(57)【要約】【課題】波長選択スイッチを低コストで構成するに適した波長選択スイッチ用の光偏向モジュールを提供する。【解決手段】波長選択スイッチ用の光偏向モジュール１０は、支持基板１１と、支持基板１１に取り付けられたＭＥＭＳミラーアレイチップ１２を備えている。ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、複数の可動ミラー１５と、電極基板３２を有している。電極基板３２は、可動ミラー３４を駆動するための駆動電極４１を備えている。支持基板１１の線膨張係数は、電極基板３２の線膨張係数よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長選択スイッチ用の光偏向モジュールであって、
支持基板と、
前記支持基板に取り付けられたミラーアレイチップを備えており、前記ミラーアレイチップは、複数の可動ミラーと、前記可動ミラーを駆動するための電極を備えた電極基板を有しており、前記電極基板は前記支持基板に固定されており、前記支持基板の線膨張係数は前記電極基板の線膨張係数よりも小さい、光偏向モジュール。
【請求項２】
前記支持基板は、波長選択スイッチの光学ベースに固定されるように設計されており、前記支持基板の線膨張係数は前記光学ベースの線膨張係数にほぼ等しい、請求項１に記載の光偏向モジュール。
【請求項３】
前記支持基板の材質は、石英ガラスまたは超低線膨張ガラスである、請求項２に記載の光偏向モジュール。
【請求項４】
前記電極基板と前記支持基板の固定は、シリカのフィラー入り接合剤によってなされている、請求項１に記載の光偏向モジュール。
【請求項５】
前記接合剤の層は、温度変化時に前記電極基板と前記支持基板の線膨張係数の差に起因して発生する応力を吸収するのに適した厚さを有している、請求項４に記載の光偏向モジュール。
【請求項６】
前記接合剤の線膨張係数は５０ｐｐｍ／℃以下であり、前記接合剤の弾性率は５０００ＭＰａ以上であり、前記接合剤の層の厚さは３０〜１５０μｍである、請求項５に記載の光偏向モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチ用の光偏向モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７６３０５９９号明細書は、波長選択スイッチ用の光偏向モジュールのひとつを開示している。この光偏向モジュールでは、ＭＥＭＳチップの形態のミラーアレイがパイレックス（登録商標）基板に保持されており、このパイレックス基板がアルミナセラミックスキャリアに搭載されている。このアルミナセラミックスキャリアには、ＭＥＭＳチップの近くで、インバー製のフレームが取り付けられている。
【０００３】
波長選択スイッチは、高性能である反面、温度変化時に起因して生じるミラーアレイにおける光スポットの位置変動を高度に小さく抑えることが要求される。
【０００４】
前述の光偏向モジュールでは、各部品に、線膨張係数が比較的小さい材料を使用しているが、これだけでは光スポットの位置変動を十分に抑えきれないため、さらに補償プリズムを設けて光スポットの位置変動を補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６３０５９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の光偏向モジュールでは、高精度な補償プリズムを必要としており、また、その補償プリズムの取り付けは、非常に高い位置精度が要求されるため、極めて難しいものとなっている。これは、波長選択スイッチのコストを上昇させる要因となっている。
【０００７】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、波長選択スイッチを低コストで構成するに適した波長選択スイッチ用の光偏向モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
波長選択スイッチ用の光偏向モジュールは、支持基板と、前記支持基板に取り付けられたミラーアレイチップを備えている。前記ミラーアレイチップは、複数の可動ミラーと、前記可動ミラーを駆動するための電極を備えた電極基板を有している。前記電極基板は前記支持基板に固定されている。前記支持基板の線膨張係数は前記電極基板の線膨張係数よりも小さい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、波長選択スイッチを低コストで構成するに適した波長選択スイッチ用の光偏向モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】波長選択スイッチ用の光偏向モジュールの実施形態を示している。
【図２】ＭＥＭＳミラーアレイチップの一つの単位ミラーユニットの上面図と、単位ミラーユニットのＡ−Ａ’断面図を示している。
