JP4718740B2 - 光アドドロップマルチプレクサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システム分野に関し、より詳細には、光ファイバ通信、特に稠密波長分割多重方式を用いた分散型光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学ネットワークは、被変調光を用いて、２点間に鮮明かつ高速な通信を可能にする。光通信システムによって提供される帯域幅と効率は周知である。１本のファイバで、途方もない長い距離に亘って大量の情報を搬送可能である。実際の通信システムでは、互いにネットワーク化された多数のファイバを利用して、ネットワーク上の各２点間に少なくとも１つの経路を提供するような通信ウェブを形成する。各２点を接続するようにネットワークを構成するには、多数のスイッチが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバを結合する１つの方法では、入力ファイバによって搬送される光学信号を電気信号に変換し、この電気信号を用いて第２ファイバを通じて伝送される別の光ビームを変調する。この方法は、単に光ビームをスイッチングする方法よりも遙かに遅く、しかも、伝送された光学信号に雑音が入り込む可能性がある。第１ファイバからの光ビームを有意な損失なしに直接第２ファイバに結合するような純粋な光学スイッチングは、遙かに高速で効率も良く、従って望ましい。
【０００４】
幾つかのタイプの光学スイッチが開発されている。入力および出力ファイバを物理的に整列させる機械式手段を用いるものがある。このような機械式スイッチは、典型的には、遅く、大きく、非常に高価である。必要なのは、構成するのに非常に迅速で、光ビームを電気に変換する必要のない、改良された光学スイッチである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
目的および利点は、やがて明白になり、しかも、以下にある程度示され、また、本発明によって達成されるが、本発明は、光アドドロップマルチプレクサの方法と装置を提供する。請求項記載の本発明の一実施例は、光アドドロップマルチプレクサとして理想的に構成した光学スイッチを提供する。本光学スイッチは、第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、反射器と、第１、第２、第３、および、第４偏光器とを有する。第１偏光器は、第１入力からの第１入力光学信号を反射器上の第１地点へ向ける第１状態で動作可能である。第１偏光器はまた、第１入力光学信号を反射器上の第２地点へ向ける第２状態でも動作可能である。第２偏光器は、反射器上の第２地点からの第１入力光学信号を第２出力へ向けるように動作可能である。第３偏光器は、第２入力からの第２入力光学信号を反射器上の第３地点へ向けるように動作可能である。第４偏光器は、反射器上の第１地点からの第１入力光学信号を第１出力へ向ける第１状態で動作可能である。第４偏光器はまた、反射器上の第３地点からの第２入力光学信号を第１出力へ向ける第２状態でも動作可能である。
【０００６】
本発明の第二実施例は、光アドドロップマルチプレクサとして理想的に適した光学スイッチを提供する。本光学スイッチは、第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、反射器と、第１入力光学信号を受信し、第１入力光学信号を少なくとも２つの第１入力信号成分に分離するように動作可能な信号分離器と、第１、第２、第３、および、第４偏光器とを有する。第１偏光器は、第１入力からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を反射器の第１領域へ向ける第１状態で動作可能である。第１偏光器はまた、第１入力からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を反射器の第２領域へ向ける第２状態でも動作可能である。第２偏光器は、反射器の第２領域からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第２出力へ向けるように動作可能である。第３偏光器は、第２入力からの第２入力光学信号の少なくとも１つの成分を反射器の第３領域へ向けるように動作可能である。第４偏光器は、反射器の第１領域からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第１出力へ向ける第１状態で動作可能である。第４偏光器はまた、反射器の第３領域からの第２入力光学信号を第１出力へ向ける第２状態でも動作可能である。
【０００７】
本発明のさらに別の実施例は、光アドドロップマルチプレクサとして理想的に適した光学スイッチを提供する。本光学スイッチは、第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、第１偏光器と、第２偏光器と、第３偏光器と、第４偏光器とを有する。第１偏光器は、第１入力からの第１入力光学信号を第４偏光器へ向ける第１状態で動作可能である。第１偏光器はまた、第１入力光学信号を第２偏光器へ向ける第２状態でも動作可能である。第２偏光器は、第１偏光器からの第１入力光学信号を第２出力へ向けるように動作可能である。第３偏光器は、第２入力からの第２入力光学信号を第４偏光器へ向けるように動作可能である。第４偏光器は、第１偏光器からの第１入力光学信号を第１出力へ向ける第１状態で動作可能である。第４偏光器はまた、第３偏光器からの第２入力光学信号を第１出力へ向ける第２状態でも動作可能である。
【０００８】
