JP3568120B2 - 光路切替装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は機械式の光路切替装置に関し、特にファイバー駆動型光スイッチやミラー駆動型光スイッチ、ＭＥＭＳ等に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の発達に伴って、光ファイバー通信網は長い光路と複雑な分岐を持つようになった。このような環境では光通信装置や光伝送装置内において、回線間で光ファイバーの光路（伝送経路）を切替える用途が増大し、多くの光路切替装置や光スイッチが用いられている。光スイッチを切替方式でみると、電気的あるいは光学的に光路の屈折率や位相を変化させて光の進行方向を切替える方式のものや、機械的に光路を移動・方向変換させて光の進行方向を切替える機械式のもの等が開発されている。光信号の波長分布を変化させない低損失な光スイッチとしては、後者の機械式光スイッチが有望である。光スイッチを分岐の数でみると、１本の可動光ファイバーを２本の固定光ファイバーに対して切替える１×２型光スイッチや、多数の光ファイバーの端面を対向させた１×ｍ型光スイッチあるいはｎ×ｍ型光スイッチ等がある。また、光路を切替える目的は、通常の回線切替の他に、断線した伝送経路を別の断線していない経路に切替える障害復旧用途や、建物内や地域内の光通信ネットワークの回線を切替える保守点検用途、あるいは測定装置における光路の変更等にも用いられている。
【０００３】
従来の光スイッチは、例えば特開昭６３−８５５２２号公報に開示されている。この光スイッチは、光ファイバーを位置決め固定した２個のブロック（プラグ）をつき合わせて接続し、一方のブロック（可動部）を他方のブロック（固定部）に対して平行移動させて、固定光ファイバーと可動光ファイバー間で光路を切替える光スイッチである。精密な平行移動を実現すべく、ガイドピンとガイドピンを保持する穴と、ガイドピンを内部でスライドさせる穴を有する。この構成は光スイッチの切替機構を開口した容器の中に配置している。電磁力を利用したアクチュエーターでブロックを平行移動させる。他の機械式として、ブリズムや反射ミラーを動かして光路を切替える光スイッチも用いられている。なお、可動光ファイバーから固定光ファイバーに光信号を伝える用途だけでなく、その逆向きに光信号を伝える用途もある。そこで、光信号を光スイッチに入力してくる側を入力側光ファイバーと称し、光信号を光スイッチから出力する側を出力側光ファイバーと称する。どちらも含む場合には、光ファイバーという総称として用いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光スイッチの分野では光信号の伝送速度を向上させることが求められている。ヨークにコイルを巻いた電磁石や永久磁石等を用いたアクチュエーターについても切替速度の向上が必要である。コイルに印加する電圧を大きくして可動部材を動かす磁界を強くしたところ、可動部の切替速度が速くなり、従来よりも切替時間を短くすることができた。しかし、光出力にノイズが発生するという問題が発生した。磁界を強くして可動部を速く動かすことはできたが、可動部の移動を止める位置決め部材と可動部が強く衝突して可動部の振動が問題となった。衝突で可動ブロックが振動すると、可動光ファイバーと固定光ファイバー間の突き合わせにずれを生じ、ファイバー間で光信号が漏れてしまう。その結果、光出力にノイズが生じた。これをチャタリングという。また、ミラーの向きや反射板の配置を変えて光路を切替える光スイッチやＭＥＭＳについても、駆動装置に印加する電圧を大きくすると切替速度が速くなるが、チャタリングを生じた。いずれの方式についても、印加電圧を小さくすればとチャタリングを防ぐことはできるが、可動部やミラーの切替速度が遅くなってしまう。そこで、本発明の目的は高速で光路を切替えてもチャタリングを防止できる光路切替装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の光路切替装置は、アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、前記信号電圧は、立上がり振幅が最大値で、立上がり後に振幅を減少させた波形であり、信号の立ち上がり振幅Ｖ_Ｈと信号幅Ｔについて、信号の立ち上がりからＴ／２経過したときの電圧がＶ_Ｈの２／３倍以下であり、切替えた光路において光出力の波形が立ち上がる前に前記信号電圧の振幅を減少させることを特徴とする。ここで、信号幅Ｔとは、信号の立ち上がりから信号電圧の値がゼロＶになる迄の時間、あるいは信号の立ち上がりから減少した振幅が一定値になる迄の時間をいう。
