JP3960253B2 - 光スイッチ及びビームダイレクションモジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
複数のファイバーを伝送する光信号の接続を切替える光スイッチに関し、ビーム化した光信号の向きをミラーにより制御する三次元光マトリクススイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた光通信においては、N×Nの光スイッチ、すなわち、N個の入力ポートに光ファイバを通して送られてきた光信号のうちの任意の１つを、N個の出力ポートのうちの１つに接続でき、これらの接続を切替えることのできる装置が用いられる。
アレイ化したファイバコリメータおよびミラーアレイを用いて、光路を形成できる三次元光マトリクススイッチについて米国特許第６３４７１６７号に記載がある。
【０００３】
本従来例では、ファイバーとコリメータレンズを配列したハウジングと、入力側と出力側のマイクロミラーを同一面に配列した基板と、反射面を形成したキャップをそれぞれ平行に配置する。レンズから出たビームは基板を透過してキャップの反射面で反射し、次に入力側マイクロミラーに反射してキャップを透過して射出される。さらに第２のキャップで反射してビームが折り返され、今度は出力側のマイクロミラーで反射し、入力側と同様の経路を辿り出力側ファイバーに結合する。
【特許文献１】
米国特許第６３４７１６７号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、米国特許第６３４７１６７号においては、ミラーの配列面に、ビームの通過領域を配置する必要があるため、光マトリクススイッチのミラーのアレイ密度が低くなってしまう。入出力ファイバ間の光路長（ワーキングディスタンス）と、ミラーの最大振り角は限られているため、ミラーの配列密度が低下すると、結合可能なチャンネル数が低下してしまう。
【０００５】
上記のような課題を克服し、ミラーの配列密度を向上できる三次元光スイッチを実現するのが本発明の目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、例えば以下の構成を有する。
（１）複数の可動ミラ−が配置され、異なる回転軸で駆動されて、ビームをコントロールする。例えば、複数の光ファイバを伝播する光信号を切替える光スイッチであって、第一の支持部材と、前記第一の支持部材に支持されており、ビームを出す第一のコリメータと、前記支持部材に対向して設置される第一の基板と、前記第一の基板に設置される第一のマイクロミラーと、前記第一の基板に対向して設置される第二の基板と、前記第二の基板に設置される第二のマイクロミラーと、を備えた入力側ビームダイレクションモジュールと、前記入力側ビームダイレクションモジュールからの光を受光する出力側ビームダイレクションモジュールと、を備え、前記第一のマイクロミラーは第一の方向を軸として回転し、前記第二のマイクロミラーは第二の方向を軸として回転する機構を備える。
（２）出力側のビームダイレクションモジュールも入力側と基本的に同様の構成を持つようにすることができる。例えば、入力側モジュールおよび出力側モジュールとして対向させて設置して、前記入力側モジュールの任意のファイバーの信号を前記出力側モジュールの任意のファイバーに接続するようにすることができるようにする。一例としては、（１）において、前記出力側ビームダイレクションモジュールは、第二の支持部材と、前記第二の支持部材に支持されたビームを受ける第二のコリメータと、前記第二の支持部材に対向して設置される第三の基板と、前記第三の基板に設置される第三のマイクロミラーと、前記第三の基板に対向して設置される第四の基板と、前記第四の基板に設置される第四のマイクロミラーと、を備えた出力側ビームダイレクションモジュールと、を備える。
（３）（１）〜（２）に関して、第一の基板は第一のビーム通過領域を備え、前記第二の基板は第二のビーム通過領域を備え、前記第一のコリメータから出たビームは前記第一のビーム通過領域を通って前記第二のマイクロミラーで反射され、前記第二のマイクロミラーで反射されたビームは前記第一のマイクロミラーで反射され、前記第一のマイクロミラーで反射されたビームは前記第二のビーム通過領域を通って前記出力側ビームダイレクションモジュールに導かれる。
（４）（１）〜（３）に関して、ファイバコリメータから射出するビームが、前記第１のミラー基板、および前記第２のミラー基板に対して斜めに入射するように形成される。
【０００７】
例えば、前記第一の支持部材は、第一の連結部材を介して前記第一の基板に支持され、前記第一の基板は第二の連結部材を介して前記第二の基板に支持される。
（５）（１）〜（４）に関して、前記入力側のビームダイレクションモジュールの前記コリメータは複数設置され、前記入力側のビームダイレクションモジュールの前記コリメータは複数設置され、前記入力側のコリメータのうち第一のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度は前記第一のコリメータより前記出力側のビームダイレクションモジュール側に位置する第二のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度より小さくなるよう形成されているものを含むことを特徴とする光スイッチ。
または、例えば、前記入力側モジュールにおいて、前記入力側モジュールから射出させたビームが前記第一のマイクロミラーおよび前記第二のマイクロミラーが回転していない状態で、前記出力側モジュールの前記第三のマイクロミラー配列領域の中心付近に向くように第一のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度を変化させて設置され、前記出力側モジュールにおいては、前記出力側モジュールから射出させたビームが前記第三のマイクロミラーおよび前記第四のマイクロミラーが回転していない状態で、前記入力側モジュールの前記第一のマイクロミラー配列領域の中心付近に向くように第二のコリメータの前記第三の基板の主面に対する角度を変化させて設置される。
【０００８】
また、（１）〜（４）のビームダイレクションモジュールで、前記第１の可動ミラーおよび第２の可動ミラーは、動作させない状態で表面がそれぞれ第１のミラー基板表面および第２のミラー基板表面と実質的に平行になるように形成されていることが好ましい。精度誤差の範囲程度で平行であればよい。
