(57)【要約】【課題】  高い位置決め精度が得られる小型で低損失の光スイッチをを提供する。【解決手段】  反射ミラーを用いた２×２型の光路切替機構を備える光スイッチであって、前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を備え、前記開口部と前記反射膜は隣接して設けられており、前記基板は反射膜を設けた部分の基板厚さが２０μｍ以下であり、前記反射ミラーを移動させることにより、前記開口部を通過する光路と前記反射膜で反射される光路のいずれかを選択することを特徴とする光スイッチを用いる。前記反射ミラーの外周部の最小幅は１００〜１０００μｍの範囲内であることが望ましい。【選択図】        図１１
2004252412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射ミラーを用いた光路切替機構を備える光スイッチであって、
前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を備え、
前記開口部と前記反射膜は隣接して設けられており、
前記基板は、前記反射膜を設けた部分より厚い外周部を有し、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記開口部を通過する光路と前記反射膜で反射される光路のいずれかを選択することを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
反射ミラーを用いた光路切替機構を備える光スイッチであって、
前記反射ミラーは基板に反射膜を備え、
前記基板は、前記反射膜を設けた部分より厚い外周部を有し、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記反射膜で反射される光路と前記基板の外を通過する光路のいずれかを選択することを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
前記光路切替機構は２×２型であり、前記基板で反射膜を設けた部分の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記反射ミラーは前記外周部の最小幅が１００〜１０００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記開口部と前記反射膜は、それぞれの面積比が２倍以内であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光スイッチ。
【請求項６】
前記反射ミラーにおいて、前記外周部の厚さをｄ２とすると、ｄ２≦２ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項７】
反射ミラーを用いて光ビームの光路を変更する光部品であって、
前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を備え、
前記開口部と前記反射膜は隣接して設けられており、
前記基板で反射膜を設けた部分の厚さが２０μｍ以下であり、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記開口部を通過する光路と前記反射膜で反射される光路のいずれかを選択することを特徴とする光部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信等の光ファイバ伝送路中に挿入されて、伝送路を切り替えるための光スイッチおよび光部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光スイッチはこれまで多くのタイプのスイッチが提案されている。そのうち、メカニカルスイッチとしては、ミラーやプリズム等の微小光学素子を駆動して光路を切替える微小光学素子可動型１×２型光スイッチも開示されている（例えば、特許文献１）。図２２の平面図に示すように、光スイッチは反射ミラー２の反射面を中心とした円周上に１２０゜間隔で光ファイバ１Ａ、１Ｂ、１Ｃが配置されている。光ファイバ１Ａからの光路３は光ファイバに付加されたレンズによる光学系により平行ビームとして出射され、反射ミラー２で反射して光ファイバ１Ｂに入射結合出力される。反射ミラー２の回転角度を制御することによりそれぞれの光ファイバを選択する。従来の微小光学素子可動型スイッチにおけるプリズムやミラーはパルスモータ等により機械的回転角度および位置を制御していたが、光通信に用いられる光ファイバの結合ではサブミクロンオーダーでの位置合わせが必要となる。パルスモータ等による位置制御では、０．５゜程度の回転角度精度であるために再現性に乏しく、伝送する光の損失の増加を招いていた。また、常にモータに電界を印加する必要があり、常時電力を必要とする為に、省電力の用途や駆動しない待機時間の長い用途には向いていない。
