JP2752451B2 - 光スイッチアレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ等からなるＮ×Ｎの複数の光路
の接続を、空間的に任意に切替える光スイッチアレイに
関するものである。

（従来の技術） 光通信、光ファイバの研究実用化の進展に伴い、複数
の光路の接続を任意に切替える光スイッチが注目を集め
ている。

このため、光変調器、光スイッチを組合わせて、Ｎ入
力,N出力中の所望の入出力同士を、任意に接続すること
ができる光スイッチアレイの実用化が待たれている。

従来より、電気光学効果、即ち、電気光学素子（例え
ばLiNbO₃）等に電界を印加すると、その屈折率が変化
し、導光路が変化するという原理を利用した接続切替
え、あるいは機械的接続切替え等を用いた光スイッチア
レイが種々提案されている。

第２図は、光スイッチアレイの第１の従来例を示す構
成図で、電気光学効果を発現する電気光学素子を用いた
構成例である。第２図において、Ｉは入力光路群、Ｏ−
Ａ（Ｏ−1A〜Ｏ−4A）とＯ−Ｂ（Ｏ−1B〜Ｏ−4B）は２
組の出力光路群である。１（１−11〜１−14,1−21〜１
−24,1−31〜１−34,1−41〜１−44）は導波路クロス部
に配置された光スイッチで、例えば、LiNbO₃からなる電
気光学素子を基盤に埋め込んだ方向性結合器により構成
されている。各光スイッチ１は、電圧無印加時
（「０」）には、入射した光を他方の導波路には結合さ
せず、伝搬してきた導波路をそのまま伝搬させる。一
方、電圧印加時（「１」）には、他方の導波路に結合さ
せる。

このような構成において、例えば、入力光路Ｉ−１に
よる信号光を出力光路Ｏ−1Aに、入力光路Ｉ−２による
信号光を出力光路Ｏ−2Aに、入力光路Ｉ−３に入力した
信号光を出力光路Ｏ−3Aに、入力光路Ｉ−４による信号
光を出力光路Ｏ−4Aにそれぞれ導く場合、各光スイッチ
１は、第３図に示すように設定される。即ち、光スイッ
チ１−11,1−22,1−33,1−44に対してのみ電圧を印加せ
ず、残りの光スイッチに対しては電圧を印加する。

第２図の光スイッチアレイでは、２ナノ秒（ns）以下
という高速の接続切替えが可能である。

第５図は、光スイッチアレイの第２の従来例を示す構
成図である。第５図において、２は入力光路用光ファイ
バ群、３は出力光路用光ファイバ群、４は一端が出力光
路用光ファイバ群３の各光ファイバと光コネクタを介し
て接続された接続切替用光ファイバ群、5a,5bは互いに
対をなし接続可能な光コネクタで、光コネクタ5aは入力
光路用光ファイバ群２の各光ファイバに、光コネクタ5b
は接続切替用光ファイバ群４の各光ファイバの他端に接
続されている。６はマイクロアクチュエータ（ロボット
アーム）である。

このような構成における光路の接続切替えは、マイク
ロアクチュエータ６を図示しない制御系により制御し
て、空間で交差可能な光コネクタ5bを移動させ、所望の
位置の光コネクタ5aと接続することにより行われる。

第６図は、光スイッチアレイの第３の従来例を示す構
成図で、モジュール型の機械式光スイッチアレイの構成
例である。第６図において、７は入力光路用光ファイバ
アレイ、８は出力光路用光ファイバアレイ、９は内部に
光路変換機能を有する接続切替用光ファイバブロック群
で、図中、奥行方向に異なった接続形態を有する複数の
配線モジュールが収容されており、実線で示す矢印の方
向にスライド可能となっている。

この光スイッチアレイにおける光路の接続切替えは、
予め接続すべき所望の接続形態を有するブロックを選択
し、これを入出力光路用光ファイバアレイ7,8と対向す
るようにスライドさせることにより行なわれる。

