JP4926768B2 - 光スイッチアレイ - Google Patents

Description

本発明は光スイッチアレイに関し、特に、センサ部を有する複数個の光スイッチが光ファイバに直列に設けられた光スイッチアレイに関するものである。

光ファイバセンサは、建築物のセキュリティシステム用センサや圧力センサなどとして広く用いられている。

特許文献１には、ＦＢＧ（fiber bragg grating）と呼ばれる光ファイバセンサについて記載されている。
ＦＢＧは、光ファイバの伝送路上で、ブラッグの原理に従って特定の波長の光を透過あるいは反射するように構成した可変光学フィルタである。

また、非特許文献１には、上記のＦＢＧを光ファイバ上に用いた実験についての報告がなされている。

しかし、非特許文献１に記載のようにＦＢＧ光ファイバセンサを光ファイバ上に用いた場合、ＦＢＧは波長シフトを計測するため、ＦＢＧをスイッチとして用いると装置全体が複雑かつ高価になる。
また、ＦＢＧは特性が温度に依存するので温度補償も必要で、実際に使用するには種々の課題を克服する必要がある。

上記の光ファイバセンサに関して、いわゆるヘテロコア部をセンサとして用いる構成が特許文献２および特許文献３に記載されている。
しかし、特許文献２および特許文献３には、光ファイバセンサを有する複数個の光スイッチの状態を一度に識別することについての記載はない。
特公表２００３−５３２１４０号公報 国際公開９７／４８９９４号パンフレット 特開２００３−２１４９０６号公報 Multifunctional fiber-optics networks for composite structure, Proceedings of SPIE, Vol.5391, pp.741-752

解決しようとする問題点は、複数個のセンサ部を同一の光ファイバ上に設け、各センサ部を有する光スイッチの状態を一度に識別することが困難であるという点である。

本発明の光スイッチアレイは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバと、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光スイッチであって、前記光ファイバに光学的に結合して直列に設けられた複数個の光スイッチと、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、複数個の前記光スイッチを介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部とを有し、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量または前記光スイッチの状態が変化するときの前記センサ光のロス量変化速度が、前記光スイッチごとに異なっており、前記光スイッチ間での前記ロス量または前記ロス量変化速度の差が、前記受光部で得られる信号の分解能以上である。

上記の本発明の光スイッチアレイは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバに、複数個の光スイッチが直列に設けられている。
光スイッチは、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有し、光ファイバに光学的に結合している。
また、光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、複数個の光スイッチを介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部とを有する。
ここで、光スイッチの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異なっている。
さらに、光スイッチ間でのロス量またはロス量変化速度の差が、受光部で得られる信号の分解能以上である。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記光スイッチを構成するセンサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記光スイッチを構成するセンサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ部の近傍部分の光ファイバが形成する形状の曲率半径が前記複数個の光スイッチごとに異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記複数個の光スイッチごとに前記光スイッチを構成するセンサ部の長さが異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記複数個の光スイッチごとに前記光スイッチを構成するセンサ部の前記コア径が異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている。

上記の本発明の光スイッチアレイは、好適には、前記光スイッチの状態が変化するときに前記センサ部の近傍部分の光ファイバが形成する形状の曲率半径を変化させる速度が光スイッチごとに異なり、前記センサ光のロス量変化速度が前記光スイッチごとに異なっている。

本発明の光スイッチアレイは、光スイッチの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異なっており、光ファイバから出射されるセンサ光の測定により、これらの光スイッチの状態を一度に識別することが可能である。

以下に、本発明のスイッチアレイの実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態
図１は本実施形態に係る光ファイバ上に複数個のセンサ部を有する光スイッチが設けられた光スイッチアレイの模式構成図である。
例えば、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバ１０の光入射端に、半導体レーザや発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１１が設けられ、光出射端に、フォトダイオードやパワーメータなどの光出射端から出射されるセンサ光を検出する受光部１２が設けられている。

また、例えば、光ファイバ１０に光学的に結合して、直列に複数個の光スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２，・・ＳＷ_ｎが設けられている。
例えば、各光スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２，・・ＳＷ_ｎは、コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備え、伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部ＳＰ_１，ＳＰ_２，・・ＳＰ_ｎを有している。
また、例えば、受光部１２は、複数個の光スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２，・・ＳＷ_ｎを経たセンサ光を検出する。
ここで、上記の光スイッチにおいて、光スイッチのＯＮ／ＯＦＦなどの状態に応じたセンサ光のロス量、または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異なっている。

