JP2004294989A

JP2004294989A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2004294989A
Application number: JP2003090355A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Akashi; 保赤司
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【目的】本発明はＭＥＭＳが適用される光スイッチに関し、駆動電圧を有効に低下させることができる光スイッチの提供が主な課題である。
【構成】本発明による光スイッチは、複数の光ファイバを有するファイバアレイ２２と、偏向角が可変な複数のミラーを有し各ミラーはファイバアレイの各光ファイバから出力された光を偏向させるミラーアレイ３０とを備えている。そして、その特徴とするところは、各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにされていることである。この構成によると、各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにしているので、各ミラーの偏向角の可変範囲を狭くすることができ、駆動電圧を有効に低下させることができるようになる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システムに適用可能な光スイッチに関し、特にマイクロマシン技術を用いて製造され得る微小ミラー用いた光路の切替が可能な光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバネットワークの高速・大容量化に伴って、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のまま経路を切り換えることのできる光スイッチの需要が高まってきている。光スイッチとしては、切り換えチャネル数に応じてさまざまな種類のものがある。６４チャネル以上の大規模チャネル数向けとしては、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた３次元型光スイッチが有力と考えられている。
【０００３】
図１２は３次元ＭＥＭＳ光スイッチの例を示す斜視図である。この光スイッチは、入力側のファイバアレイ１２と、ファイバアレイ１２に対向するレンズアレイ１４と、半導体製造技術で基板上に作製された複数の微小なミラーＭを有する一対のＭＥＭＳミラーアレイ１６及び１８と、出力側のファイバアレイ２２と、ファイバアレイ２２に対向するレンズアレイ２０とから構成される。
【０００４】
入力側ファイバアレイ１２の各ファイバを伝搬してきた光は、レンズアレイ１４の各レンズによって空間伝搬に適したコリメート光に変換される。ＭＥＭＳミラーアレイ１６及び１８の各微小ミラーＭは静電気の作用でその中心軸の周りに偏向（回転）することができ、所定のミラーＭを所定の角度だけ偏向することで、入力側ファイバアレイ１２の各ファイバから出射された光を反射させて所望の出力側ファイバアレイ２２の各ファイバへと光路を切り換えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この３次元ＭＥＭＳ型光スイッチにおける課題を示すために、その切替え動作を、図１３を使って説明する。図１３は図１２に示される光スイッチを横から見たものである。説明のため、入力側ポート（チャネル）１〜５、出力側ポートを１´〜５´と名づける。
【０００６】
ポート１からポート１´への経路の場合、図１３（ａ）に示されるように、ミラーＭは偏向させる必要は無い。
【０００７】
ポート１からポート５´への経路の場合、図１３（ｂ）に示されるように、光路をθ_１傾ける必要があるため、２枚の対向する位置に配置されたミラーＭをそれぞれθ_１／２ずつ傾けることで光路の切替えを行う。
【０００８】
ポート３からポート５´への経路の場合、図１３（ｃ）に示されるように、θ_２／２ずつミラーＭを傾け、ポート３からポート１´への経路の場合は、図１３（ｄ）に示されるように、それぞれのミラーＭを逆方向にθ_２／２ずつ傾ける必要がある。
【０００９】
