JP4480684B2 - 光波長選択スイッチの光軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は光波長選択スイッチの光軸調整方法に関し、更に詳しくは、複数波長光を分光可能な分光素子と、前記分光された各波長光を集光レンズで集光して、複数のミラーが配列されたミラーアレイの各ミラーでそれぞれ反射し、各所望の出力ポートに導く光学系スイッチ手段とを備える光波長選択スイッチの光軸調整方法に関する。

第３世代の光ファイバ通信システム(マルチリング網等)では、波長分割多重方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の採用により通信容量が大幅に増大しており、このようなシステムの通信経路の変更を、従来のように局舎において手作業でファイバコードを差換えたり、あるいは波長設定を行うのでは、膨大な手間が掛かってしまう。このため、柔軟に経路変更ができ、かつ、遠隔操作が可能なデバイスである、光波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selecting Switch）や光マトリックススイッチ等の採用が進められている。

図７は従来技術を説明する図で、図７（Ａ）に従来の光波長選択スイッチＷＳＳの斜視図を示す。図において、１０は複数の光ファイバ（ポート）１１を配列・収容するファイバアレイ、１６はマイクロレンズアレイ、２０は分光素子である回折格子、２５は集光レンズ、３０は基板３１の表面に複数のＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）ミラーＭ１〜Ｍ８を配列・収容したミラーアレイ、２３は集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ直線上に想定したＷＳＳデバイスの光軸である。なお、図の各アレイ１０，３０は複数素子を１次元配列した場合を示しているが、本明細書を通して各素子が２次元配列されていても良いことは明らかである。

挿入図（ａ）にミラーアレイ３０の部分拡大図を示す。一例のＭＥＭＳミラーＭ４は、そのミラー面が不図示のトーションバースプリング等により直交するｘ，ｙ軸の回りに回動可能に支持されており、例えば背面の４分割電極に電位差を加えることで生じる静電力によって、ｘ，ｙ軸の回りで独立に回動可能となっている。他のミラーＭ１〜Ｍ３，Ｍ５〜Ｍ８についても同様である。

係る構成により、光ファイバ１１からの入力光を回折格子２０で各波長(チャネル)毎に分光し、かつレンズ２５を介して各所定のミラーＭ２，Ｍ４の中心面上に集光すると共に、各ミラー角を変えることで、その反射光を各所望の出力ポート（ファイバ）ｐ１，ｐ２に出力できる。

図７（Ｂ）にＷＳＳ光学系の側面図を示す。この種のＷＳＳデバイスの組立では、集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ想定上の直線がＷＳＳデバイスとしての光軸２３と一致する必要がある。即ち、ミラーアレイ３０の中心が光軸２３上に正しくセットされている場合は、光ァイバ１１から入射し、かつ光分波素子２０で分光された特定波長光２７は、レンズ２５を介してミラーＭ２の中心に入射すると共に、その反射光２７ｂは各素子２５，２０を介して正しく出力ポートｐ２に導かれる。

しかし、もしミラーアレイ３０が光軸２３よりも下側にずれていると、入射光２７の光路は延長されてミラーＭ２の上部で反射されることになるため、その反射光２７ｃは図の点線で示の如く下側にオフセットしてしまい、ポートＰ２には正しく入射できない。逆に、ミラーアレイ３０が光軸２３よりも上側にずれている場合は、入射光２７の光路は短くなるため、その反射光は上側にオフイセットされてしまい、同じくポートＰ２には正しく
入射できない。以上は、ミラーアレイ３０のｙ軸方向へのずれを述べたが、ｘ軸方向のずれについても同様である。従って、ＷＳＳデバイスの組立では、光軸合わせの容易かつ正確な方法の提供が望まれる。

この点、従来は、ファイバアレイ（１）と、ミラーアレイ（６）と、コーナキューブプリズム（１５）又は中空リトロリフレクタ（２３）からなる反射光学系とを備え、入力ファイバからの入射光をミラーアレイ（６）とコーナキューブプリズム（１５）又は中空リトロリフレクタ（２３）を介して所定の出力ファイバに導く初期状態において、出力ファイバの光強度がより高くなるようにミラー駆動電圧を調整することで、初期キャリブレーションを行う光スイッチング装置の調整方法が知られている（例えば特許文献１）。
特開２００２−３５０７４８ ＵＳ６５４９６９９

