(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、光伝達部と、光路変更部と、アクチュエータ部とを備える光スイッチであって、
該光伝達部は、少なくとも該光路変更部に対向する面の一部に設けられる、光を全反射する光反射面と、及び該光反射面を起点に、少なくとも３方向に向けて設けられる光導波路からなる光伝達経路を有してなり、
該光路変更部は、該光伝達部の該光反射面に移動可能な状態で近接され、少なくとも光を散乱する光路変更部材を有してなり、
該アクチュエータ部は、外部信号により変位し、該変位を該光路変更部に伝達する機構を有してなり、
（１）該光路変更部が、該光伝達部の該光反射面から離隔した際に、該光伝達経路に入力した光を、該光伝達部の該光反射面で全反射させて、該光伝達経路の内の出力側の特定の１の光伝達経路に伝達させ、そして、
（２）該光路変更部が、該光伝達部の該光反射面に接触した際に、該光伝達経路に入力した光を取り出して、該光路変更部で散乱させ、該出力側の全ての光伝達経路に伝達させるように、
該外部信号に応じた該アクチュエータ部の変位により、該光路変更部を該光伝達部の該光反射面に接触又は離隔させて、光路の分岐を行うことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
該アクチュエータ部が、
圧電／電歪層と、該圧電／電歪層の一部に配設される少なくとも１対の電極とからなる圧電／電歪素子と、
該圧電／電歪素子の少なくとも一部と接して、該圧電／電歪素子を支持し、該圧電／電歪層の歪みを屈曲変位又は振動に変換する振動部材と、
該振動部材が振動できるように、該振動部材の少なくとも一部を固定する固定部材と、
該光路変更部と該圧電／電歪素子との間に配設され、該圧電／電歪素子の変位を光路変更部に伝達する変位伝達部材と
を有する請求の範囲第１項に記載の光スイッチ。
【請求項３】
該振動部材と該固定部材とを焼成一体化してセラミックス基体を構成し、かつ該振動部材を薄肉構造として、該セラミックス基体に、凹部若しくは空所を形成した請求の範囲第２項に記載の光スイッチ。
【請求項４】
該圧電／電歪素子が、陽極として機能する複数の層を連結してなる陽極層と、陰極として機能する複数の層が連結してなる陰極層とが、セラミックスからなる圧電／電歪層を挟んで交互に積層された積層体からなる請求の範囲第２項又は第３項に記載の光スイッチ。
【請求項５】
該光伝達部が、光の屈折率が異なる２以上の層からなる請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項６】
該光伝達部が、一の光導波路に、該光伝達部の該光反射面を起点に少なくとも３方向に光伝達経路が形成されるように、少なくとも２以上の光導波路を結合して構成される請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項７】
該光伝達部の複数からなる光信号入力側及び／又は光信号出力側にそれぞれ集光レンズ又はコリメータレンズを配設し、光信号を該集光レンズ又は該コリメータレンズを通して出入力する請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項８】
該光路変更部が、透光性の材質からなる光導入部材を有してなる請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項９】
該光路変更部が、光を散乱するための光散乱体を有している請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
該光路変更部が、光を散乱する光散乱体のみで構成されている請求の範囲第１項〜第９項のいずれか１項に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
請求の範囲第１項〜第１０項に記載の光スイッチを複数備えることを特徴とする多チャンネル光スイッチ。
【請求項１２】
複数の光スイッチにおける各光伝達経路が、単一の光伝達部で形成されてなる請求の範囲第１１項に記載の多チャンネル光スイッチ。
【請求項１３】
該複数の光スイッチにおける各光伝達経路が、相互に交差して、該各光伝達経路の一部を共用化する請求の範囲第１２項に記載の多チャンネル光スイッチ。
【請求項１４】
該複数の光スイッチが、隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを連結してなり、一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの各光路変更部でスイッチングを行う請求の範囲第１１項に記載の多チャンネル光スイッチ。
【請求項１５】
該複数の光スイッチが、複数の入力側経路を有する少なくとも一以上の光スイッチと、複数の出力側経路を有する少なくとも一以上の光スイッチとから構成され、かつ隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを連結してなり、複数の光スイッチの入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの光路変更部でスイッチングを行う請求の範囲第１１項に記載の多チャンネル光スイッチ。
【請求項１６】
該複数の光スイッチが、隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを、それぞれ光ファイバーを介して連結してなり、少なくとも一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの光路変更部でスイッチングを行う請求の範囲第１１項に記載の多チャンネル光スイッチ。
【請求項１７】
請求の範囲第１４項〜第１６項のいずれか１項に記載の多チャンネル光スイッチを、複数並列した多チャンネル光スイッチ。
【請求項１８】
請求の範囲第１４項〜第１６項のいずれか１項に記載の多チャンネル光スイッチを複数個備え、該各多チャンネル光スイッチにおける各出力端部同士の少なくとも一部を、該各多チャンネル光スイッチとは別体として配設される、外部光伝達経路の入力端部を中心に円弧状に位置させて、該各多チャンネル光スイッチを配設する多チャンネル光スイッチ。
【請求項１９】
請求の範囲第１４項〜第１６項のいずれか１項に記載の多チャンネル光スイッチにおける各光伝達経路の光信号入力端部又は光信号出力端部に、それぞれ光分岐器又は光結合器を結合して、該光伝達経路の少なくとも一部を分岐又は集束した多チャンネル光スイッチ。
【請求項２０】
請求の範囲第１４項〜第１６項のいずれか１項に記載の多チャンネル光スイッチにおける各光伝達経路の光信号入力端部又は光信号出力端部に、それぞれ光分波器又は光合波器を結合して、該光伝達経路の少なくとも一部を分岐又は集束した多チャンネル光スイッチ。
【請求項２１】
請求の範囲第１４項〜第１６項のいずれか１項に記載の多チャンネル光スイッチ複数個の各出力端部又は各入力端部と、他の少なくとも一の該多チャンネル光スイッチにおける複数の入力端部又は出力端部とを連結してなる多チャンネル光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光スイッチに関する。より詳しくは、光通信システム、光記憶装置、光演算装置、光記録装置、又は光プリンタ等、特に、特定の光毎にスイッチングを行う多チャンネル光スイッチが要望される光通信システムに適した光スイッチに関するものである。
背景技術
近年、光通信技術の進展とともに、高速応答、小型化、高集積化、低消費電力化、及び信号の減衰の低減化が可能な光スイッチが求められている。
従来、光スイッチとしては、液晶を用いたもの、電磁石を用いた機械的な装置により光ファイバーの位置を移動させるもの、マイクロミラーを用いるもの等が知られている。
しかし、液晶を用いた光スイッチでは、分子の配向に基づいてスイッチングを行うため、応答速度が遅く、高速通信が要求される光通信への適用は困難であった。また、偏光板を用いる必要があるため、光の利用効率が低いという問題もあった。
電磁石を用いた機械的な装置により光ファイバーの位置を移動させる光スイッチでは、装置の小型化ができず、高集積化の要請に応じることが困難であった。また、電磁石を用いた機械的動作によりスイッチングを行うため、消費電力が大きいという問題もあった。
マイクロミラーを用いた光スイッチでは、製造プロセスが煩雑になるため、製造コストが高くなってしまうという問題があった。また、大気中を伝播する光を制御するため、信号の減衰が大きいという問題もあった。
これらに対して、光導波路に電界を印加した際の電気光学効果による、光導波路の屈折率変化を利用してスイッチングを行う光スイッチが提案されている。
しかしながら、この方式の光スイッチでは、光導波路間で、他の光導波路を制御するために印加される電界の影響を受け易いという問題があり、特に、光スイッチを小型化すると、必然的に各光導波路へ電界を印加する電極同士が接近するため、隣接する光導波路間での電界の影響が増大し、クロストーク等による誤動作を生ずるという問題があった。
他方、全反射により光を内部に閉じ込めて光伝達を行う導光部と、この導光部に接触した際に、内部に閉じ込めていた光を導光部外に抽出し、抽出した光を導光部の方向に反射する光スイッチング部と、この光スイッチング部を駆動する駆動部とを有した光スイッチング素子が提案されている（特開平１１−２０２２２２号公報）。
しかし、この光スイッチンング素子は、導光部が入力光の光伝達経路を一方向にのみ延伸させる構成であるとともに、スイッチング部を導光部の不特定な全反射面に接触させて、導光部に入力した光を無作為に外部に出力するもの、即ち、光のｏｎ／ｏｆｆのみを行う形のスイッチであった。従って、特定な入力光を、特定な複数の出力側端子にその光路を切り替え、又は分岐して出力させる光スイッチ、複数の特定な入力光についてそれぞれの光路を切り替えて、特定な出力端子へ出力させる光スイッチ、及び複数の特定な入力光を複数の特定な出力端子へ切り替え、又は分岐して出力する多チャンネル光スイッチとすることはいずれも不可能であり、画像表示のような目的には利用可能でも、光通信システムでの利用は、実際上極めて困難であった。
また、この光スイッチング素子では、導光部が、光伝達経路を一方向にのみ延伸させる構成であることに加え、これらが導光部の無限な全反射を利用する構成のため、スイッチング部での出射方向は、大気と導光部との界面での屈折を考慮すると、その全反射角度より深い角度、即ち全反射面に対してほぼ垂直方向に制限され、この点でも特定の光毎に異なる方向へ光を伝達するというスイッチングはできないものであった。
発明の開示
本発明は上述の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、消費電力が小さく、かつ高速応答が可能であるとともに、小型化、高集積化が可能であり、かつ信号の減衰を高度に低減することができ、更には、入力した特定の光毎にスイッチングを行うことができる光通信システムに適した光スイッチを提供することにある。
そして、本発明者は、前述の問題を解決するべく鋭意研究した結果、光伝達部を、光路変更部に対向する面の一部に設けられる光反射面を起点に、光導波体からなる光伝達経路が、少なくとも３方向に向けて形成される構成とするとともに、光路変更部を、この光伝達部の光反射面に、アクチュエーター部の変位に基づいて入力光の波長レベルで接触又は離隔させることにより、上記目的を達成できることを知見し、本発明に至った。
即ち、本発明によれば、少なくとも、光伝達部と、光路変更部と、アクチュエータ部とを備える光スイッチであって、光伝達部は、少なくとも光路変更部に対向する面の一部に設けられる、光を全反射する光反射面、及びこの光反射面を起点に、少なくとも３方向に向けて設けられる、光導波体からなる光伝達経路を有してなり、光路変更部は、光伝達部の光反射面に移動可能な状態で近接され、少なくとも光を反射又は散乱する光路変更部材を有してなり、アクチュエータ部は、外部信号により変位し、この変位を光路変更部に伝達する機構を有してなり、外部信号に応じたアクチュエータ部の変位により、光路変更部を光伝達部の光反射面に接触又は離隔させ、光路変更部が、光伝達部の光反射面から離隔した際に、光伝達経路に入力した光を、光伝達部の光反射面で全反射させて出力側の特定の光伝達経路に伝達し、光路変更部が、光伝達部の光反射面に接触した際に、光伝達経路に入力した光を取り出して、光路変更部で反射又は散乱させて、出力側の１又は２以上の特定の光伝達経路に伝達し、光路の切り替え又は分岐を行うことを特徴とする光スイッチが提供される。