【０００３】
他の従来技術を説明する。トーションバーに支えられ、トーションバーを回転軸として揺動可能な可動板を有し、該可動板の一端には光を反射するミラーを設け、他端には永久磁石を設けると共に可動板に光が通過できる穴を設けたガルバノミラーを入射光路に対して４５°傾けて配置した光スイッチが開示されている（例えば、特許文献２）。しかしながら、回転軸を通じて回転の歪がミラーに加わるため、反射面がわずかに湾曲して伝送する光の損失の増加を招く。短時間の間にミラーの回転を高速で多数回行う用途や光強度の損失を増幅器等で補填するような機構を設ける用途には適しているが、精密な光路切替えを行うには十分な構成と言えない。また、永久磁石と対向して電磁石を配置して、電磁石のＯＮ・ＯＦＦにより可動板を揺動するという構成である為に、一方の向きにミラーを傾けている間は、常に電磁石に通電する必要がある。切替え方向を固定する時間の長い為に省電力が必要な用途や、駆動しない待機時間の長い用途には向いていない。
【０００４】
さらに他の従来技術を説明する。ベース部材と、前記ベース部材に片持ち支持された可動部材と、前記可動部材の先端部に固定され、前記ベース部材に設けられた光路上を通る光を遮断するミラーと、前記ミラーが前記ベース部材の上面に沿って前記可動部材の延在方向に対してほぼ垂直な方向に移動するように、前記可動部材を駆動する駆動手段とを備える光スイッチが開示されている（例えば、特許文献３）。平面導波路に形成された光路Ａ〜Ｄの交差する箇所に、片持ち梁に支持されたミラーを出し入れする。片持ち梁である可動部が撓むことによりミラーにも歪みが生じ、伝送する光の損失の増加を招く。また、片持ち梁は静電力で駆動されるため、一方にミラーを移動・固定するためには、常に櫛歯の部分に電荷を保持しなくてはならない。切替え方向を固定する時間の長い為に省電力が必要な用途や、駆動しない待機時間の長い用途には向いていない。
【特許文献１】特開昭５４−１６２５５１号公報（図３）
【特許文献２】特開２００２−１８２１３２号公報（図４〜５、第３頁）
【特許文献３】特開２００３−０５７５６９号公報（図１、図６、第５〜７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、光スイッチとして図２３の平面図に示すような構成を検討している（検討構造）。入射光ファイバ１Ａ、１Ｂからの光ビーム３Ａ、３Ｂが、それぞれ出力光ファイバ１Ｃ、１Ｄに結合されている状態から、反射ミラー２を一定方向に移動させることで入射光ファイバ１Ａからの光ビーム３Ａは反射ミラー２により反射されて光ファイバ１Ｄに結合される。一方、入射光ファイバ１Ｂからの光ビーム３Ｂは反射ミラー２により反射されて出力光ファイバ１Ｃに結合される。反射ミラー２により光路を切り替えることで２×２型光スイッチとしている。ここで、光ファイバの先端部には光ビームを平行光にするコリメータレンズ４がそれぞれ付加されている。
【０００６】
しかしながら、従来技術や検討構造に示す光スイッチでミラー等の反射手段を用いる場合、実際の反射ミラーにはある程度の厚さがある。図２３のように反射ミラーの両面を用いる場合には反射ミラーの有無だけでなく、反射ミラーの厚さにより反射光路が空間的にずれる。そのため、反射ミラーが挿入された場合には光軸ずれが起こり、出力光ファイバでの位置ずれが発生して挿入損失が増大するという問題がある。また、特許文献２や３等におけるミラーは、ミラーを支持する構造に片持ち梁やトーションバーを用いる為に、反射面に歪みを生じ、挿入損失をさらに増大させる。
そこで、本発明の目的は、高い位置決め精度が得られる低損失の光スイッチを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）  本発明の光スイッチは、反射ミラーを用いた光路切替機構を備える光スイッチであって、
前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を備え、
前記開口部と前記反射膜は隣接して設けられており、
前記基板は、前記反射膜を設けた部分より厚い外周部を有し、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記開口部を通過する光路と前記反射膜で反射される光路のいずれかを選択することを特徴とする。さらに前記反射ミラーはミラーの面と平行な方向へ移動させるものであることがより望ましい。
【０００８】
（２）  本発明の他の光スイッチは、反射ミラーを用いた光路切替機構を備える光スイッチであって、
前記反射ミラーは基板に反射膜を備え、
前記基板は、前記反射膜を設けた部分より厚い外周部を有し、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記反射膜で反射される光路と前記基板の外を通過する光路のいずれかを選択することを特徴とする。
