JP4164105B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

この発明は光路中にミラーを挿抜することにより光路を切り替える光スイッチに関する。

この種の光スイッチは例えば光ビームが入力される入力ポートと、その入力ポートから出射される光ビームの光路中に挿抜駆動されるミラーと、第１及び第２の出力ポートとを具備して構成され、ミラーが光路中に挿入されることにより、入力ポートからの光ビームがミラーで反射されて第１の出力ポートに入射、結合し、ミラーが光路から抜出されることにより、入力ポートからの光ビームがそのまま直進して第２の出力ポートに入射、結合するものとなっており、このようにして第１の出力ポートと第２の出力ポートの出力が切り替えられるものとなっている。

このような光スイッチにおいて、例えばミラー挿入時には光ビームを十分に反射して第１の出力ポートに結合させると共に、第２の出力ポートへのクロストークが生じないようにし、またミラー抜出時には光ビームを十分に第２の出力ポートに結合させると共に、第１の出力ポートへのクロストークが生じないようにする必要がある。
このように挿入損失を低減し、かつクロストークを低減するために、従来においてはミラー挿入時にはミラーを光ビームに対して十分に挿入し、またミラー抜出時にはミラーを光ビームから十分に退避させるといったことが一般に行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３５４４５８号公報

しかるに、従来においては挿入損失低減及びクロストーク低減のために、ミラーの駆動ストロークの増大を余儀なくされ、その点でミラー駆動機構の負荷増大を招いていた。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、従来に比し、ミラーの駆動ストロークを低減することができ、かつ挿入損失やクロストークに対して十分な性能を有する光スイッチを提供することにある。

請求項１の発明によれば、光ビームが入力される入力ポートと、その入力ポートからの光ビームの光路中の所定の切り替え位置に挿抜駆動されるミラーと、入力ポートから入力され、切り替え位置に挿入されたミラーで反射された光ビームが結合する第１の出力ポートと、入力ポートから入力され、切り替え位置を通過した光ビームが結合する第２の出力ポートとを備える光スイッチにおいて、ミラーの切り替え位置からの抜出時に後端となる部分に、入力ポートからの光ビームを透過せず、かつ入力ポートからの光ビームの第１の出力ポートへの結合も阻止する阻止部が設けられる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、ミラーの切り替え位置からの抜出時に、入力ポートからの光ビームの第２の出力ポートへの挿入損失が所定値以下となる抜出位置を第１の位置とし、第１の出力ポートへのクロストークが所定値以下となる抜出位置を第２の位置とした時、阻止部は第１の位置と第２の位置の距離に相当する長さを占めるように設けられる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、阻止部は表面が反射面とされ、その反射面は入力ポートからの光ビームを第１の出力ポートに反射しないように配向される。

請求項４の発明では請求項３の発明において、前記反射面は入力ポートからの光ビームを入力ポートに反射しないように配向される。
請求項５の発明では請求項３又は４の発明において、阻止部はミラーのミラー面から突出されて、入力ポート及び第１、第２の出力ポートの光軸を含む平面と平行な断面形状が三角形をなすものとされ、その三角形のミラー面から突出した一辺は入力ポートからの光ビームをその入射面内においてミラー面による反射方向とは反対方向に反射する傾斜を有し、前記三角形のミラー面から突出した他辺は入力ポートからの光ビームの照射を受けない傾斜を有するものとされる。

請求項６の発明では請求項５の発明において、入力ポートから入力され、切り替え位置を通過した光ビームは、さらに少なくとも第２のミラーのミラー面で反射されて第２の出力ポートに結合するものとされ、阻止部の前記一辺をなす反射面は第２のミラーのミラー面と平行とされる。
請求項７の発明では請求項１又は２の発明において、阻止部は入力ポートからの光を吸収する部材で構成される。

この発明によれば、光路中からのミラー抜出時に、阻止部を従来退避すべき位置に留まらせることができ、かつその状態において挿入損失やクロストークに対して十分な性能を得ることができるものとなっており、よって従来に比し、ミラーの駆動ストロークを低減することができる。