ポート５からポート５´の場合は図１３（ｅ）に示されるようにミラーＭを傾ける必要はなく、一方、ポート５からポート１´への経路の場合は、図１３（ｆ）に示されるように、ミラーＭを図１３（ｂ）とは逆の方向にθ_３／２ずつ傾ける必要がある。
【００１０】
図から明らかなように、θ_１＞θ_２及びθ_３＞θ_２の関係が成り立ち、全てのチャネルを切替える場合、端のチャネル（この場合ポート１とポート５及びポート１´とポート５´）に対応した位置にあるミラーＭの偏向必要角が最も大きい。一般的な静電駆動型のＭＥＭＳミラーは、電圧を印加することで偏向させるが、その印加電圧Ｖと偏向角θとの間には、θ∝Ｖ^２の関係がある。
【００１１】
静電型のＭＥＭＳミラーの駆動電圧は、一般的に数度偏向させるだけでも１００Ｖ以上と非常に高い。そのため制御回路は高電圧電源、高耐圧部品を必要とし、また、消費電力を増加させる要因となっているため、駆動電圧を下げるための工夫が必要となる。
【００１２】
大きな駆動電圧が必要なのは、端のチャネルにおけるＭＥＭＳミラーである。そこで、端のチャネルにおける偏向角を減少させることができれば、駆動電圧を低下させることが可能となる。
【００１３】
よって、本発明の目的は、駆動電圧を有効に低下させることができる光スイッチを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、複数の光ファイバを有するファイバアレイと、偏向角が可変な複数のミラーを有し各ミラーはファイバアレイの各光ファイバから出力された光を偏向させるミラーアレイとを備えた光スイッチが提供される。そして、その特徴とするところは、各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにされていることである。
【００１５】
この構成によると、各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにしているので、後で詳細に説明する原理に従って各ミラーの偏向角の可変範囲を狭くすることができ、駆動電圧を有効に低下させることができるようになる。
【００１６】
望ましくは、ミラーアレイの各ミラーは半導体製造技術により基板上に作製されたＭＥＭＳミラーである。
【００１７】
複数の光ファイバ及び複数のミラーを光の伝搬方向に見て２次元的に配列することによって、多入出力ポートの光スイッチを小型に提供することができる。
【００１８】
例えば、本発明による光スイッチは、複数のレンズを有しその各々はファイバアレイの各光ファイバから放射された光をコリメートビームに変換するレンズアレイを更に備えている。
【００１９】
この場合、ファイバアレイにおける光ファイバのピッチとレンズアレイにおけるレンズのピッチを異ならせることにより、容易に各光ファイバから各ミラーへの入射角を異ならせることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による光スイッチの第１実施形態を示す側面図である。この光スイッチは、複数の光ファイバＦ（ここではポート１〜５に対応して５本図示されている。）を有する入力側のファイバアレイ２２と、ファイバアレイ２２に対向して設けられるレンズアレイ２４と、複数の光ファイバＦ（ここではポート１´〜５´に対応して５本図示されている。）を有する出力側のファイバアレイ２６と、ファイバアレイ２６に対向して設けられるレンズアレイ２８と、入力側のファイバアレイ２２の任意の光ファイバＦ及び出力側のファイバアレイ２６の任意の光ファイバＦを光学的に接続する反射光路を択一的に提供するための入力側ＭＥＭＳミラーアレイ３０及び出力側ＭＥＭＳミラーアレイ３２とを備えている。
【００２１】
ミラーアレイ３０及び３２の各々は、基板３４と基板３４上に半導体製造技術により作製された複数のＭＥＭＳミラーＭを有している。各ミラーＭは、個別に印加される駆動電圧に応じてその傾斜角（偏向角）を変化させることができる。
【００２２】
例えば入力側について見てみると、レンズアレイ２４におけるレンズＬの配列ピッチとファイバアレイ２２におけるファイバＦの配列ピッチが異なるようにされており、これにより、各チャネルごとにミラーＭへの光軸の角度及びミラーＭからの光軸の角度を異なるようにしている。例えば、左端に位置する入力ポート１からミラーＭへの入射角をφとすると、中央に位置する入力ポート３からミラーＭへの入射角は０°、右端に位置する入力ポート５からミラーＭへの入射角は−φとなる。出力側についても同様に設定されている。
