JP5086221B2 - 光スイッチおよび光スイッチの制御方法 - Google Patents

光スイッチおよび光スイッチの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、通信用光伝送装置や波長ルーティング装置などに用いられる光スイッチおよび光スイッチの制御方法に関するものである。
近年、光通信の分野では、光信号を電気信号に変換することなく相手先に送信することにより、光の特徴を生かした高速通信が実現されている。また、１つの波長に１つの光信号を対応させて波長多重するWDM(Wavelength Division Multiplexing)技術により、１本の光ファイバにより大容量の光伝送を行うことも実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチが脚光を浴びている。
光スイッチは、光通信ネットワークの大規模化に伴って、高機能化が促進されている。従来では、入力ポートが１つ、出力ポートが２つの単純な１×２スイッチが用いられていたが、近年では、入力ポートおよび出力ポートを数百個有し万単位の光路制御を行うことができるマトリクススイッチや数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかから出力する波長選択スイッチ（例えば、特許文献１参照）などが提案されている。これらのスイッチを高機能かつ小型に実現できるのが空間光学系光スイッチである。
空間光学系光スイッチは、光ファイバとともにレンズやミラーなどの空間光学部品を３次元的に配置することにより、高機能化と小型化を実現している。このような空間光学スイッチには、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作成されたマイクロミラー装置（例えば、特許文献１参照）がよく用いられる。MEMSマイクロミラー装置は、ミラーと対向配置された電極に電圧を印加し、電極とミラーとの間に生じる静電力によってミラーを回動軸回りに回動させる装置である。MEMSマイクロミラー装置は、ミラーを複数の回動軸により回動させることが可能なので、例えば、光路の切り替えを実現する第１の回動軸の他にその第１の回転軸と直交する第２の回動軸の回りにミラーを傾けることによって、光損失を変化させてそのミラーを通過する光信号のパワーを任意の値に制御することができる。光パワーの制御は、例えば、ＷＤＭ光ネットワークなどにおいては、光伝送路のける波長利得／損失の差によって生じた光信号間のパワーのばらつきを抑制することに利用される。この機能は、接続できるノード数にかかわるので、将来の多波長光ネットワーク用波長選択スイッチには欠かせない機能である。
このような波長選択スイッチでは、光ネットワークの大規模化に伴って、その光学的な性能についても高い性能が要求されている。例えば、光信号が多段のノードを通過するようなると、光損失を補うために光増幅器が設けられるが、この光増幅器は、必要な信号成分のみを増幅できるように、波長選択スイッチでは、透過スペクトルが必要な帯域のみを通すスペクトルであることが求められる。また、ポート数も増加するため、一般にポートクロストーク（ＰＸＴ）と呼ばれる、隣接ポートに漏れ出す光信号レベルを要求値以下に十分抑えなくてはならない。
このような波長選択スイッチの一例を図１１，図１２に示す。ここで、図１１に示す波長選択スイッチ１００は、複数の入力ポートから入力された複数（最大ｍ波）のチャンネル（波長）信号を、１つの出力ポートから合波して出力するＡｄｄ型波長選択スイッチである。一方、図１２に示す波長選択スイッチ２００は、１つの入力ポートから入力された複数のチャンネル信号（最大ｍ波）を、複数の出力ポートの中の１つのポートから出力するＤｒｏｐ型波長選択スイッチである。なお、図１１，図１２において、同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
図１１に示す波長選択スイッチ１００は、入力ポートとして機能するｎ本の入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎと、出力ポートとして機能する１本の出力側光ファイバ１０２と、入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎからの入力光を回折して波長の異なるｍ個の光を生成する回折格子１０３と、この回折格子１０３により回折された特定の波長のｍ個の光を各波長毎に反射して、出力側光ファイバ１０２から出力させるＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍと、出力側光ファイバ１０２から分岐された光信号をｍ個の特定の波長毎に分波器１０５と、この分波器１０５により分波された各光をモニタするフォトダイオード１０６−１〜１０６−ｍと、このフォトダイオード１０６−１〜１０６−ｍの検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１０７と、このＡ／Ｄ変換器１０７からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍの駆動を制御する制御装置１０８とを備えている。ここで、ＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍの各ミラーは、ｘ軸およびこのｘ軸と直交するｙ軸回りに回動可能とされており、入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎは、そのｙ軸に沿った方向に配列されている。
図１２に示す波長選択スイッチ２００は、１本の入力側光ファイバ１０１と、ｎ本の出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎと、入力側光ファイバ１０１からの入力光を回折して波長の異なるｍ個の光を生成する回折格子１０３と、この回折格子１０３により回折された特定の波長のｍ個の光を各波長毎に反射して、対応する出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎから出力させるＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍと、出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎからの出力を合流する合流器１０９と、この合流器１０９により合流された光をｍ個の特定の波長毎に分波する分波器１０５と、この分波器１０５により分波された各光をモニタするフォトダイオード１０６−１〜１０６−ｍと、このフォトダイオード１０６−１〜１０６−ｍの検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１０７と、このＡ／Ｄ変換器１０７からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍの駆動を制御する制御機構１０８とを備えている。ここで、ＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍの各ミラーは、ｘ軸およびこのｘ軸と直交するｙ軸回りに回動可能とされており、出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎは、ｘ軸回りにミラーを回動させたときの、光ビームの軌跡上に配列されている。
ここで、図１１に示す波長選択スイッチ１００と図１２に示す波長選択スイッチ２００の違いは、入力側光ファイバおよび出力側光ファイバの数量と、これに伴う出力側の信号光パワーをモニタするための構成、すなわち、波長選択スイッチ１００では単に出力側光ファイバ１０２からの光パワーの一部を分岐してチャンネル（波長）毎に信号を分離するための分波器１０５に入力するのに対して、図１２に示す波長選択スイッチ２００では複数の出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎのそれぞれから光信号を分岐して合流器１０９で１つにまとめた後、チャンネル毎に信号を分離するための分波器１０５に入力する点である。これら以外の構成および動作原理は、両者とも同等である。