上記の光スイッチアレイを構成する光ファイバと光スイッチを構成するセンサ部について説明する。
図２（ａ）は、本実施形態に係る光スイッチアレイの一つの光スイッチ部分に相当するセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態に係る光スイッチアレイを構成する１つの光スイッチとして、コア径９μｍのシングルモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間に、センサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有する。光源から伝送されたセンサ光は、光ファイバの光入射端からコア２１に入射され、センサ部ＳＰを経て光出射端のコア２１から受光部へと出射される。

図２（ａ）および（ｂ）に示すセンサ部ＳＰは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部３であり、コア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝９μｍ、ｂｌ＝５μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは１ｍｍ〜数ｃｍであり、例えば１ｍｍ程度である。
センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３と光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。

図２（ａ）および（ｂ）に示す光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して光の一部のヘテロコア部３のクラッド３２へのリークＷが発生する。

リークＷが小さくなるようにコア２１とコア３１の径の組み合わせを設定すると、大部分の光は再びコア２１に入射し、伝送される。コア２１とコア３１の径の組み合わせによっては、リークＷが大きくなり、伝送するセンサ光のロスも大きくなる。リークＷが小さくなれば、ロスも小さくなる。
ヘテロコア型のセンサ部において、リークＷの大きさ、即ちセンサ光のロス量は、センサ部近傍の光ファイバの屈曲の変化により鋭敏に変化する。

例えば、上記の光スイッチにおいては、ＯＮとＯＦＦの状態に応じてセンサ光のロス量を変化させるように、光ファイバの屈曲の程度を２段階に変化させるスイッチ部材が設けられ、光スイッチが構成されている。

本実施形態の光スイッチアレイは複数個の光スイッチを有しており、光スイッチのＯＮ／ＯＦＦなどの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異なっている。
さらに、光スイッチ間でのロス量またはロス量変化速度の差が、受光部で得られる信号の分解能以上である。

以下、光スイッチごとに異なるロス量である場合について説明する。
例えば、３つの光スイッチを有する構成において、第１光スイッチのＯＮ／ＯＦＦにおけるセンサ光のロス量をｋ、第２光スイッチのＯＮ／ＯＦＦにおけるセンサ光のロス量を２ｋ、第３光スイッチのＯＮ／ＯＦＦにおけるセンサ光のロス量を４ｋとする。
このとき、センサ光の全ロス量が０の場合には第１〜第３スイッチがＯＦＦ、全ロス量がｋであるときには第１スイッチのみがＯＮ、全ロス量が２ｋであるときには第２スイッチのみがＯＮ、全ロス量が３ｋであるときには第１及び第２スイッチがＯＮ、全ロス量が４ｋであるときには第３スイッチのみがＯＮ、全ロス量が５ｋであるときには第１及び第３スイッチがＯＮ、全ロス量が６ｋであるときには第２及び第３スイッチがＯＮ、全ロス量が７ｋであるときには第１〜第３スイッチがＯＮ、というように、各光スイッチの状態を一度に識別することが可能である。
例えば、上記のｋはセンサ光のロス量の分解能程度に設定できる。分解能は０．１〜０．２ｄＢ程度であり、例えば上記のｋ＝０．１２５ｄＢと設定すると、１ｄＢ以内の変化で上記の３つの光スイッチの状態を一度に識別できる。

本実施形態の光スイッチアレイは、光スイッチの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、複数個の光スイッチごとに異なっており、センサ光を測定することで、これらの光スイッチの状態を一度に識別することが可能ある。

上記においては、光スイッチの状態（全ての光スイッチのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせ）に、受光部の信号が１対１で対応する。複数の光スイッチの状態間で受光部の信号に分解能以下の差しかない場合には、いずれかの光スイッチのＯＮ／ＯＦＦ時のロス量を調整することなどにより、光スイッチの状態に受光部の信号が１対１で対応するようにする。
上記のように、複数個の光スイッチを経たロス量の総計が、全ての光スイッチの状態の組み合わせにおいて、分解能以上の差をもって異なる構成となっているものである。

また、光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度を測定する場合には、ロス量の変化が観測されるたびに、いずれの光スイッチの状態が変化したのか１対１で対応させるようにして、光スイッチの状態を識別する。

第２実施形態
センサ部ＳＰとしては、第１実施形態に記載の構成以外の構成を採用することも可能である。
図３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る光スイッチアレイの一部分に相当するセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
図３（ａ）では、センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。
図３（ｂ）では、ヘテロコア部の代わりに、センサ部ＳＰとして、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成となっている。

