JP7400981B2

JP7400981B2 - 光スイッチ

Info

Publication number: JP7400981B2
Application number: JP2022538494A
Authority: JP
Inventors: 千里深井; 邦弘戸毛; 友裕川野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-07-20
Also published as: JPWO2022018783A1; WO2022018783A1

Description

本発明は、主に光ファイバネットワークにおいてシングルモード光ファイバを用いた光線路の経路を切り替えるために用いる光スイッチに関する。

光を光のまま経路切替を行う全光スイッチには、例えば非特許文献１に示すように様々な方式が提案されている。このうち、光ファイバあるいは光コネクタ同士の突合せをロボットアームやモータ等で制御する光ファイバ型機械式光スイッチは、切替速度が遅いという点では他方式に劣るものの、低損失、低波長依存性、多ポート性、電源消失時に切替状態を保持する自己保持機能の具備などの点で他方式よりも優れている点を多く有している。この代表的な構造として、例えば光ファイバＶ溝を用いたステージを並行移動させる方式や、ミラーやプリズムを並行移動または角度変化させて入射光ファイバから複数の出射光ファイバに対して選択的に結合させる方式、ロボットアームを用いて光コネクタ付きのジャンパーケーブルを接続する方式などがある。

また、切替を行う光経路として、マルチコアファイバを用いる方法が提案されており、例えば、マルチコアファイバに３次元ＭＥＭＳ光スイッチを組み合わせる（例えば、非特許文献２参照）ことにより、多経路を一括に切り替えることが可能となる。また、マルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを回転させることによって切り替えを行う（例えば、特許文献１参照）ことにより、レンズやプリズム等の光学部品を不要とし、構成の簡略化が可能となる。

特開平２－８２２１２

Ｍ．Ｃｔｅｐａｎｏｖｓｋｙ，"ＡＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＲｅｖｉｅｗｏｆＭＥＭＳ－ＢａｓｅｄＯｐｔｉｃａｌＣｒｏｓｓ－ＣｏｎｎｅｃｔｓｆｏｒＡｌｌ－ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋｓＦｒｏｍｔｈｅＰａｓｔｔｏｔｈｅＰｒｅｓｅｎｔＤａｙ，" ＩＥＥＥＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｕｒｖｅｙｓ & Ｔｕｔｏｒｉａｌｓ，ｖоｌ．２１，ｎо．３，ｐｐ．２９２８－２９４６，２０１９．ＫｅｎｊｉＨｉｒｕｍａ，ＴｏｓｈｉｋｉＳｕｇａｗａｒａ，ＫｅｎｉｃｈｉＴａｎａｋａ，ＥｔｓｕｋｏＮｏｍｏｔｏ，ａｎｄＹｏｎｇＬｅｅ， "ＰｒｏｐｏｓａｌｏｆＨｉｇｈ－ｃａｐａｃｉｔｙａｎｄＨｉｇｈ－ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＯｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈＥｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈＭｕｌｔｉ－ｃｏｒｅＦｉｂｅｒｓ"、ＯＥＣＣ／ＰＳ２０１３，ＴＨＴ１－２．

しかしながら、前述の非特許文献１に記載の従来技術においては、さらなる低電力化および小型化、経済化が困難であるという問題がある。具体的には、前述の光ファイバＶ溝ステージあるいはプリズムを並行移動させる方式では、一般に駆動源にモータが用いられるが、ステージ等の重量物を直動させる機構のため、一定以上のトルクがモータに必要となり、必要トルクを維持するために相応の出力を得るための消費電力を要する。また、シングルモード光ファイバを用いた光軸調心には、1μｍ以下程度の精度が必要であることから、モータの回転運動を直動運動に変換させる機構（一般にはボールねじが用いられる）において、サブμｍステップの直動運動に変換させる必要がある。通常用いられる出力側の光ファイバアレイの光ファイバピッチが光ファイバのクラッド外径１２５μｍあるいは光ファイバの被覆外径２５０μｍ程度である。この光ファイバピッチを維持したまま設置する光ファイバの本数を多くすると、出力側の光ファイバアレイが大きくなる。その結果、直動運動の距離が延び、モータの実駆動時間は長くせざるを得ず、消費電力が増大するという課題があった。このため、一般にこのような光ファイバ型機械式光スイッチは数百ｍＷ以上の電力を要する。また、光コネクタを用いたロボットアーム方式は、光コネクタあるいはフェルールを挿抜制御するロボットアームそのものに数十Ｗ以上の大きな電力を要してしまうという課題があった。

