JP2009098178A - Optical switch and control method for the optical switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光スイッチおよびこの光スイッチの制御方法に関するものである。 The present invention relates to an optical switch and a method for controlling the optical switch.
光スイッチを実現するための技術の１つとして、マイクロミラーを用いたものが提案されている（非特許文献１参照。）。マイクロミラーを用いた従来の光スイッチを図１４に示す。 As one technique for realizing an optical switch, a technique using a micromirror has been proposed (see Non-Patent Document 1). A conventional optical switch using a micromirror is shown in FIG.
図１４に示す光スイッチは、入力ポート１ａと、出力ポート１ｂと、入力側マイクロミラーアレイ２ａと、出力側マイクロミラーアレイ２ｂとを備えている。入力ポート１ａと出力ポート１ｂは、それぞれ２次元的に配列された複数の光ファイバからなり、マイクロミラーアレイ２ａ，２ｂは、それぞれ２次元的に配列された複数のマイクロミラー装置３ａ，３ｂからなる。なお、図１４における矢印は光ビームの進行方向を示している。
The optical switch shown in FIG. 14 includes an
ある入力ポート１ａから出射した光信号は、この入力ポート１ａに対応する入力側マイクロミラーアレイ２ａのマイクロミラー装置３ａのミラーにより反射されて進行方向が変化させられる。後述するように、マイクロミラー装置３ａのミラーは２軸回りに回動可能に構成されており、マイクロミラー装置３ａの反射光を出力側マイクロミラーアレイ２ｂの任意のマイクロミラー装置３ｂに向けることができる。同様に、マイクロミラー装置３ｂのミラーも２軸回りに回動可能に構成されており、ミラーの傾斜角を適当に制御することにより、マイクロミラー装置３ｂの反射光を任意の出力ポート１ｂに向けることができる。したがって、入力側マイクロミラーアレイ２ａと出力側マイクロミラーアレイ２ｂのミラーの傾斜角を適当に制御することにより光路の切り替えを行い、２次元的に配列された任意の入力ポート１ａと出力ポート１ｂとの間を接続することができる。ここで、出力ポート１ｂから出射された光信号は、その光強度を出力光測定装置によりモニタする。この出力光測定装置としては、フォトダイオード（ＰＤ）やファイバ内の光パワーの一部をＰＤに導きモニタするＴａｐ−ＰＤなどがある。
An optical signal emitted from a
このような光スイッチの構成要素として最も特徴的なものがミラーを有するマイクロミラー装置３ａ，３ｂである。従来より、マイクロミラー装置は、図１５，図１６に示すように、ミラーが形成されたミラー基板２００と、電極が形成された電極基板３００とが並行に配設された構造を有する（非特許文献１参照）。
The most characteristic components of such an optical switch are
ミラー基板２００は、板状の枠部２１０と、枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、可動枠２２０の開口内に配設されたミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１５の可動枠回転軸Ｘを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１５のミラー回動軸Ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸Ｘとミラー回動軸Ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。
The
電極基板３００は、板状の基部３１０と、段丘状の突出部３２０とを有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように併設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面には、配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。なお、基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。
The
以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図１６に示すようなマイクロミラー装置を構成する。このようなマイクロミラー装置においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の駆動電圧を与えて、しかも各電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。ここで、ミラー２３０の傾動角をθｘ、θｙ、各電極への印加電圧をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４とすると、印加電圧は、例えば下式（１）〜（４）で表される。
The
Ｖ１＝Ｖｏ＋Ｖｘ ・・・（１）
Ｖ２＝Ｖｏ＋Ｖｙ ・・・（２）
Ｖ３＝Ｖｏ−Ｖｘ ・・・（３）
Ｖ４＝Ｖｏ−Ｖｙ ・・・（４）
V1 = Vo + Vx (1)
V2 = Vo + Vy (2)
V3 = Vo−Vx (3)
V4 = Vo−Vy (4)
ここで、Ｖｏはバイアス電圧と呼ばれ、電極への印加電圧からミラー傾動角への線形性を向上させる効果がある。Ｖｘ、Ｖｙはミラーの傾動角θｘ、θｙにそれぞれ１対１に対応する操作量であり、Ｖｘ、Ｖｙを操作することによりミラー２３０を任意の方向に傾動させることができる。
Here, Vo is called a bias voltage, and has an effect of improving the linearity from the voltage applied to the electrode to the mirror tilt angle. Vx and Vy are operation amounts corresponding respectively to the tilt angles θx and θy of the mirror, and the
上述したような光スイッチでは、周囲の温度や湿度といった環境の変化や外部からの振動などの影響により、入出力ポートとミラー間の位置誤差やミラーの傾動角に変化が生じ、最適なミラー傾動角からのずれが徐々に大きくなり、出力光のパワー損失が時間とともに変動するドリフトが発生することがある。一般的な光ネットワークシステムに用いられる光スイッチは、この光スイッチ自体が損失変動の原因となるとその光ネットワークシステム全体に大きな影響を及ぼすため、光接続強度（出力光の光強度）の損失を所定の許容値内に抑える必要がある。 In the optical switch as described above, the position error between the input / output port and the mirror and the mirror tilt angle change due to environmental changes such as ambient temperature and humidity, and external vibration, etc. The deviation from the corner gradually increases, and a drift may occur in which the power loss of the output light varies with time. An optical switch used in a general optical network system has a large effect on the entire optical network system when the optical switch itself causes fluctuations in loss. It is necessary to keep it within the allowable value.
しかしながら、単位時間あたりのドリフト量が大きい場合には、このドリフトを抑えるための対策を何もとらないでいると、光接続強度が損失の許容値を超えてしまう恐れがある。このため、光スイッチにおいては、出力光の光強度をモニタすることにより安定した光接続強度を得る安定化制御が行われている。この安定化制御は、具体的には次の手順で行われる。まず、ミラー２３０の傾斜角を制御する制御装置（図示せず）により、マイクロミラー装置３ａ，３ｂに周期的に変化する駆動電圧を供給してミラー２３０に摂動（振動）を与えながら、出力ポート１ｂの出力端側に設けられた出力光測定装置（図示せず）によって出力光の光強度を測定する。次に、駆動電圧の摂動パターンと出力光の光強度の値を制御装置の記憶装置上に保持し、その摂動パターンの中の最大値を比較しながら、最大光接続強度を得る駆動電圧を最適駆動電圧として求める。例えば、初期値の出力電圧から設定した電圧幅±ΔＶで摂動させてそのときの出力強度を比較しながら最大値を探索する、いわゆる山登り法により、最適駆動電圧を求める。最後に、求めた最適駆動電圧を逐次ミラーに印加することを一定時間間隔毎に繰り返す。このような手法により、光接続強度の安定化が行われていた。
However, if the amount of drift per unit time is large, the optical connection strength may exceed the allowable loss if no measures are taken to suppress this drift. For this reason, in an optical switch, stabilization control is performed to obtain a stable optical connection strength by monitoring the light intensity of output light. Specifically, this stabilization control is performed by the following procedure. First, a control device (not shown) that controls the tilt angle of the
このような、いわゆる最適値探索では、マイクロミラー装置３ａを摂動させ、このときのパワー変動から誤差の検出と補正を行った後、マイクロミラー装置３ｂを摂動させて、このときのパワー変動から誤差の検出と補正を行うのが一般的である。このように、マイクロミラー装置３ａ，３ｂそれぞれにおいて誤差の検出と補正を順次行うため、従来の最適値探索では、最適値の検出や補正に長時間を要していた。また、各ミラー２３０の誤差が他のミラー２３０の誤差検出に影響を及ぼすため、最適値の検出精度が悪くなるという問題があった。
In such so-called optimum value search, the
そこで、本発明は、最適値の検出や補正に要する時間の短縮化を目的とする。また、最適値の検出制度の向上を他の目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to shorten the time required to detect and correct the optimum value. Another purpose is to improve the optimum value detection system.
