(57)【要約】ミラー素子（１）、及び薄膜圧電体（３）、電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）、弾性体５よりなる圧電素子（２）が基板（７）上に構成され、電極に電圧を印加することにより薄膜圧電体がたわみ変形し、ミラー素子を駆動する。圧電素子はその長手方向（８）に平行に複数配置され、この長手方向と直交した方向にトーションバネ（６）を設け、ミラー素子を基板に連結して保持する。さらに、ミラー素子は圧電素子とはひずみ吸収部（１０）で連結する。このような構成により、トーションバネを回転軸（９）としてミラー素子がこの回転軸まわりに傾斜される。
2003062899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチ。
【請求項２】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
上記アクチュエータは、長手方向（８）を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネ（６）により上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向（８）を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部に上記長手方向沿いのひずみ吸収部（１０）を配置する請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項５】
上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】
上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項７】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項８】
上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部（４９）を構成する請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項９】
上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
上記アクチュエータは、上記ミラー素子を並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置（１４）を有する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写することにより圧電素子を製造する光スイッチの製造方法。
【請求項１３】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体を基板に直接製膜することによりより圧電素子が製造される光スイッチの製造方法。
【請求項１４】
上記薄膜圧電体が製膜される基板が、シリコンオンインシュレータ基板である請求項１３に記載の光スイッチの製造方法。
【請求項１５】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチを用いた情報伝送装置であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置。
【請求項１６】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える請求項１５に記載の情報伝送装置。
【請求項１７】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える請求項１５に記載の情報伝送装置。
【請求項１８】
上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される請求項１６又は１７に記載の情報伝送装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置に関し、特に、ミラー素子を駆動するアクチュエータを備えた光スイッチ及びそれを用いた情報伝送装置に関する。
背景技術
近年、光を用いた情報伝達装置は、波長分割多重などの伝送高速化技術の発達とともに、インターネットのブロードバンド化を実現し、高速大容量の情報通信を可能とするための基幹装置となっている。
さらに、光通信網を効率良く接続するため、光信号レベルでの交換機の機能や光アッテネータ機能を持つ各種の光スイッチが不可欠な装置となっている。
これまで、光通信網は特に基幹系を中心に発達してきたが、これから、さらに、地方都市、地域住宅地単位での、より家庭に近い末端においても益々この光スイッチは必要となってくる。
このように、光通信網で光スイッチをさらに広く普及させるには、−６０ｄＢ程度の挿入損失やスイッチング時間等の基本性能を確保するとともに、従来に増して簡便な構成で安価に製造できる光スイッチが望まれる。
光スイッチの従来例として、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ１６５〜ｐ１７０）」には、入力信号の光ファイバーを電磁駆動にて出力信号の光ファイバーに切り替える光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチでは、光ファイバー自体の比較的大きな質量を駆動する必要があり、切り替え時間の短縮に限界があると共に、電磁駆動のための大電流を要する、という欠点がある。
同じく、光スイッチの従来例として、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ２３８〜ｐ２４２）」には、導波路の一部をオイルで満たし、このオイルを移動させたり、あるいは加熱によりバブルを発生させることにより、光路を切り替える型の光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチは、反射界面の反射率を反射界面のオイルの有無により制御することに伴い、相対的に挿入損失が大きいという欠点がある。
さらに、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ２３３〜ｐ２３７）」には、静電駆動型のミラーによって光路を切り替える型の光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチは、静電駆動のため一般的に高電圧を要し、また、大きい駆動力を得るためにミクロン単位の静電ギャップが必要なため、その製造に高度の微細加工を要するという欠点がある。
なお、既報の光スイッチの従来技術文献には、本発明に係わる「薄膜圧電体によって圧電駆動する光スイッチ」は開示されていない。
前述したごとく、光スイッチをさらに広く普及させるには、挿入損失やスイッチング時間等の基本性能を確保するとともに、駆動電力も減少させることができ、かつ、簡便な構成で安価に製造できる光スイッチを実現することが重要な課題である。また、多数の光伝送路をコンパクトな構成で切り替えることも必要である。
そこで、特開２０００−３３９７２５号公報では、図１０に示すように、基板１２１上に、シリコン板の中央部に正多角形の微少ミラー１２２を配置し、そのミラー１２２の各辺に沿って片持ちばり１２３を配置し、その片持ちばり１２３の一端を固定すると共に他端をミラー１２２の辺の一端に取り付ける一方、片持ちばり１２３の表面又は内部に圧電部材を片持ちばり１２３の長手方向に形成させ、全ての圧電部材へ同一の電圧を印加することによって片持ちばり１２３の先端部が曲がるのを利用してミラー１２２を並進移動させるようにしたものが開示されている。なお、１２４は圧電物質である。
また、特開２００１−０３３７１３号公報では、図１１に示すように、光源から発生した光を光に対して基板１０１上で４５度傾斜していて、その４５度の方向並進移動するミラー１０６によって反射させ、そのミラー１０６の並進移動はミラー１０６を正方形の支持体１０４に載せ、その支持体１０４の各辺に片持ちばり１０３をその先端部で支持体１０４を支えるように配置し、片持ちばり１０３の表面に１０５圧電体を配置して、圧電体１０５への電圧の印加によって圧電体１０５を変位させ、ひいては片持ちばり１０３を変位させてミラー１０６を並進移動させるものが開示されている。
しかしながら、上記２件のいずれの公報でも、ミラー１０５，１２２の周囲の４個の片持ちばり１０３，１２３にそれぞれたわみ力が発生し、これらの４個のたわみ力のバランスを取ってミラー１０５，１２２を並進移動させることが困難であり、並進移動制御が不安定なものとなりやすく、また、４個の片持ちばり１０３，１２３が点対称に配置されているため４個のたわみ力のバランスが崩れるとすぐに回転力が発生してしまう可能性もある。これを極力防止するためには、ミラー１０６，１２２の中心から数μの範囲内に光を入射させる必要があり、ミラー１０６，１２２の実質的に使用可能な面積が微小であるといった課題もあった。
本発明の目的は、上記課題に鑑み、高速大容量化に伴う光通信網の拡大に対応して、高速、高精度光切り替え可能かつ低電圧低電力駆動で可能とすると共に、装置自体がコンパクトで、製造の容易さを含めて、実用レベルの具体的構成を備えて、切り替え制御が安定して行なえ、かつ、実質的に使用可能な面積が大きい、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
本発明の第１態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを提供する。
本発明の第２態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第３態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネにより上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる第２の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第４態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部に上記長手方向沿いのひずみ吸収部を配置する第２の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第５態様によれば、上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第６態様によれば、上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第７態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第８態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部を構成する第７の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第９態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する第２又は７の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第１０態様によれば、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置を有する第２又は７の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第１１態様によれば、上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する第２又は７の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第１２態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写することにより圧電素子を製造する光スイッチの製造方法を提供する。
本発明の第１３態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体を基板に直接製膜することによりより圧電素子が製造される光スイッチの製造方法を提供する。
本発明の第１４態様によれば、上記薄膜圧電体が製膜される基板が、シリコンオンインシュレータ基板である第１３の態様に記載の光スイッチの製造方法を提供する。
本発明の第１５態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチを用いた情報伝送装置であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置を提供する。
