光デバイス
【課題】迷光の再結合による反射減衰を解消する。
【解決手段】基板７１上に第１及び第２の光ファイバ（光導波手段）７４，７５の端部がその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら光ファイバ７４，７５の端部は基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間（凹部７６）内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされた光デバイスにおいて、光ファイバ７４の端部と光ファイバ７５の端部とを基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置させ、光ファイバ７４，７５の先端にその一方から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面をそれぞれ形成する。
【解決手段】基板７１上に第１及び第２の光ファイバ（光導波手段）７４，７５の端部がその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら光ファイバ７４，７５の端部は基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間（凹部７６）内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされた光デバイスにおいて、光ファイバ７４の端部と光ファイバ７５の端部とを基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置させ、光ファイバ７４，７５の先端にその一方から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面をそれぞれ形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は互いに光結合される複数の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて基板上に配置されてなる構造を有する光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光デバイスは基板として例えばシリコン基板を用い、エッチング等の手法によって所要の要素を基板上に形成し、その基板上に光ファイバなどの光導波手段を設置することによって構成され、特許文献１や特許文献２にはこのようにして構成された光デバイスが記載されている。
特許文献１の図１乃至３に記載されている光デバイスは２×２型の光スイッチであって、光ファイバが設置される４本の溝が十字状をなすように基板上に形成され、それら４本の溝が交差する交差部に可動ロッドの先端に設けられた可動ミラーが位置され、可動ロッドは４本のヒンジによって可動自在に支持されると共に、その中間部分に構成された櫛歯型静電アクチュエータによって駆動されるものとなっており、可動ミラーの交差部への挿抜によって４本の溝にそれぞれ設置された光ファイバ間の光路（光結合）が切り換えられるものとなっている。
【０００３】
一方、特許文献２の図１４及び１５にも特許文献１と同様、２×２型の光スイッチをなす光デバイスが記載されており、基板上に十字状をなすように形成された４本の溝にそれぞれ光ファイバが設置され、それら４本の溝の交差部に可動ミラーが挿抜されることによって光路が切り換えられるものとなっている。
なお、これら特許文献１及び２に記載された光デバイスのいずれにおいても光ファイバの先端には光軸に対して斜めに研磨されてなる傾斜端面が形成されており、これにより光ファイバ端面での光の反射に起因する（反射戻り光による）反射減衰を回避することができるものとなっている。
【０００４】
ここで、反射減衰（リターンロス）とは光ファイバの伝送光量に対する、反射戻り光としてその光ファイバの逆向きの伝送モードに結合した光量の割合を言い、反射の結果、伝送モードに結合しないで外部に漏洩する反射漏洩光は含めない。光ファイバ先端の傾斜端面形成は端面でフレネル反射した光のすべてを反射漏洩光とすることにより反射減衰を回避しようとするものである。
【特許文献１】特開２００５−３７８８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１や特許文献２に記載されている光デバイスではミラーが挿抜される空間は光ファイバ設置用の４本の溝の交差部であり、光ファイバが設置された状態ではこの空間は光ファイバの先端面及び基板板面に対して垂直な基板の側壁面によって囲まれた空間となる。
一方、光ファイバはその光軸が基板板面と平行されて溝に設置されており、先端の傾斜端面は基板板面とは垂直とされている。従って、光ファイバの先端面から出射する出射光の光軸は基板板面と平行な平面内に位置するものとなっている。
【０００６】
このような状態で光ファイバから光が空間に出射された場合、例えば相手方の光ファイバに結合しきれなかった光（結合エラー分の光）や傾斜端面での反射漏洩光は空間を囲む基板板面と垂直な面によって反射されて基板板面と平行な一平面内において多重反射を繰り返すことになり、最終的に出射元の光ファイバに帰還、再結合して反射減衰の悪化（反射減衰量の増大）を招くことになる。
特に、特許文献１や特許文献２に記載されている光デバイスのように、光が伝播する空間内に基板板面に垂直なミラー面が存在する場合には、その反射率の高さから、このような迷光（結合エラー分の光や反射漏洩光）による反射減衰の悪化は重大な問題となる。
【０００７】
さらに、例えば光が伝播する空間内にミラー面を具備する光デバイスをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）として構成し、ミラー基体の表面に金属膜（反射膜）をスパッタ等で成膜してミラー面を形成するような場合、一般にメカマスクを使用してスパッタが行われるが、その際ミラー面を形成する面にのみ厳密に成膜を行うことは難しく、通常は周囲にも成膜が及び、よってミラー面が位置する空間の側壁面等にも金属膜が形成されてしまうといった状況が生じ、このような場合には反射減衰の悪化はさらに重大な問題となる。
【０００８】
この発明の目的はこのような問題に鑑み、光ファイバ等の光導波手段への迷光の再結合を阻止し、反射減衰を完全に排除することができるようにした光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明によれば、基板上に第１及び第２の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とは基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされている光デバイスにおいて、第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とが基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置され、第１及び第２の光導波手段の端部の先端にはその一方から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されているものとされる。
【００１０】
請求項２の発明では請求項１の発明において、第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部との光結合は前記伝播光の基板板面と垂直なミラー面での反射を介してなされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、基板上に第３の光導波手段の端部がその光軸が基板板面と平行とされて配置され、第３の光導波手段の端部は基板板面と垂直方向において第１の光導波手段の端部と異なる高さ位置に位置されると共に、その第３の光導波手段の端部の先端にはその先端から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において第１の光導波手段の端部が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されており、第１の光導波手段の端部と第３の光導波手段の端部とは自由空間内を伝播する伝播光の、基板板面と垂直なミラー面を有する可動ミラーによる反射を介して互いに光結合され、アクチュエータによる可動ミラーの駆動によって、第１の光導波手段の端部と、第２及び第３の光導波手段の端部のいずれか一方との光結合が切り換えられる光スイッチが構成される。
【００１１】
