(57)【要約】【課題】光スイッチのスイッチング動作を確実にし、動作効率を向上させる。【解決手段】可動光ファイバ１７が下部基板１１に部分的に固定され、板ばね１３および電磁石１８の作用により、その先端が第１および第２の固定光ファイバ１６，２６のいずれか一方の先端と選択的に対向するように変位する。板ばね１３は、下部基板１１に固定された固定部１３ａと、磁性片１３ｅが固着された平面部１３ｂと、板ばね１３の長手方向の両端部にて折り返され長手方向に沿って１往復以上蛇行している細長い梁状部１３ｃとからなる。可動光ファイバ１６は孔部１３ｄを貫通し、平面部１３ｂの上面には可動光ファイバ１６を下から持ち上げる第２の当接部Ｂが、下面にはそれを上から押さえつける第１の当接部Ａがそれぞれ位置している。板ばね１３と磁性片からなる動作部の重心は、平面部１３ｂ上で可動光ファイバ１６の軸線上にある。【選択図】　　　図１
2004053816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に固定されている非可動部分と可動部分とを有する光ファイバと、
前記基板に固定されている固定部と、磁力によって吸引または反発される平面部と、前記平面部内に位置し、前記光ファイバの可動部分に当接する第１の当接部と、前記平面部内に位置し、前記光ファイバの可動部分に前記第１の当接部と反対の方向から当接する第２の当接部と、複数回屈曲しながら蛇行して前記固定部と前記平面部を連結する細長い梁状部とからなる、前記光ファイバにばね力を及ぼす板ばねと、
前記平面部に作用する磁力を発生し、その磁力と前記板ばねのばね力の作用によって前記光ファイバの可動部分を変位させてスイッチングを行わせる磁力発生手段とを有する光スイッチ。
【請求項２】
前記梁状部の全長が、前記板ばね全体の長手方向の長さの２倍以上である、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記梁状部は、前記板ばねの長手方向の両端部にて折り返され、前記板ばねの長手方向に沿って１往復以上蛇行している、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記平面部を中心として、実質的に線対称に、１対の前記梁状部と１対の前記固定部が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記板ばねと磁性片からなる動作部の重心が前記平面部内に位置し、磁力が働いている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記動作部の重心が前記光ファイバの軸線上に位置している、請求項５に記載の光スイッチ。
【請求項７】
前記平面部には前記光ファイバが挿通される孔部が設けられており、前記孔部を挟んで一方の面に前記第１の当接部が位置し、他方の面に前記第２の当接部が位置している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項８】
前記可動部分を有する前記光ファイバの前記先端と対向可能な位置に先端を有する固定光ファイバが、前記基板に固定されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項９】
前記固定光ファイバから前記可動部分の可動方向に沿って離れた位置に、前記可動部分を有する前記光ファイバの前記先端と対向可能な先端を有するもう１つの固定光ファイバが設けられており、
前記可動部分の移動に伴って、前記光ファイバの先端が、前記固定光ファイバの先端および前記もう１つの光ファイバの先端のいずれか一方と選択的に対向する、請求項８に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
前記板ばねのうちの少なくとも前記平面部が、磁性材から形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
