JP2004177649A

JP2004177649A - 可変光減衰器

Info

Publication number: JP2004177649A
Application number: JP2002343581A
Authority: JP
Inventors: Akira Yahagi; 晃矢作; Shigeru Kasai; 茂葛西; Tatsumi Ide; 立身井手; Mitsukazu Kondo; 充和近藤
Original assignee: NEC Tokin Iwate Ltd; NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp; NEC Tokin Iwate Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US6950596B2; EP1426797A1; US20040101245A1; KR20040047604A; CN1503023A

Abstract

【課題】駆動電流に対して線形な減衰特性を示し且つ減衰量の波長依存性が小さく、安価な磁気駆動型の可変光減衰器を提供すること。
【解決手段】入射光を伝搬する入力光ファイバ１と、該入力光ファイバ１によって導かれた光を反射させる反射用ミラー７と、該反射用ミラー７により反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバ２と、反射用ミラー７を回転変位させる機械式アクチュエータ４とを具備する可変光減衰器であって、前記機械式アクチュエータ４は、ヒンジばね部を有し反射用ミラー７および空芯コイルを固定配置した可動金属板５と、前記空芯コイルの位置に磁場を生成するように配置された永久磁石と、可動金属板５および前記永久磁石を配設する筐体９と、前記筐体とは電気的に絶縁され前記空芯コイルと電気的に導通する駆動電流印加用端子１１とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムにおいて使用される光部品に関し、特に、電気的に光の強度を調整する可変光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可変光減衰器としてよく利用されている方式は磁気光学式である。この可変光減衰器を図面に基づき説明する。図９は、従来の可変光減衰器を示す模式的断面図である。
【０００３】
図９の例は、複屈折くさび板などの偏光子によって分岐した光を磁気光学結晶に通し、再び偏光子に通して合波するもので、光の合波する量は磁気光学結晶に印加する磁場方向の変化により調整できるという特徴がある。これは、光の偏波方向が磁気光学結晶内部で回転するファラデー効果を利用すると共に、そのファラデー回転の大きさが、光の進行方向に対する飽和磁化ベクトルの方向に依存することを利用している。
【０００４】
構成部品は入射光ファイバ１０１、第一レンズ１０２、第一複屈折くさび板１０３、ファラデー回転子１０４、第二複屈折くさび板１０５、第二レンズ１０６、出射光ファイバ１０７、永久磁石１０８、電磁石１０９である。
【０００５】
この電磁石１０９に加える電流によって、出射光ファイバ１０７に結合する光強度を調整することができる。
【０００６】
この技術は、例えば、次の特許文献１に開示されているとおりなので、詳細な説明は省略する。
【０００７】
【特許文献１】
特公平０４−２９３４号公報
【０００８】
また、マイクロマシンの可動部に設けられたミラー部による反射光の移動を利用した可変光減衰器の技術が次の特許文献２に開示されている。
【０００９】
【特許文献２】
特開２０００−１３１６２６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された従来の磁気光学式の可変光減衰器は、電磁石に印加する電流に対して減衰量が線形的に得られない。また、ファラデー回転子にガーネット結晶等のような波長依存性のある結晶を使用している為、減衰量の波長依存性が大きいという問題があった。さらに、主要部品として、例えばガーネット結晶等のファラデー回転子、ルチル結晶等の光学結晶等を使用しているため高価であった。
