WO2023067677A1 - 光接続装置及びこれを用いた光スイッチ - Google Patents

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ferrule
optical
optical fiber
fixed
tip
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千里 深井
宜輝 阿部
和典 片山
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/38—Mechanical coupling means having fibre to fibre mating means

Definitions

  • the present disclosure mainly relates to an optical connection device used for switching paths of optical lines using single-mode optical fibers in an optical fiber network, and an optical switch using the same.
  • Non-Patent Document 1 Various methods have been proposed as an all-optical switch that switches the path of light as it is, as shown in Non-Patent Document 1, for example.
  • the optical fiber type mechanical optical switch which controls the butting of optical fibers or optical connectors by a motor or the like, is inferior to other methods in terms of slow switching speed, but has low loss, low wavelength dependence, and multi-port capability. It has many advantages over other methods in that it has a self-holding function that maintains the switching state when the power is lost.
  • a representative structure for this is, for example, a method of parallelly moving a stage using an optical fiber V-groove, or a method of parallelly moving or changing the angle of a mirror or prism to selectively couple an input optical fiber to a plurality of output optical fibers.
  • the center axis is aligned by inserting the ferrule into the sleeve, and the rotation axis of the shaft when the motor rotates. Due to the horizontal and vertical movement of the rotating ferrule, the rotation axis of the rotating ferrule also moves horizontally and vertically at the end face of the ferrule. is required, and there is a problem that a large amount of electric power is required. Furthermore, there is a problem that the ferrule or sleeve is damaged when a large lateral pressure is applied.
  • Non-Patent Document 2 In order to suppress signal deterioration due to reflection caused by an air layer between the fiber end faces due to the gap, a special coating is required to prevent reflection, resulting in an increase in cost.
  • Non-Patent Document 3 As another method for preventing reflection, there is also a method of obliquely polishing the ferrule end face (for example, Non-Patent Document 3).
  • obliquely polished ferrules have problems in that the ferrule end faces interfere with each other during switching by rotation, or that connection loss increases due to the need for a large gap.
  • the present disclosure aims to realize at low cost an optical switch that can be driven with stable optical characteristics against external factors with low power consumption.
  • the optical switch of the present disclosure includes: an optical connection device of the present disclosure; a rotating mechanism for rotating either one of the first ferrule and the second ferrule provided in the optical connecting device about the central axis of the first ferrule and the second ferrule.
  • the optical connection device of the present disclosure is a first ferrule in which the core centers of one or more single-core fibers are arranged on the same circumference from the center in the cross section of the ferrule; A second ferrule in which the core centers of a plurality of single-core fibers are arranged on a circumference having the same diameter as the circumference of the first ferrule on which the core centers of the single-core fibers are arranged from the center in the cross section of the ferrule.
  • a cylindrical sleeve having a predetermined gap between the outer diameters of the first ferrule and the second ferrule and the inner diameter of the hollow portion so that the ferrules can rotate.
  • the optical connection device of the present disclosure realizes low power consumption of the optical switch by suppressing an increase in frictional force due to shaking of the rotating shaft at the connecting portion of the first ferrule and the second ferrule.
  • the optical connection device of the present disclosure includes: A spring that presses the first flange of the first ferrule or the second flange of the second ferrule so as to abut the tip of the first ferrule and the tip of the second ferrule. and, The first ferrule, the second ferrule, the cylindrical sleeve, the first flange, the second flange, and the spring are arranged so that the central axes of the first ferrule and the second ferrule are aligned.
  • a retainer for holding so as to The first ferrule or the second ferrule is held by the holder so as to be movable in any direction perpendicular to the central axis within the holder and not to rotate about the central axis. It is characterized by being
  • FIG. 1 shows an example of a usage pattern of an optical switch of the present disclosure
  • 1 is a configuration diagram of an optical switch using an optical connection device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical connection device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic front view of an end portion of a stationary ferrule according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic front view of an end portion of a rotation-side ferrule according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a ferrule and a cylindrical sleeve of the optical connection device according to the embodiment of the present disclosure in a plane along the longitudinal direction; An example of the relationship between excess loss and the clearance between the ferrule outer diameter and the sleeve inner diameter is shown.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing in more detail the vicinity of the end of the ferrule of the optical connecting device according to the embodiment of the present disclosure; An example of the relationship between the angle formed by the tip portion and the annular portion and the amount of return loss is shown. 1 shows an example of the relationship of excess loss to optical fiber gap. An example of the relationship between the core arrangement radius and the excess loss due to rotational angle deviation is shown.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a ferrule and a cylindrical sleeve of the optical connection device according to the embodiment of the present disclosure in a plane along the longitudinal direction; An example of the relationship between excess loss and the clearance between the ferrule outer diameter and the sleeve inner diameter is shown
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of the inside of the fixed-side flange holding portion according to the first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross section of the inside of a fixed-side flange holding portion according to a second embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of the present disclosure.
  • the present disclosure switches the input-side optical fiber S1 connected to the front-stage optical switch configuration part S5 to a specific port of the inter-switch optical fiber S2 in the front-stage optical switch configuration part S5 to switch the port of the inter-switch optical fiber S2. can be switched to a desired output side optical fiber S4 in the post-stage optical switch structure S3.
  • the optical switch of the present disclosure is an optical switch corresponding to the front-stage optical switch configuration section S5 and the rear-stage optical switch configuration section S3.
  • the optical switch of the present disclosure includes the optical connection device of the present disclosure.
  • the front-stage optical switch-forming section S5 is abbreviated as the optical switch S5
  • the rear-stage optical switch-forming section S3 is abbreviated as the optical switch S3.
  • light enters from the input side optical fiber S1 and exits from the output side optical fiber S4, but the direction of the light may be reversed. Since the optical switch S5 and the optical switch S3 have a relationship of left-right reversal and have the same configuration, the detailed configuration will be described using the optical switch S5 below.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of an optical switch S5 using the disclosed optical connection device.
  • the optical switch includes a holder S7, a rotary flange S6, a rotary mechanism S10, and an actuator S11 in order from the fixed optical fiber S8 side.
  • the fixed-side optical fiber S8 corresponds to the input-side optical fiber S1 shown in FIG. 1
  • the rotating-side optical fiber S9 corresponds to the inter-switch optical fiber S2 shown in FIG.
  • the actuator S11 rotates by an arbitrary angle according to a signal from the control circuit S12.
  • the rotation-side flange S6 rotates when the output of the actuator S11 is transmitted via the rotation mechanism S10.
  • the actuator S11 and the rotating mechanism S10 have a hollow structure, and the rotating optical fiber S9 can be passed through the hollow portions of the actuator S11 and the rotating mechanism S10 in order to transmit the rotational force directly to the rotating flange S6.