本発明においては、アクチュエータ部が、圧電／電歪層と、この圧電／電歪層の一部に配設される少なくとも１対の電極とからなる圧電／電歪素子と、この圧電／電歪素子の少なくとも一部と接して、圧電／電歪素子を支持し、圧電／電歪層の歪みを屈曲変位又は振動に変換する振動部材と、この振動部材が振動できるように、振動部材の少なくとも一部を固定する固定部材と、光路変更部と圧電／電歪素子との間に必要に応じて配設され、圧電／電歪素子の変位を光路変更部に伝達する変位伝達部材とを有することが好ましい。
この際、振動部材と固定部材とを焼成一体化してセラミックス基体を構成し、かつ振動部材を薄肉構造として、セラミックス基体に、凹部若しくは空所を形成することが好ましい。また、陽極として機能する複数の層が連結してなる陽極層と、陰極として機能する複数の層が連結してなる陰極層とが、セラミックスからなる圧電／電歪層を挟んで交互に積層された積層体からなる、いわゆる積層アクチュエーターとすることもできる。
また、本発明においては、光伝達部が、光の屈折率が異なる２以上の層からなることが好ましく、光伝達部の光伝達経路が、光導波路により構成されることがより好ましい。
また、光伝達部は、一の光導波体に、光伝達部の光反射面を起点に少なくとも３方向に光伝達経路が形成されるように、少なくとも２以上の光導波体を結合して構成することができる。一方、本発明では、光伝達部の複数の光信号入力端部及び／又は光信号出力端部に、それぞれ集光レンズ又はコリメータレンズを配設し、光信号を集光レンズ又はコリメータレンズを介して入出力することが好ましい。
また、本発明においては、光路変更部が、透光性の材質からなる光導入部材を有してなるものが好ましい。また、光路変更部材としては、光を正反射若しくは乱反射する光反射体、又は光を散乱する光散乱体を挙げることができる。本発明においては、光路変更部そのものを光を乱反射する光反射体、又は光散乱体のみで構成させることもできる。また、光を正反射若しくは乱反射する光反射体は、光導入部材の変位伝達部材側の面に一体的に形成した光反射膜であってもよい。
他方、本発明によれば、前述した光スイッチを、複数個備える多チャンネル光スイッチが提供される。
本発明の多チャンネル光スイッチにおける一の実施形態としては、複数の光スイッチの各光伝達経路が、単一の光伝達部で形成されてなる多チャンネル光スイッチを挙げることができ、この多チャンネル光スイッチでは、各光伝達経路の一部が、相互に交差して、経路の一部を共用化する構成とすることができる。
本発明の多チャンネル光スイッチにおける他の実施形態としては、複数の光スイッチが、隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを連結してなり、一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、この一の光スイッチを含む複数の光スイッチの各光路変更部でスイッチングを行うもの；複数の光スイッチが、複数の入力側経路を有する少なくとも一以上の光スイッチと、複数の出力側経路とを有する少なくとも一以上の光スイッチとから構成され、かつ隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを連結してなり、複数の光スイッチの入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの光路変更部でスイッチングを行うもの；又は、複数の光スイッチが、隣接する光スイッチ間で、一の出力側光伝達経路と、一の入力側光伝達経路とを、それぞれ光ファイバーを介して連結してなり、少なくとも一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの光路変更部でスイッチングを行う多チャンネル光スイッチ等を挙げることができる。
本発明においては、このような多チャンネル光スイッチを、更に、複数並列した多チャンネル光スイッチ；又はこのような多チャンネル光スイッチを複数個備えるものであって、各多チャンネル光スイッチにおける各出力端部同士の少なくとも一部を、各多チャンネル光スイッチとは別体として配設される、外部光伝達経路の入力端部を中心に円弧状に位置させて、各多チャンネル光スイッチを配設する多チャンネル光スイッチとすることもできる。
更には、このような多チャンネル光スイッチにおける各光伝達経路の光信号の光信号入力端部又は光信号出力端部に、それぞれ光分岐器又は光結合器を結合して、光伝達経路の少なくとも一部を分岐又は集束した多チャンネル光スイッチ；このような多チャンネル光スイッチにおける各光伝達経路の光信号入力端部又は光信号出力端部に、それぞれ光分波器又は光合波器を結合して、該光伝達経路の少なくとも一部を分岐又は集束した多チャンネル光スイッチ；或いは、このような多チャンネル光スイッチ複数個の各出力端部又は各入力端部と、同様の他の少なくとも一の多チャンネル光スイッチにおける複数の入力端部又は出力端部とを連結してなる多チャンネル光スイッチとすることもできる。
また、本発明の多チャンネル光スイッチにおいては、光路変更部の各々が、各光路変更部間で少なくとも２種以上の光反射角度となる光反射体を有する構成とすることができる。
発明を実施するための最良の形態
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の光スイッチにおける一の実施形態を模式的に示す説明図であり、図１（ａ）は、光路変更部が光伝達部から離隔された状態を示すものであり、図１（ｂ）は、光路変更部が光伝達部に接触した状態を示すものであり、図１（ｃ）は、光伝達部における、光路変更部に対向する面、及び光路変更部に対応する面を模式的に示すものである。また、図２３（ａ）（ｂ）は、本発明の光スイッチにおける他の実施形態について、その作動状態を模式的に示す説明図である。
図１（ａ）に示すように、本発明の一の実施形態における光スイッチでは、電圧の印加等の外部信号によりアクチュエータ部１１を作動させた状態とすると、アクチュエータ部１１の変位により光路変更部８が光伝達部１から離隔され、光伝達部１の光伝達経路２に入力された光２１が、屈折率を所定の値に調節してある光伝達部１の光反射面１ａにおいて透過することなく全反射し、出力側の一の光伝達経路４に伝達される。
一方、この状態から、逆に、アクチュエータ部１１を非作動状態とすると、図１（ｂ）に示すように、アクチュエータ部１１の変位が元に戻り、光路変更部８の光導入部材９が、光伝達部１に光の波長以下の距離で接触するため、光伝達経路２に入力された光２１は、光伝達部１から光導入部材９に取り出され、光導入部材９の中を透過する。光導入部材９の中を透過した光２１は、光路変更部材１０まで達するが、図に示すように、光を正反射する光反射体（以下、「正反射体」ということがある。）１０ｄで構成した光路変更部材１０では、その反射面１０ａで正反射されることにより、光伝達部１の光反射面１ａで反射した光とは異なる出力側の他の光伝達経路５に伝達される。一方、図２３（ａ）（ｂ）に示すように、光を散乱する光散乱体１０ｆ又は光を乱反射する光反射体（図示せず。また、以下では「乱反射体」ということがある。）で構成した光路変更部材１０では、光路変更部材１０に達した光２１は、光散乱体１０ｆ又は乱反射体により、様々な方向に光路を変更されて外部に放出される結果、出力側の複数の光伝達経路４、５に同時に伝達される。
即ち、図１（ａ）（ｂ）及び図２３（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の光スイッチでは、光伝達部１の光伝達経路２に導入された特定の光２１を、アクチュエータ部１１への電圧の印加等の外部信号に基づいて、任意に光路を切り替え、又は光路を分岐することで、異なる１又は２以上の光伝達経路４、５へ光を伝達し、光のスイッチングを行うものである。
このように、本発明の光スイッチでは、入力光又は出力光の進行方向を多様化することができるとともに、入力した光２１毎に光伝達部１の光反射面１ａ又は光路変更部８の光反射面１０ａで反射して、その反射光毎に、特定の出力側伝達経路４、５に伝達することができるため、特定の光毎に極めて多数の光路を任意に選択することができる。また、用途に応じて、光散乱体１０ｆ又は乱反射体を設けた光路変更部８とすれば、入力した光２１の光路を分岐して、複数の伝達経路４、５へ同時に伝達可能な光スイッチを実現できる。また、材料固有の物理効果、例えば電気光学効果等による屈折率変化を利用するものではなく、光路変更部８を光伝達部１に接触又は離隔させるという機械的動作により光伝達経路４、５を切り替えるため、クロストーク等の問題を生じることなく、小型化はもちろんのこと、高集積化した多チャンネルスイッチを実現できる。更には、これらスイッチングを行うための光路変更部８の移動距離が、光の波長オーダーで足りるため、高速なスイッチングを行うことができ，しかも、光伝達経路２、４、５そのものを移動させる必要がないため、低消費電力でスイッチングを行うことができる。更にまた、基本的に光のスイッチングを全て閉塞空間で行うことができ、大気中を伝播する光をスイッチング制御する必要がないため、スイッチングに関わる信号の減衰を高度に抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて各構成部毎に具体的に説明する。
１．光伝達部
図１（ａ）（ｂ）及び図２３（ａ）（ｂ）に示すように、本発明における光伝達部１は、少なくとも後述する光路変更部８に対向する面１ｄの一部に設けられる、光を反射する光反射面１ａ、及びこの光反射面１ａを起点に、少なくとも３方向に向けて設けられる、光導波体からなる光伝達経路２、４、５を有するものである。これにより、前述したように、特定の光毎に極めて多数の光路を任意に選択することができる光スイッチ、或いは入力した光２１の光路を分岐して、複数の伝達経路４、５への同時伝達が可能な光スイッチを実現できるとともに、スイッチングに関わる信号の減衰を高度に抑制することができる。
図１（ａ）（ｃ）に示すように、本発明における光伝達部１に設けられる光反射面１ａは、少なくとも後述する光路変更部８に対向する面１ｄのうち、光路変更部８に対応する部分１ｂの一部を含んで設ける必要がある。但し、光路変更部８に対応する部分１ｂの全体を含んでもよく、光路変更部８に対応する部分１ｂ以外の面を含んでもよい。もっとも、入力した光を効率よくスイッチングするには、光路変更部８に対応する部分１ｂ全体を含んで設けることが好ましい。
また、光伝達部１に設けられる光反射面１ａが、各光伝達経路２、４、５の起点となるように、各光伝達経路２、４、５の配置を考慮して光伝達部１の光路変更部８に対向する面１ｄのうち、設計上、光伝達経路２に入力した光２１が投射する面を含んで設ける必要がある。もっとも、本発明では、この入力した光２１が投射する面を含んでいれば、光伝達部１の光路変更部８に対向する面１ｄ全てを光反射面１ａとする必要はない。
本発明における光伝達部１に設けられる光伝達経路２、４、５としては、例えば、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２に示すように、単一の光導波体により構成し、この光導波体の一部に、光の入出力方向と略直交する面を有する複数の光信号入力端部４３及び／又は光信号出力端部４４を設けることにより、光伝達部１の光反射面１ａを起点に、実質的に、少なくとも３方向に向けて光伝達経路２、４、５を形成したものを挙げることができる。
但し、図３に示すように、本発明における光伝達部１は、光伝達経路２、４、５を光導波路１ｃにより形成することが好ましい。光伝達経路２、４、５を、光導波路１ｃにより形成すると、より狭い空間内で光の伝達を行うことができ、遠距離通信の場合に問題となる信号の減衰を高度に低減することができる。
