JPH06148536A - 光スイッチ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、光路として光導波路を用い、静電
力を利用して機械的に光路を切り換えることのできる、
極めて精度の高い光スイッチ及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。 【構成】 本発明の光スイッチ（１０）は、片持ち梁状
に支持された可動部材（１６）に第１光導波路（１８）
を形成し、この可動部材（１６）を静電力により駆動さ
せて、第１光導波路（１８）を第２及び第３の光導波路
（１９，２０）のいずれか一方と光学的に結合させる構
成となっている。可動部材（１６）及び光導波路（１
６，１８，１９，２０）はシリコン基板（１１）上に光
集積回路製造技術を用いて作製でき、容易に高精度の光
スイッチを製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信装置や光伝送装
置等で用いられる光スイッチ及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】光路を切り換えるための光スイッチとし
ては、従来から種々の型式がある。図１０に記載の光ス
イッチはその一例であり、特開平３−７５７１３号公報
に記載のものである。この光スイッチは機械式と称され
るものであり、片持ち梁状に取り付けられた光ファンバ
ー１の自由端を、固定された２本の光ファイバー２，３
に対して磁力によって動かし、前記光ファイバー２，３
のいずれか一方と光学的に結合させる構成となってい
る。

【０００３】また、従来においては、例えば特開平３−
１９４５１７号公報に記載されているような、誘電体や
半導体の特性を利用した導波路型と呼ばれる光スイッチ
が知られている。図１１はこの導波路型光スイッチの動
作原理の一例を示しているが、これは、基板上に形成さ
れたＹ分岐光導波路５の分岐点手前で、印加電圧によっ
て導波光の界分布を変化させ、それにより光路の切換え
を行うものである。

【０００４】このような機械式光スイッチ及び導波路型
光スイッチには、以下に示すような解決すべき技術的課
題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】まず、機械式光スイッ
チにあっては、光学的結合に要求される数μｍの精度を
各構成部材の作製段階及びそれらを組み立てる際に満足
する必要があり、製造が極めて困難であるという問題点
があった。

【０００６】また、上記の機械式光スイッチを多段に組
み合わせて１×Ｎ光スイッチを構成しようとした場合、
光スイッチ間の接続のために光ファイバを接続する必要
があり、スイッチ全体が大型化する問題があった。

【０００７】一方、導波路型光スイッチにおいては、多
段に組み合わせて１×Ｎ光スイッチを実現することは容
易である。しかしながら、この導波路型光スイッチの特
徴として、分岐点での散乱損失が大きく、また、導波光
の波長及び偏波に依存するという問題点がある。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、光路としては光導波路を用いるが、光路切換え
方式は静電力を利用した機械式とした光スイッチ及びそ
の製造方法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による光スイッチは、片持ち梁
状に支持されている弾性変形可能な１本の導電性の可動
部材と、静電力により前記可動部材を第１位置及び第２
位置の間で駆動させるために、この可動部材の近傍に配
置された電極と、前記第１位置及び前記第２位置のそれ
ぞれで前記可動部材を停止するための停止部材と、前記
可動部材に形成された第１光導波路と、前記可動部材が
前記第１位置にある場合に、前記第１光導波路と光学的
に結合する第２光導波路と、前記可動部材が前記第２位
置にある場合に、前記第１光導波路と光学的に結合する
第３光導波路と、を備えることを特徴としている。

【００１０】電極は可動部材の両側に配置するのが好適
である。

【００１１】また、停止部材は、第２光導波路及び前記
第３光導波路が形成される支持層の一部を利用したもの
であっても良い。

【００１２】更に、可動部材と停止部材との接触面に磁
性体薄膜を形成し、可動部材が第１位置又は第２位置に
ある場合に自己保持されるようにすることもできる。

【００１３】このような光スイッチを多段に組み合わせ
ることで、Ｎ×Ｍ型の光スイッチとすることができる。

【００１４】更に、請求項６に係る発明は、基板上に、
後にエッチングにより除去される犠牲層を形成する工程
と、前記犠牲層を型として用い、片持ち梁状に支持され
る弾性変形可能な１本の導電性の可動部材と、この可動
部材を第１位置及び第２位置の間で駆動するための電極
と、前記可動部材を前記第１位置及び前記第２位置で停
止するための停止部材とを形成する工程と、可動部材に
第１光導波路を形成する工程と、前記可動部材が前記第
１位置にある場合に、前記第１光導波路と光学的に結合
する第２光導波路を形成する工程と、前記可動部材が前
記第２位置にある場合に、前記第１光導波路と光学的に
結合する第３光導波路を形成する工程と、前記犠牲層を
エッチングにより除去する工程と、を備える光スイッチ
の製造方法を特徴としている。