  • a motor for example, is used for the actuator S11, and the rotating mechanism S10 is configured by the shaft of the motor.
  • FIG. 2 shows an example of the hollow actuator S11 and the rotation mechanism S10. can also be used.
  • the rotation-side optical fiber S9 may be provided with a constant extra length to allow twisting due to rotation.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an optical connection device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the optical connection device included in the optical switch S5 according to this embodiment includes a fixed-side ferrule S13 to which a fixed-side flange (not shown) is attached, a rotating-side ferrule S14 to which a rotating-side flange S6 is attached, and a fixed-side ferrule.
  • the cylindrical sleeve S15 into which the ferrule S13 and the ferrule S14 on the rotating side are inserted and the spring S17 are held by a holder S7 so that the central axes of the ferrule S13 on the fixed side and the ferrule S14 on the rotating side (reference character Ac shown in FIG. 8) coincide with each other. be.
  • the fixed-side flange holding portion S16 is slidable within the holder S7 in a direction in which the fixed-side ferrule S13 is pressed against the rotary-side ferrule S14, that is, in a direction parallel to the central axis. Further, the fixed-side flange holding portion S16 is provided with a groove that engages with the flange holding portion fixing projection portion S18. The grooves of the fixed-side flange holding portion S16 are engaged with the flange-holding-portion-fixing projections S18 so that the fixed-side flange holding portion S16 is prevented from rotating about the central axis of the fixed-side ferrule S13 and the rotary-side ferrule S14. is fixed to the holder S7.
  • the spring S17 applies pressure to the outer frame portion (symbol S27 described later) of the fixed-side flange holding portion S16 so that the tips of the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 abut against each other.
  • the end surfaces of the fixed-side ferrule S13 and the rotary-side ferrule S14 are brought into contact with each other by being pressed by a spring S17 attached to the fixed-side flange holding portion S16.
  • the rotation-side ferrule S14 and the rotation-side flange S6 may be provided with bearings or low-friction processing.
  • the fixed-side optical fiber S8 corresponds to the input-side optical fiber S1 in FIG. 1, and the rotating-side optical fiber S9 corresponds to the inter-optical switch optical fiber S2 in FIG.
  • the fixed-side ferrule S13 is fixed, and by rotating the rotary-side ferrule S14, the fixed-side optical fiber S8 is connected to any one fiber of the rotary-side optical fiber S9, and is incident.
  • This optical switch is capable of outputting the light from one core of the rotating side optical fiber S9, and can be used as a 1.times.N relay type optical switch.
  • any one core of the rotation-side optical fiber S9 is connected to the fixed-side optical fiber S8 by rotating the rotation-side ferrule S14, Only one light selected from a plurality of incident lights can be output from the fixed-side optical fiber S8.
  • the fixed side optical fiber S8 is one core, it is also possible to arrange a plurality of optical fibers. Also, although the fixed-side optical fiber S8 is one core and the rotating-side optical fiber S9 is multiple cores, it is also possible to use one rotating-side optical fiber S9 and multiple fixed-side optical fibers S8. is. In this case, the fixed-side optical fiber S8 corresponds to the inter-optical-switch optical fiber S2 in FIG. 1, and the rotating-side optical fiber S9 corresponds to the input-side optical fiber S1 in FIG.
  • An optical switch S5 having one fixed-side optical fiber S8 and a plurality of rotating-side fibers S9 will be described below.
  • FIG. 4 is a schematic front view of the end of the stationary ferrule S13 according to the embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 4, the center of the core of the fixed-side optical fiber S8 is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center of the fixed-side ferrule S13.
  • FIG. 5 is a schematic front view of the end of the rotation-side ferrule S14 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the core centers of the plurality of rotation-side optical fibers S9 are arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center of the rotation-side ferrule S14.
  • FIG. 5 shows an example in which a total of eight rotation-side optical fibers S9 are arranged.
  • the rotation-side optical fiber S9 is arranged in an annular portion S20 arranged outside the distal end portion S19, similarly to the fixed-side optical fiber S8.
  • the end surface of the rotation-side optical fiber S9 is exposed at the annular portion S20.
  • the fixed-side optical fiber S8 and the rotating-side optical fiber S9 are made of silica glass, but they are not limited to this as long as they are optical fibers capable of communicating signal light in the communication wavelength band.
  • the tip portions S19 of the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 are flat surfaces is shown, but the tip portions S19 do not need to be flat.
  • One of the ferrules S14 on the rotation side may be formed into a convex shape, and the other may be formed into a concave shape that is in close contact with the convex shape.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the ferrule and the cylindrical sleeve of the optical connection device according to the embodiment of the present disclosure on the surface along the longitudinal direction.
  • the cylindrical sleeve S15 has a hollow portion into which the stationary ferrule S13 and the rotating ferrule S14 are inserted.
  • the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 are arranged such that the center axes Ac thereof coincide with each other.
  • a predetermined gap is provided between each outer diameter of the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 and the inner diameter of the hollow portion so that the rotating-side ferrule S14 can rotate about the central axis Ac.
  • a cylindrical sleeve S15 in which the fixed-side ferrule S13 into which the fixed-side optical fiber S8 is inserted and the rotating-side ferrule S14 into which the rotating-side optical fiber S9 is inserted have an inner diameter that is one size larger than the ferrule outer diameter S23 of the order of sub ⁇ m. and controls misalignment within a certain allowable range. Further, in order not to hinder axial rotation of the rotating ferrule S14, a small clearance C of about sub- ⁇ m is provided for the stationary ferrule S13 and the rotating ferrule S14.
  • the longitudinal length of the cylindrical sleeve S15 is equal to the longitudinal length of the fixed ferrule S13 and the longitudinal length of the rotary ferrule S14. , that is, the distance between the fixed-side flange S22 and the rotating-side flange S6.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the relationship between the clearance C of the ferrule outer diameter S23 of the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 and the sleeve inner diameter S24 of the cylindrical sleeve S15 and the excess loss Tc.
  • misalignment of fiber cores causes excess loss. Since an increase in excess loss is a factor that limits the total length of the optical path, it is necessary to reduce the axis deviation of the fiber core.
  • Equation 1 the relationship between the clearance C (unit: ⁇ m) between the ferrule outer diameter S23 and the sleeve inner diameter S24 and the excess loss Tc (unit: dB) is It can be expressed in Equation 1.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the mode field radii (unit: ⁇ m) of the cores of the fixed-side optical fiber S8 and the rotating-side optical fiber S9, respectively.
  • FIG. 7 shows the loss when the mode field radii ⁇ 1 and ⁇ 2 of the cores of the fixed-side optical fiber S8 and the rotating-side optical fiber S9 are both 4.5 ⁇ m.
