(57)【要約】【課題】微小ミラー若しくは遮蔽体にて光路を切り替える光スイッチを提供する。【解決手段】微小ミラー若しくは遮蔽体３の支持部６の外周面の一部には駆動層７が直接形成されている。この駆動層７は銅などの電極層７ａ、ＰＺＴなどの圧電体層７ｂ、銅などの電極層７ｃを順次積層した構成となっている。前記駆動層７の作用は、電極層７ａ、７ｃを介して圧電体層７ｂに通電することで、圧電体層７ｂが伸縮し、これにより図２の想像線で示すように、支持部６が曲がり、光路から微小ミラー若しくは遮蔽体３が外れ、光路が開となり、通電を止めると、元位置に復帰し光路を遮断する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小ミラー若しくは遮蔽体を移動若しくは回動することで光路を変更するようにした光スイッチにおいて、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面には、電極層、圧電体層、電極層を順次積層した駆動層が直接形成され、この駆動層に通電することで前記微小ミラー若しくは遮蔽体を移動若しくは回動せしめることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光スイッチにおいて、前記駆動層は多結晶であり、前記駆動層を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないことを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光スイッチにおいて、前記駆動層の厚みは５μｍ以上であることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
微小ミラー若しくは遮蔽体の角度を変更することで、一方の光ファイバから他方の光ファイバへの伝達光量を可変とした光可変減衰素子において、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面には、電極層、圧電体層、電極層を順次積層した駆動層が直接形成され、この駆動層に通電することで前記微小ミラー若しくは遮蔽体を移動若しくは回動せしめることを特徴とする光可変減衰素子。
【請求項５】
請求項４に記載の光可変減衰素子において、前記駆動層は多結晶であり、前記駆動層を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないことを特徴とする光可変減衰素子。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の光可変減衰素子において、前記駆動層の厚みは５μｍ以上であることを特徴とする光可変減衰素子。
【請求項７】
光路を変更する光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法において、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記電極層に向けて吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の表面に電極層を形成することを特徴とする光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法。
【請求項８】
光路を変更する光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法において、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の長手方向の端面に電極層を形成することを特徴とする光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法。
【請求項９】
光路を変更する光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法において、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に長手方向に離間した一対の電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に向けて吹き付け、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を前記一対の電極層に少なくとも一部が重なるように形成することを特徴とする光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法。
【請求項１０】
請求項７乃至請求項９に記載の光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法において、前記電極層の形成は、金属微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に向けて吹き付けて金属微粒子材料を接合する方法、蒸着による方法または塗布による方法の何れかとしたことを特徴とする光素子用微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ、光可変減衰素子およびこれら光素子に組み込まれる微小ミラー若しくは遮蔽体の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークには、光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置が多数用いられている。