【図３】図１の光偏向モジュールの実装形態を示している。
【図４】図１の光偏向モジュールにおける支持基板に対するＭＥＭＳミラーアレイチップの取り付け形態を模式的に示している断面図である。
【図５】支持基板に対するＭＥＭＳミラーアレイチップの別の取り付け形態を模式的に示している断面図である。
【図６】支持基板に対するＭＥＭＳミラーアレイチップの図５の取り付け形態を模式的に示している平面図である。
【図７】ＭＥＭＳミラーアレイチップのまた別の取り付け形態を模式的に示している平面図である。
【図８】ＭＥＭＳミラーアレイチップのさらに別の取り付け形態を模式的に示している平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
光偏向モジュールの実施形態を図１に示す。本実施形態の光偏向モジュール１０は、波長選択スイッチ用の光偏向モジュールである。この光偏向モジュール１０は、板状の支持基板１１と、支持基板１１に取り付けられたＭＥＭＳミラーアレイチップ１２と、支持基板１１に接続された配線ケーブル１３（たとえばＦＰＣケーブル）を備えている。
【００１３】
ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、多数のワイヤーボンドパッド１８を備えている。配線ケーブル１３は、多数のワイヤーボンドパッド２１を備えている。支持基板１１は、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の配線ケーブル１３の間に延びている多数の配線１４を備えている。配線１４の両端には、ワイヤーボンドパッド１７，２０が形成されている。ワイヤーボンドパッド１７とワイヤーボンドパッド１８はワイヤー１６によって接続されている。ワイヤーボンドパッド２０とワイヤーボンドパッド２１はワイヤー１９によって接続されている。
【００１４】
なお、本実施形態では、支持基板１１と配線ケーブル１３の電気的接続はワイヤーとしているが、ＡＣＦ（異方性導電膜）による接続や、バンプ接続、コネクタによる接続でも適用可能である。
【００１５】
ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、たとえば一列に整列された複数の揺動可能な可動ミラー１５を備えている。別の見方によれば、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、一列に整列された複数の単位ミラーユニットを含んでおり、各単位ミラーユニットは、一つの可動ミラー１５と、その駆動機構を含んでいる。ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の一つの単位ミラーユニットの上面図と、単位ミラーユニットのＡ−Ａ’断面図を図２に示す。
【００１６】
ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、ミラー基板３１と電極基板３２と中間基板３３を有する積層構造体で構成されている。したがって、単位ミラーユニット３０は、その積層構造体の一部で構成されている。
【００１７】
単位ミラーユニット３０は、一つの可動ミラー３４を有している。可動ミラー３４は、ミラー基板３１と中間基板３３から作られている。可動ミラー３４は、ミラーの機能を持つミラー部３５と、ミラー部３５の中央部を除いてミラー部３５を支えている支持部３６を有している。可動ミラー３４は、いわゆるジンバル機構を介して電極基板３２に固定されている。具体的には、支持部３６は、一直線上に延びる一対のヒンジ３７を介して可動枠３８に機械的に接続されており、可動枠３８はまた、一直線上に延びる別の一対のヒンジ３９を介して支柱４０に機械的に接続されており、支柱４０は電極基板３２に固定されている。ミラー部３５は、ミラー基板３１から構成されており、支持部３６とヒンジ３７と可動枠３８とヒンジ３９と支柱４０は、中間基板３３から構成されている。
【００１８】
また、電極基板３２の固定個所は、少なくともＭＥＭＳミラーアレイチップ１２のワイヤーボンドパッド１８の下方にあり、ワイヤーボンディング時の超音波を確実に伝達できるようになっている。
【００１９】
ヒンジ３７とヒンジ３９は弾性変形可能である。このため、可動ミラー３４は、ヒンジ３７の弾性変形によって、可動枠３８に対して揺動可能であり、また、ヒンジ３９の弾性変形によって、可動枠３８と共に支柱４０に対して揺動可能である。つまり、可動ミラー３４は、電極基板３２に対して任意方向に揺動可能である。言い換えれば、可動ミラー３４は、電極基板３２に対して、ヒンジ３７を通る揺動軸のまわりに揺動可能であるとともに、ヒンジ３９を通る揺動軸のまわりに揺動可能である。
【００２０】