【００２３】
このようにミラーＭへの入射角をチャネルごとに異なるようにしたことによる作用を、図２及び図３を用いて説明する。
【００２４】
図２はミラーＭの偏向角と光軸の偏向角との関係を示したものである。図中ｎはミラーＭの法線ベクトルであり、光線の反射の法則から、ミラーＭでの光線の入射角と反射角は等しくなる。
【００２５】
図２（ａ）に示されるように、ミラーＭに角度θで入射した光は角度θで反射される。ミラーＭが角度φ偏向すると、図２（ｂ）に示されるように、出射角度はθ＋２φとなる。一方、図２（ｃ）に示されるように、ミラーＭがもともと角度−φ／２傾いていて、入射角度がθ＋φだとすると、出射角度はθであり、また、図２（ｄ）に示されるように、ミラーＭが＋φ／２傾くと、出射角度はθ＋２φとなる。
【００２６】
即ち、入射角度をθからθ＋φに変更することで、ミラーＭの偏向角を０からφまで変えた場合に得られる光軸の偏向を、ミラーＭの偏向角を−φ／２からφ／２まで変えることで実現することができる。
【００２７】
図３は図１の一部分、入力ポート１の部分とそれに対応したＭＥＭＳミラーアレイ３０の部分を示したものである。光路を切替えるのに必要な光軸の偏向量の最大値が図２で説明したθであるとすると、ミラーＭに入射する光軸の角度をφとしたときに、ミラーＭを−φ／２から＋φ／２まで偏向させることで、出力ポート１´〜５´のいずれへも、光路を切替ることができる。
【００２８】
ミラーＭへの光軸の偏向は、図３に示されているように、光ファイバＦとレンズＬの相対位置をずらして配置することで実現される。レンズＬの焦点距離をｆ、光ファイバＦとレンズＬの中心の位置ずれ量をｄとすると、レンズＬから出射される光軸はｄ／ｆの角度偏向される。一方、この光軸の偏向は、各チャネル毎に変えることが必要となる。なぜなら、図１３（ｂ）及び図１３（ｆ）に示したように、ミラーアレイの両端では偏向の方向が異なり、また、図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）に示したように、ミラーアレイ中央付近では、すでに偏向角の必要量は小さく、対策の必要が無いからである。
【００２９】
そこで、レンズアレイ２４におけるレンズＬの配列ピッチをファイバアレイ２２におけるファイバＦの配列ピッチよりも狭くすることで、図１に示されるように各ミラーＭに異なった角度を付加することが可能となる。それは、ファイバアレイ２２とレンズアレイ２４のピッチが異なると、チャネルごとにｄの値が異なることになるからである。
【００３０】
図４はＭＥＭＳミラーの偏向角と駆動電圧の関係を示すグラフである。偏向角の必要値を０〜φから−φ／２〜φ／２と変更することにより、電源電圧を下げることが可能となり、また、電圧に対する角度変化のより緩やかな領域で使用できるようになるため、ミラーの角度制御が容易になるという利点もある。
【００３１】
図１から図３までの説明では、ポート１〜５に関して一次元状にファイバアレイ２２、レンズアレイ２４及びミラーアレイ３０が配列されているが、図１２に示される従来例のように、光の伝搬方向に見て二次元状に配列されていてもよい。これをより具体的に説明する。
【００３２】
図５は本発明の第２実施形態として、ファイバアレイ２２及びレンズアレイ２４を正面から見た図である。レンズＬは８×８マトリックス状に６４個有り、これに対応して各光ファイバＦが設けられている。そして、縦横両方向ともファイバアレイ２２のピッチよりもレンズアレイ２４のピッチのほうが小さくなるように設定されている。
【００３３】
図６は図５に示されるファイバアレイ２２及びレンズアレイ２４の斜視図である。ここでは、ファイバアレイ２２とレンズアレイ２４の相対的な位置関係を確定するために、ファイバアレイ２２の各ファイバＦはファイバ整列部材３６に挿入及び固定されており、レンズアレイ２４はファイバ整列部材３６に接着等により固定されている。
【００３４】