前記板ばねの少なくとも前記平面部に、磁性片が積層されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１２】
前記基板がシリコン基板であり、エッチングにより前記光ファイバを保持するための溝が形成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ伝送路などの光路の切り換えを行う光通信用の光スイッチに関し、特に、光ファイバを付勢する板ばねの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信分野などにおいて様々な光学デバイスが使用されており、例えば、光ファイバ伝送路の光路の切り換えや遮断を行う光スイッチとして、光ファイバを直接駆動して光路を切り替える構造のメカニカル光スイッチが多く用いられている。このメカニカル光スイッチは、構造が簡単であり、低挿入損失、小型化、低駆動電力が得られると言う特徴を有しているため、これまでに多くの構造が提案されている。図１４にその一例を示す。
【０００３】
図１４に示すメカニカル光スイッチは１×２型のスイッチであり、１本の可動光ファイバ１０９と、中空ソレノイドコイル１１０と、１対の永久磁石１１１ａ，１１１ｂと、２本の固定光ファイバ（半割円柱３内に隠れて見えない）と、円筒スリーブ１１２とを有している。円筒スリーブ１１２は、円筒管１０７および半割円柱１０３を整列保持し、かつ中空ソレノイドコイル１１０および永久磁石１１１ａ，１１１ｂが固定されている。可動光ファイバ１０９は、基部が円筒管１０７に片持ち梁状に固定されていて、その先端近傍表面に、所望の磁気特性を有するパイプ状の磁性体１０８が固着されている。中空ソレノイドコイル１１０は、流れる電流の向きを変えることにより、磁性体１０８両端の磁極を反転させるものである。１対の永久磁石１１１ａ，１１１ｂは、磁性体１０８に対して光軸と垂直方向に磁気吸引力を付与するものである。固定光ファイバは、半割円柱１０３の平坦部に形成されたＶ溝１０５内に固定されている。
【０００４】
このような構造のメカニカル光スイッチの動作は以下に示す通りである。可動光ファイバ１０９は、磁性体１０８の両端部の磁極に応じて、１対の永久磁石のいずれか一方（例えば１１１ａ）に磁気的に吸引され、その先端は、半割円柱１０３の平坦部に形成されたＶ溝１０５内において２本の固定光ファイバのいずれか一方と光結合する。そして、中空ソレノイドコイル１１０に通電して磁性体１０８に光軸に沿った磁界を印加することにより、磁性体１０８両端の磁極を反転させると、可動光ファイバ１０９は他方の永久磁石（例えば１１１ｂ）側に吸引されて他方の固定光ファイバに光結合する。電流を供給しない状態においても、磁性体１０８は永久磁石１１１ａまたは１１１ｂに磁気的に吸引されているため、一方の固定光ファイバとの結合状態を保つことができ、自己保持型のスイッチング動作を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示す従来例では、半割円柱１０３や円筒スリーブ１１２などの主要な構成部品に、極めて高い加工精度および組立精度が要求される。そのため、部品費用が高く、組立には長い時間を要し、製造コストが高くなる。
【０００６】
図１４に示す例に限らず、従来のメカニカル光スイッチは、構造が比較的簡単であるものの、高精度の構成部品を必要とする。また、構成部品が高精度であっても、加工公差や組立誤差があるため、高性能の光学特性を得るためには、組立時の調整に時間がかかるという問題がある。そのため、大量生産には適さず低コスト化は困難であるという問題がある。
【０００７】
また、近年の光ファイバを用いた光通信においては、時分割多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送ばかりでなく、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送を用いて、より大量の情報を伝達することが可能になっている。それに伴って、光信号を解析し、伝達された大量の情報を処理するために、光スイッチや光源や波長可変減衰器などの多数の様々な光学デバイスが複合されて用いられる。したがって、光通信システム全体をあまり大型化させないためには、光スイッチ等の個々の光学デバイスをできる限り小型化することが必要であり、光通信の多チャンネル化が進めば進むほど、さらに一層の小型化が望まれる。
