JP4440208B2 - 光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法および光パス切り替え制御装置 - Google Patents

光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法および光パス切り替え制御装置 Download PDF

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本発明は、複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームをMEMS(Micro Electric Mechanical System) ミラーで反射させ、任意の出力ポートに出力する光クロスコネクト装置において、入出力ポート間の光パスを切り替える際に生ずるクロストーク(動的クロストーク)を考慮した光パス切り替え方法および光パス切り替え制御装置に関する。
図7は、光クロスコネクト装置の第1の構成例を示す。図7において、光クロスコネクト装置は、複数のコリメータを2次元に配置した2つのコリメータアレイ1a,1bと、複数のミラーを2次元に配置したMEMSミラーアレイ2を組み合わせた構成である。なお、入力ポート群を形成するコリメータアレイ1aには、各コリメータに対応させて複数の光ファイバを2次元に配置した入力光ファイバアレイが接続される。出力ポート群を形成するコリメータアレイ1bには、各コリメータに対応させて複数の光ファイバを2次元に配置した出力光ファイバアレイが接続される。
MEMSミラーアレイ2の各ミラーはMEMS技術によりその角度が制御され、各ミラーの反射角度によって任意の入出力ポート間の接続(光パスの切り替え)が可能になっている。図7(1) の例は、入力ポート10に対向するMEMSミラーアレイ2のミラー21の角度制御により、光パスを出力ポート11から出力ポート12に切り替える状況を示している。
同様に、図7(2) に示すように、光パスを出力ポート11から出力ポート13に切り替えることも可能であるが、この場合にコリメータアレイ1bの端面の光ビームの軌跡が、出力ポート11から出力ポート12を通過して出力ポート13に移動すると、出力ポート12に対するクロストークとなる。このように、隣接しない出力ポートに切り替える場合(例えば11から13)には、他の出力ポートに対するクロストークに注意する必要がある。
図8は、光クロスコネクト装置の第2の構成例を示す。図8において、光クロスコネクト装置は、複数のコリメータを2次元に配置した2つのコリメータアレイ1a,1bと、複数のミラーを2次元に配置した2つのMEMSミラーアレイ2a,2bを組み合わせた構成である。入力ポート群を形成するコリメータアレイ1aには、各コリメータに対応させて複数の光ファイバを2次元に配置した入力光ファイバアレイが接続される。出力ポート群を形成するコリメータアレイ1bには、各コリメータに対応させて複数の光ファイバを2次元に配置した出力光ファイバアレイが接続される。
MEMSミラーアレイ2a,2bの各ミラーはMEMS技術によりその角度が制御され、反射させる各ミラーの組み合わせによって任意の入出力ポート間の接続(光パスの切り替え)が可能になっている。図8(1) の例は、入力ポートに対向するMEMSミラーアレイ2aのミラーa1を角度制御し、MEMSミラーアレイ2bで反射させるミラーをミラーb1からミラーb2に切り替えることにより、光パスを出力ポート11から出力ポート12に切り替える状況を示している。なお、光クロスコネクト装置の第2の構成例は、2つのMEMSミラーアレイ2a,2bを用い、MEMSミラーアレイ2bのミラーb1と出力ポート11が対向し、ミラーb2と出力ポート12が対向するので、出力ポートに対する光ビームの入射角を0にできる点が第1の構成例に対するメリットである。
同様に、図8(2) に示すように、光パスを出力ポート11から出力ポート13に切り替えることも可能であるが、この場合にMEMSミラーアレイ2bの端面の光ビームの軌跡がミラーb1からミラーb2を通過してミラーb3に移動すると、ミラーb1,b3とは独立に角度制御されているミラーb2で反射した光ビームが出力ポート12や他の出力ポート14などにクロストークとなることがある。このように、隣接しない出力ポートに切り替える場合(例えば11から13)には、他の出力ポートに対するクロストークに注意する必要がある。
なお、図では光ビームを線として表しているが、光ビームは所定の広がり(例えばガウス分布)をもっており、例えばミラーb2で反射した光ビームの中心部は出力ポート14に結合しても、光ビームの中心部から離れた裾野部分が出力ポート12に結合する状況が考えられる。この場合、ミラーb2から出力ポート12に結合する光量は小さくても、入射角が0であるので大きなクロストークとなる。したがって、光パス切り替えによる光ビームの軌跡がミラーb1からミラーb3に移動する際に、それに隣接するミラーb2を通過しない方が好ましい。
一般に、空間光学系によって構成された図7,8に示す光クロスコネクト装置では、入出力ポート間のクロストークが非常に低い値とされているが、これは光パス切り替え時を除いた静的クロストークを意味している。上記のように、光パス切り替え時に光ビームが他の出力ポートに出力される現象は動的クロストークと呼ばれ、時間的には光パス切り替え時の一瞬であっても静的クロストークに比べて非常に大きな値を示し、光信号品質の劣化を招く要因になっていた。このような動的クロストークが静的クロストークよりも大幅に増大することによってもたらされる光信号品質の劣化に対して、従来は符号誤り訂正によって改善しようとする提案がなされている(非特許文献1)。
