(57)【要約】【課題】  制御の自由度が高く、小型で、信頼性に富んだ光路制御素子を実現する。【解決手段】  基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えている。【選択図】      図１
2005173074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする光路制御素子。
【請求項２】
前記光導波路は前記上部，下部電極間に印加される電圧によって生じる静電吸引により前記穴側に撓むように形成されたことを特徴とする請求項１記載の光路制御素子。
【請求項３】
前記上部，下部電極間に印加する電圧を制御して前記静電吸引力変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させたことを特徴とする請求項1または２記載の光路制御素子。
【請求項４】
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする光路制御素子。
【請求項５】
前記基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けたことを特徴とする請求項４記載の光路制御素子。
【請求項６】
前記複数の上部電極は、前記基板上に複数個形成されており、前記電圧印加手段により複数の電極の中の任意の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする請求項４または５記載の光路制御素子。
【請求項７】
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記複数の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする光路制御素子。
【請求項８】
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたことを特徴とする請求項1〜７のいずれかに記載の光路制御素子。
【請求項９】
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたことを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の光路制御素子。
【請求項１０】
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記導波路としてポリイミドを用いたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、将来の高速光通信の光ルータ等に用いて好適な光路制御素子に関し、詳しくは光導波路を進行する光の進路を制御するようにした光路制御素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電吸引力を用いて光導波路を変位させて光の進行方向を切換える先行技術としては以下のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１６０７５０号公報
【特許文献２】特開２０００−１９９８７０号公報
【０００４】
図５は従来の高速光通信の光ルータ等に用いられている光路制御素子（光スイッチ）の要部構成を示す平面図である。
図５において、２０は正方形状に形成された例えばＳｉ基板であり、この基板の左辺には入力ポートが設けられ、光ファイバおよびコリメータレンズからなるｎ（図では７）個の入射手段２１ａ〜２１ｇがアレイ状に配置されている。
また、この基板の下辺には出力ポートが設けられ、同様の光ファイバおよびコリメータレンズからなるｎ（図では７）個の出射手段２２ａ〜２２ｇがアレイ状に配置されている。
【０００５】
２３ａ〜２３ｇは基板平面に対して垂直に、かつ、光の進行方向に対して４５度傾けて立てられたマイクロミラーで、入射手段２１ａ〜２１ｇから出射した光がこれらのマイクロミラーで反射して出力ポートに配置された出射手段２２ａ〜２０ｇに出射するように配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述の従来の光スイッチでは、光の進行方向を変えるために、あらかじめ用意された入射側、および出射側に存在する複数の入出射手段（セルフォティックレンズ付光ファイバー）に対して、複数の２次元ミラーを構成する必要がある。しかしながら、このような構成においては次のような問題点があった。
【０００７】
１）２次元ミラーにするためには、２次元平面状に作製されたミラーを、ピンセット等である角度で立てる必要があり、かつ、この作業を複数のミラーについて実施するため、作製工数、及び素子としての信頼性にかける。
【０００８】
２）ミラー角度が固定であることから、任意の入射手段から入射した光を任意の出射手段から出射できない。
本発明は上記の問題点を同時に満足しうる光路制御素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の光路制御素子においては、請求項１記載の光路制御素子において、
前記光導波路は前記上部，下部電極間に印加される電圧によって生じる静電吸引により前記穴側に撓むように形成されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３においては、請求項1または２記載の光路制御素子において、
前記上部，下部電極間に印加する電圧を制御して前記静電吸引力変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５においては、請求項４記載の光路制御素子において、
