JPH03215812A - マトリクス光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、マトリクス状に配列された光路のおのおのの
途中に設置したミラーで光を反射させ、光路を切り替え
ることにより、自由にかつ低損失に接続・切替できる多
端子マトリクス光スイッチに関するものである。

（従来の技術） 第４図は、文献ｒＮＯＮＢＬＯｃＫＩＮＧ　８　ｘ　８
　０ＰＴＩＣＡＬＭＡＴＲＩＸ　ＳＷＩＴＣＨ　ＦＯＲ
　ＦＩＢＥＲ−ＯＰＴＩＣ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯ
Ｎ，ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　ＶＯ
Ｌ．１６，ＮＯ．ｌＬ，　ｐｐ．４２２−４２３（１９
８０）Ｊなどにみられるような、従来のこの種の７１・
リクス光スイッチの基本構成を示した平面図である。第
４図に示す光スイッチは、光ファイバ１−１．１−２の
端部とレンズ２−１．１−２の相対位置を固定して、ビ
ームコリメータ３−１，３−２を作り、その光路の途中
にマトリクス状に配設したミラー４を介して、レンズ２
−１．　　２２が対向するように設置して、ミラー４を
ソレノイドアクチュエー夕で紙面に垂直に上／下動させ
ることによって、光ビーム５を反射／通過させ、光ビー
ム５を任意の光ファイバ１−１．１−２に接続・切替す
るように構成したマトリクス光スイッチである。

（発明が解決しようとする課題） しかし、第４図の構成によるマトリクス光スイッチには
、以下の課題があり、低損失化、小型高密度化、かつ多
端子化が難しかった。すなわち（１）損失は、ビームコ
リメータ３−１を構成する光ファイバ１−１とレンズ２
−１の各軸間の軸ずれ・角度ずれ、ビームコリメータ３
−１とビームコリメータ３−２との軸ずれ・角度ずれ、
およびミラー４自体の製作精度（角度など）とミラー４
の設置精度（角度など）などで決定される。現状の機構
・部品の製作技術では、光ビーム入射角度誤差を可成り
吸収できる五角プリズムを用いても、損失が大きくなる
問題がある。たとえば、ビームコリメータ３−１．３−
２を構成する光ファイバ１−１　（１−２）とレンズｌ
−１　（１−２）の各軸間の軸ずれ２μｍ１レンズ２−
１．２−２間の一３ 角度ずれ１０−３ラジアン、およびミラー４の角度誤差
２Ｘ１０−”ラジアンという機構・部品精度で、スポッ
トサイズ５μｍの単一モードファイバと焦点距離１．５
ｍｍのレンズを用いて平行ビーム系を構成する場合、光
ファイバ１−１．１−２間の損失は、回折損失ＯｄＢの
条件で計算すると、約１０ｄＢと大きくなる場合が出て
くる。損失を低減するため、軸ずれ・角度ずれをすべて
の行または列について人手で最適に調整することは極め
て困難であり、結局、損失が大きくなる場合が相当数出
てくる問題がある。

（２）回折損失ＯｄＢとなる最大光路長はレンズの焦点
距離で決定されること、また、光ビーム５は、ビームウ
エストを越えると、回折により光路長とともに立体的に
広がって行くことのため、光路長が受光レンズ径や損失
から制限され、多端子化には限度がある。たとえば上記
（１）の計算例の場合、レンズとして球レンズを用い、
行間または列間のピッチがレンズ径で決まるとした場合
、約１０ｄＢの損失を許容しても、マトリクス光スイッ
チの端子＝４ 数が１０×ＩＯに制限される問題がある。