請求項４の発明では請求項３の発明において、基板は単結晶シリコンよりなるハンドル層とデバイス層との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層が挟まれてなるＳＯＩ基板とされ、第１の光導波手段の端部はＳＯＩ基板に、デバイス層と中間絶縁層とをエッチング除去して形成した溝に設置され、第２及び第３の光導波手段の端部はＳＯＩ基板に、デバイス層を同一厚さエッチング除去して形成した２つの溝にそれぞれ設置され、自由空間はＳＯＩ基板に、デバイス層と中間絶縁層とをエッチング除去して形成した凹部とされ、可動ミラーは前記凹部内に位置し、デバイス層によって形成された基体の表面に反射膜が形成されて構成され、アクチュエータはデバイス層によって形成された固定及び可動櫛歯電極を具備してなる櫛歯型静電アクチュエータとされ、第１、第２及び第３の光導波手段はそれぞれロッドレンズ付光ファイバとされる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、光導波手段から出射される出射光の光軸は基板板面と平行な面内に存在せず、基板板面と傾きをもって自由空間内を伝播するため、相手方光導波手段に結合しきれなかった迷光がたとえ自由空間を囲む基板板面と垂直な側壁面で多重反射を繰り返しても出射元の光導波手段に再結合するといった状況は生じず、よってこのような迷光の再結合による反射減衰を完全に排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光デバイスの一実施例として、１×２型の光スイッチの構成を示したものであり、この例では光スイッチはＭＥＭＳで構成され、後述の図６−１に示すように単結晶シリコンよりなるハンドル層１１とデバイス層１２との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層１３が挟まれてなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板１０を使用して作製されている。なお、以下に説明する各構成要素はハンドル層１１上のデバイス層１２、中間絶縁層１３を適宜、エッチング除去することによって形成されている。
【００１４】
光導波手段としてこの例では光ファイバを用いるものとされ、光ファイバの端部を位置決め収容する３つの溝２１〜２３がＳＯＩ基板１０の略中央部から外周に達するように形成されている。これら溝２１〜２３はそれらの内端が一箇所に併合されて凹部２４を形成しており、真ん中の溝２１を挟んで両側の溝２２，２３は互いに鋭角をなすように形成されている。各溝２１〜２３の外端（開放端）側部分は外側に向って徐々に幅広となるように形成されている。なお、図１では光ファイバの図示を省略している。
３つの溝２１〜２３の内端が併合されて形成された凹部２４には固定ミラー２５が配置され、さらに可動ミラー２６が配置されている。固定ミラー２５は凹部２４の側壁面から突出するように形成されており、可動ミラー２６は可動ロッド２７の先端に一体形成されている。
【００１５】
可動ロッド２７は凹部２４に連通するロッド溝２８内に位置されており、長尺とされた可動ロッド２７の延伸方向中間部と、可動ミラー２６が形成されている先端と反対側の基端部にはそれぞれ一対のヒンジ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂが可動ロッド２７の幅方向両側に突出するように延長形成されている。可動ロッド２７はこれらヒンジ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂにより、その延伸方向に変位可能に支持されている。各ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは板ばねとして機能するもので、それらの可動ロッド２７と反対側の先端は固定部３３に支持されている。なお、これらヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂはそれぞれロッド溝２８と連通する凹部３４〜３７内に位置されている。
【００１６】
ヒンジ３１ａ，３１ｂと３２ａ，３２ｂとの間において、可動ロッド２７には櫛歯型静電アクチュエータが配設されている。櫛歯型静電アクチュエータは第１、第２固定櫛歯電極３８，３９と可動櫛歯電極４１とよりなるもので、可動櫛歯電極４１は可動ロッド２７の幅方向両側に突出形成された支持ビーム４２ａ，４２ｂに、それぞれそのヒンジ３１ａ，３１ｂ側とヒンジ３２ａ，３２ｂ側とに突出されて形成されている。なお、可動櫛歯電極４１は支持ビーム４２ａ，４２ｂ、可動ロッド２７及びヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを介して固定部３３と電気的に導通されている。
【００１７】
可動ロッド２７の延伸方向において、可動櫛歯電極４１を挟む両側には第１固定櫛歯電極３８と第２固定櫛歯電極３９とが可動櫛歯電極４１と噛み合うように配置され、これら第１、第２固定櫛歯電極３８，３９はそれぞれ固定部４３ａ，４３ｂ及び４４ａ，４４ｂから突出されて形成されている。なお、図１中、４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂはそれぞれ固定部４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂに連続して設けられた端子部を示す。
図２は図１に対し、各溝２１〜２３に光ファイバの端部が収容配置された状態の要部詳細を拡大して示したものであり、この例では溝２１に設置された光ファイバ５１から光が出射され、その光が溝２２，２３に設置された光ファイバ５２，５３に選択的に光結合されるものとなっている。
【００１８】
図３は図２におけるＡ−Ａ断面を示したものであり、この例では溝２２，２３は同一深さとされているものの、溝２１はそれらと同一深さではなく、溝２２，２３より深く形成されている。つまり、この例では従来のように互いに光結合される光ファイバが基板板面と垂直方向において同一高さ位置に位置されるのではなく、異なる高さ位置に位置されており、光ファイバ５２，５３は光ファイバ５１より高い位置に位置されている。なお、各光ファイバ５１〜５３はその光軸がＳＯＩ基板１０の板面と平行とされてそれぞれ溝２１〜２３に設置されている。
【００１９】
光ファイバ５１〜５３は詳細図示を省略しているが、それぞれ先端にロッドレンズを備えたロッドレンズ付き光ファイバとされ、集光機能を有するものとされる。ロッドレンズには例えばグレーデッドインデックス光ファイバ（ＧＩファイバ）を短尺化したものを利用することができる。また、各光ファイバ５１〜５３の先端（ロッドレンズの先端）には光ファイバの光軸に対し斜めに研磨されてなる傾斜端面が形成されている。これら光ファイバ５１〜５３の傾斜端面はＳＯＩ基板１０の板面と垂直ではなく、ＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５１の傾斜端面は下向きになるように形成され、光ファイバ５２，５３の傾斜端面は上向きになるように形成されている。
【００２０】
このような向きに各光ファイバ５１〜５３の先端に傾斜端面を形成することにより、光ファイバ５１から出射する出射光の光軸はＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５２，５３が位置する側に向くように、つまり斜め上方に向くように偏向され、また仮りに光ファイバ５２，５３から光が出射されるとすると、その出射光の光軸がＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５１が位置する側に向くように、つまり斜め下方に向くように偏向される。
図４は光ファイバ５１から出射された出射光６１が斜め上方に向かって固定ミラー２５のミラー面２５ａで反射され、その反射光６２が光ファイバ５２に入射する様子を示したものであり、前述したように光ファイバ５２は光ファイバ５１より高い位置に位置されているため、反射光６２は図４に示したように光ファイバ５２に入射し、良好に光結合する。なお、固定ミラー２５のミラー面２５ａはＳＯＩ基板１０の板面と垂直になっている。光ファイバ５１〜５３の傾斜端面の傾斜角α（図５参照）は例えば８°とされる。
【００２１】
ここで、光ファイバ５１〜５３のファイバ径をφ１２５μｍとした場合の溝２１の深さＨ１及び溝２２，２３の深さＨ２の具体的数値例を示せば下記となる。
Ｈ１＝１０３μｍ
Ｈ２＝ ６８μｍ
従って、光ファイバ５１と光ファイバ５２，５３との高低差（＝溝２１の深さＨ１と溝２２，２３の深さＨ２との差）Ｈは、
Ｈ ＝Ｈ１−Ｈ２
＝３５μｍ
となる。なお、光ファイバ５１〜５３は溝２１〜２３の側壁で位置決めされるため、これら溝２１〜２３の深さＨ１，Ｈ２は少なくともファイバ径の半分（６２．５μｍ）以上にする必要があり、余裕をもってＨ２＝６８μｍとしている。
【００２２】
光ファイバ５１から出射される出射光６１の光軸が水平面（ＳＯＩ基板１０の板面と平行面）となす角度β（図５参照）は、空気の屈折率を１とし、光ファイバ５１端部の中心屈折率（先端のロッドレンズの中心屈折率）をｎとすると、スネルの法則より、
ｎ・ｓｉｎα＝１・ｓｉｎ（α＋β）
β＝ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎα）−α
で表され、ここで、ｎ＝１．４６、α＝８°とすると、
β＝３．７２°
