JP2009036886A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー装置に角度ずれが生じた場合であっても所望する光強度の出力光を出力することができる光スイッチを提供する。
【解決手段】所定の光強度を基準として角度ずれの許容範囲ｒを設定した場合、従来のように電圧Ｖ_yの値のみ変化させてミラーをＸ軸方向回りのみ変化させた場合、角度ずれの許容範囲は、Ｖ_y軸と平行な２本の直線間の領域（左側のグラフ参照）となる。一方、本発明のように、パラメータＶ_tを用いて駆動電圧を更新する場合、角度ずれの許容範囲は、直線Ｖ_tと平行な２本の直線間の領域（右側のグラフ参照）となり、従来の場合よりも許容範囲が大きくなる。したがって、角度ずれが生じた場合であっても、所望する光強度を有する出力光を出力できる駆動電圧を従来よりも広範囲に探索することができ、結果として、所望する光強度の出力光を出力することができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、通信用光伝送装置や波長ルーティング装置などに用いられる光スイッチに関するものである。

近年、光通信の分野では、光信号を電気信号に変換することなく相手先に送信することにより、光の特徴を生かした高速通信が実現されている。また、１つの波長に１つの光信号を対応させて波長多重するWDM(Wavelength Division Multiplexing)技術により、一本の光ファイバにより大容量の光伝送を行うことも実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチが脚光を浴びている。

光スイッチは、光通信ネットワークの大規模化に伴って、高機能化が促進されている。従来では、入力ポートが１つ出力ポートが２つの単純な１×２スイッチが用いられていたが、近年では、入力ポートおよび出力ポートを数百個有し万単位の光路制御を行うことができるマトリクススイッチ（例えば、非特許文献１参照）や数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかから出力する波長選択スイッチ（例えば、特許文献１参照）などが提案されている。中でも、高機能化とともに小型化を実現できるのが空間光学系光スイッチである。

空間光学系光スイッチは、光ファイバとともにレンズやミラーなどの空間光学部品を３次元的に配置することにより、高機能化と小型化を実現している。このような空間光学スイッチには、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作成されたマイクロミラー装置（例えば、特許文献２参照）がよく用いられる。MEMSマイクロミラー装置は、ミラーを複数の回動軸により回動させることが可能なので、例えば、光路の切り替えを実現する第１の回動軸の他にその回転軸と直交する第２の回動軸を設け、この第２の回動軸によりミラーを傾けることによって、光損失を制御することが提案されている。このような光損失制御機能を、例えばWDM 光ネットワークなどで用いられる波長選択スイッチに用いることにより、中継数を増やしても光伝送路における波長利得や損失の差によって生じた光信号間のパワーのばらつきを抑圧することが可能となるので、ノード数の増加を実現することができる。したがって、光損失を制御できる空間光学系光スイッチは、将来の多波長光ネットワークに欠かせない装置となりつつある。

図２４にMEMSマイクロミラー装置を用いた空間光学系光スイッチの一例を示す。この光スイッチは、外部より入力された入力光を装置内部に導入する１個の入射ポート１０１と、入力光を外部に出力するＮ個の出射ポート１０２と、ミラーにより入射ポート１０１から入力される入射光を出射ポート１０２に向けて選択的に反射するＭＥＭＳミラー装置１０３とともに、入射ポート１０１から入力された入力光を平行に調整するコリメートレンズ１０４と、ＭＥＭＳミラー装置１０３からの反射光を出射ポート１０２に結合する結合レンズ１０５とを備える。

ここで、ＭＥＭＳミラー装置１０３は、図２４，図２５に示すように、互いに直交するＸ軸およびＹ軸回りにミラー１０３ａを回動させることができる。これにより、例えば、ミラー１０３ａをＹ軸回りに回動させると、入力光を出射ポート１０２に選択的に反射させることができる。また、ミラー１０３ａをＸ軸回りに回動させると、入力光のＹ軸方向の光損失を制御することができる。このようなミラー装置１０３は、図２６に示すように、ミラー１０３ａが可動枠を介して基部に連結されるジンバル構造がよく用いられている。また、ミラー１０３ａには、複数の電極１０３１〜１０３４が対向配置されており、これらに選択的に電圧を印加することによりミラー１０３ａに静電引力が働き、ミラー１０３ａが所定の方向に回動することとなる。図２６では、一例として、電極１０３１〜１０３４は、全体として平面視略矩形の形状を有し、それぞれはその対角線により４つに分割された平面視略三角形の形状を有する。

ここで、電極１０３１と電極１０３３とは、Ｙ軸に対して対称に配設されている。したがって、電極１０３１と電極１０３３に所定の値の電圧Ｖ_xを印加してミラー１０３ａをＹ軸に対して所定の角度に傾けることができる。ここで、出射ポート１０２は、Ｘ軸方向に併設されているため、電圧Ｖ_xを印加してミラー１０３ａをＹ軸回りに回動させることにより、図２７に示すように、入力光を任意の出射ポート１０２に反射させることができる。このときの電圧Ｖ_xと光強度Ｐとの関係は、図２８に示すようなグラフで表される。すなわち、Ｖ_x軸上に出射ポート１０２の数量だけ光強度のピークが存在する。

また、電極１０３２と電極１０３４とは、Ｘ軸に対して対称に配設されている。したがって、電極１０３２と電極１０３４に所定の値の電圧Ｖ_yを印加することにより、図２９に示すように、ミラー１０３ａをＸ軸に対して所定の角度で傾けることができる。ここで、出射ポート１０２は、Ｘ軸方向に並設されているため、電圧Ｖ_yを印加すると、反射光がＹ軸方向に移動するので、反射光の出射ポート１０２に対する結合率を変化させて調整することができる。このときの電圧Ｖ_yと光強度Ｐとの関係は、図３０に示すようなグラフで表される。すなわち、Ｖ_y軸とＰ軸との原点上に最も結合効率が高いピークが存在する。