【００１５】

【作用】請求項１の発明では、導電性の可動部材と電極
との間で生ずる静電力により、可動部材を第１位置と第
２位置との間で移動させることができる。例えば、可動
部材に負の電荷を与え、そこに隣接する１個の電極に正
の電荷を与えた場合、電荷の吸引力により可動部材は当
該電極の方向に引き寄せられる。電極に負の電荷を与え
た場合には、斥力により可動部材は当該電極から離れる
方向に移動する。可動部材は片持ち梁状に支持されてい
るので、静電力によりその自由端側が大きく動くことに
なる。

【００１６】上記電極は少なくとも１個あれば足りる
が、請求項２に記載したように、可動部材の両側に配置
した場合には、一方からは吸引力、他方からは斥力が働
き、１個の電極よりも大きな変位が得られる。

【００１７】可動部材には第１光導波路が形成されてい
るため、静電力によって可動部材が駆動されることによ
り、第１光導波路は第２光導波路及び第３光導波路のい
ずれか一方と光学的に結合される。

【００１８】また、停止部材を設けておくことで、可動
部材が光導波路の光学的結合のための所定位置（第１位
置及び第２位置）で確実に停止される。この停止部材
は、第２及び第３の光導波路が形成される支持層の一部
を用いることで、製造工程の簡略化が図られる。

【００１９】更に、停止部材と可動部材との接触面に磁
性体薄膜を形成しておくことで、可動部材が第１位置又
は第２位置となった場合に、静電力を消勢しても、磁性
体薄膜の磁力吸引力により可動部材はその位置で保持さ
れる。

【００２０】このような光スイッチは、請求項６に記載
の本発明による製造方法に従って製造することができる
が、これは現在のシリコン半導体製造技術を用いた光集
積回路製造技術で十分に行うことができ、手間のかかる
組立工程は必要ない。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面を
参照にして説明する。

【００２２】図１〜図３は本発明の一実施例による光ス
イッチ１０の構成を示しており、図１はその平面図、図
２は側面図、図３は斜視図である。なお、以下の説明
中、「左」、「右」、「上」、「下」は図１及び図２を
基準とする。この実施例における光スイッチ１０は平板
状のシリコン基板１１を有しており、その上面には絶縁
層として酸化シリコン層１２が形成されている。酸化シ
リコン層１２の上面の左右各側には、導電性を有するポ
リシリコンから成る光導波路支持層１３，１４が形成さ
れている。

【００２３】左側の支持層１４には、右側の支持層１３
に対向する縁部（即ち右側縁部）の中央に凹部１５が形
成されている。また、右側の支持層１３の左側縁部の中
央には、細長い直線状の可動部材１６が片持ち梁状に形
成されている。この可動部材１６は左側の支持層１４に
向かって延び、その自由端は左側の支持層１４の凹部１
５内に配置されている。

【００２４】可動部材１６は、右側の支持層１３と一体
形成されたポリシリコン製であり、一定範囲内において
は弾性変形可能である。従って、可動部材１６はシリコ
ン基板１１及び酸化シリコン層１２の面に平行な方向に
おいて揺動可能となっているが、凹部１５の側壁面１５
ａ，１５ｂにその自由端が接するので、可動範囲は限定
されている。以下、便宜上、可動部材１６の自由端が凹
部１５の側壁面１５ａに接した位置を「第１位置」と称
し、相対する側壁面１５ｂに接した位置を「第２位置」
と称する。

【００２５】可動部材１６の両側にはポリシリコン製の
電極１７ａ，１７ｂが所定の間隔をおいて配置されてい
る。これらの電極１７ａ，１７ｂは、可動部材１６を静
電力で移動させるためのものである。電極１７ａ，１７
ｂ及び支持層１３，１４は、絶縁材料である酸化シリコ
ン層１２上に形成されているので、電気的に独立であ
る。

