(57)【要約】調整可能である多様な光学部品を作り出すための小さな光学素子の位置決めで使用するための、微細加工された動作変圧器とそれらの統合および／または組立を記載する。異なるタイプの小型アクチュエータ（特に、圧電アクチュエータ）に加えて、動作変圧器は可動光学素子のコンパクトな配列への密集配備を可能にし、可動光学素子は高レベルな光学的機能（例えば、電気通信網のための多ポート数完全光学スイッチ）を実施するため別々に（または一緒に）交替で使用できる。
2005505000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を位置決めするための装置であって、
光学素子と結合し、機械的動作を生み出すことができるアクチュエータと結合し、前記アクチュエータと前記光学素子の間の相対的な機械的動作を生み出すためのコプライアントな部材を有する動作変圧器から成ることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記動作変圧器が、ユニット式本体から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記動作変圧器が、積層された半組立品から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記動作変圧器が、微細加工層の組立品から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記動作変圧器が、微細加工されたＳｉウェハの組立品から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記動作変圧器が、レバーアームを含むコプライアントな部材から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記動作変圧器が
コプライアントな部材から成り、該コプライアントな部材が
レバーアーム、および
前記レバーアームをハウジングへ結合させる可撓接合を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記動作変圧器が
コプライアントな部材から成り、該コプライアントな部材が
レバーアーム、および
前記レバーアームを光学素子へ結合させる可撓接合を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記動作変圧器が、複数のレバーアームを有するコプライアントな部材から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記動作変圧器が
コプライアントな部材から成り、該コプライアントな部材が
複数のレバーアーム、および
複数のレバーアームをハウジングへ接合する複数の湾曲部を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記動作変圧器が、膜を含むコプライアントな部材から成ることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記コプライアントな部材が、前記膜をハウジングへ結合させる可撓接合を更に含むことを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記動作変圧器が
コプライアントな部材から成り、該コプライアントな部材が
上面部材、および
底面部材を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記コプライアントな部材をアクチュエータへ結合させるための機械的結合を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータの機械的動作に対する前記光学素子の動作を増幅するためのストローク増幅器を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記動作変圧器に結合し、光学素子を保持することに適応された保持要素を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記保持要素が、ファイバ、レンズを構成するファイバ、レンズ、ミラー、格子、コリメータ、プリズム、ホログラフィック格子、およびフィルタから成るグループから選択される光学素子を保持することに適応されることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
基板上に形成された複数の前記動作変圧器を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
複数の前記動作変圧器が直線配列を前記基板上で形成することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
複数の前記動作変圧器が２次元配列を前記基板上で形成することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記動作変圧器が、円柱状アクチュエータと結合することに適応された接点を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記動作変圧器が、複数のアクチュエータと結合することに適応された接点を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記動作変圧器が、独立した制御下で動作する複数の個別アクチュエータから形成されるアクチュエータと結合することに適応された接点を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
光学素子を位置決めするための装置であって、
機械的動作を発生するためのアクチュエータ、および
光学素子、および前記アクチュエータと前記光学素子の間の相対的な機械的動作を発生するための前記アクチュエータと結合するためのコプライアントな部材を有する動作変圧器から成ることを特徴とする装置。
【請求項２５】
前記アクチュエータが、圧電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、静電アクチュエータ、熱アクチュエータ、電気磁気的アクチュエータ、形状記憶合金、および電気活性ポリマから成るグループから選択されることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記アクチュエータが前記コプライアントな部材と機械的に結合して、生成された機械的動作に応答して前記コプライアントな部材が曲がるようにすることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記コプライアントな部材がレバーアームを含み、前記アクチュエータが前記レバーアームと機械的に結合して、第１の位置と第２の位置の間の前記レバーアームを回転させ、それにより前記光学素子が選択された位置まで移動するようにすることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記コプライアントな部材が膜を含み、前記アクチュエータが前記膜と機械的に結合して、前記膜が曲がるようにし、それにより前記光学素子が選択された位置まで移動するようにすることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
ビームを配向するための装置であって、
光を配光できる光学素子、
前記光学素子と機械的動作を発生できるアクチュエータに結合するコプライアントな部材を有し、前記アクチュエータと前記光学素子の間の相対的な機械的動作を引き起こす動作変圧器から成ることを特徴とする装置。
【請求項３０】
光源を更に含むことを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記光源が、光ファイバ、レーザー、半導体レーザー、および導波管から成るグループから選択されることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記光学素子が、光配向要素に対して導波管を動かすことによりビームを配向するための導波管を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記光学素子が、導波管に対して光配向要素を動かすことによりビームを配向するための光配向要素を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３４】
光学素子を位置決めするための方法であって、
光学素子をコプライアントな部材を有する動作変圧器に取り付け、
前記コプライアントな部材を機械的動作を発生できるアクチュエータに接触させ、および
前記アクチュエータを動作させて、前記アクチュエータと前記光学素子の間の相対的な機械的動作を発生させる諸ステップからなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はビームステアリング光スイッチング素子に関し、更に詳細には、（例えば、圧電材料または他の適切な固体材料の）機械的アクチュエータを有する光学的な自由空間交差接続スイッチング素子、またはこのタイプのアクチュエータを有する微小な光学的位置決め素子もしくはビームステアリング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、完全光学自由空間交差接続スイッチは、平行ビームを発射する光学エミッタの機構、および光学的レシーバの機構から成る。選択されたレシーバに当たるように平行ビームの方向を変化させることにより、エミッタはレシーバへ選択的に接続できる。
【０００３】
完全光学自由空間交差接続スイッチは、一定方向に発射される平行ビームの向きを変えるか、または平行ビームの方向を制御するかの何れかであることが報告されてきた。一般に、平行ビームの向きを変えるスイッチは、一般に静電力を加えることにより傾斜させることが出来る小型ミラーの配置に依存する。反対に、ビーム方向を制御するスイッチは、加えられた動作信号に応答して回転もしくは傾斜するか、（ビームの角度を変化させる）コリメーティングレンズの光軸に対する光学エミッタ（例えば、ファイバチップ）の位置を変える光学エミッタを有する。何れのタイプの光学スイッチも、機械的・電気磁気的・圧電・光活性セラミックまたはポリマ、熱的・化学的に活性なポリマ、電歪形状記憶合金またはセラミック、油圧および／または磁歪アクチュエータ、および当該技術分野で既知の他のタイプのアクチュエータにより提供される動作を用いて、小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を有利に利用できる。
【０００４】
一般に、小型ミラー素子はシリコン（Ｓｉ）ウェハからエッチングされ、ヒンジで動く反射皮膜された（はっきり定められていない静止位置を有し、駆動されるときに曲がりやすい）小板として形成されるミラー素子は、向きを変えられたビームを平行でないようにする。また、ミラー素子は基本的に減衰せず、応答時間を制限する。
【０００５】
最近、制御されたビーム照準方向を有する（圧電アクチュエータを取り入れた）光学エミッタが提案された。好都合なことに、圧電アクチュエータは早い応答を提供し、大きな力を生成し、早い切り替えのための高い特性周波数を有し、およびはっきり定められた静止位置を有する。加えて、圧電アクチュエータは低コストであり、振動に対して低い感受性を有する。圧電アクチュエータの動きは、電流を電極に加えることにより制御できる。例えば、米国特許第４，５１２，０３６号は、ファイバの自由端をファイバの縦軸に垂直な２方向に曲げ、ファイバチップを静止レンズに対して動かすことを記載する。他の素子は、ファイバの縦軸に垂直な平面内の静止ファイバの前でレンズを動かすために圧電アクチュエータを使用することを提案する。しかし、実際の圧電アクチュエータは制限された変位範囲を有する傾向があり、制限された変位範囲は光ビームの達成可能な傾斜角を制限する。