本発明のさらに別の実施例は、光アドドロップマルチプレクサとして理想的に適した更に別の光学スイッチを提供する。本光学スイッチは、第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、第１入力光学信号を受信し、第１入力光学信号を少なくとも２つの第１入力信号成分に分離するように動作可能な信号分離器と、第１、第２、第３、および、第４偏光器とを有する。第１偏光器は、第１入力からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第２偏光器へ向ける第１状態で動作可能である。第１偏光器はまた、第１入力からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第４偏光器へ向ける第２状態でも動作可能である。第２偏光器は、第１偏光器からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第２出力へ向けるように動作可能である。第３偏光器は、第２入力からの第２入力光学信号の少なくとも１つの成分を第４偏光器へ向けるように動作可能である。第４偏光器は、第１偏光器からの少なくとも１つの第１入力光学信号成分を第１出力へ向ける第１状態で動作可能である。第４偏光器はまた、第３偏光器からの第２入力光学信号を第１出力へ向ける第２状態でも動作可能である。
【０００９】
開示された光学スイッチは、入力信号を光学領域から電気領域へ変換する必要のない、低コストで、高信頼性で、光学的に効率的なスイッチを提供する。こうして、スイッチへ入力される光学信号は、不必要な信号遅延や破壊なしにスイッチ出力として利用可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
信号ストリームを光学信号から電気信号に変換することなしに信号を選択的に光学信号路から落としたり光学信号路に追加したりできる、新しい光学スイッチ構造が開発されている。この新しい構造は、マイクロミラーを用いて、入出力信号ストリーム間で信号を効率的にスイッチする。
【００１１】
図１は、従来技術に典型的な光学スイッチングの応用に利用される光電光変換を示す概略図である。従来技術スイッチは、第１伝送経路、典型的には光ファイバ１０４から光学信号１０２を受信していた。受容器１０６は光学信号１０２を被変調光から電気信号に変換する。電気スイッチ１０８は第１入力信号１１０を第１出力信号１１２または第２出力信号１１４のどちらかに接続する。同時に、第２入力信号１１６が他方の出力信号にスイッチされる。
【００１２】
スイッチ１０８から第１出力１１２に出てくる信号は、出力ファイバを通じて長距離伝送される前に、レーザー１２０によって光に変換される。スイッチ１０８から第２出力１１４に出てくる信号は、局所的に電気形式に処理される。スイッチが第１位置にあるときには、第１入力１１０の信号がスイッチを通過して第１出力１１２に出力され再伝送される。スイッチが第１位置にあるとき、典型的には、スイッチの第２入力には信号が提供されない。第２位置では、第１入力１１０で受信した光学信号が第２出力１１４にスイッチされて、局所的に処理される一方、第２入力１１６に提供された信号が光学形式に変換され、出力ファイバ１２２を通じて伝送される。
【００１３】
不都合なことに、図１のスイッチは、着信してきた光信号１０２を局所的に使用するかどうかに関わらず、電気形式に変換しなければならない。すなわち、着信してきた光信号１０２を出力ファイバ１２２を通じて伝送したいときには、まず、この着信してきた光信号を電気信号１１０に変換しスイッチし、その上で光学信号１１８に再変換して出力ファイバ１２２に提供する。この二重変換はそもそも不必要であり、信号の伝送を遅らせる。さらにまた、受容器１０６、スイッチ１０８、レーザー１２０だけでなく、増幅器１２４などの他の回路素子も、信号にノイズを加える可能性を持っている。
【００１４】
図２の光学スイッチは、着信してきた光学信号をあらかじめ電気信号に変換せずにそのままスイッチングすることによってこれらの問題を回避する。図２は、本発明の光学スイッチングに関する方法の全てを示す概略図である。図２において、光ファイバ２０２は光学入力信号を提供し、ファイバ２０４はその光学出力信号を伝送する。第２光学入力２０６によって、レーザー２１０からの光学信号２０８を出力ファイバ２０４に提供することができる。レーザー２１０は電気信号２１２によって変調される。第２出力２１４は、スイッチ２００から出力される光学信号を受容器２１６に提供し、受容器２１６はこの光学信号を電気信号２１８に変換する。
【００１５】
図２のスイッチは、典型的には、光アドドロップマルチプレクサ（ＯＡＤＭ）と称される。このスイッチは、光学ネットワークにおいて、受信信号をネットワークに渡し、新しい信号を伝送ストリームに追加（アド）し、伝送ストリームから信号を落とす（ドロップ）ために使用される。ネットワークにおける各ファイバは、典型的には、数個の信号を搬送する。波長分割多重方式（ＷＤＭ）あるいは稠密波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）を用いて、各信号に別個の波長を割り当てる。ファイバ中の各信号は、異なる目的地を持って良い。信号は波長によって分離され、それぞれの目的地に達した信号は第２出力２１４を使用して「ドロップ」される。まだそれぞれの予定目的地に達していない信号は第１出力２０４を通過させられ、ネットワークの別のノードまでファイバに留まる。別のノードに伝送されるべき現在ノード発の信号は、第２入力２０６経由でスイッチに入力され、スイッチによって、第１出力２０４を通じて伝送される他の信号に追加される。本発明はＯＡＤＭに関して説明されるが、スイッチの他の応用も考えられると理解すべきである。
【００１６】
この新しいＯＡＤＭは、着信してきた光学信号を少なくとも２つの経路の一方に選択的に向けることができる構成要素を必要とする。マイクロミラー装置が好適である。ＯＡＤＭで使用されるマイクロミラーは、電磁力、静電力、圧電力、または、他の力を用いて動作する。マイクロミラーは、共通基板上に組み立てられたミラーアレイ、あるいは、ＯＡＤＭに別体に組み立てられたミラーアレイである。ミラーは、シリコン、金、アルミニウム、あるいは、スイッチによって伝送される複数波長の信号エネルギーを反射可能な他の金属または材料である。ミラーが十分に大きければ、１つのミラーが全ての信号を反射するのに用いられる。あるいは、複数の小ミラーが各信号を集合的に反射するのに用いられる。
