ミラーが上記支柱で支持されると共にトーションバーによっても支持される請求項１記載の光スイッチ。

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