本発明の光スイッチにおいては、光ファイバー６等を、光伝達部１の複数の光信号入力端部４３及び／又は光信号出力端部４４に接着剤等（図示せず）を用いて結合させて、光ファイバー６等と光伝達部１との間で、直接、光の入出力を行う構成；又は光伝達部１の複数の光信号入力端部４３及び／又は光信号出力端部４４にプリズム（図示せず）を配設し、このプリズムを介して光ファイバー６等と光伝達部１との間で光の入出力を行う構成とすることもできるが、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２等に示すように、光伝達部１の複数の光信号入力端部４３及び／又は光信号出力端部４４に集光レンズ又はコリメータレンズ等のレンズ７を配設し、このレンズ７を介して光ファイバー等と光伝達部１との間で光の入出力を行う構成とすることが、光の発散による入出力ロスを小さくすることができる点で好ましい。特に、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２に示すように、光導波体によって形成される光伝達経路２、４、５（３）が厳密に特定方向に制限されていない光スイッチでは、光伝達部１での光の発散によるロスを低減するために、集光レンズ７で光を集束して光伝達部１との入出力を行う構成が好ましい。
また、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２等に示す光スイッチでは、更に光路長を短くすることにより光伝達経路２、４、５（３）での光の発散によるロスを低減するために、図２３に示す光スイッチでは、様々な方向に放出される散乱光６５が、光伝達経路２、４、５に伝達され得る確率を増大して光の損失を低減するために、図中ｔで示される厚さを小さくすることが好ましく、具体的には、厚さを１ｍｍ以下とすることが好ましく、厚さを０．５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
また、図１（ａ）（ｂ）等に示すような正反射光を扱う光スイッチでは、光伝達経路２、４、５の方向は、光伝達経路２、４、５を構成する光導波体と、外気（通常は空気）との屈折率の関係、及び後述する光路変更部８の反射部材１０における反射角度との関係において適宜決定することができる。同様に、図２３に示すような散乱光６５又は乱反射光（図示せず）を扱う光スイッチでは、前者の光伝達経路２、４、５を構成する光導波体と、外気（通常は空気）との屈折率の関係を考慮して適宜決定すればよい。
他方、図１（ａ）（ｂ）等に示すような正反射光を扱う光スイッチであっても、光伝達経路２、４、５が延伸する方向は、前述した特定の屈折率及び反射角度との関係でのみ適切な方向であればよく、例えば、図４に示すように、光伝達経路２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを光導波路で構成する光スイッチでは、一の入力側光伝達経路２ａと、他の入力側光伝達経路２ｂとのように、光伝達経路を平行とせずに延伸することができる。また、出力側光伝達経路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂのように、光導波路内で光が全反射する範囲で、伝達経路が延伸する方向を途中で変更し、直線状の光導波路と、非直線状の光導波路との組み合わせにより、各光伝達経路２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを形成することもできる。
このような光スイッチでは、光伝達経路２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの形状の自由度が高く、より小型の光スイッチを実現することができる。
本発明における、光伝達経路２、４、５を構成する光導波体は、導入された光が内部に閉じ込められて伝達できるような屈折率を有するものであり、単一の屈折率を有する材料で構成してもよいが、屈折率の異なる２以上の層からなる材料で構成することが、積層方向への光の発散が抑制できる点で好ましい。
また、図３に示すように、各光伝達経路２、４、５を光導波路により形成することが、複雑な形状の光伝達経路２、４、５を容易に作成することができ、かつ光導路同士を容易に結合することができるとともに、前述の光導波体を層構造にしたときの特徴に加えて、層内での光の発散を抑制することができるためロスの非常に少ない光の伝達が可能となる点で特に好ましい。
尚、本明細書で、「光導波路」とは、異なる屈折率分布を設けた透光性材料により構成され、内部に光を閉じ込めて光伝達を行うものを意味する。
光導波体としては、例えば、ガラス、石英、透光性プラスチック、透光性セラミックス等からなるもの、異なる屈折率を有する材料の複数層からなる多層体、又は基板の表面に透光性の材質のコーティング層を設けたもの等を挙げることができる。
また、特に光導波路の場合には、石英ガラス、アルカリ硼珪酸ガラス等のガラス、ニオブ酸リチウム、イットリウム鉄ガーネット等の絶縁体結晶、ガリウム砒素、インジウム燐等の化合物半導体；ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリイミド等のプラスチック（ポリマー）などからなる基板に、基板と同系の材料に不純物等をドーピングして屈折率を変更した材料からなる膜を形成したもの；同様の基板に、直接不純物等を拡散させることにより、屈折率の異なる層又は部位を形成したもの等を挙げることができる。
この際、基板に膜を形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）等の真空蒸着法、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、液相成長法（ＬＰＥ）、気相成長法（ＶＰＥ）、プラスチック質層を形成する際に用いる熱重合法等を挙げることができる。また、不純物等を拡散させる方法としては、不純物イオン注入法、不純物イオン拡散法等を挙げることができる。尚、複数層を形成する場合には、これらの方法を繰り返し行えばよく、層数についても、目的に応じて適宜選択すればよい。また、光導波路の場合には、上記の手段によって形成された膜、層を所定の光伝達経路２、４、５になるように、パターン化する必要があるが、例えば、フォトリソグラフィ法等を用いて、不要な部分を除去する方法；又は、予め、所定の光伝達経路２、４、５になるようにマスク材を前述した基板上に設置して、膜形成又は不純物の拡散を行う方法等によって実施することができる。
２．光路変更部
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、本発明における光路変更部８は、光伝達部１の光反射面１ａに移動可能な状態で近接され、少なくとも光を反射又は散乱する光路変更部材１０を有するものである。
これにより、任意に、光路変更部８を光伝達部１に接触させた際に、光伝達経路２の光２１を取り出して、光路変更部材１０で反射（正反射若しくは乱反射）又は散乱させ、光伝達部１の光反射面１ａで反射して一の光伝達経路４に伝達する光路とは異なる光路に切り替える、又は複数の光伝達経路４、５に分岐することができる。
また、後述するアクチュエータ部１１の変位による光伝達部１への接触又は離隔という機械的動作により光のスイッチングを行うことができるため、クロストーク等による誤動作を生ずることなく、小型化、高集積化した多チャンネル光スイッチを製造することができ、特に、図１に示されるような光路を切り替えるタイプの光スイッチでは、極めて有利である。更には、スイッチングを行うための光路変更部８の移動距離が、光の波長オーダーレベルで足りるため、高速なスイッチングを行うことができ、また、光路そのものを移動させる必要がないため、消費電力を低減することができる。
ここで、光伝達部１に「近接」するとは、アクチュエータ部１１が非作動状態又は作動状態で、光路変更部８が光伝達部１の光反射面１ａから入力光２１の波長より長い距離で位置し、アクチュエータ部１１が逆の状態で、光路変更部８が光伝達部１から入力光２１の波長以下の距離で位置するように配設する、ことを意味する。
本発明では、例えば、図１（ａ）に示すように、光路変更部８を、アクチュエータ部１１が作動している状態では、光伝達部１の光反射面１ａから入力光２１の波長より長い距離で位置し、図１（ｂ）に示すように、アクチュエータ部１１が非作動状態では、光伝達部１の光反射面１ａから入力光２１の波長以下の距離で位置するように配設することができる。また、図５に示すように、逆に、光路変更部８を、アクチュエータ部１１が作動状態では、光伝達部１から入力光２１の波長以下の距離で位置し、非作動状態では、光路変更部８が光伝達部１から入力光２１の波長より長い距離に位置するように配設してもよい。尚、これらの違いは、圧電／電歪素子の構造、及びその駆動方法に従うものである。
本発明における光路変更部８としては、その目的に応じて、図１（ａ）（ｂ）等に示す正反射体１０ｄ、又は図２３（ａ）（ｂ）等に示す光散乱体１０ｆ若しくは乱反射体（図示せず）を設ければよい。より具体的には、特定の光路を他の特定の光路へ切り替えることを目的とする場合には、図１（ａ）（ｂ）等に示すように、光路変更部８に正反射体１０ｄを設けた光スイッチとすればよく、光路を他の複数の光路に分岐することを目的とする場合には、図２３（ａ）（ｂ）等に示すように、光路変更部８に光散乱体１０ｆ又は乱反射体（図示せず）を設けた光スイッチとすればよい。
本発明において、光路変更部８に正反射体１０ｄを設けた光スイッチにあっては、当該正反射体１０ｄが、全反射するものであることが好ましい。
また、正反射体１０ｄの反射角度は、用途に応じたスイッチの構成にあわせ適宜決定すればよく、例えば、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、所定の角度を設けた斜面で反射させるものの他、図９に示すように、板状の光路変更部材１０を角度０°のフラットの状態で配設するものを挙げることができる。尚、図９中、破線で示された光路は、光路変更部９が光伝達部８に接触した際の光路を示している。
また、正反射体１０ｄにおける反射角度は、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、光伝達経路２に入力した光２１を、一の出力側の光伝達経路４に伝達していた光路から、光路変更部８の正反射体１０ｄで反射して、他の出力側の光伝達経路５へ伝達する光路に切り替える反射角度としてもよく、図２に示すように、一の入力側の光伝達経路２に入力した光（図示せず）を、出力側の光伝達経路４に伝達していた光路から、他の入力側の光伝達経路３に入力した光２１を、同じ出力側の光伝達経路４に伝達する光路に切り替える反射角度としてもよい。尚、正反射が全反射である場合には、この反射角度は全反射の条件を満たすものとなる。
本発明における正反射体１０ｄとしては、例えば、光反射性の材質からなる板状の正反射体を、所望の傾斜を設けて配設したもの、所望の傾斜を設けた光反射性の材質からなる三角柱、四角柱等の正反射体を配設したもの等を挙げることができる。また、図７に示すように、後述する電極１６の表面を光反射性にして電極１６に正反射体１０ｄとしての機能を兼備させたものを挙げることができ、更には、図５に示すように、三角柱、四角柱等の基体１０ｃに、光反射膜１０ｂを形成したもの、図６に示すように、三角柱、四角柱等の光導入部材９の変位伝達部材１２側の面に一体的に形成された光反射膜１０ｂ等を挙げることができる。
中でも、光反射部材の反射角度を正確に設定できる点で、図５に示すような三角柱、四角柱等の基体１０ｃに、光反射膜１０ｂを形成したもの、又は、所望の傾斜を設けた光反射性の材質からなる三角柱、四角柱等の光反射体が好ましい。
また、構成部品の削減を図れ、安価に製造することができるとともに、光路変更部８と光伝達部１との接触精度を向上させることができる点で、図６に示すように、三角柱、四角柱等の光導入部材９における変位伝達部材１２側の面に一体的に形成された光反射膜１０ｂとし、変位伝達部材１２を、柔軟な材質とすることが好ましい。
尚、図６に示す光スイッチにおいて、光導入部材９の変位伝達部材１２側の面に光反射膜１０ｂを形成するのは、変位伝達部材１２に形成したのでは、変位伝達部材１２の特質上、反射角度の精度を維持することができないためである。従って、このような光スイッチでは、光導入部材９は、光反射部材の角度がアクチュエータ部１１の作動により変化しない程度の硬度を有することが好ましい。