【０００９】
前記反射ミラーが、光路の交差する箇所に差し込まれると、光のビームが反射ミラーで反射されることにより、光路が変えられる。より具体的には、光ビームが反射ミラーの開口部を通り抜けるか、あるいは両面の反射ミラーで反射されることにより、光路を切替えることができる。反射膜を設けた部分の厚さ（特に、両面に反射膜を設けた部分の厚さ）が２０μｍ以下と薄いために、反射ミラーによる光路ずれを小さくすることができる。また、反射膜や開口部を囲う外周部を備えることで十分な機械的強度を得ることができるために反射膜面の歪みが抑制される。したがって、低損失の光スイッチを実現できる。
【００１０】
（３）  前記（１）または（２）の光スイッチにおいて、前記光路切替機構は２×２型であり、前記基板で反射膜を設けた部分の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする。より望ましくは反射膜を設けた部分（反射部）の厚さが２〜２０μｍの範囲内とする。反射膜を設けた部分（反射部）の厚さとは、反射膜が設けられている箇所における基板の厚さと反射膜の厚さを合わせた厚さであり、望ましくは光ビームが照射される箇所における反射ミラーの厚さとする。従って、前記反射膜を設けた部分（反射部）の厚さは、反射膜が平面（平坦な反射面）を為している箇所の厚さであり、反射部が基板本体につながるために厚さが増大する箇所等を包含するものではない。反射膜を設けた部分が基板本体の面に対してわずかに傾斜した平面を為している場合には、その平面を為している領域の最小厚さと最大厚さの平均値を反射部の“基板厚さ”としても差し支えない。
【００１１】
ここで、２×２型とは、光の入力又は出力に用いる端子を４つ備える。例えば、ポートａ，ｂ，ｃ，ｄについて、ポートａ及びｂが接続され且つポートｃ及びｄが接続されている状態と、ボートａ及びｃが接続され且つポートｂ及びｄが接続されている状態のいずれかを選択することができる構成等を含む。反射ミラーは、光を通過させる為の開口部と光を反射させる為の反射部とを備え、光路の切替えに用いられる。開口部としては、例えば、貫通孔、穴、開口、切り欠き等の形状が挙げられる。反射部において反射膜は基板の両面に形成されていることが望ましい。反射膜は、光のビームに対して反射率が高い膜であることが望ましい。ビームの波長によって、適宜選択できるが、無機材料を多重に積層した多層膜で反射ミラーを構成するよりも、高反射率の金属薄膜（例えば、金、銀、アルミニウムのスパッタ膜若しくは蒸着膜）を用いる方が、反射部の軽量化や成膜工数の短縮化という観点からみて好ましい。光路を切替える際に、反射ミラーを支持して移動させる機構として、平行移動もしくは回転移動の機構やシーソー型の機構を用いる。より、望ましくは反射ミラーを平行移動させる機構を用いる。これらの機構は、片持ち梁型のように、撓みやベンディングを利用しないので、光路を維持する際に反射ミラーに加わる負荷が少なく、好ましい機構と言える。
【００１２】
また、本発明に係る光スイッチは、他の表現によると、入射用光ファイバからの光ビームを反射ミラーによって出力用光ファイバに切替える光スイッチであって、前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を有するものであり、前記基板は反射膜を設けた部分の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする。さらに望ましくは前記反射膜を設けた部分（即ち、反射部）の厚さを２〜２０μｍの範囲内とする。
【００１３】
（４）  前記（１）または（２）の光スイッチにおいて、前記反射ミラーは前記外周部の最小幅が１００〜１０００μｍの範囲内であることが望ましい。外周部とは、基板において前記開口部や前記反射部を取り巻く部分に相当する。外周部の最小幅は、外周部の幅で最も狭い幅である部分で測った幅に相当する。最小部の幅を規定するのは、外周部について、十分な強度を保持し且つ反射ミラーの重量を重くしすぎないようにする為である。さらに前記外周部の幅が１００〜１０００μｍの範囲内であればより好ましい。前記外周部の厚さは１００〜２０００μｍの範囲内とすることが望ましい。前記外周部（フレーム）の幅や厚さを確保することにより、反射ミラーは構造的に安定する。すなわち、反射部の厚さが薄くても外周部（フレーム）に保護されるため、歪めたり傷めたりすることなく、反射ミラーをマイクロクリッパー等で挟んで摘み上げたり、吸着して持ち上げたりすることが出来る。反射ミラーを光スイッチに組み込んで使用する場合には安定した動作が可能であり、調整する場合には信頼性の高い作業を行うことが出来る。すなわち、反射ミラーについて、保持治具で挟んでも壊れない強度を得られるようにするには、基板の外周部の最小幅を１００〜１０００μｍとすることが望ましい。最小幅を１００μｍ未満としないのは、極部的に狭幅の部分がある場合に、そのポイントに応力が集中して歪みを生じることがないようにする為である。外周部の厚さは２０００μｍ以下とすることが望ましい。