【０００６】
本発明の他の光路切替装置は、アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、前記信号電圧は、立ち上がり振幅が最大値で、信号の立ち上がり後に振幅が減少する波形であり、前記信号電圧の信号幅が０．５ｍｓ以上且つ２０ｍｓ以下であり、切替えた光路において光出力の波形が立ち上がる前に前記信号電圧の振幅を減少させることを特徴とする。
以 上
【０００７】
本発明の他の光路切替装置は、アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、
前記アクチュエーターに印加する信号電圧は、立ち上がり振幅が最大値で、立ち上がり後に振幅を減少させた波形であり、切替えた光路において光出力の波形が立ち上がる前に前記信号電圧の振幅を減少させることを特徴とする。ファイバー駆動型光スイッチを用いる場合、光ファイバーが切替位置に到達する前に信号電圧を減少させることが、チャタリングを防止する上で好ましい。
【０００８】
上述の信号電圧の波形は、振幅を漸減させた矩形波、鋸歯状波、立ち上がり後に急減する波形、階段状に減少する波形等とすることができる。高速で切替えても可動部が振動せず、出力波形のノイズ（チャタリング）を抑制することができる。
【０００９】
上記本発明において、前記アクチュエーターはコイルで発生させた磁界で駆動する方式（電磁コイル方式）であることが望ましい。また、本発明に適用する光スイッチは、固定光ファイバーを支持する固定部に対して可動光ファイバーを有する可動部を移動させることにより光路を切替えるファイバー駆動式の光スイッチであって、前記アクチュエーターは、永久磁石の磁界とコイルから発生させる磁界によって前記可動部を移動させる構成にすることができる。永久磁石の磁界を用いる場合、可動部が停止位置に近づいたときに吸引される力が大きい。可動部が位置決め部材と衝突するので、振動が大きくなりチャタリングを生じ易い。従って本発明の構成を適用することが必要である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態である光路切替装置について、駆動用の信号電圧と光入出力の関係を説明する概略図である。同図（１ａ）は１×２型光スイッチと、光スイッチの電極端子２ａ、２ｂに接続した信号発生回路９からなる光路切替装置である。この光スイッチの内部構造は、類似の光スイッチである図４及び図５の構成と同様にした。信号発生回路９から光スイッチに加える駆動用の信号電圧と光スイッチの入出力について（１ｂ）のタイミングチャートに示す。まず、入力光ファイバー３から一定のレーザー光が入力されている状態にした。光入力はＯＮである。ここで信号発生回路９から電極２ａ、２ｂにプラスの信号電圧として鋸歯状のパルス波が入力されると、出力側光ファイバー４ａの光出力１はチャタリングを生じることなくＯＮ状態となり、出力側光ファイバー４ｂの光出力２はＯＦＦ状態となった。逆に信号発生回路９から電極２ａ、２ｂにマイナスの信号電圧として鋸歯状のパルス波が入力されると光出力１はＯＦＦ状態となり、光出力２はチャタリングを生じることなくＯＮ状態となった。
【００１１】
図１（１ｃ）は信号発生回路９から光スイッチに入力される信号電圧である。この波形は立ち上がり電圧Ｖ_Ｈ＝５Ｖ、信号幅Ｔ＝４ｍｓ、時間Ｔ／２での電圧が３Ｖである鋸歯状のパルス電圧とした。この信号電圧を光スイッチのコイルに印加すると、可動部がヨークの先端に近づくとき、すなわち、永久磁石磁界による吸引力が強くなる時にコイル磁界による吸引力を低下させるので、総合の吸引力が強くなり過ぎることがないように可動部をファイバー接続位置に移動させることができた。
【００１２】
図２は、他の駆動用の信号電圧の波形を説明するグラフである。アクチュエーターの方式や設計を変更すると、立ち上がり電圧や振幅減少の程度も変化する。このようなとき、図２に説明する波形を出力する信号発生回路を用いることができる。例えば、図２（２ａ）は、立ち上がり電圧Ｖ_Ｈ＝７Ｖで立ち上がり後に急激に電圧が減少する信号電圧である。信号幅Ｔは５ｍｓ、信号終端の電圧は０．５Ｖとした。立ち上がりからＴ／２経過後の電圧は２．８ｖとした。図２（２ｂ）は、立ち上がり電圧は７Ｖ、信号幅Ｔは５ｍｓ、ステップ状に振幅が変化する時間Ｔ_Ｏ＝１．５ｍｓである波形とした。
【００１３】