本発明における正反射体の材料としては、光の反射効率が高いものが好ましく、例えば、金属単体、合金、ガラス、セラミックス、ゴム、有機樹脂等を１種単独で若しくは２種以上を組合わせたものを挙げることができ、金属単体及び合金を構成する成分としては、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銀、銅、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、鉛等を挙げることができる。
また、これらの材料を２種以上組合わせて用いる場合には、これらの材料を２種以上均一に含有させてもよいが、それぞれ異なる１種の材料からなる層を、複数積層させるものであってもよい。また、光路変更部材１０全体がこれらの材料からなるものでもよく、図６に示すように、表面に光反射膜１０ｂが形成されているものでもよい。
光反射膜１０ｂを形成する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、イオンプレーティング法、イオンビーム法、又はＣＶＤ法等の薄膜形成方法を挙げることができる。
他方、本発明において、図２３に示すような光路変更部８に光散乱体１０ｆ又は乱反射体（図示せず）を設けた光スイッチにあっては、基本的にその表面の角度は問題とならず、各光伝達経路２，３，４との位置関係から、散乱光６５又は乱反射光の損失が少ない位置に、光散乱体１０ｆ又は乱反射体を設ければよい。
また、本発明における乱反射体としては、前述した正反射体と基本的に同様の構造のもので、反射面を粗面化したものを挙げることができる。粗面化は、伝達する光の波長を考慮して適宜好適な範囲とすればよく、粗面化の方法としても通常の方法を適用すればよい。
また、本発明における光散乱体１０ｄとしては、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系等の透光性樹脂に、例えば、ジルコニア、若しくはチタニア等のセラミック粉末、酸化鉛等の金属酸化物粉末、又はそれらの混合粉末等を分散させたものが、発光効率、平坦性維持の点で望ましい。
また、この際の光散乱体１０ｄとしては、透光性樹脂１００質量部に対して、セラミック粉末、金属酸化物粉末、又はそれらの混合粉末を１０〜１００質量部混合したものが好ましい。
また、光路変更部全体を光散乱体１０ｆで構成する場合には、更に当該組成に平均粒径０．５〜１０μｍのガラス粉末を、セラミック粉末１００質量部に対して１０〜１００質量部混合したものが好ましい。このような組成物からなる光散乱体１０ｄとすると、光伝達部との接触性、離隔性を向上することができる。
次に、光導入部材９について説明する。
本発明においては、必ずしも光導入部材９を設ける必要はなく、例えば、図２３（ａ）（ｂ）に示すような光路変更部８に光散乱体１０ｆ又は乱反射体（図示せず）を設けた光スイッチにあっては、光路変更部８を光散乱体１０ｆ又は乱反射体のみからなるものとし、この光散乱体１０ｆ又は乱反射体を直接光伝達部に接触させる構成とすることもできる。
但し、図１（ａ）（ｂ）に示すような光路変更部８に正反射体１０ｄを設けた光スイッチにあっては、光導入機能と光路変更機能とを分化することで、光路変更部８と光伝達部１との接触性を最適化することができる点で、正反射体１０ｄ上に、透光性の材質からなる光導入部材９を設けることが好ましい。
また、図２４に示すように、光路変更部８に光散乱体１０ｆ又は乱反射体（図示せず）を設けた光スイッチであっても、正反射体を設けた光スイッチと同様の点で、光散乱体１０ｆ又は乱反射体上に、透光性の材質からなる光導入部材９を有するものが好ましい。
なお、図２４に示すように、光路変更部８に光散乱体１０ｆ又は乱反射体（図示せず）を設けた光スイッチでは、光伝達経路３から、光伝達部１の反射面１ａに対して略垂直に光を入力した場合には、光路変更部を光伝達部に接触させた際に、入力された光２１が、光伝達経路３を挟んで左右に分岐する光伝達経路２９、４へ同時に伝達される。
光導入部材９の材質としては、光路変更部８が、光伝達部１に接触した際に、光伝達部１から光が取り出せ、かつ光伝達部１の光伝達経路４、５に戻せるように、光伝達部１との屈折率の差が、光伝達部１と外気（通常は空気）との屈折率の差より小さな透光性のものが好ましく、光伝達部１と同程度の光の屈折率を有する透光性のものがより好ましい。また、このような材質とする材料としては、例えば、ガラス、石英、透光性プラスチック、透光性樹脂、透光性セラミックス等を挙げることができる。
但し、本発明では、光路変更部材１０又は光導入部材９と、光伝達部１との間に、透光性の液体を介在させ、この透光性の液体により光導入部材９の全部又は一部を構成させることもできる。この場合、透光性の液体は、光路変更部材１０又は光導入部材９と、光伝達部１との隙間を効果的に減ずることができるため、光路変更の制御を容易にすることができる。
透光性の液体としては、例えば、低蒸気圧の有機溶剤、油などを挙げることができ、この液体の屈折率と光伝達部１の屈折率との差、及びこの液体の屈折率と光導入部材９の屈折率との差を考慮して選択すればよい。
流動性を有する透光性の液体を光路変更部の上に保持させる方法としては、例えば、光路変更部８の上側外周部に、透光性の液体を保持する上で適当な高さの壁を設ける等の周知の技術を適用することができるが、光導入部材９に凹凸部又は多孔部を形成し、これに透光性の液体を含浸させて毛細管現象により透光性の液体を保持させる方法が好ましい。また、透光性の液体として揮発性の液体を用いる場合は、蒸発を防止するために、光路変更部８を光伝達部１との間で気密に封止する構造を採用することが好ましい。
他方、本発明における光導入部材９では、光導入部材９と光伝達部１の光反射面１ａとの接触する面積が、光路変更部材１０に取出される光の量を規定するため、光伝達部１に対向する光導入部材の面９ａが、光伝達部１の光反射面１ａのうち、光伝達経路２に入力した光２１が投射する面全体を含んでより広く設けられていることが好ましい。
また、光伝達部１の光反射面１ａに対向する面９ａは、光伝達部１との接触面積を確保するためにより平滑であることが望ましく、具体的には、平坦度が１μｍ以下であることが好ましく、平坦度が０．５μｍ以下であることがより好ましく、０．１μｍ以下であることが特に好ましい。但し、光導入部材９の、光伝達部１の光反射面１ａに対向する面９ａの平坦度は、光導入部材９が光伝達部１の光反射面１ａに接触した状態での隙間を減ずるために重要なものであり、接触した状態で接触部分が変形するものであれば前述の平坦度に必ずしも限定されるものではない。もっとも、平坦度は、アクチュエータ部１１の変位量に比較して十分に小さくすることが好ましい。
一方、光導入部材９の面９ａの平坦度は、光伝達部１の光反射面１ａに接触させた光導入部材９を離隔させる際に、その離隔動作を確実に行えるようにするためには、０．００５μｍ以上とすることが好ましく、０．０１５μｍ以上とすることがより好ましい。
尚、ここにいう平坦度とは、表面粗さとうねりの両方を含む意味である。
また、光導入部材９の厚さは、光の損失を小さくするために、５０μｍ以下とすることが好ましく、２０μｍ以下とすることがより好ましい。
３．アクチュエータ部
本発明におけるアクチュエータ部１１は、外部信号により変位し、この変位を前述した光路変更部８に伝達する機能を有するものであり、これにより、光路変更部８を光伝達部１に接触又は離隔させるという機械的動作によりスイッチングを行うことができる。
アクチュエータ部１１としては、例えば、板バネ等の弾性体により変位を生じさせるものでもよいが、制御性、高速応答性に優れる点で、必要に応じて設けられる変位伝達部材１２と、圧電／電歪素子１４と、振動部材１８と、固定部材１９とを有するものが好ましい。以下、このタイプのアクチュエータ部１１について各構成部材毎に詳細に説明する。
（１）変位伝達部材
本発明における変位伝達部材１２は、光路変更部８と圧電／電歪素子１４との間に、必要に応じて配設されるものであり、圧電／電歪素子１４の変位を光路変更部８に伝達し、この光路変更部８と光伝達部１との接触面積を所定の大きさにする目的で配設されるものである。特に、図１、５等に示す屈曲変位を発生させるタイプの圧電／電歪素子１４を用いる場合には、圧電／電歪素子１４内に分布している変位の大きさを平均化させ、光路変更部８の全面を均等に光伝達部１に接触又は離隔させる上で極めて効果的である。
変位伝達部材１２としては、効果的に、圧電／電歪素子１４の変位を光路変更部８に伝達することができるように、これら両者８、１４と広い面積で接触できる構造が好ましい。
また、変位伝達部材１２の材質としては、後述する圧電／電歪素子１４の変位を、直接、光路変更部８に伝達することができる硬度を有するものが好ましく、このような材質の材料としては、例えば、ゴム、有機樹脂、有機接着フィルム、ガラス等を挙げることができる。中でも、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系、ポリオレフィン系等の有機物質からなる有機樹脂、又は有機接着フィルムが好ましく、これら有機物質にガラス、セラミックス等からなるフィラーを混合して硬化収縮を抑制した有機樹脂、又は有機接着フィルムがより好ましい。
変位伝達部材１２は、通常、後述する圧電／電歪素子１４に積層することにより配設されるが、その積層方法としては、例えば、接着剤を用いて積層する方法；前述した変位伝達部材の材料を溶液、ペースト又はスラリーとして、圧電／電歪素子１４にコーティングする方法；加熱により有機接着フィルムを接着する方法等を挙げることができるが、別途、接着剤が不要な点で、加熱により有機接着フィルムを接着する方法が好ましい。尚、圧電／電歪素子１４の変位を効率良く利用するには、概ね圧電／電歪素子１４の形状と同一になるように変位伝達部材１２の層を切断するか、あるいは切り欠きを設けることが好ましい。
また、光路変更部に正反射体を設けて光伝達経路を切り替える光スイッチでは、変位伝達部材１２には、光路変更部材１０の反射角度を所定の角度に維持する点から、図８に示すように、変位伝達部材１２の上に、更に、板部材１３を配設することが好ましい。
板部材１３の材料としては、板部材１３の平坦性を維持するため、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系等の有機樹脂に、アルミナ、ジルコニア、チタニア、ガラス又はこれら２種以上の混合物粉末等を分散させたものが好ましい。また、この際分散させる粉末の量は、有機樹脂１００質量部に対して、１０〜１００質量部含有させることが好ましい。
他方、変位伝達部材１２は、必ずしも必要ではなく、図７に示すように、圧電／電歪素子１４と光路変更部８との間に変位伝達部材を設けずに、圧電／電歪素子１４の変位を、直接、光導入部材９に伝達するものであってもよい。
（２）圧電／電歪素子
本発明における圧電／電歪素子１４は、圧電／電歪層１５と、この圧電／電歪層１５の少なくとも一部に配設される少なくとも１対の電極１６、１７とから構成されるものである。ここで、「圧電／電歪」とは、圧電及び／又は電歪の意味である。
圧電／電歪素子１４は、電極１６、１７へ電圧を印加することにより変位を発生するものであるが、圧電／電歪素子１４の変位を、そのまま光伝達部１方向への変位、振動として、光路変更部８に伝達できる点で、圧電／電歪層１５の厚さ方向に変位が発現するものが好ましい。
また、圧電／電歪素子１４は、一層の圧電／電歪層１５を有する構造、又は二層、三層等の多層の圧電／電歪層１５を有する構造とすることができる。また、多層の圧電／電歪層１５を有する構造とする場合には、通常、各圧電／電歪層１５毎に一対の電極１６、１７をそれぞれ配置すればよいが、各圧電／電歪層１５と各電極１６、１７とを交互に積層して構成するいわゆる積層圧電／電歪素子とすることもできる。
圧電／電歪層１５の材料としては、圧電セラミックスが好ましいが、電歪セラミックス、強誘電体セラミックス、又は反強誘電体セラミックス等であってもよく、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。また、セラミックスに限定されず、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の高分子からなる圧電体、又はこれら高分子とセラミックスの複合体であってもよい。
具体的には、圧電セラミックス又は電歪セラミックスとして、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ系）、ニオブ酸カリウムナトリウム、又はタンタル酸ストロンチウムビスマス等を単独、混合物あるいは固溶体として含有するセラミックスが挙げられる。
