JP2008040435A - 光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーの制御角度と光信号の減衰量との関係を線形に近づくように補正し、制御電圧の変動やノイズの影響を受け難くすること。
【解決手段】光信号をマイクロミラー１１により反射させて光ファイバー１３に入射させるとともに、マイクロミラー１１の角度制御を行うことによりその入射光量を変化させて光信号の減衰量を制御する光伝送システム１であって、マイクロミラー１１と光ファイバー１３との間に、マイクロミラー１１の制御角度または制御電圧と光信号の減衰量との関係が線形に近づくように補正するための光学フィルタ１４が設けられてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuation：光レベル減衰機能）方式を採用した光伝送システムに関する。さらに詳しくは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーのようなマイクロミラーにより光信号を反射させて光ファイバーに入射させるとともに、マイクロミラーの角度制御を行うことによりその入射光量を変化させて光信号の減衰量を制御する光伝送システムに関する。

従来より、ＭＥＭＳ技術を適用したマイクロミラー（DMD: Digital Micro-mirror Device）が開発され、光ネットワークのノードに設置される光スイッチシステムに利用されている（特許文献１）。光スイッチシステムは、反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを平面状に配置し、複数の入力ポートから入射した光信号を複数のマイクロミラーで反射させて複数の出力ポートのうちの選択されたそれぞれの出力ポートに入射させる。このようにポートを切り換えることにより、光伝送路上の複数系統の光信号の光交換を行うことができる。

さて、光伝送システムにおいて、伝送する光信号の強さを調整するために光レベル減衰機能が備えられている。図１０は光レベル減衰機能を備えた従来の光伝送システム８０の構成の例を示す斜視図、図１１は図１０に示す光伝送システム８０の正面図、図１２は光レベル減衰機能の原理を示す図、図１３は従来の光伝送システム８０におけるトレランスカーブを示す図である。

図１０および図１１において、光伝送システム８０は、ＭＥＭＳによるミラー８１、コリメータレンズ８２、および光ファイバ８３を有する。ミラー８１に向かってきた入力光である光信号ＨＳは、ミラー８１で反射してコリメータレンズ８２に入射し、光ファイバ８３を伝って外部へ伝送される。このとき、ミラー８１の角度θを微調整することにより、光信号ＨＳのコリメータレンズ８２に入射する位置が可変される。

図１２において、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ８２の中央位置ＰＳ１に入射した場合には、減衰量（光減衰量）が最も少なく、したがって最も強い光信号ＨＳが光ファイバ８３に伝達される。しかし、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ８２の端部の方にずれていくにしたがって、減衰量が増大し、光信号ＨＳの光ファイバ８３への伝達量は減少していく。例えば、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ８２の端部から外れた位置ＰＳ２では、減衰量が極めて大きくなる。

その結果、図１３に示すように、ミラー８１に印加する制御角度θと減衰量との関係は逆放物線のようなカーブを描く。つまり、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ８２の中央位置ＰＳ１の近辺にある場合には、制御角度θの変化（＝Δθ８）に対する減衰量の変化（＝ΔＤＬ８）は小さく、端部の方にいくにしたがって、制御角度θの変化（＝Δθ８）に対する減衰量の変化（＝ΔＤＬ９）が大きくなっている。つまり、光信号ＨＳがコリメータレンズ８２の端部にいくにしたがって減衰量（ΔＤＬ）が大きくなり、これとともに、同じ大きさの制御角度θの変化に対して減衰量が大きくなり、ほぼ二乗的な値で変化している。このように、従来においては減衰量〔ｄｂ〕が制御角度θの２乗にほぼ比例している。
特開２００５−９９６８２

上に述べたように、従来の光伝送システム８０においては、ミラー８１によって光信号ＨＳの光路を調整し、コリメータレンズ８２への入射光量によって減衰量を調整している。したがって、光の減衰効果として、ミラー８１への制御電圧に対する角度変化の特性と角度に対して、入射光量がガウスの定理にしたがって減衰する。そのため、ミラー８１にの制御角度θと減衰量とがリニアに変化しない。

従来においては、例えば、ミラー８１に印加する制御電圧に図１３に示すカーブと逆の特性例えばルート特性を持たせ、見かけ上の特性補正が行われている。しかし、この場合においても、ミラー８１に実際に印加される制御電圧よる制御角度θの変化量に対する減衰量の変化量はリニアとはならない。