（３）マトリクス状に設置する光学部品や機構部品を、
小型かつ高精度に製作するには限度があり、光スイッチ
を小型高密度化できない問題がある。

特に、長期的に損失再現性を確保するため機構部品の摩
擦による劣化を小さくするように製作する場合、寸法が
大きくなる問題がある。また、ミラー４を移動させるた
め、各切替・接続点ごとにソレノイドアクチュエータを
用いる場合、行間または列間のピッチを小さくしてソレ
ノイドアクチュエータを高密度配置にすると、磁気が隣
接するソレノイドアクチュエー夕に漏れ、接続・切替に
誤動作を発生し、マトリクス光スイッチの小型高密度化
できない問題がある。

（４）　　ソレノイドアクチュエー夕とミラー４の必要
個数は、ともに、行数と列数の積となり、たとえば端子
数１００　ＸＩＯＯのマトリクス光スイッチでも、必要
部品が各１万個となり、加工精度や組立精度のばらつき
による光損失、および量的に経済性が問題である。これ
に対して、ミラーを行または列５一 ごとに移動させるミラー１軸移動機構を導入して経済化
しようとすると、ミラー１軸移動機構の寸法が大きくな
り、その結果、行間または列間のピッチが大きくなり、
高密度化できなかったり、ミラー設定位置精度がばらつ
き、損失が大きくばらつく場合がでてきたり、切替時間
が少なくともミラー移動時間の分だけ長くなる問題があ
る。

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、大規模マトリクス
で任意の光ファイバ間において、ミラーの反射により切
替・接続でき、低損失で、かつ小型高密度で、かつ多端
子のマトリクス光スイッチを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のマトリクス光スイッチには、格子状に形成した
導波路、導波路の交差部に形成したミラー挿入空間用ギ
ャップ、ミラーを支持する弾性変形梁、弾性変形梁上に
形成した導波路内伝搬光を反射させるミラー、弾性変形
梁上に形成した弾性変形梁を撓ませミラーを微小移動さ
せるアクチュエー夕、およびアクチュエー夕用電極を半
導体プ６− ロセス技術でマトリクス状に形成したマトリクス板と、
導波路交差部で対向しているコア端面間とミラー部に充
満したマッチングオイルと、アクチュエータ駆動装置と
を備えた。

（作　用） 光は空間伝搬から導波路伝搬となり、導波路交差部に設
けるミラー挿入空間用ギャップを除いて、常に導波路内
に閉じ込められ、光路長の制限が大幅に緩和され、光ス
イッチを多端子化できる。また、マッチングオイルによ
りフレネル損失がなく、導波路部で軸ずれ・角度ずれが
なく、かつ導波路の光軸に対するミラー角度を高精度に
設定でき、損失が小さい。また、導波路交差部にミラー
、ミラー支持用弾性変形梁、およびアクチュエー夕を小
型高密度に作製できる。また、ミラーは、機械的に摺動
することなく、弾性変形梁の撓みによってコア端面間に
移動し、ミラーの設定位置精度が劣化せず、接続・切替
による損失のばらつきが長期的に少ない。

