(57)【要約】【課題】  可変光減衰器の小型化、低消費電力化、及び製造コストの削減を目的とする。【解決手段】  静電型アクチュエータが形成された半導体基板（ＳＯＩ基板）１０上の溝部２０ａ、２０ｂに光出射用光ファイバ１４ａと光入射用光ファイバ１４ｂをそれぞれ設置し、可変光減衰器として構成する。光出射用光ファイバ１４ａから出射された光は、静電型アクチュエータのミラー部１３にて反射され、光入射用光ファイバ１４ｂに入射される。静電型アクチュエータを駆動するとミラー部１３の光反射面１３ａが傾斜して反射光の光路が変化し、光入射用光ファイバ１４ｂに入射される反射光が減衰される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電型アクチュエータを用いた光減衰器であって、
少なくとも、
半導体基板上に、
一端部に光反射部を有し、他端部に電極部を有する可動部と、
当該可動部を回動可能に軸支する回転軸と、
前記可動部をバネ性を有するバネ部を介して保持する第一の電極部と、
前記可動部の電極部と対向する位置に設けられた第二の電極部とで構成される静電型アクチュエータと、
前記可動部の光反射部と対向する位置に設けられた少なくとも２つの導光手段とを有し、
前記第一の電極部および第二の電極部に電圧を印加して前記可動部の電極部と前記第二の電極部との間に静電気力を作用させ、
前記可動部を前記半導体基板上面に沿って前記回動軸を中心に回動させることにより、前記少なくとも２つの導光手段のうち一方から出射される光の光路を前記光反射部の光反射面にて変化させ、
前記少なくとも２つの導光手段の他方に入射される反射光の光量を変化させるようにしたことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項２】
前記可動部の電極部を挟んで前記第二の電極部と対向する位置には、第三の電極部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の可変光減衰器。
【請求項３】
前記第二の電極部と前記第三の電極部とにはそれぞれ異なる極性の電圧が印加されることを特徴とする請求項２記載の可変光減衰器。
【請求項４】
前記可動部の電極部と前記第二の電極部は櫛歯を有し、前記可動部の電極部と前記第二の電極部とは、それぞれが互いの前記櫛歯に噛合する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の可変光減衰器。
【請求項５】
前記可動部の電極部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部は櫛歯を有し、前記可動部の電極部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部とは、それぞれが互いの前記櫛歯に噛合する位置に配置されていることを特徴とする請求項２、又は３記載の可変光減衰器。
【請求項６】
前記可動部の電極部が有する櫛歯は、前記可動部の非駆動状態において、隣合う櫛歯との間に設けられた櫛歯間底部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部が有する櫛歯の先端部との距離が前記可動部の電極部側の端部に向うにつれて大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項５記載の可変光減衰器。
【請求項７】
前記導光手段は、光ファイバであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１つに記載の可変光減衰器。
【請求項８】
前記光ファイバは、前記半導体基板に設けられた溝部に設置されていることを特徴とする請求項７記載の可変光減衰器。
【請求項９】
前記半導体基板上に前記静電アクチュエータと前記導光手段との対を複数設けたことを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変光減衰器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変光減衰器は、光通信システムにおける光ファイバあるいは空間を伝搬する光に一定の減衰を与えるデバイスであり、近年普及しつつあるＷＤＭ光通信システム等に使用されている。
【０００３】