図２８および図３０で示したＶ_x軸とＶ_y軸の光強度のプロファイルをＶ_x−Ｖ_y電圧平面上の等高線図として描写すると、図３１の示すグラフを得ることができる。一般的にＶ_xとＶ_yの制御電圧範囲は同程度であり、Ｖ_x方向には複数、Ｖ_y方向には１つのピークを有するので、Ｖ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度のプロファイルはＶ_y方向に細長い楕円形がＶ_x方向に出射ポートの数量分だけ並んだ形態となる。このとき、出射ポートを選択するということは、出射ポートに対応した楕円の頂点に対応する電圧Ｖ_xを印加することに対応する。また、損失を低くするということは、電圧Ｖ_yとして適当な値を印加してその楕円を長軸方向に走査することにより、光強度のピークを探索することを意味する。したがって、入力光を任意の出射ポートから低損失で出力する場合、その出射ポートに対応する電圧Ｖ_xを印加するとともに、電圧Ｖ_yを変動させて光強度のピークを探索し、そのピークに相当する電圧Ｖ_yを印加することが行われる。

このような光スイッチに用いられる静電駆動型のＭＥＭＳミラー装置は、電極間やその他の浮遊容量への充電に要する時間に関係したドリフトまたは電極周辺の帯電による影響などにより、電極に印加した駆動電圧で決まる本来の角度からミラーの傾斜角が変位するいわゆるドリフト現象が生じることがある。このドリフト現象が生じると、上述したような２つの回転軸をもつミラー装置の場合、出射ポートを選択するＹ軸の角度ずれおよび光損失を制御するＸ軸の角度ずれの何れも光強度の変動につながる。このため、従来より、所望の光強度の出力光を得るために、出射ポートから出力される出力光の光強度をモニタし、所望の光強度との偏差に基づいて光損失を制御するＸ軸回りの角度を調整することが行われてきた。具体的には、定期的に光強度が所望の値より大きければ損失を増加し、小さければ損失を減少させるように、Ｘ軸回りの角度、すなわち電圧Ｖ_xの値を調整していた。

特開２００７−１４０１６８号公報 特開２００３−５７５７５号公報 Tsuyohi Yamamoto, et al., "A Three-Dimensional MEMS Optical Switching Module Having 100 Input and 100 Out put Ports", IEEE Photonics TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 15, NO.10, pp.1360-1362, 2003

しかしながら、従来のように出力光の光強度に基づきＸ軸回りの角度を調整することによって光損失を補償する場合、出力光の光強度からは２つの回転軸の何れでミラーの角度ずれが生じてしまったのかを検出することができないので、例えば、出射ポートを選択するＹ軸に角度ずれが生じたために光損失が発生した場合であっても、その損失を補償するためにＸ軸回りの角度を変位させることになり、結果として、光損失を補償することができず、所望する光強度の出力光を得ることがなかった。

例えば、図３２に示すように、光強度がＶ_y軸方向に変化した場合には（符号ａ）、その変化に対応する電圧を相殺するように電圧Ｖ_yの値を印加することにより（符号ｂ）、光強度の損失を補償することができる。また、図３３に示すように、光強度がＶ_y軸方向とともにＶ_x軸方向に変化した場合（符号ｃ）であっても、そのＶ_x方向の変化量がわずかな場合には、Ｖ_xとＶ_y両電圧軸の変化に対応する光強度の変化を相殺するように一方の電圧Ｖ_yに適当な電圧を印加することにより（符号ｄ）、光強度の損失を補償することができる。ところが、図３４に示すように、光強度がＶ_x軸方向に大きく変化した場合（符号ｅ）、いくらＶ_y方向の電圧Ｖ_yの値を変化させたところで、光強度の損失を補償することができず、所望する光強度を有する出力光を得ることができない。

そこで、本願発明は、ミラー装置に角度ずれが生じた場合であっても所望する光強度の出力光を出力することができる光スイッチを提供することを目的とする。

上述したような課題を解消するために、本発明に係る光スイッチは、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、Ｘ軸およびこのＸ軸と異なるＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、この検出部の検出結果に基づいて、ミラーをＸ軸回りおよびＹ軸回りにそれぞれ回動させるために電極に電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを印加する駆動制御部とを備えた光スイッチであって、駆動制御部は、電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを所定の関数に基づいて演算して、所定の光入力部に入力された入力光を選択的に任意の光出力部から出力させることを特徴とする。

上記光スイッチにおいて、所定の関数は、Ｖ_xおよびＶ_yに関するパラメータＶ_tの多項式で表されるようにしてもよい。ここで、上記所定の関数は、パラメータをＶ_t、任意の光出力部に対応するＸ軸，Ｙ軸に沿った駆動電圧のオフセットをそれぞれＶ_0x，Ｖ_0y、定数をそれぞれＡ，Ｂ（≠０）とすると、Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ａ・Ｖ_tおよびＶ_y＝Ｖ_0y＋Ｂ・Ｖ_tで表されるようにしてもよい。このとき、Ｖ_xとＶ_yを座標軸とする平面上においてＶ_yをＶ_xの一次関数として表した場合にＶ_yの軸に対する一次関数の傾きをφとすると、Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ｖ_t・ｓｉｎφおよびＶ_y＝Ｖ_0y＋Ｖ_t・ｃｏｓφで表されるようにしてもよい。