【０００８】
そこで、従来、半導体製造などで多用されている、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）技術、すなわち、シリコン基板に対して露光およびエッチングなどを施すフォトリソグラフィ法で加工を行う技術を利用して、前記した従来例と同様な作動を行うメカニカル光スイッチを製造することが考えられる。図示しないが、この場合、シリコン基板を光スイッチの本体として、これにフォトリソグラフィ法により保持溝を形成し、この保持溝内に、可動光ファイバの少なくとも一部と固定光ファイバの少なくとも一部を、接着剤等により固定する構成である。ＭＥＭＳ技術は、高精度かつ微細な加工を行える技術として確立されており、小型の光学デバイスを低コストで大量生産することが可能になる。
【０００９】
このような構成のメカニカル光スイッチでは、磁力を利用して可動光ファイバを変位させるのに加えて、板ばねを用いて光ファイバを付勢して、スイッチングの確実性と速度の向上が図られる。具体的には、磁性片と板ばねとを接合したものや、磁性片自体を板ばねとして形成したもので光ファイバを保持し、確実かつ高速なスイッチング動作を可能にしている。その場合、できるだけ効率よく良好なスイッチング動作を行えるように、板ばねの形状などを工夫することが望まれる。
【００１０】
そこで本発明の目的は、ＭＥＭＳ技術を用いて微細に製造され、スイッチング動作が確実かつ高速であるとともに、動作効率が向上する光スイッチを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチは、基板と、基板に固定されている非可動部分と可動部分とを有する光ファイバと、光ファイバにばね力を及ぼす板ばねと、磁力を発生する磁力発生手段とを有している。この板ばねは、基板に固定されている固定部と、磁力発生手段からの磁力によって吸引または反発される平面部と、平面部内に位置し、光ファイバの可動部分に当接する第１の当接部と、平面部内に位置し、光ファイバの可動部分に第１の当接部と反対の方向から当接する第２の当接部と、複数回屈曲しながら蛇行して固定部と平面部を連結する細長い梁状部とからなる。そして、磁力発生手段が平面部に作用する磁力と板ばねのばね力の作用によって、光ファイバの可動部分が変位することによってスイッチングが行われる。この構成によると、板ばねを用いて可動光ファイバを変位させるスイッチング動作のエネルギー効率を非常に向上させることができる。
【００１２】
梁状部の全長が、板ばね全体の長手方向の長さの２倍以上であることが好ましく、その場合、梁状部は、板ばねの長手方向の両端部にて折り返され、板ばねの長手方向に沿って１往復以上蛇行しているとよい。また、平面部を中心として、実質的に線対称に、１対の梁状部と１対の固定部が設けられていてもよい。このような構成によると、板ばねを含む光スイッチ全体の小型化が図れる。
【００１３】
板ばねと磁性片からなる動作部の重心が、平面部内に位置し、磁力が働いていることが好ましく、かつ光ファイバの軸線上に位置していることが好ましい。
【００１４】
平面部には光ファイバが挿通される孔部が設けられており、孔部を挟んで一方の面に第１の当接部が位置し、他方の面に第２の当接部が位置していてもよい。
【００１５】
可動部分を有する光ファイバの先端と対向可能な位置に先端を有する固定光ファイバが、基板に固定されていてもよく、さらに、固定光ファイバから可動部分の可動方向に沿って離れた位置に、可動部分を有する光ファイバの先端と対向可能な先端を有するもう１つの固定光ファイバが設けられており、可動部分の移動に伴って、光ファイバの先端が、固定光ファイバの先端およびもう１つの光ファイバの先端のいずれか一方と選択的に対向する構成であってもよい。
