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JP2011180534A - Mems element, movable mirror, and optical switch device - Google Patents

Mems element, movable mirror, and optical switch device Download PDF

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JP2011180534A
JP2011180534A JP2010047120A JP2010047120A JP2011180534A JP 2011180534 A JP2011180534 A JP 2011180534A JP 2010047120 A JP2010047120 A JP 2010047120A JP 2010047120 A JP2010047120 A JP 2010047120A JP 2011180534 A JP2011180534 A JP 2011180534A
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JP
Japan
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movable
comb electrode
mems element
mirror
fixed
Prior art date
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Pending
Application number
JP2010047120A
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Japanese (ja)
Inventor
Junji Oguri
淳司 小栗
Masataka Kimura
賢宜 木村
Hiroshi Matsuura
寛 松浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Furukawa Electric Co Ltd filed Critical Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MEMS element that can surely suppress generation of intra-plane pull in, and to provide a movable mirror and an optical switch device using this element. <P>SOLUTION: The MEMS element is equipped with a stationary comb-shaped electrode and a movable comb-shaped electrode which are arranged with a prescribed space apart, wherein the movable comb-shaped electrode moves in a direction angled to a movable reference plane, and wherein an electrostatic attraction operating surface of the stationary and the movable comb-shaped electrodes has a circular arcuate shape in the movable reference plane. Desirably, the center of the circular arcuate shape of the electrostatic operating surface coincides with a rotary shaft when the movable comb-shaped electrode rotates in the movable reference plane. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを有するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電気機械システム)素子、ならびにこれを用いた可動式ミラーおよび光スイッチ装置に関するものである。   The present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element having a fixed comb electrode and a movable comb electrode, and a movable mirror and an optical switch device using the same.

光伝送システムにおいて、波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing:WDM)光信号の経路を切り替えるために、光スイッチ装置が使用されている(たとえば特許文献1参照)。このような光スイッチ装置には、光信号の経路を切り替えるために、光の反射方向を変えることができる可動式ミラーが用いられる。そして、このような可動式ミラーでは、静電アクチュエータとしてのMEMS素子を用いてミラーを可動している。   In an optical transmission system, an optical switch device is used to switch the path of a wavelength division multiplexing (WDM) optical signal (see, for example, Patent Document 1). In such an optical switch device, a movable mirror that can change the reflection direction of light is used to switch the path of the optical signal. And in such a movable mirror, the mirror is moved using the MEMS element as an electrostatic actuator.

静電アクチュエータとしてのMEMS素子には、平行電極構造のもの(たとえば特許文献2参照)や、垂直櫛歯電極構造のもの(たとえば非特許文献1参照)などがある。垂直櫛歯電極構造とは、櫛歯電極の延伸方向および配列方向とは垂直の方向に厚さを有している固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、所定の間隔を隔てて噛み合うように配置された噛み合わせ構造を有し、電極間に作用する静電引力による可動の方向と、固定櫛歯電極の配列方向とが、角度をなしているものである。垂直櫛歯電極構造のMEMS素子は、電極間に作用する静電引力が強く、また面外プルインが起こりにくいとされている。なお、面外プルインとは、固定櫛歯電極の延伸方向と配列方向とがなす面を可動基準面として、この可動基準面に対して角度をなす方向(すなわち、面外方向)において、MEMS素子を作用させるための復元力を超えて静電引力が作用し、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に吸着してしまう現象のことである。   The MEMS element as an electrostatic actuator includes a parallel electrode structure (for example, see Patent Document 2) and a vertical comb electrode structure (for example, see Non-Patent Document 1). The vertical comb electrode structure is such that a fixed comb electrode and a movable comb electrode having a thickness in a direction perpendicular to the extending direction and the arrangement direction of the comb electrodes are engaged with each other at a predetermined interval. The movable structure by the electrostatic attractive force acting between the electrodes and the arrangement direction of the fixed comb electrodes form an angle. A MEMS element having a vertical comb electrode structure has a strong electrostatic attraction acting between the electrodes and is unlikely to cause out-of-plane pull-in. The out-of-plane pull-in refers to a MEMS element in a direction (that is, an out-of-plane direction) that forms an angle with respect to the movable reference plane, with the plane formed by the extending direction and the arrangement direction of the fixed comb electrodes as a movable reference plane. This is a phenomenon in which the electrostatic attractive force acts beyond the restoring force for causing the movable comb electrode to be attracted to the fixed comb electrode.

また、垂直櫛歯電極構造のMEMS素子では、面内プルインが問題となる場合がある。面内プルインとは、上述した可動基準面内の方向において可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に吸着してしまう現象のことである。このような面内プルインは、可動櫛歯電極および固定櫛歯電極が、MEMS素子の回転軸の軸方向に配列されている場合に問題となりやすい。その理由は、以下の通りである。すなわち、光スイッチ装置において、WDM光信号を構成する各光信号の空間的分離量が数百μm程度であるため、各光信号を反射させるための可動式ミラーの幅も数百μmとされる。そのため、可動式ミラーにおける可動櫛歯電極および固定櫛歯電極が、MEMS素子の回転軸の軸方向に配列されている場合は、この数百μmの幅の中に多数の可動櫛歯電極および固定櫛歯電極を配列するためには、両者の間の間隔を狭くしなければならないためである。   Further, in a MEMS element having a vertical comb electrode structure, in-plane pull-in may be a problem. In-plane pull-in is a phenomenon in which the movable comb electrode is attracted to the fixed comb electrode in the above-described direction within the movable reference plane. Such in-plane pull-in tends to cause a problem when the movable comb electrode and the fixed comb electrode are arranged in the axial direction of the rotation axis of the MEMS element. The reason is as follows. That is, in the optical switch device, since the spatial separation amount of each optical signal constituting the WDM optical signal is about several hundred μm, the width of the movable mirror for reflecting each optical signal is also several hundred μm. . Therefore, when the movable comb electrodes and fixed comb electrodes in the movable mirror are arranged in the axial direction of the rotation axis of the MEMS element, a large number of movable comb electrodes and fixed electrodes are within this width of several hundred μm. This is because in order to arrange the comb-teeth electrodes, the interval between them must be narrowed.

これに対して、面内プルインが発生しにくい垂直櫛歯電極構造のMEMS素子が開示されている(たとえば、特許文献3、非特許文献2参照)。特許文献3、非特許文献2に開示される垂直櫛歯電極構造は、Fishbone型の垂直櫛歯電極構造と称される。このFishbone型のMEMS素子では、可動櫛歯および固定櫛歯が、MEMS素子の回転軸と垂直方向に配列しているために、面内プルインの発生を抑制することができるとされている。   On the other hand, a MEMS element having a vertical comb electrode structure in which in-plane pull-in is unlikely to occur is disclosed (for example, see Patent Document 3 and Non-Patent Document 2). The vertical comb electrode structure disclosed in Patent Document 3 and Non-Patent Document 2 is referred to as a Fishbone type vertical comb electrode structure. In this Fishbone type MEMS element, since the movable comb teeth and the fixed comb teeth are arranged in a direction perpendicular to the rotation axis of the MEMS element, it is said that occurrence of in-plane pull-in can be suppressed.