【００２６】可動部材１６の上面には、その全長にわた
りＬｉＮｂＯ₃ やガラス等から成る第１光導波路１８が
形成されており、更にこの第１光導波路１８は右側の支
持層１３の右側縁部まで延長されている。また、左側の
支持層１４の上面には、第２光導波路１９及び第３光導
波路２０が第１光導波路１８の中心線と平行に延びるよ
う、形成されている。これらの光導波路１８，１９，２
０の位置関係は次の通りである。即ち、可動部材１６を
第１位置に配置した場合、第１光導波路１８の端面は第
２光導波路１９の端面に正対し、光学的に両者は結合状
態となる。可動部材１６を逆方向に湾曲させて第２位置
に配置した場合、第１光導波路１８の端面は第３光導波
路２０の端面に正対するようになっている。

【００２７】図４は、上記構成の光スイッチ１０の動作
原理を示したものである。まず、可動部材１６に正の電
圧を加えた状態で、電極１７ａに負、電極１７ｂに正の
電圧を加えると、可動部材１６は電極１７ｂからは斥
力、電極１７ａからは吸引力を受ける。従って、第１光
導波路１８は矢印Ａ方向に湾曲され、その自由端は凹部
１５の側壁面１５ａに接して第１位置に配置される。こ
の状態においては、前述したように、第１光導波路１８
は第２光導波路１９と光学的に結合される（図４の
（ａ））。

【００２８】電極１７ａに正、電極１８ｂに負の電圧を
加えると、正に荷電されている可動部材１６は前記とは
逆の力を受け、矢印Ｂ方向に湾曲し、その自由端が凹部
１５の側壁面１５ｂに接する。これにより、第１光導波
路１８は第３光導波路２０と光学的に結合される（図４
の（ｂ））。電極１７ａ，１７ｂへの通電を停止すれ
ば、静電力は消滅し、可動部材１６はそれ自体の弾性復
帰力により元の直線状態となり、図１に示す中立位置に
戻る。

【００２９】このような動作形態においては、支持層１
４の凹部１５の側壁面１５ａ，１５ｂは可動部材１６の
停止部材として機能し、かつまた、第２又は第３の光導
波路１９，２０に対する第１光導波路１８の位置決め手
段としても機能する。これによって、極めて精密なスイ
ッチング動作が得られる。

【００３０】上記実施例では、支持層１４の凹部１５を
停止部材としているが、停止部材を支持層１４とは別個
に酸化シリコン層１２上に形成しても良い。また、可動
部材１６の変位を大きくするため、かつ、外部からの磁
気的或いは電気的影響等を極力排除するために、２個の
電極１７ａ，１７ｂが使用されているが、可動部材１６
を駆動するだけであるならば、電極は少なくとも１個あ
れば足りる。

【００３１】上記構成の光スイッチ１０は、現在のシリ
コン半導体製造技術を用いた光集積回路製造技術によ
り、容易に製造することが可能である。図５はその製造
工程の一例を示したものであり、以下、順に説明する。
なお、図５の左側の各図は光スイッチの平面図、右側は
光スイッチの中心線に沿っての断面図である。

【００３２】まず第１に、シリコン基板１１の上面を熱
酸化し、酸化シリコン層１２を形成する（図５の
（ａ））。

【００３３】次に、図５の（ｂ）に示すように、酸化シ
リコン層１２の上面に、後にエッチングにより除去する
犠牲層として、所定形状の窒化シリコン層２１を形成す
る。この窒化シリコン層２１は、左側の支持層１４の凹
部を形成するための突起部２１ａ，電極１７ａ，１７ｂ
を形成するための貫通孔２１ｂ，２１ｃ、可動部材１６
を形成するための溝２１ｄを有している。

【００３４】この後、窒化シリコン層２１を型として用
いて、ポリシリコンを酸化シリコン層１２の上面に積層
する。これにより、左右の支持層１３，１４、電極１７
ａ，１７ｂ及び可動部材１６が形成される（図５の
（ｃ））。この工程において形成される部分は、低損失
の光学的結合を目的とした場合には数μｍの精度が要求
されるが、それはリソグラフィの精度を向上させること
で容易に達成される。

【００３５】更に、図５の（ｄ）に示すように、支持層
１３，１４及び可動部材１６の所定の位置に第１〜第３
の光導波路１８，１９，２０を蒸着やスパッタリング等
により形成する。

