JP4460789B2 - 交差接続スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光交差接続（クロスコネクト）スイッチに関するものであり、より具体的にはマイクロマシニング加工された鏡（ミラー）を用いた光交差接続スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは電子通信経路よりも大幅に高いデータ転送速度を実現する。しかしながら、光信号経路に固有のより広い帯域幅を効果的に活用するには、光交差接続スイッチが必要とされる。一般的な遠隔通信環境においては、光ファイバ間の信号交換には電気交差接続スイッチが用いられる。光信号はまず、電気信号へと変換される。電気信号がスイッチングされた後、信号は光信号へと再変換され、光ファイバへと送り出される。これらの電気交差接続スイッチは高いスループットを実現する為に並列性の高い非常に高価なスイッチング機構を利用している。しかしながら、このような並列構造をもってしても交差接続スイッチは高速通信の障害となっている。
【０００３】
これまでにも多数の光交差接続スイッチが提案されているが、これらはいずれも安価で信頼性の高い交差接続スイッチの要求を充分に満たすものではなかった。ある種類の光交差接続スイッチは波長分割多重化（ＷＤＭ）技術によりスイッチングを行うものである。しかしながら、この種のシステムにおいてスイッチングされる光信号は異なる波長を持っていなければならない。光信号が全て同じ波長であるシステムにおいては、信号を所望の波長に変換し、スイッチングを行い、その後元の波長に再変換しなければならない。この変換処理によりシステムは複雑化され、コストが増大する。
【０００４】
第二の種類の光交差接続スイッチは小型ミラーを利用して光の進路を第一の経路から第二の経路へと変えるものである。例えば内部全反射（Total Internal Reflection：ＴＩＲ）スイッチング素子で構築した交差接続スイッチは従来から周知である。ＴＩＲ素子はスイッチ可能な境界を伴った導波路で構成される。光はある角度を持って境界に当たる。第一の状態においては、この境界が実質的に異なる屈折率を持つ２つの領域を分けている。この状態にある場合、光は境界で反射する為、その方向を変えることになる。第二の状態においては、境界によって分けられていた２つの領域は同じ屈折率を持つ状態となっており、光は境界を通過してまっすぐに進むことになる。進路方向の変化の大きさはこの２つの領域の屈折率の差によって異なる。進路方向を大幅に変える場合、境界の後ろにある領域の屈折率は、導波路に等しい屈折率と導波路から大幅に異なる屈折率との間で切換え可能でなければならない。
【０００５】
屈折率を大きく変化させることが出来る従来のＴＩＲ素子は境界の後ろにある材料を機械的に変えることにより作動する。例えば、ある種類のＴＩＲ素子は屈折率整合液体中に気泡を用いるものである。気泡は境界へと機械的に移動する、或いは液体を加熱することにより境界において発生する。気泡が境界にある場合に反射が生じる。
【０００６】
残念ながらＴＩＲ素子をベースにして超大型の交差接続スイッチを構築することは困難である。２つの導波路間の境界領域とは、一般的には導波路が作られている基板に設けられた溝 (trench)である。光がこの溝を通過する際、ここは導波路ではない為に光線は膨らむ。この結果、光の一部は溝の反対側の導波路に集められることなく失われる。
【０００７】
１個所の交差接続点における損失は小さいものの、大型スイッチ中の累積損失によりスイッチを役に立たないものにする。Ｎ本の入力光ファイバ及びＮ本の出力光ファイバを接続する為のＮ×Ｎ交差接続スイッチを想定して説明する。各光信号は伝送状態にあるＮ−１個所の交差接続点を必ず通過しなければならない。よって各光信号は、Ｔ^(N-1)（Ｔは伝送状態の１交差点の伝送量）の減衰を被ることになる。従って、一箇所の交差接続点における損失がたとえ１パーセント以下であったとしても、数百もの交差接続点を経て出力ファイバまで届く信号の強度は実質的にゼロとなってしまう。
【０００８】