本発明の第１６態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える第１５の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
本発明の第１７態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える第１５の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
本発明の第１８態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される第１６又は１７の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
発明を実施するための最良の形態
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
（第１実施形態）
図１Ａは本発明の第１実施形態における光スイッチの斜視図、図１Ｂは本発明の第１実施形態の変形例における光スイッチの斜視図を示す。また、図２Ａは同じく本発明の上記第１実施形態における光スイッチの一部を表す断面図を示す。
基板７上には、ミラー素子１と、ミラー素子１の両側に回転軸９に対して線対称に配置された薄膜圧電体３と、各薄膜圧電体３の上面のミラー素子側に配置された第１上部電極４ａと、各薄膜圧電体３の上面の反ミラー素子側に第１上部電極４ａとは離れて配置された第２上部電極４ｂと、各薄膜圧電体３の下面に配置された下部電極４ｃと、下部電極４ｃの下面でかつ基板７上に配置された弾性体５とにより、圧電素子２がミラー素子１の両側に線対称に構成され、回路のスイッチ９１を閉じることにより電源９０からの電圧を第１及び第２上部電極４ａ，４ｂと下部電極４ｃとに印加することにより薄膜圧電体３がたわみ変形し、ミラー素子１を回転軸９周りに回転駆動する。圧電素子２は、隙間を空けて、図１Ａでは基板７言い換えれば圧電素子２の長手方向８に平行に一対配置され、この長手方向８と直交した方向にトーションバネ６を設け、トーションバネ６によりミラー素子１を基板７に連結して保持する。さらに、ミラー素子１は、各圧電素子２とはひずみ吸収部１０で連結する。
なお、圧電体３上に形成された第１上部電極４ａは、第２上部電極４ｂ側から見て、ミラー素子１に向けて圧電体３の変曲点近傍までの位置に配置することが好ましい。すなわち、変曲点を越えて電極を配置しても、たわみ動作が不安定になるなど、悪影響が生じる可能性があるためである。特に、従来の２件の公報では、変曲点を越えて電極を配置しているため、たわみ動作が不安定になりやすく、精度の良い駆動制御が困難なものとなっていた。
薄膜圧電体３には、２分割された上部電極４ａ及び４ｂと下部電極４ｃとが形成されており、薄膜圧電体３はその膜厚方向に分極されている。この理由は、仮に、従来の２件の公報のように、薄膜圧電体３上に上部電極として１つの電極で構成すると、ミラー素子側の部分と反ミラー素子側の部分とではたわみ方向が逆になる変曲点の位置を制御することができなくなり、たわみ動作が不安定なものとなってしまう。これに対して、第１上部電極４ａと第２上部電極４ｂとに分割し、かつ、電極４ｃを中間電位として電極４ａ及び４ｂに異なる電圧を印加することにより、電極４ａと電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じさせることができて、変曲点の位置を精度良く制御することができ、たわみ動作を安定なものとすることができるからである。この結果、傾斜方向が安定するため、高速、高精度光切り替え可能となり、応答性が良いものとなる。
また、ミラー素子１の平面度は、ミラー素子１に入射する光の波長λの（１／１００）λ〜（１／１０００）λとするのが好ましい。
このような構成により、トーションバネ６を回転軸９とし、圧電素子２により駆動され、ミラー素子１をこの回転軸９まわりに傾斜させるアクチュエータとなる。トーションバネ６によりミラー素子１の回転軸９を固定することにより、高精度で外乱に対して安定なミラー素子１の駆動ができる。
図２Ａの断面図において、この圧電素子２の駆動動作原理を述べる。
薄膜圧電体３には、２分割された上部電極４ａ及び４ｂと下部電極４ｃとが形成されており、薄膜圧電体３はその膜厚方向に分極されている。
薄膜圧電体３を挟んで対向した電極間（電極４ａ−電極４ｃ間、電極４ｂ−電極４ｃ間）に電圧を印加することにより、薄膜圧電体３の面内に圧電定数ｄ３１に応じたひずみが発生し、一方、弾性体５はこの電圧印加によりひずみを発生しないため、圧電体３、電極４ａ，４ｂ，４ｃ及び弾性体５よりなる圧電素子２にたわみ変形が生じる。
電極４ｃを中間電位として電極４ａ及び４ｂに異なる電圧を印加することにより、電極４ａと電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じる。この結果、ミラー素子１を保持するトーションバネ６を回転軸９としてミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
図２Ｂ〜図２Ｃは、電極４ａ及び４ｂへ逆層の電圧を印加する方法の説明図である。図２Ｂは、上部電極４ａ−下部電極４ｃ間に、交番電圧を印加する場合の電圧波形を示す。図２Ｃは、上部電極４ｂ−下部電極４ｃ間に、これとは逆位相の交番電圧を印加する場合の電圧波形を示す。この結果、上部電極４ａと上部電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じ、ミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
構造上、圧電素子２の固定端とトーションバネ６との距離は一定であるため、圧電素子２のこのようなたわみ変形に伴い、この圧電素子２の長手方向のひずみあるいは変位を拘束する傾向を生じ、ミラー素子１を効率良く傾斜させることに支障を生じる。この拘束を緩和する手段として、圧電素子２の長手方向の剛性を弱めた構造のひずみ吸収部１０を、圧電素子２とミラー素子１の間に設ける。このことにより、上記の多分割電極構成の効果と併せて、ミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
なお、図１Ａの第１実施形態では圧電素子２はその長手方向８に平行に２分割した構成としたが、これは圧電素子２のひずみに伴う湾曲が、その長手方向８だけでなく、その幅方向にも生じるため、この幅方向の湾曲が長手方向のたわみ変形を阻害することを避けるため、このような構成としている。圧電素子２の長手方向８の長さが幅方向の寸法より十分大きい場合には、図１Ｂに示すように、必ずしも２分割しなくてもよい。
すなわち、図１Ｂに示すように、圧電素子２は、その長手方向８沿いに１個配置されたものであってもよい。図１Ｂは、図１Ａに示した構造において溝１５を設けず、圧電素子２を分割しない簡便な構成としたものである。図１Ａの場合に比べて、図１Ｂの光スイッチでは、圧電素子２の長手方向８と直交する幅方向のたわみの影響で発生変位は減少するが、圧電素子２の剛性が大きくなるので、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れたものとすることができる。図１Ｃ〜図１Ｅは、ひずみ吸収部１０の異なる形態である種々の変形例を示した部分平面図である。図１Ｃは図１Ａに示したひずみ吸収部１０と同形状のもの、すなわち、ひずみ吸収部１０は英文字「Ｈ」の両側をそれぞれ大略Ｃ字状及び大略逆Ｃ字状に屈曲したものである。これに対して、図１Ｄは、ひずみ吸収部１０Ｄの圧電素子２へはひずみ吸収部１０の中央部のみで接続するように構成したものである。図１Ｄの場合、ひずみ吸収部１０Ｄの長手方向８の方向の剛性が図１Ｃに比べて大きくなるため、ミラー素子１の駆動角度は小さくなるが、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れる。さらに、図１Ｅは、ひずみ吸収部１０の別の構成例を示し、ひずみ吸収部１０Ｅをミラー素子１と圧電素子２の異なる端部に互いに連結するように構成したものである。例えば、図１Ｅにおいて、左側の圧電素子２の下端部とミラー素子１の上側の端部とを両端フック形状部で接続するとともに、ミラー素子１の下側の端部と右側の圧電素子２の上端部とを両端フック形状部で接続するように構成している。このような構造では、ひずみ吸収部１０Ｅの細い梁部を、圧電素子２の長手方向８と直交する方向に長くとれるので、比較的小さなスペースで長手方向８の方向の剛性を小さくすることができ、ミラー素子１の駆動角度を大きくすることができる。
電極４ａ，４ｂ，４ｃへの配線構造については図示していないが、２分割した上部電極の可動部に近い（すなわち、ミラー素子１に近い）第１上部電極４ａへの配線は、このひずみ吸収部１０，１０Ｄ，１０Ｅ及びトーションバネ６を通じて基板７の周辺に引き出す構造を採ることができる。
図３は、本発明の第１実施形態における光スイッチの光伝送路の切り替え原理を説明する断面図を示す。光伝送路１１ａを出射した光ビーム１２ａは、ミラー素子１のミラー面１ａに入射してミラー面１ａで反射される。圧電素子２により駆動されて回転傾斜したミラー面１ａが、図３のごとくの傾斜した位置にあるときには、この光ビーム１２ａは矢印１２ｂの方向にミラー面１ａで反射されて光伝送路１１ｂに入射される。ミラー面が逆の方向に回転傾斜した位置では光伝送路１１ｃに入射される。このように、圧電素子２によりミラー素子１の回転角を駆動制御することにより、入力光を、異なった光伝送路に出力することができる。光伝送路が屈折率傾斜型の光ファイバーの場合、入射光ビームは、ある程度コリメートされた状態で出力用光ファイバーに入射される。光スイッチの構成上、この到達距離を長くする必要がある場合には、図示していないが、必要に応じて光ファイバーの入出射端にコリメータレンズを設ける。
図４Ａ，図４Ｂは、本発明の第１実施形態における光スイッチの周波数応答特性の一例を表すグラフを示す。図４Ａ，図４Ｂは、図１Ａに示した構造の光アクチュエータについて解析計算した光スイッチの周波数特性を示すものである。圧電定数は、製膜した薄膜圧電体（ＰＺＴ製薄膜圧電体）で測定された圧電薄膜の圧電定数ｄ３１＝−１００×１０−１２ｍ／Ｖとし、薄膜圧電体の寸法は長さ２ｍｍ、幅０．８ｍｍ、厚み３μｍとし、電極長は可動端側４ａの長さを０．６ｍｍ、固定端側４ｂの長さを１．２ｍｍとした。弾性体５としてアルミニウム薄板を用い、その厚みを６μｍ、トーションバネ６及びひずみ吸収部１０も弾性体５と連続した構造とし、その厚みを６μｍ、幅を５０ｍμとした。基板７にはシリコン基板を用い、ミラー素子２をこの基板７の一部をエッチング加工により残した構造とし、その寸法を０．５ｍｍ角、厚み０．２ｍｍとし、全体寸法は長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．２ｍｍとした。
電極の剛性は他の部材に比べて十分小さいので、解析計算上は計算モデルから除き、有限要素法により計算したところ、±１５Ｖの電圧印加により、ミラー素子１を回転軸まわりに±２．９度傾斜できることがわかった。本実施形態のアクチュエータは、圧電体として製膜した数μｍ膜厚の薄膜圧電体を用いているため、印加電圧が低いにもかかわらず、圧電体内に生じる電界強度を大きくとることができ、低電圧で効率良く変位を発生させることができる。
なお、可動端側の電極４ａの長さＬａと固定端側の電極４ｂの長さＬｂの比は前述した計算例の場合の１：２程度の時に最も効率良くミラー素子１を傾斜できることが、このシミュレーション計算により明らかとなった。少なくとも可動端側４ａの電極の長さＬａより固定端側の電極４ｂの長さＬｂを大きくとることがよい。同様に、ひずみ吸収部１０がない構造では、計算されるミラー素子１の角度が大幅に小さいことから、このようなひずみ吸収部１０はミラー素子１を効率良く傾斜させる効果の大きいことが裏付けられた。
図４の上のグラフは、横軸を駆動周波数、縦軸をミラー素子の回転軸まわりの傾斜に伴うミラー素子端での変位を表したもの、下のグラフは同じく横軸を駆動周波数、縦軸に駆動周波に対する上記ミラー変位の位相を表したものである。主共振周波数は２．７ＫＨｚであり、これより低い周波数では位相ずれなく応答しており、このことから、この光スイッチの切り替え時間は少なくとも１ｍｓｅｃ以下の高速動作することがわかった。
次に、上記第１実施形態の光スイッチの製造方法について説明する。