特開2006−276487号公報JP 2006-276487 A 米国特許第7302131号明細書US Pat. No. 7,302,131 特開2006−162663号公報JP 2006-162663 A

Jin-Ho Lee ,et al., ”Bonding of silicon scanning mirror having vertical comb fingers” J. Micromech. Microeng. Vol.12(2002)pp.644-649Jin-Ho Lee, et al., “Bonding of silicon scanning mirror having vertical comb fingers” J. Micromech. Microeng. Vol.12 (2002) pp.644-649 Norinao Kouma ,et al., ”Fishbone-shaped vertical comb actuator for dual-axis 1-D analog micromirror array” The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005, 2E4.132Norinao Kouma, et al., “Fishbone-shaped vertical comb actuator for dual-axis 1-D analog micromirror array” The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005, 2E4.132

しかしながら、従来のFishbone型のMEMS素子においても、可動櫛歯電極を含む可動部が面内で意図せぬ回転をした場合に、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との距離に非対称性が発生してしまい、面内プルインが発生する場合があるという問題があった。   However, even in the conventional Fishbone type MEMS element, when the movable part including the movable comb electrode rotates unintentionally in the plane, the asymmetry occurs in the distance between the movable comb electrode and the fixed comb electrode. As a result, in-plane pull-in may occur.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、面内プルインの発生をより確実に抑制できるMEMS素子、ならびにこれを用いた可動式ミラーおよび光スイッチ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a MEMS element that can more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in, and a movable mirror and an optical switch device using the MEMS element.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るMEMS素子は、所定の間隔を有して配置された固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを備え、前記可動櫛歯電極が可動基準面に対して角度をなす方向に移動するMEMS素子であって、前記固定櫛歯電極および前記可動櫛歯電極の静電引力作用面が、前記可動基準面内において円弧形状を有していることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a MEMS element according to the present invention includes a fixed comb electrode and a movable comb electrode arranged at a predetermined interval, and the movable comb electrode Is a MEMS element that moves in a direction that makes an angle with respect to the movable reference plane, and the electrostatic attraction acting surface of the fixed comb electrode and the movable comb electrode has an arc shape in the movable reference plane It is characterized by.

また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記静電力作用面の円弧形状の中心が、前記可動基準面内において前記可動櫛歯電極が回転する際の回転軸と一致することを特徴とする。   Further, in the MEMS element according to the present invention, in the above invention, the center of the arc shape of the electrostatic force acting surface is coincident with a rotation axis when the movable comb electrode rotates in the movable reference plane. Features.

また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、複数の組の前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とを備え、複数の前記静電力作用面の円弧形状の中心が全て同一であることを特徴とする。   Further, the MEMS element according to the present invention includes a plurality of sets of the fixed comb electrodes and the movable comb electrodes in the above-described invention, and the arc-shaped centers of the plurality of electrostatic force acting surfaces are all the same. It is characterized by being.

また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とが、前記可動基準面に垂直な方向においてギャップを有することを特徴とする。   The MEMS element according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the fixed comb electrode and the movable comb electrode have a gap in a direction perpendicular to the movable reference plane.

また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極に対して固定され前記可動櫛歯電極の移動の軸となる軸体と、前記軸体に支持され、前記可動櫛歯電極が設けられた可動アームとを備え、前記静電力作用面の円弧形状の中心は、前記軸体と前記可動アームとの交点と一致することを特徴とする。   The MEMS element according to the present invention is the above-described invention, wherein the MEMS element is fixed to the fixed comb electrode and serves as an axis of movement of the movable comb electrode; A movable arm provided with a tooth electrode, and the center of the arc shape of the electrostatic force acting surface coincides with the intersection of the shaft and the movable arm.

また、本発明に係るMEMS素子は、上記の発明において、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極との間隔が、前記軸体からの離隔距離に応じて大きくなっていることを特徴とする。   In the MEMS device according to the present invention, the distance between the fixed comb electrode and the movable comb electrode is increased according to a separation distance from the shaft body. .

また、本発明に係る可動式ミラーは、上記の発明のいずれか一つに記載のMEMS素子と、前記MEMS素子の前記可動櫛歯電極に対して固定されたミラーと、を備えることを特徴とする。   Moreover, the movable mirror which concerns on this invention is equipped with the MEMS element as described in any one of said invention, and the mirror fixed with respect to the said movable comb-tooth electrode of the said MEMS element, It is characterized by the above-mentioned. To do.

また、本発明に係る光スイッチ装置は、上記の発明に記載の可動式ミラーを備えることを特徴とする。   An optical switch device according to the present invention includes the movable mirror described in the above invention.

本発明によれば、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極の静電力作用面が、可動基準面内において円弧形状を有しているので、面内プルインの発生をより確実に抑制できるという効果を奏する。   According to the present invention, since the electrostatic force acting surfaces of the fixed comb electrode and the movable comb electrode have an arc shape in the movable reference plane, it is possible to more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in. Play.

図1は、実施の形態1に係るMEMS素子を備えた可動式ミラーの模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a movable mirror provided with the MEMS element according to the first embodiment. 図2は、図1に示す可動式ミラーの模式的な平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of the movable mirror shown in FIG. 図3は、図2に示す可動式ミラーのA−A線断面図である。3 is a cross-sectional view taken along line AA of the movable mirror shown in FIG. 図4は、図1に示す可動式ミラーの動作を説明する説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the movable mirror shown in FIG. 図5は、図1に示す可動式ミラーの各櫛歯電極の形状を説明する説明図である。FIG. 5 is an explanatory view for explaining the shape of each comb electrode of the movable mirror shown in FIG. 図6は、比較例として従来の可動式ミラーにおいて面内回転が発生した場合について説明する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a case where in-plane rotation occurs in a conventional movable mirror as a comparative example. 図7は、図1に示す可動式ミラーにおいて面内回転が発生した場合について説明する説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a case where in-plane rotation occurs in the movable mirror shown in FIG. 図8は、図1に示す可動式ミラーの製造方法を説明する説明図である。FIG. 8 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the movable mirror shown in FIG. 図9は、図1に示す可動式ミラーの製造方法を説明する説明図である。FIG. 9 is an explanatory view for explaining a method of manufacturing the movable mirror shown in FIG. 図10は、図1に示す可動式ミラーの製造方法を説明する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing the movable mirror shown in FIG. 図11は、図1に示す可動式ミラーの製造方法を説明する説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a method of manufacturing the movable mirror shown in FIG. 図12は、実施の形態2に係る可動式ミラーの構成および動作を説明する説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating the configuration and operation of the movable mirror according to the second embodiment. 図13は、実施の形態3に係る可動式ミラーの構成および動作を説明する説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating the configuration and operation of the movable mirror according to the third embodiment. 図14は、実施の形態4に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of the optical switch device according to the fourth embodiment. 図15は、図14に示す光スイッチ装置の動作を説明する説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the operation of the optical switch device shown in FIG.

以下に、図面を参照して本発明に係るMEMS素子、可動式ミラー、および光スイッチ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。   Hereinafter, embodiments of a MEMS element, a movable mirror, and an optical switch device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of each layer, the ratio of each layer, and the like may differ from the actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る、静電アクチュエータとしてのMEMS素子を備えた可動式ミラー100の模式図である。また、図2は、図1に示す可動式ミラー100の模式的な平面図である。また、図3は、図2に示す可動式ミラー100のA−A線断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a movable mirror 100 including a MEMS element as an electrostatic actuator according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of the movable mirror 100 shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of the movable mirror 100 shown in FIG.

図1〜図3を用いて可動式ミラー100の構成について説明する。まず、図1に示すように、この可動式ミラー100は、SOI(Silicon On Insulator)基板を材料にして形成された3層からなる基板を利用して形成されている。その3層基板は、Siからなる裏面導電層としての支持層L1、SiOからなる絶縁層としてのBox(Buried oxide)層L2、Siからなる表面導電層としての活性層L3で構成される。なお、各層の厚さについては、支持層L1が140μm、Box層L2が1μm、活性層L3が60μmであるが、特に限定はされない。 The configuration of the movable mirror 100 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 1, the movable mirror 100 is formed by using a three-layer substrate formed by using an SOI (Silicon On Insulator) substrate as a material. Its three-layer substrate is constituted by the active layer L3 as a surface conductive layer made of Box (Buried Oxide) layer L2, Si as a support layer L1, an insulating layer made of SiO 2 as a back-surface conductive layer made of Si. The thickness of each layer is not particularly limited, although the support layer L1 is 140 μm, the box layer L2 is 1 μm, and the active layer L3 is 60 μm.

