JP2008170904A - 光スイッチシステムおよびマイクロミラーの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が複雑になることなく、アッテネーションを与えた状態においても温度変動による影響を抑えて高い精度で安定的に制御すること。
【解決手段】入力ポートと出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部２１と、マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部２３と、当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサ２５と、接続情報記憶部２１に記憶された接続情報および温度センサにより検出された温度に基づいて、制御特性記憶部２３に記憶された制御特性データＤＴを参照し、マイクロミラーの角度制御のための制御量ＳＲを算出する演算部２２とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーのようなマイクロミラーを用いて、入力ポートから入射した光信号を切り換えて出力ポートに送り出す光スイッチシステム、および光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法に関する。本発明は、例えば波長分割多重 (WDM: Wavelength Division Multiplexing)通信や空間分割通信などの光クロスコネクト (OXC: Optical Cross-Connect) システムなどに利用される。

近年、マイクロマシン加工技術〔ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)またはＭＳＴ(Micro System Technology) ともいう〕により加工して得られる微小構造のマイクロマシンデバイスが注目されている。マイクロマシンデバイスの１つとしてマイクロミラー（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。

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。このようにマイクロミラーを制御して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。

しかし、光スイッチシステムは、レンズやマイクロミラーなどの光学系が三次元構造を成しているので、温度の変動による膨張または収縮などによって光伝達特性が大きく変化する。その結果、光結合損失が大きく変化する可能性がある。

従来において、このような温度変動の影響を低減するために、温度ドリフト分をフィードバック制御により補償し、最適な駆動状態を維持する方法が提案されている（特許文献１）。

また、特許文献２には、光パスの設定に対応した各マイクロミラーの傾き角に関する制御情報であってある特定の基準温度に対応する制御情報を予め記憶する記憶部と、光スイッチの温度を測定する温度センサとを設けておき、光パスの接続要求があったときに、それに対応した制御情報を記憶部から読み出すとともに、温度センサで測定された温度に基づいて、基準温度に対する温度変動による偏差を補償した駆動電圧を計算し、計算した駆動電圧を初期値として用いることが提案されている。
特開２００４−８５５９６ 特開２００４−２１９４６９

しかし、特許文献１のようにフィードバック制御を行う方法の場合には、温度変化の補償は確かなものになるが、他方でその回路構成が複雑となり、回路素子または回路基板の実装面積も大きなものとなってしまうという問題がある。

また、特許文献２で提案されたように、基準温度からの温度変動による偏差を演算により求める方法の場合には、回路構成は簡単となるが、基準温度からの温度変化量が大きいときにはその誤差が大きいという問題がある。特に、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator ）によりアッテネーションを与えて損失調整を行う場合に温度変化による影響が大きいのであるが、このアッテネーションを与えた場合に高精度な補償を行うのが難しく、精度が低下し易いという問題がある。
また、温度センサの温度時定数と光スイッチシステムの構成要素であるスイッチファブリックの温度時定数とに大きな差があるので、これが制御における大きな誤差となる可能性がある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、構成が複雑になることなく、アッテネーションを与えた状態においても温度変動による影響を抑えて高い精度で安定的に制御することのできるマイクロミラーの制御方法、および光スイッチシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る１つの実施形態の光スイッチシステムは、入力ポートと前記出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部と、前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部と、当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサと、前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度センサにより検出された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する演算部とを有する。

マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶しており、検出された温度に基づいて複数の制御特性データの中から適切なデータを選択し、これに基づいてマイクロミラーの制御量を得るので、簡単な構成であっても、温度変動による影響を抑えてより高い精度で安定的に制御することが可能である。

また、本発明に係る他の実施形態の光スイッチシステムでは、温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定する温度推定部を有する。演算部は、前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度推定部で推定された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する。

マイクロミラーなどの主要なファブリックの内部の温度を推定することにより、その実際の温度と制御に用いる温度とのズレを低減させ、より一層高精度の制御を行うことが可能である。

本発明によると、構成が複雑になることなく、アッテネーションを与えた状態においても温度変動による影響を抑えて高い精度で安定的に制御することができる。

〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る光スイッチシステム１のミラー構成の例を模式的に示す図、図２は図１に示す光スイッチシステム１を平面的に示す図、図３は光スイッチシステム１の制御部２０の構成を示すブロック図、図４は制御部２０の回路配置の例を示す平面図、図５は３つの温度ＴＪについての制御特性データＤＴ１〜３の例を示す図、図６は電圧変動に対する光パワーの変動量を説明するための図、図７は温度変化による光結合損失の推移を時間経過とともに示す図、図８は本実施形態の光スイッチシステム１における温度変動に対する損失変動の様子を示す図である。

図１において、光スイッチシステム１は、光ファイバーＨＦにより導光される入力ポート１１から入射する複数の光信号に対し、光スイッチ１２Ａ、１２Ｂによってそれぞれの進行方向を切り替え、所定の出力ポート１３からそれぞれ出射するように構成される。

図１に示す光スイッチシステム１では、入力ポート１１および出力ポート１３は、マトリクス状に配列された４×４個のものが示されている。光スイッチ１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ、同じくマトリクス状に配列された４×４個のマイクロミラー１４，１４…、１５，１５…から構成されている。