また、上記光スイッチにおいて、駆動制御部は、パラメータＶ_tを変化させたときに、検出部の検出結果に基づいて、選択された光出力部からの検出部が検出した光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、この判定部により出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、Ｖ_xおよびＶ_yの何れか一方についてパラメータＶ_tの符号を逆転させる変更部とを備えるようにしてもよい。
また、上記光スイッチにおいて、駆動制御部は、パラメータＶ_tを変化させたときに、検出部の検出結果に基づいて、選択された光出力部からの検出部が検出した光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、この判定部により出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、Ｖ_xとＶ_yを座標軸とする平面上において、パラメータＶ_tを所定の角度で回転させる変更部とを備えるようにしてもよい。

また、本発明に係る他の光スイッチは、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、Ｘ軸およびこのＸ軸と異なるＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、この検出部の検出結果に基づいて、ミラーをＸ軸回りおよびＹ軸回りにそれぞれ回動させるために電極に電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを印加する駆動制御部とを備えた光スイッチであって、駆動制御部は、電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yのうちの一方を変化させる駆動電圧出力部と、光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、駆動電圧出力部からの電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yのうちの一方によりミラー装置を駆動したときの検出部の検出結果に基づいて、出力光の光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、この判定部により出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、駆動電圧出力部において変化させる駆動電圧を電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yのうちの他方に変更する変更部とを備え、所定の光入力部に入力された入力光を選択的に任意の光出力部から出力させることを特徴とする。

本発明によれば、所定の関数に基づいて演算された電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを電極に印加することにより、ミラーがＸ軸回りおよびＹ軸回りに同時に回動するため、出力光の光強度が所定の値以上となる電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を従来よりもより広範囲に探索することが可能となり、結果として、ミラー装置に角度ずれが生じた場合であっても所望する光強度の出力光を出力することができる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、１×ｎポートの光スイッチに適用した場合を例に説明する。

＜光スイッチの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る光スイッチ１は、１本の入力側光ファイバ１１と、ｎ本の出力側光ファイバ１２−１〜ｎと、入力側光ファイバ１１と出力側光ファイバ１２−１〜ｎとを結ぶ光路上に配置されたＭＥＭＳミラー装置１３と、出力側光ファイバ１２−１〜ｎからの出力をモニタするフォトダイオード１４−１〜ｎと、このフォトダイオード１４−１〜ｎの検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１５と、このＡ／Ｄ変換器１５からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１３の駆動を制御する制御装置１６とを備えている。また、入力側光ファイバ１１の出力側および出力側光ファイバ１２の入力側には、それぞれ空間光学系と光ファイバとを整合させるためのカップリングレンズ１７，１８が設けられている。

ここで、ＭＥＭＳミラー装置１３は、Ｘ軸方向およびＹ軸の２つの回動軸により回動可能に支持されたミラー１３ａと、このミラー１３ａに対向配置された複数の電極（図示せず）とを備えている。これらの電極は、例えば、図２６で示したように、Ｘ軸またはＹ軸を挟んで対称に配設するようにしてもよい。この場合、Ｙ軸に対称に配設された電極に対して電圧Ｖ_xを印加することにより、ミラー１３ａをＸ軸回りに回動させることができる。また、Ｘ軸に対称に配設された電極に対して電圧Ｖ_yを印加することにより、ミラー１３ａをＹ軸回りに回動させることができる。

なお、ＭＥＭＳミラー装置１３の電極としては、上述したようにＸ軸またはＹ軸に対称に配設したものに限定されず、例えばＸ軸およびＹ軸の間に設けたものなど、ミラー１３ａを異なる２つの軸回りに回動させるために各電極に印加される電圧を軸毎に区別することができるものであれば、適宜自由に設定することができる。

また、制御装置１６は、図２に示すように、検出部２１と、駆動電圧更新部２２と、駆動電圧出力部２３と、到達判断部２４と、変更部２５と、初期値設定部２６とを備える。

検出部２１は、Ａ／Ｄ変換器１５からの出力から、出力側光ファイバ１２−１〜ｎから出力される出力光の光強度と所定の光強度との偏差を算出する。

駆動電圧更新部２２は、検出部２１による出力光の検出結果や到達判断部２４による後述する判断結果に基づいて、ＭＥＭＳミラー装置１３の各電極に供給する駆動電圧の値を更新する。この更新した駆動電圧は、駆動電圧出力部２３に入力される。

駆動電圧出力部２３は、駆動電圧更新部２２または初期値設定部２６からの指示に基づいて、ＭＥＭＳミラー装置１３の各電極に駆動電圧を供給する。

到達判断部２４は、検出部２１により検出された出力光の光強度に基づいて、この光強度が所定の値に到達するか否かを判断する。

変更部２５は、到達判断部２４により光強度が所定の値に到達しないと判断された場合、ＭＥＭＳミラー装置１３に供給する駆動電圧のパラメータを変更する。

初期値設定部２６は、制御装置１６によりＭＥＭＳミラー装置１３を駆動させる際に必要な各種初期値を設定する。

このような制御装置１６は、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＡＭやＲＯＭ等からなり動作プログラム、出力光の光強度ＭＥＭＳミラー装置１３の駆動電圧などの各種データ等を記憶した記憶装置を備え、上記プログラムに基づいて演算を行う、すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した検出部２１、駆動電圧更新部２２、駆動電圧出力部２３、到達判断部２４、変更部２５、初期値設定部２６が実現される。

＜光スイッチ１の動作＞
次に、本実施の形態に係る光スイッチ１の全体の動作について説明する。まず、入力側ファイバ１１から光スイッチ１内部に入力された光信号（入力光）は、コリメートレンズ１７で平行にまたは集光されて、ＭＥＭＳミラー装置１３に照射される。このＭＥＭＳミラー装置１３は、入力光を所定の方向に反射して、カップリングレンズ１８を介して所定の出力側光ファイバ１２に入力させる。