【０００６】
圧電アクチュエータにより生成された変位またはストロークを増幅して、ビーム傾斜角を増加させることが提案された。例えば、米国特許第４，３０３，３０２号は、光ファイバを取り付けられ、その固定端上で支持され、およびレバーアームの固定端に近い圧電バイモルフ曲げ素子と機械的に結合する単純なレバーアームを記載する。それにより、（光ファイバの端部を有する）レバーアームの自由端は平面内で移動することができ、アーク上に配置された異なる光ファイバと位置合わせすることができる。ジンバルに取り付けられた（平行ビームを放出するファイバ／レンズ組立品を有する）ファイバ保持器の傾斜角を増加させるための異なるレバー機構が、ＰＣＴ／ＧＢ０１／０００６２で提案されている。しかし、そのようなレバー機構は圧電トランスデューサが移動させる質量を増加させ、従って、光学組立品の特性周波数を不都合に減少させる。周波数を減少させることは交差接続スイッチの達成可能なスイッチング速度を減少させ、振動に対する感度を増加させる。
【０００７】
レバーを用いた上記の圧電動作機構は、安価で再現可能な一括製造工程（例えば、ＭＥＭＳ技術）から利益を得る可能性は低い。ＭＥＭＳにより、機械的要素、センサ、アクチュエータ、および電子素子は、ＩＣ製造工程から派生した微細加工技術を使用して共通基板上に集積できる。信頼性の高い高性能な製品が、コンピュータ自動設計ツール（例えば、AutoCAD および同様のもの）を使用して設計および最適化できる。
【０００８】
ＭＥＭＳ素子のサイズは数マイクロメートルから数ミリメートルまでの範囲に及び、半導体産業で標準的なリトグラフおよびエッチング工程により精密に制御できる。そのような小型化は、正確な動作、ならびに光学的検出および位置決めに対して特に魅力的である。更に詳細には、小型化はサイズを減少させ、完全光学スイッチのポート密度を増加させ、光ネットワークの他の調整可能および／またはプログラム可能な光学部品に拡張できる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第４，５１２，０３６号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，３０３，３０２号明細書
【特許文献３】
ＰＣＴ／ＧＢ０１／０００６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、大きなポート数に対する十分大きなビーム偏向角および早い切り替え速度を有し、従来のＭＥＭＳ製造工程により再現可能かつ安価に製造できる完全光学交差接続スイッチにおけるビームステアリングおよび位置決めのための圧電的に動作する動作変圧器 (motion transformer) を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、調整可能である多様な光学部品を作り出すための小さな光学素子の位置決めで使用するための、微細加工された動作変圧器とそれらの統合および／または組立を記載する。異なるタイプの小型アクチュエータ（特に、圧電アクチュエータ）に加えて、動作変圧器は可動光学素子のコンパクトな配列への密集配備を可能にし、可動光学素子は高レベルな光学的機能（例えば、電気通信網のための多ポート数完全光学スイッチ）を実施するため別々に（または一緒に）交替で使用できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の１側面によると、光学的位置決め素子が提供され、前記光学的位置決め素子は機械的動作を生み出すためのアクチュエータ、可動光学部品、ならびにアクチュエータへの第１の接続、光学部品への第２の接続、および支持ハウジングへの第３の接続を有するユニット式組立品を含む。アクチュエータの動作に応答して、ユニット式組立品は支持ハウジングに関連する光学素子に動きを与える。
【００１３】
本発明の他の側面によると、光学的位置決め素子を有する光学スイッチが提供され、前記光学的位置決め素子は機械的動作を生み出すためのアクチュエータ、可動光学部品、およびユニット式組立品を含む。ユニット式組立品はアクチュエータへの第１の接続、光学部品への第２の接続、および支持ハウジングへの第３の接続を有する。アクチュエータの動作に応答して、ユニット式組立品は支持ハウジングに関連する光学素子に動きを与える。
【００１４】
本発明の他の側面によると、光学部品を移動させるためにアクチュエータを利用するタイプの光学的位置決め素子が提供され、前記光学的位置決め素子は、アクチュエータへの第１の接続、光学部品への第２の接続、および支持ハウジングへの第３の接続を有するユニット式組立品を含む。アクチュエータの動作に応答して、ユニット式組立品は支持ハウジングに関連する光学素子に動きを与える。
【００１５】
本発明の他の側面によると、光学部品を移動させるためにアクチュエータを利用する光学的位置決め素子で使用されるユニット式組立品が提供され、前記ユニット式組立品はアクチュエータへの第１の接続、光学部品への第２の接続、および支持ハウジングへの第３の接続を含む。アクチュエータの動作に応答して、ユニット式組立品は支持ハウジングに関連する光学素子に動きを与える。
【００１６】
本発明の実施例は、次の１または複数の特徴を含む。光学部品は、ファイバ、レンズ、ミラー、コリメータ、プリズム、フィルタ、および格子から成るグループから選択された部品を含む。光学素子の動きが、光ビームの形成および／または配向を引き起こす。
【００１７】
ユニット式組立品は、アクチュエータ、光学部品、および支持ハウジングから成るグループから選択された部品の任意の組合せの間に配置されるコンプライアント結合を含む。コンプライアント結合は、曲げ湾曲部、ねじれ湾曲部、環状湾曲部、膜、レバーアーム、剛体リンク、および／またはジンバルを含んでもよい。アクチュエータは、圧電アクチュエータ、電歪アクチュエータ、磁歪アクチュエータ、静電アクチュエータ、熱アクチュエータ、電気磁気的アクチュエータ、および／または電気活性高分子でよい。ユニット式組立品は、１または複数の層（例えば、基板）から形成できる。ユニット式組立品は、少なくとも１つの微細加工された素子および／または複数のレバーアームを含んでもよい。
【００１８】
光学的位置決め素子は、アクチュエータが生み出した機械的動作を増幅するためのストローク増幅器を更に含んでもよい。
【００１９】
変形可能なファイバおよびプレーナ導波管の議論をここに挿入する。
【００２０】
本発明の他の特徴および長所が、好ましい実施例の以下の記載および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここに記載されるシステムおよび方法は、動作変圧器、ならびに（光ビームの配向、および調整可能である多様な光学部品を作り出すための小さな光学素子の位置決めで使用するための）動作変圧器の統合および／または組立に向けられる。更に詳細には、本発明のシステムおよび方法は、電気活性動作および変形可能な導波管に基づく調整可能な部品（例えば、スイッチ、可変減衰器、ならびに偏向および色分散制御素子）を有する光学的な自由空間交差接続スイッチング素子に適用できる。
【００２２】
用語「動作変圧器」は、大きさおよび／または方向における動作の増幅または変換を指すように使用される。
【００２３】
ここで使用される用語「電気活性」は、電気信号に適用される機械的応答を示す材料の範囲をいう。特に、圧電および電歪材料は両方とも電気活性であり、加えられた電場または電圧が存在する状態で寸法を変化させる（引っ張り）か、または力を加える（圧迫）することができる。今後は、用語「圧電」は「電気活性」に代わって使用され、この用語が本出願で利用できる電気活性材料および形状の典型的な範囲に制限されないことを銘記する。
【００２４】
電気活性材料の使用は、強い力を印加し、加えられた電場に素早く反応し、低電力消費を要するアクチュエータをもたらす。強い力は機械的増幅構造の使用により大きな歪みに変換されるか、または適切な機構により直線から回転または他のタイプの動きに変換される。適切な機構は、レバー、リンク、湾曲部、コンプライアント機構、等から成る。湾曲部を組み込んだコンプライアント機構は、リンクと比較して減少した機械的損失およびバックラッシュを提供する。高速は、加えられた電場に対する結晶格子の迅速な圧電応答の結果である。低電力消費は、素子が大容量であり、電流に動作を開始することを要求するが、位置を維持することを要求しないことの結果である。これらの材料を使用するアクチュエータは高い剛性を有することができ、従って、振動が高い共振周波数を有し、周囲の振動の影響を受けないようにする構造で使用できる。その結果として、このことは、これらアクチュエータが位置安定性を開ループオペレーションで維持することができるようにする。
【００２５】
最初に図１を参照すると、全光学スイッチ組立品１０は、光ビーム１５，１７を第１の像平面１１ａに配置された光学エミッタ１２，１４から第２の像平面１１ｂに配置されたレシーバ１６，１８に向ける。典型的な像平面１１ａ，１１ｂは、ビームアドレス指定および制御を容易にするために中心軸ＣＬに関して対称に配置された９素子スイッチ行列を各々が有するとして図示される。エミッタ１２，１４およびレシーバ１６，１８は像平面１１ａ，１１ｂのどちらにも配置でき、混合できる。従って、図示される形状は単なる実施例であり、何らの限定もしない。例えば、能動および／または受動エミッタおよび／またはレシーバの任意の組み合わせが、１ｘＮ，Ｎｘ１，またはＮｘＮ，またはＭｘＮスイッチ組立品を形成できる。ノンブロッキングＮｘＮおよびＭｘＮ実施例のためには、送信および受信素子の両方が能動でなければならない。実際の用途では、光ファイバは、対応する像平面１１ａ，１１ｂのエミッタ／レシーバ位置に配置された各ビームステアリング素子に接続できる。例えば、像平面１１ａのエミッタ１４から出現する光ビームは、ビームステアリング素子により像平面１１ｂの任意のポートへ向けられる。ビームステアリング素子の動作ストロークは、ビーム経路１７によって示されるように、１像平面（例えば、像平面１１ａ）の任意のエミッタから向かい合う像平面１１ｂの中心に配置されたレシーバ１８へ出現するビームの受動位置合わせにより減少する。この方法で、各エミッタ１２，１４は、第１の像平面１１ａのエミッタ位置に関係なく向かい合う像平面上の全レシーバ１６，１８に到達するために、ほぼ同じビーム偏向角を必要とする。典型的なポートが光ファイバに接続して示されるが、当該技術分野で既知の他の発光および受光素子も利用できる。今、光ビーム１５，１７を能動的に配向するために適切な方法の詳細が記載される。明快さのために、動作機構は図から省略されている。
【００２６】
図２−図５を参照すると、例えば、コリメータ（レンズ）２４の焦点面に配置された光ファイバ２２の端部２５により放出され、固定軸Ａに対してコリメータ２４により平行にされた光ビームの軌跡２６は、ファイバ／レンズ組立品２０，３０，４０，５０を用いて異なる方法により調節できる。図２に示されるように、ファイバ２２はコリメータ２４に固定でき、矢印２１によって示されるように、ファイバ２２とレンズ２４は回転軸２３を軸にして共に傾斜できる。ビーム傾斜角は、ファイバ／レンズ組立品２０の傾斜角に等しい。ファイバチップは斜めに切断され、および／または反射防止膜で覆われ、および／または背面反射を減少させるためにレンズを構成し、および／または光学性能を向上させる。或いは、図３に示すように、レンズ２４は、固定軸Ａに実質的に垂直な方向に、ファイバ２２の自由端上の静止ファイバチップ２５に対して距離ｙだけ移動できる。この実施例におけるビーム角θは−ｙ／ｆである。ここで、ｆはレンズの焦点距離である。最初の２つのアプローチは、特性応答／スイッチング周波数を減少させる傾向がある比較的重い素子を移動させることを含む。ビームステアリングを有効にするために、他の光学素子（例えば、プリズム、および格子）も光学エミッタ／レシーバ素子に対して移動させることができることを、当業者は理解するであろう。