前記基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６においては、請求項４または５記載の光路制御素子において、
前記複数の上部電極は、前記基板上に複数個形成されており、前記電圧印加手段により複数の電極の中の任意の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項７においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記複数の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項８においては、請求項1〜７のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項９においては、請求項４〜８のいずれかに記載の光路制御素子において、
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１０においては、請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記導波路としてポリイミドを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば次のような効果がある。
本発明の請求項１，２，３の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、印加する電圧を制御して前記静電吸引力変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させるので、任意の方向に光の進行方向を変えることができる。
【００２０】
請求項４，５，６の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えている。
基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けている。前記複数の上部電極は、前記基板上に複数個形成されており、前記電圧印加手段により複数の電極の中の任意の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したので、制御の自由度が高く、小型で、信頼性に富んだ光路制御素子を実現することができる。
【００２１】
請求項７においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記複数の電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したので、ある限定された波長帯域の光を望む任意の出力ポートから出力することができる。
【００２２】
請求項８においては、
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたので、制御の自由度の高い光路制御素子を実現することができる。
【００２３】
請求項９においては、
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたので、応答性や自由度を高めることができ、例えば通信量変動、通信障害に対応するフレキシビティに富んだ光路制御素子を実現することができる。
【００２４】
請求項１０においては、請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記導波路としてポリイミドを用いたので、小型で、信頼性に富んだ光スイッチが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明に係る光路制御素子の実施形態の一例について、図面を参照して説明する。
はじめに図２を用いて本発明で用いるフェルマーの定理「光導波路中を進む光は、光線が曲面の測地線すなわち２点を結ぶ最短距離の曲線に従って進む」について説明する。
図２（ａ，ｂ，ｃ）はおわん状に変形した曲面の側面に入射した光の進行方向を示すもので、図（ａ）はおわんの斜視図、図（ｂ）は球からおわんを切出すときのカット面の位置、図（ｃ）はおわんの平面図を示している。
【００２６】
図２（ａ）において、矢印a方向から入射した光はおわんの曲面Ａの部分を通り矢印ａ’方向に出射する。この場合、図（ｃ）の平面図に示すように光は見かけ上直進することになる。
次に、図（ｃ）に示すように中心から距離Ｈ離れた位置で図（ａ）の矢印ｂの位置に入射した光は曲面Ｂの部分を通り矢印ｂ’方向に出射する。この場合、図（ｃ）の平面図に示すように光は矢印ａ方向から入射した場合に比較して、Φ’’進行方向が変化した状態で出射することになる。
【００２７】
即ち、おわんの深さを変えたりおわんに入射する光の位置を変えることにより任意の方向に出射させることができる。
図１（ａ）は本発明の実施形態の一例を示す要部平面図、図（ｂ）は図１（ａ）の一部を拡大して示すＸーＸ断面図である。これらの図において図５に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。Ｓｉ基板１には断面が台形状の複数の微細空間２が形成されており、この微細空間２の底部には一方の面の全面に下部電極３が設けられたガラス４が取り付けられて密閉されている。
【００２８】
また、基板１には酸化膜１ｂ、窒化膜１ｃ、酸化膜１ｂ、ポリイミド１ａが順次積層されており、微細空間２の上のポリイミド１ａ上には円状の上部電極５が形成されている。また、上部電極５の近傍のポリイミド１ａ上には上部電極パッド５ａが形成され、さらにポリイミド１ａ上には下部電極３に接続するように下部電極３ａが形成されている。なお、ポリイミド１ａの両面にはポリイミド１ａより屈折率の低い物質が形成されており（図示省略）光導波路として機能する。
