JP4310324B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、伝送媒体を用いて伝送された情報を複数の経路にスイッチングする光スイッチに係り、特に波長多重伝送（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）方式の伝送媒体に好適な光スイッチに関する。

ノイズに強く、多量の情報を高速に伝送可能であるという利点を有する光伝送が従来から用いられてきている。特に、大容量のデータを伝送できることから、波長多重伝送
（ＷＤＭ）がその有力な手段となっている。このような多量のデータを伝送する場合、受信元では必要な情報を選択的に利用するのが効率的であるから、スイッチング手段を用いて送られてきた情報から必要情報を選択している。また、光通信を利用したデジタル計算機等においては、複数の通信回路を設け、その通信回路を切換えて使用することがある。この切換えには、光スイッチが有力な手段である。

そこで近年、各種の光スイッチが提案されている。例えば、特開平５−２４９３８６号公報には、１本の入力ファイバから入力された情報を、４本の出力ファイバに出力する光スイッチが記載されている。この光スイッチは、光ファイバを直接移動させるものであり、中間部にファイバ２本からなるアレイを固定配置し、このアレイの一方端側にファイバ１本を可動に設け、他端側にファイバ４本を可動に設け、それぞれの光軸を合わせるように駆動手段が各可動ファイバを駆動している。

特開平５−２４９３８６号公報

上記公報に記載の光スイッチは、従来用いられてきたいわゆる１×２切換え光スイッチに比べて２倍の切換え能力がある利点を有している。しかしながら、光スイッチを切り換える際にファイバ４本の可動ファイバアレイを動かすので、１×２の光スイッチの場合に比べ、駆動手段に大きな駆動力を必要とする。また、可動光ファイバーの位置についてはある程度は考慮されているもののまだ十分ではない。例えば１本の可動ファイバを動かす場合に、ファイバ先端が切り換え平面内で回転し、光の結合効率が低下するおそれがあった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、小型でコンパクトな光スイッチを実現することにある。本発明の他の目的は、光スイッチの結合効率を高めることにある。

上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、基板と、この基板の一方端側に１本の光ファイバを固定する第１の光ファイバ固定部材と、基板の他端側に４本の光ファイバを固定する第２の光ファイバ固定部材と、第１の光ファイバ固定部材と第２の光ファイバ固定部材の間に配置した２本の光ファイバと、この２本の光ファイバを基板に対して移動可能にする可動手段とを備えたものである。

上記目的を達成するための本発明の第２の特徴は、基板と、この基板の一方端側に入力側光ファイバを固定する入力側光ファイバ固定部材と、基板の他端側に複数の出力側光ファイバを固定する出力側光ファイバ固定部材と、入力側光ファイバ固定部材と出力側光ファイバ固定部材の間に配置された複数の切換え用光ファイバと、この切換え用光ファイバの少なくとも一部を基板に対して移動可能にする可動手段とを備え、切換え用光ファイバの本数は出力用光ファイバの本数より少ないものである。

そして上記いずれかの特徴において、移動可能な光ファイバまたは切換え用光ファイバは、両端部側を前記基板に対して移動可能にし、中間部を前記基板に固定することが望ましい。また、可動手段は、移動可能な光ファイバまたは切換え用光ファイバの一端側に設けた第１の駆動部と他端側に設けた第２の駆動部とを備えることが望ましい。

さらに上記第２の特徴において、入力用光ファイバの本数が１本であり、出力用光ファイバの本数が４本であり、切換え用光ファイバの本数が２本であることが望ましい。

さらに上記いずれかの特徴において、移動可能な光ファイバまたは切換え用光ファイバの一端部を保持する第１の保持手段と、この光ファイバの他端部を保持する第２の保持手段とを設け、第１の駆動部がこの第１の保持手段を前記基板に対して移動可能にし、第２の駆動部が第２の保持手段を基板に対して移動可能にすることが望ましい。