このとき、出力側光ファイバ１２は、ＭＥＭＳミラー装置１３が有するミラー１３ａのＸ軸方向に沿って所定の間隔で並設されている。したがって、制御装置１６により、ＭＥＭＳミラー装置１３に対して所定の電圧Ｖ_xを供給し、ミラー１３ａをＹ軸回りに所定の角度回動させて入力側光ファイバ１１と任意の出力側光ファイバ１２と光路を形成することにより、入力光をその任意の出力側光ファイバ１２から出力させることができる。

また、ミラー装置１３に対して所定の電圧Ｖ_yを供給し、ミラー１３ａをＸ軸回りに回動させることにより、ミラー１３ａによる入力光の反射光の光路をＹ軸方向に移動させることができる。すると、反射光と出力側光ファイバ１２との結合効率が変わるため、出力側光ファイバ１２から出力される出力光の光強度が変化する。

出力側光ファイバ１２から出力される光信号（出力光）は、その幾らかをパワー分岐して、フォトダイオード１４−１〜ｎにより受光される。アナログ信号からなる受光信号は、Ａ／Ｄ変換器１５によりＡ／Ｄ変換されてデジタル信号となり、制御装置１６に入力される。

制御装置１６は、Ａ／Ｄ変換器１５から入力された受光信号に基づいて、出力光が所定の値を超える光強度を有するよう、ＭＥＭＳミラー装置１３に供給する駆動電圧を設定し、これをＭＥＭＳミラー装置１３に供給する。このような駆動電圧の設定は、例えばフィードバック制御としてよく知られたＰＩＤ制御を実施することにより行われる。このような駆動電圧の設定動作については後述する。

＜駆動電圧設定動作＞
次に、図３を参照して、制御装置１６による駆動電圧設定動作について説明する。

まず、制御装置１６は、入力光を何れの出力側光ファイバ１２−１〜ｎから出力するかが外部より選択されると（ステップＳ１）、初期値設定部２６により、その選択された出力側光ファイバ１２に対応する駆動電圧をＭＥＭＳミラー装置１３に供給する（ステップＳ２）。ここで、初期値設定部２６は、出力側光ファイバ１２−１〜ｎ毎にそれぞれに入力光を反射させる際にＭＥＭＳミラー装置１３の電極に印加すべき駆動電圧の値を示すテーブルを予め備えているようにしてもよい。この場合、初期値設定部２６は、そのテーブルに基づいて駆動電圧をＭＥＭＳミラー装置１３に供給する。

ＭＥＭＳミラー装置１３に駆動電圧が供給され、この駆動電圧に基づいてミラー１３ａが傾動することにより、入力光が選択された出力側光ファイバ１２−１〜ｎから出力光として出力されると、制御装置１６は、検出部２１により、フォトダイオード１４−１〜ｎおよびＡ／Ｄ変換器１５から出力光の光強度を取得し（ステップＳ３）、この値が所定の値を以上か否かを検出する（ステップＳ４）。

出力光の光強度が所定の値を超えている場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、制御装置１６は、ステップＳ３の処理に戻る。

一方、出力光の光強度が所定の値を超えていない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、制御装置１６は、到達判断部２４により、出力光の光強度が所定の値を超える可能性があるか否かを判断する（ステップＳ５）。この到達判断動作の詳細については後述する。

光強度が所定の値を超える可能性がある場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御装置１６は、駆動電圧更新部２２により、ＭＥＭＳミラー装置１３に供給する駆動電圧を更新し（ステップＳ６）、ステップＳ２の処理に戻る。なお、更新動作の詳細については後述する。

一方、光強度が所定の値を超える可能性がない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御装置１６は、変更部２５により駆動電圧を更新するためのパラメータを変更し（ステップＳ７）、ステップＳ５の処理に戻る。なお、パラメータ変更動作の詳細については後述する。

これにより、光スイッチ１は、入力側光ファイバ１１から入力された入力光を、任意の出力側光ファイバ１２−１〜ｎから所定の値を超える光強度を有した状態で出力することができる。

＜更新動作＞
次に、駆動電圧更新部２２による駆動電圧の更新動作について説明する。

まず、出力側光ファイバ１２−１〜ｎを選択する電圧Ｖ_xと出力光の損失を制御する電圧Ｖ_yに対して、これらを成分とするパラメータＶ_tを、下式（１），（２）で示すように定義する。

Ｖ_x＝Ｖ_0x＋ｆ_x（Ｖ_t） ・・・（１）
Ｖ_y＝Ｖ_oy＋ｆ_y（Ｖ_t） ・・・（２）

ここで、Ｖ_0xとＶ_oyは、図４に示すように、選択された出力側光ファイバ１２−１〜ｎに対応する駆動電圧と他の出力側光ファイバ１２に対応する駆動電圧のオフセット値であり、ドリフト等により角度ずれが生じていない際に光強度の損失が最小となるときの駆動電圧の値である。また、ｆ_x（Ｖ_t）とｆ_y（Ｖ_t）は、Ｖ_tに対する一次以上の高次多項式を表す。なお、以下においては、ｆ_x（Ｖ_t）とｆ_y（Ｖ_t）が一次関数の場合を例に説明する。この場合、式（１），（２）は、下式（３），（４）で表される。

Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ａ・Ｖ_t ・・・（３）
Ｖ_y＝Ｖ_oy＋Ｂ・Ｖ_t ・・・（４）

上式（３），（４）をＶ_xとＶ_yを座標軸とする平面上に示すと、初期電圧、すなわち角度ずれが発生していない状態のＶ_xとＶ_yの値を通る直線となる。この直線のＶ_y軸に対する傾きをφとすると、上式（３），（４）は、下式（５），（６）で表される。なお、角度φは、上記直線のＶ_xに対する傾きとしても定義することできる。

Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ｖ_t・ｓｉｎφ ・・・（５）
Ｖ_y＝Ｖ_oy＋Ｖ_t・ｃｏｓφ ・・・（６）

駆動電圧更新部２２は、図５に示すように、Ｖ_y軸に対して角度φだけ傾いたパラメータＶ_tを変数として電圧Ｖ_xと電圧Ｖ_yの値を順次変更して出力光の光強度の最適値を探索する、いわゆるフィードバック制御を行う。これにより、Ｖ_tの値を変化させると、Ｖ_xとＶ_yの値が同時に変化するので、ミラー装置１３のミラー１３ａがＸ軸およびＹ軸回りに同時に変化することとなり、結果として、角度ずれに対する許容量が拡大される。例えば、図６に示すように、所定の光強度Ｐ₁を基準として角度ずれの許容範囲ｒを設定した場合、従来のように電圧Ｖ_yの値のみ変化させてミラー１３ａをＸ軸方向回りのみ変化させた場合、角度ずれの許容範囲は、Ｖ_y軸と平行な２本の直線間の領域となる（図７の左側のグラフ参照）。一方、本実施の形態のように、パラメータＶ_tを用いて駆動電圧を更新する場合、角度ずれの許容範囲は、直線Ｖ_tと平行な２本の直線間の領域（図７の右側のグラフ参照）となり、従来の場合よりも許容範囲が大きくなる。したがって、角度ずれが生じた場合であっても、所望する光強度を有する出力光を出力できる駆動電圧を従来よりも広範囲に探索することができる。

＜パラメータ変更動作＞
次に、変更部２５によるパラメータＶ_tの変更動作について説明する。

上述したように、駆動電圧更新部２２によりＶ_y軸に対して斜めとなるパラメータＶ_tを設定することによって角度ずれの許容範囲を拡げることができたが、許容範囲よりも大きな角度ずれが生じた場合には、パラメータＶｔを用いた場合であっても所望する光強度の出力光を取得することが不可能となる。例えば、図８に示すように角度ずれがない状態でＭＥＭＳミラー装置１３の駆動を制御していたときに、ドリフト等により、図９に示すように角度ずれが生じて、直線Ｖ_tがＶ_x軸の正の方向にずれたとする。このような場合には、図１０に示すように、パラメータＶ_tをいくら変化させたところで、所望する光強度（図１０における最内側の楕円）の出力光は得ることができない。このような場合、到達判断部２４は、出力光の光強度が所定の値を超えないと判断する。この結果を受けて、変更部２５は、パラメータＶ_tと電圧ＶｘおよびＶｙとの関係式を変更する。

例えば、図１１に示すように、パラメータＶ_tをＶ_y軸に対して線対称に変更する、言い換えると、パラメータＶ_tとＶ_y軸との交差角であるφの符号を逆転する。これにより、Ｖ_tとＶ_xおよびＶ_yとの関係式（５），（６）における定数項Ｖ_0x、Ｖ_0yは、下式（７）で表されるＶ_0x’、Ｖ_0y’に変更され、かつ、新しいＶ_tとＶ_y軸との角度は（−φ）となる。

（Ｖ_0x’，Ｖ_oy’）＝（Ｖ_x（Ｖ_t’）−Ｖ_t’・ｓｉｎ（−φ），Ｖ_oy） ・・・（７）

ここで、Ｖ_t’は、変更前のＶ_t軸上の極大点近傍の値であり、目標とする所定の光強度の値に到達できないと判断した座標（以下、基点という）を示している。Ｖ_x（Ｖ_t’）は、Ｖ_t’におけるＶ_xの値である。上式（７）には、三角関数が含まれるが、ｓｉｎ（−φ）＝−ｓｉｎφであることからφの値が一定であるならば、ｓｉｎφを定数として与えることが可能であり、変換の際には単にｓｉｎの符号をマイナスにすればよい、したがって、変換を行う際の計算は、四則演算で十分であるため、ＣＰＵに大きな負荷を与えることなく実行することができる。

なお、変更部２５は、パラメータＶ_tをＶ_y軸に対して線対称に変更するのみならず、例えば、図１２に示すように、パラメータＶ_tを基点を中心としてＶ_x軸に対して線対称に変更したり、図１３に示すように、パラメータＶ_tを基点を中心として所定の角度αだけ回転させるようにしてもよい。特に、図１１，図１２に示すように軸対称でＶ_tを変更する場合には、切り替えた前後の光強度とＶ_t電圧の微分値が急激に変化しないため、切替前後で同じ制御パラメータのフィードバック制御を用いて更新動作を行うことができる。

＜到達判断動作＞
次に、到達判断部２４による到達判断動作について説明する。この到達判断動作としては、光強度の最大値に基づく手法と、光強度の微分値に基づく手法とが挙げられる。それぞれについて、以下に説明する。

（最大値に基づく手法）
この場合、到達判断部２４は、図１４に示すように、制御電圧軸であるＶ_t軸上で光強度の値Ｐをモニタし、現在の光強度の値が前回に測定した値以上の場合は最大値を現在の光強度に更新し、現在の光強度が前回の値を下回った場合は、その時点での最大値と目標とする所望の光強度とを比較する。このとき、最大値Ｐが目標値を下回る場合は、到達判断部２４は、当該制御軸上では目標値に到達できないと判断する。

（微分値に基づく手法）
この場合、到達判断部２４は、図１５に示すように、制御電圧Ｖ_tと光強度の値Ｐとの微分値ｄＰ／ｄＶ_tの符号変化をモニタし、過去に正および負の両符号をとったか否か検出することにより極大点を通過したことが判断する。この方法により極大点を通過したと判断した状況おいても、出力光の光強度が目標値を超えない場合、到達判断部２４は、当該制御軸上では光強度が目標値に到達できないと判断する。