【００２９】
上述の構成において、上部電極５と下部電極３間に電圧を印加することにより静電吸引力Ｐが働き、光導波路に撓みＴが生じおわん状の窪みとなる。
その結果、先に説明したフェルマーの定理に基づいて２次元平面内で光導波路１ａ内を直進する光の進行方向が変わる。進行方向の制御は電極３に印加する電圧の大きさやおわん状の窪みへ入射する光ビームの入射位置又は光ビームの径を制御することによって行なうことができる。
【００３０】
図１（ａ）において、微細空間２と上部電極３は入射手段２１ａ〜２１ｇおよび出射手段２２ａ〜２２ｇから延長されたクロスポイントにそれぞれ複数（図では４９）個形成されており、入射する光の中心に対して微細空間（図示の例では円）２の中心は適当にずれた位置に配置されているものとする（なお、光は平面状に形成された光導波路を直進するように一定方向に偏向されている）。
【００３１】
上述の構成において、任意の位置の入射手段２１へ入った光は、２次元平面内の光導波路内を直進するが、クロスポイントに存在する上部電極５及び下部電極３間に電極パッド５ａ，３ａを介して電圧を印加すると電極間に静電吸引力Ｐが生じる。その結果、光導波路１ａの縦方向に撓みＴ（おわん状の窪み）が発生することから２次元平面内で光の進行方向が変わる。
【００３２】
この光の進行方向の制御は加える電圧の大きさや入射する光ビームの入射位置又は光ビームの径を制御することによって行なう。なお、図では光の進行方向が上部電極５の中心で変化するように表示しているが実際には前述のフェルマーの定理に基づいて微細穴の曲面を進んで変化する。
【００３３】
従って、複数の入射出射手段に対して、複数の微細孔を格子状に配置して、任意の位置の電極に対して図示しない電圧印加手段から適切なアルゴリズムを使って電圧を加えて静電吸引力を最適制御することで、入射手段からの光を、任意の出射手段に高速で、損失なく光を導くことができる。
【００３４】
図１（ａ）では上部電極５のうち電極（１−４，２−５，６−７，７−７）と下部電極３間のみに電圧が印加されてこの部分におわん状の撓みが発生している状態を示している。
このような状態において、入射手段２１ａから入射した光ビームは電極１−４と２−５で進行方向を変えられ、出力ポートに配置された出射手段２２ａに入射する。また、入射手段２１ｅから入射した光ビームは電極６−７と７−７で進行方向を変えられ、出力ポートに配置された出射手段２２ｃに入射する。
【００３５】
図３（ａ〜ｆ）は図１（ａ，ｂ）に示す光路制御素子の製作工程を示す要部断面図である。工程に従って説明する。
工程ａにおいて、Ｓｉ基板１の一方の面に酸化膜１ｂ、窒化膜１ｃ、酸化膜１ｂ、ポリイミド１ａを順次積層する。このポリイミド１ａの両面にはポリイミド１ａより屈折率の低い物質（図示省略）を形成して光導波路とする。また、他方の面にも酸化膜を形成し、この酸化膜の一部を除去してマスク１０を形成する。
【００３６】
工程ｂにおいて、マスク１０が形成された面をヒドラジンなどのエッチング液を用いて穴２ａを形成する。
【００３７】
工程ｃにおいて、穴２ａを形成した側の面を機械研磨や同等の手段を用いて除去し、穴２ａの深さを調整する。
【００３８】
工程ｄにおいて、一方の面に下部電極３が形成されたガラス４を作製する。
【００３９】
工程ｅにおいて、工程ｄで作製したガラス４の電極３側を陽極接合などを用いて穴２ａが形成された側の基板１に貼付する。
【００４０】
工程ｆにおいて、上部電極パッド５aを穴２の近傍に形成して上部電極５と接続する。
次に、ポリイミド１ａが形成された面の上から下部電極３に達する穴を形成して導電部材３ｃを埋め込み、その導電部材に接続してポリイミド１ａ上に下部パッド５ｂを形成する。
なお、微小空間２の厚さｔは数μｍ，空間の直径ｋは数１００μｍ程度である。
【００４１】
図４は請求項７に関する実施形態の一例を示す要部平面図である。図1と同一要素には同一符号を付している。即ち、基板１の線分Ｙで示す右側の部分には図1に示すものと同様の光導波路や微細穴、上部，下部電極が形成されており、また、線分Ｙで示す左側の部分は段差が設けられ光導波の端部から光が入射可能とされている。
図では省略するがアルゴリズムにより駆動される電圧制御手段を備えている。
【００４２】
この実施例においては、入射ポート側には一つの入射手段２１ａが配置され、後段にプリズム３０が配置されており、入射手段にはλ１〜λｎの異なる波長を有する光が入射する（図では２種類の波長の光が２方向に分岐した状態を示している）。
【００４３】
上記の構成において、入射手段から出射した光はプリズム３０に入射してプリズムのもつ波長分散効果で波長ごとに分光される。プリズム３０から出射した光は基板１上に形成された光導波路１ａに入射して直進するが、微細穴（図示省略）を隔てて対向して配置された複数の上部，下部電極に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させておわん状の窪みの深さを変化させ、光導波路の進行方向を変化させることにより任意の出射手段から分光した波長の光を出射することができる。
【００４４】
図４においては、イで示す波長の光が４−３の電極と５−４で示す電極で進行方向が変化して２２ｄで示す出射手段に入射し、ロで示す波長の光が５−５で示す電極で屈折し２２ｃで示す出射手段に入射している状態を示している。