  • the maximum excess loss can be suppressed to about 0.1 dB or less.
  • the maximum excess loss is set to 0.2 dB, it is necessary to process the ferrule outer diameter S23 and the sleeve inner diameter S24 so that the clearance C is 1 ⁇ m or less.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing in more detail the vicinity of the end of the ferrule of the optical connecting device according to the embodiment of the present disclosure.
  • the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 have convex ends protruding toward the central axis Ac.
  • the fixed-side ferrule S13 and the rotating-side ferrule S14 are butted against each other at their tip portions S19.
  • FIG. 8 shows an example in which the tip portion S19 is a flat surface with a diameter Df perpendicular to the central axis Ac.
  • the fixed-side optical fiber S8 and the rotary-side optical fiber S9 are arranged in the annular portions S20 of the fixed-side ferrule S13 and the rotary-side ferrule S14, and their end faces are exposed.
  • the end faces of the fixed-side optical fiber S8 and the rotary-side optical fiber S9 are recessed from the tip portion S19 in order to prevent their end faces from coming into contact with each other and being damaged during switching by rotation.
  • the angle ⁇ between the tip portion S19 and the annular portion S20 is controlled in order to suppress deterioration of signal characteristics due to reflection.
  • the end surface of the ring portion S20 is shown in FIG. 8 as an example in which it is formed linearly in the direction retreating from the tip portion S19, but the ring portion S20 does not need to be linear. Instead, for example, it may have a spherical shape.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the relationship between the angle ⁇ of the annular portion S20 with respect to the tip portion S19 and the return loss amount R.
  • FIG. 8 In the optical connection device, if there is a region with a different refractive index between the end face of the fixed-side optical fiber S8 and the end face of the rotary-side optical fiber S9, the signal characteristics are degraded due to reflection. In the configuration of the present disclosure shown in FIG. 8, there is a gap G between the end face of the fixed-side optical fiber S8 and the end face of the rotating-side optical fiber S9, and since silica glass and air have different refractive indices, it is necessary to reduce reflection. is necessary. In the present disclosure, reflection is reduced by controlling the angle ⁇ of the ring portion S20.
  • Equation (2) The relationship between the angle ⁇ (unit: degree) of the annular portion S20 with respect to the tip portion S19 and the return loss amount R (unit: dB) can be expressed by Equation (2).
  • n 1 , ⁇ 1 , and ⁇ are the refractive index of the optical fiber, the mode field radius of the optical fiber core (unit: ⁇ m), and the wavelength of propagating light in vacuum (unit: ⁇ m), respectively.
  • R 0 is the amount of return loss at the flat end surface, which can be expressed by Equation (3).
  • n2 is the refractive index of the receiving medium.
  • the return loss R 0 at the flat end face is 14.7 dB.
  • a return loss R of 40 dB or more can be maintained.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the relationship between the gap G and the excess loss TG .
  • the fixed-side optical fiber S8 Since the distribution of emitted light spreads and the coupling efficiency with the core of the rotation-side optical fiber S9 decreases, it becomes a factor of excessive loss.
  • Equation 4 The relationship between the gap G (unit: ⁇ m) and the excess loss T G (unit: dB) can be expressed by Equation 4.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the mode field radii of the cores of the fixed-side optical fiber S8 and the rotating-side optical fiber S9, respectively.
  • FIG. 10 shows the loss when the mode field radii of the cores of the fixed-side optical fiber S8 and the rotating-side optical fiber S9 are both 4.5 ⁇ m.
  • the excess loss can be suppressed to 0.1 dB or less by adjusting the gap G between the end face of the fixed-side optical fiber S8 and the end face of the rotary-side optical fiber S9 to be 20 ⁇ m or less.
  • the actuator S11 is a driving mechanism that rotates in arbitrary angular steps according to a pulse signal from the control circuit S12 and has a constant static torque for each angular step.
  • a stepping motor is used.
  • the actuator S11 rotates in arbitrary angular steps according to the pulse signal from the control circuit S12, and other methods may be used as long as the drive mechanism has a constant static torque for each angular step. .
  • the rotation speed and rotation angle are determined by the period and number of pulses of the pulse signal from the control circuit 12, and the angle step and static torque may be adjusted via a reduction gear.
  • the rotating ferrule S14 in the optical connection device is designed to rotate about the central axis Ac. It has the characteristic that it is given. As a result, an optical switch with low power consumption is provided that has a self-holding function that does not require power when it is stationary after switching, and can reduce the driving energy when switching the optical path as much as possible. It is possible to
  • the number of static angle steps is the number of cores having the same core arrangement radius Rcore of the rotation-side optical fiber S9. It is characterized by being a natural number multiple.
  • T R (unit: dB) is the excess loss due to the rotation angle deviation in the optical connection device
  • ⁇ (unit: degree) is the rotation angle deviation related to the stationary angle accuracy of the stepping motor
  • Rcore (unit: ⁇ m) is the core arrangement radius
  • FIG. 11 shows an example of the relationship between the core arrangement radius Rcore and the excess loss TR due to rotational angle deviation.
  • the angular accuracy of a stepping motor is about 3 to 5%, and in FIG. 11, the rotation angle deviation ⁇ is set to 0.05 degrees.
  • the larger the core arrangement radius Rcore the larger the excess loss, and the more severe the static angle accuracy is required.
  • the core arrangement radius Rcore must be 800 ⁇ m or less. Excess loss can also be reduced when using optical fibers with larger mode field radii.
  • the stationary ferrule S13 needs to be stationary with respect to the rotation angle direction. Furthermore, when the rotating mechanism S10 shown in FIG. 2 moves horizontally and vertically with respect to the cross section when it rotates, for example, like the shaft of a motor, the rotating ferrule moves horizontally and vertically with respect to the ferrule end face. Therefore, a mechanism for moving the stationary ferrule S13 horizontally and vertically following the rotating ferrule S14 is required.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a cross section inside the fixed-side flange holding portion S16 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the fixed-side flange S26 is provided with grooves on the upper and lower sides, respectively, and the interference portion S25 is provided with protrusions so as to mesh with the grooves provided on the upper and lower sides of the fixed-side flange S26.
  • a clearance is provided between the upper and lower portions of the fixed side flange S26 and the interference portion S25, and the fixed side flange S26 can move up and down (perpendicular to the ferrule end face).
  • the interference portion S25 is provided with grooves on the left and right sides, respectively, and the outer frame portion S27 is provided with protrusions so as to mesh with the grooves provided on the left and right sides of the interference portion S25.
  • a gap is provided between the left and right portions of the interference portion S25 and the outer frame portion S27, and the interference portion S25 can move left and right (horizontally on the ferrule end surface).
