JP2006058747A - 光スイッチ及び光スイッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で光損失の抑制を実現する光スイッチを提供する。
【解決手段】 有限光学系を構成するＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６は、入力用光ファイバ１１の出射端面１１ａ及び出力用光ファイバ１２，１３に取り付けられている。入力用光ファイバ１１と出力用光ファイバ１２，１３との間に、反射面１７ａを有する可動ミラー１７が配置されている。入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光は、可動ミラー１７の反射面１７ａで反射すると出力用光ファイバ１２に入射する（図１の（ａ）参照）。可動ミラー１７を透過すると、入力用光ファイバ１１からの光は出力用光ファイバ１３に入射する（図１の（ｂ）参照）。可動ミラー１７は、図示しないアクチュエータにより揺動して、反射位置と透過位置の選択がなされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバから他の光ファイバへの接続切り替えを行うための光スイッチ及び光スイッチング方法に関するものである。

従来から、光通信等で各種の光学デバイス、例えば光スイッチが用いられている。光スイッチは、光ファイバ伝送路の光路の切り換えや遮断を行うもので、複数の光ファイバ及び光路切換素子を有する構成のものがある。すなわち、光スイッチは、所望の入力用光ファイバから出射される光通信用の光を、光路切換素子により光路を切り換えて所望の出力用光ファイバに入射させるように構成されている。

光スイッチの具体的な構成を図４を用いて説明する。図４は、光スイッチの一例として特許文献１に記載されている光スイッチ１００の要部を表す説明図である。図４に示すように、各入力用光ファイバ１０１ａ，…，１０１ｄから、コリメートレンズとして機能する各入力用レンズ列１０２に光学信号１０３が送られる。入力用レンズ列１０２の各々により光学信号１０３からビーム１０４ａ，…，１０４ｄが生成され、第１の傾斜ミラー１０５に受光される。ここで、光路途中に設けられた第１の傾斜ミラー１０５及び第２の傾斜ミラー１０６は、それぞれ図示しない複数のミラー素子からなり、各ミラー素子の傾斜は制御により変えられるようになっている。
第１の傾斜ミラー１０５に受光された各ビーム１０４ａ，…，１０４ｄは、第２の傾斜ミラー１０６のミラー素子のうちの特定のミラー素子に向けて反射され、さらに第２の傾斜ミラー１０６で出力用レンズ列１０７に向けて反射される。

特開２００１−１７４７２４号公報(第３〜４頁、図２)

ここで、光通信の伝送経路・伝送装置にとっては、その間の光損失を少なくすることが重要である。しかしながら、上記の特許文献１の構造では、入力用光ファイバ１０１ａ，…，１０１ｄから出力用光ファイバ１０８ａ，…，１０８ｄに至る２つの傾斜ミラー１０５，１０６の傾き角度に誤差がある場合には光損失についての問題が生じ得る。すなわち、２つの傾斜ミラー１０５，１０６の傾き角度に誤差がある場合には、出力用光ファイバ１０８ａ，…，１０８ｄのコア部に対して位置や傾きのずれが生じ、出力用レンズ列１０７で形成された光学信号１０９は、出力用ファイバ１０８ａ，…，１０８ｄから出力される際に大きな光損失が発生する可能性がある。

この問題を解決するものとして、光路切換素子の角度をモニタしながら、常に光路切換素子の角度が所定値となるように補正するフィードバック機構を設けることも考えられるが、光スイッチの構造が複雑になり、多くのコストがかかるという二次的な問題が発生する。

本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡易な構造で光損失の抑制を実現することにある。

かかる目的のもと、本発明が適用される光スイッチは、入力用光ファイバと、入力用光ファイバから一旦出射された光が入射する出力用光ファイバと、入力用光ファイバから光が出射されてから出力用光ファイバに入射するまでの区間内に設けられ、入力用光ファイバから出射された光を集光する有限光学系と、有限光学系により集光される又は集光された光の光路を切り換える切り換え手段とを含む。
有限光学系は、入力用光ファイバ側及び出力用光ファイバ側の各々に設けられていることを特徴とすることができる。また、入力用光ファイバ側に設けられている有限光学系は、光が出射する部分に密着し、出力用光ファイバ側に設けられる有限光学系は、光が入射する部分に密着していることを特徴とすることができる。
有限光学系は、集光性を有するＧＲＩＮレンズであるのが好ましい。また、入力用光ファイバ１本に対して出力用光ファイバを２本備えてなり、切り換え手段は、２本の出力用光ファイバの中から出力先として選択された出力用光ファイバに入射させるように、光の光路を切り換えることを特徴とすることができる。

