(57)【要約】【課題】  ミラー角度の再現性が良く、制御が簡単な光スイッチを提供する。【解決手段】  入射した光を鏡面１で反射して出射する光スイッチにおいて、上記鏡面１を膜厚方向に変形可能な変形膜２の表面に形成し、上記変形膜２の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を鏡面で反射して出射する光スイッチにおいて、上記鏡面を膜厚方向に変形可能な変形膜の表面に形成し、上記変形膜の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにしたことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
上記変形膜の変形状態は、上記鏡面が凸になる凸状態と上記鏡面が凹になる凹状態の少なくとも２つの状態があることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
圧力容器に貫通穴を形成し、その貫通穴を上記変形膜で覆い、上記圧力容器内の圧力を変化させることで上記変形膜を変形させることを特徴とする請求項１又は２記載の光スイッチ。
【請求項４】
上記鏡面を第一の電極とし、この電極に対向する第二の電極を設け、これら第一、第二電極間の静電容量から上記変形膜の変形状態を検出するようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光スイッチ。
【請求項５】
上記鏡面への入射光路は、上記変形膜が一方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の一点と、上記変形膜が反対方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の他点とを結ぶ線上にあることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラーを用いた光スイッチに係り、ミラー角度の再現性が良く、制御が簡単な光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットの普及に伴い、光通信網の高速化・大容量化はめざましく進んでいる。光伝送容量を増加させる方法として、波長分割多重（ＷＤＭ；Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  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光信号のままスイッチングを行う光アドドロップ（ＯＡＤＭ；Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や光クロスコネクト（ＯＸＣ；Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｏｓｓ  Ｃｏｎｎｅｃｔ）への期待が高まった。
【０００３】
これらの基本要素を集積化して一括加工できるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）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もと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て消光比が高く、波長依存性がないといった特徴がある。また、小型高密度化、大規模化、非閉塞型化、ミラー角度を自己保持する低電力型化についても期待されている。
【０００４】
これらを意図した非閉塞型マトリクス光スイッチが特許文献１、特許文献２に記載されている。
【０００５】
図５に示されるように、背景技術の光スイッチは、ＭＥＭＳ技術を用いて４個の可動ミラー５０１を形成したミラーベース５０２を基板５０３上に２つ立てたものである。それぞれのミラーベース５０２は、基板５０３に対して垂直であり、互いに対して平行である。光ファイバ５０４を接続した４心の光ファイバアレイ５０５に信号光を空間に平行光として飛ばすためのマイクロレンズ５０６を装着して形成した光入出力ポート５０７を基板５０３上に２つ配置してある。これら光入出力ポート５０７は、２つのミラーベース５０２を挟んで対面する。各可動ミラー５０１に磁場をかけるために２つのミラーベース５０２を挟む２つの永久磁石５０８を適宜な角度で配置してある。
【０００６】
一方の光入出力ポート５０７から入射した信号光は、その入射側のミラーベース５０２内の可動ミラー５０１で反射して出射側のミラーベース５０２内のいずれかの可動ミラー５０１で反射して他方の光入出力ポート５０７から出射される。その際、可動ミラー５０１の角度を調整することで、信号光が出射される光ファイバ５０４を切り換えることができる。光路５０９の一例を点線で示してある。