上記目的を達成するための本発明の第３の特徴は、基板と、この基板上に固定された第１の固定ブロックと、この第１の固定ブロックに長手方向の中間部が固定され両端部が片持ち梁状となっている２本の可動光ファイバと、２本の可動光ファイバの両先端部に固定された軟磁性体の２個の可動ブロックと、一方の可動ブロックに対向して配置され１本の光ファイバを固定可能な軟磁性体の第２の固定ブロックと、他方の可動ブロックに対向して配置され４本の光ファイバを固定可能な軟磁性体の第３の固定ブロックと、２個の可動ブロックをそれぞれ独立に第２及び第３の固定ブロックに対し移動させるアクチュエータと、２個の可動ブロックを第２および第３の固定ブロックに対し位置決めする手段とを有するものである。

そして好ましくは、２本の可動光ファイバーと、第１の固定ブロックと、２個の可動ブロックとを、可動光ファイバーを弾性体とする平行板バネ構造とした。また、可動ブロックが、電磁アクチュエータの一部を構成するようにするのが望ましい。

以上述べたように本発明によれば、小型でコンパクトな１入力４出力型の光スイッチを実現できる。

以下、本発明のいくつかの実施例を、図面に基づいて説明する。

図３は、本発明に係る光スイッチの一実施例の分解斜視図である。本実施例の光スイッチは、切換位置検出機能を有する１×４光スイッチである。基板９上の両端側に、固定ファイバ保持ブロック１０，１１及び中間ファイバ固定ブロック１２が固定されている。固定ファイバ保持ブロック１０には、１本の入力ファイバ１９が固定される。また、固定ファイバ保持ブロック１１には、４本の出力ファイバ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが固定されている。

基板９の中央付近には、中間ファイバ固定ブロック１２が基板９に固定配置されている。この中間ファイバ固定ブロック１２には、２本の長さが等しい中間ファイバ２１ａ，
２１ｂが、ほぼその中央部で固定されている。中間ファイバ２１ａ，２１ｂの両端には、可動ファイバ保持ブロック１３，１４が取付けられており、この可動ファイバ保持ブロック１３，１４は固定ファイバ保持ブロック１０，１１と位置合わせ可能である。

固定ファイバ保持ブロック１０及び可動ファイバ保持ブロック１３の両側部であって基板９上には、可動ファイバ保持ブロック１３の吸引方向を切り換え可能に電磁アクチュエータ１５が取りつけられている。同様に、固定ファイバ保持ブロック１１及び可動ファイバ保持ブロック１４の両側部であって基板９上に、電磁アクチュエータ１６が取り付けられている。

電磁アクチュエータ１５は、駆動電極１７ａ，１７ｂ及び検出電極１８を備えている。これにより、１入力２出力、すなわち、１×２の光切り換えが可能になる。また、検出電極１８は、切り換え位置を検出するのにも用いられる。同様に、電磁アクチュエータ１６も駆動電極２２ａ，２２ｂ及び検出電極２３を有し、２入力４出力、すなわち２×４に光路を切り換えるとともに切換えた位置を検出する。

基板９を収納するベース２４には内部電極２５ａ，２５ｄがその両端部近傍に設けられており、駆動電極１７ａ，１７ｂはこの内部電極２５ａ，２５ｄに電気的に接続されている。ただし、この図３では理解を容易にするため、基板９はベース２４から切り離されているので、駆動電極１７ａ，１７ｂと内部電極２５ａ，２５ｄの接続を省略している。検出電極１８は、内部電極２５ｂあるいは内部電極２５ｃに電気的に接続されている。同様に、駆動電極２２ａ，２２ｂは内部電極２６ａ，２６ｄに、検出電極２３は内部電極26ｂあるいは内部電極２６ｃに電気的に接続されている。