【００２７】
反対に、図４に示されるように、ファイバチップ２５は静止レンズ２４に対して距離ｙだけ移動できる。ここで、θ＝−ｙ／ｆである。ファイバ並進運動は、コリメーティングレンズの焦点距離および所望する偏向角による、非常に大きな距離だけのファイバの変位を必要とする。「光学的な梃子の作用」をより提供するより短い焦点距離を有するレンズを使用することによりビーム傾斜角θを増加させることができるが、平行ビームをレシーバ１６，１８に効果的に投影するために必要なビームの質（波面の歪曲）が、実際の焦点距離に対する下限を設定する。
【００２８】
図５に示される他のビームステアリング／傾斜機構５０は、「有効な」回転軸５３を軸に回転できるファイバ２２を保持する保持器（または、コレット）５２を使用する。用語「有効な」回転軸は、回転軸が保持器５２の傾斜位置によって静止支持材に対して移動できることを言う。アクチュエータ（図示されない）は、有効な回転軸５３からの距離Δの取付点５６にある保持器５２に接続できる。ファイバは、角運動を回転軸の周りのアーチ形経路上のファイバチップの増幅された動作に変換するレバーアームのように振る舞う。小さい回転角に対して、アーチ形経路は疑似線形であるとして観察でき、本当の線形経路からの小さなズレは非球面レンズ設計により補正できる。取付点の静止位置からの水平方向変位は、ファイバチップ２５をｙだけ移動させる。その結果として、上記のように、ｙの大きさはビーム角θを決定する。好都合なことに、最後の２つのアプローチは、比較的軽いファイバを移動させることだけを含む。
【００２９】
図５に戻ると、以下の式により、ビーム傾斜角θは静止位置からのファイバチップ２５の水平方向変位ｙと関連付けられる。
θmax＝−ｙ／ｆ
ここで、ｆはレンズの焦点距離である。以下の式により、ｙは取付点５６における水平方向偏位εと関連付けられる。
ｙ＝（Ｌ／Δ）＊ε
ここで、Ｌはファイバチップ２５のファイバ保持器の回転軸５３からの距離、Δはファイバ保持器上の取付点５６と回転軸５３の間の距離、およびεは取付点５６におけるファイバ保持器の水平方向変位である。
従って、
θ＝−ＬFiber／ｆ＊（ε／Δ）
即ち、（ファイバの固有可撓性のために一定のファイバ長以上では実用的でない）ファイバの自由端の長さ（ＬFiber）を増加させること、圧電アクチュエータの達成可能なアクチュエータ動作（「ストローク」）を増加させるか受動レバーアームを（上記の何らかの短所を有する）アクチュエータに取り付けること、および／または取付点５６と回転軸５３の間の距離Δを減少させることにより、ビーム角θを増加させることができる。
【００３０】
現代のＭＥＭＳ製造技術を用いて、Δは数十マイクロメートルまたはそれ以下の長さまで減少させることができる。一般的な圧電アクチュエータはε＝１０μｍのストロークを発生するので、Δ〜６０μｍにより傾斜角θ〜３°が得られる。回転軸間隔に対してそのような取付点を有する傾斜組立品は、ＭＥＭＳ技術を使用して容易に製造できる。２つの異なる設計の動作変圧器が記載される。
【００３１】
図６は、圧電アクチュエータ６５，６６の線形（左右）動作を、ハウジング（または、支持構造）６１に取り付けられるコリメータレンズ２４の焦点面に配置される光ファイバチップ２５の（上下）動作に変換する動作変圧器６０を示す。圧電アクチュエータ６５，６６はハウジング６１によって固定端で支持され、圧電アクチュエータ６５，６６の自由端は対応するレバー６３，６４を取付点６７，６８において押す。レバーは湾曲部を有し、１端を支持構造６１に取り付けられ、他の自由端をファイバ２２を保持する保持器／コレット６２に取り付けられる。上記のように図５を参照すると、レンズの後ろでのファイバチップの上下動作が、平行ビームの軌跡とビーム角θを変化させる。
【００３２】
図７Ａ−図７Ｆを参照すると、動作変圧器増幅機構のレバーアームの設計が機械的機能、動作の範囲、増幅率、および必要な力を決定する。図７Ａの典型的な実施例では、レバー機構７０Ａは、中心ファイバ／レンズ光軸７１の周りで１２０°だけ間隔を空けられた３つのレバーアーム７３，７４，７５を含む。３つの圧電アクチュエータ（図示されない）は、レバーアーム７３，７４，７５に、レバーアームが支持構造７８（例えば、シリコン層）に取り付けられるレバーアームの回転軸（または、湾曲点）７７１に近い取付点７６で結合される。レバー機構は圧電アクチュエータの線形動作を増幅し、増幅された線形動作をファイバの傾斜動作に変換する。従って、圧電アクチュエータによって（例えば、レバーアーム７３に取付点７６において）加えられた小さな歪みは、取付点と支持構造７８への取付点の間の距離に対するレバーアームの長さの割合だけ増幅される。また、このタイプのレバー機構は、ストローク増幅器としても見られる。レバーアーム７３，７４，７５は、自由端において共通の中心構造（例えば、光ファイバを保持するファイバコレット７２）により接続できる。
【００３３】
一般的な圧電スタックは、圧力よりも張力において著しく弱い。素子の動作範囲を最大にするために、組立の間にファイバに対して予圧が加えられる。予圧は圧電アクチュエータの中に圧縮荷重を引き起こし、従って、素子の動作範囲を広げる。
【００３４】
図７Ａに示される典型的な実施例では、３つのレバーアーム７３，７４，７５の各々は、独立した湾曲部７７１，７７２，７７３を有する。３つのうち２つの湾曲部７７１，７７２は、各レバーアームが圧電アクチュエータの並進運動を増幅することを可能にする層回転軸湾曲点 (lever pivot bending point) として厳密に機能する。各レバーアーム上の第３の湾曲部７７３は、他の２つの湾曲部に対して垂直な方向を向く。この第３の湾曲部は、他の２つの湾曲部に対して垂直な方向に曲がることを可能にする。３つのレバーアーム７３，７４，７５は中心ファイバ／レンズ構造を通して結合し、レバーアームは独立に駆動されるので、各レバーアームは、結合された動作ともう１つのレバーアームからの湾曲に従う。第３の湾曲部７７３はコプライアンスをこの動作に提供し、この動作は角傾斜を発生する。各レバーを独立に駆動することは、中心ファイバ／レンズ構造平面の３点の位置を制御する。ファイバ／レンズ平面の３点を制御することは、ファイバ／レンズを位置決めする機能を提供し、従って、所望する任意の角度の光ビームは層構造に内蔵された機械的抑制の制限の範囲内である。レバーを一斉に駆動することはファイバおよび／またはレンズを光軸（ｚ軸）に沿って移動させ、ビームの平行を変化させてファイバを圧迫するために使用でき、それらは以下に記載される。
【００３５】
図７Ｂは、（例えば、取付点７６'を押すことにより）作動状態にある図７Ａの機構を示す。ファイバ傾斜７１'は、レバーアーム７３，７４，７５の間の変位の差により決定される。
【００３６】
典型的なレバーアーム構造７０Ａは、市販のシリコンウェハから製造できる。各レバーアームは、１〜２ｍｍの長さである。典型的なレバーアーム構造７０の他の典型的寸法を、以下に記載する。
シリコンウェハの厚さ＝６２５μｍ
トレンチ幅＝７０μｍ
トレンチ深さ＝５４５μｍ
湾曲アーム幅＝３０μｍ
プッシュポイント幅＝７０μｍ
ファイバ孔径＝１４０−１９０μｍ
【００３７】
典型的な設計に示されるアクチュエータプッシュポイントのこれら寸法および位置を用いて、約５倍の並進運動増幅（５ｘ）が、ファイバ取付構造の中心において容易に達成される。上記のように、傾斜動作はアクチュエータを差動させることにより発生する。
【００３８】
典型的なレバーアーム構造７０Ａを製造するための工程が、図１１Ａおよび図１１Ｂに示される。組立の詳細が図１３Ａおよび図１３Ｂを参照して以下に記載され、層１３４はここで記載されるレバーアーム構造を含む。層１３４（図１３Ａ参照）は、トレンチを形成するウェハの両側の一連の deep reactive ion etcheing （ＤＲＩＥ）により形成される。マスクの前後の位置合わせの注意深い制御が、湾曲部の形成に不可欠である。また、側壁直線性およびトレンチの底面におけるフィレット制御も、構造を形成するために所望する強度を達成することにおいて重要である。図１１Ａおよび図１１Ｂは、製造工程（ステップＡ−ステップＫ）の詳細を示す。工程で使用されるマスクレイアウトは従来のものであり、図示されない。ステップＡでは、表面酸化物がウェハの上面（Ｔ）で成長し、スルーホールを定めるためにパターン形成される。ステップＢでは、フォトレジスト（ＰＲ）が回転し、ウェハを貫通しないホールのためのパターンが定められる。ステップＣでは、 buffered oxide etch （ＢＯＥ）を使用して酸化物層を貫通する開口部がエッチングされ、次にステップＤでは、４２５μｍ（プラス Aspect Ratio Dependent Etching （ＡＲＤＥ））を打ち消すための追加的深さ）のＤＲＩＥにより、ほぼ全体のトレンチ深さを形成する。ステップＥでは、ＰＲマスクが取り除かれ、１００μｍの追加的深さがウェハの上面を完成するためにエッチングされる。
【００３９】
ステップＦでは（図１１Ｂ）、ウェハの底面（Ｂ）が酸化物を用いて選択的にパターン形成される。また、底面は、半組立品１３２（図１３Ａ）とアクチュエータプッシュポイント７６（図７）の結合領域も含む。ステップＧでは、底面は、スルーホール有りとスルーホール無しのトレンチの両方のためのＰＲを用いてパターン形成される。前と同じように、５１５μｍ（プラス ＡＲＤＥを打ち消すための追加的深さ）のＤＲＩＥがステップＨで実行され、その後、ＰＲがステップＩで取り除かれ、底面に凹部形成される形状を作り出すためのステップＡのネストされたマスクを露出させる。ステップＪでは、追加的な１０μｍがＤＲＩＥされ、他の凹部を設けられた表面とは別のプッシュポイント接触領域および結合領域を作り出す。ウェハの残りの部分からレバーを分離する全ての領域が、このステップで除去される。ステップＫでは、全てのマスク残留物および他の保護層が取り除かれ、レバーアーム層１３４のシリコン構造だけを残す。
【００４０】
図７Ｃは、湾曲部７７３が、他のレバーアームにより生成されるねじれ力を吸収する細いアーム７７８と交換されたもう１つのレバーアーム機構７０Ｂを示す。レバーアームが取付点７６'において駆動されるとき、図７Ｄに示されるようにアームはねじれることができる。図７Ｈに示されるように、好ましい実施例では、図７Ｃのプッシュポイント７６は、アーム７７８の長手方向に対して垂直な方向に間隔を空けられた２つのプッシュポイント７６ａ，７６ｂを含む。図７Ｈは、図７Ｃに示されるレバーアーム機構７０Ｂに対する層１３４（図１３Ａ）の底面図を示し、２つのプッシュポイント７６ａ，７６ｂが明瞭に見える。２つのプッシュポイントがアクチュエータ付近の設計に剛性を加え、突起１３７６（図１３Ａおよび図１３Ｃの層１３２５参照）が駆動力をアクチュエータ１３２０からプッシュポイント７６ａ，７６ｂへ伝達する。突起層は、図１３Ａ（更に詳細には、半組立品１３４）を参照して以下で論じられる合わせ界面の一部である。
【００４１】