Electronics Letters, Vol.39, No.8, pp.678-679, 2003
ところで、符号誤り訂正は本来、伝送路中での信号品質劣化を補償するために用いられているが、符号誤り訂正を光クロスコネクト装置の動的クロストークによる信号品質劣化の補償に用いるには符号誤り訂正能力の一部を分割することになる。一方、伝送路中の信号品質劣化は定常的なものであるのに対して、動的クロストークによる信号品質劣化は光パス切り替え時のみに起こる過渡的なものであるので、そのために符号誤り訂正能力を分割するのは効率的とは言えない。
本発明は、簡単かつ安定な構成により、光クロスコネクト装置の光パス切り替え時に生ずる動的クロストークによる信号品質劣化を低減することができる光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法および光パス切り替え制御装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームをミラーで反射させ、任意の出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え方法において、ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、第1の出力ポートと第2の出力ポートとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートが存在するか否かを判断し、その間に他の出力ポートが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するようにミラーの反射角を制御し、その間に他の出力ポートが存在する場合には光ビームの軌跡が当該出力ポートを含む他の出力ポートを迂回するようにミラーの反射角を制御する。
ここで、迂回する出力ポートは、光パス切り替えを行う第1の出力ポートおよび第2の出力ポートに隣接する出力ポートとしてもよい。
第2の発明は、複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームを当該入力ポートに対向する第1のミラーおよび第2のミラーによって連続的に反射させ、当該第2のミラーに対向する出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、各ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え方法において、第1のミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートに対向する第2のミラーから第2の出力ポートに対向する第3のミラーに切り替えて第1の出力ポートから第2の出力ポートに光パス切り替えを行うときに、第2のミラーと第3のミラーとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートに対向するミラーが存在するか否かを判断し、その間に当該ミラーが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように第1のミラーの反射角を制御し、その間に当該ミラーが存在する場合には光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回するように第1のミラーの反射角を制御する。
ここで、迂回するミラーは、光パス切り替えを行う第2のミラーおよび第3のミラーに隣接するミラーとしてもよい。
また、第1の発明および第2の発明において、ミラーは、MEMS技術により基板上に形成された複数の微小ミラーによって形成される反射角度可変のミラーアレイの微小ミラーであり、微小ミラーへの電圧印加によりその反射角度を変化させる。
第3の発明は、複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームをミラーで反射させ、任意の出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え制御装置において、ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、第1の出力ポートと第2の出力ポートとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートが存在するか否かを判断し、その間に他の出力ポートが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するようにミラーの反射角を制御する第1の出力ポートと第2の出力ポートの組み合わせと、その間に他の出力ポートが存在する場合には光ビームの軌跡が当該出力ポートを含む他の出力ポートを迂回するようにミラーの反射角を制御する第1の出力ポートと第2の出力ポートの組み合わせとを記憶する記憶手段と、ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、ミラーに対して記憶手段の記憶に基づいて光ビームの軌跡が直線的に移動するように制御するか、迂回して移動するように制御するかを選択して制御する制御手段とを備える。
