(57)【要約】【課題】小型化および低コスト化が可能な光スイッチを提供すること。【解決手段】ＭＥＭＳ光スイッチは，コリメート用のレンズであるマイクロレンズアレイ１０，１２と，入力側光ファイバ１４と，出力側光ファイバ１６と，ミラー１７と，基板１８とを有する。マイクロレンズアレイ１０，１２は，シリコン基板からなり，エッチングにより形成された回折光学素子からなる複数のレンズ部２を列状に配置して連結した構成を有する。【選択図】　　　図１
2004045876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングにより形成されたレンズ部を有するコリメート用のマイクロレンズを具備することを特徴とするＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項２】
前記レンズ部を複数備えることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項３】
複数の前記レンズ部のうちの少なくとも１つは他と光学性能が異なることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項４】
前記マイクロレンズは，複数の前記レンズ部が列状に配置されたアレイ状の構造を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項５】
前記マイクロレンズは，所定の光ファイバの外径寸法と略同一である円弧形状の外形を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項６】
自由空間ミラータイプであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項７】
前記マイクロレンズはシリコン結晶基板からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【請求項８】
前記レンズ部は回折光学素子からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，マイクロレンズを用いたＭＥＭＳ光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いたＭＥＭＳ光スイッチが提案されており，光産業技術振興協会　光技術動向調査報告書１７，Ｐ．８０−８５で報告されている。その一例として，自由空間ミラータイプのポップアップ方式のＭＥＭＳ光スイッチを図５に示す。図５のスイッチは，８×８のマトリックススイッチであり，並列配置された８本の入力側の光ファイバ１４，各入力側の光ファイバ１４の端面に対向配置された８個のＧＲＩＮレンズ１３，入力側の光ファイバ１４と直交する方向に並列配置された８本の出力側の光ファイバ１６，各出力側の光ファイバ１６の端面に対向配置された８個のＧＲＩＮレンズ１５，６４個のミラー１７，ファイバの端部と上記部品が載置される基板１８を有する。ここで，ＧＲＩＮレンズとは屈折率分布型レンズのことである。
【０００３】
入力側の光ファイバ１４からの光は，ＧＲＩＮレンズ１３によりコリメートされた後，ミラー１７に入射する。ミラー１７はこのコリメート光の進行方向に対し４５度の傾斜角を有する。ミラー１７により反射されたコリメート光は光路を９０度折り曲げられてＧＲＩＮレンズ１５で集光された後，出力側の光ファイバ１６の端面に入射する。
【０００４】
ミラー１７は不図示の可動電極上に設けられており，静電駆動力により各ミラー１７を個別に基板１８に垂直な方向に上下動して，光路に対して挿脱する。図５において，光路中に位置しているミラーを実線で，光路から離脱しているミラーを点線で示す。このように，所定のミラー１７が光路中に位置するよう選択することにより，光路が切り換えられ，光結合させる入力側の光ファイバ１４と出力側の光ファイバ１６の組み合わせが選択されて，光ビームをスイッチングする。図５に示すスイッチは１つのミラーがＯＮ／ＯＦＦの２値しか持たないクロス／バー相当のデジタルスイッチである。
【０００５】