これらのセラミックスは、圧電／電歪体を構成するセラミックス成分中に５０重量％以上を占める主成分であることが好ましい。特に、高い電気機械結合係数と圧電定数を有し、焼成工程を経ても安定した材料組成のものが得られ易い点において、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする材料、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）を主成分とする材料、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛の混合物若しくは固溶体を主成分とする材料、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛とニッケルニオブ酸鉛の混合物若しくは固溶体を主成分とする材料、又はチタン酸ナトリウムビスマスを主成分とする材料が好適に用いられる。
本発明においては更に、上記材料に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、又はスズ等の酸化物等を、単独で又は混合したセラミックスを用いてもよい。例えば、主成分であるジルコン酸鉛とチタン酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛の混合物にランタンやストロンチウムを含有させることにより、抗電界や圧電特性を調整可能となる場合がある。
反強誘電体セラミックスとしては、ジルコン酸鉛を主成分とするセラミックス、ジルコン酸鉛とスズ酸鉛の混合物若しくは固溶体からなる成分を主成分とするセラミックス、ジルコン酸鉛を主成分とし酸化ランタンを添加したセラミックス、又はジルコン酸鉛とスズ酸鉛の混合物若しくは固溶体を主成分とし、ニオブ酸鉛を添加したセラミックス等が挙げられる。
圧電／電歪層１５の厚さは、５〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましく、５〜３０μｍが特に好ましい。また、圧電／電歪層１５は、緻密なものであっても、多孔質のものであってもよいが、多孔質のときは、気孔率が４０％以下であることが好ましい。
電極１６、１７としては、図１、８等に示すように、前述した圧電／電歪層１５の光路変更部８側の面の少なくとも一部に第一の電極１６が形成され、圧電／電歪層１５の基体２０側の面の少なくとも一部に第二の電極１７が形成されているもの；図９に示すように、圧電／電歪層１５の光路変更部８側又は基体２０側のいずれかの面又は両方の面（図９では、光路変更部８側の面に形成した光スイッチを示す。）に第一、第二の電極１６、１７の両方が櫛形状に形成されているもの等を挙げることができる。
電極１６、１７の材料としては、一般には、室温で固体であって、導電性の金属が採用され、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種以上からなる合金を、１種単独で又は２種以上を組合わせたものを用いることが好ましい。
また、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、ガラス、若しくは圧電／電歪材料等との混合物又はサーメットであってもよい。
これらの材料の選定にあたっては、後述する圧電／電歪素子１４の製造方法に応じて、第一の電極１６と第二の電極１７の材料を選択することが好ましい。
例えば、圧電／電歪層１５を熱処理する前に形成される電極に対しては、その圧電／電歪層１５を熱処理する際の高温酸化雰囲気下で耐性を有する点で、白金、ロジウム、パラジウム等の白金族金属を含有することが好ましく、白金、ロジウム、パラジウム等の白金族金属、又はこれらの白金族金属を含有する、銀−白金、白金−パラジウム、白金−銀−パラジウム等の合金を主成分とする電極材料がより好ましい。一方、圧電／電歪層１５を熱処理した後に形成される電極に対しては、例えば、アルミニウム、金、又は銀等の低融点金属を使用することができる。
また、図９に示すように、圧電／電歪層１５の光路変更部８側又は基体２０側のいずれかの面に第一の電極１６及び第二の電極１７が形成されている圧電／電歪素子１４の場合には、第一の電極１６及び第二の電極１７ともに同じ材料で形成することが好ましい。
尚、電極１６、１７は、用途に応じて適宜な厚さとすればよいが、０．１〜５０μｍの厚さであることが好ましい。
振動部材１８上に、圧電／電歪素子１４を形成する方法としては、▲１▼金型を用いたプレス成形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電／電歪層１５の前駆体を成形し、この圧電／電歪層１５の前駆体を焼成する前に、予め、膜形成法により電極１６、１７を形成した後、焼成する前の振動部材１８に熱圧着で積層し、同時に焼成する方法；▲２▼金型を用いたプレス成形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電／電歪層１５の前駆体を成形し、この圧電／電歪層１５の前駆体を焼成する前に、予め、膜形成法により電極１６、１７を形成し、その後、焼成して電極１６、１７が形成された圧電／電歪素子１４を準備し、この焼成後の圧電／電歪素子１４を、振動部材１８と固定部材１９を焼成により一体化した基体２０へ接着する方法；▲３▼膜形成法により、焼成した振動部材１８に第二の電極１７、圧電／電歪層１５、及び第一の電極１６をこの順に形成し、全ての層１７、１５、１６を形成した後同時に焼成、又は各層１７、１５、１６の形成の都度焼成する方法等を挙げることができ、中でも、▲３▼の方法が好ましい
なお、ここでいう「前駆体」とは、圧電／電歪層１５を構成する材料を主成分とし、熱処理又は焼成により圧電／電歪体となるものである。また、後述する電極等の前駆体についても、同様に、熱処理等により電極等となるものを意味する。
膜形成方法としては、例えば、スクリーン印刷、ディッピング、電気泳動、スプレー、若しくは塗布等の厚膜法；又はイオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、若しくはメッキ等の薄膜法等を挙げることができ、中でも、スクリーン印刷等の厚膜法が好ましい。
スクリーン印刷等の厚膜法は、電極に通じるリード及び端子パッドを同時に形成できることに加え、セラミック粒子を主成分とするペーストやスラリーを用いて、圧電／電歪層１５を形成することができるとともに、良好な圧電特性を得ることができる。また、無機系又は有機系の接着剤を用いることなく、圧電／電歪素子１４と振動部材１８とを一体的に接合することができるため、信頼性、再現性に優れるとともに、集積化し易いという利点をも有する。
また、膜形成方法により、所望形状のパターンを形成する場合には、スクリーン印刷法、フォトリソグラフィ法等によって、所定パターン形成してもよく、レーザー加工法、スライシング、超音波加工等の機械加工法を用い、不必要な部分を除去してパターン形成してもよいが、工業的観点からは、スクリーン印刷法が好ましい。尚、電極１６、１７の形成は、図８に示すように、スルーホール４６を通じて形成する方法でもよい。
また、これら形成された膜の焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、５００℃〜１４００℃であり、特に、圧電／電歪層１５に対しては、１０００℃〜１４００℃が好ましい。また、圧電／電歪層１５を所望の組成とするためには、圧電／電歪層の構成成分の蒸気圧を、一定範囲で制御する蒸発源の存在下で焼成することが好ましい。
また、作成される圧電／電歪層１５、第一の電極１６及び第二の電極１７の形状は、用途に応じて如何なる形状を採用してもよく、例えば、三角形、四角形等の多角形、円、楕円、円環等の曲線形状、櫛形状、格子状又はこれらを組合わせた特殊形状等を挙げることができる。
また、基体２０上に形成された圧電／電歪層１５、第一の電極１６及び第二の電極１７は、前述したように、各層１７、１５、１６の形成の都度、熱処理して、基体２０と一体構造となるようにしてもよく、又は、全ての層１７、１５、１６を形成した後に、これらの層１７、１５、１６を同時に熱処理して、基体２０に一体化させてもよい。もっとも、薄膜法により第一の電極１６又は第二の電極１７を形成する場合には、これらの電極を一体化するために必ずしも熱処理を必要とするものではない。
次に、本発明の圧電／電歪素子１４の変形例として、いわゆる積層圧電／電歪素子について説明する。
図１０（ａ）（ｂ）に示すように、この圧電／電歪素子３４は、陽極として機能する複数の層が連結している形態の陽極層２２と、陰極として機能する複数の層が連結している形態の陰極層２３とが、圧電／電歪層２４を挟んで交互に積層されたものである。
この圧電／電歪素子３４は、一般に、積層方向であるＹ方向と、積層方向と垂直方向であるＸ方向の変位が利用可能である。但し、図１０（ａ）に示すように、積層方向であるＹ方向の変位を主に利用する場合には、圧電／電歪素子３４は、積層方向と垂直方向であるＸ方向より、積層方向であるＹ方向が長い形状とすることが好ましい。変位方向Ｚが、積層方向であるＹ方向の場合には、変位量は、各圧電／電歪層２４の厚み方向での変位量の合計となるからである。
一方、図１０（ｂ）に示すように、積層方向と垂直方向であるＸ方向の変位を主に利用する場合には、圧電／電歪素子３４は、積層方向であるＹ方向より、積層方向と垂直方向であるＸ方向が長い形状とすることが好ましい。変位方向ＺがＸ方向の場合には、変位量は、各圧電体層２１のＸ方向の長さに比例した変位量となるからである。
また、変位方向Ｚと異なる方向、即ち、図１０（ａ）に示す圧電／電歪素子３４ではＸ方向、図１０（ｂ）に示す圧電／電歪素子３４ではＹ方向の寸法が大きいと、その方向の歪の応力が大きくなり、主変位（変位方向Ｚへの変位）の発現に影響を与えることにもなる。
このような積層圧電／電歪素子３４の製造方法としては、例えば、以下のような方法を挙げることができる。
図１１に示すように、まず、前述したプレス成形法又はスラリー原料を用いたテープ成形法等によって、圧電／電歪層の前駆体２５を成形し、得られた圧電／電歪層の前駆体２５に、スクリーン印刷法等の膜形成法により、それぞれ所定パターンの電極層の前駆体２７、２８が形成された複合前駆体２５５、２５６をそれぞれ作製する。
次いで、これら複合前駆体２５５、２５６を交互に積層、圧着し、所定数の各層を有する積層体２６を得、この積層体２６を焼成する。
その後、得られた積層体２６の焼成体に対し切断加工を行い、各電極層２２、２３を、それぞれ積層方向と平行に位置し、相互に対向する二面のいずれか一方にのみ露出させる。
次いで、各電極層２２、２３がそれぞれ露出する各面に、前述したスクリーン印刷法等の膜形成法により、連結層２２ａ、２３ａをそれぞれ形成後、焼成して、各電極層２２、２３を、陽極として機能する電極層２２毎、及び陰極として機能する電極層２３毎でそれぞれ連結することにより、積層圧電／電歪素子３４を作成することができる。
このようにして得られた積層圧電／電歪素子３４は、更に、一定間隔で、共通の固定部材１９となる部分を残すようにして、積層方向に切削することが好ましい。これにより、同一の固定部材１９上に複数の積層圧電／電歪素子３４を容易に作成することができる。また、このような積層圧電／電歪素子３４では、固定部材１９を共用化できるとともに、振動部材１８を必ずしも必要としないため、スイッチ部品点数の削減を図ることができる。
尚、このような方法で複数の積層圧電／電歪素子３４を形成する場合には、連結層２２ａ、２３ａの少なくとも一方は、各素子毎に分離して形成することが好ましい。
このような積層圧電／電歪素子３４においても、積層体２６の形成は、プレス成形法、テープ成形法等に代え、スクリーン印刷法により行ってもよい。
また、圧電／電歪素子３４の一部を構成する電極層２２、２３は、圧電／電歪層２４の焼成と同時に又は同程度の温度で熱処理された場合の高温酸化雰囲気で、特に耐性を有する金属であることが好ましく、これら電極層２２、２３を露出させる切断工程は、焼成前の積層体２６に対して行ってもよい。
更に、積層体の２６の焼成後に形成される連結層２２ａ、２３ａは、電極層２２、２３と異なる材料で形成してもよい。以上の事項以外については、通常の圧電／電歪素子で述べたところと同様であり、ここではその説明を省略する。
