WO2022029851A1 - 光スイッチ - Google Patents

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WO2022029851A1
WO2022029851A1 PCT/JP2020/029717 JP2020029717W WO2022029851A1 WO 2022029851 A1 WO2022029851 A1 WO 2022029851A1 JP 2020029717 W JP2020029717 W JP 2020029717W WO 2022029851 A1 WO2022029851 A1 WO 2022029851A1
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optical
core
optical fiber
cylindrical member
ferrule
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PCT/JP2020/029717
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千里 深井
邦弘 戸毛
友裕 川野
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/351—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements
    • G02B6/3512—Optical coupling means having switching means involving stationary waveguides with moving interposed optical elements the optical element being reflective, e.g. mirror
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/3502—Optical coupling means having switching means involving direct waveguide displacement, e.g. cantilever type waveguide displacement involving waveguide bending, or displacing an interposed waveguide between stationary waveguides
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means
    • G02B6/354—Switching arrangements, i.e. number of input/output ports and interconnection types
    • G02B6/3554—3D constellations, i.e. with switching elements and switched beams located in a volume
    • G02B6/3556—NxM switch, i.e. regular arrays of switches elements of matrix type constellation

Definitions

  • the present invention mainly relates to an optical switch used for switching the path of an optical line using a single mode optical fiber in an optical fiber network.
  • Non-Patent Document 1 As shown in Non-Patent Document 1, for example, various methods have been proposed for all-optical switches that switch the path of light as it is.
  • the optical fiber type mechanical optical switch that controls the butt between optical fibers or optical connectors with a robot arm, motor, etc. is inferior to other methods in that the switching speed is slow, but it has low loss and low wavelength dependence. It has many advantages over other methods in terms of multi-portability and the provision of a self-holding function that holds the switching state when the power is lost.
  • a method of moving a stage in parallel using an optical fiber V-groove for example, a method of moving a mirror or a prism in parallel or changing the angle to selectively connect the incident optical fiber to a plurality of outgoing optical fibers.
  • a method of connecting a jumper cable with an optical connector using a robot arm for example, a method of moving a stage in parallel using an optical fiber V-groove, or a method of moving a mirror or a prism in parallel or changing the angle to selectively connect the incident optical fiber to a plurality of outgoing optical fibers.
  • a method of using a multi-core fiber as an optical path for switching has been proposed. For example, by combining a multi-core fiber with a three-dimensional MEMS optical switch (see, for example, Non-Patent Document 2), multiple paths can be switched collectively. It becomes possible. Further, by rotating the cylindrical ferrule into which the multi-core fiber is inserted to perform switching (see, for example, Patent Document 1), optical components such as a lens and a prism are not required, and the configuration can be simplified.
  • Non-Patent Document 1 has a problem that it is difficult to further reduce the power consumption, reduce the size, and make the economy economical.
  • a motor is generally used as a drive source, but since a mechanism for directly moving a heavy object such as a stage, a torque of a certain level or more is applied to the motor. It requires power consumption to obtain a reasonable output in order to maintain the required torque.
  • a mechanism generally a ball screw is used that converts the rotational motion of the motor into linear motion.
  • the optical fiber pitch of the optical fiber array on the output side which is usually used, is about 125 ⁇ m in the clad outer diameter of the optical fiber or 250 ⁇ m in the coated outer diameter of the optical fiber. If the number of optical fibers installed while maintaining this optical fiber pitch is increased, the optical fiber array on the output side becomes large. As a result, there is a problem that the distance of the linear motion is extended, the actual driving time of the motor has to be lengthened, and the power consumption is increased. Therefore, in general, such an optical fiber type mechanical optical switch requires a power of several hundred mW or more. Further, the robot arm method using an optical connector has a problem that a large power of several tens of watts or more is required for the robot arm itself that controls the insertion and removal of the optical connector or the ferrule.
  • Non-Patent Document 2 a vibration isolation mechanism for obtaining stable optical characteristics against external factors such as vibration is separately provided in the process of manufacturing the optical switch. There was a problem that it became necessary and the assembly process became complicated.
  • the central axis of the ferrule is aligned by inserting the ferrule in close contact with the sleeve, and the frictional force between the ferrule and the sleeve is aligned. Therefore, there is a problem that a large amount of energy is required to drive the rotation and a large amount of electric power is required. In addition, there is a problem that the optical fiber is twisted by repeatedly switching by rotation.
  • the present invention provides an optical switch that has low power consumption and can realize stable optical characteristics against external factors by a mechanism that does not require a complicated assembly process. The purpose.
  • the optical switch of the present disclosure is a mechanism for easily axially rotating one of a cylindrical member having a mirror at an end face or a multi-core optical fiber having a central core and an outer peripheral core to switch an optical path by reflection of the mirror. And a clearance to eliminate the loss due to rotation.
  • the optical switch according to the present disclosure includes a multi-core optical fiber having a central core in the center of the optical fiber and a plurality of outer peripheral cores on the same circumference of the circle as the center of the optical fiber in the fiber cross section.
  • a mirror arranged in front of the end face of the multi-core optical fiber and connecting any one of the outer peripheral cores and the central core as one optical path, and a cylindrical member having the end face to which the mirror is fixed.
  • the multi-core optical fiber or the cylindrical member is rotated in the axial direction of the multi-core optical fiber, and the optical coupling portion is provided with a rotation mechanism for switching the optical path.
  • the optical coupling portion is inserted so that the ferrule containing the multi-core optical fiber and the ferrule and the cylindrical member face each other with the end face of the multi-core optical fiber and the mirror.
  • the multi-core optical fiber is fan-in or fan-out in which the end opposite to the end face included in the optical coupling portion is connected to an input / output single-core optical fiber having a single core. It may be connected to an optical device.
  • the optical switch according to the present disclosure may further include a flange for holding the cylindrical member via a bearing.
  • the optical switch according to the present disclosure may further include a flange for holding the ferrule via a bearing.
  • the optical switch according to the present disclosure may further include an actuator that rotates the rotation mechanism in a fixed angle step and makes it stand still at an arbitrary angle step.
  • the present invention provides an energy required for an actuator, that is, a torque output, by providing a mechanism for easily rotating only one of a multi-core optical fiber or a cylindrical member and a gap and a clearance for eliminating a loss due to rotation. Can be made as small as possible, and power consumption can be reduced. Further, since the amount of optical axis deviation in a direction other than the axial rotation of the cylindrical member is limited by the sleeve at the optical coupling portion, stable optical characteristics can be realized against external factors such as vibration. In addition, it is economical and compact with excellent assembly workability due to the general materials widely used in optical connector products and optical switch products such as ferrules, sleeves and mirrors, which do not have a special vibration isolation mechanism. A certain optical switch can be realized.