図５は、従来の可変光減衰器の構成を示す断面図であり、（ａ）は減衰量が最小の状態、（ｂ）は減衰量が大きい状態を示している。１は光を出射する光出射用光ファイバ、２は出射した光を反射するミラー、３は反射した光が入射される光入射用光ファイバ、４は光出射用光ファイバ１から出射された光をミラー２に屈折集光する像変換レンズ（以下、単にレンズと言う）である。５はレンズ４の光軸方向に直動移動する可動部材で、レンズ４側の端部には前記ミラー２が固定されている。可動部材５の内部は中抜き状態になっており、その内径部には送りねじ（雌ねじ）５ａが加工されている。６はステップモーターで、その出力軸７には送りネジ（雄ねじ）７ａが加工されている。前記可動部材５は、送りねじ５ａと送りねじ７ａとが係合することにより、ステップモーター６の出力軸７に回転可能に保持されている。８はハウジング部材で、可動部材５の直動案内手段を兼ねている。
【０００４】
以下、従来の可変光減衰器の動作について説明する。光出射用光ファイバ１から出射された光はレンズ４で屈折してミラー２に到達する。到達した光は、ミラー２で全反射され、再度レンズ４で屈折して光入射用光ファイバ３に入射する。（ａ）に示す状態では、反射光の光軸と光入射用光ファイバ３の光軸が一致しており、減衰量が最小となっている。ここで、（ａ）に示す状態においてステップモーター６を駆動させると、出力軸７の送りねじ７ａからミラー２が設置されている可動部材５の送りねじ５ａに動力が伝わり、可動部材５がハウジング部材８の直動案内手段に沿ってレンズ４から遠ざかる方向に直動移動して（ｂ）に示す状態となる。即ち、ミラー２とレンズ４との距離９が変化することで、光出射用光ファイバ１から出射された光のミラー２での反射位置が変化し、光入射用光ファイバ３の光軸と反射光の光軸がずれることで光入射用光ファイバ３に入射する光（反射光）が減衰される。このように、従来の可変光減衰器では、ステップモーター６の動作を制御することでレンズ４とミラー２との距離９を変化させ、所望の光減衰量を得ている。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４２２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような従来の可変光減衰器は部品点数が多く、構造が複雑で、駆動部においては精密な加工精度が必要なために大型で高価であるという問題点がある。
【０００７】
また、ステッピングモーターは消費電力が大きく、駆動を制御するために大型の電気回路が必要であるという問題点もある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、小型で安価な可変光減衰器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
静電型アクチュエータを用いた光減衰器であって、
少なくとも、
半導体基板上に、
一端部に光反射部を有し、他端部に電極部を有する可動部と、
当該可動部を回動可能に軸支する回転軸と、
前記可動部をバネ性を有するバネ部を介して保持する第一の電極部と、
前記可動部の電極部と対向する位置に設けられた第二の電極部とで構成される静電型アクチュエータと、
前記可動部の光反射部と対向する位置に設けられた少なくとも２つの導光手段とを有し、
前記第一の電極部および第二の電極部に電圧を印加して前記可動部の電極部と前記第二の電極部との間に静電気力を作用させ、
前記可動部を前記半導体基板上面に沿って前記回動軸を中心に回動させることにより、前記少なくとも２つの導光手段のうち一方から出射される光の光路を前記光反射部の光反射面にて変化させ、
前記少なくとも２つの導光手段の他方に入射される反射光の光量を変化させるようにした可変光減衰器とする。
【００１０】
前記可動部の電極部を挟んで前記第二の電極部と対向する位置には、第三の電極部が設けられている可変光減衰器とする。
【００１１】
前記第二の電極部と前記第三の電極部とにはそれぞれ異なる極性の電圧が印加される可変光減衰器とする。
【００１２】
前記可動部の電極部と前記第二の電極部は櫛歯を有し、前記可動部の電極部と前記第二の電極部とは、それぞれが互いの前記櫛歯に噛合する位置に配置されている可変光減衰器とする。
【００１３】
前記可動部の電極部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部は櫛歯を有し、前記可動部の電極部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部とは、それぞれが互いの前記櫛歯に噛合する位置に配置されている可変光減衰器とする。
【００１４】
前記可動部の電極部が有する櫛歯は、前記可動部の非駆動状態において、隣合う櫛歯との間に設けられた櫛歯間底部と、前記第二の電極部及び／又は前記第三の電極部が有する櫛歯の先端部との距離が前記可動部の電極部側の端部に向うにつれて大きくなるように形成されている可変光減衰器とする。