となる。従って、例えば図４において光ファイバ５１から出射され、ミラー面２５ａでの反射を介して光ファイバ５２に至る伝播光（出射光６１、反射光６２）の光路長Ｌは、
Ｌ＝Ｈ／ｓｉｎβ
より、この例では約５４０μｍとなっている。
【００２３】
次に、この光スイッチの動作について説明する。光スイッチ作製後の初期状態（第１安定状態）では可動ミラー２６は図１，２に示した位置に位置し、この時、光ファイバ５１から出射された出射光６１は固定ミラー２５のミラー面２５ａで反射され、その反射光６２が光ファイバ５２に入射される。
可動櫛歯電極４１と導通されている固定部３３及び第１固定櫛歯電極３８をそれぞれアース（接地）した状態で第２固定櫛歯電極３９に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極３９と可動櫛歯電極４１との間に静電引力が働き、その力が第１安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは第２安定状態へと反転し、電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、可動ロッド２７は可動ミラー２６を凹部２４内にさらに進入させるようにその延伸方向に変位し、これにより可動ミラー２６は図２に破線で示したように光ファイバ５１から出射される出射光６１の光路上に挿入される。従って、出射光６１は可動ミラー２６のミラー面２６ａで反射されて、その反射光６３が光ファイバ５３に入射される。図２に示すように、ミラー面２６ａを矢印で示すようにそのミラー面内方向に駆動することにより、ミラー面２６ａ上の反射位置によらず、反射光６３の光軸を一定位置に保持することができる。
【００２４】
一方、固定部３３及び第２固定櫛歯電極３９をそれぞれアースした状態で第１固定櫛歯電極３８に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極３８と可動櫛歯電極４１との間に静電引力が働き、その力が第２安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは反転し、再び第１安定状態へと戻る。
このように、この例ではヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは双安定型の構造となっており、櫛歯型静電アクチュエータを駆動することにより、可動ミラー２６が駆動され、固定ミラー２５の手前の位置に挿抜されて光路が切り換えられる。なお、第１固定櫛歯電極３８及び第２固定櫛歯電極３９への電圧の印加は例えば端子部４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂにそれぞれボンディングワイヤを接続し、それらボンディングワイヤを介して行われる。
【００２５】
上記のような光路の切り換えにおいて、光ファイバ５１からの出射光６１が固定ミラー２５のミラー面２５ａに入射する入射角と可動ミラー２６のミラー面２６ａに入射する入射角とは互いに等しくされており、この例では入射角θは１０°とされている。また、光ファイバ５１の端面からミラー面２５ａを介して光ファイバ５２の端面に至る光路長Ｌは前述したように約５４０μｍとなっているが、光ファイバ５１の端面からミラー面２６ａを介して光ファイバ５３の端面に至る光路長も光路長Ｌと等しくされている。
図６−１，６−２は上述したＭＥＭＳ光スイッチを作製するためのプロセスを模式的に示したものであり、以下、各工程について説明する。なお、図中、最終的に各溝２１〜２３となる部分には例えば２２１，２２２のように溝の符号に添字をつけて示している。
【００２６】
（１）ＳＯＩ基板１０を熱酸化してデバイス層１２及びハンドル層１１表面にシリコン酸化膜１４，１４’を形成する。
（２）シリコン酸化膜１４上にレジスト１５を塗布し、フォトリソグラフィによりレジスト１５に溝２２，２３のパターニングをする。
（３）レジスト１５をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりシリコン酸化膜１４をパターニングする。この際、図に示したようにシリコン酸化膜１４を完全にエッチング除去するのではなく、所要厚さ残すようにする。
【００２７】
（４）レジスト１５を除去した後、再度レジスト１５’をシリコン酸化膜１４上に塗布してフォトリソグラフィを行い、レジスト１５’に溝２２，２３を除く可動部、固定部及び溝２１等の図１に示した各構成要素のパターニングを行う。
（５）レジスト１５’をマスクとしてＲＩＥによりシリコン酸化膜１４をパターニングする。この際、下地のデバイス層１２が露出するまでエッチングを行う。
（６）レジスト１５’を除去する。
（７）ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を利用したＲＩＥにより、溝２２，２３を除いたパターンについて、中間絶縁層１３が露出するまでシリコン酸化膜１４のマスクから露出しているデバイス層１２をほぼ垂直にエッチングする。ここで、シリコン酸化膜１４の、溝２２，２３のパターンが形成されている部分もエッチングされるものの、この部分は中間絶縁層１３が露出するまでには至らず、溝２１部分とは深さの異なる溝２２，２３が形成される。
【００２８】
（８）弗酸（ＨＦ）溶液に浸し、中間絶縁層１３及び表面のシリコン酸化膜１４をエッチング除去する。この時のエッチング時間は可動部１６となるべき構造の下に位置する中間絶縁層１３は十分に除去され、固定部１７の下には中間絶縁層１３が残る時間とする。
（９）可動ミラーや固定ミラー及び電極パッドといった部位にスパッタにより金属膜１８を形成する。金属膜１８は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜とされる。
そして、溝２１〜２３に光ファイバ５１〜５３を実装することによって光スイッチが完成する。
【００２９】
上記のようなプロセスにおいて、溝２１と溝２２，２３との深さの差は工程（３）において溝２２，２３部分に残すシリコン酸化膜１４の膜厚及び工程（８）において溝２１部分でエッチング除去される中間絶縁層１３の厚さによって決まる。
溝２１と溝２２，２３との深さの差を前述したようにＨ＝３５μｍとする場合、ＳＯＩ基板１０の中間絶縁層１３の厚さを３μｍとすると、デバイス層１２における溝２２，２３部分のエッチングが溝２１部分のエッチングより３２μｍ遅れるようにすればよく、ここでＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチングレートが例えば、
Ｓｉ（デバイス層１２） ：１μｍ／ｍｉｎ
ＳｉＯ２（シリコン酸化膜１４）：０．０１μｍ／ｍｉｎ
とすると、工程（３）において溝２２，２３部分に残すシリコン酸化膜１４の膜厚は０．３２μｍとなる。なお、この工程（３）におけるシリコン酸化膜１４の残存膜厚は最終的には（厳密には）製造装置の特性に応じて条件出しされる。
【００３０】
以上、この発明による光デバイスの一実施例として、１×２型の光スイッチの構成、動作及び作製プロセスについて説明したが、この例では光を出射する光ファイバ５１と、その光を選択的に受光する光ファイバ５２，５３とはＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において同じ高さ位置ではなく、光ファイバ５２，５３は光ファイバ５１より高い位置に位置されて、光ファイバ５１の端面には出射光が基板板面と垂直方向において光ファイバ５２，５３が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されている。
従って、光ファイバ５１から出射されて光ファイバ５２や光ファイバ５３に結合しなかった迷光は斜め上方に進み続けることになり、たとえ凹部２４の垂直な側壁面で多重反射しても出射元の光ファイバ５１に戻ることはない。よって、迷光の光ファイバ５１への再結合はありえず、反射減衰を完全に排除することができる。
【００３１】
なお、上述した１×２型の光スイッチではミラー面２５ａを有する固定ミラー２５とミラー面２６ａを有する可動ミラー２６の２つのミラーを用いるものとなっているが、ミラーを２つのミラー面２５ａ，２６ａを備える一体の可動ミラーによって構成することもできる。
図７はそのような一体の可動ミラー２６’を示したものであり、この可動ミラー２６’は可動ミラー２６の先端に固定ミラー２５の構成が一体に形成されたものとなっている。可動ミラー２６’は可動ミラー２６と同様、可動ロッド２７の先端に一体形成される。なお、櫛歯型静電アクチュエータによる可動ミラー２６’の駆動方向は図２に示した可動ミラー２６の場合と同様、ミラー面２６ａと平行方向とされ、また光スイッチ作製後の初期状態は図７に実線で示したようにミラー面２６ａが光路から退避され、ミラー面２５ａに入射光６１が入射する状態とする。
【００３２】