まず初めに、挿入損失及びクロストークについて具体的に説明する。
図１は光ビームが入力される入力ポート１１と、第１及び第２の出力ポート２１，２２と、入力ポート１１からの光ビームの光路中の所定の切り替え位置に挿抜駆動されるミラー３０とを具備する光スイッチの要部を示したものである。図１Ａに示したように、入力ポート１１からの光ビームの光路中の切り替え位置にミラー３０が挿入されることにより、入力ポート１１からの光ビームはミラー３０で反射されて第１の出力ポート２１に結合する。また、図１Ｂに示したように、ミラー３０が光路中の切り替え位置から抜出されることにより、入力ポート１１からの光ビームは切り替え位置を通過して第２の出力ポート２２に結合する。入力ポート１１及び第１、第２の出力ポート２１，２２は光導波手段であって、例えば光ファイバや光導波路とされる。ミラー３０は駆動機構（図示せず）によって駆動され、この例では直線往復運動するものとされる。

図２は入力ポート１１から出射される光ビーム４０とミラー３０との関係を入力ポート１１側から見て（入力ポート１１の位置から見て）示したものであり、図３はミラー３０の先端位置（光路中への挿入時に先端となる位置）と、各出力ポート２１，２２の光出力との関係を示したものである。
この図３はビーム径（電界強度が中心の１／ｅ^２となる径）２５μｍの光ビーム４０が高さ１００μｍのミラー３０の下から６０μｍの高さ位置に照射される場合について、計算により求めたものである。図３の横軸は光ビーム４０の中心に、ミラー３０の先端が位置する場合（図２の場合）をゼロとしている。なお、横軸は光ビーム４０の光軸に対して垂直方向の距離として表しており、従ってミラー３０の挿抜方向の移動量は図１Ａに示したように光ビームの光軸とミラー３０とのなす角度をθとした時、横軸の距離に１／ｓｉｎθを乗じる必要がある。

ここで、挿入損失を０．１ｄＢ以下とし、クロストークを−６０ｄＢ以下として、一般的に十分とされる挿入損失及びクロストークを確保することを考えた場合、必要とされるミラー３０の挿抜範囲は挿入損失確保とクロストーク確保とで異なってくる。
図３に示した位置Ｐ_１は光路中の切り替え位置からのミラー３０抜出時に、第２の出力ポート２２の挿入損失が所定値（０．１ｄＢ）以下となる位置であり、位置Ｐ_２は第１の出力ポート２１のクロストークが所定値（−６０ｄＢ）以下となる位置である。これら位置Ｐ_１，Ｐ_２から明らかなように、ミラー抜出時、第１の出力ポート２１へのクロストーク低減のためには、第２の出力ポート２２への挿入損失低減のために確保すべき透過領域よりもミラー３０は大きく退避する必要がある。

一方、位置Ｐ_１’は光路中の切り替え位置へのミラー３０挿入時に、第１の出力ポート２１の挿入損失が０．１ｄＢ以下となる位置であり、位置Ｐ_２’は第２の出力ポート２２のクロストークが−６０ｄＢ以下となる位置である。これら位置Ｐ_１’，Ｐ_２’から明らかなように、ミラー挿入時、第１の出力ポート２１への挿入損失低減のため確保すべき反射領域と第２の出力ポート２２へのクロストーク低減のため確保すべき遮光領域を比較した場合、確保すべき遮光領域の方が大きくなる。
以上より、光路切り替えにおいて、両出力ポート２１，２２の挿入損失をそれぞれ確保するために必要なミラー３０の挿抜範囲は図３中に示したように位置Ｐ_１，Ｐ_１’間となり、両出力ポート２１，２２のクロストークをそれぞれ確保するために必要なミラー３０の挿抜範囲は図３中に示したように位置Ｐ_２，Ｐ_２’間となる。

これら範囲の差として現れる領域を図３中に示したように、領域Ａ，Ｂとすると、領域Ａ（位置Ｐ_１’，Ｐ_２’間）の距離と領域Ｂ（位置Ｐ_１，Ｐ_２間）の距離とは一般に等しく、領域Ａはミラー挿入時において第２の出力ポート２２へのクロストークさえ満足すればよく、つまり第２の出力ポート２２に対する遮光性能さえ持てばよく、領域Ｂは第１の出力ポート２１に対して光ビームを反射しなければよいことになる。なお、図２中には図３と対応して、挿入損失確保に必要な領域とクロストーク確保に必要な領域とを光ビーム４０に対して示している。

