JP2004272148A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】可動部品の数を減らし信頼性を高めた光スイッチを提供する。
【解決手段】入力光路１より入射したビームはスイッチセル２の可動ミラーに４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、再び４５度の角度で反射される。このビームは固定ミラー１に４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、固定ミラーに対し４５度の角度で反射される。さらに、このビームはスイッチセル４に入射し、同様の過程を経て出力１に結合する。その他の、光路も同様に入力光路２が出力光路２に、入力光路３が出力光路３に、入力光路４が出力光路４に結合されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークには、光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置が多数用いられている。
上記光クロスコネクト（ＯＸＣ）装置や光挿入・分岐・多重（ＯＡＤＭ）装置には光信号を電気信号に変換することなくそのまま光路を切り替える光スイッチが組み込まれている。
【０００３】
光スイッチにはミラー、レンズなどを組み合わせたバルクタイプ、光導波路をもちいた導波路タイプ、光ファイバ自体を動かす光ファイバータイプ、半導体加工技術によりミラー、レンズなどを小型一体化したＭＥＭＳなどが開発されている。
【０００４】
近年の光通信システムの大容量化、高機能化に伴い、光スイッチにもより小型で高機能であることが要求されている。上記光スイッチの方式において、バルクタイプは設計の自由度が高く、低損失、低クロストークであり、光学特性に優れるものの、各部品はの小型化には限界があり、小型化が困難である。光ファイバータイプも同様に、光学特性に優れるが、光ファイバー同士の接続によりスイッチングを行うため、多チャンネル同士の切り替えを行う場合、構成が複雑になり、小型化が困難である。導波路タイプは導波路が半導体加工プロセスにより製造されるため、比較的、小型化、高集積化が可能であるが、熱光効果などを用いた干渉計構造を用いるため、、クロストークが大きく、構成が複雑化するため製品歩留まりが悪く、複雑な配線のため基盤が大型化するなどの問題を抱えている。
【０００５】
ＭＥＭＳタイプは、半導体加工技術により微小ミラーなどを作製し駆動するものであり、バルクタイプに匹敵する光学特性の高さを持ち、かつ、小型化が可能であるため、高機能な光通信システムにおいて重要な素子となっている。
【０００６】
ＭＥＭＳタイプの光スイッチは大きく３Ｄタイプと２Ｄタイプに分類される。３Ｄタイプは２軸の自由度を有するミラーを駆動し、３次元の空間で光路を切り替えるものであり、スイッチングを行うチャンネル数に対しより少ないミラー数で対応できるという特徴をもつ。基本的にはｎ個のチャンネルからｎ個のチャンネルを行う場合、ｎ個のミラーで対応ができる。しかし、光軸の高精度な調整や、高度なミラー制御を必要とし、スイッチング規模が２５６×２５６、１０２４×１０２４といった大規模な光クロスコネクトに向いている。
【０００７】
一方で、光通信システムにおいて、もっとも頻繁に使用されるのはスイッチングの規模が４ｘ４、８ｘ８、１６ｘ１６といった小規模、中規模の光スイッチであり、この用途には光入力部、光出力部、可動ミラーが同一平面状に構成された２ＤタイプのＭＥＭＳ光スイッチがもっとも有効である。
【０００８】
従来の２ＤタイプのＭＥＭＳ光スイッチでは、ミラーの配置は一定ピッチで、ミラーのマトリクスを構成しており、ｎ個のチャンネルからｎ個のチャンネルへのスイッチングを行うためにｎ×ｎ個のミラーが配置されている必要がある。
【０００９】
図１（ａ）に示すのは、従来技術による４×４の２ＤタイプＭＥＭＳスイッチである。この光スイッチにおいて、各入力光路と出力光路は互いに直交する関係にあり、入力光路から入射したビームは可動ミラーにより９０度方向に反射され出力光路にいたる。スイッチセルの円は隣接するスイッチセル間の距離を単位距離とし、その大きさを示している。したがって、ビームが通過するこの円の個数がビームの伝播距離に相当している。各スイッチセルは可動ミラーを有し、この可動ミラーは静電力などにより駆動され、電圧がＯＦＦのときは可動ミラーは光路から外れており、電圧がＯＮの場合ミラーは光路に挿入され、光路切り替えを行う。入力光路１から出力光路４に切り替える場合と、出力光路１に切り替える場合では、ビームの伝播距離が異なる。入力光路端部にはビームを平行光化するためのレンズが取りつけられるが、ビームの伝播距離が異なるため焦点距離を最適化できず、出力端への結合損失を生じる。また、光路切り替えを行うには４×４個の可動ミラーを必要とする。
【００１０】