しかし、上記従来のように出力ポートの光強度を目安にミラー角を調整する方法であると、所要の出力光強度が得られない場合には、ミラーパッケージの位置が悪いのか、又はミラーの駆動角度が悪いのかを区別できないため、いきおい経験や試行錯誤による調整となってしまい、調整に多大な時間と労力を要する問題があった。しかも、一般にミラーアレイでは多数のミラーがマトリックス状に配列されているため、ミラーアレイ全体について所要の特性を得るためには、複数ポートの出力で所要以上の特性が得られるように、ミラーアレイの光軸（ｚ軸）の回りの回転調整も行う必用がある。また、コーナキューブプリズムや中空リトロリフレクタからなる反射光学系を備える構成では、デバイス小型化の障害になると共に、反射光学系の調整も考慮に入れる必要がある。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的とする所は、ミラーアレイの光軸調整を容易かつ的確に行なえる光波長選択スイッチの光軸調整方法を提供することにある。

上記の課題は例えば図２の構成（但し、これに限定されない）により解決される。即ち、本発明（１）の光波長選択スイッチの光軸調整方法は、複数波長光を分光可能な分光素子２０と、前記分光された各波長光を集光レンズ２５で集光して、複数のミラーが配列されたミラーアレイ３０の各ミラーＭでそれぞれ反射し、各所望の出力ポートに導く光学系スイッチ手段とを備える光波長選択スイッチの光軸調整方法であって、前記ミラーアレイの所定のミラー面Ｍ５を観測すべく、集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ直線上に想定した光軸２３に対して所定の角度βにカメラ４２をセットするステップと、前記分光素子で分光した特定波長光２７を前記カメラの視野内に反射すべく、該特定波長光の前記ミラー面（即ち、光軸２３）への入射角αと、前記カメラのセット角βとから決定される角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝に該ミラー面を駆動するステップと、前記カメラの観測出力に基づき前記特定波長光の反射スポットが前記所定のミラー面Ｍ５の中心に位置するようにミラーアレイ３０を光軸に垂直な（ｘ，ｙ）平面内で調整するステップとを備えるものである。

本発明（１）では、まず、光軸２３に対して所定角度βにカメラ４２（及び、好ましくはその対向角−βに光源４１）をセットすることで、ミラー面Ｍ５の形状を良好なコントラストで観測可能とする。次に、特定波長光２７を入力すると共に、ミラー面Ｍ５を既知の角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝に駆動することにより、前記ミラー面Ｍ５の形状に代
えて特定波長光の反射スポット光２７ａを観測可能となる。そこで、カメラ４２の観測出力に基づき特定波長光のスポット２７ａがミラー面Ｍ５の中心に位置するようにミラーアレイ３０を光軸２３に垂直な平面（ｘ，ｙ平面）内で調整する。従って、ミラーアレイ３０の中心を容易かつ正確に光軸２３上に調整可能である。

本発明（２）の光波長選択スイッチの光軸調整方法は、例えば図５に示す如く、複数波長光を分光可能な分光素子２０と、前記分光された各波長光を集光レンズ２５で集光して、複数のミラーが配列されたミラーアレイ３０の各ミラーＭでそれぞれ反射し、各所望の出力ポートに導く光学系スイッチ手段とを備える光波長選択スイッチの光軸調整方法であって、前記ミラーアレイの所定のミラー面Ｍ５を観測すべく、集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ直線上に想定した光軸２３に対して所定の角度βにカメラ４２をセットするステップと、前記分光素子で分光した特定波長光２７を前記カメラの視野内に反射すべく、該特定波長光の前記ミラー面（即ち、光軸２３）への入射角αと、前記カメラのセット角βとから決定される角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝を中心にして該ミラー面を所定の振動パターンで駆動するステップと、前記カメラの観測出力に基づき前記特定波長光の反射スポットが前記所定のミラー面Ｍ５の中心に位置するようにミラーアレイ３０を光軸に垂直な（ｘ，ｙ）平面内で調整するステップとを備えるものである。

本発明（２）によれば、特定波長光２７の反射スポット２７ａが一定パターン（上下及び又は左右のパターン）で振動するため、少なくとも一部の反射スポット２７ａでもカメラ４２で観測される確率が高くなる。従って、ミラーアレイ３０の位置調整が一層容易になる。また、この場合でも、特定波長光スポット２７ａの各種振動パターン（縦／横の直線、十字、円、楕円など）の中心部がミラー面Ｍ５の中心に位置するように容易に調整できる。

本発明（３）では、上記本発明（１）又は（２）において、例えば図４に示す如く、複数の波長光を光軸２３を挟んで相対向する位置の複数のミラー面Ｍ２，Ｍ７にそれぞれ入力するステップと、前記複数のミラー面で観測されるスポット２８ａ，２９ａがカメラ観測視野の水平及び又は垂直方向と一致するようにミラーアレイ３０を光軸の回りに回転調整するステップとを更に備える。従って、ミラーアレイ３０の光軸２３の回りの傾きの調整も容易かつ正確に行える。