単位ミラーユニット３０に対応する電極基板３２の一部は、支持部３６に対向する面に、静電力を利用して可動ミラー３４を駆動する（すなわち揺動させる）ための四つの駆動電極４１を備えている。四つの駆動電極４１は、電極基板３２に投影されたヒンジ３７を通る揺動軸に対して対称的に配置されている。四つの駆動電極４１はまた、電極基板３２に投影されたヒンジ３９を通る揺動軸に対して対称的に配置されている。
【００２１】
四つの駆動電極４１は、それぞれ、四本の配線４２を介して四つのワイヤーボンドパッド４３に電気的に接続されている。配線４２とワイヤーボンドパッド４３は共に、電極基板３２に設けられており、ワイヤーボンドパッド４３は、ミラー基板３１と中間基板３３を貫通する穴を通って、単位ミラーユニット３０の上面すなわちミラー基板３１の側の面に露出している。
【００２２】
また、可動ミラー３４は、ヒンジ３７、可動枠３８、ヒンジ３９、支柱４０を経由して、電極基板３２に電気的に接続され、可動ミラー３４が設置電位を保つようになっている。
【００２３】
このような単位ミラーユニット３０の可動ミラー３４とワイヤーボンドパッド４３は、それぞれ、図１に示したＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の可動ミラー１５とワイヤーボンドパッド１８に対応している。
【００２４】
このような単位ミラーユニット３０において、可動ミラー３４は次のようにして駆動される。
【００２５】
ヒンジ３７を通る揺動軸のまわりに可動ミラー３４を揺動させるには、可動ミラー３４を接地電位に保ち、ヒンジ３７を通る揺動軸に対して片方の側に位置する駆動電極４１に電圧を印加する。これにより、電圧が印加された駆動電極４１と可動ミラー３４の間に静電引力が発生する。可動ミラー３４は、電圧が印加されている駆動電極４１に対向している側が電極基板３２に引き寄せられ、その反対に、電圧が印加されていない駆動電極４１に対向している側が電極基板３２から遠ざかる。その結果、可動ミラー３４が、ヒンジ３７を通る揺動軸のまわりに揺動される。
【００２６】
一方、ヒンジ３９を通る揺動軸のまわりに可動ミラー３４を揺動させるには、可動ミラー３４を接地電位に保ち、ヒンジ３９を通る揺動軸に対して片方の側に位置する駆動電極４１に電圧を印加する。これにより、電圧が印加された駆動電極４１と可動ミラー３４の間に静電引力が発生する。可動ミラー３４は、電圧が印加されている駆動電極４１に対向している側が電極基板３２に引き寄せられ、その反対に、電圧が印加されていない駆動電極４１に対向している側が電極基板３２から遠ざかる。その結果、可動ミラー３４が、可動枠３８と共に、ヒンジ３９を通る揺動軸のまわりに揺動される。
【００２７】
上記の動作において、駆動電極４１と可動ミラー３４の間に発生する静電引力の大きさは、印加電圧の大きさに依存する。可動ミラー３４の揺動量は、発生する静電引力の大きさ、つまり、印加電圧の大きさに依存する。
【００２８】
したがって、電圧を印加する駆動電極４１の選択と印加する電圧の大きさを制御することによって、ヒンジ３７とヒンジ３９をそれぞれ通る互いに直交する二本の揺動軸のまわりに可動ミラー３４が揺動され得る。これにより、可動ミラー３４によって反射される光ビームが二次元的に偏向され得る。
【００２９】
図１の光偏向モジュールの実装形態を図３に示す。この実装形態は、光通信モジュールの一種である波長選択スイッチ５０を構成している。波長選択スイッチ５０は、波長多重された信号光を波長毎にスイッチングする機能を有している。波長選択スイッチ５０は、信号光を入出力するための光ファイバアレイ５１と、光ファイバアレイ５１から入力された信号光を平行光にするコリメータ５２と、信号光を波長毎に異なる角度に分散させる分光素子５３と、分散された各波長の信号光を集光するための集光レンズ５４と、信号光の経路を折り曲げるミラー５５と、集光された各波長の信号光の反射方向を独立に制御するための光偏向モジュール１０を有している。
【００３０】
光ファイバアレイ５１とコリメータ５２と分光素子５３と集光レンズ５４とミラー５５と光偏向モジュール１０はいずれも板状の光学ベース５６に取り付けられている。光ファイバアレイ５１とコリメータ５２と分光素子５３と集光レンズ５４とミラー５５は、光学ベース５６の一方の側に配置され、光偏向モジュール１０は、その反対側に配置されている。光学ベース５６は、貫通穴５７が形成されており、この貫通穴５７を介して、光偏向モジュール１０のＭＥＭＳミラーアレイチップ１２がミラー５５と光学的に結合される。
【００３１】
光偏向モジュール１０の支持基板１１は、光学ベース５６に固定されるように設計されており、光偏向モジュール１０は、支持基板１１の一部が接合剤５８によって光学ベース５６に固定されることによって、光学ベース５６に取り付けられる。支持基板１１が接合剤５８によって光学ベース５６に固定される個所は、配線１４が存在しない領域であり、さらに、複数の可動ミラー１５の整列方向に沿ったＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の両側に位置しており、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２から離れている。
