JP4613162B2 - 改良された光線操作用光学スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、光学スイッチの分野に関する。

従来の光学スイッチは、再設計せずには拡張し難いのは公然と知られている。

３次元の光学スイッチは、一般には光線操作エレメントの二つの向かい合ったアレイによって構築されており、その場合第一アレイの各エレメントは、第二アレイのいずれかの選定されたエレメントに向くことができるようになっている。
光線操作エレメントの光学特性によって第一アレイと第二アレイとの間の作業距離に制限が加えられている。

光線操作エレメントは、それらの動きを吸収するために通常アレイにおいて十分に隔設されている。所定の光線操作エレメントは、その行える揺動について安定性とノイズの許容可能なレベルになるように制限されることになる。所定の光線操作エレメントの揺動角度を増やすことは、望ましくないノイズと不安定さを起こしそうになるために有効な選択ではない。

本発明の目的の一つは、過度な角度で揺動させる必要がなく、何ら目立った損失無しに、より高性能なレンズを組み込む必要無しに、またスイッチを全体的に再設計する必要無しに、従来のスイッチ構築ブロックがスイッチ能力を高めるために使用されるようにする一つのアプローチ又は一連のアプローチを導入するものである。

本発明の特定の目的は、より大きな作業距離を大きな光学エレメントに取り入れる必要無しに、またより大きな角度の揺動が行われるように操作構造を構築する必要無しに拡張されるスイッチを造ることである。

本発明の別の特定の目的は、従来技術のスイッチング機能を充足すると共に、作業距離を必ずしも長くする必要無しにスイッチ能力を高めるために従来の光路間の光学スペースを同時に活用するスイッチを造ることである。

次の背景技術の特許文献が認識された

ＧＢ ２ １８５ ５８９ Ａ（ＳＴＣ公開有限責任会社）

ＥＰ １ １４６ ３８６ Ａ８（ＩＢＭ社）

ＥＰ １１４６３８６（ＩＢＭ社）

本発明の最も広範囲な独立形態では、本発明は、光学エレメントの出力アレイから隔設された光学エレメントの入力アレイと、放射光線を導く手段と、入力部と出力部との間に光学的に配置された光学エレメントの別のアレイとを有しており、光学エレメントの前記の別のアレイの光学エレメントのピッチが、光学エレメントの入力アレイ及び／又は出力アレイのピッチよりも小さくなっている。

この構成は、入力ポート又は出力ポートが占める面積を必ずしも増やす必要無しにオペレータが光学スイッチの能力を高められるようにするので、当該構成は特に有利である。例えば、１６×１６スイッチがポートの分だけ増やされたならば、伝統的に所定のコリメーターは、前記の新しいポートに到達するためにより大きく移動できるようになっていなければならない。適当なアレイを使用することで、ポート間に設置された場合に、入力ポートと出力ポートとの間の光路長さがより長くできるようにするのに必要とされるコリメーターの揺動が最小化される。この改良によって更に、スイッチング能力を高めるために在来の設計を全体的に再設計する必要性も回避されよう。この構成によって更に、ポートをよりコンパクトにするメリットが享受されるであろう。

従属的な形態によれば、光学エレメントのアレイは、光路が互いに交差している場所に配置される。光学エレメントをこれらの位置に設置することで、アレイ自体を過度に複雑にする必要無しにスイッチ能力を最適に高められる。

別の従属的な形態では、光学エレメントのアレイは、光路が互いに交差している個所のギャップに配置される。これによってスイッチ能力が高められ、有利にする。それによって、例えば入力ポート間のすべてのギャップが付加ポートによって充足されよう。これによって、更にコンパクトになる。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、光線をリフォームする主要な機能を有すると共に入力部と出力部との間のスペースの所定個所に配置され、その所定個所で光線をリフォームすることで入力アレイと出力アレイとの間で得られる光路長さがエレメントの別のアレイ無しで得られる光路よりも長くされる。この構成によっても、入力アレイと出力アレイとの間で達成できる光路長さを長くすることでスイッチの光学能力が高められるメリットが享受される。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、光学エレメントの入力アレイ又は光学エレメントの出力アレイのいずれかからの光路の長さのほぼ１／３の個所に配置され、またそれらエレメントのピッチは、光学エレメントの入力アレイ及び／又は出力アレイのピッチのほぼ１／３になっている。この構成は、必ずしもスイッチの中心線上にアレイを設置する必要無しに所定のスイッチの光学的スイッチング能力を高めるので特に有利である。

