JP2005172850A - 光クロスコネクト装置およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力光ファイバを選択するマイクロミラーの角度を最適に設定する調整機構をもった光クロスコネクト装置を提供する。
【解決手段】 本発明の光クロスコネクト装置は、回折格子４００から波長ごとに異なる角度で出射される光を波長ごとに複数備えられたマイクロミラーアレイ５００に入射し、反射された光を波長ごとに異なる複数の出力光ファイバ１２０のうち、所望のものに入射する機能を備える。
本発明においては上記の光クロスコネクト装置をつぎのように調整する。回折格子４００で反射された所定の単一波長の光を、所定のマイクロミラーに入射させ、これを除く他のすべての波長の光が入射するのをシャッタ６００によって遮断する。所定の出力光ファイバ１２０に結合する光強度を監視しながら、マイクロミラーの反射面の角度を変化させ、光強度の指標が所定範囲内となるように角度を設定し、その値を記憶装置に記憶する。
【選択図】 図３

Description

本発明は光通信分野における波長多重通信技術に関し、とくに光クロスコネクト装置に関する。

波長多重光通信においては、数の波長の搬送波を信号で変調し、これを多重化して１本の光ファイバによって伝送する。この波長領域で多重化された信号は伝送された後、受信側で分波され波長ごとに分離され、それぞれの宛先に到達するように信号の伝送経路が切り換えられる。この際、光信号を一旦電気信号に変換し、電気的なスイッチ（交換機）によって経路を切り換えることもできるが、光信号のまま切り換える方が、光−電気変換を省くことができ、また最終宛先付近まで、光信号による伝送が可能となる利点がある。

このような波長多重通信における経路切り換え機能は、図１に示すように説明される。図では一例として８波長の多重信号の場合を示しているが、波長数は通信規格等によって決定されるもので、とくに限定されない。波長多重信号である入力信号１を波長分波器５により分波し、分波された各波長の信号２をそれぞれ１×４スイッチ６により４つの異なる宛先のいずれかに向かうような経路４を選択し切り換える。もちろん宛先の数も４箇所に限られない。各宛先には８波長の信号のいずれかの信号が異なる経路４を経て到達する。これら異なる経路からの波長の異なる信号を波長合波器７よって合波し、目的の出力信号３として取り出す。

これを実現する手段として、図２の光クロスコネクト装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、入力光ファイバ１０から入った波長多重光信号をレンズ系２０を用いて平行光１２とし、回折格子３０に入射させる。この光は回折格子３０によって波長ごとに異なる角度で反射されることにより、単一波長の光ビーム１４に分離され、レンズ２２を介して電気−機械的に駆動されるマトリクス光スイッチ４０に導かれる。

この光スイッチ４０の中のそれぞれのマイクロミラーはその反射面の角度を変化させることができる。マイクロミラーの角度が変わることにより、レンズ２４を介して回折格子３２に到達する光ビーム１６の位置を変えることができ、これによって回折格子３２を所定の角度で反射した光ビーム１８は、レンズ系２８によって、複数配列された出力光ファイバ５０のいずれかに結合される。すなわち波長ごとに分離した光ビームを任意の光ファイバに切り換えて結合することができる。また、出力光ファイバへの結合状態を完全にしなければ、減衰させた状態で出力させることもできる。

この光学系はマイクロミラーへの入射角が小さくなるように配置することにより、２つの回折格子を１つで兼ねることもできる。この場合、レンズ系も共用することができ、入力光ファイバと出力光ファイバの位置が近接した配置とする構成となる（特許文献２参照）。このような構成では、図１の光学系に比べ、部品点数を少なくできる利点がある。
米国特許第６０９７８５９号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１９６５２０号明細書

波長分離したあとの信号を、出力光ファイバに結合させるためにはマイクロミラーの角度を設定値にあわせればよいが、角度が設定値からずれると所望の結合値に対して損失が生じる。この角度ずれを出力光ファイバでの光信号を一部取り出して、検出することができれば、マイクロミラーを安定して制御できるが、一つの光ファイバには複数の波長の光が結合するため、どのマイクロミラーによって反射された光に損失が生じているか判別することができないという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、出力光ファイバを選択するマイクロミラーの角度を最適に設定する調整機構をもった光クロスコネクト装置を提供することを目的とする。