【００１１】
他方、特許文献２の可変光減衰器においては、信頼性などの実用的データが開示されておらず、また製造数量が大量でないときには、１個あたりのコストが高くなる。
【００１２】
この状況において、本発明は、駆動電流に対して線形な減衰特性を示し且つ減衰量の波長依存性が小さく、安価な磁気駆動型の可変光減衰器を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変光減衰器は、入射光を伝搬する入力光ファイバと、該入力光ファイバによって導かれた光を反射させる反射用ミラーと、該反射用ミラーにより反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバと、前記反射用ミラーを回転変位させる機械式アクチュエータとを具備する可変光減衰器であって、前記機械式アクチュエータは、ヒンジばね部を有し自己融着機能を持つコイル線材が巻き回されてなる空芯コイルおよび前記反射用ミラーを固定配置した可動金属板と、前記空芯コイルの位置に磁場を生成するように配置した永久磁石と、前記可動金属板および前記永久磁石を配設する筐体と、前記筐体とは電気的に絶縁され前記空芯コイルと電気的に導通する駆動電流印加用端子とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の可変光減衰器は、入射光を伝搬する入力光ファイバの群と、該入力光ファイバによって導かれた光を反射させる反射用ミラーの群と、該反射用ミラーの群により反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバの群と、前記反射用ミラーの群を回転変位させる機械式アクチュエータ装置とを具備する可変光減衰器であって、前記機械式アクチュエータ装置は、ヒンジばね部を有しコイル線材が巻き回されてなる空芯コイルおよび前記反射用ミラーを固定配置した可動金属板の群と、前記空芯コイルの位置に磁場を生成する少なくとも２つの永久磁石と、前記可動金属板の群および前記永久磁石を配設する筐体とを備え、さらに前記筐体とは電気的に絶縁され前記空芯コイルの各々と電気的に導通する駆動電流印加用端子の群が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
また、前記永久磁石による磁場方向と、前記空芯コイルの回転変位の中心軸方向とは略直交するとよい。
【００１６】
また、前記入射光および前記反射光を各々前記入力光ファイバおよび出力光ファイバに結合するレンズを備えるとよい。
【００１７】
また、前記駆動電流印加用端子との導通が金属配線により確保され且つ互いに絶縁された少なくとも２つのコイル通電用電極が前記可動金属板上に絶縁材を介して形成され、前記コイル通電用電極と前記空芯コイルの導入出部とは半田接合あるいは溶接によって接続されて、前記空芯コイルの導入出部は前記可動金属板に固定されているとよい。
【００１８】
また、前記可動金属板の一方の面に前記反射用ミラーが設けられ、他方の面に前記空芯コイルが設けられているとよい。
【００１９】
また、前記可動金属板の両面に前記空芯コイルが設けられていてもよい。
【００２０】
そして、前記入力光ファイバおよび前記出力光ファイバの１対における前記反射用ミラーに対向する端部付近が１つのフエルール内に固定されているとよい。
【００２１】
ここで、本発明の作用を説明する。
【００２２】
本発明の可変光減衰器は、入射光を伝搬する入力光ファイバと、この入力光ファイバによって導かれた光を反射させる反射用ミラーと、この反射用ミラーにより反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバと、前記反射用ミラーが固定され且つ反射用ミラーを回転変位させるための機械式アクチュエータとを主に構成した可変光減衰器である。
【００２３】
そのため、出力光の減衰は、機械式アクチュエータに取りつけた反射用ミラーの角度調整で行い、この反射用ミラーの反射率波長依存性が小さいため、磁気光学結晶を適用した際に生ずる波長依存性を極力低減した構造となっている。
【００２４】
