JPH05113543A - マトリクス光スイツチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 挿入損失が少なく、スイッチ規模が大き
く、且つ小型、高速で、消費電力を少なくできるように
したマトリクス光スイッチを提供すること。 【構成】 複数の入力光路と複数の出力光路の交差す
る差点の各々に可動反射装置７を設け、所定の差点の可
動反射装置７を移動させることによって該差点を通る入
力光路と出力光路を接続するマトリクス光スイッチにお
いて、各々の可動反射装置７を共通のスイッチ基板１上
に形成し、その可動反射装置７の移動駆動を上記スイッ
イチ基板１に一体形成されたアクチュエータ及び電子装
置によって制御・駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光通信網や光交
換システム等において、複数の光信号端子間の回線切替
を行うマトリクス光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光伝送システムを通信網に導入し、その
特徴を生かすには、回線切替えを光電／電光変換でなく
光スイッチで行うことが望ましい。例えば、発呼量に応
じて多重回線群の網構成を変化させるためには、１００
×１００端子規模の光スイッチ網が要求される。また、
将来有望視されている画像情報サービスの構成手段とし
て、広帯域特性を有する光交換方式が有効であるが、通
話路スイッチを始め、装置間の光インターコネクション
のダイナミック化や集線スイッチ等、大容量で、且つ低
損失、低クロストークの光スイッチが必要である。

【０００３】光スイッチとしては、電気光学効果を用い
たスイッチと、プリズム或いはファイバを機械的に移動
させるメカニカルスイッチが提案されている。前者は現
在のところ、ＬｉＮｂ₂ Ｏ₃ や石英からなる光導波路の
屈折率を電気的に制御して光路を切り替える２入力、２
出力スイッチ（２×２スイッチ）の開発が最も進んでい
る。しかし、これらのスイッチを同一基板上にマトリク
ス形成したマトリクス光スイッチでは、スイッチ規模が
高々８入力、８出力（８×８スイッチ）程度としても、
挿入損失は２０ｄＢ以上となり、先に述べたような分野
への適用は困難である。一方、後者については、光ファ
イバの移動、ミラー或いはプリズムの移動・回転を原理
として、１×２スイッチ或や２×２スイッチが開発され
ている。そこで、これらのスイッチを用いて更に大規模
スイッチを構成しようとすると、縦接続枚数が増して挿
入損失が増大すると共に、単位スイッチの寸法が大きい
ため装置寸法が膨大になるという問題がある。このよう
なことから、光スイッチ網を効率よく構成するために
は、低損失で且つ大規模なマトリクス光スイッチが必要
である。

【０００４】従来から、マトリクス形のメカニカル光ス
イッチについてはいくつかの提案がある。図７は電子通
信学会論文誌 Ｊ６４−Ｃ巻、１２号、８１９ページに
記載されている１０×１０の空間光ビーム／ミラー挿入
光路切替え形のマトリスク光スイッチの概略構成図であ
る。

【０００５】光学定盤６１上に位置合わせされた入力光
ファイバ６２から出た光は、レンズ６３でコリメートさ
れた光ビーム６４となり、入力光路６５に導入される。
出力光路６６との差点（交差点）の所定の位置に反射装
置（例えば、ミラー、プリズム等）６７を挿入すること
により、光ビームはそこで反射されて出力光路６６に導
かれ、レンズ６８を通して出力光ファイバ６９に集光さ
れる。

【０００６】この従来例では、入力端と出力端との間で
は光は一度反射されるだけで、任意の端子間の接続が可
能であり、挿入損失やクロストークがスイッチ規模に依
存しないという優れた性質がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術の範囲では、反射装置６７は個別に精密加工した
プリズムであり、プリズムの出し入れ機構は、マトリク
ス面とは別の筐体７０に固定されたソレノイドの上下移
動によって制御されている。従って、マトリクスの寸法
はソレノイドの寸法或いはプリズムの寸法で制限される
ことになる。

【０００８】スイッチを小型にするためには、これらの
光学部品、機構部品が小さいことが望ましいが、小さく
なるほど加工精度や位置決め制御が難しくなるため限界
がある。具体的には、一差点の占める実効面積として１
０ｍｍ角、上下機構を含むソレノイドの高さとして１０
ｍｍ程度は必要である。例えば、大規模なマトリクスス
イッチとして１００×１００のスイッチを実現しようと
すると、一辺は２ｍにもなり、スイッチ部品として装置
内で自由に使える規模を逸脱した非現実的な値となる。
また、プリズムやアクチュエータアームの軽量化にも制
約があるので、スイッチの応答速度の高速化、低消費電
力化も困難となっている。

