JP2004240157A

JP2004240157A - 光スイッチング装置

Info

Publication number: JP2004240157A
Application number: JP2003029062A
Authority: JP
Inventors: Kimio Tateno; 公男立野; Hiroichi Ichikawa; 博一市川; Ryoji Okada; 亮二岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】光スイッチングによって起こる出力ポートからの光出力の変動を抑制するようにした新規の光スイッチング装置を提供すること。
【解決手段】レンズを光軸と平行の方向に移動させるアクチュエータ３２１を、入力ポート３１１からの出力光を平行光にするためのコリメートレンズ３１３に取り付け、どの出力ポート３１７からの光出力も一定の範囲に収まるように、アクチュエータ３２１によってコリメートレンズ３１３の位置を設定する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信用の光スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
世界規模のグローバル化の進展に伴いインターネットの普及は増加の一途をたどると予想される。その理由は、インターネットによる通信手段が双方向コミュニケーションの手段として、速度、容量、使い勝手、及びコスト等で段違いの能力を発揮しており、他に代替技術がないからである。実際、開発途上国を含む世界各国において、特に広帯域（ブロードバンド）のデータの受信が可能なＡＤＳＬ（ＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤｉｇｉｔａｌＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒＬｉｎｅ）方式のインターネットへの加入者数は爆発的な増加傾向が続いている。
【０００３】
そして、このような広帯域の加入者系回線を束ねた長距離伝送の幹線系においては、９０年代半ば以来急激に立ち上がった波長多重光ファイバ通信技術が根幹をなしている。この技術による波長多重光通信方式は、長距離、高速、大容量の伝送に適していると共に、高い電磁ノイズ耐性を持ち、しかも高い信頼性を保証している。このため、波長多重光通信方式は、幹線系ばかりでなく、都市内の比較的距離が短いメトロ系や加入者へのＦＴＴＨ（ＦｉｂｅｒＴｏＴｈｅＨｏｍｅ）系への応用も始まり、着実な技術進歩が引き続き期待されている状況にある。
【０００４】
波長多重光通信は、一本の光ファイバに波長の異なる多数の光を伝送させ、通信のチャネル数を増やして大容量化を実現する技術である。光ファイバ中を伝播する光の波長に、光ファイバの伝播損失が低い１．３μｍや１．５μｍが使われ、それぞれに超広帯域の波長領域である伝送のウインド（窓）が定められている。ウインドには、一括増幅可能な光ファイバ増幅技術に由来して、Ｃ−ｂａｎｄ，Ｌ−ｂａｎｄ，Ｓ−ｂａｎｄ等がある。
【０００５】
これらのウインドの波長幅は限られているため、隣接するチャネルの間の周波数間隔を狭くし、波長多重によって一本の光ファイバで伝送することができるチャネル数を増やすことが行なわれる。波長多重光通信のシステムにおいては、このようにチャネル数を増加させた光ファイバが多数束ねられ、束ねられた多数のファイバが局から局へと繋がり、更に、局内や建屋内或いはフロア内において、任意のファイバから別の任意のファイバに光スイッチで光伝送路を切り替え、伝送先を要求に応じて変更する光スイッチングが行なわれる（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
光スイッチには、可動ミラーが用いられることが多い。ミラーによる光反射においては波長分散が発生しないため、波長の多重数に関係なく一括して光の反射方向を変えることが要求される、任意のファイバから別の任意のファイバへの伝送路切り換えに盛んに用いられる。
【０００７】