便宜上、図１１に示す波長選択スイッチ１００を、１つのチャンネルに注目して簡略化したものを図１３に示す。
図１３に示す波長選択スイッチ１００は、ｎ本の入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎと、１本の出力側光ファイバ１０２と、入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎからの入力光を回折する回折格子１０３と、この回折格子１０３により回折された光信号をを反射して出力側光ファイバ１０２から出力させるＭＥＭＳミラー装置１０４と、出力側光ファイバ１０２からの出力の一部を分岐するカプラ１１０と、このカプラ１１０により分岐された光信号を電気信号に変換するフォトダイオード１０６と、このフォトダイオード１０６からの電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１０７と、このＡ／Ｄ変換器１０７からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１０４の駆動を制御する制御装置１０８とを備えている。ここで、入力側光ファイバ１０１−１〜１０１−ｎ、出力側光ファイバ１０２、回折格子１０３およびＭＥＭＳミラー装置１０４は、空間光学系スイッチ部３００を構成している。また、フォトダイオード１０６、Ａ／Ｄ変換器１０７および制御装置１０８は、駆動制御部４００を構成している。
ここで、ｘ軸およびこのｘ軸と直交するｙ軸という２つの軸回りに回動するＭＥＭＳミラー装置１０４のミラー１０４１は、ｘ軸に対して、ｎ本の入力ポートのうちの何れか１つのポートと１本の出力ポートとが結合する、すなわち、ｘ軸回りの回動方向に関して最小損失になるように回動する。これは、ちょうど、入力ポートが並んだ方向に光信号の向きを動かすように回動する。一方、ｙ軸に対して、ミラー１０４１は、ｘ軸に直交する方向に回動するので、入力ポートが並んだ方向と直交する方向に光信号の向きを動かすように回動する。したがって、入力ポートから出力ポートへの結合率、すなわち損失を制御するには、ｘ軸およびｙ軸のどちらを回動させても可能であるが、ポートの並び方向の動きを司るｘ軸回りの回動は、主にポートの選択、ポートの並び方向と直交する方向の動きを司るｙ軸回りの回動は、主に損失の制御に用いられる。
このような波長選択スイッチ１００において、負帰還制御を行う場合、制御装置１０８は、フォトダイオード１０６とＡ／Ｄ変換器１０７により求めた光信号の出力パワーと目標値との間の偏差を０にするように、ＭＥＭＳミラー装置１０４のミラー１０４１を回動させる。
ＭＥＭＳミラー装置１０４は、例えば図１４（ａ）〜図１４（ｄ）に示すように、ジンバル構造を有するミラー１０４１と、このミラー１０４１の下方に対向配置された電極１０４２ａ〜１０４２ｄとから構成される。この電極１０４２ａ〜１０４２ｄは、ミラー１０４１の主表面と略平行な同一平面上に設けられており、電極１０４２ａ，１０４２ｂはｘ軸に対して対称に、電極１０４２ｃ，１０４２ｄはｙ軸に対して対称に配設されている。ミラー１０４１の電位は、グランド電位と同じ電位となるようにしているので、電極１０４２ａ〜１０４２ｄに電圧を印加すると、電極１０４２ａ〜１０４２ｄとミラー１０４１との間に静電引力が生じ、この静電引力とミラー１０４１を支持する捻りバネによる復元力とが釣り合う角度までミラー１０４１が傾くこととなる。ミラー１０４１の回動方向は、ｘ軸回りとｙ軸回りの２つなので、回動を制御する電圧（すなわち制御変数）も２つあれば二軸の角度を任意に制御することができる。また、多くの変数を扱うよりも、変数の数を必要最小限にした方が制御方法を容易に構築しやすい。そこで、４つの電極１０４２ａ〜１０４２ｄに印加するそれぞれの電圧を、下式（１）、（２）に示すように２つの電圧Ｖｘ、Ｖｙとする。
Ｖｘ＝Ｖａ−Ｖｂ ・・・（１）
Ｖｙ＝Ｖｃ−Ｖｄ ・・・（２）
上式（１）、（２）を用いることにより、ｘ軸回りの回動を制御する電圧をＶｘ、ｙ軸回りの回動を制御する電圧をＶｙとして扱うことができる。以下において、電圧Ｖｘ、Ｖｙを制御電圧と言う。なお、通常、二軸駆動のミラーの場合、図１４Ａ，図１４Ｂに示したようなジンバル構造のミラー以外にも、電極電圧ではなく、変数を絞った制御電圧を使ってミラーの駆動制御を行う場合が多い。また、電極電圧とＶｘ，Ｖｙとの関係は、必ずしも上式（１）、（２）に示すような関係に限定されず、ミラーの特性などを考慮して他の関係式が採用される場合もある。
ＭＥＭＳミラー装置１０４において、制御電圧Ｖｘを変えると、ミラー１０４１は、ｘ軸回りに回動する。図１３に示したように、入力ポートがｘ軸と直交する方向に並んでいるので、各入力ポートと出力ポートとを結合するｘ軸回りの回動角は、入力ポートの数ｎだけ存在する。したがって、各入力ポートと出力ポートとを最適に結合する電圧Ｖｘも、入力ポートの数ｎだけ存在することとなる。
一方、ＭＥＭＳミラー装置１０４において、制御電圧Ｖｙを変えると、ミラー１０４１は、ｙ軸回りに回動する。図１３に示したように、入力ポートがｙ軸と平行な方向に並んでいるので、もし、ある入力ポートと出力ポートが最適結合（最も損失が小さくなる状態）している状態からｙ軸回りの回動を与えると、結合状態が悪化して、入力ポートと出力ポートの間の損失が増大する。このとき、入力ポートが並んでいる方向と直交する方向にミラーを回動させているので、他のポートの結合状態には影響が及ばない。すなわち、ｙ軸回りの回動は、あるポートとの結合効率を下げるだけで、他のポートへの影響が小さい。このため、ｙ軸回りの回動は、主に損失制御に用いられる。ｙ軸回りの損失特性は、最も損失が小さくなる点をピークとして、このピークからずれるほど損失が大きくなる、山状の形状を示す。したがって、ある入力ポートと出力ポートを最適に結合する電圧Ｖｙは、１つだけ存在することとなる。
すなわち、図１５に示すように、Ｖｘ軸の方向には、入力ポート数に応じたＮポート分のピークが存在する。一方、Ｖｙ軸方向には、ポート毎にピークは１つしか存在しない。このため、Ｖｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図は、Ｖｙ軸方向に細長くなった楕円がＶｘ方向にＮ個並んだ、特徴的な形状を示す。なお、採用したミラーによっては、ＶｘやＶｙのプラス方向にしかミラーが動作しない場合もありうる。このような場合には、図１５からミラーの動作範囲だけを取り出した損失等高線図になる。
図１６Ａ〜図１６Ｃに、損失を制御する変数をＶｘにとった場合と、Ｖｙにとった場合との違いを示す。
基本的に、損失制御は、Ｖｙを用いて行われるが、Ｖｘを用いてミラー１０４１をｘ軸方向のみに回動させることによって行うことも可能である。しかしながら、この場合には、あるポートの損失を下げようとすると、そのポートに隣接するポートに対して光が漏れ出してしまう、いわゆるクロストークという現象が発生してしまう。このクロストークは、光信号に対するノイズになるので、規定値以下に抑えなければならない。この規定値は、ネットワーク設計に依存する値であるが、−３０ｄＢ未満といった低い値が要求される。損失を変えるとともにクロストークを小さく抑えるには、図１６Ｂに示すように、ｘ軸と直交するｙ軸回りにミラー１０４１を回動させることによって損失を制御することが最適である。
ところが、ｙ軸のみで損失制御を行う場合には、別の光学特性を劣化させる場合がある。具体的には、Ｖｙの値を大きくしてミラー１０４１をｙ軸回りに大きな角度で回動させたときに、ミラー１０４１の端面からの回折光が透過スペクトル内に残存して、透過帯域の端の損失が下がらずに残ってしまい、透過帯域の両端近傍が山状に飛び出したスペクトル形状となってしまうことがある。これは、ちょうどウサギの耳のように飛び出して見えるので、Rabbit Earと呼ばれている。この現象は、複数の波長選択スイッチと光増幅器を通過する光ネットワークでは、その“耳”の部分も繰り返し増幅されて“成長”してしまうため、パワーペナルティが増大してしまう。このため、Rabbit Earを小さくすることが要求されている。