第１実施形態の光スイッチの製造方法として、大きく２つの方法をとることができる。第１の方法は、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写する製造法である。図８Ａ〜図８Ｃにこの製造プロセスの工程をで説明した断面図を示す。図８Ａの基板３０上に電極４ａを蒸着、パターニングした後、基板３０の電極４ａ上に、圧電薄膜３を同じく蒸着、パターニングする。この製造法では、薄膜圧電体の圧電定数等の材料特性に有利な基板材料、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の製膜をスパッタ蒸着により行う場合、ＰＺＴのエピタキシャル成長にＭｇＯ基板を用いかつ下地層としてＰｔを用いると、優れた圧電特性を持つＰＺＴ膜を得ることができる。この場合、Ｐｔ下地層はそのまま電極４ａとなる。この薄膜圧電体を弾性体５として、例えばステンレスの薄板に接着性の転写層３１を介して転写し（図８Ｂ）、その後、この製膜基板を除去することで、上記構成の光スイッチを形成することができる（図８Ｃ）。
第２の方法は、薄膜圧電体を基板に直接製膜する製造法である。この場合、薄膜圧電体の良好な圧電特性を得るため、その下地の構成材料の選択に制約を受けるが、転写プロセスが不要な分、簡便な製造法となる。例えば、第１実施形態の図２Ａにおける断面図では、薄膜圧電体３が電極４ｃを介して弾性体５の上に構成されているが、この弾性体として上記計算解析で用いたアルミニウム上に特性の優れた圧電薄膜を形成することは、一般に難しい。直接製膜法をとる場合には、例えば基板のＳｉ上に下地バッファー層を形成した後、電極と薄膜圧電体層を製膜し、この後、弾性体層をその上に形成した上、圧電素子下部のＳｉ基板を除去する方法を採ることができる。この場合の光スイッチの断面構成は、必ずしも図２に記した構成とはならないことは勿論である。薄膜圧電体の製膜法としては、上記のスパッタ法以外にゾルゲル法を用いることもできる。
薄膜圧電体をＳｉ上に直接製膜する場合、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いると、このＳＯＩ基板を構成するシリコン薄膜を弾性体として残すことができるので好都合である。図９Ａ〜図９Ｃに、このシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスの説明図を示す。図９Ａにおいて、シリコンオンインシュレータ基板３２は、シリコン３３上にインシュレータ（シリコン酸化膜）３４を下地層としてその上に形成されたシリコン薄膜３５によりなる。このＳＯＩ基板３２を基板として用い、この上に電極４ｂとしてＰｔを蒸着した後、これを下地層としてこの上にＰＺＴを蒸着、パターニングし、薄膜圧電体３とする。次に、図９Ｂのようにシリコン３３およびインシュレータであるシリコン酸化膜３４をエッチング除去し、最に、図９Ｃに示すように電極４ａを蒸着、パターニングして圧電素子を形成する。
ここで、シリコン薄膜３５とシリコン薄膜の下地層であるシリコン酸化膜３４とのエッチング選択性を利用することにより、均一な厚みのシリコン薄膜層３５を残すことができるので、圧電素子のたわみ変形効率を稼ぐのに望ましい均一で低い曲げ剛性の弾性体層３５を形成することができる。
この弾性体としてＳＯＩ基板を構成するシリコン薄膜のみを残す例について述べたが、シリコン薄膜とシリコン酸化膜の両方を残すことも、もう一つの選択枝である。この場合、ドライエッチングの時間制御でこのような構成の圧電素子を形成することができる。さらに、製膜時のドーズガス雰囲気条件などのプロセス条件を変えることで、これらの薄膜に残留する内部応力を制御することができ、薄膜圧電体の内部応力とバランスをとることで圧電素子の形状精度を確保することができる。
（第２実施形態）
図５Ａは本発明の第２実施形態における光スイッチの斜視図を示す。この第２実施形態では、ミラー面１ｂを薄膜圧電体の構成面である基板面に対して図５Ａの法線方向に設けており、かつミラー素子１Ａを上記基板面の法線方向に駆動している。各構成要素のほとんどは第１実施形態の詳細説明として述べた図１Ａと同様であるので、共通する構成要素には同じ符号を付与している。圧電素子２を構成する薄膜圧電体３、電極４及び弾性体５は第１実施形態に準じた構成であるので、ここではその図示は省略している。電極４は、第１実施形態と同様に２つの上部電極４ａ，４ｂより構成されているが、ここでは簡略化のため１つの電極として図示しているが、実際には図１Ａのように構成されている。しかしながら、電極４は、簡略化のため同一曲率にたわむ部分にのみ構成してもよい。このように簡略化した構成では、ミラー素子１Ａの駆動される変位が一般には小さくなるが、ひずみ吸収部１０を設ける構成以外に、これを補うため、圧電素子２のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ部分に低曲げ剛性部１３を構成している。この低曲げ剛性部１３は、具体的には、弾性体の形状を電極側である固定端側からミラー素子１Ａが搭載される可動端側に向かって除々に細くする形状とすることで、面積を徐々に小さくして、効率良く逆曲率のたわみを発生させ、結果として電極構成の簡略化と、大きな変位効率の両立を実現することができるものである。尚、圧電素子２の中央にその長手方向８に沿って溝１５を設けたのは、圧電素子２の幅方向のたわみ変形を軽減し、長手方向８のたわみ変形の効率を上げるための構成である。
図５Ｂは、図５Ａに示した構造において溝１５を設けず、圧電素子２を分割しない簡便な構成としたものである。図５Ａの場合に比べて、図５Ｂの光スイッチでは、圧電素子２の長手方向８と直交する幅方向のたわみの影響で発生変位は減少するが、圧電素子２の剛性が大きくなるので、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れたものとすることができる。
図５Ｃ〜図５Ｆは、低曲げ剛性部１３の異なる形態である種々の変形例を示した部分平面図である。図５Ｃは図５Ａに示した低曲げ剛性部１３と同形状のもの、すなわち、低曲げ剛性部１３は、圧電素子２と大略同一幅の帯部分の中央に、ミラー素子側から電極側に向かって細くなるような大略三角形状の貫通口１３ｆを形成して、面積を徐々に小さくなるようにしたものである。これに対して、図５Ｄは、低曲げ剛性部１３Ｄの形状を、圧電素子２の幅よりも大幅に小さくかつ幅の均等な両持ち梁にして圧電素子２とひずみ吸収部４９との間の幅方向中央部に長手方向８沿いに配置したものである。図５Ｄの場合、長手方向８のまわりの回転剛性は小さくなるもの、ひずみ吸収部４９を設けるスペースが増え、この低曲げ剛性部１３Ｄが位置する部分の低剛性化がしやすくなる。さらに、図５Ｅは、低曲げ剛性部１３Ｅの別の構成例を示し、低曲げ剛性部１３Ｅを、その幅を圧電素子側から遠ざかるに従って小さくするテーパ状の構成にしたものである。このようなテーパ状の梁は、梁内部の応力及びひずみをその長手方向８に渡って均一にする効果があり、材料強度上、好ましい。さらに、図５Ｆは、図５Ｄにおいて、ミラー素子１Ａの両側に配置された一対の低曲げ剛性部１３ａ及び１３ｂの剛性を違えた構成例を示す。具体的には、低曲げ剛性部１３ａの幅は圧電素子２の幅よりも少し小さくし、低曲げ剛性部１３ｂの幅は圧電素子２の幅よりも大幅に小さくしかつ低曲げ剛性部１３ａの幅より小さくしている。このように、曲げ剛性のバランスを崩すことにより、ミラー素子１Ａを上下方向だけでなく、長手方向８と直交する軸のまわりに回転させることもできる。この機能を利用して、例えばミラー素子１Ａで反射された戻り光を、電送路からドロップさせることができる。
次に、有限要素法でこの第２実施形態の構成の光スイッチの性能計算した結果について述べる。圧電定数は、製膜した薄膜圧電体（ＰＺＴ製薄膜圧電体）で測定された圧電薄膜の圧電定数ｄ３１＝−１００×１０−１２ｍ／Ｖとし、薄膜圧電体の寸法は長さ３．２ｍｍ、全幅１．４ｍｍ、溝幅０．１ｍｍ、厚み３μｍとし、電極長は３．２ｍｍとした。弾性体５としてシリコン及びシリコン酸化膜を用い、その厚みをそれぞれ２０μｍと１０μｍとし、ひずみ吸収部１０及び低曲げ剛性部１３も同じ構成とした。また、ミラー素子１Ａの質量を２００μｇとした。この結果、電極４に３０Ｖ印加した状態で、ミラー素子１Ａの変位として９０．６μｍ動かせることが分かった。
また、振動モード解析によれば、その主共振周波数は１．１４ＫＨｚであり、スイッチング速度として１ｍｓｅｃオーダの高速応答性があることが分かった。
図６Ａ，図６Ｂは、この光スイッチを伝送線路とともに表示した平面図と側面図である。伝送線路１１ａから出射された入力光ビーム１２ａは、ミラー素子１Ａが上方に駆動されていない位置では、光ビーム１２ｃとなって伝送線路１１ｃに出射される。圧電素子２により駆動されてミラー素子１Ａが図６Ｂの上方の位置にある場合には、伝送線路１１ａからの入力光ビーム１２ａは、９０度のＶ型に構成された反射面１ｂを持つミラー素子１Ａにより反射され、伝送線路１１ｂへの出射光ビームとなる。
ミラー素子１Ａは、図６Ｂ中、参照番号１４で想像線として示すようにミラー素子１Ａの保持装置１４を配置し、ミラー素子１Ａの姿勢を高い精度で保持することが望ましい。前述のミラー回転型では、出射光をモニターし、このモニターによる検出信号を光スイッチの駆動電圧にフィードバックすることで、ミラー姿勢を保つことができるが、この実施形態でのミラー素子１Ａの図６Ｂでの基板表面に対する法線方向の駆動の場合、ミラー素子１Ａの上面ないしは下面（下面のミラー素子保持装置の図示は省略）に保持のための基準面を設け、ミラー素子保持装置１４によりミラー素子１Ａの上面を上方位置で位置保持することにより、予め設計された位置、姿勢に高精度にミラー素子１Ａを固定保持することは容易である。
圧電駆動の特徴として、その発生力は、変位するに従って低減する特性を持つことから、このミラー素子保持装置１４は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動でミラー素子１Ａを保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置１４とし、上記ミラー素子１Ａの保持時には、薄膜圧電体への電圧印加を制御手段（例えば、図１Ａのスイッチ９１として配置され、他の装置などからの情報又は信号により、薄膜圧電体への電圧印加回路を開閉するために機能する制御手段）で解除することが望ましい。特に静電駆動は薄い絶縁層を介しての電極間の静電吸着力を利用することができ、この力は電極間隔が小さいほど大きく、また、必要な電流も非常に小さく低電力であり、望ましい。
なお、ここでは、ミラー素子１ＡとしてＶ型に構成された反射面１ｂを持つミラー素子の場合について説明したが、ミラー素子１Ａを単に入射光を反射する（例えば図１Ａのようなミラー素子１）か透過するミラー素子として光路を切り替えるものとしてもよい。
（第３実施形態）
図７Ａ，図７Ｂは、本発明の第３実施形態における情報伝送装置の平面図及び側面図を示す。この第３実施形態では、アクチュエータは、その長手方向８を平行に配置した複数の圧電素子２の列よりなり、複数の光伝送路１１はこれらの複数の圧電素子２の列と対応して配置している。このような構成を採ることにより、光伝送路１１を高密度に多数配置することが可能で、かつ多数の光伝送路を含む光スイッチを小型コンパクトに構成することができる。
特に、光伝送路として使われる光ファイバは、通常、多数のファイバーを束ねて使用され、その端末のコネクターは、個々のファイバーを平行配置した形式のものが一般的である。図７Ａ中、多数の光伝送路１１（具体的には、伝送線路１１ａ，１１ｂ）を平行配置して、その末端を光コネクタ１６に結合している。伝送線路１１ａからの入力光ビーム１２ａは、ミラー素子１の傾斜角に応じてミラー素子１により反射され、伝送線路１１ｂへの出射光ビーム１２ｂとなる。ミラー素子１を傾斜駆動させる形式の光スイッチでは、ミラー素子１をミラー素子保持装置により固定保持することは難しいので、出力光モニター１７で検出した出射光量を駆動制御部１８に取り込み、この検出信号に基づいた帰還制御をかけて圧電素子２を駆動することにより、安定した情報の伝達、切り替えを行うことができる。
本発明の上記第３実施形態の情報伝送装置は、図７Ａにそれぞれ１点鎖線で示すように、上記圧電素子１の駆動制御部１８を含めた光スイッチ装置１９としてもよく、また、その周辺の機能部品を含んだ情報伝送装置２０としてもよい。ここで、光ネットワーク網で波長多重された光伝送路の入力は光増幅器２２に入力され、波長多重されたそれぞれの信号に、分波器２２により波長λ１〜λｎの信号に復調される。各々の光伝送路はサブの情報伝送装置である光スイッチ装置１９の光伝送路１１ａに入射される。光スイッチ装置１９により切り替えられた光伝送路１１ｂからの出力は、各々のレシーバＲ１〜Ｒｎに送られ、各端末に情報が伝送される。
本発明の上記実施形態の光スイッチによれば、その駆動素子の長手方向８を、ファイバーの列と対応して配置することにより、光スイッチ群を高密度に構成することができる。また、光ファイバーコネクターはその位置決め機能がサブミクロン単位で設計されており、本発明の上記実施形態の薄膜Ｓｉプロセスで製作される多数の光スイッチ群の優れた配列精度と組み合わせることで、高精度でありながら簡便な構成の光スイッチを提供できる。また、本発明の上記実施形態によれば、上記に説明した光コネクタを一体化することにより光ファイバーコネクタ埋め込み型の超小型光スイッチを実現することも可能であり、極めて顕著な効果を提供できる。また、反射界面での反射率を制度良く制御できるため、従来は数十ｄＢ程度の挿入損失であったのが、本発明によれば、−６０ｄＢ程度の挿入損失、言い換えれば、入射光に対する出射光の損失比率が１万分の１まで減らすことができる。