【００１４】
（５）  前記（１）乃至（４）のいずれかの光スイッチにおいて、前記開口部と前記反射膜は、それぞれの面積比が２倍以内であることを特徴とする。光スイッチの切替えは、光ビームが開口部を通過する状態と、光ビームが反射膜で反射される状態のいずれかを選択することで行われる。反射ミラーを移動して光ビームの光路を切替えるために、開口部と反射部が隣り合わせにあると、移動距離を短くすることができる。前記移動距離の大きさは光ビームの径以上であればよく、必要以上に反射ミラーを大きくしないために、それぞれの面積比は２倍以内とすることで反射ミラーを小さくすることが望ましい。すなわち、反射部の面積に対して開口部の面積（広さ）を０．５倍から２倍の範囲内とする。このように、外周部（フレーム）で囲う部分の面積を限定することで、反射ミラーの大きさを制限する。すると、反射ミラーの駆動が更に容易となり、光スイッチの小型化や切替動作の安定化に寄与する。
【００１５】
（６）  前記（１）または（２）の光スイッチで、前記反射ミラーにおいて前記外周部の厚さをｄ２とすると、ｄ２≦２ｍｍであることを特徴とする。反射膜を設けた部分（反射部）の厚さをｄ１とすると、ｄ１＜ｄ２≦２ｍｍである。
【００１６】
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光スイッチにおいて、前記基板はＳＯＩ基板であることが望ましい。ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板は、例えば、シリコン酸化膜を２枚のシリコン基板に挟まれた構造である。一方のシリコン基板の厚さを薄くして構造材に用いることで、ミクロンオーダーの構造物を実現することができる。本発明では、ＳＯＩ基板を反射ミラーの構造材に用い、所定の形状に加工することで小型で薄い反射ミラーを実現して、光スイッチの小型化・低損失化を達成することができる。より詳細には、前記基板は、シリコン基板とシリコン層が酸化シリコン層を介して接合された積層体である。前記積層体には開口部が貫通している。前記シリコン層の一部であって前記開口部内に張り出している部分には、その両面に反射膜を形成することができる。
【００１７】
（７）  本発明の光部品は、反射ミラーを用いて光ビームの光路を変更する光部品であって、
前記反射ミラーは基板に開口部と反射膜を備え、
前記開口部と前記反射膜は隣接して設けられており、
前記基板で反射膜を設けた部分の厚さが２０μｍ以下であり、
前記反射ミラーを移動させることにより、前記開口部を通過する光路と前記反射膜で反射される光路のいずれかを選択することを特徴とする。
この構成によると、反射膜を設けた部分の厚さを２０μｍ以下とすることで、光路ずれによる損失を抑制することができる。より望ましくは、前記基板は、前記反射膜を設けた部分よりも厚い外周部を具備する。さらに、上記（２）〜（６）の要件を具備することが望ましい。この光部品において、反射ミラーの反射膜は、光路変換、光路の分岐、若しくは光の波長選択のいずれかに用いられる。さらに、Ｎ×Ｍ型光スイッチや光スイッチを用いたモジュール等にも本発明に係る構成を適用することが可能である。
【００１８】
（作用）
上記（１）について詳細に説明する。
光ファイバコリメータとして、表１に示す３種類を比較する。先球ファイバはシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の先端に球状のレンズを付加したもので、小型で且つビーム径が３０μｍと小さい。しかし、動作距離が５ｍｍ程度と短い。他方、屈折率分布型のＧＲＩＮレンズでは、レンズ径が１ｍｍと小径のものと通常の１．８ｍｍ径のものの２つがある。ＳＭＦとの結合を行うために外径１．８ｍｍと３．２ｍｍのハウジングに挿入されている。それぞれビーム半径は７５μｍと１５０μｍであり、動作距離は数十ｍｍ以上を得ることができるが、小型の光デバイスを構成するには１０ｍｍ程度が選択される。表１は、光ファイバコリメータの特性を示す。
【００１９】
【表１】
2004252412.tif 000003
【００２０】
図１の平面図に、コリメータとミラーの配置関係の概略を示す。一方のコリメータ１０１からの光ビームをミラー１０２で反射させて他方のコリメータに結合させるには、入射角度θはコリメータの直径Ｄと動作距離ＷＤによって空間的に制限される。直径Ｄはコリメータの光を受光できる部分の径に相当する。動作距離は、コリメータから出射した光が発散することなく届く距離に相当する。図１は、ミラーで反射される前後の光路がほぼ同じ長さの場合である。
【００２１】