Rabbit Earの低減の観点からは、図１６Ｃに示すように、ミラー両端の回折光の方向が透過スペクトル内に入らないｘ軸回りの回動のみを使って損失を制御することが望ましい。しかしながら、この場合には、上述したようにクロストークの問題が発生してしまう。
このように、クロストークとRabbit Earは、損失を制御する軸を、ｘ軸およびｙ軸の何れか一方にすることでは、解決することが困難であった。そこで、図１７Ａ，図１７Ｂに示すように、ピーク近傍ではｘ軸回りにミラー１０４１を回動させ、ピークから外れるとｙ軸回りにミラー１０４１を回動させることにより、クロストークとRabbit Earを同時に解決することが提案されている。Rabbit Earは、損失が大きくなる、すなわちピークから離れたところで顕著になるので、初期段階にｘ軸回りにミラー１４０２を回動させることは理にかなっている。
特開２００３−０５７５７５号公報 広井和男、宮田朗、"シミュレーションで学ぶ自動制御技術入門"、ＣＱ出版社、２００４年１０月１日発行
しかしながら、回動させる軸を切り替える場合には、軸を切り替える際に対象とする変数も変更しなければならないが、例えば、図１５に示したような楕円状の損失等高線上ではＶｘ方向とＶｙ方向では損失特性が大きく変わってしまうので、パワーを負帰還制御しているような場合には、その帰還量を最適に保つために軸を切り替える度に制御パラメータを再設定しなければならず、結果として制御が複雑になってしまう。
そこで、本願発明は、クロストークを許容値以下にし、かつ、Rabbit Earの発生を抑制することができる光スイッチおよび光スイッチの制御方法を提供することを目的とする。
上述したような課題を解消するために、本発明に係る光スイッチは、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する複数の光出力部と、光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、電極に駆動電圧を印加してミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部とを備えた光スイッチであって、駆動制御部は、目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出するＶｔ算出部と、このＶｔ算出部により算出された制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、この算出部により算出されたＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧を対応する電極に印加する電極電圧制御部とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る他の光スイッチは、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する複数の光出力部と、光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、電極に駆動電極を印加してミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部とを備えた光スイッチであって、駆動制御部は、制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、この算出部により算出されたＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する電極に印加する電極電圧制御部と、検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求める比較器と、この比較器から出力される偏差に応じた補償量を制御変数Ｖｔに加算して、偏差を制御変数Ｖｔに負帰還する補償部とを備えることを特徴とする。
上記光スイッチにおいて、Ｖｘは、制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、Ｖｙは、制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上の整数）で表されるようにしてもよい。
上記光スイッチにおいて、Ｖｘ−Ｖｙ平面上において損失が最小となるピークの座標を（Ｖｘ0、Ｖｙ0）、定数をそれぞれＡ（≠０），Ｂ（≠０）、ｎ（１以上の整数）とすると、Ｖｘは、Ｖｘ＝Ｖｘ0＋ＡＶｔ、Ｖｙは、ｎが奇数の場合、Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ（Ｖｘ−Ｖｘ0）n＝Ｖｙ0＋ＡnＢＶｔn、ｎが偶数の場合、または、ｎが奇数および偶数の何れであるかを問わない場合、Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ｜Ｖｘ−Ｖｘ0｜・（Ｖｘ−Ｖｘ0）n-1＝Ｖｙ0＋ＡnＢ｜Ｖｔ｜・Ｖｔn-1で表されるようにしてもよい。
また、上記光スイッチにおいて、算出部は、要求損失可変範囲の中で最も損失が大きく、クロストークを許容値以下にでき、かつ、Rabbit Earを抑えることができる座標（Ｖｘ、Ｖｙ）のうち、最も小さな｜Ｖｘ−Ｖｘ0｜を与える座標を（ＶｘR、ＶｙR）とすると、制御変数Ｖｔを変えたときに、Ｖｘ−Ｖｙ平面上における（Ｖｘ，Ｖｙ）の軌跡が（ＶｘR、ＶｙR）を通るように定数Ａおよび定数Ｂを設定するようにしてもよい。
上記光スイッチにおいて、Ｖｔ算出部は、予め生成された損失と制御変数Ｖｔの対応関係を示すデータテーブルに基づいて、制御変数Ｖｔを算出するようにしてもよい。また、Ｖｔ算出部は、予め生成された損失と制御変数Ｖｔの対応関係を示す多項式に基づいて、制御変数Ｖｔを算出するようにしてもよい。
また、本発明に係る光スイッチの制御方法は、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する複数の光出力部と、光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、電極に駆動電圧を印加してミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部とを備えた光スイッチの制御方法であって、目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出するＶｔ算出ステップと、このＶｔ算出ステップにより算出された制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出ステップと、この算出ステップにより算出されたＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧を対応する電極に印加する電極電圧制御ステップとを有することを特徴とする。
また、本発明に係る他の光スイッチの制御方法は、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する複数の光出力部と、光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、電極に駆動電極を印加してミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部とを備えた光スイッチの制御方法であって、制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出ステップと、この算出ステップにより算出されたＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する電極に印加する電極電圧制御ステップと、検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求める比較ステップと、この比較ステップによりされる偏差に応じた補償量を制御変数Ｖｔに加算して、偏差を制御変数Ｖｔに負帰還する補償ステップとを有することを特徴とする。