双安定光スイッチ作製後の初期の安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの状態を第１の状態とし、最初の電圧印加により可動ロッド２７がその軸方向に移動してスイッチが第２の安定状態になった時のヒンジの状態を第２の状態とすると、安定状態にある可動ロッド２７の位置及び方向の再現精度はヒンジが第１の状態にある場合よりも第２の状態にある方が一般に悪い。そこで、精度の悪さの影響をできるだけ少なくするため、このようにヒンジが第１の状態においてアクチュエータの駆動軸（駆動方向）と平行でないミラー面２５ａが入射光６１の照射を受けるように構成するのが好ましい。ヒンジが第２の状態では、少なくとも可動ミラー２６’のミラー面２６ａの矢印で示す可動方向における再現位置精度が悪くても、反射光６３の光軸位置に影響を与えない。
【００３３】
次に、図８に示した実施例について説明する。この例では光デバイスは２本の光ファイバ間に光学フィルタが配置された構成とされており、基板７１の上面に２つの溝７２，７３が形成され、これら溝７２，７３に光ファイバ７４，７５の端部がそれぞれ位置決め収容されている。光ファイバ７４，７５はそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて溝７２，７３に設置されており、溝７２の深さは溝７３の深さより深くされている。
光ファイバ７４，７５の先端にはその一方から出射する出射光の光軸が基板板面と垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されており、この例では光ファイバ７４から出射された出射光が光ファイバ７５に光結合されるものとなっている。
【００３４】
溝７３は溝７２の延長上に形成されており、これら溝７２と７３の間において基板７１に凹部７６が形成され、この凹部７６に光学フィルタ７７が設置されている。光学フィルタ７７は例えば光量調整フィルタとされ、光ファイバ７４から出射された出射光はこの光学フィルタ７７によって光量が調整されて光ファイバ７５に入射される。
図９はこの発明のさらに他の実施例を示したものであり、この例では一方の光ファイバから出射された光が他方の光ファイバに入射される構成において、その光のパワー（光量）をモニタすることができるものとなっている。
【００３５】
基板８１の上面には２つの溝８２，８３が鋭角をなすように形成され、これら溝８２，８３に光ファイバ８４，８５の端部がそれぞれ設置されている。溝８２，８３の先端は一箇所に併合され、その部分において基板８１に凹部８６が形成されており、この凹部８６に一部透過型反射ミラー８７が設置され、さらに受光素子８８が設置されている。図９中、８８ａは受光素子８８の受光部を示す。なお、一部透過型反射ミラー８７は例えば１％の透過率を有するものとされる。
この例では光ファイバ８４から出射された光は一部透過型反射ミラー８７でその大部分が反射されて光ファイバ８５に結合されると共に、その一部が透過して受光素子８８に入射するものとなっており、これにより例えば光パワーの監視を行うことができるものとなっている。なお、この例においても溝８２，８３の深さは異なるものとされて光ファイバ８５は光ファイバ８４より基板板面と垂直方向において高い位置に位置され、つまりこれら光ファイバ８４，８５は前述の図４に示した光ファイバ５１，５２と同様の関係に配置され、かつ光ファイバ８４，８５の先端には図４に示した光ファイバ５１，５２と同様の傾斜端面が形成されているものとされる。
【００３６】
これら図８及び図９に示した実施例においても光ファイバから出射された出射光の光軸は基板板面と平行な面内にはなく、斜め上方に向いているため、迷光が出射元の光ファイバに再結合するといったことはありえず、よって反射減衰を完全に排除することができるものとなる。
以上、光導波手段として光ファイバを用いる各種実施例について説明したが、光導波手段は光ファイバに限らず、例えば基板上に形成された光導波路であってもよい。なお、例えば図１〜５で示した実施例では３本の光ファイバはその先端に集光手段としてロッドレンズをそれぞれ備えたものとなっているが、例えば互いに光結合される一方の光ファイバにのみ、集光手段を設けるようにしてもよい。
【００３７】
また、図１〜５で示した実施例では中央の光ファイバ５１から光が出射されて、その出射光が光ファイバ５１を挟む両側の光ファイバ５２，５３に選択的に光結合されるものとなっているが、例えば光ファイバ５２，５３から光が出射されるものとして、そのいずれかの出射光が選択的に光ファイバ５１に光結合されるように動作させることもできる。
一方、上述した実施例ではいずれも基板に、その基板板面に垂直な側壁面を有する凹部が形成され、その凹部内を伝播する伝播光を介して複数の光ファイバ（光導波手段）が互いに光結合される構成となっているが、凹部は必ずしも基板内に形成される凹部でなくとも、板面に垂直な側壁面で少なくとも部分的に囲われる空洞であって、その内部の自由空間を光導波手段の端部同士を光結合する伝播光が伝播するものであればよく、つまり例えば基板に垂直方向に形成された貫通孔や側壁面が基板の構成材（構成層）以外のもので形成される空洞などを有する光デバイスにもこの発明は及ぶ。
【００３８】
また、この発明における自由空間とは光ビームが伝播する、境界条件や有意な屈折率分布がない空間を言う。従って、この発明においては上述した空洞に例えば屈折率整合剤が充填されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明による光デバイスの第１の実施例の構成を説明するための平面図。
【図２】図１に対して光ファイバが実装された状態の要部を示す部分拡大平面図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図。
【図４】図２における光ファイバ５１，５２間の光路を示す図。
【図５】光ファイバから出射される出射光の光軸の傾きを説明するための図。
【図６−１】図１に示した光スイッチの作製方法の一例を説明するための工程図（その１）。
【図６−２】図１に示した光スイッチの作製方法の一例を説明するための工程図（その２）。
【図７】図１に示した光スイッチにおいてミラーを第１のミラー面と第２のミラー面とを備える一体の可動ミラーとした場合の構成及び光路を示す図。
【図８】この発明による光デバイスの第２の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂはその光路を示す図。
【図９】この発明による光デバイスの第３の実施例を示す平面図。
【技術分野】
【０００１】
この発明は互いに光結合される複数の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて基板上に配置されてなる構造を有する光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光デバイスは基板として例えばシリコン基板を用い、エッチング等の手法によって所要の要素を基板上に形成し、その基板上に光ファイバなどの光導波手段を設置することによって構成され、特許文献１や特許文献２にはこのようにして構成された光デバイスが記載されている。
特許文献１の図１乃至３に記載されている光デバイスは２×２型の光スイッチであって、光ファイバが設置される４本の溝が十字状をなすように基板上に形成され、それら４本の溝が交差する交差部に可動ロッドの先端に設けられた可動ミラーが位置され、可動ロッドは４本のヒンジによって可動自在に支持されると共に、その中間部分に構成された櫛歯型静電アクチュエータによって駆動されるものとなっており、可動ミラーの交差部への挿抜によって４本の溝にそれぞれ設置された光ファイバ間の光路（光結合）が切り換えられるものとなっている。
【０００３】
一方、特許文献２の図１４及び１５にも特許文献１と同様、２×２型の光スイッチをなす光デバイスが記載されており、基板上に十字状をなすように形成された４本の溝にそれぞれ光ファイバが設置され、それら４本の溝の交差部に可動ミラーが挿抜されることによって光路が切り換えられるものとなっている。
なお、これら特許文献１及び２に記載された光デバイスのいずれにおいても光ファイバの先端には光軸に対して斜めに研磨されてなる傾斜端面が形成されており、これにより光ファイバ端面での光の反射に起因する（反射戻り光による）反射減衰を回避することができるものとなっている。
【０００４】
ここで、反射減衰（リターンロス）とは光ファイバの伝送光量に対する、反射戻り光としてその光ファイバの逆向きの伝送モードに結合した光量の割合を言い、反射の結果、伝送モードに結合しないで外部に漏洩する反射漏洩光は含めない。光ファイバ先端の傾斜端面形成は端面でフレネル反射した光のすべてを反射漏洩光とすることにより反射減衰を回避しようとするものである。
【特許文献１】特開２００５−３７８８５号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１や特許文献２に記載されている光デバイスではミラーが挿抜される空間は光ファイバ設置用の４本の溝の交差部であり、光ファイバが設置された状態ではこの空間は光ファイバの先端面及び基板板面に対して垂直な基板の側壁面によって囲まれた空間となる。