  • the fixed-side flange S26 and the interference part S25 are each provided with a set of grooves and projections vertically, but the number of grooves and projections is not limited to this as long as they can move vertically.
  • the interference portion S25 and the outer frame portion S27 are each provided with a pair of grooves and protrusions on the left and right sides, but the number of grooves and protrusions is not limited to this as long as they can move left and right.
  • the fixed-side flange S26 moves vertically and the interference portion S25 moves horizontally
  • the end surface of the fixed-side ferrule S13 can move vertically and horizontally (horizontally and vertically), and the movement is not limited to this.
  • grooves are provided on the left and right of the fixed-side flange S26 to move it left and right
  • grooves are provided on the upper and lower sides of the interference portion S25 to move up and down, thereby moving the end surface of the fixed-side ferrule S13 vertically and horizontally (horizontally and vertically).
  • a moving shape may be used.
  • the fixed-side flange S26 has a circular groove, it may have a shape other than a circular shape as long as it can move up and down. In this way, by limiting the range of movement of the fixed-side flange S26, the interference portion S25, and the outer frame portion S27 with the vertical and horizontal grooves and projections, the end face of the fixed-side ferrule S13 can move horizontally and vertically, and , can be held against rotation about the ferrule axis.
  • This disclosure is The end faces of two ferrules in which the single-core fibers are arranged parallel to the central axis Ac and at the same distance from the central axis Ac are butted so that the central axes Ac are aligned,
  • the flange attached to one of the ferrules is held by a holder so as to be movable horizontally and vertically with respect to the ferrule end face and not to rotate around the central axis Ac; While abutting the two ferrule end faces with a spring, The other ferrule is rotated around the central axis Ac.
  • the ends of the two ferrules are convex, and the tips S19 of the ends of the two ferrules are brought into contact with each other so that the central axes of the two ferrules are aligned. are not in contact with each other, and it is possible to prevent degradation of optical characteristics such as connection loss due to scratches on the end face of the optical fiber due to contact.
  • the amount of reflection of light can be reduced by making the end faces of the optical fibers facing each other nonparallel, a more economical optical connection device and an optical switch using the same can be provided without requiring a reflective coating. can do.
  • one of the input side and the output side of the optical connection device that performs optical switching is a mechanism that can rotate about an axis. It is possible to reduce power consumption. Further, since the amount of optical axis deviation in directions other than the axial rotation of the rotating ferrule S14 is guaranteed by the cylindrical sleeve S15, loss can be reduced.
  • the present disclosure does not have a collimator or a special anti-vibration mechanism, and is compact and economical because it is composed of generally and widely used optical connection parts such as ferrules and sleeves.
  • the present disclosure provides an optical connection device and an optical switch using the same that can achieve stable optical characteristics against external factors such as temperature and vibration with low power consumption and more economically. is possible.
  • optical lines using single-mode optical fibers in optical fiber networks it can be used as an optical switch for switching paths in any facility regardless of location.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a cross section inside the fixed-side flange holding portion S16 according to the embodiment of the present disclosure.
  • Springs S30 are provided on the top, bottom, left, and right of the fixed side flange S28, respectively, and fixed to the inside of the outer frame portion S29, so that the rotating side ferrule can follow the horizontal and vertical movement of the shaft of the motor, for example. , the fixed side ferrule can also move horizontally and vertically on the ferrule end face.