  • an optical switch that has low power consumption and can realize stable optical characteristics against external factors by a mechanism that does not require a complicated assembly process.
  • FIG. 1 shows an example of the usage mode of the optical switch according to the present embodiment.
  • This embodiment describes a mode in which light is input from S01 and output to S04. Since it is an optical switch, the direction of light may be reversed.
  • the input side optical fiber S01 connected to the front-stage optical switch S00 is switched to a specific port of the optical switch-to-optical fiber S02 in the front-stage optical switch S00, and the port of the optical switch-to-optical fiber S02 is changed to the rear-stage optical. It is possible to switch to the desired output side optical fiber S04 in the switch S03.
  • the present invention is an optical switch corresponding to the front-stage optical switch S00 and the rear-stage optical switch S03.
  • the front-stage optical switch S00 is abbreviated as an optical switch S00
  • the rear-stage optical switch S03 is abbreviated as an optical switch S03.
  • the optical switches S00 and S03 according to this embodiment will be described.
  • FIG. 2 shows a block configuration diagram of the optical switches S00 and S03 according to this embodiment.
  • the optical switches S00 and S03 shown in FIG. 2 are obtained by melt-stretching an input / output single-core optical fiber S1, a fan-in or fan-out optical device S2, and a multi-core optical fiber having a plurality of cores or a plurality of single-core optical fibers.
  • Bundled optical fiber S4 (hereinafter, "multi-core optical fiber having a plurality of cores or bundled optical fiber S4 obtained by melt-stretching a plurality of single-core optical fibers" is referred to as "multi-core optical fiber S4"), a cylindrical member S6, and the like. It includes an optical coupling portion S10 composed of an end portion of the multi-core optical fiber S4 and an end portion of the cylindrical member S6.
  • optical switches S00 and S03 include a rotation stop mechanism S3, a rotation mechanism S7, an actuator S8, and a control circuit S9 in order to rotate only the cylindrical member S6.
  • the rotation stop mechanism S3 and the rotation mechanism S7 may be included in the optical coupling portion S10.
  • the multi-core optical fiber S4 is fixed by a rotation stop mechanism S3 so as not to rotate the shaft.
  • the cylindrical member S6 is attached with a rotation mechanism S7 and can freely rotate in the axial direction.
  • the actuator S8 that rotates at an arbitrary angle rotates the cylindrical member S6 by a signal from the control circuit S9.
  • the optical coupling portion S10 is provided with a gap S5 so that even if the cylindrical member S6 rotates, it does not interfere with the multi-core optical fiber S4.
  • the optical switches S00 and S03 are fan-in or fan-out optical devices in which the end of the multi-core optical fiber S4 opposite to the end face included in the optical coupling portion S10 is connected to the input / output single-core optical fiber S1 having a single core. It is connected to S2. As shown in FIG. 2, the optical switches S00 and S03 connect the input / output single-core optical fiber S1 to the core of the multi-core optical fiber S4 via the fan-in or fan-out optical device S2.
  • the multi-core optical fiber S4 is fixed and the cylindrical member S6 is rotated.
  • the cylindrical member S6 is rotated.
  • S6 may be fixed and the multi-core optical fiber S4 may be rotated.
  • optical switches S00 and S03 for fixing the multi-core optical fiber S4 and rotating the cylindrical member S6 will be described.
  • FIG. 3A represents a multi-core optical fiber consisting of nine cores
  • FIG. 3B represents a bundled optical fiber.
  • the multi-core optical fiber S4 may be in either form of FIG. 3A or FIG. 3B.
  • the center of the core is arranged on the circumference of the center core S11 in the center of the optical fiber and the circle having the core arrangement radius S13 centered on the center of the optical fiber. It is characterized by having a plurality of outer peripheral cores S12.
  • a multi-core optical fiber or a bundled optical fiber consisting of a total of nine cores is taken as an example, but the central core S11 is at the center of the optical fiber, and the center of each outer peripheral core S12 is centered at the center of the optical fiber. It suffices if it is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius S13, and if this condition is satisfied, the number and arrangement of optical fiber cores is not limited to this.
  • the single-core optical fiber constituting the bundled optical fiber of FIG. 3B has a central clad S41 or an outer peripheral clad S42.
  • the optical switch it is important for the optical switch to increase the optical coupling ratio of the optical coupling portion S10 as much as possible, and the central core S11 and the outer peripheral core S12 of the multi-core optical fiber S4 have the same optical mode field diameter. It is preferable that the characteristics are characteristic, but different optical characteristics may be obtained as long as optical coupling is possible. Further, the optical fiber clad diameter S14 may be 125 ⁇ m, which is widely used for communication, or an expanded clad diameter, for example, 190 ⁇ m, in order to realize a large number of cores.
  • FIG. 4 is a diagram showing the vicinity of the end face of the multi-core optical fiber S4 and the end face of the cylindrical member S6 in the optical coupling portion S10.
  • the optical coupling portion S10 includes the above-mentioned multi-core optical fiber S4 having a central core S11 at the center of the optical fiber and a plurality of outer peripheral cores S12 on the same circumference of a circle as the center of the optical fiber in the fiber cross section, and a multi-core.
  • a cylinder having mirrors S25 and S26 arranged in front of the end face of the optical fiber S4 and connecting any one of the outer peripheral cores S12 and the central core S11 as one optical path S28, and an end face to which the mirrors S25 and S26 are fixed. It has a member S6.
  • the light reflecting portion S17 formed on the end face of the cylindrical member S6 includes mirrors S25 and S26.
  • the mirrors S25 and S26 are fixed at positions in the light reflecting unit S17 that satisfy the following three conditions. (1) The position where the mirror S25 faces the central core S11. (2) The mirror S26 is at a position facing any one of the outer peripheral cores S12. (3) The distance S27 between the light reflection center points shown in FIG. 4 coincides with the core arrangement radius S13 of the multi-core optical fiber S4 shown in FIG. By satisfying these three conditions, the optical switches S00 and S03 can move the mirror S26 along the circumference of the circle in which the outer peripheral core S12 is arranged by rotating the cylindrical member S6.
  • the optical switches S00 and S03 simply rotate the cylindrical member S6 about the major axis direction to rotate the mirror S26 and the arbitrary outer peripheral core S12. Can be opposed. Further, the angles of the mirrors S25 and S26 are adjusted so that the light passing through the central core S11 is reflected by each mirror at 90 degrees.