＜制御装置１６の動作の具体例＞
次に、図１６を参照して、制御装置１６の動作の具体例について詳細に説明する。

まず、初期値設定部２６は、光信号を出力する出力側光ファイバ１２−１〜ｎと、これに対応した初期駆動電圧（Ｖ_0x、Ｖ_0y）、光強度の目標値Ｐ_t、Ｖ_tの初期値Ｖ_t0およびＰＩＤ制御のパラメータなど、必要な変数の初期設定を行う（ステップＳ１１）。また、初期設置部２６は、パラメータＶｔの初期値Ｖ_t0を設定する（ステップＳ１２）。これらが設定されると、駆動電圧出力部２３は、設定されたＶ_t0に対する電圧Ｖ_x，Ｖ_yを上記初期駆動電圧に基づいて算出し、これをＭＥＭＳミラー装置１３に供給する（ステップＳ１３）。

これにより、対称となる出力側光ファイバ１２−１〜ｎから光信号が出力されると、検出部２１は、その光信号の光強度Ｐ₀を測定する（ステップＳ１４）。このとき、パラメータＶ_tの初期値Ｖ_t0では、出力光の光強度は必ずしも目標値とはなっていない。そこで、駆動電圧更新部２２は、出力光の光強度が目標値に一致するように、定期的に目標値と光強度の偏差ｅ(＝Ｐ_t−Ｐ₀)を算出し（ステップＳ１５）、この偏差に応じた負帰還量ＦｂをＶ_tに加える（ステップＳ１６，Ｓ１７）。

Ｖ_tが更新されると、駆動電圧出力部２３は、再度、電圧Ｖ_x，Ｖ_yを算出してＭＥＭＳミラー装置１３の電極に印加する（ステップＳ１８）。これにより、出力光の光強度は、目標値に近づき、最終的には一致することとなる。

しかしながら、ドリフト等により角度ずれが発生し、Ｖ_t 軸上では出力光が目標値に到達することができなくなることがある。このような場合を判断するために、到達判断部２４は、Ｖ_t軸上での微分値ｄｐ／ｄＶ_tを定期的に繰り返すＰＩＤ制御の前回と今回の値の差分から算出｛（ｄｐ／ｄＶ_t）＝｛Ｐ₀（今回）−Ｐ₀（今回）｝／｛Ｖ_t（今回）Ｖ_t（前回）｝する（ステップＳ１９，Ｓ２０）。その微分値が正になった場合、PlusFlagを１にする（ステップＳ２１）。一方、その微分値が負になった場合、到達判断部２４は、MinusFlagを１とする。なお、MinusFlagとPlusFlagは初期値を０としておく。

MinusFlagとPlusFlagの両者の積が１となった場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、微分値ｄｐ／ｄｓが正および負の両方を経験した、すなわち極大点を通ったことになるので、この状況で出力光の光強度が目標値に達していないと判断された場合、変換部２５は、上述したようなパラメータ変更動作を行う（ステップＳ２６）。このパラメータ変更動作を行うと、変換部２５は、MinusFlagとPlusFlagを初期値である０に戻しておく。

MinusFlagとPlusFlagの両者の積が１とならない場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、駆動電圧更新部２２は、パラメータＶ_tおよび光強度Ｐ₀を現在の値に更新する（ステップＳ２４）。

上述したような動作は、外部より停止命令が入力されるまで繰り返される（ステップＳ２４）。このようにすることにより、本実施の形態に係る光スイッチ１は、制御装置１６により処理を行っている間はＸ軸およびＹ軸のどちらに角度ずれが生じても、出力光強度の値を目標値と一致させることが可能となる。

このような図１６に示す処理を２軸で駆動するＭＥＭＳミラー装置を有する光スイッチに適用した場合の光強度の時間変化を、図１７に示す。この図１７は、目標値を-15.2dBmとしており、数十時間にわたって安定した動作を実現していることがかる。このときのＶ_t軸における光強度を図１８に示す。この図１８に示すように、出力光の光強度の値は一定にも拘わらず、Ｖ_tの値は変化していることがわかる。これはミラーの経時的な角度変化を補償しているためである。図１９は図１８で示したＶ_t軸上の軌跡をＶ_x−Ｖ_y平面上に変換した軌跡を示している。このときのＶ_t軸のＶ_y軸に対する傾斜角は１０°である。図１８からは通常のＰＩＤ制御が行われているだけのように観察されるが、図１９に示すＶ_x−Ｖ_y平面上の軌跡を見れば、単にＶ_x−Ｖ_y平面上に固定された直線上を制御しているのではなく、ミラーの経時的な角度変化に対応して、必要に応じて、制御軸の傾斜角φを反転しながら目標値を追従していることがわかる。

また、図１６に示す処理におけるＶ_t軸上の微分値を用いて極大点をもつ損失プロファイル上をＰＩＤ制御する方法について、図２０を参照して説明する。通常、ＰＩＤ制御では、偏差に比例した補償量を制御電圧に加えるが、この加える際の符号は負帰還になるように設定される。例えば、Ｖ_tが減少することで光強度が増加するのであれば、出力光の光強度の減少により偏差が大きくなると、Ｖ_tが減少するような負の補償量が加えられる。しかしながら、極大点を有する場合は、その極大点よりＶ_tが大きな領域ではＶ_tが減少することで光強度が増加するのに対して、極大点よりＶ_tが小さな領域ではＶ_tが減少することで光強度も減少する（図２０の矢印ｆ参照）。したがって、極大点より小さな領域において、上述した場合と同様に出力光の光強度の減少を補償するためにＶ_tを減少させると、かえって光強度が減少して正帰還状態になってしまう。そこで、本実施の形態では、Ｖ_tと出力光の光強度の微分値ｄＰ／ｄＶ_tが極大点を前後して符号が変わることを利用することにより正帰還を防ぐ。

