JP2007017562A - 多チャンネル光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 高い信頼性、小型、低価格な特性を保持したまま、従来よりも低損失で多チャンネル間の切り替えを行う多チャンネル光スイッチを提供すること。
【解決手段】 コイルが巻回されたコ字形磁心と、往復的な回転運動による揺動可能に支持された軟磁性の接極子と、永久磁石とを有する電磁駆動系と、前記接極子上に直接固定された光路変換手段であるガラス板３，１０３，２０３とからなる光路変換アクチュエータ１，１０１，２０１が設置され、入射側光ファイバ１１、出力光ファイバ１４〜１７、およびそれらの光ファイバに結合するための入射側光学系と出射側光学系が設置され、前記光路変換手段は、互いにほぼ平行で、かつ前記接極子の揺動方向にほぼ平行な２つの反射面を持つ透明体からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システム等に用いる光部品に関し、特に多数の光路間の切り替えを行うのに好適な多チャンネル光スイッチに関する。

光スイッチには、石英光導波路やニオブ酸リチウム結晶光導波路を使った導波路形光スイッチや光ファイバ、プリズムなどを機械的に移動させるメカニカル方式の光スイッチがある。

導波路形光スイッチは、光導波路上に設置した薄膜ヒーターに電流を流したり、電気光学効果を利用して電極に電圧を加えることで光導波路の一部の屈折率を変化させることによってスイッチングを行う。このため可動部がなく信頼性が高いことが利点であるが、一般的に高価であり損失が大きいという欠点があるため、現在実際に使用されているものはメカニカル方式の光スイッチの方が圧倒的に多い。

メカニカル光スイッチは、導波路形光スイッチに比べると低価格であり損失が小さいが、可動部があるため信頼性が低いという問題がある。また、最近は光通信ネットワークが都市内の様々な領域に張り巡らされ、その信号経路の制御を柔軟に行う機能を実現させるために光スイッチが必要となっており、さらに低価格で信頼性の高い光スイッチが要求されている。

このような目的で下記の特許文献１に従来の電磁継電器の電磁駆動系構造と簡単な光学部品を組み合わせることにより従来のメカニカル方式の光スイッチに比べて信頼性が高く、また安価な小型の光スイッチが報告されている。上記光スイッチは、従来の電磁継電器に光路変換手段を設置し、入出力ポートに入出力光ファイバとの結合用レンズを設置して１×２、または２×１の入出力光ファイバ間の切り替え機能を有するものである。

特開２００４−２４０３９７号公報

最近の光ネットワークでは、さらに多数の例えば１×８などの信号経路間の制御を行うことが必要となっている。このような用途に上記光スイッチを用いるときは光スイッチを多段に接続して使用されている。しかし、光挿入損失が光スイッチの段数分加算されてしまい、全体の損失が大きくなるので実際には用途が大きく制限されてしまう。上記の状況にあって、本発明の課題は、上記の高い信頼性、小型、低価格な特性を保持したまま、従来よりも低損失で多チャンネル間の切り替えを行う多チャンネル光スイッチを提供することにある。

本発明の光スイッチは、上記課題を解決するため、中間部と２つの側片部を有し、コイルが巻回されたコ字形磁心と、前記側片部の各々に対向可能でかつ揺動可能に支持された軟磁性の接極子と、前記コ字形磁心および前記接極子に磁束を付加するように配置された永久磁石とからなる電磁駆動系と、前記接極子上の上記側片部に対向する端部付近に直接固定された少なくとも１つの光路変換手段とを備える光路変換アクチュエータが複数個設置され、前記光路変換手段の少なくとも１つに光を入射するための少なくとも１つの入射側光ファイバと、前記光路変換手段に光を導くための入射側光学系と、前記光路変換手段により光路変換された光を導くための出射側光学系、少なくとも１つの出力側光ファイバとが設置され、前記接極子における揺動運動は、前記コ字形磁心の各側片部と前記接極子との間の磁気的吸引力により駆動され、前記接極子の中央部付近を支点とする往復的な回転運動による揺動運動であり、前記光路変換手段は、互いにほぼ平行でかつ前記接極子の揺動方向にほぼ平行な２つの反射面を持つ透明体からなり、前記入射側光ファイバと前記出射側光ファイバの少なくとも一方は複数個である構成とする。