別の従属的な形態では、第一の別のアレイが光学エレメントの出力部からの光路の長さの１／３の個所に配置された場合、光学エレメントの第二の別のアレイが、光学エレメントの入力アレイからの光路の長さのほぼ１／３の個所に配置される。多数のアレイを使用することで、或る用途で特別のメリットを有することになる。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、光学エレメントの入力アレイ、又は光学エレメントの出力アレイのいずれかからの光路の長さのほぼ１／４の個所に配置され、またそれらエレメントのピッチは、光学エレメントの入力アレイ及び／又は出力アレイのピッチのほぼ１／４になる。これは、実質的に、例えばスイッチに使用されるような更に有利な選択となり、その場合、ただ一つの中央アレイを使用することは実際的ではない。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、反射アレイとなる。これによって、光学スイッチ能力が高められ、他方でそのようなアレイを組み込んだスイッチの全体寸法が所定の基準設定に適合するように調節される。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、縞模様入りミラーとなる。これによっても、スイッチング能力がクロスオーバー点間のギャップを活用することで高められる。これは、幾つかの別々の入力アレイが同じ縞模様入りミラーアレイ上で相互作用するときに特に役立つであろう。それで更に、光学スイッチにおいてより確かにコンパクトさが達成されよう。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、レンズレットアレイとなる。この特徴によって、より多数の面積当りのポート数に到達されよう。

別の従属的な形態では、光学エレメントの別のアレイは、次のエレメント；縞模様入りミラー、レンズレット及び反射エレメントの内の少なくともいずれかの二つの組み合わせから構成される。

別の従属的な形態では、放射線は、傾斜ミラーのアレイ上へコリメーターを介してスイッチに入力され、及び／又はスイッチから出力される。今日の技術では一般的になっているように、スイッチが所定のポート数に対してより低い仕様の電子機器を備えていても、これによって、スイッチ構造はより多くのポート数まで拡張されよう。

別の従属的な形態では、入力アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込み、エレメントの別のアレイの光学ピッチは、コリメーターのピッチのほぼ半分となり、またエレメントの別のアレイは、入力アレイと出力アレイとの間のほぼ中間に配置される。この構造によって、スイッチで生じる機械的摩耗がそのライフサイクルを通してより少なくなるように、スイッチングが最小の揺動角度で行われる。

別の従属的な形態では、入力アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込み、エレメントの別のアレイの光学ピッチは、コリメーターのピッチのほぼ１／３となり、またエレメントの別のアレイは、入力アレイと出力アレイとの間の光路長さのほぼ１／３に配置される。この形態によって、所定のスイッチ能力に必要とされるコリメーターの揺動が低減される。

別の従属的な形態では、入力アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込み、エレメントの別のアレイの光学ピッチは、コリメーターのピッチのほぼ１／４となり、またエレメントの別のアレイは、入力アレイと出力アレイとの間の光路長さのほぼ１／４に配置される。これによっても、スイッチ能力を低下させずに必要なコリメーター揺動が低減される。

図１ａは、各々２と３で参照された二つの入力ポートと各々４と５で参照された二つの出力ポートとを備えた標準型の光学スイッチ１を示している。６で参照されているような可能な相互結合ラインを示している入力ポートと出力ポートとの間にラインが引かれている。各ポートは、スイッチングを行うためにコリメーターを動かすマウント８にコリメーター７を取り付けることができる。

図１ｃは、全体的に１１で参照しているスイッチの中央領域に沿ってレンズレット１０を配置したアレイ９を示している。スイッチは、４列の４ポートを該スイッチのどちらの側にも有している。

図１ａ又は１ｃから観察されることは、もし全ての相互結合ラインがアレイ間の軸線に沿った大部分の点で二つのアレイ間において（線形又は２次元のいずれかで）引かれれば、アレイの領域に渡って散乱された光線分布が存在するが、しかし、光線が通過する限定された数の通過点が或る場所に、特に中心に存在しているに過ぎないと言う点である。本発明は、光線が互いに交差しているそれらの点に光学エレメントのアレイを設置することを提案している。