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つの入力ポートと、出力光を出力する少なくとも１つの出力ポートと、Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を電極に印加してミラーを傾動させることにより入力光を偏向させる第１のミラー装置と、Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を電極に印加してミラーを傾動させることにより第１のミラー装置による反射光を偏向させ出力ポートに出力する第２のミラー装置と、駆動電圧の初期値を中心に周期的に変化する電圧を印加して第１のミラー装置および第２のミラー装置のミラーを摂動させる摂動部と、第１のミラー装置および第２のミラー装置の初期値を生成する初期値生成部と、ミラーを摂動させたときに、１の入力ポートからの入力光が１の出力ポートから出力される出力光の光強度を検出する検出部と、検出部により検出された光強度から操作量の誤差を演算する誤差演算部と、初期値に基づいて誤差を所定の時間応答波形を用いて補正し、初期値を更新する補正部とを備え、第１のミラー装置のミラーの摂動と、第２のミラー装置のミラーの摂動と、光強度の検出とが同期して行われることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an optical switch according to the present invention includes at least one input port for inputting input light, at least one output port for outputting output light, an X axis, and the X axis. Input light is provided by tilting the mirror by applying a drive voltage according to the amount of operation to the electrode, and a mirror supported to be able to rotate with respect to the orthogonal Y-axis and an electrode disposed opposite to the mirror. A first mirror device for deflecting the lens, a mirror supported to be rotatable with respect to the X-axis and a Y-axis orthogonal to the X-axis, and an electrode disposed opposite to the mirror, depending on the operation amount The second mirror device that deflects the reflected light from the first mirror device and outputs it to the output port by applying the applied drive voltage to the electrode and tilting the mirror, and periodically changing around the initial value of the drive voltage Voltage A perturbation unit that applies and perturbs the mirrors of the first mirror device and the second mirror device, an initial value generation unit that generates initial values of the first mirror device and the second mirror device, and perturbs the mirror A detection unit that detects the light intensity of the output light that is output from the one output port when the input light from one input port is detected, and an error that calculates an error in the operation amount from the light intensity detected by the detection unit A calculation unit, and a correction unit that corrects an error based on an initial value using a predetermined time response waveform and updates the initial value, and includes a perturbation of the mirror of the first mirror device and a second mirror device. The mirror perturbation and the light intensity detection are performed synchronously.
上記光スイッチにおいて、摂動部は、第１のミラーを、第１の反射光のビームが第１のミラーのミラー上に頂点が位置する略円錐状の軌跡を描くように摂動させ、第２のミラーを、第２の反射光のビームが第２のミラーのミラー上に頂点が位置する略円錐状の軌跡を描くように摂動させるようにしてもよい。 In the optical switch, the perturbation unit perturbs the first mirror so that the beam of the first reflected light draws a substantially conical locus whose vertex is located on the mirror of the first mirror, and the second mirror The mirror may be perturbed so that the second reflected light beam draws a substantially conical locus whose apex is located on the mirror of the second mirror.
ここで、上記摂動部は、第１のミラーの摂動の振幅を出力光の光強度の変動が所定の値になるように設定し、かつ、第２のミラーの摂動の振幅を出力光の光強度の変動が所定の値になるよう設定するようにしてもよい。 Here, the perturbation unit sets the amplitude of the perturbation of the first mirror so that the fluctuation of the light intensity of the output light becomes a predetermined value, and sets the amplitude of the perturbation of the second mirror to the light of the output light. You may make it set so that the fluctuation | variation of an intensity | strength may become a predetermined value.
また、摂動部は、第１のミラー装置のミラーの摂動の周波数と、第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数とを異ならせるようにしてもよい。ここで、摂動部は、第１のミラー装置のミラーの摂動の周波数が第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数のｎ（ｎは整数）倍またはｎ分の１とならないように設定するようにしてもよい。
上記摂動部は、第１のミラー装置のミラーの摂動の周波数と第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数の比が、ｍ：ｋ（ｍおよびｋは整数）となるように設定するようにしてもよい。
上記誤差演算部は、第１のミラー装置のミラーの摂動の周波数により特定される第１の摂動周期と、第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数により特定される第２の摂動周期との最小公倍数となる時間帯における出力光の光強度に基づいて、制御電圧の誤差を演算するようにしてもよい。また、上記誤差演算部は、時間帯における区間での出力光の光強度と、摂動部により生成された電圧値との積和演算の平均値に基づいて誤差を演算するようにしてもよい。
また、上記誤差演算部は、時間帯における出力光の光強度を周波数解析し、第１のミラー装置のミラーの摂動周波数における摂動情報と、第１のミラー装置に印加する電圧に対する位相情報、および第２のミラー装置のミラーの摂動周波数における振幅情報と第２のミラー装置に印加する電圧に対する位相情報に基づいて誤差を演算するようにしてもよい。ここで、誤差演算部は、位相に基づいてミラーの動特性により特定される摂動の周波数における位相遅れ成分を減算して、制御量誤差を演算するようにしてもよい。
Further, the perturbation unit may make the frequency of the mirror perturbation of the first mirror device different from the frequency of the mirror perturbation of the second mirror device. Here, the perturbation unit is set so that the mirror perturbation frequency of the first mirror device does not become n (n is an integer) times or 1 / n times the mirror perturbation frequency of the second mirror device. It may be.
The perturbation unit is set so that a ratio of a frequency of the mirror perturbation of the first mirror device to a frequency of the mirror perturbation of the second mirror device is m: k (m and k are integers). May be.
The error calculation unit includes a first perturbation cycle specified by a mirror perturbation frequency of the first mirror device and a second perturbation cycle specified by a mirror perturbation frequency of the second mirror device. An error in the control voltage may be calculated based on the light intensity of the output light in the time zone that is the least common multiple. In addition, the error calculation unit may calculate an error based on an average value of a product-sum operation between the light intensity of the output light in the section in the time zone and the voltage value generated by the perturbation unit.
Further, the error calculation unit performs frequency analysis on the light intensity of the output light in the time zone, and perturbation information on the perturbation frequency of the mirror of the first mirror device, phase information on the voltage applied to the first mirror device, and The error may be calculated based on amplitude information at the perturbation frequency of the mirror of the second mirror device and phase information with respect to the voltage applied to the second mirror device. Here, the error calculation unit may calculate the control amount error by subtracting the phase delay component at the frequency of the perturbation specified by the dynamic characteristic of the mirror based on the phase.
また、上記摂動部は、第１のミラー装置および第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数を、ミラーのＸ軸およびＹ軸回りの傾動方向の共振周波数よりも高く設定するようにしてもよい。ここで、摂動部は、ミラーの摂動の周波数に応じて、電極に印加する電圧の振幅を変化させるようにしてもよい。このとき、摂動部は、摂動の周波数が高いほど電圧の振幅を大きくするようにしてもよい。
また、上記摂動部は、電極に印加する電圧の振幅を、ミラーのＸ軸およびＹ軸の共振周波数に応じて変化させるようにしてもよい。
また、上記摂動部は、共振周波数と摂動の周波数とが近いほど電圧の振幅を小さくするようにしてもよい。
The perturbation unit may set the perturbation frequency of the mirrors of the first mirror device and the second mirror device to be higher than the resonance frequency in the tilt direction around the X axis and the Y axis of the mirror. . Here, the perturbation unit may change the amplitude of the voltage applied to the electrode according to the frequency of the perturbation of the mirror. At this time, the perturbation unit may increase the amplitude of the voltage as the perturbation frequency increases.
The perturbation unit may change the amplitude of the voltage applied to the electrode according to the resonance frequencies of the X axis and the Y axis of the mirror.
The perturbation unit may reduce the amplitude of the voltage as the resonance frequency and the perturbation frequency are closer.