光スイッチ単体としてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｗｉｔｃｈ）が広く知られている（例えば非特許文献１参照）。その基本構造を図１１に示す。ミラー９０１は、ヒンジ９０２で支えられた一軸回転型であり、駆動部９０３の水平方向の動きによりミラー９０１の開閉動作即ちオン・オフ動作が行なわれる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１１９１２３号公報
【非特許文献１】
１９９８年光ファイバ国際大会（ＯＦＣ’９８）、技術論文集（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ）、第ＷＨ５号、第１４７頁〜第１４８頁
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ミラーをアレー状に配置した光スイッチング装置を用いることにより、複数の光伝送路を切り替えることができる。ミラーアレーによる光スイッチング装置は、その基本構成がミラーの二次元配列タイプと三次元配列タイプの２種に大別される。
【００１０】
二次元配列タイプは、例えば図１に示すように、一次元のアレー状に並べられた入力ポート１１１からの発散光を平行光の光ビームにするコリメートレンズ１１２と、二次元マトリクス状に並べられたミラー１１３と、ミラー１１３のいずれかを選んで反射し、残りのミラー１１３では通過した光ビームを絞り込む集光レンズ１１５と、集光レンズ１１５を経た光ビームのスポットを入力する一次元アレー状の出力ポート１１４とからなる。複数のミラー１１３によって、例えば一次元のアレー状に配列された一軸回転ミラーの複数の組からなる光スイッチが構成される。
【００１１】
また、三次元配列タイプは、例えば図２に示すように、二次元アレー状に並べられた入力ポート２１１からの発散光を平行光の光ビームにするコリメートレンズ２１６と、二次元のマトリクス状に配列した二軸回転ミラー２１２の組２１３，２１４と、各ミラー２１２での反射を経た光ビームを絞り込む集光レンズ２１７と、集光レンズ２１７を経た光ビームのスポットを入力する二次元アレー状の出力ポート２１５とからなる。組２１３，２１４によって光スイッチが構成される。
【００１２】
入力ポート１１１及び入力ポート２１１のそれぞれは、波長多重光信号を伝送する光ファイバの端面であり、出力ポート１１４及び出力ポート２１５のそれぞれは別の光ファイバの端面である。なお、光ファイバに光導波路が介在する場合には、各ポートは光導波路の端面となる。
【００１３】
このような光スイッチング装置では、光の経路によって光路長が変化する。例えば図１の場合には、入力ポート１１１を構成する光ファイバや光導波路の端面とコリメートレンズ１１２とが固定され、注目する１個の入力ポート１１１ではどのミラーを介するかによって、また複数の入力ポート１１１の内のどの入力ポートであるかによって、入力ポート１１１側のレンズ１１２と出力ポート１１４側の集光レンズ１１５との距離即ち光路長が変化する。
【００１４】
ところが、光ビームは一般に回折現象を起すため、光路長が異なることによって、集光レンズ１１５の位置でのビーム径がそれぞれ異なると共に、集光レンズによって絞り込まれるスポットの位置が出力ポート１１４の位置からずれる。また、各々のミラーの面方向にばらつきがある場合には、必ずしも集光レンズ１１５を通る光ビームの光軸と出力ポート１１４における光軸即ち受光用の光ファイバ或いは光導波路の光軸とが常に一致するとは限らない。
【００１５】
その結果、集光レンズ１１５による出力ポート１１４での結合効率が光スイッチングを行なう度に変動して出力ポート１１４からの光出力が変動し、出力ポート１１４を端面とする光ファイバ或いは光導波路の後の光中継器や光受信器への光入力信号のレベル変動が許容値を超えるという問題が発生する。この問題は、図２の場合も同じである。
【００１６】
本発明の目的は、これらの問題を解決し、光スイッチングによって起こる出力ポートからの光出力の変動を抑制するようにした新規の光スイッチング装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の光スイッチング装置は、レンズを移動させるアクチュエータが、入力ポートからの発散光を平行光の光ビームにするためのコリメートレンズに取り付けられ、上記コリメートレンズからの光ビームがミラーによるスイッチングによってどの出力ポートに入力しても該出力ポートからの光出力が一定の範囲になるように、該コリメートレンズの位置が該アクチュエータによって設定されることを特徴とする。