また、前記永久磁石の一方の磁極となる一端がコ字形磁心の前記中間部の中央付近に位置して、他方の磁極となる一端が前記接極子の揺動運動の支点の付近になるように配置されてもよい。

また、前記永久磁石は、両端が同極の磁極となり、中央部が他の磁極となる複合的な永久磁石であり、前記コ字形磁心の両端の側片部間に嵌挿してもよい。

また、前記永久磁石のＮ極またはＳ極のいずれかが、前記接極子に接触して固定され、前記接極子とともに揺動するようにしてもよい。

また、前記コ字形磁心および永久磁石を一体的に保持する固定側絶縁体基台と、前記接極子を保持する可動側絶縁体とを有し、前記固定側絶縁体基台の一体成形により前記コ字形磁心および永久磁石が固定され、かつ前記コ字形磁心の一部に前記永久磁石を接触させた状態を保持して固定されてもよい。

そして前記接極子における揺動運動に付勢力または減勢力を加えながら前記接極子を支持するヒンジばね部と、前記接極子における揺動運動に連動する可動ばね部とを備えてもよい。

上記構成により、本発明による多チャンネル光スイッチでは、高い信頼性、小型、低価格な特性を保持したまま、従来よりも低損失で多チャンネル間の切り替えを行う多チャンネル光スイッチが得られる。

次に、本発明の実施の形態を図１〜図６に従って説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明による多チャンネル光スイッチの一つの実施の形態である１×４光スイッチを示す平面図である。図２は、本発明に用いる光路変換アクチュエータの一例を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。図３は、本発明に使用する電磁駆動系の構成例１の原理動作を示す図である。

先ず、本発明に用いる光路変換アクチュエータについて説明する。図２において、１００は電磁駆動系であり、揺動可能に支持された接極子２、及び該電磁駆動系に含まれるコイルに電流を流すための電極端子４が設置されている。また、上記接極子の一方の端部の上面には入射面５１、出射面５４および互いに平行な２つの反射面５２と５３を持つ透明なガラス板３が、それらの反射面が前記接極子２の揺動方向（図２（ａ）において紙面に垂直な方向）にほぼ平行になり、入出射面５１、５４への入射角が０±５度以内程度となり、かつ揺動方向に垂直な面内での反射面５２、５３への光の入射角が４５±５度以内程度となるように接着や半田固定などの方法により設置されている。ここで、ガラス板３の入出射面５１、５４には無反射コーティングが施されている。

次に、上記光路変換アクチュエータに使用する電磁駆動系について説明する。図３において、コイル１９が巻回されたコ字形鉄心２１の内側中央部に永久磁石２２が配置され、両端の側片部２１ａ、２１ｂのそれぞれに揺動運動を行う接極子２の両端部がそれぞれ対向するように配置され、また永久磁石２２の一端が前記接極子の揺動運動の支点となるように配置されている。

コイル１９の無励磁状態を示す図３（ａ）では、永久磁石２２より生じる磁束φ１によって接極子２が一方の側片部２１ｂ側に吸引されている。コイル励磁状態を示す図３（ｂ）においては、励磁によりコ字形鉄心２１に生じる磁束φ０が磁束φ１を打ち消し、かつ接極子２の他側片部２１ａにおける磁束φ２に加算されるため、接極子２は支点Ａを中心に揺動して他方（時計回り方向）に反転する。この状態では、コイル１９の励磁を断っても図３（ｃ）に示すように、磁束φ２によって接極子２は側片部２１ａ側に吸引状態となる。