【００１６】
板ばねの少なくとも平面部が、磁性材から形成されていてもよく、また、板ばねの少なくとも平面部に、磁性片が積層されていてもよい。
【００１７】
基板がシリコン基板であり、エッチングにより光ファイバを保持するための溝が形成されていてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。まず、本実施形態の光スイッチ全体の基本構成について説明する。図１は本実施形態の１×２光スイッチの一部省略斜視図（固定光ファイバの設けられている部分を省略している）であり、図２（ａ）はその光スイッチの上部基板を外した状態の平面図、図２（ｂ）はその正面図、図２（ｃ）はその側面断面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）の部分拡大図である。図３はその第１の状態の、図２のＳ１−Ｓ１線断面図、図４は第２の状態のＳ１−Ｓ１線断面図である。図５〜８はそれぞれ、図２のＳ２−Ｓ２線からＳ５−Ｓ５線の断面図である。なお、これらの図においては、見易くするために、一部の寸法の縮尺を変えて図示している。
【００１９】
本実施形態の光スイッチは、１つの入力側裸光ファイバ（可動光ファイバ１７）が基板（下部基板）１１に対して垂直方向に移動することにより、２つの出力側裸光ファイバ（固定光ファイバ１６ともう１つの固定光ファイバ２６）へ光路の切り換えを行うことができる、１×２光スイッチである。この光スイッチの本体は、下部基板（シリコン基板）１１と上部基板（もう１つのシリコン基板）２１から構成されており、それぞれの基板１１，２１が向かい合う面には、Ｖ溝（保持溝）１２，２２と凹部１４，２４が形成されている。図７，８に示すように、下部基板１１に形成された第１のＶ溝（保持溝）１２には、根元部が固定されていて、先端部（可動部分）が下部基板１１に対して垂直方向に移動可能な片持ち梁状の可動光ファイバ１７と、可動光ファイバ１７と端面同士が近接して対向する第１の固定光ファイバ１６が固定されている。また、上部基板２１に形成された第２のＶ溝（保持溝）２２には、図７に示すように端面の光軸方向の位置が第１の固定光ファイバ１６とほぼ一致する第２の固定光ファイバ（もう１つの固定光ファイバ）２６が、第１の固定光ファイバ１６と平行に並んで固定されている。各光ファイバ１６，１７，２６の各Ｖ溝１２，２２内への固定は接着剤によって行われている。なお、通常の光ファイバは心線の周りが樹脂コートされているが、ここでは、先端から所望の長さだけ樹脂コートを剥離して裸にした光ファイバを使用し、その裸にされた部分をＶ溝内に挿入している。
【００２０】
下部基板１１の一部には凹部１４が設けられており、その凹部１４上に、図９に拡大して示す板ばね１３が取り付けられている。板ばね１３は、下部基板１１に固定されている１対の固定部１３ａと、大面積の単一の平面部１３ｂと、１対の固定部１３ａと平面部１３ｂとをそれぞれ連結する１対の細長い梁状部１３ｃとからなり、平面部１３ｂを中心として対称な形状に形成されている。平面部１３ｂには、後述する電磁石１８の磁力を受ける磁性片１３ｅが固着されて一体化されている。また、平面部１３ｂには、孔部１３ｄが設けられている。図１〜４に示すように、この孔部１３ｄに可動光ファイバ１７が挿通されて、可動光ファイバ１７は、孔部１３ｄの上下両縁部と屈曲する平面部１３ｂの上下両面に上下から当接されて挟まれた状態に保持されている。平面部１３ｂが上方から可動光ファイバ１６に当接する部分を第１の当接部Ａ、平面部１３ｂが下方から可動光ファイバ１６に当接する部分を第２の当接部Ｂとして示している。本発明の主たる特徴である、この板ばね１３の形状の詳細については後述する。
【００２１】