図７Ｅはレバーアーム機構７０Ｂの他の実施例を示し、湾曲部７８０，７８２，７８４は（注意深くモニタされた特定のトレンチ深さよりも）ウェハ厚さ全体を通したエッチングにより形成され、製造工程を単純にする。図７Ａ−図７Ｄを参照した上記の実施例のように、アクチュエータの取付点７６は静止支持材７８の近くに配置される。図７Ｆに示されるように、レバーアームが取付点７６'で駆動されるとき、ファイバおよび／またはビーム方向が傾斜する。
【００４２】
動作機構の他の設計は、少なくとも１つのアーム、２つのアーム、場合によっては４つまたはそれ以上のアームを有することができる。一般に、上記３−アーム実施例のような対称設計が好ましい。何故ならば、対称設計はアームとハウジングの間の熱膨張不一致の影響を受けず、差動のための機能のために高い角出力を提供するからである。異なるモードの動作（並進運動、突出、等）は、異なるリンク設計により達成できる。
【００４３】
一般に、レバーアームは約６２５μｍの厚さ（バルク微細加工された直径１５０ｍｍのシリコンウェハの厚さ）であり、アーム長は１−２ｍｍである。あるアクチュエータが通電されて他がされないとき、傾斜動作が達成される。図示される寸法を用いて、約ａ±３°の角度揺れが、この構造で、取付点７６において独立に駆動された圧電アクチュエータの１つの約５μｍの並進運動に対して達成される。角運動に対する有効な回転軸は、レバーアームを含む構造層の厚さの範囲に存在する。この性能における限定因子は湾曲部内部のピーク応力であり、限定因子は破損する前に適応できる最大湾曲を制限する。３つのアクチュエータは、一斉に（共通して）伸張および／または短縮し、傾斜にではなく突出（例えば、素子の平面に対して平行なレンズの焦点面の内部および外部でのファイバチップの動作を達成するために、中心ファイバ接点の増幅された伸張または位置決めを達成する素子の平面に垂直なｚ軸動作）に影響することに注意すべきである。この動作は、焦点と素子からの出現ビームの平行の程度に対する変化に影響する。
【００４４】
増幅および傾斜動作を最大にするために、保持器が自由に傾斜することを可能にしながら、湾曲部は高い剛性を駆動力の方向に有する。このことは、図７Ａの３接合ヒンジ機構の湾曲部７７３、または図７Ｃおよび図７Ｅの薄い垂直湾曲部７７８，７８２を有する代替物を用いて達成できる。また、この機構は、保持器の自由な角方向運動（例えば、立体角での傾斜）を可能にするコプライアント動作機構またはジンバルとして理解できる。一般に、湾曲部を長くかつ断面において薄く作ることは、コプライアンスをより提供し、湾曲部が受ける応力を減少させる。しかし、実際のスイッチ用途では、このことがスイッチ構造の各部分の半径方向の寸法全体を増加させ、ポートの中心間の間隔および必要なビームステアリング角も不都合に増加させる。
【００４５】
図７Ｇは他の動作増幅機構を示し、中心構造の向かい合う側面に到達するようにレバーアームが曲がる。前と同じように、各アームは３つの湾曲部を有する。中心構造が傾斜できるように、湾曲部はアームの移動を可能にする。この設計では、中心構造に近い湾曲部は所定の傾斜角に対してより少ない湾曲に直面し、従って、動作変圧器に対する範囲が約２だけ増加することを可能にする。
【００４６】
各ファイバポートに対して複数の線形圧電アクチュエータを利用する図７Ａ−図７Ｇに示される実施例とは異なり、増幅された傾斜動作は、縦軸（ｚ軸）に沿って湾曲する単一の湾曲型圧電アクチュエータを使用することにより得ることができる。２重膜湾曲部を使用する実施例の詳細な設計が、図８−図１０を参照して記載される。
【００４７】
図８は、ハウジングの底面支持８１、または側壁８３を有する支持構造上で支持される圧電湾曲アクチュエータ８５を有する動作変圧器機構８０の断面図である。圧電アクチュエータ８５および電極配置のための種々の設計が、以下で詳細に論じられる。電流および／または電圧により始動するとすぐ、圧電アクチュエータ８５の自由端は矢印８６の方向に横向きに移動する。２重膜湾曲部８１０は、側壁８３により水平方向に指示される。２重膜湾曲部８１０は、周辺部８１６の少なくとも一部に沿って、および中心部８１７において結合される２つの別々の層８１２，８１４から製造される。他の種々の光学素子（例えば、レンズ、ミラー、および／または光学格子が動作変圧器に付加できることを、当業者は理解するであろう。膜は連続する必要はなく、膜が水平方向の力を伝達するための十分な剛性を提供する限り、スロットおよび他のタイプの放射状および／または環状開口部を含んでもよいことが理解されるであろう。
【００４８】
図示される実施例では、２重膜湾曲部８１０はシリコンまたは絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ）ウェハで作られるが、他の材料（例えば、金属）も使用できる。薄い環状膜８２０，８２２は、各層８１２，８１４の平面の結合部８１６，８１７間に配置される。膜は、連続的でもセグメント化されていてもよい。上部膜８２２の半径方向内向き部分はファイバ保持器８２に取り付けられ、それに対して上部膜８２２の半径方向外向き部分は壁部８３にしっかりと固定される。下部膜８２０の半径方向内向き部分はファイバ保持器８２に取り付けられ、それに対して下部膜８２０の半径方向外向き部分は（矢印８６の方向への移動のために環状リング８２４と（壁部８３にしっかり固定された層８１２の）部分８２６の間に配置された湾曲部８１８により弾性的に支持される）環状リング８２４に接続される。圧電アクチュエータ８５の自由端をリング８２４へ接続するとき、製造誤差に対応するために、追加的な任意の環状構造８３０を圧電アクチュエータ８５の自由端と弾性的に支持されたリング８２４の間に配置してもよい。また、コプライアントな上部膜も、保持器８２のためのジンバルマウントとして観察できる。
【００４９】
図９は、底面８１から見た、図８の２重膜湾曲動作変圧器の線ＩＸ−ＩＸに沿った断面図である。図示される典型的な実施例では、３つの湾曲部８１８が環状リング８２４と（層８１２の）固定部分８２６の間に配置され、環状リング８２４と固定部分８２６を接続し、環状リング８２４の基本的に一様な水平方向変位を圧電アクチュエータ８５の自由端の全動作方向に対して可能にする。これらの湾曲部８１８は、素子の根本的な機能に必須ではない。リングがアクチュエータに結合されるまでリングの位置を維持し、オペレーションの間に素子の性能を低下させないように、それらはコプライアントに設計される。
【００５０】
図１０は活性化状態の動作変圧器機構８０を示し、圧電アクチュエータ８５の自由端は矢印９６の方向にある距離だけ水平方向に移動させられる。この変位εは、壁部８３の左部分の方へ湾曲部９１８ａを圧縮することによって、および壁部８３の右部分から離れる方向へ湾曲部９１８ｂを新調させることによって、環状リング８２４を動かす。その結果、取付点９４を圧縮された湾曲部９１８ａの方向へ引っ張る下部膜８２０の取付点９４に力が加えられ、それによりファイバ保持器８２を保持器８２の基本的に静止した回転軸９３の周りで回転させる。上記のように図５を参照すると、ファイバ保持器８２のこの回転動作が、ファイバチップ（図示されない）により放出されたビームの軌跡を、角度θだけ変化させる。膜はＭＥＭＳ技術によって非常に精密に製造でき、例えば、５０−１００μｍの取付点９４と回転軸９３の間の間隔を容易に達成できる。次に、圧電アクチュエータ８５の小さな変位ε（約５μｍ）が、θに大きな変化をもたらすことができる。
【００５１】
図１１は、２重膜湾曲部８１０のＭＥＭＳ製造ステップを示す（特に、薄膜８２０，８２２の）層厚さの精密な制御は、精密に設計された市販のＳＯＩ（絶縁膜上のシリコン）ウェハを使用することにより実現する。一般に、ＳＯＩウェハは薄いＳｉＯ2−Ｓｉ層構造がウェハ結合されるハンドルウェハ（ｈａｎｄｌｅ  ｗａｆｅｒ）から成り、ＳｉＯ2層はハンドルウェハに面する。ＳｉとＳｉＯ2層の両方の厚さは上手く制御でき、極端な薄さ（１０ｎｍ）から数十μｍまでの範囲であり、±５％以上の一様な厚さを有する。本実施例では、ハンドルウェハは構造的支持を提供し、それに対して膜は薄いシリコン層から基本的に形成される。
【００５２】
図１１（特に、ステップＡのプロセス）を参照すると、上面ＭＥＭＳ層８１４はＳＯＩウェハで作られ、厚さ６０μｍのシリコン層を素子面１１０４上に有する。シリコン層１１０４は、中間ＳｉＯ2層１１０２を介してハンドル層１１０１により支持される。約１０μｍの厚さの残存層を有する階段状凹部１１０５が、素子面１１０４上でエッチングされる。この残存層は、後で膜８２２を形成する。中心部１１０３はＳｉ素子層１１０４および中間ＳｉＯ2層１１０２を貫通し、ハンドル層１１０１の内部に部分的に入ってエッチングされる。
【００５３】
底面ＭＥＭＳ層８１２は、別の工程（ステップＢ）でエッチングされる。上記の上面ウェハと同じ寸法を有するＳＯＩウェハを発端に、約１０μｍの厚さの残存層を有する凹部１１１５は、素子面１１０４’上でエッチングされる。この残存層は、後で膜８２０を形成する。中心部１１１３と環状部１１１７は、Ｓｉ素子層１１０４’および中間ＳｉＯ2層１１０２’を貫通し、ハンドル層１１０１’の内部に部分的に入ってエッチングされる。
【００５４】
ステップＣでは、底面層８１２が、（例えば、フュージョン  （ｆｕｓｉｏｎ）  またはウェハボンディングにより）上面層８１４に結合される。ステップＤでは、（例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＴｉ／Ｎｉ／Ａｕで作られた）メタライゼーション層１１３２，１１３２’，１１３４，１１３４’は、結合された膜層の各ハンドル面１１０１，１１０１’上に堆積しパターン形成される。メタライゼーション層１１３２は形成された２重膜構造８１０の保持器またはハウジングへの取り付けのために提供され、それに対して、メタライゼーション層１１３２’はコレット８１７の中心開口部を貫通して伸張するファイバの取り付けのために提供される。メタライゼーション層１１３４’は、直接または中間層を介してのどちらかで、圧電アクチュエータ（図示されない）に付着する。ステップＥでは、ＤＲＩＥが、結合された膜層の上面ハンドル１１０１および底面ハンドル１１０１’の両方で、コレット８１７を通して埋込ＳｉＯ2層までエッチングされ、２つの膜８２０，８２２、および垂直湾曲部を形成する。ＤＲＩＥの後でハンドル面の角における応力を除去するために、素子上の階段状凹部１１０５，１１１５の幅は、凹部１１０５，１１１５と向かい合うハンドル面のＤＲＩＥされて凹部の幅よりも少なくとも数μｍだけ狭い。
【００５５】
図１２は、上記の典型的な動作変圧器を移動させることができる圧電アクチュエータの異なる実施例を示す。図１２（ａ）は、（外部電圧をインターディジタル構造の電極１２１２，１２１４に加えると直ぐ、矢印の方向に伸張／収縮する、順番に配置された）インターディジタル構造の電極１２１２，１２１４を有する圧電スタック１２１０を示す。図１２（ｂ）は、（外部電圧を電極１２２２，１２２４に加えると直ぐ、矢印の方向に伸張／収縮する）内部電極１２２２と外部電極１２２４を有する圧電管１２２０を示す。図１２（ｃ）は、内部電極１２３２、および縦軸に沿って管１２３０の外部表面に配置されたセグメント化された電極１２３４，１２３６，１２３８を有する管１２３０を示す。内部電極１２３２と電極１２３４，１２３６，１２３８の間に異なる電圧を加えると直ぐ、この管は矢印の方向に湾曲できる。図１２（ｄ）は、支持構造１２４８上の配置された別々にアドレス可能な圧電曲げ要素１２４２，１２４４，．．．を有する圧電ベンダ１２４０の他の実施例を示す。また、圧電管も、圧電材料で被覆された材料（例えば、金属管）で作られる。
【００５６】