この発明は上述したような状況を前提としており、ミラー３０の切り替え位置からの抜出時に後端となる部分に、言い換えればミラー３０の切り替え位置への挿入時に先端となる部分に、入力ポート１１からの光ビームを透過せず、かつ入力ポート１１からの光ビームの第１の出力ポート２１への結合を阻止する阻止部を設けたものである。
図４はミラー３０に阻止部を設けた、この発明の一実施例を示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付してある。なお、図４中には（図１も同様）、上述した挿入損失確保に必要な光ビームの領域とクロストーク確保に必要な光ビームの領域とを破線で示している。

阻止部３１はこの例ではミラー３０のミラー面３０ａから突出して設けられており、入力ポート１１及び第１、第２の出力ポート２１，２２の光軸を含む平面と平行な断面形状が三角形をなすものとされる。阻止部３１はこの例ではミラー３０と一体形成されている。
ミラー３０の挿抜方向においてミラー３０上における阻止部３１の占める長さは前述した点Ｐ_１，Ｐ_２間（領域Ｂ）の距離に１／ｓｉｎθを乗じた長さとされており、つまり図４において破線で示した挿入損失確保に必要な光ビームの領域とクロストーク確保に必要な光ビームの領域の片側差分をミラー３０の挿抜方向において占める長さとされている。

断面三角形とされた阻止部３１の、ミラー面３０ａから突出する一辺をなす面３１ａは入力ポート１１からの光ビームの光軸とは垂直ではなく、入力ポート１１からの光ビームをその入射面内においてミラー面３０ａによる反射方向とは反対方向に反射する傾斜を有するものとされ、三角形のミラー面３０ａから突出する他辺をなす面３１ｂは入力ポート１１からの光ビームの照射を受けない傾斜を有するものとされている。
阻止部３１の面３１ａ，３１ｂを上記のような傾斜を有するものとすることにより、この例のように阻止部３１がミラー３０と一体形成され、阻止部３１の面３１ａ，３１ｂが反射面となってしまうような場合であっても、阻止部３１によって反射された光ビームが第１の出力ポート２１に結合するのを阻止することができ、また阻止部３１によって反射された光ビームが入力ポート１１に戻り光として結合するのを阻止することができる。なお、この例では面３１ｂは入力ポート１１からの光ビームの光軸と平行とされている。

ミラー３０に上述したような阻止部３１を設けることにより、ミラー３０を入力ポート１１からの光ビームの光路中に挿入して光ビームを反射し、第１の出力ポート２１に結合させる場合に、ミラー３０の挿入位置を図４Ａに示した位置とすれば、第１の出力ポート２１の挿入損失を所定値（０．１ｄＢ）以下とすることができ、また第２の出力ポート２２のクロストークを所定値（−６０ｄＢ）以下とすることができる。
一方、ミラー３０を光ビームの光路から抜出して入力ポート１１からの光ビームを第２の出力ポート２２に結合させる場合にはミラー３０の位置を図４Ｂに示した位置とすればよく、これにより第２の出力ポート２２の挿入損失を所定値（０．１ｄＢ）以下とすることができ、また第１の出力ポート２１のクロストークを所定値（−６０ｄＢ）以下とすることができる。

つまり、阻止部３１は光路へのミラー挿入時には第２の出力ポート２２に対する十分な遮光領域確保（クロストーク低減）のために機能し、ミラー抜出時には第１の出力ポート２１に対して光ビームを反射結合させないように（クロストーク低減のために）機能するものであり、よってミラー抜出時には図１Ｂに示した阻止部３１を持たない従来のミラー３０のように、光路から十分に抜出させなくてもよく、図４Ｂに示した位置にミラー３０を位置させればよい。
よって、この例ではミラー３０の退避量を図１Ｂの場合と比べ、領域Ｂの距離に１／ｓｉｎθを乗じた距離分、削減することができ、ミラー３０の駆動ストロークを低減することができる。