【０００９】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、挿入損失が少なく、スイッチ規模が大
きく、且つ小型、高速で、消費電力を少なくできるよう
にしたマトリクス光スイッチを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このために本発明は、複
数の入力光路と複数の出力光路とが互いに交差し、該複
数の入力光路と該複数の出力光路との差点の各々に可動
反射装置を設け、所定の差点の可動反射装置を入力光路
中に移動挿入することにより、該差点を通る入力光路を
該差点を通る出力光路に接続するマトリクス光スイッチ
において、前記可動反射装置の各々が同一基板上に形成
され、且つ前記可動反射装置の移動が前記基板上に一体
で形成されたアクチュエータ及び電子装置によって制御
・駆動されるように構成した。

【００１１】

【作用】本発明によれば、可動反射装置と該可動反射装
置を駆動するアクチュエータが同一基板上に一体形成さ
れている。このような構成は、近年開発されたマクロマ
シーニング技術を用いることにより実現できるものであ
る。このマイクロマシーニング技術を用いたマイクロア
クチュエータは、１９８７年にピンジョイントや回転タ
ービンとして始めて発表され、現在おもに微小なメカニ
カルセンサとして研究が進められている。このようなマ
イクロマシーニング技術をメカニカルマトリクス光スイ
ッチに応用すると、個別部品をアセンブリした従来のメ
カニカルマトリクス光スイッチ技術の制約を除去でき
る。よって、性能を飛躍的に向上でき、大規模なマトリ
クス光スイッチを形成でき、反射装置の微小化・軽量化
に伴って移動距離・時間が短縮され、高速化・低消費電
力化が可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１はその一実施例のマトリクス光スイッチの構成図であ
る。スイッチ基板１には入力光ガイド溝２と出力光ガイ
ド溝３が形成され、それぞれの光ガイド溝２、３では入
力光ファイバ４₁ 〜４₃ 、出力光ファイバ５₁ 〜５₃ が
それぞれレンズ６に光学的に接続された状態で装着され
ている。入力光ガイド溝２と出力光ガイド溝３の各差点
には、可動反射装置とその可動反射装置を移動させるア
クチュエータが形成されている。ここでは、可動反射装
置として可動ミラー７が、またアクチュエータとしてそ
の可動ミラー７をスイッチ基板１の表面に平行に移動さ
せるリニアアクチュエータ８及びセル回路９が形成され
ている。可動ミラー７のミラー面は、入力光ガイド溝２
を通って入射した光ビームを出力光ガイド溝３の方向に
反射させる角度に設定されている。

【００１３】この構成では、光ビームを直進させると
き、可動ミラー７は入出力ガイド溝２、３から外れた位
置の収納溝１０に格納されているが、所定の差点を示す
アドレス信号１１がインターフェース回路１２を通して
与えられると、当該差点のリニアアクチュエータ８が駆
動され、可動ミラー７が出力光ガイド溝２、３の差点の
中に移動挿入される。その結果、入射光ビームはその差
点で反射し、光路が偏向される。図１では、入力光ファ
イバ４₁ から出た光ビームＡが、差点ａで反射して出力
光ファイバ５₂ に接続され、入力光ファイバ４₂ から出
た光ビームは差点ｂで反射し、出力光ファイバ５₃ に接
続される様子を示す。

【００１４】マトリクス状に配置された各差点の選択に
は、通常のアドレスデコーダを用いた。図２に各差点の
セル回路９の等価回路を示す。本実施例では、アドレス
信号はＸアドレスデコーダ１４₁ とＹアドレスデコーダ
１４₂ とに分配され、Ｘアドレス線１５₁ とＹアドレス
線１５₂ の内それぞれ１本を活性化し、セル回路９内の
選択回路１６によって所定の差点を選択し、駆動回路１
７によってアクチュエータ８を駆動すると構成とした。
なお、駆動回路１７はセル回路９ではなく、Ｙアドレス
デコーダ１４₂ 内に配置することもできる。