具体的には、補償電圧量をＦｂとした場合、下式（８）にしたがってＦｂをＶ_tに加算することにより、正帰還に陥ることを避けることができる。

Ｖ_t＝Ｖ_t＋（ｄＰ／ｄＶ_tの符号)×Ｆｂ ・・・（８）

また、下式（９）にしたがってＦｂをＶ_tに加算することによっても、正帰還に陥ることを避けることができる。

Ｖ_t＝Ｖ_t＋（基準微分値）／（ｄＰ／ｄＶ_t）×Ｆｂ ・・・（９）

この式（９）では、基準微分値を正値とすることにより、正帰還になることも避けることができる。また、この場合、二次方物線形状のため、極大点付近でｄＰ／ｄＶ_tの絶対値が小さくなり、フィードバック量Ｆｂに対する出力光の光強度ΔＰの変化が小さくなってしまう（図２０の矢印ｇ参照）ことを補正することも可能である。なお、ｄＰ／ｄＶ_tの値が極めて小さい場合には、発散を防ぐために「（基準微分値）／（ｄＰ／ｄＶ_t）」の絶対値が制限値を越えないようにする必要がある。基準微分値には、例えば任意の電圧Ｖ_tにおけるｄＰ／ｄＶ_tを予め測定しておき、これを用いるようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、パラメータＶ_tに用いて電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を算出し、これを電極に印加することにより、ミラーがＸ軸回りおよびＹ軸回りに同時に回動するため、出力光の光強度が所定の値以上となる電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を従来よりもより広範囲に探索することが可能となり、結果として、ミラー装置に角度ずれが生じた場合であっても所望する光強度の出力光を出力することができる。

なお、本実施の形態において、１×ｎポートの光スイッチに適用した場合を例に説明したが、本発明は２つの回動軸を有するミラー装置を有する光スイッチであるならば各種スイッチに適用できることはいうまでもない。例えば、図２１に示すようなｍ波長で１×ｎポートを有する波長選択スイッチ２に適用するようにしてもよい。この波長選択スイッチ２は、１本の入力側光ファイバ１１と、ｎ本の出力側光ファイバ１２−１〜ｎと、入力側光ファイバ１１からの入力光を回折しｍ個の特定の波長の光を生成する回折格子３１と、この回折格子により回折されたｍ個の光を各波長毎に反射して対応する出力側光ファイバ１２−１〜ｎに出力するＭＥＭＳミラー装置１３−１〜ｍと、出力側光ファイバ１２−１〜ｎからの出力を合波する合波器３２と、この合波器３２により合波された光をｍ個の特定の波長毎に分波器３３と、この分波器３３により分波された各光をモニタするフォトダイオード１４−１〜ｍと、このフォトダイオード１４−１〜ｍの検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１５と、このＡ／Ｄ変換器１５からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１３−１〜ｍの駆動を制御する制御装置１６とを備えている。このような波長選択スイッチ２に対しても制御装置１６により上述した光スイッチ１と同等の処理を行うことにより、光スイッチ１の場合と同等の作用効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、検出部２１、駆動電圧更新部２２、駆動電圧出力部２３、到達判断部２４、変更部２５および初期値設定部２６により、出力光の光強度が所定の値以上となる電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を算出するようにしたが、これらの電圧の値をパラメータＶ_tに基づいて算出するのであれば、各種構成を適用できることは言うまでもない。例えば、検出部２１，駆動電圧更新部２２，駆動電圧出力部２３および初期値設定部２６のみから制御装置１６が構成されるようにしてもよい。この場合、初期値設定部２６により選択された出力側光ファイバ１２に対応する電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を設定し、検出部２１により出力光の光強度を監視し、この光強度が所定の値を超えないときに駆動電圧更新部２２により上述した駆動電圧の更新動作を行う。これにより、出力光の光強度が所定の値以上となる電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yの値を従来よりもより広範囲に探索することが可能となり、結果として、所定の光強度を有する出力光を出力させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態における制御装置１６の駆動電圧更新部２２および変更部２５の構成が異なるものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素は、同じ名称および符号を付し適宜説明を省略する。

本実施の形態では、到達判断部２４により現在のＶ_y軸上では目標とする光強度に到達できないと判断された場合、変更部２５により目標とする光強度をＶ_x軸上で探索するように変更する。例えば、図２２に示すように、角度ずれが生じて駆動電圧が符号ｈに示す状態となった場合、Ｖ_y軸に沿った直線上（図２２における点線ｉ）に目標とする光強度を探索しても、その目標に到達することはできない。このような場合、図２３に示すように、目標に到達できないと判断した電圧値を基点として、Ｖ_x軸に沿った直線状（図２３における点線ｊ）で目標とする光強度を探索する。これにより、目標とする光強度をとなる符号ｋで示す駆動電圧を探索することができる。