本発明の光クロスコネクト装置は、複数の波長を含む入射光を入力する光入力手段と、この入射光を平行光に変換する第１の光学手段と、この平行光が所定の入射角で入射されるように配置された第１の回折光学手段と、第１の回折光学手段によって波長ごとに異なる角度で出射される平行光を集光する第２の光学手段と、第２の光学手段によって集光された光を反射する、波長ごとに複数備えられた可動反射手段と、この可動反射手段により反射された光を平行光に変換する第３の光学手段と、この平行光が所定の入射角で入射されるように配置された第２の回折光学手段と、第２の回折光学手段によって所定の角度で出射される平行光を集光する第４の光学手段と、第４の光学手段によって集光された光を波長ごとに受光する複数の光出力手段とを備える。

そして各可動反射手段のいずれか１つにのみ光を入射する光遮断手段と、光出力手段に入射する光強度の監視手段と、この監視手段によって提供される光強度から算出した指標が所定範囲内となるように各可動反射手段の反射面の角度を調整する制御手段と、調整後の前記角度をそれぞれ記憶する記憶手段とを備える。

上記の構成により、１つの可動反射手段によって反射された光に対して、光出力手段に結合する結合状態を最適な状態に自動設定でき、かつ設定値を保存することにより、以後の変動にも対処できる。

また、第１の回折光学手段により波長ごとに異なる角度で出射された光の光強度の監視手段を備え、制御手段は、この光強度に対する光出力手段に入射する光強度の比を算出し、これを光強度を表す指標として使用することが望ましい。
これにより、入射光強度の変動による角度設定への影響を防ぐことができる。

さらに、第２の回折光学手段と第４の光学手段を介して集光される光線は、可動反射手段の反射面の角度の変化にともなって、その主軸が平行に移動することが望ましい。このような構成とすることで、光出力手段を平行に配列された光ファイバ等とすることができ、装置の構成が簡単化するとともに、調整も容易となる。とくに複数の光出力手段を、光軸が互いに平行な光ファイバの端面とし、この端面を１直線上に配列するのが望ましい。

本発明の光クロスコネクト装置は、つぎのような機能を有する。
複数の波長を含む入射光を光入力手段によって入力し、この入射光を第１の光学手段によって平行光に変換する。この平行光を所定の入射角で第１の回折光学手段に入射し、第１の回折光学手段から波長ごとに異なる角度で出射される平行光を第２の光学手段によって集光して波長ごとに複数備えられた可動反射手段に入射する。この可動反射手段により反射された光を第３の光学手段により平行光に変換する。この平行光を第２の回折光学手段に所定の入射角で入射し、第２の回折光学手段によって所定の角度で出射される平行光を第４の光学手段によって集光する。第４の光学手段によって集光された光を波長ごとに異なる複数の光出力手段に入射する。

このような機能を発揮させるため、本発明においては、その調整方法をつぎのようにする。
第１の回折光学手段から反射された所定の単一波長の光を、所定の可動反射手段に入射させ、これを除く他のすべての波長の光が入射するのを光遮断手段によって遮断する。所定の光出力手段に結合する光強度を監視し、この光強度から算出される指標を制御手段によって監視しながら、可動反射手段の反射面の角度を変化させ、光強度の指標が所定範囲内となるように角度を設定し、その値を記憶装置に記憶する。

このような方法により、１つの波長の光が所定の光出力手段に所望の結合状態で結合するように自動的に調整できる。この調整を複数の波長すべて、および各波長に対してすべての光出力手段について順次行うことにより、光クロスコネクト装置全体の調整が容易に行える。

また、第１の回折光学手段から反射された単一波長の光の光強度をその監視手段によって監視し、上記の光強度の指標を、光強度に対する前記光出力手段に入射する光強度の比としたことが望ましい。これにより入射光強度の影響を受けずに調整を行うことができる。

本発明によれば、回折光学手段を分波手段とし、可動反射手段を光路切換え手段とする光クロスコネクト装置において、１つの可動反射手段によって反射された光に対して、光出力手段に結合する結合状態を容易に最適な状態に設定でき、かつ設定値を保存することにより、以後の変動にも対処できる。

本発明の実施形態である光クロスコネクト装置の構成を図３に基づいて説明する。部品点数の少ない折り返し光学系を基礎として説明するが、図２のような光学系を基礎としてもよい。