また、機械式アクチュエータは、磁場中を流れる電流に作用するローレンツ力を動作力として動作し、且つ概ね回転角度に比例して負荷が増加するヒンジばね構造を備えている。従って、可動金属板の傾斜角度が、駆動電流に対して概ね線形な特性を示し、故に、得られる減衰特性も概ね線形となる。
【００２５】
さらに、機械式アクチュエータを構成する部材には、高価な磁気光学結晶などを使用していないため、安価な可変光減衰器を提供できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
（実施の形態１）図１から図４に基づいて、本発明の実施の形態１を説明する。図１は、本実施の形態１による可変光減衰器の全体構造を示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は、本実施の形態１の機械式アクチュエータの部分拡大断面図、そして図４は、本発明に用いる機械式アクチュエータの動作説明図である。
【００２８】
本実施の形態１の可変光減衰器は、入射光を伝搬する入力光ファイバと、この入力光ファイバにより入射された光を反射させる反射用ミラーと、この反射用ミラーにより反射された光を伝搬する出力光ファイバと、その反射用ミラーを回転変位させるための機械式アクチュエータとを主にして構成された磁気駆動型の可変光減衰器である。
【００２９】
図１に示すように、互いに並び合う、入力光ファイバ１および出力光ファイバ２は、レンズ３と共に、筐体内側に溶接や接着剤などで固定配置されており、レンズ３から所定の空間距離を置いて、機械式アクチュエータ４が配置されている。
【００３０】
この機械式アクチュエータ部は、図２および図３に示すように、可動金属板５、空芯コイル６、反射用ミラー７、永久磁石８、および、支持基台を兼ねた筐体９によって構成されている。具体的な態様としては、筐体９に、反射用ミラー７と空芯コイル６を搭載した可動金属板５の外周の一部を可動に懸架して、さらにその可動金属板５の特定方向に磁場が掛かるよう、同じく筐体９に永久磁石８を配置してある。
【００３１】
可動金属板５は、中央領域に反射用ミラー７と空芯コイル６がそれぞれ溶接や接着剤等で接合配置してある。そのため、反射用ミラー７および空芯コイル６は、可動金属板５と機械的に一体化しており、それらは連動して作動することとなる。
【００３２】
また、可動金属板５には、少なくとも２本のヒンジばね１０が設置されている。その形状は、機械式アクチュエータが安定して動作するように、可動金属板５の中心軸に対し概ね対称としてある。
【００３３】
空芯コイル６は、最外層に接着層を有し自己融着機能を持ったコイル線で巻き回しており、反射用ミラー７の概ね外周に配置してある。この自己融着線は、隣合う線材同士が電気的に短絡することを防止するため、最外層内側に絶縁皮膜層を有している。この絶縁皮膜層は、厚み数μｍ程度で然るべき絶縁機能を果たし、さらに、密に巻線することが可能であるため、寸法の割りには大きな動作力を確保できる。この空芯コイル６は、単層または多層で巻き回し、また反射用ミラー７とは反対の面に配置してもよい。
【００３４】
反射用ミラー７は、絶縁材や半導体、または導電性材質からなる母材表面に金をスパッタリングしてある。永久磁石８には、フェライト系や希土類系等の永久磁石を使用し、可動金属板５の回転軸と直交する磁場が主に生成されるように配置してある。
【００３５】
支持基台を兼ねた筐体９は、中央に段差を設けた略箱型形状となっている。これは、可動金属板５が動作した際、反射用ミラー７と空芯コイル６を搭載した可動金属板５あるいは、その両端側に設置したヒンジばね１０が、筐体９自身と接触することを回避したためである。
【００３６】
また、筐体９には、筐体自身とは電気的に絶縁を確保し、かつ空芯コイル６と電気的に導通を確保した駆動電流印加用端子１１が具備してある。そのため、駆動電流印加用端子１１に電流を供給すると、空芯コイル６に所望の電流を流すことができる。
【００３７】