そのため、光信号ＨＳをコリメータレンズ８２の端部付近に位置させて減衰量を大きくとっている場合に、制御電圧の変動の影響を受け易く、また電源ノイズや外来ノイズに影響され易くなり、光信号ＨＳの強度の変動が発生し易くなるという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ミラーの制御角度と光信号の減衰量との関係を線形に近づくように補正し、制御電圧の変動やノイズの影響を受け難い光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る光伝送システムは、光信号をマイクロミラーにより反射させて光ファイバーに入射させるとともに、前記マイクロミラーの角度制御を行うことによりその入射光量を変化させて前記光信号の減衰量を制御する光伝送システムであって、前記マイクロミラーと前記光ファイバーとの間に、前記マイクロミラーの制御角度または制御電圧と前記光信号の減衰量との関係が線形に近づくように補正するための光学フィルタが設けられてなる。

好ましくは、前記光ファイバーの端面には円柱状のコリメータレンズが設けられており、前記光信号は、前記コリメータレンズを介して前記光ファイバーに入射する。

また、前記光学フィルタは、前記光信号の移動する軌跡に沿って、その外縁の一箇所から他の一箇所に向かって光透過率が漸減する光学特性を有し、前記光学フィルタは、前記コリメータレンズの中心位置から周縁の一箇所に至る半径分に相当して入射する光信号に対して光量を補正するように配置されている。

また、前記光学フィルタは、前記光信号の前記マイクロミラーによる反射角の大きい側における前記コリメータレンズの半径分に相当して入射する光信号に対して光量を補正するように配置されている。

また、前記マイクロミラーと前記光学フィルタとの間に、光信号がコリメータレンズの光軸に対して平行となるように偏向するための偏向レンズが設けられている。

また、前記光学フィルタと前記コリメータレンズとの間に凸レンズからなる集光レンズが配置され、前記光学フィルタから出射した光信号が前記集光レンズによって集光されて前記コリメータレンズに入射するように構成されている。

また、前記集光レンズと前記コリメータレンズとの間に、光信号がコリメータレンズの光軸に対して平行となるように偏向するための偏向レンズが設けられている。

本発明によると、ミラーの制御角度と光信号の減衰量との関係を線形に近づくように補正され、制御電圧の変動やノイズの影響を受け難くなる。その結果、光信号の安定度が向上する。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る第１の実施形態の光伝送システム１の要部の構成を示す斜視図、図２は光伝送システム１の正面図、図３はプロファイルシート１４の透過率の分布を説明するための図、図４は制御角度θと減衰量との関係のトレランスカーブを示す図、図５はプロファイルシート１４の光学特性を説明するための図、図６はプロファイルシートの外形の種々の変形例を示す図である。

図１および図２において、光伝送システム１は、ＭＥＭＳによるミラー（マイクロミラー）１１、コリメータレンズ１２、光ファイバ１３、プロファイルシート１４、および偏向レンズ１５を有する。

ミラー１１に向かってきた入力光である光信号ＨＳは、ミラー１１で反射して偏向レンズ１５に入射し、プロファイルシート１４を通過してコリメータレンズ１２に入射する。そして、光信号ＨＳは、光ファイバ１３を伝って外部へ伝送される。このとき、ミラー１１の角度θを微調整することにより、光信号ＨＳのコリメータレンズ１２に入射する位置が可変調整され、光信号ＨＳの減衰量（光減衰量）が調整されて所定のレベルに揃えられる。

偏向レンズ１５によって、光信号ＨＳはコリメータレンズ１２の光軸に対して平行となるように偏向され、これによって、ミラー１１の角度にかわらず光がコリメータレンズ１２に対して垂直に入射するように補正が行われる。

プロファイルシート１４は、ミラー１１の制御角度θまたは制御電圧Ｖと光信号ＨＳの減衰量との関係が線形に近づくように補正するための光学フィルタである。プロファイルシート１４は、ガラスなどを材料として厚さが０．１〜１ｍｍ程度の円板状に形成されており、光信号ＨＳの移動する軌跡に沿ってつまり図３の縦方向の直径線に沿って、その外縁の上端から中央部にいくにしたがって光透過率が漸減し、中央部から下端部にいくにしたがって光透過率が漸増する光学特性を有する。つまり、中央部の減衰量が大きいのである。