機械的に駆動されるミラーを用いた自由空間光交差接続スイッチによれば、ＴＩＲ交差接続スイッチに固有の減衰問題を回避することは、基本的に可能である。自由空間光交差接続スイッチはミラー素子の二次元アレイから構成される。ミラー素子の各々は、１入力ファイバからの光の進路を１出力ファイバへと転換する。ここでもＮ×Ｎ交差接続スイッチを想定して説明する。スイッチはＮ行×Ｎ列に配列されたＮ²個のミラーを有する。ｊ列のｋ行にあるミラーで光信号をさえぎる、すなわち反射させると、光信号はｋ番目の入力ファイバからｊ番目の出力ファイバへとスイッチングされる。ｋ行及びｊ列にある他の全てのミラーは、光信号の進路を遮断しない配置におかれている。従ってこの光信号がｋ行からｊ列へと進む過程で減衰することは無い。
【０００９】
残念ながら、ミラーは光ファイバを出た実質的に全ての光を反射するに十分な大きさを持っていなければならない。光ファイバを出た時点から、光は導波路に導かれていない為、回折によって光信号は膨張してしまう。従ってファイバの端部から離れたミラーはこの光の全てを出力光ファイバのコリメート（視準）レンズへ向けて反射する為に十分な大きさを持っていなければならないのである。加えて、ミラーアレイの行及び列の間隔は、ある行又は列を通過する光が隣接する行又は列に配置されたミラーに拾われてしまうことが絶対にないように充分な距離を設け、ファイバ間にクロストークが生じないように保証しなければならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、広義的には改良型の光交差接続スイッチを提供するところにある。
【００１１】
本発明の更なる目的は、上述した大型のミラー或いはミラー間に広い間隔を必要としない光交差接続スイッチを提供するところにある。
【００１２】
本発明のこれら及び他の目的は、以下の発明の詳細な説明及び添付図を参照することにより当業者に明らかとなる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｎ本の入力光ファイバからの光信号をＭ本の出力光ファイバへとスイッチングする為の交差接続スイッチである。スイッチはＮ行及びＭ列に配列されたＮ×Ｍ個のミラー素子を含む。各ミラー素子は反射状態及び非反射状態を持つ。反射状態においては、各ミラー素子は対応する１入力光ファイバから対応する１出力光ファイバへと光を反射させる。各ミラー素子が非反射状態配置にある場合、ミラー素子はいずれの入力光ファイバからの光も遮ることはない。ある特定の入力光ファイバに対応するミラー素子は全て同じ行中に位置し、ある特定の出力光ファイバに対応するミラー素子は全て同じ列中に位置する。スイッチは更に、複数のリコリメート（再視準）レンズを含む。このようなリコリメートレンズは各ミラー素子行中の２つのミラー素子間に１つ配置される。各リコリメートレンズはその行に対応する入力光ファイバから入射する光をコリメートする。スイッチはまた、各ミラー素子列の２つのミラー素子間にも１つのリコリメートレンズを設けている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において従来型のスイッチよりも優れた特徴を実現する方法は、本発明に基づく交差接続スイッチ１００の上面図を示す図１を参照するとより容易に理解できる。本発明に基づくスイッチ１００は、一群の入力光ファイバ１１０を一群の出力光ファイバ１４０に接続するものである。入力ファイバの数はＮ、出力ファイバの数はＭで表す。スイッチ１００はＮ行及びＭ列に配置されたＮ×Ｍ個の交差接続点を含む。
【００１５】
各交差接続点は、入力光ファイバの１つから出力光ファイバの１つへと光を反射させる配置におくことが可能なミラーを含む。例えば、ミラー１２１は入力光ファイバ１１１から出力光ファイバ１４１へと光を反射させる配置にある。同様に、ミラー１２３も入力光ファイバ１１２から出力光ファイバ１４２へと光を反射させる配置にある。ミラーが入射光を出力ファイバへと反射させる配置にない場合、ミラーは行又は列を通過する光信号のいずれをも遮ることのない位置におかれている。例えば、ミラー１２１がファイバ１１１からファイバ１４１へと光をスイッチする配置にない時は、符号１２２に示す配置におかれる。いずれの所定の時点においても、各行で最大１つのミラーが入力ファイバから出力ファイバへと光を反射させる位置に配置される。他のミラーは非反射配置に移動された状態にある。
【００１６】