  • two springs S30 are provided on each of the upper, lower, left, and right sides of the fixed flange S28. , and should be stationary in the direction of the rotation angle, and the number thereof is not limited to this. Moreover, the members attached to the upper, lower, left, and right sides of the fixed-side flange S28 may be elastic bodies, and for example, rubber may be used instead of springs.
  • optical connection device according to the present disclosure and the optical switch using the same can be applied to the optical communication industry.

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  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

本開示は、本開示は、外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で駆動可能な光スイッチを低コストで実現可能にすることを目的とする。　本開示は、第１のフェルールと第２のフェルールを接続する光接続装置であって、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが挿入される円筒スリーブと、前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とを突き当てるスプリングと、前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記円筒スリーブ及び前記スプリングを保持する保持具を備え、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが、前記保持具内で前記中心軸に垂直な任意の方向に移動可能であり、かつ、前記中心軸を中心に回転しないように前記保持具に保持されていることを特徴とする光接続装置である。

Description

光接続装置及びこれを用いた光スイッチ
　本開示は、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接続装置及びこれを用いた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として、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などがある。
　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）方式が提案されており、これにより、レンズやプリズム等の光学部品を不要とし、光スイッチ構成の簡略化が可能となる。
　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モータによって回転させて切り替えを行う光経路切替では、フェルールがスリーブに挿入することにより中心軸を合わせており、モータ回転時にシャフトの回転軸が水平及び垂直に動くことによって、回転するフェルールの回転軸もフェルールの端面において水平及び垂直に動くため、フェルールとスリーブ間に過剰な側圧が生じ、摩擦力が増大し、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問題があった。さらに、大きな側圧が加わると、フェルールまたはスリーブが破損してしまうという問題があった。また、フェルールが回転する際に、向かい合うファイバ端面に傷をつけて接続損失などの光学特性の劣化を防ぐ目的で、フェルールが回転するたびにフェルール端面を引き離す機構が必要であり、回転の駆動に余計なエネルギーを要してしまうという問題があった。
　一方、光ファイバを挿入した円筒フェルールにおいて、あらかじめ間隙を設けてファイバ接触を行わない接続形態（例えば、非特許文献２）により接触によるファイバ端面の傷を防止する方法もある。しかし、間隙によりファイバ端面間に生じる空気層を原因とした反射による信号劣化を抑制するため、反射を防止するための特殊コーティングが必要となり、コストが増加するという問題があった。
　また、反射を防止するための別の方法として、フェルール端面を斜めに研磨する方法（例えば、非特許文献３）もある。しかし、斜めに研磨したフェルールでは、回転による切替の際にフェルール端面の干渉が発生する、または、大きな間隙を要するために接続損失が大きくなってしまうという問題があった。
特開平２－８２２１２号公報
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． Ｂ．Ｊｉａｎ，"Ｔｈｅ　Ｎｏｎ－Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ：Ａ　Ｎｅｗ　Ｃａｔｅｇｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ，"　２０１５　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＯＦＣ），Ｗ２Ａ．１，２０１５． 荒生　肇、矢加部　祥、上原　史也、佐々木　大、島津　貴之、"低損失／低嵌合力を特徴とする耐ダスト光多心コネクタＦｌｅｘＡｉｒＣｏｎｎｅｃＴ，"　２０１８　年７　月・ＳＥＩテクニカルレビュー、第１９３号、ｐｐ．２６－３１、２０１８．
　前記問題を解決するために、本開示は、外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で駆動可能な光スイッチを低コストで実現可能にすることを目的とする。
　本開示の光スイッチは、
　本開示の光接続装置と、
　前記光接続装置に備わる第１のフェルール及び第２のフェルールのどちらか一方を、１のフェルール及び第２のフェルールの中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する。
　本開示の光接続装置は、
　フェルール断面において中心から同一の円周上に一または複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
　フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが挿入される中空部を有し、前記第１のフェルールまたは前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒のスリーブと、を備える。
　本開示の光接続装置は、第１のフェルール及び第２のフェルールの接続部分における回転軸のブレによる摩擦力の増加を抑制することで、光スイッチの低消費電力化を実現する。
　具体的には、本開示の光接続装置は、
　前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とを突き当てるように、前記第１のフェルールの第１のフランジ又は前記第２のフェルールの第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
　前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記円筒スリーブ、前記第１のフランジ、前記第２のフランジ、及び前記スプリングを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具と、を備え、
　前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが、前記保持具内で前記中心軸に垂直な任意の方向に移動可能であり、かつ、前記中心軸を中心に回転しないように前記保持具に保持されていることを特徴とする。
　本開示によれば、第１のフェルール及び第２のフェルールの接続部分における回転軸のブレによる摩擦力の増加を抑制するため、外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で駆動可能な光スイッチを、低コストで提供することができる。
本開示の光スイッチの使用形態の一例を示す。 本開示の実施形態に係る光接続装置を用いた光スイッチの構成図である。 本開示の実施形態に係る光接続装置の構成図である。 本開示の実施形態に係る固定側フェルールの端部を正面から表した模式図である。 本開示の実施形態に係る回転側フェルールの端部を正面から表した模式図である。 本開示の実施形態に係る光接続装置のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。 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。 本開示の実施形態に係る光接続装置のフェルールの端部近傍をより詳細に示した模式図である。 先端部と円環部とがなす角度と反射減衰量の関係の一例を示す。 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。 コア配置半径に対する回転角度ずれによる過剰損失の関係の一例を示す。 本開示の第１の実施形態に係る固定側フランジ保持部の内部の断面を表した模式図である。 本開示の第２の実施形態に係る固定側フランジ保持部の内部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）