【００１８】
アクチュエータによってコリメートレンズが光軸と水平の方向に移動する場合は、集光レンズの位置での光ビーム径がほぼ同じになり、それによって集光レンズによって絞り込まれる光ビームスポットの強度がほぼ揃うと共に、光ビームスポットの位置が出力ポートとほぼ一致するようになる。
【００１９】
また、アクチュエータによってコリメートレンズが光軸と垂直の方向に移動する場合は、アクチュエータによって集光レンズからの光ビームの光軸が出力ポートにおける光軸とほぼ一致して揃うようになる。
【００２０】
従って、アクチュエータによってコリメートレンズが光軸と水平及び垂直の両方向に移動する場合は、集光レンズの位置での光ビーム径、絞り込まれた光ビームスポットの強度及び位置、出力ポートにおける光ビームの光軸のいずれも好ましい状態になる。
【００２１】
上記目的を達成するための本発明の別の光スイッチング装置は、コリメートレンズから集光レンズに至る光路中に液晶からなる可変位相板を配置し、該可変位相板により、上記光路の長さに応じて光ビームの波面形状を変化させることを特徴とする。集光レンズの位置での光ビーム径がほぼ同じになるように波面形状が設定することが可能になる。
【００２２】
上記目的を達成するための本発明の更に別の光スイッチング装置は、出力ポートの光出力を変える光出力調整器を有し、コリメートレンズからの光ビームがスイッチングによってどの出力ポートに入力しても光出力が一定の範囲になるように、光出力調整器の利得が設定されることを特徴とする。光出力調整器として、利得可変の光ファイバ増幅器、利得可変の半導体光増幅器、又は可変光減衰器を用いることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光スイッチング装置を図面に示した幾つかの発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【００２４】
図３に本発明の第一の実施形態を示す。本実施形態は、ミラーが二次元配列タイプの図１におけるコリメートレンズ１１２に同レンズを光軸方向に動かすアクチエータを取り付けたものである。即ち、アクチエータによる同レンズの移動方向が光軸と平行になる。図３では、入力ポートから出力ポートに至る１本の光路が示される。図３において、３１１は入力ポート、３１３はコリメートレンズ、３２１は、コリメートレンズ３１３を光軸方向に動かすアクチエータ、３１８は集光レンズ、３１７は出力ポートである。なお、コリメートレンズ３１３と集光レンズ３１５の間に、例えば図１１に示したオン・オフ型のミラーが配置されるが、その図示を省略した。
【００２５】
アクチュエータ３２１は、例えば、スピーカや光ディスクのピックアップなどに使用されている、磁界に置いたボイスコイル状の構造のもので、ボイスコイルに流れる電流を変化させることにより、ボイスコイル状構造の位置が変化し、同構造に取り付けたレンズを動かすことができる。
【００２６】
説明のための図３ａにおいて、入力ポート３１１からの発散光３１２がコリメートレンズ３１３で光ビーム３１４とし比較的短い経路を経て集光レンズ３１５に至り、収束光３１６となって出力ポート３１７に光結合する。光ビーム３１４の径は、集光レンズ３１５の径とほぼ一致し、集光レンズ３１８によって絞り込まれたスポット３１９の位置が光軸上で出力ポート３１７で一致している。
【００２７】
次に、光スイッチングにより、入力ポート３１１に対してコリメートレンズ３１３を固定したまま、図１における光スイッチアレーが動作して光路が比較的長くなった場合を参考として図３ｂに示す。この場合は、光の回折効果によって、光ビーム３１４は広がりを持って集光レンズ３１８に至る。このため、集光レンズ３１８の開口絞りによって光ビームの周辺部が遮られるため光量に損失を伴う。更に、集光レンズ３１８によって絞り込まれたスポット３１９の位置が光軸上で出力ポート３１７に対して前又は後ろにずれる。このため、出力ポート３１７に結合する光量が減衰する。かくして、光スイッチの動作に伴って異なる長さの経路を経た光ビームが異なる結合光量を持つようになる