【００４５】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。例えば本実施例では電極の形状は円形として説明したが三角や楕円でもよい。更に、本実施例では上部電極５を７×７として表示したが上部電極はこの実施例に限ることなくより多く形成すればスムーズに光の進行方向を制御することができる。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る光路制御素子の実施形態の一例を示す平面図及び一部拡大断面図である。
【図２】本発明の原理を示す説明図である。
【図３】本発明の光路制御素子の製作工程を示す断面図である。
【図４】他の実施形態を示す平面図である。
【図５】従来の光路制御素子の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      基板
１ａ    光導波路
１ｂ    酸化膜
１ｃ    窒化膜
２      微細空間（穴）
３      下部電極
３ａ    下部電極パッド
４      ガラス
５      上部電極
５ａ    電極パッド
１０    マスク
２１    入射手段
２２    出射手段
３０    プリズム
【図１】
2005173074.tif 000003
【図２】
2005173074.tif 000004
【図３】
2005173074.tif 000005
【図４】
2005173074.tif 000006
【図５】
2005173074.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月10日(2004.12.10)
【手続補正１】
【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】
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする光路制御素子。
【請求項２】
前記光導波路は前記上部，下部電極間に印加される電圧によって生じる静電吸引力により前記穴側に撓むように形成されたことを特徴とする請求項1記載の光路制御素子。
【請求項３】
前記上部，下部電極間に印加する電圧を制御して前記静電吸引力を変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させたことを特徴とする請求項1または２記載の光路制御素子。
【請求項４】
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする光路制御素子。
【請求項５】
前記基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けたことを特徴とする請求項４記載の光路制御素子。
【請求項６】
前記上部電極は、前記複数の穴の上部の光導波路上にそれぞれ形成されており、前記電圧印加手段により上部電極の中の任意の電極に印加する電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする請求項４または５記載の光路制御素子。
【請求項７】
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記上部電極の内の任意の電極に印加する電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする光路制御素子。
【請求項８】
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたことを特徴とする
請求項1〜７のいずれかに記載の光路制御素子。
【請求項９】
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、上部、下部電極に印加する電圧の最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたことを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の光路制御素子。
【請求項１０】
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記光導波路としてポリイミド膜を用いたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子。
【手続補正２】
【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】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、将来の高速光通信の光ルータ等に用いて好適な光路制御素子に関し、詳しくは光導波路を進行する光の進路を制御するようにした光路制御素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電吸引力を用いて光導波路を変位させて光の進行方向を切換える先行技術としては以下のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１６０７５０号公報
【特許文献２】特開２０００−１９９８７０号公報
【０００４】
図５は従来の高速光通信の光ルータ等に用いられている光路制御素子（光スイッチ）の要部構成を示す平面図である。
図５において、２０は正方形状に形成された例えばＳｉ基板であり、この基板の左辺には入力ポートが設けられ、光ファイバおよびコリメータレンズからなるｎ（図では７）個の入射手段２１ａ〜２１ｇがアレイ状に配置されている。
また、この基板の下辺には出力ポートが設けられ、同様の光ファイバおよびコリメータレンズからなるｎ（図では７）個の出射手段２２ａ〜２２ｇがアレイ状に配置されている。