また、上記補正部は、誤差演算部により演算された誤差に所定の定数を乗じた補正値を用いて初期値を更新するようにしてもよい。
ここで、上記所定の定数は、ミラーの傾動角により異なるようにしてもよい。その所定の定数は、第１のミラー装置と第２のミラー装置とで異なるようにしてもよい。
また、時間応答波形に対応する係数列を記憶した波形記憶部をさらに備え、補正部は、補正値にさらに係数列を乗算した補正値列を演算するようにしてもよい。ここで、時間応答波形は、ミラーの傾動方向の共振周波数成分を減衰させたステップ応答波形であるようにしてもよい。
The correction unit may update the initial value using a correction value obtained by multiplying the error calculated by the error calculation unit by a predetermined constant.
Here, the predetermined constant may be different depending on the tilt angle of the mirror. The predetermined constant may be different between the first mirror device and the second mirror device.
Further, a waveform storage unit that stores a coefficient sequence corresponding to the time response waveform may be further provided, and the correction unit may calculate a correction value sequence obtained by multiplying the correction value by the coefficient sequence. Here, the time response waveform may be a step response waveform in which the resonance frequency component in the tilt direction of the mirror is attenuated.
また、本発明に係る光スイッチの制御方法は、入力光を入力する少なくとも１つの入力ポートと、出力光を出力する少なくとも１つの出力ポートと、Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を電極に印加してミラーを傾動させることにより入力光を偏向させる第１のミラー装置と、Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を電極に印加してミラーを傾動させることにより第１のミラー装置による反射光を偏向させ出力ポートに出力する第２のミラー装置とを備えた光スイッチの制御方法であって、第１のミラー装置および第２のミラー装置の駆動電圧の初期値を生成する第１のステップと、初期値を中心に周期的に変化する電圧を印加して第１のミラー装置および第２のミラー装置のミラーを摂動させる第２のステップと、ミラーを摂動させたときに、１の入力ポートからの入力光が１の出力ポートから出力される出力光の光強度から駆動電圧の誤差を演算する第３のステップと、初期値に基づいて誤差を所定の時間応答波形を用いて補正し、初期値を更新する第４のステップとを有し、第２〜第４のステップを繰り返すことを特徴とする。 The optical switch control method according to the present invention includes at least one input port for inputting input light, at least one output port for outputting output light, an X axis, and a Y axis orthogonal to the X axis. A first mirror that tilts the mirror by applying a driving voltage according to the operation amount to the electrode, and deflecting the input light. A mirror device, a mirror supported so as to be rotatable with respect to the X-axis and a Y-axis orthogonal to the X-axis, and an electrode disposed opposite to the mirror, and a drive voltage corresponding to the operation amount applied to the electrode An optical switch control method comprising: a second mirror device that deflects reflected light from the first mirror device by applying and tilting the mirror and outputs the deflected light to an output port, comprising: a first mirror device; 2 A first step of generating an initial value of the driving voltage of the first mirror device, and a second step of perturbing the mirrors of the first mirror device and the second mirror device by applying a voltage that periodically changes around the initial value. A third step of calculating an error of the driving voltage from the light intensity of the output light output from the one output port when the mirror is perturbed, and an initial value And correcting the error using a predetermined time response waveform to update the initial value, and repeating the second to fourth steps.
上記光スイッチの制御方法において、第１，第３，第４のステップは、第１のミラー装置および第２のミラー装置のミラーに周期的な摂動を連続的に与えるようにしてもよい。 In the optical switch control method, the first, third, and fourth steps may continuously give periodic perturbations to the mirrors of the first mirror device and the second mirror device.
ここで、第２のステップの時間、および第３，第４のステップの時間の和は、第１のミラー装置のミラーの摂動の周波数により特定される第１の摂動周期と、第２のミラー装置のミラーの摂動の周波数により特定される第２の摂動周期との最小公倍数となる時間帯の整数倍となるようにしてもよい。 Here, the sum of the time of the second step and the time of the third and fourth steps is the first perturbation period specified by the mirror perturbation frequency of the first mirror device and the second mirror. You may make it become the integral multiple of the time slot | zone used as the least common multiple with the 2nd perturbation period specified by the frequency of the perturbation of the mirror of an apparatus.
また、上記第１のステップにおいて出力光の光強度変動が所定の値以下となると、第２のステップに移行するようにしてもよい。 Moreover, when the light intensity fluctuation | variation of output light becomes below a predetermined value in the said 1st step, you may make it transfer to a 2nd step.
また、上記第２のステップにおいて出力光の光強度変動が所定の値以下となると、第２から第４のステップの繰り返しを停止する第５のステップに移行するようにしてもよい。ここで、第５のステップは、摂動を振幅が０になるまで電圧の値を時間と共に徐々に減少させるようにしてもよい。 Moreover, when the light intensity fluctuation | variation of output light becomes below a predetermined value in the said 2nd step, you may make it transfer to the 5th step which stops the repetition of a 2nd to 4th step. Here, in the fifth step, the voltage value may be gradually decreased with time until the amplitude of the perturbation becomes zero.
本発明によれば、第１のミラー装置のミラーの摂動と、第２のミラー装置のミラーの摂動と、光強度の検出とを同期して行うことにより、最適値の検出や補正に要する時間の短縮化を実現することができる。 According to the present invention, the time required for the detection and correction of the optimum value by synchronizing the mirror perturbation of the first mirror device, the mirror perturbation of the second mirror device, and the detection of the light intensity. Can be shortened.
以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、図１４〜図１６を参照して背景技術の欄で説明した構成要素と同等の構成要素については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the same components as those described in the background art section with reference to FIGS. 14 to 16 are denoted by the same names and reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