（６）（１）〜（５）に関して、貫通孔の径はその２つの主面で大小がある。
【０００９】
例えば、前記第一のビーム通過領域或いは前記第二のビーム通過領域は、基板に開口部が形成されてなり、それぞれ前記第一の可動ミラー或いは第二の可動ミラーを配置した面の開口径は前記可動ミラー配置面の反対側より小さくなるよう形成されている。具体的にはテーパのついた貫通孔であることが好ましい。
（７）（１）〜（６）に関して大ミラー付構造にする。光が入力側モジュールから出た後出力側に至る間の光路に大ミラーが配置される。
【００１０】
例えば、前記入力側のビームダイレクションモジュールから出たビームは大ミラー（反射板）で反射されて前記出力側のビームダイレクションモジュールに導かれるよう形成される。
【００１１】
このように、大ミラーとともに設置してなり、前記入力側モジュールと前記出力側モジュールとの間の光路において、前記大ミラーでビームが反射するように配置されており、前記入力側モジュールの任意のファイバーの信号を前記出力側モジュールの任意のファイバーに接続することができるようにすることが好ましい。
（８）（１）〜（７）において、前記大ミラーは前記入力側ビームダイレクションモジュール側に対して凹曲面形状を有する。
【００１２】
このようにすることにより、前記入力側モジュールおよび前記出力側モジュールの任意の前記コリメータからビームを射出したときに、前記ビームが、対応する前記第一の可動ミラーおよび第二の可動ミラーが回転していない状態で、それぞれ対向するモジュールの前記第一の可動ミラーの配列領域の中心付近に向くように、前記大ミラーの曲面を調節することもできる。
【００１３】
本発明の一例としては、光信号の入出力用のファイバーを複数有し、各ファイバーに伝播する光信号をビーム化してそれぞれ任意の方向に向けることのできるビームダイレクションモジュールに関して、光信号が伝播するファイバーと、前記ファイバーからの光信号をコリメートビーム化するように配置されたコリメータレンズにより構成されるファイバコリメータが、ファイバコリメータ支持体に複数配列して設置されたファイバコリメータアレイと、１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第一の可動ミラーと、ビームが通過できる複数の第一の窓が、薄板状の第１のミラー基板上に、それぞれ前記ファイバコリメータに対応して配列された第一のミラーアレイとを有する。そして、前記第一の可動ミラーの回転軸と直交する１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第二の可動ミラーと、ビームが通過できる複数の第二の窓が、薄板状の第二のミラー基板上に、それぞれ前記ファイバコリメータに対応して配列された第二のミラーアレイを有し、前記ファイバコリメータアレイのビーム射出面と前記第一のミラーアレイ、および前記第一のミラーアレイと前記第二のミラーアレイがそれぞれ近接して設置され、前記ファイバコリメータから射出したビームが、前記第一の窓を通過し、前記第二の可動ミラーで反射して、前記第一の可動ミラーで反射して、前記第二の窓を通過して外部に向けて射出されるように各部材が配置されており、前記第一の可動ミラーおよび第二の可動ミラーの傾き角を調節することで、前記ビームの射出方向を制御できるようになっている。
【００１４】
本発明では、２つのミラーを一軸づつ制御して用いてビームの射出方向を制御するところに一つの特徴がある。
これにより、ミラーデバイスのサイズを小型化できる。
前記従来技術のように固定ミラーと二軸可動ミラーとの組合せにより調整する場合において、一般的に二軸可動ミラーでは、実効的なミラー面が一軸中心に回転する他に、もう一軸の回転を担う可動子が必要になるのに対して、一軸可動ミラーではそのような可動子を必要としないので、ミラーデバイス全体のサイズを小さくできる。また、一般的に用いられている静電駆動のミラーの場合、二軸可動ミラーでは、４個あるいは少なくとも３個の静電パッドを必要とするのに対して、一軸可動ミラーでは２個で良いため、静電パッドに給電するための配線の引き回しスペースを小さくできる。上記のような効果から、本発明では、ミラーの配列密度を向上でき、より多チャンネルの光マトリクススイッチを実現できる。
【００１５】
また、前記従来技術のように固定ミラーと二軸可動ミラーとの組合せにより調整する場合、二軸可動ミラーでは、実効的なミラー面が可動子の回転に追従して傾くため、ミラー面を回転させるためにパッドに印可する電圧値とミラー面の回転量との関係の特性が、可動子の回転量に応じて変化してしまうこととなり、ビームの方向制御が非常に難しくなる。
【００１６】
一方、本発明においては、独立した２つのミラーにより一軸ずつの回転を担うため、軸間の干渉がなく、ビームの方向制御が容易である。
【００１７】
また、薄い基板上にアレイ化された第１のミラーアレイおよび第２のミラーアレイを、ファイバコリメータアレイのビーム射出面に近接して設置する構成であるため、ファイバーから第１の可動ミラーおよび第２の可動ミラーまでの光路を非常に短くでき、かつ、多チャンネル化してアレイサイズが拡大しても、ファイバーからミラーまでの光路の増加を抑制できる。そのため、ファイバコリメータの光軸やミラー制御の角度ずれに対して、結合効率の低下を小さくできる。また、上記のような近接配置であるために、ファイバコリメータアレイ、第１のミラーアレイ、および第２のミラーアレイを、溝やピンなどを用いて直接的に位置決めでき、アクティプな調芯方法を必要としないので、位置合わせの手間を低減できる。また、溝の寸法精度はマスクにより高精度に制御できるので、高精度な位置決めが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を添付図面を用いて説明する。
【００１９】