本実施形態においては、コリメートレンズ３１３に取り付けアクチエータ３２１によってコリメートレンズ３１３を光軸方向に前後させることにより、集光レンズ３１８の開口絞りによって遮られる光の量が減り、それによって出力ポート間の光量のばらつきを抑えることが可能になる。また、絞り込みスポット３１９の位置も補正されてばらつき抑制の効果が高められる。
【００２８】
出力ポート間の光量ばらつきが抑制されるため、コリメートレンズ３１３からの光ビーム３１４がスイッチングによってどの出力ポート３１７に入力しても出力ポート３１７からの光出力が一定の範囲に収まることになる。この一定の範囲は、実際上はプラスマイナス３０％程度で良く、厳しい要求に対しては、プラスマイナス１０％程度である。
【００２９】
なお、アクチエータは、集光レンズ３１５側にも取り付けることができる（図示せず）。そのようなアクチエータにより、絞り込みスポット３１９の位置補正をより精密に調整することが可能になる。
【００３０】
ここで、本実施形態の光スイッチング装置を用いた光通信システムの構成例を図４に示す。情報信号によって変調を受ける、発振波長が異なる複数の半導体レーザ４００からの光出力が光ファイバ４０１によって伝送され、続いて合波器４０２において波長多重され、波長多重光信号が生成される。波長多重光信号は、光ファイバ４０８によって伝送され、光スイッチング装置４０３に送られる。複数の光ファイバ４０８の各々の端面が例えば図３における入力ポート３１１となる。光スイッチング装置４０３によってスイッチされた波長多重光信号が出力ポート３１７で例えば光ファイバ４０４に光結合する。光ファイバ４０４を伝送した波長多重光信号は、分波器４０５によって波長毎に分けられ、分波された光信号が光ファイバ４０６を伝送して各々光検知器を有する光受信器４０７に至り、光電変換されて情報信号が出力される。光ファイバ４０８及び光ファイバ４０６の途中には、長距離伝送の場合に光中継器が配置される。
【００３１】
図５に本発明の第二の実施形態を示す。例えば、複数の入力ポートの内の入力ポート４１１からの光ビームを対象に説明する。今、コリメートレンズ４１２による光ビームがミラー４１３で反射され、出力ポート４１４に正確に光結合されるとする。次に、ミラー４１３を倒して光ビームを通過させ、ミラー４１５で反射させるとする。このとき、ミラー４１５の向きが製作誤差などのためにずれている場合、反射された光ビームは出力ポート４１６に効率良く光結合されず、光結合効率にばらつきが発生する。
【００３２】
本実施形態においては、光軸と垂直方向にコリメートレンズ４１２の位置を調節するアクチュエータ４１８が取り付けられる。図示していないが、アクチュエータはコリメートレンズ毎に取り付けられる。コリメートレンズ４１２の位置調節によって、出力ポート４１６側の光量のばらつきが低減される。
【００３３】
なお、アクチュエータは、集光レンズ４１７に取り付けても良く、この場合は、アクチュエータ４１９として示される。更に、アクチュエータ４１８及びアクチュエータ４１９の両方が備わるようにしても良い。更に加えて、アクチュエータ４１８及びアクチュエータ４１９は、光軸に対してレンズを水平方向へも移動させる可能なアクチュエータとしても良い。レンズは、光軸に対して垂直、水平の両方向に移動することができ、集光レンズの開口絞りによる光の遮蔽の是正、絞り込みスポットの位置補正、光軸のずれによる光量のばらつきの解消のいずれをも行なうことが可能になる。
【００３４】
図６に本発明の第三の実施形態を示す。本実施形態は、ミラーが三次元配列タイプの図２におけるコリメートレンズ２１６及び集光レンズ２１７に第一及び第二の実施形態で説明したアクチュエータを取り付けたものである。図６において、入力ポート５１１からの光ビームは、コリメートレンズ５１２で光ビーム５１３となる。光ビーム５１３は、二軸動作の複数のミラー５１４を二次元マトリクス状に配列したパネル５１５、５１６に各々対面し、続いて出力ポート５１７の前段に配列した集光レンズ５１９に導かれ、出力ポート５１７に光結合する。
【００３５】
