JP2005292521A - マイクロミラー素子および光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】光検出機能を備えた低コストのマイクロミラー素子、および、それを備えた光スイッチを提供する。
【解決手段】マイクロミラー素子１００は、ミラー駆動電極１０２と光検出器１１０とが配設された配線基板１０１上に、支持体１０９を介して、ミラー体１０３が配設されて構成される。ミラーは、ミラーフレーム１０４と、該ミラーフレーム１０４に揺動可能に支持された可動ミラー１０６とから構成され、可動ミラー１０６の中心には、光透過孔１１１が形成されている。光透過孔１１１を透過した光が、光検出器１１０で検出される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロミラーに関し、具体的には、波長多重数の多い波長多重光信号の大規模チャンネル切り換え（すなわちクロスコネクト）に好適なマイクロミラー素子およびそれを用いた光スイッチに関する。

近年、幹線系の光信号の高速化に伴い、光クロスコネクト装置等の光スイッチ機能においても、毎秒１０Ｇｂｐを越える超高速の光信号を取り扱う必要が生じている。また、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）伝送技術における波長多重数の増加により、光スイッチの規模も莫大なものとなりつつある。

大規模な光スイッチとして、ＭＥＭＳミラーを備えた光スイッチの開発が進められている（例えば、特許文献１や非特許文献１参照。）。以下に、かかる構成の光スイッチに用いられるＭＥＭＳミラーについて説明する。

ＭＥＭＳミラー素子では、基板上に配設された一対の電極が、電極間に働く静電気力により、該基板の上方に揺動可能に支持されたミラーの引きつけと引き離しとを行う。それにより、ミラーが揺動して傾斜し、該ミラーの反射面の角度を調整することが可能となる。そして、ミラーの反射面の角度を適宜調整することにより、光の信号経路の切り換えを行うことが可能となる（例えば、特許文献２参照。）。

かかる構成のＭＥＭＳミラー素子は、例えば、基板上に１対の電極をエッチング等により形成するとともに、ミラーと該ミラーを揺動可能に支持するミラーフレームとからなるミラー体を形成する。そして、電極が形成された基板上に、支持体を介して、ミラー体を配置する。

上記のようなＭＥＭＳミラー素子を備えた光スイッチでは、安定な動作を実現するために、光スイッチの入力光と出力光とを用いてフィードバック制御を行う必要がある。また、スイッチ内部の故障を判断するために、入力光と出力光との比較を行う必要がある。したがって、光スイッチでは、光の入力部と出力部に、それぞれ光検出器を配設する必要がある。

図１５は、ＭＥＭＳミラー素子を備えた従来の光スイッチの構成を示す模式図である。
図１５に示すように、複数のＭＥＭＳミラー１５００がマトリクス状に配列されて集積された構成を有する入力側および出力側ＭＥＭＳミラーアレイ１５０５，１５０６を備えた光スイッチでは、入力側光ファイバアレイ１５０３に入力される光（入力光）１５１１が入力側光検出器１５０１によって検出され、また、出力側光ファイバアレイ１５０４から出力される光（出力光）１５１２が出力側光検出器１５０２によって検出される。そして、制御装置１５０７が、入力側および出力側光検出器１５０１，１５０２で検出された入力光および出力光から取得される光検出信号１５１３，１５１４の比較を行い、その結果から、光スイッチの故障検出が行われる。また、出力光検出信号１５１４に基づいて、光スイッチのフィードバック制御が行われる。入力側および出力側光検出器１５０１，１５０２は、例えば、光カプラと光モニタとを集積化したものが用いられる。

上記構成の光スイッチでは、光スイッチの入力側と出力側とにそれぞれ光検出器１５０１，１５０２を配設するため、スイッチの構造が複雑になり、よって、非常にコストがかかる。そこで、その解決法として、図１６に示すように、ミラーの表面に光検出器を集積化した構成がある（例えば、特許文献３参照）。

図１６に示すＭＥＭＳミラー素子は、支持体（図示せず）を介して基板（図示せず）の上方にミラー体１６００が配置されている。ミラー体１６００では、ミラー基板（図示せず）の表面に光検出層１６０３が形成され、さらにこの光検出層１６０３の表面に、ミラーの表面（反射面）を構成する反射層１６０４が形成されて可動ミラー１６０１が構成されている。可動ミラー１６０１は、拗りバネ１６０５を介して、第１ミラーフレーム１６０２に揺動可能に支持されており、また、この第１ミラーフレーム１６０２が、拗りバネ１６０５を介して、さらに第２ミラーフレーム１６０６に揺動可能に支持されている。

かかる構成のＭＥＭＳミラー素子では、可動ミラー１６０１の光検出層１６０３において、入力光に応じて光電流が検出される。それにより、ＭＥＭＳミラー素子に入射する光の検出信号が取得される。このＭＥＭＳミラー素子では、可動ミラー１６０１と光検出層１６０３とが一体化して形成されているため、図１５のように光検出器を別途設ける必要がない。

国際公開第００／０２０８９９号パンフレット 米国特許第６０４４７０５号明細書 特開２００３−２０２４１８号公報 「フリー プロビジョンド 112×112 マイクロ−メカニカル オプティカルクロスコネクト ウィズ 35.8Tb／s デモンストレーティド ケパシティ」オプティカル ファイバ コミュニケーション カンファレンス（OFC 2000） ポストデッドライン ペーパ PD-12 2000年3月（Fully provisioned 112×112 micro-mechanical opticalcrossconnect with 35.8Tb／s demonstrated capacity）、Optical Fiber Communications Conference（OFC 2000）、Postdeadline paper PD-12、March 2000