図１に断面模式図を示す本発明の第１の実施形態は、光信号の入出力用のファイバーを複数有し、各ファイバーに伝播する光信号をビーム化して、それぞれ任意の方向に向けることのできるビームダイレクションモジュール１であって、光信号が伝播するファイバー２と、ファイバー２からの光信号をコリメートビーム化するように配置されたコリメータレンズ３により構成されるファイバコリメータ４が、ファイバコリメータ支持体５に複数配列して設置されたファイバコリメータアレイ６と、１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第１のミラー７と、ビームが通過できる複数の第１の窓８が、薄板状の第１のミラー基板９上に、それぞれ前記ファイバコリメータ４に対応して配列された第１のミラーアレイ１０と、前記第１のミラー７の回転軸と直交する１つの回転軸を有し傾き角を制御可能な複数の第２のミラー１１と、ビームが通過できる複数の第２の窓１２が、薄板状の第２のミラー基板１３上に、それぞれ前記ファイバコリメータ４に対応して配列された第２のミラーアレイ１４を有し、ファイバコリメータアレイ６のビーム射出面６aと第１のミラーアレイ１０、および第１のミラーアレイ１０と第２のミラーアレイ１４がそれぞれ近接して設置され、ファイバコリメータ４から射出したビーム１５が、第１の窓８を通過し、第２のミラー１１で反射して、第１のミラー７で反射して、第２の窓１２を通過して外部に向けて射出されるように各部材が配置されており、第１のミラー７および第２のミラー１１の傾き角を調節することで、ビーム１５の射出方向を制御できる。
【００２０】
本発明の第２の実施形態は、図２の断面模式図に示すように、第１の実施形態のビームダイレクションモジュール１を２基対向させて配置し、一方を入力側モジュール１６、他方を出力側モジュール１７として構成した光スイッチ１８である。入力側モジュール１６のファイバー２aに送られてきた光信号は、ビーム化され、対応する第１のミラー７aおよび第２のミラー１１aを制御することにより、出力側モジュール１７の任意の第１のミラー７bに向けられる。出力側モジュール１７では、第１のミラー７bおよび第２のミラー１１bの傾きを制御して、対応するファイバー２bの端面にビームが集光するように調節する。こうして、入力側モジュール１６の任意のファイバー２aに送られてきた光信号を、出力側モジュール１７の任意のファイバー２bに接続することができる。
【００２１】
比較例としての三次元型の光スイッチの基本的な構成例を図３に示す。ファイバー端からの光をコリメートビームにして射出、あるいはコリメートビームをファイバー端に集光することのできるファイバコリメータを二次元的に配列したファイバコリメータアレイを入力側と出力側の二対有し、さらに各ファイバーに対応して可動ミラーを二次元配列したミラーアレイを入力側と出力側それぞれに対して設置する。各マイクロミラーは二軸可動で、傾き角を制御できるようになっており、任意の入力側ファイバコリメータからのビームは、対応する入力側ミラーアレイ上のミラーで反射されて、出力側ミラーアレイの行き先の出力ポートに対応するミラーに導かれ、このミラーにより出力側のファイバコリメータに導かれて、光結合が達成される。
【００２２】
図４に前記比較例の三次元型光マトリクススイッチの水平方向一列分の配置を示す。高い結合効率を達成するためには、ファイバコリメータおよびミラーアレイの相対位置や、ミラーの制御などを高精度に行い、光ビームのエネルギーが確実に出力側ファイバーに結合する必要がある。例えば、ファイバコリメータアレイの各ファイバコリメータに光軸方向の角度ばらつきがあると、ビームがミラーからはみ出して損失が発生する。また、出力側ミラーの角度制御にずれが発生すると、出力側ファイバー上でのビームの集光点がずれて損失が発生する。上記のビーム入射位置ずれは、いずれもコリメータレンズ／ミラー間距離Lに比例して大きくなるため、損失の低減、つまり結合効率の向上のためには、Lを短くすることが重要になる。
【００２３】
しかしながら、図４に示した比較例の光マトリクススイッチにおいては、ファイバコリメータアレイが光路に干渉しないように、ファイバコリメータアレイとミラーアレイを離して設置するため、Lが比較的大きくなってしまう。またレンズとミラーの配列面が平行でないため、Lが場所により変化し、結合効率のばらつきを発生する恐れがある。また多チャンネルになりミラーアレイのサイズが大きくなるほど、Lの最大値（Lmax）が大きくなってしまう。
【００２４】
本発明の一実施形態としての光スイッチでは、第１のミラーアレイ１０および第２のミラーアレイ１４にビームが通過できる窓を形成するため、図３および図４に示した比較例の三次元光スイッチのようにビーム光路とファイバコリメータアレイとの干渉を考慮する必要がなく、よって、第１のミラーアレイ１０および第２のミラーアレイ１４をファイバコリメータアレイ６のビーム射出面６aに近接させて設置することができ、コリメータレンズ３から第１のミラー７あるいは第２のミラー１１までの光路を非常に短くできる。よって、比較例の光スイッチと比較して、ビーム入射位置ずれを小さくでき、結合効率を向上できる。また、レンズからミラーまでの光路長は場所によって変化せず、また多チャンネル化しても最大光路長が増加しないため、結合効率のばらつきおよび低下を防ぐことができる。
【００２５】
さらに、本発明では、ファイバコリメータアレイ６、第１のミラーアレイ１０、および第２のミラーアレイ１４が近接して配置しているため、それぞれを直接的に位置合わせすることができる。図５はファイバコリメータアレイ６、第１のミラーアレイ１０、および第２のミラーアレイ１４の位置合わせ方法の一例を示す断面模式図である。ファイバコリメータ支持体５、第１のミラー基板９、第２のミラー基板１３の周辺部の所定の位置にそれぞれ位置合わせ用の第１の溝１９、第２の溝２０、および第３の溝２１を形成し、精度の保証された第１のピン２２および第２のピン２３を用いて互いに位置合わせする。位置合わせ用の溝は、ミラーおよび窓を配列している領域の外周部に設けることが望ましく、少なくとも２箇所以上で位置合わせすることが望ましい。溝の形成は、例えばマスクパターンに従ってエッチングなどにより行うことで、高い精度で加工が可能なので、十分な位置合わせ精度が得られる。
【００２６】
例えば、比較例の三次元光スイッチにおいては、ファイバコリメータアレイと、ミラーアレイが互いに離れて設置されるため、両者の相対位置合わせは、例えばミラーアレイを移動ステージに固定し、ファイバコリメータアレイから出る参照ビームをモニタしながらミラーアレイの位置をステージで調整するといった位置合わせ手順および装置が必要であった。本発明では、上記のように直接的に高精度な位置合わせが可能なので、位置合わせにかかる手間と費用を低減することができる。溝形状は、例えばＶ字溝や、貫通孔などを用いることができる。ピンは円柱形か、円柱形で先端が球状のもの、あるいは球状のものなどを用いることができる。
【００２７】