また、第７図は光スイッチ（アレイ）の第４の従来例
を示す構成図である。第７図において、10は入力光路用
光ファイバ、11（11−1,11−2,11−3,11−4,11−5,11−
６）は出力光路用光ファイバ、12はステッピングモー
タ、13はステッピングモータ13のモータ軸12aに45゜の
角度をもって取付けたミラーである。

このような構成においては、入力光路用光ファイバ10
から出射した光をミラー13に入射させるとともに、ミラ
ー13をモータ軸12aと同心にある光軸上で回転させ、こ
こで全反射した信号光を、所望の出力光路用光ファイバ
11に入射させることにより、光路の切替えが行われる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第１の従来例によれば、高速切替えが
可能であるという利点を有するものの、スイッチング制
御が複雑になるという欠点を有している。

例えば、第３図に示すような接続形態から、入力光路
Ｉ−２と出力光路Ｏ−2A並びに入力光路Ｉ−３と出力光
路Ｏ−3Aを接続したままの状態で、入力光路Ｉ−１と出
力光路Ｏ−4A並びに入力光路Ｉ−４と出力光路Ｏ−1Aと
を接続するような接続形態へ切替えを行う場合、各光ス
イッチ１は、第４図に示すように設定される。

即ち、入力光路Ｉ−２とＩ−３に入力した信号光が通
過する光スイッチ１−12,1−13,1−21〜１−23,1−31〜
１−33への電圧印加状態は変更できないため、光スイッ
チ１−11,1−14及び１−41への電圧印加状態を変更しな
ければならない。

この場合、各光スイッチ１の動作状況を確認した上
で、光スイッチ１−11,1−14及び１−41への電圧印加状
態の変更を、各々に対して個別に行わなければならず、
制御論理が複雑になるとともに、切替自由度が４×４か
らさらに増加すると、より複雑となり、平面的な構成が
困難になるという欠点があった。

また、各信号光が通過する光スイッチ（方向性結合
器）１の数が接続論理によって異なるため、たとえ入力
時に信号光レベルが揃っていたとしても、方向性結合器
による損失の総和が、各信号光間で差が生じ、出力信号
光レベルが出力光路毎に異なってしまうという欠点があ
った。

また、第２の従来例によれば、第１の従来例の電気光
学効果を利用した光スイッチアレイの切替速度（2ns以
下）に比べて、数秒〜数十msと極めて遅いという欠点が
あった。また、入出力信号光の数が増加すると、この速
度的な欠点と制御論理の複雑さから、構成が極めて困難
であるという問題点を有する。

さらに、第３の従来例によれば、操作が簡単で、機械
精度が充分で挿入損失も第２図のものに比べて小さいと
いう利点を有するものの、接続形態を変更するときに、
接続中の他の光路を切断してしまうため、接続の瞬断が
生じるという欠点を克服できない。

これを防止するため、予め第６図に示した光スイッチ
アレイを２組用意し、接続中の光路を、他の光スイッチ
アレイ側に移行し、その後切替える等の方法が考えられ
るが、これでは、構成の複雑化を招き、接続光路数が増
加すると実用的な面から問題がある。

さらにまた、第４の従来例によれば、一度、ミラー13
をモータ軸12aに取付けると、入射光に対する反射方向
は、ミラー13の一の反射角度に対応した第７図中、二点
鎖線で示す軌跡Ｌ上に限られてしまう。即ち、出力光路
の配置位置に制約を受け、汎用性に欠けるという欠点が
ある。