一方、光ファイバはその光軸が基板板面と平行されて溝に設置されており、先端の傾斜端面は基板板面とは垂直とされている。従って、光ファイバの先端面から出射する出射光の光軸は基板板面と平行な平面内に位置するものとなっている。
【０００６】
このような状態で光ファイバから光が空間に出射された場合、例えば相手方の光ファイバに結合しきれなかった光（結合エラー分の光）や傾斜端面での反射漏洩光は空間を囲む基板板面と垂直な面によって反射されて基板板面と平行な一平面内において多重反射を繰り返すことになり、最終的に出射元の光ファイバに帰還、再結合して反射減衰の悪化（反射減衰量の増大）を招くことになる。
特に、特許文献１や特許文献２に記載されている光デバイスのように、光が伝播する空間内に基板板面に垂直なミラー面が存在する場合には、その反射率の高さから、このような迷光（結合エラー分の光や反射漏洩光）による反射減衰の悪化は重大な問題となる。
【０００７】
さらに、例えば光が伝播する空間内にミラー面を具備する光デバイスをＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）として構成し、ミラー基体の表面に金属膜（反射膜）をスパッタ等で成膜してミラー面を形成するような場合、一般にメカマスクを使用してスパッタが行われるが、その際ミラー面を形成する面にのみ厳密に成膜を行うことは難しく、通常は周囲にも成膜が及び、よってミラー面が位置する空間の側壁面等にも金属膜が形成されてしまうといった状況が生じ、このような場合には反射減衰の悪化はさらに重大な問題となる。
【０００８】
この発明の目的はこのような問題に鑑み、光ファイバ等の光導波手段への迷光の再結合を阻止し、反射減衰を完全に排除することができるようにした光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明によれば、基板上に第１及び第２の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とは基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされている光デバイスにおいて、第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とが基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置され、第１及び第２の光導波手段の端部の先端にはその一方から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されているものとされる。
【００１０】
請求項２の発明では請求項１の発明において、第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部との光結合は前記伝播光の基板板面と垂直なミラー面での反射を介してなされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、基板上に第３の光導波手段の端部がその光軸が基板板面と平行とされて配置され、第３の光導波手段の端部は基板板面と垂直方向において第１の光導波手段の端部と異なる高さ位置に位置されると共に、その第３の光導波手段の端部の先端にはその先端から自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において第１の光導波手段の端部が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されており、第１の光導波手段の端部と第３の光導波手段の端部とは自由空間内を伝播する伝播光の、基板板面と垂直なミラー面を有する可動ミラーによる反射を介して互いに光結合され、アクチュエータによる可動ミラーの駆動によって、第１の光導波手段の端部と、第２及び第３の光導波手段の端部のいずれか一方との光結合が切り換えられる光スイッチが構成される。
【００１１】
請求項４の発明では請求項３の発明において、基板は単結晶シリコンよりなるハンドル層とデバイス層との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層が挟まれてなるＳＯＩ基板とされ、第１の光導波手段の端部はＳＯＩ基板に、デバイス層と中間絶縁層とをエッチング除去して形成した溝に設置され、第２及び第３の光導波手段の端部はＳＯＩ基板に、デバイス層を同一厚さエッチング除去して形成した２つの溝にそれぞれ設置され、自由空間はＳＯＩ基板に、デバイス層と中間絶縁層とをエッチング除去して形成した凹部とされ、可動ミラーは前記凹部内に位置し、デバイス層によって形成された基体の表面に反射膜が形成されて構成され、アクチュエータはデバイス層によって形成された固定及び可動櫛歯電極を具備してなる櫛歯型静電アクチュエータとされ、第１、第２及び第３の光導波手段はそれぞれロッドレンズ付光ファイバとされる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、光導波手段から出射される出射光の光軸は基板板面と平行な面内に存在せず、基板板面と傾きをもって自由空間内を伝播するため、相手方光導波手段に結合しきれなかった迷光がたとえ自由空間を囲む基板板面と垂直な側壁面で多重反射を繰り返しても出射元の光導波手段に再結合するといった状況は生じず、よってこのような迷光の再結合による反射減衰を完全に排除することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光デバイスの一実施例として、１×２型の光スイッチの構成を示したものであり、この例では光スイッチはＭＥＭＳで構成され、後述の図６−１に示すように単結晶シリコンよりなるハンドル層１１とデバイス層１２との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層１３が挟まれてなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板１０を使用して作製されている。なお、以下に説明する各構成要素はハンドル層１１上のデバイス層１２、中間絶縁層１３を適宜、エッチング除去することによって形成されている。
【００１４】
光導波手段としてこの例では光ファイバを用いるものとされ、光ファイバの端部を位置決め収容する３つの溝２１〜２３がＳＯＩ基板１０の略中央部から外周に達するように形成されている。これら溝２１〜２３はそれらの内端が一箇所に併合されて凹部２４を形成しており、真ん中の溝２１を挟んで両側の溝２２，２３は互いに鋭角をなすように形成されている。各溝２１〜２３の外端（開放端）側部分は外側に向って徐々に幅広となるように形成されている。なお、図１では光ファイバの図示を省略している。
３つの溝２１〜２３の内端が併合されて形成された凹部２４には固定ミラー２５が配置され、さらに可動ミラー２６が配置されている。固定ミラー２５は凹部２４の側壁面から突出するように形成されており、可動ミラー２６は可動ロッド２７の先端に一体形成されている。
【００１５】
可動ロッド２７は凹部２４に連通するロッド溝２８内に位置されており、長尺とされた可動ロッド２７の延伸方向中間部と、可動ミラー２６が形成されている先端と反対側の基端部にはそれぞれ一対のヒンジ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂが可動ロッド２７の幅方向両側に突出するように延長形成されている。可動ロッド２７はこれらヒンジ３１ａ，３１ｂ及び３２ａ，３２ｂにより、その延伸方向に変位可能に支持されている。各ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは板ばねとして機能するもので、それらの可動ロッド２７と反対側の先端は固定部３３に支持されている。なお、これらヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂはそれぞれロッド溝２８と連通する凹部３４〜３７内に位置されている。
【００１６】
ヒンジ３１ａ，３１ｂと３２ａ，３２ｂとの間において、可動ロッド２７には櫛歯型静電アクチュエータが配設されている。櫛歯型静電アクチュエータは第１、第２固定櫛歯電極３８，３９と可動櫛歯電極４１とよりなるもので、可動櫛歯電極４１は可動ロッド２７の幅方向両側に突出形成された支持ビーム４２ａ，４２ｂに、それぞれそのヒンジ３１ａ，３１ｂ側とヒンジ３２ａ，３２ｂ側とに突出されて形成されている。なお、可動櫛歯電極４１は支持ビーム４２ａ，４２ｂ、可動ロッド２７及びヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを介して固定部３３と電気的に導通されている。
【００１７】
可動ロッド２７の延伸方向において、可動櫛歯電極４１を挟む両側には第１固定櫛歯電極３８と第２固定櫛歯電極３９とが可動櫛歯電極４１と噛み合うように配置され、これら第１、第２固定櫛歯電極３８，３９はそれぞれ固定部４３ａ，４３ｂ及び４４ａ，４４ｂから突出されて形成されている。なお、図１中、４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂはそれぞれ固定部４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂに連続して設けられた端子部を示す。