そして、可動式ミラー100は、固定基部10と、可動部20とを備えている。固定基部10は、支持層L1、Box層L2、および活性層L3の積層構造からなる。一方、可動部20は活性層L3のみからなる。   The movable mirror 100 includes a fixed base portion 10 and a movable portion 20. The fixed base 10 has a laminated structure of a support layer L1, a Box layer L2, and an active layer L3. On the other hand, the movable part 20 consists only of the active layer L3.

つぎに、図2に示すように、固定基部10は、2つの固定アーム11aを有するコの字型の支持部11と、支持部11の2つの固定アーム11aの内側に、それぞれ6本ずつ設けられた固定櫛歯電極12と、2つの固定アーム11aの先端部間に架け渡すように設けられた軸体としてのトーションバー13とを備える。トーションバー13のサイズは、たとえば長さ約75μm、幅約5μm、厚さ約4μmであるが、特に限定はされない。なお、固定櫛歯電極12のサイズは、たとえば全体の幅約10μm、長さ約60μmであるが、その形状については後述する。   Next, as shown in FIG. 2, six fixed bases 10 are provided inside each of the U-shaped support part 11 having two fixed arms 11 a and the two fixed arms 11 a of the support part 11. The fixed comb-teeth electrode 12 is provided, and a torsion bar 13 as a shaft provided so as to be bridged between the tip ends of the two fixed arms 11a. The size of the torsion bar 13 is, for example, about 75 μm long, about 5 μm wide, and about 4 μm thick, but is not particularly limited. The size of the fixed comb electrode 12 is, for example, an overall width of about 10 μm and a length of about 60 μm, and the shape will be described later.

また、可動部20は、トーションバー13に支持され、トーションバー13から2つの固定アーム11aに略平行に延伸した可動アーム21と、可動アーム21の一端側の両側に6本ずつ設けられた可動櫛歯電極22と、可動アーム21の他端側に設けられたミラー部23とを備える。なお、可動櫛歯電極22のサイズは、たとえば全体の幅約10μm、長さ約60μmであるが、その形状については後述する。   The movable portion 20 is supported by the torsion bar 13, and a movable arm 21 extending from the torsion bar 13 substantially parallel to the two fixed arms 11 a and six movable arms provided on both sides on one end side of the movable arm 21. A comb electrode 22 and a mirror portion 23 provided on the other end side of the movable arm 21 are provided. The size of the movable comb electrode 22 is, for example, about 10 μm in width and about 60 μm in length, and the shape will be described later.

また、図3に示すように、可動櫛歯電極22は、固定櫛歯電極12と所定の間隔G1を有して噛み合うように配置されている。間隔G1の値はたとえば10μmである。ミラー部23の幅は約100μm、長さは約500μmである。また、ミラー部23の上面23aには金ミラーが成膜されている(以下、金ミラー面23aと称する)。   Further, as shown in FIG. 3, the movable comb electrode 22 is disposed so as to mesh with the fixed comb electrode 12 with a predetermined gap G1. The value of the gap G1 is, for example, 10 μm. The mirror part 23 has a width of about 100 μm and a length of about 500 μm. A gold mirror is formed on the upper surface 23a of the mirror portion 23 (hereinafter referred to as a gold mirror surface 23a).

すなわち、この可動式ミラー100は、固定櫛歯電極12を備える固定基部10と可動櫛歯電極22を備える可動部20とからなるMEMS素子に、可動櫛歯電極22に対して固定された金ミラー面23aが形成されることによって、可動式ミラーとして構成されている。   That is, this movable mirror 100 is a gold mirror fixed to a movable comb electrode 22 on a MEMS element including a fixed base 10 having a fixed comb electrode 12 and a movable portion 20 having a movable comb electrode 22. By forming the surface 23a, it is configured as a movable mirror.

なお、以下では、固定櫛歯電極12の延伸方向と配列方向がなす面およびこれに平行な面、すなわち、図2における紙面に平行な面を可動基準面とし、図3のように符号Sで示すものとする。固定櫛歯電極12と前記可動櫛歯電極22とは、可動基準面Sに垂直な方向において、Box層L2の厚さの分だけギャップを有しており、段差櫛歯構造を形成している。   In the following, a plane formed by the extending direction and the arrangement direction of the fixed comb electrodes 12 and a plane parallel thereto, that is, a plane parallel to the paper surface in FIG. Shall be shown. The fixed comb electrode 12 and the movable comb electrode 22 have a gap corresponding to the thickness of the Box layer L2 in the direction perpendicular to the movable reference plane S, thereby forming a stepped comb structure. .

つぎに、この可動式ミラー100の動作について説明する。図4は、可動式ミラー100の動作を説明する説明図である。なお、図4は、可動式ミラー100を側面側からみたものである。   Next, the operation of the movable mirror 100 will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the movable mirror 100. 4 shows the movable mirror 100 as viewed from the side.

まず、Box層L2により絶縁されている活性層L3と支持層L1との間に電圧信号を印加する。すると、活性層L3からなる可動櫛歯電極22と、固定櫛歯電極12との間に静電引力が作用する。なお、この静電引力は、特に、各固定櫛歯電極12の側面である静電引力作用面12aと、これに対向する各可動櫛歯電極22の側面である静電引力作用面22aと間に作用する。これによって、可動櫛歯電極22は固定櫛歯電極12に引き寄せられる。   First, a voltage signal is applied between the active layer L3 insulated by the Box layer L2 and the support layer L1. Then, electrostatic attraction acts between the movable comb electrode 22 made of the active layer L3 and the fixed comb electrode 12. This electrostatic attraction is particularly between the electrostatic attraction acting surface 12a, which is the side surface of each fixed comb electrode 12, and the electrostatic attraction acting surface 22a, which is the side surface of each movable comb electrode 22, facing this. Act on. As a result, the movable comb electrode 22 is attracted to the fixed comb electrode 12.

ここで、可動櫛歯電極22が設けられた可動アーム21は、固定櫛歯電極12に対して固定されたトーションバー13に支持されている。その結果、可動櫛歯電極22が引き寄せられると、ミラー部23も含めた可動部20の全体がトーションバー13を軸として、矢印Ar1が示す方向に、所定の角度範囲内で回転する。この回転の角度は、活性層L3と支持層L1との間に印加する電圧信号の大きさに応じたものとなる。なお、図4中の破線で示した要素は、可動部20が4度だけ回転するように動作させた状態における、可動櫛歯電極22およびミラー部23の位置を示したものである。このように、可動櫛歯電極22は可動基準面Sに対して角度をなす方向に移動する。   Here, the movable arm 21 provided with the movable comb electrode 22 is supported by a torsion bar 13 fixed to the fixed comb electrode 12. As a result, when the movable comb electrode 22 is attracted, the entire movable portion 20 including the mirror portion 23 rotates within a predetermined angular range about the torsion bar 13 in the direction indicated by the arrow Ar1. The angle of this rotation depends on the magnitude of the voltage signal applied between the active layer L3 and the support layer L1. In addition, the element shown with the broken line in FIG. 4 has shown the position of the movable comb electrode 22 and the mirror part 23 in the state operated so that the movable part 20 may rotate only 4 degree | times. Thus, the movable comb electrode 22 moves in a direction that forms an angle with respect to the movable reference plane S.