この欠点を解決するために、多面体ミラー、例えばポ
リゴンミラー等の光学ミラーを用いることが考えられ
る。この場合、１対ｎ分岐の分岐数（ｎ）を増加する
と、ポリゴンミラーの各反射面を小さくする必要が生じ
るが、ミラーの加工が極めて困難である。また、光ビー
ム系を小さくしなければ、反射面が信号光数に対して不
足してしまう。さらに、円軌跡に対して平行移動させる
ポリゴンミラーの加工は、特に難しいという欠点があ
る。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、高速な接続切替えを行え、かつ、接続自由
度が高く、挿入損失レベルの変動も小さく、しかも汎用
性の高い光スイッチアレイを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、複数の入力光
路の各々と複数の出力光路の各々との接続切替えを行う
光スイッチアレイにおいて、一の入力光路による光に対
する複数の出力光路への光路情報が所定角度毎にずらし
て記録され、入射した光を当該光路情報に基づく出力光
路に出射する体積ホログラム素子を各入力光路毎に設け
るとともに、前記各体積ホログラム素子を前記光路情報
の記録角度に対応して回転させる複数の回転手段を設け
た。

（作 用） 本発明によれば、例えば、一の体積ホログラム素子を
静止させた状態で、選択した一の入力光路の一点から参
照光を体積ホログラム素子に照射するとともに、選択し
た一の出力光路の一点から物体光を照射させて、体積ホ
ログラム素子に干渉縞（光路情報）を記録する。次に、
体積ホログラム素子を所定角度だけ回転させるととも
に、他の出力光路の一点から物体光を同様に照射させ
て、参照光との干渉縞を記録する。残りの出力光路にお
いても同様に、干渉縞の記録を行う。このような操作を
各入力光路に対応する体積ホログラム素子に対して行
い、一の入力光路からの光に対する複数の出力光路への
光路情報を予め記録しておく。

この状態で、入力光路から光を入射させ、回転手段に
よりこの入力光路に対応する体積ホログラム素子を所定
の角度だけ回転させることにより入射光を所望の出力光
路へ導くことができる。

（実施例１） 第１図は、本発明に係る光スイッチアレイの第１の実
施例を示す構成図である。第１図において、21は入力光
路アレイで、４本の入力光路用光ファイバ（21−11,21
−12,21−21,21−22）を２×２のマトリクス状に配列し
て構成されている。22は出力光路アレイで、入力光路ア
レイ21と対応するように４本の出力光路用光ファイバ22
−11,22−12,22−21,22−22を２×２のマトリクス状に
配列して構成されている。

23は光路切替部で、光スイッチ23−11,23−12,23−2
1,23−22を２×２のマトリクス状に配列して構成されて
いる。

光スイッチ23−11,23−12,23−21,23−22の各々は、
モータ軸231aの直径が1mmのロータリ角度エンコーダ付
ステッピングモータ231と、モータ軸231aの先端面に、
後端面が電極（第１図には図示せず）を介して接着剤で
取付けられた直径1mm、厚さ1mmの構造パラメータを有す
る円柱形状の体積ホログラム素子232−11,232−12,232
−21,232−22とからそれぞれ構成されている。

体積ホログラム素子232−11,232−12,232−21,232−2
2は、例えば、フォトリフラクティブ結晶Bi₁₂SO₂₀から
なり、そのＣ軸方向を円柱面とし、その先端面にはITO
からなる透明電極（ネサ膜、第１図には図示せず）が蒸
着により形成されている。

体積ホログラム素子232−11には、入力光路アレイ21
の光ファイバ21−11を介して入射した信号光に対する出
力光路アレイ22の各光ファイバ22−11,22−12,22−21,2
2−22への四つの光路情報が所定角度、例えば90゜毎に
ずらして後述する方法により記録されている。

同様に、体積ホログラム素子232−12には、入力光路
アレイ21の光ファイバ21−12を介して入射した信号光に
対する出力光路アレイ22の各光ファイバ22−11〜22−22
への四つの光路情報が記録されている。

また、体積ホログラム素子232−21には、入力光路ア
レイ21の光ファイバ21−21を介して入射した信号光に対
する出力光路アレイ22の各光ファイバ22−11〜22−22へ
の四つの光路情報が記録されている。