【００１５】
前記導光手段は、光ファイバである可変光減衰器とする。
【００１６】
前記光ファイバは、前記半導体基板に設けられた溝部に設置されている可変光減衰器とする。
【００１７】
前記半導体基板上に前記静電アクチュエータと前記導光手段との対を複数設けた可変光減衰器とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の可変光減衰器によれば以下の効果を奏する。１つの半導体基板上に設けた静電型アクチュエータと光ファイバとにより可変光減衰器を構成したので、従来における機械式のものと比較して大幅な小型化および構成の簡素化が可能である。駆動源には静電型アクチュエータを用いているため駆動電力の省電化が図れると共に、複雑な駆動回路も不要になる。半導体基板を加工して製造されるため、製造コストが削減でき、安価に提供が可能である。
【００１９】
可動部の電極部を挟んで対向する位置に２つの電極部を設け、２つの電極間に異なる極性の電圧を印加することにより、可動部の電極部に対して引力と斥力を同時に作用させることができるため、応答性の良い光減衰動作が得られる。
【００２０】
電極部の一部を櫛歯とすることにより、電極面積を広くできるため、電極を大型化することなく大きな静電気力を得ることが可能である。
【００２１】
可動部の電極部が有する櫛歯間底部と、それと対向する電極部の櫛歯先端部との距離を可動部の電極部端部に向かうにつれて大きくなるようにすることにより、電極部の櫛歯先端部が可動部の櫛歯間底部に接触するのを回避できるため、電極部の櫛歯が破損するのを防止することができる。
【００２２】
光ファイバを半導体基板に設けた溝部に設置すれば、光ファイバを半導体基板の上方に突出させることがないため、構成をよりいっそう小型化することができる。
【００２３】
１つの半導体基板に複数同時に形成することも可能であり、その場合であっても小型化、且つ低コスト化が実現可能である
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
少なくとも、
半導体基板上に、
一端部に光反射部を有し、他端部に電極部を有する可動部と、
当該可動部を回動可能に軸支する回転軸と、
前記可動部をバネ性を有するバネ部を介して保持する第一の電極部と、
前記可動部の電極部と対向する位置に設けられた第二の電極部とで構成される静電型アクチュエータと、
前記可動部の光反射部と対向する位置に設けられた少なくとも２つの導光手段とを有し、
前記第一の電極部および第二の電極部に電圧を印加して前記可動部の電極部と前記第二の電極部との間に静電気力を作用させ、
前記可動部を前記半導体基板上面に沿って前記回動軸を中心に回動させることにより、前記少なくとも２つの導光手段のうち一方から出射される光の光路を前記光反射部の光反射面にて変化させ、
前記少なくとも２つの導光手段の他方に入射される反射光の光量を変化させる可変光減衰器とする。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本発明による可変光減衰器の第一実施形態を示す斜視図であり、図２はその動作を説明するための図で、（ａ）非駆動状態を示す上面図、（ｂ）駆動状態を示す上面図、である。また、図３は第一実施形態の製造工程を説明するためのＡ−Ａ断面図である。図１に示すように、中間層（絶縁層）１０ｂを上下からシリコン結晶層１０ａ、１０ｃで挟み込んだ半導体基板（ＳＯＩ基板）１０の上側シリコン結晶層１０ａには可動部１１が形成されており、回転軸１２を軸として中空状態で回動可能に軸支されている。可動部１１の回転軸１２側の一端部にはミラー部１３が設けられており、２本の光ファイバ１４ａ、１４ｂの光出射面に対向する部分には光反射面１３ａを有している。一方、可動部１１の他端部には櫛歯１５ａを有する電極部１５が設けられており、当該櫛歯１５ａは互いに対向する位置に設けられた第二の電極部１６、及び第三の電極部１７の櫛歯１６ａ、１７ａと一部が噛み合うように配置されている。更に、可動部１１にはバネ性を有するバネ部１８が一体的に形成されており、これにより可動部１１は第一の電極部１９に連結されて中空状態に保持されると共に電気的導通がなされる。
【００２６】
第一の電極部１９、第二の電極部１６、第三の電極部１７、及び可動部１１の回転軸１２は、中間層１０ｂを介して下側シリコン結晶層１０ｃに固定されており、それ以外の部分はエッチングにより中間層１０ｂを除去してある。即ち、前記可動部１１は下側シリコン結晶層１０ｃに対して中空状態となっており、下側シリコン結晶層１０ｃの上面に沿って回転軸１２を中心に回動可能となっている。
【００２７】