可動ミラー１６０１と光検出層１６０３とが一体化して設けられた図１６に示す構成のＭＥＭＳミラー素子では、素子作製時において、可動ミラー１６０１の歩留まりと光検出層１６０３の歩留まりとが、相乗的にＭＥＭＳミラー素子の歩留まりに影響する。このため、かかる構成では、ＭＥＭＳミラー素子全体の歩留まりが低下し、その結果、コスト低減化が困難となる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、光検出機能を備えた低コストのマイクロミラー素子および光スイッチを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるマイクロミラー素子は、支持体を介して基板の上に配置され枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、前記基板上に設けられ前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる光スイッチは、光が入力される入力側光ファイバアレイと、前記入力側光ファイバアレイから出力された光を反射する入力側ミラーアレイと、前記入力側ミラーアレイから出力された光を反射する出力側ミラーアレイと、前記出力側ミラーアレイから出力された光を出力する出力側ファイバアレイと、を備え、前記入力側ミラーアレイおよび前記出力側ミラーアレイの少なくとも一方が、支持体を介して基板の上に配置され枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、前記基板上に設けられ前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、を備えたマイクロミラー素子から構成されることを特徴とする。

本発明にかかるマイクロミラー素子では、素子内に光検出手段が設けられているため、光検出手段をマイクロミラー素子と別途で設ける必要がない。また、ミラー体と光検出手段とがそれぞれ別体で設けられているため、マイクロミラー素子の作製時には、ミラー体の歩留まりと光検出手段の歩留まりとが相乗的にマイクロミラー素子の歩留まりに影響することはなく、よって、マイクロミラー素子の歩留まりの向上が図られる。

以上のことから、本発明にかかるマイクロミラー素子によれば、コストの低減化が図られたマイクロミラー素子を実現することが可能となる。また、このようなマイクロミラー素子から構成された本発明にかかる光スイッチによれば、クロスコネクトやＷＤＭ技術に好適であり良好な性能とコストの低減化の両立が図られた光スイッチを実現することが可能となる。

本発明にかかるマイクロミラー素子によれば、光検出機能を備えた低コストのマイクロミラー素子が実現可能であり、また、このマイクロミラー素子を用いることにより、光スイッチのコスト低減を図ることができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかるマイクロミラー素子およびそれを備えた光スイッチの好適な実施の形態を詳細に説明する。このマイクロミラー素子には、ＭＥＭＳ技術が適用されている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な斜視図であり、図２は、図１のI−I’線における模式的な断面図である。

図１および図２に示すように、マイクロミラー素子１００は、１対のミラー駆動電極１０２と光検出器１１０とが配設された配線基板１０１上に、支持体１０９（図２参照）を介して、ミラー体１０３が支持された構成を有する。なお、ここでは図示を省略しているが、配線基板１０１上には、各種配線や回路が配設されている。

図１に示すように、ミラー体１０３は、四角形状の枠体であるミラーフレーム１０４と、四角形状の可動ミラー１０６とから構成され、可動ミラー１０６の対向端にそれぞれ配設されたトーションバー１０５を介して、可動ミラー１０６がミラーフレーム１０４に揺動可能に支持されている。ミラーフレーム１０４は、支持体１０９（図２参照）の端部に取り付けられて固定されている。

また、図２に示すように、可動ミラー１０６は、ミラー基板１０７の表面に、ミラー反射面を構成する反射層１０８が形成されて構成される。ここでは、ミラー基板１０７としてＳｉ基板が用いられており、また、Ａｕ膜によって反射層１０８が構成されている。

なお、図示を省略しているが、可動ミラー１０６では、ミラー駆動電極１０２と対向するミラー基板１０７の背面に、ミラー側電極が配設されている。この電極は、ミラー基板自体で兼ねることも可能である。

可動ミラー１０６の中心部には、ミラー基板１０７と反射層１０８とミラー側電極（図示せず；ミラー基板と兼ねる場合も有り）とを貫通する断面円形状の光透過孔１１１が形成されている。光透過孔１１１の径は、可動ミラー１０６に入射する光の大部分が反射されごく一部のみが光透過孔１１１から透過するように設定されるとともに、後述の光検出器１１０の受光部の大きさや検出特性等に応じて適宜設定されている。ここでは、光透過孔１１１は、可動ミラー１０６の厚さ方向に均一な径で形成されている。

かかる構成の可動ミラー１０６の作製時には、まず、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）等によりＳｉ基板をエッチングして四角形状のミラー基板１０７を形成し、その後、形成されたミラー基板１０７の表面に、中央に円形の開口部を有するマスク（図示せず）を配置する。この時、開口部がミラー基板１０７の中心部に位置するようにマスクを配置する。そして、このマスクを用いてＲＩＥ法等によりエッチングを行い、マスク開口部内のミラー基板１０７を除去する。それにより、円形の光透過孔１１１が、可動ミラー１０６の中心部に形成される。

続いて、蒸着法等により、このミラー基板１０７の表面にＡｕ膜からなる反射層１０８を所定の厚さで形成する。

一方、この光透過孔１１１の下方に位置する配線基板１０１の領域には、光検出器１１０が配設されている。ここでは、光検出器１１０が、フォトダイオード、ＭＳＭ等の受光素子から構成されている。光検出器１１０の受光部の中心は、光透過孔１１１の中心と一致している。前述のように、光透過孔１１１は可動ミラー１０６の中心部に設けられていることから、光検出器１１０の受光部の中心が、可動ミラー１０６の中心と一致する構成が実現される。よって、後述するように、かかる構成では、可動ミラー１０６の中心と該可動ミラー１０６に入射する光の中心とが一致した際に、受光部で検出される光電流が最大となる。

光検出器１１０は、予め別工程で作製したものを配線基板１０１に貼り付けてもよく、また、配線基板１０１に、光検出器１１０を直接作製してもよい。直接作製する場合には、マイクロミラー素子１００の製造工程数を大きく削減することができる。