【０００７】
図６に示されるように、個々の可動ミラー５０１は、Ｘ軸及びＹ軸について回動できるようジンバル構造で支持されている。可動ミラー５０１が形成されているＹ軸回動部６０１は、そのＹ軸回動部６０１の周囲に離れて設けたＸ軸回動部６０２からＹ軸に位置する２本のポリイミド製のトーションバー６０３を介して支持されている。可動ミラー５０１となる鏡面はＡｕの薄膜で形成されている。その可動ミラー５０１を囲むようにＹ軸回動部６０１にはＣｕめっき製の微細コイル６０４が形成されている。可動ミラー５０１を無電力状態で所定のＹ軸回り角度に保持するためのラッチ機構６０５がＸ軸回動部６０２に設けられている。
【０００８】
Ｘ軸回動部６０２は、そのＸ軸回動部６０２の周囲に離れて設けたミラーベース５０２からＸ軸に位置する２本のポリイミド製のトーションバー６０６を介して支持されている。Ｘ軸回動部６０２の外周部にはＣｕめっき製の微細コイル６０７が形成されている。可動ミラー５０１を無電力状態で所定のＸ軸回り角度に保持するためのラッチ機構６０８がミラーベース５０２に設けられている。
【０００９】
図７により動作を説明する。２つの永久磁石５０８間に形成された磁場Ｂ中において、微細コイル６０４，６０７（本図ではＹ軸回動部６０１，Ｘ軸回動部６０２全面をコイルとしている）に電流ｉを流すと、それぞれの微細コイル６０４，６０７にローレンツ力Ｆが生じる。
【００１０】
Ｆ＝Ｂ×ｉ
このローレンツ力ＦによりＹ軸回動部６０１及びＸ軸回動部６０２が回動する。そのときにトーションバー６０３，６０６にはねじりの反力が発生するので、ローレンツ力Ｆと反力との釣り合いでＹ軸回動部６０１及びＸ軸回動部６０２の回動角が決まる。よって、各々の微細コイル６０４，６０７に流す電流ｉを変化させれば可動ミラー５０１の角度を任意の角度に制御することができる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−３１７６７号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
背景技術では可動ミラーがトーションバーで支持され、トーションバーにはねじりの反力が生じた。しかし、トーションバーには塑性変形も生じるため、可動ミラーの角度に再現性を求めることは困難である。
【００１３】
また、可動ミラーの角度を正確に制御するためには、可動ミラーの角度を検知して、その検知した角度情報を電流ｉにフィードバックしてずれ量を補正する必要がある。しかし、従来は、可動ミラーの角度検知に光を使用しており、この角度検知を含めた可動ミラー制御系が複雑になるという問題がある。
【００１４】
このほかにも、ＭＥＭＳ技術で背景技術の光スイッチを製造する場合、トーションバーの反力に抗してＸ軸、Ｙ軸の回動部を回動させるには、単位面積あるいは単位体積あたりのパワーが不足するという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ミラー角度の再現性が良く、制御が簡単な光スイッチを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明は、入射した光を鏡面で反射して出射する光スイッチにおいて、上記鏡面を膜厚方向に変形可能な変形膜の表面に形成し、上記変形膜の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにしたものである。
【００１７】
上記変形膜の変形状態は、上記鏡面が凸になる凸状態と上記鏡面が凹になる凹状態の少なくとも２つの状態があってもよい。
【００１８】
圧力容器に貫通穴を形成し、その貫通穴を上記変形膜で覆い、上記圧力容器内の圧力を変化させることで上記変形膜を変形させてもよい。
【００１９】
上記鏡面を第一の電極とし、この電極に対向する第二の電極を設け、これら第一、第二電極間の静電容量から上記変形膜の変形状態を検出するようにしてもよい。
【００２０】
上記鏡面への入射光路は、上記変形膜が一方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の一点と、上記変形膜が反対方向に最も変形した状態のときの上記鏡面の他点とを結ぶ線上にあってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２２】
（１）トーションバーを用いる背景技術に比べてミラー角度の再現性が良い。
【００２３】