【００３２】
光ファイバアレイ５１は複数の光ファイバを有している。光ファイバアレイ５１の一本の光ファイバから入力される信号光は複数の波長成分の光を有している。分光素子５３は、コリメータ５２を介して入射する一本の光ビームを、それぞれの波長成分の複数本の光ビームに分離する。分離された各光ビームは、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の可動ミラー１５の一つに入射する。可動ミラー１５で反射された光ビームは、光ファイバアレイ５１の一本の光ファイバに結合される。ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２において、可動ミラー１５の揺動によって可動ミラー１５の方向が変更されることにより各光ビームの反射方向が変更されることによって、結合される光ファイバアレイ５１の光ファイバが切り替えられ得る。
【００３３】
図１の光偏向モジュール１０における支持基板１１に対するＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の取り付け形態を図４に模式的に示す。ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２は、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の電極基板３２が支持基板１１に固定されることによって、支持基板１１に取り付けられている。より詳しくは、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の電極基板３２の底面全体が接合剤２２によって支持基板１１に固定されることによってなされている。
【００３４】
このように構成された光偏向モジュール１０と、この光偏向モジュール１０を用いて構成される波長選択スイッチ５０において、支持基板１１の材質は、石英または超低線膨張ガラスであり、その線膨張係数は１ｐｐｍ／℃以下であり、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の電極基板３２の材質はシリコンであり、その線膨張係数は２．５ｐｐｍ／℃であり、光学ベース５６の材質はスーパーインバーであり、その線膨張係数は１ｐｐｍ／℃以下である。このように、支持基板１１の線膨張係数は、電極基板３２の線膨張係数よりも小さく、光学ベース５６の線膨張係数にほぼ等しい。光学ベース５６の材質は、スーパーインバーの他に、その線膨張係数がスーパーインバーと同程度である超低線膨張セラミックスであってもよい。
【００３５】
支持基板１１と光学ベース５６が共に線膨張係数が非常に小さい物質で構成されているとともに、支持基板１１と光学ベース５６の線膨張係数差も非常に小さいので、温度が変化しても集光位置のずれは殆ど発生しない。したがって、非常に高精度な波長選択スイッチの提供に貢献できる。
【００３６】
また、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の電極基板３２を支持基板１１に固定する接合剤２２は、たとえば、シリカのフィラー入り接合剤である。つまり、電極基板３２と支持基板１１の固定は、シリカのフィラー入り接合剤によってなされている。シリカのフィラー入り接合剤は、低線膨張かつ高弾性の接合剤であり、たとえば、線膨張係数は５０ｐｐｍ／℃以下であり、弾性率は５０００ＭＰａ以上である。シリカのフィラー入り接合剤の一例は、具体的には、線膨張係数が２８ｐｐｍ／℃であり、弾性率が７５００ＭＰａのエポキシ系のＵＶ硬化接着剤である。このような接合剤は、温度変化に起因する支持基板１１に対するＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の位置ずれを好適に抑える働きをする。
【００３７】
さらに、接合剤２２の層は、温度変化時にミラー基板３２と支持基板１１の線膨張係数の差に起因して発生する応力を吸収するのに適した厚さを有している。このため、応力に負けて起きる接合剤２２の層の破壊がなくなるとともに、元の常温に戻った時の位置ずれや反りの不可逆変動（温度が戻ったときに位置ずれや反りが戻らなくなる現象）がなくなる。ここにおいて、「位置ずれ」とは、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２が取り付けられる支持基板１１の平面に平行な方向の変位を意味し、「反り」とは、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２が取り付けられる支持基板１１の平面に垂直な方向の変位を意味している。接合剤２２の層の厚さは、たとえば、約５０μｍである。