以上のように、本発明によれば、高速大容量化に伴う光通信網の拡大に対応して、高速、高精度光切り替えを低電圧低電力駆動で可能とすると共に、装置自体がコンパクトで製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えて、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置を実現するという顕著な効果が得られる。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１Ａは、本発明の第１実施形態における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図１Ｂは、本発明の上記第１実施形態の変形例における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図１Ｃ，図１Ｄ，図１Ｅは、それぞれ、本発明の上記第１実施形態の様々な変形例における光スイッチのひずみ吸収部の拡大平面図であり（理解しやすくするため、ひずみ吸収部をハッチングで示す。）、
図２Ａは、本発明の上記第１実施形態における光スイッチの一部を表す断面図であり、
図２Ｂ，図２Ｃは、それぞれ、本発明の上記第１実施形態における光スイッチの電極４ａ−電極４ｃ間、及び、電極４ｂ−電極４ｃ間の電圧と時間との関係を示すグラフであり、
図３は、本発明の上記第１実施形態における光スイッチの光伝送路の切り替え原理を説明する断面図であり、
図４Ａ，図４Ｂは、それぞれ、本発明の上記第１実施形態におけるミラー端変位と周波数との関係を示す周波数応答特性を表すグラフであり、
図５Ａは、本発明の第２実施形態における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図５Ｂは、本発明の上記第２実施形態の変形例における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図５Ｃ，図５Ｄ，図５Ｅ，図５Ｆは、それぞれ、本発明の上記第２実施形態の様々な変形例における光スイッチの低曲げ剛性部の拡大平面図であり（理解しやすくするため、低曲げ剛性部をハッチングで示す。）、
図６Ａ，図６Ｂは、それぞれ、本発明の上記第２実施形態に係る光スイッチを伝送線路とともに記載した平面図と側面図（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図７Ａ，図７Ｂは、それぞれ、本発明の第３実施形態における情報伝送装置の平面図及び側面図であり、
図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃは、それぞれ、第１実施形態の光スイッチの製造方法を説明するための工程図であり、
図９Ａ，図９Ｂ，図９Ｃは、それぞれ、第１実施形態の光スイッチの製造方法においてシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスを説明するための工程図であり、
図１０は従来のマイクロミラー・デバイスの構造を示す斜視図であり、
図１１は従来のマイクロミラー・デバイスの構造を示す斜視図である。
【図１Ａ】
2003062899.tif 000003
【図１Ｂ】
2003062899.tif 000004
【図１Ｃ】
2003062899.tif 000005
【図１Ｄ】
2003062899.tif 000006
【図１Ｅ】
2003062899.tif 000007
【図２Ａ】
2003062899.tif 000008
【図２Ｂ】
2003062899.tif 000009
【図２Ｃ】
2003062899.tif 000010
【図３】
2003062899.tif 000011
【図４Ａ】
2003062899.tif 000012
【図４Ｂ】
2003062899.tif 000013
【図５Ａ】
2003062899.tif 000014
【図５Ｂ】
2003062899.tif 000015
【図５Ｃ】
2003062899.tif 000016
【図５Ｄ】
2003062899.tif 000017
【図５Ｅ】
2003062899.tif 000018
【図５Ｆ】
2003062899.tif 000019
【図６Ａ】
2003062899.tif 000020
【図６Ｂ】
2003062899.tif 000021
【図７Ａ】
2003062899.tif 000022
【図７Ｂ】
2003062899.tif 000023
【図８Ａ】
2003062899.tif 000024
【図８Ｂ】
2003062899.tif 000025
【図８Ｃ】
2003062899.tif 000026
【図９Ａ】
2003062899.tif 000027
【図９Ｂ】
2003062899.tif 000028
【図９Ｃ】
2003062899.tif 000029
【図１０】
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【図１１】
2003062899.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月13日(2003.8.13)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部（１０）を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチ。
【請求項２】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
上記アクチュエータは、長手方向（８）を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネ（６）により上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】
上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項７】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項８】
上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部（４９）を構成する請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項９】
上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
上記アクチュエータは、上記ミラー素子を並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置（１４）を有する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する請求項２又は７に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写することにより圧電素子を製造する光スイッチの製造方法。
【請求項１３】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送賂（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体を基板に直接製膜することによりより圧電素子が製造される光スイッチの製造方法。
【請求項１４】
上記薄膜圧電体が製膜される基板が、シリコンオンインシュレータ基板である請求項１３に記載の光スイッチの製造方法。
【請求項１５】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチを用いた情報伝送装置であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部（１０）を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置。
【請求項１６】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える請求項１５に記載の情報伝送装置。
【請求項１７】
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える請求項１５に記載の情報伝送装置。
【請求項１８】
上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される請求項１６又は１７に記載の情報伝送装置。
【手続補正００２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
体１０５を変位させ、ひいては片持ちばり１０３を変位させてミラー１０６を並進移動させるものが開示されている。
しかしながら、上記２件のいずれの公報でも、ミラー１０５，１２２の周囲の４個の片持ちばり１０３，１２３にそれぞれたわみ力が発生し、これらの４個のたわみ力のバランスを取ってミラー１０５，１２２を並進移動させることが困難であり、並進移動制御が不安定なものとなりやすく、また、４個の片持ちばり１０３，１２３が点対称に配置されているため４個のたわみ力のバランスが崩れるとすぐに回転力が発生してしまう可能性もある。これを極力防止するためには、ミラー１０６，１２２の中心から数μの範囲内に光を入射させる必要があり、ミラー１０６，１２２の実質的に使用可能な面積が微小であるといった課題もあった。
本発明の目的は、上記課題に鑑み、高速大容量化に伴う光通信網の拡大に対応して、高速、高精度光切り替え可能かつ低電圧低電力駆動で可能とすると共に、装置自体がコンパクトで、製造の容易さを含めて、実用レベルの具体的構成を備えて、切り替え制御が安定して行なえ、かつ、実質的に使用可能な面積が大きい、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
本発明の第１態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを提供する。
本発明の第２態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面に


【手続補正００３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第３態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネにより上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる第２の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第５態様によれば、上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第６態様によれば、上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第７態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第８態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部を構成する第７の態様に記載の光スイッチを提供する。
本発明の第９態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する第２又は７の態様に記載の光スイッチを提供する。


【手続補正００４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置を提供する。
本発明の第１６態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える第１５の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
本発明の第１７態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える第１５の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
本発明の第１８態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される第１６又は１７の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
図面の簡単な説明