本発明によれば、目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出し、この制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出し、このＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出して、この駆動電圧を対応する電極に印加することにより、２つの軸を有するミラーの動作を１つの制御変数Ｖｔによって制御することが可能となるので、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を両立するミラーの動作を、途中でミラーの向きを急激に変えることなく、シームレスに連続して実現することができる。結果として、１つの制御変数のみでパワーを制御することができるので、より容易にクロストークの低減とRabbit Earの抑圧を実現することができる。
また、制御変数Ｖｔからミラーをｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出し、このＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する電極に印加し、検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求め、この偏差に応じた補償量を制御変数Ｖｔに加算して、偏差を制御変数Ｖｔに負帰還することによっても、２つの軸を有するミラーの動作を１つの制御変数Ｖｔによって制御することが可能となるので、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を両立するミラーの動作を、途中でミラーの向きを急激に変えることなく、シームレスに連続して実現することができる。結果として、制御パラメータを変更することなく、より容易にクロストークの低減とRabbit Earの抑圧を実現することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態に係る光スイッチは、後述する制御変数Ｖｔを用いてＰＩＤ制御の基本制御である比例制御（Ｐ制御）により光スイッチの光パワーを制御するものであって、図１３を参照して説明した光スイッチ１００の駆動制御部４００を後述する駆動制御部１０に置き換えたものである。したがって、以下において、光スイッチ１００と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
＜光スイッチの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る光スイッチ１は、空間光学系スイッチ部３００と、この空間光学系スイッチ部３００に含まれるＭＥＭＳミラー装置１０４の動作を制御する駆動制御部１０とから構成される。この駆動制御部１０は、出力ポートからカプラ１１０を使って分岐された光パワーを電気信号に変換するフォトダイオードなどからなるＯ／Ｅ変換器１１と、Ｏ／Ｅ変換器１１により変換された電気信号をデジタル変換して、分岐した光パワーに基づいて光信号の出力パワー値を求めるＡ／Ｄ変換部１２と、このＡ／Ｄ変換部１２で求められた出力パワーと光パワーの目標値との差（以下、偏差という）を求める比較器１３と、偏差に比例した補償量を求める補償量算出部１４と、この補償量算出部１４により算出された補償量を電圧Ｖｔに負帰還するように加える加算器１５と、補償量が加えられたＶｔを次のＰ制御に備えて任意の制御周期ΔＴだけ保持しておくメモリなどからなる遅延器１６と、補償量が加えられたＶｔから制御電圧Ｖｘ、Ｖｙを算出する算出部１７と、この算出部１７により算出された制御電圧Ｖｘ、Ｖｙから電極電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを求めて空間光学系スイッチ部３００のＭＥＭＳミラー装置１０４に印加する電極電圧制御部１８と、任意の周期ΔＴでＰ制御を実行するためのタイマ１９とから構成される。
ここで、Ｖｔは制御変数であって、制御電圧Ｖｘ，ＶｙはＶｔの関数である。具体的には、Ｖｘは、制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、Ｖｙは、制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上の整数）で表される。より具体的には、下式（３）〜（５）に示すように、ＶｘはＶｔを定数Ａ倍した値、ＶｙはＢを係数とするＶｘの高次関数（１次を含む）となる。ここで、（Ｖｘ0、Ｖｙ0）は、Ｖｘ−Ｖｙ平面上において損失が最小となるピークの座標であり、Ｖｔ軸の原点Ｖｔ＝０は、Ｖｘ−Ｖｙ平面上では、その（Ｖｘ0、Ｖｙ0）となる。また、Ａ，Ｂは０ではない実数、指数ｎは１以上の整数である。なお、ｎが奇数、または、ｎが偶数か奇数を問わない場合には下式（３）、（４）が適用され、ｎが偶数の場合には下式（３）、（５）が適用される。
Ｖｘ＝Ｖｘ0＋ＡＶｔ ・・・（３）
Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ（Ｖｘ−Ｖｘ0）n＝Ｖｙ0＋ＡnＢＶｔn ・・・（４）
Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ｜Ｖｘ−Ｖｘ0｜・（Ｖｘ−Ｖｘ0）n-1＝Ｖｙ0＋ＡnＢ｜Ｖｔ｜・Ｖｔn-1 ・・・（５）
＜光スイッチの動作＞
次に、図１を参照して、本実施の形態に係る光スイッチ１の動作について説明する。
カプラ１０により出力ポートから光信号が分岐されると、この光信号は、Ｏ／Ｅ変換器１１により電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換部１２によりデジタル信号に変換されて出力パワーが算出される。
光信号の出力パワーが算出されると、比較器１３は、その出力パワーと光信号の出力パワーの目標値との偏差を算出する。
偏差が算出されると、補償量算出部１４は、その偏差に比例した補償量を算出する。出力パワーが目標値により偏差ｅだけ小さい場合、補償量算出部１４は、その偏差ｅのＫｐ倍の補償量をＶｔに加える。加えるときの補償量の符号は、補償量をＶｔに加えることにより出力が大きくなる符号がとられる。Ｋｐの値を適切に設定することにより、偏差ｅがある場合に、この偏差ｅを打ち消すようにＶｔが補正されるので、最終的に出力パワーが目標値に近づくこととなる。
補償量が算出されると、加算器１５は、その補償量をＶｔに負帰還するように加える。このとき、遅延器１６は、補償量が加えられたＶｔを次のＰ制御に備えて、タイマ１９により計時される任意の制御周期ΔＴのだけ保持しておく。
補償量がＶｔに加えられると、算出部１７は、そのＶｔから制御電圧Ｖｘ、Ｖｙを算出する。この算出部１７により算出されるミラー１０４１の制御電圧（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡の一例を図２に示す。この図２において、Ｖｔの軌跡は、Ｖｙ軸に対してφだけ傾いた状態となっている。この軌跡そのものが、本実施の形態で導入した制御変数Ｖｔを表す軸となる。すなわち、Ｖｔは、（Ｖｘ0、Ｖｙ0）を原点とする、その軸上の原点からの距離を表しており、下式（６）、（７）で表される。この下式（６）、（７）において、上式（３）〜（５）におけるＡはｃｏｓφ、Ｂはｓｉｎφに対応している。
Ｖｘ＝Ｖｘ0＋Ｖｔｃｏｓφ ・・・（６）
Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｖｔｓｉｎφ ・・・（７）
なお、図２において原点からの距離を表すＶｔは、軸の向きによって符号を定義することができる。図２の場合は、紙面の右上をＶｔ軸の正の方向としているが、φの設定によっては、様々な方向をＶｔの正の方向とすることができる。