（実施例） 第１図は、本発明のマトリクス光スイ・ソチのスイッチ
ング部の一実施例の断面図である。第１図において、Ｓ
ｉ基板６上に作られた導波路７　Ｃｉ、ミラー挿入空間
用ギャップ８（たとえば、幅１０μｍ）を挟んで、コア
９−１．９−２の軸が一致するように対向している。ミ
ラー４がミラー挿入空間用ギャップ８内に移動できるよ
うに、かつコア９−１．９−２の軸とミラー４の面が４
５度をなすように、Ｓｉ基板６、ミラー４　（たとえば
、厚さ４μｍ）と弾性変形粱１０（たとえば、１４００
μｍＸ２００μｍ×５μｍ）を形成している。弾性変形
粱１０の」二番こＣよ、Ａβ（たとえば、厚さ０．５μ
ｍ）を蒸着Ｌ，Ａ１層１１−１の上に（ユニモルフ）圧
電素子となるＺｎＯをスパッタリングで付け、ＺｎＯ層
１２（たとえ（よ、厚さ１０μｍ）の上にＡｎを蒸着し
てΔβ層１１−２を形成する。二つのＡＡの層１１−１
．　１１−２４よ、圧電素子ＺｎＯ層ｌ２の電極となる
。また、少なくとも、コア９−１．９−２の間とミラー
４部は、屈折率かコア９−１．９−２と同等のシリコー
ンオイノレ１３で満たし、フレネル損失が発生しないよ
うにしている。圧電素子ＺｎＯ層ｌ２の駆動調節装置１
４は、Ａｌ層１１−１．　１１−２の電極間に印加する
電圧の大きさを調節して弾性変形粱１０の歪量を、すな
わち、ミラー４がミラー挿入空間用ギャップ８内に移動
し、コア９−１または９−２内伝搬光を反射させるに必
要なミラー移動量（たとえば、数十μｍ程度）を調節す
る。ただし、弾性変形粱１０とＺｎＯ層１２およびＡｊ
ｌ’層１１−１．　１１−２の寸法、さらに圧電素子Ｚ
ｎＯ層１２に印加する電圧の大きさは、ミラー移動量に
応じて決める。第２図は、第１図の平面図で、スイッチ
ング部をマトリクス状に形成した場合の説明図である。

第２図において、弾性変形粱１０は、隣接する弾性変形
粱１０と互いに直交するように配設することにより、弾
性変形粱１０を長くして、塑性変形させることなく、ミ
ラー移動量を確保できる構造にしている。また導波路７
に隣接して、ＡＡ層１１Ｌ　１１−２の電極への配線孔
１５を設け、電極と圧電素子ＺｎＯ層１２の駆動調節装
置ｌ４を結線する構造にしている。第３図は、第９− １図の導波路を除いて、Ｓｉ基板を上方からみたときの
ミラー移動機構の平面図である。第３図において、弾性
変形梁１０の両側面は、Ｓｉ基板６を貫通する通し穴Ｉ
６にし、第１図示すマトリクス板１７の表面と裏面は、
ミラー挿入空間用ギャップ８と配線穴１５を介して連通
し、シリコーンオイル１３が自在に移動できる構造にし
ている。これにより、弾性変形梁１０の導波路７側とＳ
ｉ基板６側の圧力差によって、弾性変形梁ｌＯが撓まな
い構造にしている。

次に、上記構成による導波路内伝搬光のスイッチング動
作を説明する。第１図において、圧電素子ＺｎＯ層１２
の駆動調節装置１４によって、電圧をｌ層１１−１．　
１１−２の電極間に印加し圧電素子ＺｎＯ層ｌ２を屈曲
させると、ミラー４を支持している弾性変形梁１０の中
央部が導波路７の下部に接触する直前まで、弾性変形梁
１０が撓み、ミラー４がミラー挿入空間用ギャップ８内
に向かって移動し、ミラー４は導波路７に対して位置決
めされる。このとき、導波路７の交差部において、ミラ
ー挿入空間用ギャップ８部のシリコーンオイル１３を透
過し１０ ていた伝搬光はミラー４で反射し、直交した導波路にス
イッチングされる。逆に、圧電素子ＺｎＯ層１２の駆動
調節装置ｌ４で、電圧印加をやめると、圧電素子ＺｎＯ
層１２の歪（屈曲）がなくなり、したがって、弾性変形
梁１０の撓みが元に戻り、ミラー４はミラー挿入空間用
ギャップ８の外へ向かって移動する。このとき、導波路
交差部において、ミラー４で反射していた伝搬光は、ミ
ラー挿入空間用ギャップ８のシリコーンオイル１３を透
過し、直進するようになり、スイッチングが解除される
。