さらに、体積ホログラム素子232−22には、入力光路
アレイ21の光ファイバ21−22を介して入射した信号光に
対する出力光路アレイ22の各光ファイバ22−11〜22−22
への四つの光路情報が記録されている。

次に、各体積ホログラム素子232−11〜232−22への光
路情報の記録方法について、第８図に基づき体積ホログ
ラム素子232−11を例にとり説明する。なお、第８図に
おいて、233は透明電極（ITO）、234は電極（透明性を
要しない）、235は電源、221は入力側マスク、222は出
力側マスク、25はハーフミラー、26は全反射ミラーであ
る。

まず、第８図の（ａ）に示すように、電源235により
透明電極233と電極234間に5KVの電圧を印加した状態
で、例えば、ビーム系1mmのAr⁺レーザビーム（波長λ＝
454nm）LBを用い、このレーザビームLBのうち、ハーフ
ミラー25にて反射され入力側マスク221のスリット221−
11（この位置に光ファイバ21−11の出射端面が配置され
る）を通過したレーザビームLBを参照光Ｒとし、この参
照光Ｒを透明電極233を介し、体積ホログラム素子232−
11の表面に照射する。これとともに、ハーフミラー25を
透過し、全反射ミラー26にて反射され、さらに出力側マ
スク222のスリット222−11（この位置に光ファイバ22−
11の入射端面が配置される）を通過したレーザビームLB
を物体光Ｍとし、この物体光Ｍを体積ホログラム素子23
2−11の表面に照射し、体積ホログラム素子232−11中に
干渉縞を記録する。

次に、第８図の（ｂ）に示すように、ステッピングモ
ータ231を90゜回転させるとともに、全反射ミラー26を
移動し、出力側マスク222のスリット222−21（この位置
に光ファイバ22−21の入射端面が配置される）を通過し
たレーザビームLBを物体光Ｍとして、前記参照光Ｒとと
もに体積ホログラム素子232−11の表面に照射し、体積
ホログラム素子232−11中に干渉縞を記録する。

次いで、ステッピングモータ231を90゜回転するとと
もに、全反射ミラー26を移動し、光ファイバ22−12の入
射端面が配置される位置の出力側マスク222のスリット
（図示せず）を通過したレーザビームLBを物体光Ｍとし
て、体積ホログラム素子232−11中に干渉縞を記録す
る。

さらに、ステッピングモータ231を90゜回転するとと
もに、全反射ミラー26を移動し、光ファイバ22−22の入
射端面が配置される位置の出力側マスク222のスリット
（図示せず）を通過したレーザビームLBを物体光Ｍとし
て、体積ホログラム素子232−11中に干渉縞を記録す
る。

このようにして、一の入力光路としての光ファイバ21
−11による光に対する出力光路としての光ファイバ22−
11〜22−22への光路情報（干渉縞）が記録される。

他の体積ホログラム素子232−12〜232−22に対しても
同様の方法により、光路情報が記録される。

実際に、光路情報を記録した体積ホログラム素子に、
入射パワを弱めた同波長（λ＝454nm）のAr⁺レーザビー
ムLBを電圧オフの状態にて照射することにより、反射回
折光は４点（出力側マスク222の各スリット）を連続的
に走査することができた。入射パワに対する回折効率η
は、各点に対して40％の強さを得ることができた。

次に、上記構成による動作を、入力光路アレイ21の光
ファイバ21−11と出力光路アレイ22の光ファイバ22−11
との接続から、入力光路アレイ21の光ファイバ21−11と
出力光路アレイ22の光ファイバ22−21との接続へ切替え
を行う場合を例にとり説明する。

まず、入力光路アレイ21の光ファイバ21−11を伝搬し
た波長454nmの信号光は、その端面から出射し、光スイ
ッチ23−11の体積ホログラム素子232−11に入射する。
入射信号光は、体積ホログラム素子232−11に記録され
ている干渉縞（光路情報）により反射回折光となって、
その情報に基づく光路を経て、出力光路アレイ22の光フ
ァイバ22−11の入射端面に結合される。