また、可動部20が回転した際には、トーションバー13はねじれるため、内部応力を蓄える。したがって、電圧信号の印加を止めると、可動部20は、トーションバー13の内部応力を復元力として電圧信号印加前の位置へと復元する。このようにして、この可動式ミラー100は、固定櫛歯電極12と可動櫛歯電極22とを備えるMEMS素子の静電アクチュエータとしての作用によって、金ミラー面23aの角度を所望の角度に可動することができる。   Moreover, when the movable part 20 rotates, the torsion bar 13 is twisted, so that internal stress is accumulated. Therefore, when the application of the voltage signal is stopped, the movable part 20 restores to the position before the voltage signal application using the internal stress of the torsion bar 13 as a restoring force. In this manner, the movable mirror 100 moves the angle of the gold mirror surface 23a to a desired angle by the action as an electrostatic actuator of the MEMS element including the fixed comb electrode 12 and the movable comb electrode 22. be able to.

つぎに、固定櫛歯電極12および可動櫛歯電極22の形状について説明する。図5は、可動式ミラー100の各櫛歯電極の形状を説明する説明図である。なお、図5において、可動式ミラー100は可動基準面Sに垂直な方向からみたものである。図5に示すように、各固定櫛歯電極12と各可動櫛歯電極22とは、いずれも、可動基準面S内において、トーションバー13と可動アーム21との交点を中心Oとした各同心円Cに沿って、等幅であり、かつ円弧形状を有するように形成されている。これによって、この可動式ミラー100は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなっている。   Next, the shapes of the fixed comb electrode 12 and the movable comb electrode 22 will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the shape of each comb electrode of the movable mirror 100. In FIG. 5, the movable mirror 100 is viewed from a direction perpendicular to the movable reference plane S. As shown in FIG. 5, each fixed comb electrode 12 and each movable comb electrode 22 are each concentric circles around the intersection O of the torsion bar 13 and the movable arm 21 in the movable reference plane S. Along the C, it is formed to have an equal width and an arc shape. As a result, the movable mirror 100 can more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in.

以下、具体的に説明する。まず、本実施の形態1に係る可動式ミラー100のような構造では、活性層L3と支持層L1との間に電圧信号を印加したときに、その構造のわずかな非対称性や摂動などによって、可動部20が可動基準面S内で回転(面内回転)する場合がある。この場合、回転軸は、たとえばトーションバー13と可動アーム21との交点となる。   This will be specifically described below. First, in the structure like the movable mirror 100 according to the first embodiment, when a voltage signal is applied between the active layer L3 and the support layer L1, due to slight asymmetry or perturbation of the structure, The movable part 20 may rotate within the movable reference plane S (in-plane rotation). In this case, the rotation axis is, for example, an intersection between the torsion bar 13 and the movable arm 21.

図6は、比較例として、可動式ミラー100と略同様の構造であるが、固定櫛歯電極および可動櫛歯電極が直線状であるような従来の可動式ミラーにおいて、面内回転が発生した場合について説明する説明図である。図6に示すように、固定アーム71に設けられた固定櫛歯電極72に対して、可動櫛歯電極82が設けられた可動アーム81が、破線で示したようにわずかでも面内回転すると、固定櫛歯電極72の静電引力作用面72aと可動櫛歯電極82の静電引力作用面82aとの間隔が近づく。その結果、静電引力はその回転をますます強める方向に働くこととなり、さらに可動櫛歯電極82と可動アーム81とを回転させる。すなわち、静電引力によって面内回転に正のフィードバックが働くため、可動櫛歯電極82は固定櫛歯電極72にますます近づき、面内プルインが発生しやすくなる。   FIG. 6 shows, as a comparative example, a structure substantially similar to that of the movable mirror 100, but in-plane rotation occurred in a conventional movable mirror in which the fixed comb electrode and the movable comb electrode are linear. It is explanatory drawing explaining a case. As shown in FIG. 6, when the movable arm 81 provided with the movable comb electrode 82 rotates slightly in the plane as shown by the broken line with respect to the fixed comb electrode 72 provided on the fixed arm 71, The distance between the electrostatic attraction acting surface 72a of the fixed comb electrode 72 and the electrostatic attraction acting surface 82a of the movable comb electrode 82 approaches. As a result, the electrostatic attractive force acts in the direction of increasing the rotation, and further rotates the movable comb electrode 82 and the movable arm 81. That is, since positive feedback acts on the in-plane rotation due to electrostatic attraction, the movable comb electrode 82 becomes closer to the fixed comb electrode 72 and in-plane pull-in is likely to occur.

これに対して、図7は、可動式ミラー100において面内回転が発生した場合について説明する説明図である。図7に示すように、固定アーム11aに設けられた固定櫛歯電極12の静電引力作用面12aと、可動アーム21に設けられた可動櫛歯電極22の静電引力作用面22aとは、いずれも図5に示す中心Oを中心とする同心円に沿った円弧形状を有している。   On the other hand, FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a case where in-plane rotation occurs in the movable mirror 100. As shown in FIG. 7, the electrostatic attractive force acting surface 12a of the fixed comb electrode 12 provided on the fixed arm 11a and the electrostatic attractive force acting surface 22a of the movable comb electrode 22 provided on the movable arm 21 are: Each of them has an arc shape along a concentric circle centered on the center O shown in FIG.

したがって、固定櫛歯電極12に対して、可動櫛歯電極22および可動アーム21が、破線で示したように面内回転しても、静電引力作用面22aは、当該同心円上を移動するだけである。このため、静電引力作用面12aと静電引力作用面22aとの間隔G1は殆ど変化しない。その結果、静電引力によって回転に正のフィードバックが働かないため、可動櫛歯電極22が固定櫛歯電極12にますます近づくようなことは発生しないので、面内プルインの発生がより確実に抑制されるのである。   Therefore, even if the movable comb electrode 22 and the movable arm 21 rotate in-plane with respect to the fixed comb electrode 12 as indicated by the broken line, the electrostatic attractive force acting surface 22a only moves on the concentric circle. It is. For this reason, the gap G1 between the electrostatic attractive force acting surface 12a and the electrostatic attractive force acting surface 22a hardly changes. As a result, positive feedback does not act on the rotation due to electrostatic attraction, so that the movable comb electrode 22 does not approach the fixed comb electrode 12 more and more, so the occurrence of in-plane pull-in is more reliably suppressed. It is done.

なお、この可動式ミラー100の活性層L3と支持層L1との間に200Vの電圧を印加するシミュレーション計算を行なったところ、可動部20は、トーションバー13を中心軸として、実用的な回転角度である約6度だけ回転し、可動櫛歯電極22は最大で40μm程度移動した。これに対して、可動基準面Sにおける可動櫛歯電極22の変位は最大で1μm程度であり、面内回転は殆ど起こっていないことが確認された。   In addition, when a simulation calculation was performed in which a voltage of 200 V was applied between the active layer L3 and the support layer L1 of the movable mirror 100, the movable portion 20 has a practical rotation angle with the torsion bar 13 as the central axis. The movable comb electrode 22 was moved by about 40 μm at the maximum. On the other hand, the displacement of the movable comb electrode 22 on the movable reference plane S is about 1 μm at the maximum, and it was confirmed that almost no in-plane rotation occurred.

以上説明したように、本実施の形態1に係る可動式ミラー100は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。   As described above, the movable mirror 100 according to the first embodiment can more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in.