図２のグラフに入射角度θに対するコリメータ間距離Ｙの計算結果を示す。Ｄ＝０．５ｍｍでＷＤ＝５ｍｍの先球コリメータではＹ＝Ｄ／２＝０．２５ｍｍであるため、θは６°以上でなければならない。同様にＤ＝１．８ｍｍ且つＷＤ＝１０ｍｍではθ＞１１°であり、Ｄ＝３．２ｍｍ且つＷＤ＝１０ｍｍではθ＞１８°という条件が必要になることが分かる。
【００２２】
図３は、２×２型光スイッチの光路の概略を示す平面図である。図３に示すように２×２型光スイッチを構成した場合には、ミラー２によって反射された光はミラー厚さΔｘがあるために光路は２Δｙシフトして、即ち、２Δｙの分だけ長くなる。ミラー厚さΔｘは、基板において反射膜を設けた部分の厚さに相当する。この光路の増分をビームシフトと称する。コリメータを対向させて一方のコリメータを２Δｙシフトさせた場合の挿入損失を各ビーム半径ｒで計算した結果を図４のグラフに示す。すなわち、図４は、光ビーム半径における光路ずれ（２Δｙ）に対する結合効率（挿入損失：Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  Ｌｏｓｓ）の計算結果である。ｒ＝３０μｍである□印は実験による挿入損失の測定結果である。挿入損失０．０５ｄＢ以下を達成するにはビームシフト２Δｙは、ｒ＝３０μｍで４μｍ以下であり、ｒ＝７５μｍで８μｍ以下であり、ｒ＝１５０μｍで１６μｍ以下としなければならない。
【００２３】
図５のグラフに各入射角度θにおけるミラー厚さΔｘとビームシフト２Δｙ（光路ずれ）の計算結果を示す。図５を用いて反射ミラー２の基板厚さΔｘによる光路ずれ２Δｙを説明する。入力光ファイバ１Ａから入射角度をθ、コリメータレンズ４から反射ミラーまでの距離をｘとすると反射ミラー２が挿入された場合の光路ずれは次式のように表される。
【００２４】
【数１】
2004252412.tif 000004
【００２５】
先球ファイバのビーム半径ｒ＝３０μｍでは入射角度θは６°以上であり、ビームシフト２Δｙは４μｍ以下でなければならないために、ミラー厚さΔｘは１９μｍ以下にしなければならない。同様に、ＧＲＩＮレンズにおいて、ｒ＝７５μｍであり且つθ＞１１°の条件であるならば、２Δｙ＜８μｍであるのでΔｘ＜２１μｍとなる。ｒ＝１５０μｍであり且つθ＞１８°の条件であるならば、２Δｙ＜１６μｍである。よって、Δｘ＜２５μｍとしなければならない。これらの結果をまとめて表２に示す。ミラー厚さは約２０μｍ以下にする必要のあることがわかる。表２は、コリメータにおける許容角度およびミラー厚さを示す。図５によると、ミラー厚さ（反射膜厚＋反射部の基板厚さ）が厚いと光路ずれは大きくなり、反射ミラーへの入射角度が大きいと光路ずれは大きくなる傾向にある。例えばθ＝１２°の場合にはΔｘが１０μｍで４．４μｍの光路ずれが発生する。つまり、ミラー厚さが１００μｍでは４４μｍと大きな光軸ずれが発生してしまう。このようなずれを防ぐために、ミラー厚さは約２０μｍ以下にする。
【００２６】
【表２】
2004252412.tif 000005
【００２７】
上記（２）について詳細に説明する。
まず、図６の斜視図に、Ｓｉ基板を枠状（若しくは額縁状）に加工した構成、即ち、フレームの概略を示す。外周部の幅Ｗ、内周部Ｘｏ＝Ｙｏ＝１ｍｍ、基板厚さｄ２＝０．１，０．５，１，２ｍｍの３通りのものを用意した。外周部の幅Ｗを変えて、Ｘｏに平行な外力Ｎを加えたときのフレームの破断強度を測定した結果を図７のグラフに示す。縦軸は耐えられた外力Ｎに相当する。フレームは、本発明に係る反射ミラーにおいて反射部を囲う基板の外周部を想定した形状とし、ＳＯＩ基板から作製した。基板厚さｄ２が厚く、フレームの幅Ｗが大きいほど破断強度は大きくなることが分かる。本発明に用いられる反射ミラーで要求される機械的強度は約０．５Ｎ以上であり、０．１〜２ｍｍの基板厚さとすると、外周部の幅Ｗは１００〜１０００μｍとすればよい。なお、反射部に相当する部分を形成しなかったのは、フレームだけで十分な強度を得られる条件を確認する為である。
【００２８】
上記（３）について詳細に説明する。
図８は、反射ミラーにおける開口部と反射膜の関係を示す概略図である。開口部と反射膜が隣接して設けられている本発明の反射ミラーにおいて、図８に示すように、開口部分Ｘｏ、Ｙｏ、反射部Ｘ、Ｙとした場合、反射部が被覆されている部分の基板において中央から開口部に向かう方向に反りΔｈが発生する様子を示す。この反りは開口部の面積Ｓｏと反射部の面積比Ｓの比率で発生する。図８中の右側に描画した曲線は、前記反りの様子をＹの方向に対する変位として示すものである。
【００２９】
図９は面積比Ｓ／Ｓｏに対する反りΔｈを測定したグラフである。この時の反射ミラーの基板厚さΔｘ＝６μｍである。反射部の反りがあると、ビームが歪み、損失が発生してしまう。そのため、反りは、使用する光の波長の１／１０以下とする必要がある。光通信帯の波長（即ち、波長１．３−１．６μｍ）では０．１μｍ以下に抑えなければならない。これより、開口部と反射部の面積比率は２倍以下にしなければならないことがわかる。