制御電圧Ｖｘ、Ｖｙが算出されると、電極電圧制御部１８は、その制御電圧Ｖｘ、Ｖｙから空間光学系スイッチ部３００のＭＥＭＳミラー装置１０４における電極１０４２ａ〜１０４２ｄに印加する電極電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを算出し、これを対応する電極１０４２ａ〜１０４２ｄに印加する。これにより、ＭＥＭＳミラー装置１０４の２つの回動軸を有するミラー１０４１を、１つの制御変数Ｖｔによって制御することが可能となるので、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を両立するミラーの動作を、途中でミラーの向きを急激に変えることなく、シームレスに連続して実現することができる。
近年、ソフトウェア処理能力が高まっており、Ａ／Ｄ変換器１２の後段の構成要素による処理は、ハードウェアのみならず、ＣＰＵやＦＰＧＡなどの演算処理器を用いて実現することができる。このような場合であっても、本実施の形態は、複雑な演算を行わないので、容易に実装することができる。
なお、ＰＩＤ制御のＩ制御やＤ制御についても（例えば、非特許文献１参照。）、１つの制御変数Ｖｔを用いる本実施の形態を適用できることは言うまでもない。
図３Ａに示すＶｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図において、Ｖｘ軸によりミラー１０４１の回動を制御する場合、図３Ｂに示すように、損失を大きくしてもRabbit Earが生じないため透過帯域が狭くならないものの、損失を大きくするにつれて隣接ポートへのパワーの漏れだし（ＰＸＴ）が急激に大きくなってしまう。一方、Ｖｙ軸によりミラー１０４１の回動を制御する場合、図３Ｃに示すように、損失を大きくしてもＰＸＴが大きくならないものの、Rabbit Earが大きくなって透過帯域が狭くなってしまう。一方、本実施の形態のように、Ｖｔ軸によりミラー１０４１の回動を制御する場合、図３Ｄに示すように、Ｖｘ軸の制御とＶｙ軸上の制御の特性の中庸をとった特性を得ることができる。すなわち、損失を大きくするとＰＸＴがだんだんと大きくなり、かつ、比較的小さなRabbit Earが透過帯域の領域に現れる。このような特性は、ＰＸＴを抑えることを優先させるか、Rabbit Earを抑えて透過帯域を確保することを優先するかによって、傾き角度φを大きくしたり小さくしたりすることにより、適宜調整することができる。一般的に、ＰＸＴの上限値や透過帯域の下限値がネットワークシステムの要求から仕様として決まるので、これらを満たすように角度φを設計すればよい。
以上説明したように、本実施の形態によれば、算出部１７により、制御変数Ｖｔからミラー１０４１をｘ軸回りおよびｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出し、電極電圧制御部１８により、そのＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出して、この駆動電圧に対応する電極に印加し、比較器１３により、検出結果の目標値に対する偏差を求め、加算器１５により、その偏差に応じた補償量を制御変数Ｖｔに加算して、偏差を制御変数Ｖｔに負帰還することにより、２つの軸を有するミラーの動作を１つの制御変数Ｖｔによって制御することが可能となるので、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を両立するミラーの動作を、途中でミラーの向きを急激に変えることなく、シームレスに連続して実現することができる。結果として、より容易に、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を実現することができる。
さらに、扱う制御変数がＶｔの１つになるため、実績のあるＰＩＤ制御などのパワー制御アルゴリズムを容易に導入することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、ＶｙがＶｔの二次関数（ｎ＝２）である場合に関するものであり、上述した第１の実施の形態とＶｘ、Ｖｙの算出式のみが異なるものである。したがって、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
図４において、図中の太線は、Ｖｔの値を変えた場合の（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡を示している。線形（ｎ＝１）の場合は、Ｖｔ軸と（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡が一致しているが、高次関数を使う場合（ｎ≧２）は、この図４に示すようにＶｔ軸（破線）と（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡（太線）が一致しない。
高次関数を使う場合は、線形（ｎ＝１）の場合と異なり、Ｖｔ軸の傾き角φを決定するだけでは、上式（３）で示した係数Ａはｓｉｎφとして決まるが、係数Ｂは決まらない。そこで、損失可変範囲の中で最も大きな損失（−ＲｄＢ）において、Rabbit Earが十分抑えられる電圧状態（Ｖｘ、Ｖｙ）を予め調べておき、この条件の中でＶｘ−Ｖｘ0の絶対値が最も小さくなる（ＶｘR、ＶｙR）を見つけておく。この（ＶｘR、ＶｙR）と、係数Ａまたは傾きφの関係は、下式（８）、（９）で表される。
Ａ＝ｃｏｓφ ・・・（８）
φ＝ａｒｃｔａｎ｛（ＶｙR−Ｖｙ0）／（ＶｘR−Ｖｘ0）｝ ・・・（９）
ここで、Ｖｔを変えたときの（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡（太線）を、この電圧（ＶｘR、ＶｙR）を通るようにすることによって、係数Ｂは下式（１０）で表される。
Ｂ＝（ＶｙR−Ｖｙ0）／（ＶｘR−Ｖｘ0）2 ・・・（１０）
上式（８）〜（１０）により、ＶｘとＶｙは、下式（１１）、（１２）に示すようにＶｔの関数として表される。
Ｖｘ＝Ｖｘ0＋Ｖｔｃｏｓφ ・・・（１１）
Ｖｙ＝Ｖｙ0Ｂ＋｜Ｖｔ｜・Ｖｔｃｏｓ2φ ・・・（１２）
上式（５）、（１２）に示すように、次数ｎが偶数の高次関数の場合には、単純にＶｔをｎ回乗じるのではなく、Ｖｔの絶対値にＶｔを（ｎ−１）回乗じる。これは、次数が奇数の高次関数が原点を中心とする点対称な軌跡になるのに合わせたためである。ｎを状況に応じて色々と変えられるように設計することを想定して、次数によって軌跡が点対称になったり線対称になったりすることを避けるための処置であるが、単にＶｘ−Ｖｙ平面上の第一象限しか使わない場合や、Ｖｙの正側だけしか使わない場合は、特にＶｔの絶対値を用いずにｎが偶数か奇数かに関係なく上式（３），（４）を用いるようにしてもよい。
図４に示すように、ＶｙがＶｔの二次関数で表現される場合を例に、本実施の形態において高次関数を使う場合の作用効果について、図５Ａ，図５Ｂを参照して説明する。
Ｖｔを変化させたときの（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡（図５Ａの太線）において、太線の傾き（接線）は、Ｖｘ−Ｖｙ平面上での向きを示す。高次関数を用いると、Ｖｔが大きくなるにつれて傾きも大きくなり、Ｖｙ軸方向の動作成分が増加する。さらに、Ｖｔが大きな領域では、Ｖｙ軸の動きが支配的になる。このような動作は、図５Ｂに示すように、上述したピーク近傍ではｘ軸回り、ピークから離れたところではｙ軸回りにミラー１０４１を回動させることが、Rabbit EarおよびＰＸＴを両立する方法であることに合致しており、ＶｙがＶｔの線形（ｎ＝１）である場合よりも、小さいＰＸＴと広い透過帯域を実現できる。
また、Ｖｔを用いることにより、従来と同様に、ピーク近傍でｘ軸回りの回動を、ピークから離れたところでｙ軸回りの回動を与えることによる効果を得るとともに、ミラー１０４１を回動させる方向を切り替えるような動作ではなく、連続的にｘ軸回りの回動からｙ軸回りの回動に変えているので、制御変数Ｖｔの値を変えても損失特性に電圧に対する損失の微分値が不連続になる点（以下、微分不連続点という）が現れないという、制御しやすい特性を実現することができる。これについて、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。なお、図６Ａ、図６Ｂは、横軸に制御変数、縦軸に損失をとった損失プロファイルを示しているす。