工業用途で使用される一般的な圧電成分は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）型である。この型の系統の中では、異なる性能および機械的特性を有する多くのバリエーションが存在する。変化は、原料の粉末 (source powders) 中の化学的添加物の量により決定される。一般に、ＰＺＴ材料は大きな動作歪み、線形応答、および十分な温度安定により特徴付けられるが、高いクリープとヒステリシスを有し、オペレーションの前に分極される必要がある。これが、アクチュエータ実験のために選択される圧電アクチュエータの第１の最も一般的な型である。
【００５７】
一般的な電歪成分は、ＬＭＮ（ニオブ酸マグネシウム鉛）型である。これらの成分は分極される必要がなく、素子統合とオペレーションに明確な含意を有する特性は、高い処理温度と動作温度を可能にする。一般に、ＬＭＮ材料は良い動作歪み、極端に低いヒステリシス、およびクリープにより特徴付けられるが、高度に非線形な応答を示し、温度に対して非常に敏感である。
【００５８】
更に、電気機械式アクチュエータ特性が、ＰＺＴの化合物または固溶体、および他のペロブスカイト構造材料を有するＬＭＮ成分を形成することにより調整できる。例えば、一般式（Ａ1Ａ2）（Ｂ1Ｂ2）Ｏ3の成分は、単純な化合物（例えば、ＢａＴｉＯ3，ＢａＺｒＯ3，ＫＮｂＯ3 または ＳｒＴｉＯ3）、混合されたＡ部位化合物（例えば、（Ｎａ1/2Ｂｉ1/2）ＴｉＯ3 または （Ｋ1/2Ｂｉ1/2）ＴｉＯ3）、混合されたＢ部位化合物（例えば、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3 または Ｐｂ（Ｓｃ1/2Ｔａ1/2）Ｏ3）、または欠陥化合物（例えば、（Ｌａ2/3□1/3）ＴｉＯ3）を表すために使用される。ここで、□は空格子点である。最適成分は、動作性能、信頼性、環境安定性、および処理互換性に対して選択される。
【００５９】
図１２（ｃ）および図１２（ｄ）に示されるタイプの管状アクチュエータは、図８−図１０の実施例に対して特に適切である。水平方向動作は、２重膜動作変圧器８１０によってファイバコレット８２へ伝達される。
【００６０】
動作変圧器とビーム歪み機構を記載してきたが、単一のユニットを参照すると、そのような素子はうまく集積でき、マルチポートスイッチ機構を形成し、マルチポートスイッチ機構が以下に記載される。
【００６１】
図１３Ａは、２次元配列の形態に配置できる複数のエミッタ／レシーバを有する（平面図に示され図１を参照して記載されるような）典型的なスイッチ機構１３０の線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。スイッチ構造１３０は、積層された半組立品（例えば、アクチュエータ半組立品１３２、動作変圧器半組立品１３４、およびレンズ／コリメータ半組立品１３６，２４）から組み立てられる。好都合なことに、素子の各部分は独立に試験でき、その性能は最終接合の前に検証され、それにより全体の製造歩留まりを向上させる。
【００６２】
アクチュエータ半組立品１３２は、導線１３０５を有するベース（または、基板層）１３１０、圧電アクチュエータ１３２０、およびスペーサ（ハウジング）層１３３０を含む。ベース層１３１０は、圧電アクチュエータのための支持層を形成する。ベース層１３１０は、圧電アクチュエータのための取付面、光ファイバ２２のための孔、およびアクチュエータまたは他の電子部品への導線１３０５のための孔を含むことができる。この層はアクチュエータに対する支持を提供するために堅くなければならず、例えば、絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ）ウェハ、または多層セラミックで作ることができる。或いは、電気チップ技術で一般に使用されるマルチチップモジュール基板が利用できる。また、個々のアクチュエータを電気的接続および／またはアドレス指定するためのウェハレベル電気部品（例えば、スイッチ、およびトランジスタ）も、取り入れることができる。
【００６３】
上記のように、図６および図７Ａ−図７Ｆを参照して記載され、線形アクチュエータ動作変圧器を使用する実施例は、３つの圧電アクチュエータを光学ポート毎に有するのが好ましく、一方、図８−図１０の２重膜湾曲動作変圧器は単一の圧電アクチュエータ（図１２（ｃ））またはアクチュエータ組立品（図１２（ｄ））を光学ポート毎に必要とする。アクチュエータ１３２０は、スペーサ層１３３０を貫通して伸張し、（レーザービーム加工、および超音波研磨ミリングを含む）当該技術分野で既知の多数のドリリングまたはミリング工程により形成される孔の中に配置される。スペーサ層１３３０は、増幅機構およびファイバ／レンズに対してアクチュエータを精密に配置するための追加の構造的およびスペーサ支持を提供でき、また、アクチュエータが反動するための構造的支持（例えば、図８の壁部８３）を提供できる。アクチュエータは、圧電、電歪、熱、または磁歪の組み合わせ、もしくは当該技術分野で既知の多様な他のアクチュエータの何れかであり、自由端に任意にキャップをかぶせて上記の層とのインターフェイスを容易にすることができる。スペーサ材料は、アクチュエータ長（本実施例では、約１０−１１ｍｍ）と同等の厚さを有し、圧電アクチュエータと整合する最適熱膨張を達成する例えば、ＰＹＲＥＸガラス、またはセラミック材料でよい。ビームポートを出来るだけ近くに配置して、光ファイバビームステアリングスイッチ用途ビームポートの密集配列を可能にするように、孔を配向し配列しなければならない。ビームポートの１−４ｍｍの中心間の間隔（または、ピッチ）が、２．２ｍｍ（または、それ以下）の直径を有する市販の圧電アクチュエータを用いて容易に達成される。スペーサ層の厚さは、所与の駆動電圧に対するアクチュエータからの歪みまたは距離の所望し利用可能な量によりある程度決定される。層１３１０，１３３０の両方は高い剛性負荷リターンパスを提供するように形成され、アクチュエータのベースにおける負荷を動作変換ステージ１３４に作用させなければならない。層１３１０，１３３０のコプライアンスは、完成した組立品の駆動能力および動作能力を減少させる傾向がある。
【００６４】
第２の半組立品１３４（動作変圧器半組立品）は、付着して、電気活性アクチュエータ要素とハウジングの間の相対運動（または、２つまたは３つ以上のアクチュエータ要素の間の相対運動）に基づいて動くビーム配向ユニットの中の光学素子の関節をもたらすタスクを共に達成する、単一または複数の層１３２４，１３２５，１３２６を含む。半組立品１３４は、その底面をインターフェース（または、合わせ層）１３２５と合わせて、位置決め誤差を圧電アクチュエータ１３２０およびハウジング／スペーサ１３３０に対して考慮するアクチュエータ層１３２４を有する。半組立品１３４のアクチュエータ層１３２４の上面に取り付けられるのは、コリメーティングレンズ２４の位置決めと取り付けを可能にするレンズ取付層１３２６である。図１３Ａに示されるスイッチ（または、アクチュエータ）機構１３０は典型的なだけであり、種々の層および半組立品の寸法および形状が特定の用途に対して適合できることを銘記する。
【００６５】
例えば、半組立品１３４は微細加工（ＭＥＭＳ）絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ）ウェハで作ることができ、プッシュポイントビームまたは（半組立品の中で他の層上のエッチングされた機構に直接的に結合できる）環状リング８２４（図８）を含むことができる。半組立品１３４および／またはその構成層は、信号を圧電アクチュエータまで、例えば、行／列アドレス指定方式で経路制御するために使用でき、行／列アドレス指定方式では行アドレスラインが層１３１０上で機能し、列アドレスラインが半組立品１３４の底面で機能する。更に、センサ（例えば、圧電抵抗センサ、圧電センサ、または容量センサ）も半組立品１３４に取り入れて、アクチュエータを正確に位置決めして制御するための検出およびフィードバックを可能にできる。
【００６６】
半組立品１３４は、レバーアーム構造７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ（図７Ａ−図７Ｆ）、または上記ファイバ保持器を有する湾曲膜構造８１０（図８）を含む層を含む第１の動作変圧器半組立品である。ビーム軌跡を制御するために、機構は圧電アクチュエータの垂直方向伸張／水平方向湾曲動作をファイバ（および、任意にレンズ）の角傾斜に変換する。或いは、半組立品は、図２に示されるファイバ／レンズ傾斜機構に結合できる層、または層の一部を含むことができる。
【００６７】
前記のように、半組立品１３４から成る層は、マスクの前後の位置合わせの注意深い制御を用いて弾性湾曲部（レバービーム、または膜の何れか）を形成するためのＳｉまたはＳｉ−ＳｉＯ2−Ｓｉウェハの両側への一連の堆積工程およびエッチング工程（ウェットエッチング、ＤＲＩＥ）により形成できる。側壁直線性およびトレンチの底面におけるフィレット制御も、構造の所望する強度および耐疲労性を達成するために重要である。層の構成および層を一体化された半組立品に組み立てることは、（小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造および組立で一般に使用される工程を含むが限定されない）多種多様な工程により達成できる。これらは、ＤＲＩＥおよび／またはＫＯＨウェットエッチング工程、およびＳｉ−Ｓｉウェハボンディング、および／または熱圧着ウェハ、または金および／または他の金属中間層を使用するダイ・ボンディングを含むことができる。交互に、半組立品から成る層は、全体的な素子組立およびオペレーションの間に個々に組み立てられ、機械的に結合され、合わされる。
【００６８】
また、半組立品１３４も第１の合わせ機能を果たす層または層の一部を含むことができ、例えば、移動する光学素子（例えば、ファイバ、レンズ、組み立て済のファイバ／レンズ組立品、一体的にレンズを構成するチップを有するファイバ、プリズム、光学波長フィルタ要素、または格子要素）と合い、および／または保持して結合するための特徴を提供する。例えば、レンズとファイバは一緒に組み立てられ、（図２のファイバ／レンズ配置と類似の）半組立品１３４から成る層の一部と直接的に結合される。
【００６９】
他の種々の光学素子（例えば、レンズ、ミラー、および／または光学格子）が動作変圧器に取り付けられてもよいことを、当業者は理解するであろう。
【００７０】
図１３Ｃは、ユニットとして組み立て済の増幅器半組立品１３４の詳細な断面図を示す。明瞭に示されるのは、レバーアームのプッシュポイント７６，７６ａ，７６ｂを押す突起１３７６を有する合わせ層１３２５である。アクチュエータ層１３２４，８１０を組み立てるための工程は、上記に記載されてきた。図７に示される実施例で使用される中間層または合わせ層１３２５のためのレイアウトと製造ステップが、以下に記載される。
【００７１】
図１１Ｃは、バルク微細加工された絶縁膜上のシリコン（ＳＯＩ）ウェハで作られた合わせ層１３２５を示す。エッチングされた特徴は、圧電アクチュエータと接合する移動カラム（図示されない）、水平方向変位ではなく垂直方向変位を可能にする移動カラムを囲んで保持する薄いダイアフラム１１０５、および移動カラムの上面のプッシュポイントビーム１３７６を含む。このプッシュポイントビームは、次の層にエッチングされた増幅器機構（増幅層１３２４）へ直接的に結合される。ビームは、アクチュエータ変位が増幅機構および傾斜機構に伝達される位置にある。層１３２５は圧電アクチュエータの大体の位置決めを可能にし、増幅層１３２４上の正確なプッシュポイントと接触する。
【００７２】
場合によっては、層１３２５は信号を圧電アクチュエータまで、例えば行／列アドレス指定方式で経路制御するために使用でき、行／列アドレス指定方式では行アドレスラインが層１３１０上で機能し、列アドレスラインが層１３２５上で機能する。更に、センサ（例えば、圧電抵抗センサ、圧電センサ、または容量センサ）も層１３２５に取り入れて、アクチュエータ位置決めのために検出およびフィードバックを可能にする。