第３実施形態
図４〜図９は、本実施形態に係る光スイッチを構成するセンサ部の構造を示す模式図である。
本実施形態においては、光スイッチのＯＮ／ＯＦＦなどの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異ならせるためのより具体的な構成について説明する。
例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、光スイッチを構成するヘテロコア型のセンサ部ＳＰの長さｌ_１，ｌ_２が、光スイッチごとに異なっている。
上記のようにセンサ部の長さが異なっていることにより、光ファイバの屈曲の程度が同程度であっても、ＯＮ／ＯＦＦ間でのセンサ光のロス量の変化を光スイッチごとに異ならせることができる。

あるいは、例えば、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、光スイッチを構成するスイッチ部材の移動距離ΔＬ_１，ΔＬ_２が、光スイッチごとに異なっている。
上記のようにスイッチ部材の移動距離が異なっていることにより、ＯＮ／ＯＦＦ間での光ファイバの屈曲の程度、即ち、センサ部の近傍部分の光ファイバが形成する形状の曲率半径が異なり、センサ光のロス量の変化を光スイッチごとに異ならせることができる。例えば、ＯＮまたはＯＦＦ時のスイッチ部材の移動距離ΔＬ_１，ΔＬ_２が異なることで、そのときの光ファイバの曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２が異なる。

図６（ａ）及び（ｂ）は、上記のようにスイッチ部材の移動距離が異なっていることにより光ファイバの曲率半径を異ならせることを可能にする光スイッチの構成の模式図である。
例えば、センサ部ＳＰを挟む位置で光ファイバ２０がクランパ１３，１４で固定されている。一方のクランパ１３は固定され、他方のクランパ１４は可動構造となっており、押圧部材１５で押されると光ファイバが形成する形状の曲率半径を変化させるように移動する。

ＯＦＦ時において、長さＬの押圧部材１５とクランパ１４は距離Ｌ’離間している。押圧部材１５はクランプ１４の反対側の面が基準面となっており、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ時における基準面の位置が所定の決められた位置となっている。従って、押圧部材１５の長さＬを変えたときでも、長さＬ＋距離Ｌ’は一定となり、ＯＦＦ時の光ファイバの曲率半径Ｒ_ｏｆｆは一定となる。

上記の構成において、スイッチをＯＦＦからＯＮとすると、押圧部材１５がΔＡだけクランパ１４側に移動し、クランパ１４を押圧して移動させる。このときのクランパ１４の移動距離ΔＢは、ΔＡ−Ｌ’に相当する距離となる。
従って、ΔＡが一定であったとしても、押圧部材１５の長さＬを長くするとＬ’が小さく、ΔＢは大きくなる。逆に、押圧部材１５の長さＬを短くするとＬ’が大きく、ΔＢは小さくなる。ここで、上記の押圧部材１５の長さを変えることでクランパ１４の移動距離ΔＢを変化させることが可能となるので、したがってＯＮ時の曲率半径Ｒ_ｏｎは、押圧部材１５の長さを短くするほど大きくなり、押圧部材１５の長さを長くするほど小さくなる。

あるいは、例えば、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、光スイッチを構成するヘテロコア型のセンサ部ＳＰのコア径（Ｂ_１，Ｂ_２）が異なる。あるいは、センサ部と光ファイバのコア径比（Ｂ_１／Ａ_１，Ｂ_２／Ａ_２）が異なる。
上記のようにコア径またはコア径比が異なっていることにより、光ファイバの屈曲の程度が同程度であっても、ＯＮ／ＯＦＦ間でのセンサ光のロス量の変化を光スイッチごとに異ならせることができる。

あるいは、例えば、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記の光スイッチのＯＦＦからＯＮ（あるいはＯＮからＯＦＦ）に状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、光スイッチごとに異なっており、これによって、一定量のロス量が変化するのにかかる時間Ｔ_１，Ｔ_２が異なる。
上記のスイッチ部材の状態がＯＦＦからＯＮ（あるいはＯＮからＯＦＦ）に変化するときのスイッチ部材の移動速度を異ならせることにより、ＯＮ／ＯＦＦ間での状態の変化速度が異なり、センサ光のロス量の変化速度を光スイッチごとに異ならせることができる。