上記光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置には光信号を電気信号に変換することなくそのまま光路を切り替える光スイッチや光可変減衰素子が組み込まれている。
【０００３】
光スイッチや光可変減衰素子には各種方式があるが、微小ミラーを移動或いは回動させるタイプとして、特開２００２−２３０７４号公報に開示されるものがある。
この先行技術にあっては発光側光ファイバと受光側光ファイバの間にミラーを配置し、このミラーを磁性体、ソレノイドコイル、永久磁石等の駆動部材によって移動させることで上記光ファイバ間の光路を開放又は遮断することで、スイッチ作用をなすようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光スイッチにあっては、磁性体、ソレノイドコイル、永久磁石等の駆動部材が必要となり、これら駆動部材を配置するためのスペースが大きくなるとともに取付けるための作業が面倒で、小型化、信頼性、コスト面で問題が多い。
【０００５】
特に多チャンネルの光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置等に組み込む場合には、複数の微小ミラーを独立して動かすことが要求され、構造が複雑になり、小型化を達成できない。
【０００６】
また、小型化という点では静電気によって微小ミラーを駆動する光スイッチも提案されているが、このような静電気により駆動できる微小ミラーは極微小ミラーに限定され、比較的大きな駆動力が要求される光スイッチには不向きであり，比較的大きな駆動力を発生させるには圧電素子が好適に用いられる。この場合、ＣＶＤなどの蒸着法によって微小ミラーの一部に直接圧電体層などを形成することは可能であるが、１〜２μｍ程度の極めて薄い膜しか形成することができず、駆動部材として利用することはできない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る光スイッチは光路を変更せしめる微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部にエアロゾルデポジション法によって十分な駆動力を発揮する圧電体層を直接形成した。
【０００８】
即ち、本発明に係る光スイッチは、微小ミラー若しくは遮蔽体を移動若しくは回動することで光路を変更するようにした光スイッチにおいて、前記微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面には、電極層、圧電体層、電極層を順次積層した駆動層が直接形成され、この駆動層に通電することで前記微小ミラーを移動若しくは回動せしめる構成とした。
また、本発明に係る光可変減衰素子も光スイッチ同様に、微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に駆動層が直接形成された構成とした。
【０００９】
微小ミラー若しくは遮蔽体を移動または回動させるための駆動層としては、５μｍ以上の厚さが必要であり、これ以下では駆動力が不足するおそれがある。このためには、後述するエアロゾルデポジション法によって少なくとも圧電体層を形成することが望ましい。この圧電体層の形成に際しては、エアロゾルデポジション法の加工時間をあまり長くしないために２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とする。
尚、エアロゾルデポジション法によれば、厚みのみでなく直径寸法も容易にコントロールすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る光スイッチ用微小ミラーの作製方法は、微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に電極層を形成し、次いで、圧電体微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを前記電極層に向けて吹き付けて、圧電体微粒子が接合してなる圧電体層を形成し、次いで、この圧電体層の表面に電極層を形成する。
尚、電極層の形成は、エアロゾルデポジション法に限らず、蒸着や塗布でもよいが、エアロゾルデポジション法は焼成工程がないため焼成に起因する寸法誤差が生じないので好ましい。
【００１１】
ここで、上記のセラミック微粒子をガス中に分散したエアロゾルを基板に吹き付けて、基板上にセラミックの構造物を形成する方法はエアロゾルデポジション法と呼ばれる。特許第３２６５４８１号、国際出願特許ＷＯ　０１／２７３４８Ａ１に開示されるものが知られている。このエアロゾルデポジション法は常温で実施する。ここで常温とは、セラミックスの焼成温度に対して十分低い室温付近の温度のことであり、実質的に２００℃以下の温度を言う
【００１２】
また、エアロゾルデポジション法により作製される構造物（圧電体層）は多結晶であり、前記構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在しないものとすることができ、硬さ、耐摩耗性、耐食性などの機械的・化学的特性に優れた圧電素子となる。また、エアロゾルデポジション法による直接接合部はアンカー部を形成し、接着剤を用いることなく強固な接合が達成される。