他の観点から捉えると、本発明が適用される光スイッチング方法は、入力用光ファイバから一旦出射された光を操作して出力用光ファイバに入射させる光スイッチング方法において、入力用光ファイバから出射された光を集光し、集光される途中又は集光された光の光路を切り換えて出力用光ファイバに光を入射させる。
入力用光ファイバから出射された光の光路を変えるためのミラーが配置され、ミラーを予め定められた複数の位置のいずれかに動かすことにより光の光路を切り換えることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡易な構造で光損失の抑制を実現することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る光スイッチを示す概略構成図である。
図１に示すように、光スイッチ１０は、入力用光ファイバ１１と、出力用光ファイバ１２，１３と、ＧＲＩＮ(GRaded-INdex)レンズ（集光手段，有限光学系）１４，１５，１６と、可動ミラー（切り換え手段）１７とを備えている。入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１２，１３は図示しない基板に配置されている。また、入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１２，１３は、図示を省略した端部に、図示しない光コネクタに接続されている。なお、図１中のｆは入力用光ファイバ１１からの光の焦点の位置を示している。

ＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６は、入力用光ファイバ１１の出射端面１１ａ及び出力用光ファイバの各入射端面１２ａ，１３ａに密着して取り付けられている。このＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６は、円柱状媒体の中心軸から周辺方向に向かうに従って屈折率が徐々に変化する光学素子であり、端面が平らであるにも関わらず、結像特性等を有する特殊なレンズである。本実施の形態のＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６は、入射した光が集光するように構成されている。このため、入力用光ファイバ１１の出射端面１１ａに取り付けたＧＲＩＮレンズ１４は、入力用光ファイバ１１から出力された光を集光させる。すなわち、ＧＲＩＮレンズ１４は有限光学系を構成している。ＧＲＩＮレンズ１５，１６もＧＲＩＮレンズ１４と同様に構成されている。

なお、上述したように、ＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６は、各光ファイバ１１，１２，１３の各端面１１ａ，１２ａ，１３ａに密着して取り付けられているが、ＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６と光ファイバ１１，１２，１３の端面１１ａ，１２ａ，１３ａとの間にクリアランスないしは隙間を設けて取り付けるように構成することも考えられる。ＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６を光ファイバ１１，１２，１３の端面１１ａ，１２ａ，１３ａに密着させて取り付ける場合には、取り付けが容易である反面、ＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６の長さが長くなる。その一方で、クリアランスを設ける場合には、密着する場合よりもＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６の長さを短くすることができる反面、光ファイバ１１，１２，１３への取付け作業性が低下する。これらの利害得失を考慮して、いずれを採用するかを決定することになる。
また、本実施の形態ではＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６を用いているが、光を集光するための別の手段をＧＲＩＮレンズ１４，１５，１６の代わりに用いることができる。

図１に示すように、入力用光ファイバ１１と出力用光ファイバ１２，１３との間に、反射面１７ａを有する可動ミラー１７が配置されている。具体的には、可動ミラー１７は、入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光の焦点位置に反射面１７ａが位置するように配設されている。また、可動ミラー１７は、反射面１７ａで反射した反射光の光軸が、反射面１７ａに入射した光の光軸に対して９０度傾斜する方向に向かうように配設されている。
この可動ミラー１７は、紙面垂直方向に延びる揺動軸１７ｂを有し、図示しないアクチュエータにより揺動軸１７ｂを中心に揺動される。すなわち、可動ミラー１７は、図示しないアクチュエータにより同図の（ａ）に示す反射位置又は同図の（ｂ）に示す透過位置になるように駆動される。このようにして、可動ミラー１７は、反射面１７ａに入射した光を全反射するほか、入射角度を変えることで反射面１７ａに入射した光を反射させずに透過する。
なお、可動ミラー１７内を透過させるときには、図示しないアクチュエータにより可動ミラー１７を光路内から退避させるように平行移動可能に構成することも考えられる。また、アクチュエータとしては、例えばモータ等の周知慣用技術によるものを用いることができる。また、本実施の形態では、可動ミラー１７を焦点位置に配設しているが、焦点位置からずれた位置に配設する構成にしてもよい。