上部基板２１の、凹部２４および第２のＶ溝２２と反対側の面には、磁力発生手段である電磁石１８（図１には概略的に図示）が配置されている。例えば、この電磁石１８が鉄心とコイルで形成されている場合、コイルに電流を流すことにより、板ばね１３の平面部１３ｂ（磁性片１３ｅ）の周辺に磁場を発生させ、下部基板１１に対して垂直な方向の磁気吸引力を与えることができる。この磁気吸引力により、図３に示す初期状態から、図４に示すように、板ばね１３の平面部１３ｂは電磁石１８に向かって移動する。このとき、可動光ファイバ１７の先端部は、板ばね１３の平面部１３ｂ（第２の当接部Ｂ）により持ち上げられて、電磁石１８の方へ移動する。
【００２２】
なお、図５，６，８に示す断面図では、可動光ファイバ１７が第１の固定光ファイバ１６と光結合している状態を実線で示し、可動光ファイバ１７が第２の固定光ファイバ２６と光結合している状態を破線で示している。電磁石１８のコイルに電流を流していないとき、すなわち、磁性片１３ｅに磁気吸引力が働いていないときには、図３，６に示すように、可動光ファイバ１７の先端部には、板ばね１３の平面部１３ｂ（第１の当接部Ａ）から下部基板１１方向への付勢力が加わり、図８に示すように、可動光ファイバ１７は第１のＶ溝１２内に保持される。
【００２３】
第１のＶ溝１２には、図１〜３に示すように、第１の固定光ファイバ１６が、可動光ファイバ１７と端面同士が近接するように配置されており、同一のＶ溝１２内で端面が近接する２本の光ファイバ１６，１７間で、挿入損失の低い光結合が行われる。そして、電磁石１８のコイルに電流を流すと、すなわち、板ばね１３の平面部１３ｂ（磁性片１３ｅ）に磁気吸引力が働くと、図４，５に示すように、板ばね１３の平面部１３ｂは下部基板１１から離れる方向へ移動し、可動光ファイバ１７の先端部は、板ばね１３の平面部１３ｂ（第２の当接部Ｂ）により持ち上げられて、図８に破線で示すように、上部基板２１に形成した第２のＶ溝２２内に押し付けられる。このように可動光ファイバ１７は第２のＶ溝２２内に保持され、第２の固定光ファイバ２６と光結合する。
【００２４】
このような構成の光スイッチによると、電磁石１８のコイルに流す電流をＯＮ／ＯＦＦすることにより、板ばね１３を変位させ、平面部１３ｂに保持されている可動光ファイバ１７を、第１のＶ溝１２内または第２のＶ溝２２内に選択的に位置させて、２本の固定光ファイバ１６，２６への光の切り換えが可能である。この光スイッチは、比較的単純な構造であるために、組立時の調整が容易であり、高性能な光スイッチを低コストで供給できる。また、主要部品である上部基板２１や下部基板１１は、シリコンやガラスウェハから量産性良く製造できる。
【００２５】
以上説明した構成の光スイッチにおいて、スイッチング動作を確実かつ高速にするとともに、できるだけ動作効率を向上させるために、板ばね１３の形状に工夫が凝らされている。その点について詳細に説明する。
【００２６】
まず、図１０（ａ）に示すようなモデルを用い、一端が固定された片持ち梁を、前記した光スイッチの可動光ファイバ１６の可動部分とみなして解析を行う。片持ち梁を板ばね１３によって上方から押さえつける点（第１の当接部）をＡとしてその力（ばね力）をＲｂとし、片持ち梁を板ばね１３によって下方から持ち上げる点（第２の当接部）をＢとしてその力（磁気吸引力）をＦとすると、図１０（ａ）に示すモデルは、図１０（ｂ）に示すモデルと図１０（ｃ）に示すモデルを重ね合わせたものと考えられる。そして、片持ち梁の全長をｌ（ｍｍ）、ヤング率をＥ（Ｎ／ｍｍ２）、断面２次モーメントをＩとし、板ばね１３のばね定数をｋ（Ｎ／ｍｍ）とし、片持ち梁の固定部分から点Ａまでの距離をａ（ｍｍ）、固定部分から点Ｂまでの距離をｂ（ｍｍ）とする。そこで、磁力によってＡ点に働く力Ｆ（Ｎ）と、点Ａにおける変位ＹＡの関係は、下式の通りになる。
【００２７】
【数１】
2004053816.tif 000003
【００２８】
ここで、変数α，βを用いてこの式を書き換えると以下の通りになる。なお、ａ＝αｌ、ｂ＝βｌ＝（β／α）×ａであり、０＜α＜１かつ０＜β＜１である。さらに、図９，１０に基づいて、ａ＜ｂ、すなわち、α＜βとする。
【００２９】
【数２】
2004053816.tif 000004
【００３０】
すなわち、ＦとＹＡの関係は、
【００３１】
【数３】