（３）振動部材、固定部材
本発明における振動部材１８は、圧電／電歪素子１４の少なくとも一部に接して圧電／電歪素子１４を支持し、圧電／電歪層の歪みを屈曲変位又は振動に変換するものである。
振動部材１８は、光伝達部１の方向に振動し易い形状という点で、板形状であることが好ましく、この場合、振動部材１８の厚さは、前述した圧電／電歪層１５の厚さと同じ次元であることが好ましい。これにより、圧電／電歪層１５の焼成収縮に対して、振動部材１８が追従し易くなるため、圧電／電歪層１５又は電極層１６、１７と、振動部材１８との界面で応力が減少し、容易に一体化することができる。
具体的には、１〜１００μｍの厚さであることが好ましく、３〜５０μｍの厚さであることがより好ましく、５〜２０μｍの厚さであることが特に好ましい。また、圧電／電歪層１５との厚さの比（振動部材：圧電／電歪層）が、１：０．５〜１：１０であることが好ましく、１：１〜１：５であることがより好ましい。
振動部材１８は、経時的な変質、及び耐熱性、耐候性を考慮して、圧電／電歪素子１４を、無機系又は有機系の接着剤等の材料を介することなく、直接支持することが好ましい。
振動部材１８を構成する材料としては、圧電／電歪層１５の形成時等に振動部材１８が変質しないように、高耐熱性材料であることが好ましい。また、振動部材１８に直接支持される圧電／電歪素子１４の電極１６、１７及びこれらに接続されるリード、リード端子等を振動部材１８の表面に形成する際に、電極１６、１７等の電気的な分離を確保するために、電気絶縁材料からなることが好ましい。
具体的には、高耐熱性の金属又はその金属表面をガラス等のセラミックスで被覆した琺瑯等からなるもの、セラミックスからなるもの等が採用でき、中でも、セラミックスからなるものが好ましい。
振動部材１８を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス等を挙げることができ、中でも、安定化された酸化ジルコニウムが、機械強度が高いこと、靱性が高いこと、圧電／電歪層及び電極と化学反応性が小さいこと等の点で好ましく、更に、０．１〜５モル％の酸化アルミニウムを含有することがより好ましい。
ここで、安定化酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含するものであり、立方晶等の結晶構造をとるので相転移を起こさない点で、１０００℃前後で、単斜晶と正方晶とで相転移し、この相転移のときクラックが発生する場合がある酸化ジルコニウムと区別される。
安定化酸化ジルコニウムとしては、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム又は希土類金属の酸化物等の安定化剤を、１〜３０モル％含有するものを挙げることができるが、振動部材の機械強度を高めるためには、酸化イットリウムを１．５〜６モル％含有するものが好ましく、２〜４モル％含有するものがより好ましい。
また、振動部材１８を構成するセラミックスの結晶相は、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、又は立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等であってもよいが、中でも、主たる結晶相が、正方晶、又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靱性、耐久性の点で好ましい。
振動部材１８がセラミックスからなるときには、多数の結晶粒が振動部材１８を構成するが、この結晶粒の平均粒径は、振動部材１８の機械強度を高めるため、０．０５〜２μｍが好ましく、０．１〜１μｍがより好ましい。
次に、固定部材１９について説明する。本発明における固定部材１９は、振動部材１８が振動できるように、振動部材１８の少なくとも一部を固定するものである。
固定部材１９は、セラミックスからなることが好ましいが、振動部材１８の材料と同一のセラミックスでも、異なるセラミックスでもよい。
具体的には、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、ムライト、スピネル、窒化アルミニウム、窒化珪素、又はガラス等のセラミックスが好ましく、中でも、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミックス、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックス、又はこれらの混合物を主成分とするセラミックスがより好ましい。
尚、振動部材１８又は固定部材１９をセラミックスにより構成する際には、焼成助剤として、いわゆる粘土等を加えることがあるが、圧電／電歪素子１４を焼成により、直接、振動部材１８上に形成する場合には、そのセラミックス中に酸化珪素、酸化硼素等のガラス化し易い成分が過剰に含まれないように調整することが好ましい。ガラス化し易い成分を過剰に含むと、圧電／電歪素子１４と接合する上では有利であるが、焼成中の振動部材１８と圧電／電歪層との反応を促進して所定の圧電／電歪層の組成を維持することが困難となるため、素子特性を低下させる原因となることがある。具体的には、基体中の酸化珪素、酸化硼素等のガラス化し易い物質の含有率が、３重量％以下となるように調整することが好ましく、１重量％以下となるように調整することがより好ましい。
振動部材１８及び固定部材１９は、一体となってセラミックスからなる基体２０を構成していることが好ましく、更に、振動部材１８を薄肉構造として図１等に示す凹部２０ａ又は図２等に示す空所２０ｂ（以下、説明の都合上「凹部２０ａ等」ということがある。）を形成することが好ましい。但し、振動部材１８と固定部材１９とは、必ずしも一体となって構成される必要はなく、例えば、ステンレス鋼、鉄等の金属からなる固定部材１９が、セラミックスである振動部材１８を固定するものであってもよい。この場合、振動部材１８の表面をメタライズし、得られるメタライズ層を金属である固定部材１９にろうづけして接続する方法等を用いることができる。
また、図１０に示すように、基体として振動部材を有さないような光スイッチでは、基体を、圧電／電歪層と成分が同等なもので構成することが好ましく、成分及び組成ともに同一な材料であることがより好ましい。このような材料で基体を構成すれば、熱処理又は焼成により圧電／電歪層と一体化が容易となる。
基体２０に形成される凹部２０ａ等の形状については特に制限はなく、例えば、円形、楕円形、若しくは、正方形、長方形等の多角形、又は、これらの形状を組合わせた複合形状であってもよい。但し、多角形の形状のとき、コーナーが丸みを帯びるように縁どりされていることが好ましい。
また、凹部２０ａ等として構成される場合のその厚み（高さ）は特に制限される物ではなく、厚くてもよく薄くてもよい。通常は空所の利用目的に応じてその厚みを決めることになるが、アクチュエータ部が機能する上で必要以上の厚みを有さず、薄いことが好ましい。特に空所として構成する場合には、利用するアクチュエータ部の変位の大きさ程度であることが好ましい。このような構成とすることにより、振動部材の撓みが、その撓み方向に近接する空所底部により制限され、意図しない外力の印加に対して、その振動部材の破壊を防止するという効果が得られる。また、撓みの制限効果を利用して、アクチュエータ部の変位を特定値に安定させることも可能である。更に、アクチュエータ部自体の厚みが低減し、曲げ剛性を小さくすることができるので、光伝達部へアクチュエータ部を接着・固定するにあたって、自分自身の反り等が効果的に矯正され、接着・固定の信頼性を向上することができる。加えて製造にあたっての原材料使用量を低減することができ、製造コストの観点からも有利な構造であるとともにアクチュエータ部の軽量化をはかる上でも有利な構造である。
具体的な空所２０ｂの厚みとしては、３〜５０μｍの厚みとすることが好ましく、中でも３〜２０μｍとすることが好ましい。
また、固定部材１９は、振動部材１８の外周を囲むように配設されていることが好ましいが、振動部材１８を、その全周に亙って保持している必要はなく、図７に示すように、振動部材１８の少なくとも一部を保持するように配設されていればよい。
振動部材１８と固定部材１９とを焼成一体化して基体２０を構成する方法としては、グリーンシート又はグリーンテープである成形層を、熱圧着等で積層した後、焼成する方法等を挙げることができる。
振動部材１８を薄肉構造として凹部２０ａ等を形成する方法としては、例えば、２枚のグリーンシート又はグリーンテープを積層する際に、第二層に、凹部２０ａ等となる所定形状の貫通孔を積層前に予め設けておく方法；成形型を用いる加圧成形、鋳込み成形、出力成形等によって得た成形体に、切削研削加工、レーザー加工、プレス加工による打ち抜き等の機械加工により、凹部２０ａ等を設ける方法等を挙げることができる。
また、本発明の光スイッチにおいては、図１２に示すように、基体２０に、隙間形成部材４５を配設して、光伝達部１と光路変更部８との距離を保ちながら、光伝達部１と基体２０とを固定することが好ましい。この際、図１２に示すように、隙間形成部材４５は、圧電／電歪素子１４を配設する領域を除く基体２０の全面に形成してもよいが、光伝達部１と光路変更部８との距離を均一にすることができる点で、パターン化して形成することが好ましい。
尚、本発明における光スイッチは、以上のようなアクチュエータ部１１一個の変位により、一個の光路変更部８を、光伝達部１と接触又は離隔させるものでもよいが、複数のアクチュエータ部１１の変位により、一個の光路変更部８を、光伝達部１と接触又は離隔させるものであってもよい。
４．多チャンネル光スイッチ
本発明における多チャンネル光スイッチは、前述した光スイッチ、即ち、少なくとも、光伝達部と、光路変更部と、アクチュエータ部とを有する光スイッチを複数個備える多チャンネル光スイッチであって、光伝達部は、少なくとも該光路変更部に対向する面の一部に設けられる、光を全反射する光反射面、及びこの光反射面を起点に、少なくとも３方向に向けて設けられる、光導波体からなる光伝達経路を有してなり、光路変更部は、光伝達部の光反射面に移動可能な状態で近接され、少なくとも光を反射又は散乱する光路変更部材を有してなり、アクチュエータ部は、外部信号により変位し、変位を光路変更部に伝達する機構を有してなり、外部信号に応じたアクチュエータ部の変位により、該光路変更部を該光伝達部の該光反射面に接触又は離隔させ、光路変更部が、光伝達部の光反射面から離隔した際に、光伝達経路に入力した光を、光伝達部の光反射面で全反射させて出力側の特定の光伝達経路に伝達し、光路変更部が、光伝達部の該光反射面に接触した際に、光伝達経路に入力した光を取り出して、光路変更部で反射又は散乱させて、出力側の１又は２以上の特定の光伝達経路に伝達し、光路の切り替え又は分岐を行う光スイッチを複数個備えるものである。
本発明における多チャンネル光スイッチの各構成要素については、既に光スイッチのところで述べたものと同様である。従って、ここでは、各構成要素についての説明は省略し、多チャンネル化するための具体的な態様を示すこととする。
尚、本明細書中「多チャンネル」とは、前述した光伝達部の光反射面と光路変更部の光反射部材とにより光路の切り替え、又は分岐を行って光のスイッチングを行う箇所を複数有するという意味であり、ここでいう「多チャンネル光スイッチ」は、前述した各構成要素を、各光スイッチ間で共用化したものも含まれる。
本発明における一の実施形態としては、図１２に示すように、例えば、図１〜３に示すような光スイッチを、複数並列に配設して、一の入力側光伝達経路２に入力された光を、任意に光路を切り替えて、二以上の出力側光伝達経路４、５へ伝達する光のスイッチング、又は二以上の入力側光伝達経路２、３に入力された各々の光を、それぞれ任意に光路を切り替えて、一の出力側光伝達経路４へ伝達する光のスイッチングを行う多チャンネル光スイッチを挙げることができる。このような多チャンネル光スイッチでは、簡単な構造で、容易に多チャンネル化することができるという利点がある。
尚、入力側、出力側というのは単に光の進行方向に対して区別されるものであるので、同じ構成でも、進行方向を逆転することにより、入出力の呼び方も変わることになる。