ここで、入力用光ファイバ１１からの光の光源波長は１５５０ｎｍで、入力用光ファイバ１１及び出力用光ファイバ１２，１３はいずれも、コア径が１０μｍのシングルモードファイバである。また、入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光の焦点位置は、そのＧＲＩＮレンズ１４の出力端から１５ｍｍの位置である。

このように構成された光スイッチ１０は、次のように機能する。すなわち、図１の（ａ）に示すように、可動ミラー１７が反射位置にあるときには、入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光は、可動ミラー１７の反射面１７ａで反射して出力用光ファイバ１２の入射端面１３ａから入射される。また、図１の（ｂ）に示すように、可動ミラー１７が透過位置にあるときには、入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光は、可動ミラー１７で反射せずに透過して出力用光ファイバ１３の入力端に入力される。このように、可動ミラーの位置を反射位置又は透過位置にすることにより、入力用光ファイバ１１のＧＲＩＮレンズ１４により集光された光の接続状態が変わり、光路の切り換えを行うことができる（光のスイッチング動作）。

次に、可動ミラー１７の角度ずれに対する光損失について図２及び図３を用いて説明する。
図２は、有限光学系で構成した本実施の形態の光スイッチ２０についての実験内容を示したもので、（ａ）はその概略構成図、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。また、図３は、無限光学系で構成した従来の光スイッチ３０についての実験内容を示したもので、（ａ）はその概略構成図、（ｂ）は実験結果を示すグラフである。図２の（ｂ）及び図３の（ｂ）において、それぞれ縦軸が光損失（ｄＢ）で横軸が可動ミラーの回転ずれ角（度）である。
なお、無限光学系とは、光ファイバから発せられる発散光をレンズを用いて平行光にコリメート(collimate)して出力する光学系をいう。また、有限光学系とは、光ファイバから発せられる発散光をレンズを用いてそのレンズ端から一定の距離において焦点を結ぶようにして出力する光学系をいう。

ここで、図２の（ａ）に示す光スイッチ２０は、図１の（ａ）に示す光スイッチ１０と基本的な構成が同じである。図３の（ａ）に示す従来の光スイッチ３０では、平行光を出力するＧＲＩＮレンズを用いており、他の構成は図２の（ａ）と同じである。このため、図２の（ａ）及び図３の（ａ）において、同一の構成要素については図１の（ａ）と同じ符号を用い、かつ、その説明を省略する。
なお、図２の（ａ）におけるＧＲＩＮレンズ１４の出射端面から焦点ｆまでの距離は１５ｍｍである。また、図３の（ａ）における平行光の径は４００μｍであり、一対のＧＲＩＮレンズ１４，１５；３４、３５の端面間の光軸距離は３０ｍｍである。また、レーザ波長λは１５５０ｎｍで、光ファイバ１１，１２はシングルモードファイバである。
図３の（ａ）に図示したＧＲＩＮレンズ３４，３５は無限光学系を構成しているため、図２の（ａ）の有限光学系を構成するＧＲＩＮレンズ１４，１５よりも長さが短い。