さらに、この状態を反転して図３（ａ）の状態に戻すには、コイルの電流方向を逆にすればよい。本電磁駆動系については、特開昭６３−３０１４４１号公報に詳細な原理、構造が記載されている。

次に、図２の光路変換アクチュエータの動作を説明する。図２（ａ）の光路を実線で示した状態および図２（ｂ）は、接極子２のガラス板３が設置された側と反対側の端部がコ字形鉄心に吸着された状態（ＯＮ状態と呼ぶ）を示す。この状態において、入射光ビーム５５はガラス板３に入出射面５１より入射する。ガラス板３に入射した光は、反射面５２で反射されて進行し、反射面５２と平行な反射面５３により再び反射され、入射方向と平行シフトして出射され出射光ビーム５６となる。

次に、電極端子４からコイルに電流が印加され接極子２が反対方向に倒れた状態（ＯＦＦ状態と呼ぶ）では、ガラス板３が下側に移動し、入射側光ビーム５５はガラス板３の上方をそのまま直進して通過する。

さらに、元のＯＮ状態に戻すには、電極端子４に逆方向の電流を印加すればよい。以上のように電極端子４への電流の印加により光路を切り替えることができる。ここで、ガラス板３の形状、位置及び光ビーム径は、接極子２の移動距離（通常０．３〜０．６ｍｍ）を考慮し、ＯＮ状態では入射光ビーム５５のほとんどのエネルギーがガラス板３中を通過し、ＯＦＦ状態では光のほとんどのエネルギーがガラス板３の外側を通過するように設定されている。

次に、図１について説明する。図１において、入射光ファイバ１１とそれを出射した光を平行な光ビーム１２とするためのレンズ１３が設置されている。また、それぞれ図２に示したものと同様な光路変換アクチュエータ１，１０１，２０１が設置され、それぞれの接極子上にはガラス板３，１０３，２０３がそれぞれ設置されている。出力側には、レンズ１１４，１１５，１１６，１１７をそれぞれ介して出力光ファイバ１４，１５，１６，１７が設置されている。

なお、光路変換アクチュエータ１、１０１，２０１および入射光ファイバ１１、出力光ファイバ１４，１５，１６，１７、レンズ１１４，１１５，１１６，１１７は、図１には省略されている１つの筐体に接着、半田、溶接などにより固定されている。

光路変換アクチュエータ１，１０１，２０１の設置角度および位置は、それぞれのガラス板３，１０３，２０３の入射面の角度が光ビーム１２に対して９０度±５度となり、光路変換アクチュエータ１および２０１がＯＦＦのときは光ビームは直進して出力光ファイバ１５に入射し（太線）、光路変換アクチュエータ１がＯＦＦ、２０１がＯＮのときはガラス板２０３により光路が変換されて出力光ファイバ１４に結合し（細線）、光路変換アクチュエータ１がＯＮ、１０１がＯＦＦのときはガラス板３により光路変換されて出力光ファイバ１６に結合し（点線）、光路変換アクチュエータ１および１０１がＯＮのときはガラス板３およびガラス板１０３の両者によって光路を変換されて出力光ファイバ１７に結合する（一点鎖線）ように設定されている。

すなわち、本実施の形態の１×４光スイッチにおいては、光路変換アクチュエータ１，１０１，２０１のＯＮ、ＯＦＦ制御により、入射光ファイバ１１の光を出力光ファイバ１４，１５，１６，１７に切り替えることができる。

本実施の形態においては、光ビーム１２の大きさとしてはビーム径１５０〜４００μｍ程度となるように光ファイバの種類に応じてレンズの焦点距離を設定することができ、また入射側のレンズ１３と出射側レンズ１１４〜１１７との間の光路長は１０〜２０ｍｍ程度とすることができるので、低損失で入出射の光ファイバ間を結合することができる。すなわち、１×２光スイッチを互いに光ファイバで接続して１×４光スイッチを構成するよりも低損失でかつ小型の１×４光スイッチが得られる。