ミラー３０の駆動ストロークの低減は駆動機構の負荷軽減につながり、特に光スイッチをＭＥＭＳによって作製し、駆動機構として櫛歯型静電アクチュエータを用いるような場合には駆動電圧の低電圧化を図ることが可能となる。
次に、図５に示した実施例について説明する。
この例では入力ポート１１と第１及び第２の出力ポート２１，２２は図に示したように互いに光軸が平行とされて第１の出力ポート２１、入力ポート１１、第２の出力ポート２２の順に配列され、また駆動機構（図示せず）によって光路中に挿抜駆動されるミラー３０に加え、３つの固定ミラー５１，５２，５３を有するものとなっている。

入力ポート１１からの光ビームの光路中の切り替え位置にミラー３０が挿入された図５Ａの状態では光ビームはミラー３０で反射され、さらに固定ミラー５１で反射されて第１の出力ポート２１に結合する。
一方、入力ポート１１からの光ビームの光路中の切り替え位置からミラー３０が抜出された図５Ｂの状態では光ビームは切り替え位置を通過し、固定ミラー５２で反射され、さらに固定ミラー５３で反射されて第２の出力ポート２２に結合する。
図５中には挿入損失確保に必要な光ビームの領域とクロストーク確保に必要な光ビームの領域とを図４と同様、破線で示しており、ミラー３０にはそれら領域の片側差分を占めるように阻止部３１’が図４に示した阻止部３１と同様に設けられている。

この例においてもミラー３０を光路中に挿入して光ビームを反射し、第１の出力ポート２１に結合させる場合に、ミラー３０の挿入位置を図５Ａに示した位置とすれば、第１の出力ポート２１の挿入損失及び第２の出力ポート２２のクロストークの両者を満足することができ、またミラー３０を退避させて図５Ｂに示した位置にすれば、第２の出力ポート２２の挿入損失及び第１の出力ポート２１のクロストークの両者を満足することができ、図４に示した例と同様、ミラー３０に阻止部３１’がない場合と比べてミラー３０の駆動ストロークを低減することができる。

なお、阻止部３１’は図４の阻止部３１と同様、三角形断面を有するものとされており、そのミラー面３０ａから突出する一辺をなす面３１ａはこの例では固定ミラー５２のミラー面５２ａと平行とされ、ミラー面３０ａから突出する他辺をなす面３１ｂは入力ポート１１からの光ビームの光軸と平行とされている。なお、この例では面３１ａがミラー３０の先端側に位置し、面３１ａ，３１ｂの定義は図４の阻止部３１と逆になっている。
阻止部３１’の面３１ａ，３１ｂを上記のような面配向とすることにより、図４における阻止部３１の面３１ａ，３１ｂと同様の機能を得ることができる。加えて、阻止部３１’がミラー３０と一体形成されて面３１ａ，３１ｂが反射面となる場合に、この例では面３１ａを上述したように固定ミラー５２のミラー面５２ａと平行としたことにより、図５Ｂ中に二点鎖線で示したようにこの面３１ａで反射した光が第２の出力ポート２２に結合するものとなり、つまりミラー３０の光路からの抜出時に第１の出力ポート２１へのクロストークを抑えるばかりでなく、阻止部３１’は第２の出力ポート２２への光ビームの反射に寄与する構造となっている。

以上、ミラー３０が往復直線駆動され、２つの出力ポート２１，２２の光量を２値的に、つまり明と暗状態に切り替える光スイッチを例に説明したが、この発明はこのような光スイッチに限定されない。
例えば、ミラーが直線駆動ではなく、回転駆動されて光路中に挿抜される方式のものであってもよい。また、２つの出力ポート２１，２２の光量を２値的に切り替えるのではなく、少なくとも第１の出力ポート２１の暗状態を必要とする光スイッチであれば、この発明を適用してその効果を得ることができる。

