WO2024013820A1 - 光結合部及び光スイッチ - Google Patents

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WO2024013820A1
WO2024013820A1 PCT/JP2022/027305 JP2022027305W WO2024013820A1 WO 2024013820 A1 WO2024013820 A1 WO 2024013820A1 JP 2022027305 W JP2022027305 W JP 2022027305W WO 2024013820 A1 WO2024013820 A1 WO 2024013820A1
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WO
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ferrule
optical
fiber
optical fiber
input
Prior art date
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PCT/JP2022/027305
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English (en)
French (fr)
Inventor
千里 深井
宜輝 阿部
和典 片山
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • 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
    • 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
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/35—Optical coupling means having switching means

Definitions

  • the present invention mainly relates to an optical coupling unit used for switching the route of an optical line using a single mode optical fiber in an optical fiber network, and an optical switch using the same.
  • Non-Patent Document 1 Various systems have been proposed for all-optical switches that switch paths of light as it is, as shown in Non-Patent Document 1, for example.
  • optical fiber mechanical optical switches in which the butt of optical fibers or optical connectors is controlled by robot arms, motors, etc., are inferior to other systems in terms of slow switching speed, but have low loss, low wavelength dependence, It has many advantages over other systems, such as multi-portability and a self-holding function that maintains the switching state when the power goes out.
  • Typical structures include, for example, a method in which a stage using an optical fiber V-groove is moved in parallel, and a mirror or prism is moved in parallel or the angle is changed to selectively move multiple optical fibers output from an input optical fiber. There are two methods: a combination method, and a method that uses a robot arm to connect jumper cables with optical connectors.
  • a method using a multi-core fiber as an optical path for switching has been proposed. For example, by combining a three-dimensional MEMS optical switch with a multi-core fiber (for example, see Non-Patent Document 2), it becomes possible to switch multiple paths at once. Furthermore, by rotating the cylindrical ferrule into which the multi-core fiber is inserted (for example, see Patent Document 1), optical components such as lenses and prisms are not required, and the configuration can be simplified.
  • Non-Patent Document 1 has a problem in that it is difficult to further reduce power consumption, size, and economy.
  • a motor is generally used as the drive source, but since it is a mechanism that moves a heavy object such as a stage in a direct manner, a torque exceeding a certain level is generated by the motor. In order to maintain the required torque, power consumption is required to obtain the corresponding output.
  • a mechanism generally a ball screw is used that converts the rotational motion of a motor into linear motion is required.
  • the optical fiber pitch of a commonly used output side optical fiber array is approximately 125 ⁇ m in optical fiber cladding outer diameter or 250 ⁇ m in optical fiber coating outer diameter
  • the larger the output side optical fiber array the more the motor performance will be reduced.
  • the driving time had to be lengthened, resulting in an increase in power consumption. Therefore, such an optical fiber type mechanical optical switch generally requires a power of several hundred mW or more.
  • the robot arm system using an optical connector has a problem in that the robot arm itself that controls insertion and removal of the optical connector or ferrule requires a large amount of power of several tens of W or more.
  • Non-Patent Document 2 in the process of manufacturing the optical switch, a collimating mechanism for coupling to the output side optical fiber array and external factors such as vibration are required. There was a problem in that a separate vibration isolation mechanism was required to obtain stable optical characteristics, and the assembly process was complicated.
  • Non-Patent Document 3 there is also a method of preventing damage to the fiber end face due to contact by providing a gap in advance in a cylindrical ferrule into which an optical fiber is inserted and using a connection form that does not allow fiber contact.
  • a connection form that does not allow fiber contact
  • Non-Patent Document 4 obliquely polished ferrules have problems in that interference occurs between the ferrule end faces during rotational switching, or that a large gap is required, resulting in increased connection loss.
  • the ferrule is polished into a spherical surface so that the fiber end face is polished diagonally, and the center of the ferrule is polished flat. Since it is possible to minimize the gap created at the fiber end face by doing this, it is possible to prevent reflection and reduce connection loss due to the gap while preventing damage to the fiber end face due to contact.