  • FIG. 4 it is decided that the light emitted from the central core S11 is reflected and incident on the outer peripheral core S12 by using two mirrors, but as another method, for example, a prism can be used, and the center.
  • the mechanism may be such that the light emitted from the core S11 is incident on the outer peripheral core S12 and is photocoupled.
  • the optical path S28 in the optical coupling portion S10 will be described.
  • the light reflecting unit S17 reflects the light passed from the central core S11 twice at 90 degrees by the two mirrors S25 and S26 formed on the light reflecting unit S17.
  • any one of the outer peripheral cores S12 and the central core S11 are coupled as one optical path S28.
  • the optical path S28 is determined to be emitted from the central core S11 and incident on the outer peripheral core S12, but the light emitted from the outer peripheral core S12 is reflected by the mirrors S25 and S26 and incident on the central core S11. It is also possible.
  • the multi-core optical fiber S4 is built in the ferrule S15.
  • the end face of the ferrule S15 is polished and coated with an antireflection film S16 for reducing Fresnel reflection with the air layer.
  • diagonal polishing in which the ferrule end face is not flat and is polished at a constant angle, can be used as an alternative.
  • the cylindrical member S6 rotates, the mirrors S25 and S26 of the cylindrical member S6 do not come into contact with the end faces of the ferrule S15. It is necessary to devise the shape.
  • the cylindrical member S6 in FIG. 5 is the same as that shown in FIG. 4, but the mirrors S25 and S26 formed in the light reflecting portion S17 are omitted.
  • the optical coupling portion S10 is inserted so that the ferrule S15 incorporating the multi-core optical fiber S4 and the ferrule S15 and the cylindrical member S6 face each other with the end face of the multi-core optical fiber S4 and the light reflecting portion S17 on which the mirrors S25 and S26 are formed.
  • the cylindrical sleeve S19 is further provided, and there is a predetermined gap (clearance S40) between the outer diameter of the cylindrical member S6 and the inner diameter of the sleeve.
  • the optical coupling portion S10 uses a ferrule S15, a cylindrical member S6, and a sleeve S19 to prevent misalignment of the multi-core optical fiber S4 and the cylindrical member S6.
  • the sleeve S19 controls the axial deviation of the ferrule S15 and the cylindrical member S6 within a certain allowable range, and in order not to interfere with the axial rotation of the cylindrical member S6, the sleeve S19 has its own with respect to the cylindrical member outer diameter S20 of the cylindrical member S6.
  • the sleeve inner diameter S21 is slightly increased by about sub ⁇ m to provide a slight clearance S40 (predetermined gap) of about sub ⁇ m.
  • about sub ⁇ m means 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the light coupling portion S10 provides a gap S5 between the end surface of the ferrule S15 and the light reflecting portion S17 of the cylindrical member S6.
  • the gap S5 is secured by the sleeve axial length S24 of the sleeve S19, the ferrule flange S22 attached to the ferrule S15, and the cylindrical member flange S23 attached to the cylindrical member S6. It is characterized by that.
  • the sleeve axial length S24 of the sleeve S19 is set to be longer than the total length of the ferrule S15 protruding from the ferrule flange S22 and the cylindrical member S6 protruding from the cylindrical member flange S23. As a result, the structure is such that the gap S5 can be secured.
  • Zirconia is used for the ferrule, sleeve and cylindrical member, but other materials can be used if it can be manufactured with high dimensional accuracy.
  • FIG. 6 illustrates the optical switches S00 and S03 according to this embodiment.
  • the optical switches S00 and S03 are characterized in that the optical coupling portion S10 includes a rotation mechanism S7 for rotating the multi-core optical fiber S4 or the cylindrical member S6 in the axial direction of the multi-core optical fiber S4 to switch the optical path S28.
  • the optical switches S00 and S03 will explain a structural example in which the ferrule S15 is fixed and the cylindrical member S6 is rotated.
  • the ferrule S15 is attached to the ferrule flange S22 with a notch.
  • the ferrule flange S22 may be attached to the fixing jig S31 with a fixing screw S29 to fix the axial direction and the axial rotation of the ferrule S15.
  • the ferrule flange S22, the fixing screw S29, and the fixing jig S31 serve as the rotation stop mechanism S3 described above.
  • the optical switches S00 and S03 according to the present embodiment further include a cylindrical member flange S23 that holds the cylindrical member S6 via a flange bearing S30.
  • the cylindrical member S6 is attached to the cylindrical member flange S23.
  • the cylindrical member flange S23 is provided with a flange bearing S30 on the outside.
  • the flange bearing S30 is attached to the fixing jig S31 with the fixing screw S29.
  • the cylindrical member flange S23, the fixing screw S29, and the flange bearing S30 serve as the above-mentioned rotation mechanism S7.
  • a sleeve S19 is built in the fixing jig S31, and axis alignment is performed by inserting the ferrule S15 and the cylindrical member S6 into the sleeve S19.
  • the optical switch (S00, S03) is further provided with an actuator S8 that rotates the rotation mechanism S7 in a fixed angle step and makes it stand still at an arbitrary angle step.
  • the actuator S8 is a drive mechanism that rotates at an arbitrary angle step by a pulse signal from the control circuit S9 and has a constant static torque at each angle step.
  • a stepping motor is used.
  • the actuator S8 may be rotated in an arbitrary angle step by a pulse signal from the control circuit S9, and other methods may be used as long as the drive mechanism has a constant static torque for each angle step. ..
  • the rotation speed and the rotation angle are determined by the period of the pulse signal from the control circuit S9 and the number of pulses, and the angle step and the static torque may be adjusted via the reduction gear.
  • the cylindrical member S6 in the optical coupling portion S10 is designed to rotate freely, the static torque required to maintain the rotation angle of the cylindrical member S6 is applied by the actuator S8. It has the characteristic of being.
  • the specific angular position is preferably an angular position where one of the outer peripheral cores S12 and the mirror S26 face each other. Further, the angular position when the power supply is stopped is defined as the static angular position.
  • the static angle position is defined as ((360 ⁇ number of static angle steps) ⁇ N) using the natural number N.
  • the stepping motor rotates the cylindrical member S6 until it reaches the stationary angle position, and then ends the rotation.
  • the stepping motor sets the number of static angle steps to the number of cores of the multi-core optical fiber S4 so that one of the outer peripheral cores S12 and the mirror S26 face each other when the cylindrical member S6 is stationary at the stationary angle position. It is characterized by being equivalent to.
  • the excess loss due to the rotation angle deviation in the optical coupling portion S10 is set to TR (unit: dB)
  • the static angle accuracy of the stepping motor is set to ⁇ (unit: degree)
  • the size of the core arrangement radius S13 of the multi-core optical fiber S4 is set to R (unit: dB).