図１（ｂ）に示すのは、特許文献１による４×４の２ＤタイプＭＥＭＳスイッチである。この光スイッチにおいて、各入力光路と出力光路は互いに平行な関係にあり、一対の固定ミラーに対して４５度傾斜した状態で配置されている。入力光路から入射したビームは可動ミラーおよび固定ミラー５または固定ミラー６により９０度方向に反射され、出力光路にいたる。スイッチセルの円は隣接するスイッチセル間の距離を単位距離とし、その大きさを示している。したがって、ビームが通過するこの円の個数がビームの伝播距離に相当している。各スイッチセルは両面を反射面とする可動ミラーを有し、この可動ミラーは静電力などにより駆動され、電圧がＯＦＦのときはミラーは光路から外れており、電圧がＯＮの場合ミラーは光路に挿入され、光路切り替えを行う。すべての入力光路から出力光路へのビームの伝播距離は途中の切り替え光路によらず一定である。光路切り替えを行うには４×４個の可動ミラーを必要とする。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２５８１１７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の２ＤタイプのＭＥＭＳ光スイッチでは、ｎ個のチャンネルからｎ個のチャンネルへのスイッチングを行うためにはｎ×ｎ個のミラーが必要とされた。したがって。多くのミラーを製造する必要があり、生産歩留が低く、生産コストがかかるという問題があった。また、光スイッチとして完全に機能するためには、ｎ×ｎ個のミラーがすべて完全に動作する必要があった。一般に、同じ機構により駆動される可動部品により構成される素子の信頼性は、可動部品の数に反比例する。２ＤタイプのＭＥＭＳスイッチは、数多くのミラーを有するため、光通信に見られる高い信頼性が要求される用途においては、可動部品の数を減らし信頼性を高めることが重要である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明に係る光スイッチは、ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、隣接する前記可動可能な光反射装置の間隔が、前記固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に不均一であることを特徴とする光スイッチである。
【００１４】
即ち、本発明に係る光スイッチにおいて、ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであるため、スイッチングパスによらず、光路長が一定である。
【００１５】
また、本発明に係る光スイッチにおいて、前期入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は、前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に隣接する前期可動可能な光反射装置の間隔が不均一であるため、ｎ×ｎより少ない光反射装置の数で、ｎチャンネルからｎチャンネルへのスイッチングを行うことができる光スイッチである。
【００１６】
また、本発明の他の側面によると、ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えているためｎ×ｎより少ない光反射装置の数で、ｎチャンネルからｎチャンネルへのスイッチングを行うことができる光スイッチである。
【００１７】
また、本発明の他の側面によると、３個の入力と３個の出力を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直な、少なくとも一つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーに接する領域に配置された光スイッチにおいて、一組の入力光路および、出力光路が互いに直交する関係にあり、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えているため、９個より少ない光反射装置の数で、３チャンネルから３チャンネルへのスイッチングを行うことができる光スイッチである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施形態を説明する。
図２に本発明の実施例１を４×４の２ＤタイプＭＥＭＳスイッチにおいて模式的に示したものである。この光スイッチにおいて、各入力光路と出力光路は、一対の固定ミラーに対して４５度傾斜した状態で配置されている。また入力光路１、２と３，４は直交して配置されており、出力光路１，３と２，４は直交して配置されている。本実施例において、光反射装置として、可動ミラーとその駆動装置からなるスイッチセルが用いられており、入力光路から入射したビームは可動ミラーおよび固定ミラー５または固定ミラー６により９０度方向に反射され、出力光路にいたる。なお本明細書において、可動ミラーとスイッチセルの中心は一致しているものとする。また、図２において、スイッチセルの円は、従来の技術に習い、スイッチセルを均等に配置した場合の隣接するスイッチセル間の距離を単位距離とし、その大きさを示している。したがって、ビームが通過するこの円の個数がビームの伝播距離に相当している。各スイッチセルは可動ミラーを有し、この可動ミラーは静電力などにより駆動され、電圧がＯＦＦのときはミラーは光路から外れており、電圧がＯＮの場合ミラーは光路に挿入され、光路切り替えを行う。すべての入力光路から出力光路へのビームの伝播距離は途中の切り替え光路によらず一定である。各スイッチセルの配置は、隣接するスイッチセルの間隔が、固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に一定ではなく、入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、入力光路から固定ミラーで反射して出力経路へ向かう経路との交点に、可動ミラーが配置されている。このスイッチセルの配置により５個の可動ミラーをもちいて、すべての組み合わせの光路切り替えが可能である。なお、便宜上、本発明の記載において、可動ミラーはスイッチセルの中央に位置し、可動ミラーとスイッチセルの中心は同一として扱われるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、本発明において重要となるのは可動ミラーの位置であることは明白である。