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１Ａは、本発明の第１実施形態における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図１Ｂは、本発明の上記第１実施形態の変形例における光スイッチの斜視図であり（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）、
図１Ｃ，図１Ｄ，図１Ｅは、それぞれ、本発明の上記第１実施形態の様々な変形例における光スイッチのひずみ吸収部の拡大平面図であり（理解しやすくするため、ひずみ吸収部をハッチングで示す。）、
図２Ａは、本発明の上記第１実施形態における光スイッチの一部を表す断面




【手続補正書】
【提出日】平成16年9月30日(2004.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】  入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部（１０）を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチ。
【請求項２】  上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】  上記アクチュエータは、長手方向（８）を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネ（６）により上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】  上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項５】  上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】  上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項７】  上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部（４９）を構成する請求項６に記載の光スイッチ。
【請求項８】  上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する請求項２又は６に記載の光スイッチ。
【請求項９】  上記アクチュエータは、上記ミラー素子を並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置（１４）を有する請求項２又は６に記載の光スイッチ。
【請求項１０】  上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する請求項２又は６に記載の光スイッチ。
【請求項１１】  入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写することにより圧電素子を製造する光スイッチの製造方法。
【請求項１２】  入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体を基板に直接製膜することによりより圧電素子が製造される光スイッチの製造方法。
【請求項１３】  上記薄膜圧電体が製膜される基板が、シリコンオンインシュレータ基板である請求項１２に記載の光スイッチの製造方法。
【請求項１４】  入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチを用いた情報伝送装置であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部（１０）を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置。
【請求項１５】  上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面（１ａ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える請求項１４に記載の情報伝送装置。
【請求項１６】  上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える請求項１４に記載の情報伝送装置。
【請求項１７】  上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される請求項１５又は１６に記載の情報伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置に関し、特に、ミラー素子を駆動するアクチュエータを備えた光スイッチ及びそれを用いた情報伝送装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
近年、光を用いた情報伝達装置は、波長分割多重などの伝送高速化技術の発達とともに、インターネットのブロードバンド化を実現し、高速大容量の情報通信を可能とするための基幹装置となっている。
【０００３】
さらに、光通信網を効率良く接続するため、光信号レベルでの交換機の機能や光アッテネータ機能を持つ各種の光スイッチが不可欠な装置となっている。
【０００４】
これまで、光通信網は特に基幹系を中心に発達してきたが、これから、さらに、地方都市、地域住宅地単位での、より家庭に近い末端においても益々この光スイッチは必要となってくる。
【０００５】
このように、光通信網で光スイッチをさらに広く普及させるには、−６０ｄＢ程度の挿入損失やスイッチング時間等の基本性能を確保するとともに、従来に増して簡便な構成で安価に製造できる光スイッチが望まれる。
【０００６】
光スイッチの従来例として、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ１６５〜ｐ１７０）」には、入力信号の光ファイバーを電磁駆動にて出力信号の光ファイバーに切り替える光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチでは、光ファイバー自体の比較的大きな質量を駆動する必要があり、切り替え時間の短縮に限界があると共に、電磁駆動のための大電流を要する、という欠点がある。
【０００７】
同じく、光スイッチの従来例として、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ２３８〜ｐ２４２）」には、導波路の一部をオイルで満たし、このオイルを移動させたり、あるいは加熱によりバブルを発生させることにより、光路を切り替える型の光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチは、反射界面の反射率を反射界面のオイルの有無により制御することに伴い、相対的に挿入損失が大きいという欠点がある。
【０００８】
さらに、「ＭＯＥＭＳ９７，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ（１９９７，ｐ２３３〜ｐ２３７）」には、静電駆動型のミラーによって光路を切り替える型の光スイッチが開示されている。この形式の光スイッチは、静電駆動のため一般的に高電圧を要し、また、大きい駆動力を得るためにミクロン単位の静電ギャップが必要なため、その製造に高度の微細加工を要するという欠点がある。
【０００９】
なお、既報の光スイッチの従来技術文献には、本発明に係わる「薄膜圧電体によって圧電駆動する光スイッチ」は開示されていない。
【００１０】
前述したごとく、光スイッチをさらに広く普及させるには、挿入損失やスイッチング時間等の基本性能を確保するとともに、駆動電力も減少させることができ、かつ、簡便な構成で安価に製造できる光スイッチを実現することが重要な課題である。また、多数の光伝送路をコンパクトな構成で切り替えることも必要である。
【００１１】
そこで、特開２０００−３３９７２５号公報では、図１０に示すように、基板１２１上に、シリコン板の中央部に正多角形の微少ミラー１２２を配置し、そのミラー１２２の各辺に沿って片持ちばり１２３を配置し、その片持ちばり１２３の一端を固定すると共に他端をミラー１２２の辺の一端に取り付ける一方、片持ちばり１２３の表面又は内部に圧電部材を片持ちばり１２３の長手方向に形成させ、全ての圧電部材へ同一の電圧を印加することによって片持ちばり１２３の先端部が曲がるのを利用してミラー１２２を並進移動させるようにしたものが開示されている。なお、１２４は圧電物質である。
【００１２】
また、特開２００１−０３３７１３号公報では、図１１に示すように、光源から発生した光を光に対して基板１０１上で４５度傾斜していて、その４５度の方向並進移動するミラー１０６によって反射させ、そのミラー１０６の並進移動はミラー１０６を正方形の支持体１０４に載せ、その支持体１０４の各辺に片持ちばり１０３をその先端部で支持体１０４を支えるように配置し、片持ちばり１０３の表面に１０５圧電体を配置して、圧電体１０５への電圧の印加によって圧電体１０５を変位させ、ひいては片持ちばり１０３を変位させてミラー１０６を並進移動させるものが開示されている。
【００１３】
しかしながら、上記２件のいずれの公報でも、ミラー１０５，１２２の周囲の４個の片持ちばり１０３，１２３にそれぞれたわみ力が発生し、これらの４個のたわみ力のバランスを取ってミラー１０５，１２２を並進移動させることが困難であり、並進移動制御が不安定なものとなりやすく、また、４個の片持ちばり１０３，１２３が点対称に配置されているため４個のたわみ力のバランスが崩れるとすぐに回転力が発生してしまう可能性もある。これを極力防止するためには、ミラー１０６，１２２の中心から数μの範囲内に光を入射させる必要があり、ミラー１０６，１２２の実質的に使用可能な面積が微小であるといった課題もあった。
【００１４】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、高速大容量化に伴う光通信網の拡大に対応して、高速、高精度光切り替え可能かつ低電圧低電力駆動で可能とすると共に、装置自体がコンパクトで、製造の容易さを含めて、実用レベルの具体的構成を備えて、切り替え制御が安定して行なえ、かつ、実質的に使用可能な面積が大きい、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置を提供することにある。
【００１５】
（発明の開示）
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを提供する。
【００１７】
本発明の第２態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００１８】
本発明の第３態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子よりなり、上記長手方向と直交に配置したトーションバネにより上記ミラー素子を保持する構成とすることにより、上記トーションバネを回転軸とした回転方向に上記ミラーを傾斜させる第２の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００１９】
本発明の第４態様によれば、上記アクチュエータは、複数の圧電素子により構成され、かつ各圧電素子は複数の電極に分割され、各電極に異なる電圧を印加することにより上記薄膜圧電体を異なった曲率にたわみ変形させる第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、上記圧電素子を構成する上記弾性体は、少なくともシリコンオンインシュレータ基板を構成する薄膜シリコン又はシリコン酸化膜を含む第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２１】
本発明の第６態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動する第１の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２２】
本発明の第７態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部に長手方向のひずみ吸収部を構成する第６の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２３】
本発明の第８態様によれば、上記アクチュエータは、両端が固定端支持され、長手方向を平行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ低曲げ剛性部を構成する第２又は６の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２４】