ベース２４に、基板９と基板９に搭載された各部品を収納した後、カバー２９を気密性よく接着する。そして、カバーに設けた穴３０から図示しない屈折率整合液を注入する。穴３０にはプレート３１が気密性良く接着されているので、注入した屈折率整合液が外部に漏れることはない。内部電極２５ａ〜２５ｄは、外部電極２７ａ〜２７ｄとベース２４内で電気的に接続されている。同様に、内部電極２６ａ〜２６ｄは、外部電極２８ａ〜
２８ｄと電気的に接続されている。したがって、ベース２４をカバー２９で覆って気密性よく封じた後も、外部電極を用いて光スイッチを駆動すること及び切り換え位置を検出することができる。

次に、上記実施例の光切換部の詳細を図１に示す。切換え用の中間ファイバ（可動光ファイバ）１ａ，１ｂ内を伝搬した入力光信号が、出力光ファイバ４ａ〜４ｄに伝搬する様子を示す。可動光ファイバ１ａ，１ｂの端部は、可動ファイバ保持ブロック５に形成された溝に保持されている。そして、この保持ブロック５には、可動ファイバ１ａ，１ｂを保持する溝の外側に、位置決め用のピン２ａ，２ｂが左右方向に摺動する溝３ａ，３ｂが形成されている。可動光ファイバ１ａ，１ｂの端部および位置決め用のピン２ａ，２ｂをそれぞれの溝３ａ，３ｂに保持した後、押さえ板７を保持ブロック５に接着固定する。

可動光ファイバ１ａ，１ｂの軸線方向には、可動光ファイバ１ａに対向して固定光ファイバ４ａ，４ｂを固定し、可動光ファイバ１ｂに対向して固定光ファイバ４ｃ，４ｄを固定するために、固定ファイバ保持ブロック６が基板上に固定されている。この固定ファイバ保持ブロック６には、出力側の光ファイバ４ａ〜４ｄの端部と位置決め用のピン２ａ，２ｂを保持する溝が形成されている。これら光ファイバ４ａ〜４ｄの端部と位置決め用のピン２ａ，２ｂとを溝に収容した後、押さえ板８を固定ファイバ保持ブロック６に接着固定する。この保持ブロック５，６と押さえ板７，８の接着固定の際には、光ファイバを精度良く位置決めできるようにしている。

ピン２ａ，２ｂは、固定ファイバ保持ブロック６に精度良く接着固定されている。一方、ピン２ａ，２ｂは溝３ａ，３ｂ内を左右に移動可能になっている。そして、溝３ａ，
３ｂの側面部と接触したときが移動の限界であり、この左右の限界に来たときに、可動光ファイバ１ａ，１ｂと出力側光ファイバ４ａ〜４ｄの光軸があった状態に設定する。この結果、可動ファイバ保持ブロック５と固定ファイバ保持ブロック６との相対位置を精度良く位置決めでき、可動光ファイバ１ａ，１ｂと固定光ファイバ４ａ〜４ｄとの切換えの再現性を向上できる。

なお、本実施例では、可動光ファイバを２本まとめて移動させている。光ファイバを１本だけ動かすと、光ファイバが曲がって接続効率が低減するが、２本以上同時に移動させると光ファイバの曲がりを防止でき、光ファイバの接続の効率を向上できる。

図２に、図１に示した光スイッチの光切換部の横断面図を示す。可動光ファイバ１ａ，１ｂが保持された可動ファイバ保持ブロック５と押さえ板７が、ピン２ａ，２ｂに対して左右方向に摺動して各光ファイバが光学的に接続される位置が切り換わる。これにより、小型で簡単な機構で、可動光ファイバの位置を精度良く切り換えることができる。

以上、図１ないし図３に説明した本実施例によれば、１本の入力ファイバ１９から入力された光は、可動ファイバ保持ブロック１３の切り換え位置に応じて、中間ファイバ21ａまたは中間ファイバ２１ｂに受け渡される。さらに入力光は可動ファイバ保持ブロック
１４の切り換え位置に応じて、固定ファイバ２０ａ〜２０ｄのいずれかに受け渡される。この結果、１×４の光スイッチを簡単な構成で形成できる。