【００３０】
上記（４）について詳細に説明する。本発明の光スイッチの反射ミラーを駆動するために、磁気回路を用いたアクチュエータが用いる。その磁気回路の電磁力はコイル電流に依存するが、低電力で駆動し、かつ高速で切り替えるためにはミラーの基板自身の重さが影響する。０．２ｍｍピッチで厚さを変えたミラー基板を準備し、反射ミラー毎に光スイッチに組み込んで、駆動電圧５Ｖ、電流４０ｍＡとして、ミラーの基板厚さｄ２に対する光スイッチの切替時間を測定した。測定結果を図１０のグラフに示す。切替時間１０ｍｓ以下とするにはミラー基板の厚さｄ２は２ｍｍ以下にする必要があることが分かった。
なお、本発明で用いるアクチュエータは、切替え位置を自己保持するタイプ（即ち、ラッチングタイプ）であり、切替え動作以外のときには電力を消費しないものを用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る構成により、高い位置決め精度が得られ、低損失の光スイッチを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を用いて実施例を説明するが、本発明の構成がこれらにより限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
図１１は、本発明に係る光スイッチの一実施例の一部断面図である。図１１では反射ミラー２の移動前と移動後の様子を両方とも図示した。この光スイッチでは、入射光ファイバ１Ａ、１Ｂからの光ビーム３Ａ、３Ｂ（点線）が反射ミラー２の開口部２Ａを透過して出力光ファイバ１Ｃ、１Ｄに結合されている。反射ミラー２が移動すると、反射部の反射膜２Ｂにより入射光ファイバ１Ａからの光ビーム３Ａが反射されて、出力光ファイバ１Ｄに結合される。一方、入射光ファイバ１Ｂからの光ビーム３Ｂは反射膜２Ｂにより反射されて、出力光ファイバ１Ｃに結合される。このときの入射光ファイバ１Ａと出力光ファイバ１Ｃ、１Ｄの距離と、入射光ファイバ１Ｂと出力ファイバ１Ｃ、１Ｄの距離はそれぞれほぼ等しい。反射膜を形成した部分が薄くなっている反射ミラー２により、光路を切り替えることで２×２型光スイッチが実現できる。ここで光ファイバの先端部には光ビームを平行光にするコリメータレンズ４がそれぞれ付加されている。
【００３４】
図１２に反射ミラー２の詳細な構造を正面図と断面図で示す。ミラー基板に開口部２Ａと反射部２Ｂが形成されており、反射部２Ｂの厚さは７μｍであり、両面にＡｕの反射膜が施されている。基板厚さは５５８μｍであり、外周部の最も狭い幅は１００μｍとした
【００３５】
図１３に反射ミラーの作製手順を示す。工程毎に断面図で説明する。
［１］  ＳＯＩ基板はベース層２０（Ｓｉ、厚さ５５０μｍ）と、酸化膜層２１（ＳｉＯ２、厚さ１μｍ）と、ＳＯＩ層２２（Ｓｉ層、厚さ７μｍ）とで構成されており、合わせて５５８μｍの厚さがあるものを用いた。
［２］  ＳＯＩ層２２について、反射ミラーの形状と開口部２３を形成するために、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを形成して、Ｃｌ２ガスでドライエッチングすることにより切り込みを入れた。
［３］  ベース層２０に反射ミラーの形状と反射部と開口部の形状をパターニングしてＳＦ６＋Ｃ４Ｆ８ガスによりドライエッチングした。
［４］  緩衝フッ酸液により酸化膜層２１のエッチングを行った。
［５］  反射ミラー２の形状が完成した。
［６］  反射ミラー２の両面に反射膜としてＡｕの薄膜を成膜した。
このようにして、ＳＯＩ基板を用いることで反射部２４の基板厚さが７μｍと非常に薄い反射ミラーを作製することができた。この反射ミラー２を図１４に示す光スイッチに搭載したところ、光路ずれによる損失の増大を抑えることができた。
【００３６】
本実施例による光スイッチの構造を図１４の概略図に示す。反射ミラー２は開口部２Ａと反射部２Ｂを備える。断面で表示しているため、反射ミラー２は四角形の部位とＬ字型の部位に分かれて見えるが、両者は一体である。まず、入射光ファイバ１Ａ、１Ｂからの光ビーム３Ａ、３Ｂが反射ミラー２の開口部２Ａを透過して出力光ファイバ１Ｃ、１Ｄに結合されている状態を示す。この時の反射ミラー２や駆動部８は点線で示した。ついで、反射ミラー２が移動すると、その反射部２Ｂ（Ｌ字型の部位の突出した箇所）により入射光ファイバ１Ａからの光ビーム３Ａが反射されて、出力光ファイバ１Ｄに結合された。一方、入射光ファイバ１Ｂからの光ビーム３Ｂは反射部２Ｂにより反射されて、出力光ファイバ１Ｃに結合された。このときの入射光ファイバ１Ａと出力光ファイバ１Ｃ、１Ｄの距離と、入射光ファイバ１Ｂと出力ファイバ１Ｃ、１Ｄの距離はほぼ等しい。このような構造を作製することで、反射ミラー２により光路を切り替えて２×２型光スイッチを実現することが出来た。各々の入射光ファイバは先球部４を持つ先球光ファイバコリメータで構成した。反射ミラー２はシーソー型の駆動部８に固定させた。光スイッチの切替えは、電磁コイル９Ａ、９Ｂにお互いに反対の電流を流すことで、駆動部８を磁気的に吸引または反発させ、シーソーのように駆動部８の傾きを変えて、反射ミラー２を移動させることで実現した。