ミラーをその反射配置及び非反射配置間で移動させる為の機械的アクチュエータはどのようなものを利用しても良い。マイクロマシニング技術により多くのこのような機構が提供されている為、本願においては特定のアクチュエータ機構についての詳細は省略する。スライディング式のアクチュエータを利用する機構はマイクロマシニング技術においては周知である。更に、ミラーは「フリップアップ」式又はロータリーアクチュエータによって配置転換することも出来る。これらの技術の詳細については、Ｍｉｎｇ Ｃ．Ｗｕによる“Micromaching for Optical and Optoelectronic System（光学及び光電子システムのマイクロマシニング）”（ＩＥＥＥ８５、ｎｏ１１、ｐｐ１８３３−１８５６、１９９７）に記載されている．
【００１７】
各入力光ファイバはファイバを出る光線の拡散を最少化する為にコリメートレンズを含んでいる。代表的なコリメートレンズを符号１１５で示した。しかしながら、これらのレンズによってコリメーションが提供されても回折によって光線は拡散してしまう。上述したように、光線の広がりは従来型の大型（大規模）交差接続スイッチにおいて問題となる。例えば、従来型の交差接続スイッチにおける光線の径は入力光ファイバから光線が移動した距離により異なる。よってミラー１２２における光線径はミラー１２３におけるものよりも著しく小さいのである。この拡散に対応する為には、列番号が大きい程そこに配置されるミラーのサイズを大きくするか、或いは全てのミラーサイズを最終列における光線径に合わせて作る必要がある。この制約によってスイッチのサイズは増大してしまう。
【００１８】
また、出力光ファイバにおける光線径は光線がその出力光ファイバに到達するまでに移動した距離の関数である。例えば入力光ファイバ１１５から出た光信号が出力光ファイバ１４１に到達した時点の光線径は、光ファイバ１１１を出て光ファイバ１４２に到達した光信号の光線径よりも著しく小さいものとなる。従って出力光ファイバに設けられた集光レンズ１４３は最高予測光線径を受容するに充分な大きさにしなくてはならない。この制約によってもスイッチのサイズは増大する。
【００１９】
本発明は、光線をリコリメートするボールレンズ１３１、１３２のような更なる一連のコリメートレンズを利用することで光線径の過剰な増大を抑制してこれらの問題を回避するものである。図１に示したスイッチの例においては、行及び列の両方における２個の交換点それぞれの間にリコリメートレンズが配置されている。これらのボールレンズは光線の拡散を抑制し、これにより上述の問題を抑制している。実際上、一連のボールレンズが自由空間光導波路を形成している。ボールレンズは既存のマイクロマシニング技術を利用した分散手法によりミラーを構築する基板中に設けることが出来る。
【００２０】
スイッチ１００は各２個の交換点間に１つのリコリメートレンズを含んでいるが、これらのレンズの多くを省いてもスイッチサイズが大幅に増大させずに済む。不要なボールレンズを排除すればスイッチのコストが低減されることに加え、レンズに付随する光学損失を低く抑えることが出来る為、本発明によるスイッチの最大規模を大きくすることが出来る。一般的に、必要となるリコリメートレンズの数は入力ファイバのサイズとスイッチ中の交差接続点の数によって決まる。理想的には、光信号を供給する入力光ファイバとは無関係に、各出力光ファイバにおける光線径がその出力光ファイバに取り付けられた集光レンズの径よりも小さくなるようにリコリメートレンズを設けることが望ましい。しかしながら、各行及び列につき１つのリコリメートレンズしか含まないスイッチであっても従来型のスイッチと比べれば大幅な改善が得られる。
【００２１】
上述した本発明の実施例ではコリメートレンズとしてボールレンズを利用することを想定している。しかしながら上述から当業者に明らかなように、いかなる形態のコリメートレンズであっても利用可能である。ボールレンズが推奨されるのは、その配置が容易な為である。
【００２２】
上述及び添付図から、本発明に様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。よって本発明の範囲は添付請求項によってのみ限定されるものである。
【００２３】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００２４】