本発明における他の実施形態としては、図１３に示すように、複数の光スイッチにおける各光伝達経路２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃを、単一の光伝達部１に形成してなる多チャンネル光スイッチを挙げることができる。このような多チャンネル光スイッチでは、光伝達経路２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃを互いに近接して配置することができる点で、各光伝達経路２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃを光導波路で形成することが好ましい。また、複数の光スイッチにおける各光伝達経路を、相互に交差させて、各光伝達経路２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃの一部を共用化することにより光スイッチの高小型化、集積化を図ることができる。
更に、本発明における他の実施形態としては、図１４、１５に示すように、複数の光スイッチ５１が、一の入力側経路２ａ〜２ｃと、複数の出力側経路４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃとを有する複数の光スイッチから構成され、かつ隣接する光スイッチ５１間で、一の出力側光伝達経路４ａ、４ｂ、４ｃと、一の入力側光伝達経路２ａ、２ｂ、２ｃとをそれぞれ連結してなり、一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、一の光スイッチを含む複数の光スイッチの各光路変更部でスイッチングを行う多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
但し、図１４に示す多チャンネル光スイッチでは、光伝達経路２ａ、２ｂ、２ｃ、４ａ、４ｂ、４ｃは、光導波路で形成されており、光伝達において信号のロスが少ないという利点を有する。これに対して、図１５に示す多チャンネル光スイッチでは、光伝達部全体が同一材料の光導波体（光導波路を除く）により構成され、実質的な意味において特定の光伝達経路２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃが形成されているものであり、設計が容易であるという利点を有する。
これらの多チャンネル光スイッチでは、入力端部４３から入力された光は、複数の光スイッチの各光路変更部８ａ、８ｂ、８ｃ（図１５では図示せず）で光路が切り替えられ、出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃから出射され、外部の光伝達経路へ伝達される。
更に、本発明における他の実施形態としては、図１６に示すように、複数の光スイッチ５１が、隣接する光スイッチ５１間で、一の出力側光伝達経路４ａ、４ｂと、一の入力側光伝達経路２ｂ、２ｃとを、それぞれ光ファイバー６により連結してなり、少なくとも一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、複数の光スイッチの光路変更部でスイッチングを行う多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチによれば、図１５に示す多チャンネル光スイッチと同様に、光伝達部全体を、同一材料の光導波体（光導波路を除く）により一体的に構成することができるため、設計が容易であるとともに、光ファイバーを介在させて光伝達を行うため、図１５に示す多チャンネル光スイッチに比べ、光の発散を抑制することができるという利点を有する。
尚、この多チャンネル光スイッチでは、各光スイッチ５１の光伝達部１を一体にして形成することが設計を容易にする点では好ましいが、各光スイッチ５１の光伝達部１をそれぞれ独立して形成したものであってもよい。
更に、本発明における他の実施形態としては、図１７に示すように、前述した図１４〜１６に示す多チャンネル光スイッチ複数個を並列に配設した多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチによれば、容易に複数の光信号入力端部及び／又は光信号出力端部を設けることができるため、大規模な多チャンネル化光スイッチを容易に製造することができるとともに、構造がシンプルなため、小型化も容易であるという利点を有する。
更に、本発明における他の実施形態としては、図１８、２５に示すように、前述した図１４〜１６に示す多チャンネル光スイッチにおける各光伝達経路の出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃに、光結合器３６ａ、３６ｂ、３６ｃを結合して、光伝達経路（図示せず）の少なくとも一部を集束した多チャンネル光スイッチを挙げることができる。このような多チャンネル光スイッチでは、出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃを共有化することができるため、任意の入力光信号を選択して、任意の信号経路へ光を切り替えられる利点を有する。
また、本発明においては、このような出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃ等へ光結合器３６ａ〜３６ｃを結合する構成に代え、入力端部４３に光分岐器（図示せず。また、入力端部４３に接続すれば、３６ａ等と同構成のものが光分岐器となる。）を結合する構成とすることもでき、このような構成により、同じ光信号を、任意の出力先に分岐伝達する光スイッチとすることができる。また、光結合器３６ａ〜３６ｃ又は光分岐器としては、図１８に示すように、一のポイントで光伝達経路を集束するもの、図２５に示すように、基幹となる光伝達経路３８ａ〜３８ｃに、複数のポイントで、各光結合経路３７ａ〜３７ｃ等が、基幹光伝達経路３８ａ〜３８ｃの光進行方向に対して斜め方向で結合しているものいずれでもよい。もっとも、図２６に示すように、図２５に示した多チャンネル光スイッチでは、各基幹光伝達経路３８ａ〜３８ｃに対応した溝を設けた基板３９を、各基幹光伝達経路３８ａ〜３８ｃに当該溝を対応させて配設することが好ましい。このような基板３９の配設により、所定ピッチで精度よく複数の光伝達経路を配設することができるため、各多チャンネル光スイッチ間又は光源と多チャンネル光スイッチ間の結合が容易となる。
また、本発明においては、入力端部４３又は出力端部４４に光分波器又は光合波器を結合する構成とすることもでき、このような構成により、波長の異なる複数の光信号を分波又は合波し、各光信号を任意の経路に伝達する光スイッチとすることができる。
更に、本発明における他の実施形態としては、図１９に示すように、前述した図１４〜１６に示す多チャンネル光スイッチ４１を複数個備え、各多チャンネル光スイッチ４１における各出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃの少なくとも一部を、各多チャンネル光スイッチ４１とは別体として配設される、外部光伝達経路５３の入力端部を中心に円弧状に位置させて、各多チャンネル光スイッチ４１を配設する多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチでも、前述した図１８に示す多チャンネル光スイッチと同様に、異なる複数の多チャンネル光スイッチの各出力端部から出力される光を共通の光伝達経路に伝達することができるものであるが、特に、物理的手段による光伝達経路の結合を必要としないため、結合部分での信号のロスは生じないか、極めて小さくできる利点を有する。
この多チャンネル光スイッチでは、各多チャンネル光スイッチ４１を、目的、用途に応じて種々の位置に配設すればよく、例えば、図１９に示すように、各多チャンネル光スイッチにおける各出力端部のうち、同じ位置に設けられる各出力端部同士４４ａ、４４ｂ、４４ｃそれぞれを、外部光伝達経路５３の入力端部を中心に円弧状に位置させることができる。また、例えば、各出力端部のうち一の各出力端部同士４４ａのみを、外部光伝達経路５３の入力端部を中心に円弧状に位置させることもできる。
また、この多チャンネル光スイッチでは、図１９に示すように、各出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃから出射した光の発散を抑制するために、各出力端部４４ａ、４４ｂ、４４ｃに、レンズ７を配設することが好ましく、更に、外部光伝達経路５３の入力端部についても、適用する外部光伝達経路５３に応じて、レンズ７を配設することが好ましい。
更に、本発明における他の実施形態としては、図２０又は図２７に示すように、前述した図１４〜１６に示す多チャンネル光スイッチ４１複数個の各出力端部４４と、他の同様の多チャンネル光スイッチ４２における複数の入力端部４３ａ、４３ｂ、４３ｃとを連結してなる多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチも、前述した図１８、１９の多チャンネル光スイッチと同様に、異なる複数の多チャンネル光スイッチの各出力端部から出力される光を共通の光伝達経路に伝達するものであるが、各多チャンネル光スイッチの各光信号入力端部又は光信号出力端部を直接連結して、光伝達経路を構成するので、図１８及び図１９に示す多チャンネル光スイッチと比較して小型化が容易である等の利点を有する。
各多チャンネル光スイッチの各光信号入力端部又は光信号出力端部を直接連結する手段としては、図２０に示すように、光ファイバー４６等が光の損失が少ない点で好ましいが、図２７に示すように、球レンズ４７であってもよい。もっとも、この球レンズ４７で連結する場合には、当該球レンズ４７への入射角及びレンズの屈折率を調整することが必要となる。また、原理上、光の損失が比較的大きいため、光アンプ等を付設して増幅することが好ましい。
本発明における更に他の実施形態としては、図２８に示すように、前述した図１４〜１６に示す多チャンネル光スイッチ４１複数個と、基体４８ａ中の溝に複数の光導波路４９ａ〜４９ｆを設けた光導波路基板４８とを備え、各多チャンネル光スイッチ４１の各出力端部（図示せず）と、光導波路基板４８の各光導波路４９ａ〜４９ｆとを連結してなる多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチでは、光導波路基板４８における溝の深さ又は幅を調整することで、光導波路の開口面積が大きくとれるので、レーザー、ＬＥＤ等の信号源（光源）又はファイバーと、容易に結合することができる。但し、結合が容易となる反面、入出射角度が多様となるため、光の損失が比較的大きい。従って、長距離通信等への用途では、光アンプ等を付設することが好ましい。
光導波路基板４８としては、例えば、基体４８ａに所定ピッチで設けた比較的深さのある溝を形成した基体４８ａ自体を、クラッドとして構成し、その溝に透光性樹脂等により光導波路コア５０ｂを形成したものでもよいが、予め、溝の表面に、光導波路コアの材料より屈折率の僅かに小さい材料からなるクラッド層を形成しておき、透光性樹脂等によりなる光導波路コアを独立した状態で当該溝に配設することも好ましい。このような構成とすることにより、樹脂、金属、ガラス、セラミックス等種々の材料を基体及び／又は光導波路クラッド材料として使用することができる。また、このような構成では、光の損失が小さくなるように、基体の材料は、クラッドよりも屈折率が大きいことが好ましいのは言うまでもない。また、多チャンネル光スイッチ４１と光導波路基板４８との結合は、前述した光ファイバ、球レンズ等他、直接、接触させてもよい。
本発明における更に他の実施形態としては、図２１に示すように、複数の光スイッチ５１が、複数の入力側経路２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃを有する少なくとも一以上の光スイッチ５１と、複数の出力側経路４ａ〜４ｃ、５ａ〜５ｃを有する少なくとも一以上の光スイッチ５２とにより構成され、かつ隣接する光スイッチ５１間で、一の出力側光伝達経路４ａ〜４ｅと、一の入力側光伝達経路２ａ〜２ｅとを連結してなり、複数の光スイッチ５１の入力端部４３ａ〜４３ｄから入力された光を、複数の光スイッチ５１の光路変更部８ａ〜８ｆでスイッチングを行う多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