ここで、各々のレンズはアクチュエータ５１８に搭載されており、図３及び図５を用いて説明した集光レンズの開口絞りによる光の遮蔽の是正、絞り込みスポットの位置補正、光軸のずれによる光量のばらつきの解消のいずれか又はいずれをも行なうことが可能になる。
【００３６】
図７及び図８に本発明の第四の実施形態を示す。本実施形態は、第一から第三までの実施形態におけるアクチュエータに代わって液晶からなる可変位相板６１１を採用したものである。可変位相板６１１は、コリメートレンズ６１２又は集光レンズ６１３の近くに配置される。可変位相板６１１は、光ビーム６１４の波面形状を補正し、補正した光ビーム６１４を出力ポート６１５に光結合させる。
【００３７】
液晶からなる可変位相板６１１は、図７に示すように、透明な複数の輪帯状の電極６１７からなり、各々の電極に電圧を印加することにより、液晶の屈折率が輪帯毎に変化する。可変位相板６１１は、そのような屈折率の変化によって各輪帯を通る光の位相を変化させ、入射ビームの波面形状を発散又は収束波面に補正する働きをする。
【００３８】
そのような働きにより、例えば図３に対応する適用において、液晶からなる可変位相板６１１は、印加する電圧の変化により、光ビーム６１４の波面形状を変化させ、図８ｂのようであった光ビーム６１４を図８ｃのような光ビーム６１４の形状にする。それにより、光ビーム６１４は、集光レンズ６１３で効率良く集光し、出力ポート６１５に光結合する。云うまでもないが、光路が短い図８ａの場合においては、印加電圧を適切に設定することによって、光ビームが集光レンズで効率良く集光する。
【００３９】
図９に本発明の第五の実施形態を示す。本実施形態では、集光レンズ７１１と出力ポート７１２との間に光増幅器７１３が接続され、出力ポート７１２から分波した光の強度をモニタする出力モニタ７１４が設けられる。出力モニタ７１４は、モニタ結果を光増幅器７１３にフィードバックすることにより、出力ポート７１２への経路によらず、全ての出力ポートの光出力が一定になるように光増幅器７１３の利得を調節する。
【００４０】
上記のクローズドループによる制御とは別に、光路によって予め決められた利得係数をルックアップテーブルに掲げておき、オープンループによって光増幅器７１３の利得を定め、常に出力ポートの光量を一定に保つようにすることが可能である。
【００４１】
光増幅器７１３として、光ファイバ増幅器（ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）又は半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）が用いられる。
【００４２】
図１０に本発明による第六の実施形態を示す。集光レンズ８１１と、出力ポート８１２の間に可変光減衰器（ＶａｒｉａｂｌｅＯｐｔｉｃａｌＡｔｔｅｎｕａｔｏｒ：ＶＯＡ）８１３が接続される。本実施形態においても、図示していないが前述の出力モニタが配置される。同出力モニタを利用したクローズドループ又はルックアップテーブルを利用したオープンループにより、全ての出力ポートの光出力が一定になるように光出力が制御される。
【００４３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、光スイッチングによる光路の変化にかかわらず、一定の光出力を出力ポートから得ることができ、光通信の信頼性を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の課題を考察するための光スイッチング装置を説明するための構成図。
【図２】本発明の課題を考察するための別の光スイッチング装置を説明するための構成図。
【図３】本発明に係る光スイッチング装置の第一の発明の実施の形態を説明するための原理図。
【図４】本発明の光スイッチング装置を用いた光通信システムの例を説明するための構成図。
【図５】本発明の第二の実施の形態を説明するための構成図。
【図６】本発明の第三の実施の形態を説明するための構成図。
【図７】本発明の第四の実施の形態を説明するための図。
【図８】本発明の第四の実施の形態を説明するための原理図。
【図９】本発明の第五の実施の形態を説明するための構成図。
【図１０】本発明の第六の実施の形態を説明するための構成図。
【図１１】一般的な光スイッチ単体の例を説明するための構造図。