上記構成のマイクロミラー素子１００では、ミラー駆動電極１０２とミラー側電極（図示せず）の間に電圧が印加されると、電極間に静電気力が生じる。そして、この静電気力により、ミラー駆動電極１０２による可動ミラー１０６の引きつけと引き離しが行われ、図２の矢印ａで示すように、可動ミラー１０６がトーションバー１０５を軸として２軸方向に揺動する。その結果、可動ミラー１０６が所定の角度傾斜し、ミラーの反射面が偏向される。

次に、マイクロミラー素子１００における光の検出方法について説明する。図３は、マイクロミラー素子１００における光検出動作を説明するための模式図である。

図３に示すように、マイクロミラー素子１００の可動ミラー１０６の反射面（すなわち、反射層１０８の表面）に光１２０が入射すると、光１２０の大部分は反射面で反射されるが、一部の光が光透過孔１１１を通じて可動ミラー１０６を透過し（すなわち透過光１２１に相当）、下方に配設された光検出器１１０の受光部に照射される。

光検出器１１０の受光部で受光された光１２１は、光電流として検出され、光電気信号に変換されて光１２０の検出信号として信号処理回路（図示せず）に出力される。図１３および図１４において後述するように、マイクロミラー素子１００によって構成される光スイッチでは、光検出器１１０により取得されたマイクロミラー素子１００の光１２０の検出信号１３１２，１３１３，１４１３，１４１４が制御装置１３０５，１４０４に出力される。そして、制御装置１３０５，１４０４が、この検出信号１３１２，１３１３，１４１３，１４１４に基づいて、フィードバック制御や故障の検出等を実施する。

以上のように、可動ミラー１０６に入射した光の一部が光透過孔１１１を通じて配線基板１０１（図２参照）上に実装された光検出器１１０に照射される本実施の形態のマイクロミラー素子では、素子内に光検出器１１０が配設されているので、光検出器１１０をマイクロミラー素子１００と別体で設ける必要がない。

また、本実施の形態のマイクロミラー素子１００では、図１６に示す従来例のように可動ミラー１０６と光検出器１１０とが一体化しておらず、それぞれが別工程で作製されるので、可動ミラー１０６の歩留まりと光検出器１１０の歩留まりとが相乗的にマイクロミラー素子１００の歩留まりに影響することはない。したがって、マイクロミラー素子１００全体の歩留まりが向上する。以上のことから、本実施の形態のマイクロミラー素子１００では、コストの低減化が図られる。

また、マイクロミラー素子１００では、可動ミラー１０６の中心と光検出器１１０の中心とが一致しているので、可動ミラー１０６の中心に光１２０が照射されると、光検出器１１０で検出される光電流が最大となる。そこで、このことを利用し、光検出器１１０で検出される光電流が最大となるように可動ミラー１０６を揺動させて反射面の角度を調整することにより、可動ミラー１０６の中心に光１２０を照射することが可能となる。このように、マイクロミラー素子１００では、可動ミラー１０６の中心と入射する光１２０のビームスポットとの位合わせを、容易にかつ精度よく行うことが可能となる。

上記においては、光透過孔１１１が可動ミラー１０６の厚さ方向で均一な径を有する場合について説明したが、本実施の形態の変形例として、光透過孔１１１の径が、可動ミラー１０６の厚さ方向で変化する構成、すなわち、光透過孔１１１の側壁が傾斜する構成であってもよい。以下に、かかる構成について説明する。

（変形例）
図４および図５は、実施の形態１の変形例におけるマイクロミラー素子の光透過孔の形状およびその効果を説明するための模式図である。ここでは図示を省略しているが、本例における可動ミラー１０６および光検出器１１０以外の構成は、図１および図２に示す上記構成と同様である。また、ここでは、可動ミラー１０６に照射された光のうち、光透過孔１１１を透過する光束（以下、入射光ビームと呼ぶ）４００についてのみ示しており、ミラー表面で反射される光束については図示を省略している。

図４および図５に示すように、本実施例の可動ミラー１０６に形成された光透過孔１１１は、断面が、反射面側から背面側に向かって徐々に大きくなるテーパ形状を有する。すなわち、ここでは、光透過孔１１１が、円錐台形に形成されている。

次に、かかる形状の光透過孔１１１の効果について説明する。ここでは、本例の効果を、上記のように均一な径の光透過孔１１１が形成された場合（すなわち図中の破線Ａの形状に光透過孔１１１が形成された場合）と比較して説明する。

まず、図４および図５の破線Ａに示すように、可動ミラー１０６の厚さ方向において断面積が変化しない、すなわち、均一な径を有する光透過孔１１１が形成された場合について説明する。この場合には、図４に示すように、可動ミラー１０６が水平に保持されて入射光ビーム４００が可動ミラー１０６に垂直に入射すると、入射光ビーム４００は、光透過孔１１１以外の可動ミラー１０６の領域に遮られることなく孔内を透過して光検出器１１０で検出される。

このように、この場合には、光透過孔１１１の光入口１１１ａの全面を有効に利用して入射光ビーム４００が孔内に入射する。すなわち、入射光ビーム４００の透過に有効な光入口１１１ａの面積が最大である。

一方、図５の破線Ａで示すように、可動ミラー１０６が傾斜配置となり、入射光ビーム４００と可動ミラー１０６との相対配置が変化すると、光透過孔１１１以外の領域に照射された入射光ビーム４００は、可動ミラー１０６によって遮られる。そして、この場合には、光透過孔１１１の光入口１１１ａの全面からではなく、光入口１１１ａの所定部分から入射光ビーム４００が孔内に入射する。このように、この場合には、入射光ビーム４００の透過に有効な光入口１１１ａの面積が、図４の場合に比べて小さくなる。