【００１７】
ＯＡＤＭで使用するのに好適なマイクロミラーの１つは、捻り軸を中心にどちらかの方向に回転可能な静電アルミニウムマイクロミラーである。このようなマイクロミラーの１例は、テキサスインスツルメンツ社製のデジタルマイクロミラーデバイス^TM、すなわち、ＤＭＤ^TMである。ＤＭＤは、それぞれ典型的には直径１２ないし１６μＭの微小ミラーから構成される大きなアレーである。ＤＭＤは、典型的には、各ミラーが時計回り方向あるいは反時計回り方向のどちらかに選択的に回転させられる双安定デジタルモードで動作される。
【００１８】
図３は、本発明の光学スイッチで使用される典型的なマイクロミラー装置の一部の斜視図である。図３に示すマイクロミラーは、捻りヒンジ３２０および上部構造のほかの部分を入射光から保護隠蔽するようにミラー３０２を捻りヒンジ３２０上に上昇させるので、いわゆる被蓋ヒンジ型である。マイクロミラー３００は、しばしば１０００を超えるマイクロミラー行列を有するマイクロミラーセルあるいは素子の直交アレーである。図３は、マイクロミラーアレイの下層機械構造を示すために数個のミラー３０２を取り除いた、従来技術のマイクロミラーアレイの小部分を示す。
【００１９】
マイクロミラー３００は、半導体、典型的には、シリコン基板３０４上に組み付けられる。電気制御回路素子は、典型的には、標準的な集積回路プロセスフローを用いて半導体基板３０４内あるいは半導体基板３０４上に組み付けられる。この回路素子は、典型的には、各ミラー３０２に関連づけられた、典型的には下層をなすメモリーセルと、下層メモリーセルへのデジタル画像データ転送を制御するデジタル論理回路とを有するが、しかしそれに制限されるわけではない。バイアスを掛けてミラー上部構造への信号をリセットする電圧駆動回路は、マイクロミラー基板上に組み付けてもよいし、マイクロミラーの外側にしても良い。イメージ処理および形式化ロジックも、何らかの設計を持つ基板３０４内に形成される。本開示のために、アドレス指定回路素子は、直流電圧結線と共用メモリーセルを有し、マイクロミラーのミラーの回転方向を制御するために用いられる回路素子を含むと考える。
【００２０】
シリコン基板３０４と必要な金属連繋層は、絶縁層３０６によってマイクロミラー上部構造から絶縁される。絶縁層３０６は、典型的には、マイクロミラー上部構造が形成される蒸着二酸化シリコン層である。マイクロミラー上部構造と、基板３０４に形成される電気回路素子との電気接続を可能にするために、穴あるいは通路が酸化層に開けられる。
【００２１】
上部構造の第１層は、金属皮膜層、典型的には、第３金属皮膜層であり、それゆえ、しばしばＭ３と呼ばれる。最初の２つの金属皮膜層は、典型的には、基板上に組み付けられた回路素子と相互接続するのに必要とされる。第３金属皮膜層は、絶縁層上に蒸着され、アドレス電極３１０とミラーバイアス結線３１２を形成するようにパターニングされる。マイクロミラー設計には、複数のランディング電極を持つものがあり、それらの電極は、それぞれ独立した個別の構造をもつが、ミラーバイアス結線３１２に電気的に接続される。ランディング電極は、ミラー３０２の回転を制限し、回転されたミラー３０２あるいはヒンジヨーク３１４が、ミラー３０２に対して電位差を持つアドレス電極３１０に接触するのを防止する。ミラー３０２がアドレス電極３１０と接触すると、結果として生じる短絡が捻りヒンジ３１６を溶融したりミラー３０２をアドレス電極３１０に溶着することがあり、どちらの場合にしてもマイクロミラーを破壊してしまう。
【００２２】
ランディング電極とミラー３０２には同一電圧が常に印可されるので、ミラーバイアス結線とランディング電極は、可能ならば単一構造に結合されることが好ましい。ランディング電極は、ミラーバイアス・リセット結線３１２上にランディングサイトと呼ばれる領域を有することによって、ミラーバイアス結線３１２と結合される。この領域は、ミラー３０２あるいは捻りヒンジヨーク３１４のどちらかと接触することによって、ミラー３０２の回転を機械的に制限する。これらのランディングサイトは、しばしば、ミラー３０２と捻りヒンジヨーク３１４があるランディングサイトに付着する傾向を減少するように選択された材料で被覆される。
【００２３】
ミラーバイアス・リセット電圧は、ミラーバイアス・リセット金属皮膜３１２とミラーとを用いた経路と隣接ミラー素子の捻りビームとの組み合わせを経て各ミラー３０２へ伝わる。スプリットリセット設計には、それぞれが独立したミラーバイアス結線を有する多数のサブアレイに細分化されるミラーアレイが必要である。マイクロミラー素子は、単にサブアレイ間のミラーバイアス・リセット層を絶縁することによって、電気的に絶縁した行あるいは列に簡単に分離されるので、図３に示すランディング電極・ミラーバイアス３１２の構成は、スプリットリセットの応用に理想的に適している。図３のミラーバイアス・リセット層は、絶縁した素子の行に分割されたものを示してある。
【００２４】
典型的にはスペーサヴァイアと呼ばれる支持体の第１層が、アドレス電極３１０およびミラーバイアス結線３１２を形成する金属層上に形成される。ヒンジ支持体スペーサヴァイア３１６および上部アドレス電極スペーサヴァイア３１８を含む、これらのスペーサヴァイアは、典型的には、アドレス電極３１０およびミラーバイアス結線３１２を覆って薄いスペーサ層を形成することによって形成される。この薄いスペーサ層は、典型的には、１μｍ厚の正フォトレジスト層である。この薄いスペーサ層の厚さとランディングヨーク３１４とスプリングティップ３２８の大きさによって、完成後のミラーが回転する角度が決まる。フォトレジスト層を蒸着させた後、露光、パターンニング、深く紫外線硬化して、スペーサヴァイアが形成される穴を形成する。このスペーサ層と、後に組み付け工程で用いられるより厚いスペーサ層は、組み付け工程中の形状としてのみ用いられ、装置動作前に装置から除去されるので、しばしば、犠牲層と呼ばれる。