上記構成のスイッチの特徴としては，構成が単純で，基板１８にＶ溝を混載することにより入力側の光ファイバ１４，出力側の光ファイバ１６のパッシブアライメントが可能なこと，デジタル動作なので制御が容易なこと等が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，ＧＲＩＮレンズの外径サイズが制限となり，ＧＲＩＮレンズを１ｍｍ以下のピッチで並列配置することが困難である。光スイッチの小型化を進めるにあたり，この点が障壁となっていた。
【０００７】
また，マトリックスを構成する光ファイバの数を増やし，スイッチの大規模化を図る際，必然的に入力側の光ファイバから出力側の光ファイバまでの光路が長くなる。そのため，コリメート長を長くする必要がある。ここで，コリメート長とはコリメートされた光が平行光状態を保って伝搬する距離である。しかし，光の性質からコリメート長を長くするとビーム径が大きくなる。ビーム径の大きな光を反射するためには，ミラーのサイズを大きくしなくてはならず，この点もスイッチの小型化に対する障害となっていた。
【０００８】
さらに，光スイッチの製造工程において，個々のＧＲＩＮレンズを１つずつ所定の位置に高精度に実装するのは容易な作業ではなく，高コスト化につながっていた。
【０００９】
本発明の目的は，このような問題に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，小型化が可能な光スイッチを提供することにある。また，本発明の別の目的は，低コスト化が可能な光スイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，エッチングにより形成されたレンズ部を有するコリメート用のマイクロレンズを具備することを特徴とするＭＥＭＳ光スイッチが提供される。かかる構成によれば，従来使用していたＧＲＩＮレンズよりも微小サイズのマイクロレンズを用いて光スイッチを構成できるので，光スイッチの小型化を進めることができる。
【００１１】
その際に，前記レンズ部を複数備えるようにしてもよい。また，複数の前記レンズ部のうちの少なくとも１つは他と光学性能が異なるように構成してもよい。
例えば，各レンズ部に対応する光路長に応じて，必要最小限のコリメート長が得られるよう，レンズ部の集光性能を異ならせる。かかる構成によれば，必要以上にビーム径が大きくなることがないため，光スイッチの小型化に寄与できる。
【００１２】
また，前記マイクロレンズは，複数の前記レンズ部が列状に配置されたアレイ状の構造を有するように構成することが好ましい。かかる構成によれば，複数の微小サイズのレンズ部をまとめて取扱うことができるので，実装時の取扱いが容易になり，作業時間が短縮され，低コスト化が可能になる。
【００１３】
さらにまた，前記マイクロレンズは，所定の光ファイバの外径寸法と略同一である円弧形状の外形を有するように構成することが好ましい。かかる構成によれば，光ファイバが配置される実装用の溝に，マイクロレンズも光ファイバと同様に実装することができるので，高精度な実装が容易に可能である。
【００１４】
なお，上記光スイッチは自由空間ミラータイプであるように構成してもよい。
また，前記マイクロレンズは，例えばシリコン結晶基板からなるようにしてもよい。あるいは，ＧａＡｓ，Ｉｎｐ，ＧａＰ，ＳｉＣ，Ｇｅ等を材料とする基板からなるようにしてもよい。また，前記レンズ部は回折光学素子からなるよう構成してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお，以下の説明および添付図面において，略同一の機能および構成を有する構成要素については，同一符号を付すことにより，重複説明を省略する。
【００１６】
図１は，本発明の第１の実施の形態にかかるＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。本スイッチでは，コリメート用のレンズとして図５に示すＧＲＩＮレンズに代わり，マイクロレンズアレイを用いている。本スイッチは自由空間ミラータイプのポップアップ方式のＭＥＭＳ光スイッチであり，８×８のマトリックススイッチである。
【００１７】
本スイッチは，マイクロレンズアレイ１０，１２と，８本の入力側の光ファイバ１４と，８本の出力側の光ファイバ１６と，６４個のミラー１７と，光ファイバの端部と上記部品が載置される基板１８とを有する。
【００１８】