１６個のうちのいずれかの入力ポート１１から入射した光は、その光軸上にあるいずれかの光スイッチ１２Ａに入射し、そこで反射する。また、１６個のうちのいずれかの出力ポート１３には、その光軸上にあるいずれかの光スイッチ１２Ｂから光が入射する。つまり、マトリクス状に配列された４×４個の入力ポート１１と光スイッチ１２Ａ、出力ポート１３と光スイッチ１２Ｂは、それぞれ１対１で対応している。光スイッチ１２Ａと光スイッチ１２Ｂとの間の対応関係によって、入力ポート１１と出力ポート１３との対応が決定される。

マイクロミラー１４，１５は、例えば、ＭＥＭＳ技術によって製作されるＤＭＤ（Digital Micro mirror Device ）であり、各ミラーが平行平板型静電アクチュエータによって支持され、その反射面の角度制御が可能となっている。

このような光スイッチ１２Ａ、１２Ｂおよびマイクロミラー１４，１５それ自体は公知であり、種々の構造や配置のものを本実施形態の光スイッチシステム１として適用することが可能である。

図２に示すように、入力ポート１１および出力ポート１３は光軸が互いに平行に配置され、光スイッチ１２Ａ、１２Ｂは、光軸に対してそれぞれ４５度傾いた状態で配置されている。マイクロミラー１４，１５の角度を制御することによって、いずれかの入力ポート１１といずれかの出力ポート１３とが光学的に接続され、これによって光パスが形成される。

なお、図２においては、入力ポート１１および出力ポート１３がともにそれぞれ４個ずつであり、入射側の光スイッチ１２Ａとして４個のマイクロミラーＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が設けられ、出射側の光スイッチ１２Ｂとして４個のマイクロミラーＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が設けられたモデルが示されている。

このモデルに従うと、４×２個のマイクロミラーＡ１〜４、Ｂ１〜４の角度制御によって、４個の入力ポートＰＡ１〜４と４個の出力ポートＰＢ１〜４とを漏れなく組み合わせて接続することができる。通常、１つの入力ポート１１から入射した光信号は１つの出力ポート１３のみから出射するように、また１つの出力ポート１３から出射する光信号は１つの入力ポート１１のみから入射するように接続されるが、このような接続に限ることなく、１つの入力ポート１１から複数の出力ポート１３に、また複数の入力ポート１１から１つの出力ポート１３に、それぞれ光信号が伝達されるように接続することも可能である。

以下においては、説明を簡潔にするために、特に指摘がない場合には図２に示したような４×２個のマイクロミラーＡ１〜４，Ｂ１〜４を制御する例について説明する。なお、マイクロミラーＡ１〜４，Ｂ１〜４のいずれかまたは全部を「マイクロミラーＡ」と記載することがある。

図３において、制御部２０は、接続情報記憶部２１、演算部２２、制御特性記憶部２３、温度センサ２５、および駆動出力部２８を有する。

接続情報記憶部２１は、入力ポート１１と出力ポート１３との間における接続情報ＳＪを記憶する。つまり、接続情報記憶部２１には、入力ポートＰＡ１〜４と出力ポートＰＢ１〜４との互いの接続情報ＳＪが記憶されている。このような接続情報ＳＪは、例えば、光スイッチシステム１を管理するコンピュータから、その時々の要求に応じて送られてくる。なお、接続情報記憶部２１として、ＤＰＲＡＭ（Dual Port Random Access Memory) 、その他の半導体メモリが用いられる。

演算部２２は、接続情報ＳＪ、および制御特性記憶部２３から取得した制御特性データＤＴなどに基づいて、マイクロミラーＡの制御量ＳＲを求める。制御量ＳＲは、最終的にはマイクロミラーＡを駆動するためにマイクロミラーの制御電極に印加する電圧の値（電圧値）ＶＴである。

演算部２２は、例えば、接続情報ＳＪおよび温度ＴＪに基づいて、各マイクロミラーＡについての適切な制御特性データＤＴを、制御特性記憶部２３から読み出す。制御特性データＤＴには、各マイクロミラーＡに印加すべき電圧の値（電圧値ＶＴ）または各マイクロミラーＡの制御角θなどのデータが含まれている。これらのデータに基づいて、制御量ＳＲを算出する。

その場合に、制御特性データＤＴに電圧値ＶＴが含まれている場合には、その電圧値ＶＴをそのまま制御量ＳＲとすることが可能である。その場合に、制御特性データＤＴに対して、クロストークによる誤差を補正するための演算を行ってもよい。

また、制御特性データＤＴにマイクロミラーＡの制御角θが含まれる場合には、制御角θから電圧値ＶＴを求める。なお、制御角θと電圧値ＶＴとの関係は次の（１）式で示される。

θ＝α×（ＶＴ）2 ……（１）
つまり、マイクロミラーの制御角θは、マイクロミラーの駆動のための電圧値ＶＴの２乗に比例する。但し、αは各マイクロミラーの硬度などによって決定される固有定数である。

なお、演算部２２は、例えば、定期的にまたは割り込みによって、接続情報記憶部２１に記憶された接続情報ＳＪを読み込む。読み込んだ結果、接続情報ＳＪに変更があった場合に、演算部２２は、温度センサ２５で検出された温度ＴＪを読み込む。そして、読み込んだ温度ＴＪに最も近い温度ＴＪの制御特性データＤＴを用いて制御を行う。