本発明の一実施例のビームスキャニングモジュールにおいては、ファイバー２、コリメータレンズ３、第１のミラー７、第１の窓８、第２のミラー１１、および第２の窓１２の、それぞれ１つずつが組となって、一本のビーム１５の光路を形成するように配置されることが必要であり、その限りであれば、さまざまな配置をとってよい。ただし、第１のミラー７および第２のミラー１１を、それぞれ第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の表面に対して非平行に形成しようとすると、製造上難しく手間がかかる。その点で、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の表面に平行になるように形成した第１のミラー７および第２のミラー１１を用いてビーム１５の光路を構成することが望ましく、そうした構成は、ビーム１５が第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３に対して斜めに入射するように、ファイバコリメータ４を配置することにより達成できる。
【００２８】
また、本発明の一実施例では、互いに回転軸が異なるミラー２つを主に一軸駆動させて、ビームの射出方向を制御する。図６でビーム射出方向を制御する仕組みを説明する。コリメータレンズ３から射出したビームが、第１の窓８を通過し、第２のミラー１１および第１のミラー７で反射し、第２の窓１２を通過した後の、任意のビーム投射面２４を考える。図に示すようにx方向１０１、y方向１０２を定める。第１のミラー７を第１のミラー回転軸２５を中心に回転させることにより、ビーム投射面２４上でｘ方向１０１にビームを振ることができ、さらに、第２のミラー１１を第２のミラー回転軸２６を中心に回転させることにより、ビーム投射面２４上でｙ方向１０２にビームを振ることができる。このように、互いに直交した回転軸を持つ２つの一軸駆動ミラーを用いて、ビームを任意の方向に向けることができる。もちろん、２つのミラーの回転軸の向きは反対になってもよいし、また、軸同士は直交していることが最も望ましいが、完全に直交していなくてもよい。
【００２９】
ただし、望ましくは、図６に示したとおりに、第1のミラー７の第1のミラー回転軸２５がy方向１０２を、第２のミラー１１の第２のミラー回転軸２６がx方向１０１を向くようにする。第２の窓１２は、ビームがミラーに振られても通過できるだけのサイズにする必要がある。ミラーから第２の窓までの距離が遠いほど、第２の窓のところでビームが振られる距離は増加する。よって、図６の構成と逆に、第２の窓１２までの距離が第１のミラー７よりも遠い第２のミラー１１においてビームをx方向に振ると、第２の窓をx方向により広げる必要がある。すると、第２のミラー１１と第２の窓１２のピッチを広げる必要があり、それに応じて、ミラー基板間距離２７も広がってしまう。すると、ミラーから第２の窓までの距離がさらに遠くなり、第２の窓をさらに広げなければならないというように、配列ピッチが大きくなってしまう。逆に第２のミラー１１でy方向にビームを振ると、第２の窓はy方向により広がるが、これは第２のミラーアレイ間距離２７には影響を及ぼさない。以上のように、図６の構成のように第２のミラー１１でy方向にビームを振るように、つまり回転軸がx方向を向くようにすることで、ミラーと窓の配列ピッチをより小さくでき、配列密度が高まり、多チャンネルの光スイッチを実現できる。ここでｘ方向は、第１のミラーアレイ１０と第２のミラーアレイ１４が積み重なる方向に対してコリメータ３から出るビーム光軸の傾斜方向２８である。すなわち、望ましくは、第２のミラー１１の第２の回転軸２６をコリメータ３から出るビームが傾く方向と同じ方向にする。つまり、傾斜方向２８は、X方向１０１になるようにする。
具体的には、ミラーが設置される基板の積層方向から見て、例えば、光ファイバ２（コリメータ３であることができる）の長手方向（光出力方向であってもよい）に対して、第２のミラー１１はその直交方向より平行方向に近い方向に回転軸を有し、第1のミラー７はその平行方向より直交方向に近い方向に回転軸を有する。このため、第１ミラー軸２５より第２ミラー軸２６の方が光ファイバの傾斜方向２８や光出力方向等に近くなる。また、同方向から見て、光ファイバ２あるはコリメータ３からの光出力方向は、第２ミラーが駆動することによって、反射光は前記出力と平行方向の変化よりそれと直交方向の変化が大きく、第１ミラーが駆動することによって、反射光は前記出力方向と直交方向の変化より平行方向の変化が大きくなるよう形成されている。
【００３０】
光マトリクススイッチのミラーには、MEMS(Micro electromechanical systems)技術を用いて製造され、静電力により駆動するものを用いることができる。図７a〜７cに二軸駆動のミラー構造の一例を示す。図７aは平面構造を示しており、ビームを反射する部分である実効ミラー部３０が、第１の回転軸３１を構成する二本の第１の梁３２を介して可動子３３に結合しており、可動子３３は、第１の回転軸３１と直交する第２の回転軸３４を形成する二本の第２の梁３５を介して、支持体３６に結合され、ミラー構造体３７を構成する。第２の回転軸３４を中心にして可動子３３が実効ミラー部３０とともに回転し、また第１の回転軸３１を中心にして実効ミラー部３０が回転することにより、実効ミラー部３０が二軸で回転することができる。
【００３１】
図７bはミラーの駆動方法を示す図７aのA-A断面における断面図である。上記ミラー構造体３７はスペーサ３８を介して電極基板３９上に設置される。ミラー構造体３７の電極基板３９対向面には、導電膜４０が形成されており、電極基板３９表面に形成された静電パッド４１に電圧を印可し、導電膜４０との間に静電引力を発生させて実効ミラーおよび可動子を引き付けて回転させる。なお、ミラー構造体の導電膜４０形成面と反対の面には、少なくとも実効ミラー部３０表面に、ビームを反射できるミラー膜４２を形成する。
【００３２】
図７cは静電パッド４１の平面的配置例を示している。第１のミラー回転軸３１を中心とする回転を主に発生する二対の第１の静電パッド４３、および、第２のミラー回転軸３４を中心とする回転を主に発生する二対の第２の静電パッド４４を配置する。静電パッドは合計４つになり、静電パッドに給電するための４本の配線４５が電極基板３９上に形成される。
【００３３】