＜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は、入力ポート１ａと、出力ポート１ｂと、入力側マイクロミラー装置３ａと、出力側マイクロミラー装置３ｂと、出力光測定装置４と、制御装置５とを備える。このような光スイッチは、 出力光の光強度が最適になるようマイクロミラー装置３ａ，３ｂのミラー２３０傾動角を調整するため、制御装置５によりミラー２３０に摂動を与え、この際の出力光の光強度を出力光測定装置４によりモニタし、制御装置５により出力光測定装置４の測定結果に基づいて傾動角誤差を演算し、補正する。各ミラーの傾動角は制御装置５が出力する操作量に１対１に対応しており、操作量を各ミラーの電極への印加電圧に変換して印加することにより、ミラー２３０が駆動する。
<Configuration of optical switch>
As shown in FIG. 1, the optical switch according to the present embodiment includes an
制御装置５は、図２に示すように、駆動部６と、検出部７と、制御部１１とから構成される。
As shown in FIG. 2, the
制御部１１は、光スイッチ全体の動作を制御する機能部であって、誤差演算部１１１と、補正部１１２と、初期値生成部１１３と、摂動生成部１１４と、波形記憶部１１５とを少なくとも備えている。
The
誤差演算部１１１は、ミラー２３０の摂動と同期して出力光測定装置４によりモニタされた出力光の光強度から各操作量の誤差を演算する。
The
補正部１１２は、誤差演算部１１１が算出した操作量の誤差に基づいて初期操作量を補正、更新する。
The
初期値生成部１１３は、ミラー２３０の初期の傾動角に対応する操作量を設定する。
The initial
摂動生成部１１４は、初期値生成部１１３により生成された操作量を中心に周期的な摂動を与えるための操作量を設定する。
The
波形記憶部１１５は、摂動生成部１１４により設定されるミラー２３０を摂動させる波形を記憶する。
The
このような制御装置５は、ＣＰＵなどの演算装置、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネルなどの外部からの情報入力を検知する入力装置、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）などの通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ／Ｆ装置およびＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＥＤ（Field Emission Display）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）等の表示装置等を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわち、ハードウエア資源とソフトウエアが協働することによって、上記のハードウエア資源がプログラムによって制御され、上述した駆動部６、検出部７、制御部１１が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリーカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。
Such a
＜ミラー傾動角調整動作＞
次に、図３を参照して、本実施の形態に係る光スイッチにおけるミラー２３０の傾動角の調整動作について説明する。
<Mirror tilt angle adjustment operation>
Next, with reference to FIG. 3, the adjustment operation of the tilt angle of the
まず、初期値生成部１１３は、ミラー２３０の初期の傾動角に対応する操作量を設定する（ステップＳ１）。初期値生成部１１３により操作量が設定されると、摂動生成部１１４は、その操作量を中心に周期的な摂動を与えるための操作量を設定する。すると、駆動部６により摂動生成部１１４により設定された操作量に基づく駆動電圧がマイクロミラー装置３ａ，３ｂに印加され、それぞれのミラー２３０は同時に摂動する。便宜上、以下において、マイクロミラー装置３ａのミラー２３０ａと、マイクロミラー装置３ｂのミラー２３０ｂとの間で光路を結ぶ場合を例に説明する。
First, the initial
ミラー２３０ａ，ｂが摂動すると、誤差演算部１１１は、ミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動と同期して出力光測定装置４によりモニタされた出力光の光強度を検出する（ステップＳ２）。
When the
出力光の光強度を検出すると、誤差演算部１１１は、その光強度の値に基づいて、操作量の誤差を演算する（ステップＳ３）。ここで、ミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動は同期しており、それぞれ同時に摂動動作をしている。また、出力光測定装置４もミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動に同期して出力光の光強度をモニタする。例えば、ミラー２３０ａ，２３０ｂにSinωｔの摂動を与えたときに得られる出力光の光強度Ｐ（ｔ）は、時間のずれが無く、摂動と同時間のパワー変動がモニタされることとなる。なお、このような誤差演算部１１１の動作の詳細については後述する。
When the light intensity of the output light is detected, the
操作量の誤差が演算されると、補正部１１２は、その誤差に基づいて初期操作量を補正し、更新する（ステップＳ４）。この補正部１１２による動作の詳細については後述する。
When the operation amount error is calculated, the
初期操作量が更新されると、処理をまだ行う場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御装置５は、ステップＳ２の処理に戻る。一方、処理を終了する場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御装置５は、処理を終了する。
When the initial operation amount is updated, when the process is still performed (step S5: NO), the
このように、本実施の形態によれば、ミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動、および出力光測定装置４の光強度のモニタを、それぞれ同期して行うことにより、最適値の検出や補正に要する時間の短縮化を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, the perturbation of the
＜誤差演算部の動作＞
次に、誤差演算部１１１の処理動作の詳細について説明する。
<Operation of error calculator>
Next, details of the processing operation of the
出力光測定装置４により測定される出力光の光強度には、ミラー２３０ａとミラー２３０ｂ摂動の影響が混合されているため、検出した光強度からミラー２３０ａ，２３０ｂそれぞれの操作量誤差を求める必要がある。このためミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動は共に、ミラーの反射光ビームの軌跡がミラー面に頂点を持つ円錐形状となるように摂動を与える。各ミラーの摂動時の反射光ビーム軌跡の様子を図４（ａ），図４（ｂ）に示す。
Since the influence of the perturbation of the
１つのミラーに着目すると、先述のようにミラーはほぼミラー面上で直交する2軸回りに傾くことができ、それぞれの軸回りの傾動角θｘ、θｙはそれぞれVx、Vyという２つの操作量により制御される。操作量Vx、Vyを下式（５）、（６）とした場合、ミラー２３０からの反射光の光ビームは円錐状の軌跡を描く。ここでVx0、Vy0は各操作量の初期値で、この初期値を中心に摂動を与えている。また、Vrは円錐状の摂動の半径を決定するパラメータである。
Focusing on one mirror, as described above, the mirror can be tilted about two axes orthogonal to each other on the mirror surface, and the tilt angles θx and θy about the respective axes are respectively determined by two operation amounts Vx and Vy. Be controlled. When the operation amounts Vx and Vy are represented by the following expressions (5) and (6), the light beam of the reflected light from the
Vx=Vx0＋Vr・Cos(2πfｔ) ・・・（５）
Vy=Vy0＋Vr・Sin(2πfｔ) ・・・（６）
Vx = Vx0 + Vr · Cos (2πft) (5)
Vy = Vy0 + Vr · Sin (2πft) (6)
ミラー２３０ａ，２３０ｂそれぞれの操作量誤差を求めるため、下式（７）〜（１０）に示すように、２つのミラー２３０ａ，２３０ｂの摂動の周波数を異なるものにする。ここで、Vx1,Vy1はミラー２３０ａの操作量、Vx2,Vy2はミラー２３０ｂの操作量、Vx10,Vy10はミラー２３０ａの初期操作量、Vx20、Vy20はミラー２３０ｂの初期操作量、Vr1、Vr2はそれぞれのミラーの摂動の円錐半径を決定するパラメータ、f1はミラー２３０ａの摂動周波数、f2はミラー２３０ｂの摂動周波数である。
In order to obtain the operation amount errors of the
Vx1=Vx10＋Vr1・Cos(2πf1ｔ) ・・・（７）
Vy1=Vy10＋Vr1・Sin(2πf1ｔ) ・・・（８）
Vx2=Vx20＋Vr2・Cos(2πf2ｔ) ・・・（９）
Vy2=Vy20＋Vr2・Sin(2πf2ｔ) ・・・（１０）
Vx1 = Vx10 + Vr1 ・ Cos (2πf1t) (7)
Vy1 = Vy10 + Vr1 · Sin (2πf1t) (8)
Vx2 = Vx20 + Vr2 ・ Cos (2πf2t) (9)
Vy2 = Vy20 + Vr2 · Sin (2πf2t) (10)
２つの摂動周波数f1、f2が異なっていれば、例えば光パワー応答を周波数解析することで、２つのミラーの操作量誤差を分離して演算することが可能である。 If the two perturbation frequencies f1 and f2 are different, it is possible to separate and calculate the operation amount error of the two mirrors, for example, by analyzing the frequency of the optical power response.