アレイ９は、図１ｂに示されているように、同じコリメーターからより長い作業距離を提供するように光線をリフォームするために設定されたレンズレット１０から形成されている（作業距離における最大ゲインは、アレイのピッチにほぼ近い光線直径によって設定される）。この制限は、一般には光路が元のスイッチよりも４倍にも長くなれるようにするものであり、それで２次元アレイのポート数を１６フォルド増加させることができる。エレメントは、所望の構成に応じて屈折エレメント又は反射エレメントとなる。

図１ｃのアレイのピッチは、光学ピボット点のピッチの丁度半分となっている。光学ピボット点は、コリメーターを支持しているマウント又は屈曲部に存在するか、又は代わりに、入力ポートがＭＥＭを使用していれば、それらはミラーに存在することになろう。

図１ｂなどの２次元アレイに対して、水平方向のピッチは、水平光学ピボットピッチの半分となっており、また垂直方向のピッチは、垂直光学ピボットピッチの半分となっている。

所謂斜めの反射システムが図２に示されており、その場合、第一セットの揺動コリメーターが光線を反射アレイ上に入力するために使用されており、その反射アレイは、第一セットの下方に配置された第二セットの揺動コリメーターに向かって光線を反射するようになっている。この反射システムは、スイッチが折り畳まれるようにしている。

図２に描かれていて、全体が１２で参照されている特定のスイッチでは、第一組及び第二組の両方のコリメーターアレイの全てのピボット点（１３で参照されているような）は、直線状に全て整列しており、デザインと構造を簡略化している。反射アレイ１４は、ピボットピッチの半分のピッチを持つように設計されている。

図３は、各々１５と１６で参照されている第一組及び第二組のコリメーターアレイを示している。コリメーター１５によって放射された光線は、第一の傾斜ミラーアレイ１７上に伝搬され、第一傾斜ミラーアレイ１７は、その光線を反射アレイ１８上に反射し、次に第二の傾斜ミラーアレイ１９上に反射し、次にコリメーター１６上に反射する。それらコリメーターは、反射アレイと同じ面に設置されている。図３のスイッチは、図示された４列型が存在していれば、１６×１６ＭＥＭスイッチとしての働きをする。

本発明のアプローチは、結局はスイッチ構造を更に離さなければならなくなる他の設計的考慮とは無冠形に、あらゆるスイッチ構造がそのコリメーターの間隔を最大の所望のクロストークによって設定しているように見えるようにするものである。シングルモードのシステムでは、凹面鏡レンズレットの曲率半径は、レンズレットに到達するガウス光線のそれに単に釣り合うように設定される必要がある。もし、屈折アレイが伝搬に使用されれば、レンズレットの焦点距離は、凹面鏡の１／２×ガウス光線の曲率半径の焦点距離と同じなっている。

図４と図５は、本発明のアレイを備えていないスイッチと本発明のアレイを組み込んだスイッチとを対比している。

図４において、パラメータとして；単一軸線の不整合に対するｄｂでの結合、シングルモードのガウス光線、４ワイドアレイ内へのＺｏ＝５０ｍｍ、１５５０ｍｍ、ピボットピッチの４．５ｍｍ、ピボット間隙の１２０ｍｍ、光路の１００ｍｍがある。

図５において、パラメータとして、１３ワイドアレイ、同じピッチ、ピボット間隙の４８０ｍｍ、光路の４６０ｍｍ、１００ｍｍの焦点距離、光路の中央における２．２５ｍｍのピッチのレンズレットアレイを除いて図４におけるものと同じである。性能対角度の軸線の重要性を評定すると、同様な値又は一致した値が達成される（クロストーク６０ｄｂ）。（実際の装置は、単一端の不整合からのクロストークを５０ｄｂよりも改善し、両端が不整合であると、即ち隣のコリメーターを指向していると１００ｄｂに近付く）。

本発明のアプローチは、シングルモードとマルチモードの両システムに適用される。マルチモードシステムで、それは、位置交換よりはむしろファイバーコアの１：１の作像ができるようにする付加メリットを有しており、また標準的な一対のコリメーターにおけるようにファイバー間では有していない。これによって視準するレンズを変える必要無しに（アレイの焦点距離の変更を介して）作業距離が柔軟になると言う長所が提供される。

スイッチ能力を高めるために光線が交差すると言う事実を活用する位置にアレイを必然的に設置する代わりに、本発明は、更に、光線がこれまでには通過しない個所にエレメントを設置することでスイッチ能力を高めることも提案している。これは、アレイの交互配置によって達成されよう。