【００３６】最後に、窒化シリコン層２１をエッチング
により除去すると、図１〜図３に示す光スイッチ１０が
形成される（図５の（ｅ））。

【００３７】以上の工程においては、組立工程が一切含
まれていないため、高精度の光スイッチを製造すること
が可能となっている。

【００３８】上記実施例では、可動部材１６及び電極１
７ａ，１７ｂへの通電を停止すると、可動部材１６は元
の中立位置に戻るが、図６に示すように、支持層１４の
凹部１５の側壁面１５ａ，１５ｂと、各側壁面１５ａ，
１５ｂに接触する可動部材１６の側面とに磁性体薄膜３
０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを形成することで、可動
部材１６は自己保持機能を有するようになる。この場
合、側壁面１５ａ，１５ｂ上の磁性体薄膜３０ａ，３０
ｂの表面をＳ極としたならば、可動部材１６上の磁性体
薄膜３０ｃ，３０ｄの表面はＮ極とする必要がある。

【００３９】図７は、磁性体薄膜３０ａ，３０ｂ，３０
ｃ，３０ｄを有する光スイッチ１０の動作を示す説明図
である。尚、図７におけるＦ_EA、Ｆ_ECは可動部材１６に
作用する静電力、Ｆ_M1、Ｆ_M2は磁性体薄膜３０ａ，３０
ｂ，３０ｃ，３０ｄによる磁力であり、その向きは図６
に示す通りである。まず、ステップＩにおいて、電極１
７ａに正の電圧を印加し、電圧１７ｂ及び可動部材１６
に負の電圧を印加した場合、可動部材１６には電極１７
ａから吸引力、電極１７ｂからは斥力を受け、その自由
端は凹部１５の側壁１５ａに接触する。この時、磁力Ｆ
_M1は磁力Ｆ_M2よりも大きくなる。従って、ステップIIに
おいて通電を停止しても、磁性体薄膜３０ａ，３０ｃの
磁力により両者の接触状態が保たれ、第１光導波路１８
は第２光導波路１９と光学的に結合した状態で保持され
る。

【００４０】次に、ステップIII において、電極１７ａ
及び可動部材１６に正の電圧を印加し、電極１７ｂに負
の電圧を印加すると、可動部材１６には電極１７ａから
斥力、電極１７ｂからは吸引力を受ける。ここで、磁力
Ｆ_M1、Ｆ_M2はそれぞれ、可動部材１６に作用する全静電
力（｜Ｆ_EA｜＋｜Ｆ_EC｜）よりも小さくなるように定め
られているので、ステップIII の通電状態では、静電力
が磁力に打ち勝って、可動部材１６の自由端は凹部１５
の側壁面１５ｂに接触する。この時、磁力Ｆ_M2は磁力Ｆ
_M1よりも大きくなるので、ステップIVにおいて通電を停
止した場合にも、第１光導波路１８が第２光導波路２０
と光学的に結合した状態で自己保持される。

【００４１】上記実施例は１×２型の光スイッチ１０を
示しているが、この１×２型光スイッチ１０を多段に組
み合わせることでＮ×Ｍ型の光スイッチを作ることがで
きる。図８は、１×８型の光スイッチ１００における光
スイッチ１０の配列を示している。光スイッチ１００に
おける各光スイッチ１０は、上記の製造工程に従って１
枚の大きなシリコン基板１１０上に同時に作製すること
ができ、更に、光スイッチ１０間を接続する光導波路１
２０も光集積回路製造技術によりシリコン基板１１０上
に作製することが可能である。図８の符号１３０は、シ
リコン基板１１０に形成された電極であり、これらは所
定の光スイッチ１０の電極（図示しない）に電気的に接
続されている。