【００１５】図１のスイッチ基板１は、シリコンウエハ
上にＬＳＩ技術と最近開発されたマイクロマシーニング
技術を用いて形成した。可動ミラー７やリニアアクチュ
エータ８の形成に必要な深い溝加工や垂直鏡面加工、或
いは自由運動が可能な構造の形成には、シリコンの結晶
異方性エッチング、犠牲層エッチング、集束イオンビー
ムエッチングを用いて実現することができた。また、選
択回路１６及びアクチュエータ駆動回路１７等の電子回
路はＬＳＩ技術を用いて同一シリコン基板上に一体形成
した。なお、図１では、アドレスデコーダ回路１４₁、
１４₂ とインターフェース回路１２もスイッチ基板１上
に一体形成されているが、これら周辺回路は必ずしも一
体形成する必要はない。

【００１６】図３〜図５は各差点におけるリニアアクチ
ュエータによる可動ミラーの移動機構の例を示す図であ
る。まず図３はシリコン基板上に形成された静電誘導形
リニアアクチュエータの例であって、ミラー２１（可動
ミラー７に相当）に装着されてそこに載った可動電極２
２を、絶縁膜と空隙を介して３相駆動電極２３₁ 〜２３
₃ で挟んだ構造である。１つの駆動電極２３₁ に正のパ
ルス電圧を印加すると、可動電極２２の対応する位置の
表面に負電荷２４が誘起される。次に先のパルス電圧の
極性を反転させ隣接電極２３₂ に正のパルス電圧を印加
すると、電荷２４と隣接電極２３₂ 間に引力が、また電
荷２４と元の電極間２３₁ 間に斥力が働き、可動電極が
移動する。このように、３相駆動電極２３₁ 〜２３₃ に
順次位相のずれたパルス電圧を印加することにより、ミ
ラー２１をリニアに移動させることができた。

【００１７】図４は、電磁誘導形リニアアクチュエータ
の例を示す図であって、側面をミラー３１（可動ミラー
７に相当）とした永久磁石スライダー３２を細いガイド
溝（図示せず）に嵌め込み、そのガイド溝の両端に電磁
石３３、３４を固定した構造である。電磁石３３、３４
の薄膜コイル３５の電流の向きを制御してＳ／Ｎの向き
を切替えることによって、永久磁石スライダー３２との
間のＳ／Ｎの引力、斥力により、永久磁石スライダー３
２、つまりミラー３１を移動させることができた。

【００１８】図５は、圧電薄膜上に形成した超音波駆動
リニアアクチュエータの例を示す図であって、裏面に櫛
形電極４１を有するＺｎＯ等の圧電薄膜４２の表面にス
ライドミラー４３（可動ミラー７に相当）をガイド溝
（図示せず）を挟んで設置したものである。櫛形電極４
１に位相のずれた高周波電圧を印加すると、圧電薄膜４
２の表面に超音波の定在波が発生し、その進行によって
スライドミラー４３を移動させることができた。

【００１９】以上の３例の外にも、本発明が適用できる
リニアアクチュエータの駆動原理として、形状記憶合金
薄膜からなるカンチレバーに微少ミラーを設置し、該カ
ンチレバーに電流を流し温度を変化させることによって
ミラーを移動させる方法や、薄膜圧電バイモルフを用い
たカンチレバーに微少ミラーを設置し、そのカンチレバ
ーに電圧を印加して変位を生じさせミラーを移動させる
方法、圧電バイモルフの代わりに磁歪薄膜と磁界を用い
る方法、或いは光歪を示す光学結晶と光照射を用いる方
法等を使用できる。

【００２０】これらの可動ミラーとリニアアクチュエー
タによる方法はいずれもマクロマシーニング技術を用い
て、シリコン等の基板上に微少な寸法でマトリクス状に
形成することができる。