図２は図１に対し、各溝２１〜２３に光ファイバの端部が収容配置された状態の要部詳細を拡大して示したものであり、この例では溝２１に設置された光ファイバ５１から光が出射され、その光が溝２２，２３に設置された光ファイバ５２，５３に選択的に光結合されるものとなっている。
【００１８】
図３は図２におけるＡ−Ａ断面を示したものであり、この例では溝２２，２３は同一深さとされているものの、溝２１はそれらと同一深さではなく、溝２２，２３より深く形成されている。つまり、この例では従来のように互いに光結合される光ファイバが基板板面と垂直方向において同一高さ位置に位置されるのではなく、異なる高さ位置に位置されており、光ファイバ５２，５３は光ファイバ５１より高い位置に位置されている。なお、各光ファイバ５１〜５３はその光軸がＳＯＩ基板１０の板面と平行とされてそれぞれ溝２１〜２３に設置されている。
【００１９】
光ファイバ５１〜５３は詳細図示を省略しているが、それぞれ先端にロッドレンズを備えたロッドレンズ付き光ファイバとされ、集光機能を有するものとされる。ロッドレンズには例えばグレーデッドインデックス光ファイバ（ＧＩファイバ）を短尺化したものを利用することができる。また、各光ファイバ５１〜５３の先端（ロッドレンズの先端）には光ファイバの光軸に対し斜めに研磨されてなる傾斜端面が形成されている。これら光ファイバ５１〜５３の傾斜端面はＳＯＩ基板１０の板面と垂直ではなく、ＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５１の傾斜端面は下向きになるように形成され、光ファイバ５２，５３の傾斜端面は上向きになるように形成されている。
【００２０】
このような向きに各光ファイバ５１〜５３の先端に傾斜端面を形成することにより、光ファイバ５１から出射する出射光の光軸はＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５２，５３が位置する側に向くように、つまり斜め上方に向くように偏向され、また仮りに光ファイバ５２，５３から光が出射されるとすると、その出射光の光軸がＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において光ファイバ５１が位置する側に向くように、つまり斜め下方に向くように偏向される。
図４は光ファイバ５１から出射された出射光６１が斜め上方に向かって固定ミラー２５のミラー面２５ａで反射され、その反射光６２が光ファイバ５２に入射する様子を示したものであり、前述したように光ファイバ５２は光ファイバ５１より高い位置に位置されているため、反射光６２は図４に示したように光ファイバ５２に入射し、良好に光結合する。なお、固定ミラー２５のミラー面２５ａはＳＯＩ基板１０の板面と垂直になっている。光ファイバ５１〜５３の傾斜端面の傾斜角α（図５参照）は例えば８°とされる。
【００２１】
ここで、光ファイバ５１〜５３のファイバ径をφ１２５μｍとした場合の溝２１の深さＨ１及び溝２２，２３の深さＨ２の具体的数値例を示せば下記となる。
Ｈ１＝１０３μｍ
Ｈ２＝ ６８μｍ
従って、光ファイバ５１と光ファイバ５２，５３との高低差（＝溝２１の深さＨ１と溝２２，２３の深さＨ２との差）Ｈは、
Ｈ ＝Ｈ１−Ｈ２
＝３５μｍ
となる。なお、光ファイバ５１〜５３は溝２１〜２３の側壁で位置決めされるため、これら溝２１〜２３の深さＨ１，Ｈ２は少なくともファイバ径の半分（６２．５μｍ）以上にする必要があり、余裕をもってＨ２＝６８μｍとしている。
【００２２】
光ファイバ５１から出射される出射光６１の光軸が水平面（ＳＯＩ基板１０の板面と平行面）となす角度β（図５参照）は、空気の屈折率を１とし、光ファイバ５１端部の中心屈折率（先端のロッドレンズの中心屈折率）をｎとすると、スネルの法則より、
ｎ・ｓｉｎα＝１・ｓｉｎ（α＋β）
β＝ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎα）−α
で表され、ここで、ｎ＝１．４６、α＝８°とすると、
β＝３．７２°
となる。従って、例えば図４において光ファイバ５１から出射され、ミラー面２５ａでの反射を介して光ファイバ５２に至る伝播光（出射光６１、反射光６２）の光路長Ｌは、
Ｌ＝Ｈ／ｓｉｎβ
より、この例では約５４０μｍとなっている。
【００２３】
次に、この光スイッチの動作について説明する。光スイッチ作製後の初期状態（第１安定状態）では可動ミラー２６は図１，２に示した位置に位置し、この時、光ファイバ５１から出射された出射光６１は固定ミラー２５のミラー面２５ａで反射され、その反射光６２が光ファイバ５２に入射される。
可動櫛歯電極４１と導通されている固定部３３及び第１固定櫛歯電極３８をそれぞれアース（接地）した状態で第２固定櫛歯電極３９に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極３９と可動櫛歯電極４１との間に静電引力が働き、その力が第１安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは第２安定状態へと反転し、電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、可動ロッド２７は可動ミラー２６を凹部２４内にさらに進入させるようにその延伸方向に変位し、これにより可動ミラー２６は図２に破線で示したように光ファイバ５１から出射される出射光６１の光路上に挿入される。従って、出射光６１は可動ミラー２６のミラー面２６ａで反射されて、その反射光６３が光ファイバ５３に入射される。図２に示すように、ミラー面２６ａを矢印で示すようにそのミラー面内方向に駆動することにより、ミラー面２６ａ上の反射位置によらず、反射光６３の光軸を一定位置に保持することができる。
【００２４】
一方、固定部３３及び第２固定櫛歯電極３９をそれぞれアースした状態で第１固定櫛歯電極３８に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極３８と可動櫛歯電極４１との間に静電引力が働き、その力が第２安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの保持力よりも大きい場合、ヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは反転し、再び第１安定状態へと戻る。
このように、この例ではヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは双安定型の構造となっており、櫛歯型静電アクチュエータを駆動することにより、可動ミラー２６が駆動され、固定ミラー２５の手前の位置に挿抜されて光路が切り換えられる。なお、第１固定櫛歯電極３８及び第２固定櫛歯電極３９への電圧の印加は例えば端子部４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂにそれぞれボンディングワイヤを接続し、それらボンディングワイヤを介して行われる。
【００２５】
上記のような光路の切り換えにおいて、光ファイバ５１からの出射光６１が固定ミラー２５のミラー面２５ａに入射する入射角と可動ミラー２６のミラー面２６ａに入射する入射角とは互いに等しくされており、この例では入射角θは１０°とされている。また、光ファイバ５１の端面からミラー面２５ａを介して光ファイバ５２の端面に至る光路長Ｌは前述したように約５４０μｍとなっているが、光ファイバ５１の端面からミラー面２６ａを介して光ファイバ５３の端面に至る光路長も光路長Ｌと等しくされている。
図６−１，６−２は上述したＭＥＭＳ光スイッチを作製するためのプロセスを模式的に示したものであり、以下、各工程について説明する。なお、図中、最終的に各溝２１〜２３となる部分には例えば２２１，２２２のように溝の符号に添字をつけて示している。
【００２６】
（１）ＳＯＩ基板１０を熱酸化してデバイス層１２及びハンドル層１１表面にシリコン酸化膜１４，１４’を形成する。
（２）シリコン酸化膜１４上にレジスト１５を塗布し、フォトリソグラフィによりレジスト１５に溝２２，２３のパターニングをする。
（３）レジスト１５をマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりシリコン酸化膜１４をパターニングする。この際、図に示したようにシリコン酸化膜１４を完全にエッチング除去するのではなく、所要厚さ残すようにする。
【００２７】
（４）レジスト１５を除去した後、再度レジスト１５’をシリコン酸化膜１４上に塗布してフォトリソグラフィを行い、レジスト１５’に溝２２，２３を除く可動部、固定部及び溝２１等の図１に示した各構成要素のパターニングを行う。
（５）レジスト１５’をマスクとしてＲＩＥによりシリコン酸化膜１４をパターニングする。この際、下地のデバイス層１２が露出するまでエッチングを行う。
（６）レジスト１５’を除去する。