  • the unit is ⁇ m
  • the excess loss T is, for example, 0.1 dB or 0.2 dB
  • the maximum static angle accuracy ⁇ is given to the magnitude R of the core placement radius S13 as shown in FIG. From FIG. 7, the larger the core placement radius S13 is, the stricter quiescent angle accuracy is required.
  • the excess loss is 0.1 dB
  • the quiescent angle accuracy of about 0.8 degrees or less is required when the core placement radius S13 is 50 ⁇ m. ..
  • the optical switches S00 and S03 attach the actuator S8 to the cylindrical member S6 to which the rotation mechanism S7 described above is attached, and send a signal from the control circuit S9 to the actuator S8 to cause the cylindrical member S8. Rotate S6. Then, as shown in FIG. 6, the cylindrical member flange S23 and the cylindrical member S6 are rotated by the flange bearing S30 attached to the cylindrical member flange S23.
  • the optical switch S00 will be described.
  • the optical switch S00 has a plurality of single-core optical fibers connected to the central core S11 as input single-core optical fibers (not shown) and connected to the outer peripheral core.
  • the single-core optical fiber is an output single-core optical fiber (not shown).
  • the input single-core optical fiber is connected to the input-side optical fiber S01 of FIG. 1, and the plurality of output single-core optical fibers are connected to the optical switch-to-optical fiber S02 of FIG. 1, respectively.
  • optical switch S00 light is input to the central core S11 from the input single core optical fiber via the fan-in or fan-out optical device S2.
  • the optical switch S00 is input to the central core S11, and the light that has passed through the central core S11 is reflected by the mirrors S25 and S26 of the light reflecting unit S17 and incident on any of the outer peripheral cores S12, as shown in FIG.
  • any one of the central core S11 and the outer peripheral core S12 is coupled as one optical path S28.
  • the light incident on the outer peripheral core S12 passes through the outer peripheral core S12 and is output from the output single core optical fiber.
  • the optical switch S00 rotates the cylindrical member S6 by the actuator S8 when the light is reflected by the light reflecting unit S17, and reflects the light that has passed through the central core S11 to the outer peripheral core S12 different from that before the rotation. Then, the optical path can be switched by newly combining the central core S11 and the outer peripheral core S12 different from the one before rotation as one optical path.
  • the optical switch S03 among the input / output single-core optical fibers S1 shown in FIG. 2, a plurality of single-core optical fibers connected to the outer peripheral core S12 are designated as input single-core optical fibers (not shown) and connected to the central core S11.
  • the single single-core optical fiber to be used is referred to as an output single-core optical fiber (not shown).
  • the plurality of input single-core optical fibers are connected to the optical switch-to-optical fiber S02 of FIG. 1, and the output single-core optical fiber is connected to the output-side optical fiber S04 of FIG.
  • the optical switch S03 light is input to the outer peripheral core S12 from an arbitrary input single-core optical fiber via a fan-in or fan-out optical device S2.
  • the optical switch S03 is input to the outer peripheral core S12 for any one of the outer peripheral cores S12, and the light that has passed through the outer peripheral core S12 is reflected by the light reflecting unit S17 and incident on the central core S11. Any one of the central core S11 and the outer peripheral core S12 is coupled as one optical path.
  • the combined optical path is in the opposite direction of the optical path S28 shown in FIG.
  • the light incident on the central core S11 passes through the central core S11 and is output from the output single-core optical fiber.
  • the optical switch S03 when the light is reflected by the light reflecting unit S17, the cylindrical member S6 is rotated by the actuator S8, and the light that has passed through the outer peripheral core S12 different from that before the rotation is reflected to the central core S11.
  • the optical path can be switched.
  • the optical switches S00 and S03 may further include a ferrule flange S22 for holding the ferrule S15 via a bearing.
  • An optical switch such as the optical switch S00 can be used as a 1xN relay type optical switch having a single input. It is also possible to configure an NxN optical switch by combining an optical switch so as to connect an output single-core optical fiber of the Nx1 optical switch S03 and an input single-core optical fiber of the 1xN optical switch S00. ..
  • the energy required for the actuator that is, by providing a mechanism for easily rotating only one of the multi-core optical fiber S4 or the cylindrical member S6 and a gap and a clearance for eliminating the loss due to the rotation.
  • the torque output can be reduced as much as possible, and power consumption can be reduced.
  • the optical switches S00 and S03 are not provided with a special vibration isolation mechanism, and can be assembled by using general materials widely used in optical connector products and optical switch products such as ferrules, sleeves and mirrors. The economical and compact optical switches S00 and S03 can be realized.
  • an optical switch that has low power consumption and can realize stable optical characteristics against external factors by a mechanism that does not require a complicated assembly process.
  • the optical switches S00 and S03 of the present embodiment differ from the optical switches S00 and S03 of the first embodiment only in the rotation mechanism of the cylindrical member S6 of the optical coupling portion S10.
  • the rotation mechanism of the cylindrical member S6 will be described. The same applies to the first embodiment except for the contents described below.
  • FIG. 8 shows a combined form of the optical coupling portion S10 according to the present embodiment.
  • the ferrule S15 is attached to the ferrule flange S22 having a notch, and the ferrule flange S22 is attached to the fixing jig S31 by the fixing screw S29, as in the first embodiment. ..
  • the outer diameter of the cylindrical member S6 is smaller than the outer diameter of the ferrule S15.
  • the cylindrical member S6 includes a cylindrical member bearing S32 between the inner diameter of the sleeve S19 and the outer diameter of the cylindrical member S6.
  • the cylindrical member S6 is attached to the cylindrical member flange S23.
  • a flange rotation jig S33 is attached to the cylindrical member flange S23.
  • the flange rotation jig S33 is attached to the fixing jig S31 with a fixing screw S29.
  • the cylindrical member flange S23, the fixing screw S29, the cylindrical member bearing S32, and the flange rotation jig S33 serve as the rotation mechanism S7.
  • the optical coupling portion S10 has a structure in which a gap S5 is secured between the end face of the ferrule S15 and the light reflecting portion S17 of the cylindrical member S6 by the ferrule flange S22 and the cylindrical member flange S23. ..
  • FIG. 9 shows a front view of the light reflecting portion S17 of the light coupling portion S10 according to the present embodiment.
  • a cylindrical member bearing S32 is attached around the cylindrical member S6 so that the cylindrical member S6 can freely rotate in the sleeve S19.
  • cylindrical member bearing S32 for example, zirconia is used, but other materials can be used as long as it can be manufactured with high dimensional accuracy.