【００３８】
接合剤２２がＵＶ硬化接着剤である場合、支持基板１１が石英または超低線膨張ガラスで作られているため、支持基板１１を通してＵＶ硬化接着剤にＵＶ光を照射できるため、支持基板１１に対するＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の取り付けが効率良くおこなえる。
【００３９】
図４に示した支持基板１１に対するＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の取り付け形態に代わる別の取り付け形態を図５と図６に模式的に示す。この取り付け形態では、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の電極基板３２の底面の一部が接合剤２２によって支持基板１１に固定されることによってなされている。電極基板３２が接合剤２２によって支持基板１１に固定される個所は、複数の可動ミラー１５の整列方向に沿った電極基板３２の両側の縁部である。さらに、この個所は、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２のワイヤーボンドパッド１８の下方に位置している。より詳しくは、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２に対向する支持基板１１の平面に垂直な方向からその平面への投影において、ワイヤーボンドパッド１８は接合剤２２に完全に重なっており、すなわち、ワイヤーボンドパッド１８は接合剤２２の内側に位置している。
【００４０】
このように、支持基板１１と電極基板３２の固定を、電極基板３２の底面全体でなく一部にすることにより、支持基板１１と電極基板３２の線膨張係数の差に起因する応力（単位当たりでなく全体）が減り、反りの温度変化時の変動量も減る。
【００４１】
ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２のまた別の取り付け形態を図７に模式的に示す。この取り付け形態では、電極基板３２が接合剤２２によって支持基板１１に固定される個所は、図５と図６の取り付け形態と同様の複数の可動ミラー１５の整列方向に沿った電極基板３２の両側の縁部のほかに、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の光学的中心位置に対応する電極基板３２の中央部が追加されている。
【００４２】
このように、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の光学的中心位置にも接合剤２２を追加することにより、微小の線膨張係数の差でも発生する温度変化時のわずかな位置ずれに関して、その位置ずれは光学的中心位置を基準にして対称的になり、位置ずれの不所望なばらつきが抑えられる。
【００４３】
ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２のさらに別の取り付け形態を図８に模式的に示す。この取り付け形態では、図５と図６の取り付け形態と同様に複数の可動ミラー１５の整列方向に沿った電極基板３２の両側の縁部が接合剤２２によって支持基板１１に固定されており、さらに、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の光学的中心位置に対応する電極基板３２の中央部が、接合剤２２の弾性率よりも高い弾性率を有する接合剤２３によって支持基板１１に固定されている。
【００４４】
このように、ＭＥＭＳミラーアレイチップ１２の光学的中心位置に、その周辺の接合剤２２よりも弾性率の高い接合剤２３を設けることにより、温度変化時の反りをさらに低減できる。
【００４５】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０…光偏向モジュール、１１…支持基板、１２…ＭＥＭＳミラーアレイチップ、１３…配線ケーブル、１４…配線、１５…可動ミラー、１６，１９…ワイヤー、１７，１８，２０，２１…ワイヤーボンドパッド、２２，２３…接合剤、３０…単位ミラーユニット、３１…ミラー基板、３２…電極基板、３３…中間基板、３４…可動ミラー、３５…ミラー部、３６…支持部、３７…ヒンジ、３８…可動枠、３９…ヒンジ、４０…支柱、４１…駆動電極、４２…配線、４３…ワイヤーボンドパッド、５０…波長選択スイッチ、５１…光ファイバアレイ、５２…コリメータ、５３…分光素子、５４…集光レンズ、５５…ミラー、５６…光学ベース、５７…貫通穴、５８…接合剤。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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