ここで、光ファイバ22−11による信号光の出力光路
を、出力光路アレイ22の光ファイバ22−11から光ファイ
バ22−21へ切り替える場合、図示しない制御系により光
スイッチ23−11のステッピングモータ231を90゜回転さ
せる。これにより、入射信号光に対する光路情報が、光
ファイバ22−11に関する光路情報から光ファイバ22−21
に関する光路情報に切替わる。従って、入射信号光は、
光スイッチ23−11の体積ホログラム素子232−11により
反射回折光となって、光ファイバ22−21の入射端面に結
合される。このようにして、光路の接続切替えが行われ
る。

他の入力光路としての光ファイバ21−12,21−21,21−
22による信号光に対しても、上記と同様の動作により出
力光路の接続切替えが、任意に独立してそれぞれ行われ
ることになる。

実際に、第１図の光スイッチアレイにおいて、４×４
の多重接続切替えを行った結果、1ms以下の速度での切
替えを実現できた。

以上のように、本第１の実施例によれば、光路の切替
えに回折効率が高く、角度選択性の大きい体積ホログラ
ム素子232−11〜232−22を用いたので、入力信号光の光
路接続部23における光損失を最小限に抑えることがで
き、光路情報の多重記録（接続点分岐）を大きくでき
る。

また、各出力光路としての光ファイバ22−11〜22−22
の入射端面の配置位置（回折位置）に対して、信号光が
導かれるように光路情報（干渉縞）を記録するので、信
号光を正確に所望の光ファイバ22−11〜22−22へ導くこ
とができる。また、この記録時に、出力点を規定する
と、任意の点に、出力光を向けることができる。従っ
て、接続の自由度が重複状態も含めて、極めて大きいと
いう利点がある。

さらに、光路の接続切替えにモータ軸231aの回転運動
という、精度の高い機構を用いているため、例えば、従
来のＸ、Ｙ、Ｚ方向の平行移動機構に対して、ガタ、ブ
レ等の要因が小さく、切替え速度は、ステッピングモー
タ231の回転速度（〜10⁴rpm）のみに依存する。回転
は、約5msが上限であるため、角度の分割分だけ速くな
り、1ms以下の高速切替えが可能である。

（実施例２） 第９図は、本発明に係る光スイッチアレイの第２の実
施例を示す構成図である。本第２の実施例では、第１の
実施例の反射型の体積ホログラム素子の代わりに、透過
型の体積ホログラム素子を用いている。このため、入力
光路アレイ31と、接続切替部33と、出力光路アレイ32を
表記した順に、直列的に配置し、かつ、光スイッチ33−
11〜33−44を外径2mm、内径1.5mmの中空モータ軸を有す
るマイクロモータと、このマイクロモータにて回転され
る直径2mm、厚さ2mmのCeドープ（0.6atomic％）SrBaNbO
₃の単結晶からなる体積ホログラム素子により構成して
いる。

第10図は、この光スイッチの断面構造を示す図であ
る。第10図において、331はマイクロモータ、331aは中
空モータ軸、331bは中空モータ軸331aを回転させる中空
モータ軸駆動部、332は体積ホログラム素子、333は透明
電極、334は電極で、体積ホログラム素子332は電極334
を介して中空モータ軸331aの端面に、接着剤により取付
けてある。

このような構成において、16×16の多重接続を含む光
路切替えを、1ms以下の速度で実現できた。

本第２の実施例においては、前記第１の実施例の効果
に加えて、入力光路アレイ31、光路切替部33、出力光路
アレイ33を直列的に配置できるので、よりコンパクトな
構成を実現できる利点がある。