ミラー２３０は、各軸回りの傾動動作ともトーションバネにより支持された質量系でモデル化できるため、いわゆるバネ−質量系と呼ばれる図５のような共振周波数をもつ動特性を有する。上述した摂動周波数は、ミラー２３０の共振周波数により制限されるものではなく、共振周波数以上に設定することも可能である。摂動周波数を高く設定するほど、操作量誤差は短時間で検出することが可能になる。
Since the
摂動したときの反射ビームの軌跡である円錐半径は、入出力のファイバコリメータを含めた光学特性により適した値が決定される。すなわち、半径が大きすぎると、光パワー変動が大きくなりすぎてしまい非線形性を考慮する必要が生じるのに対して、半径が小さすぎると、変動が小さくなりすぎてしまい光パワー応答におけるS/N比が劣化してしまう。このため、摂動時の円錐半径は、ミラー２３０の動特性や摂動周波数によらず一定であることが望ましい。摂動時の円錐半径は円錐の頂角と１対１に対応するため、円錐半径が一定になることは、摂動のミラー２３０の傾動角を一定にすることと等しくなる。摂動のミラー２３０の傾動角を一定にするには、ミラー２３０の動特性を考慮した電圧設定をする必要がある。図６はミラーのＸ軸回りの操作量に対する傾動角のゲイン特性である。共振周波数を超えるとゲイン特性は１を下回る。摂動周波数を共振周波数を超えて設定する場合には、このゲインの減衰を考慮し、ミラー共振周波数以下で摂動する場合に比べ、摂動の電圧を大きくする必要がある。また摂動周波数が高いほどゲインの減衰が大きくなるため、摂動の電圧は高く設定する必要がある。
The cone radius, which is the trajectory of the reflected beam when perturbed, is determined to be a value more suitable for the optical characteristics including the input and output fiber collimators. That is, if the radius is too large, the optical power fluctuation becomes too large and it is necessary to consider nonlinearity, whereas if the radius is too small, the fluctuation becomes too small and the S / N in the optical power response The ratio will deteriorate. For this reason, it is desirable that the cone radius at the time of perturbation is constant regardless of the dynamic characteristics of the
ミラーの動特性がミラー２３０のＸ軸回りとＹ軸回りで異なったり、ミラー２３０ａとミラー２３０ｂで異なる場合がある。この場合、各軸回りの動特性が異なるために各軸毎のゲイン特性を考慮した電圧設定が必要になる。例えばミラー２３０ａのＸ軸回りと、Ｙ軸回りの動特性を重ねたものを図７に示す。Ｘ軸回りの共振周波数がＹ軸回りの共振周波数より低くなっており、そのため共振周波数より高い周波数では、Ｙ軸回りよりＸ軸回りの方がゲインの減衰が大きくなっている。ミラー２３０ａのＸ軸およびＹ軸回りの摂動は同じ周波数で摂動させるが、上記のように動特性が異なる場合、Ｘ軸回りの摂動の電圧をＹ軸回りのものより大きく設定する必要がある。すなわち、ミラーを共振周波数より高い周波数で摂動させる場合は共振周波数より高い周波数になるほど摂動の電圧を大きく、共振周波数に近づくほど摂動の電圧を小さくする必要がある。
The dynamic characteristics of the mirror may be different around the X axis and the Y axis of the
ここで摂動の電圧について説明する。上述したように、摂動時の操作量は上式（７）〜（１０）で表される。ここで、Vr1、およびVr2が摂動の半径にかかわる操作量である。ミラー２３０ａに着目すると、ミラー２３０ａの４つの電極への印加電圧は先の4電極の電圧計算式を採用した場合、下式（１１）〜（１４）で電圧に変換される。
Here, the perturbation voltage will be described. As described above, the manipulated variable at the time of perturbation is expressed by the above equations (7) to (10). Here, Vr1 and Vr2 are manipulated variables related to the perturbation radius. Focusing on the
Ｖ１＝Ｖｏ＋Ｖｘ1＝Vo＋Vx10 ＋ Vr1・Cos(2πf1ｔ) ・・・（１１）
Ｖ２＝Ｖｏ＋Ｖｙ1＝Vo＋Vy10 ＋ Vr1・Sin(2πf1ｔ) ・・・（１２）
Ｖ３＝Ｖｏ−Ｖｘ1＝Vo−Vx10 − Vr1・Cos(2πf1ｔ) ・・・（１３）
Ｖ４＝Ｖｏ−Ｖｙ1＝Vo−Vy10 − Vr1・Sin(2πf1ｔ) ・・・（１４）
V1 = Vo + Vx1 = Vo + Vx10 + Vr1.Cos (2πf1t) (11)
V2 = Vo + Vy1 = Vo + Vy10 + Vr1 · Sin (2πf1t) (12)
V3 = Vo-Vx1 = Vo-Vx10-Vr1.Cos (2πf1t) (13)
V4 = Vo−Vy1 = Vo−Vy10−Vr1 · Sin (2πf1t) (14)
ミラー２３０の動特性や摂動周波数を考慮した場合の半径電圧はＸ軸回り、およびＹ軸回りで異なるため、動特性を考慮した摂動半径に関するパラメータVr1x、Vr1y、Vr2x、Vr2yを導入すると、上式（１１）〜（１４）は、下式（１５）〜（１８）で表される。ここで、Vr1x、Vr1y、Vr2x、Vr2yは、Vrにミラー動特性と摂動周波数により決まるゲインの減衰の逆数をかけたものである。例えばミラーの動特性により摂動周波数でのゲインが10分の一となっている場合には、Vrの10倍を設定したものである。
Since the radial voltage when considering the dynamic characteristics and perturbation frequency of the
Vx1＝Vx10＋Vr1x・Cos(2πf1ｔ) ・・・（１５）
Vy1＝Vy10＋Vr1y・Sin(2πf1ｔ) ・・・（１６）
Vx2＝Vx20＋Vr2x・Cos(2πf2ｔ) ・・・（１７）
Vy2＝Vy20＋Vr2y・Sin(2πf2ｔ) ・・・（１８）
Vx1 = Vx10 + Vr1x · Cos (2πf1t) (15)
Vy1 = Vy10 + Vr1y · Sin (2πf1t) (16)
Vx2 = Vx20 + Vr2x · Cos (2πf2t) (17)
Vy2 = Vy20 + Vr2y · Sin (2πf2t) (18)
次に、各操作量誤差の演算方法について説明する。ここでは、ミラー２３０ａのみを反射光ビーム軌跡が円錐形状となるよう摂動させた場合を例に説明する。
Next, a method for calculating each operation amount error will be described. Here, a case where only the
ミラー２３０ａの傾動角θｘ、θｙと出力光の光強度ーの関係は、出力光の光強度が最大となる最適ミラー傾動角がピークとなるガウシアン分布に近い形状となる。上述したようにミラー２３０は、ミラー動特性や摂動周波数を考慮し、摂動の傾動角が一定になるよう電圧印加している。すなわちθｘ、θｙ平面では円形を描くような摂動を与えている。傾動角に誤差がある状態で摂動を与えると、出力光の光強度には、摂動周波数と同じ周波数で変動が見られ、最適値方向に摂動したときに光強度の変動はピークとなる。したがって摂動成分と光出力応答の位相差を求めることでピーク方向を知ることができる。
The relationship between the tilt angles θx and θy of the
また、出力光の光強度と傾動角の関係はガウシアン分布に近似できるため、摂動の傾動角振幅に対する摂動時の光強度変動量の比率は、ガウシアン分布を傾動角で微分した値に相当する。出力光の光強度をｄＢｍで表した場合、図８に示すように傾動角と光強度の関係は放物面となる。図９に示すように、そのときの摂動の振幅に対する摂動時の光強度の変動量の比率は、摂動の中心である傾動角初期値と最適値を含む面内での放物面の微分値を表し、その比率に定数を乗算することで傾動角誤差量を推定することができる。これは、放物線の傾動角に対する微分値は直線となり、最適位置で微分値は０になり、傾動角の誤差量は微分値に比例するからである。摂動の半径は一定になるよう摂動させているため、光強度の変動幅に定数を乗算することで誤差量を推定することができる。以上より、光強度の摂動周波数における位相と振幅により操作量誤差量を推定することができる。 Further, since the relationship between the light intensity of the output light and the tilt angle can be approximated to a Gaussian distribution, the ratio of the light intensity fluctuation amount at the time of perturbation to the tilt angle amplitude of the perturbation corresponds to a value obtained by differentiating the Gaussian distribution by the tilt angle. When the light intensity of the output light is expressed in dBm, the relationship between the tilt angle and the light intensity is a paraboloid as shown in FIG. As shown in FIG. 9, the ratio of the fluctuation amount of the light intensity at the time of the perturbation to the amplitude of the perturbation at that time is the differential value of the paraboloid in the plane including the initial value of the tilt angle that is the center of the perturbation and the optimum value. The tilt angle error amount can be estimated by multiplying the ratio by a constant. This is because the differential value with respect to the tilt angle of the parabola is a straight line, the differential value is 0 at the optimum position, and the error amount of the tilt angle is proportional to the differential value. Since the perturbation radius is perturbed to be constant, the error amount can be estimated by multiplying the fluctuation range of the light intensity by a constant. From the above, the manipulated variable error amount can be estimated from the phase and amplitude of the light intensity at the perturbation frequency.
次に、２つのミラーが同時に摂動し、２つの周波数が混合した光パワー応答から１つの周波数成分を取り出す方法について説明する。ここでは、出力光の光強度ｐが２つの周波数成分が混合した下式（１９）で表されると仮定する。 Next, a method for extracting one frequency component from an optical power response in which two mirrors are simultaneously perturbed and two frequencies are mixed will be described. Here, it is assumed that the light intensity p of the output light is expressed by the following equation (19) in which two frequency components are mixed.