【００７３】
これらの特徴は、シリコンウェハの deep reactive ion etching （ＤＲＩＥ）により形成される。ＳＯＩウェハのハンドル面は、４００−６００μｍである。これは絶縁体までエッチングされ、ダイアフラムの上面を形成する。エッチングは制御され、ほぼ真っ直ぐな側壁をつくり出す。素子面は、２５−５０μｍの厚さである。所望する膜厚さが達成されるまで素子面をエッチバックするために、等方性エッチングが使用される。
【００７４】
層１３２５に対する製造工程が、図１１Ｄに示される。約４０μｍのＳｉ厚さの素子面１１０１を有する両面研磨ＳＯＩウェハから始める。表面を保護するために、熱酸化が堆積される。次に、ハンドル面が任意にパターン形成され、設計深さまでＤＲＩＥされ、プッシュバー（図７Ｈ参照）の深さ２μｍの取付面１１１５を定める。等方性ドライエッチングが行われてなだらかなフィレットを有する厚さ１０μｍの駆動膜を形成し、膜層１１０５のストレス点を防止するように、フィレットはハンドル面に後で加えられるＤＲＩＥよりもやや狭い。ウェハのこの状態は、ステップＡとして図１に示される。また、素子面から特に形成されるのは、ファイバ孔１１０３である。
【００７５】
次に、ウェハは、凹部１１２７をエッチングするために使用されるネストされた酸化膜マスクにを形成することによりハンドル面から処理される。凹部１１２７はアクチュエータが自由に動くことを可能にし、一方、偏位を制限する（ステップＢ）。Ｓｉの薄い部分がファイバ孔の中に残され、ハンドル側トレンチに残されたファイバ孔とＳｉがステップＣで取り除かれる。層は、層１３２６を用いた最終組立の間に、保護のためにステップＣの後で、ＳｉＯ2により保護される。
【００７６】
層１３２６は、ＳＯＩウェハバルク微細加工層と類似する。層１３２６は、光ファイバのフロントチップから正しい距離だけ光学レンズを機械的に離間することにより提供される。この離間は、光ビームのために所望する光学形状を生成するために必要である。スペーサ／保持器は、各レンズに対してエッチングされる。このシリコンスペーサは、増幅層（層１３２４）上の中心ファイバシリコン構造に結合される。スペーサはレンズおよびファイバと接合し、レンズおよびファイバがユニットとして傾斜することを可能にする。他の形状が、より大規模な製造工程（例えば、ガラス）でシリコン以外の何かからこのスペーサ構造を作る。次に、スペーサはレンズに組み立てられ、増幅層に結合される。他の形状では、この層１３２４が省略され、レンズとファイバがユニットとして組み立てられて、増幅層１３２４へ直接的に結合される。
【００７７】
レンズ保持器が、図１１Ｅの斜視図に示される。図１１Ｅに示されるように、３枚レンズ保持器はウェハの側面から取り外され、いったんアクチュエータコレットに取付／結合されたら、アクチュエータを用いて自由に移動および傾斜できる。
【００７８】
層１３２６を作り出す工程が、図１１Ｆに示される。また、層１３２６を作り出す工程は、素子層１１０４、ＳｉＯ2層１１０２、およびハンドル層１１０１を有するＳＯＩウェハでの一連のＤＲＩＥも含む。ウェハはＳｉＯ2を用いてパターン形成され、凹部が素子面からファイバ孔のために切削される（ステップＡ）。トレンチがハンドル面から埋込酸化物層まで切削されて、レンズ取付層の外側を定める（ステップＢ）。加えて、ファイバ／レンズ組立品上でフィレットを収容するためのキャビティが切削され、ファイバ孔がウェハを貫通して切削される。ハンドル面中の酸化膜マスクがエッチングされてシリコン面を露出させ、素子面上のフォトレジストが除去されて、シリコンフュージョンボンディングのためにウェハが洗浄される（ステップＣ）。素子面のＳｉ上の残りの部分１３５０がエッチングされ、層１３２６，１３２４，１３２５がウェハフュージョンボンディングにより半組立品１３４へ結合された後に、レンズ取付層を取り除く（ステップＤ、およびステップＥ）。
【００７９】
層と半組立品は、アクチュエータ半組立品を組み立てるために使用される温度より低い、また、圧電アクチュエータ材料または有機接着剤（例えば、エポキシ、またはシアン酸エステル）のキュリー温度より低い融点／処理温度を有するハンダを使用して、フュージョン結合および／またはソルダ結合できる。加えて、陽極ボンディングプロセスを使用して結合が形成される。或いは、紫外線硬化されたエポキシを使用してもよい。張力が入るのを防止するように、アクチュエータは機械的に予圧を加えられる。これは、小さな負荷（＜０．５Ｎ）をファイバに掛けることにより行われる。以下で論じるように、有機接着剤（例えば、ＵＶ硬化接着剤）は、層１３１０の底面への予圧下でファイバを結合しておよび層を封止するために使用できる。
【００８０】
スイッチ構造の半組立品または個々の層をソルダボンディングする代わりに、これらの部品も配列され、（部品のスタックを容易にする追加的なガイドピンを任意で用いて）クランプにより機械的に正しい位置に固定できる。当該技術分野で既知のように、圧縮バネを有するネジを使用して、半組立品と層を一緒に保持できる。アクチュエータにより生成される最大力の下で正しい位置に部品ファミリを保持するように、（アクチュエータの負荷経路の一部である）バネの大きさを決定しなければならないことが理解できるであろう。また、機械的クランプ方法もスイッチ構造の残りの部品が付加される前の半組立品の試験を可能にし、もしスイッチ構造の他の部品が最終組立の後に壊れたら、半組立品または層を再使用する。
【００８１】
図１３Ｄを参照すると、図１３Ｄは図１３Ａのスイッチ構造１３０の組立分解図を、組立プロセスを詳しく図示するために示す。図１３Ａを参照して記載された層に加えて、ファイバ２２のためのスルーホール、ならびに相互接続のためのソルダバンプおよび導電経路を有するプリント基板１３０３が示される。また、スイッチ構造１３０の中のファイバをファイバコレット７２（図７参照）から離れた端部に置いて保持し、予圧をファイバに提供するためのファイバボンディング／クランプ層も図示される。これは、図１３Ｅに示される。
【００８２】
図１３Ｅに示されるように、ファイバボンディング／クランプ層１３０２は、（コア、クラッド、および保護コーティングを含む）被覆されたファイバ２２を収容する内径を有するステンレススチール毛管（１３０１）を受け入れるのに適した凹部を有する。次に、（背面反射を減少させるために斜めに切断されたチップの付近約３０ｍｍに沿ってコーティングが除去された）ファイバが、大体の位置に到達するまで管を通して送られる。それにより、ファイバは伸張した長さにわたって真っ直ぐ正しい位置に保持され、たるみを防止する。正しい位置にあるレンズ、および照準調整（以下参照）のための任意のウェッジを用いて、組立が固定具（図示されない）で行われ、ファイバの自由端（チップ）から放出された光ビームが平行になるまで、各ファイバはｚ軸の対応するレンズに対して能動的かつ個々に位置合わせされる。いったん所望する位置合わせが達成されたら、ファイバは小さな距離（例えば、５μｍ）だけレンズに向かって移動させられ、ＵＶ硬化エポキシによりファイバ保持器７２，８２の中の正しい位置に固定される。
【００８３】
ファイバをスイッチ構造１３０の中で真っ直ぐに維持するために、ファイバを底面層１３０２からレンズと逆の方向に上記小さな距離（例えば、５μｍ）だけ引っ込めることにより、ファイバは予圧を加えられる。次に、予圧を加えられたファイバ２２は、例えば、ＵＶ−硬化エポキシを加えることによりファイバ毛管１３０１の中の正しい位置に固定される。
【００８４】
個々の窓を付けられたパッケージが、ビームが１つの組立品１３０、または組立品１３０'の配列から窓（およびこれら窓の間に散在する任意の透明媒体または光学素子（例えば、レンズ、またはミラー））を通して通過することを可能にするように、組立品１３０は個々に、またはタイル型配列で、窓を付けられた密閉パッケージの内部に任意に配置できる。図１３Ｆに示されるように、送信要素と受信要素の両方、およびスイッチ構造は、単一の密閉されたパッケージの内部に交互に配置されることができる。もし動作温度範囲にわたる安定性が必要なら、温度制御はパッケージの内部でヒータまたはペルティエ熱電対を使用して提供できる。密閉導線貫通接続、および（例えば、コバールで作られた）継ぎ目封止フタを有する密閉ヘッダは、不活性乾燥雰囲気の中の自由空間光路を囲むために使用できる。これは粒子を遮断し、光学面への凝縮を防止し、パッケージ内部のむき出しのファイバ湾曲の信頼性に寄与し、圧電材料に対する雰囲気を制御する。
【００８５】
図１３Ｂは、図１３Ａに示されるスイッチ構造の個々のユニットセルを示す。図１３Ｂに示される実施例では、ファイバ２２はレンズに対して移動し、それに対して図１３Ａでは、ファイバとレンズがユニットを形成することを銘記する。しかし、上記のように図２−図６を参照すると、図示された実施例は典型的なだけであり、移動するレンズ／ファイバの複数の変形は別々に、または一緒に実施できる。複数のセルの形状をしたこれら個々のセルまたは半組立品は、多くのポート数を有する大きなスイッチ機構に組み立てることができる。図１３Ａの層／半組立品に対応する個々のユニットセルの種々の層／要素は、同じ番号で参照される。
【００８６】
上記の動作変圧器を有するビーム配向組立品は、個々のユニット（例えば、図１３Ｂに示されたユニット）から、または組立品（例えば、図１３Ａに示される９ユニット組立品１３０）から組み立てることができる。受信ユニットの送信複数の大きさの組立品が種々の２次元パターンで配置でき、それらは一緒に傾斜して、より大きな組立品を形成する。この方法で、より小さく不完全なサブユニットが（例えば、６４要素の）大きなユニットの中で容易に交換でき、それにより光学スイッチの全体的なコストを減少させる。
【００８７】
各ファイバ／レンズ組立品は、光学エミッタ−レシーバカップリング効率を最適化するために、注意深く平行にする必要がある。このことは、素子の波面を観察すること、およびビーム平行が最適化されたときにソルダまたはエポキシ（例えば、ＵＶ−硬化エポキシ）を用いて傾斜可能なファイバ保持器（例えば、図８の８２）の中の正しい位置にファイバを固定することにより行われる。このことは、スイッチ構造の組立の後に外部固定具の中で、手動で、または（ファイバ軸（ｚ軸）に沿って、ならびにｘ−およびｙ−並進運動方向に移動させて、ビームの配向の平行に影響を及ぼすことができる）追加のアクチュエータを用いて行われる。例えば、ｚ軸位置決めは、図１３Ｅの要素１３０１，１３０２の間で駆動する圧電アクチュエータにより行われる。
【００８８】
図１を参照すると、図１４のスイッチ構造１４０を取り込んだ光学スイッチ１０が組み立てられた後、エミッタ機構１１ａ上の各エミッタ１２，１４からのビーム軌跡は、レシーバ機構１１ｂ上の中心レシーバ１８を指すのが好ましい。この方法で、エミッタ機構１１ａの中の位置と独立なファイバの最大偏向角は、レシーバ機構１１ｂに対する立体角γの多くとも半分である。
【００８９】
好都合なことに、全てのエミッタ要素は配列の中の最終的な位置とは無関係に同一のやり方で製造されるので、要素の「光学的」静止位置、即ち、放出されたビームの照準方向は、追加の光学素子（例えば、プリズム）をエミッタのコリメーティングレンズの前に組立の後で配置することにより調節するのが好ましい。受動（駆動されない）ビームがレシーバ配列の中心を向くように、個々のエミッタが機械的かつ交互に位置合わせされる。図１４に示されるように、ビームは、静止コリメーティングレンズ２４の後ろのエミッタ機構１１ａに配置された傾斜可能なファイバ保持器５２により放出される。プリズム１４２がビーム経路になければ、平行ビームはレシーバ機構１１ｂに配置された対応する向かいのレンズ２４に影響を及ぼし、レシーバ５２により受信される。他方では、プリズム１４２は、同じ平行ビームをレシーバ機構１１ｂの中心に実質的に配置されたレンズ２４'に向ける。プリズムは、中心要素２４'からの対応する機構１１ａ，１１ｂ上のエミッタ／レシーバの間の水平方向間隔に基づいて選択できる。プリズムは個々のプリズム要素、または単一の要素でよく、フレネルレンズに類似し、コリメータ／レンズ組立品１３６（図１３）の全面に適用できる。