第4の発明は、複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームを当該入力ポートに対向する第1のミラーおよび第2のミラーによって連続的に反射させ、当該第2のミラーに対向する出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、各ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え制御装置において、第1のミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートに対向する第2のミラーから第2の出力ポートに対向する第3のミラーに切り替えて第1の出力ポートから第2の出力ポートに光パス切り替えを行うときに、第2のミラーと第3のミラーとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートに対向するミラーが存在するか否かを判断し、その間に当該ミラーが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように第1のミラーの反射角を制御する第2のミラーと第3のミラーの組み合わせと、その間に当該ミラーが存在する場合には光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回するように第1のミラーの反射角を制御する第2のミラーと第3のミラーの組み合わせとを記憶する記憶手段と、第1のミラーで反射する光ビームを第2のミラーから第3のミラーに切り替えて光パス切り替えを行うときに、第1のミラーに対して記憶手段の記憶に基づいて光ビームの軌跡が直線的に移動するように制御するか、迂回して移動するように制御するかを選択して制御する制御手段とを備える。
ここで、第3の発明および第4の発明において、ミラーは、MEMS技術により基板上に形成された複数の微小ミラーによって形成される反射角度可変のミラーアレイの微小ミラーであり、微小ミラーへの電圧印加によりその反射角度を変化させる構成である。
本発明による光パス切り替え方法および光パス切り替え制御装置では、付加的設備を用いることなく簡単かつ経済的な構成により光パス切り替え時の光ビームの軌跡を制御し、光パス切り替え時に発生する動的クロストークを低減することができる。
図1は、本発明の光パス切り替え方法の実施形態の処理手順を示す。図2は、本発明の実施形態における第1の処理例を示す。図2は、図7に示す光クロスコネクト装置で出力ポート群を形成するコリメータアレイ1bの平面配置、あるいは図8に示す光クロスコネクト装置の各出力ポートに対向するMEMSミラーアレイ2bの平面配置をイメージしているが、ここではMEMSミラーアレイ2bの平面配置を例に、格子点が各ミラーの位置を表すものとして説明する。また、本実施形態では、図8に示すMEMSミラーアレイ2aのミラーa1で反射した光ビームを、MEMSミラーアレイ2bのミラーb1(出力ポート11に対向)からミラーb3(出力ポート13に対向)に切り替えるような場合を想定しているが、ここでは一般化して第1のミラーアレイのミラーで反射した光ビームを、第2のミラーアレイで各出力ポートに対向するミラーb1からミラーb3に切り替えるものとして説明する。
図1および図2において、まず、ミラーb1とミラーb3との間を結ぶ直線上に他の出力ポートに対向するミラーが存在するか否かを判断する(S1)。ミラーb1とミラーb3との間に当該ミラーが存在しない場合(図2(1),(2))には、光ビームの軌跡がミラーb1からミラーb3に直線的に移動するように、第1のミラーアレイのミラーの反射角を制御する(S2)。この場合には、ミラーb1とミラーb3との間に他のミラーが存在しない(図では格子点を通過しない)ので、直接的な動的クロストークの発生を回避できる。一方、ミラーb1とミラーb3との間に当該ミラーが存在する場合(図2(3),(4))には、光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回するように、第1のミラーアレイのミラーの反射角を制御する(S3)。
ここで、光ビームが迂回する軌跡は、図2(3),(4) に示すように折り返し点cを決め、ミラーb1から折り返し点c、折り返し点cからミラーb3までをそれぞれ直線的に移動させる。折り返し点cは、ミラーb1と折り返し点cとの間、折り返し点cとミラーb3との間に他のミラーが存在しない(図では格子点を通過しない)ように決定する。具体的には、ミラーb1,b3から他の全てのミラー(図では格子点)とを結ぶ直線を予め計算して求め、各直線上にない点を折り返し点cとすればよい。あるいは、ミラーb1,b3に隣接するミラーに限定し、ミラーb1,b3から隣接するミラーとを結ぶ直線を予め計算して求め、各直線上にない点を折り返し点cとしてもよい。また、適当な折り返し点cが見つからない場合には、計算対象とする隣接するミラーの範囲を適当に設定してもよい。
図3は、本発明の実施形態における第2の処理例を示す。ここでは、ミラーb1の座標を(0,0)、ミラーb3の座標を(n,m)とし、光ビームの軌跡が楕円軌道になるように設定する。楕円軌道の傾きθは、
θ= tan-1(m/n)
と表され、楕円パラメータをa,bとすると、座標(0,0)、(n,m)を通る楕円軌道は、
(xcosθ+ysinθ−x0)2/a2+(ycosθ−xsinθ−y0)2/b2 =1
0 =(n2+m2)1/2/2
0 =±b(1−(n2+m2)/4a2)1/2
と表される。