  • the optical switches S00 and S03 attach the actuator S8 similar to that of the first embodiment to the cylindrical member S6 to which the rotation mechanism S7 in the present embodiment is attached, and send a signal from the control circuit S9 to the actuator S8.
  • the actuator S8 rotates the cylindrical member S6.
  • the cylindrical member flange S23 and the cylindrical member S6 are rotated by the cylindrical member bearing S32 and the flange rotation jig S33.
  • the optical switches S00 and S03 according to the present embodiment output the input light as in the first embodiment.
  • the optical switch S00 according to the present embodiment can rotate the cylindrical member S6 as described above by the actuator S8 when the light reflecting unit S17 reflects light, and can switch the optical path as in the first embodiment. ..
  • the optical switch according to the present disclosure can reduce the driving energy when switching the optical path as much as possible, and can provide an optical switch with low power consumption.
  • it since it is composed of commonly used optical connection parts, it is compact and economical, and it is an optical switch that realizes stable optical characteristics against external factors such as temperature and vibration. It is possible to provide.
  • an optical line using a single-mode optical fiber of an optical fiber network it can be used as an optical switch for switching a route in any facility regardless of location.
  • S00 Front-stage optical switch S01: Input-side optical fiber S02: Optical switch-to-optical fiber S03: Rear-stage optical switch S04: Output-side optical fiber S1: Input / output single-core optical fiber S2: Fan-in or fan-out optical device S3: Rotation Stopping mechanism S4: Multi-core optical fiber having a plurality of cores or bundled optical fiber obtained by melt-stretching a plurality of single-core optical fibers S5: Gap S6: Cylindrical member S7: Rotation mechanism S8: Actuator S9: Control circuit S10: Optical coupling portion S11 : Central core S12: Outer peripheral core S13: Core placement radius S14: Optical fiber clad diameter S15: Ferrule S16: Antireflection film S17: Optical reflective part S19: Sleeve S20: Cylindrical member outer diameter S21: Sleeve inner diameter S22: Ferrule flange S23: Cylindrical member flange S24:

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Abstract

本開示では、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。本開示に係る光スイッチは、上記目的を達成するために、ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コア及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周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端面の正面に配置され、前記外周コアのいずれか１つと前記中心コアとを１つの光経路として結合するミラーと、前記ミラーが固定された前記端面を持つ円筒部材と、を有する光結合部、及び、前記光結合部において、前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を前記マルチコア光ファイバの軸方向に回転させ、前記光経路を切り替える回転機構を備えることを特徴とする。

Description

光スイッチ
　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，"Ａ　Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ＭＥＭＳ－Ｂａｓｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｒｏｓｓ－Ｃｏｎｎｅｃｔｓ　ｆｏｒ　Ａｌｌ－Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｐａｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｓｅｎｔ　Ｄａｙ，" ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｕｒｖｅｙｓ & Ｔｕｔｏｒｉａｌｓ，ｖоｌ．２１，ｎо．３，ｐｐ．２９２８－２９４６，２０１９． Ｋｅｎｊｉ　Ｈｉｒｕｍａ，　Ｔｏｓｈｉｋｉ　Ｓｕｇａｗａｒａ，　Ｋｅｎｉｃｈｉ　Ｔａｎａｋａ，　Ｅｔｓｕｋｏ　Ｎｏｍｏｔｏ，　ａｎｄ　Ｙｏｎｇ　Ｌｅｅ，　"Ｐｒｏｐｏｓａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ－ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　Ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　Ｆｉｂｅｒｓ"、ＯＥＣＣ／ＰＳ　２０１３，　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は、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、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。加えて、回転による切替を繰り返し行うことによって光ファイバにねじれが生じてしまう課題があった。
　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、ミラーを端面に有する円筒部材又は中心コア及び外周コアを有するマルチコア光ファイバの一方を容易に軸回転させてミラーの反射により光経路を切り替える機構と、回転に伴う損失をなくすためのクリアランスと、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、光ファイバの中心にある中心コア及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周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端面の正面に配置され、前記外周コアのいずれか１つと前記中心コアとを１つの光経路として結合するミラーと、前記ミラーが固定された前記端面を持つ円筒部材と、を有する光結合部、及び、前記光結合部において、前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を前記マルチコア光ファイバの軸方向に回転させ、前記光経路を切り替える回転機構を備える。