以上のように、光透過孔１１１が均一な径を有する場合には、可動ミラー１０６が傾斜して入射光ビーム４００との相対配置が変化すると、入射光ビーム４００の透過に有効な光入口１１１ａの面積が変化する。

これに対して、以下の本例では、可動ミラー１０６と入射光ビーム４００との相対配置が変化しても、入射光ビーム４００の透過に有効な光入口１１１ａの面積が変化しない構成が実現される。

すなわち、光透過孔１１１がテーパ形状を有し光入口１１１ａの断面積が光出口よりも狭くなっている本例（実線で図示）では、図４に示すように可動ミラー１０６が入射光ビーム４００に対して垂直に配置された状態においても、また、図５に示すように可動ミラー１０６が入射光ビーム４００に対して傾斜して配置された状態においても、入射光ビーム４００の透過に有効な光入口１１１ａの面積は一定となる。したがって、光検出器１１０における入射光ビーム４００の検出では、可動ミラー１０６および入射光ビーム４００の相対配置の変化による影響を抑制することが可能となる。

なお、上記においては、光透過孔１１１が円錐台形状を有する場合について説明したが、可動ミラー１０６が傾斜しても入射光ビームの透過に有効な光入口１１１ａの面積を一定に保持可能な形状であれば、光透過孔１１１は、円錐台以外の形状であってもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２にかかるマイクロミラー素子の可動ミラーに形成された光透過孔の形状を示す平面図である。ここでは、可動ミラー１０６の光透過孔１１１についてのみ図示しているが、図示を省略したそれ以外の構成については、実施の形態１の構成と同様である。

図６に示すように、本実施の形態のマイクロミラー素子の可動ミラー１０６は、中心部に、十字形状を有する光透過孔１１１が形成されている。光透過孔１１１の中心Ｐは可動ミラー１０６の中心と一致している。このような光透過孔１１１では、孔の中心Ｐから点Ｑの方向および点Ｒの方向に離れるほど開口面積が狭くなっており、該開口面積の変化は、中心Ｐに対して点Ｑおよび点Ｒの各方向で対称となっている。

それゆえ、光透過孔１１１における光の透過率は、図７に示すように、中心Ｐで最大となり、端部の点Ｑおよび点Ｒに向かって減少する分布となる。なお、図７は、縦軸が光透過孔１１１における光の透過率を示しており、横軸が、光透過孔１１１内の点Ｑ、中心Ｐ、および点Ｒの相対位置を示している。

ところで、空間を伝搬する光では、ビーム強度が、ビームの中心から外周に向かって小さくなっており、ガウシアン関数型の分布を有する。したがって、光透過孔１１１における光の透過率分布が、図７のように中心Ｐから端部の点Ｑおよび点Ｒに向けてそれぞれ小さくなる分布であると、可動ミラー１０６（図６参照）に光が入射した際、ビーム強度の最も高いビーム中心が、光透過率の最も高い光透過孔１１１の中心Ｐに一致すると、図８に示すように、光検出器１１０（図２参照）で検出される光電流が最も大きくなる。そして、ビーム中心が光透過孔１１１の中心Ｐから点Ｑ側および点Ｒ側にずれると、検出される光電流が顕著に減少する。なお、図８は、光検出器１１０（図２参照）で検出された光電流の大きさを示しており、横軸が、光透過孔１１１内の点Ｑ、中心Ｐ、および点Ｒの相対位置を示している。

したがって、このようなビーム中心の位置と検出される光電流との関係に鑑み、光検出器１１０（図２参照）で検出される光電流が最大になるように可動ミラー１０６（図６参照）の傾斜を調整することにより、可動ミラー１０６の中心部にビーム中心を合わせることが可能となる。この場合、図８に示すようにビーム中心が可動ミラー１０６の中心からずれた時の光電流の劣化が顕著であることから、実施の形態１の場合よりも、さらに容易にかつ精度よくビーム中心の位置合わせを行うことが可能となる。

また、かかる構成の本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が奏される。

なお、上記においては光透過孔１１１が十字形状を有する場合について説明したが、本実施の形態にかかる光透過孔の形状は、これに限定されるものではなく、中心部から外周に向かって光の透過率が小さくなる構成であれば、これ以外の形状であってもよい。

（実施の形態３）
図９は、本発明の実施の形態３にかかるマイクロミラー素子における光検出動作を説明するための模式図である。図９では、可動ミラー１０６と光検出器１１０のみを図示しているが、図示を省略したこれ以外の構成は、実施の形態１の構成と同様である。

図９に示すように、本実施の形態のマイクロミラー素子では、可動ミラー１０６が、照射された光９００の大部分を反射するが一部を透過可能である構成、すなわちハーフミラーに構成されている。このようなハーフミラーの可動ミラー１０６は、ミラー基板１０７、反射層１０８、およびミラー側電極（図示せず）の厚さを調整することにより実現される。

ここでは、ミラー基板１０７を構成するＳｉ基板が、光通信に用いられる１．３〜１．５μｍ帯の光を透過可能であり、また、ミラー側電極（図示せず）を透明な電極材料によって構成しているので、反射層１０８を構成するＡｕ膜の厚さを調整することにより、ハーフミラー化を実現できる。ハーフミラー化のためのＡｕ膜の厚さは、実施の形態の１の光透過孔１１１の径と同様、反射光と透過光９０１との適切な比率、光検出器１１０の大きさや検出特性等によって適宜設定される。

かかる構成のマイクロミラー素子では、可動ミラー１０６に照射された光９００の大部分がミラー表面で反射され、一部の光が可動ミラー１０６の反射層１０８、ミラー基板１０７、およびミラー側電極（図示せず）を順次透過して光検出器１１０の受光部に照射される（すなわち透過光９０１に相当）。したがって、本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果が奏される。