本発明（４）では、上記本発明（１）又は（２）において、前記カメラは赤外線カメラである。従って、光通信で使用されるＷＳＳデバイスの光軸調整を的確に行える。

本発明（５）では、上記本発明（１）又は（２）において、例えば図６に示す如く、ミラーアレイ３０の各ミラー面を囲む周囲面３３を蛍光材又は散乱体で構成したものである。従って、ミラー面から外れたスポットでも、それによる蛍光又は散乱光を容易に観測できる。

以上述べた如く本発明によれば、ミラーアレイの光軸調整を容易かつ的確に行なえるため、光波長選択スイッチの普及及び信頼性向上に寄与するところが極めて大きい。

以下、添付図面に従って本発明に好適なる実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。

図１〜図３は第１の実施の形態による光波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の光軸調整方法を説明する図（１）〜（３）で、図１は光軸調整の第１段階であって、カメラ４２によりミ
ラーアレイ３０の所定のミラー面Ｍ５を高いコントラストで観測可能とするために、集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ直線上に想定したＷＳＳデバイスの光軸２３に対して所定の角度βとなるようにカメラ４２（及び、好ましくは照明４１）をセットする場合を示している。

図１（Ａ）にＷＳＳデバイスの側面図を示す。１０はファイバアレイ、１１は光ファイバ、１６はファイバアレイの対応に複数のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイ ２０は一例の分光素子としての回折格子、２５は集光レンズ、３０はミラーアレイ、３５はこれらの光学系デバイスを密閉・収容するための筐体（ケース）の基板フレーム、２３は集光レンズ２５とミラーアレイ３０の各中心間を結ぶ直線上に想定したＷＳＳデバイスの光軸、４１は赤外線を含む照明、４２はカメラとしての一例の赤外線カメラである。

筐体フレーム３５に対して各素子１０，２０，２５を各所定間隔で一列に配置・固定すると共に、該フレーム３５を本調整系の規定位置にセットすることで、ＷＳＳデバイス上に想定された光軸２３と本調整系の基準軸（光軸）とが一致することになる。この状態では、ｘ，ｙ平面内で移動可能なミラーアレイ３０が光軸調整の対象となる。

カメラ４２は、その視線（視野４３の中心）の先が、ミラーアレイ３０のｚ軸方向取付位置における該アレイ表面と光軸２３とが交わる位置を見るように、光軸２３と角度βをなす姿勢で配置される。一方、照明４１は、非駆動状態の（基板３１の面と平行な）ミラー面Ｍ５からの正反射光をカメラ４２により高コントラストで観測できるように、好ましくは、光軸２３と角度βをなす姿勢で配置される。ミラーアレイ３０の調整時には、一部のケース壁面を取り外すことでケース内部を観測可能となっている。また、照明４１とカメラ４２はＷＳＳデバイスの光学系を妨げない位置にセットされる。なお、予めカメラ４２をセットした調整空間にＷＳＳデバイスをセットしても良いし、逆に、予めＷＳＳデバイスをセットした調整空間に対してカメラ４３をセットしても良い。

図１（Ｂ）にミラーアレイの正面図を示す。基板３１の表面には、例えば８つのＭＥＭＳミラーＭ１〜Ｍ８が横一列に配列されており、カメラ４２のズーム（視野角）を調整することで、任意サイズの視野４３内のミラー像を観測可能である。視野４３内には、目盛十字線が重畳されており、その交点部と目標物（例えば、ミラーＭ５）との間の相対位置を精密に把握可能である。この例のミラーＭ５はミラーアレイ３０の中心３２に近いと言う意味で選択されている。なお、カメラ４２の視線をミラー面Ｍ５に直接合わせても良い。図１（Ｂ）のミラーアレイ３０は、たまたま本来よりも幾分高い位置にセットされているため、ミラーアレイの中心３２がカメラ視野４３の中心より高い位置に観測されている。なお、ミラーアレイの中心３２は説明の便宜のための想定上のものであって、実際には見えなくても良い。

図２は光軸調整の第２段階であって、回折格子２０で分光された特定波長光２７をカメラ４２の視野内に反射すべく、該特定波長光のミラー面（即ち、光軸２３）への入射角αと、カメラ４２のセット角βとから決定される角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝に該ミラー面Ｍ５を駆動すると共に、カメラ４２の観測出力に基づき特定波長光の反射スポット２７ａがミラー面Ｍ５の中心に位置するようにミラーアレイ３０を光軸に垂直な（ｘ，ｙ）平面内で調整する場合を示している。