なお、本実施の形態1では、固定櫛歯電極12および可動櫛歯電極22を等幅の形状としているので、櫛歯をより多数、高密度で配置することができるため、小型化が可能である。また、櫛歯が先細形状となっている場合と比較して先端部に欠けが発生しにくいため、製造歩留まりがより高いものとなる。   In the first embodiment, the fixed comb electrode 12 and the movable comb electrode 22 have the same width, so that a larger number of comb teeth can be arranged at a high density, and the size can be reduced. is there. Further, since the tip portion is less likely to be chipped as compared with the case where the comb teeth have a tapered shape, the manufacturing yield is higher.

(製造方法)
つぎに、本実施の形態1に係る可動式ミラー100の製造方法の一例について説明する。ここでは、金ミラー面23aの成膜について記載しないが、必要に応じて適宜そのプロセスを行う。以下では、図3に示す可動式ミラー100のA−A線断面の端面に則して説明を行なうものとする。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the movable mirror 100 according to the first embodiment will be described. Here, the film formation of the gold mirror surface 23a is not described, but the process is appropriately performed as necessary. Hereinafter, description will be made in accordance with the end surface of the cross section along line AA of the movable mirror 100 shown in FIG.

図8〜図11は、可動式ミラー100の製造方法を説明する説明図である。はじめに、図8に示すように、Siからなる支持層L1、SiOからなるBox層L2、およびSiからなる活性層L3を備える、たとえば直径4インチ(101.6mm)のSOI基板Sを準備する。つぎに、支持層L1、活性層L3の表面に、たとえば厚さ1.5μm程度の酸化膜O1、O2をそれぞれ形成する。以下、活性層L3側の表面を上面、支持層L1側の表面を下面と適宜記載する。 8-11 is explanatory drawing explaining the manufacturing method of the movable mirror 100. FIG. First, as shown in FIG. 8, Box layer L2 comprising a supporting layer L1, SiO 2 consisting of Si, and an active layer L3 made of Si, for example, an SOI substrate S 4 inch diameter (101.6 mm) . Next, oxide films O1 and O2 having a thickness of, for example, about 1.5 μm are formed on the surfaces of the support layer L1 and the active layer L3, respectively. Hereinafter, the surface on the active layer L3 side is appropriately described as the upper surface, and the surface on the support layer L1 side is appropriately described as the lower surface.

つぎに、上面にポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行う。そのレジストパターンを利用して、上面の酸化膜O2のSiOエッチングを行う。そして、上面に塗布したレジストを剥離する。図9の上側の図は、上面に塗布したレジストの剥離後のSOI基板Sを示している。このとき、酸化膜O2をエッチングする領域は、トーションバー13を形成すべき付近の領域である。 Next, a positive resist is applied to the upper surface, and exposure and development are performed using an exposure mask. By utilizing the resist pattern, performing SiO 2 etching the oxide film O2 of the upper surface. Then, the resist applied on the upper surface is peeled off. The upper diagram in FIG. 9 shows the SOI substrate S after the resist applied on the upper surface is removed. At this time, the region where the oxide film O2 is etched is a region in the vicinity where the torsion bar 13 is to be formed.

同様に、下面にポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行う。そのレジストパターンを利用して、下面の酸化膜O1のSiOエッチングを行う。そして、下面に塗布したレジストを剥離する。図9の下側の図は、下面に塗布したレジストの剥離後のSOI基板Sを示している。このとき、酸化膜O1をエッチングする際は、固定櫛歯電極12と固定基部10の領域の酸化膜O1が残るようにする。 Similarly, a positive resist is applied to the lower surface, and exposure and development are performed using an exposure mask. Using the resist pattern, SiO 2 etching of the oxide film O1 on the lower surface is performed. Then, the resist applied on the lower surface is peeled off. The lower diagram in FIG. 9 shows the SOI substrate S after the resist applied on the lower surface is removed. At this time, when the oxide film O1 is etched, the oxide film O1 in the region of the fixed comb electrode 12 and the fixed base portion 10 is left.

つぎに、図10に示すように、上面に再びポジ型のレジストを塗布し、露光用マスクを用いて露光および現像を行い、レジストパターンR1を形成する。つぎに、このレジストパターンR1を利用して、上面の酸化膜O2のSiOエッチングを行う。このとき、酸化膜O2をエッチングする際は、支持部11とトーションバー13と可動アーム21と可動櫛歯電極22とミラー部23の領域の酸化膜O2が残るようにする。 Next, as shown in FIG. 10, a positive resist is applied again on the upper surface, and exposure and development are performed using an exposure mask to form a resist pattern R1. Next, SiO 2 etching of the oxide film O2 on the upper surface is performed using the resist pattern R1. At this time, when the oxide film O2 is etched, the oxide film O2 in the regions of the support portion 11, the torsion bar 13, the movable arm 21, the movable comb electrode 22, and the mirror portion 23 is left.

つぎに、先ほどのレジストパターンR1を利用して、活性層L3のドライエッチングを行い、レジストパターンR1を剥離する。なお、ドライエッチングについては、サイドエッチングを防止するために、反応性ガスとしてSFガスやCF系ガスを用いた誘起結合プラズマによる反応性イオンエッチング(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching、ICP−RIE)を用いることが好ましい。また、反応性ガスにOガスを加えるいわゆるBosch法を用いれば、サイドエッチングがさらに防止され、パターン孔を高精度で形成できるのでさらに好ましい。 Next, dry etching of the active layer L3 is performed using the resist pattern R1 and the resist pattern R1 is peeled off. As for dry etching, in order to prevent side etching, reactive ion etching (ICP-RIE) using inductively coupled plasma using SF 6 gas or CF-based gas as a reactive gas. Is preferably used. Further, it is more preferable to use the so-called Bosch method in which O 2 gas is added to the reactive gas, because side etching is further prevented and the pattern hole can be formed with high accuracy.

つぎに、図11に示すように、上面の酸化膜O2のパターンを用いて、トーションバー13が所望の厚さになるように活性層L3のドライエッチングを行う。ここでは、トーションバー13に該当する領域の活性層L3がエッチングされる。   Next, as shown in FIG. 11, the active layer L3 is dry-etched using the pattern of the oxide film O2 on the upper surface so that the torsion bar 13 has a desired thickness. Here, the active layer L3 in the region corresponding to the torsion bar 13 is etched.

つぎに、下面の酸化膜O1のパターンを用いて、支持層L1のドライエッチングを行う。そして、上面の酸化膜O2と、下面の酸化膜O1と、Box層L2の外に露出している領域のSiO2をエッチングし、余分な酸化膜の除去と可動部分のリリースを行う。以上説明したプロセスによって、本実施の形態1に係る可動式ミラー100を製造することができる。   Next, the support layer L1 is dry-etched using the pattern of the oxide film O1 on the lower surface. Then, the oxide film O2 on the upper surface, the oxide film O1 on the lower surface, and SiO2 in the region exposed outside the Box layer L2 are etched to remove the excess oxide film and release the movable part. The movable mirror 100 according to the first embodiment can be manufactured by the process described above.

(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2に係る可動式ミラーについて説明する。本実施の形態2に係る可動式ミラーは、実施の形態1に係る可動式ミラー100と略同様の構成を有するが、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極との数が多く、かつ固定櫛歯電極と可動櫛歯電極との間隔が、回転軸となるトーションバーからの離隔距離に応じて大きくなっている点が異なるものである。以下では、かかる相違点について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a movable mirror according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The movable mirror according to the second embodiment has substantially the same configuration as the movable mirror 100 according to the first embodiment, but has a large number of fixed comb electrodes and movable comb electrodes, and fixed comb teeth. The difference is that the distance between the electrode and the movable comb electrode is increased according to the separation distance from the torsion bar serving as the rotation axis. Below, this difference is demonstrated.