【００９０】
スイッチ１０（図１）の全体的なサイズは、実装密度、およびスイッチ機構１１ａ，１１ｂ上のビームステアリング素子からの利用可能な固定走査角により決定される。素子の物理的長さは、固定ミラーを用いて光路を保持することにより短縮できる。入力／出力ポートは同じ配列上にあるか、または異なる配列上にある。加えて、保持ミラーは湾曲されて照準調整を取り入れ、それにより図１４に示される追加のプリズム１４２，１４４に対する必要性を除去し、および／またはスイッチ構造の周辺付近に配置されたビームステアリング要素の必要な傾斜角を減少させる。
【００９１】
スイッチ構造１０，１４０が組み立てられるとき、各ビームステアリング要素は初期照準誤差を有することを合理的に期待できる。さらに、初期照準誤差の補正後、ビーム軌跡は、時間が経過したら（および、オペレーションの間に）変化する。従って、信頼性の高い、および、好ましくは単純な較正プロセスを、スイッチングシステムに取り入れることが好ましい。この較正プロセスは、組立の直後に、およびオペレーションの間の必要なインターバルの間に使用されるオフライン設定により、またはシステム自体に組み込まれた不変のオンボード設定により行われる。
【００９２】
製造公差に加えて、圧電アクチュエータの性能のバリエーション、およびアクチュエータのヒステリシスまたは非線形応答を考慮する必要がある。アクチュエータは電圧または電流駆動により駆動され、再現性を向上させる。
【００９３】
図１５を参照すると、システム１５０が、例えば、位置センサ配列またはカメラ１５２を使用して、初期製造後形状の間に較正できる。レーザーピームは光ファイバの内部に注入され、機構１１ａから放出される平行ビームになる。ビームの一部は部分反射ミラー、立方体ビームスプリッタ、またはペリクル１５４により反射され、カメラまたはセンサ配列１５２により受信される。ビームステアリング素子は平行ビームをサーチパターンで移動させ、一方、スイッチ機構１１ｂに取り付けられたターゲットファイバの中の光出力をモニタする。各ターゲットファイバにより受信される最大電力に対応するカメラまたはセンサ配列１５２上のビーム位置は、ルックアップテーブルに記録される。工程は、送信ファイバと受信ファイバの組み合わせ毎に繰り返される。次に、各ビーム配向素子は動かされ、ビームを所望するターゲットポートへ位置センサ配列１５２からのフィードバック計測値により配向する。また、変化を完了させるために必要な充電も、送信ポートと受信ポートの組み合わせ毎にルックアップテーブルに記録される。較正プロセスの完了後、ビームスプリッタ１５４と位置センサ１５２を除去できる。次に、ルックアップテーブルに記録された充電データはオペレーションの間に使用され、ビームステアリング要素を新しいターゲットに移動させる。
【００９４】
図１６を参照すると、ポートを切り替える時とオペレーションの間に、エミッタ１４からレシーバ１６へ伝達される電力をモニタすることにより、ビーム１５の照準と位置合わせは能動的に制御できる。この目的のために、光学タップ結合器１６８が、レシーバ側の、またはトランスミッタ側の、または両側の光ファイバラインに設置される。これらのタップを通して、レシーバまたは差動光出力交差スイッチにおける光出力がセンサ１６６によりモニタでき、電力を最適化するために補正信号がアクチュエータに加えられる。或いは、通信信号を測定するよりも、（干渉を減少させるために通信信号とは異なる波長の）基準レーザーまたはＬＥＤ光１６２がファイバとタップ結合器１６４を通して結合でき、センサ１６６により再度測定される。異なる波長が素子の入力側と結合するとき、出力結合器（タップ結合器）１６８は波長選択できる。スイッチを能動的に配列して最適化するために提案された方法は、追加の部品（例えば、光学的四分円検出器、または移動要素に設置された容量センサ）を必要としないか依存しないが、これは容量センサ、または圧電抵抗センサを使用して追加的に行うことができる。
【００９５】
光学的四分円検出器、容量センサ、または圧電抵抗センサを用いて、各ビームをターゲットに誘導する制御ループを実施することは相当に単純明快である。しかし、光出力信号だけに基づいて制御ループを設計するために特別な技術が必要である。何故ならば、光出力信号は、アクチュエータへの信号を調節するための方向情報、従って、送信要素または受信要素（レンズおよび／またはファイバ）の照準方向を含まないからである。従って、一般的なＭｘＮ形状に対して光リンクを通じて最大光出力結合を達成するように、制御システムは、送信および受信素子の両方を移動させるために方向を確認できなければならない。１ｘＮ形状に対しては、エミッタだけが能動的に制御される必要があり、一方、レシーバは任意で受動的に位置合わせできる。
【００９６】
図１７は、エミッタおよび／またはレシーバビームステアリング要素の傾斜角の関数として検出器１６に受信された、エミッタ１４からの光の輝度の３次元プロットである。図１７に示されるように、ファイバが最適に配置されるときに輝度は最大であり、ｘ軸およびｙ軸方向へのファイバチップの位置合わせ不良に対して低下する。小さな高周波数変調信号（ディザ）がｘ信号とｙ信号の１つまたは両方に重畳され、各アクチュエータへ行く変調信号が適切に整相されるとき、関節のあるエミッタおよび／または検出器要素（レンズおよび／またはファイバ）に関連するビーム軌跡は小軌道１７２を通常の位置の周りでトレースし、受信した光出力信号の小さな変調をもたらす。最適位置は、最大電力点に関して実質的に対称である軌道１７４に対応する。より複雑な軌道が、種々のアクチュエータに加えられる電圧信号の間に異なる位相関係を有するディザ波形を使用することにより、生成できる。従って、異なる位相信号、はｘ方向とｙ方向を分離するのに使用できる。出力および入力変調信号の適切な畳み込みとフィルタリングは、光出力勾配情報を得るために使用できる（電力は、送信および受信素子の各アクチュエータの小さな乱れと関連して変化する）。次に、勾配情報は、アクチュエータのループを閉じて、所望する光出力レベルを達成するために使用される。送信素子および受信素子は、２つの異なる周波数、または異なるディザ波形を用いて電力信号で変調され、適切にろ波されて送信および受信ビームステアリング要素の両方に対する勾配情報を同時に抽出する。
【００９７】
スイッチ内部でのビーム照準（送信ポートと受信ポートのわずかに制御された位置合わせ不良による）の故意の離調は、可変光減衰器（ＶＯＡ）機能に対する光挿入損制御可能な量を導入するために使用できる。この特徴は、独立した単独のＶＯＡ、またはＶＯＡのコンパクトな多重チャンネル平行配列を実施するために使用できる。また、減衰器も、スイッチ行列に加えて別のＶＯＡを必要とすることなく、光ネットワークで電力をバランスさせるスイッチングオペレーションと関連して使用できる。この機能性は、アクチュエータの変調の振幅を増加させることにより達成できる。次に、ビームは、最適位置の周りにより大きな直径を有する軌道をトレースする。軌道の直径が増加するにつれて、システムの光挿入損が増加し、従って、ＶＯＡ機能性を提供する。
【００９８】
電力が最大化される向きは、光信号の波長に僅かに依存して変化する。この変化は、波長への光学素子の特性の依存によりもたらされる。従って、通信信号とは異なる波長の任意の基準レーザーまたはＬＥＤ源１６２がループを閉じるために使用される場合に、追加の補償が必要になる。加えて、所定の輝度振幅に対するサーボ変調信号が、多様な制御技術を使用して行われる。
【００９９】
図１８は、光出力輪郭１８０を異なる２つの波長におけるビーム照準角度の配向の機能として示す。実線１８２は、波長λ1（例えば、レーザーまたはＬＥＤ源１７２により放出された基準信号の波長）に対応する。点線１８４は、電力が最大化された（または、任意に減衰された）光通信信号の波長に対応する波長λ2に対応する。較正プロセスの間、λ1とλ2ビームの両方の光出力が測定され、別々の電力センサを必要とする。一般的な点Ａでは、どの波長もピーク電力にはない。点Ｂでは、光通信信号λ2がピーク電力であり、一方、点Ｃでは基準信号λ1がピーク電力である。従って、上記の変調技術を使用して、位置に対する電力信号の勾配がどちらか一方の波長に対して分かる。次に、λ2電力の勾配に基づき、素子が点Ｂに定着するまで制御ループが閉じられる。次に、λ1信号の挿入損失と勾配ベクトルが、較正テーブルに記録される。この較正プロセスは、スイッチの中の各ビームステアリング素子に対して繰り返される。オペレーションの間、次に光学素子の配向が、基準信号λ1の強度と勾配を較正テーブルに記憶された値までサーボ制御することにより制御される。
【０１００】
詳細に記載されたアクチュエータは、オペレーションの幾つかのモード、および動作の方向を可能にすることを銘記する。一般に、アクチュエータは一致して、または対立して運転できる。同期して動くので、アクチュエータは純粋な並進運動をアクチュエータ動作軸（ファイバ軸、および上記実施例の光学軸）に沿ってもたらす。例えば、外部キャビティレーザー、垂直キャビティ面放出レーザー（ＶＣＳＥＬ）、および／または自由空間の中で、または導波管としての何れかで実施されるファブリ−ペロ調整可能フィルタは、これらのタイプの増幅された圧電アクチュエータを使用して波長を調節できる。傾斜および軸方向位置を調節する機能は、伝達またはレーザーキャビティ位置合わせを最適化するフィルタまたはレーザーのためのキャビティ位置合わせの細かい制御を可能にする。この同じ線形動作は、長さ、遅延、または位相制御のためにファイバを引っ張る光ファイバに結合されるとき、または光学的波長通過帯域および／または分散特性を調節するためにファイバを引っ張るブラッグ格子を含むファイバのために使用できる。また、複屈折ファイバも、偏向モード制御のために操作できる。
【０１０１】
ファイバの長さを変化させること、または別の方法でファイバを変形させること、それにより光学伝達特性を制御すること（例えば、フィルタ波長チューニング）、ファイバが適用されたブラッグ格子を有する場合に対して可能な動作機構が、図１９Ａ−図１９Ｂに示される。図１９Ａは、軸に沿って伸張／収縮する圧電アクチュエータ１９１０が、ファイバ１９３０が取り付けられる可動シリコン微細加工フェルール１９２０に作用する特定の実施例を示す。可動フェルールは、ファイバ孔が形成されるウェハの厚い部分から成り、前記厚い部分は、フェルール並進運動に対してはコプライアントであるが、内部圧力負荷に対しては堅いように設計された不浸透性膜を介して柔軟に取り付けられる。圧電アクチュエータの変形／動作がファイバの変形（例えば、固定端と可動端の間の伸張）をもたらすように、ファイバとアクチュエータのどちらもベースに取り付けられる。他の実施例（図示されない）では、圧電伸張がファイバの大きな（増幅された）伸張をもたらすように、以前に示された動作変換半組立品が、圧電アクチュエータと可動シリコンフェルール（および、取り付けられたファイバ）の間に点在してもよい。図１９Ｂは、流体動作増幅器を使用する他の実施例を示し、圧電アクチュエータのストロークが流体貯蔵器を介して通じている２つのピストンの表面積の比により増幅される。ファイバは可動ピストン／フェルールの上面、および図１９Ｂの構造の底面に固定され、ファイバ上の格子はそれらの間に配置される。圧電アクチュエータが、流体チャンバを予圧する流体貯蔵器を圧縮すると、流体圧力が可動ファイバピストンに作用してファイバの伸張をもたらす。圧電駆動ピストンとファイバピストンの領域を変化させることにより、増幅された伸張が達成される。また、この構造も、ＭＥＭＳ技術を使用して微細加工される。また、これらのタイプの要素も可変経路長要素として、波長調整可能フィルタとして、またはより複雑なサブシステム（例えば、波長付加／削減マルチプレクサ）として利用できる。