また、非特許文献２に記載のマルチコアファイバを用いた光経路切替では、光スイッチを製作する過程において、出力側の光ファイバアレイに結合させるためのコリメート機構や、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を得るための除振機構が別途必要となり、組立工程も複雑になるという課題があった。

さらに、特許文献１に記載のマルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを用いた光経路切替では、フェルールをスリーブに密着挿入することにより、フェルールの中心軸を合わせており、フェルールとスリーブ間の摩擦力により、回転の駆動に大きなエネルギーが必要であり大きな電力を要してしまうという課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の光スイッチは、入力側マルチコア光ファイバ又は出力側マルチコア光ファイバの一方のみを容易に軸回転させる機構と、回転に伴う損失をなくすための間隙及びクリアランスと、を設ける。

具体的には、本開示に係る光スイッチは、ファイバ断面において中心から同一円周上に複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、前記マルチコア光ファイバの複数のコアが配置された円周と同一円周上にコアが配置された光ファイバと、前記２つの光ファイバをそれぞれ内蔵した２つのフェルールと、前記２つのフェルールが中空に挿入された円筒のスリーブと、から成る光結合部のどちらか一方の光ファイバが軸方向に回転する回転機構によって光経路を切り替える光スイッチであって、前記２つのフェルールの外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間が設けられている。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記所定の隙間は、０．７μｍ以下であってもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記２つのフェルールにおいて、前記スリーブに挿入される部分の長さの和が、前記スリーブの全長よりも短く、前記光結合部において、前記２つの光ファイバの端面間に間隙が設けられている。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記間隙は、２０μｍ以下であってもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記光結合部を構成する２つの光ファイバにおいて、いずれもマルチコア光ファイバであってもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記マルチコア光ファイバの、光結合部と反対側の端が、単数コアを有する光ファイバに接続するファンイン又はファンアウト用光デバイスに接続している。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記光結合部の軸回転を行う一方にベアリングを具備する。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記回転機構を一定の角度ステップで回転させ任意の角度ステップで静止するアクチュエータを具備する。

本発明は、入力側マルチコア光ファイバ又は出力側マルチコア光ファイバの一方のみを容易に軸回転させる機構と、回転に伴う損失をなくすための間隙及びクリアランスと、を設けることにより、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくでき、低消費電力化が可能である。また、出力側フェルールの軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部においてスリーブにより制限されているために、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる。さらに、光結合部にはコリメートや特別な除振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった光コネクタ製品に広く用いられている一般的な材料によって、組立作業性に優れた経済的かつ小型である光スイッチが実現できる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

本発明の実施形態の一例を示す図である。本発明の実施形態を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係るマルチコア光ファイバの構造を表した模式図である。本発明の実施形態に係る光結合部の詳細を示す模式図である。フェルール外径とスリーブ内径のクリアランスに対する過剰損失の関係の一例を示す図である。光ファイバの間隙に対する過剰損失の関係の一例を示す図である。本発明の実施形態１に係る光結合部の篏合形態を表す模式図である。コア配置半径に対する最大の静止角度精度の関係の一例を示す図である。本発明の実施形態２に係る光結合部の篏合形態を表す模式図である。本発明の実施形態２に係る光結合部の出力側の断面を表した模式図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態に係る光スイッチの使用形態の一例を図１に示す。本実施形態は、光がＳ０１から入力され、Ｓ０４へ出力する形態を説明する。光スイッチであるから、光の方向は逆でもよい。本発明は、前段光スイッチＳ００に接続された入力側光ファイバＳ０１を、前段光スイッチＳ００において光スイッチ間光ファイバＳ０２の特定のポートに切り替えて、光スイッチ間光ファイバＳ０２のポートを、後段光スイッチＳ０３において所望の出力側光ファイバＳ０４に切り替えることを可能とする。本発明は、前段光スイッチＳ００及び後段光スイッチＳ０３に該当する光スイッチである。以下、前段光スイッチＳ００を光スイッチＳ００と、後段光スイッチＳ０３を光スイッチＳ０３と略記する。