プロファイルシート１４は、光信号ＨＳのミラー１１による反射角の大きい側におけるコリメータレンズ１２の半径分に相当して入射する光信号に対して光量を補正するように配置されている。

なお、プロファイルシート１４の材料や製造方法については、光学減衰器、可変減衰器、またはＮＤフィルタなどとして用いられている光学フィルタと同様である。このようなプロファイルシート１４が、ミラー１１と光ファイバ１３との間に配置されることとなる。

図４に示すように、ミラー１１の制御角度θと減衰量との関係は直線状である。つまり、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１の近辺にある場合も端部ＰＳ２の近辺にある場合も、同じ制御角度の変化（Δθ１）に対する減衰量の変化（ΔＤＬ１）は同じである。これによって、光信号ＨＳは、コリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１から端部ＰＳ２に至るまで、例えば０〜−２０ｄｂ程度の範囲でダイナミックに直線的に変化する。したがって、コリメータレンズ１２に対する光信号ＨＳの入射位置がどこであっても、例えば光信号ＨＳをコリメータレンズ８２の端部付近に位置させて減衰量を大きくとる場合であっても、中央位置ＰＳ１の近辺にある場合と同様に制御電圧の変動の影響を受け難く、電源ノイズや外来ノイズに影響され難い。これによって、光信号ＨＳの強度の変動が発生し難くなり、動作が安定し、制御が行い易くなり制御エラーが生じ難くなる。

なお、図４において、プロファイルシート１４を用いない場合の減衰量が鎖線で示されており、鎖線で示されたカーブと実線で示された直線との減衰量の差異が、プロファイルシート１４の減衰量によるものである。したがって、プロファイルシート１４の各部における光透過率が、鎖線で示されたカーブと実線で示された直線との減衰量の差異に等しくなるように設定しておけばよい。

ところで、図４においては、従来例を示す図１３との対比のために左右に対称な直線およびカーブが示されているが、上に述べた実施形態のプロファイルシート１４では、図４の実線で示された山形の右半分の直線で示される減衰量を有する。

つまり、本実施形態においては、プロファイルシート１４は、コリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１から下方の端縁までの間において介在するように配置され、光信号ＨＳに対する減衰量の調整もこの範囲において行われる。したがって、図４の右半分のみの直線で示される減衰量を用いて制御が行われる。

これについてさらに説明すると、図５において、補正を行わない状態でのガウスの定理に基づく減衰量が曲線ＫＳ１で示されている。この曲線ＫＳ１は、光信号ＨＳの減衰量が制御角度θの２乗の自然対数の比で変化することを示している。制御角度θが最適値であった場合に光量は最大つまり減衰量は最小であり、制御角度θが大きくなるにしたがって減衰量および減衰量の変化が大きくなっている。

また、曲線ＫＳ２は、目標とする減衰量の変化を示している。つまり、この曲線ＫＳ２は、光信号ＨＳの減衰量が制御角度θに比例して変化することを示している。そのときの傾きをγとすると、減衰量は次の式で示される。

減衰量≒γ・θ
また、曲線ＫＳ３は、目標とする減衰量を得るために必要なプロファイルシート１４の光学特性（減衰量特性）を示している。つまり、この曲線ＫＳ３は、曲線ＫＳ１の値から曲線ＫＳ２の値を差し引くことによって得られるものである。この曲線ＫＳ３によると、両端において減衰量は小さくつまり光透過率は大きく、中央部において減衰量は大きくつまり光透過率は小さい。このような曲線ＫＳ３で示される光学特性をプロファイルシート１４に焼き込んでおくことによって、目標とする減衰量を得ることができる。

しかし、図４の実線で示された山形の減衰量を有するプロファイルシートを作製し、そのプロファイルシートをコリメータレンズ１２の円形の全部の面に対して介在するように配置することでもよい。

上に述べた例では、プロファイルシート１４の形状を円形としたが、これ以外の形状としてもよい。例えば、図６（Ａ）に示すように長方形状のプロファイルシート１４Ｂとし、図６（Ｂ）に示すように正方形状のプロファイルシート１４Ｃとし、また、図６（Ｃ）に示すように半円形状のプロファイルシート１４Ｄとしてもよい。これらの場合に、それぞれの上端縁から下端縁に向かって光透過率が漸減しまたは漸増する光学特性とすればよい。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態の光伝送システム１Ｂについて説明する。