【００２５】
薄い金属層がスペーサ層上および穴内にスパッタリングされる。その後、酸化物がこの薄い金属層を覆って蒸着され、後にヒンジ３２０を形成する領域にエッチマスクを形成するようにパターン形成する。金属、典型的にはアルミニウム合金のより厚い層がこの薄い層と酸化物エッチマスク上にスパッタリングされる。別の酸化物層が蒸着され、ヒンジヨーク３１４、ヒンジキャップ３２２、および、上部アドレス電極３２４を規定するようにパターン形成される。この第２酸化物層をパターン形成した後に、２つの金属層は同時にエッチングされ、厚い硬質のヒンジヨーク３１４、ヒンジキャップ３２２、上部アドレス電極３２４、および、薄い軟質の捻りビーム３２０を残して、酸化物エッチング止めが除去される。
【００２６】
その後、厚い金属層上に厚いスペーサ層を蒸着し、ミラー支持体スペーサヴァイア３２６の形成される穴を規定するようにパターンを形成する。厚いスペーサ層は、典型的には、２μｍ厚の正フォトレジスト層である。ミラー金属層、典型的にはアルミニウム合金層が厚いスペーサ層の表面上と厚いスペーサ層の穴内にスパッタリングされる。その後、ミラー３０２を形成するようにこの金属層をパターン形成して、プラズマエッチングを用いて両スペーサ層を除去する。
【００２７】
２つのスペーサー層が除去されてしまうと、ミラーは、捻りヒンジによって形成された軸を中心に自由に回転できる。事実上空隙コンデンサの２つの板を形成するアドレス電極３１０と偏光可能な剛性部材の間の静電吸引力が、ミラー構造を回転するのに用いられる。マイクロミラー装置の設計によるが、偏光可能な剛性部材は、捻りビームヨーク３１４や、ビームあるいはミラー３０２や、捻りヒンジに直接取り付けられるビームや、あるいは、それらの組み合わせである。上部アドレス電極３２４も偏光可能な剛性部材を静電気的に引きつける。
【００２８】
電位差によって生じる力は、２つの板の距離の逆数の関数である。剛性部材が静電トルクのために回転すると、捻りビームヒンジは、捻りビームの角偏向のほぼ線形関数である復原トルクに伴う変形に耐える。この構造は、復原捻りビームトルクが静電トルクに等しくなるまで、あるいは、回転する構造と固定部品との接触によって回転が機械的に阻止されるまで回転する。後述するように、多くのマイクロミラー装置は、マイクロミラー上部構造の全偏向を確保するために十分に大きなバイアス電圧が用いられるようなデジタルモードで動作させる。
【００２９】
マイクロミラー装置は、一般的に、２つの動作モードのうちの一方で動作させる。第１の動作モードは、時にはビームステアリングと呼ばれるアナログモードであり、アドレス電極は望ましいミラー偏向に応じた電圧に充電される。マイクロミラー装置に到達する光は、ミラーの偏向によって決定される角度でミラーによって反射される。
【００３０】
第２の動作モードはデジタルモードである。デジタルに動作させると、各マイクロミラーは捻りビーム軸を中心に２つの方向のうちのどちらか一方に全偏向される。デジタル動作は比較的大きな電圧を用いてミラーの全偏向を確保する。標準的な論理電圧レベルを用いてアドレス電極を駆動する方が有利なので、典型的には負の電圧であるバイアス電圧をミラー金属層に印加してアドレス電極とミラーの間の電圧差を増加させる。十分に大きなミラーバイアス電圧、即ち、装置の破壊電圧と称される電圧を超える電圧の使用によって、アドレス電圧の無いときでもミラーが最も近いランディング電極に確実に偏向する。それゆえ、大きなミラーバイアス電圧を使用することによって、アドレス電圧はミラーを僅かに偏向させるほどの大きさであることだけが必要となる。
【００３１】
図４は、本発明のＯＡＤＭ４００の側面図である。簡単にするため、ＯＡＤＭへの入力信号は単一の信号、即ち、単一の波長からなるとする。ＷＤＭおよびＤＷＤＭネットワークで発見された多重信号をスイッチするように構成された更なる実施例を以下に説明する。
【００３２】
図４では、ＯＡＤＭ４００は２つの入力と２つの出力を有する。第１入力ファイバ４０２はＯＡＤＭ４００に１つの光学信号を提供する。この第１入力ファイバ４０２、即ち、「イン」ファイバは、典型的には、光学ネットワークの遠隔部分からの信号を提供する。第２入力４０４、即ち、「アド」ファイバは、ローカル信号をネットワークに伝送可能にする。２つの出力ファイバには、典型的にはネットワークの他所に接続した第１出力４０６と、典型的にはローカル装置に信号を送るために用いられる第２出力４０８とが含まれる。
【００３３】
各ファイバは、好適には、ファイバから出る光の分散を制御するように構成された焦点調節光学部品、典型的には、屈折率分布レンズに連結される。焦点調節光学部品は、典型的には、フェルール４１０に保持される。フェルール４１０は、ファイバを光学部品と位置合わせし、ファイバをホルダーブロック４１２に装着する手段を提供する。さらに討議すれば、ホルダーブロック４１２の底面は、典型的には、反射面である。
【００３４】
図４のマイクロミラーアレイ４１４は、４つの個別ミラー４１６を有する。ミラー４２２、４２６、４２８、４３０は、それぞれ、図４の平面に垂直な軸を中心に時計回り方向あるいは反時計回り方向に傾斜するように動作可能である。ミラーの支持構造は図示されていないが、その代わり、各ミラーは、どちらかの方向に傾斜するように動作可能なことを示す三角形の頂点上に支持されているものとして図示されている。図４のミラーは、全て、単一の基板４１８上に組み付けられる。
【００３５】