上述した条件下で本実施の形態の光スイッチについて実験を行ったところ、図２の（ｂ）に示すように、比較的緩やかな放物線形状２Ｂを得た。一般的には光損失を、光スイッチ全体で１ｄＢ以下に抑えなければならないと言われている。
１ｄｂ以下の光損失のうち、可動ミラー１７の角度ずれに起因する光損失を０．５ｄＢまで許容すると仮定した場合に、光スイッチ２０の場合に許容される可動ミラー１７の角度ずれを図２の（ｂ）から求めると、約０．１３度である。
これに対し、従来の光スイッチ３０の場合に許容される可動ミラー１７の角度ずれを図３の（ｂ）から求めると、約０．０３度となる。可動ミラー１７の角度ずれは、例えば経時変化、環境温度の変化、あるいは製造時のばらつきによって生じるものであり、約０．０３度という許容角度としては必ずしも大きいものではない。
言い換えると、光スイッチ２０の場合に許容される可動ミラー１７の角度ずれは、従来の光スイッチ３０の場合に許容される可動ミラー１７の角度ずれと比較すると、４倍以上に拡大されている。このように、光スイッチ２０では、可動ミラー１７の角度ずれの許容範囲が大きくなっていることがわかる。

本実施の形態に係る光スイッチは、いわゆる１入力２出力タイプ、言い換えると入力用光スイッチの数が単数で出力用光スイッチの数が複数の場合であるが、これ以外の構成にも適用することができる。すなわち、入力用光スイッチが複数で出力用光スイッチが単数の場合、入力用光スイッチが複数で出力用光スイッチが複数の場合（多入力多出力タイプ）、及び入力用光スイッチが単数で出力用光スイッチが単数の場合（ＯＮ／ＯＦＦ方式の１入力１出力タイプ）にも適用することができる。

本実施の形態に係る光スイッチを示す概略構成図である。 （ａ）は、有限光学系で構成した本実施の形態の光スイッチについての実験構成を示す説明図で、（ｂ）はその実験結果を示すグラフである。 （ａ）は、無限光学系で構成した従来の光スイッチについての実験構成を示す説明図で、（ｂ）はその実験結果を示すグラフである。 従来の光スイッチを示す概略構成図である。

符号の説明

１０，２０…光スイッチ、１１…入力用光ファイバ、１１ａ…出射端面、１２，１３…出力用光ファイバ、１２ａ，１３ａ…入射端面、１４，１５，１６…ＧＲＩＮレンズ、１７…可動ミラー、１７ａ…反射面、１７ｂ…揺動軸、ｆ…焦点

Claims (8)

1. 入力用光ファイバと、
   前記入力用光ファイバから一旦出射された光が入射する出力用光ファイバと、
   前記入力用光ファイバから光が出射されてから前記出力用光ファイバに入射するまでの区間内に設けられ、当該入力用光ファイバから出射された光を集光する有限光学系と、
   前記有限光学系により集光される又は集光された光の光路を切り換える切り換え手段と
   を含む光スイッチ。
2. 前記有限光学系は、前記入力用光ファイバ側及び前記出力用光ファイバ側の各々に設けら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。
3. 前記入力用光ファイバ側に設けられている前記有限光学系は、光が出射する部分に密着し、前記出力用光ファイバ側に設けられる当該有限光学系は、光が入射する部分に密着していることを特徴とする請求項２に記載の光スイッチ。
4. 前記有限光学系は、集光性を有するＧＲＩＮレンズであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
5. 前記入力用光ファイバ１本に対して前記出力用光ファイバを２本備えてなり、
   前記切り換え手段は、前記２本の出力用光ファイバの中から出力先として選択された出力用光ファイバに入射させるように、光の光路を切り換えることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
6. 入力用光ファイバから一旦出射された光を操作して出力用光ファイバに入射させる光スイッチング方法において、
   前記入力用光ファイバから出射された光を集光し、
   集光される途中又は集光された光の光路を切り換えて前記出力用光ファイバに光を入射させる、光スイッチング方法。
7. 前記入力用光ファイバから出射された光の光路を変えるためのミラーが配置され、
   前記ミラーを予め定められた複数の位置のいずれかに動かすことにより光の光路を切り換えることを特徴とする請求項６に記載の光スイッチング方法。
8. 前記入力用光ファイバ１本に対して前記出力用光ファイバを２本備え、
   前記２本の出力用光ファイバのいずれかに入射するように光の光路を切り換えることを特徴とする請求項６に記載の光スイッチング方法。

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