【００２１】以上の実施例は可動ミラーを平行移動させ
て入出力光路に挿入することとしたものであるが、可動
ミラーを回転して入出力光路に挿入することも可能であ
る。図６は静電誘導形のマイクロステップモータで回転
軸を基板に垂直にしたロータ５１上に設置された可動ミ
ラー５２を回転させる差点の構成例である。光ビームが
直進する場合、可動ミラー５２は光ガイド溝の側壁に仮
想線で示すように収納されているが、差点が選択される
とマイクロステップモータのロータ５１が回転し、可動
ミラー５２は入出力光路中に挿入される。この可動ミラ
ー５２の角度は出力光路に所定の角度に形成された壁面
５３につき当てる方法で精度良く設定できた。本実施例
では、回転アクチュエータの原理をステップモータとし
たが、その外にも電磁誘導形回転モータ、超音波回転モ
ータ、電歪、磁歪、光歪のいずれか或いはそれらの複合
を駆動原理とすることもできる。また、回転軸を基板と
平行に設置し、光を直進させるときはミラーを水平位置
とし、反射させるときは垂直位置とするように回転させ
る構造も採用できる。

【００２２】以上の実施例では反射装置をミラーとした
が、光を効率的に反射できるものであれば、これに限ら
ない。また、光ガイド溝、入出力光ファイバ、レンズに
ついても、一構成例として取り上げたもので、本発明の
必須要件でないことは自明である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
同一基板上に微少なピッチで多数の可動反射装置やアク
チュエータを一括してマトリクス状に配置でき、このた
め、大規模なマトリクス光スイッチを形成することがで
きる。例えば、差点ピッチ２００μｍが可能であり、こ
のとき１００×１００のマイクロ光スイッチの寸法は２
ｃｍ角となり、従来技術に比べて１万分の１に小型化で
きたことになる。更に、反射装置の微小化・軽量化に伴
い、移動距離や時間が短縮され、高速化・低消費電力化
が可能となるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例のマトリクス光スイッチの
構成を示す図である。

【図２】 同実施例の差点のセル回路の等価回路図であ
る。

【図３】 同実施例の可動ミラーを平行移動させるため
の第１のリアニアクュエータの構成を示す図である。

【図４】 同実施例の可動ミラーを平行移動させるため
の第２のリアニアクュエータの構成を示す図である。

【図５】 同実施例の可動ミラーを平行移動させるため
の第３のリアニアクュエータの構成を示す図である。

【図６】 同実施例の可動ミラーを回転させるための回
転アクチュエータの機構の説明図である。

【図７】 従来のマトリクス光スイッチの構成を示す図
である。

【符号の説明】

１：スイッチ基板、２：入力光ガイド溝、３：出力光ガ
イド溝、４：入力光ファイバ、５：出力光ファイバ、
６：レンズ、７：可動ミラー、８：リニアアクチュエー
タ、９：セル回路、１０：収納溝、１１：アドレス信
号、１２：インターファース回路、１４₁ ：Ｘアドレス
デコーダ回路、１４₂ ：Ｙアドレスデコーダ、１５₁ ：
Ｘアドレス線、１５₂ ：Ｙアドレス線、１６：選択回
路、１７：駆動回路、２１：ミラー、２２：可動電極、
２３₁ 〜２３₃ ：３相駆動電極、２４：負電荷、３１：
ミラー、３２：永久磁石スライダー、３３、３４：電磁
石、３５：薄膜コイル、４１：櫛形電極、４２：圧電薄
膜、４３：スライダーミラー、５１：マイクロステップ
モータのロータ、５２：可動ミラー、５３：壁面、

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 マトリクス光スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡村 正通 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 山内 規義 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入力光路と複数の出力光路とが
   互いに交差し、該複数の入力光路と該複数の出力光路と
   の差点の各々に可動反射装置を設け、所定の差点の可動
   反射装置を入力光路中に移動挿入することにより、該差
   点を通る入力光路を該差点を通る出力光路に接続するマ
   トリクス光スイッチにおいて、 前記可動反射装置の各々が同一基板上に形成され、且つ
   前記可動反射装置の移動が前記基板上に一体で形成され
   たアクチュエータ及び電子装置によって制御・駆動され
   ることを特徴とするマトリクス光スイッチ。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータがリニアアクチュ
   エータからなり、静電誘導、電磁誘導、超音波、電歪、
   磁歪、光歪、又は形状記憶合金のいずれか１つ或いは複
   数を駆動原理とすることを特徴とする請求項１に記載の
   マトリス光スイッチ。
3. 【請求項３】 前記アクチュエータが回転アクチュエ
   ータからなり、静電誘導、電磁誘導、超音波、電歪、磁
   歪、光歪、又は形状記憶合金のいずれか１つ或いは複数
   を駆動原理とすることを特徴とする請求項１に記載のマ
   トリス光スイッチ。