本発明の第９態様によれば、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置を有する第２又は６の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２５】
本発明の第１０態様によれば、上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する第２又は６の態様に記載の光スイッチを提供する。
【００２６】
本発明の第１１態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写することにより圧電素子を製造する光スイッチの製造方法を提供する。
【００２７】
本発明の第１２態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチの製造方法であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体を基板に直接製膜することによりより圧電素子が製造される光スイッチの製造方法を提供する。
【００２８】
本発明の第１３態様によれば、上記薄膜圧電体が製膜される基板が、シリコンオンインシュレータ基板である第１２の態様に記載の光スイッチの製造方法を提供する。
【００２９】
本発明の第１４態様によれば、入射側光伝送路からの光を反射させるミラー素子と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータとを備え、上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路へ切り替える光スイッチを用いた情報伝送装置であって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体とを備える圧電素子により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、その両端が固定端支持され、長手方向を並行に配置した少なくとも複数の圧電素子よりなり、（たわみ変形の変形効率を上げるため）上記圧電素子の長手方向の一部を構成する上記弾性体に平面的構造の上記長手方向沿いのひずみ吸収部を設け、上記電極に対する電圧印加による上記薄圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させる光スイッチを用いた情報伝送装置を提供する。
【００３０】
本発明の第１５態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜させることにより、上記薄膜のおおよその法線面に配置された複数の光伝送路を、ミラー面の反射角を制御することにより切り替える第１４の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
【００３１】
本発明の第１６態様によれば、上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体の法線方向に駆動することにより、上記薄膜において面内で平行に配置された複数の光伝送路に、上記ミラー素子を挿入し、伝送路を切り替える第１４の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
【００３２】
本発明の第１７態様によれば、上記アクチュエータは、長手方向を平行に配置した複数の圧電素子の列よりなり、上記複数の光伝送路は上記複数の圧電素子の列に対応して配置される第１５又は１６の態様に記載の情報伝送装置を提供する。
【００３３】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００３４】
（第１実施形態）
図１Ａは本発明の第１実施形態における光スイッチの斜視図、図１Ｂは本発明の第１実施形態の変形例における光スイッチの斜視図を示す。また、図２Ａは同じく本発明の上記第１実施形態における光スイッチの一部を表す断面図を示す。
【００３５】
基板７上には、ミラー素子１と、ミラー素子１の両側に回転軸９に対して線対称に配置された薄膜圧電体３と、各薄膜圧電体３の上面のミラー素子側に配置された第１上部電極４ａと、各薄膜圧電体３の上面の反ミラー素子側に第１上部電極４ａとは離れて配置された第２上部電極４ｂと、各薄膜圧電体３の下面に配置された下部電極４ｃと、下部電極４ｃの下面でかつ基板７上に配置された弾性体５とにより、圧電素子２がミラー素子１の両側に線対称に構成され、回路のスイッチ９１を閉じることにより電源９０からの電圧を第１及び第２上部電極４ａ，４ｂと下部電極４ｃとに印加することにより薄膜圧電体３がたわみ変形し、ミラー素子１を回転軸９周りに回転駆動する。圧電素子２は、隙間を空けて、図１Ａでは基板７言い換えれば圧電素子２の長手方向８に平行に一対配置され、この長手方向８と直交した方向にトーションバネ６を設け、トーションバネ６によりミラー素子１を基板７に連結して保持する。さらに、ミラー素子１は、各圧電素子２とはひずみ吸収部１０で連結する。
【００３６】
なお、圧電体３上に形成された第１上部電極４ａは、第２上部電極４ｂ側から見て、ミラー素子１に向けて圧電体３の変曲点近傍までの位置に配置することが好ましい。すなわち、変曲点を越えて電極を配置しても、たわみ動作が不安定になるなど、悪影響が生じる可能性があるためである。特に、従来の２件の公報では、変曲点を越えて電極を配置しているため、たわみ動作が不安定になりやすく、精度の良い駆動制御が困難なものとなっていた。
【００３７】
薄膜圧電体３には、２分割された上部電極４ａ及び４ｂと下部電極４ｃとが形成されており、薄膜圧電体３はその膜厚方向に分極されている。この理由は、仮に、従来の２件の公報のように、薄膜圧電体３上に上部電極として１つの電極で構成すると、ミラー素子側の部分と反ミラー素子側の部分とではたわみ方向が逆になる変曲点の位置を制御することができなくなり、たわみ動作が不安定なものとなってしまう。これに対して、第１上部電極４ａと第２上部電極４ｂとに分割し、かつ、電極４ｃを中間電位として電極４ａ及び４ｂに異なる電圧を印加することにより、電極４ａと電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じさせることができて、変曲点の位置を精度良く制御することができ、たわみ動作を安定なものとすることができるからである。この結果、傾斜方向が安定するため、高速、高精度光切り替え可能となり、応答性が良いものとなる。
【００３８】
また、ミラー素子１の平面度は、ミラー素子１に入射する光の波長λの（１／１００）λ〜（１／１０００）λとするのが好ましい。
【００３９】
このような構成により、トーションバネ６を回転軸９とし、圧電素子２により駆動され、ミラー素子１をこの回転軸９まわりに傾斜させるアクチュエータとなる。トーションバネ６によりミラー素子１の回転軸９を固定することにより、高精度で外乱に対して安定なミラー素子１の駆動ができる。
【００４０】
図２Ａの断面図において、この圧電素子２の駆動動作原理を述べる。
【００４１】
薄膜圧電体３には、２分割された上部電極４ａ及び４ｂと下部電極４ｃとが形成されており、薄膜圧電体３はその膜厚方向に分極されている。
【００４２】
薄膜圧電体３を挟んで対向した電極間（電極４ａ−電極４ｃ間、電極４ｂ−電極４ｃ間）に電圧を印加することにより、薄膜圧電体３の面内に圧電定数ｄ31に応じたひずみが発生し、一方、弾性体５はこの電圧印加によりひずみを発生しないため、圧電体３、電極４ａ，４ｂ，４ｃ及び弾性体５よりなる圧電素子２にたわみ変形が生じる。
【００４３】
電極４ｃを中間電位として電極４ａ及び４ｂに異なる電圧を印加することにより、電極４ａと電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じる。この結果、ミラー素子１を保持するトーションバネ６を回転軸９としてミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
【００４４】
図２Ｂ〜図２Ｃは、電極４ａ及び４ｂへ逆層の電圧を印加する方法の説明図である。図２Ｂは、上部電極４ａ―下部電極４ｃ間に、交番電圧を印加する場合の電圧波形を示す。図２Ｃは、上部電極４ｂ―下部電極４ｃ間に、これとは逆位相の交番電圧を印加する場合の電圧波形を示す。この結果、上部電極４ａと上部電極４ｂでは逆の曲率のたわみ変形が生じ、ミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
【００４５】
構造上、圧電素子２の固定端とトーションバネ６との距離は一定であるため、圧電素子２のこのようなたわみ変形に伴い、この圧電素子２の長手方向のひずみあるいは変位を拘束する傾向を生じ、ミラー素子１を効率良く傾斜させることに支障を生じる。この拘束を緩和する手段として、圧電素子２の長手方向の剛性を弱めた構造のひずみ吸収部１０を、圧電素子２とミラー素子１の間に設ける。このことにより、上記の多分割電極構成の効果と併せて、ミラー素子１を効率良く傾斜させることができる。
【００４６】
なお、図１Ａの第１実施形態では圧電素子２はその長手方向８に平行に２分割した構成としたが、これは圧電素子２のひずみに伴う湾曲が、その長手方向８だけでなく、その幅方向にも生じるため、この幅方向の湾曲が長手方向のたわみ変形を阻害することを避けるため、このような構成としている。圧電素子２の長手方向８の長さが幅方向の寸法より十分大きい場合には、図１Ｂに示すように、必ずしも２分割しなくてもよい。
【００４７】
すなわち、図１Ｂに示すように、圧電素子２は、その長手方向８沿いに１個配置されたものであってもよい。図１Ｂは、図１Ａに示した構造において溝１５を設けず、圧電素子２を分割しない簡便な構成としたものである。図１Ａの場合に比べて、図１Ｂの光スイッチでは、圧電素子２の長手方向８と直交する幅方向のたわみの影響で発生変位は減少するが、圧電素子２の剛性が大きくなるので、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れたものとすることができる。図１Ｃ〜図１Ｅは、ひずみ吸収部１０の異なる形態である種々の変形例を示した部分平面図である。図１Ｃは図１Ａに示したひずみ吸収部１０と同形状のもの、すなわち、ひずみ吸収部１０は英文字「Ｈ」の両側をそれぞれ大略Ｃ字状及び大略逆Ｃ字状に屈曲したものである。これに対して、図１Ｄは、ひずみ吸収部１０Ｄの圧電素子２へはひずみ吸収部１０の中央部のみで接続するように構成したものである。図１Ｄの場合、ひずみ吸収部１０Ｄの長手方向８の方向の剛性が図１Ｃに比べて大きくなるため、ミラー素子１の駆動角度は小さくなるが、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れる。さらに、図１Ｅは、ひずみ吸収部１０の別の構成例を示し、ひずみ吸収部１０Ｅをミラー素子１と圧電素子２の異なる端部に互いに連結するように構成したものである。例えば、図１Ｅにおいて、左側の圧電素子２の下端部とミラー素子１の上側の端部とを両端フック形状部で接続するとともに、ミラー素子１の下側の端部と右側の圧電素子２の上端部とを両端フック形状部で接続するように構成している。このような構造では、ひずみ吸収部１０Ｅの細い梁部を、圧電素子２の長手方向８と直交する方向に長くとれるので、比較的小さなスペースで長手方向８の方向の剛性を小さくすることができ、ミラー素子１の駆動角度を大きくすることができる。
【００４８】
電極４ａ，４ｂ，４ｃへの配線構造については図示していないが、２分割した上部電極の可動部に近い（すなわち、ミラー素子１に近い）第１上部電極４ａへの配線は、このひずみ吸収部１０，１０Ｄ，１０Ｅ及びトーションバネ６を通じて基板７の周辺に引き出す構造を採ることができる。
【００４９】
図３は、本発明の第１実施形態における光スイッチの光伝送路の切り替え原理を説明する断面図を示す。光伝送路１１ａを出射した光ビーム１２ａは、ミラー素子１のミラー面１ａに入射してミラー面１ａで反射される。圧電素子２により駆動されて回転傾斜したミラー面１ａが、図３のごとくの傾斜した位置にあるときには、この光ビーム１２ａは矢印１２ｂの方向にミラー面１ａで反射されて光伝送路１１ｂに入射される。ミラー面が逆の方向に回転傾斜した位置では光伝送路１１ｃに入射される。このように、圧電素子２によりミラー素子１の回転角を駆動制御することにより、入力光を、異なった光伝送路に出力することができる。光伝送路が屈折率傾斜型の光ファイバーの場合、入射光ビームは、ある程度コリメートされた状態で出力用光ファイバーに入射される。光スイッチの構成上、この到達距離を長くする必要がある場合には、図示していないが、必要に応じて光ファイバーの入出射端にコリメータレンズを設ける。
【００５０】