図５は、図４の光アドドロップマルチプレクサを通過する信号を示す、マルチプレクサの側面図である。図５において、第１入力ファイバ４０２からＯＡＤＭに入る光４２０は、第１ミラー４２２に進行する。ミラーが第１位置に、図５に図示する場合には反時計回り方向に、傾斜されると、光ビーム４２０はホルダーブロック４１２上の第１地点または領域４２４に向かって反射される。ホルダーブロック４１２は光ビーム４２０を第４ミラー４２６に向かって反射する。第４ミラー４２６が第１位置にあると、図５の場合、図示のように時計回り方向に回転されると、ホルダーブロック４１２によって反射された光ビーム４２０は、ホルダーブロック４１２の第１領域４２４からＯＡＤＭからの第１出力ファイバ４０６へ向けられる。こうして、第１入力ファイバ４０２上のＯＡＤＭによって受信された信号は、ＯＡＤＭを通過して、第１出力ファイバ４０６上のＯＡＤＭを出る。
【００３６】
図６は、信号のアドドロップに使用される第２スイッチ位置を示す、図４のＯＡＤＭの側面図である。図６において、第１ミラー４２２は時計回り方向に第２位置まで回転される。第２位置では、第１ミラー４２２が第１入力ファイバ４０２からの光ビーム４２０をホルダーブロック４１２上の第２地点あるいは領域４３２に向かって反射する。第２領域４３２から、光ビーム４２０は、第２ミラー４２８に進行し、第２出力ファイバ４０８、即ち、「ドロップ」ファイバに向かって反射される。
【００３７】
「イン」ファイバ４０２からの光ビーム４２０がドロップされるのと同時に、別の光ビーム４３４が第１出力ファイバ４０６に提供される。第２光ビーム４３４は、第２入力ファイバ４０４、即ち、「アド」ファイバを出て、第３ミラー４３０によってホルダーブロック４１２上の第３地点あるいは領域４３６に向かって反射される。第３領域４３６から、光は、第４ミラー４２６に進行する。第４ミラー４２６は、それが図６に示す（反時計回り方向に回転された）第２位置にあれば、第２光ビーム４３４を第１出力ファイバ４０６に導く。
【００３８】
図７は、ホルダーブロック４１２とは別体の反射器４３８を示す、図４のＯＡＤＭの側面図である。反射器４３８は、光信号を反射するのに用いられるそれぞれの領域において、単一反射器、または、別個の反射器である。反射器は、典型的には平坦であるが、光ビームを反射させながら焦点を合わせるために湾曲、典型的には凹面に湾曲させても良い。
【００３９】
上述のように、小ミラー、つまり、光ビームの直径より小さなミラーもＯＡＤＭを形成するのに用いられる。図８は、図４の各大ミラーに代えて小ミラー群を使用し１アレーを構成する場合を示す、図４の光アドドロップマルチプレクサの側面図である。図８において、第１入力ファイバ４０２からの光は第１偏光器、典型的には、マイクロミラー群８０４によって偏向される。偏光器８０４が第１位置にあるときには、入力光は、第１経路８１２に沿って第４偏光器８１０に向けられ、その後第１出力ファイバ４０６に向けられる。偏光器８０４が第２位置にあるときには、入力光は、第２経路８１４に沿って第２偏光器８０６に向けられ、第２偏光器８０６から第２出力４０８に向けられる。第２入力４０４からの光は、偏光器８０８によって１つの経路に沿って第４偏光器８１０に向けられ、そこから第１出力４０６に向けられる。
【００４０】
小ミラー、つまり、ビーム横断面よりも小さなミラーが用いられるときには、ミラーアレイのブレーズ動作を確実にするようミラー回転角を選択すべきである。通常のマイクロミラー装置におけるミラーは、各側がそれぞれ１６μｍで、周囲のミラーから間隔が１μｍあいている。米国特許出願番号第60/223,366に述べられているように、適切な偏向角の選択によって、効率的なブレーズ状態におけるアレイの動作が保証される。上述のように、中心間隔１７μｍのミラーに関しては、理想的な偏向角は９．６°と１３．８°になる。
【００４１】
小ミラー群が用いられているが、混乱を避けるために、本開示の大半は、各反射のために使用される単一ミラーに適用し、スイッチにおけるミラー全体をミラーアレイ４１４として集合的に言及する。文脈が特に指摘しない限り、単一ミラーへの言及は、それぞれ、単一ミラーかミラー群かどちらか一方への言及であると理解されるべきである。
【００４２】
開示されたマイクロミラーによるＯＡＤＭの主要な利点は、さまざまな信号成分をＷＤＭまたはＤＷＤＭ光学信号にスイッチングして出入りさせて達成される。図９は、稠密波長分割多重方式ＯＡＤＭの概略図である。図９において、第１入力ファイバ４０２からＯＡＤＭに入る光ビームは、波長によって分離されて、２つの光ビーム９０２、９０４を生じる。波長分離器９０６によって出力される分離光ビームの数は臨界ではなく、波長を分離するスプリッタの能力と、異なる波長を発生させる光学ネットワークのほかの部分の能力とによって決まる。
【００４３】
光ビーム９０２は、ミラーアレイ９０８におけるミラー（図示せず）のうちの１つあるいは２つ以上によって反射される。光ビーム９０２の到達するミラーの位置によって、光ビーム９０２は反射器９１０の第１領域に向かって反射するか、あるいは、第２領域９１２に向かって反射する。図７のように、反射器が、単一素子であるか、あるいは、別個の反射器が各領域それぞれのために使用される。図示のように、光ビーム９０２が反射器の第２領域９１２で反射されると、ミラーアレイ９０８に再び進行し、波長複合器９１４に向かって反射され、第２（「ドロップ」）出力ファイバ４０８に出力される。
【００４４】
第１波長光ビーム９０２がドロップ出力４０８に向かって反射されると、第１入力４０２からの光の他の波長、例えば、光ビーム９０４は、「アウト」光ファイバ４０６に向けられる。光ビーム９０２と９０４は、図９のＯＡＤＭによってスイッチされる波長のスペクトルの両端を占めるものとして図示されている。アレイ９０８のミラー９１４の第１群は、このように、入力光学信号のさまざまな波長を「アウト」光ファイバ４０６か「ドロップ」光ファイバ４０８のどちらかに選択的にスイッチするために使用される。ミラー９１４の別の１群は、第１群と協働して、「ドロップ」出力ファイバ４０８宛ての光ビームを「ドロップ」出力に関連づけられた波長複合器に向ける。図９では示されていないが、ミラーの他の群は、第２入力４０４、つまり、「アド」ファイバからのさまざまな波長を第１出力「アウト」にスイッチするように動作する。