図12は、本実施の形態2に係る可動式ミラー200の構成および動作を説明する説明図である。なお、図12は、可動式ミラー200を側面側からみたものである。図12に示すように、この可動式ミラー200では、可動部の回転軸となるトーションバー31に近い固定櫛歯電極32−1と可動櫛歯電極33−1との間隔G2は10μmである。そして、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔はトーションバー31からの離隔距離に略比例して大きくなっており、トーションバー31からもっとも遠い固定櫛歯電極32−11と可動櫛歯電極33−11との間隔G3は15μmとなっている。   FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining the configuration and operation of the movable mirror 200 according to the second embodiment. FIG. 12 shows the movable mirror 200 as viewed from the side. As shown in FIG. 12, in this movable mirror 200, the gap G2 between the fixed comb electrode 32-1 and the movable comb electrode 33-1 close to the torsion bar 31 serving as the rotation axis of the movable part is 10 μm. The distance between the fixed comb electrode 32 and the movable comb electrode 33 is substantially proportional to the separation distance from the torsion bar 31, and the fixed comb electrode 32-11 and the movable comb farthest from the torsion bar 31. The gap G3 with the tooth electrode 33-11 is 15 μm.

この可動式ミラー200は、可動式ミラー100と同様に、電圧信号を印加して動作させると、可動部がトーションバー31を回転軸として回転し、可動櫛歯電極33が、矢印Ar2が示す方向に、可動基準面Sに対して角度をなすように移動する。なお、図12中の破線で示した要素は、可動部が4度だけ回転するように動作させた状態における、可動櫛歯電極33の位置を示したものである。   As with the movable mirror 100, when the movable mirror 200 is operated by applying a voltage signal, the movable portion rotates about the torsion bar 31 as a rotation axis, and the movable comb electrode 33 moves in the direction indicated by the arrow Ar2. Next, it moves so as to form an angle with respect to the movable reference plane S. In addition, the element shown with the broken line in FIG. 12 has shown the position of the movable comb electrode 33 in the state operated so that a movable part may rotate only 4 degree | times.

ここで、可動櫛歯電極33は、トーションバー31から離隔した位置にあるものほど、より長い弧を描くように移動するため、トーションバー31側に位置する固定櫛歯電極32に対してより近づくように移動する。これに対して、この可動式ミラー200では、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔がトーションバー31からの離隔距離に略比例して大きくなっているので、動作時の固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間隔を、トーションバー31からの距離によらず同程度とすることができる。その結果、固定櫛歯電極32と可動櫛歯電極33との間に、位置によらず均等な静電引力を作用させることができる。   Here, as the movable comb electrode 33 moves away from the torsion bar 31 so as to draw a longer arc, the movable comb electrode 33 is closer to the fixed comb electrode 32 located on the torsion bar 31 side. To move. On the other hand, in this movable mirror 200, the distance between the fixed comb electrode 32 and the movable comb electrode 33 is substantially proportional to the separation distance from the torsion bar 31, so that the fixed comb during operation is The interval between the tooth electrode 32 and the movable comb electrode 33 can be made the same regardless of the distance from the torsion bar 31. As a result, an equal electrostatic attraction can be applied between the fixed comb electrode 32 and the movable comb electrode 33 regardless of the position.

したがって、本実施の形態2に係る可動式ミラー200は、面内プルインの発生をより確実に抑制できるとともに、面外プルインもより確実に抑制できるものとなる。   Therefore, the movable mirror 200 according to the second embodiment can more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in and more reliably suppress the out-of-plane pull-in.

(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3に係る可動式ミラーについて説明する。本実施の形態3に係る可動式ミラーは、実施の形態1、2に係る可動式ミラー100、200とは異なり、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが、可動基準面に垂直な方向においてギャップを有さないような段差櫛歯構造を有するMEMS素子を備えるものである。
(Embodiment 3)
Next, a movable mirror according to Embodiment 3 of the present invention will be described. Unlike the movable mirrors 100 and 200 according to the first and second embodiments, the movable mirror according to the third embodiment has a fixed comb electrode and a movable comb electrode in a direction perpendicular to the movable reference plane. A MEMS element having a step comb structure that does not have a gap is provided.

図13は、本実施の形態3に係る可動式ミラー300の構成および動作を説明する説明図である。なお、図13は、可動式ミラー300を側面側からみたものである。図13の上側の図に示すように、この可動式ミラー300は、固定櫛歯電極41と可動櫛歯電極42とが、可動基準面Sに垂直な方向においてギャップを有さないような段差櫛歯構造を有するMEMS素子を備えるものである。なお、この可動式ミラー300は、可動基準面Sに垂直な方向から見ると、図2に示す可動式ミラー100と同様な構造を有している。   FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the configuration and operation of the movable mirror 300 according to the third embodiment. FIG. 13 shows the movable mirror 300 as viewed from the side. As shown in the upper diagram of FIG. 13, the movable mirror 300 includes a step comb in which the fixed comb electrode 41 and the movable comb electrode 42 do not have a gap in the direction perpendicular to the movable reference plane S. A MEMS element having a tooth structure is provided. The movable mirror 300 has the same structure as the movable mirror 100 shown in FIG. 2 when viewed from the direction perpendicular to the movable reference plane S.

つぎに、この可動式ミラー300の動作について説明する。この可動式ミラー300は、電圧信号を印加して動作させると、可動櫛歯電極42が、矢印Ar3が示す方向に、可動基準面Sに対して略垂直の角度をなすように平行移動する。すると、可動櫛歯電極42とを設けられた可動アームは、トーションバーにより支持されているために、固定基部に固定されたトーションバーの部分を支点として回転運動をする。その結果、金ミラー面43aを有し可動アームに接続したミラー部43も矢印Ar4が示す方向に回転し、可動櫛歯電極42の最大変位時には、図13の下側の図に示すような状態となる。   Next, the operation of the movable mirror 300 will be described. When the movable mirror 300 is operated by applying a voltage signal, the movable comb electrode 42 is translated in the direction indicated by the arrow Ar3 so as to form an angle substantially perpendicular to the movable reference plane S. Then, since the movable arm provided with the movable comb electrode 42 is supported by the torsion bar, it rotates with the portion of the torsion bar fixed to the fixed base as a fulcrum. As a result, the mirror part 43 having the gold mirror surface 43a and connected to the movable arm also rotates in the direction indicated by the arrow Ar4, and the state shown in the lower diagram of FIG. It becomes.

したがって、このような段差櫛歯構造を有する可動式ミラー300も、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。   Therefore, the movable mirror 300 having such a stepped comb structure can also more reliably suppress the occurrence of in-plane pull-in.

(実施の形態4)
つぎに、本発明の実施の形態4に係る光スイッチ装置について説明する。本実施の形態4に係る光スイッチ装置は、入力した波長多重光信号から所定の波長の光信号を選択し、その光信号の波長ごとに経路を切り換えて出力する波長選択光スイッチ装置である。
(Embodiment 4)
Next, an optical switch device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The optical switch device according to the fourth embodiment is a wavelength selective optical switch device that selects an optical signal having a predetermined wavelength from an input wavelength-multiplexed optical signal, and switches and outputs a path for each wavelength of the optical signal.