図４Ａ，図４Ｂは、本発明の第１実施形態における光スイッチの周波数応答特性の一例を表すグラフを示す。図４Ａ，図４Ｂは、図１Ａに示した構造の光アクチュエータについて解析計算した光スイッチの周波数特性を示すものである。圧電定数は、製膜した薄膜圧電体（ＰＺＴ製薄膜圧電体）で測定された圧電薄膜の圧電定数ｄ31＝−１００×１０-12ｍ／Ｖとし、薄膜圧電体の寸法は長さ２ｍｍ、幅０．８ｍｍ、厚み３μｍとし、電極長は可動端側４ａの長さを０．６ｍｍ、固定端側４ｂの長さを１．２ｍｍとした。弾性体５としてアルミニウム薄板を用い、その厚みを６μｍ、トーションバネ６及びひずみ吸収部１０も弾性体５と連続した構造とし、その厚みを６μｍ、幅を５０ｍμとした。基板７にはシリコン基板を用い、ミラー素子２をこの基板７の一部をエッチング加工により残した構造とし、その寸法を０．５ｍｍ角、厚み０．２ｍｍとし、全体寸法は長さ６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．２ｍｍとした。
【００５１】
電極の剛性は他の部材に比べて十分小さいので、解析計算上は計算モデルから除き、有限要素法により計算したところ、±１５Ｖの電圧印加により、ミラー素子１を回転軸まわりに±２．９度傾斜できることがわかった。本実施形態のアクチュエータは、圧電体として製膜した数μｍ膜厚の薄膜圧電体を用いているため、印加電圧が低いにもかかわらず、圧電体内に生じる電界強度を大きくとることができ、低電圧で効率良く変位を発生させることができる。
【００５２】
なお、可動端側の電極４ａの長さＬａと固定端側の電極４ｂの長さＬｂの比は前述した計算例の場合の１：２程度の時に最も効率良くミラー素子１を傾斜できることが、このシミュレーション計算により明らかとなった。少なくとも可動端側４ａの電極の長さＬａより固定端側の電極４ｂの長さＬｂを大きくとることがよい。同様に、ひずみ吸収部１０がない構造では、計算されるミラー素子１の角度が大幅に小さいことから、このようなひずみ吸収部１０はミラー素子１を効率良く傾斜させる効果の大きいことが裏付けられた。
【００５３】
図４の上のグラフは、横軸を駆動周波数、縦軸をミラー素子の回転軸まわりの傾斜に伴うミラー素子端での変位を表したもの、下のグラフは同じく横軸を駆動周波数、縦軸に駆動周波に対する上記ミラー変位の位相を表したものである。主共振周波数は２．７ＫＨｚであり、これより低い周波数では位相ずれなく応答しており、このことから、この光スイッチの切り替え時間は少なくとも１ｍｓｅｃ以下の高速動作することがわかった。
【００５４】
次に、上記第１実施形態の光スイッチの製造方法について説明する。
【００５５】
第１実施形態の光スイッチの製造方法として、大きく２つの方法をとることができる。第１の方法は、基板上に形成した薄膜圧電体を、別の基板に転写する製造法である。図８Ａ〜図８Ｃにこの製造プロセスの工程をで説明した断面図を示す。図８Ａの基板３０上に電極４ａを蒸着、パターニングした後、基板３０の電極４ａ上に、圧電薄膜３を同じく蒸着、パターニングする。この製造法では、薄膜圧電体の圧電定数等の材料特性に有利な基板材料、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の製膜をスパッタ蒸着により行う場合、ＰＺＴのエピタキシャル成長にＭｇＯ基板を用いかつ下地層としてＰｔを用いると、優れた圧電特性を持つＰＺＴ膜を得ることができる。この場合、Ｐｔ下地層はそのまま電極４ａとなる。この薄膜圧電体を弾性体５として、例えばステンレスの薄板に接着性の転写層３１を介して転写し（図８Ｂ）、その後、この製膜基板を除去することで、上記構成の光スイッチを形成することができる（図８Ｃ）。
【００５６】
第２の方法は、薄膜圧電体を基板に直接製膜する製造法である。この場合、薄膜圧電体の良好な圧電特性を得るため、その下地の構成材料の選択に制約を受けるが、転写プロセスが不要な分、簡便な製造法となる。例えば、第１実施形態の図２Ａにおける断面図では、薄膜圧電体３が電極４ｃを介して弾性体５の上に構成されているが、この弾性体として上記計算解析で用いたアルミニウム上に特性の優れた圧電薄膜を形成することは、一般に難しい。直接製膜法をとる場合には、例えば基板のＳｉ上に下地バッファー層を形成した後、電極と薄膜圧電体層を製膜し、この後、弾性体層をその上に形成した上、圧電素子下部のＳｉ基板を除去する方法を採ることができる。この場合の光スイッチの断面構成は、必ずしも図２に記した構成とはならないことは勿論である。薄膜圧電体の製膜法としては、上記のスパッタ法以外にゾルゲル法を用いることもできる。
【００５７】
薄膜圧電体をＳｉ上に直接製膜する場合、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いると、このＳＯＩ基板を構成するシリコン薄膜を弾性体として残すことができるので好都合である。図９Ａ〜図９Ｃに、このシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスの説明図を示す。図９Ａにおいて、シリコンオンインシュレータ基板３２は、シリコン３３上にインシュレータ（シリコン酸化膜）３４を下地層としてその上に形成されたシリコン薄膜３５によりなる。このＳＯＩ基板３２を基板として用い、この上に電極４ｂとしてＰｔを蒸着した後、これを下地層としてこの上にＰＺＴを蒸着、パターニングし、薄膜圧電体３とする。次に、図９Ｂのようにシリコン３３およびインシュレータであるシリコン酸化膜３４をエッチング除去し、最に、図９Ｃに示すように電極４ａを蒸着、パターニングして圧電素子を形成する。
【００５８】
ここで、シリコン薄膜３５とシリコン薄膜の下地層であるシリコン酸化膜３４とのエッチング選択性を利用することにより、均一な厚みのシリコン薄膜層３５を残すことができるので、圧電素子のたわみ変形効率を稼ぐのに望ましい均一で低い曲げ剛性の弾性体層３５を形成することができる。
【００５９】
この弾性体としてＳＯＩ基板を構成するシリコン薄膜のみを残す例について述べたが、シリコン薄膜とシリコン酸化膜の両方を残すことも、もう一つの選択枝である。この場合、ドライエッチングの時間制御でこのような構成の圧電素子を形成することができる。さらに、製膜時のドーズガス雰囲気条件などのプロセス条件を変えることで、これらの薄膜に残留する内部応力を制御することができ、薄膜圧電体の内部応力とバランスをとることで圧電素子の形状精度を確保することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
図５Ａは本発明の第２実施形態における光スイッチの斜視図を示す。この第２実施形態では、ミラー面１ｂを薄膜圧電体の構成面である基板面に対して図５Ａの法線方向に設けており、かつミラー素子１Ａを上記基板面の法線方向に駆動している。各構成要素のほとんどは第１実施形態の詳細説明として述べた図１Ａと同様であるので、共通する構成要素には同じ符号を付与している。圧電素子２を構成する薄膜圧電体３、電極４及び弾性体５は第１実施形態に準じた構成であるので、ここではその図示は省略している。電極４は、第１実施形態と同様に２つの上部電極４ａ，４ｂより構成されているが、ここでは簡略化のため１つの電極として図示しているが、実際には図１Ａのように構成されている。しかしながら、電極４は、簡略化のため同一曲率にたわむ部分にのみ構成してもよい。このように簡略化した構成では、ミラー素子１Ａの駆動される変位が一般には小さくなるが、ひずみ吸収部１０を設ける構成以外に、これを補うため、圧電素子２のたわみ曲率とは逆曲率にたわむ部分に低曲げ剛性部１３を構成している。この低曲げ剛性部１３は、具体的には、弾性体の形状を電極側である固定端側からミラー素子１Ａが搭載される可動端側に向かって除々に細くする形状とすることで、面積を徐々に小さくして、効率良く逆曲率のたわみを発生させ、結果として電極構成の簡略化と、大きな変位効率の両立を実現することができるものである。尚、圧電素子２の中央にその長手方向８に沿って溝１５を設けたのは、圧電素子２の幅方向のたわみ変形を軽減し、長手方向８のたわみ変形の効率を上げるための構成である。
【００６１】
図５Ｂは、図５Ａに示した構造において溝１５を設けず、圧電素子２を分割しない簡便な構成としたものである。図５Ａの場合に比べて、図５Ｂの光スイッチでは、圧電素子２の長手方向８と直交する幅方向のたわみの影響で発生変位は減少するが、圧電素子２の剛性が大きくなるので、高い共振周波数の構造とすることができ、高速応答性に優れたものとすることができる。
【００６２】
図５Ｃ〜図５Ｆは、低曲げ剛性部１３の異なる形態である種々の変形例を示した部分平面図である。図５Ｃは図５Ａに示した低曲げ剛性部１３と同形状のもの、すなわち、低曲げ剛性部１３は、圧電素子２と大略同一幅の帯部分の中央に、ミラー素子側から電極側に向かって細くなるような大略三角形状の貫通口１３ｆを形成して、面積を徐々に小さくなるようにしたものである。これに対して、図５Ｄは、低曲げ剛性部１３Ｄの形状を、圧電素子２の幅よりも大幅に小さくかつ幅の均等な両持ち梁にして圧電素子２とひずみ吸収部４９との間の幅方向中央部に長手方向８沿いに配置したものである。図５Ｄの場合、長手方向８のまわりの回転剛性は小さくなるもの、ひずみ吸収部４９を設けるスペースが増え、この低曲げ剛性部１３Ｄが位置する部分の低剛性化がしやすくなる。さらに、図５Ｅは、低曲げ剛性部１３Ｅの別の構成例を示し、低曲げ剛性部１３Ｅを、その幅を圧電素子側から遠ざかるに従って小さくするテーパ状の構成にしたものである。このようなテーパ状の梁は、梁内部の応力及びひずみをその長手方向８に渡って均一にする効果があり、材料強度上、好ましい。さらに、図５Ｆは、図５Ｄにおいて、ミラー素子１Ａの両側に配置された一対の低曲げ剛性部１３ａ及び１３ｂの剛性を違えた構成例を示す。具体的には、低曲げ剛性部１３ａの幅は圧電素子２の幅よりも少し小さくし、低曲げ剛性部１３ｂの幅は圧電素子２の幅よりも大幅に小さくしかつ低曲げ剛性部１３ａの幅より小さくしている。このように、曲げ剛性のバランスを崩すことにより、ミラー素子１Ａを上下方向だけでなく、長手方向８と直交する軸のまわりに回転させることもできる。この機能を利用して、例えばミラー素子１Ａで反射された戻り光を、電送路からドロップさせることができる。
【００６３】
次に、有限要素法でこの第２実施形態の構成の光スイッチの性能計算した結果について述べる。圧電定数は、製膜した薄膜圧電体（ＰＺＴ製薄膜圧電体）で測定された圧電薄膜の圧電定数ｄ31＝−１００×１０-12ｍ／Ｖとし、薄膜圧電体の寸法は長さ３．２ｍｍ、全幅１．４ｍｍ、溝幅０．１ｍｍ、厚み３μｍとし、電極長は３．２ｍｍとした。弾性体５としてシリコン及びシリコン酸化膜を用い、その厚みをそれぞれ２０μｍと１０μｍとし、ひずみ吸収部１０及び低曲げ剛性部１３も同じ構成とした。また、ミラー素子１Ａの質量を２００μｇとした。この結果、電極４に３０Ｖ印加した状態で、ミラー素子１Ａの変位として９０．６μｍ動かせることが分かった。
【００６４】
また、振動モード解析によれば、その主共振周波数は１．１４ＫＨｚであり、スイッチング速度として１ｍｓｅｃオーダの高速応答性があることが分かった。
【００６５】
図６Ａ，図６Ｂは、この光スイッチを伝送線路とともに表示した平面図と側面図である。伝送線路１１ａから出射された入力光ビーム１２ａは、ミラー素子１Ａが上方に駆動されていない位置では、光ビーム１２ｃとなって伝送線路１１ｃに出射される。圧電素子２により駆動されてミラー素子１Ａが図６Ｂの上方の位置にある場合には、伝送線路１１ａからの入力光ビーム１２ａは、９０度のＶ型に構成された反射面１ｂを持つミラー素子１Ａにより反射され、伝送線路１１ｂへの出射光ビームとなる。
【００６６】
ミラー素子１Ａは、図６Ｂ中、参照番号１４で想像線として示すようにミラー素子１Ａの保持装置１４を配置し、ミラー素子１Ａの姿勢を高い精度で保持することが望ましい。前述のミラー回転型では、出射光をモニターし、このモニターによる検出信号を光スイッチの駆動電圧にフィードバックすることで、ミラー姿勢を保つことができるが、この実施形態でのミラー素子１Ａの図６Ｂでの基板表面に対する法線方向の駆動の場合、ミラー素子１Ａの上面ないしは下面（下面のミラー素子保持装置の図示は省略）に保持のための基準面を設け、ミラー素子保持装置１４によりミラー素子１Ａの上面を上方位置で位置保持することにより、予め設計された位置、姿勢に高精度にミラー素子１Ａを固定保持することは容易である。
【００６７】
圧電駆動の特徴として、その発生力は、変位するに従って低減する特性を持つことから、このミラー素子保持装置１４は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動でミラー素子１Ａを保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置１４とし、上記ミラー素子１Ａの保持時には、薄膜圧電体への電圧印加を制御手段（例えば、図１Ａのスイッチ９１として配置され、他の装置などからの情報又は信号により、薄膜圧電体への電圧印加回路を開閉するために機能する制御手段）で解除することが望ましい。特に静電駆動は薄い絶縁層を介しての電極間の静電吸着力を利用することができ、この力は電極間隔が小さいほど大きく、また、必要な電流も非常に小さく低電力であり、望ましい。