本実施の形態において使用する図３の構造の電磁駆動系は、従来の電磁継電器に使用されているものと同じ構造、原理であり、既に数年以上に渡り実用されており高い信頼性が確立されている。また安価な製造方法も確立されている。他に使用する光学系部品も従来の光デバイスに汎用されているものであり、本実施の形態の１×４光スイッチは安価に製造することができる。また、ガラス板を直接接極子上に固定しているので小型化がはかれる。

なお、１×３光スイッチを得る場合には、図１の構成から光路変換アクチュエータ１０１と出力光ファイバ１７、レンズ１１７を除いた構成とすればよい。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、本発明に使用することができる電磁駆動系の構成例２の原理動作を示す図である。図４において、コイル２９が巻回されたコ字形鉄心３１の両端の側片部間に中央がＮ極、両端がＳ極となっている永久磁石３２が嵌挿され、両端の側片部３１ａ，３１ｂのそれぞれに揺動運動を行う接極子３０の両端部がそれぞれ対向するように配置されている。

また、前記接極子３０の中央には、揺動運動の支点となる突起が設けられ、それが永久磁石３２の中央に接するように配置されている。コイル２９の無励磁状態を示す図４（ａ）では、永久磁石３２より生じる磁束φ１によって接極子３０が一方の側片部３１ｂ側に吸引されている。コイル励磁状態を示す図４（ｂ）においては、励磁によりコ字形鉄心３１に生じる磁束φ０が磁束φ１を打ち消し、かつ接極子３０の他側片部３１ａにおける磁束φ２に加算されるため、接極子３０は支点Ａを中心に揺動して他方（時計方向）に反転する。この状態では、コイル２９の励磁を断っても図４（ｃ）に示すように、磁束φ２によって接極子３０は側片部３１ａ側に吸引状態となる。

さらに、この状態を反転して図４（ａ）の状態に戻すには、コイルの電流方向を逆にすればよい。本電磁駆動系も従来の電磁継電器に使用されているものと同じ構造、原理であり、既に高い信頼性や安価な製造方法も確立されている。本電磁駆動系については特開２０００−３１１５６８公報に詳細な原理、構造が記載されている。

ここで、図３、図４の電磁駆動系の構造としてコ字形鉄心および永久磁石を一体的に保持する固定側絶縁体基台と、前記接極子を保持する可動側絶縁体とを前記コ字形鉄心の一部に前記永久磁石を接触させた状態を保持して一体成形により形成することにより、永久磁石とコ字形鉄心を接着剤で固定する必要がなくなるため、接着剤の硬化に必要な待機時間が不要になるという利点が生じる。また、一体形成により工程の簡素化が図られ、コ字形鉄心、永久磁石、電気端子間の位置精度を向上させることができる。

また、電磁継電器で用いられているように前記接極子の揺動運動を支持するヒンジばねと前記接極子の揺動運動に連動する可動ばねを設けることにより揺動運動に対して付加的な力が与えられ、切り替え動作するのに必要な消費電力を小さくすることができる。また、可動ばねの端部を電気接点として用いることによる揺動運動の固定された状態をチェックでき、切り替え状態の把握や動作の安定化を図ることができる。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、本発明に使用することができる電磁駆動系の構成例３の原理動作を示す図である。図５において、コイル３９が巻回されたコ字形鉄心４１の両端の側片部４１ａ，４１ｂのそれぞれに両端が対向するように揺動運動を行う接極子４０が配置され、その内側中央部に接極子４０側がＮ極、反対側がＳ極となる永久磁石４２が設置されており、また永久磁石４２の中央部が前記接極子の揺動運動の支点となるように配置されている。また、前記永久磁石４２の下部中央には揺動運動の支点となる非磁性体の突起が設けられている。