本発明の光クロスコネクト装置は、つぎのように構成される。複数の波長を含む入射光を本装置に入力するための光入力手段は入力光ファイバ１００である。この入力された光を平行光３２０に変換する第１の光学手段は、コリメート用マイクロレンズアレイ２２０、凸レンズ２４０、２６０からなるレンズ系２００からなる。この平行光３２０が所定の入射角で入射されるように配置された第１の回折光学手段は、反射型回折格子４００である。この回折格子４００によって波長ごとに異なる角度で出射された光３４０を所望の方向に反射する可動反射手段は、マイクロミラーアレイ５００およびその制御装置（図示しない）である。

このマイクロミラーアレイ５００により反射された光を平行光に変換する第３の光学手段は、第１の光学手段の一部である凸レンズ２６０が兼ねる。この平行光が所定の入射角で入射されるように配置された第２の回折光学手段は、第１の回折光学手段である反射型回折格子４００が兼ねる。この回折格子４００によって所定の角度で出射される平行光を集光する第４の光学手段は、第１の光学手段であるレンズ系２００が兼ねる。レンズ系２００によって集光された光を波長ごとに受光する複数の光出力手段は、配列された複数の出力光ファイバ１２０の端面である。

本発明の光クロスコネクト装置は、さらにマイクロミラーアレイ５００に入射する光を遮断する光遮断手段であるシャッタアレイ６００およびその制御装置（図示しない）を備えている。

さらに出力光ファイバ１２０に結合する光強度の監視手段としては、各光ファイバにタップカプラを設け、一部の光を取り出す方法を用いた。また、入力光ファイバ１００から入力され回折格子で分波された光の光強度を監視する監視手段としては、マイクロミラーアレイ５００に向かう光を一部取り出す方法をとった（ともに図示しない）。

つぎに本発明の光クロスコネクト装置の動作について説明する。
高密度波長多重（ＤＷＤＭ）通信方式で定められた複数の波長（λ１〜λｎ）が多重化された光信号が入力光ファイバ１００から本装置に入射する。ここでは図１の例にならってｎ＝８の場合を説明するが、これに限られることなく、他の波長の数（チャンネル数）の場合であっても同様である。入力光ファイバ１００から出射された光は、マイクロレンズアレイ２２０を構成するマイクロレンズ素子の１つ、およびレンズ２４０、２６０を介して平行光３２０となって、反射型回折格子４００に入射される。

この平行光３２０は反射型回折格子４００によって波長ごとに分解されて異なる角度で反射される。図では波長λ２の光について示した。この反射光３３０は、再度レンズ２６０を通ってマイクロミラーアレイ５００に到達する。マイクロミラーアレイ５００はチャンネル数ｎ（＝８）に対応するｎ個のマイクロミラー素子を備える必要がある。各波長の光は異なるマイクロミラー素子（５００−１〜５００−８）に入射するように光学系を設計する。各マイクロミラー素子に入射する異なるチャンネルの光は、それぞれの素子の反射面の角度に従って反射される。

波長λ２の光はマイクロミラー素子５００−２によって反射される。この反射光３３０はレンズ２６０により再び回折格子４００に入射され、その波長にしたがって所定の角度で反射され、レンズ２６０、２４０、およびマイクロレンズアレイ２２０の各出力光ファイバに対応したマイクロレンズ素子に入射される。そして各マイクロレンズ素子により集光され、所定の出力光ファイバ１２０に結合される。出力光ファイバの数ｍは信号を配信する宛先の数で、ここでは図１の例にならってｍ＝４の場合について説明する。図３は波長λ２の光を１番目の出力光ファイバ１２０−１に結合した場合を示している。

上記のマイクロミラーアレイは、シリコン基板上に微細加工技術を用いて作製された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）による一次元配列の可動反射鏡である。反射鏡の角度を検知する角度センサを同一基板上に備え、これと連動して動作する制御手段（角度設定機構）を備えており、その反射面の角度を外部制御信号により調整することが可能である。反射面の角度の変更により、到達した光の反射する方向を所望の方向に変えることができ、したがって各マイクロミラー素子の角度を調整することにより、各波長の光信号を所定の出力光ファイバに結合することができる。