さらに、本実施の形態では、反射層１０８を構成するＡｕ膜の厚さを調整することにより、実施の形態１のようにエッチングを行うことなく光の透過部を形成することができるので、製造が容易である。

なお、本実施の形態は、ミラー基板１０７がＳｉ基板以外の材料から構成される場合、および、反射層１０８がＡｕ膜以外の金属薄膜から形成される場合においても適用可能である。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な断面図である。図１０に示すように、本実施の形態のマイクロミラー素子１００は、ミラー体１０３と光検出器１１０との間に集光手段としてレンズ１００１が配設された点が、実施の形態１と異なる。それ以外の構成は、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

本実施の形態では、レンズ支持体１００２に支持された凸状のレンズ１００１が、可動ミラー１０６と光検出器１１０との間に配置されている。ここでは、板状のレンズ支持体１００２にレンズ１００１が埋め込まれて一体化されており、レンズ支持体１００２の縁部が支持体１０９によって支持されている。レンズ１００１は、光透過孔１１１を透過して該レンズ１００１に入射した光を、光検出器１１０の受光部に集光可能に配置されている。

かかる構成の本実施の形態では、可動ミラー１０６に入射した光１０１０のうち、光透過孔１１１を透過してレンズ１００１に入射した光（すなわち透過光１０１１）を、光検出器１１０の受光部に集光させることが可能となる。このため、透過光１０１１を、光検出器１１０の受光部に選択的に照射することが可能となる。よって、可動ミラー１０６の透過光１０１１を、光検出器１１０での光検出に有効に供することが可能となる。したがって、実施の形態１と同様の効果が奏されるとともに、検出精度の向上および光検出器１１０の小型化が図られる。

なお、上記においては、可動ミラー１０６等の基本構成が、実施の形態１の構成を有する場合について説明したが、レンズ１００１の配置を特徴的構成とする本実施の形態は、実施の形態１以外の構成にも適用可能である。

（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５にかかるマイクロミラー素子の光検出器の受光部の構成を示す模式図である。図１１では、光検出器１１０の受光部のみを図示しているが、図示を省略したそれ以外の構成は、実施の形態１から実施の形態４のいずれも適用可能である。

本実施の形態では、光検出器１１０の受光部が、４つの領域１１００に分割されている。そして、光透過孔１１１（図２参照）を透過した光が光検出器１１０の受光部の各領域１１００に照射されると、各領域１１００でそれぞれ光が受光されて光電流がそれぞれ検出される。

ここで、光検出器１１０の受光部の各領域１１００に照射される光量は、光ビームスポット１１０１の位置変化に伴って変化する。例えば、光ビームスポット１１０１の中心が受光部の中心と一致している場合には、受光部の各領域１１００に照射される光量が均等となり、よって、各領域１１００で検出される光電流が等しくなる。これに対して、光ビームスポット１１０１の位置が、いずれかの領域１１００に偏っていると、各領域１１００に照射される光量が均等とはならず、よって、各領域１１００で検出される光電流も異なってくる。

このような光検出器１１０の受光部における光ビームスポット１０１１の位置と各領域１１００で検出される光電流との関係に鑑み、本実施の形態では、光検出器１１０の受光部の各領域１１００で検出された光電流を比較することにより、光検出器１１０の受光部における光ビームスポット１１０１の位置を検出することが可能となる。それにより、可動ミラー１０６（図２参照）に照射された光のビームスポットの位置を検出することが可能となり、その結果、可動ミラー１０６の中心に光が照射されるように可動ミラー１０６の角度を調整することが可能となる。

したがって、本実施の形態の構成によれば、実施の形態１から実施の形態４で前述した効果の他に、さらに、可動ミラー１０６に照射される光のビームスポットの位置を検出することが可能となる。

なお、上記においては、光検出器１１０の受光部が４つの領域１１００に分割される場合について説明したが、受光部の分割数はこれに限定されるものではない。

（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な断面図である。

図１２に示すように、本実施の形態のマイクロミラー素子１００は、配線基板１０１に光検出器１１０が実装されている。そして、接続用バンプ１２０１を介して、配線基板１０１上に、ミラー体１０３が配設されている。

ミラー体１０３は、実施の形態１の場合と同様、接続用バンプ１２０１に支持されたミラーフレーム１０４と、トーションバー（図示せず）によってミラーフレーム１０４に揺動可能に支持された可動ミラー１０６とから構成される。可動ミラー１０６は、実施の形態１と同様の構成を有するが、ミラー基板１０７の裏面にミラー側電極が形成されていない点が、実施の形態１とは異なっている。

本実施の形態では、ミラーフレーム１０４の内周側に、１対の櫛歯電極１２０２ａが対向して配設されている。また、可動ミラー１０６の外周に、ミラーフレーム１０４の櫛歯電極１２０２ａと噛み合うように構成された１対の櫛歯電極１２０２ｂが、対向して配設されている。なお、櫛歯電極１２０２ａ，１２０２ｂは、特開２００２−３２８３１６号公報の図５に開示された構成と同様である。

かかる構成のミラー体１０３では、ミラーフレーム１０４の櫛歯電極１２０２ａおよび可動ミラー１０６の櫛歯電極１２０２ｂにそれぞれ印加電圧が与えられる。それにより、電極間に静電気力が生じ、この静電気力によって、可動ミラー１０６が揺動する。その結果、可動ミラー１０６の反射面の角度が２軸方向に調整される。

本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果が奏される。さらに、本実施の形態のマイクロミラー素子１００の構成は、配線基板１０１に、直接、光検出器１１０を作製するのに適しており、例えば、光検出器１１０がフォトダイオードで構成される場合には、配線基板１０１上に、半導体層を直接成長させてフォトダイオードを作製することができる。このように、配線基板１０１に光検出器１１０を直接作製することにより、マイクロミラー素子の作製時の製造工程数を削減することができ、よって、よりコストの低減化が図られる。