本実施形態に係る光スイッチ（Ｓ００、Ｓ０３）は、ファイバ断面において中心から同一円周上に複数のコアを有するマルチコア光ファイバ（Ｓ４）と、マルチコア光ファイバ（Ｓ４）の複数のコアが配置された円周と同一円周上にコアが配置された光ファイバ（Ｓ６）と、２つの光ファイバ（Ｓ４、Ｓ６）をそれぞれ内蔵した２つのフェルール（Ｓ１６、Ｓ１７）と、２つのフェルール（Ｓ１６、１７）が中空に挿入された円筒のスリーブ（Ｓ１８）と、から成る光結合部（Ｓ１３）のどちらか一方の光ファイバが軸方向に回転する回転機構（Ｓ７）によって光経路を切り替える光スイッチ（Ｓ００、Ｓ０３）であって、２つのフェルールの外径（Ｓ１９）及びスリーブの内径（Ｓ２０）の間に所定の隙間（Ｓ３０）が設けられている。

また、光スイッチ（Ｓ００、Ｓ０３）は、回転機構（Ｓ７）を一定の角度ステップで回転させ任意の角度ステップで静止するアクチュエータ（Ｓ８）を具備する。以下、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３について説明する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の構成と動作の概要について図２で説明する。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３のブロック構成図を図２に示す。図２（ａ）は、光スイッチＳ０３の具体的な内容に該当する。図２（ｂ）は、光スイッチＳ００の具体的な内容に該当する。

図２（ａ）及び（ｂ）に示す光スイッチＳ００及びＳ０３は、複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバＳ４（以下、「複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバＳ４」を「入力側マルチコア光ファイバＳ４」と称する。）およびＳ６（以下、「複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバＳ６」を「出力側マルチコア光ファイバＳ６」と称する。）と、入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６の端部並びにスリーブＳ１８で構成される光結合部Ｓ１３と、ファンインＳ２及びファンアウトＳ９と、を備える。また、光スイッチＳ００及びＳ０３は、出力側マルチコア光ファイバＳ６のみを回転させるために、回転止め機構Ｓ３と、自由回転機構Ｓ７と、アクチュエータＳ８と、制御回路Ｓ１１と、余長部Ｓ１２を備える。回転止め機構Ｓ３及び自由回転機構Ｓ７は、光結合部Ｓ１３に含まれてもよい。

図２（ａ）及び（ｂ）の入力側マルチコア光ファイバＳ４は、軸回転しないように回転止め機構Ｓ３により固定される。出力側マルチコア光ファイバＳ６は、自由回転機構Ｓ７が取り付けられ、軸方向に回転することができる。任意の角度回転を行うアクチュエータＳ８は、制御回路Ｓ１１からの信号により出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる。また、出力側マルチコア光ファイバＳ６には、出力側マルチコア光ファイバＳ６のねじれを許容するための一定の余長部Ｓ１２が設けられている。また、光結合部Ｓ１３には、間隙Ｓ５が設けられており、出力側マルチコア光ファイバＳ６が回転しても、入力側マルチコア光ファイバＳ４と干渉しない構成になっている。