次に、機械式アクチュエータ４の動作を図４を基に説明する。動作は、コイルに通電することで生ずるローレンツ力１５（動作力と略記する）と可動金属板５に設置したヒンジばね１０（図２参照）による負荷（ばね復元力）との力学的な均衡で決定できる。コイルに通電した際の動作力は、永久磁石８の磁場方向と直交したコイル部に作用し、コイルに流す駆動電流値と、永久磁石８が作る磁場強度とに概ね比例する。なお、本機械式アクチュエータでは磁場と直交したコイル領域が２箇所存在するが、互いに電流の流れる向きが逆向きであるため、結果として、動作力が相加する形態となっている。一方、ヒンジばね１０（図２参照）は、所定のスチフネスを持ち、その負荷（ばね復元力）は概ね回転角度に比例する。
【００３８】
所定の駆動電流を印加すると、動作力が決定し且つ予めヒンジばねのスチフネスが決定していることから、所定の可動金属板５の回転角度、つまり、所定の反射用ミラー７の傾斜角度を得ることができる。したがって、駆動電流に依存して可動金属板５の傾斜角度が線形的に決定するため、光学特性においても、線形な減衰特性が期待できる。
【００３９】
次に、本実施の形態１の機械式アクチュエータ部の製造方法について説明する。本発明の機械式アクチュエータの構成部材は主に、可動金属板５と空芯コイル６であり、これに反射用ミラー７が固定されている。製造は、それぞれ独立に作製し、その後、アッセンブリを行う。可動金属板５は、リン青銅からなるばね材をプレス加工やエッチング加工により、所望の形状に作製する。
【００４０】
空芯コイル６は、最外層に接着剤を塗布した自己融着コイル線を空芯領域に型どった巻線機アーバに這わせ、温風をあてながら作製する。
【００４１】
反射用ミラー７は、母材にＴｉ、Ｃｒ、Ｔａなどの接着シード層を介して金をスパッタリングし、その後、切断処理を行って作製する。次に、可動金属板５上に接着剤や溶接により、空芯コイル６を固定する。さらに、可動金属板５上に同じく接着剤や溶接で反射用ミラー７を固定する。反射用ミラー７と空芯コイル６を搭載し固定した可動金属板５を、筐体９に接着剤や溶接で固定する。最後に、永久磁石８を筐体９に接着剤や溶接で固定する。
【００４２】
次に、本実施の形態１の可変光減衰器の寸法値および特性について述べる。無論、これらは一例であって、これに限定するものでない。
【００４３】
機械式アクチュエータ部について、可動金属板の長さは６〜９ｍｍ、幅は５〜７ｍｍ、厚みは０．０４〜０．１ｍｍである。ヒンジばねの長さは０．８〜２．０ｍｍ、幅は０．１〜０．２５ｍｍである。空芯コイルの空芯領域は、長さが１．５〜２．５ｍｍ、幅が０．５〜１．０ｍｍ、空芯コイルの外形は長さが４〜５ｍｍ、幅が３〜５ｍｍである。母材を含めた反射用ミラーの長さは０．７〜１ｍｍ、幅が０．７〜１ｍｍ、母材の厚みは０．０５〜０．３ｍｍ、表面の金厚みは０．０２〜０．０５ｍｍである。
【００４４】
永久磁石の大きさは、長さが６〜１０ｍｍ、幅が０．５〜２ｍｍ、厚みが０．５〜２ｍｍである。光学系について、第１および第２の光ファイバは径が２．０ｍｍ、長さが８ｍｍである。レンズは、長さが３．０〜４．５ｍｍ、外径が３．０〜４．５ｍｍである。筐体込みの可変光減衰器としては、長さが１８〜２０ｍｍ、幅が１３〜１７ｍｍ、高さが８〜１２ｍｍである。
【００４５】
このような寸法値のサンプルの光学特性値を測定したところ、空芯コイルの駆動電流１０ｍＡで光学損失４．３ｄＢ、駆動電流２０ｍＡで光学損失１４．０ｄＢ、駆動電流３０ｍＡで光学損失２５．６ｄＢ、駆動電流３５ｍＡで光学損失３１．９ｄＢとほぼ線形な光学特性値を確認できた。
【００４６】
また、機械式アクチュエータの機械的な寿命についても、２億回まで損傷なく動作することも確認できた。
【００４７】
（実施の形態２）図５および図６に基づいて本発明の実施の形態２を説明する。図５は、本実施の形態２の機械式アクチュエータを示す平面図であり、図６は図５のＢ−Ｂ断面図である。
【００４８】
実施の形態１では、コイル線導入出部１２を直接、駆動電流印加用端子１１に接続している。それに対し、本実施の形態２では、図５および図６に示すように、各々電気的に絶縁を確保した２つのコイル通電用電極１３を可動金属板５上に設置し、コイル線導入出部１２をその電極に半田や溶接で接続した。このコイル通電用電極１３は、駆動電流印加用端子１１と、可動金属板５上に絶縁材１４を介しパターニングした金属配線で電気的に接続してある。このように、コイル線導入出部１２を可動金属板５と固定して連結させることで、機械式アクチュエータ４が動作した際、コイル線導入出部１２に発生する機械的な応力をほぼ解消したことを特徴とする。