前記圧電体材料としては強誘電性を示すチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸鉛系材料、チタン酸ジルコン系材料、チタン酸ジルコン酸鉛系材料、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを用いることができるがこれらに限定されるものではない。
【００１３】
なお、本明細書では上記多結晶等については以下のように定義する。
（多結晶）
本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（結晶配向性）
本件では多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指し、配向性があるかないかは、一般には実質的に配向性のないと考えられる原料粉体微粒子を測定したデータあるいは粉末Ｘ線回折などによって標準データとされたＪＣＰＤＳ（ＡＳＴＭ）データ、を指標として判断する。
構造物中の脆性材料結晶を構成する物質を挙げたこの指標における主要な回折３ピークのピーク強度を１００％として、構造物の同物質測定データ中、最も主要なピークのピーク強度をこれに揃えた場合に、他の２つのピークのピーク強度が指標の値と比較して３０％以内にそのずれが収まっている状態を，本件では実質的に配向性がないと称する。
（界面）
本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。
（粒界層）
界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
（アンカー部）
本件においてアンカー部とは、基材と構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は微小ミラー若しくは遮蔽体を用いた光スイッチを示し、図１（ａ）に示す光スイッチは、１×１タイプであり、発光側光ファイバ１、発光側コリメートレンズ２、微小ミラー若しくは遮蔽体３、受光側コリメートレンズ４及び受光側光ファイバ５から構成され、微小ミラー若しくは遮蔽体３が矢印方向に移動することで、発光側光ファイバ１と受光側光ファイバ５との光路が開とされ、遮蔽体３が元の位置に戻ることで発光側光ファイバ１と受光側光ファイバ５との光路が閉とされる。
【００１５】
図１（ｂ）に示す光スイッチは、２×２タイプであり、微小ミラー３を図の矢印方向に進退させることで、光路がオン・オフされ、（ｃ）に示す光スイッチは、１×Ｎタイプであり、微小ミラー３を図の矢印方向に回動させることで、光路がオン・オフされ、（ｄ）に示す光スイッチは、１×Ｎタイプであり、微小ミラー３を紙面垂直方向に進退させることで、光路がオン・オフされ、（ｅ）に示す光スイッチは、Ｎ×Ｎタイプであり、微小ミラー３を紙面垂直方向に進退させることで、光路がオン・オフされる。
【００１６】
図２は前記光スイッチに組み込まれる微小ミラー若しくは遮蔽体３の拡大図であり、微小ミラー若しくは遮蔽体３の支持部６の外周面の一部には駆動層７が直接形成されている。この駆動層７は銅などの電極層７ａ、ＰＺＴなどの圧電体層７ｂ、銅などの電極層７ｃを順次積層した構成となっている。
【００１７】
駆動層７の作用は、電極層７ａ、７ｃを介して圧電体層７ｂに通電することで、圧電体層７ｂが伸縮し、これにより図２の想像線で示すように、支持部６が曲がり、光路から微小ミラー若しくは遮蔽体３が外れ、光路が開となり、通電を止めると、元位置に復帰し光路を遮断する。
【００１８】
図３は微小ラー表面に駆動層を作製する装置の概略図、図４（ａ）〜（ｄ）は微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部表面に駆動層を作製する手順を説明した図であり、図３において、作製装置４０は窒素ガスボンベ４０１がガス搬送管４０２を介して、サブミクロン粒径の誘電体セラミックス微粒子又は金属微粒子を内蔵するエアロゾル発生器４０３に接続し、エアロゾル搬送管４０４を介して形成室４０５内に設置された、縦０．４ｍｍ横５ｍｍの開口を持つノズル４０６に接続されている。ノズル４０６の先にはＸＹステージ４０７に設置された微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６が配置される。形成室４０５は真空ポンプ４０９に接続されている。微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面または表面から若干離れた位置には、形成する駆動層７のサイズに応じた貫通孔があけられたマスク４１０が設けられている。
【００１９】
以上の構成からなる作製装置４０による駆動層７の作製手順を述べる。窒素ガスボンベ４０１を開栓し、窒素ガスを搬送管４０２を通じてエアロゾル発生器４０３に導入させ、金属微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管４０４を通じてノズル４０６へと送られ、ノズル４０６の開口より高速で微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面に噴出される。このとき真空ポンプの作動により、形成室４０５内は数ｋＰａの減圧環境下におかれている。その結果、図４（ａ）に示すように、微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面に電極層７ａが形成される。
【００２０】