２本の光ファイバ１４ａ、１４ｂの内、光ファイバ１４ａは光出射用、光ファイバ１４ｂは光入射用となっており、上側シリコン結晶層１０ａに形成された溝部２０ａ、２０ｂにそれぞれ設置され、接着剤（不図示）により固定されている。溝部２０ａと溝部２０ｂとは、互いに一定の間隔を空けて並設されており、溝部２０ａ、２０ｂ底部の中間層１０ｂはエッチングにより除去されて下側シリコン結晶層１０ｃが露出した状態となっている。このように、光ファイバを上側シリコン結晶層１０ａ中に設置すれば、光ファイバがＳＯＩ基板１０上方に突出することがなく装置の小型化が図れる。更に、光ファイバを設置する際の位置決めが容易に行える。
【００２８】
また、可動部１１が回動した際、隣合う櫛歯間の底部１５ｂが第二の電極部１６の櫛歯先端部１６ｂ、もしくは第三の電極部１７の櫛歯先端部１７ｂに接触するのを防止すると共に、可能な限りの傾斜角を得るため、可動部１１の櫛歯間底部１５ｂと第二の電極部１６の櫛歯先端部１６ｂおよび第三の電極部１７の櫛歯先端部１７ｂとのギャップ（距離）は、可動部１１の電極部１５端部に向うにつれて大きくなるように設計されている。つまり、図２（ａ）に示すように、ギャップ２１ａよりギャップ２１ｂの方が大きくなっている。
【００２９】
次に、図２を参照して本発明による可変光減衰器の動作について説明する。静電型アクチュエータの可動部１１を回動させる手段としては、可動部１１の一端部に形成した電極部１５と、当該電極部１５と対向する位置に設けられた第二の電極部１６および第三の電極部１７との間に発生する静電気力を利用している。各電極部間に電圧が印加されると、可動部１１が第二の電極部１６および第三の電極１７に対して反発、又は引き寄せられ、（ａ）に示す状態を初期位置として回転軸１２を中心に回動（揺動）する。可動部１１が回動すると、回動に伴って可動部１１の一端部に形成されたミラー部１３の光反射面１３ａが傾斜する。光反射面１３ａには、光出射用光ファイバ１４ａから光が照射され、光反射面１３ａの傾斜角が変化すると照射された光の反射光路も変化する。反射光路が変化することにより、光入射用光ファイバ１４ｂの入光端面に照射される反射光量が減少し、光減衰効果が得られる。
【００３０】
（ｂ）に示す状態では、第一の電極部１９（可動部１１の電極部１５）と第二の電極部１６に負電荷が印加してあり、第三の電極部１７には正電荷が印加してある。この状態において可動部１１は、回動限界位置まで回動しており、この時点で光減衰量は最大となっている。通常、第二の電極部１６と第三の電極部１７には、それぞれ負電荷、正電荷を常時印加しておき、第一の電極部１９には光反射面１３ａの傾斜角に合わせて負電荷の値を調整して印加する。このように、第一の電極部１９に印加する電荷量を変化させて光反射面１３ａの傾斜角を制御し、光入射用光ファイバ１４ｂに入射される反射光の光量を調整する。
【００３１】
可動部１１の駆動が完了した後、電圧の印加を停止すると、可動部１１はバネ部１８のバネ力により（ａ）に示すような初期位置に自動的に戻る。
【００３２】
本発明による可変光減衰器の製造方法については以下の通りである。尚、レジストの塗布・剥離工程については図示を省略する。まず、図３（ａ）に示すような半導体基板（ＳＯＩ基板）１０の上面全体に感光性ポリイミド等からなるレジスト（ポジ型）を塗布する。レジスト塗布後、ＳＯＩ基板１０上方に所望の静電型アクチュエータ外形形状、及び光ファイバ設置用溝部の外形形状を有するフォトマスクを被せ、露出領域のレジストを紫外線露光する。露光後、感光領域のレジストを現像液にて除去し、所望の構造体外形（静電型アクチュエータの外形、光ファイバ設置用溝部の外形）を有するレジストパターンを形成する。
【００３３】
その後、露出領域の上側シリコン結晶層１０ａを異方性のドライエッチングにより除去し、（ｂ）に示すような構造体を形成する。この際、回転軸１２周辺の上側シリコン結晶層１０ａも同時に除去され、これにより可動部１１が回転軸１２に対して摺動可能に軸支された状態となる。また、可動部１１内側の上側シリコン結晶層１０ａの一部も除去され、中間層１０ｂまで貫通した複数の窓部２２が同時に形成される。この窓部２２は、次工程（ｃ）において可動部１１底部の中間層１０ｂをエッチングにより除去する際、エッチングの進行を早めるためのものであるが、詳細については後述する。
【００３４】