（実施態様１）
Ｎ（ＮはＮ＞１の整数）本の入力光ファイバ（１１０）と、
Ｍ（ＭはＭ＞１の整数）本の出力光ファイバ（１４０）と、
各々が反射状態及び非反射状態を有し、前記反射状態にある場合、前記入力光ファイバ（１１０）のうちの対応する１本からの光を前記出力光ファイバ（１４０）のうちの対応する１本へと反射し、前記非反射状態の配置にある場合、前記入力光ファイバ（１１０）のいずれからの光も捉えることのないことを特徴とするＮ行及びＭ列に配列されたＮ×Ｍ個のミラー素子（１３１、１２３）であって、特定の１入力光ファイバに対応する全てのミラー素子（１２１、１２３）が同じ行中に位置し、特定の１出力光ファイバに対応する全てのミラー素子（１２１、１２３）が同じ列中に位置することを特徴とする前記ミラー素子と、
複数のリコリメートレンズ（１３１、１３２）であって、前記ミラー素子行の各々にある２つの前記ミラー素子（１２１、１２３）の間に１つの前記リコリメートレンズ（１３１）が配置され、前記リコリメートレンズの各々はその行に対応する前記入力光ファイバの１つからの光をコリメートするように働き、また、前記ミラー素子列の各々にある２つの前記ミラー素子（１２１、１２３）の間に１つの前記リコリメートレンズ（１３２）が配置されたことを特徴とする前記複数のリコリメートレンズと
を有する交差接続スイッチ（１００）。
【００２５】
（実施態様２）
前記行のうちの１行における前記リコリメートレンズ（１３１、１３２）の数が、Ｍ−１個よりも少ないことを特徴とする実施態様１に記載の交差接続スイッチ（１００）。
【００２６】
（実施態様３）
前記リコリメートレンズ（１３１、１３２）がボールレンズであることを特徴とする実施態様１に記載の交差接続スイッチ。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明を用いると、改良型の光交差接続スイッチを提供することができる。また本発明により、上述した大型のミラー或いはミラー間に広い間隔を必要としない光交差接続スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく交差接続スイッチの上面図である。
【符号の説明】
１００ 交差接続スイッチ
１１０ 入力光ファイバ
１２１、１２３ ミラー素子
１３１、１３２ リコリメートレンズ
１４０ 出力光ファイバ

Claims (3)

1. Ｎ（ＮはＮ＞１の整数）本の入力光ファイバ（110）と、
   Ｍ（ＭはＭ＞１の整数）本の出力光ファイバ（140）と、
   Ｎ行のミラー素子及びＭ列のミラー素子として配列されたＮ×Ｍ個のミラー素子（121、123）であって、各ミラー素子が反射状態及び非反射状態を有し、各ミラー素子が、前記反射状態にある場合、前記入力光ファイバ（110）のうちの対応する１本からの光を前記出力光ファイバ（140）のうちの対応する１本へと反射し、各ミラー素子が前記非反射状態に配置される場合、該ミラー素子が前記入力光ファイバ（110）のいずれかからの光もさえぎらないようになっており、任意の１入力光ファイバに対応する全てのミラー素子（121、123）が同じ行中に位置し、任意の１出力光ファイバに対応する全てのミラー素子（121、123）が同じ列中に位置する、Ｎ×Ｍ個のミラー素子（121、123）と、
   複数のリコリメートレンズ（131、132）とを含み、
   前記ミラー素子行の各々にある２つの前記ミラー素子（121、123）の間に１つの前記リコリメートレンズ（131）が配置され、前記リコリメートレンズの各々が、その行に対応する前記入力光ファイバの１つからの光をコリメートし、前記ミラー素子列の各々にある２つの前記ミラー素子（121、123）の間に１つの前記リコリメートレンズ（132）が配置されている、交差接続スイッチ（100）。
2. 前記行のうちの１行における前記リコリメートレンズ（131、132）の数が、Ｍ−１個よりも少ない、請求項１に記載の交差接続スイッチ（100）。
3. 前記リコリメートレンズ（131、132）がボールレンズである、請求項１に記載の交差接続スイッチ（100）。

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