2004053816.tif 000005
【００３２】
である。なお、ｆは片持ち梁（光ファイバ１６）のばね定数であり、ｆ＝３ＥＩ／ｌ３である。Ｋは板ばね１３と片持ち梁のばね定数の比であり、Ｋ＝ｋ／ｆである。そして、ｆ＜ｋ、すなわちＫ＞１である。これは、板ばね１３の剛性が片持ち梁の剛性よりも大きいことを示しており、これによって、板ばね１３が、電磁石１８からの磁力を受けたときに、片持ち梁の剛性に打ち勝って片持ち梁を持ち上げることができることが保証されている。
【００３３】
本発明の光スイッチの構成を考えると、電磁石１８が可動光ファイバ１６に及ぼす力Ｆができるだけ小さく、その力Ｆによって可動光ファイバ１６が上方へ変位する変位量ＹＡができるだけ大きいことが望ましい。すなわち、最小の力Ｆで最大の変位ＹＡが得られるように設定することによって、光スイッチの性能を低下させることなく、電磁石１８に供給する電力（消費電力）を低減することができ、エネルギー効率の向上と、光スイッチの動作に要するコストの削減が可能になる。
【００３４】
また、
【００３５】
【数４】
2004053816.tif 000006
【００３６】
の関係がある。これは、α＜βであることと、ｆ＜ｋすなわちＫ＞１であることによる。
【００３７】
その結果、
【００３８】
【数５】
2004053816.tif 000007
【００３９】
を大きく、かつ
【００４０】
【数６】
2004053816.tif 000008
【００４１】
を小さくすることが望ましい。
【００４２】
実際の光スイッチの構成においては、所望の光学性能を得るために可動光ファイバ１６が選択されて、そのばね定数ｆなどは決まっているため、任意に設計可能なのは、α，β，ｋおよびＫである。本発明者は、実際に現実的な数値範囲で計算を行って、図１１，１２のグラフに示すような結果を得た。すなわち、図１１によると、αおよびβのいずれも、大きい（すなわち１に近い）ほど好ましいことが判る。この結果に基づいて、図１２においてαが最大である０．９のときを見ると、１−α３Ｋが０に近い（すなわち絶対値が最小になる）のは、Ｋ＝約１．４である。ただし、多少の寸法誤差や組立誤差等が存在するとしても、前記した通り、板ばね１３が梁の剛性に打ち勝って片持ち梁を持ち上げ可能であることを確実にすることを考慮すると、安全のためにＫ＝２すなわちｋ＝２ｆ程度が妥当と思われる。このような計算結果と、製造および組立の容易性とから、本発明者は、α＝０．９５、β＝０．９、Ｋ＝２を、光スイッチの適切な設計の一例であるとみなした。なお、各部材の材質や特性や寸法等によって以上述べた数値等は変動するため、これらの設計例は絶対的なものではないが、板ばね１３が可動光ファイバ１６に上下から当接する第１および第２の当接部Ａ，Ｂが、可動光ファイバ１６の可動部分の先端近傍に位置することが好ましいという傾向は明白である。
【００４３】
以上のようにモデル化して考察した結果に基づいて、光スイッチの板ばね１３の構成について考える。
【００４４】
まず、一般論として、製造および組立の容易性や保持および動作の安定性等を考慮すると、板ばね１３’は、磁性片１３ｅ’が固着され電磁石からの磁力を受ける単一の大面積の平面部１３ｂ’と、基板に固定される１対の固定部１３ａ’と、平面部１３ｂ’と１対の固定部１３ａ’とをそれぞれ連結する１対の梁状部１３ｃ’とを有する対称形状にすることが考えられる。そして、このような形状において、前記したような好適なα，β，Ｋを得るためには、単純に考えると、図１３に示すように、梁状部１３ｃ’が非常に細くて非常に長い形状である必要がある。しかし、この場合、板ばね１３’と磁性片からなる動作部の重心Ｇ’は長手方向において梁状部１３ｃ’の中心部付近に位置し、電磁石１８からの磁力を受け可動光ファイバ１６を持ち上げる平面部１３ｂ’（第２の当接部Ｂ）から遠く離れる。そして、重心Ｇ’から離れた位置において力を受けて変位すると、変位動作が円滑ではなく無駄な動きが含まれ、動作効率が非常に悪くなる。従って、可動光ファイバ１６を持ち上げる動作の効率が悪くなる。
【００４５】