　例えば、本開示に係る光スイッチは、前記光結合部は、前記マルチコア光ファイバを内蔵したフェルールと、前記フェルール及び前記円筒部材が、前記マルチコア光ファイバの前記端面と前記ミラーとが向かい合うように挿入された円筒のスリーブと、をさらに備え、前記円筒部材の外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間があってもよい。
　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は、前記光結合部に含まれる前記端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア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てもよい。
　例えば、本開示に係る光スイッチは、前記円筒部材をベアリングを介して保持するフランジをさらに備えてもよい。
　例えば、本開示に係る光スイッチは、前記フェルールをベアリングを介して保持するフランジをさらに備えてもよい。
　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させるアクチュエータをさらに具備してもよい。
　本発明は、マルチコア光ファイバ又は円筒部材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、円筒部材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、特別な除振機構を具備しておらず、フェルール、スリーブ及びミラーといった光コネクタ製品や光スイッチ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光経路のイメージを示す図である。 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。 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に係る光反射部を正面から見た図である。
　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。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に示す光スイッチＳ００及びＳ０３は、入出力シングルコア光ファイバＳ１と、ファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２と、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「マルチコア光ファイバＳ４」と称する。）と、円筒部材Ｓ６と、マルチコア光ファイバＳ４の端部及び円筒部材Ｓ６の端部で構成される光結合部Ｓ１０と、を備える。また、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６のみを回転させるために、回転止め機構Ｓ３と、回転機構Ｓ７と、アクチュエータＳ８と、制御回路Ｓ９とを備える。回転止め機構Ｓ３及び回転機構Ｓ７は、光結合部Ｓ１０に含まれてもよい。
　マルチコア光ファイバＳ４は、図２に示すように、軸回転しないように回転止め機構Ｓ３により固定される。円筒部材Ｓ６は、回転機構Ｓ７が取り付けられ、軸方向に自由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Ｓ９からの信号により円筒部材Ｓ６を回転させる。また、光結合部Ｓ１０には、間隙Ｓ５が設けられており、円筒部材Ｓ６が回転しても、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の、光結合部Ｓ１０に含まれる端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア光ファイバＳ１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に接続している。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、入出力シングルコア光ファイバＳ１がファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介してマルチコア光ファイバＳ４のコアと接続する。
　上記において、マルチコア光ファイバＳ４を固定して、円筒部材Ｓ６を回転させることとしたが、ファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２から光結合部Ｓ１０までの余長をあらかじめ長くすることにより、円筒部材Ｓ６を固定し、マルチコア光ファイバＳ４を回転させてもよい。以下では、図２に示すように、マルチコア光ファイバＳ４を固定し、円筒部材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７を用いて具体的に説明する。マルチコア光ファイバＳ４の断面を図３に示す。図３（ａ）は、９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。マルチコア光ファイバＳ４は、図３（ａ）又は（ｂ）のいずれの形態でもよい。マルチコア光ファイバＳ４は、図３に示すように、光ファイバの中心にある中心コアＳ１１と、光ファイバの中心を中心としたコア配置半径Ｓ１３の円の円周上にコアの中心が配置されている複数の外周コアＳ１２とを有することを特徴とする。図３では合計９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、中心コアＳ１１が光ファイバの中心にあり、各外周コアＳ１２の中心が光ファイバの中心を中心としたコア配置半径Ｓ１３を有する円の円周上に配置されていればよく、この条件を満たせば、光ファイバのコア数及び配置は、これに限られない。なお、図３（ｂ）のバンドル光ファイバを構成するシングルコア光ファイバは、中心クラッドＳ４１又は外周クラッドＳ４２を有する。
　ここで、光スイッチとしては光結合部Ｓ１０の光結合率をできるだけ大きくすることが重要であり、マルチコア光ファイバＳ４の中心コアＳ１１と外周コアＳ１２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が、光結合可能であれば異なる光学特性を有してもよい。また、光ファイバクラッド径Ｓ１４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Ｓ１０の詳細を図４及び５を用いて説明する。まず、本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１０における光反射部Ｓ１７、光経路Ｓ２８、マルチコア光ファイバＳ４について図４を用いて説明する。図４は、光結合部Ｓ１０のうち、マルチコア光ファイバＳ４の端面及び円筒部材Ｓ６の端面付近を示す図である。光結合部Ｓ１０は、ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コアＳ１１及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周コアＳ１２を有する前述したマルチコア光ファイバＳ４と、マルチコア光ファイバＳ４の端面の正面に配置され、外周コアＳ１２のいずれか１つと中心コアＳ１１とを１つの光経路Ｓ２８として結合するミラーＳ２５及びＳ２６と、ミラーＳ２５及びＳ２６が固定された端面を持つ円筒部材Ｓ６と、を有する。
　具体的には、円筒部材Ｓ６の端面に形成された光反射部Ｓ１７がミラーＳ２５及びＳ２６を備える。ミラーＳ２５及びＳ２６は、光反射部Ｓ１７において、次の３つの条件を満たす位置に固定される。（１）ミラーＳ２５が中心コアＳ１１と対向する位置である。（２）ミラーＳ２６が外周コアＳ１２のいずれか１つと対向する位置である。（３）図４に示す光反射中心点間距離Ｓ２７が図３に示すマルチコア光ファイバＳ４のコア配置半径Ｓ１３と一致する。この３つの条件を満たすことにより、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６を回転させることで、ミラーＳ２６を外周コアＳ１２が配置された円の円周に沿って移動させることができる。常にミラーＳ２６と外周コアＳ１２とが同じ円周上にあることにより、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６を長軸方向を軸として回転させるだけで、ミラーＳ２６と任意の外周コアＳ１２とを対向させることができる。また、ミラーＳ２５及びＳ２６の角度は、中心コアＳ１１を通過した光がそれぞれのミラーで９０度の反射が行われるように調整される。
　図４では、ミラーを２つ用いて中心コアＳ１１から出射した光を反射して外周コアＳ１２に入射することとしたが、このほかの方法として、例えば、プリズムを用いることも可能であり、中心コアＳ１１から出射した光が外周コアＳ１２に入射して光結合する機構となっていればよい。
　光結合部Ｓ１０における光経路Ｓ２８について説明する。光反射部Ｓ１７は、中心コアＳ１１から通過した光を、光反射部Ｓ１７上に形成された２つのミラーＳ２５及びＳ２６で９０度の反射を２回行う。２回反射した光を外周コアＳ１２に入射させることで、外周コアＳ１２のいずれか１つと中心コアＳ１１とを１つの光経路Ｓ２８として結合させる。また、図４では、光経路Ｓ２８は中心コアＳ１１から出射して外周コアＳ１２に入射することとしたが、外周コアＳ１２から出射した光をミラーＳ２５及びＳ２６で反射して中心コアＳ１１に入射することも可能である。
　図４に示すように、光結合部Ｓ１０において、マルチコア光ファイバＳ４は、フェルールＳ１５に内蔵される。フェルールＳ１５の端面は、研磨されており、空気層とのフレネル反射を低減するための反射防止膜Ｓ１６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、円筒部材Ｓ６が回転した際に、円筒部材Ｓ６のミラーＳ２５及びＳ２６がフェルールＳ１５の端面に接触しないように、後述する間隙Ｓ５、研磨角度及び円筒部材Ｓ６のミラーＳ２５及びＳ２６の形状を工夫する必要がある。