【００１９】
本発明の実施例１の概略図、図２によれば、入力光路１より入射したビームはスイッチセルｂの可動ミラーに４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、再び４５度の角度で反射される。このビームは固定ミラー５に４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、固定ミラーに対し４５度の角度で反射される。さらに、このビームはスイッチセルｄに入射し、同様の過程を経て出力１に結合する。その他の、光路も同様に入力光路２が出力光路２に、入力光路３が出力光路３に、入力光路４が出力光路４に結合されている。
【００２０】
また本発明の実施例１の概略図２によれば、４×４の２ＤタイプＭＥＭＳスイッチの基盤サイズは、従来の等間隔にスイッチセルを配置した光スイッチの５×５スイッチのサイズに相当し、スイッチセルａはその第３行第１列の位置に、スイッチセルｂは第２行第２列の位置に、スイッチセルｃは第４行第２列の位置にあ、スイッチセルｄは第１行と第２行の中間、第４列と第５列の中間の位置に、スイッチセルｅは第４行と第５行の中間、第４列と第５列の中間の位置に配置されている。また固定ミラー５，６は第１行、第５行の外側に配置される。
【００２１】
このすべての光路切り替えの組み合わせを図３に示す。各図の右に記載される数字は各入力光路から出力光路への対応を示している。
【００２２】
図４に本発明の別の実施の形態実施例２を実施例１との比較において模式的に示したものである。本発明の実施例１において、スイッチセルａはその第３行第１列の位置に、スイッチセルｂは第２行第２列の位置に、スイッチセルｃは第４行第２列の位置に配置され、スイッチセルｄは第１行と第２行の中間、第４列と第５列の中間の位置に、スイッチセルｅは第４行と第５行の中間、第４列と第５列の中間の位置に配置されている。図４において、入力光路２、入力光路３の配置が、実施例１から変更されたことに伴い、スイッチセルａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置が変更されている。実施例２においても、スイッチセルの間隔が、固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に不均一であり、入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、入力光路から固定ミラーで反射して出力経路へ向かう経路との交点に、スイッチセルが配置されており、すべての入力光路から出力光路へのビームの伝播距離は途中の切り替え光路によらず一定である。このスイッチセルの位置は、入力光路と出力光路を固定ミラーに対し垂直方向に平行移動させることにより、それぞれのスイッチセルが互いに干渉しない限りにおいて、連続的に移動することができる。実施例１の場合と同様に、このスイッチセルの配置により、５個のスイッチセルを用いて、すべての組み合わせの光路切り替えが可能である。
【００２３】
図５に本発明の実施例３を３×３の２ＤタイプＭＥＭＳスイッチにおいて模式的に示したものである。この光スイッチにおいて、各入力光路と出力光路は、１つの固定ミラーに対して４５度傾斜した状態で配置されている。また入力光路１、２とは直交して配置されており、出力光路１と２は直交して配置されている。入力光路から入射したビームは可動ミラーおよび固定ミラーにより９０度方向に反射され、出力光路にいたる。スイッチセルの円は、従来の技術に習い、スイッチセルを均等に配置した場合の隣接するスイッチセル間の距離を単位距離とし、その大きさを示している。したがって、ビームが通過するこの円の個数がビームの伝播距離に相当している。各スイッチセルは可動ミラーを有し、この可動ミラーは静電力などにより駆動され、電圧がＯＦＦのときは可動ミラーは光路から外れており、電圧がＯＮの場合ミラーは光路に挿入され、光路切り替えを行う。すべての入力光路から出力光路へのビームの伝播距離は途中の切り替え光路によらず一定である。各スイッチセルの配置は、入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、可動ミラーを備えている。このスイッチセルの配置により３個のスイッチセルをもちいて、すべての組み合わせの光路切り替えが可能である。
【００２４】
本発明の実施例３の概略図５によれば、入力光路１より入射したビームはスイッチセルａの可動ミラーに４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、前記可動ミラーに対し４５度の角度で反射される。このビームは固定ミラーに４５度の角度で入射し、９０度方向を変え、固定ミラーに対し４５度の角度で反射さる。このビームは、スイッチセルｃの可動ミラーに反射され、同様の過程を経て出力光路１に結合する。その他の、光路も同様に入力光路２が出力光路２に、入力光路３が出力光路３に結合されている。
【００２５】
ｎ×ｎのスイッチングを行う場合、すべての経路の取り方はｎ！通りである。可動ミラーの反射により経路の切り替えを行う場合、ｎ！通りの組み合わせを実現するのに必要とされる可動ミラーの最小数は２＾Ｘ＞ｎ！を満たす最小のＸである。