　図１は本開示の実施形態の一例を示す図である。本開示は、前段光スイッチ構成部Ｓ５に接続された入力側光ファイバＳ１を、前段光スイッチ構成部Ｓ５において光スイッチ間光ファイバＳ２の特定のポートに切り替えて、光スイッチ間光ファイバＳ２のポートを、後段光スイッチ構成部Ｓ３において所望の出力側光ファイバＳ４に切り替えることを可能とする。
　本開示の光スイッチは、前段光スイッチ構成部Ｓ５及び後段光スイッチ構成部Ｓ３に該当する光スイッチである。本開示の光スイッチは、本開示の光接続装置を備える。以下、前段光スイッチ構成部Ｓ５を光スイッチＳ５と、後段光スイッチ構成部Ｓ３を光スイッチＳ３と略記する。本実施形態は、光が入力側光ファイバＳ１から入射され、出力側光ファイバＳ４へ出射する形態を説明するが、光の方向は逆でもよい。光スイッチＳ５と光スイッチＳ３は左右反転の関係にあり、構成が同一であるため、以下、光スイッチＳ５を用いて詳細な構成を示す。
　図２は本開示光接続装置を用いた光スイッチＳ５の一例を示す構成図である。光スイッチは、固定側光ファイバＳ８側から順に、保持具Ｓ７、回転側フランジＳ６、回転機構Ｓ１０、アクチュエータＳ１１を備える。固定側光ファイバＳ８が図１に示す入力側光ファイバＳ１に対応し、回転側光ファイバＳ９が図１に示す光スイッチ間光ファイバＳ２に対応する。
　アクチュエータＳ１１は制御回路Ｓ１２からの信号により任意の角度回転を行う。回転側フランジＳ６は、アクチュエータＳ１１の出力が回転機構Ｓ１０を介して伝達されることにより回転する。図２では回転側フランジＳ６に直接回転動力を伝えるため、アクチュエータＳ１１及び回転機構Ｓ１０は中空構造とし、回転側光ファイバＳ９はアクチュエータＳ１１及び回転機構Ｓ１０の中空部分に通すことができる。
　アクチュエータＳ１１には、例えば、モータが用いられ、この時回転機構Ｓ１０はモータのシャフトによって構成される。また、図２では中空のアクチュエータＳ１１と回転機構Ｓ１０の例を示したが、例えば、回転側フランジＳ６と回転機構Ｓ１０の間に歯車を設置することにより、中空ではないアクチュエータＳ１１と回転機構Ｓ１０を用いることもできる。回転側光ファイバＳ９には回転によるねじれを許容するための一定の余長部を設けてもよい。
　図３は本開示の実施形態に係る光接続装置の構成図である。本実施形態に係る光スイッチＳ５が有する光接続装置は、固定側フランジ（図示せず）が取り付けられた固定側フェルールＳ１３と、回転側フランジＳ６が取り付けられた回転側フェルールＳ１４と、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４が挿入された円筒スリーブＳ１５と、スプリングＳ１７が、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の中心軸（図８に示す符号Ａｃ）が一致するように保持具Ｓ７によって保持される。
　固定側フランジ保持部Ｓ１６は、保持具Ｓ７内で、固定側フェルールＳ１３を回転側フェルールＳ１４に押しつける方向すなわち中心軸に平行な方向にスライド可能である。また固定側フランジ保持部Ｓ１６は、フランジ保持部固定用突起部Ｓ１８とかん合する溝が設けられている。固定側フランジ保持部Ｓ１６の溝がフランジ保持部固定用突起部Ｓ１８とかん合することによって、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の中心軸を中心に軸回転しないように固定側フランジ保持部Ｓ１６が保持具Ｓ７に固定される。
　スプリングＳ１７は、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の先端部を突き当てるように、固定側フランジ保持部Ｓ１６の外枠部（後述する符号Ｓ２７）に押圧を加える。固定側フランジ保持部Ｓ１６に取り付けられたスプリングＳ１７によって押圧を加えられることによって、固定側フェルールＳ１３と回転側フェルールＳ１４の端面同士が突き合わされる。回転側フェルールＳ１４、並びに回転側フランジＳ６において、回転のための駆動力を低減するために、ベアリングや低摩擦加工を施してもよい。
　固定側光ファイバＳ８は図１の入力側光ファイバＳ１に対応し、回転側光ファイバＳ９は図１の光スイッチ間光ファイバＳ２に対応する。固定側光ファイバＳ８から光を入射した場合、固定側フェルールＳ１３が固定され、回転側フェルールＳ１４を回転させることで固定側光ファイバＳ８を回転側光ファイバＳ９の任意の１心と接続させ、入射した光を回転側光ファイバＳ９の１心から出力させることのできる光スイッチであり、１×Ｎのリレー型光スイッチとして使用できるものである。
　逆に、回転側光ファイバＳ９から光を入射することも可能である。例えば、回転側光ファイバＳ９のうちの複数のシングルコアファイバに光を入射し、回転側フェルールＳ１４を回転させることで回転側光ファイバＳ９の任意の１心を固定側光ファイバＳ８と接続させ、入射した複数の光の中から選択した１つの光のみを固定側光ファイバＳ８から出力することができる。
　また、図１のように、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が可能である。ここで、固定側光ファイバＳ８を１心としたが、複数の光ファイバを配置することも可能である。また、固定側光ファイバＳ８を１心とし、回転側光ファイバＳ９を複数心とすることとしたが、回転側光ファイバＳ９を１心とし、固定側光ファイバＳ８を複数心とすることも可能である。この場合、固定側光ファイバＳ８は図１の光スイッチ間光ファイバＳ２に対応し、回転側光ファイバＳ９は図１の入力側光ファイバＳ１に対応する。以下では、固定側光ファイバＳ８を１心とし、回転側ファイバＳ９を複数心とする光スイッチＳ５について説明する。
　図４は本開示の実施形態に係る固定側フェルールＳ１３の端部を正面から表した模式図である。図４に示すように固定側光ファイバＳ８のコア中心が固定側フェルールＳ１３の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。
　図４では１心の固定側光ファイバＳ８がｙ軸（ｘ＝０）上に配置された例を挙げているが、固定側光ファイバＳ８のコア中心がコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に配置されていればよく、これに限らない。また、固定側光ファイバＳ８は先端部Ｓ１９の外側に配置された円環の円環部Ｓ２０に配置されている。さらに、固定側光ファイバＳ８の端面は、円環部Ｓ２０に露出している。
　図５は本開示の実施形態に係る回転側フェルールＳ１４の端部を正面から表した模式図である。図に示すように複数の回転側光ファイバＳ９のそれぞれのコア中心が回転側フェルールＳ１４の中心に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置されていることを特徴とする。図５では合計８つの回転側光ファイバＳ９が配置された例を挙げているが、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを有する円の円周上に複数の回転側光ファイバＳ９のコア中心が配置されていればよく、これに限らない。また、回転側光ファイバＳ９は、固定側光ファイバＳ８と同様に、先端部Ｓ１９の外側に配置された円環の円環部Ｓ２０に配置されている。さらに、回転側光ファイバＳ９の端面は、円環部Ｓ２０に露出している。
　固定側光ファイバＳ８と回転側光ファイバＳ９の接続における透過損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側光ファイバＳ９の各コアは、固定側光ファイバＳ８のコアと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、軸ずれによる過剰損失をできるだけ小さくすることが重要であり、回転側フェルールＳ１４のフェルール外径Ｓ２１は、固定側フェルールＳ１３のフェルール外径Ｓ２１と同程度である方が望ましい。
　本実施形態では、固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９は石英ガラスで形成されることとするが、通信波長帯の信号光を通信可能な光ファイバであればよく、これに限らない。なお、本実施形態では、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の先端部Ｓ１９がフラット形状の面である例を示すが、先端部Ｓ１９はフラット形状である必要はなく、例えば、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４のうち一方を凸形状とし、もう一方を凸形状と密着する凹形状にしてもよい。
　図６は本開示の実施形態に係る光接続装置のフェルール及び円筒スリーブを長手方向に沿った面で表した模式図である。円筒スリーブＳ１５は中空部を有し、中空部に固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４が挿入される。このとき、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の中心軸Ａｃが一致するように配置される。
　中心軸Ａｃを中心に回転側フェルールＳ１４が回転可能なように、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の各外径と中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている。固定側光ファイバＳ８を挿入した固定側フェルールＳ１３と、回転側光ファイバＳ９を挿入した回転側フェルールＳ１４とが、それらのフェルール外径Ｓ２３に対してサブμｍ程度一回り大きい内径を有する円筒スリーブＳ１５で調心されており、軸ずれを一定許容範囲に制御している。また、回転側フェルールＳ１４の軸回転を妨げないようにするために、サブμｍ程度の僅かなクリアランスＣを固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４に対して設けている。