光スイッチＳ００及びＳ０３は、マルチコア光ファイバ（Ｓ４、Ｓ６）の、光結合部Ｓ１３と反対側の端が、単数コアを有する光ファイバ（Ｓ１、Ｓ１０）に接続するファンイン又はファンアウト用光デバイス（Ｓ２、Ｓ９）に接続している。光スイッチＳ０３は、図２（ａ）に示すように、ファンインＳ２に複数の入力側シングルコア光ファイバＳ１が接続されおり、ファンアウトＳ９に単数の出力側シングルコア光ファイバＳ１０が接続されている。また、複数の入力側シングルコア光ファイバＳ１は、それぞれ図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２と接続しており、単数の出力側シングルコア光ファイバＳ１０は、図１の出力側光ファイバＳ０４と接続している。光スイッチＳ０３は、任意の入力側シングルコア光ファイバＳ１からファンインＳ２を介して光を入力する。光スイッチＳ０３は、光結合部Ｓ１３において、入力側マルチコア光ファイバＳ４を固定し、出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる。出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させることで、入力された光の中から出力側シングルコア光ファイバＳ１０へ出力する光を選択する。光スイッチＳ０３は、選択された光をファンアウトＳ９を介して出力側シングルコア光ファイバＳ１０から出力する。

一方、光スイッチＳ００は、図２（ｂ）に示すように、ファンインＳ２に単数の入力側シングルコア光ファイバＳ１が接続されおり、ファンアウトＳ９に複数の出力側シングルコア光ファイバＳ１０が接続される。また、入力側シングルコア光ファイバＳ１は、図１の入力側光ファイバＳ０１と接続しており、複数の出力側シングルコア光ファイバＳ１０は、それぞれ図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２と接続している。光スイッチＳ００は、入力側シングルコア光ファイバＳ１からファンインＳ２を介して光を入力する。光スイッチＳ００は、光結合部Ｓ１３において、入力側マルチコア光ファイバＳ４を固定し、出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる。出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させることで、入力された光を出力する出力側シングルコア光ファイバＳ１０を選択する。光スイッチＳ００は、入力された光を、ファンアウトＳ９を介して、選択された出力側シングルコア光ファイバＳ１０から出力する。

光スイッチＳ００のような光スイッチは、入力を単数とする１ｘＮのリレー型光スイッチとして使用できるものである。光スイッチＳ０３の出力側シングルコア光ファイバＳ１０と光スイッチＳ００の入力側シングルコア光ファイバＳ１とを接続するように光スイッチを複数組み合わせることにより、Ｎ×Ｎの光スイッチを構成することも可能である。ここで、入力側マルチコア光ファイバＳ４を固定して、出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させることとしたが、入出力のいずれかを固定し、対向する側を回転させることによってファイバの切り替えを可能とする形態であればよいため、出力側マルチコア光ファイバＳ６を固定し、入力側マルチコア光ファイバＳ４を回転させてもよい。以下では、入力側マルチコア光ファイバＳ４を固定し、出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる光スイッチＳ００及びＳ０３について説明する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３について、図３から図８を用いて具体的に説明する。入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６の構造を図３に示す。図３（ａ）は、８つのコアから成るマルチコア光ファイバを、図３（ｂ）は、バンドル光ファイバを表す。入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６は、図３（ａ）又は（ｂ）のいずれの形態でもよい。例えば、光結合部Ｓ１３を構成する２つの光ファイバ（Ｓ４、Ｓ６）において、いずれもマルチコア光ファイバであってもよい。入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６は、図３に示すように、複数のコアのそれぞれの中心が光ファイバの中心に対してコア配置半径Ｓ１４の円の円周上に配置されていることを特徴とする。図３では合計８つのコアから成るマルチコア光ファイバあるいはバンドル光ファイバを例に挙げているが、各コアの中心がコア配置半径Ｓ１４を有する円の円周上に配置されていればよく、光ファイバのコア数及び配置は、これに限られない。