即ち、入力ファイバ１１から特定波長光２７を入力する。特定波長光２７の波長（例えば１５５０ｎｍ）と、回折格子２０の分光特性とから、特定波長光２７がミラーアレイ３０の前面で光軸２３と角度αで交差することになることは既知である。そこで、特定波長光２７の反射光２７ａをカメラ４２の視野中心に向けて反射させるべく、ミラーＭ５をｘ
軸の回りに角度θｘ１だけ回転させる。

この角度θｘ１は次の様にして求められる。即ち、特定波長光２７と光軸２３のなす角度αと、カメラ４２の視線と光軸２３とのなす角度βとにより、ミラーＭ５の反射光２７ａをカメラ４２の視野中心に導くためのミラーＭ５の回転角θｘ１は、
θｘ１＝α＋γ β＝α＋２γ
の関係から、
θｘ１＝α＋（β−α）／２ ＝（α＋β）／ ２
により求まる。

ミラーＭ５をｘ軸の回りに角度θｘ１だけ回転させると、照明４１からの正反射光はカメラ視野４３から外れるため、ミラーＭ５の映像は暗くなるが、その代わりに特定波長光２７のミラーＭ５による反射光スポット２７ａは、カメラ視野の略中心（少なくとも、ｙ軸方向の中心）に入射するため、そのスポット２７ａを明瞭に観測できる。

図２（Ｂ）にミラーアレイの正面図を示す。カメラ４２の観測映像に基づき、特定波長光の反射スポット２７ａがミラーＭ５の中心にに位置するようにミラーアレイ３０をｘ，ｙ平面内で調整することにより、ＷＳＳデバイスの光軸調整を容易かつ適正に行える。なお、この時点で、視野４３内の観測映像に基づき、他の複数ミラーの配列影像が縦及び又は横の目盛線４５と平行になるように、ミラーアレイ３０をｚ軸の回りに回転調整しても良い。

図３に光軸調整後のＷＳＳデバイスにおける一例の光波長選択動作を示す。ミラーＭ５をｘ軸の回りに既知の所定角度θｘ２だけ回転させることにより、ファイバ１１からの特定波長光２７のミラーＭ５による反射光スポット２７ｂを出力ファイバｐ２にスイッチすることが可能である。

図４は第２の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図で、複数の特定波長光２８，２９をＷＳＳデバイスの光軸２３を挟んで相対向する位置の複数のミラー面Ｍ２，Ｍ７にそれぞれ入力すると共に、該複数のミラー面Ｍ２，Ｍ７で反射され、カメラで観測される各スポット光２８ａ，２９ａが観測視野の水平方向４５（又は垂直方向）と一致するようにミラーアレイ３０を光軸２３（ｚ軸）の回りに回転調整する場合を示している。

図４（Ａ）において、この例のミラーアレイ３０はｙ軸方向に高めに位置しているので、まずは、特定波長光２７の反射スポット２７ａを観測しながら、基板３１を矢印ａ方向に移動することで、図４（Ｂ）の状態になる。次に、左右の特定波長光２８，２９を入力すると共に、それらの反射スポット２８ａ，２９ａを観測しながら視野内のメモリ線４５が各反射スポット２８ａ，２９ａの中心を横切るように矢印ｂ方向に回転調整することで、図４（Ｃ）の状態になる。従って、ミラーアレイ３０の光軸２３の回りの回転調整も容易かつ正確に行える。なお、上記図４（Ａ），（Ｂ）の調整を行わずに、いきなり図４（Ｃ）の調整を行っても良いことは明らかである。これでも、ミラーアレイ３０の正確な位置調整を容易に行える。

図５は第３の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図で、光軸調整に際して、ミラー面Ｍ５を所定角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝の付近で振動させる場合を示している。図５（Ａ）において、特定波長光２７の反射光２７ａはβを中心として上下に振動している為、ミラーアレイ３０が本来の位置から相当にずれていても、一部のスポット光２７ａを視野４３の中心付近で観測することができる。そこで、この場合は、図５（Ｂ）に示す如く、反射スポット２７Ａの振動パターンを横着る目盛線４５がミ
ラーＭ５の中心を横切るように基板３１の位置を調整する。なお、反射光２７ａに加える振動パターンはｘ又はｙ方向の直線でも、ｘ及びｙ方向の十字線でも、又はミラー面Ｍ５を囲む様な円形（又は楕円形）でも良い。