図14は、本実施の形態4に係る光スイッチ装置の構成を示すブロック図である。図14に示すように、この光スイッチ装置1000は、紙面奥行き方向に配列し、各々が異なる経路の光ファイバ伝送路に接続した4本の入出力光ファイバ51〜54と、入出力光ファイバ51〜54に対して順次配置された、アナモルフィックプリズムペア55と、回折格子56と、集光レンズ57と、λ/4波長板58と、実施の形態1に係る可動式ミラー100と同様の構成を有し、アレイ状に配置された3つの可動式ミラー102〜104とを備えている。さらに、この光スイッチ装置1000は、3つの可動式ミラー102〜104を制御するためのモニタ素子59と制御回路60とを備えている。なお、実際には回折格子56において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア55から可動式ミラー102〜104までの各素子は回折格子56の前後で角度を持って配置されるが、図14においては、簡略化のために直列に配置して示している。   FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of the optical switch device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 14, the optical switch device 1000 includes four input / output optical fibers 51 to 54 that are arranged in the depth direction of the drawing and are connected to different optical fiber transmission paths, and the input / output optical fiber 51. To anamorphic prism pair 55, diffraction grating 56, condenser lens 57, λ / 4 wavelength plate 58, and movable mirror 100 according to the first embodiment, which are sequentially arranged with respect to ˜54. It has a configuration and includes three movable mirrors 102 to 104 arranged in an array. The optical switch device 1000 further includes a monitor element 59 and a control circuit 60 for controlling the three movable mirrors 102 to 104. Since the optical path is actually bent in the diffraction grating 56, each element from the anamorphic prism pair 55 to the movable mirrors 102 to 104 is arranged with an angle before and after the diffraction grating 56. FIG. In FIG. 1, they are arranged in series for simplification.

つぎに、光スイッチ装置1000の動作について説明する。図15は、図14に示す光スイッチ装置1000の動作を説明する説明図である。なお、図15は、光スイッチ装置1000を図14の方向とは垂直の方向から見た図である。はじめに、入出力光ファイバ51は、或る光ファイバ伝送路を伝送して入力した波長多重光信号OS1をアナモルフィックプリズムペア55に出力する。アナモルフィックプリズムペア55は、波長多重光信号OS1のビーム径を、回折格子56の格子の配列方向に広げて、波長多重光信号OS1が多くの格子に当たるように、波長選択の分解能を高めるようにしている。回折格子56は、入射した波長多重光信号OS1に含まれる所定の波長の光信号OS1aを所定の角度に出力する。集光レンズ57は、λ/4波長板58を通して、光信号OS1aを可動式ミラー102に集光する。   Next, the operation of the optical switch device 1000 will be described. FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the operation of the optical switch device 1000 shown in FIG. FIG. 15 is a diagram of the optical switch device 1000 viewed from a direction perpendicular to the direction of FIG. First, the input / output optical fiber 51 outputs the wavelength-multiplexed optical signal OS <b> 1 transmitted through a certain optical fiber transmission line to the anamorphic prism pair 55. The anamorphic prism pair 55 expands the beam diameter of the wavelength multiplexed optical signal OS1 in the grating arrangement direction of the diffraction grating 56 so as to increase the resolution of wavelength selection so that the wavelength multiplexed optical signal OS1 hits many gratings. I have to. The diffraction grating 56 outputs an optical signal OS1a having a predetermined wavelength included in the incident wavelength multiplexed optical signal OS1 at a predetermined angle. The condensing lens 57 condenses the optical signal OS 1 a on the movable mirror 102 through the λ / 4 wavelength plate 58.

可動式ミラー102はそのミラー面によって、集光した光信号OS1aを反射させる。このときの反射光は、反射光信号OS2として、λ/4波長板58、集光レンズ57、回折格子56、アナモルフィックプリズムペア55を順次経由して、入出力光ファイバ52へと入力し、入出力光ファイバ52に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。なお、λ/4波長板58は、光信号OS1aと反射光信号OS2との光の偏光状態が互いに直交するように、その偏光状態を変化させる。これによって、アナモルフィックプリズムペア55および回折格子56の偏波依存性を補償するようにしている。   The movable mirror 102 reflects the collected optical signal OS1a by its mirror surface. The reflected light at this time is input to the input / output optical fiber 52 as the reflected light signal OS2 through the λ / 4 wavelength plate 58, the condenser lens 57, the diffraction grating 56, and the anamorphic prism pair 55 in this order. And output to the optical fiber transmission line connected to the input / output optical fiber 52. Note that the λ / 4 wavelength plate 58 changes the polarization state of the optical signal OS1a and the reflected light signal OS2 so that the polarization states of the light are orthogonal to each other. Thereby, the polarization dependence of the anamorphic prism pair 55 and the diffraction grating 56 is compensated.

また、回折格子56は、波長多重光信号OS1に含まれる他の所定の波長の光信号OS1b、OS1cをそれぞれ他の所定の角度に出力する。各光信号OS1b、OS1cは、それぞれ可動式ミラー103、104で反射され、反射光信号OS3または反射光信号OS4として、λ/4波長板58、集光レンズ57、回折格子56、アナモルフィックプリズムペア55を順次経由して、入出力光ファイバ53または入出力光ファイバ54へと入力し、入出力光ファイバ53または入出力光ファイバ54に接続した光ファイバ伝送路へと出力する。   The diffraction grating 56 outputs optical signals OS1b and OS1c having other predetermined wavelengths included in the wavelength multiplexed optical signal OS1 to other predetermined angles, respectively. The optical signals OS1b and OS1c are reflected by the movable mirrors 103 and 104, respectively, and the reflected light signal OS3 or reflected light signal OS4 is used as a λ / 4 wavelength plate 58, a condensing lens 57, a diffraction grating 56, and an anamorphic prism. The pair 55 is sequentially input to the input / output optical fiber 53 or the input / output optical fiber 54 and output to the input / output optical fiber 53 or the optical fiber transmission line connected to the input / output optical fiber 54.

ここで、可動式ミラー102〜104は、モニタ素子59が反射光信号OS2〜OS4の一部を分岐した光の波長および強度をモニタし、このモニタの結果をもとに可動式ミラー102〜104の各ミラー部を独立に可動させることによって、それぞれの反射光信号OS2〜OS4の反射角度が最適になるように制御される。反射光信号OS2〜OS4の分岐は、たとえば入出力光ファイバ51〜54の一部に分岐カプラを設けたり、光スイッチ装置1000内の適当な位置に分岐用のミラーを設けたりすることによって行うことができる。なお、モニタ素子59は、たとえばAWG(Arrayed Waveguide Grating)素子と複数のフォトダイオードとから構成される。   Here, the movable mirrors 102 to 104 monitor the wavelength and intensity of the light from which the monitor element 59 branches a part of the reflected light signals OS2 to OS4, and the movable mirrors 102 to 104 are based on the results of the monitoring. By independently moving the respective mirror portions, the reflection angles of the respective reflected light signals OS2 to OS4 are controlled to be optimum. The reflected light signals OS2 to OS4 are branched by, for example, providing a branching coupler in a part of the input / output optical fibers 51 to 54 or providing a branching mirror at an appropriate position in the optical switch device 1000. Can do. The monitor element 59 includes, for example, an AWG (Arrayed Waveguide Grating) element and a plurality of photodiodes.

この光スイッチ装置1000は、実施の形態1に係る可動式ミラー100と同様の構成を有する可動式ミラー102〜104を備えているので、面内プルインの発生をより確実に抑制できるものとなる。   Since the optical switch device 1000 includes the movable mirrors 102 to 104 having the same configuration as the movable mirror 100 according to the first embodiment, the occurrence of in-plane pull-in can be more reliably suppressed.

なお、上記実施の形態では、MEMS素子を形成するための材料として、SOI基板を用いているが、絶縁層を介して積層した2つの半導体層を有する他の半導体基板を用いてもよい。また、本発明は、櫛歯電極を噛み合わせた他の構造を形成する場合にも適用することができる。また、基板の材料も他の半導体、金属等の導電性の材質からなるものを用いてもよい。   In the above embodiment, the SOI substrate is used as the material for forming the MEMS element, but another semiconductor substrate having two semiconductor layers stacked with an insulating layer interposed therebetween may be used. The present invention can also be applied to the case of forming other structures in which comb electrodes are meshed. Further, the substrate may be made of a conductive material such as another semiconductor or metal.