図２に主要構成部品であるマイクロレンズアレイ１０の一例の部分斜視図を示す。マイクロレンズアレイ１０は所定間隔を持って列状に配置された８つのレンズ部２と，それらレンズ部２を一体化して一方向に伸長した取扱・支持部４を有する。取扱・支持部４は，図２に示す通り，レンズ部２の外周の上部側でレンズ部と接続し，レンズ部２表面に略平行な面上でレンズ部２を越えてレンズ部２の列方向に沿って伸長し，１列中の全レンズ部２を接続して一体化するように形成されている。
【００１９】
レンズ部２はここでは円形形状をしており，エッチングにより形成された回折光学素子からなる。レンズ部２は，回折光学素子の１つであるＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｈｏｌｏｇｒａｍ）素子により形成してもよい。ＣＧＨ素子は，所望の光学特性を示す光学素子の光路差関数から所望の光学特性を得るに必要なフォトマスクのパターンをコンピュータを用いて求め，そのマスクパターンを用いて光学基板の表面の所望箇所にエッチング処理を施すことにより，所望の光学特性を有する回折型光学素子を形成したものである。
【００２０】
レンズ部２の下部側にはレンズ部２の外周の一部としての縁部３が位置し，レンズ部２の円周形状に沿った円弧形状を有する。この縁部３の円弧形状を呈する外形はレンズ部２の形成面側からその対向面側まで延びており，レンズ部２の光軸を中心軸とする略円柱形状の一部である略蒲鉾形の形状となっている。取扱・支持部４から下方に張り出すこの略蒲鉾形の部分を張出部５と呼ぶ。張出部５の円弧形状の外径寸法は，光ファイバ１４，１６の外径寸法と等しくなるよう構成されており，例えばその外径寸法はφ１２５μｍである。この張出部５の２つの端面は取扱・支持部４の所定の対応する面とそれぞれ同一平面となる。そしてこの張出部５の一方の端面とそれに対応する取扱・支持部４の所定の面とで成す平面にレンズ部２が形成されている。なお，上述の説明では，縁部３はレンズ部２を囲むように設けられているが，レンズ部２の外周が縁部３を構成するようになっていてもよい。
【００２１】
取扱・支持部４の上面および側面は平坦に形成されている。したがって，上方あるいは側方から保持手段によりマイクロレンズアレイ１０を保持することが容易である。保持手段としては例えば，挟持手段や吸引保持する負圧吸盤のような負圧保持手段が考えられる。
【００２２】
マイクロレンズアレイ１０はここでは，シリコン結晶基板からなる。マイクロレンズアレイ１０は，半導体技術で用いられるフォトリソ・エッチング技術を用いて，シリコン結晶基板にマイクロレンズアレイ１０に対応する形状のパターンをフォトマスクパターンとして用いてエッチングを行うことにより作製される。
なお，マイクロレンズアレイ１２もマイクロレンズアレイ１０と同様の構成を有する。
【００２３】
図１にもどって，ＭＥＭＳ光スイッチの構成を説明する。図１に示す本スイッチでは，図１に示す基板１８の左辺側に８本の入力側の光ファイバ１４が並列配置されている。各光ファイバ１４の端面に各レンズ部２が対向するように，マイクロレンズアレイ１０が配置されている。なお，ここではレンズ部２が形成されている面が光ファイバ１４に対向するように構成されているが，これに限定するものではない。レンズ部２の構成によっては，レンズ部２が形成されている面に対向する面が光ファイバ１４に対向するようにマイクロレンズアレイ１０を配置してもよい。
【００２４】
この光ファイバ１４とマイクロレンズアレイ１０のレンズ部２の結合状態を図３の部分拡大図に示す。光ファイバ１４およびマイクロレンズアレイ１０は基板１８に形成された断面がＶ字形状のＶ溝１９上に載置されて配置される。マイクロレンズアレイ１０は図２に示した張出部５がＶ溝１９の側壁に当接している。
このように，同じ外径を有する光ファイバ１４と張出部５それぞれをＶ溝１９に当接して載置することにより，光ファイバ１４とレンズ部２は同一の光軸を共有でき，高精度な実装が可能になる。
【００２５】
図１に示す基板１８の下辺側には８本の出力側の光ファイバ１６が並列配置されている。また，各光ファイバ１６の端面に各レンズ部２が対向するように，マイクロレンズアレイ１２が配置されている。この光ファイバ１６とマイクロレンズアレイ１２の結合状態は，前述の光ファイバ１４とマイクロレンズアレイ１０の結合状態と同様である。
【００２６】