【符号の説明】
１１１，３１１，４１１…入力ポート、１１２，３１３，４１２，６１２…コリメートレンズ、１１３，４１３，４１５…オン・オフ型ミラー、１１４，３１７，４１４，４１６，６１５…出力ポート、１１５，３１８，４１７，６１３…集光レンズ、２１２…二軸ミラー、２１３，２１４…マトリクス状ミラーアレー、３１４…光ビーム、３２１，４１８，４１９…アクチュエータ、６１１…可変位相器。

Claims

発散光を射出する入力ポートと、入力ポートからの発散光を平行光の光ビームにするコリメートレンズと、該光ビームのスイッチングを行なう複数のミラーと、スイッチングによって該複数のミラーの内のいずれかのミラーで反射した光ビームを絞り込む集光レンズと、絞り込まれた該光ビームを入力する出力ポートと、上記コリメートレンズを移動させるアクチュエータとを有し、
上記コリメートレンズからの光ビームがスイッチングによってどの出力ポートに入力しても該出力ポートからの光出力が一定の範囲になるように、該コリメートレンズの位置が該アクチュエータによって設定されることを特徴とする光スイッチング装置。
上記アクチュエータによる上記コリメートレンズの移動方向が光軸と平行であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
上記アクチュエータによる上記コリメートレンズの移動方向が光軸と平行及び光軸と垂直であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
上記集光レンズを移動させる別のアクチュエータを更に有していることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
上記複数のミラーは、二次元マトリクス状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
上記複数のミラーは、一次元のアレー状に配列された一軸の回転ミラーの複数の組からなる光スイッチを構成していることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
上記複数のミラーは、二次元のマトリクス状に配列された二軸の回転ミラーの複数の組からなる光スイッチを構成していることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチング装置。
光信号を発散光として射出する入力ポートと、入力ポートからの発散光を平行光の光ビームにするコリメートレンズと、該光ビームのスイッチングを行なう複数のミラーと、スイッチングによって該複数のミラーの内のいずれかのミラーで反射した光ビームを絞り込む集光レンズと、絞り込まれた該光ビームを入力する出力ポートと、上記コリメートレンズと上記集光レンズの間の光路に配置した液晶からなる可変位相板とを有し、
該可変位相板は、上記光路の長さに応じて光ビームの波面形状を変化させることを特徴とする光スイッチング装置。
上記可変位相板の配置位置が、上記コリメートレンズと上記複数のミラーの間にあることを特徴とする請求項８に記載の光スイッチング装置。
光信号を発散光として射出する入力ポートと、入力ポートからの発散光を平行光の光ビームにするコリメートレンズと、該光ビームのスイッチングを行なう複数のミラーと、スイッチングによって該複数のミラーの内のいずれかのミラーで反射した光ビームを絞り込む集光レンズと、絞り込まれた該光ビームを入力する出力ポートと、該出力ポートの光出力を変える光出力調整器とを有し、
上記コリメートレンズからの光ビームがスイッチングによってどの出力ポートに入力しても上記光出力が一定の範囲になるように、該光出力調整器の利得が設定されていることを特徴とする光スイッチング装置。
上記光出力調整器が利得可変の光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１０に記載の光スイッチング装置。
上記光出力調整器が利得可変の半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１０に記載の光スイッチング装置。
上記光出力調整器が可変光減衰器であることを特徴とする請求項１０に記載の光スイッチング装置。