また、入力側マルチコア光ファイバＳ４と出力側マルチコア光ファイバＳ６のコア数も同数としているが、同じコア配置半径である条件下において、例えば、入力側マルチコア光ファイバＳ４のコア数を４、出力側マルチコア光ファイバＳ６のコア数が８というように、同数である必要は無い。ただし、光結合部Ｓ１３の透過損失をできるだけ小さくすることが重要であり、入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６の各コアは同程度のモードフィールド径を有する点で同じ光学特性である方が望ましい。また、光ファイバクラッド径Ｓ１５は、広く通信用で用いられている１２５μｍあるいは、多くのコア数を実現するために拡大されたクラッド径、例えば１９０μｍであっても良い。

本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１３の詳細を図４に示す。光結合部Ｓ１３は、前記入力側のマルチコア光ファイバＳ４の端部を内蔵する入力側フェルールＳ１６及び出力側マルチコア光ファイバＳ６の端部を内蔵する出力側フェルールＳ１７を有する。

光結合部Ｓ１３は、入力側フェルールＳ１６及び出力側フェルールＳ１７並びにスリーブＳ１８を用いて、入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６の軸ずれを防止する。スリーブＳ１８は、入力側フェルールＳ１６および出力側フェルールＳ１７の軸ずれを一定許容範囲に制御し、出力側フェルールＳ１７の軸回転を妨げないようにするために、入力側フェルールＳ１６および出力側フェルールＳ１７の外径Ｓ１９に対して内径Ｓ２０をサブμｍ程度一回り大きくして、サブμｍ程度の僅かなクリアランスＳ３０（所定の隙間）を設けている。ここで、サブμｍ程度とは、０．１～１μｍを指す。

フェルール外径Ｓ１９とスリーブ内径Ｓ２０とのクリアランスＳ３０に対する過剰損失ＴＣの関係の一例を図５に示す。光ファイバ間の光結合において、ファイバコアの位置ずれは過剰損失の要因となる。過剰損失の増大は光経路の全長を制限する要因となるため、ファイバコアの位置ずれを小さくすることが必要となる。ここで、フェルール外径Ｓ１９とスリーブ内径Ｓ２０のクリアランスＳ３０はファイバコアの位置ずれに相当するため、フェルール外径Ｓ１９とスリーブ内径Ｓ２０のクリアランスＳ３０の大きさＣ(単位：μｍ)と過剰損失ＴＣ(単位：ｄＢ)の関係は数１に表すことができる。

Ｗ１及びＷ２はそれぞれ入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６のコアのモードフィールド径である。図５は入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６のコアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、クリアランスＳ３０が０．７μｍ以下となるように、フェルール外径Ｓ１９及びスリーブ内径Ｓ２０を加工した場合、最大過剰損失を約０．１ｄＢ以下に抑えることができる。また、最大過剰損失を０．２ｄＢに設定するとクリアランスＳ３０が１μｍ以下になるようにフェルール外径Ｓ１９とスリーブ内径Ｓ２０を加工する必要がある。

光結合部Ｓ１３の入力側フェルールＳ１６および出力側フェルールＳ１７の端面は、研磨されており、図４に示すように、空気層とのフレネル反射を低減するための反射防止膜Ｓ２１がコーティングされている。フレネル反射を低減する別の方法として、フェルール端面がフラットでなく、一定角度をつけて研磨する斜め研磨も代替として用いることができる。ただし、この場合、出力側フェルールＳ１７が回転した際に、出力側フェルールＳ１７の端面が入力側フェルールＳ１６の端面に接触しないように、後述する間隙Ｓ５、研磨角度及びフェルール先端形状を工夫する必要がある。

光結合部Ｓ１３は、２つのフェルール（Ｓ１６、Ｓ１７）において、スリーブＳ１８に挿入される部分の長さの和が、スリーブＳ１８の全長よりも短く、光結合部Ｓ１３において、２つの光ファイバ（Ｓ４、Ｓ６）端面間に間隙Ｓ５が設けられている。間隙Ｓ５の最小値は、図４に示すように、スリーブ軸方向の長さＳ２４と、入力側フェルールＳ１６に取り付けられた入力側フランジＳ２２と、出力側フェルールＳ１７に取り付けられた出力側フランジＳ２３と、により確保されることを特徴とする。具体的には、スリーブＳ１８の長さは、入力側フェルールＳ１６が入力側フランジＳ２２から突き出す長さと、出力側フェルールＳ１７が出力側フランジＳ２３から突き出す長さとの合計よりも長く設定されており、これにより間隙Ｓ５を確保できる構造となっている。