さらに各マイクロミラー素子の前面には、ＭＥＭＳシャッタアレイ６００が設けられており、各マイクロミラー素子への入射光を遮断できるようになっている。これを利用し、一つの波長（図の例ではλ２）に対応するマイクロミラー素子からの反射光のみを選択した光ファイバに結合するように設定し、他の光は遮断することができ、出力光ファイバと結合する光とマイクロミラー素子の角度の相関を正確に調べることができる。これにより、一つのマイクロミラー素子に関して、設定角度の最適値を知ることができる。

つぎに本発明のマイクロミラー素子の角度の調整機構について図４を用いて説明する。上記のように、回折格子から反射された波長λ１〜λ８の光は、マイクロミラー素子５００−１〜５００−８に入射するようにあらかじめマイクロミラーアレイ５００の位置を定める。波長λ２について調整する場合、制御装置８００はマイクロミラー素子５００−２の前面のシャッタ素子６００−２のみを開とするように、シャッタ駆動装置６２０に指令する。これによってマイクロミラー素子５００−２のみに光が入射する。

つぎに、制御装置８００は、マイクロミラー素子５００−２の反射光が、まず出力光ファイバ１２０−１に入射するであろうあらかじめ設定された値にマイクロミラー素子５００−２の反射面の角度を初期値として設定するようにマイクロミラー駆動装置５２０に指令を出す。次いで制御装置８００は、マイクロミラー素子５００−２に入射する光強度の測定値Ｉi（ｎ＝２）をセンサー５４０−２から、出力光ファイバ１２０−１に結合する光強度の測定値Ｉo（ｍ＝１）をセンサー１４０−１からそれぞれ受け取り、Ｉo／Ｉiを指標として計算する。つぎにマイクロミラー駆動装置５２０に反射面の角度を連続的に変化させるように指令し、Ｉo／Ｉiの変化を監視する。Ｉo／Ｉiが所定範囲に入った時点で、角度変化を停止する指令を出し、その角度の値θ２１を制御装置内の記憶装置に記憶させる。

なお、できるだけ損失の少ない結合が必要な場合には、Ｉo／Ｉiが最大または所定値以上の範囲になるように設定すればよいが、出力光強度を各出力光ファイバ間で揃えたい場合等においては、Ｉo／Ｉiの値を最大値より小さい所定の範囲に設定すればよい。

以上において、Ｉoのみ測定し、これをそのまま指標としても調整は行えるが、入射光強度の変動と反射面の角度ずれによる出射光強度の変動を区別することができない。Ｉiを同時に測定し、Ｉo／Ｉiを指標として使用すれば、入射光強度の変動を補償できるという利点が生じる。

順次、他の出力光ファイバ１２０−２、１２０−３、１２０−４に対して、マイクロミラー素子５００−２の設定角度の最適値を調べ、この値θ２２、θ２３、θ２４を記憶しておくことにより、マイクロミラー素子５００−２の波長λ２に対する角度設定値をすべて最適化できる。
同様に、異なる波長λ１、λ３、λ４に対応するマイクロミラー素子５００−１、５００−３、５００−４に対して、一つずつシャッタ６００−１、６００−３、６００−４それぞれを開き、各マイクロミラー素子の設定位置を入射する光信号に対して最適化できる。

出力光ファイバの結合する光の強度を監視する方法としては、タップカプラを用いたが、出力光ファイバの端面から反射する光をモニタする方法を用いることもできる。
さらに、入射信号に対して、波長ごとに光の入力信号強度を測定できる機能をもつことにより、この値と出力ファイバに結合する値とを比較することにより、入射光強度の変動の影響を除去することができ安定して最適化を行うことができる。

入射信号に対して、波長ごとに光の信号強度を測定するには、マイクロミラーアレイに向かう光を一部取り出す方法をとったが、マイクロミラーアレイで反射し、回折格子に到達した光の回折格子によるゼロ次反射光を利用することもできる。

第１〜第４の光学手段は、上記のように一部を同一の光学素子または複数の光学素子からなる光学系により兼用してもよいが、すべてを別個の光学素子とすることもできる。また本実施形態では各光学手段をマイクロレンズアレイと凸レンズの組み合わせまたは単独の凸レンズとしたが、この組み合わせはこれに限られない。