【００４５】
図９は多重波長ＯＡＤＭの動作を示す。図９は、ＯＡＤＭにおける各光学素子を一々描写しようとするものではない。さまざまな追加素子が光学設計者の裁量で何らかの応用のために使用されることが考えられる。例えば、入力ファイバと波長分離器の間、波長複合器９１４と出力ファイバの間、および、ミラーアレイ９０８と分離器９０６あるいは複合器９１４の間に焦点調節光学部品が追加されても良い。さらにまた、分離器９０６および複合器９１４として別々に示されているが、本開示は他の構成をも包含すると理解すべきである。例えば、全ての分離器および複合器を単一の回折格子またはプリズムに置き換えることも可能である。
【００４６】
図１０は、図９のＤＷＤＭ式ＯＡＤＭに用いられるビーム分割装置の側面図である。図１０において、入力ファイバ１０００からの光は、光学部品１００２によって平行化され、回折格子１００４のようなビーム分離器に到達する。回折格子は、入力光ビームの成分ビームを空間的に分離する。成分ビームは第２焦点調節光学部品１００６によってミラーアレイ１００８に向けられる。上述のように、ミラーアレイは、少なくとも２つの出力ファイバのうち１つに選択的にビームを向ける。
【００４７】
図１１は、図９のＤＷＤＭ式ＯＡＤＭに用いられる第２ビーム分割装置の側面図である。図１１において、入力ファイバ１０００からの光は、焦点調節光学部品１００２によって回折格子１００４などのビーム分離器上に再び焦点を合わさせられる。分離されたビームは、その後、１組の光ファイバ１０１０によって個別に捕捉される。光ファイバ１０１０は、分離された光ビームをミラーアレイ１００８に再放出する。図１０と図１１は共に分離光ビームをミラーアレイ１００８の平面に対して垂直に向けるように示しているが、この配向は必須ではないと理解すべきである。しかしながら、図示のように光ビームを再配向することによって、光ビームが光学分離器から発散し続けうることに比べて、幾つかの点で設計が簡単になる。
【００４８】
図１２は、図９のＤＷＤＭ式ＯＡＤＭに用いられる別のビーム分割装置の側面図である。図１２において、入力ファイバ１０００からの光は、ＰＨＡＳＡＲとしても知られるアレイ導波路格子に入る。アレイ導波路格子ルータは、回折格子として機能する一連のアレイチャンネル導波路を含む。アレイ導波路格子は、４０以上のＤＷＤＭチャンネルの使用を可能にする。アレイ導波路格子によって分離された光は、一連のファイバ１２０２を通じてＯＡＤＭのミラーアレイ１００８に出力される。
【００４９】
図１３は、反射器を必要としない装置の交互配置を示すＯＡＤＭの側面図である。図１３において、光学信号は第１入力ファイバ１３０２と第２入力ファイバ１３０４、つまり、「アド」ファイバとによってＯＡＤＭに提供される。第１入力ファイバ１３０２からの入力は、第１ミラー１３０６によって、第１ミラーが第１位置にあれば第３ミラー１３０８に、第１ミラー１３０６が第２位置にあれば第２ミラー１３１０に反射される。図１３では、第１ミラーは、光を第２ミラー１３１０に向けて反射する第２位置に示されている。第２ミラーは、第１入力ファイバ１３０２からの光を第２出力ファイバ１３１８、つまり、「ドロップ」ファイバに向けて反射する。第２入力ファイバ１３０４、つまり、「アド」ファイバからの光は、第３ミラー１３１４によって第４ミラー１３０８に向けて反射される。第４ミラーは第２入力ファイバ１３０４からの光を第１出力ファイバ１３１６、つまり、「アウト」ファイバに導く。
【００５０】
図１４は、通過配向中にあるミラーを示す、図１３のＯＡＤＭの概略図である。図１４に示すように、第１ミラー１３０６が第１位置にあると、第１光ファイバ入力１３０２からの光は第４ミラー１３０８に伝送される。第４ミラーは第１位置に回転され、その結果、第１光ファイバ入力１３０２からの光は第１出力ファイバ１３１６、つまり、「アウト」ファイバに伝送される。図１３および図１４に示す光学スイッチの交互配置を図４から図９の配置と比べると、図１３および図１４の交互配置は同様の機能を果たすが、少なくとも２つのミラーアレイを用い、反射器を用いないということが分かる。
【００５１】
図１３と図１４を比較すると、図１４では、第２ミラー１３１０と第３ミラー１３１４は動作する必要がないことが明白である。図５および図６に戻ると、先行構成の第２偏向部材４２８と第３偏向部材４３０にも同じことが言えることは明白である。このように、偏向部材は、４つの可動部材または可動部材のアレー、あるいは、２つの固定偏向部材と組み合わせた２つの可動部材または可動部材のアレーからなっても良い。さらにまた、固定偏向部材は、可動部材同様、平坦な光学面は勿論、湾曲した光学面を有しても良い。例えば、ある応用では、球面または非球面偏向曲面を用いることは、光を１つのファイバあるいはミラーから次のファイバあるいはミラーに焦点調節するのに、あるいは、組立中のＯＡＤＭの配列を単純化するのに役立つ。
【００５２】
図１３と図１４のＯＡＤＭは、入力信号がさまざまな入力信号成分の波長に基づいて複数の入力信号に分割されるＷＤＭおよびＤＷＤＭの応用においても使用される。これらのさまざまな入力信号成分は、その後、異なるミラーアレイあるいは共用ミラーアレイの異なる部分によって互いに独立にスイッチされる。このことによって、信号を電気領域に変換せずに伝送されてきた光学信号に／からさまざまな成分をアドあるいはドロップすることが可能になる。
【００５３】
このように、光アドドロップマルチプレクサとその方法などに関する特定の実施例をここまで開示してきたが、このような特定の言及は、以下の項において述べる限りのものを除いて、本発明の範囲に対する限定と意図的に見なすものではない。さらに、いくつかの具体的な実施例に基づいて本発明を説明してきたが、当業者には更なる変更が浮かぶことは理解されることであり、以下の項の範囲内にあるような変更も全て包含することを意図するものである。