ｐ＝p1・Sin(2πf1 t + φ1)＋p2・Sin(2πf2 t + φ2) ・・・（１９） p = p1 · Sin (2πf1 t + φ1) + p2 · Sin (2πf2 t + φ2) (19)
上式（１９）において、ｆ１はミラー２３０ａの摂動周波数、ｆ２はミラー２３０ｂの摂動周波数である。ここで、ｐとCos（2πf1 t）との積和平均を求めると、下式（２０）となる。
In the above equation (19), f1 is the perturbation frequency of the
上式（２０）において、第１項は誤差演算に必要な位相φ１と振幅ｐ１が含まれた項であり、この項を用いて位相情報および振幅情報を求める。第２項、第３項、第４項は不要の項である。そこでこれらの項が０になるよう積分時間を適切に選ぶことで、第１項の精度が向上し、誤差検出精度の向上が可能になる。周波数ｆ１の周期をT1＝1/f1、周波数ｆ２の周期をT2＝1/f2とすると、第２項は1/2f1＝T1/2、第３項は1/(f2+f1)=T1・T2/(T1+T2)、第４項は1/(f2−f1)=T1・T2/(T1−T2)の周期の周期信号となる。したがって、T1とT2の最小公倍数を積分時間とすると第２項、第３項、第４項は０とすることができる。同様に、T1とT2の最小公倍数の時間間隔でｐとCos（2πf1 t）との積和平均の平均値を求めることにより、p1・Cos(φ1)/2を求めることができ、上述した方法で求めたp1・Sin(φ1)/2より、振幅p1、位相φ1を求めることができる。また、ミラー２３０ｂについてもT1とT2の最小公倍数の時間間隔でSin（2πf2 t）、およびCos（2πf2 t）それぞれとの積和平均を求めることで振幅p2、位相φ2を求めることができる。この演算により高精度に、またFFTなどより演算時間が短く誤差演算が可能となる。また、T1とT2の最小公倍数の時間間隔でデータ取得し、演算することで、データ収集時間を短縮し、かつ高精度化が実現できる。
In the above equation (20), the first term is a term including the phase φ1 and the amplitude p1 necessary for error calculation, and phase information and amplitude information are obtained using this term. The second term, the third term, and the fourth term are unnecessary terms. Therefore, by appropriately selecting the integration time so that these terms become zero, the accuracy of the first term is improved and the error detection accuracy can be improved. If the period of frequency f1 is T1 = 1 / f1, and the period of frequency f2 is T2 = 1 / f2, the second term is 1 / 2f1 = T1 / 2, the third term is 1 / (f2 + f1) = T1 T2 / (T1 + T2), the fourth term is a periodic signal with a period of 1 / (f2−f1) = T1 · T2 / (T1−T2). Therefore, if the least common multiple of T1 and T2 is the integration time, the second, third, and fourth terms can be zero. Similarly, p1 · Cos (φ1) / 2 can be obtained by obtaining the average value of the product-sum average of p and Cos (2πf1 t) at the time interval of the least common multiple of T1 and T2, and the method described above The amplitude p1 and the phase φ1 can be obtained from p1 · Sin (φ1) / 2 obtained in step (1). Further, for the
なお、一般的なFFT用の演算ツールなどを用い、光パワー応答を周波数解析することによっても各摂動周波数での位相情報、振幅情報を得ることはできる。その際もデータ区間はT1とT2の最小公倍数にすることで、精度を向上させ、かつデータ収集時間を短縮することができる。 It should be noted that phase information and amplitude information at each perturbation frequency can also be obtained by frequency analysis of the optical power response using a general FFT calculation tool or the like. Even in this case, the data interval is set to the least common multiple of T1 and T2, so that the accuracy can be improved and the data collection time can be shortened.
上式（２０）により求められる位相は、摂動の駆動信号から光パワー応答までの位相遅れに相当するため、摂動周波数におけるミラーの動特性により生じる遅れとミラー操作量初期値が最適値からずれていたために生じる最適値方向を示す位相とが合わさったものである。したがって、ピーク方向を正確に得るためには、上述した方法により求めた位相情報からミラーの動特性に起因する位相遅れを差し引く必要がある。このような処理を行うことにより、より高精度な誤差検出が可能となる。 Since the phase obtained by the above equation (20) corresponds to the phase delay from the perturbation drive signal to the optical power response, the delay caused by the dynamic characteristics of the mirror at the perturbation frequency and the initial value of the mirror operation amount deviate from the optimum values. Therefore, it is combined with the phase indicating the optimum value direction. Therefore, in order to accurately obtain the peak direction, it is necessary to subtract the phase delay caused by the dynamic characteristics of the mirror from the phase information obtained by the above-described method. By performing such processing, it is possible to detect errors with higher accuracy.
なお、ミラーの摂動の周波数ｆ１とミラー２３０ｂの摂動周波数ｆ２は等しくなければ任意に選択することが可能である。このとき、ｆ１がｆ２の整数倍の周波数またはｆ２がｆ１の整数倍の周波数となった場合、出力光の光強度からそれぞれの操作量誤差を求める際に誤差が発生する可能性がある。これは、出力光の光強度に、上述したように仮定したような摂動と同周波数成分の１次結合だけでなく、摂動のｎ乗の成分が混合する場合があるためである。したがって摂動周波数は、上記組み合わせは避けた方が望ましい。
The perturbation frequency f1 of the mirror and the perturbation frequency f2 of the
＜補正部の動作＞
次に、補正部１１２による補正値の演算および更新動作について説明する。
<Operation of correction unit>
Next, correction value calculation and update operations by the
操作量の補正値の演算では、出力光の光強度の変動幅に常数を乗算する。この常数は、ミラーの電圧−傾動角特性に非線形性がある場合、傾動角により最適値が異なる。同じ摂動操作量幅であってもミラー傾動角の初期値が小さい方が摂動の傾動角が小さくなるため、初期値が小さいほど常数を大きくすることで非線形性の影響を低減させることができる。また、ミラーにより電圧−傾動角特性が異なる場合も同様に、この常数の値をミラーにより変更することで、すなわち同じ電圧印加で傾動角が小さいような特性を持つものほど常数を大きくすることで、特性差の影響を低減できる。 In the calculation of the operation amount correction value, the fluctuation range of the light intensity of the output light is multiplied by a constant. This constant has a different optimum value depending on the tilt angle when the voltage-tilt angle characteristic of the mirror is nonlinear. Even if the perturbation operation amount width is the same, the smaller the initial value of the mirror tilt angle, the smaller the tilt angle of the perturbation. Therefore, the smaller the initial value is, the larger the constant can be, thereby reducing the influence of nonlinearity. Similarly, when the voltage-tilt angle characteristics differ depending on the mirror, this constant value can be changed by the mirror, that is, by increasing the constant as the tilt angle becomes smaller with the same voltage applied. The influence of the characteristic difference can be reduced.
演算された操作量補正値で初期操作量を補正、更新する場合、ステップ状に操作量を変化させるとミラーの共振周波数付近での振動が発生する。このような振動的な状態で次の操作量誤差演算のための光応答データを収集すると、誤差演算の精度が悪化する。そこで、ミラーの振動が起きないように操作量を補正するため、ステップ状ではなく、ミラーの共振周波数近傍成分を除去した波形にしたがってって初期操作量の補正を行う。このような波形を用いることで、ミラーを共振周波数で励振することが無くなり、初期操作量の補正時の振動を抑制することができる。また波形において高周波成分を大きくすることで高速にミラーを動作させることができる。 When correcting and updating the initial operation amount with the calculated operation amount correction value, if the operation amount is changed stepwise, vibration near the resonance frequency of the mirror occurs. If the optical response data for the next operation amount error calculation is collected in such a vibration state, the accuracy of the error calculation deteriorates. Therefore, in order to correct the operation amount so that the vibration of the mirror does not occur, the initial operation amount is corrected according to a waveform obtained by removing a component near the resonance frequency of the mirror, not in a step shape. By using such a waveform, the mirror is not excited at the resonance frequency, and vibration at the time of correcting the initial operation amount can be suppressed. Further, the mirror can be operated at high speed by increasing the high frequency component in the waveform.