【００３７】
反射ミラー２は、図１２に示すように、ミラー基板に開口部２Ａと反射部２Ｂを形成したものを用いた。反射部２Ｂの厚さは７μｍであり、両面に反射膜を成膜した。ケース１０（光スイッチの筐体）の寸法は幅１４ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ８．５ｍｍとした。なお、ケース１０は断面で表示した。入射光ファイバ１Ａから出た光ビームが反射ミラーの反射膜へ入射する角度θは本実施例では８゜に設定した。なお、角度が２０°以上となると、切替時間が長くなり、挿入損失の偏光依存性が大きくなってしまう。よって、θが２０゜以下であることが必要とされる。このように構成した本実施例の光スイッチの挿入損失は０．６５ｄＢ以下となった。実施例１の光スイッチの切替特性を測定した結果を図１５と図１６のグラフに示す。
【００３８】
図１５のグラフは、反射ミラーの開口部２Ａを経由した光路の場合であり、入射ファイバ１Ａから出力ファイバ１Ｃへの切替特性を示す。図１６のグラフは、反射ミラーの反射部２Ｂを経由した光路の場合であり、入射ファイバ１Ａから出力ファイバ１Ｄへの切替特性を示す。図１５および図１６では横軸を時間にして、縦軸に印加パルスの電圧（Ｖ）と光出力（相対値）をプロットしている。特に、図１５の切替特性によると、初期状態からの変動は全く無く、安定な切替動作が得られていることが分かる。それぞれ５Ｖ、５ｍｓの切替入力パルスに対して、約３ｍｓ以下の切替時間で光出力を得ることができた。０．５秒の繰り返し切替テストを行った結果を図１７のグラフに示す。横軸は切替回数であり、縦軸は光スイッチの挿入損失を表わす。印加パルスは５Ｖ、１０ｍｓである。２０万回以上の切替を行っても挿入損失の変化は０．１ｄＢ以下であり、安定した動作が得られていることが分かった。
【００３９】
実施例１の光スイッチは挿入損失１ｄＢ以下という低損失であり、切替時間３ｍｓという高速で光路を切り替えることが可能である。また、２０万回以上の繰り返し再現性を達成し、挿入損失０．１ｄＢ以下となり、高い再現性と信頼性を具備した光スイッチとして実現された。なお、本発明の実施例として光スイッチを用いて説明したが、ミラー基板の反射膜として、光路の変換、光の分岐または光の波長選択のいずれかに使用できるものを形成すれば、波長フィルタ等の光部品にも適用してもよい。
【００４０】
（実施例２）
図１８は、本発明に係る光スイッチアレイの上面図である。図１４に示す光路切替機構を備えるケース１０を４個作製し、横長の基板３０上に配列・固定することにより、２×２型光スイッチの４連アレイを構成したものである。なお、さらに他の実施例としてケースを共通化したものを作製した。すなわち、図１４に示す光路切替機構と４つの光ファイバ及びコリメータレンズを４組準備し、順に横長の基板上に固定していき、基板上に４連のアレイを構成した。ついで前記基板ごと共通の横長のケースに納めた。この実施例では４連アレイを構成したが、さらに並列する数を増やすことも可能である。
【００４１】
（実施例３）
図１９は、本発明の他の実施例の２×２型光スイッチを示す概略図であり、図１４の構成において光ファイバ及びコリメータの配置を９０°回転させた構成に相当する。光ファイバ１Ａ及びコリメータレンズ４は、光ファイバ１Ｄ及びコリメータレンズ４に隠されているので図示を省略したが、存在する。光ファイバ１Ｂ及びコリメータレンズ４は、光ファイバ１Ｃ及びコリメータレンズ４に隠されているので図示を省略したが、存在する。ついで、図３を用いてコリメータレンズ４の群の視点で説明すると、図１４の構成では矢印ｙの向きに略平行な方向に沿って反射ミラー２を移動させる。これに対して図１９の構成では、図３の紙面に略垂直な方向に沿って反射ミラー２を移動させる。図１９に示すように、光ファイバー１Ａ〜１Ｄ及びコリメータレンズ４の系に対して、反射ミラー２の出入りする向きを変えた２×２型光スイッチを作製したところ、コリメータレンズ４の位置決めを正確に行っていれば、図１９の構成でも、図１４と同等の性能を得られることが分かった。なお、図１９及び図１４では、同様の部品は同じ符号で示す。
【００４２】
（実施例４）