【０１０２】
また、迅速なチューニングも、光出力および他の信号特性が順番に幾つかの波長で標本抽出される走査型光学性能モニタ、またはチューナブルレーザーの波長を安定させるために使用される波長ロッカー方式との使用に有利である。
【０１０３】
図２０Ａ−図２０Ｂに示されるように、これらアクチュエータはプレーナ導波管回路との統合に向いており、プレーナ導波管回路はそれ自体が積層され、場合によっては、微細加工技術を介して製造される。例えば、アクチュエータ２０１０は、応力または変形を光学導波管に加えるために使用されるか、または別の方法で光学導波管を変形して機械的複屈折を引き起こし、光弾性効果により引き起こされる屈折率変調を通して光路長または光伝搬特性を変化させる。このタイプの屈折率／長さ変調は図２０Ａに示されるマッハ−ツェンダー干渉計と一緒に使用でき、ポート間の光学出力を切り替えること、または光学信号を同調、減衰、もしくは変調することができる光学的位相シフトを作り出す。図２０Ａに示される特定の実施例では、圧電アクチュエータは、封止され充填された微細加工工程を介して形成された流体チャンバを予圧するために働く。圧電アクチュエータは、封止された可動ピストンの強制移動を介して働く。次に、予圧された流体は、プレーナ導波管要素が組み込まれた基板の薄くされた部分を変形するために働く。この場合、これはマッハ−ツェンダー干渉計の１つの脚部である。膜が伸びて外側へ曲がるにつれて、導波管も同様に伸び、干渉計の変形されていない脚部における信号との選択的干渉を引き起こす約１８０°の制御可能な位相遅延を引き起こすのに十分な干渉計の脚部における経路長変化を引き起こす。特定の実施例では、直径０．５−１ｍｍの円形領域全体を導波管に沿って厚さ＜１０μｍのオーダーまで、プレーナ導波管のためのシリコン基板は薄くされ（エッチングされ）る。０．５−２ＭＰＡのオーダーのチャンバの中の圧力は、シリコンの中に生じた応力による膜および導波管の（１ＧＰＡより小さいオーダーの）反り、および変形された導波管における（５００−１０００ｎｍのオーダーの）光路長変化を引き起こす。
【０１０４】
図２０Ｂに示される他の実施例では、導波管の必要な変形は、（以前に記載したタイプで、圧電アクチュエータの動作が、薄くされた基板（膜）と固定されたプレーナ導波管要素２０７０の変形を引き起こす動作変圧器を通して作用するように配置された）機械的動作変圧器層２０５０により引き起こされる。
【０１０５】
最後に、ビームステアリングと調整可能ビームオフセットは、伝達型平行プレートおよび／またはミラーを傾斜させることにより調節できる。もう１つのビームステアリングアプローチでは、入力ビームまたは他のレンズの何れかに対して、レンズは光軸に垂直に並進運動させられる。アクチュエータ層の平面内のそのような並進運動は、ここで記載したタイプの配列の複数のアクチュエータを結合させるリンクを通して達成される。これらのリンクは、以前に記載された層に結合される追加の微細加工された層の中で組み立てられる。
【０１０６】
本発明を好ましい実施例に関連付けて開示し、詳細に記載したが、種々の変形および改良が当業者には容易に明らかになるであろう。例えば、ここに記載されたエミッタおよびレシーバは光ファイバに限定されず、他の光学導波管および他のエミッタ（例えば、レーザー、ＬＥＤ、および従来の検出器）を含む。動作機構と光学系に関連付けて記載された材料は単なる例示であり、当業者は本発明に適した他の材料（例えば、形状記憶合金、電気的に能動なポリマ、または電気的もしくは磁気的に活性化される他の材料）を識別して使用できる。従って、本発明の範囲は請求項によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】全光学スイッチ構造の斜視図である。
【図２】ビーム傾斜のために回転するファイバ／レンズ組立品である。
【図３】静止ファイバに対してレンズを移動させることによりビーム傾斜を行うファイバ／レンズ組立品である。
【図４】静止レンズに対してファイバを移動させることによりビーム傾斜を行うファイバ／レンズ組立品である。
【図５】静止レンズに対してファイバを回転させることによりビーム傾斜を行うファイバ／レンズ組立品である。
【図６】図５のファイバ／レンズ組立品を使用する動作変圧器の実施例である。
【図７Ａ】静止位置にある図６の動作変圧器のための典型的なユニット式レバーアームの第１の実施例の斜視図である。
【図７Ｂ】作動位置にある図７Ａのレバーアームの斜視図である。
【図７Ｃ】静止位置にある図６の動作変圧器のための典型的なユニット式レバーアームの第２の実施例の斜視図である。
【図７Ｄ】作動位置にある図７Ｃのレバーアームの斜視図である。
【図７Ｅ】静止位置にある図６の動作変圧器のための典型的なユニット式レバーアームの第３の実施例の斜視図である。
【図７Ｆ】作動位置にある図７Ｅのレバーアームの斜視図である。
【図７Ｇ】動作変圧器のための典型的なユニット式レバーアームの第３の実施例の斜視図である。
【図７Ｈ】図７Ｃのレバーアームの底面図である。
【図８】２重膜湾曲部と図５のファイバ／レンズ組立品を使用する動作変圧器の他の実施例の断面図である。
【図９】図８の線ＩＸ−ＩＸに沿った、動作変圧器の断面図である。
【図１０】作動状態にある図８の動作変圧器である。
【図１１】図８−図１０に示される動作変圧器の結合された２重膜湾曲部を製造する工程である。
【図１１Ａ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１１Ｂ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１１Ｃ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１１Ｄ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１１Ｅ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１１Ｆ】ユニット式レバーアームを含む動作変圧器の層を製造する工程である。
【図１２】図７−図１０の実施例に対して有用な典型的な圧電アクチュエータ形状である。
【図１３Ａ】図１の光学スイッチ構造を形成する典型的な半組立品の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図１３Ｂ】個々のユニットセルの斜視図（ａ）と断面図（ｂ）であり、他のユニットセルと一緒に図１３Ａの光学スイッチ構造を形成できる。
【図１３Ｃ】図１３Ａの合わせ層、増幅層、およびレンズ取付層の積み重ねられた組立品の断面図である。
【図１３Ｄ】種々の部品と半組立品を示す図１のスイッチ構造の組立分解図である。
【図１３Ｅ】ボンディングおよび配線板、ならびにファイバ取付のための毛管を有する図１３Ａの半組立品の断面図である。
【図１３Ｆ】密閉されたパッケージである。
【図１４】光学エミッタとレシーバの軸方向オフセットを修正するための光学素子である。
【図１５】スイッチング素子の初期較正のための仕組みである。
【図１６】ファイバタップ結合器を使用する能動較正および制御フィードバックのための仕組みである。
【図１７】能動ビームアラインメントのためのエミッタ／レシーバの方向性変調である。
【図１８】光出力制御とビームアラインメントのための異なる２つの波長における光出力輪郭である。
【図１９Ａ】あり得る経路長変化、光位相遅れ、および調整可能なフィルタ用途のためにファイバ延長を変化させる可動ＭＥＭＳフェルール組立品に直接作用する圧電アクチュエータである。
【図１９Ｂ】微細加工されたピストン、および流体動作増幅器から成るＭＥＭＳ動作変圧素子によりファイバを変形（延長）させるように作用する圧電アクチュエータである。
【図２０Ａ】基板上のプレーナ導波管内に形成されて、流体動作増幅器を有するマッハ・ツェンダー干渉計である。
【図２０Ｂ】基板上のプレーナ導波管内に形成されて、機械的動作変圧器の半組立品により前記導波管に圧電動作を作用させるマッハ・ツェンダー干渉計である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０      光学スイッチ
１１ａ，１１ｂ      機構
１２，１４      エミッタ
１５      ビーム
１６      検出器
１７      ビーム経路
１８      レシーバ
２０，３０，４０，５０      ファイバ／レンズ組立品
２４      コリメータレンズ
２４’    レンズ
２５      ファイバチップ
５２      レシーバ
５３      回転軸
５６      取付点
６０      動作変圧器
６１      支持構造
６３，６４      レバー
７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ      レバーアーム構造
７２，８２      ファイバ保持器
７３，７４，７５      レバーアーム
７６      プッシュポイント
７６’      取付点
７６ａ，７６ｂ      プッシュポイント
７８      支持構造
８０      動作変圧器機構
８１      底面
８３      側壁
８６      矢印
９３      回転軸
９４      取付点
１１０１    素子面
１１０１’  底面ハンドル
１１０３    ファイバ孔
１１０４    Ｓｉ素子層
１１０５，１１１５      凹部
１１１７    環状部
１１３２，１１３２'，１１３４，１１３４'      メタライゼーション層
１２１０    圧電スタック
１２１２，１２１４      電極
１２２０    圧電管
１２２２    内部電極
１２３０    管
１２４０    圧電ベンダ
１２４８    支持構造
１３０      機構
１３０’    組立品
１３０１    ファイバ毛管
１３０２    ファイバボンディング／クランプ層
１３０３    プリント基板
１３１０    層
１３２      アクチュエータ半組立品
１３２４    増幅層
１３２５    合わせ層
１３２６    層
１３３０    スペーサ層
１３４      レバーアーム層
１３５０    部分
１４２，１４４      プリズム
１５０      システム
１５２      センサ配列
１５４      ビームスプリッタ
１６２      ＬＥＤ源
１６４      タップ結合器
１６６      センサ
１７２      ＬＥＤ源
１８２      実線
１９１０    圧電アクチュエータ
１９２０    可動シリコン微細加工フェルール
２０７０    プレーナ導波管要素
７７１，７７２，７７３      湾曲部
７８０，７８２，７８４      湾曲部
８１２      底面ＭＥＭＳ層
８１４      上面層
８１６，８１７      結合部
８２０，８２２      薄い環状膜
８２４      リング
８２６      固定部分
９１８ａ    湾曲部
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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