また、上記実施の形態では、MEMS素子は固定櫛歯電極と可動櫛歯電極を複数備えているが、その数は限定されず、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを少なくとも1組備えていればよい。   In the above embodiment, the MEMS element includes a plurality of fixed comb electrodes and movable comb electrodes, but the number thereof is not limited and includes at least one set of fixed comb electrodes and movable comb electrodes. Just do it.

また、上記実施の形態では、可動基準面を、固定櫛歯電極の延伸方向と配列方向がなす面により規定しているが、可動基準面の規定はこれに限定されず、たとえばMEMS素子を形成するための材料としての基板の主表面により規定したり、固定櫛歯電極の静電引力作用面に垂直な任意の面により規定したりしてもよい。   In the above embodiment, the movable reference plane is defined by the plane formed by the extending direction of the fixed comb electrodes and the arrangement direction. However, the definition of the movable reference plane is not limited to this. For example, a MEMS element is formed. It may be defined by the main surface of the substrate as a material for the purpose, or may be defined by any surface perpendicular to the electrostatic attractive force acting surface of the fixed comb electrode.

また、上記実施の形態では、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とがいずれも等幅に形成されているが、各櫛歯電極は等幅のものに限らず、櫛歯電極間の静電引力作用面が、可動基準面内において円弧形状を有していればよい。また、各櫛歯電極の円弧形状の中心は、MEMS素子の構造に応じて、可動櫛歯電極の面内回転が発生する際の軸となる部分と一致させることが好ましい。   In the above embodiment, the fixed comb electrode and the movable comb electrode are both formed to have the same width. The attractive force acting surface only needs to have an arc shape in the movable reference surface. Moreover, it is preferable that the center of the arc shape of each comb electrode coincides with a portion that becomes an axis when in-plane rotation of the movable comb electrode occurs according to the structure of the MEMS element.

また、上記実施の形態は、可動式ミラーに係るものであるが、本発明に係るMEMS素子は可動式ミラーに限定されず、他の用途にも適用できる。   Moreover, although the said embodiment concerns a movable mirror, the MEMS element which concerns on this invention is not limited to a movable mirror, It can apply also to another use.

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態4に係る光スイッチ装置に、実施の形態2、3に係る可動式ミラーを適用してもよい。   Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What comprised each component of each said embodiment combining suitably is also contained in this invention. For example, the movable mirror according to the second and third embodiments may be applied to the optical switch device according to the fourth embodiment.

10 固定基部
11 支持部
11a 固定アーム
12、32、41 固定櫛歯電極
12a、22a 静電引力作用面
13、31 トーションバー
20 可動部
21 可動アーム
22、33、42 可動櫛歯電極
23、43 ミラー部
23a、43a 金ミラー面
51〜54 入出力光ファイバ
55 アナモルフィックプリズムペア
56 回折格子
57 集光レンズ
58 λ/4波長板
59 モニタ素子
60 制御回路
100〜300、102〜104 可動式ミラー
1000 光スイッチ装置
Ar1〜Ar4 矢印
E1〜E4 領域
C 同心円
G1〜G3 間隔
H 貫通パターン孔
L1 支持層
L2 BOX層
L3 活性層
M アラインメントマーク
O 中心
O1、O2 熱酸化膜
OS1 波長多重光信号
OS1a〜OS1c 光信号
OS2〜OS4 反射光信号
R1〜R7 レジスト
S SOI基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fixed base part 11 Support part 11a Fixed arm 12, 32, 41 Fixed comb electrode 12a, 22a Electrostatic attraction action surface 13, 31 Torsion bar 20 Movable part 21 Movable arm 22, 33, 42 Movable comb electrode 23, 43 Mirror Portion 23a, 43a Gold mirror surface 51-54 Input / output optical fiber 55 Anamorphic prism pair 56 Diffraction grating 57 Condensing lens 58 λ / 4 wave plate 59 Monitor element 60 Control circuit 100-300, 102-104 Movable mirror 1000 Optical switch device Ar1 to Ar4 Arrow E1 to E4 Region C Concentric circles G1 to G3 Distance H Through pattern hole L1 Support layer L2 BOX layer L3 Active layer M Alignment mark O Center O1, O2 Thermal oxide film OS1 Wavelength multiplexed optical signal OS1a to OS1c Light Signal OS2 to OS4 Reflected light signal R1 ~ R7 resist S SOI substrate

Claims (8)

所定の間隔を有して配置された固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とを備え、前記可動櫛歯電極が可動基準面に対して角度をなす方向に移動するMEMS素子であって、
前記固定櫛歯電極および前記可動櫛歯電極の静電引力作用面が、前記可動基準面内において円弧形状を有していることを特徴とするMEMS素子。
A MEMS element comprising a fixed comb electrode and a movable comb electrode arranged with a predetermined interval, wherein the movable comb electrode moves in a direction that forms an angle with respect to a movable reference plane,
The MEMS element, wherein the electrostatic attractive force acting surfaces of the fixed comb electrode and the movable comb electrode have an arc shape in the movable reference plane.
前記静電力作用面の円弧形状の中心が、前記可動基準面内において前記可動櫛歯電極が回転する際の回転軸と一致することを特徴とする請求項1に記載のMEMS素子。   The MEMS element according to claim 1, wherein the center of the arc shape of the electrostatic force acting surface coincides with a rotation axis when the movable comb electrode rotates in the movable reference plane. 複数の組の前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とを備え、複数の前記静電力作用面の円弧形状の中心が全て同一であることを特徴とする請求項2に記載のMEMS素子。   3. The MEMS element according to claim 2, comprising a plurality of sets of the fixed comb electrodes and the movable comb electrodes, wherein the arc-shaped centers of the plurality of electrostatic force acting surfaces are all the same. 前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とが、前記可動基準面に垂直な方向においてギャップを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載のMEMS素子。   The MEMS element according to claim 1, wherein the fixed comb electrode and the movable comb electrode have a gap in a direction perpendicular to the movable reference plane. 前記固定櫛歯電極に対して固定され前記可動櫛歯電極の移動の軸となる軸体と、前記軸体に支持され、前記可動櫛歯電極が設けられた可動アームとを備え、前記静電力作用面の円弧形状の中心は、前記軸体と前記可動アームとの交点と一致することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載のMEMS素子。   A shaft body fixed to the fixed comb electrode and serving as an axis of movement of the movable comb electrode; and a movable arm supported by the shaft body and provided with the movable comb electrode. The MEMS element according to claim 1, wherein a center of the arc shape of the working surface coincides with an intersection of the shaft body and the movable arm. 前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極との間隔が、前記軸体からの離隔距離に応じて大きくなっていることを特徴とする請求項5に記載のMEMS素子。   The MEMS element according to claim 5, wherein an interval between the fixed comb electrode and the movable comb electrode is increased in accordance with a separation distance from the shaft body. 請求項1〜6のいずれか一つに記載のMEMS素子と、
前記MEMS素子の前記可動櫛歯電極に対して固定されたミラーと、
を備えることを特徴とする可動式ミラー。
The MEMS element according to any one of claims 1 to 6,
A mirror fixed to the movable comb electrode of the MEMS element;
A movable mirror comprising:
請求項7に記載の可動式ミラーを備えることを特徴とする光スイッチ装置。   An optical switch device comprising the movable mirror according to claim 7.
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