なお、上記においては、可動ミラー１０６の基本構成が実施の形態１と同様である場合について説明したが、本実施の形態の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、可動ミラー１０６が実施の形態２および実施の形態３と同様の基本構成を有してもよい。また、実施の形態４のように、可動ミラー１０６と光検出器１１０との間にレンズが配置されてもよく、また、実施の形態５のように、光検出器１１０の受光部が分割された構成であってもよい。

以下においては、上記の実施の形態１から実施の形態６にかかるマイクロミラー素子を備えた光スイッチについて説明する。光スイッチを構成するマイクロミラー素子は、実施の形態１から実施の形態６のいずれであってもよい。

（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７にかかる光スイッチの構成を示す模式的なブロック図である。

図１３に示すように、本実施の形態の光スイッチは、複数の光ファイバ１３００ａが配列されて該光ファイバ１３００ａの一端が光の入力ポート１３００ｂを構成する入力側ファイバアレイ１３０１と、上記構成のマイクロミラー素子１００がマトリクス状に複数配列されて集積された入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４と、複数の光ファイバ１３００ａが配列されて該光ファイバ１３００ａの一端が光の出力ポート１３００ｃを構成する出力側ファイバアレイ１３０２と、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４を構成する各マイクロミラー素子１００の光検出器１１０で検出された光検出信号が伝達されて各種制御を行う制御装置１３０５と、を備えている。

入力側ミラーアレイ１３０３と出力側ミラーアレイ１３０４とは、各々のマイクロミラー素子１００の可動ミラー１０６の反射面が対向するように配置されている。そして、入力側ファイバアレイ１３０１と出力側ファイバアレイ１３０２とは、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１０４を挟んで対向配置されている。

なお、図１３は、本実施の形態の光スイッチの特徴的構成および動作を説明するための図であり、それに関与する部分のみを抜粋して示している。したがって、光スイッチの構成要素は、図示したものに限定されるものではない。例えば、ここでは図示を省略しているが、光スイッチは、従来の光スイッチと同様に、コリメータレンズアレイ等を備えている。

また、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４におけるマイクロミラー素子１００の数や配置、ならびに、入力側ファイバアレイ１３０１および出力側ファイバアレイ１３０２における光ファイバ１３００ａの数や配置は、図示した構成に限定されるものではない。入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４では、マイクロミラー素子１００が複数行複数列にわたってマトリクス状に配列されてもよく、また、縦または横に１列で配列されてもよい。また、例えば、入力側ファイバアレイ１３０１および出力側ファイバアレイ１３０２が、光ファイバ１３００ａが複数行複数列にわたって配列された構成を有していてもよい。

かかる構成の光スイッチでは、入力光１３１０が、入力側ファイバアレイ１３０１を経て、入力側ミラーアレイ１３０３に入射する。そして、例えば図２に示すように、入力側ミラーアレイ１３０３を構成するマイクロミラー素子１００の可動ミラー１０６の表面で反射されて偏向される。この時、可動ミラー１０６に入射した光１２０の一部の光が可動ミラー１０６を透過し（すなわち透過光１２１に相当）、可動ミラー１０６の下方に配設された光検出器１１０の受光部で受光される。このようにして受光された透過光１２１は光電気変換され、入力光検出信号１３１２として制御装置１３０５に出力される。

一方、入力側ミラーアレイ１３０３によって偏向された光は、続いて、出力側ミラーアレイ１３０４に入射する。そして、入力側ミラーアレイ１３０３の場合と同様、例えば図２に示すように、出力側ミラーアレイ１３０４を構成するマイクロミラー素子１００の可動ミラー１０６の表面で反射されて偏向され、出力側ファイバアレイ１３０２に誘導される。そして、出力側ファイバアレイ１３０２から出力光１３１１として出力される。

図２に示すように、出力側ミラーアレイ１３０４では、可動ミラー１０６に入射した光１２０の一部の光が可動ミラー１０６を透過し（すなわち透過光１２１に相当）、可動ミラー１０６の下方に配設された光検出器１１０の受光部で受光される。このようにして受光された透過光１２１は光電気変換され、出力光検出信号１３１３として制御装置１３０５に出力される。

制御装置１３０５では、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４の各マイクロミラー素子１００の光検出器１１０からそれぞれ出力された入力光検出信号１３１２および出力光検出信号１３１３を比較し、その結果に基づいて、フィードバック制御や故障検出等を行う。

例えば、図１１に示す実施の形態５のように、光検出器１１０の受光部が４つの領域１１００に分割されたマイクロミラー素子１００によって入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４が構成されている場合には、光検出器１１０の受光部の各領域１１００で取得された各検出信号に基づいて、制御装置１３０５が、前述のように、可動ミラー１０６の表面に照射された光のビームスポットの位置を検出する。

そして、制御装置１３０５は、検出された光のビームスポットの位置が、可動ミラー１０６の中心からずれていると認識すると、光のビームスポットが可動ミラー１０６の中心と一致するように、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４の各マイクロミラー素子１００の可動ミラー１０６の配置（具体的には反射面の角度）を調整してフィードバック制御する。

また、例えば、制御装置１３０５は、入力側ミラーアレイ１３０３のマイクロミラー素子１００の光検出器１１０から出力された入力光の検出信号１３１２と、出力側ミラーアレイ１３０４のマイクロミラー素子１００の光検出器１１０から出力された出力光の検出信号１３１３とを比較し、出力光の検出信号１３１３の強度が入力光の検出信号１３１２に比べて著しく小さい場合には、光スイッチの内部に故障が生じたものと認識する。それにより、光スイッチ内部の故障が検出される。