図２（２ｃ）は立ち上がり電圧５Ｖ、減少させた振幅が１Ｖになるまでの時間Ｔを２ｍｓとした。時間Ｔは信号幅に相当する。時間Ｔ以降は次の切替えを行なうまで１Ｖの電圧を印加し続けた。図２（２ｄ）は、立ち上がり電圧５Ｖ、ステップ状の振幅が変化するまでの時間Ｔ_Ｏ＝３ｍｓで振幅が一定値０．５Ｖにステップ状に減少する波形である。これらの信号電圧は、立ち上がりの振幅を大きくすることで可動部の動き（切替速度）を早くするとともに、可動部が動き出したら信号電圧を急激に小さくして可動部に加わる力を低減してチャタリングを抑制することができた。
【００１４】
図３は、本発明の他の光路切替装置の概略図である。同図（３ａ）の光路切替装置は、信号発生装置９ｂと、波形整形回路５を内臓した光スイッチ１で構成した。信号発生装置の端子ａ及び端子ｂ間から出力した矩形波は、光スイッチの電極２ａ、２ｂから入力された後、電極間に接続された波形整形回路５によって図１（１ｃ）の如き信号波形に整形され、ファイバー駆動回路６に印加された。その結果、出力側ファイバー４ａに接続されていた入力側光ファイバー３は、出力側ファイバー４ｂと接続するように切替えられた。なお、他の実施形態として、図３（３ｂ）のように電極２ａ、２ｂ間に波形整形回路を組み込まず、端子ａと電極２ａの間に直列回路用の波形整形回路５ｂを接続する構成を用いることもできる。
【００１５】
図４は、図１における光スイッチを更に２×４型にした光スイッチであり、その外観を詳細に説明する斜視図である。以下で説明するファイバー駆動回路等は図１の光スイッチに適用することができる。図５は、図４の光スイッチの分解斜視図である。図４において、光スイッチは一対の電極３６と光スイッチ切替手段等を有するセラミックスの筺体３３と、一対の補助電極３７が設けられたセラミックス製の蓋３５を設ける構成とした。筐体３３に設けられた切り欠き部から入力の可動光ファイバー３１と出力の固定光ファイバー３２が突出するように固定される。筐体３３と蓋３５はエポキシ系の接着材３４で接合した。筐体３３に設けられた切り欠き部も接着材３４で塞ぎ、密封した。筐体３３と蓋３５の密封された空間には屈折率整合剤を満たした。電極を除いた寸法は、長さ２８ｍｍ、幅１６ｍｍ、高さ８ｍｍとした。
【００１６】
図５に、光スイッチ内部の構成を説明し易くする為に、蓋３５をはずした様子を示している。点線に沿って蓋３５と筺体３３を接着材で接合させた状態が、前述した図４に相当する。この光スイッチは、電極３６に流す電流の向きを変えることにより、光ファイバー切替手段を駆動し、入力の可動光ファイバー３１と対向する出力の固定光ファイバー３２の組合せを変更させた。入力の可動光ファイバー３１から入射させたレーザー光（光入力１）を出力の固定光ファイバー３２に導いていずれかに光路を切替えるものである。蓋３５の一方の側面に設けられた凹み３５ｂは、筺体３３に設けられた一対の電極３６に対応する。凹み３５ｂは、蓋３５と筐体３３を接合した状態でも、蓋３５が電極３６を圧迫しないようにするために設けた。蓋３５の他端には、一対の補助電極３７が蓋３５に打ち込まれている。補助電極３７は、光スイッチ内に他の電気回路を組んだときに電流を供給する手段として使うためのものである。図４中、矢印Ｘの向きは光ファイバーの長さ方向と平行であり、矢印Ｙの向きは可動ブロックが移動する向きに略平行であり、矢印Ｚの向きは光スイッチの厚さ方向に相当する。
【００１７】
図５の光スイッチの光ファイバー切替手段について詳細に説明する。筺体３３の内部に設けた光ファイバー切替手段は、入力側固定ブロック４１と可動ブロック４２と出力側固定ブロック４３と、可動ブロック４２をＹ−Ｙ′方向に動かすファイバー駆動回路４７と、光信号を入力する可動光ファイバー３１と、光信号を出力する固定光ファイバー３２を備える。２本の入力の可動光ファイバー３１は途中で入力側固定ブロック４１に固定され、その先端を可動ブロック４２に設けた。４本の出力側光ファイバー３２は、その先端を出力側固定ブロック４３に設けた。可動ブロック４２と出力側固定ブロック４３は、各々に設けられた光ファイバー３１、３２の端面と共に対向させた。対向する光ファイバー間では光信号（レーザー光）の伝達が可能となる。
【００１８】