【００２６】
４×４のスイッチングを行うのに必要な経路の取り方は４！＝２４通りであり、必要とされる最低のミラー数は５個である。しかし、従来技術にある等間隔の可動ミラーの配置では、５個の可動ミラーで４×４のスイッチングを実現することはできない。
【００２７】
本発明の実施例において、各スイッチセルの配置を、隣接するスイッチセルの間隔を、固定ミラーに対して平行方向、乃至、垂直方向に一定としないことにより、上記ミラー個数による４×４のスイッチングを実現している。
【００２８】
同様に３×３のスイッチングを行うのに必要な経路の取り方は３！＝６通りであり、必要とされる最低のミラー数は３個である。しかし、従来技術にある等間隔のスイッチセルの配置では、３個の可動ミラーで３×３のスイッチングを実現することはできない。
【００２９】
本発明の実施例３において、固定ミラーに対し傾斜した入力光路、出力光路を持ち、１組の入力光路および出力光路が互いに直交し、入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えたことにより、上記可動ミラー個数による３×３のスイッチングを実現している。
【００３０】
本実施例では、入力光路、および出力光路は固定ミラーに対し４５度傾いた状態で配置されているが、本発明は４５度の角度に限定されるものではない。
【００３１】
また本発明は、４×４乃至は３×３のスイッチサイズに限定されず、ｎ×ｍ（ｎおよびｍは自然数）の光スイッチにおいも適応することができる。
【００３２】
本発明における光反射装置はミラーに限定されず、液体を用いた反射装置も適応することができる。
【００３３】
【本発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置により構成された光路切替え装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置により構成された光路切替え装置は、前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、隣接する前期可動可能な光反射装置の間隔が、前記固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に一定としないことにより、光スイッチに必要とされる可動部品の数を減らすことが可能であり、低価格で信頼性の高い光スイッチを提供することができる。
また、３個の入力と３個の出力を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直な、少なくとも一つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーに接する領域に配置された光スイッチにおいて、一組の入力光路および、出力光路が互いに直交する関係にあり、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えることにより、光スイッチに必要とされる可動部品の数を減らすことが可能であり、低価格で信頼性の高い光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）に示すのは従来技術による４×４−２ＤタイプＭＥＭＳ光スイッチの概略図である。
【図２】本発明による実施例１の４×４―２ＤタイプＭＥＭＳ光スイッチの概略図である。
【図３】本発明による４×４―２ＤタイプＭＥＭＳ光スイッチのすべての光路切り替えを示す概略図である。
【図４】本発明による実施例２の４×４―２ＤタイプＭＥＭＳ光スイッチの概略図である。
【図５】本発明による実施例３の３×３―２ＤタイプＭＥＭＳ光スイッチの概略図である。

Claims (3)

1. ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、隣接する前記可動可能な光反射装置の間隔が、前記固定ミラーに対して平行方向および垂直方向に不均一であることを特徴とする光スイッチ。
2. ｎ個の入力とｍ個の出力（ｎ、ｍは自然数）を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直でかつ互いに平行な２つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーにはさまれた領域に配置された光スイッチにおいて、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えたことを特徴とする光スイッチ。
3. ３個の入力と３個の出力を有し、同一基盤平面上に入力光路および出力光路および複数の可動可能な光反射装置を有し、前記基盤平面に垂直な、少なくとも一つの固定ミラーを有する光スイッチであって、前記入力光路および出力光路は、前記固定ミラーに対し傾斜しており、前記複数の可動可能な光反射装置は前記固定ミラーに接する領域に配置された光スイッチにおいて、一組の入力光路および、出力光路が互いに直交する関係にあり、光路の切り替えに必要とされる一群の、前記複数の可動可能な光反射装置の配列において、前記入力光路から直接出力光路へ向かう経路と、前記入力光路から前記固定ミラーで反射して前記出力経路へ向かう経路との交点に、両面反射形の素子を備えたことを特徴とする光スイッチ。

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