【０００５】
２３ａ〜２３ｇは基板平面に対して垂直に、かつ、光の進行方向に対して４５度傾けて立てられたマイクロミラーで、入射手段２１ａ〜２１ｇから出射した光がこれらのマイクロミラーで反射して出力ポートに配置された出射手段２２ａ〜２２ｇに出射するように配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述の従来の光スイッチでは、光の進行方向を変えるために、あらかじめ用意された入射側、および出射側に存在する複数の入出射手段（セルフォティックレンズ付光ファイバー）に対して、複数の２次元ミラーを構成する必要がある。しかしながら、このような構成においては次のような問題点があった。
【０００７】
１）２次元ミラーにするためには、２次元平面状に作製されたミラーを、ピンセット等である角度で立てる必要があり、かつ、この作業を複数のミラーについて実施するため、作製工数、及び素子としての信頼性にかける。
【０００８】
２）ミラー角度が固定であることから、任意の入射手段から入射した光を任意の出射手段から出射できない。
本発明は上記の問題点を同時に満足したもので、作製工数、及び素子としての信頼性を向上させ、任意の入射手段から入射した光を任意の出射手段から出射できるようにした光路制御素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の光路制御素子においては、請求項１記載の光路制御素子において、
前記光導波路は前記上部，下部電極間に印加される電圧によって生じる静電吸引力により前記穴側に撓むように形成されたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３においては、請求項1または２記載の光路制御素子において、
前記上部，下部電極間に印加する電圧を制御して前記静電吸引力を変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５においては、請求項４記載の光路制御素子において、
前記基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６においては、請求項４または５記載の光路制御素子において、
前記上部電極は、前記複数の穴の上部の光導波路上にそれぞれ形成されており、前記電圧印加手段により上部電極の中の任意の電極に印加する電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項７においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記上部電極の内の任意の電極に印加する電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えるように構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項８においては、請求項1〜７のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたことを特徴とする
【００１７】
請求項９においては、請求項４〜８のいずれかに記載の光路制御素子において、
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、上部、下部電極に印加する電圧の最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１０においては、請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記光導波路としてポリイミド膜を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば次のような効果がある。
本発明の請求項１，２，３の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された穴と、この穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記穴の上の光導波路上に形成された上部電極と、前記穴の底部に形成された下部電極と、前記上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、印加する電圧を制御して前記上部、下部電極間の静電吸引力変化させ、前記導波路の撓みの大きさを変化させることで、任意の方向に光の進行方向を変えることができる。
【００２０】
請求項４，５，６の光路制御素子においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備えている。
基板に形成された複数の穴は格子状に配置され、前記基板の一端に複数の入射手段を設け、他の一端に複数の出射手段を設けている。前記上部電極は、前記複数の穴の上部の光導波路上にそれぞれ形成されており、前記電圧印加手段により複数の上部電極の中の任意の電極に電圧が印加される。その電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、光導波路の撓みの大きさを変えることにより、制御の自由度が高く、小型で、信頼性に富んだ光路制御素子を実現することができる。
【００２１】
請求項７においては、