なお、以上述べた実施例によれば、中間ファイバ２本は、平行板ばね構造となているので、可動ファイバ保持ブロック１３，１４は回転しないで平行移動する。これにより、光ファイバから射出された光の角度は平行なままであるから、安定した光結合となる。また、４本の出力に対して中間ファイバ２本のみを動かせばよいので、従来の４本駆動の場合に比べ小さな力しか必要とせず、アクチュエータを小型化できる。

図４を用いて、上記構成の１×４光スイッチの具体的な切換え方法を説明する。この図は、左側を入力側とし、右側を出力側としたときの光スイッチの上面図である。入力側の可動ファイバ保持ブロック１３を下側（右側）に切り換え、入力ファイバ１９と中間ファイバ２１ａを光学的に結合する。この状態で、出力側の可動ファイバ保持ブロック１４を上側（左側）に切り換え、中間ファイバ２１ａと出力ファイバ２０ａを光学的に結合させる。これにより、入力光ファイバ１９を通って入力された入力光３２は、中間光ファイバ２１ａを介して出力光ファイバ２０ａから出力される（図４（ａ））。

この状態で出力側の可動ファイバ保持ブロック１４だけを下側（右側）に切り換える。入力光ファイバ１９を通って入力された入力光３２は、中間光ファイバ２１ａを介して出力光ファイバ２０ｂから出力される（図４（ｂ））。

また、図４（ａ）に示す状態から入力側の可動ファイバ保持ブロック１３のみを上側
（右側）に切り換える。これにより、入力光ファイバ１９を通って入力された入力光３２は、中間光ファイバ２１ａを介して出力光ファイバ２０ｃから出力される（図４（ｃ））。

さらに、この状態から出力側可動ファイバ保持ブロック１４を下側（右側）に切り換えると、入力光ファイバ１９を通って入力された入力光３２は、出力中間光ファイバ２１ａを介して出力光ファイバ２０ｄから出力される（図４（ｄ））。

以上述べたように、本実施例の１×４光スイッチでは、切り換えの際に２本のファイバからなる中間ファイバ２１ａ，２１ｂだけを動かせばよい。したがって、ファイバの駆動力が従来の１×４光スイッチに比べて小さくて済み、アクチュエータを小型化できる。

次に、図５を用いて光スイッチの駆動方法を詳細に説明する。この図５では可動光ファイバ２１ａ，２１ｂの入力側を駆動する場合を示すが、出力側でも同様である。

入力光ファイバ１９が保持されている固定ファイバ保持ブロック１０の手前側であって入力光ファイバ１９の周囲に、リング状の永久磁石３３を固定する。この永久磁石３３のさらに手前側であって入力光ファイバ１９の周囲に、断面Ｃ字状の鉄製ヨーク３４を取付ける。このヨーク３４は、永久磁石３３，固定ファイバ保持ブロック１０及び可動ファイバ保持ブロック１３を囲むようにな形状となっている。そしてヨーク３４のＣ字の開口端は、可動ファイバ保持ブロック１３の両側面と僅かに隙間を形成して配置されている。

ヨーク３４にはコイル３５，３６が巻かれている。コイルの素線径は０.０９mm 、コイルの巻き数はコイル３５，３６ともに４００ターンである。コイルが巻かれている部分の
ヨーク３４の断面積は、約３mm² である。コイル３５には駆動電極１７ａが、コイル３６には駆動電極１７ｂが、それぞれ取り付けられている。さらにコイル３５とコイル３６と
は電気的に接続されており、接続部には検出電極１８が取り付けられている。