アレイの交互配置は、光線間のギャップを活用している。これは、図において２０で参照されているようなスイッチにおいて所謂縞模様入りミラー２１を交差点間に設置することで達成されよう。実際の光線操作構造は、図を簡略化するために点で代替されている。スイッチの図解の次に、スイッチの縞模様入りミラー２１を図解している縞模様入りミラーアレイ２２が平面図で与えられている。このアレイは、２３で参照されているような金メッキの反射縞と、２４で参照されているような透明な縞とを代わりに配置している。

アレイは、交差点において光線が一方のポートから他方にアレイを横切って通るように寸法が取られ、位置決めされ、成形される。光線がミラーの縞の上に導かれると、縞は光を別のポートに向かって反射する。これらの反射された光線を受けるために特に装備されたポートは、入力アレイポート間か、又は別々のアレイに適切に設置される（これら両構造は、各々図６と図７に示されている）。

図６は、全体的に２０で参照された３２ウエイ反射システムを平面図又は側面図で示しており、そのシステムは、ピボット点間を１４８ｍｍに、５．５ｍｍピッチの湾曲台で、呼称で１．０６度の傾斜で、０．４ｍｍの中心におけるガウス光線１／ｅ直径で設定されている。ミラーは、１．３７５ｍｍの縞で２．７５ｍｍのピッチに銀メッキされ、また両側がＡＲコーティングされていた。

ミラーの縞は、発生元のアレイにおけるコリメーターの画像がターゲットアレイのコリメーター間のギャップに向かって反射されるように僅かな角度で傾斜される。スイッチの左手側のより暗いラインは、コリメーター（図示されていない）から放射され且つスイッチの左手側の別のコリメーター上に光線を反射するアレイの縞模様入りミラー部分に合った光路を示している。より明るいラインは、ミラーで映されていないが光線がアレイの右手側に横断できるようにするアレイ部分でアレイと交差する従来の光路となっている。

ミラー上の縞は、光学ピボット点のピッチの半分のピッチに設けられ；従って、反射器幅とギャップ幅は、両方ともピボット点ピッチの１／４となっている。

代わりに、ミラーの縞は更に傾斜され、また二つの追加のアレイが、例えば図７に示されているように四つの１６ウエイアレイから３２×３２スイッチを提供したり、例えばピッチが５．５ｍｍで、端部間の光路長さ（ピボット点からピボット点まで）が１５０ｍｍで、ミラー傾斜が呼称で７．４５度のコリメーターを提供するために使用される。

より暗い色で図示された光路は、アレイのミラー部分間でアレイを横切る光路である。これらのより暗い光路に関連した明るい光路は、ミラーで映された縞上のアレイに合致しており、従って後方に反射される。他のより明るい光路はアレイを横断している。

光学エレメントの位置決めにより大きな許容度を与えたり、又はより大きな光線直径を扱う能力を与える技術は、反射エレメントと伝搬エレメントの対角線方向のチェッカーボードアレイを使用するようになっている。これによって、ピボットピッチの１／２×√２（１／２．８１）の反射又は伝搬のパッチ寸法が与えられ、またコリメーターアレイを正しく作像するために両軸線において小さな角度でエレメントが搭載されるように要求される。これらのアプローチは、アレイ間の外見上の距離を変更しないが、それらの画像を交互配置するものである。

（ａ）は標準的な従来技術の２×２スイッチの光学スイッチを示し、（ｂ）は図１（ｃ）のアレイを平面図で示し、（ｃ）は４列の４つの入力部及び４つの出力部とリフォームレンズレットアレイとを有した１６×１６光学スイッチの側面図を示している。 本発明に係る反射光学スイッチを示している。 本発明に係る傾斜ミラーを備えた光学スイッチを示している。 本発明に係る光学アレイの無い光学スイッチの性能結果を示している。 本発明に係る光学アレイを備えた光学スイッチの性能結果を示している。 縞模様入りミラーアレイを備えた光学スイッチを示している。 縞模様入りミラーアレイを備えた光学スイッチの別の実施例を示している。

Claims (14)