また、例えば、演算部２２は、周期的に、温度センサ２５から温度ＴＪを読み込み、その温度ＴＪに基づいて制御を行う。この場合の周期として、例えば、１０秒ごとに温度ＴＪを読み込む。または、１０〜６０秒ごとに読み込む。また、１〜１０分程度の範囲の適当な時間ごとに温度ＴＪを読み込んでもよい。

制御特性記憶部２３は、マイクロミラーＡの制御特性データＤＴを、複数の温度ＴＪごとに記憶する。つまり、制御特性記憶部２３は、図３に示すように、例えば、１０℃、３０℃、５０℃の３つの温度ＴＪについて、各マイクロミラーＡの制御特性データＤＴ１，ＤＴ２，ＤＴ３を記憶する。各制御特性データＤＴ１〜３を「初期値テーブル」ということがある。つまり、この場合に、各マイクロミラーＡについての制御特性データＤＴ１〜３が、各温度ＴＪにおける初期値テーブルという形で記憶される。

制御特性データＤＴとして記録される電圧値ＶＴまたは制御角θは、図５に示す制御特性を表したデータであり、実測によって取得することができる。例えば、対象となるマイクロミラー以外のマイクロミラーをＯＦＦにした状態つまり電圧を印加しない状態としておき、対象となるマイクロミラーのみに電圧を印加して、電圧値ＶＴまたは制御角θに対応する光パワーを実測することによって取得する。光パワーは、当該マイクロミラーを介して入力ポート１１から出力ポート１３に伝達される光の強度を示すものである。損失が小さい場合に光パワーは増大し、損失が大きい場合に光パワーは減少する。

図５において、ある１つのマイクロミラーについて、且つ接続情報ＳＪの１つに対して、１０℃、３０℃、５０℃の３つの温度ＴＪについての制御特性データＤＴ１〜３の例が示されている。図５のように、３つの温度についての制御特性データＤＴ１〜３は、互いに横軸方向にシフトした関係にある。つまり、各制御特性データＤＴ１〜３は、マイクロミラーに印加する電圧（電圧値ＶＴ）に対する光パワーの大きさであって、当該光パワーの最大点を含み、最大点を中心として左右の近辺に拡がるデータである。図５および図６に示すように、一般に、マイクロミラーに印加する電圧値ＶＴに対する光パワーのグラフ、つまり制御特性データＤＴは、ガウス分布となる。

本来、マイクロミラーの適切な制御角θの理論値（期待値）は、マイクロミラー、入力ポート１１、および出力ポート１３の幾何学的配列に基づいて算出可能である。しかし、実際は、それらの構造のバラツキ、およびレンズなどの光学系の組み立て誤差などによって、期待値から外れる。そのため、入力ポート１１から基準となる強度の光を入射させ、出力ポート１３に光モニタなどを接続し、制御特性データＤＴを実測によって求める。つまり、例えば、最も損失（光結合損失）の少ない制御角θ（実測最適点）およびＶＯＡ角（実測ＶＯＡ点）などを実測する。

図６に示すように、温度変動などによってマイクロミラーの電圧値ＶＴまたは制御角θが変動した場合に、実測最適点における光パワーの変動量よりも、実測ＶＯＡ点における光パワーの変動量の方がはるかに大きくなる。図６に示す例では、ΔＶの電圧変動に対して、実測最適点における光パワーの変動量ΔＰＷ１に比べ、実測ＶＯＡ点における光パワーの変動量ΔＰＷ２の方がかなり大きい。マイクロミラーは、ＶＯＡを容易に行える点が特徴であるため、通常の運用ではこのＶＯＡ点での動作が主流である。

なお、図５および図６に示す制御特性データＤＴにおいて、通常は最大点（最適点）よりも電圧値ＶＴの低い部分を制御に用いるので、制御特性データＤＴとしては、最大点（最適点）よりも左側部分のみがあればよい。

図７には、−２０ｄＢのアッテネーションを与えた場合において、温度ＴＪの変化に対する損失変動の関係が示されている。図７の例では、温度を−５℃から急激に７０℃に変化させ、時間の経過によって損失がどのように変動するかが示されている。この例によると、損失の変動は時間の経過とともに増大し、３０分の経過によって約３．５ｄＢの損失の変動が生じている。

温度センサ２５は、光スイッチシステム１における温度ＴＪを検出する。つまり、温度センサ２５は、光スイッチシステム１の使用時におけるその時々の温度ＴＪを検出する。また、制御特性データＤＴを実測する際に、温度センサ２５が用いられることがある。

温度センサ２５として、半導体の特性を利用したもの、熱電対を用いたものなど、種々の構造および形状の公知のものまたは新規なものを用いることが可能である。温度センサ２５は、例えば、図４に示すように、接続情報記憶部２１または演算部２２などを実現する回路素子とともに、プリント基板ＫＢ１上に実装される。または、光スイッチ１２Ａ、１２Ｂを支持する基板ＫＢ２の近傍や入力ポート１１および出力ポート１３の近傍などに配置されて取り付けられる。したがって、温度センサ２５によって、光スイッチシステム１の環境温度（雰囲気温度）が検出される。なお、図４において、２つの基板ＫＢ１，ＫＢ２は、電線ＤＳによって互いに接続されている。