図６を参照すると、レンズアレイ２４の四隅から放射されるビームの様子が示されている。点線Ｂ１で示されているのは、比較のためにレンズアレイ２４のピッチがファイバアレイ２２のピッチと等しい場合のビームであり、コリメートされた各ビームは互いに平行であり、全体としてのビームＢ１の太さは変わらない。これに対して、実線Ｂ２で示されているのが本実施形態におけるものであり、各ビームは中心方向に向けて傾きをもって出射され、全体としてのビームＢ２はレンズアレイ２４からの距離が増大するのに従って細くなっている。これにより、図１に示した場合と同様に、端のチャネルにおけるＭＥＭＳミラーＭの偏向角の必要値を減少させることができる。
【００３５】
ところで、ファイバアレイ２２及びレンズアレイ２４のピッチにより、ミラーＭに入射する光軸の角度が変わるので、ファイバ整列部材３６及びレンズアレイ２４が温度によって変動すると、光軸の角度も温度によって変わってしまう。そこで、両者の材質の熱膨張係数をほぼ等しくしておくことで、この影響を低減することが可能となる。
【００３６】
図７は本発明による光スイッチの第３実施形態を示す側面図である。この実施形態では、断面がＶ字型の折返しミラー３８を入力側及び出力側のＭＥＭＳミラーアレイ３０及び３２に対向させて配置することで、光路を折り曲げることができる。後述の実施形態で説明するが、折返しミラー３８を採用することにより、入力側及び出力側のＭＥＭＳミラーアレイ３０及び３２を一体化することができ、更には入力側及び出力側のファイバアレイ２２やレンズアレイ２４を一体化することができる。
【００３７】
図８は本発明による光スイッチの第４実施形態を示す側面図であり、その入力側のみが示されている。この実施形態では、ファイバアレイ２２とレンズアレイ２４のピッチは等しく、ファイバアレイ２２とミラーアレイ３０の間に光学部材４０が設けられている。光学部材４０はファイバアレイ２２の各光ファイバＦから出力されレンズアレイ２４の各レンズＬによりコリメートされたビームに対して異なる屈折角を与え、それによりミラーアレイ３０の各ミラーへの入射角が異なるようにされている
図示されたようにファイバアレイ２２が一次元的な配列である場合には、光学部材４０としてはシリンドリカルレンズを用いることができる。また、図６に示されるような２次元配置が採用されている場合には、凸レンズやプリズムを光学部材４０として用いることができる。例えば、中心の光軸（この場合はポート３からミラーＭへ入射する光軸）に対して対称な構造のレンズを配置するとで、その両側の光軸を逆方向に偏向させることが可能となり、また、各チャネル毎に異なった角度で光軸を偏向させることが可能となる。
【００３８】
図９は本発明による光スイッチの第５実施形態を示す側面図であり、その入力側のみが示されている。この実施形態でも、ファイバアレイ２２とレンズアレイ２４のピッチは等しく、レンズアレイ２４とミラーアレイ３０を反射光路により光学的に接続するための凹面リフレクター４２が設けられている。これにより、互いに平行なビームがリフレクター４２に入射したときに、その焦点位置（図示せず）に向けて光軸を偏向させることができ、ミラーアレイ３０の各ミラーへの入射角を異ならせることができる。リフレクター４２の反射面としては例えば放物面を用いることができる。
【００３９】
図１０は本発明による光スイッチの第６実施形態を示す側面図である。この実施形態でも、ファイバアレイ２２とレンズアレイ２４のピッチは等しい。そして、図７に示される実施形態との対比において説明すると、凹面による折り返しミラー４４が用いられている。このように、折り返しミラー４４の反射面の形状を曲面形状の組み合わせとすることで、ＭＥＭＳミラーＭへの入射光軸を偏向させなくても、端の経路においては、ＭＥＭＳミラーＭを偏向させることが必要になり、これまでに説明したのと同様にＭＥＭＳミラーＭの偏向角の必要値を減少させることができる。
【００４０】
図１１は本発明による光スイッチの第７実施形態を示す斜視図である。この実施形態では、入力側及び出力側のＭＥＭＳミラーアレイ３０及び３２を一体化し、更には入力側及び出力側のファイバアレイ２２やレンズアレイ２４を一体化するために、図７に示される実施形態の各構成要素の配置が変更されている。入力側ファイバアレイ２２と同様、出力側ファイバアレイ２６についてもファイバ整列部材３６が用いられている。
【００４１】
レンズアレイ２４及び２８の各レンズＬは、板状のガラス基板にエッチング等により半球状のレンズを形成して得ることができる。ここで、ファイバアレイピッチ＞レンズアレイピッチ＞ＭＥＭＳミラーアレイピッチとしており、光軸は中心に向かうように角度が付けられている。