1. それぞれが光入力ポートを有する可動光線操作装置の第１アレイと、
   それぞれが光出力ポートを有する可動光線操作装置の第２アレイと、
   前記第１と第２アレイとの間に設けられたスペースと、を備え、
   前記第１アレイの各光線操作装置は、前記第１アレイの任意の入力ポートから、前記第２アレイの任意に選択された出力ポートに対して光線を向けるように構成されていること、
   光学エレメントのパッシブ・アレイは、可動光線操作装置の前記第１と第２アレイとの間に光学的に配置され、更には、可動光線操作装置の前記第１と第２アレイとの間のスペースに配置されていること、
   を特徴とする光学スイッチであって、
   隣接する光学エレメントの軸線間の距離は、それに対応する隣接する光線操作装置の軸線間の距離よりも短く、
   光学エレメントのパッシブ・アレイは、第１及び第２アレイの装置が交差する伝搬路のポイントに配置される複数の伝搬エレメントから成り、
   伝搬エレメントは前記第１アレイの可動光線操作装置から前記第２アレイの可動光線操作装置への光線が交差するよう構成され、
   光学エレメントのパッシブ・アレイは、伝搬エレメント間に等間隔で散在する複数の別の光学エレメントを更に有し、
   前記別の光学エレメントは、反射光を受けるように特別に配備され、入力アレイのポート間または個別のアレイに配置された前記スイッチの更なるポートに向かって光を反射するよう構成されることを特徴とする、光学スイッチ。
2. 前記反射する前記別の光学エレメントは、反射縞であり、前記伝搬エレメントは伝搬縞である請求項１記載の光学スイッチ。
3. 前記パッシブ・アレイは、反射縞と伝搬縞のチェッカーボードアレイである請求項２記載の光学スイッチ。
4. 前記光学エレメントのパッシブ・アレイは、可動光線操作装置の第１及び第２アレイのほぼ中心に配置されており、また隣接するエレメント間の距離は、第１及び第２アレイの隣接する装置間の距離のほぼ半分になっている請求項１から３のいずれか１項に記載の光学スイッチ。
5. 前記光学エレメントのパッシブ・アレイは、第１アレイ又は第２アレイのいずれかからの光路の長さのほぼ１／３の個所に配置される第１パッシブ・アレイであり、またパッシブ・アレイの隣接するエレメント間の距離は、第１及び第２アレイの隣接する装置間の距離のほぼ１／３になっている請求項１記載の光学スイッチ。
6. 前記第１パッシブ・アレイが、第２アレイからの光路長さの１／３の個所に配置されていれば、光学エレメントの第２パッシブ・アレイは、第１アレイからの光路長さのほぼ１／３の個所に配置されている請求項５記載の光学スイッチ。
7. 前記光学エレメントのパッシブ・アレイは、第１アレイ又は第２アレイのいずれかからの光路長さのほぼ１／４の個所に配置されており、また隣接するエレメント間の距離は、第１及び第２アレイの隣接する装置間の距離のほぼクォートになっている請求項１記載の光学スイッチ。
8. 前記光学エレメントの前記パッシブ・アレイは、次のエレメント；縞模様入りミラー、レンズレット及び反射エレメントの内の少なくともいずれかの二つの組み合わせから構成されている請求項１記載の光学スイッチ。
9. 前記放射光線は、傾斜するミラーのアレイ上へコリメーターを介してスイッチに入力され、及び／又はスイッチから出力される請求項１記載の光学スイッチ。
10. 前記第１アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込んでおり、エレメントのパッシブ・アレイの光学ピッチは、コリメーターのピッチのほぼ半分となっており、またエレメントのパッシブ・アレイは、第１及び第２アレイの間のほぼ中間に配置されている請求項１記載の光学スイッチ。
11. 前記第１アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込んでおり、エレメントのパッシブ・アレイの光学ピッチは、コリメーターのほぼ１／３となっており、またエレメントのパッシブ・アレイは、第１及び第２アレイの間の光路長さのほぼ１／３の個所に配置されている請求項１記載の光学スイッチ。
12. 前記第１アレイは、所定のピッチ以内の揺動運動で移動されるようになっているコリメーターを組み込んでおり、エレメントのパッシブ・アレイの光学ピッチは、コリメーターのほぼ１／４となっており、またエレメントのパッシブ・アレイは、第１及び第２アレイとの間の光路長さのほぼ１／４の個所に配置されている請求項１記載の光学スイッチ。
13. 前記第１及び第２のアレイが可動コリメーターを組み込み、この可動コリメーターは空き領域を介して前記パッシブ・アレイの各エレメントと連通する請求項１に記載の光学スイッチ。
14. 前記可動コリメーターの第１及び第２のアレイが対向する請求項１３に記載の光学スイッチ。

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