図２０は、本発明に係る他の２×２型光スイッチに用いるための、反射ミラーを作製する様子を示す平面図である。反射ミラー４２は、図１３に示すようなＳＯＩ基板を用い、た。ただし、図１３のような貫通孔型の開口部は設けない代わりに、基板より薄い販社部４２Ｂを設けたものである。まず、シリコン基板４０内に凹部４１を設けたものを作製する。凹部４１の底面は酸化シリコンである。さらに、シリコンの基板４０凹及び凹部４１共に、表面を覆うようにスパッタリングでアルミニウム膜を成膜した。ついで、凹部４１を横切るように、基板４０をワイヤーソーで切断した。切断後の片割れは、反射ミラー４２となった。この反射ミラー４２は、基板４３の一辺に接するようにして、基板より厚さの薄い反射部４２Ｂを備えるものとなった。反射部４２にて、厚い基板に囲われていない１辺はエッジである。この反射ミラーを支持する駆動部分や光スイッチの全体構造は、実施例１と同様にした。なお、実施例４の反射ミラーは、実施例１の反射ミラーに比べると、ハンドリングが難しい。反射ミラー（厚さ６５０μｍ）の一辺に薄い反射部（厚さ１５μｍ）が露出しているため、その部分を避けるようにしてハンドリングを行った。したがって、全く不安なくハンドリングする為には、実施例１の反射ミラーのように、反射部の辺は外周部に露出しない構成とするほうがよりが望ましい。基板の強度の観点からみても実施例１の反射ミラーの方が安定している。
【００４３】
（実施例５）
図２１は、本発明に係る他の２×２型光スイッチに用いるための、反射ミラーを示す平面図である。この反射ミラーは、基板５３の面内に厚さの薄い反射部５３Ｂを備える。反射部５３Ｂを基板の一の辺に近接させて設けた。その辺の部分の外周部は幅Ｗ５を有する。光路を切替えるとき、光ビームは図中の＊印のいずれかを行き来する。その際、外周部の幅Ｗ５の分だけ、実施例１等にくらべて反射ミラーの移動のストロークを長くする必要がある。すなわち、反射ミラーを支持する駆動部分は、実施例１に比べて移動のストロークを長くしたものを用いることになるので、光路を切替える時間が長くなってしまう。切替え時間を短くするという観点からすると、実施例１の反射ミラーの方が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は光通信等の光ファイバ伝送路中に挿入されて、伝送路を切り替えるための光スイッチや光部品等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】コリメータとミラーの配置関係の概略を示す平面図である。
【図２】入射角度θとコリメータ間距離Ｙのグラフである。
【図３】２×２型光スイッチの光路の概略を示す平面図である。
【図４】反射ミラーによる光路ずれと光スイッチの挿入損失を示すグラフである。
【図５】反射ミラーの反射部の厚さによる光路ずれを示すグラフである。
【図６】Ｓｉ基板を枠状に加工したフレームの概略斜視図である。
【図７】破断強度の測定に係る外力Ｎとフレーム幅Ｗのグラフである。
【図８】反射ミラーにおける開口部と反射膜の関係を示す概略平面図である。
【図９】面積比Ｓ／Ｓｏに対する反りΔｈを測定したグラフである。
【図１０】反射ミラー厚さｄ２に対する光スイッチの切替時間を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施例の２×２型光スイッチを示す一部断面図である。
【図１２】本発明に係る反射ミラーを示す正面図及び断面図である。
【図１３】本発明に係る反射ミラーの作製方法を示す概略図である。
【図１４】本発明の一実施例の２×２型光スイッチを示す概略図である。
【図１５】本発明に係る光スイッチの切替特性を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る光スイッチの切替特性を示すグラフである。
【図１７】本発明に係る光スイッチの切替回数と挿入損失の関係を示すグラフである。
【図１８】本発明に係る光スイッチアレイの上面図である。
【図１９】本発明の他の実施例の２×２型光スイッチを示す概略図である。
【図２０】本発明の他の光スイッチに用いる反射ミラーの平面図である。
【図２１】本発明の他の光スイッチに用いる反射ミラーの平面図である。
【図２２】従来の光スイッチの概略を示す平面図である。
【図２３】検討構造の光スイッチの概略を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  光ファイバ、
２  反射ミラー、
２Ａ  反射ミラーの開口部、
２Ｂ  反射膜、
３，３Ａ，３Ｂ  光路、
４  コリメータレンズ、
８  駆動部、
９Ａ，９Ｂ  電磁コイル、
１０  ケース、  ２０  ベース層、  ２１  酸化膜層、  ２２  ＳＯＩ層、
２３  開口部、  ２４  反射部、  ３０  基板、
４０  基板、  ４１  凹部、  ４２  反射ミラー、  ４２Ｂ  反射部、  ４３  基板、
５３  基板、  ５２Ｂ  反射部、  ５４  枠の狭幅部、
１０１  コリメータ、  １０２  ミラー
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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