これに対して、図８a〜８cに一軸可動ミラーの構造の一例を示す。図８aに示すように、実効ミラー部５０が、回転軸５１を構成する二対の梁５２を介して支持体５３に結合され、ミラー構造体５４を構成している。回転軸５１を中心に実効ミラー部５０が回転するのみで、二軸可動ミラーのように可動子は必要としない。図８cに示すように、静電パッド５５は回転軸５１を中心とする回転を発生させる二対のみで、配線５６も２本になる。
【００３４】
このように、一軸可動ミラーでは可動子を必要としないため、二軸可動ミラーよりもミラー構造体のサイズを小さくできる。また、配線は、二軸可動ミラーでは４本なのに対して、一軸可動ミラーでは２本になるため、配線の引き回しスペースもほぼ半減する。本発明の第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３上には、ミラー構造体、窓、静電パッド、配線をそれぞれ配置する必要があるが、一軸可動ミラーを用いることにより、二軸可動ミラーを用いた場合と比較して、ミラーデバイスそのもののサイズが小さくなり、また配線スペースが小さくなることにより、ミラーの配列ピッチを小さくでき、配列密度を向上できる。これにより、ビームが通過するための窓を配置したことによるミラー配列密度の低下を補い、より多チャンネルの光スイッチを実現できる。
【００３５】
また、図７、図８に示したような一般的な二軸可動ミラーおよび一軸可動ミラーを考えて、入力側ミラーアレイのミラーの角度を振って、出力側ミラーアレイの面上でビームを到達させられる範囲（ビーム到達可能範囲と呼ぶ）を比較した模式図を図９に示す。ミラーの最大振り角は、ミラーが傾いて静電パッドと近づくことで静電力が急激に増大し、ねじり梁の剛性とつりあわなくなって完全に引き付けられてしまうプルイン現象が発生する角度により決まる。プルインが発生せずに回転できる最大角度がθmaxであったとすると、二軸可動ミラーでは、ミラーの静電パッドと最も近づく点における角度がθmaxとなるところが振り角の限界となるため、ビーム到達可能範囲５８は図９に示すようにほぼ円形になる。一方、一軸可動ミラー２つでビームの方向を制御する本発明の光スイッチでは、直交した２つの軸方向にそれぞれθmax回転できるため、ビーム到達可能範囲５９は図９に示したように矩形となり、斜線で示したような部分にもミラーを配列可能になる。
【００３６】
さらに、実効ミラー部のサイズが同じ場合、一軸可動ミラーの方が静電パッドの面積を大きくできるため、印可電圧値に対して得られる静電吸引力が大きくなる。すると、駆動力を確保しながら、ミラー構造体と静電パッドの間の距離を離すことができるので、プルインが発生しにくくなり、ミラーの最大振り角を大きくすることができる。
【００３７】
これらの効果により、ビームが通過するための窓を配置したことによるミラー配列密度の低下を補い、より多チャンネルの光スイッチを実現できる。
【００３８】
二軸可動ミラーにおいては、例えば、可動子を第２のミラー回転軸まわりに回転すると、同時に実効ミラーも回転し、すると、実効ミラーと第１の静電パッド間のギャップが変化するため、実効ミラーの第１の回転軸まわりの回転と第１の静電パッドに印可する電圧との関係の特性が変化してしまう。このように、一方の軸まわりにどれだけ回転しているかで、もう一方の軸まわりの回転の特性が変化するため、ミラー回転角の制御が非常に難しい。
【００３９】
しかし、２つの一軸可動ミラーを用いた本発明の構成では、２つの軸まわりの回転は、２つの一軸可動ミラーが独立に受け持つので、軸間の干渉がなく、ミラーの回転と静電パッドに印可する電圧との関係の特性は一定となり、ミラー回転角の制御が容易になる。
【００４０】
複数の第１のミラー７あるいは第２のミラー１１を第１のミラーアレイ１０あるいは第２のミラーアレイ１４に配列して作成する方法は、例えば、図８に示したミラー構造体５４の部分が複数配列したウエハをMEMS技術を用いて作成し、スペーサを介して、静電パッドや配線を形成した第１のミラー基板９あるいは第２のミラー基板１３に張り合わせることができる。
【００４１】
なお、MEMS技術とは、シリコンあるいはシリコンの酸化物により構成されるウエハを材料とし、フォトリソグラフィによりマスクをパターニングし、ウェットエッチング、ドライエッチングなどの加工法を用いて立体的な構造を作成する技術である。基本的には周知の製造技術を用いることができる。
【００４２】
なお、第１のミラー７および第２のミラー１１は、図８に示した構成に限られたものではなく、実効ミラー部や梁の形状、静電パッドの形状や配置など様々な構成をとってもよい。例えば図６に示したように、実効ミラーが矩形であってもよい。実効ミラー部以外の部分がなるべく小さい構成のものを用いることにより、ミラーの配列密度を高くすることが好ましい。
【００４３】
第１の窓８および第２の窓１２は、望ましくは、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３にそれぞれ貫通孔を形成してなる。貫通孔とすることにより、ビームがロスなく通過することができる。第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の材料は、例えばシリコンやガラス、あるいは４２−アロイなどの金属材料などを用いる。貫通孔の形成は、ドライエッチングやウェットエッチング、ドリルによる機械加工やレーザー加工など、材料によって様々な加工方法を用いることができる。
【００４４】
第１の窓８および第２の窓１２は、垂直な貫通孔でもよいが、望ましくは、図１に示したようにテーパのついた貫通孔とし、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３のミラー配列面側の貫通孔の開口領域を裏面よりも小さくして、必要最小限の領域にとどめることにより、ミラーの配列密度を高くできる。こうしたテーパのついた貫通孔は、例えば基板の材料をシリコンとし、異方性エッチングを用いることにより加工できる。
【００４５】
また、第１のミラー基板９および第２のミラー基板１３の材料をガラスにした場合、第１の窓８および第２の窓１２の部分に貫通孔を形成せずガラスを透過する構成としてもよい。また、基板の材料をシリコンにした場合、使用するビームの波長がシリコンを透過する波長領域に限られる場合は、同様に貫通孔を形成しない構成としてもよい。それらの場合、貫通孔の加工の手間を省くことができるが、表面での反射および透過の際の損失により、貫通孔の場合と比べて結合効率は低下する。この場合、窓の部分の表面には反射防止膜を形成することが望ましい。
【００４６】