光ファイバの間隙Ｓ５の大きさＧに対する過剰損失ＴＧの関係の一例を図６に示す。光ファイバ間の光結合において、ファイバ端面間に間隙Ｓ５が存在すると、入力側マルチコア光ファイバＳ４の出射光の分布が広がり、出力側マルチコア光ファイバＳ６のコアとの結合効率が減少するため、過剰損失の要因となる。前記間隙Ｓ５の大きさＧ(単位：μｍ)と過剰損失ＴＧ(単位：ｄＢ)の関係は数２に表すことができる。

Ｗ１及びＷ２はそれぞれ入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６のコアのモードフィールド径である。図６は入力側マルチコア光ファイバＳ４及び出力側マルチコア光ファイバＳ６のコアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、入力側マルチコア光ファイバＳ４と出力側マルチコア光ファイバＳ６の端面の間隙Ｓ５が２０μｍ以下となるように入力側フェルールＳ１６と出力側フェルールＳ１７を配置することによって、過剰損失を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。

なお、フェルールおよびスリーブはジルコニアが用いられるが、高い寸法精度で作製することが可能であれば、これ以外の材質を用いることも可能である。通常のフィジカルコンタクト接続を行う光ファイバコネクタでは、スリーブは、フェルール外径よりも小さな内径を有している。このスリーブは、軸方向にスリットを設けた割りスリーブが用いられ、前記割りスリーブの径方向弾性力を用いて軸回転の固定を行う構造とすることが一般的であるが、この点において本発明と異なる。

本実施形態に係る光結合部Ｓ１３を図７で例示する。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１３の軸回転を行う一方にベアリングＳ２６を具備する。入力側フェルールＳ１６は切り欠き付きの入力側フランジＳ２２に取り付けられる。入力側フランジ２２は、固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられ、入力側フェルールＳ１６の軸方向および軸回転を固定してもよい。この際、入力側フランジＳ２２、固定ネジＳ２５及び固定治具Ｓ２７が前述した回転止め機構Ｓ３となる。出力側フェルールＳ１７は出力側フランジＳ２３に取り付けられる。出力側フランジＳ２３は、外側にベアリングＳ２６が設けられている。ベアリングＳ２６は、固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられる。この際、出力側フランジＳ２３、固定ネジＳ２５及びベアリングＳ２６が前述した自由回転機構Ｓ７となる。固定治具Ｓ２７内にスリーブＳ１８が内蔵されており、入力側フェルールＳ１６及び出力側フェルールＳ１７がスリーブＳ１８に挿入されることによって軸合わせが行われる。

次に、アクチュエータＳ８と、入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６と、に係る要件について説明する。アクチュエータＳ８には、制御回路Ｓ１１からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっており、例えば、ステッピングモータが用いられる。なお、アクチュエータＳ８は、制御回路Ｓ１１からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっていれば、これ以外の方法を用いてもよい。回転速度や回転角度は制御回路Ｓ１１からのパルス信号の周期とパルス数で決定され、角度ステップや静止トルクは減速ギヤを介して調整されたものでもよい。なお、前述のとおり、光結合部Ｓ１３における出力側フェルールＳ１７は自由に軸回転するように設計されているため、出力側フェルールＳ１７の回転角度の保持に必要な静止トルクはアクチュエータＳ８によって付与されるものであるという特徴を有する。

ここで、ステッピングモータにおいて、電源供給停止時の角度位置を示す角度ステップ数を静止角度ステップ数と定義する。ステッピングモータは、電源供給停止時に、出力側マルチコア光ファイバＳ６を静止角度位置になるまで回転させてからその回転を終了させるために、静止角度ステップ数を出力側マルチコア光ファイバＳ６のコア数と同等とすることを特徴とする。