【００４２】
また、レンズアレイを石英ガラス（熱膨張係数＝０．５×１０^−６／℃）、ファイバアレイ（より正確には、ファイバ整列部材）をインバー合金（６４Ｆｅ＋３６Ｎｉ）（熱膨張係数＝１．４×１０^−６／℃）で構成すれば、温度変動に対してもビームの角度変動を少なくすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によると、駆動電圧を有効に低下させることができる光スイッチの提供が可能になるという効果が生じる。その結果、電源電圧を低減することができ、低消費電力化が可能となり、また、部品の耐圧ランクを下げ、使用可能な部品品種が増えるため、低コスト化が可能となる。更に、ファイバアレイのピッチとＭＥＭＳミラーのピッチを変えることができることから、両者の設計自由度が向上し、汎用部品の利用が可能となるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による光スイッチの第１実施形態を示す側面図である。
【図２】図２はミラーＭの偏向角と光軸の偏向角との関係を示す図である。
【図３】図３は図１の一部分、入力ポート１の部分とそれに対応したＭＥＭＳミラーアレイ３０の部分を示す図である。
【図４】図４はＭＥＭＳミラーの偏向角と駆動電圧の関係を示すグラフである。
【図５】図５は本発明の第２実施形態として、ファイバアレイ２２及びレンズアレイ２４を正面から見た図である。
【図６】図６は図５に示されるファイバアレイ２２及びレンズアレイ２４の斜視図である。
【図７】図７は本発明による光スイッチの第３実施形態を示す側面図である。
【図８】図８は本発明による光スイッチの第４実施形態を示す側面図である。
【図９】図９は本発明による光スイッチの第５実施形態を示す側面図である。
【図１０】図１０は本発明による光スイッチの第６実施形態を示す側面図である。
【図１１】図１１は本発明による光スイッチの第７実施形態を示す斜視図である。
【図１２】図１２は３次元ＭＥＭＳ光スイッチの従来例を示す斜視図である。
【図１３】図１２に示される光スイッチの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
２２入力側ファイバアレイ
２４入力側レンズアレイ
２６出力側ファイバアレイ
２８出力側レンズアレイ
３０入力側ＭＥＭＳミラーアレイ
３２出力側ＭＥＭＳミラーアレイ

Claims

複数の光ファイバを有するファイバアレイと、
偏向角が可変な複数のミラーを有し、各ミラーは前記ファイバアレイの各光ファイバから出力された光を偏向させるミラーアレイとを備えた光スイッチであって、
各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにされていることを特徴とする光スイッチ。
前記ミラーアレイの各ミラーは半導体製造技術により基板上に作製されたＭＥＭＳミラーであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
前記複数の光ファイバ及び前記複数のミラーは光の伝搬方向に見て２次元的に配列されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
複数のレンズを有しその各々は前記ファイバアレイの各光ファイバから放射された光をコリメートビームに変換するレンズアレイを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
前記ファイバアレイにおける光ファイバのピッチと前記レンズアレイにおけるレンズのピッチが異なり、それにより各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにされていることを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
前記ファイバアレイと前記ミラーアレイとの間に設けられた光学部材を更に備え、
前記光学部材は前記ファイバアレイの各光ファイバから出力された光に対して異なる屈折角を与え、それにより各光ファイバから各ミラーへの入射角が異なるようにされていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。