ファイバー駆動回路４７は、略コ字状型のヨーク４４にコイル４５を巻き、略コ字状型のヨーク４４の間に出力側固定ブロック４３と永久磁石４６を配置した構成とした。ヨーク４４の両方の腕において各々に巻いたコイル４５にプラスもしくはマイナスの切替用の信号電圧を印加して、ヨーク４４の先端の間で可動ブロック４２をＹもしくはＹ′方向に平行移動させて、入力側光ファイバー３１と出力側光ファイバー３２の対向する接続の組合せを変更する。可動ブロック４２を平行移動させる際のストッパーとして、可動ブロック４２には突出させた２本の非磁性超硬ピンを設けた（図示を省略）。出力側固定ブロック４３には前記非磁性超硬ピンを挿入させる為に２カ所の幅広の孔を設けた。この幅広の孔の内部で非磁性超硬ピンが平行移動することで、可動ブロックが平行移動した際に、磁気ヨークの一方の先端との間に隙間を残した状態で近接させた。超硬ピンで可動ブロックを支持するとき、光ファイバーを接続した位置であっても可動ブロックとヨークの間には微小なギャップを有する。このギャップは可動ブロックとヨークの吸着を防止する。
【００１９】
可動ブロックは、寸法が幅３．２ｍｍ、長さ２．５ｍｍ、厚さ２．０ｍｍである単結晶フェライトを用いた。長さはファイバーに並行な向きである。可動ブロックから入力側固定ブロックまでの可動ファイバーの長さは７ｍｍ。可動ブロック移動距離は０．２５ｍｍとした。なお、説明を分かり易くするため、図５では、
非磁性超硬ピンおよび光ファイバー３１、３２を覆う被覆の図示は省略した。
【００２０】
この光スイッチに異なる波形の信号電圧を入力したときの光出力の違いを図６のグラフに示す。グラフの横軸ｔは時間を表す。図６（６ａ）は比較例であって、信号幅５ｍｓ且つ電圧５Ｖの矩形波２０を光スイッチのコイル間に印加したところ、ＯＮ（ファイバー接続状態）になった光出力２１にチャタリングを生じた。図６（６ｂ）は本発明の一実施形態であって、信号幅５ｍｓ且つ立ち上がり電圧７Ｖで振幅が急減する信号電圧２２を光スイッチのコイル間に印加したところ、チャタリングのない光出力２３を得られたことを示す。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の光路切替装置は、アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、前記信号電圧は信号の立ち上がり後に振幅が減少する波形とすることで、光スイッチを高速で切替えても出力波形のチャタリングを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光路切替装置における信号電圧と光入出力の関係を説明する概略図である。
【図２】他の信号電圧の波形を説明するグラフである。
【図３】本発明の他の実施形態に係る光スイッチの概略図である。
【図４】本発明の光スイッチの外観を説明する斜視図である。
【図５】図４の光スイッチの分解斜視図である。
【図６】本発明の光出力と従来の光出力を比較するグラフである。
【符号の説明】
１ 光スイッチ、２ａ、２ｂ 電極、３ 入力側光ファイバー、
４ａ ４ｂ 出力側光ファイバー、５ 波形整形回路、５ｂ 波形整形回路、
６ ファイバー駆動回路、９ 信号発生回路、９ｂ 信号発生回路、
２０ 矩形波、２１ 比較例の光出力、２２ 信号電圧、２３ 光出力、
３１ 可動光ファイバー、３２ 固定光ファイバー、３３ 筐体、
３４ 接着剤、３５ 蓋、３５ｂ 凹み、３６ 電極、３７ 補助電極、
４１ 入力側固定ブロック、４２ 可動ブロック、４３ 出力側固定ブロック、
４４ ヨーク、４５ コイル、４６ 永久磁石、４７ ファイバー駆動回路

Claims (3)

1. アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、前記信号電圧は、立ち上がり振幅が最大値で、立ち上がり後に振幅を減少させた波形であり、信号の立ち上がり振幅Ｖ_Ｈと信号幅Ｔについて、信号の立ち上がりからＴ／２経過したときの電圧が２／３Ｖ_Ｈ以下であり、切替えた光路において光出力の波形が立ち上がる前に前記信号電圧の振幅を減少させることを特徴とする光路切替装置。
2. アクチュエーターに信号電圧を印加して光路を切替える機械式の光スイッチと、前記光スイッチに信号電圧を供給する制御回路を備える光路切替装置であって、前記信号電圧は、立ち上がり振幅が最大値で、立ち上がり後に振幅が減少する波形であり、前記信号電圧の信号幅が０．５ｍｓ以上且つ２０ｍｓ以下であり、切替えた光路において光出力の波形が立ち上がる前に前記信号電圧の振幅を減少させることを特徴とする光路切替装置。
3. 前記光スイッチは、固定光ファイバーを支持する固定部に対して可動光ファイバーを有する可動部を移動させることにより光路を切替えるファイバー駆動式の光スイッチであって、前記アクチュエーターは、永久磁石の磁界とコイルから発生させる磁界によって可動部を移動させることを特徴とする請求項１および２に記載の光路切替装置。

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