【００５４】
関連出願の表示
以下の特許、およびまたは、本出願人に譲渡された特許出願はこの出願の参照に引用される。
特許番号：５，０６１，０４９、出願日：１９９０年９月１３日、発効日：１９９１年１０月２９日、タイトル：空間光変調器、
特許番号：５，５８３，６８８、出願日：１９９３年１２月２１日、発効日：１９９６年１２月１０日、タイトル：マルチレベル・デジタル・マイクロミラー・デバイス、
出願番号：６０／２２３，３６６、出願日：２０００年８月７日、タイトル：２次元ブレーズ解析格子、
社内分類番号：ＴＩ−２９７６６、タイトル：マイクロミラー光学スイッチ、
社内分類番号：ＴＩ−２９７７８、タイトル：マイクロミラー光学スイッチ、
【００５５】
以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１） 第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、
第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、
前記第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、
前記第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、
逆反射器と、
前記第１入力からの前記第１入力光学信号を前記逆反射器上の第１地点へ向ける第１状態で動作可能であり、かつ前記第１入力光学信号を前記逆反射器上の第２地点へ向ける第２状態で動作可能な第１偏光器と、
前記逆反射器上の前記第２地点からの前記第１入力光学信号を前記第２出力へ向けるように動作可能な第２偏光器と、
前記第２入力からの前記第２入力光学信号を前記逆反射器上の第３地点へ向けるように動作可能な第３偏光器と、
前記逆反射器上の前記第１地点からの前記第１入力光学信号を前記第１出力へ向ける第１状態で動作可能であり、かつ前記逆反射器上の前記第３地点からの前記第２入力光学信号を前記第１出力へ向ける第２状態で動作可能な第４偏光器とを有する光学スイッチ。
（２） 前記逆反射器が少なくとも２つの別個の逆反射器からなる、第１項記載の光学スイッチ。
（３） 前記逆反射器が湾曲反射面である、第１項記載の光学スイッチ。
（４） 前記逆反射器が前記信号のうち少なくとも１つを焦点調節するように動作可能である、第１項記載の光学スイッチ。
（５） 前記第１、第２、第３、第４偏光器のうち少なくとも１つが湾曲反射面である、第１項記載の光学スイッチ。
（６） 前記第１入力光学信号を受信し、前記第１入力光学信号を少なくとも２つの第１入力信号成分に分離するように動作可能な信号分離器を有する、第１項記載の光学スイッチ。
（７） 前記信号分離器がさらに格子を有する、第６項記載の光学スイッチ。
（８） 前記信号分離器がさらにプリズムを有する、第６項記載の光学スイッチ。
（９） 前記信号分離器がさらにホログラムを有する、第６項記載の光学スイッチ。
（１０） 前記信号分離器がさらにアレイ導波路格子を有する、第６項記載の光学スイッチ。
（１１） 第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、
第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、
前記第１及び第２信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、
前記第１信号を伝送するように動作可能な第２出力と、
第１偏光器と、
第２偏光器と、
第３偏光器と、
第４偏光器とを有し、
前記第１偏光器は、前記第１入力からの前記第１入力光学信号を前記第４偏光器へ向ける第１状態で動作可能であり、かつ前記第１入力光学信号を前記第２偏光器へ向ける第２状態で動作可能であり、
前記第２偏光器は、前記第１偏光器からの前記第１入力光学信号を前記第２出力へ向けるように動作可能であり、
前記第３偏光器は、前記第２入力からの前記第２入力光学信号を前記第４偏光器へ向けるように動作可能であり、
前記第４偏光器は、前記第１偏光器からの前記第１入力光学信号を前記第１出力へ向ける第１状態で動作可能であり、かつ前記第３偏光器からの前記第２入力光学信号を前記第１出力へ向ける第２状態で動作可能である、光学スイッチ。
（１２） 前記第１、第２、第３、第４偏光器のうち少なくとも１つが反射面のアレーからなる、第１１項記載の光学スイッチ。
（１３） 前記第１、第２、第３、第４偏光器が反射面の単一アレーからなる、第１１項記載の光学スイッチ。
（１４） 前記第１入力光学信号を受信し、前記第１入力光学信号を少なくとも２つの第１入力信号成分に分離するように動作可能な信号分離器を有する、第１１項記載の光学スイッチ。
（１５） 前記信号分離器がさらに格子を有する、第１４項記載の光学スイッチ。
（１６） 前記信号分離器がさらにホログラムを有する、第１４項記載の光学スイッチ。
【００５６】
光アドドロップマルチプレクサ（ＯＡＤＭ）として理想的に適した光学スイッチ。第１入力ファイバ（４０２）を通じてＯＡＤＭに入る光ビームは、波長によって分離されて複数の光ビーム（９０２、９０４）を生じる。一方の光ビーム（９０２）はミラーアレイ（９０８）におけるミラーの１つあるいは２つ以上によって反射される。光ビーム（９０２）の到達するミラーの位置に応じて、ビームは逆反射器（９１０）の第１領域、または、第２領域（９１２）に向かって反射される。光ビーム（９０２）が逆反射器の第２領域（９１２）によって反射されると、光ビーム（９０２）はミラーアレイ（９０８）に再び進行し、その後波長複合器（９１４）に向かって反射され、第２（「ドロップ」）出力ファイバ（４０８）に出力される。第１波長光ビーム（９０２）がドロップ出力（４０８）に向けて反射されるときには、第１入力（４０２）からの光の他の波長、例えば、光ビーム９０４は、「アウト」光ファイバ（４０６）に向けられる。アレイ（９０８）におけるミラー（９１４）の第１群は、このように、入力光学信号のさまざまな波長を「アウト」光ファイバ（４０６）または「ドロップ」光ファイバ（４０８）のどちらかに選択的にスイッチするために用いられる。ミラー（９１４）の別の１群は、第１群と協働して、「ドロップ」出力ファイバ（４０８）宛ての光ビームを「ドロップ」出力に関連づけられた波長複合器に向ける。ミラーの他の群は、第２入力（４０４）、つまり、「アド」ファイバからのさまざまな波長を第１出力「アウト」にスイッチするように動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術に典型的な光学スイッチングの応用に利用される光電光変換を示す概略図である。