温度ＴＪの変動によって、マイクロミラーの特性、特に印加する電圧値ＶＴ対光パワー（損失量）の特性に変動が生じる他、光スイッチシステム１を構成する種々のファブリック、特に光学的な機能部品であるレンズなどが膨張しまたは収縮する。また、半導体回路素子を用いた制御部２０も温度ＴＪに応じて特性が変動する。したがって、光スイッチシステム１を実際に使用する温度範囲における低温、中温、高温について、制御特性データＤＴを実測し、制御特性記憶部２３に記憶しておく。

駆動出力部２８は、制御量ＳＲに基づいてマイクロミラーＡを駆動する。駆動出力部２８は、例えば、演算部２２から出力されるデジタルの電圧値ＶＴをアナログの出力電圧Ｖに変換するＡＤ変換器（ＡＤＣ）である。マイクロミラーＡは、駆動出力部２８からの出力電圧Ｖによって、その駆動量つまり制御角θが決まる。

さて、本実施形態においては、環境温度の変動による影響を抑え、高い精度で安定的にマイクロミラーの制御を行う。すなわち、上に述べたように、３つの温度について、各マイクロミラーの制御特性データＤＴ１〜３を取得し、それを初期値テーブルとして制御特性記憶部２３に記憶しておく。

演算部２２は、接続情報ＳＪ、および温度センサ２５により検出された温度ＴＪに基づいて、制御特性記憶部２３に記憶された制御特性データＤＴを参照し、マイクロミラーの角度制御のための制御量ＳＲを算出する。制御特性データＤＴに各マイクロミラーに印加すべき電圧値ＶＴが含まれている場合には、その電圧値ＶＴを制御量ＳＲとする。

つまり、図８において、温度センサ２５により検出された温度ＴＪが２０℃未満である場合には、１０℃の制御特性データＤＴ１を用い、温度ＴＪが２０℃以上４０℃未満である場合には、３０℃の制御特性データＤＴ２を用い、温度ＴＪが４０℃以上である場合には、５０℃の制御特性データＤＴ３を用いる。その結果、それぞれの温度範囲の中では若干の誤差がでるものの、全体としては誤差が小さい範囲内に収められている。

すなわち、温度ＴＪが１０℃、３０℃、５０℃である場合には誤差はないか、または誤差が極めて少ないが、これらの温度から遠ざかるにつれて、一定の割合で誤差は増大する。しかし、使用温度の全体を通じて誤差が累積するのではなく、使用温度の全体を３分割した狭い範囲内で誤差が発生するのみであるから、全体として誤差は小さくなり、温度変動による影響が抑えられて比較的高い精度で安定的に制御することができる。なお、図８において、理想的な制御状態は、鎖線で示すように、損失が温度に依ることなく一定の状態である。

因みに、例えば３０℃の制御特性データＤＴ２のみを用いて全温度範囲についての制御を行った場合には、図８に破線で示す用に、温度が低いときと高いときとで誤差が大きくなり、正確な制御を行えない。

これに対して、本実施形態の光スイッチシステム１では、ある範囲での誤差は生じるが、光スイッチシステム１が使用される広い温度範囲において誤差が狭い範囲に止められ、実用上十分な正確さで制御を行うことが可能である。

上のように構成した光スイッチシステム１では、温度に対する補償をオープンル−プで行うことができ、構成が簡単となり、実装領域を増大させることがない。

上に述べた実施形態において、マイクロミラーＡの機械的な共振を除去しまたは低減するために、制御角θを示す制御信号に対するフィルタリングが行われる。したがって、そのようなフィルタリングを行うためのフィルタ部を演算部２２に設けてもよい。また、演算部２２において制御角θまたは電圧値ＶＴを演算する際に、そのようなフィルタリングの処理をも含めて演算するようにしてもよい。

また、演算部２２におけるフィルタリングの処理は、個々のマイクロミラーＡに対して最適なパラメータを適用して行うように演算してもよく、または全部のマイクロミラーＡに対して同じパラメータを適用して演算を行ってもよい。このような演算部２２は、専用のハードウエア回路によって構成してもよく、ＤＳＰやＣＰＵなどを用いて構成してもよく、またはそれらの組み合わせでもよい。

なお、接続情報記憶部２１および演算部２２は、デジタル信号による処理を行い、駆動出力部２８はデジタル信号をアナログ信号に変換する処理を行う。駆動出力部２８は、物理的に、マイクロミラーＡの個数に応じた個数だけ設ける必要がある。しかし、接続情報記憶部２１および演算部２２は、物理的には１個のみであってもよい。また、温度センサ２５は、本実施形態においては１つであるが、複数個設けてもよい。

上に述べた実施形態では、接続情報記憶部２１に３つの温度についての制御特性データＤＴを記憶しておいたが、その３つの温度について上の例とは異なる温度としてもよい。３つの温度についての制御特性データＤＴであれば、それほど手間をかけることなく制御特性データＤＴを得ることが可能である。しかし、３つの温度でなく、４つ以上の温度についての制御特性データＤＴを記憶しておいてもよい。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態の光スイッチシステム１Ｂについて説明する。