【００６８】
なお、ここでは、ミラー素子１ＡとしてＶ型に構成された反射面１ｂを持つミラー素子の場合について説明したが、ミラー素子１Ａを単に入射光を反射する（例えば図１Ａのようなミラー素子１）か透過するミラー素子として光路を切り替えるものとしてもよい。
【００６９】
（第３実施形態）
図７Ａ，図７Ｂは、本発明の第３実施形態における情報伝送装置の平面図及び側面図を示す。この第３実施形態では、アクチュエータは、その長手方向８を平行に配置した複数の圧電素子２の列よりなり、複数の光伝送路１１はこれらの複数の圧電素子２の列と対応して配置している。このような構成を採ることにより、光伝送路１１を高密度に多数配置することが可能で、かつ多数の光伝送路を含む光スイッチを小型コンパクトに構成することができる。
【００７０】
特に、光伝送路として使われる光ファイバは、通常、多数のファイバーを束ねて使用され、その端末のコネクターは、個々のファイバーを平行配置した形式のものが一般的である。図７Ａ中、多数の光伝送路１１（具体的には、伝送線路１１ａ，１１ｂ）を平行配置して、その末端を光コネクタ１６に結合している。伝送線路１１ａからの入力光ビーム１２ａは、ミラー素子１の傾斜角に応じてミラー素子１により反射され、伝送線路１１ｂへの出射光ビーム１２ｂとなる。ミラー素子１を傾斜駆動させる形式の光スイッチでは、ミラー素子１をミラー素子保持装置により固定保持することは難しいので、出力光モニター１７で検出した出射光量を駆動制御部１８に取り込み、この検出信号に基づいた帰還制御をかけて圧電素子２を駆動することにより、安定した情報の伝達、切り替えを行うことができる。
【００７１】
本発明の上記第３実施形態の情報伝送装置は、図７Ａにそれぞれ１点鎖線で示すように、上記圧電素子１の駆動制御部１８を含めた光スイッチ装置１９としてもよく、また、その周辺の機能部品を含んだ情報伝送装置２０としてもよい。ここで、光ネットワーク網で波長多重された光伝送路の入力は光増幅器２２に入力され、波長多重されたそれぞれの信号に、分波器２２により波長λ１〜λｎの信号に復調される。各々の光伝送路はサブの情報伝送装置である光スイッチ装置１９の光伝送路１１ａに入射される。光スイッチ装置１９により切り替えられた光伝送路１１ｂからの出力は、各々のレシーバＲ１〜Ｒｎに送られ、各端末に情報が伝送される。
【００７２】
本発明の上記実施形態の光スイッチによれば、その駆動素子の長手方向８を、ファイバーの列と対応して配置することにより、光スイッチ群を高密度に構成することができる。また、光ファイバーコネクターはその位置決め機能がサブミクロン単位で設計されており、本発明の上記実施形態の薄膜Ｓｉプロセスで製作される多数の光スイッチ群の優れた配列精度と組み合わせることで、高精度でありながら簡便な構成の光スイッチを提供できる。また、本発明の上記実施形態によれば、上記に説明した光コネクタを一体化することにより光ファイバーコネクタ埋め込み型の超小型光スイッチを実現することも可能であり、極めて顕著な効果を提供できる。また、反射界面での反射率を制度良く制御できるため、従来は数十ｄＢ程度の挿入損失であったのが、本発明によれば、−６０ｄＢ程度の挿入損失、言い換えれば、入射光に対する出射光の損失比率が１万分の１まで減らすことができる。
【００７３】
以上のように、本発明によれば、高速大容量化に伴う光通信網の拡大に対応して、高速、高精度光切り替えを低電圧低電力駆動で可能とすると共に、装置自体がコンパクトで製造の容易さを含めて実用レベルの具体的構成を備えて、光スイッチ及びその製造方法、それを用いた情報伝送装置を実現するという顕著な効果が得られる。
【００７４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【００７５】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１Ａ】  本発明の第１実施形態における光スイッチの斜視図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図１Ｂ】  本発明の上記第１実施形態の変形例における光スイッチの斜視図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図１Ｃ】  本発明の上記第１実施形態の様々な変形例における光スイッチのひずみ吸収部の拡大平面図である（理解しやすくするため、ひずみ吸収部をハッチングで示す。）。
【図１Ｄ】  本発明の上記第１実施形態の様々な変形例における光スイッチのひずみ吸収部の拡大平面図である（理解しやすくするため、ひずみ吸収部をハッチングで示す。）。
【図１Ｅ】  本発明の上記第１実施形態の様々な変形例における光スイッチのひずみ吸収部の拡大平面図である（理解しやすくするため、ひずみ吸収部をハッチングで示す。）。
【図２Ａ】  本発明の上記第１実施形態における光スイッチの一部を表す断面図である。
【図２Ｂ】  本発明の上記第１実施形態における光スイッチの電極４ａ−電極４ｃ間、及び、電極４ｂ−電極４ｃ間の電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図２Ｃ】  本発明の上記第１実施形態における光スイッチの電極４ａ−電極４ｃ間、及び、電極４ｂ−電極４ｃ間の電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図３】  本発明の上記第１実施形態における光スイッチの光伝送路の切り替え原理を説明する断面図である。
【図４Ａ】  本発明の上記第１実施形態におけるミラー端変位と周波数との関係を示す周波数応答特性を表すグラフである。
【図４Ｂ】  本発明の上記第１実施形態におけるミラー端変位と周波数との関係を示す周波数応答特性を表すグラフである。
【図５Ａ】  本発明の第２実施形態における光スイッチの斜視図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図５Ｂ】  本発明の上記第２実施形態の変形例における光スイッチの斜視図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図５Ｃ】  本発明の上記第２実施形態の様々な変形例における光スイッチの低曲げ剛性部の拡大平面図である（理解しやすくするため、低曲げ剛性部をハッチングで示す。）。
【図５Ｄ】  本発明の上記第２実施形態の様々な変形例における光スイッチの低曲げ剛性部の拡大平面図である（理解しやすくするため、低曲げ剛性部をハッチングで示す。）。
【図５Ｅ】  本発明の上記第２実施形態の様々な変形例における光スイッチの低曲げ剛性部の拡大平面図である（理解しやすくするため、低曲げ剛性部をハッチングで示す。）。
【図５Ｆ】  本発明の上記第２実施形態の様々な変形例における光スイッチの低曲げ剛性部の拡大平面図である（理解しやすくするため、低曲げ剛性部をハッチングで示す。）。
【図６Ａ】  本発明の上記第２実施形態に係る光スイッチを伝送線路とともに記載した平面図と側面図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図６Ｂ】  本発明の上記第２実施形態に係る光スイッチを伝送線路とともに記載した平面図と側面図である（理解しやすくするため、電極部分をハッチングで示す。）。
【図７Ａ】  本発明の第３実施形態における情報伝送装置の平面図及び側面図である。
【図７Ｂ】  本発明の第３実施形態における情報伝送装置の平面図及び側面図である。
【図８Ａ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法を説明するための工程図である。
【図８Ｂ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法を説明するための工程図である。
【図８Ｃ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法を説明するための工程図である。
【図９Ａ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法においてシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスを説明するための工程図である。
【図９Ｂ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法においてシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスを説明するための工程図である。
【図９Ｃ】  第１実施形態の光スイッチの製造方法においてシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を用いる場合の製造プロセスを説明するための工程図である。
【図１０】  従来のマイクロミラー・デバイスの構造を示す斜視図である。
【図１１】  従来のマイクロミラー・デバイスの構造を示す斜視図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2003062899.tif 000032
【図１Ｂ】
2003062899.tif 000033
【図１Ｃ】
2003062899.tif 000034
【図１Ｄ】
2003062899.tif 000035
【図１Ｅ】
2003062899.tif 000036
【図２Ａ】
2003062899.tif 000037
【図２Ｂ】
2003062899.tif 000038
【図２Ｃ】
2003062899.tif 000039
【図３】
2003062899.tif 000040
【図４Ａ】
2003062899.tif 000041
【図４Ｂ】
2003062899.tif 000042
【図５Ａ】
2003062899.tif 000043
【図５Ｂ】
2003062899.tif 000044
【図５Ｃ】
2003062899.tif 000045
【図５Ｄ】
2003062899.tif 000046
【図５Ｅ】
2003062899.tif 000047
【図５Ｆ】
2003062899.tif 000048
【図６Ａ】
2003062899.tif 000049
【図６Ｂ】
2003062899.tif 000050
【図７Ａ】
2003062899.tif 000051
【図７Ｂ】
2003062899.tif 000052
【図８Ａ】
2003062899.tif 000053
【図８Ｂ】
2003062899.tif 000054
【図８Ｃ】
2003062899.tif 000055
【図９Ａ】
2003062899.tif 000056
【図９Ｂ】
2003062899.tif 000057
【図９Ｃ】
2003062899.tif 000058
【図１０】
2003062899.tif 000059
【図１１】
2003062899.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月11日(2004.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射側光伝送路（１１，１１ａ）からの光を反射させるミラー素子（１，１Ａ）と上記ミラー素子を駆動するアクチュエータ（２）とを備え、
上記ミラー素子は、上記アクチュエータの駆動によって上記入射側光伝送路から入射した光の光路を出射側光伝送路（１１，１１ａ，１１ｂ）へ切り替える光スイッチであって、
上記アクチュエータは、薄膜圧電体（３）と、上記薄膜圧電体を駆動するための電圧を印加する電極（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、上記薄膜圧電体と上記電極を有する弾性体（５）とを備える圧電素子（２）により構成され、かつ、上記ミラー素子を挟んで対向する圧電素子の長手方向が並行であり、上記電極に対する電圧印加による上記薄膜圧電体のたわみ変形により、上記ミラー素子を駆動させ、
上記ミラー素子は、上記薄膜圧電体に平行な面に又は上記薄膜圧電体の法線方向にミラー面（１ａ，１ｂ）が設けられ、上記アクチュエータは、上記ミラー素子を上記薄膜圧電体に平行な面より傾斜又は上記薄膜圧電体の法線方向に並行移動させたのち所定の位置に保持するミラー素子保持装置（１４）を有する光スイッチ。
【請求項２】
上記ミラー素子保持装置は、薄膜圧電体の駆動とは別の、静電駆動で上記ミラー素子を保持又は機械的に上記ミラー素子を保持する装置とし、上記ミラー素子の保持時には薄膜圧電体への電圧印加を解除する請求項１に記載の光スイッチ。
【国際調査報告】
2003062899.tif 000061
2003062899.tif 000062
2003062899.tif 000063
2003062899.tif 000064
2003062899.tif 000065
2003062899.tif 000066