（２）ミラー角度を光学検知する背景技術に比べて制御が簡単である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２５】
図１に示されるように、本発明に係る光スイッチは、入射した光を鏡面１で反射して出射するものである。この実施形態では鏡面１はドーム状に膨らんでおり、鏡面１の正面から見て円形である。図示のように、複数の鏡面１を縦横に並べてアレイ状に配置するとよい。本発明では、各鏡面１を駆動するアクチュエータが鏡面１を配置した面に現れないので、配置密度を高めることができる。例えば、鏡面１の直径は５００μｍである。入射した光（入射信号光）Ｌｉは、鏡面１の接線Ａに対する入射角と出射角が等しくなるように反射して出射信号光Ｌｏとなる。なお、説明を簡単にするため、入射信号光Ｌｉが鏡面１の中心に入射し、接線Ａが鏡面１の周の円の直径と平行になっているものとする。
【００２６】
図２の各図は、鏡面を接線Ａに沿った断面で示したものである。図２（ａ）に示されるように、本発明に係る光スイッチは、鏡面１を膜厚方向に変形可能な変形膜２の表面に形成し、この変形膜２の変形状態に応じて光の入出射角度が異なるようにしたものである。鏡面１はＡｕの薄膜からなり、変形膜２はＰｏｌｙ−Ｓｉの薄膜からなる。鏡面１と変形膜２との間に密着層３としてＣｒの薄膜が設けられる。これら薄膜の３層構造により変形可能なミラー４が形成されている。この実施形態では、鏡面１は図１で説明したように正面から見て円形であり、図２（ａ）のように断面で見ると円弧状となる。つまり、ミラー４はドーム状に形成されている。ミラー４の周辺部は支持体５に固定されている。従って、ミラー４の変形は中心部に顕著に生じ、周辺部に近づくほど小さく生じるようになっている。
【００２７】
変形膜２の変形状態には、図２（ａ）のように鏡面１が凸になる凸状態、図２（ｃ）のように鏡面１が凹になる凹状態、図２（ｂ）のように鏡面１が平坦な状態などがある。ここでは、変形膜２が一方向に最も変形した状態である凸状態と、変形膜２が反対方向に最も変形した状態である凹状態との２状態を光路切替に使用する。図２（ｂ）のような過渡的な状態よりも、凸状態や凹状態は安定に制御することが容易だからである。なお、図２では、変形膜２を変形駆動するアクチュエータを明らかにしていないが、適宜なアクチュエータを構成することにより、駆動力のかかっていない初期状態を凸状態とし、駆動力をかけて十分に変形させた状態を凹状態としてもよいし、逆に駆動力のかかっていない初期状態を凹状態とし、駆動力をかけて十分に変形させた状態を凸状態としてもよい。あるいは凸状態と凹状態とをともに初期状態とし、過渡状態のみ駆動力をかけるようにしてもよい。
【００２８】
さて、図２（ａ）に示されるように、凸状態において鏡面の一点である頂点２６に入射信号光Ｌｉが入射するようにしてある。この入射信号光Ｌｉの光路は、不動であるものとする。このとき、入射信号光Ｌｉは、鏡面１の接線に対する入射角と出射角が等しくなるように反射して出射信号光Ｌｏ１となる。鏡面１の接線の傾斜がミラー角度ということができる。
【００２９】
次に、図２（ｃ）に示されるように、変形膜２を凹状態に変形する。これによりミラー４は逆ドーム状になる。入射信号光Ｌｉの光路は不動であるから、凹状態における入射信号光Ｌｉは、頂点２６（図２（ａ））がなくなったことにより、さらに直進し、ミラー４の周辺部に近い点２７に入射する。この点２７における鏡面１の接線の傾斜（ミラー角度）は頂点２６における接線の傾斜と異なるので、入射信号光Ｌｉが接線に対する入射角と出射角が等しくなるように反射すると、その出射信号光Ｌｏ２は出射信号光Ｌｏ１とは異なる角度に進む。このようにして、光路が切り換えられる。
【００３０】
以上のように、図２の形態では、ドーム状のミラー４を膜厚方向に変形させるので、トーションバーのような塑性変形を伴わない変形が実現される。塑性変形がないので、変形を繰り返しても同じ駆動力によって同じ大きさの変形が再現できる。従って、ミラー角度の再現性が得られる。
【００３１】
図３を用いてアクチュエータの説明をする。図３（ａ）に示されるように、圧力容器３１に貫通穴３２を形成し、その貫通穴３２を図２で説明した変形膜２で覆う。圧力容器３１は、流体通路３３があるほかは密封されている。流体通路３３には、図示しない加圧・減圧可能な圧力源、切り換えバルブなどが接続され、空気等の圧力流体が導入・排出可能になっている。圧力容器３１自体は内圧によらず変形しない程度に剛性があることは言うまでもない。これに対し、変形膜２は適宜な可撓性あるいは弾性を有することにより変形可能である。したがって、圧力容器３１内の圧力を変化させることで変形膜２を変形させることができる。
【００３２】