基板の平面に対して垂直方向に形成された複数の穴と、これらの穴を覆って基板上に形成された光導波路と、前記複数の穴の上の光導波路上にそれぞれ形成された上部電極と、前記複数の穴の底部に形成された下部電極と、多重光が入射する少なくとも1個の入射手段と、この入射手段の後段に配置されたマイクロプリズムと、前記基板の端部に配置された複数の出射手段と、前記複数の上部，下部電極間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記複数の電極に印加する電圧を制御して上部、下部電極間の静電吸引力を変化させ、前記光導波路の撓みの大きさを変えることにより、ある限定された波長帯域の光を任意の出力ポートから出力することができる。
【００２２】
請求項８においては、
前記光導波路に入射する入射光の位置あるいは光ビームのスポット径を制御する入射光の位置および又は光ビームのスポット径制御手段を設けたので、制御の自由度の高い光路制御素子を実現することができる。
【００２３】
請求項９においては、
任意の入射手段に入射した光が任意の出射手段に選択的に出射するために、最適制御を実現するためのアルゴリズム機能を用いたので、応答性や自由度を高めることができ、例えば通信量変動、通信障害に対応するフレキシビティに富んだ光路制御素子を実現することができる。
【００２４】
請求項１０においては、請求項１〜９のいずれかに記載の光路制御素子において、
前記基板としてＰｏｌｙーＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を堆積させたＳｉ基板を用い、前記導波路としてポリイミドを用いたので、小型で、信頼性に富んだ光スイッチが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明に係る光路制御素子の実施形態の一例について、図面を参照して説明する。
はじめに図２を用いて本発明で用いるフェルマーの定理「光導波路中を進む光は、光線が曲面の測地線すなわち２点を結ぶ最短距離の曲線に従って進む」について説明する。
図２（ａ，ｂ，ｃ）はおわん状に変形した曲面の側面に入射した光の進行方向を示すもので、図（ａ）はおわんの斜視図、図（ｂ）は球からおわんを切出すときのカット面の位置、図（ｃ）はおわんの平面図を示している。
【００２６】
図２（ａ）において、矢印a方向から入射した光はおわんの曲面Ａの部分を通り矢印ａ’方向に出射する。この場合、図（ｃ）の平面図に示すように光は見かけ上直進することになる。
次に、図（ｃ）に示すように中心から距離Ｈ離れた位置で図（ａ）の矢印ｂの位置に入射した光は曲面Ｂ’の部分を通り矢印ｂ’方向に出射する。この場合、図（ｃ）の平面図に示すように光は矢印ａ方向から入射した場合に比較して、Φ’’進行方向が変化した状態で出射することになる。
【００２７】
即ち、おわんの深さを変えたりおわんに入射する光の位置を変えることにより任意の方向に出射させることができる。
図１（ａ）は本発明の実施形態の一例を示す要部平面図、図（ｂ）は図１（ａ）の一部を拡大して示すＸーＸ断面図である。これらの図において図５に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。Ｓｉ基板１には断面が台形状の複数の微細空間２が形成されており、この微細空間２の底部には一方の面の全面に下部電極３が設けられたガラス４が取り付けられて密閉されている。
【００２８】
また、基板１には酸化膜１ｂ、窒化膜１ｃ、酸化膜１ｂ、ポリイミド膜１ａが順次積層されており、微細空間２の上のポリイミド膜１ａ上には円状の上部電極５が形成されている。また、上部電極５の近傍のポリイミド膜１ａ上には上部電極パッド５ａが形成され、さらにポリイミド膜１ａ上には下部電極３に接続するように下部電極３ａが形成されている。なお、ポリイミド膜１ａの両面にはポリイミド膜１ａより屈折率の低い物質が形成されており（図示省略）光導波路として機能する。
電圧印加手段８は上部電極５、下部電極３の各電極間に電圧を印加するものであり、その電圧を制御する機能及びアルゴリズム機能を有している。
【００２９】
上述の構成において、上部電極５と下部電極３間に電圧を印加すると、これら上部、下部電極間に静電吸引力Ｐが働き、光導波路１ａに撓みＴが生じおわん状の窪みとなる。
その結果、先に説明したフェルマーの定理に基づいて２次元平面内で光導波路１ａ内を直進する光の進行方向が変わる。進行方向の制御は電極３に印加する電圧の大きさやおわん状の窪みへ入射する光ビームの入射位置又は光ビームの径を制御することによって行なうことができる。なお、光ビームの入射位置又は光ビームの径を制御する手段は図では省略する。
【００３０】
図１（ａ）において、微細空間２（図１ｂ参照）上の上部電極５は入射手段２１ａ〜２１ｇおよび出射手段２２ａ〜２２ｇから延長された光導波路１ａ上のクロスポイントにそれぞれ複数（図では４９）個形成されており、入射する光に対して微細空間（図示の例では円）２の中心は適当にずれた位置に配置されているものとする（なお、光は平面状に形成された光導波路１ａの中を直進するように一定方向に偏向されている）。
【００３１】
上述の構成において、任意の位置の入射手段２１へ入った光は、２次元平面内の光導波路内を直進するが、クロスポイントに存在する上部電極５及び下部電極３間に電極パッド５ａ，３ａを介して電圧を印加すると電極間に静電吸引力Ｐが生じる。その結果、光導波路１ａの縦方向に撓みＴ（おわん状の窪み）が発生することから２次元平面内で光の進行方向が変わる。
【００３２】
この光の進行方向の制御は加える電圧の大きさや入射する光ビームの入射位置又は光ビームの径を制御することによって行なう。なお、図では光の進行方向が上部電極５の中心で変化するように表示しているが実際には前述のフェルマーの定理に基づいて微細穴の曲面を進んで変化する。
【００３３】