図２１に示すように、この多チャンネル光スイッチでは、光路変更部８ａ〜８ｆの各々が、各光路変更部８ａ〜８ｆ間で少なくとも２種以上の光反射角度（図２１では、光路変更部８ａ〜８ｆのうち、８ａ〜８ｃと８ｄ〜８ｆの光反射面を、相互に線対称の位置となる光反射角度（例えば、３０°と１５０°の関係が該当する）を示す。）の光反射部材を有しており、例えば、光路変更部８ａ、８ｂ、８ｃを光伝達部１から離隔した状態では、入力端部４３ａから入力した光が、光路変更部８ｄ〜８ｆへ向かう光伝達経路を進み、光伝達部１に接触した光路変更部８ｄで、出力端部４４ａに向かう光伝達経路５ｄへ光路が切り替えられ、出力端部４４ａから外部の光伝達経路へ伝達される。他方、例えば、光路変更部８ａの光伝達部１への接触した状態では、入力端部４３ｂから入力した光が、光路変更部８ｂへ向かう光伝達経路４ａへ光路を切り替えられて光路変更部８ｄ〜８ｆへ向かう光伝達経路を進み、同様に光伝達部１に接触した光路変更部８ｄ〜８ｆのいずれかで、その光路変更部８ｄ〜８ｆに対応した出力端部４４ａ〜４４ｄのいずれかに向かう光伝達経路５ｄ〜５ｆへ光路が切り替えられ、出力端部４４ａ〜４４ｄのいずれかから外部の光伝達経路へ伝達される。
このように、この多チャンネル光スイッチでは、一の光伝達部１において、複数の入力端部４３ａ〜４３ｄに入力されたそれぞれの光が、複数の光路変更部の作動状態によって任意の一つの出力端部４４ａ〜４４ｄへ伝達されるＭ×Ｎ型の光スイッチを実現するすることできるため、小型化、高集積化を図る上で極めて有利であるという利点を有する。但し、図１７〜１９に示した多チャンネル光スイッチでは、各入力端部４３から光信号を入力してそれぞれの光信号を並列に処理することができるのに対して、この多チャンネル光スイッチでは、各光入力端部４３（４３ａ〜４３ｄ）への光信号の入力は多少の時間差が必要となる。
本発明における更に他の実施形態としては、図２９に示すように、少なくとも光路変更部８に光散乱体１０ｆを設けた光スイッチ５１を一以上含む複数の光スイッチ５１で構成され、隣接する各光スイッチ５１間で、一の出力側光伝達経路４ａ、４ｂと、一の入力側光伝達経路２ｂ、２ｃとを、それぞれ光アンプ５４を介在させて光ファイバー６により連結してなり、少なくとも一の光スイッチにおける入力端部から入力された光を、一以上の光スイッチの光路変更部で多数の光伝達経路へ分岐してのスイッチングを行う多チャンネル光スイッチを挙げることができる。
この多チャンネル光スイッチでは、光伝達経路２ａから入力された光２１は、光路変更部８が離隔状態の光スイッチでは、そのまま光伝達部１の反射面１ａで全反射され、光伝達経路４ａへ、さらには光伝達経路２ｂへと伝達される。一方、光路変更部８が接触状態の光スイッチのところでは、光伝達経路２ｂから導入された光が、光路変更部に取り出されて光散乱体１０ｆにより散乱され、光伝達経路４ｂ、５ｂに分岐される。この際、分岐された光は、分岐により減衰しているが、その先の伝達経路へ伝達される際、光アンプで増幅され、減衰分が補われ、複数の光スイッチを経由しても光信号が殆ど減衰することなく伝達される。なお、光アンプとしては、半導体レーザーダイオード型やファイバー型等を挙げることができる。
以上、主に光通信を意図して本発明の多チャンネル光スイッチを説明してきたが、更に、光通信以外の応用例として、光プリンタへの応用について説明する。
図２２は、本発明の多チャンネル光スイッチを光プリンタへ応用した実施形態を模式的に示す説明図である。
図２２に示すように、この光プリンタは、前述した多チャンネル光スイッチ４１をプリンタヘッド６１として適用し、この多チャンネル光スイッチ４１からなるプリンタヘッド６１と、多チャンネル光スイッチ４１の各出力端部４４の出力方向に位置して配設され、各出力端部４４から出力される光２１を集光するレンズ６３と、このレンズ６３により集光された光２１により潜像を形成する感光ドラム６２とを基本要素として備えるものである。
このような光プリンタでは、実質上アレイ状にレーザー光源を配置した構成とすることができるため、従来のレーザープリンタのように、ポリゴンミラー及びこれに付随するレンズ等の光学系部品を省略することができ、大幅な小型化と、部品点数の削減による低コスト化を図ることができる。
また、この光プリンタは、ＬＥＤプリンタのように、各光源を、所望の各ドット毎に配設して、各光源から出力された光により潜像を形成するものではなく、同一光源からの光を、スイッチングにより各ドット毎に対応して設けられる各出力端部毎に切り換え、各出力端部から出力された光により潜像を形成するものである。従って、各ドット毎の光量ムラがないとともに、長時間使用した際の昇温に起因するいわゆる光量ダウンといった問題も生じない。
更には、この光プリンタでは、プリンタヘッド６１を構成する多チャンネル光スイッチ４１の各出力端部４４を設ける間隔を適宜調整することで所望の解像度の光プリンタとすることができるため、容易に高解像度化に対応することができる
以上、本発明を幾つかの実施形態に基づいて、具体的に説明してきたが、本発明は、これら実施形態に何等限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えうるものである。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明によれば、従来の光スイッチの問題を解決し、消費電力が小さく、かつ高速応答が可能であるとともに、小型化、高集積化が可能で、かつ信号の減衰を高度に低減することができ、更には、入力した特定の光毎にスイッチングを行うことができる、光通信システム、光記憶装置、光演算装置、光記録装置、光プリンタ等に適した光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の光スイッチの一の実施形態を模式的に示す説明図であり、図１（ａ）は、光路変更部が光伝達部から離隔された状態を示すものであり、図１（ｂ）は、光路変更部が光伝達部に接触した状態を示すものであり、図１（ｃ）は、光伝達部における、光路変更部に対向する面、及び光路変更部に対応する面を模式的に示すものである。
図２は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図３は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図４は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図５は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図６は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図７は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す一部拡大図である。
図８は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す一部拡大図である。
図９は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１０（ａ）（ｂ）は、本発明の光スイッチを構成するアクチュエータ部におけるアクチュエータ部材の変形例を模式的に示す説明図であり、図１０（ａ）は、積層方向であるＹ方向の変位を利用する圧電／電歪素子の例を示し、図１０（ｂ）は、積層方向と垂直方向であるＸ方向の変位を利用する圧電／電歪素子の例を示すものである。
図１１は、積層圧電／電歪素子の製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
図１２は、本発明の多チャンネル光スイッチの一の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１３は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１４は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１５は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１６は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１７は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１８は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図１９は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２０は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２１は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２２は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２３（ａ）（ｂ）は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図であり、図２３（ａ）は、光路変更部が光伝達部から離隔された状態を示すものであり、図２３（ｂ）は、光路変更部が光伝達部に接触した状態を示すものである。
図２４は、本発明の光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２５は、本発明の多チャンネル光スイッチの他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２６は、本発明の多チャンネル光スイッチの更に他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２７は、本発明の多チャンネル光スイッチの更に他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２８は、本発明の多チャンネル光スイッチの更に他の実施形態を模式的に示す説明図である。
図２９は、本発明の多チャンネル光スイッチの更に他の実施形態を模式的に示す説明図である。
【図１（ａ）】
0004433673.tif 000002
【図１（ｂ）】
0004433673.tif 000003
【図１（ｃ）】
0004433673.tif 000004
【図２】
0004433673.tif 000005
【図３】
0004433673.tif 000006
【図４】
0004433673.tif 000007
【図５】
0004433673.tif 000008
【図６】
0004433673.tif 000009
【図７】
0004433673.tif 000010
【図８】
0004433673.tif 000011
【図９】
0004433673.tif 000012
【図１０（ａ）】
0004433673.tif 000013
【図１０（ｂ）】
0004433673.tif 000014
【図１１】
0004433673.tif 000015
【図１２】
0004433673.tif 000016
【図１３】
0004433673.tif 000017
【図１４】
0004433673.tif 000018
【図１５】
0004433673.tif 000019
【図１６】
0004433673.tif 000020
【図１７】
0004433673.tif 000021
【図１８】
0004433673.tif 000022
【図１９】
0004433673.tif 000023
【図２０】
0004433673.tif 000024
【図２１】
0004433673.tif 000025
【図２２】
0004433673.tif 000026
【図２３（ａ）】
0004433673.tif 000027
【図２３（ｂ）】
0004433673.tif 000028
【図２４】
0004433673.tif 000029
【図２５】
0004433673.tif 000030
【図２６】
0004433673.tif 000031
【図２７】
0004433673.tif 000032
【図２８】
0004433673.tif 000033
【図２９】
0004433673.tif 000034