　次に、本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１０を図５で説明する。なお、図５の円筒部材Ｓ６は、図４に示すものと同一であるが、光反射部Ｓ１７に形成されたミラーＳ２５及びＳ２６を省略している。光結合部Ｓ１０は、マルチコア光ファイバＳ４を内蔵したフェルールＳ１５と、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６が、マルチコア光ファイバＳ４の端面とミラーＳ２５及びＳ２６が形成された光反射部Ｓ１７とが向かい合うように挿入された円筒のスリーブＳ１９と、をさらに備え、円筒部材Ｓ６の外径及びスリーブの内径の間に所定の隙間（クリアランスＳ４０）がある。
　光結合部Ｓ１０は、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６並びにスリーブＳ１９を用いて、マルチコア光ファイバＳ４及び円筒部材Ｓ６の軸ずれを防止する。スリーブＳ１９は、フェルールＳ１５および円筒部材Ｓ６の軸ずれを一定許容範囲に制御し、円筒部材Ｓ６の軸回転を妨げないようにするために、円筒部材Ｓ６の円筒部材外径Ｓ２０に対して自身のスリーブ内径Ｓ２１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Ｓ４０（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。
　光結合部Ｓ１０は、フェルールＳ１５の端面と円筒部材Ｓ６の光反射部Ｓ１７との間に間隙Ｓ５を設ける。間隙Ｓ５は、図５に示すように、スリーブＳ１９のスリーブ軸方向の長さＳ２４と、フェルールＳ１５に取り付けられたフェルールフランジＳ２２と、円筒部材Ｓ６に取り付けられた円筒部材フランジ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Ｓ１９のスリーブ軸方向の長さＳ２４は、フェルールＳ１５がフェルールフランジＳ２２から突き出す長さと、円筒部材Ｓ６が円筒部材フランジ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。
　なお、フェルール、スリーブ及び円筒部材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。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３を図６で例示する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１０において、マルチコア光ファイバＳ４又は円筒部材Ｓ６をマルチコア光ファイバＳ４の軸方向に回転させ、光経路Ｓ２８を切り替える回転機構Ｓ７を備えることを特徴とする。以下では、ここまでの説明と同様に、光スイッチＳ００及びＳ０３は、フェルールＳ１５を固定し、円筒部材Ｓ６を回転させる構造例を説明する。
　具体的には、本実施形態に係るフェルールＳ１５は切り欠き付きのフェルールフランジＳ２２に取り付けられる。フェルールフランジＳ２２は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられ、フェルールＳ１５の軸方向および軸回転を固定してもよい。この際、フェルールフランジＳ２２、固定ネジＳ２９及び固定治具Ｓ３１が前述した回転止め機構Ｓ３となる。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６をフランジベアリングＳ３０を介して保持する円筒部材フランジＳ２３をさらに備える。円筒部材Ｓ６は円筒部材フランジＳ２３に取り付けられる。円筒部材フランジＳ２３は、外側にフランジベアリングＳ３０が設けられている。フランジベアリングＳ３０は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられる。この際、円筒部材フランジＳ２３、固定ネジＳ２９及びフランジベアリングＳ３０が前述した回転機構Ｓ７となる。固定治具Ｓ３１内にスリーブＳ１９が内蔵されており、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６がスリーブＳ１９に挿入されることによって軸合わせが行われる。
　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させるアクチュエータＳ８をさらに具備することを特徴とする。
　アクチュエータＳ８と、マルチコア光ファイバＳ４および円筒部材Ｓ６と、に係る要件について図７で説明する。アクチュエータＳ８には、制御回路Ｓ９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Ｓ９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Ｓ９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Ｓ１０における円筒部材Ｓ６は自由に軸回転するように設計されているため、円筒部材Ｓ６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。すなわち、静止角度ステップ数は、３６０度をいくつのステップ数で表現するかを意味する。例えば、静止角度ステップ数が４だった場合、特定の角度位置を０度（基準）とした電源供給停止時の角度位置は、９０度＝１ステップ、１８０度＝２ステップ、２７０度＝３ステップ、３６０度＝４ステップと表現される。なお、特定の角度位置は、外周コアＳ１２の１つとミラーＳ２６とが対向した位置となる角度位置が望ましい。また、電源供給停止時の角度位置を静止角度位置と定義する。静止角度位置は、自然数Ｎを用いて、（（３６０÷静止角度ステップ数）×Ｎ）と定義する。ステッピングモータは、電源供給停止時に、円筒部材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。ステッピングモータは、円筒部材Ｓ６が静止角度位置で静止した際に、外周コアＳ１２の１つとミラーＳ２６とが対向した位置となるようにするために、静止角度ステップ数をマルチコア光ファイバＳ４のコア数と同等とすることを特徴とする。
　また、光結合部Ｓ１０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）、マルチコア光ファイバＳ４のコア配置半径Ｓ１３の大きさをＲ(単位：μｍ)とした場合、これらの関係は数１に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 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Ｓ１３の大きさＲに対して図７のように与えられる。図７より、コア配置半径Ｓ１３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Ｓ１３が５０μｍで約０．８度以下の静止角度精度が必要となる。
　本実施形態に係る円筒部材Ｓ６の回転動作について図１、２、４及び６で説明する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、前述した回転機構Ｓ７が取り付けられた円筒部材Ｓ６にアクチュエータＳ８を取り付け、制御回路Ｓ９からアクチュエータＳ８へ信号を送ることにより、アクチュエータＳ８により円筒部材Ｓ６を回転させる。そして、図６に示すように、円筒部材フランジＳ２３に取り付けられたフランジベアリングＳ３０により、円筒部材フランジＳ２３及び円筒部材Ｓ６が回転する。
　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６を用いて説明する。
　光スイッチＳ００について説明する。光スイッチＳ００は、図２に示す入出力シングルコア光ファイバＳ１のうち、中心コアＳ１１に接続する単数のシングルコア光ファイバを入力シングルコア光ファイバ（不図示）とし、外周コアに接続する複数のシングルコア光ファイバを出力シングルコア光ファイバ（不図示）とする。また、入力シングルコア光ファイバは、図１の入力側光ファイバＳ０１と接続しており、複数の出力シングルコア光ファイバは、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、入力シングルコア光ファイバからファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介して光が中心コアＳ１１に入力される。光スイッチＳ００は、中心コアＳ１１に入力され、中心コアＳ１１を通過した光を、図４に示すように、光反射部Ｓ１７のミラーＳ２５及びＳ２６で反射し、外周コアＳ１２のいずれかに入射させることで、中心コアＳ１１と外周コアＳ１２のいずれか１つとを１つの光経路Ｓ２８として結合する。外周コアＳ１２に入射した光は、外周コアＳ１２を通過して、出力シングルコア光ファイバから出力される。本実施形態に係る光スイッチＳ００は、光反射部Ｓ１７で光を反射する際に、アクチュエータＳ８で円筒部材Ｓ６を回転させ、中心コアＳ１１を通過した光を回転前と別の外周コアＳ１２へ反射し、中心コアＳ１１と回転前とは別の外周コアＳ１２とを新たに１つの光経路として結合させることで、光経路を切り替えることができる。