　また、固定側フェルールＳ１３と回転側フェルールＳ１４の端面同士を突き合わせるため、円筒スリーブＳ１５の長手方向の長さは、固定側フェルールＳ１３の長手方向の長さと回転側フェルールＳ１４の長手方向の長さを足し合わせた長さ、つまり、固定側フランジＳ２２と回転側フランジＳ６の間の距離よりも短く設定される。
　図７は固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４のフェルール外径Ｓ２３と円筒スリーブＳ１５のスリーブ内径Ｓ２４のクリアランスＣに対する過剰損失Ｔｃの関係の一例を示す図である。光ファイバ間の光結合において、ファイバコアの軸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、ファイバコアの軸ずれを小さくすることが必要となる。
　フェルール外径Ｓ２３とスリーブ内径Ｓ２４のクリアランスＣはファイバコアの軸ずれに相当するため、フェルール外径Ｓ２３とスリーブ内径Ｓ２４のクリアランス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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここでω１及びω２はそれぞれ固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイＳ９のコアのモードフィールド半径（単位：μｍ）である。
　図７では、固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９コアのモードフィールド半径ω１及びω２が、ともに４．５μｍの時の損失を示す。例えば、クリアランスＣが０．７μｍ以下となるように、フェルール外径Ｓ２３及びスリーブ内径Ｓ２４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Ｃが１μｍ以下になるようにフェルール外径Ｓ２３とスリーブ内径Ｓ２４を加工する必要がある。
　図８は本開示の実施形態に係る光接続装置のフェルールの端部近傍をより詳細に示した模式図である。固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の端部は、中心軸Ａｃに近づくに従って突出する凸形状である。固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４はそれぞれの先端部Ｓ１９で突き合わされている。図８では、先端部Ｓ１９が中心軸Ａｃに垂直な直径Ｄｆのフラット面である例を示す。
　固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９は、前述したように、固定側フェルールＳ１３及び回転側フェルールＳ１４の円環部Ｓ２０に配置されており、端面が露出している。固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９は、回転による切り替えの際にそれぞれの端面が接触して傷つくことを防止するため、端面が先端部Ｓ１９より後退している。
　また、固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９の端面では、反射による信号特性劣化を抑制するため、先端部Ｓ１９と円環部Ｓ２０とがなす角度θが制御されている。なお、本実施形態では、円環部Ｓ２０の端面は、図８において、先端部Ｓ１９から後退する方向に直線状に形成されている例を示すが、円環部Ｓ２０は直線形状である必要はなく、例えば、球面形状にしてもよい。
　図９は先端部Ｓ１９に対する円環部Ｓ２０の角度θと反射減衰量Ｒの関係の一例を示す図である。光接続装置において、固定側光ファイバＳ８の端面と回転側光ファイバＳ９の端面との間に屈折率の異なる領域があると反射によって信号特性が劣化する。図８に示す本開示の構成において、固定側光ファイバＳ８の端面と回転側光ファイバＳ９の端面の間に間隙Ｇがあり、石英ガラスと空気は屈折率が異なるため、反射を低減する工夫が必要である。本開示では円環部Ｓ２０の角度θを制御することにより、反射を低減することとしている。
　先端部Ｓ１９に対する円環部Ｓ２０の角度θ（単位：度）と反射減衰量Ｒ（単位：ｄＢ）の関係は数２に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここでｎ１、ω１、λはそれぞれ光ファイバの屈折率、光ファイバコアのモードフィールド半径（単位：μｍ）、伝搬光の真空中での波長（単位：μｍ）である。また、Ｒ０はフラット端面での反射減衰量であり、数３に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここでｎ２は受光媒体の屈折率である。
　本実施形態では、波長λが１３１０ｎｍでモードフィールド半径ω１が４．５μｍの場合に、フラット端面での反射減衰量Ｒ０が１４．７ｄＢであり、例えば、先端部Ｓ１９に対する円環部Ｓ２０の角度を５度以上にすることによって、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを保持することができる。
　図１０は間隙Ｇに対する過剰損失ＴＧの関係の一例を示す図である。固定側光ファイバＳ８と回転側光ファイバＳ９との間の光結合において、固定側光ファイバＳ８の端面と回転側光ファイバＳ９の端面との間に間隙Ｇが存在すると、固定側光ファイバＳ８の出射光の分布が広がり、回転側光ファイバＳ９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。
　間隙Ｇ（単位：μｍ）と過剰損失ＴＧ（単位：ｄＢ）の関係は数４に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　ここでω１及びω２はそれぞれ固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９のコアのモードフィールド半径である。
　図１０では固定側光ファイバＳ８及び回転側光ファイバＳ９のコアのモードフィールド半径が、ともに４．５μｍの時の損失を示す。例えば、固定側光ファイバＳ８の端面と回転側光ファイバＳ９の端面との間の間隙Ｇが２０μｍ以下となるように調整することによって、過剰損失を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。
　次に、図２におけるアクチュエータＳ１１と図４で述べた固定側フェルールＳ１３、並びに図５で述べた回転側フェルールＳ１４に係る要件について説明する。アクチュエータＳ１１には、制御回路Ｓ１２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Ｓ１１は、制御回路Ｓ１２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１２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、光接続装置における回転側フェルールＳ１４は中心軸Ａｃを中心に軸回転するように設計されているため、回転側フェルールＳ１４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Ｓ１１によって付与されるものであるという特徴を有する。これにより、切り替え後の静止時において電力を必要としない自己保持機能を有し、かつ、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。
　ここで、ステッピングモータにおいて、電源供給停止時に角度位置が保持される角度ステップ数を静止角度ステップ数と定義すると、静止角度ステップ数は回転側光ファイバＳ９の同じコア配置半径Ｒｃｏｒｅを有するコア数の自然数倍であることを特徴とする。
　また、光接続装置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に係る回転角度ずれをΦ（単位：度）、コア配置半径Ｒｃｏｒｅ（単位：μｍ）とした場合、これらの関係は数５に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　コア配置半径Ｒｃｏｒｅに対する回転角度ずれによる過剰損失ＴＲの関係の一例を図１１に示す。一般的にステッピングモータの角度精度は３～５％程度であり、図１１では、回転角度ずれΦが０．０５度とした。コア配置半径Ｒｃｏｒｅが大きいほど過剰損失が大きくなり、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、モードフィールド半径ω１及びω２が４．５μｍ（ＭＦＤ＝９μｍ）のとき、コア配置半径Ｒｃｏｒｅを８００μｍ以下にする必要がある。また、モードフィールド半径がより大きな光ファイバを用いる場合には、過剰損失を低減することも可能である。
　ただし、図１１で示される回転角度ずれによる過剰損失を達成するためには、固定側フェルールＳ１３を回転角度方向に対して静止する必要がある。さらに、図２で示される回転機構Ｓ１０が例えばモータのシャフトのように回転する際に断面に対して水平及び垂直に移動する場合には、回転側フェルールがフェルール端面に対して水平及び垂直に移動するため、固定側フェルールＳ１３も回転側フェルールＳ１４に追随して水平及び垂直に移動する機構が必要である。
　図１２は本開示の実施形態に係る固定側フランジ保持部Ｓ１６内部の断面を表した模式図である。固定側フランジＳ２６は上下にそれぞれ溝を設け、また、干渉部Ｓ２５は前記固定側フランジＳ２６の上下に設けられた溝とかみ合うように突起部が設けられている。固定側フランジＳ２６の上下部には干渉部Ｓ２５との間に隙間を設け、固定側フランジＳ２６が上下（フェルール端面において垂直）に可動する。また、前記干渉部Ｓ２５は左右にそれぞれ溝を設け、また、外枠部Ｓ２７は前記干渉部Ｓ２５の左右に設けられた溝とかみ合うように突起部が設けられている。干渉部Ｓ２５の左右部には外枠部Ｓ２７との間に隙間を設け、干渉部Ｓ２５が左右（フェルール端面において水平）に可動する。