図６は第４の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図で、ミラーアレイ３０の各ミラーを囲む周囲面３３を蛍光材又は散乱体で構成した場合を示している。図６（Ｂ）にミラーアレイ３０の正面図を示す。この例では、基板３１の表面のカバーガラスにおける各ミラーＭ１〜Ｍ８の有効反射面を除いた周囲の領域３３に対して、蛍光材を塗布し、又は散乱体となるように加工している。これにより、光軸調整に際して入力の特定波長光がミラー面から外れた場合であっても、入射スポットにより発生した蛍光、又は散乱光をカメラ４２で的確に観測できる。本実施の形態によれば、スポット光がミラー面を外れた位置でもその蛍光や散乱光を明瞭にモニタできるので、外部の照明４１を省略しても良い。

なお、上記各実施の形態では、本発明の一次元配列のミラーアレイ３０への適用例を述べたが、これに限らない。本発明は２次元配列のミラーアレイの光軸調整にも適用可能であることは明らかである。

また、上記本発明に好適なる複数の実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で各部の構成、制御、処理及びこれらの組合せの様々な変更が行えることは言うまでも無い。

第１の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図（１）である。 第１の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図（２）である。 第１の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図（３）である。 第２の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図である。 第３の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図である。 第４の実施の形態による光波長選択スイッチの光軸調整方法を説明する図である。 従来技術を説明する図である。

符号の説明

１０ ファイバアレイ
１１ 光ファイバ
１６ マイクロレンズ
２０ 回折格子
２３ 光軸
２５ 集光レンズ
３０ ミラーアレイ
３１ 基板
３５ 基板フレーム
４１ 照明
４２ 赤外線カメラ

Claims (5)

1. 複数波長光を分光可能な分光素子と、前記分光された各波長光を集光レンズで集光して、複数のミラーが配列されたミラーアレイの各ミラーでそれぞれ反射し、各所望の出力ポートに導く光学系スイッチ手段とを備える光波長選択スイッチの光軸調整方法であって、
   前記ミラーアレイの所定のミラー面を観測すべく、前記集光レンズと前記ミラーアレイの各中心間を結ぶ直線上に想定した光軸に対して所定の角度βにカメラをセットするステップと、
   前記分光素子で分光した特定波長光を前記カメラの視野内に反射すべく、該特定波長光の前記ミラー面への入射角αと、前記カメラのセット角βとから決定される角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝に該ミラー面を駆動するステップと、
   前記カメラの観測出力に基づき前記特定波長光の反射スポットが前記所定のミラー面の中心に位置するように前記ミラーアレイを前記光軸に垂直な平面内で調整するステップとを備えることを特長とする光波長選択スイッチの光軸調整方法。
   
2. 複数波長光を分光可能な分光素子と、前記分光された各波長光を集光レンズで集光して、複数のミラーが配列されたミラーアレイの各ミラーでそれぞれ反射し、各所望の出力ポートに導く光学系スイッチ手段とを備える光波長選択スイッチの光軸調整方法であって、
   前記ミラーアレイの所定のミラー面を観測すべく、前記集光レンズと前記ミラーアレイの各中心間を結ぶ直線上に想定した光軸に対して所定の角度βにカメラをセットするステップと、
   前記分光素子で分光した特定波長光を前記カメラの視野内に反射すべく、該特定波長光の前記ミラー面への入射角αと、前記カメラのセット角βとから決定される角度θｘ１｛＝（α＋β）／２｝を中心にして該ミラー面を所定の振動パターンで駆動するステップと、
   前記カメラの観測出力に基づき前記特定波長光の反射振動パターンが前記所定のミラー面の中心に位置するように前記ミラーアレイを前記光軸に垂直な平面内で調整するステップとを備えることを特長とする光波長選択スイッチの光軸調整方法。
3. 複数の波長光を前記光軸を挟んで相対向する位置の複数のミラー面にそれぞれ入力するステップと、 前記複数のミラー面で観測されるスポットがカメラ観測視野の水平及び又は垂直方向と一致するように前記ミラーアレイを前記光軸の回りに回転
   調整するステップとを更に備えることを特長とする請求項１又は２記載の光波長選択スイッチの光軸調整方法。
4. 前記カメラは赤外線カメラであることを特徴とする請求項１又は２記載の光波長選択スイッチの光軸調整方法。
5. 前記ミラーアレイの各ミラー面を囲む周囲面を蛍光材又は散乱体で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光波長選択スイッチの光軸調整方法。

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