なお、第１の窓８、および第２の窓１２においては、窓の周辺部の基板上に、ビームを透過しないような表面処理を施すなどして、光学的な絞りとして機能させることもできる。この絞りにより、目的のビーム以外の信号の反射光や散乱光がファイバーに結合してしまうクロストークを低減することができる。
【００４７】
ファイバコリメータアレイ６は、例えば図１０a、図１０bに示すように構成することができる。図１０aの平面図に示すように、ファイバコリメータ支持基板６０上に、ファイバーの位置合わせ用の複数のファイバー合わせ溝６１、およびコリメータレンズの位置合わせ用の複数の第１のレンズ合わせ溝６２を形成する。それぞれの溝に、円筒形のファイバー２、および円筒形あるいは球形のコリメータレンズ４を設置することにより、一列のファイバコリメータ列が構成される。
【００４８】
このファイバコリメータ列を、図１０bの断面図（下層から３段を図示し、それ以上は省略してある）に示すようにスタックすることにより、ファイバコリメータを二次元に配列したファイバコリメータアレイ６４が構成される。最下層以外のファイバコリメータ支持基板には、裏面に第２のレンズ合わせ溝６３を形成しておき、レンズを介してスタック方向および平面方向の位置合わせを行う。
【００４９】
図１０bの断面図で、最下層に設置されている位置合わせピン６５を用いて、第１のミラーアレイ１０との位置合わせを行う位置合わせ方法の一例を以下に示す。図１０aに示したような、位置合わせピン合わせ溝６６を用いて、ファイバコリメータアレイ６４のレンズ配列面の外周の４点で、同じ長さだけレンズ配列面から飛び出すように、位置合わせピン６５を設置する。第１のミラーアレイ１０には、第１のミラー基板９のファイバコリメータアレイと対向する面に位置合わせ溝を形成しておき、ここに上記の位置合わせピン６５の先端を合わせることで、ファイバコリメータアレイ６４と第１のミラーアレイ１０の位置合わせを行う。この場合、第１のミラーアレイ側の溝は、四角錘形にしておき、位置合わせピン６５の先端を球形にしておくと、位置合わせがしやすい。
【００５０】
ファイバコリメータ支持基板は、例えばシリコンウエハを材料として、異方性エッチングにより加工することにより、高精度なＶ字溝を形成することができる。ただし、材料、加工法はこれに限られたものではない。結晶面に沿った溝を形成することが好ましい。
【００５１】
上記ファイバコリメータアレイの構成は一例であり、溝やピンなどの配置や形状などはこれに限られたものではない。また、レンズとファイバーを融着して一体化されたファイバコリメータを用いてもよく、その場合はレンズ部分のみ溝で位置合わせすればよい。
【００５２】
また、ファイバコリメータ支持基板をスタックした構造に限られたものでもなく、例えば、図１１に示すような構成をとってもよい。二次元的に配列された複数のコリメータレンズ７０を一体で形成したコリメータレンズアレイ７１を用い、コリメータレンズアレイ７１のコリメータレンズ７０形成面の裏面に、コリメータレンズ７０と対応した位置にファイバー７２を接続する。ファイバコリメータアレイ７１は、例えばガラス板から削り出す、溶融したガラスを型に流し込むなどの方法で加工することができる。この場合も、コリメータレンズアレイ７１のコリメータレンズ７０形成面の外周に、位置合わせ用の溝を形成し、第１のミラーアレイ１０に形成した溝に対してピンやボールを用いて位置合わせすることができる。
【００５３】
以上説明してきた本発明のビームダイレクションモジュールにより光スイッチを構成するための配置法としては、図２に示した第２の実施形態の他にも様々な配置を取りうる。
【００５４】
図１２は本発明の第３の実施形態を示す断面模式図である。入力側モジュール７５と出力側モジュール７６が左右対称になるように配置され、両モジュールに対向するように大ミラー７７が配置され、入力側モジュール７５の任意のファイバー２aの光信号はビーム化して射出され、大ミラー７７に反射して、出力側モジュール７６の任意のファイバー２bに接続する。ここで、大ミラー７７は、少なくとも複数のコリメータレンズから出たビームが反射されるようなものである。好ましくはすべてのポートから出たビームを反射できるものである。また、ミラーアレイを構成するマイクロミラーよりは十分にサイズが大きい固定ミラーで構成されることが望ましい。好ましくは１枚のミラーで構成することが効率的である。本実施形態では、入力側のファイバーと出力側のファイバーを同方向に出すことができ、また光路が折りたたまれているため、全体として省スペース化を図れる。
【００５５】
また、上記第３の実施形態を発展させた形態として、本発明の第４の実施形態を図１３の断面模式図に示す。第３の実施形態における入力側と出力側に相当する部分を、１つのビームダイレクションモジュール７８として形成する。第３の実施形態と同様の効果に加えて、ビームダイレクションモジュールが一つで済むので、製造コストと組立てコストを低減できる。
【００５６】
また、図１４に示す本発明の第５の実施形態である光スイッチは、入力側モジュール８０および出力側モジュール８１において、各ファイバコリメータ４からのビームが、対向するモジュールの第１のミラーアレイ７の第１のミラーの配列領域の中心付近に向くように、ファイバコリメータ４の傾きを変えて、ファイバコリメータアレイ６に配列したことを特徴とする。第１のミラー７および第２のミラー１１が、ミラーに駆動力（例えば静電力や電磁力）を与えない状態（以下ニュートラル状態と呼ぶ）のときに、対向するミラーアレイの外周部にビームが向くように配置されていると、対向するミラー配列領域内でビームを振るために必要とされる最大の振り角が、ニュートラル状態に対して片側に偏ってしまう。通常のミラーデバイスでは、最大振り角はニュートラル状態の両側でほぼ等しいため、より大きく振られる側がミラーに要求される最大振り角を決定する。本発明の第５の実施形態では、ニュートラル状態でビームがすべて対向するミラーアレイの中心を向いているため、それぞれのミラーが両側のミラー振り角をほぼ均一に使用できるため、ミラーに要求される最大振り角を小さくすることができる。または、最大振り角が一定だとすれば、モジュールの間隔を狭めて光路長を小さくすることができる。
【００５７】