【００４２】このような光スイッチ１００はプラスチッ
クによりモールドされ、図９に示すような形態で使用さ
れるのが一般的である。プラスチックモールド１５０の
内部には、空気による導波路端面でのフレネル反射を防
ぐために整合剤が注入されるのが好適である。また、図
９において、符号１６０は光スイッチ１００の電極１３
０に接続されたピンであり、電気基板等に取り付けて使
用するのに便利な構造となっている。更に、符号２００
は、光ファイバー１８０のコネクタ１９０を光スイッチ
に接続する場合に、コネクタ１９０のガイドピン２００
が挿入されるガイド穴である。このガイド穴１７０は、
図８に示すようにシリコン基板１１０上に異方性エッチ
ングにより形成されたＶ溝１４０から構成されるのが、
光ファイバー１８０と光スイッチ１００の光導波路１２
０との光学的結合の精度を向上させるために望ましい。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、導電性
の可動部材を静電力により揺動させ、それにより、可動
部材に形成された第１光導波路を第２及び第３の光導波
路のいずれか一方と光学的に結合させることができる。
切換え動作はいわゆる機械式であるため、従来の導波路
型にみられる光の偏波依存性等の問題は生じない。

【００４４】また、可動部材及び光導波路は光集積回路
製造技術を用いて作製することができ、精度の低下を招
く組立工程がない。その結果、部材間の寸法的誤差が極
めて小さく、動作面においても非常に高い精度が得られ
る。

【００４５】更に、この光スイッチでは光路自体は光導
波路であるので、集積化が可能である。即ち、これらを
組み合わせてＮ×Ｍ型の光スイッチを製造する場合、光
ファイバーを用いて光スイッチ間を接続する必要がな
く、小型化を図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光スイッチの平面図である。

【図２】図１に示す光スイッチの側面図である。

【図３】図１に示す光スイッチの斜視図である。

【図４】図１に示す光スイッチの動作状態を示す平面図
である。

【図５】図１に示す光スイッチの製造工程を示す説明図
である。

【図６】自己保持機能を付加した本発明による光スイッ
チの部分平面図である。

【図７】図６の光スイッチの作用を示す説明図である。

【図８】図１の光スイッチを多段に組み合わせて構成し
た１×８型の光スイッチの概略構成図である。

【図９】モールドされた１×８型光スイッチの使用状態
を示す斜視図である。

【図１０】従来の機械式光スイッチを概略的に示す断面
図である。

【図１１】従来の導波路型光スイッチの動作原理を示す
説明図である。

【符号の説明】

１０…光スイッチ、１１…シリコン基板、１２…酸化シ
リコン層、１３，１４…支持層、１５…凹部（停止部
材）、１６…可動部材、１７ａ，１７ｂ…電極、１８…
第１光導波路、１９…第２光導波路、２０…第３光導波
路、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ…磁性体薄膜、１
００…１×８型光スイッチ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片持ち梁状に支持されている弾性変形可
   能な１本の導電性の可動部材と、 静電力により前記可動部材を第１位置及び第２位置の間
   で駆動させるために、この可動部材の近傍に配置された
   電極と、 前記第１位置及び前記第２位置のそれぞれで前記可動部
   材を停止するための停止部材と、 前記可動部材に形成された第１光導波路と、 前記可動部材が前記第１位置にある場合に、前記第１光
   導波路と光学的に結合する第２光導波路と、 前記可動部材が前記第２位置にある場合に、前記第１光
   導波路と光学的に結合する第３光導波路と、 を備える光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記電極は前記可動部材の両側に配置さ
   れている請求項１記載の光スイッチ。
3. 【請求項３】 前記停止部材は、前記第２光導波路及び
   前記第３光導波路が形成される支持層の一部から成る請
   求項１又は２記載の光スイッチ。
4. 【請求項４】 前記可動部材と前記停止部材との接触面
   に磁性体薄膜を形成し、前記可動部材が前記第１位置又
   は前記第２位置にある場合に自己保持されるようにした
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光
   スイッチを多段に組み合わせて成る光スイッチ。
6. 【請求項６】 基板上に、後にエッチングにより除去さ
   れる犠牲層を形成する工程と、 前記犠牲層を型として用い、片持ち梁状に支持される弾
   性変形可能な１本の導電性の可動部材と、この可動部材
   を第１位置及び第２位置の間で駆動するための電極と、
   前記可動部材を前記第１位置及び前記第２位置で停止す
   るための停止部材とを形成する工程と、 可動部材に第１光導波路を形成する工程と、 前記可動部材が前記第１位置にある場合に、前記第１光
   導波路と光学的に結合する第２光導波路を形成する工程
   と、 前記可動部材が前記第２位置にある場合に、前記第１光
   導波路と光学的に結合する第３光導波路を形成する工程
   と、 前記犠牲層をエッチングにより除去する工程と、 を備える光スイッチの製造方法。