従来の場合では、図６Ａに示すように、制御変数が途中でＶｘからＶｙに切り替わる時点で、微分不連続点が現れる。また、図１５に示したような楕円状の損失等高線では、Ｖｘ方向の損失プロファイルとＶｙ方向の損失プロファイルの変化は顕著になる。
一方、本実施の形態では、図６Ｂに示すように、制御変数Ｖｔを大きくすると損失が滑らかに大きくなっていき、微分不連続点が生成されない。したがって、微分不連続点前後で制御パラメータを調整する必要がないので、Ｖｔの値で条件分けする必要がなくなり、結果として、制御アルゴリズムを容易にすることができる。
また、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態とＶｘ、Ｖｙの算出式のみが異なるものである。このように、本実施の形態で次数を変えるためには、このＶｔからＶｙへの算出式のみ変更すればよいので、ハードウェア構成を大きく変更することなく、Rabbit EarとＰＸＴの特性を両立するための最適な次数への調整を容易に行うことができる。
次に、図７を参照して、制御分解能の観点からの本実施の形態の効果について説明する。ここで、制御分解能とは、制御する際に設定できる最小電圧量のことである。近年の電子回路技術は、デジタル回路が主流で、本実施の形態で用いる制御回路も多くの場合、デジタル回路から構成される。デジタル回路では、制御分解能はビット数で決まる量子化された最小電圧で決まる。なお、図７に示す格子は、設定可能な電圧を格子の交点を示しており、格子の一辺が量子化された最小電圧を表している。
使用するミラーの電圧に対する回動角度の関係が、Ｖｘ、Ｖｙについてほぼ同じ特性ならば、Ｖｘの最小電圧ΔＶｘｍｉｎとＶｙの最小電圧ΔＶｙｍｉｎはほぼ同じ値となる。また、損失等高線の楕円形状が細長くなればなるほど、Ｖｙ方向に比べてＶｘ方向の等高線が密になり、Ｖｘ方向の損失勾配（ｄＬｏｓｓ／ｄＶ）も大きくなる。損失勾配が大きいと、最小電圧を与えたときの損失変化量が大きくなりすぎて、十分な精度で損失制御ができなくなる恐れが生じる。例えば、最小電圧が１０ｍＶ、損失勾配が１ｄＢ／Ｖとすると、最小電圧を与えた場合の損失変化量（損失最小分解能）は０．０１ｄＢとなり、この値以下の損失制御は不可能となる。したがって、ミラーを動かすときには、十分な損失制御精度を保てるように損失勾配の値が大きくなりすぎないように、Ｖｘ−Ｖｙ平面上の経路を設定することが重要である。
なお、図７において、符号ａは、Ｖｘ軸を移動したのちにＶｙ軸に移るミラーの動き（従来の方法）、符号ｂは、Ｖｔ軸に対応する（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡が直線であるミラーの動き（ｎ＝１）、符号ｃは、Ｖｔ軸に対応する（Ｖｘ、Ｖｙ）の軌跡が、Ｖｙについて、Ｖｔの二次関数であるミラーの動き（ｎ＝２）を示してる。これらの条件について、具体的な値を代入して、制御分解能の観点からの優劣について以下に説明する。
想定する波長選択スイッチのポートの数Ｎ（図１５の楕円状等高線の数）を１０と仮定すると、ｘ軸回り、ｙ軸回りの電圧に対する回転角度の特性が同一ならば、ポートの損失等高線を示す楕円の楕円率は、ポート数と同じ１０になる。また、ピークを基点とする損失が−２０ｄＢになるときのＶｙ電圧を７５Ｖと仮定する。このとき、Ｖｘ軸上の短軸は７．５Ｖになる。
電圧−損失特性は、ビームの強度分布がガウシアンであることを想定して、損失（Ｌｏｓｓ）が電圧（Ｖｘ、Ｖｙ）に対する次式で表される二次関数になると仮定する。すると、損失（Ｌｏｓｓ）は、下式（１３）で算出される。
Ｌｏｓｓ＝−３．５６×１０-3（１００・Ｖｘ2＋Ｖｙ2） ・・・（１３）
さらに、損失の可変範囲を０〜−２０ｄＢと仮定して、各経路で−２０ｄＢにおける光学特性が一致するものとする。すなわち、損失が−２０ｄＢの等高線上において、同一の点を通過することとする。
符号ａから符号ｃの各経路において、下式（１４）で表される各経路上を辿るピークを起点とした累積距離ｒを横軸、上式（１３）で表される損失を縦軸とするグラフを図８に示す。また、累積距離ｒに対する損失勾配ｄＬｏｓｓ／ｄｒを示したグラフを図９に示す。
ｒ＝∫ｄｒ＝∫（ｄｘ2＋ｄｙ2）1/2 ・・・（１４）
符号ａで示す従来の方法では、ｒが小さい領域、すなわち、Ｖｘ方向に移動する領域では、符号ｂ、ｃの場合と比べて損失勾配が大きくなるが、微分不連続点を過ぎた後のＶｙ方向に移動する領域では、逆に符号ｂ、ｃの場合と比べて損失勾配が小さくなる。楕円率が大きいほど、この勾配の変化が大きくなる。具体的には、符号ａの場合、４Ｖ程度のＶｘ方向の移動で８ｄＢ近い損失変化を生じさせているのに対して、Ｖｙ方向に移ると４０Ｖ近くかけて４ｄＢ程度の損失変化しか生じさせていないため、Ｖｘ方向とＶｙ方向の違いで勾配が極端に変わってしまう。従来では、一度にＶｘ方向に動かしてからＶｙ方向に向きを変えるのではなく、階段状にＶｘ方向に動かしてはＶｙ方向に動かす方法も提案されているが、勾配については階段状に動かしてもＶｘ方向の勾配とＶｙ方向の勾配の差は改善されず、切り替え回数が増える分、却って条件分岐が増えて制御が複雑になってしまう。
また、符号ａの場合、Ｖｘ方向の勾配の値自体も大きく、最大で−３．２５ｄＢ／Ｖに及んでいる。最小電圧を１０ｍＶとすると、損失最小分解能は０．０３ｄＢになる。パワーを０．１ｄＢ以下で制御しようとすると、その１／１０である０．０１ｄＢ程度の損失最小分解能が必要なので、制御分解能が１０ｍＶでは不足することとなる。ビット数を上げて制御分解能を上げることも可能ではあるが、コストの上昇や電気ノイズに弱くなってしまう。また、たとえ制御分解能を上げたとしてもそれが活きるのは損失勾配の大きいＶｘ方向に動いているときのみで、損失勾配が小さいＶｙ方向に動いているときは無駄に分解能が高いだけになってしまう。
符号ｂに示す二次関数上を移動する方法では、ｒに対する損失の変化が、三者の中でも最も直線的に変化している。そのため、損失勾配の値が符号ａ、ｃの場合と比較すると、一定に近い。これは０から−２０ｄＢを与えるｒの範囲（グラフから約０〜４５Ｖ）の全体を均等に使って損失を変化させていることを意味するので、最大損失勾配を符号ａ〜ｃの中で最も小さく抑えることができる。その結果、同じ制御分解能を与えられたときに最も小さな損失分解能を得ることができる。グラフからｒ＝４５Ｖのときの損失勾配が−０．６ｄＢ／Ｖで最大なので、１０ｍＶの制御分解能に対して損失最小分解能は０．００６ｄＢとなり、０．１ｄＢのパワー制御には十分な値となる。
符号ｃに示す直線的に移動する方法では、ｒに対して二次関数状に損失が大きくなっている。そのため、損失勾配はほぼｒが大きくなるのに比例して直線的に大きくなっている。ｒが４５Ｖくらいで、損失が可変範囲最大の−２０ｄＢになっているが、そのときの勾配は−１ｄＢ／Ｖであった。損失最小分解能は、１ｄＢ／Ｖｘ×１０ｍＶ＝０．０１ｄＢになり、１０ｍＶの制御分解能で０．１ｄＢ以下のパワー制御を満たしている。
このように、本実施の形態は、与えられた制御分解能を有効に活用するという意味からも、従来よりも優れた特徴を有する。したがって、本実施の形態は、負帰還制御による光パワー制御をすることを前提にしなくても有益な効果があると言える。
［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、負帰還制御による光パワー制御機能を有さないものであり、その他の構成は上述した第１，第２の実施の形態と同等である。したがって、本実施の形態において、上述した第１，第２の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
図１０に示すように、本実施の形態に係る光スイッチ２は、空間光学系スイッチ部３００と、この空間光学系スイッチ部３００に含まれるＭＥＭＳミラー装置１０４の動作を制御する駆動制御部２０とから構成される。この駆動制御部２０は、Ｖｔ算出部２１と、算出部１７と、電極電圧制御部１８とから構成される。
ここで、Ｖｔ算出部２１は、損失に対するＶｔの値を記憶したデータテーブル、または、損失とＶｔの関係を表す近似式を備えており、損失の目標値に基づいてＶｔを算出する。