以上のように、かかる構成の本実施の形態の光スイッチでは、入力側ミラーアレイ１３０３および出力側ミラーアレイ１３０４を構成するマイクロミラー素子１００が光検出器１１０を備えるため、光スイッチの入力光を、入力側ミラーアレイ１３０３の光検出器１１０によって検出することができ、また、光スイッチの出力光を、出力側ミラーアレイ１３０４の光検出器１１０によって検出することができる。それゆえ、図１５に示す従来の光スイッチのように入力光および出力光の検出器を別途設ける必要がない。したがって、コストの低減化が図られた光スイッチを実現することができる。

また、マイクロミラー素子１００では、光検出器１１０と可動ミラー１０６とが別工程で作製されるので、マイクロミラー素子１００の歩留まりは、図１６に示す従来のマイクロミラー素子のように光検出器１１０および可動ミラー１０６の歩留まりの積とはならない。したがって、マイクロミラー素子１００の歩留まりが向上し、その結果、コストの低減化が図られた光スイッチを実現することができる。

（実施の形態８）
図１４は、本発明の実施の形態８にかかる光スイッチの構成を示す模式図である。

図１４に示すように、本実施の形態の光スイッチは、複数の光ファイバ１４００が配列され該光ファイバ１４００の一端が光の入力ポート１４００ａを構成する入力側ファイバアレイ１４０１ａと、複数の光ファイバ１４００が配列されて該光ファイバ１４００の一端が光の出力ポート１４００ｂを構成する出力側ファイバアレイ１４０１ｂと、上記実施の形態１から実施の形態６のいずれかの構成を有するマイクロミラー素子１００がマトリクス状に複数配列されて構成されたミラーアレイ１４０２と、ミラーアレイ１４０２の上方に配置された三角柱形状のコーナーミラー１４０７と、ミラーアレイ１４０２のマイクロミラー素子１００の光検出器（図示せず）で検出された光検出信号が伝達されて各種制御を行う制御装置１４０４と、を備えている。

入力側ファイバアレイ１４０１ａと出力側ファイバアレイ１４０１ｂとが、隣接して配置されてファイバブロック１４０１を構成している。このように、本実施の形態では、光の入力と光の出力とがミラーアレイ１４０２に対して同一側で行われる。

また、本実施の形態のミラーアレイ１４０２では、入力側ファイバアレイ１４０１ａの側に配置されたマイクロミラー素子１００が入力側ミラーアレイ１４０２ａを構成し、出力側ファイバアレイ１４０１ｂの側に配置されたマイクロミラー素子１００が出力側ミラーアレイ１４０２ｂを構成する。このように、ミラーアレイ１４０２は、入力側ミラーアレイ１４０２ａと出力側ミラーアレイ１４０２ｂとが、同一平面に配置された構成を有する。マイクロミラー素子１００の詳細な構成については、図示を省略している。

なお、図１４は、本実施の形態の光スイッチの特徴的構成および動作を説明するための図であり、それに関与する部分のみを抜粋して示している。したがって、光スイッチの構成要素は図示したものに限定されるものではない。例えば、ここでは図示を省略しているが、光スイッチは、従来の光スイッチと同様にコリメータレンズアレイ等を備えており、また、コーナーミラーの支持体等を備えている。

また、入力側ミラーアレイ１４０２ａおよび出力側ミラーアレイ１４０２ｂにおけるマイクロミラー素子１００の数や配置、ならびに、入力側ファイバアレイ１４０１ａおよび出力側ファイバアレイ１４０１ｂにおける光ファイバ１４００の数や配置は、実施の形態７において前述したように、図示した構成に限定されるものではない。

かかる構成の本実施の形態においては、入力光１４１１が入力側ファイバアレイ１４０１ａから入射し、ミラーアレイ１４０２の入力側ミラーアレイ１４０２ａによって反射される。この光は、コーナーミラー１４０７の各面において適宜反射されて出力側ミラーアレイ１４０２ｂに誘導される。そして、出力側ミラーアレイ１４０２ｂでさらに反射されて出力側ファイバアレイ１４０１ｂに誘導され、出力光１４１２として出力される。

そして、実施の形態７の場合と同様、図２に示すように、入力側ミラーアレイ１４０２ａでは、可動ミラー１０６に入射した光１２０の一部の光が可動ミラー１０６を透過し（すなわち透過光１２１に相当）、可動ミラー１０６の下方に配設された光検出器１１０の受光部で受光される。このようにして受光された透過光１２１は光電気変換され、入力光検出信号１４１３として制御装置１４０４に出力される。また、出力側ミラーアレイ１４０２ｂにおいても、同様にして出力光検出信号１４１４が取得されて制御装置１４０４に出力される。

制御装置１４０４では、入力側ミラーアレイ１４０２ａおよび出力側ミラーアレイ１４０２ｂの各マイクロミラー素子１００の光検出器１１０からそれぞれ出力された入力光検出信号１４１３および出力光検出信号１４１４を比較し、その結果に基づいて、フィードバック制御や故障検出等を行う。

このような本実施の形態においても、実施の形態６において前述した効果と同様の効果が奏される。

（付記１）支持体を介して基板の上に配置され、枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し、前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、
前記基板上に設けられ、前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、
を備えたことを特徴とするマイクロミラー素子。

（付記２）前記可動ミラーは光透過孔を有し、前記光透過孔を介して入射光の一部が前記可動ミラーを透過することを特徴とする付記１に記載のマイクロミラー素子。

（付記３）前記可動ミラーの中心に前記光透過孔が形成されたことを特徴とする付記２に記載のマイクロミラー素子。

（付記４）前記光透過孔は、中心における光の透過率が最も高く、該中心から離れるにしたがって光の透過率が低下することを特徴とする付記３に記載のマイクロミラー素子。

（付記５）前記光透過孔は、前記可動ミラーと該可動ミラーに入射する光との相対配置が変化しても、前記光透過孔への光の入射に利用される光透過孔入口の入射有効面積を一定に保持することが可能な形状を有することを特徴とする付記２〜４のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記６）前記光透過孔は、前記光透過孔入口から光透過孔出口に向かって断面積が大きくなるテーパ形状を有する付記５に記載のマイクロミラー素子。