【００４９】
したがって、コイル線の接続信頼性が向上し、高信頼性デバイスを供給することが可能となる。それ以外の構成は、実施の形態１と同じである。
【００５０】
次に、本実施の形態２の可変光減衰器の製造方法を以下に述べる。基本的には、実施の形態１と同様であるが、可動金属板５はリソグラフィ技術とエッチング加工等により作製する点が実施の形態１とは異なる。
【００５１】
可動金属板５の材質として、例えばリン青銅上の一方の面に、絶縁材１４である例えば感光性樹脂を、他方の面に保護膜を塗布し、感光性樹脂塗布面にヒンジばね１０や可動金属板５の外周パターン等を含むパターンをリソグラフィ技術で作製する。次に、コイル通電用電極１３と金属配線パターンを描画した金属マスクを用いて、感光性樹脂表面に、例えばＴｉやＣｒ等を介して導電性材質をスパッタリングする。その後、所定のリン青銅エッチング液を用いて、可動金属板５をエッチングし、続いて保護膜を所定のエッチング液で除去する。
【００５２】
このように可動金属板５を作製して、本実施の形態２の可変光減衰器を得る。
【００５３】
（実施の形態３）図７および図８に基づいて本実施の形態３を説明する。図７は、本実施の形態３の可変光減衰器の全体構造を示す断面図であり、図８は図７のＣ−Ｃ断面図である。
【００５４】
本実施の形態３は、実施の形態１または２で述べた磁気駆動型の可変光減衰器の機能を集積化した態様となっている。本実施の形態３は、図７および図８に示すように、１つの筐体に可動金属板５が複数個配置され且つその空芯コイル６の位置に磁場が生ずるよう筐体９内に固定配置した少なくとも２個以上の永久磁石８と、複数個の可動金属板５上に各々設置した反射用ミラー７の群と、その反射用ミラー７の群に各々対応した入力光ファイバ１および出力光ファイバ２の群とを具備したものである。
【００５５】
具体的には、反射用ミラー７と空芯コイル６を搭載した可動金属板５の群を例えば筐体９上にマトリクス状に配置する。それら可動金属板５の群に機械式アクチュエータの動作に必要な磁場が掛かるよう永久磁石８を配置する。この磁場方向は、実施の形態１で説明したように、各々の可動金属板５の回転軸に対して概ね直交した方向でなければならない。
【００５６】
また、永久磁石８の配置は可動金属板５の列間に配置してもよいし、また可動金属板５の群の最両端に１組配置してもよい。
【００５７】
本実施の形態の機械式アクチュエータ部の製造方法に関しては、実施の形態１または実施の形態２の方法で作製した可動金属板５を個別にアセンプリしてもよいし、またリソグラフィ技術やエッチング加工により一体作製した可動金属板５の群を筐体９に搭載してもよい。このようにして作製した磁気駆動型の可変光減衰器の機能は、実施の形態１または実施の形態２で記載した磁気駆動型の可変光減衰器を複数個配置した場合と同一である。しかしながら、所定の位置にある永久磁石８の機能の併用が可能となるため、またデバイスのスペースを有効に活用できることから一層小型なデバイスを供給することが可能となる。
【００５８】
ところで、本発明の可変光減衰器においては、入力光ファイバおよび出力光ファイバとしてコア拡大光ファイバ（ＴＥＣ光ファイバ）を使用すると、レンズを省略することができる。
【００５９】
また、空芯コイルを可動金属板の両面に形成すると、大きな回転動作力が得られる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の効果として、第１に、駆動電流に対して線形な光減衰量を実現できる。これは、本発明に用いる機械式アクチュエータが、入力電流に対して線形的に変位し、故に反射用ミラーの角度が線形的に変化するためである。
【００６１】
第２に、減衰量の波長依存性を少なくすることができる。これは、出力光の減衰を、機械式アクチュエータに取りつけた反射用ミラーの角度調整で行い、この反射用ミラーの反射率波長依存性が小さいためである。
【００６２】