このように、Ｖｔ算出部２１によりＶｔが算出されると、上述した第１，第２の実施の形態と同様、算出部１７は、そのＶｔから制御電圧Ｖｘ、Ｖｙを算出する。この制御電圧Ｖｘ、Ｖｙが算出されると、電極電圧制御部１８は、その制御電圧Ｖｘ、Ｖｙから空間光学系スイッチ部３００のＭＥＭＳミラー装置１０４における電極１０４２ａ〜１０４２ｄに印加する電極電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄを算出し、これを対応する電極１０４２ａ〜１０４２ｄに印加する。これにより、ミラーに対応する波長を有する光信号に所望の損失を与え、光パワーを制御することができる。
このように、本実施の形態によれば、Ｖｔ算出部２１により、目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出し、算出部１７により、その制御変数Ｖｔからミラー１０４１をｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出し、電極電圧制御部１８により、そのＶｘおよびＶｙから電極それぞれに印加する駆動電圧を算出して対応する電圧に印加することにより、２つの軸を有するミラーの動作を１つの制御変数Ｖｔによって制御することが可能となるので、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を両立するミラーの動作を、途中でミラーの向きを急激に変えることなく、シームレスに連続して実現することができる。結果として、１つの制御変数のみでパワーを制御することができるので、より容易に、クロストークの低減とRabbit Earの抑圧を実現することができる。
なお、上述した第１〜第３の実施の形態では、Ａｄｄ型波長選択スイッチの場合を例に説明したが、図１２に示すようなＤｒｏｐ型波長選択スイッチにも適用することができる。
本発明は、例えば、ＭＥＭＳミラー装置など、２つの軸回りに回動可能な反射部材の回動を制御する各種装置に適用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る光スイッチの構成を模式的に示す図である。 Ｖｘ−Ｖｙ平面上におけるＶｔの軌跡を示す図である。 Ｖｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図である。 図３ＡにおけるＶｘ方向の透過率を示す図である。 図３ＡにおけるＶｙ方向の透過率を示す図である。 図３ＡにおけるＶｔ方向の透過率を示す図である。 ＶｙがＶｔの二次関数である場合のＶｘ−Ｖｙ平面上におけるＶｔの軌跡を示す図である。 Ｖｘ−Ｖｙ平面上におけるＶｔの軌跡を示す図である。 図５ＡにおけるＶｔの透過率と損失を示す図である。 回動軸を切り替える場合の損失特性を示す図である。 Ｖｔを用いる場合の損失特性を示す図である。 制御分解能によるＶｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図である。 図７の各経路における累積距離と損失の関係を示す図である。 図７の各経路における累積距離と損失勾配の関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光スイッチの構成を模式的に示す図である。 Ａｄｄ型波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。 Ｄｒｏｐ型波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。 図１１の波長選択スイッチを簡略化した図である。 （ａ）はミラーの構成を示す図、（ｂ）はＭＥＭＳミラー装置の構成を示す図、（ｃ）はＭＥＭＳミラー装置におけるミラーのｘ軸回りの回動を示す図、（ｄ）はＭＥＭＳミラー装置におけるミラーのｙ軸回りの回動を示す図である。 Ｎポート分のピークが存在する場合の損失等高線図である。 Ｖｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図である。 図１６ＡにおけるＶｘ方向の透過率を示す図である。 図１６ＡにおけるＶｙ方向の透過率を示す図である。 回動軸を切り替える場合のＶｘ−Ｖｙ平面上の損失等高線図である。 図１７ＡにおけるＶｔの透過率と損失を示す図である。
符号の説明
１，２…光スイッチ、１０，２０…駆動制御部、１１…Ｏ／Ｅ変換器、１２…Ａ／Ｄ変換部、１３…比較器、１４…補償量算出部、１５…加算器、１６…遅延器、１７…算出部、１８…電極電圧制御部、１９…タイマ、２１…Ｖｔ算出部、１０１，１０１−１〜１０１−ｎ…入力側光ファイバ、１０２，１０２−１〜１０２−ｎ…出力側光ファイバ、１０３…回折格子、１０４…ＭＥＭＳミラー装置、１０５…分波器、１０６−１〜１０６−ｍ…フォトダイオード、１０７…Ａ／Ｄ変換器。１０８…ミラー制御回路、１０９…合流器、１１０…カプラ、３００…空間光学系スイッチ部、１０４１…ミラー、１０４２ａ〜１０４２ｄ…電極。

Claims (9)

  1. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記電極に駆動電圧を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチであって、
    前記駆動制御部は、
    目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出するＶｔ算出部と、
    このＶｔ算出部により算出された前記制御変数Ｖｔから前記ミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、
    この算出部により算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧を対応する前記電極に印加する電極電圧制御部と
    を備え、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上かつ２以上の整数）で表される
    ことを特徴とする光スイッチ。
  2. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
    前記電極に駆動電極を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチであって、
    前記駆動制御部は、
    制御変数Ｖｔから前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、
    この算出部により算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する前記電極に印加する電極電圧制御部と、
    前記検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求める比較器と、
    この比較器から出力される偏差に応じた補償量を前記制御変数Ｖｔに加算して、前記偏差を前記制御変数Ｖｔに負帰還する補償部と
    を備え、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上かつ２以上の整数）で表される
    ことを特徴とする光スイッチ。
  3. Ｖｘ−Ｖｙ平面上において損失が最小となるピークの座標を（Ｖｘ0、Ｖｙ0）、定数をそれぞれＡ（≠０），Ｂ（≠０）、ｎ（１以上の整数）とすると、
    前記Ｖｘは、
    Ｖｘ＝Ｖｘ0＋ＡＶｔ
    前記Ｖｙは、
    ｎが奇数の場合、または、ｎが奇数および偶数の何れであるかを問わない場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ（Ｖｘ−Ｖｘ0）n＝Ｖｙ0＋ＡnＢＶｔn
    ｎが偶数の場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ0＋Ｂ｜Ｖｘ−Ｖｘ0｜・（Ｖｘ−Ｖｘ0）n-1＝Ｖｙ0＋ＡnＢ｜Ｖｔ｜・Ｖｔn-1
    で表されることを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチ。