次に、圧電素子ＺｎＯ層１２などアクチュエータの駆動
力と弾性変形梁１０（　１４００μｍ　Ｘ　２００μｍ
Ｘ５μｍ）の撓みの目安を考える。また、梁の両端が固
定され、かつ梁の中央に０．１ｇの力が加わる条件で、
梁の中央の撓み、すなわちミラー４の移動量を求めると
、約７０μｍとなる。駆動力は、梁の中央の換算で、０
．１ｇ以下で、十分なミラー移動量が得られる。

なお以上の説明では、ユニモルフ圧電素子であるＺｎＯ
層ｌ２で弾性変形梁ｌＯを撓ませた場合を説明−１１ したが、ＺｎＯ層１２を２枚作り、バイモルフ圧電素子
として用いてもよい。一方、バイメタルの原理よって発
熱抵抗で駆動力を得てもよい。

以上のように、導波路交差部のピッチ１ｍｍ以下、切り
換え電圧数十ボルトで切替時間０．　０５ｓ程度、端子
数１００　ＸＩＯＯ程度のマトリクス光スイッチを構成
できる。また、導波路形成技術の進歩などにより、導波
路における損失が低減してきており、端子数１００　Ｘ
ＩＯＯの光スイッチの損失は約３．　５ｄＢ以下となる
。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の７１・リクス光スイッチ
は、光が導波路内に閉じ込められ、光路長の制限が小さ
くなり、多端子化できる。またマッチングオイルにより
フレネル損失がなく、導波路部で軸ずれ・角度ずれがな
く、かつ導波路の光軸に対するミラー角度を高精度に設
定でき、損失が小さい。また導波路交差部にミラー、ミ
ラー支持用弾性変形梁、アクチュエー夕を、半導体製作
プロセス技術（エッチング、接合技術など）により、１
２− 小型高密度に作製できる。またミラーは、機械的に摺動
ずることなくコア端面間に移動し、ミラーの設定位置精
度は劣化せず、接続・切替による損失のばらつきが長期
的に少ない。このように、機械的摺動部がないこと、半
導体製作プロセス技術を駆使してＳｉ基板を複雑な３次
元構造に加工する技術が普及してきていることなどによ
って、上記マトリクス光スイッチは多端子化、低損失化
、小型高密度化が可能であり、また量産性があり、した
がって経済化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマトリクス光スイッチのスイッチング
部の一実施例の断面図、 第２図は第１図の平面図で、スイッチング部をマトリク
ス状に形成した場合の説明図、第３図は第１図の導波路
を除いて、Ｓｉ基板を上方からみたときのミラー移動機
構の平面図、第４図は従来のマトリクス光スイッチの基
本構成を示す平面図である。 １１，ｉ２・・・光ファイバ １　３一 ２−１．２−２・・・レンズ ３−１．３−２・・・ビームコリメータ４・・・ミラー
　　　　　　訃・・ビーム６・・・Ｓｉ基板　　　　　
　７・・・導波路８・・・ミラー挿入空間用ギャップ ９−１．９−２・・・コア　ＩＯ・・・弾性変形梁１１
−１．　１１−２・ＡＩ層　　１２−ＺｎＯ層ｌ３・・
・シリコーンオイル　１４・・・駆動調節装置１５・・
・配線穴　　　　　　１６・・・通し穴１７・・・マト
リクス板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリクス状に配列された光路のおのおのの途中に
   設置したミラーで光を反射させ、光路を切り替える多端
   子マトリクス光スイッチにおいて、 格子状に形成した導波路、導波路の交差部に設けたミラ
   ー挿入空間用ギャップ、ミラーを指示す弾性変形梁、弾
   性変形梁上に形成した導波路内伝搬光を反射させるミラ
   ー、弾性変形梁上に形成した弾性変形梁を撓ませミラー
   を微小移動させるアクチュエータおよびアクチュエータ
   用電極をマトリクス状に形成したマトリクス板と、 導波路交差部で対向しているコア端面間とミラー部に充
   満したマッチングオイルと、 アクチュエータ駆動装置と を備えたことを特徴とするマトリクス光スイッチ。