変形膜２の変形状態に注目すると、図３（ａ）は図２（ａ）で説明した凸状態に相当する。このとき変形膜２が駆動力のかかっていない初期状態とし、圧力容器３１の内圧をＰ０とする。一方、図３（ｂ）は図２（ｃ）で説明した凹状態に相当する。このときも変形膜２が駆動力のかかっていない初期状態とし、圧力容器３１の内圧をＰ１とする。Ｐ０＞Ｐ１である。また、雰囲気圧力は大気圧とすると、Ｐ０＞大気圧＞Ｐ１である。
【００３３】
さて、図３（ａ）に示されるように、圧力容器３１の内圧がＰ０で変形膜２が凸状態であって駆動力のかかっていない初期状態のとき、流体通路３３を介して内圧がＰ１になるよう減圧したとする。大気圧＞Ｐ１であるから変形膜２は貫通穴３２に押し込まれて図３（ｂ）の凹状態に変化する。この後、減圧駆動を停止したとしても圧力容器３１の内圧はＰ１に保たれるので、凹状態が維持される。
【００３４】
図３（ｂ）に示されるように、圧力容器３１の内圧がＰ１で変形膜２が凹状態であって駆動力のかかっていない初期状態のとき、流体通路３３を介して内圧がＰ０になるように加圧したとする。Ｐ０＞大気圧であるから変形膜２は貫通穴３２の外に膨らみ図３（ａ）の凸状態に変化する。この後、加圧駆動を停止したとしても圧力容器３１の内圧はＰ０に保たれるので、凸状態が維持される。
【００３５】
このように、本発明では変形膜２の変形が膜厚方向であるため、変形膜２を変形させる力として流体圧を用いることができる。そして、そのアクチュエータは、鏡面１の裏側のみに配置することができる。これにより、光路が通っている空間には、アクチュエータ用の構造物や鏡面を支持する構造物がなくなり、光学系が簡素化される。
【００３６】
また、本発明の光スイッチはＭＥＭＳ技術で製造することになるが、流体圧で変形膜２を変形させるようにしたので、単位面積あるいは単位体積あたりのパワー不足の問題も生じない。
【００３７】
さらに、図示しなかったアクチュエータの駆動源（圧力源、切り換えバルブなど）はミラー４とは直接関わりのない場所に設けることができる。これにより光スイッチの構造が簡素化され、メンテナンスや故障時の対応が行いやすいという利点がある。
【００３８】
次に、状態検出について図４を用いて説明する。図４（ａ）を見れば分かるように、この実施形態は、図３のアクチュエータを用いたものに適用してある。ここでは、金属でできている鏡面１を第一の電極４１とし、この電極４１に対向する第二の電極４２を設けてある。つまり、第二の電極４２は、圧力容器３１の底面に設けてある。図４（ａ）が凸状態、図４（ｂ）が凹状態に相当することは説明するまでもない。一般に電極間の静電容量Ｃは、電極間媒体の誘電率ε、電極間隔ｄ、電極面積Ｓの関数であり、電極が平行平板のとき、
Ｃ＝εＳ／ｄ
となる。第一の電極４１と第二電極４２との間に生じる静電容量も上式にほぼ準じる。第一の電極４１と第二電極４２との電極間隔がｄ０からｄ１に変化すると、それに伴い静電容量も変化する。よって、静電容量から変形膜２の変形状態を検出することができる。
【００３９】
検出した静電容量を印加する流体圧にフィードバックすることにより、所望した変形量を正確に制御することができる。この制御は、背景技術の光学的角度検知に基づく制御よりも簡単である。なお、静電容量によるフィードバック制御を実施するに際して、静電容量、変形膜の変形量、流体圧（圧力容器内圧）、ミラー角度の相関関係をあらかじめ計測しておき、そのデータに基づいて制御量を校正しておくとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態を示す光スイッチの鏡面の外観図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態を示す光スイッチの鏡面の断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本発明の一実施形態を示す光スイッチの断面図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の一実施形態を示す光スイッチの断面図である。
【図５】背景技術の光スイッチの斜視図である。
【図６】図５の光スイッチの可動ミラーの拡大正面図である。
【図７】背景技術の光スイッチの動作原理図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  鏡面
２  変形膜
３１  圧力容器
３２  貫通穴
４１  第一電極
４２  第二電極
【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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