【図２】 本発明のスイッチング方法の全てを示す概略図である。
【図３】 本発明の光学スイッチで使用される典型的なマイクロミラー装置の一部の斜視図である。
【図４】 単一の光学信号をスイッチ動作可能な本発明の光アドドロップマルチプレクサの側面図である。
【図５】 図４の光アドドロップマルチプレクサを通過する信号を示す、マルチプレクサの側面図である。
【図６】 信号のアドドロップに使用される第２スイッチ位置を示す、図４のＯＡＤＭの側面図である。
【図７】 光ファイバホルダとは別体の任意の反射器を示す、図４の光アドドロップマルチプレクサの側面図である。
【図８】 図４の各大ミラーに代えて小ミラーから構成されるアレーを使用する場合を示す、図４の光アドドロップマルチプレクサの側面図である。
【図９】 稠密波長分割多重方式光アドドロップマルチプレクサの概略図である。
【図１０】 図９の稠密波長分割多重方式光アドドロップマルチプレクサに用いられるビーム分割装置の側面図である。
【図１１】 図９の稠密波長分割多重方式光アドドロップマルチプレクサに用いられるビーム分割装置の側面図である。
【図１２】 図９の稠密波長分割多重方式光アドドロップマルチプレクサに用いられるビーム分割装置の側面図である。
【図１３】 反射器を必要としない交互配置を持つ光アドドロップマルチプレクサの概略図である。
【図１４】 ミラーの通過配向を示す、図１３の光アドドロップマルチプレクサの概略図である。
【符号の説明】
１０２ 光学信号
１０４ 光ファイバー
１０６ 受容器
１０８ 電気スイッチ
１１０ 第１入力信号
１１２ 第１出力信号
１１４ 第２出力信号
１１６ 第２入力信号
１１８ 光学信号
１２０ レーザー
１２２ 出力ファイバ
１２４ 増幅器
２００ スイッチ
２０２ 光ファイバ
２０４ ファイバ
２０６ 第２光学入力
２０８ 光学信号
２１０ レーザー
２１２ 電気信号
２１４ 第２出力
２１６ 受容器
２１８ 電気信号
３００ マイクロミラー
３０２ ミラー
３０４ シリコン基板
３０６ 絶縁層
３１０ アドレス電極
３１２ ミラーバイアス結線
３１４ ヒンジヨーク
３１６ 捻りヒンジ
３１８ スペーサヴァイア
３２０ 捻りヒンジ
３２６ スペーサヴァイア
３２８ スプリングティップ
４００ ＯＡＤＭ
４０２ 第１入力ファイバ
４０４ 第２入力
４０６ 第１出力
４０８ 第２出力
４１０ フェレール
４１２ ホルダーブロック
４１４ マイクロミラーアレイ
４１６ 個別ミラー
４１８ 基板
４２０ 光
４２２ 第１ミラー
４２４ 領域
４２６ 第４ミラー
４３６ 第３領域
４３８ 反射器
８０４ マイクロミラー群
８１２ 第１経路
８１４ 第２経路
９０２ 光ビーム
９０４ 光ビーム
９０６ 波長分離器
９０８ ミラーアレイ
９１０ 反射器
９１２ 第２領域
９１４ 波長復号器
１０００ 入力ファイバ
１００２ 光学部品
１００４ 回折格子
１００６ 第２焦点調節光学部品
１００８ ミラーアレイ
１０１０ 光ファイバ
１２０２ ファイバ
１３０２ 第１入力ファイバ
１３０４ 第２入力ファイバ
１０３６ 第１ミラー
１３０８ 第３ミラー
１３１０ 第２ミラー
１３１４ 第３ミラー
１３１８ 第２出力ファイバ

Claims (3)

1. 第１入力光学信号を提供するように動作可能な第１入力と、
   第２入力光学信号を提供するように動作可能な第２入力と、
   前記第１及び第２入力光学信号のどちらかを伝送するように動作可能な第１出力と、
   前記第１入力光学信号を伝送するように動作可能な第２出力と、
   反射器と、
   軸を中心に第１ニュートラル位置から第１及び第２状態まで反対方向に回転するように動作可能な第１偏光器であって、前記第１ニュートラル位置は、当該第１偏光器に対する前記第１入力光学信号の経路に垂直な位置であり、前記第１入力からの前記第１入力光学信号を前記反射器上の第１地点へ向ける前記第１状態で動作可能であり、かつ前記第１入力光学信号を前記反射器上の第２地点へ向ける前記第２状態で動作可能な、前記第１偏光器と、
   前記反射器上の前記第２地点からの前記第１入力光学信号を前記第２出力へ向けるように動作可能な第２偏光器と、
   前記第２入力からの前記第２入力光学信号を前記反射器上の第３地点へ向けるように動作可能な第３偏光器と、
   前記反射器上の前記第１地点からの前記第１入力光学信号を前記第１出力へ向ける第１状態で動作可能であり、かつ前記反射器上の前記第３地点からの前記第２入力光学信号を前記第１出力へ向ける第２状態で動作可能な第４偏光器と、
   を有する光学スイッチ。
2. 請求項１に記載の光学スイッチであって、
   前記反射器の前記第１、第２及び第３地点が、前記第１及び第２の入力と前記第１及び第２の出力に対して挿間されている、光学スイッチ。
3. 請求項１に記載の光学スイッチであって、
   前記反射器が、個別の複数の反射器要素からなり、各要素が、前記反射器の第１、第２及び第３地点の少なくとも１つを提供する、光学スイッチ。

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