本発明は、複数の回動軸を有するミラー装置による反射光の光強度の最適化を行う各種装置に適用することができる。

本発明に係る１×ｎポートの光スイッチを示す模式図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 駆動電圧設定動作を示すフローチャートである。 Ｖ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度を等高線で示す図である。 パラメータＶ_tを説明する図である。 角度ずれの許容量を説明する図である。 従来と本発明との角度ずれ許容範囲を説明する図である。 角度ずれがないときのＶ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度を示す図である。 角度ずれがあるときのＶ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度を示す図である。 図９において光強度のピークの探索を説明する図である。 Ｖ_tをＶ_y軸に対して線対称に変更した図である。 Ｖ_tをＶ_x軸に対して線対称に変更した図である。 Ｖ_tを角度α回転した図である。 最大値に基づいて光強度が目標値に到達するか否かを判断する手法を説明する図である。 微分値に基づいて光強度が目標値に到達するか否かを判断する手法を説明する図である。 制御装置の動作の具体例を示すフローチャートである。 光強度の時間変化の具体例を示す図である。 図１７におけるＶ_t軸の光強度を示す図である。 図１８におけるＶ_t軸上の軌跡をＶ_x−Ｖ_y平面上に変換した図である。 Ｖ_t軸上の微分値を用いたＰＩＤ制御を説明する図である。 本発明を適用したｍ波長、１×ｎポートを有する波長選択スイッチを示す図である。 角度ずれがあるときのＶ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度を示す図である。 図２２においてＶ_x軸に沿った探索を説明する図である。 MEMSマイクロミラーを用いた空間光学系光スイッチの構成を示す図である。 MEMSマイクロミラーの構成を示す図である。 MEMSマイクロミラーのミラーと電極の構成を示す図である。 空間光学系光スイッチの出射ポート選択動作を示す図である。 電圧Ｖ_xと光強度Ｐとの関係を示す図である。 空間光学系光スイッチのポート結合率調整動作を示す図である。 電圧Ｖ_yと光強度Ｐとの関係を示す図である。 Ｖ_x−Ｖ_y電圧平面上の光強度を等高線で示す図である。 光強度がＶ_y軸方向に変化した場合を説明する図である。 光強度がＶ_y軸方向とともにＶ_x軸方向に変化した場合を説明する図である。 光強度がＶ_x軸方向に大きく変化した場合を説明する図である。

符号の説明

１…光スイッチ、２…波長選択スイッチ、１１…入力側光ファイバ、１２−１〜ｎ…出力側光ファイバ、１３…ＭＥＭＳミラー装置、１４−１〜ｎ…フォトダイオード、１５…Ａ／Ｄ変換器、１６…制御装置、１７，１８…コリメートレンズ、２１…検出部、２２…駆動電圧更新部、２３…駆動電圧出力部、２４…到達判断部、２５…変更部、２６…初期値設定部、３１…回折格子、３２…合波器、３３…分波器。

Claims (7)

1. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
   出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、
   Ｘ軸およびこのＸ軸と異なるＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
   前記光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
   この検出部の検出結果に基づいて、前記ミラーを前記Ｘ軸回りおよび前記Ｙ軸回りにそれぞれ回動させるために前記電極に電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを印加する駆動制御部と
   を備えた光スイッチであって、
   前記駆動制御部は、前記電圧Ｖ_xおよび前記電圧Ｖ_yを所定の関数に基づいて演算して、所定の前記光入力部に入力された入力光を選択的に任意の前記光出力部から出力させる
   ことを特徴とする光スイッチ。
2. 前記所定の関数は、前記Ｖ_xおよび前記Ｖ_yに関するパラメータＶ_tの多項式で表される
   ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
3. 前記所定の関数は、
   パラメータをＶ_t、任意の前記光出力部に対応する前記Ｘ軸，Ｙ軸に沿った駆動電圧のオフセットをそれぞれＶ_0x，Ｖ_0y、定数をそれぞれＡ，Ｂ（≠０）とすると、
   Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ａ・Ｖ_t
   Ｖ_y＝Ｖ_0y＋Ｂ・Ｖ_t
   で表されることを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチ。
4. 前記所定の関数は、
   前記Ｖ_xと前記Ｖ_yを座標軸とする平面上においてＶ_yをＶ_xの一次関数として表した場合に前記Ｖ_yの軸に対する前記一次関数の傾きをφとすると、
   Ｖ_x＝Ｖ_0x＋Ｖ_t・ｓｉｎφ
   Ｖ_y＝Ｖ_0y＋Ｖ_t・ｃｏｓφ
   で表されることを特徴とする請求項３記載の光スイッチ。
5. 前記駆動制御部は、
   前記パラメータＶ_tを変化させたときに、前記検出部の検出結果に基づいて、選択された光出力部からの前記検出部が検出した光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、
   この判定部により前記出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、前記Ｖ_xおよびＶ_yの何れか一方について前記パラメータＶ_tの符号を逆転させる変更部と
   を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の光スイッチ。
6. 前記駆動制御部は、
   前記パラメータＶ_tを変化させたときに、前記検出部の検出結果に基づいて、選択された光出力部からの前記検出部が検出した光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、
   この判定部により前記出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、前記Ｖ_xと前記Ｖ_yを座標軸とする平面上において、前記パラメータＶ_tを所定の角度で回転させる変更部と
   を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の光スイッチ。
7. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
   出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、
   Ｘ軸およびこのＸ軸と異なるＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
   この検出部の検出結果に基づいて、前記ミラーを前記Ｘ軸回りおよび前記Ｙ軸回りにそれぞれ回動させるために前記電極に電圧Ｖ_xおよび電圧Ｖ_yを印加する駆動制御部と
   を備えた光スイッチであって、
   前記駆動制御部は、
   前記電圧Ｖ_xおよび前記電圧Ｖ_yのうちの一方を変化させる駆動電圧出力部と、
   前記光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
   前記駆動電圧出力部からの前記電圧Ｖ_xおよび前記電圧Ｖ_yのうちの一方により前記ミラー装置を駆動したときの前記検出部の検出結果に基づいて、前記出力光の光強度が所定の値に到達するか否かを判定する判定部と、
   この判定部により前記出力光の光強度が所定の値に到達しないと判定された場合、前記駆動電圧出力部において変化させる駆動電圧を前記電圧Ｖ_xおよび前記電圧Ｖ_yのうちの他方に変更する変更部と
   を備え、
   所定の前記光入力部に入力された入力光を選択的に任意の前記光出力部から出力させる
   ことを特徴とする光スイッチ。

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