第２の実施形態の光スイッチシステム１Ｂは、第１の実施形態の光スイッチシステム１と基本的には同じであるので、相違する部分についてのみ説明する。

図９は本発明に係る第２の実施形態の光スイッチシステム１Ｂの制御部２０Ｂの構成を示すブロック図、図１０は直線補間の具体例を説明するための図である。

図９において、制御部２０Ｂには補間演算部２４が設けられている。補間演算部２４は、温度センサ２５により検出された温度ＴＪに近い上下２つの温度に対応した制御特性データＤＴを用いて、温度センサ２５により検出された温度ＴＪに対応する制御特性データＤＴを補間によって求める。これによって、温度変動による誤差を一層低減し、損失の変動をさらに抑圧することが可能となる。なお、補間の方法として、例えば直線補間が行われる。また、第２の実施形態では、−５℃、２５℃、７０℃の３つの温度ＴＪについての制御特性データＤＴ４〜６が、制御特性記憶部２３に記憶されている。

例えば、温度センサ２５で検出された温度ＴＪが４０℃であったとする。図１０に示すように、２５℃および７０℃における制御特性データＤＴの値、例えば電圧値ＶＴが、それぞれ、「８０１６」「８０２２」であったとする。この場合に、１℃当たりの制御量ＳＲの差分は、（８０２２−８０１６）／（７０−２５）＝０．１３３３となる。したがって、温度ＴＪが４０℃の場合には、８０１６＋〔０．１３３３×（４０−２５）〕＝８０１８となる。このようにして求めた電圧値ＶＴに基づいて制御を行う。

なお、図１０における縦軸は、駆動出力部２８におけるステップを示しており、これは電圧値ＶＴなどの制御量ＳＲそのものとは異なるが、それらに対応する値である。

第２の実施形態によると、温度ＴＪに対して離散的にしか設定されていない制御特性データＤＴについて、実際に検出された温度ＴＪに対応する制御特性データＤＴが補間により求められるので、第１の実施形態の場合よりも温度変動による誤差を一層低減でき、より高い精度で安定的に制御することができる。
〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態の光スイッチシステム１Ｃについて説明する。ここでは、第２の実施形態の光スイッチシステム１Ｂと相違する部分についてのみ説明する。

図１１は本発明に係る第３の実施形態の光スイッチシステム１Ｃの制御部２０Ｃの構成を示すブロック図、図１２は温度推定部２６の動作を説明するための図である。

図１１において、制御部２０Ｃには温度推定部２６が設けられている。温度推定部２６は、温度センサ２５により検出された温度ＴＪに基づいて、マイクロミラーの温度を推定する。つまり、温度センサ２５は、制御部２０Ｃに設けられてその環境温度を検出しているが、これはマイクロミラーの内部の温度ではなく、マイクロミラーの周囲温度または表面温度である。そのため、温度センサ２５で検出された温度ＴＪに基づいて制御を行った場合に、マイクロミラーの内部の温度との差によって制御にスレが生じる。したがって、このズレを解消するため、温度センサ２５が検出した温度ＴＪから、マイクロミラーの内部の温度を演算により求めて推定する。演算部２２は、温度推定部２６で推定された温度ＴＳに基づいて、マイクロミラーの制御量ＳＲを算出する。温度推定部２６での温度推定の演算は、マイクロミラーの温度時定数ＣＲを用いて時定数演算を行うことによって実行される。

すなわち、図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、時刻ｔ＝０において、「０」から「１」への温度変化（Δｔｅｍｐ）があったとする。この温度変化は、マイクロミラーに対する環境温度の変化であり、曲線ＣＶ１で示されている。また、曲線ＣＶ１で示される環境温度の変化に対して、マイクロミラーの内部の温度変化が曲線ＣＶ２で示されている。

環境温度は温度センサ２５によって検出されるので、温度センサ２５が検出する温度ＴＪは曲線ＣＶ１で示される。また、マイクロミラーの内部の温度を示す曲線ＣＶ２は、温度センサ２５では直接に測定できないので、マイクロミラーの温度時定数ＣＲを用いて推定する。

なお、曲線ＣＶ２はマイクロミラーの内部の温度の変化であるが、内部であっても場所によって異なるので、この曲線ＣＶ２は、光学特性への影響を考慮した上での代表的な部分の温度変化であるといえる。

すなわち、温度時定数ＣＲは、物体の比熱、構造、表面積、表面形状、および表面状態などに応じて決まるものであり、ある環境温度にさらされた物体の全体がその環境温度に達するまでの時間に関連した値である。物体の内部の温度ＴＳは、環境温度である温度ＴＪと、環境温度が温度ＴＪになた時点からの経過時間ｔと、温度時定数ＣＲとを用い、次の（２）式により演算して推定することができる。

ＴＳ＝ＴＪ〔１−ｅ(-t/CR) 〕 ……（２）
なお、図１２（Ａ）（Ｂ）に示す曲線ＣＶ２は、温度時定数ＣＲを「１２」分として求めた。しかし、マイクロミラーの材質や構造などに応じて、または対象となる部材の材質や構造などに応じて、異なる値を用いてよい。

したがって、温度センサ２５で検出された温度ＴＪを用いて制御を行う第１および第２の実施形態においては、各時間ｔにおいて、図１２（Ｂ）に示す曲線ＣＶ１と曲線ＣＶ２との間隔に等しい分の誤差が残ることになる。