駆動電極１７ａ，１７ｂ及び検出電極１８は、コントローラ３７に接続されている。コントローラ３７は、駆動電極１７ａ，１７ｂにアクチュエータを駆動するための電流を流す。たとえば図５で矢印で示したように左回りの磁束３８が閉じて流れているものとする。駆動電極１７ａと駆動電極１７ｂとの間に、駆動電極１７ｂから駆動電極１７ａに向けて電流を流すと、コイル３５は磁束を打ち消す方向に磁界を生じる。

一方、コイル３６には点線矢印で示す磁束３９を強める方向に右回りの磁界を生じる。そして、この点線矢印で示した磁束３９が、矢印で示した磁束３８よりも強くなると、可動ファイバ保持ブロック１３が右方向に吸引され、点線で示される位置に吸着される。吸着後は電流をゼロにしても、永久磁石３３の作用により位置が保持される。上述したのとは逆方向に電流を流せば、可動ファイバ保持ブロック１３は左側に吸着されて保持される。この切り換え動作により入力光ファイバ１９から入射した光は、中間光ファイバ２１ａあるいは中間光ファイバ２１ｂのいずれかに入射される。

コントローラー３７は、交流を発生する。可動ファイバ保持ブロック１３が図５の実線で示されるように、左側に切り換わっているものとする。駆動電極１７ａと駆動電極17ｂとの間に、片振幅０.５ ボルトで５ｋＨｚの交流を流す。コイル３５のインダクタンスがコイル３６のインダクタンスよりも大きいので、コイル３５の両端の電位差、すなわち駆動電極１７ｂと検出電極１８との電位差がコイル３６の両端の電位差、すなわち駆動電極１７ａと検出電極１８との電位差よりも大きくなる。この電位差をそれぞれ増幅して比較し、信号線４０から出力することにより、光スイッチの切り換え状態をスイッチ外部から検出することができる。

なお、以上の実施例では固定ファイバ保持ブロックを軟磁性としている。軟磁性材としては、マンガン−亜鉛−フェライト材がある。軟磁性材を用いると、高性能の光スイッチを実現できる。また、光ファイバの位置決め精度は１ミクロン以下を要求されているので、光ファイバの保持ブロックに形成したピン保持溝および光ファイバ保持溝は精密研削加工で形成する。これにより、サブミクロンの位置決めが可能になる。

また、磁気アクチュエータを中間光ファイバの両端部に設けたので、アクチュエータを作動させるときの励磁による、アクチュエータ相互の磁気的干渉を防止できる。

以上述べたように本実施例によれば、光の結合効率が高い、１×４光スイッチを実現できる。また、小さな駆動力でスイッチングが可能になる。さらに、スイッチの切り換え状態を電気的に検出できるので、信頼性の高い光スイッチを実現できる。

本発明に係る光スイッチの一実施例の光切り換え部の詳細斜視図。 光切り換え部の位置決め方法を説明する断面図。 本発明に係る光スイッチの一実施例の斜視図。 １×４光スイッチの切り換え状況を説明する模式図。 光スイッチの切り換え方法と位置検出方法を説明する模式図。

符号の説明

９…基板、１０，１１…固定ファイバ保持ブロック、１２…中間ファイバ固定ブロック、１３，１４…可動ファイバ保持ブロック、１５，１６…電磁アクチュエータ、１７ａ，１７ｂ…駆動電極、１８…検出電極、１９…入力ファイバ、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，
２０ｄ…出力ファイバ、２１ａ，２１ｂ…中間（切換え用）ファイバ、２２ａ，２２ｂ…駆動電極、２３…検出電極、２４…ベース、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…内部電極、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ…外部電極、２９…カバー。

Claims (4)