このような波形による操作量補正を行うため、制御装置５では、波形に対応した係数列を記憶しておく。例えば、波形の時間応答を一定間隔でサンプリングし、波形の開始前の値と終了値の差分で正規化した値である。このような値は、波形記憶部１１５に記憶される。図１０に示すように、波形記憶部１１５に記憶された係数列を操作量補正値に乗算し、これに初期操作量に加算することで、任意の応答波形で補正することができる。図１１にサンプリング間隔毎の駆動電圧波形の例を示す。この手法は、演算が容易でＩＩＲフィルタにおける演算のようなフィードバックループも無いため、演算結果が発散することがなく安定性も高い構成となる。
In order to perform an operation amount correction using such a waveform, the
なお、図３に示すフローチャートにおいて、ミラー２３０が摂動を開始または停止すると、ミラー２３０は共振周波数付近の振動が伴った動きをするために、操作量誤差演算の精度悪化を引き起こす可能性がある。このため、操作量誤差演算および初期操作量の補正・更新のステップにおいても、ミラー２３０の摂動は停止することなく連続的に繰り返す。これにより、ミラー共振周波数付近の振動は励振されず、高精度化が可能になる。上述したように、出力光の光強度の検出はミラー２３０ａの摂動周期とミラー２３０ｂの摂動周期の最小公倍数の時間間隔で行うのが好ましい。１回目の光パワー応答検出時の摂動と、１回目の初期操作量補正、更新後の２回目光パワー応答検出時の摂動とで位相がずれると、その位相ずれが演算時の位相情報の誤差となる。したがって、図１２に示すように、位相がそろうように１回の操作量誤差演算と初期操作量の補正、更新に要する合計の時間は光パワー応答の検出時間の整数倍であることが望ましい。
In the flowchart shown in FIG. 3, when the
また、初期操作量を設定したのち、第２ステップで摂動を開始すると、ミラーは共振周波数付近の振動が発生する。このため第１ステップの初期操作量の設定時点から摂動を開始することが望ましい。また、第１ステップの初期操作量の設定時には、ミラーは共振周波数付近の振動が励振される。この振動が減衰してからデータ取得を開始することにより精度を向上させることができる。 Further, when the perturbation is started in the second step after setting the initial operation amount, the mirror vibrates near the resonance frequency. For this reason, it is desirable to start the perturbation from the time when the initial manipulated variable is set in the first step. Further, when setting the initial manipulated variable in the first step, the mirror is excited by vibrations near the resonance frequency. The accuracy can be improved by starting the data acquisition after the vibration is attenuated.
また、摂動の半径は摂動軌跡上の１点が最適値にあるときの出力光の光強度の変動が所定の値になるように設定する。例えばミラー２３０ａのみを摂動させ、そのときの出力光パワー応答の変動幅が０．５ｄＢとなるよう摂動半径を決定する。ミラー２３０ｂについても同様に、ミラー２３０ｂのみを摂動させたときにパワー応答変動幅が０．５ｄＢとなるよう設定する。
The radius of the perturbation is set so that the fluctuation of the light intensity of the output light when a point on the perturbation locus is at the optimum value becomes a predetermined value. For example, only the
また、操作量に誤差があり駆動電圧が最適値からずれた場合、図８を参照して説明した光強度の分布図より、摂動半径が一定であれば光応答の変動幅は上記所定の値、すなわち上記の例では０．５ｄＢよりも大きくなる。したがって出力光の光強度の変動幅が所定の値より小さくなれば最適値となったと判断でき、終了処理に移行する。 Further, when there is an error in the operation amount and the drive voltage deviates from the optimum value, the fluctuation range of the optical response is the predetermined value as long as the perturbation radius is constant, as shown in the light intensity distribution diagram described with reference to FIG. That is, in the above example, it becomes larger than 0.5 dB. Therefore, if the fluctuation range of the light intensity of the output light is smaller than a predetermined value, it can be determined that the optimum value has been reached, and the process proceeds to the end process.
終了処理として摂動を急に停止したときにも、ミラー２３０の振動が発生する。これを回避するには、摂動の振幅を時間と共に減少させてゆき、最終的に摂動振幅を０にする。この処理により終了時の光パワー変動を抑制することができる。減少させる方法としては、図１３（ａ）に示すように第２ステップから第４ステップまでの補正サイクル毎に段階的に減少させてもよいし、図１３（ｂ）に示すように時間とともに減少させるようにしてもよい。本実施の形態では、ミラー２３０ａとミラー２３０ｂを同時に摂動させ、それぞれの誤差を同時に検出するため、互いのミラーの誤差が他のミラーの誤差検出精度に及ぼす影響を低減でき、高精度化が可能になる。例えばミラー２３０ａ，ミラー２３０ｂを順番に誤差検出、補正する場合、ミラー２３０ａの誤差検出する時点では、ミラー２３０ｂには誤差があり、この状態でミラー２３０ａの最適値を検出すると、ミラー２３０ｂの誤差の影響で真の最適値からずれた値で出力光パワーが最大になる。このため、ミラー２３０ａの補正後も誤差が残っており、ミラー２３０ｂの誤差検出時も同様の誤差検出精度の悪化が生じる。これに対し本実施の形態ではミラー２３０ａ，２の誤差を同時に検出するため精度向上することができる。
Even when the perturbation is suddenly stopped as the end process, the vibration of the
本発明は、光スイッチ等に適用することができる。 The present invention can be applied to an optical switch or the like.
１ａ…入力ポート、１ｂ…出力ポート、３ａ，３ｂ…マイクロミラー装置、４…出力光測定装置、５…制御装置、６…駆動部、７…検出部、８…制御部、９…記憶部、１１…制御部、１１１…誤差演算部、１１２…補正部、１１３…初期値生成部、１１４…摂動生成部、１１５…波形記憶部。
DESCRIPTION OF
Claims (26)
出力光を出力する少なくとも１つの出力ポートと、
Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を前記電極に印加して前記ミラーを傾動させることにより前記入力光を偏向させる第１のミラー装置と、
Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸に対して回動可能に支持されたミラーと、このミラーと対向配置された電極とを備え、操作量に応じた駆動電圧を前記電極に印加して前記ミラーを傾動させることにより前記第１のミラー装置による反射光を偏向させ前記出力ポートに出力する第２のミラー装置と、
前記駆動電圧の初期値を中心に周期的に変化する電圧を印加して前記第１のミラー装置および前記第２のミラー装置の前記ミラーを摂動させる摂動部と、
前記第１のミラー装置および前記第２のミラー装置の前記初期値を生成する初期値生成部と、
前記ミラーを摂動させたときに、１の入力ポートからの入力光が１の出力ポートから出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
前記検出部により検出された光強度から操作量の誤差を演算する誤差演算部と、
前記初期値に基づいて前記誤差を所定の時間応答波形を用いて補正し、前記初期値を更新する補正部と
を備え、
前記第１のミラー装置の前記ミラーの摂動と、前記第２のミラー装置の前記ミラーの摂動と、前記光強度の検出とが同期して行われる
ことを特徴とする光スイッチ。 At least one input port for inputting input light;
At least one output port for outputting output light;
A mirror supported to be rotatable with respect to the X axis and a Y axis orthogonal to the X axis, and an electrode disposed opposite to the mirror, and applying a driving voltage corresponding to the operation amount to the electrode; A first mirror device for deflecting the input light by tilting the mirror;
A mirror supported rotatably with respect to the X axis and a Y axis orthogonal to the X axis, and an electrode disposed opposite to the mirror, and a driving voltage corresponding to the operation amount is applied to the electrode A second mirror device that deflects reflected light from the first mirror device by tilting the mirror and outputs the deflected light to the output port;
A perturbation unit that perturbs the mirrors of the first mirror device and the second mirror device by applying a voltage that periodically changes around an initial value of the drive voltage;
An initial value generator for generating the initial values of the first mirror device and the second mirror device;
A detection unit that detects light intensity of output light that is output from one output port when input light from one input port is output when the mirror is perturbed;
An error calculation unit that calculates an error of an operation amount from the light intensity detected by the detection unit;
A correction unit that corrects the error using a predetermined time response waveform based on the initial value, and updates the initial value;
The optical switch, wherein the perturbation of the mirror of the first mirror device, the perturbation of the mirror of the second mirror device, and the detection of the light intensity are performed in synchronization.