第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、さらに、集光レンズを追加する。

図７は本発明に係る第２の実施形態の光伝送システム１Ｂの要部の構成を示す斜視図、図８は光伝送システム１Ｂの正面図、図９は制御角度θと減衰量との関係のトレランスカーブを示す図である。

なお、これらの図において、第１の実施形態と同じ機能を有する部分には同じ符号を付して説明を省略しまたは簡略化する。

図７および図８において、光伝送システム１Ｂは、ＭＥＭＳによるミラー１１、コリメータレンズ１２、光ファイバ１３、プロファイルシート１４Ｅ、偏向レンズ１５Ｅ、および集光レンズ１６を有する。

集光レンズ１６は、凸レンズからなり、プロファイルシート１４Ｅとコリメータレンズ１２との間に配置されている。これによって、プロファイルシート１４Ｅから出射した光信号ＨＳが集光レンズ１６によって集光されてコリメータレンズ１２に入射するように構成されている。

したがって、ミラー１１に向かってきた光信号ＨＳは、ミラー１１で反射し、プロファイルシート１４Ｅを透過し、集光レンズ１６によって中央近辺に集められ、偏向レンズ１５Ｅによって光信号ＨＳが光軸に平行とされ、コリメータレンズ１２に入射する。ミラー１１の角度θを微調整することにより、光信号ＨＳのコリメータレンズ１２に入射する位置が可変調整され、これによって光信号ＨＳの減衰量が調整される。

プロファイルシート１４Ｅは、第１の実施形態の場合と同じく、ミラー１１の制御角度θまたは制御電圧Ｖと光信号ＨＳの減衰量との関係が線形に近づくように補正するための光学フィルタである。プロファイルシート１４Ｅは、ミラー１１と集光レンズ１６との間に配置されており、プロファイルシート１４Ｅを透過した光信号ＨＳは集光レンズ１６によって集光されるので、集光レンズ１６がない場合と比較してプロファイルシート１４Ｅの形状寸法を大きくすることができる。

このように、集光レンズ１６の存在によってプロファイルシート１４Ｅの形状寸法を大きくできるので、減衰量を調整するためのミラー１１の制御角度θの範囲が大きくなり、それだけ制御が行い易くなって光信号ＨＳのレベルの制御精度が向上する。また、電源ノイズや外来ノイズの影響も軽減され、光信号ＨＳの強度の変動が発生し難くなる。また、プロファイルシート１４Ｅの外形を大きくすることができるので、プロファイルシート１４Ｅの微細加工の難易度が下がり、プロファイルシート１４Ｅの製造性が向上する。

図８に実線で示すように、ミラー１１の制御角度θと減衰量との関係は緩やかな傾斜の直線状である。つまり、光信号ＨＳの中心がコリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１の近辺にある場合も端部ＰＳ２の近辺にある場合も、同じ制御角度の変化（Δθ１）に対する減衰量の変化（ΔＤＬ３）は同じである。これによって、光信号ＨＳは、コリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１から端部ＰＳ２に至るまでダイナミックに直線的に変化する。

さらに、図８において、集光レンズ１６を用いない場合の減衰量が鎖線で示されており、鎖線で示された直線よりも実線で示された直線の方が傾斜が緩い。そのため、同じ制御角度の変化（Δθ１）に対する減衰量の変化は、第１の実施形態による場合はΔＤＬ４であるとすると、第２の実施形態による場合はΔＤＬ３であり、明らかに減衰量の変化が少なくなっている。

このことは、同じ減衰量の変化を得るためにより大きい制御角度θの変化を与えることが可能であることを意味し、したがって、制御角度θ（または制御電圧Ｖ）による減衰量の調整がより一層容易となり、また電圧の変動やノイズの影響が軽減され、より安定な制御を行うことが可能となり、減衰時の光信号ＨＳの安定度を確保することが可能となる。

上の実施形態において、コリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１から下方の端部ＰＳ２に至るまでの間において光信号ＨＳの減衰量の調整を行ったが、コリメータレンズ１２の中央位置ＰＳ１から上方の端部に至るまでの間において光信号ＨＳの減衰量の調整を行ってもよい。また、上に述べたように、プロファイルシートをコリメータレンズ１２の全部の端面に対応して配置し、コリメータレンズ１２の一方の端部から他方の端部に至るまでの間において光信号ＨＳの減衰量の調整を行ってもよい。また、その間の途中の任意の範囲において調整を行うようにしてもよい。また、プロファイルシート１４を、偏向レンズ１５の後に配置し、または集光レンズ１６の後に配置するなど、配置を種々変更することが可能である。