なお、光スイッチをＭＥＭＳで作製する場合には上述した実施例のように阻止部３１（３１’）をミラー３０の変形領域としてミラー３０と一体形成するようにすれば、阻止部３１（３１’）を容易に作製することができる。この場合、阻止部３１（３１’）の表面はミラー３０の表面に例えばＡｕなどの反射膜を成膜形成して良好なミラー面とするのに伴い、同様に反射膜が形成されて反射面となるが、実施例に示したような形状、面配向とすることにより所期の機能を得ることができる。
一方、例えば光スイッチをＭＥＭＳではない構成で作製する場合には阻止部を光を吸収する材料で構成すればよく、その場合には阻止部の構成面の面配向は特に制限されない。光を吸収する材料としては、例えば炭素を分散させた黒色の樹脂材料などを用いることができる。

光スイッチの一構成例（従来例）及びその動作を説明するための図。 図１における光ビームとミラーの関係を示す図。 ミラー先端位置と各出力ポートの光出力の関係を示すグラフ。 この発明による光スイッチの一実施例の構成及び動作を説明するための図。 この発明による光スイッチの他の実施例の構成及び動作を説明するための図。

Claims (7)

1. 光ビームが入力される入力ポートと、その入力ポートからの光ビームの光路中の所定の挿入位置と所定の抜出位置との間で挿抜駆動されるミラーと、入力ポートから入力され、前記挿入位置に挿入されたミラーで反射された光ビームが結合する第１の出力ポートと、前記ミラーが前記抜出位置にあるとき入力ポートから入力された光ビームが結合する第２の出力ポートとを備える光スイッチにおいて、
   前記ミラーの、前記挿入位置からの抜出時に後端となる部分に、前記入力ポートからの光ビームを透過せず、かつ前記入力ポートからの光ビームの前記第１の出力ポートへの結合も阻止する阻止部が設けられており、
   前記光ビームは、挿入損失確保に必要な領域と、その領域の周囲にクロストーク確保に必要な領域とを持ち、
   前記挿入位置は、前記ミラーと前記阻止部とが、前記クロストーク確保に必要な領域を覆う位置であり、
   前記抜出位置は、前記阻止部が前記クロストーク確保に必要な領域に留まる位置である、
   ことを特徴とする光スイッチ。
2. 請求項１記載の光スイッチにおいて、
   前記ミラーの、前記挿入位置からの抜出時に、前記入力ポートからの光ビームの前記第２の出力ポートへの挿入損失が所定値以下となる抜出位置を第１の位置とし、前記第１の出力ポートへのクロストークが所定値以下となる抜出位置を第２の位置とした時、前記阻止部は前記第１の位置と第２の位置の距離に相当する長さを占めるように設けられていることを特徴とする光スイッチ。
3. 請求項１又は２記載の光スイッチにおいて、
   前記阻止部は表面が反射面とされ、その反射面は前記入力ポートからの光ビームを前記第１の出力ポートに反射しないように配向されていることを特徴とする光スイッチ。
4. 請求項３記載の光スイッチにおいて、
   前記反射面は前記入力ポートからの光ビームを前記入力ポートに反射しないように配向されていることを特徴とする光スイッチ。
5. 請求項３又は４記載の光スイッチにおいて、
   前記阻止部は前記ミラーのミラー面から突出されて、前記入力ポート及び第１、第２の出力ポートの光軸を含む平面と平行な断面形状が三角形をなすものとされ、
   その三角形の前記ミラー面から突出した一辺は前記入力ポートからの光ビームをその入射面内において前記ミラー面による反射方向とは反対方向に反射する傾斜を有し、
   前記三角形の前記ミラー面から突出した他辺は前記入力ポートからの光ビームの照射を受けない傾斜を有することを特徴とする光スイッチ。
6. 請求項５記載の光スイッチにおいて、
   前記入力ポートから入力された光ビームは、さらに少なくとも第２のミラーのミラー面で反射されて前記第２の出力ポートに結合するものとされ、
   前記阻止部の前記一辺をなす反射面は前記第２のミラーのミラー面と平行とされていることを特徴とする光スイッチ。
7. 請求項１又は２記載の光スイッチにおいて、
   前記阻止部は前記入力ポートからの光を吸収する部材で構成されていることを特徴とする光スイッチ。

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