これに対して、第３の実施形態においては、マイクロミラーの内部の温度ＴＳを推定して求め、これに基づいて制御を行うので、推定が全く正確である場合には誤差は残らない。しかし、実際には、マイクロミラーの内部の温度は曲線ＣＶ２で示すように時々刻々と変化しているのであるが、このような曲線ＣＶ２に沿って連続的な制御を行うことは困難であるかまたは実際的でないので、適当な周期ごとのタイミングで制御を行うことになる。例えば、図１２（Ａ）の曲線ＣＶ３上に×印で示すように、５分ごとに温度推定部２６で温度推定を行い、それぞれの温度推定を行ったタイミングでマイクロミラーの制御を行う。

このように、５分ごとに温度推定を行って制御した場合には、各時間ｔにおいて、曲線ＣＶ３と曲線ＣＶ２との間隔に等しい分の僅かな誤差のみが残ることになる。

つまり、温度センサ２５で検出された温度ＴＪを用いて制御を行った場合には、図１２（Ｂ）の曲線ＣＶ１と曲線ＣＶ２とで囲まれる部分の面積に等しい分の誤差が生じるのに対し、５分ごとに温度推定を行った場合には、図１２（Ａ）の曲線ＣＶ２と曲線ＣＶ３とで囲まれる小さな部分の面積に等しい分の誤差しか生じない。

このように、第３の実施形態では、マイクロミラーの内部の温度を推定することにより、その実際の温度と制御に用いる温度ＴＳとのズレを低減させ、より一層高精度の制御を行うことが可能である。

なお、より高精度で制御を行うためには、温度推定を行う周期を短くすればよい。したがって、例えば、１０秒ごと、３０秒ごと、１分ごと、２分ごと、または３分ごとなどのように温度推定を行い、それぞれのタイミングで制御量ＳＲを算出してもよい。

また、温度推定を行うときに、例えば図１２（Ａ）において、５分後の推定温度ＴＳをその半分の２．５分後の制御に用い、１０分後の推定温度ＴＳをその半分の５分後の制御に用いる、というように、温度ＴＳの推定に用いる時間の半分の時間のタイミングでその推定温度ＴＳを用いて制御することによって、離散的な制御にも係わらず全体として実際の温度による制御に一層近づけることができ、一層正確な制御を行うことができる。
〔第４の実施形態〕
次に、第４の実施形態の光スイッチシステム１Ｄについて説明する。ここでは、第３の実施形態の光スイッチシステム１Ｃと相違する部分についてのみ説明する。

図１３は本発明に係る第４の実施形態の光スイッチシステム１Ｄの制御部２０Ｄの構成を示すブロック図、図１４は種々のファブリックの温度特性を示す図、図１５はレンズＬＳの温度変化による光路の変化の様子を模式的に示す図、図１６はマイクロミラーＡの温度変化による光路の変化の様子を模式的に示す図である。

図１３において、制御部２０Ｄには３つの温度推定部２６ａ，２６ｂ，２６ｃが設けられている。温度推定部２６ａは、温度センサ２５により検出された温度ＴＪに基づいて、レンズＬＳの温度ＴＳ１を推定する。温度推定部２６ｂは、同じく温度ＴＪに基づいて、マイクロミラーの温度ＴＳ２を推定する。温度推定部２６ｃは、同じく温度ＴＪに基づいて、制御部２０Ｄの温度ＴＳ３を推定する。

各温度推定部２６ａ〜ｃには、レンズＬＳ、マイクロミラーＡ、または制御部２０Ｄのそれぞれの温度時定数ＣＲ１〜３が、例えば時定数テーブルとして格納されており、それぞれの温度時定数ＣＲ１〜３を用いて温度ＴＳ１〜３を推定する。

図１４（Ａ）〜（Ｃ）において、横軸は時間、縦軸は損失である。縦軸方向に大きくなるほど損失は大きくなり、縦軸方向に小さくなるほど損失は小さくなる。図１４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ、レンズＬＳ、マイクロミラーＡ、または制御部（制御回路）２０Ｄについて、時刻ｔ＝０において温度が０℃から７０℃に上昇したときの温度特性の曲線ＣＶ４〜６を示す。

図１４（Ａ）に示すように、レンズＬＳの温度特性を示す曲線ＣＶ４では、時刻ｔ＝０における初期の損失が約２２ｄＢであったが、温度変動によって損失が増大していき、約６０分程度で約２５ｄＢの損失に達して飽和する。この場合に、レンズＬＳの温度時定数ＣＲは「６０」分であり、損失変動の方向は「正」、つまり温度上昇により損失が増大する方向であり、変動量は３ｄＢである。

このようにレンズＬＳが温度変動によって損失が増大する原因の１つには、図１５（Ａ）に示すように、低温（−５〜２５℃近辺）ではレンズＬＳによって光がマイクロミラーＡ上に焦点を結んでいる状態から、図１５（Ｂ）に示すように、レンズＬＳの温度が上昇することによってレンズＬＳが膨張し、その結果、焦点距離が短くなってマイクロミラーＡ上に焦点を結ばなくなることが考えられる。

図１４（Ｂ）に示すように、マイクロミラーＡの温度特性を示す曲線ＣＶ５では、初期の損失が約２２ｄＢであったが、温度変動によって損失が減少していき、約３０分程度で約２０ｄＢの損失に達して飽和する。この場合に、マイクロミラーＡの温度時定数ＣＲは「３０」分であり、損失変動の方向は「負」、つまり温度上昇により損失が減少する方向であり、変動量は２ｄＢである。