従って、複数の入射出射手段に対して、複数の微細穴を格子状に配置して、任意の位置の電極に対して電圧印加手段８から適切なアルゴリズムを使って電圧を加えて静電吸引力を最適制御することで、入射手段２１からの光を、任意の出射手段２２に高速で、損失なく光を導くことができる。
【００３４】
図１（ａ）は上部電極５のうち電極（１−４，２−５，５−６，６−７）と下部電極３間のみに電圧が印加されてこの部分におわん状の撓みが発生している状態を示している。
このような状態において、入射手段２１ａから入射した光ビームは電極１−４と２−５で進行方向を変えられ、出力ポートに配置された出射手段２２ｃに入射する。また、入射手段２１ｅから入射した光ビームは電極５−６と６−７で進行方向を変えられ、出力ポートに配置された出射手段２２ａに入射する。
【００３５】
図３（ａ〜ｆ）は図１（ａ，ｂ）に示す光路制御素子の製作工程を示す要部断面図である。工程に従って説明する。
工程ａにおいて、Ｓｉ基板１の一方の面に酸化膜１ｂ、窒化膜１ｃ、酸化膜１ｂ、ポリイミド１ａを順次積層する。このポリイミド１ａの両面にはポリイミド１ａより屈折率の低い物質（図示省略）を形成して光導波路とする。また、他方の面にも酸化膜を形成し、この酸化膜の一部を除去してマスク１０を形成する。
【００３６】
工程ｂにおいて、マスク１０が形成された面をヒドラジンなどのエッチング液を用いて穴２ａを形成する。
【００３７】
工程ｃにおいて、穴２ａを形成した側の面を機械研磨や同等の手段を用いて除去し、穴２ａの深さを調整する。
【００３８】
工程ｄにおいて、一方の面に下部電極３が形成されたガラス４を作製する。
【００３９】
工程ｅにおいて、工程ｄで作製したガラス４の電極３側を陽極接合などを用いて穴２ａが形成された側の基板１に貼付する。
【００４０】
工程ｆにおいて、穴２ａの上に上部電極５を形成すると共に上部電極パッド５ａを穴２ａの近傍に形成して上部電極５と接続する。
次に、ポリイミド膜１ａが形成された面の上から下部電極３に達する穴を形成して導電部材３ｃを埋め込み、その導電部材３ｃに接続してポリイミド膜１ａ上に下部電極パッド３ｂを形成する。
なお、微小空間（穴）２ａの厚さｔは数μｍ，空間の直径ｋは数１００μｍ程度である。
【００４１】
図４は請求項７に関する実施形態の一例を示す要部平面図である。図1と同一要素には同一符号を付している。即ち、基板１の線分Ｙ−Ｙ’で示す右側の部分には図３に示すものと同様の光導波路や微細穴、上部，下部電極が形成されており、また、線分Ｙ−Ｙ’で示す左側の部分は段差が設けられ光導波路１ａの端部から光が入射可能とされている。
なお、この実施例においても上部、下部電極に電圧を印加するための電圧制御機能とアルゴリズムにより駆動される電圧印加手段８を備えている。
【００４２】
この実施例においては、入射ポート側には一つの入射手段２１ａが配置され、後段にプリズム３０が配置されており、入射手段２１にはλ１〜λｎの異なる波長を有する光が入射する（図では２種類の波長の光が２方向に分岐した状態を示している）。
【００４３】
上記の構成において、入射手段２１から出射した光はプリズム３０に入射してプリズムのもつ波長分散効果で波長ごとに分光される。プリズム３０から出射した光は基板１上に形成された光導波路１ａに入射して直進する。この光は微細穴（図示省略）と光導波路で形成されたおわん状の窪みで進行方向が変化する。
即ち、微細穴を隔てて対向して配置された複数の上部電極５の内の任意の電極と，下部電極３（図１ｂ参照）に印加する電圧を制御して静電吸引力を変化させ、光導波路で形成されるおわん状の窪みの深さを変化させて光導波路の進行方向を変化させることにより、任意の出射手段２２から分光した波長の光を出射することができる。
【００４４】
図４においては、Ｐ１で示す波長の光が４−３の電極と５−４で示す電極のところで進行方向が変化して出射手段２２ｄに入射し、Ｐ２で示す波長の光が５−５で示す電極のところで進行方向が変化して出射手段２２ｃに入射している状態を示している。
【００４５】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。例えば本実施例では上部電極５の形状は円形として説明したが三角や楕円でもよい。更に、本実施例では上部電極５を７×５として表示したが上部電極はこの実施例に限ることなくより多く形成すればスムーズに光の進行方向を制御することができる。
特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る光路制御素子の実施形態の一例を示す平面図及び一部拡大断面図である。
【図２】本発明の原理を示す説明図である。
【図３】本発明の光路制御素子の製作工程を示す断面図である。
【図４】他の実施形態を示す平面図である。
【図５】従来の光路制御素子の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１      基板
１ａ    光導波路
１ｂ    酸化膜
１ｃ    窒化膜
２      微細空間（穴）
３      下部電極
３ａ    下部電極パッド
４      ガラス
５      上部電極
５ａ    電極パッド
１０    マスク
２１    入射手段
２２    出射手段
３０    プリズム
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005173074.tif 000008
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2005173074.tif 000009
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005173074.tif 000010