次いで、前記同様にしてＰＺＴなどの圧電材料微粒子を含むエアロゾルを発生させ、ノズル４０６の開口より高速で微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面に既に形成した電極層７ａの上に噴出する。すると、圧電材料微粒子が電極層７ａに高速で衝突し、破砕・変形などを起こして粒子や断片がお互いに接合し、図４（ｂ）に示すように電極層７ａの上に圧電体層７ｂが形成される。
【００２１】
この後、前記と同様にして圧電体層７ｂの上に電極層７ｃを形成することで、厚みが５μｍ以上の駆動層７が形成される。尚、以上の操作は常温環境下で行われる。
また、駆動層７の形成方法としては、微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面にエアロゾルデポジション法で先ず圧電体層７ｂを形成し、この圧電体層７ｂの両端部にかかるようにエアロゾルデポジション法若しくは他の方法で電極層７ａ，７ｃを形成するか、微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部６の表面にエアロゾルデポジション法若しくは他の方法で電極層７ａ，７ｃを形成した後に、これら電極層７ａ，７ｃに少なくともその一部が重なるようにエアロゾルデポジション法で圧電体層７ｂを形成する方法が考えられる。
【００２２】
図５（ａ）は実施例に係る微小ミラーの平面図、（ｂ）は微小ミラーの側面図であり、この実施例にあってはミラー３の平面とミラーの支持部６の移動方向とが略直交方向になるようにしている。そして、この実施例にあっては駆動層７への通電によって支持部６が湾曲し、通電を止めることで支持部６が水平となり、この水平状態で、発光側光ファイバ１からの光が発光側コリメートレンズ２、微小ミラー３、受光側コリメートレンズ４を介して受光側光ファイバ５に入射する。
【００２３】
図６（ａ）は別実施例に係る微小ミラーの平面図、（ｂ）は微小ミラーの側面図であり、この実施例にあっては微小ミラー３の支持部６をアングル状に曲げ、それぞれの部分６ａ、６ｂのそれぞれに駆動層７を設け、任意の角度に微小ミラーの反射面を向けることができるようにし、マルチタイプの光スイッチに適用可能としている。
【００２４】
図７（ａ）は別実施例に係る微小ミラーの斜視図、（ｂ）は同微小ミラーの支持部の要部拡大図であり、この実施例も図６に示した実施例と同様に任意の角度に反射面を向けることができる。即ち、外側リング１１の内側に支持ロッド１２を介して内側リング１３を回動可能に配置し、この内側リング１３に支持ロッド１４を介して微小ミラー３を支持している。
【００２５】
微小ミラー３の支持ロッド１４には図７（ｂ）に示すようにアーム１５が取付けられ、このアーム１５に駆動層７がエアロゾルデポジション法によって直接形成され、この駆動層７に通電することで支持ロッド１４が回動し、これと一体的に微小ミラー３も回動する。
【００２６】
図８は本発明に係る光可変減衰素子を説明した図であり、この実施例にあっては、発光側ファイバ１と受光側光ファイバ５の間に微小ミラー３を配置し、微小ミラー３の支持部６に設けた駆動層７に通電することで、微小ミラー３の角度を若干変えることで、発光側光ファイバ１と受光側ファイバ５の光軸がずれ、伝達光量が変化する構成になっている。
【００２７】
【本発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、エアロゾルデポジション法によって光スイッチ等の光素子を構成する微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部に駆動層を形成したので、光スイッチ等を小型化でき、しかも焼成工程を伴わないので、寸法精度に優れた光スイッチとすることができ、またミラーを任意の角度に曲げることができるため、多チャンネル化にも対応できる光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は光スイッチの各種タイプを説明した図
【図２】同光スイッチに組み込まれる微小ミラー若しくは遮蔽体の拡大図
【図３】本発明に係る光スイッチに組み込むミラーに圧電体層を作成するための装置の概略図
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、可動光ファイバ表面に駆動層を作製する手順を説明した図
【図５】（ａ）は実施例に係る微小ミラーの平面図、（ｂ）は微小ミラーの側面図
【図６】（ａ）は別実施例に係る微小ミラーの平面図、（ｂ）は微小ミラーの側面図
【図７】（ａ）は別実施例に係る微小ミラーの斜視図、（ｂ）は同微小ミラーの支持部の要部拡大図
【図８】本発明に係る光可変減衰素子を説明した図
【符号の説明】
１…発光側光ファイバ、２…発光側コリメートレンズ、３…微小ミラー若しくは遮蔽体、４…受光側コリメートレンズ、５…受光側光ファイバ、６、６ａ、６ｂ…微小ミラー若しくは遮蔽体の支持部、７…駆動層、７ａ，７ｃ…電極層、７ｂ…圧電体層、１１…外側リング，１２，１４…支持ロッド、１３…内側リング、４０…作製装置、４０１…窒素ガスボンベ，４０２…ガス搬送管，４０３…エアロゾル発生器、４０４…エアロゾル搬送管、４０５…形成室、４０６…ノズル、４０７…ＸＹステージ、４０９…真空ポンプ、４１０…マスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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