そこで、梁状部の全長や断面積は変えずに、動作部全体の重心を平面部上に位置させるため、本実施形態では、図１，２，９に示すように、梁状部１３ｃを板ばね１３全体の長手方向に沿って１往復以上蛇行させて、板ばね１３全体の長手方向の長さを短くしている。すなわち、この梁状部１３ｃは、板ばね１３全体の長手方向の両端部で折り返されて蛇行している。この結果、重心Ｇは、平面部１３ａ上に位置する。従って、板ばね１３のばね定数を変えることなく（前記したα，β，Ｋおよびｋを所望の値に保ちつつ）、重心Ｇが、実際に可動光ファイバ１６を持ち上げるように変位する位置（第２の当接部Ｂ）に近づくため、動作効率が非常に向上する。従って、消費電力および動作に要するコストの低減にも大きく寄与する。なお、この板ばね１３は対称形状であり、板ばね１３全体の幅方向の中央付近に、可動光ファイバ１６の貫通する孔部１３ｄが設けられているため、重心Ｇは可動光ファイバ１６の軸線上に位置し、可動光ファイバ１６を持ち上げる動作の効率はさらに良好になる。また、板ばね１３の長手方向の長さが短くなるため、光スイッチの小型化にも寄与する。
【００４６】
以上詳細に説明した通り、本実施形態では、細長い梁状部１３ｃを、板ばね１３全体の長手方向の両端部にて折り返し、板ばね１３全体の長手方向に沿って１往復以上蛇行する構成とし、板ばね１３は、平面部１３ｂを中心として対称に１対の梁状部１３ｃと１対の固定部１３ａが設けられている構成にして、梁状部１３ｃの全長に比べて、板ばね１３全体の長手方向の長さを半分以下にすることによって、スイッチング動作のエネルギー効率をできるだけ向上させ、消費電力やスイッチング動作に要するコストの低減を可能にしている。ただし、板ばね１３および梁状部１３ｃの形状はこの例に限定されるものではなく、板ばね１３の幅方向に沿って蛇行する部分を有していたり、渦巻状に形成するなど、梁状部１３ｃの全長と断面積を変えることなく板ばね１３全体の長手方向の長さを短縮できるものであれば、あらゆる形状の梁状部１３ｃを採用することができる。また、板ばね１３は必ずしも対称形状である必要はないので、１対の梁状部１３ｃがそれぞれ異なる形状であったり、梁状部１３ｃおよび固定部１３ａが１つしかない構成などであっても構わない。
【００４７】
なお、本実施形態の上部基板２１および下部基板１１としては、結晶方位が存在する単結晶シリコンやガラスを用いる。単結晶シリコンを使用する場合、結晶方位によってエッチングレートの異方性のあるエッチング液に浸して、エッチングを進行させることにより、容易に高精度なＶ溝１２，２２が加工できる。例えば（１００）方位の単結晶シリコンウェハを使用するときには、（１１１）あるいは（１１０）の側面を有するＶ溝１２，２２が作製できる。これらの面はウェハ表面の（１００）面に対し、一定の角度を有しており、高精度にエッチングマスクを加工できるフォトリソグラフィ技術と併用することにより、高精度なＶ溝加工が実現できる。そして、上部基板２１と下部基板１１とが接着剤により互いに接合される。本実施形態においては、第１のＶ溝１２内への可動光ファイバ１７および第１の固定光ファイバ１６の固定と、下部基板１１と上部基板２１との接合と、第２のＶ溝２２内への第２の固定光ファイバ２６の固定は、すべて接着剤（例えば紫外線硬化型接着剤や、紫外線硬化型接着剤と熱硬化型接着剤の併用）によって行われている。
【００４８】
この光スイッチにおいて、可動ファイバ１７の端面と２本の固定ファイバ１６，２６の端面間に空気が存在する場合、挿入損失を低減させるためには、端面間距離を約２０μｍ以下まで近接させる必要がある。また、光ファイバ１６，１７，２６の端面での屈折率差によって、表面反射が生じ、挿入損失や反射減衰量が増加する。そこで、それぞれの端面に反射防止膜をコーティングすることが望ましい。
【００４９】
また、反射減衰量を低減させるために、光ファイバ１６，１７，２６の端面を、光軸に垂直な面から５度から８度程度傾けるように加工することも考えられるが、光ファイバ端面での屈折により、光軸ずれが起こり、挿入損失が増加する。そこで、この場合には、１本のＶ溝に光ファイバを配置するのではなく、光軸ずれに対応した位置に光ファイバが配置できる２本の平行なＶ溝を形成することが望ましい。