（７）ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を利用したＲＩＥにより、溝２２，２３を除いたパターンについて、中間絶縁層１３が露出するまでシリコン酸化膜１４のマスクから露出しているデバイス層１２をほぼ垂直にエッチングする。ここで、シリコン酸化膜１４の、溝２２，２３のパターンが形成されている部分もエッチングされるものの、この部分は中間絶縁層１３が露出するまでには至らず、溝２１部分とは深さの異なる溝２２，２３が形成される。
【００２８】
（８）弗酸（ＨＦ）溶液に浸し、中間絶縁層１３及び表面のシリコン酸化膜１４をエッチング除去する。この時のエッチング時間は可動部１６となるべき構造の下に位置する中間絶縁層１３は十分に除去され、固定部１７の下には中間絶縁層１３が残る時間とする。
（９）可動ミラーや固定ミラー及び電極パッドといった部位にスパッタにより金属膜１８を形成する。金属膜１８は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜とされる。
そして、溝２１〜２３に光ファイバ５１〜５３を実装することによって光スイッチが完成する。
【００２９】
上記のようなプロセスにおいて、溝２１と溝２２，２３との深さの差は工程（３）において溝２２，２３部分に残すシリコン酸化膜１４の膜厚及び工程（８）において溝２１部分でエッチング除去される中間絶縁層１３の厚さによって決まる。
溝２１と溝２２，２３との深さの差を前述したようにＨ＝３５μｍとする場合、ＳＯＩ基板１０の中間絶縁層１３の厚さを３μｍとすると、デバイス層１２における溝２２，２３部分のエッチングが溝２１部分のエッチングより３２μｍ遅れるようにすればよく、ここでＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチングレートが例えば、
Ｓｉ（デバイス層１２） ：１μｍ／ｍｉｎ
ＳｉＯ２（シリコン酸化膜１４）：０．０１μｍ／ｍｉｎ
とすると、工程（３）において溝２２，２３部分に残すシリコン酸化膜１４の膜厚は０．３２μｍとなる。なお、この工程（３）におけるシリコン酸化膜１４の残存膜厚は最終的には（厳密には）製造装置の特性に応じて条件出しされる。
【００３０】
以上、この発明による光デバイスの一実施例として、１×２型の光スイッチの構成、動作及び作製プロセスについて説明したが、この例では光を出射する光ファイバ５１と、その光を選択的に受光する光ファイバ５２，５３とはＳＯＩ基板１０の板面と垂直方向において同じ高さ位置ではなく、光ファイバ５２，５３は光ファイバ５１より高い位置に位置されて、光ファイバ５１の端面には出射光が基板板面と垂直方向において光ファイバ５２，５３が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されている。
従って、光ファイバ５１から出射されて光ファイバ５２や光ファイバ５３に結合しなかった迷光は斜め上方に進み続けることになり、たとえ凹部２４の垂直な側壁面で多重反射しても出射元の光ファイバ５１に戻ることはない。よって、迷光の光ファイバ５１への再結合はありえず、反射減衰を完全に排除することができる。
【００３１】
なお、上述した１×２型の光スイッチではミラー面２５ａを有する固定ミラー２５とミラー面２６ａを有する可動ミラー２６の２つのミラーを用いるものとなっているが、ミラーを２つのミラー面２５ａ，２６ａを備える一体の可動ミラーによって構成することもできる。
図７はそのような一体の可動ミラー２６’を示したものであり、この可動ミラー２６’は可動ミラー２６の先端に固定ミラー２５の構成が一体に形成されたものとなっている。可動ミラー２６’は可動ミラー２６と同様、可動ロッド２７の先端に一体形成される。なお、櫛歯型静電アクチュエータによる可動ミラー２６’の駆動方向は図２に示した可動ミラー２６の場合と同様、ミラー面２６ａと平行方向とされ、また光スイッチ作製後の初期状態は図７に実線で示したようにミラー面２６ａが光路から退避され、ミラー面２５ａに入射光６１が入射する状態とする。
【００３２】
双安定光スイッチ作製後の初期の安定状態におけるヒンジ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの状態を第１の状態とし、最初の電圧印加により可動ロッド２７がその軸方向に移動してスイッチが第２の安定状態になった時のヒンジの状態を第２の状態とすると、安定状態にある可動ロッド２７の位置及び方向の再現精度はヒンジが第１の状態にある場合よりも第２の状態にある方が一般に悪い。そこで、精度の悪さの影響をできるだけ少なくするため、このようにヒンジが第１の状態においてアクチュエータの駆動軸（駆動方向）と平行でないミラー面２５ａが入射光６１の照射を受けるように構成するのが好ましい。ヒンジが第２の状態では、少なくとも可動ミラー２６’のミラー面２６ａの矢印で示す可動方向における再現位置精度が悪くても、反射光６３の光軸位置に影響を与えない。
【００３３】
次に、図８に示した実施例について説明する。この例では光デバイスは２本の光ファイバ間に光学フィルタが配置された構成とされており、基板７１の上面に２つの溝７２，７３が形成され、これら溝７２，７３に光ファイバ７４，７５の端部がそれぞれ位置決め収容されている。光ファイバ７４，７５はそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて溝７２，７３に設置されており、溝７２の深さは溝７３の深さより深くされている。
光ファイバ７４，７５の先端にはその一方から出射する出射光の光軸が基板板面と垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されており、この例では光ファイバ７４から出射された出射光が光ファイバ７５に光結合されるものとなっている。
【００３４】
溝７３は溝７２の延長上に形成されており、これら溝７２と７３の間において基板７１に凹部７６が形成され、この凹部７６に光学フィルタ７７が設置されている。光学フィルタ７７は例えば光量調整フィルタとされ、光ファイバ７４から出射された出射光はこの光学フィルタ７７によって光量が調整されて光ファイバ７５に入射される。
図９はこの発明のさらに他の実施例を示したものであり、この例では一方の光ファイバから出射された光が他方の光ファイバに入射される構成において、その光のパワー（光量）をモニタすることができるものとなっている。
【００３５】
基板８１の上面には２つの溝８２，８３が鋭角をなすように形成され、これら溝８２，８３に光ファイバ８４，８５の端部がそれぞれ設置されている。溝８２，８３の先端は一箇所に併合され、その部分において基板８１に凹部８６が形成されており、この凹部８６に一部透過型反射ミラー８７が設置され、さらに受光素子８８が設置されている。図９中、８８ａは受光素子８８の受光部を示す。なお、一部透過型反射ミラー８７は例えば１％の透過率を有するものとされる。
この例では光ファイバ８４から出射された光は一部透過型反射ミラー８７でその大部分が反射されて光ファイバ８５に結合されると共に、その一部が透過して受光素子８８に入射するものとなっており、これにより例えば光パワーの監視を行うことができるものとなっている。なお、この例においても溝８２，８３の深さは異なるものとされて光ファイバ８５は光ファイバ８４より基板板面と垂直方向において高い位置に位置され、つまりこれら光ファイバ８４，８５は前述の図４に示した光ファイバ５１，５２と同様の関係に配置され、かつ光ファイバ８４，８５の先端には図４に示した光ファイバ５１，５２と同様の傾斜端面が形成されているものとされる。
【００３６】
これら図８及び図９に示した実施例においても光ファイバから出射された出射光の光軸は基板板面と平行な面内にはなく、斜め上方に向いているため、迷光が出射元の光ファイバに再結合するといったことはありえず、よって反射減衰を完全に排除することができるものとなる。
以上、光導波手段として光ファイバを用いる各種実施例について説明したが、光導波手段は光ファイバに限らず、例えば基板上に形成された光導波路であってもよい。なお、例えば図１〜５で示した実施例では３本の光ファイバはその先端に集光手段としてロッドレンズをそれぞれ備えたものとなっているが、例えば互いに光結合される一方の光ファイバにのみ、集光手段を設けるようにしてもよい。
【００３７】
また、図１〜５で示した実施例では中央の光ファイバ５１から光が出射されて、その出射光が光ファイバ５１を挟む両側の光ファイバ５２，５３に選択的に光結合されるものとなっているが、例えば光ファイバ５２，５３から光が出射されるものとして、そのいずれかの出射光が選択的に光ファイバ５１に光結合されるように動作させることもできる。
一方、上述した実施例ではいずれも基板に、その基板板面に垂直な側壁面を有する凹部が形成され、その凹部内を伝播する伝播光を介して複数の光ファイバ（光導波手段）が互いに光結合される構成となっているが、凹部は必ずしも基板内に形成される凹部でなくとも、板面に垂直な側壁面で少なくとも部分的に囲われる空洞であって、その内部の自由空間を光導波手段の端部同士を光結合する伝播光が伝播するものであればよく、つまり例えば基板に垂直方向に形成された貫通孔や側壁面が基板の構成材（構成層）以外のもので形成される空洞などを有する光デバイスにもこの発明は及ぶ。