コイル３９の無励磁状態を示す図５（ａ）では、永久磁石４２より生じる磁束φ１によって接極子４０が一方の側片部４１ｂ側に吸引されている。コイル励磁状態を示す図５（ｂ）においては、励磁によりコ字形鉄心４１に生じる磁束φ０が磁束φ１を打ち消し、かつ接極子４０の他側片部４１ａにおける磁束φ２に加算されるため、接極子４０は支点Ａを中心に揺動して他方（時計方向）に反転する。この状態では、コイル３９の励磁を断っても図５（ｃ）に示すように、磁束φ２によって接極子４０は側片部４１ａ側に吸引状態となる。さらに、この状態を反転して図５（ａ）の状態に戻すには、コイルの電流方向を逆にすればよい。本電磁駆動系も従来の電磁継電器に使用されているものと同じ構造、原理であり、既に高い信頼性や安価な製造方法も確立されている。

（実施の形態２）
図６は、本発明による多チャンネル光スイッチの第２の実施の形態である１×８光スイッチを示す平面図である。図６において、図１と同様に入射光ファイバ１１とそれを出射した光を平行な光ビーム１２とするためのレンズ１３が設置されている。また、それぞれ図２に示したものと同様な光路変換アクチュエータ１，１０１〜１０３，２０１〜２０３が設置され、それぞれの接極子上にはガラス板がそれぞれ設置されている。出力側にはレンズをそれぞれ介して８本の出力光ファイバ１２１〜１２８が設置されている。

なお、光路変換アクチュエータ１、１０１〜１０３、２０１〜２０３および入射光ファイバ１１、出力光ファイバ１２１〜１２８、およびすべてのレンズは、図６には省略されている１つの筐体に接着、半田、溶接などにより固定されている。

光路変換アクチュエータの設置角度および位置は、それぞれのガラス板の入射面の角度が光ビーム１２に対して９０度±５度となり、光路変換アクチュエータ１および２０１がＯＦＦのときは光ビーム１２は直進して出力光ファイバ１２４に入射し、光路変換アクチュエータ１がＯＦＦ、２０１，２０２，２０３のすべてがＯＮのときは、それぞれのガラス板により光路が順次変換されて出力光ファイバ１２１に結合するように設定されている。また、その状態より光路変換アクチュエータ２０３がＯＦＦのときは出力光ファイバ１２２へ、２０２がＯＦＦのときは出力光ファイバ１２３へ順次結合するように設定されている。

一方、光路変換アクチュエータ１がＯＮで光路変換アクチュエータ１０１〜１０３のすべてがＯＮのときは、それぞれのガラス板により光路が順次変換されて出力光ファイバ１２８に結合するように設定されている。さらに、その状態より光路変換アクチュエータ１０３がＯＦＦのときは出力光ファイバ１２７へ、１０２がＯＦＦのときは出力光ファイバ１２６へ、１０１がＯＦＦのときは出力光ファイバ１２５へ順次結合するように設定されている。

すなわち、本実施の形態の１×８光スイッチにおいては、光路変換アクチュエータ１、１０１〜１０３、２０１〜２０３のＯＮ、ＯＦＦ制御により、入射光ファイバ１１の光を出力光ファイバ１２１〜１２８に切り替えることができる。

本実施の形態においても１×２光スイッチを互いに光ファイバで接続して１×８光スイッチを構成するよりも低損失で、かつ小型の１×８光スイッチが得られる。

本発明による多チャンネル光スイッチの第１の実施の形態である１×４光スイッチを示す平面図。 本発明に用いる光路変換アクチュエータの一例を示す図。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図。 本発明に使用される電磁駆動系の構成例１を示す原理構成図。図３（ａ）はコイルによる励磁がない場合を示す図、図３（ｂ）はコイルによる励磁状態を示す図、図２（ｃ）はコイルによる励磁がない他の状態を示す図。 本発明に使用される電磁駆動系の構成例２を示す原理構成図。図４（ａ）はコイルによる励磁がない場合を示す図、図４（ｂ）はコイルによる励磁状態を示す図、図４（ｃ）はコイルによる励磁がない他の状態を示す図。 本発明に使用される電磁駆動系の構成例３を示す原理構成図。図５（ａ）はコイルによる励磁がない場合を示す図、図５（ｂ）はコイルによる励磁状態を示す図、図５（ｃ）はコイルによる励磁がない他の状態を示す図。 本発明による多チャンネル光スイッチの第２の実施の形態である１×８光スイッチを示す平面図。