　図１２において、固定側フランジＳ２６と干渉部Ｓ２５にはそれぞれ上下に一組ずつの溝と突起部が設けられているが、上下に可動できればよく、溝と突起部の数はこれに限らない。また、干渉部Ｓ２５と外枠部Ｓ２７にはそれぞれ左右に一組ずつの溝と突起部が設けられているが、左右に可動できればよく、溝と突起部の数はこれに限らない。
　また、固定側フランジＳ２６の移動は上下、干渉部Ｓ２５の移動は左右になっているが、固定側フェルールＳ１３の端面が上下左右（水平及び垂直）に移動できれば良く、これに限らない。例えば、固定側フランジＳ２６の左右に溝を設けて左右に移動し、干渉部Ｓ２５の上下に溝を設けて上下に移動することによって、固定側フェルールＳ１３の端面を上下左右（水平及び垂直）に移動する形状でも良い。
　また、固定側フランジＳ２６は円形に溝が設けられているが、上下に可動できればよく、円形以外の形状でも良い。このように、固定側フランジＳ２６、干渉部Ｓ２５、外枠部Ｓ２７を上下左右の溝と突起部で可動域を制限することによって、固定側フェルールＳ１３の端面が水平及び垂直方向に移動可能、かつ、フェルール軸を中心に回転しないように保持することが可能である。
　本開示は、
　中心軸Ａｃに平行かつ中心軸Ａｃから同一距離にシングルコアファイバが配置された２つのフェルールの端面を中心軸Ａｃが一致するように突き合わせ、
　いずれか一方のフェルールに取り付けられたフランジを、フェルール端面に対して水平及び垂直方向に移動可能、かつ、中心軸Ａｃを中心に回転しないように、保持具を用いて保持し、さらに、
　スプリングによって２つのフェルール端面同士を突き当てながら、
　もう一方のフェルールを中心軸Ａｃを中心として回転させる。
　これにより、本開示は、良好な光学特性を保持したまま対向する光ファイバを切り替えることが可能である。２つのフェルールの端部が凸形状とし、２つのフェルールの端部の先端部Ｓ１９を中心軸が一致するように突き合わせて、いずれか一方のフェルールを回転させることにより、対向する光ファイバの端面同士が接触せず、接触によって光ファイバの端面にキズがつくことによる接続損失などの光学特性の劣化を防ぐことができる。また、対向する光ファイバの端面同士を非平行とすることで光の反射量を減らすことができるので、反射コーティングを要せず、より経済的な光接続装置及びこれを用いた光スイッチを提供することができる。
　さらに、本開示は、光スイッチングを行う光接続装置の入力側および出力側の一方を軸回転可能な機構としているため、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することが可能であり、低消費電力化が可能である。また、回転側フェルールＳ１４の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、円筒スリーブＳ１５により保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本開示にはコリメートや特別な防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る。
　従って、本開示により、温度や振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を低消費電力で、かつ、より経済的に実現できる光接続装置及びこれを用い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。
（実施形態２）
　図１３は本開示の実施形態に係る固定側フランジ保持部Ｓ１６内部の断面を表した模式図である。固定側フランジＳ２８の上下左右にそれぞればねＳ３０を設け、外枠部Ｓ２９の内側に固定することにより、例えばモータのシャフトの水平及び垂直移動によって同様に水平及び垂直に移動する回転側フェルールに追随して固定側フェルールもフェルール端面において水平及び垂直に移動することを可能とする。固定側フランジＳ２８の上下左右に、同じばね定数の複数のばねＳ３０を設けることによって、固定側フランジＳ２８を回転角度方向に対して静止することが可能である。
　図１３において、固定側フランジＳ２８の上下左右にそれぞれ２個ずつのばねＳ３０が設けられているが、回転側フェルールに追随して固定側フェルールがフェルール端面において水平及び垂直に移動することを可能とし、かつ、回転角度方向に静止すれば良く、その個数はこれに限らない。また、固定側フランジＳ２８の上下左右に取り付けられる部材は弾性体であればよく、例えば、ばねの代わりにゴムなどを用いることも可能である。
　本開示に係る光接続装置及びこれを用いた光スイッチは、光通信産業に適用することができる。
Ｓ１：入力側光ファイバ
Ｓ２：光スイッチ間光ファイバ
Ｓ３：後段光スイッチ構成部
Ｓ４：出力側光ファイバ
Ｓ５：前段光スイッチ構成部
Ｓ６：回転側フランジ
Ｓ７：保持具
Ｓ８：固定側光ファイバ
Ｓ９：回転側光ファイバ
Ｓ１０：回転機構
Ｓ１１：アクチュエータ
Ｓ１２：制御回路
Ｓ１３：固定側フェルール
Ｓ１４：回転側フェルール
Ｓ１５：円筒スリーブ
Ｓ１６：固定側フランジ保持部
Ｓ１７：スプリング
Ｓ１８：フランジ保持部固定用突起部
Ｓ１９：先端部
Ｓ２０：円環部
Ｓ２１、Ｓ２３：フェルール外径
Ｓ２２、Ｓ２６、Ｓ２８：固定側フランジ
Ｓ２３：フェルール外径
Ｓ２４：スリーブ内径
Ｓ２５：干渉部
Ｓ２７、Ｓ２９：外枠部
Ｓ３０：ばね

Claims (7)

  1. 　フェルール断面において中心から同一の円周上に一または複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第１のフェルールと、
    　フェルール断面において中心から、前記第１のフェルールにおける前記シングルコアファイバのコア中心が配置された前記円周と同じ直径の円周上に複数のシングルコアファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
    　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールが挿入される中空部を有し、前記第１のフェルールまたは前記第２のフェルールが回転可能なように、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの各外径と前記中空部の内径との間に所定の隙間が設けられている円筒スリーブと、
    　前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とを突き当てるように、前記第１のフェルールの第１のフランジ又は前記第２のフェルールの第２のフランジに押圧を加えるスプリングと、
    　前記第１のフェルール、前記第２のフェルール、前記円筒スリーブ、前記第１のフランジ、前記第２のフランジ、及び前記スプリングを、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールの中心軸が一致するように保持する保持具を備え、
    　前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが、前記保持具内で前記中心軸に垂直な任意の方向に移動可能であり、かつ、前記中心軸を中心に回転しないように前記保持具に保持されている
    ことを特徴とする光接続装置。
  2. 　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールはそれぞれ、前記中心軸方向に凸形状の先端部を備え、
    　前記第１のフェルールの端部は、
    　前記凸形状の先端部と、
    　前記先端部の外周に配置され、前記第１のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、を備え、
    　前記第２のフェルールの端部は、
    　前記凸形状の先端部と、
    　前記先端部の外周に配置され、前記第２のフェルールに配置された前記シングルコアファイバの端面が露出する円環部と、を備え、
    　前記第１のフェルールの先端部と前記第２のフェルールの先端部とが突き合わされる
    ことを特徴とする請求項１に記載の光接続装置。
  3. 　前記第１の先端部及び前記第２の先端部が、前記中心軸に垂直なフラット面である
    ことを特徴とする請求項２に記載の光接続装置。
  4. 　前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのそれぞれにおいて、前記先端部の前記フラット面と前記円環部とがなす角度が５度以上である
    　ことを特徴とする請求項３に記載の光接続装置。
  5. 　前記第１のフェルールの前記円環部に露出するシングルコアファイバの端面と、当該シングルコアファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールの前記円環部に露出するシングルコアファイバの端面との間隙が２０μｍ以下である
    　ことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の光接続装置。
  6. 　前記保持具において、前記第１のフェルール又は前記第２のフェルールが、前記中心軸に平行な方向に移働可能である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光接続装置。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の光接続装置と、
    　前記光接続装置の前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールのどちらか一方を、前記中心軸を中心として回転させる回転機構と、を具備する、
    　ことを特徴とする光スイッチ。
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