【００５０】
また、光ファイバ１６，１７，２６の端面間を屈折率整合液で満たすことによって、反射損失及び挿入損失を低減させることも可能である。
【００５１】
本実施形態の板ばね１３の平面部１３ｂには、磁性片１３ｅが貼り付けられて一体化されているが、真空蒸着やスパッタリングなどの薄膜堆積法やめっき法などにより積層されていても、板ばね１３自体を磁性材で形成しても構わない。
【００５２】
本実施形態の基板１１，２１はシリコン基板であるが、光ファイバ１６，１７，２６と同一材料であるガラスにより基板１１，２１を形成すると、熱膨張係数が光ファイバ１６，１７，２６と一致するため、広い温度範囲において、挿入損失、反射損失、偏波依存特性等において、温度変化に依存しない、優れた光スイッチを作製できる。その場合、Ｖ溝１２，２２は、基板１１，２１の表面を機械的に加工して作製される。例えば、切削用ブレードを高速回転させ、回転方向に走査させながらカッティングすることにより、ブレードの断面形状を転写させた形の溝が作製できる。ブレードのテーパ角を制御することにより、任意の傾斜の側面を容易に形成でき、様々な形状のＶ溝加工が実現する。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の構成によると、板ばねを用いて可動光ファイバを変位させるスイッチング動作のエネルギー効率を向上させることができ、光スイッチの消費電力が低減でき、スイッチング動作に要するコストが削減できる。また、光スイッチ全体の小型化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の光スイッチの主要部の斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す光スイッチの上部基板を外した状態の平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその側面断面図、（ｄ）は（ｃ）の部分拡大図である。
【図３】図１，２に示す光スイッチの第１の状態の、図２のＳ１−Ｓ１線断面図である。
【図４】図１，２に示す光スイッチの第２の状態の、図２のＳ１−Ｓ１線断面図である。
【図５】図１，２に示す光スイッチの、図２のＳ２−Ｓ２線断面図である。
【図６】図１，２に示す光スイッチの、図２のＳ３−Ｓ３線断面図である。
【図７】図１，２に示す光スイッチの、図２のＳ４−Ｓ４線断面図である。
【図８】図１，２に示す光スイッチの、図２のＳ５−Ｓ５線断面図である。
【図９】（ａ）は図１，２に示す光スイッチの板ばねの平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１０】本発明の光スイッチの板ばねと光ファイバの可動部分をモデル化してシミュレーションするための説明図である。
【図１１】本発明の好適な設計値を求めるためのグラフである。
【図１２】本発明の好適な設計値を求めるためのグラフである。
【図１３】（ａ）は本発明の参考例の板ばねの平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１４】従来の光スイッチの一部切欠斜視図である。
【符号の説明】
１１　　　下部基板（シリコン基板）
１３　　　板ばね
１３ａ　　固定部
１３ｂ　　平面部
１３ｃ　　梁状部
１３ｄ　　孔部
１３ｅ　　磁性片
１６　　　固定光ファイバ
１７　　　可動光ファイバ
１８　　　電磁石（磁力発生手段）
２１　　　上部基板（もう１つのシリコン基板）
２６　　　もう１つの固定光ファイバ
Ａ　　　　第１の当接部
Ｂ　　　　第２の当接部
Ｇ　　　　重心
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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