図１０a、bに示したファイバコリメータアレイの構成法を用いた場合、第１のレンズ合わせ溝６２および第２のレンズ合わせ溝６３の形状や配置を変更することにより対応できる。ファイバコリメータ支持基板のスタック方向において、ファイバコリメータの向きを中心に向けるのが困難な場合は、平面方向のみ実施しても、片方の一軸可動ミラーに対しては上記効果を得ることができる。また、図１１に示したファイバコリメータアレイの構成法を用いた場合は、ファイバーをコリメータレンズアレイに接続する向きを変更することにより実施できる。
【００５８】
また、図１５に示す第６の実施形態では、前記第３の実施形態と同様の構成で曲面形状を有する大ミラー８２を用いることにより、ニュートラル状態において任意のビームが対向するモジュールのミラーアレイの中心付近に向くようにすることができ、前記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
図＠、図４に示した比較例の三次元光スイッチのような構成で、ファイバコリメータアレイの部分に本発明のビームダイレクションモジュールを用いる構成としてもよい。図１６に示すように、入力側ビームダイレクションモジュール９０と出力側ビームダイレクションモジュール９１を設置し、その間に入力側の第１の外部ミラーアレイ９２、および出力側の第２の外部ミラーアレイ９３を設置する。第１の外部ミラーアレイ９２および第２の外部ミラーアレイ９３には光スイッチのポート数分のマイクロミラー９４が配置され、マイクロミラー９４は二軸可動であることが望ましい。本構成では、ビームダイレクションモジュールが有する可動ミラーの振り角に加え、外部ミラーアレイのミラー振り角が使用できることでビームを振れる範囲が広がるため、例えば１０００チャンネル程度の大規模光スイッチを構成するのに有利である。またその際、ビームを出すだけのファイバコリメータのかわりに本発明のビームダイレクションモジュールを用いることで、ビームダイレクションモジュールに内蔵されているミラーによりビームの射出方向を制御して外部ミラーアレイの目的のミラーに確実にビームを当てることができるため、ビームダイレクションモジュールと外部ミラーアレイの相対位置を高精度に合わせる必要がなく、実装組立てが容易である。
【００６０】
本発明のビームダイレクションモジュールは、それ単体で光ビームスキャナとして使用することができる。具体的には、例えば、レーザービームプリンターや、バーコードなどを読み取る光スキャナ、あるいは走査型のプロジェクタなどに適用できる。こうした用途においては、例えばビームを直線状に走査する動作が必要になるが、ここで二軸可動のミラーを用いていると、軸間に干渉があるために、片方の軸まわりの回転に沿って直線状に走査しようとすると、他方の軸まわりの回転を与える印可電圧値も逐次変えていかなくてはならず、制御が非常に難しい。一方で、本発明の何れか一実施形態で用いたビームダイレクションモジュールの構成を用いることにより、容易に所望の位置における直線状の走査が可能となる。例えば、２つの一軸可動ミラーを用いて、片方のミラーは所定の角度に固定しておき、他方のミラーだけを動かすように制御する。
【００６１】
【発明の効果】
本発明により、ミラーの配列密度を向上して多チャンネルに好適な三次元光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるビームダイレクションモジュールの構成を示す断面模式図。
【図２】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図３】比較例の三次元光スイッチの概略構成を示す斜視図。
【図４】比較例の三次元光スイッチの断面構成を示す断面模式図。
【図５】本発明のビームダイレクションモジュールの組立て方法の一例を説明する断面模式図。
【図６】ビームの向きを制御する仕組みを説明する概略斜視図。
【図７】a二軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成を示す平面模式図。b二軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成および駆動方法を示す断面模式図。c二軸可動の静電駆動マイクロミラーの駆動用静電パッドの構成を示す平面模式図。
【図８】a一軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成を示す平面模式図。b一軸可動の静電駆動マイクロミラーの構成および駆動方法を示す断面模式図。c一軸可動の静電駆動マイクロミラーの駆動用静電パッドの構成を示す平面模式図。
【図９】二軸可動ミラーと一軸可動ミラーのビーム振り角範囲を比較した模式図。
【図１０】aファイバコリメータを配列する支持基板の構成の一例を示す平面模式図。bファイバコリメータアレイの構成方法の一例を示す断面模式図。
【図１１】ファイバコリメータアレイの構成方法の一例を示す断面模式図。
【図１２】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１３】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１４】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１５】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【図１６】本発明の一実施形態である光スイッチの構成を示す断面模式図。
【符号の説明】
１...ビームダイレクションモジュール、２...ファイバー、２a...入力側のファイバー、２b...出力側のファイバー、３...コリメータレンズ、４...ファイバコリメータ、５...ファイバコリメータ支持体、６...ファイバコリメータアレイ、６a...ファイバコリメータアレイのビーム射出面、７...可動ミラー、７a...入力側の可動ミラー、７b...出力側の可動ミラー、８...第１の窓、９...第１のミラー基板、１０...第１のミラーアレイ、１１...固定ミラー、１２...第２の窓、１３...第２のミラー基板、１４...第２のミラーアレイ、１５...ビーム、１６...入力側モジュール、１７...出力側モジュール、１８...光スイッチ、１９...第１の溝、２０...第２の溝、２１...第３の溝、２２...第１のピン、２３...第２のピン、２４...ビーム投射面、２５...第１のミラー回転軸、２６...第２のミラー回転軸、２７...ミラー基板間距離、２８...ファイバーの傾斜方向、３０...実効ミラー部、３１...第１の回転軸、３２...第１の梁、３３...