上の実施形態においては、プロファイルシート１４によってミラー１１の制御角度θと光信号ＨＳの減衰量との関係が線形に近づくように補正したが、ミラー１１の制御電圧Ｖと光信号ＨＳの減衰量との関係が線形に近づくように補正してもよい。プロファイルシート１４，１４Ｂ〜Ｅの光学特性は、減衰量の補正曲線に応じた種々の特性とすればよい。例えば、プロファイルシートの一方の端縁から他方の端縁に向かって光透過率が種々の関数にしたがって漸減する特性、プロファイルシートの一方の端縁から他方の端縁に向かって光透過率が種々の関数にしたがって漸増する特性、プロファイルシートの一方の端縁から他方の端縁に向かって光透過率が種々の関数にしたがって変化する特性などとしてもよい。

その他、プロファイルシート１４、１４Ｂ〜Ｅ、偏向レンズ１５、１５Ｅ、集光レンズ１６、または光伝送システム１、１Ｂの全体または各部の構造、構成、形状、個数、材質、配置、特性などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明の第１の実施形態の光伝送システムの要部の構成を示す斜視図である。 光伝送システムの正面図である。 プロファイルシートの透過率の分布を説明するための図である。 制御角度と減衰量との関係のトレランスカーブを示す図である。 プロファイルシートの光学特性を説明するための図である。 プロファイルシートの外形の種々の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の光伝送システムの要部の構成を示す斜視図である。 光伝送システムの正面図である。 制御角度と減衰量との関係のトレランスカーブを示す図である。 従来の光伝送システムの構成の例を示す斜視図である。 図９に示す従来の光伝送システムの正面図である。 光レベル減衰機能の原理を示す図である。 従来の光伝送システムにおけるトレランスカーブを示す図である。

符号の説明

１，１Ｂ 光伝送システム
１１ ミラー（マイクロミラー）
１２ コリメータレンズ
１３ 光ファイバ
１４ プロファイルシート
１４Ｂ〜Ｄ プロファイルシート
１４Ｅ プロファイルシート
１５ 偏向レンズ
１５Ｅ 偏向レンズ
１６ 集光レンズ
ＨＳ 光信号

Claims (7)

1. 光信号をマイクロミラーにより反射させて光ファイバーに入射させるとともに、前記マイクロミラーの角度制御を行うことによりその入射光量を変化させて前記光信号の減衰量を制御する光伝送システムであって、
   前記マイクロミラーと前記光ファイバーとの間に、前記マイクロミラーの制御角度または制御電圧と前記光信号の減衰量との関係が線形に近づくように補正するための光学フィルタが設けられてなる、
   ことを特徴とする光伝送システム。
2. 前記光ファイバーの端面には円柱状のコリメータレンズが設けられており、前記光信号は、前記コリメータレンズを介して前記光ファイバーに入射する、
   請求項１記載の光伝送システム。
3. 前記光学フィルタは、前記光信号の移動する軌跡に沿って、その外縁の一箇所から他の一箇所に向かって光透過率が漸減する光学特性を有し、
   前記光学フィルタは、前記コリメータレンズの中心位置から周縁の一箇所に至る半径分に相当して入射する光信号に対して光量を補正するように配置されている、
   請求項２記載の光伝送システム。
4. 前記光学フィルタは、前記光信号の前記マイクロミラーによる反射角の大きい側における前記コリメータレンズの半径分に相当して入射する光信号に対して光量を補正するように配置されている、
   請求項３記載の光伝送システム。
5. 前記マイクロミラーと前記光学フィルタとの間に、光信号がコリメータレンズの光軸に対して平行となるように偏向するための偏向レンズが設けられている、
   請求項２ないし４のいずれかに記載の光伝送システム。
6. 前記光学フィルタと前記コリメータレンズとの間に凸レンズからなる集光レンズが配置され、
   前記光学フィルタから出射した光信号が前記集光レンズによって集光されて前記コリメータレンズに入射するように構成されている、
   請求項２ないし４のいずれかに記載の光伝送システム。
7. 前記集光レンズと前記コリメータレンズとの間に、光信号がコリメータレンズの光軸に対して平行となるように偏向するための偏向レンズが設けられている、
   請求項６記載の光伝送システム。