この式のxおよびyにミラーb1,b3以外の各ミラー(図では格子点)の座標を代入することにより、楕円パラメータa,bの関係式が求まり、各ミラーの数だけ楕円パラメータa,bのセット群が得られる。次に、得られた楕円パラメータa,bのセット群以外の楕円パラメータa,bを選択する。その一例が図3に示すミラーb1からミラーb3に向かう楕円軌道である。図3に示すように、ミラーb1とミラーb3との間に他のミラーが存在する場合には、移動する光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回する楕円軌道を描くように、第1のミラーアレイのミラーの反射角を制御する。
なお、ここでは楕円軌道を例示したが、a=bとすることにより円軌道としてもよく、また計算が容易な他の形状の軌道(例えば放物線など)を用いてもよい。
このようなアルゴリズムに基づき、光パス切り替えに光ビームを直線的に移動可能なミラーの組み合わせと、折り返し点cに迂回させる、あるいは楕円軌道を描いて迂回させるミラーの組み合わせを計算してメモリに記録しておく。そして、光パス切り替え時に、対応するミラーの組み合わせに応じて光ビームが折り返し点cに迂回するように、あるいは楕円軌道を描いて迂回するように、第1のミラーアレイの各ミラーの反射角を制御する。
なお、図7に示す光クロスコネクト装置の場合には、以上の説明における第2のミラーアレイの各ミラーをコリメータアレイ1bの各出力ポートに対応させればよい。
本発明の光パス切り替え制御装置は、光パス切り替えに伴うMEMSミラーアレイの各ミラーの制御を行う際に、切り替え元のミラーから切り替え先のミラーに対する光ビームの軌跡が他のミラー(切り替え元の出力ポートから切り替え先の出力ポートに対する光ビームの軌跡が他の出力ポート)を通過しないように、上記のアルゴリズムに基づく計算結果を記録するメモリおよびミラーの角度制御手段を含む構成である。
図4は、本発明による動的クロストーク低減効果の確認実験を行う動的クロストークの測定系を示す。図7または図8に示すような光クロスコネクト装置51は、光パス切り替え制御部52の制御により、入力ポート10と出力ポート11,12,13との間の光パス切り替えを行う。ここでは、切り替え命令部53が光パス切り替え制御部52に対して出力ポート11から出力ポート13への光パス切り替えを指示したときに、出力ポート12で観測される動的クロストークを光検出器54で測定する。
図5は、従来の単純な直線的軌道によって光パス切り替えを行った場合の動的クロストークの測定結果を示す。10ms以上の経過後には−60dB以上の静的クロストークレベルになっているが、瞬間的には−40dB程度の最大クロストークが生ずることがわかる。
図6は、本発明の光ビーム軌道制御によって光パス切り替えを行った場合の動的クロストークの測定結果を示す。10ms以上の経過後には従来と同様に−60dB以上の静的クロストークレベルになっているが、瞬間的な最大クロストークは−55dB程度まで減少しており、本発明の効果が明らかである。
本発明の光パス切り替え方法の実施形態の処理手順を示すフローチャート。 本発明の実施形態における第1の処理例を示す図。 本発明の実施形態における第2の処理例を示す図。 動的クロストーク特性の測定系を示す図。 従来方式による動的クロストーク測定結果を示す図。 本発明による動的クロストーク測定結果を示す図。 光クロスコネクト装置の第1の構成例を示す図。 光クロスコネクト装置の第2の構成例を示す図。
符号の説明
1a,1b コリメータアレイ
2,2a,2b MEMSミラーアレイ
10 入力ポート
11,12,13,14 出力ポート
21,a1,b1,b2,b3 ミラー

Claims (8)

  1. 複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームをミラーで反射させ、任意の出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え方法において、
    前記ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、第1の出力ポートと第2の出力ポートとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートが存在するか否かを判断し、その間に他の出力ポートが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように前記ミラーの反射角を制御し、その間に他の出力ポートが存在する場合には光ビームの軌跡が当該出力ポートを含む他の出力ポートを迂回するように前記ミラーの反射角を制御する
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法。
  2. 請求項1に記載の光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法において、
    前記迂回する出力ポートは、前記光パス切り替えを行う前記第1の出力ポートおよび前記第2の出力ポートに隣接する出力ポートとする
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法。
  3. 複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームを当該入力ポートに対向する第1のミラーおよび第2のミラーによって連続的に反射させ、当該第2のミラーに対向する出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、各ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え方法において、