第３に、高価な部材を適用していないことから、安価な可変光減衰器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による可変光減衰器の全体構造を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】実施の形態１の機械式アクチュエータの部分拡大断面図。
【図４】本発明の機械式アクチュエータの動作説明図。
【図５】実施の形態２の機械式アクチュエータを示す平面図。
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図。
【図７】実施の形態３の可変光減衰器の全体構造を示す断面図。
【図８】図７のＣ−Ｃ断面図。
【図９】従来の可変光減衰器の模式的断面図。
【符号の説明】
１入力光ファイバ
２出力光ファイバ
３レンズ
４機械式アクチュエータ
５可動金属板
６空芯コイル
７反射用ミラー
８永久磁石
９筐体
１０ヒンジばね
１１駆動電流印加用端子
１２コイル線導入出部
１３コイル通電用電極
１４絶縁材
１５ローレンツ力

Claims

入射光を伝搬する入力光ファイバと、該入力光ファイバによって導かれた光を反射させる反射用ミラーと、該反射用ミラーにより反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバと、前記反射用ミラーを回転変位させる機械式アクチュエータとを具備する可変光減衰器であって、前記機械式アクチュエータは、ヒンジばね部を有し自己融着機能を持つコイル線材が巻き回されてなる空芯コイルおよび前記反射用ミラーを固定配置した可動金属板と、前記空芯コイルの位置に磁場を生成するように配置した永久磁石と、前記可動金属板および前記永久磁石を配設する筐体と、前記筐体とは電気的に絶縁され前記空芯コイルと電気的に導通する駆動電流印加用端子とを備えることを特徴とする可変光減衰器。
入射光を伝搬する入力光ファイバの群と、該入力光ファイバによって導かれた光を反射させる反射用ミラーの群と、該反射用ミラーの群により反射された光の一部を伝搬する出力光ファイバの群と、前記反射用ミラーの群を回転変位させる機械式アクチュエータ装置とを具備する可変光減衰器であって、前記機械式アクチュエータ装置は、ヒンジばね部を有しコイル線材が巻き回されてなる空芯コイルおよび前記反射用ミラーを固定配置した可動金属板の群と、前記空芯コイルの位置に磁場を生成する少なくとも２つの永久磁石と、前記可動金属板の群および前記永久磁石を配設する筐体とを備え、さらに前記筐体とは電気的に絶縁され前記空芯コイルの各々と電気的に導通する駆動電流印加用端子の群が設けられていることを特徴とする可変光減衰器。
前記永久磁石による磁場方向と、前記空芯コイルの回転変位の中心軸方向とは略直交することを特徴とする請求項１または２に記載の可変光減衰器。
前記入射光および前記反射光を各々前記入力光ファイバおよび出力光ファイバに結合するレンズを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の可変光減衰器。
前記駆動電流印加用端子との導通が金属配線により確保され且つ互いに絶縁された少なくとも２つのコイル通電用電極が前記可動金属板上に絶縁材を介して形成され、前記コイル通電用電極と前記空芯コイルの導入出部とは半田接合あるいは溶接によって接続されて、前記空芯コイルの導入出部は前記可動金属板に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の可変光減衰器。
前記可動金属板の一方の面に前記反射用ミラーが設けられ、他方の面に前記空芯コイルが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の可変光減衰器。
前記可動金属板の両面に前記空芯コイルが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の可変光減衰器。
前記入力光ファイバおよび前記出力光ファイバの１対における前記反射用ミラーに対向する端部付近が１つのフエルール内に固定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の可変光減衰器。