第１、第２の回折光学手段は、上記の実施形態では兼用したが、別個に設けてもよい。また、上記実施形態では反射型回折格子を用いたが、透過型回折格子を用いた光学系とすることもできる。
上記実施形態では、光入力手段と光出力手段としていずれも光ファイバを用いたが、これに限られない。例えば、光出力手段として受光素子を用いることもできる。

光クロスコネクト装置の基本概念を示す図である。 従来の光クロスコネクト装置の構成を示す模式図である。 本発明の光クロスコネクト装置の構成を示す図である。 本発明の光クロスコネクト装置の調整に関するブロック図である。

符号の説明

１００ 入力光ファイバ
１２０ 出力光ファイバ
２２０ マイクロレンズアレイ
２４０、２６０ 凸レンズ
４００ 反射型回折格子
５００ マイクロミラーアレイ
５２０ マイクロミラーアレイ駆動装置
６００ シャッタアレイ
６２０ シャッタアレイ駆動装置
８００ 制御装置

Claims (6)

1. 複数の波長を含む入射光を入力する光入力手段と、
   前記入射光を平行光に変換する第１の光学手段と、
   前記平行光が所定の入射角で入射されるように配置された第１の回折光学手段と、
   該第１の回折光学手段によって波長ごとに異なる角度で出射される平行光を集光する第２の光学手段と、
   該第２の光学手段によって集光された光を反射する、波長ごとに複数備えられた可動反射手段と、
   前記可動反射手段により反射された光を平行光に変換する第３の光学手段と、
   前記平行光が所定の入射角で入射されるように配置された第２の回折光学手段と、
   該第２の回折光学手段によって所定の角度で出射される平行光を集光する第４の光学手段と、
   該第４の光学手段によって集光された光を波長ごとに受光する複数の光出力手段と、
   を備える光クロスコネクト装置において、
   前記各可動反射手段のいずれか１つにのみ光を入射する光遮断手段と、前記光出力手段に入射する光強度の監視手段と、該監視手段によって提供される光強度から算出した指標が所定範囲内となるように各可動反射手段の反射面の角度を調整する制御手段と、調整後の前記角度をそれぞれ記憶する記憶手段と、を備えたことを特徴とする光クロスコネクト装置。
2. 前記第１の回折光学手段により波長ごとに異なる角度で出射された光の光強度の監視手段を備え、前記制御手段は、該光強度に対する前記光出力手段に入射する光強度の比を算出し、前記光強度を表す指標として使用することを特徴とする請求項１に記載の光クロスコネクト装置。
3. 前記第２の回折光学手段と第４の光学手段を介して集光される光線は、前記可動反射手段の反射面の角度の変化にともなって、その主軸が平行に移動することを特徴とする請求項１または２に記載の光クロスコネクト装置。
4. 前記複数の光出力手段は、光軸が互いに平行な光ファイバの端面であり、該端面は１直線上に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の光クロスコネクト装置。
5. 複数の波長を含む入射光を光入力手段によって入力し、前記入射光を第１の光学手段によって平行光に変換し、前記平行光を所定の入射角で第１の回折光学手段に入射し、該第１の回折光学手段から波長ごとに異なる角度で出射される平行光を第２の光学手段によって集光して波長ごとに複数備えられた可動反射手段に入射し、該可動反射手段により反射された光を第３の光学手段により平行光に変換し、該平行光を第２の回折光学手段に所定の入射角で入射し、該第２の回折光学手段によって所定の角度で出射される平行光を第４の光学手段によって集光し、該第４の光学手段によって集光された光を波長ごとに異なる複数の光出力手段に入射する光クロスコネクト装置の調整方法において、
   第１の回折光学手段から反射された所定の単一波長の光を、所定の可動反射手段に入射させ、これを除く他のすべての波長の光が入射するのを光遮断手段によって遮断し、所定の前記光出力手段に結合する光強度を監視し、該光強度から算出される指標を制御手段によって監視しながら前記可動反射手段の反射面の角度を変化させ、前記光強度の指標が所定範囲内となるように前記角度を設定し、該角度を記憶装置に記憶することを特徴とする光クロスコネクト装置の調整方法。
6. 前記第１の回折光学手段から反射された単一波長の光の光強度をその監視手段によって監視し、前記光強度の指標を、該光強度に対する前記光出力手段に入射する光強度の比としたことを特徴とする請求項５に記載の光クロスコネクト装置の調整方法。

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