【００３８】
また、この発明における自由空間とは光ビームが伝播する、境界条件や有意な屈折率分布がない空間を言う。従って、この発明においては上述した空洞に例えば屈折率整合剤が充填されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明による光デバイスの第１の実施例の構成を説明するための平面図。
【図２】図１に対して光ファイバが実装された状態の要部を示す部分拡大平面図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図。
【図４】図２における光ファイバ５１，５２間の光路を示す図。
【図５】光ファイバから出射される出射光の光軸の傾きを説明するための図。
【図６−１】図１に示した光スイッチの作製方法の一例を説明するための工程図（その１）。
【図６−２】図１に示した光スイッチの作製方法の一例を説明するための工程図（その２）。
【図７】図１に示した光スイッチにおいてミラーを第１のミラー面と第２のミラー面とを備える一体の可動ミラーとした場合の構成及び光路を示す図。
【図８】この発明による光デバイスの第２の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂはその光路を示す図。
【図９】この発明による光デバイスの第３の実施例を示す平面図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１及び第２の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とは基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされている光デバイスであって、
前記第１の光導波手段の端部と前記第２の光導波手段の端部とは前記基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置され、
前記第１及び第２の光導波手段の端部の先端にはその一方から前記自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記第１の光導波手段の端部と前記第２の光導波手段の端部との光結合は前記伝播光の前記基板板面と垂直なミラー面での反射を介してなされることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光デバイスにおいて、
前記基板上に第３の光導波手段の端部がその光軸が前記基板板面と平行とされて配置され、
前記第３の光導波手段の端部は前記基板板面と垂直方向において前記第１の光導波手段の端部と異なる高さ位置に位置されると共に、その第３の光導波手段の端部の先端にはその先端から前記自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において前記第１の光導波手段の端部が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されており、
前記第１の光導波手段の端部と前記第３の光導波手段の端部とは前記自由空間内を伝播する伝播光の、前記基板板面と垂直なミラー面を有する可動ミラーによる反射を介して互いに光結合され、
アクチュエータによる前記可動ミラーの駆動によって、前記第１の光導波手段の端部と、前記第２及び第３の光導波手段の端部のいずれか一方との光結合が切り換えられる光スイッチを構成していることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の光デバイスにおいて、
前記基板は単結晶シリコンよりなるハンドル層とデバイス層との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層が挟まれてなるＳＯＩ基板とされ、
前記第１の光導波手段の端部は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層と前記中間絶縁層とをエッチング除去して形成した溝に設置され、
前記第２及び第３の光導波手段の端部は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層を同一厚さエッチング除去して形成した２つの溝にそれぞれ設置され、
前記自由空間は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層と前記中間絶縁層とをエッチング除去して形成した凹部とされ、
前記可動ミラーは前記凹部内に位置し、前記デバイス層によって形成された基体の表面に反射膜が形成されて構成され、
前記アクチュエータは前記デバイス層によって形成された固定及び可動櫛歯電極を具備してなる櫛歯型静電アクチュエータとされ、
前記第１、第２及び第３の光導波手段はそれぞれロッドレンズ付光ファイバとされていることを特徴とする光デバイス。
【請求項１】
基板上に第１及び第２の光導波手段の端部がそれぞれその光軸が基板板面と平行とされて配置され、それら第１の光導波手段の端部と第２の光導波手段の端部とは基板板面に垂直な側壁面によって少なくとも一部が囲まれた自由空間内を伝播する伝播光を介して互いに光結合される構成とされている光デバイスであって、
前記第１の光導波手段の端部と前記第２の光導波手段の端部とは前記基板板面と垂直方向において異なる高さ位置に位置され、
前記第１及び第２の光導波手段の端部の先端にはその一方から前記自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において他方が位置する側に向くように偏向する傾斜端面がそれぞれ形成されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記第１の光導波手段の端部と前記第２の光導波手段の端部との光結合は前記伝播光の前記基板板面と垂直なミラー面での反射を介してなされることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光デバイスにおいて、
前記基板上に第３の光導波手段の端部がその光軸が前記基板板面と平行とされて配置され、
前記第３の光導波手段の端部は前記基板板面と垂直方向において前記第１の光導波手段の端部と異なる高さ位置に位置されると共に、その第３の光導波手段の端部の先端にはその先端から前記自由空間に出射する出射光の光軸が前記垂直方向において前記第１の光導波手段の端部が位置する側に向くように偏向する傾斜端面が形成されており、
前記第１の光導波手段の端部と前記第３の光導波手段の端部とは前記自由空間内を伝播する伝播光の、前記基板板面と垂直なミラー面を有する可動ミラーによる反射を介して互いに光結合され、
アクチュエータによる前記可動ミラーの駆動によって、前記第１の光導波手段の端部と、前記第２及び第３の光導波手段の端部のいずれか一方との光結合が切り換えられる光スイッチを構成していることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の光デバイスにおいて、
前記基板は単結晶シリコンよりなるハンドル層とデバイス層との間にシリコン酸化膜よりなる中間絶縁層が挟まれてなるＳＯＩ基板とされ、
前記第１の光導波手段の端部は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層と前記中間絶縁層とをエッチング除去して形成した溝に設置され、
前記第２及び第３の光導波手段の端部は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層を同一厚さエッチング除去して形成した２つの溝にそれぞれ設置され、
前記自由空間は前記ＳＯＩ基板に、前記デバイス層と前記中間絶縁層とをエッチング除去して形成した凹部とされ、
前記可動ミラーは前記凹部内に位置し、前記デバイス層によって形成された基体の表面に反射膜が形成されて構成され、
前記アクチュエータは前記デバイス層によって形成された固定及び可動櫛歯電極を具備してなる櫛歯型静電アクチュエータとされ、
前記第１、第２及び第３の光導波手段はそれぞれロッドレンズ付光ファイバとされていることを特徴とする光デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６−１】
【図６−２】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−３１４０９（Ｐ２００９−３１４０９Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９３２９１（Ｐ２００７−１９３２９１）
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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