1. 光スイッチ部と、前記光スイッチ部を駆動するスイッチ駆動回路とを備え、前記光スイッチ部は、光信号が入力される入力側光導波路と、前記入力側光導波路に光結合されて光信号が出力される出力側光導波路と、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との光結合を切換えるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータは、前記入力側光導波路または前記出力側光導波路を可動させる可動部材と、前記可動部材を共通に介して夫々の磁路を形成する二つの電磁コイルとを有し、前記スイッチ駆動回路は、前記可動部材の位置を検出する位置検出手段と、前記電磁コイルに電流を流す電流発生手段とを有し、前記位置検出手段は前記二つの電磁コイルに交流電流を流して生ずる前記二つの電磁コイルの電圧の差に基づいて前記可動部材の位置を検出するように構成したことを特徴とする光スイッチ。
2. 光スイッチ部と、前記光スイッチ部を駆動するスイッチ駆動回路とを備え、前記光スイッチ部は、光信号が入力される入力側光導波路と、前記入力側光導波路に光結合されて光信号が出力される出力側光導波路と、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との光結合を切換えるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータは、前記入力側光導波路または前記出力側光導波路を可動させる可動部材と、前記可動部材を共通に介して夫々の磁路を形成する二つの直列接続された電磁コイルとを有し、前記スイッチ駆動回路は、前記可動部材の位置を検出する位置検出手段と、前記直列に接続された二つの電磁コイルの両端に電流を流す電流発生手段とを有し、前記位置検出手段は、前記二つの電磁コイルに交流電流を流して生ずる夫々の電磁コイルの応答電圧を増幅すると共に、この増幅された夫々の応答電圧を比較して前記可動部材の位置を検出するように構成したことを特徴とする光スイッチ。
3. 光スイッチ部と、前記光スイッチ部を駆動するスイッチ駆動回路とを備え、前記光スイッチ部は、光信号が入力される入力側光導波路と、前記入力側光導波路に光結合されて光信号が出力される出力側光導波路と、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との光結合を切換えるアクチュエータと、前記入力側光導波路、前記出力側光導波路及び前記アクチュエータを収納したパッケージケースとを有し、前記アクチュエータは、前記入力側光導波路または前記出力側光導波路を可動させる可動部材と、前記可動部材を共通に介して夫々の磁路を形成する二つの直列接続された電磁コイルと、前記二つの電磁コイルの一側のコイル電極を夫々接続する第１及び第３内部電極と、前記二つの電磁コイルの他側のコイル電極を接続する第２内部電極と、前記第１，第２及び第３内部電極に接続されると共に前記パッケージケースより外部に突出する第１，第２及び第３外部電極とを有し、前記スイッチ駆動回路は、前記可動部材の位置を検出する位置検出手段と、前記直列に接続された二つの電磁コイルの両端に前記第１及び第３内部電極を介して電流を流す電流発生手段とを有し、前記位置検出手段は、前記二つの電磁コイルに交流電流を流して生ずる夫々の電磁コイルの応答電圧を前記第１，第２及び第３外部電極を介して検出し、この検出した夫々の応答電圧に基づいて前記可動部材の位置を検出するように構成したことを特徴とする光スイッチ。
4. 光スイッチ部と、前記光スイッチ部を駆動するスイッチ駆動回路とを備え、前記光スイッチ部は、光信号が入力される入力側光導波路と、前記入力側光導波路に光結合されて光信号が出力される出力側光導波路と、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との光結合を切換えるアクチュエータとを有し、前記アクチュエータは、前記入力側光導波路または前記出力側光導波路を可動させる可動部材と、前記可動部材を共通に介して夫々の磁路を形成する二つの直列接続された電磁コイルとを有し、前記スイッチ駆動回路は、前記可動部材の位置を検出する位置検出手段と、前記直列に接続された二つの電磁コイルの両端に電流を流す電流発生手段とを有し、前記位置検出手段は、前記二つの電磁コイルに交流電流を流して生ずる夫々の電磁コイルの応答電圧を増幅すると共に、この増幅された夫々の応答電圧を比較して前記可動部材の位置を検出するように構成し、前記電流発生手段は、前記可動部材の駆動時に直流電流を前記二つの電磁コイルに流すと共に、前記可動部材の位置検出時に交流電流を流すように構成したことを特徴とする光スイッチ。
   
   
   

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