また、光結合部Ｓ１３における回転角度ずれによる過剰損失をＴＲ（単位：ｄＢ）、ステッピングモータの静止角度精度をθ（単位：度）、入力側マルチコア光ファイバＳ４および出力側マルチコア光ファイバＳ６のコア配置半径Ｓ１４の大きさをＲ(単位：μｍ)とした場合、これらの関係は数３に表すことができる。

過剰損失Ｔを例えば０．１ｄＢあるいは０．２ｄＢとすれば、最大の前記静止角度精度θは、コア配置半径Ｓ１４の大きさＲに対して図８のように与えられる。図８より、コア配置半径Ｓ１４が大きいほど厳しい静止角度精度が求められ、例えば過剰損失０．１ｄＢとすれば、コア配置半径Ｓ１４が５０μｍで約０．８度以下の静止角度精度が必要となる。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の動作の一例について図２及び図７を用いて説明する。アクチュエータＳ８は、図２に示すように、制御回路Ｓ１１からの信号により出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる。図７に示すように、出力側フランジＳ２３に取り付けられたベアリングＳ２６により、出力側フランジＳ２３、出力側フェルールＳ１７及びマルチコア光ファイバＳ６が回転する。マルチコア光ファイバＳ６が回転することによって、マルチコア光ファイバＳ４とＳ６の対向するコアが切り替わる。

本発明は、入力側マルチコア光ファイバＳ４又は出力側マルチコア光ファイバＳ６の一方のみを容易に軸回転させる機構と、回転に伴う損失をなくすための間隙Ｓ５及びクリアランスＳ３０と、を設けることにより、アクチュエータＳ８で必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくでき、低消費電力化が可能である。また、出力側フェルールＳ１７の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部Ｓ１３においてスリーブＳ１８により制限されているために、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる。さらに、光結合部Ｓ１３にはコリメートや特別な除振機構を具備しておらず、フェルールやスリーブといった光コネクタ製品に広く用いられている一般的な材料によって、組立作業性に優れた経済的かつ小型である光スイッチＳ００及びＳ０３が実現できる。

従って、本発明によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

（実施形態２）
以下、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の構成と動作について図２、図９及び図１０を用いて具体的に示す。本実施形態の光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１３の出力側マルチコア光ファイバＳ６の回転機構のみが実施形態１の光スイッチＳ００及びＳ０３と異なる。以下、出力側マルチコア光ファイバＳ６の回転機構について説明する。なお、以下に説明する内容以外は、実施形態１と同様とする。

本実施形態に係る光結合部Ｓ１３の篏合形態を図９に表す。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１３の軸回転を行う一方にベアリングＳ２８を具備する。実施形態１と同様に、入力側フェルールＳ１６は切り欠き付きの入力側フランジＳ２２に取り付けられ、入力側フランジ２２は固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられている。出力側フェルールＳ１７は入力側フェルールＳ１６よりも外径を小さくする。本実施形態に係る光結合部Ｓ１３は、スリーブＳ１８の内径と出力側フェルールＳ１７の外径との間にベアリングＳ２８を設ける。出力側フェルールＳ１７は、出力側フランジＳ２３に取り付けられる。出力側フランジＳ２３は、フランジ回転治具Ｓ２９が取り付けられる。フランジ回転治具Ｓ２９は、固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられている。この際、出力側フランジＳ２３、固定ネジＳ２５、ベアリングＳ２８及びフランジ回転治具Ｓ２９が自由回転機構Ｓ７となる。実施形態１と同様に、光結合部Ｓ１３は、入力側フランジＳ２２及び出力側フランジＳ２３により、スリーブＳ１８内部で入力側フェルールＳ１６と出力側フェルールＳ１７の間隙Ｓ５を確保する構造となっている。

本実施形態に係る光結合部Ｓ１３の出力側の断面を図１０に表す。出力側マルチコア光ファイバＳ６を内蔵した出力側フェルールＳ１７の周囲にベアリングＳ２８が取り付けられ、出力側フェルールＳ１７がスリーブＳ１８内で自由に回転できる構造となっている。