図１に示すように，マイクロレンズアレイ１０とマイクロレンズアレイ１２は直交する向きに配置されており，マイクロレンズアレイ１０の各レンズ部２の光軸とマイクロレンズアレイ１２の各レンズ部２の光軸もまた直交する。これらの光軸の交点となる基板１８上の６４個の位置にミラー１７が設けられている。ミラー１７の反射面は各レンズ部２の光軸に対し，４５度の角度を有する向き配置されている。
【００２７】
ミラー１７は不図示の可動電極上に設けられている。静電駆動力により各ミラー１７を個別に基板１８に垂直な方向に上下動して，光路に対して挿脱する。図１において，光路中に位置しているミラーを実線で，光路から離脱しているミラーを点線で示す。このように，所定のミラー１７が光路中に位置するよう選択することにより，光路が切り換えられ，光結合させる入力側の光ファイバ１４と出力側の光ファイバ１６の組み合わせが選択されて，光ビームをスイッチングする。図１に示すスイッチは１つのミラーがＯＮ／ＯＦＦの２値しか持たないクロス／バー相当のデジタルスイッチである。
【００２８】
本スイッチの動作を説明する。入力側の光ファイバ１４からの光はそれぞれ，対向するマイクロレンズアレイ１０のレンズ部２によりコリメートされた後，光路中に位置する所定のミラー１７で反射される。反射光は光路を９０度折り曲げられて進行した後，マイクロレンズアレイ１２のレンズ部２で集光されて，それぞれ対向する出力側の光ファイバ１６の端面に入射する。
【００２９】
ここで，図１に示すファイバ間隔であるピッチＰを考える。ピッチＰを狭くすると，隣接する光ファイバからの光が干渉して影響が生じる。回折理論によれば，干渉の影響を考慮しなくてよいピッチＰの限界値は，８×８マトリックススイッチの場合で１２５μｍ，１６×１６マトリックススイッチの場合で２５０μｍ，３２×３２マトリックススイッチの場合で５００μｍである。
【００３０】
このような狭ピッチは，従来のＧＲＩＮレンズを用いた光スイッチではＧＲＩＮレンズのサイズのために実現できなかったが，本実施の形態のような，エッチングにより形成されたレンズ部２を有するマイクロレンズアレイを用いた光スイッチでは実現可能である。具体的に８×８マトリックススイッチを考えた場合，従来のＧＲＩＮレンズを用いたスイッチでは数十ｍｍ２のサイズになるが，本実施の形態のスイッチでは１ｍｍ２程度にすることができるので，従来に比べ数十分の１の小型化が達成可能となる。
【００３１】
以上より，本実施の形態によれば，エッチングにより形成されたレンズ部を有するマイクロレンズをコリメータレンズとして用いることにより，レンズ外径サイズによる制限がなくなり，回折理論上十分な値までピッチを小さくできる。よって，ＭＥＭＳ光スイッチの小型化を大いに進めることができる。ピッチを小さくすることができるため，従来に比べ全体的に光路長を短くでき，必要なコリメート長も短くなる。前述のコリメート長とビーム径の関係から，コリメート光のビーム径も従来に比べて小さくなり，必要なミラーサイズを小さくできる。また，複数のレンズ部が一体化されたマイクロレンズアレイの構成を採用することで，複数のレンズ部を一括して取り扱うことができるので，実装時の取扱が非常に容易になり，低コスト化が達成できる。さらに，上記マイクロレンズアレイは光ファイバと同じ外径を有する張出部を備えているため，Ｖ溝に高精度に実装することができる。
【００３２】
次に，図４を参照しながら，本発明の第２の実施の形態にかかるＭＥＭＳ光スイッチについて説明する。図４はスイッチの構成を示す上面図である。本実施の形態の光スイッチでは，レンズ部の構成が第１の実施の形態の光スイッチと異なる。以下，この点に注目して説明し，同様の構成については，重複説明を省略する。
【００３３】
本実施の形態では，第１の実施の形態におけるマイクロレンズアレイ１０，１２に代わって，マイクロレンズアレイ２０，２２が用いられている。マイクロレンズアレイ２０は８つのレンズ部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈを有し，マイクロレンズアレイ２２は８つのレンズ部２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌ，２ｍ，２ｎ，２ｐ，２ｑを有する。これらのレンズ部は異なる光学性能を有する。ここでは，各レンズ部によってコリメートされた光のコリメート長が異なるように構成されている。