（付記７）前記可動ミラーは、入射光の一部を透過させ、残りを反射させることが可能なハーフミラーであることを特徴とする付記１に記載のマイクロミラー素子。

（付記８）前記可動ミラーと前記光検出手段との間に、集光手段が設けられたことを特徴とする付記２〜７のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記９）前記光検出手段の光検出部が、複数に分割されたことを特徴とする付記１〜８のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記１０）前記光検出手段が前記基板に直接作製されたことを特徴とする付記１〜９のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記１１）前記光検出手段がフォトダイオードであることを特徴とする付記１〜１０のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記１２）前記可動ミラーが第１の電極を備えるとともに、前記枠部が第２の電極を備え、前記第１の電極および前記第２の電極への電圧印加により電極間に生じる静電気力によって前記可動ミラーが揺動することを特徴とする付記１〜１１のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。

（付記１３）光が入力される入力側光ファイバアレイと、前記入力側光ファイバアレイから出力された光を反射する入力側ミラーアレイと、前記入力側ミラーアレイから出力された光を反射する出力側ミラーアレイと、前記出力側ミラーアレイから出力された光を出力する出力側ファイバアレイと、を備え、
前記入力側ミラーアレイおよび前記出力側ミラーアレイの少なくとも一方が、
支持体を介して基板の上に配置され枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、前記基板上に設けられ前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、を備えたマイクロミラー素子から構成されることを特徴とする光スイッチ。

（付記１４）制御手段をさらに備え、前記マイクロミラー素子から構成された前記入力側ミラーアレイおよび／または前記出力側ミラーアレイにおいて、前記マイクロミラー素子の前記光検出手段で検出された入力光検出信号および／または出力光検出信号が前記制御手段に出力され、前記入力光検出信号および／または前記出力光検出信号に基づいて、前記制御手段がフィードバック制御を行うことを特徴とする付記１３に記載の光スイッチ。

以上のように、本発明にかかるマイクロミラー素子および光スイッチは、コストの低減化が図られたマイクロミラー素子および光スイッチとして有用であり、特に、クロスコネクトやＷＤＭ技術等に好適な大規模光スイッチに適している。

本発明の実施の形態１にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な斜視図である。 図１のI−I’線における断面図である。 図１のマイクロミラー素子における光検出動作を説明するための模式図である。 実施の形態１の変形例における光透過孔の形状およびその効果を説明するための模式図である。 実施の形態１の変形例における光透過孔の形状およびその効果を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２にかかるマイクロミラー素子の可動ミラーに形成された光透過孔の形状を示す平面図である。 光透過孔における光の透過率分布を示す図である。 光透過孔を透過して光検出器で受光された光の光電流分布を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかるマイクロミラー素子における光検出動作を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態４にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態５にかかるマイクロミラー素子の光検出器の受光部の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態６にかかるマイクロミラー素子の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態７にかかる光スイッチの構成を示す模式的なブロック図である。 本発明の実施の形態８にかかる光スイッチの構成を示す模式図である。 従来の光スイッチの構成を示す模式的なブロック図である。 従来の光スイッチの他の構成を示す模式図である。

符号の説明

１００ マイクロミラー素子
１０１ 配線基板
１０２ ミラー駆動電極
１０３ ミラー体
１０４ ミラーフレーム
１０５ トーションバー
１０６ 可動ミラー
１０７ ミラー基板
１０８ 反射層
１０９ 支持体
１１０ 光検出器
１１１ 光透過孔
１００１ レンズ
１００２ レンズ支持体
１２０１ 接続用バンプ
１２０２ａ，１２０２ｂ 櫛歯電極
１３０１ 入力側ファイバアレイ
１３０２ 出力側ファイバアレイ
１３０３ 入力側ミラーアレイ
１３０４ 出力側ミラーアレイ
１３０５ 制御装置
１４０１ ファイバブロック
１４０１ａ 入力側ファイバアレイ
１４０１ｂ 出力側ファイバアレイ
１４０２ ミラーアレイ
１４０２ａ 入力側ミラーアレイ
１４０２ｂ 出力側ミラーアレイ
１４０４ 制御装置
１４０７ コーナーミラー

Claims (5)

1. 支持体を介して基板の上に配置され、枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し、前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、
   前記基板上に設けられ、前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、
   を備えることを特徴とするマイクロミラー素子。
2. 前記可動ミラーは光透過孔を有し、前記光透過孔を介して前記光の一部が前記可動ミラーを透過することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー素子。
3. 前記可動ミラーは、入射光の一部を透過させ、残りを反射させることが可能なハーフミラーであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミラー素子。
4. 前記光検出手段の光検出部が、複数に分割されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマイクロミラー素子。
5. 光が入力される入力側光ファイバアレイと、前記入力側光ファイバアレイから出力された光を反射する入力側ミラーアレイと、前記入力側ミラーアレイから出力された光を反射する出力側ミラーアレイと、前記出力側ミラーアレイから出力された光を出力する出力側ファイバアレイと、を備え、
   前記入力側ミラーアレイおよび前記出力側ミラーアレイの少なくとも一方が、
   支持体を介して基板の上に配置され枠部と前記枠部に揺動可能に支持された可動ミラーとを有し前記可動ミラーが入射光の一部を透過可能に構成されたミラー体と、前記基板上に設けられ前記可動ミラーを透過した光を検出する光検出手段と、を備えたマイクロミラー素子から構成されることを特徴とする光スイッチ。
   

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