可動子、３４...第２の回転軸、３５...第２の梁、３６...支持体、３７...ミラー構造体、３８...スペーサ、３９...電極基板、４０...導電膜、４１...静電パッド、４２...ミラー膜、４３...第１の静電パッド、４４...第２の静電パッド、４５...配線、５０...実効ミラー部、５１...回転軸、５２...梁、５３...支持体、５４...ミラー構造体、５５...静電パッド、５６...配線、５８...ビーム到達可能範囲（二軸可動ミラーの場合）、５９...ビーム到達可能範囲（一軸可動ミラーの場合）、６０...ファイバコリメータ支持基板、６１...ファイバー合わせ溝、６２...第１のレンズ合わせ溝、６３...第２のレンズ合わせ溝、６４...ファイバコリメータアレイ、６５...位置合わせピン、６６...位置合わせピン合わせ溝、７０...コリメータレンズ、７１...コリメータレンズアレイ、７２...ファイバー、７５...入力側モジュール、７６...出力側モジュール、７７...大ミラー、７８...ビームダイレクションモジュール、８０...入力側モジュール、８１...出力側モジュール、８２...大ミラー、１０１...x方向、１０２...y方向

Claims (9)

1. 複数の光ファイバを伝播する光信号を切替える光スイッチであって、
   第一の支持部材と、前記光ファイバに接続され、前記第一の支持部材に支持された複数の第一のコリメータと、
   前記支持部材に対向して設置される第一の基板と、前記第一の基板に設置される複数の第一のマイクロミラー及び複数の第一のビーム通過領域と、
   前記第一の基板に対向して設置される第二の基板と、前記第二の基板に設置される複数の第二のマイクロミラー及び複数の第二のビーム通過領域と、を備えた入力側ビームダイレクションモジュールと、
   前記入力側ビームダイレクションモジュールからの光を受光する複数の受光部を有する出力側ビームダイレクションモジュールと、を備え、
   前記第一のコリメータから出たビームは前記第一のビーム通過領域を通って前記第二のマイクロミラーで反射され、前記第二のマイクロミラーで反射されたビームは前記第一のマイクロミラーで反射され、前記第一のマイクロミラーで反射されたビームは前記第二のビーム通過領域を通って前記出力側ビームダイレクションモジュールに導かれ、
   前記第一のマイクロミラーは第一の方向を軸として回転し、前記第二のマイクロミラーは前記第一の方向と直交する第二の方向を軸として回転する機構を備え、前記第一及び第二のマイクロミラーを回転させて前記ビームを受光する前記受光部を選択することを特徴とする光スイッチ。
2. 請求項１において、
   前記出力側ビームダイレクションモジュールは、
   第二の支持部材と、出力側光ファイバに接続され、前記第二の支持部材に支持された複数の第二のコリメータと、
   前記第二の支持部材に対向して設置される第三の基板と、前記第三の基板に設置される複数の第三のマイクロミラー及び複数の第三のビーム通過領域と、
   前記第三の基板に対向して設置される第四の基板と、前記第四の基板に設置される複数の第四のマイクロミラー及び複数の第四のビーム通過領域と、を備え、
   前記入力側ビームダイレクションモジュールから出たビームは前記第四のビーム通過領域を通って前記第三のマイクロミラーで反射され、前記第三のマイクロミラーで反射されたビームは前記第四のマイクロミラーで反射され、前記第四のマイクロミラーで反射されたビームは前記第三のビーム通過領域を通って前記第二のコリメータに導かれることを特徴とする光スイッチ。
3. 請求項１において、前記第一の支持部材は、第一の連結部材を介して前記第一の基板に支持され、前記第一の基板は第二の連結部材を介して前記第二の基板に支持されることを特徴とする光スイッチ。
4. 請求項１において、
   前記入力側のビームダイレクションモジュールの前記コリメータは複数設置され、前記入力側のコリメータのうち第一のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度は前記第一のコリメータより前記出力側のビームダイレクションモジュール側に位置する第二のコリメータの前記第一の基板の主面に対する角度より小さくなるよう形成されているものを含むことを特徴とする光スイッチ。
5. 請求項１において、
   前記第一のビーム通過領域或いは前記第二のビーム通過領域は、基板に形成された開口部を有し、前記第一のマイクロミラー或いは第二のマイクロミラー配置面の開口径は、前記ミラー配置面の反対側の面より小さくなるよう形成されていることを特徴とする光スイッチ。
6. 請求項１において、前記入力側のビームダイレクションモジュールから出たビームは大ミラーで反射されて前記出力側のビームダイレクションモジュールに導かれることを特徴とする光スイッチ。
7. 請求項６において、前記大ミラーは前記入力側ビームダイレクションモジュール側に対して凹曲面形状を有することを特徴とする光スイッチ。
8. 請求項１において、
   前記第一の基板と前記第二の基板との積層方向から見て、前記第二の方向は前記第一の方向よりも、前記コリメータからのビーム出力方向に近くなるよう配置されることを特徴とする光スイッチ。
9. 第一の支持部材と、前記光ファイバに接続し、前記第一の支持部材に支持された複数の第一のコリメータと、
   前記支持部材に対向して設置される第一の基板と、前記第一の基板に設置される複数の第一のマイクロミラー及び複数の第一のビーム通過領域と、
   前記第一の基板に対向して設置される第二の基板と、前記第二の基板に設置される複数の第二のマイクロミラー及び複数の第二のビーム通過領域と、を備え、
   前記第一のコリメータから出たビームは前記第一のビーム通過領域を通って前記第二のマイクロミラーで反射され、前記第二のマイクロミラーで反射されたビームは前記第一のマイクロミラーで反射され、前記第一のマイクロミラーで反射されたビームは前記第二のビーム通過領域を通って射出され、
   前記第一のマイクロミラーは第一の方向を軸として回転し、前記第二のマイクロミラーは前記第一の方向と直交する第二の方向を軸として回転する機構を備え、前記第一及び第二のマイクロミラーを回転させて前記第二のビーム通過領域を通過した後の前記ビームの光路を選択することを特徴とするビームダイレクションモジュール。

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