【００３４】
各レンズ部に対応する最長の光路長は異なるため，必要とされるコリメート長もレンズ部ごとに異なる。例えば，マイクロレンズアレイ２０において，図４で上端に位置するレンズ部２ａは，下端に位置するレンズ部２ｈより長いコリメート長を有する光ビームを形成する必要がある。よって，本実施の形態では，各レンズ部に対応する光路長を考え，必要最小限のコリメート長が得られるよう，各レンズ部を構成している。
【００３５】
ここでは，レンズ部はエッチングにより形成される回折光学素子からなるため，１つのマイクロレンズアレイにおいて性能の異なるレンズ部を形成するには，個々のレンズ部に応じたマスクパターンを用いてエッチングを行えばよく，容易に作製可能である。
【００３６】
以上より，本実施の形態によれば，第１の実施の形態と同様に，エッチングにより形成されたレンズ部を有するマイクロレンズをコリメータレンズとして用いることにより，レンズ外径サイズによる制限がなくなり，回折理論上十分な値までピッチを小さくできる。よって，ＭＥＭＳ光スイッチの小型化を大いに進めることができる。ピッチを小さくすることができるため，従来に比べ全体的に光路長を短くでき，必要なコリメート長も短くなる。前述のコリメート長とビーム径の関係から，コリメート光のビーム径も従来に比べて小さくなり，必要なミラーサイズを小さくできる。また，複数のレンズ部が一体化されたマイクロレンズアレイの構成を採用することで，複数のレンズ部を一括して取り扱うことができるので，実装時の取扱が非常に容易になり，低コスト化が達成できる。さらに，上記マイクロレンズアレイは光ファイバと同じ外径を有する張出部を備えているため，Ｖ溝に高精度に実装することができる。
【００３７】
さらに本実施の形態では，各レンズ部に異なる光学性能を持たせて必要最小限のコリメート長を有する光を発生させるよう構成している。これによって，ビーム径を最小限にすることができるので，ミラーサイズの縮小化にいっそう寄与できる。この点は特に，大規模化された光スイッチに適用する際に非常に有効である。
【００３８】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３９】
上記説明では，主に自由空間ミラータイプのポップアップ方式の８×８のマトリックススイッチを例にとり説明したがこれに限定するものではない。本発明は２軸チルトミラー方式やスタンドアップ方式等の自由空間ミラータイプのＭＥＭＳ光スイッチに適用可能である。マトリックスを構成する光ファイバの数も上記例以外のものも可能である。また，上記例では，一列中の全てのレンズ部が連結されたレンズアレイを示したが，必要に応じて複数のレンズアレイの組み合わせ，単体のレンズとレンズアレイの組み合わせを採用することもできる。また，レンズアレイを構成するレンズ部，縁部，取扱・支持部，張出部等の形状は上記例に限定されず，様々な形状が考えられる。例えば，レンズ部は，円形に限らず所望の形状で形成可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上，詳細に説明したように本発明によれば，小型化が可能な光スイッチを提供できる。また，本発明の別の観点によれば，実装が容易で低コスト化が可能な光スイッチを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【図２】図１の光スイッチが有するマイクロレンズアレイの構成を示す斜視図である。
【図３】図１の光スイッチにおけるマイクロレンズアレイと光ファイバの結合状態を示す部分拡大斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【図５】従来のＭＥＭＳ光スイッチの構成を示す上面図である。
【符号の説明】
２　　　　レンズ部
３　　　　縁部
４　　　　取扱・支持部
５　　　　張出部
１０，１２　　　　マイクロレンズアレイ
１３，１５　　　　ＧＲＩＮレンズ
１４，１６　　　　光ファイバ
１７　　　　ミラー
１８　　　　基板
１９　　　　Ｖ溝
【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】
2004045876.tif 000007