このように、マイクロミラーＡが温度変動によって損失が減少する原因の１つには、図１６（Ａ）に示すように、低温ではマイクロミラーＡの傾きが小さい状態から、図１６（Ｂ）に示すように、高温でマイクロミラーＡが柔らかくなって同じ電圧値ＶＴで傾きが大きくなり、ＶＯＡ点がずれて損失が減少することが考えられる。

図１４（Ｃ）に示すように、制御部２０Ｄの温度特性を示す曲線ＣＶ６では、初期の損失が約２２ｄＢであったが、温度変動によって損失が増大していき、約１０分程度で約２４ｄＢの損失に達して飽和する。この場合に、制御部２０Ｄの温度時定数ＣＲは「１０」分であり、損失変動の方向は「正」であり、変動量は２ｄＢである。

このように、制御部２０Ｄが温度変動によって損失が増大する原因の１つには、高温になると回路素子の抵抗値が増大する他、種々の回路定数が変化し、これにともなって電源電圧の変動などが生じること、ＤＡＣやＤＳＰなどのＬＳＩの温度特性によること、これらによって出力される電圧値ＶＴに変動が生じること、などが考えられる。

上に述べたように、レンズＬＳ、マイクロミラーＡ、および制御部２０Ｄは、温度変動に対する温度時定数ＣＲ、変動の方向、変動量は互いに異なる。したがって、これら、温度時定数ＣＲ、変動の方向、変動量などのパラメータの異なるファブリックについて、それぞれの温度推定部２６ａ〜ｃを設けているのである。

なお、ファブリックとして、上に述べたように、レンズＬＳ、マイクロミラーＡ、制御部２０Ｄがあるが、その他に、それらが組み付けられたシャーシ、ブラケット、フレーム、筐体などが考えられる。これのファブリックのうち、温度変動によって光スイッチシステムの光学特性に影響を与える主要な部材について、その温度時定数ＣＲ、変動の方向、変動量の異なる部材ごとに、温度推定を行うようにすればよい。

また、演算部２２においては、例えば、温度推定部２６ａ〜ｃから入力される温度ＴＳ１〜３に基づいて、制御特性記憶部２３に記憶された制御特性データＤＴ４〜６から該当するデータを読み出す。補間演算部２４において、そのデータに対して補間を行い、補間されたデータに基づいて、演算部２２において最終的な制御量ＳＲを決定する。その場合に、補間演算部２４で補間を行うことによって、各ファブリックの温度変動に対応した制御特性データＤＴが得られるので、それを例えば加重平均し、または適当な係数を掛け合わせることによって、最終的な制御量ＳＲを決定してもよい。その他、温度ＴＳ１〜３および制御特性データＤＴの用い方、補間演算部２４による補間の仕方、制御量ＳＲの決定の仕方については、上に述べた以外に種々の方法を採用することが可能である。

このように、第４の実施形態においては、主要なファブリックごとに温度推定部２６ａ〜ｃを設けて温度推定を行い、推定された温度ＴＳに基づいてマイクロミラーＡの制御を行うので、各ファブリックの実際の温度と制御に用いる温度ＴＳとのズレが一層低減し、より一層高精度の制御を行うことが可能となる。

上に述べた各実施形態において、マイクロミラーＡが１次元的に配列された場合について説明したが、これらが２次元的または３次元的に配列されたものであっても適用可能である。

上に述べた各実施形態において、光スイッチ１２Ａ、１２Ｂの構造、形状、マイクロミラーの配置および個数などは、上に述べた以外の種々のものであってもよい。その他、演算部２２、制御特性記憶部２３、補間演算部２４、温度センサ２５、温度推定部２６、制御部２０，２０Ｂ〜２０Ｄ、および光スイッチシステム１，１Ｂ〜１Ｄの全体または各部の構造、構成、形状、個数、材質、処理内容および処理順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

以上、本発明の実施形態をいくつかの実施例とともに説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の形態で実施することが可能である。
（付記１）
反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムであって、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部と、
前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部と、
当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサと、
前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度センサにより検出された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する演算部と、
を有することを特徴とする光スイッチシステム。
（付記２）
前記演算部は、前記温度センサにより検出された温度に最も近い温度に対応した前記制御特性データを用いることにより、前記接続情報に対応した前記各マイクロミラーの制御量を算出する、
付記１記載の光スイッチシステム。
（付記３）
前記温度センサにより検出された温度に近い温度に対応した前記制御特性データを用いて補間を行う補間演算部を有する、
付記１記載の光スイッチシステム。
（付記４）
前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定する温度推定部を有し、
前記演算部は、前記温度推定部で推定された温度に基づいて前記マイクロミラーの制御量を算出する、
付記１ないし３のいずれかに記載の光スイッチシステム。
（付記５）
前記制御特性データは、前記マイクロミラーに印加する電圧に対する光パワーの大きさであって当該光パワーの最大点を含んで少なくともそれよりも電圧の低い側におけるデータである、
付記１ないし４のいずれかに記載の光スイッチシステム。
（付記６）
反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムであって、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部と、
前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部と、
当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定する温度推定部と、
前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度推定部で推定された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する演算部と、
を有することを特徴とする光スイッチシステム。
（付記７）
前記温度推定部は、当該光スイッチシステムを構成する主要な部材について、その温度特性の類似する部材ごとに、それぞれの温度を推定する、
付記６記載の光スイッチシステム。
（付記８）
前記部材として、前記マイクロミラー、レンズ、および制御回路について、それぞれの温度を推定する、
付記７記載の光スイッチシステム。
（付記９）
反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法であって、
前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに制御特性記憶部に記憶しておき、
当該光スイッチシステムにおける使用時の温度を検出し、
前記検出された温度および与えられた接続情報に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、当該光スイッチシステムにおける損失が適切となるように前記各マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出し、
算出した制御量によって前記各マイクロミラーを制御する、
ことを有することを特徴とする光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法。
（付記１０）
反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法であって、
前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに制御特性記憶部に記憶しておき、
当該光スイッチシステムにおける使用時の環境の温度を検出し、
前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定し、
前記推定された温度および与えられた接続情報に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、当該光スイッチシステムにおける損失が適切となるように前記各マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出し、
算出した制御量によって前記各マイクロミラーを制御する、
ことを有することを特徴とする光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法。