図９（ａ）及び（ｂ）は、上記のスイッチ部材の移動速度が異なっていることにより、センサ光のロス量の変化速度を異ならせることを可能にする光スイッチの構成の模式図である。
例えば、センサ部ＳＰを挟む位置で光ファイバ２０がクランパ１３，１４ａで固定されている。一方のクランパ１３は固定され、他方のクランパ１４ａは可動構造となっており、押圧部材１５ａで押されると光ファイバが形成する形状の曲率半径を変化させるように移動する。
ここで、クランパ１４ａと押圧部材１５ａは、クランパ１４ａの移動方向とに対して角度αで傾きを有する面１４ｂと、押圧部材１５ａの同じ角度αで傾いた面１５ｂとで接し、押圧部材１５ａはクランパ１４ａの移動方向に直行する方向に移動する構成である。従って、押圧部材１５ａが移動すると、面１４ｂと面１５ｂとですべり、クランパ１４ａが押圧部材１５ａの移動方向と直行する方向に押され、移動する。

ＯＦＦからＯＮにスイッチの状態を変化させるとき、押圧部材１５ａの移動速度が一定であるとすると、上記の傾きαに応じてクランパ１４ａの移動速度、即ち、センサ光のロス量の変化速度が変わってくる。従って、傾きαを大きくすると、センサ光のロス量の変化速度が遅くなり、傾きαを小さくすると、センサ光のロス量の変化速度が早くなる。

本実施形態の光スイッチアレイは、光スイッチの状態に応じたセンサ光のロス量または光スイッチの状態が変化するときのセンサ光のロス量変化速度が、複数個の光スイッチごとに異なっており、センサ光を測定することで、これらの光スイッチの状態を一度に識別することが可能ある。

本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、上記のおいては１つの光スイッチがＯＮ／ＯＦＦの２値のスイッチである場合について説明しているが、３値以上の多値スイッチであってもよい。この場合には、各光スイッチの値に応じて、光ファイバの屈曲の程度を多段階に変化させるスイッチ部材が設けられ、光スイッチが構成されている。また、いずれの光スイッチの状態においても、センサ光が受光部の分解能以上の差をもって１対１で対応するように設定する。
光ファイバ部分の長さについては特に限定はなく、１ｍ以下でもよく、数ｋｍでも対応できる。光ファイバ部分を長くすることで、広い領域に点在する光スイッチの状態を一度に識別することが可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本発明の光スイッチアレイは、セキュリティシステム、環境モニタリングシステム、建造物モニタリングシステムなどを構築する光ファイバを利用したセンサアレイとして適用できる。

図１は本発明の第１実施形態に係る光ファイバ上に複数個のセンサ部を有する光スイッチが設けられた光スイッチアレイの模式構成図である。 図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチアレイの一つの光スイッチ部分に相当するセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る光スイッチアレイの一部分に相当するセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。 図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係る光スイッチの構成をするセンサ部の構造を示す模式図である。

符号の説明

３…ヘテロコア部
４…界面
１０…光ファイバ
１１…光源
１２…受光部
２０ａ，２０ｂ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
ＳＰ，ＳＰ_１，ＳＰ_２，…，ＳＰ_ｎ…センサ部
ＳＷ_１，ＳＷ_２，…，ＳＷ_ｎ…光スイッチ
Ｗ…リーク

Claims (6)

1. コアおよびコアの外周に設けられたクラッドを備えた光ファイバと、
   伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部を有する光スイッチであって、前記光ファイバに光学的に結合して直列に設けられた複数個の光スイッチと、
   前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
   複数個の前記光スイッチを介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を検出する受光部と
   を有し、
   前記光スイッチの状態が変化するときに前記センサ部の近傍部分の光ファイバが形成する形状の曲率半径を変化させる速度が光スイッチごとに異なり、前記センサ光のロス量変化速度が前記光スイッチごとに異なっており、
   前記光スイッチ間での前記ロス量変化速度の差が、前記受光部で得られる信号の分解能以上である
   光スイッチアレイ。
2. 前記光スイッチを構成するセンサ部は、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であり、前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光スイッチアレイ。
3. 前記光スイッチを構成するセンサ部は、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材が前記光ファイバの中途部に接合されてなる構成である
   請求項１に記載の光スイッチアレイ。
4. 前記光スイッチの状態に応じた前記センサ部の近傍部分の光ファイバが形成する形状の曲率半径が前記複数個の光スイッチごとに異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている
   請求項１〜３のいずれかに記載の光スイッチアレイ。
5. 前記複数個の光スイッチごとに前記光スイッチを構成するセンサ部の長さが異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている
   請求項１〜３のいずれかに記載の光スイッチアレイ。
6. 前記複数個の光スイッチごとに前記光スイッチを構成するセンサ部の前記コア径が異なり、前記光スイッチの状態に応じた前記センサ光のロス量が前記光スイッチごとに異なっている
   請求項２に記載の光スイッチアレイ。

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