  4. 前記Ｖｔ算出部は、予め生成された損失と前記制御変数Ｖｔの対応関係を示すデータテーブルに基づいて、前記制御変数Ｖｔを算出する
    ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
  5. 前記Ｖｔ算出部は、予め生成された損失と前記制御変数Ｖｔの対応関係を示す多項式に基づいて、前記制御変数Ｖｔを算出する
    ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
  6. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記電極に駆動電圧を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチの制御方法であって、
    目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出するＶｔ算出ステップと、
    このＶｔ算出ステップにより算出された前記制御変数Ｖｔから前記ミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出ステップと、
    この算出ステップにより算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧を対応する前記電極に印加する電極電圧制御ステップと
    を有し、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上かつ２以上の整数）で表される
    ことを特徴とする光スイッチの制御方法。
  7. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
    前記電極に駆動電極を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチの制御方法であって、
    制御変数Ｖｔから前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出ステップと、
    この算出ステップにより算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する前記電極に印加する電極電圧制御ステップと、
    前記検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求める比較ステップと、
    この比較ステップによりされる偏差に応じた補償量を前記制御変数Ｖｔに加算して、前記偏差を前記制御変数Ｖｔに負帰還する補償ステップと
    を有し、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上かつ２以上の整数）で表される
    ことを特徴とする光スイッチの制御方法。
  8. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記電極に駆動電圧を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチであって、
    前記駆動制御部は、
    目標とする損失に対応した制御変数Ｖｔを算出するＶｔ算出部と、
    このＶｔ算出部により算出された前記制御変数Ｖｔから前記ミラーをｘ軸およびｙ軸回りにそれぞれ回動させる電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、
    この算出部により算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧を対応する前記電極に印加する電極電圧制御部と
    を備え、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上の整数）で表され、
    Ｖｘ−Ｖｙ平面上において損失が最小となるピークの座標を（Ｖｘ 0 、Ｖｙ 0 ）、定数をそれぞれＡ（≠０），Ｂ（≠０）、ｎ（１以上の整数）とすると、
    前記Ｖｘは、
    Ｖｘ＝Ｖｘ 0 ＋ＡＶｔ
    前記Ｖｙは、
    ｎが奇数の場合、または、ｎが奇数および偶数の何れであるかを問わない場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ 0 ＋Ｂ（Ｖｘ−Ｖｘ 0 ） n ＝Ｖｙ 0 ＋Ａ n ＢＶｔ n
    ｎが偶数の場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ 0 ＋Ｂ｜Ｖｘ−Ｖｘ 0 ｜・（Ｖｘ−Ｖｘ 0 ） n-1 ＝Ｖｙ 0 ＋Ａ n Ｂ｜Ｖｔ｜・Ｖｔ n-1
    で表され、
    前記算出部は、
    要求損失可変範囲のなかで最も損失が大きく、クロストークを許容値以下にでき、かつ、Rabbit Earを抑えることができる座標（Ｖｘ、Ｖｙ）のうち、最も小さな｜Ｖｘ−Ｖｘ 0 ｜を与える座標を（Ｖｘ R 、Ｖｙ R ）とすると、前記制御変数Ｖｔを変えたときに、前記Ｖｘ−Ｖｙ平面上における（Ｖｘ，Ｖｙ）の軌跡が前記（Ｖｘ R 、Ｖｙ R ）を通るように前記定数Ａおよび前記定数Ｂを設定する
    ことを特徴とする光スイッチ。
  9. 入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
    出力光を出力する複数の光出力部と、
    前記光出力部の選択に用いられるｘ軸およびこのｘ軸と異なるｙ軸に対して回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
    前記光出力部から出力される出力光の光強度を検出する検出部と、
    前記電極に駆動電極を印加して前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ回動させる駆動制御部と
    を備えた光スイッチであって、
    前記駆動制御部は、
    制御変数Ｖｔから前記ミラーを前記ｘ軸回りおよび前記ｙ軸回りにそれぞれ所定量回動させるための電圧ＶｘおよびＶｙを算出する算出部と、
    この算出部により算出された前記Ｖｘおよび前記Ｖｙから前記電極それぞれに印加する駆動電圧を算出し、この駆動電圧に対応する前記電極に印加する電極電圧制御部と、
    前記検出部によって検出された検出結果の目標値に対する偏差を求める比較器と、
    この比較器から出力される偏差に応じた補償量を前記制御変数Ｖｔに加算して、前記偏差を前記制御変数Ｖｔに負帰還する補償部と
    を備え、
    前記Ｖｘは、前記制御変数Ｖｔのｍ次の単調関数（ｍは１以上の整数）で表され、
    前記Ｖｙは、前記制御変数Ｖｔのｎ次の単調関数（ｎはｍ以上の整数）で表され、
    Ｖｘ−Ｖｙ平面上において損失が最小となるピークの座標を（Ｖｘ 0 、Ｖｙ 0 ）、定数をそれぞれＡ（≠０），Ｂ（≠０）、ｎ（１以上の整数）とすると、
    前記Ｖｘは、
    Ｖｘ＝Ｖｘ 0 ＋ＡＶｔ
    前記Ｖｙは、
    ｎが奇数の場合、または、ｎが奇数および偶数の何れであるかを問わない場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ 0 ＋Ｂ（Ｖｘ−Ｖｘ 0 ） n ＝Ｖｙ 0 ＋Ａ n ＢＶｔ n
    ｎが偶数の場合、
    Ｖｙ＝Ｖｙ 0 ＋Ｂ｜Ｖｘ−Ｖｘ 0 ｜・（Ｖｘ−Ｖｘ 0 ） n-1 ＝Ｖｙ 0 ＋Ａ n Ｂ｜Ｖｔ｜・Ｖｔ n-1
    で表され、
    前記算出部は、
    要求損失可変範囲のなかで最も損失が大きく、クロストークを許容値以下にでき、かつ、Rabbit Earを抑えることができる座標（Ｖｘ、Ｖｙ）のうち、最も小さな｜Ｖｘ−Ｖｘ 0 ｜を与える座標を（Ｖｘ R 、Ｖｙ R ）とすると、前記制御変数Ｖｔを変えたときに、前記Ｖｘ−Ｖｙ平面上における（Ｖｘ，Ｖｙ）の軌跡が前記（Ｖｘ R 、Ｖｙ R ）を通るように前記定数Ａおよび前記定数Ｂを設定する
    ことを特徴とする光スイッチ。
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