次に、中間層１０ｂを（ｃ）に示すように、可動部１１の回転軸１２、第一の電極部１９（不図示）、第二の電極部１６、及び第三の電極部１７（不図示）の底部を残して等方性のウェットエッチングにより除去する。この時点で可動部１１は下側シリコン結晶層１０ｃから切り離されて中空状態となる。通常、エッチングは中間層１０ｂの周縁部から内方に向かって徐々に進行するため、可動部１１底部の中間層が完全に除去されるまでには、それ相応の時間が掛かる。しかしながら、本実施例においては、前記のように工程（ｂ）で可動部１１内側に複数の窓部２２が形成されて、そこから中間層１０ｂが露出しており、エッチング時にはその部分からも中間層１０ｂのエッチングが進行して可動部１１底部の中間層１０ｂの除去が迅速に行われるため、エッチングの長期化により回転軸１２底部の中間層１０ｂ等が不要に削られるのを防止することができる。また、窓部２２を設けたことにより可動部１１の軽量化がなされる。
【００３５】
その後、マスクとして用いたレジストパターンを有機溶剤（アセトン等）により除去し、除去後（ｄ）に示すように光ファイバ１４ａ、１４ｂ（不図示）を前記工程（ｂ）で形成された光ファイバ設置用の溝部２０ａ、２０ｂ（不図示）にそれぞれ位置決めし、上部に接着剤（例えば、紫外線硬化型接着剤）を塗布して固定する。
【００３６】
以上の製造方法によれば、光ファイバ設置用の溝部を静電型アクチュエータの製造工程の中で精度良く加工できると共に、製造工程の簡略化が図れる。また、光ファイバ１４ａ、１４ｂの位置決めも、溝部２０ａ、２０ｂにより容易に行える。
【実施例２】
【００３７】
図４は、本発明による可変光減衰器の第二実施形態を示す斜視図である。本実施形態においては、１つの半導体基板に第一実施形態で説明したものと同様の静電型アクチュエータと光ファイバ設置用溝部２０ａ、２０ｂを複数対（本実施例では４対）形成してあり、各々の溝部２０ａ、２０ｂには、各静電型アクチュエータに対応した光出射用光ファイバ１４ａと光入射用光ファイバ１４ｂが設置されている。各静電型アクチュエータは、それぞれが独立して駆動可能であり、複数の出射光に対しても簡単な構成で所望の光減衰量を得ることができる。また、製造に関しても実施例１の場合と同様に製造が可能であり、本実施例２のように静電型アクチュエータを複数形成する場合であっても、特に工程を増やす必要がないため、安価に製造が可能である。
【００３８】
本明細書で説明した実施例１、及び実施例２に記載の静電型アクチュエータは、第二の電極部１６と第三の電極部１７、２種類の電極部を設け、それぞれには互いに極性の異なる電圧を印加する構成としたが、電極部を第二の電極部１６、もしくは第三の電極部１７のどちらか１つとしてもよく、可変光減衰器としての動作に支障はない。しかし、より応答性の良い駆動を期待するのであれば、電極部を２つとして構成するのが望ましい。
【００３９】
また、導光手段としては光ファイバを用いたが、導光作用が得られれば本発明の趣旨を逸脱しない範囲内ではどのようなものを用いても構わず、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による可変光減衰器を示す斜視図（実施例１）
【図２】本発明による可変光減衰器の動作を説明するための図で、（ａ）非駆動状態（初期状態）を示す上面図、（ｂ）駆動状態（光減衰量最大時）を示す上面図（実施例１）
【図３】本発明による可変光減衰器の製造工程を示すＡ−Ａ断面図（実施例１）
【図４】本発明による可変光減衰器を示す斜視図（実施例２）
【図５】従来の可変光減衰器を示す断面図で、（ａ）減衰量が最小の状態を示す図、（ｂ）減衰量が大きい状態を示す図
【符号の説明】
【００４１】
１      光出射用光ファイバ
２      ミラー
３      光入射用光ファイバ
４      像変換レンズ
５      可動部材
６      ステップモーター
７      出力軸
８      ハウジング部材
９      レンズとミラー間の距離
１０    半導体基板（ＳＯＩ基板）
１０ａ  上側シリコン結晶層
１０ｂ  中間層（絶縁層）
１０ｃ  下側シリコン結晶層
１１    可動部
１２    回転軸
１３    ミラー部
１３ａ  光反射面
１４ａ  光出射用光ファイバ
１４ｂ  光入射用光ファイバ
１５    電極部
１５ａ  櫛歯
１５ｂ  櫛歯間底部
１６    第二の電極部
１６ａ  櫛歯
１６ｂ  櫛歯先端部
１７    第三の電極部
１７ａ  櫛歯
１７ｂ  櫛歯先端部
１８    バネ部
１９    第一の電極部
２０ａ  光ファイバ設置用溝部
２０ｂ  光ファイバ設置用溝部
２１ａ  櫛歯間底部と櫛歯先端部間のギャップ
２１ｂ  櫛歯間底部と櫛歯先端部間のギャップ
２２    窓部
【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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