（実施例３） 本実施例では、前記実施例１と同様に、ロータリ角度
エンコーダ付ステッピングモータのモータ軸に、フォト
リフラクティブ結晶Bi₁₂SO₂₀（円柱形状）からなる体積
ホログラム素子を取り付け、ビーム径1mmのAr⁺レーザビ
ームを入力面と出力面からの２光速とに分割し、体積ホ
ログラム素子中に、モータ軸を0.1度／秒の条件で回転
させながら、90度モータ軸が回転するまで干渉縞を連続
的に記録した。次に、異なった出力面を選択し、同じ条
件で90度連続して記録し、これをさらに２回繰り返し
た。

次に、この光スイッチに、参照光を記録時の入力面と
同じ方向から照射しながら出力光を各々の出力面で観測
すると、第11図に示すような出力特性が得られた。

これに対して、第12図は、第４の従来例（第７図）の
ように回転角に対して直交ミラーを用いた場合の出力特
性を示している。

両者を比較すると、本発明に係る光スイッチでは、モ
ータ軸の回転角に対して、長い保持時間で出力光面に分
岐できることが分かる。これは体積ホログラム素子中へ
の記録時に、90度回転する間、同一出力面を規定する干
渉縞が連続して並ぶためである。

また、一つの入力面に対して、複数の出力面を設定
し、入力面と複数の出力面からの光を、円柱上の体積ホ
ログラム素子に照射させて記録した後、参照光にて再生
を行うと、一つの参照光に対し、予め設定した複数の出
力面に光を同時に接続することができた。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、接続切替点に
配置される体積ホログラム素子は、回折効率が高く、角
度選択性が大きいため、入射した光の損失を最小限に抑
えることができ、切替部の損失が小さく、かつ、接続損
失の変動も少なく、均一な出力特性を得ることができ、
しかも高速切替可能な光スイッチを実現できる利点があ
る。

また、各出力光路が配置される位置に対する光路情報
を随時記録することができるので、出力光路の配置位置
に対して制約を受けることがなく、かつ、接続の自由度
が極めて大きく、しかも、汎用性の高い光スイッチアレ
イを実現できる。

また、従来のミラー、ポリゴンミラー等の回転では、
殆ど不可能であった、光の同時分配や長時間接続保持の
ような、特殊な切替えも実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光スイッチアレイの第１の実施例
を示す構成図、第２図は第１の従来例を示す構成図、第
３図は第２図の動作例を示す図、第４図は第１の従来例
の課題を説明するための図、第５図は第２の従来例を示
す構成図、第６図は第３の従来例を示す構成図、第７図
は第４の従来例を示す構成図、第８図は本発明に係る光
路情報の記録方法の説明図、第９図は本発明に係る光ス
イッチアレイの第２の実施例を示す構成図、第10図は第
２の実施例に係る光スイッチの断面構造を示す図、第11
図は本発明に係る光スイッチの干渉縞が連続して記録さ
れた場合の出力特性図、第12図は回転ミラーを回転させ
る従来の光スイッチの出力特性図である。 図中、21,31……入力光路アレイ、22、32……出力光路
アレイ、23,33……接続切替部、23−11〜23−22,33−11
〜33−44……光スイッチ、231……スッテピングモー
タ、231a……モータ軸、232（232−11〜232−22）、332
……体積ホログラム素子、331……マイクロモータ、331
a……中空モータ軸、331b……中空モータ軸駆動部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畠山 厳 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 26/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の入力光路の各々と複数の出力光路の
   各々との接続切替えを行う光スイッチアレイにおいて、 一の入力光路による光に対する複数の出力光路への光路
   情報が所定角度毎にずらして記録され、入射した光を当
   該光路情報に基づく出力光路に出射する体積ホログラム
   素子を各入力光路毎に対応させて設けるとともに、 前記各体積ホログラム素子を前記光路情報の記録角度に
   対応して回転させる複数の回転手段を設けた ことを特徴とする光スイッチアレイ。