なお、ベアリングＳ２８には、例えばジルコニアが用いられるが、高い寸法精度で作製することが可能であれば、これ以外の材質を用いることも可能である。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の動作の一例について図２及び図９を用いて説明する。アクチュエータＳ８は、図２に示すように、制御回路Ｓ１１からの信号により出力側マルチコア光ファイバＳ６を回転させる。図９に示すように、ベアリングＳ２８及びフランジ回転治具Ｓ２９により、出力側フランジＳ２３、出力側フェルールＳ１７及びマルチコア光ファイバＳ６が回転する。マルチコア光ファイバＳ６が回転することによって、マルチコア光ファイバＳ４とＳ６の対向するコアが切り替わる。

以上説明したように、本発明によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

本開示に係る光スイッチは、光経路を切り替える際の駆動エネルギーを限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力な光スイッチを提供することが可能である。また、一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的であり、さらに、温度や振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現した光スイッチを提供することが可能である。その結果、光ファイバネットワークのシングルモード光ファイバを用いた光線路において、場所を問わず、あらゆる設備において、経路を切り替える光スイッチに利用することが可能である。

Ｓ００：前段光スイッチ
Ｓ０１：入力側光ファイバ
Ｓ０２：光スイッチ間光ファイバ
Ｓ０３：後段光スイッチ
Ｓ０４：出力側光ファイバ
Ｓ１：入力側シングルコア光ファイバ
Ｓ２：ファンイン
Ｓ３：回転止め機構
Ｓ４：複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバ
Ｓ５：間隙
Ｓ６：複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバ
Ｓ７：自由回転機構
Ｓ８：アクチュエータ
Ｓ９：ファンアウト
Ｓ１０：出力側シングルコア光ファイバ
Ｓ１１：制御回路
Ｓ１２：余長部
Ｓ１３：光結合部
Ｓ１４：コア配置半径
Ｓ１５：光ファイバクラッド径
Ｓ１６：入力側フェルール
Ｓ１７：出力側フェルール
Ｓ１８：スリーブ
Ｓ１９：フェルール外径
Ｓ２０：スリーブ内径
Ｓ２１：反射防止膜
Ｓ２２：入力側フランジ
Ｓ２３：出力側フランジ
Ｓ２４：スリーブ軸方向の長さ
Ｓ２５：固定ネジ
Ｓ２６：ベアリング
Ｓ２７：固定治具
Ｓ２８：ベアリング
Ｓ２９：フランジ回転治具
Ｓ３０：クリアランス
Ｓ３１：コア
Ｓ３２：クラッド

Claims

ファイバ断面において中心から同一円周上に複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
前記マルチコア光ファイバの複数のコアが配置された円周と同一円周上にコアが配置された光ファイバと、
前記２つの光ファイバをそれぞれ内蔵した２つのフェルールと、
前記２つのフェルールが中空に挿入された円筒のスリーブと、
から成る光結合部のどちらか一方の光ファイバが軸方向に回転する回転機構によって光経路を切り替える光スイッチであって、
前記２つのフェルールの外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間が設けられ、
前記２つのフェルールにおいて、前記スリーブに挿入される部分の長さの和が、前記スリーブの全長よりも短く、
前記光結合部において、前記２つの光ファイバの端面間に間隙が設けられている
ことを特徴とする光スイッチ。
前記所定の隙間は、０．７μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記間隙は、２０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
前記光結合部を構成する前記２つの光ファイバにおいて、いずれもマルチコア光ファイバである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光スイッチ。
前記マルチコア光ファイバの、前記光結合部と反対側の端が、単数コアを有する光ファイバに接続するファンイン又はファンアウト用光デバイスに接続している
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光スイッチ。
前記光結合部の軸回転を行う一方にベアリングを具備する
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光スイッチ。
前記回転機構を一定の角度ステップで回転させ任意の角度ステップで静止するアクチュエータを具備する
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光スイッチ。