　一方、光スイッチＳ０３は、図２に示す入出力シングルコア光ファイバＳ１のうち、外周コアＳ１２に接続する複数のシングルコア光ファイバを入力シングルコア光ファイバ（不図示）とし、中心コアＳ１１に接続する単数のシングルコア光ファイバを出力シングルコア光ファイバ（不図示）とする。また、複数の入力シングルコア光ファイバは、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、出力シングルコア光ファイバは、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、任意の入力シングルコア光ファイバからファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介して光が外周コアＳ１２に入力される。光スイッチＳ０３は、外周コアＳ１２のいずれか１つについて、その外周コアＳ１２に入力され、その外周コアＳ１２を通過した光を、光反射部Ｓ１７で反射し、中心コアＳ１１に入射させることで、中心コアＳ１１と外周コアＳ１２のいずれか１つとを１つの光経路として結合する。結合した光経路は図４に示す光経路Ｓ２８の逆向きである。中心コアＳ１１に入射した光は、中心コアＳ１１を通過して、出力シングルコア光ファイバから出力される。本実施形態に係る光スイッチＳ０３は、光反射部Ｓ１７で反射する際に、アクチュエータＳ８で円筒部材Ｓ６を回転させ、回転前とは別の外周コアＳ１２を通過した光を中心コアＳ１１に反射し、回転前とは別の外周コアＳ１２と中心コアＳ１１とを新たに１つの光経路として結合させることで、光経路を切り替えることができる。
　以上、円筒部材Ｓ６を回転させる構造例を説明したが、円筒部材Ｓ６を固定し、フェルールＳ１５を回転させる構造でも同様である。円筒部材Ｓ６ではなくフェルールＳ１５を回転させる際は、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、フェルールＳ１５をベアリングを介して保持するフェルールフランジＳ２２をさらに備えてもよい。
　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。Ｎｘ１の光スイッチＳ０３の出力シングルコア光ファイバと１ｘＮの光スイッチＳ００の入力シングルコア光ファイバとを接続するように光スイッチを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。
　本発明は、マルチコア光ファイバＳ４又は円筒部材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、円筒部材Ｓ６の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部Ｓ１０においてスリーブＳ１９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、光スイッチＳ００及びＳ０３には、特別な除振機構を具備しておらず、フェルール、スリーブ及びミラーといった光コネクタ製品や光スイッチ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。
　また、本実施形態のように、円筒部材Ｓ６を回転させる場合は、光ファイバを回転させる際に発生する回転による切替を繰り返し行うことによって光ファイバにねじれが生じてしまう課題を解決することができる。
　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８及び図９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Ｓ１０の円筒部材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、円筒部材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Ｓ１０の篏合形態を図８に表す。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、実施形態１と同様に、フェルールＳ１５は切り欠き付きのフェルールフランジＳ２２に取り付けられ、フェルールフランジＳ２２は固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられている。円筒部材Ｓ６の外径はフェルールＳ１５の外径よりも小さくする。本実施形態に係る光結合部Ｓ１０において、円筒部材Ｓ６は、スリーブＳ１９の内径と円筒部材Ｓ６の外径との間に円筒部材ベアリングＳ３２を具備する。円筒部材Ｓ６は、円筒部材フランジＳ２３に取り付けられる。円筒部材フランジＳ２３は、フランジ回転治具Ｓ３３が取り付けられる。フランジ回転治具Ｓ３３は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられている。この際、円筒部材フランジＳ２３、固定ネジＳ２９、円筒部材ベアリングＳ３２及びフランジ回転治具Ｓ３３が回転機構Ｓ７となる。実施形態１と同様に、光結合部Ｓ１０は、フェルールフランジＳ２２及び円筒部材フランジＳ２３により、フェルールＳ１５の端面と円筒部材Ｓ６の光反射部Ｓ１７との間に間隙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Ｓ１０の光反射部Ｓ１７を正面から見た図を図９に示す。円筒部材Ｓ６の周囲に円筒部材ベアリングＳ３２が取り付けられ、円筒部材Ｓ６がスリーブＳ１９内で自由に回転できる構造となっている。
　なお、円筒部材ベアリングＳ３２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。
　本実施形態に係る円筒部材Ｓ６の回転動作について図２及び８で説明する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、本実施形態における回転機構Ｓ７が取り付けられた円筒部材Ｓ６に実施形態１と同様のアクチュエータＳ８を取り付け、制御回路Ｓ９からアクチュエータＳ８へ信号を送ることにより、アクチュエータＳ８により円筒部材Ｓ６を回転させる。そして、図８に示すように、円筒部材ベアリングＳ３２及びフランジ回転治具Ｓ３３により、円筒部材フランジＳ２３及び円筒部材Ｓ６が回転する。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、実施形態１と同様に、入力された光を出力する。本実施形態に係る光スイッチＳ００は、光反射部Ｓ１７で光を反射する際に、アクチュエータＳ８で前述したように円筒部材Ｓ６を回転させ、実施形態１と同様に、光経路を切り替えることができる。
　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。
　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：入出力シングルコア光ファイバ
Ｓ２：ファンイン又はファンアウト用光デバイス
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：円筒部材
Ｓ７：回転機構
Ｓ８：アクチュエータ
Ｓ９：制御回路
Ｓ１０：光結合部
Ｓ１１：中心コア
Ｓ１２：外周コア
Ｓ１３：コア配置半径
Ｓ１４：光ファイバクラッド径
Ｓ１５：フェルール
Ｓ１６：反射防止膜
Ｓ１７：光反射部
Ｓ１９：スリーブ
Ｓ２０：円筒部材外径
Ｓ２１：スリーブ内径
Ｓ２２：フェルールフランジ
Ｓ２３：円筒部材フランジ
Ｓ２４：スリーブ軸方向の長さ
Ｓ２５：ミラー
Ｓ２６：ミラー
Ｓ２７：光反射中心点間距離
Ｓ２８：光経路
Ｓ２９：固定ネジ
Ｓ３０：フランジベアリング
Ｓ３１：固定治具
Ｓ３２：円筒部材ベアリング
Ｓ３３：フランジ回転治具
Ｓ４０：クリアランス
Ｓ４１：中心クラッド
Ｓ４２：外周クラッド

Claims (6)

  1. 　ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コア及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周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端面の正面に配置され、前記外周コアのいずれか１つと前記中心コアとを１つの光経路として結合するミラーと、前記ミラーが固定された前記端面を持つ円筒部材と、を有する光結合部、及び、
    　前記光結合部において、前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を前記マルチコア光ファイバの軸方向に回転させ、前記光経路を切り替える回転機構を備える
    ことを特徴とする光スイッチ。
  2. 　前記光結合部は、前記マルチコア光ファイバを内蔵したフェルールと、
    　前記フェルール及び前記円筒部材が、前記マルチコア光ファイバの前記端面と前記ミラーとが向かい合うように挿入された円筒のスリーブと、をさらに備え、
    　前記円筒部材の外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間がある
    ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
  3. 　前記マルチコア光ファイバは、前記光結合部に含まれる前記端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア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又は２に記載の光スイッチ。
  4. 　前記円筒部材をベアリングを介して保持するフランジをさらに備える
    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。
  5. 　前記フェルールをベアリングを介して保持するフランジをさらに備える
    ことを特徴とする請求項２又は請求項２を引用する請求項３に記載の光スイッチ。
  6. 　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させるアクチュエータをさらに具備する
    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。
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