前記第１のミラーを、前記第１の反射光のビームが前記第１のミラーの前記ミラー上に頂点が位置する略円錐状の軌跡を描くように摂動させ、
前記第２のミラーを、前記第２の反射光のビームが前記第２のミラーの前記ミラー上に頂点が位置する略円錐状の軌跡を描くように摂動させる、
ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。 The perturbation part is
Perturbing the first mirror so that the beam of the first reflected light draws a substantially conical locus whose apex is located on the mirror of the first mirror;
The second mirror is perturbed so that the beam of the second reflected light draws a substantially conical locus whose apex is located on the mirror of the second mirror;
The optical switch according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。 The perturbation unit sets the amplitude of the perturbation of the first mirror so that the fluctuation of the light intensity of the output light becomes a predetermined value, and sets the amplitude of the perturbation of the second mirror of the output light. The optical switch according to claim 2, wherein a change in light intensity is set to a predetermined value.
ことを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。 3. The optical switch according to claim 2, wherein the perturbation unit makes a frequency of perturbation of the mirror of the first mirror device different from a frequency of perturbation of the mirror of the second mirror device.
ことを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。 The perturbation unit sets the perturbation frequency of the mirrors of the first mirror device and the second mirror device to be higher than the resonance frequency in the tilt direction around the X axis and the Y axis of the mirror. The optical switch according to claim 2.
ことを特徴とする請求項５記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 5, wherein the perturbation unit changes an amplitude of a voltage applied to the electrode in accordance with a frequency of perturbation of the mirror.
ことを特徴とする請求項６記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 6, wherein the perturbation unit increases the amplitude of the voltage as the frequency of the perturbation is higher.
ことを特徴とする請求項５記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 5, wherein the perturbation unit changes an amplitude of a voltage applied to the electrode according to a resonance frequency of an X axis and a Y axis of the mirror.
ことを特徴とする請求項５記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 5, wherein the perturbation unit reduces the amplitude of the voltage as the resonance frequency and the perturbation frequency are closer.
ことを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。 The perturbation unit is set so that the frequency of the perturbation of the mirror of the first mirror device does not become n (n is an integer) times or 1 / n times the frequency of the perturbation of the mirror of the second mirror device. The optical switch according to claim 4.
ことを特徴とする請求項１０記載の光スイッチ。 The perturbation unit is configured such that a ratio of a frequency of the mirror perturbation of the first mirror device and a frequency of the mirror perturbation of the second mirror device is m: k (m and k are integers). The optical switch according to claim 10, wherein the optical switch is set.
ことを特徴とする請求項１１記載の光スイッチ。 The error calculation unit includes a first perturbation period specified by a frequency of perturbation of the mirror of the first mirror device and a second frequency specified by a frequency of perturbation of the mirror of the second mirror device. The optical switch according to claim 11, wherein the error of the control voltage is calculated based on the light intensity of the output light in a time zone that is the least common multiple of the perturbation period.
ことを特徴とする請求項１２記載の光スイッチ。 The error calculation unit calculates the error based on an average value of a product-sum operation between the light intensity of the output light in the section in the time zone and the voltage value generated by the perturbation unit. The optical switch according to claim 12.
ことを特徴とする請求項１２記載の光スイッチ。 The error calculation unit performs frequency analysis on the light intensity of the output light in the time zone, and perturbation information on the perturbation frequency of the mirror of the first mirror device, phase information on the voltage applied to the first mirror device, and The optical switch according to claim 12, wherein the error is calculated based on amplitude information at a perturbation frequency of a mirror of the second mirror device and phase information with respect to a voltage applied to the second mirror device.
ことを特徴とする請求項１４記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 14, wherein the error calculation unit calculates a control amount error by subtracting a phase delay component at a perturbation frequency specified by a dynamic characteristic of the mirror based on the phase. .
ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 1, wherein the correction unit updates the initial value using a correction value obtained by multiplying the error calculated by the error calculation unit by a predetermined constant.
ことを特徴とする請求項１６記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 16, wherein the predetermined constant varies depending on a tilt angle of the mirror.
ことを特徴とする請求項１７記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 17, wherein the predetermined constant is different between the first mirror device and the second mirror device.
前記補正部は、前記補正値にさらに前記係数列を乗算した補正値列を演算する
ことを特徴とする請求項１６記載の光スイッチ。 A waveform storage unit that stores a coefficient sequence corresponding to the time response waveform;
The optical switch according to claim 16, wherein the correction unit calculates a correction value sequence obtained by multiplying the correction value by the coefficient sequence.
ことを特徴とする請求項１９記載の光スイッチ。 The optical switch according to claim 19, wherein the time response waveform is a step response waveform in which a resonance frequency component in the tilt direction of the mirror is attenuated.
前記第１のミラー装置および前記第２のミラー装置の駆動電圧の初期値を生成する第１のステップと、
前記初期値を中心に周期的に変化する電圧を印加して前記第１のミラー装置および前記第２のミラー装置の前記ミラーを摂動させる第２のステップと、
前記ミラーを摂動させたときに、１の入力ポートからの入力光が１の出力ポートから出力される出力光の光強度から駆動電圧の誤差を演算する第３のステップと、
前記初期値に基づいて前記誤差を所定の時間応答波形を用いて補正し、前記初期値を更新する第４のステップと
を有し、
前記第２〜第４のステップを繰り返す
ことを特徴とする光スイッチの制御方法。 At least one input port for inputting input light, at least one output port for outputting output light, a mirror supported so as to be rotatable with respect to the X axis and a Y axis orthogonal to the X axis, and the mirror A first mirror device that deflects the input light by tilting the mirror by applying a driving voltage according to the operation amount to the electrode, and an X axis and the X axis. A mirror that is supported so as to be rotatable with respect to a Y axis that is orthogonal to the mirror, and an electrode that is disposed to face the mirror, and the mirror is tilted by applying a drive voltage according to an operation amount to the electrode. And a second mirror device that deflects the reflected light from the first mirror device and outputs the deflected light to the output port.
A first step of generating an initial value of a driving voltage of the first mirror device and the second mirror device;
A second step of perturbing the mirrors of the first mirror device and the second mirror device by applying a voltage that periodically changes around the initial value;
A third step of calculating an error of the driving voltage from the light intensity of the output light output from one output port when the mirror is perturbed;
A fourth step of correcting the error based on the initial value using a predetermined time response waveform and updating the initial value;
The method for controlling an optical switch, wherein the second to fourth steps are repeated.
ことを特徴とする請求項２１記載の光スイッチの制御方法 The light according to claim 21, wherein the first, third, and fourth steps continuously give periodic perturbations to the mirrors of the first mirror device and the second mirror device. Switch control method
ことを特徴とする請求項２２記載の光スイッチの制御方法。 The sum of the time of the second step and the time of the third and fourth steps is the first perturbation period specified by the perturbation frequency of the mirror of the first mirror device, and the second 23. The method of controlling an optical switch according to claim 22, wherein the optical switch is an integral multiple of a time zone that is a least common multiple of a second perturbation period specified by a frequency of perturbation of the mirror of the mirror device.
ことを特徴とする請求項２１記載の光スイッチの制御方法。 The method of controlling an optical switch according to claim 21, wherein when the light intensity fluctuation of the output light becomes a predetermined value or less in the first step, the process proceeds to the second step.
ことを特徴とする請求項２１記載の光スイッチの制御方法。 The shift from the second to the fifth step of stopping the repetition of the fourth step is performed when the light intensity fluctuation of the output light becomes a predetermined value or less in the second step. The control method of the optical switch of description.
ことを特徴とする請求項２５記載の光スイッチの制御方法。 26. The method of controlling an optical switch according to claim 25, wherein in the fifth step, the value of the voltage is gradually decreased with time until the amplitude of the perturbation becomes zero.
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