本発明の第１の実施形態の光スイッチシステムのミラー構成を示す図である。 図１に示す光スイッチシステム１を平面的に示す図である。 光スイッチシステムの制御部の構成を示すブロック図である。 制御部の回路配置の例を示す平面図である。 ３つの温度についての制御特性データの例を示す図である。 電圧変動に対する光パワーの変動量を説明するための図である。 温度変化による光結合損失の推移を時間経過とともに示す図である。 温度変動に対する損失変動の様子を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。 直線補間の具体例を説明するための図である。 本発明に係る第３の実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。 温度推定部の動作を説明するための図である。 本発明に係る第４の実施形態の制御部の構成を示すブロック図である。 種々のファブリックの温度特性を示す図である。 レンズの温度変化による光路の変化の様子を示す図である。 マイクロミラーの温度変化による光路の変化の様子を示す図である。

符号の説明

１，１Ｂ〜１Ｄ 光スイッチシステム
１１ 入力ポート
１２Ａ、１２Ｂ 光スイッチ
１３ 出力ポート
１４，１５ マイクロミラー
Ａ マイクロミラー
２０，２０Ｂ〜２０Ｄ 制御部
２１ 接続情報記憶部
２２ 演算部
２３ 制御特性記憶部
２４ 補間演算部
２５ 温度センサ
２６，２６ａ〜ｃ 温度推定部
２８ 駆動出力部
ＳＪ 接続情報
ＤＴ 制御特性データ
ＳＲ 制御量
ＶＴ 電圧値
ＴＪ 温度
ＴＳ 温度

Claims (8)

1. 反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムであって、
   前記入力ポートと前記出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部と、
   前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部と、
   当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサと、
   前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度センサにより検出された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する演算部と、
   を有することを特徴とする光スイッチシステム。
2. 前記演算部は、前記温度センサにより検出された温度に最も近い温度に対応した前記制御特性データを用いることにより、前記接続情報に対応した前記各マイクロミラーの制御量を算出する、
   請求項１記載の光スイッチシステム。
3. 前記温度センサにより検出された温度に近い温度に対応した前記制御特性データを用いて補間を行う補間演算部を有する、
   請求項１記載の光スイッチシステム。
4. 前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定する温度推定部を有し、
   前記演算部は、前記温度推定部で推定された温度に基づいて前記マイクロミラーの制御量を算出する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の光スイッチシステム。
5. 前記制御特性データは、前記マイクロミラーに印加する電圧に対する光パワーの大きさであって当該光パワーの最大点を含んで少なくともそれよりも電圧の低い側におけるデータである、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の光スイッチシステム。
6. 反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムであって、
   前記入力ポートと前記出力ポートとの間における接続情報が記憶される接続情報記憶部と、
   前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに記憶した制御特性記憶部と、
   当該光スイッチシステムにおける温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定する温度推定部と、
   前記接続情報記憶部に記憶された接続情報および前記温度推定部で推定された温度に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、前記マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出する演算部と、
   を有することを特徴とする光スイッチシステム。
7. 反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法であって、
   前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに制御特性記憶部に記憶しておき、
   当該光スイッチシステムにおける使用時の温度を検出し、
   前記検出された温度および与えられた接続情報に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、当該光スイッチシステムにおける損失が適切となるように前記各マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出し、
   算出した制御量によって前記各マイクロミラーを制御する、
   ことを有することを特徴とする光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法。
8. 反射面の角度制御の可能な複数のマイクロミラーを用いて入力ポートと出力ポートとの間の光経路を切り換える光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法であって、
   前記マイクロミラーの制御特性データを複数の温度ごとに制御特性記憶部に記憶しておき、
   当該光スイッチシステムにおける使用時の環境の温度を検出し、
   前記温度センサにより検出された温度に基づいて当該光スイッチシステムを構成する部材の温度を推定し、
   前記推定された温度および与えられた接続情報に基づいて、前記制御特性記憶部に記憶された制御特性データを参照し、当該光スイッチシステムにおける損失が適切となるように前記各マイクロミラーの角度制御のための制御量を算出し、
   算出した制御量によって前記各マイクロミラーを制御する、
   ことを有することを特徴とする光スイッチシステムにおけるマイクロミラーの制御方法。

Images