符号の説明

１，１０１，１０２，２０１，２０２ 光路変換アクチュエータ
２，３０，４０ 接極子
３，１０３，２０３ ガラス板
４ 電極端子
１１ 入射光ファイバ
１２ 光ビーム
１３，１１４，１１５，１１６，１１７ レンズ
１４,１５,１６,１７,１２１,１２２,１２３,１２４,１２５,１２６,１２７,１２８ 出力光ファイバ
１９，２９，３９ コイル
２１，３１，４１ コ字形鉄心
２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ 側片部
２２，３２，４２ 永久磁石
４３ 非磁性体の突起
５１ 入射面
５２，５３ 反射面
５４ 出射面
５５ 入射光ビーム
５６ 出射光ビーム
１００ 電磁駆動系
Ａ 支点
φ0，φ1，φ2 磁束

Claims (6)

1. 中間部と２つの側片部を有し、コイルが巻回されたコ字形磁心と、前記側片部の各々に対向可能で、かつ揺動可能に支持された軟磁性の接極子と、前記コ字形磁心および前記接極子に磁束を付加するように配置された永久磁石とからなる電磁駆動系と、前記接極子上の上記側片部に対向する端部付近に直接固定された少なくとも１つの光路変換手段とを備える光路変換アクチュエータが複数個設置され、入射側光ファイバと前記光路変換手段に光を導くための入射側光学系と、前記光路変換手段により光路変換された光を導くための出射側光学系、出射側光ファイバとが設置され、前記接極子における揺動運動は、前記コ字形磁心の各側片部と前記接極子との間の磁気的吸引力により駆動され、前記接極子の中央部付近を支点とする往復的な回転運動による揺動運動であり、前記光路変換手段は、互いにほぼ平行で、かつ前記接極子の揺動方向にほぼ平行な２つの反射面を持つ透明体からなり、前記入射側光ファイバと前記出射側光ファイバの少なくとも一方は複数個であることを特徴とする多チャンネル光スイッチ。
2. 前記永久磁石の一方の磁極となる一端がコ字形磁心の前記中間部の中央付近に位置して、他方の磁極となる一端が前記接極子の揺動運動の支点の付近になるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の多チャンネル光スイッチ。
3. 前記永久磁石は、両端が同極の磁極となり、中央部が他の磁極となる複合的な永久磁石であり、前記コ字形磁心の両端の側片部間に嵌挿されたことを特徴とする請求項１に記載の多チャンネル光スイッチ。
4. 前記永久磁石のＮ極またはＳ極のいずれかが、前記接極子に接触して固定され、前記接極子とともに揺動することを特徴とする請求項１に記載の多チャンネル光スイッチ。
5. 前記コ字形磁心および永久磁石を一体的に保持する固定側絶縁体基台と、前記接極子を保持する可動側絶縁体とを有し、前記固定側絶縁体基台の一体成形により前記コ字形磁心および永久磁石が固定され、かつ前記コ字形磁心の一部に前記永久磁石を接触させた状態を保持して固定されたことを特徴とする請求項２または３に記載の多チャンネル光スイッチ。
6. 前記接極子における揺動運動に付勢力または減勢力を加えながら前記接極子を支持するヒンジばね部と、前記接極子における揺動運動に連動する可動ばね部とを備えたことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の多チャンネル光スイッチ。

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