    前記第1のミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートに対向する第2のミラーから第2の出力ポートに対向する第3のミラーに切り替えて第1の出力ポートから第2の出力ポートに光パス切り替えを行うときに、第2のミラーと第3のミラーとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートに対向するミラーが存在するか否かを判断し、その間に当該ミラーが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように前記第1のミラーの反射角を制御し、その間に当該ミラーが存在する場合には光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回するように前記第1のミラーの反射角を制御する
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法。
  4. 請求項3に記載の光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法において、
    前記迂回するミラーは、前記光パス切り替えを行う前記第2のミラーおよび前記第3のミラーに隣接するミラーとする
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法。
  5. 請求項1または請求項3に記載の光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法において、
    前記ミラーは、MEMS技術により基板上に形成された複数の微小ミラーによって形成される反射角度可変のミラーアレイの微小ミラーであり、微小ミラーへの電圧印加によりその反射角度を変化させる
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え方法。
  6. 複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームをミラーで反射させ、任意の出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え制御装置において、
    前記ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、第1の出力ポートと第2の出力ポートとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートが存在するか否かを判断し、その間に他の出力ポートが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように前記ミラーの反射角を制御する第1の出力ポートと第2の出力ポートの組み合わせと、その間に他の出力ポートが存在する場合には光ビームの軌跡が当該出力ポートを含む他の出力ポートを迂回するように前記ミラーの反射角を制御する第1の出力ポートと第2の出力ポートの組み合わせとを記憶する記憶手段と、
    前記ミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートから第2の出力ポートに切り替えて光パス切り替えを行うときに、前記ミラーに対して前記記憶手段の記憶に基づいて光ビームの軌跡が直線的に移動するように制御するか、迂回して移動するように制御するかを選択して制御する制御手段と
    を備えたことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え制御装置。
  7. 複数の入出力ポート間で、任意の入力ポートから入力した光ビームを当該入力ポートに対向する第1のミラーおよび第2のミラーによって連続的に反射させ、当該第2のミラーに対向する出力ポートに出力する光クロスコネクト装置で、各ミラーの角度制御により入出力ポート間の光パスを切り替える光パス切り替え制御装置において、
    前記第1のミラーで反射する光ビームを第1の出力ポートに対向する第2のミラーから第2の出力ポートに対向する第3のミラーに切り替えて第1の出力ポートから第2の出力ポートに光パス切り替えを行うときに、第2のミラーと第3のミラーとの間を結ぶ直線上に他の出力ポートに対向するミラーが存在するか否かを判断し、その間に当該ミラーが存在しない場合には光ビームの軌跡が直線的に移動するように前記第1のミラーの反射角を制御する第2のミラーと第3のミラーの組み合わせと、その間に当該ミラーが存在する場合には光ビームの軌跡が当該ミラーを含む他のミラーを迂回するように前記第1のミラーの反射角を制御する第2のミラーと第3のミラーの組み合わせとを記憶する記憶手段と、 前記第1のミラーで反射する光ビームを第2のミラーから第3のミラーに切り替えて光パス切り替えを行うときに、前記第1のミラーに対して前記記憶手段の記憶に基づいて光ビームの軌跡が直線的に移動するように制御するか、迂回して移動するように制御するかを選択して制御する制御手段と
    を備えたことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え制御装置。
  8. 請求項6または請求項7に記載の光クロスコネクト装置の光パス切り替え制御装置において、
    前記ミラーは、MEMS技術により基板上に形成された複数の微小ミラーによって形成される反射角度可変のミラーアレイの微小ミラーであり、微小ミラーへの電圧印加によりその反射角度を変化させる構成である
    ことを特徴とする光クロスコネクト装置の光パス切り替え制御装置。
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