  • the manufacturing process of the ferrule mold it is difficult to control the fiber hole position with high precision, and there is a problem in that axis misalignment loss due to fiber hole position deviation occurs as excessive loss.
  • the present invention aims to provide an optical coupler and an optical switch that can realize stable optical characteristics against external factors with low power consumption and more economically. do.
  • the optical coupling unit includes: An optical coupling unit that couples single-core optical fibers arranged in two ferrules using a sleeve, In the first ferrule of the two ferrules, a plurality of optical fibers are arranged in a bundle shape in the fiber hole on the same circumference centered on the ferrule central axis, At least one of the two ferrules is rotatable about the ferrule central axis, The abutting ends of the two ferrules have a convex spherical shape with a center point on the ferrule central axis.
  • the optical coupling unit and optical switch of the present disclosure may include two ferrules in which single-core single-mode optical fibers are arranged parallel to the ferrule center axis and at the same distance from the ferrule center axis.
  • the end portions of the two ferrules that are butted against each other have a convex spherical shape, the tips of the end portions of the two ferrules are butted against each other so that their central axes coincide, and one of the ferrules is rotated.
  • the optical coupling unit includes: a first ferrule having a convex spherical end surface, arranged in a bundle so that the core centers of a plurality of single-core single-mode optical fibers are aligned on the same circumference in the center of the ferrule cross-section; A core center of one or more single-core single-mode optical fibers on a circumference having the same diameter as the circumference on which the core center of the single-mode optical fiber in the first ferrule is arranged from the center in the ferrule cross section.
  • a second ferrule having a convex spherical end surface; a hollow portion into which the first ferrule and the second ferrule are inserted so that the central axes of the first ferrule and the second ferrule coincide;
  • a cylindrical sleeve is provided in which a predetermined gap is provided between each outer diameter of the first ferrule and the second ferrule and the inner diameter of the hollow part so that the ferrule can rotate.
  • the ends of two ferrules in which single mode optical fibers are arranged parallel to the ferrule central axis and at the same distance from the ferrule central axis are convex spherical shapes, and the central axis is the tip of the two ferrule ends.
  • the present invention since one of the input side and output side of the optical coupling unit that performs optical switching has a mechanism that can rotate around the axis, it is possible to minimize the energy required by the actuator, that is, the torque output. Yes, it is possible to reduce power consumption. Further, since the amount of optical axis deviation in directions other than the axial rotation of the input side ferrule is guaranteed by the sleeve in the optical coupling portion, it is possible to reduce loss.
  • the present invention does not include a collimator or a special anti-vibration mechanism, and is made up of commonly used optical connection parts such as ferrules and sleeves, so it is small and economical.
  • a dummy fiber is arranged inside the plurality of optical fibers arranged in a bundle on the same circumference centered on the ferrule central axis, and the end face of the dummy fiber partially covers the convex spherical shape. may be configured.
  • the amount of return loss in the convex spherical shape may be greater than or equal to a predetermined value.
  • the angle between the cross section perpendicular to the ferrule center axis and the end face of the single mode optical fiber is 4.5 degrees. It may be more than that. Thereby, the amount of return loss in the convex spherical shape can be increased to 40 dB or more.
  • the optical coupling unit according to the present disclosure includes a gap between an end face of the single mode optical fiber of the first ferrule and an end face of the single mode optical fiber of the second ferrule whose optical axis coincides with the single mode optical fiber. may be 22 ⁇ m or less. Thereby, excess loss TG due to the gap can be suppressed to 0.1 dB or less.
  • the distance between the core center of each single mode optical fiber in the first ferrule and the second ferrule from the ferrule center axis may be 250 ⁇ m or less.
  • excess loss T R due to rotational angle deviation can be reduced to 0.1 dB or less.
  • the plurality of optical fibers are single mode optical fibers, and each of the first ferrule and the second ferrule has a radius of curvature of 0.7 mm in the convex spherical shape. It may be greater than or equal to 3.2 mm.
  • the optical switch according to the present disclosure includes: the optical coupling part; A rotation mechanism that rotates either one of the two ferrules of the optical coupling part about the ferrule center axis is provided.
  • the optical switch according to the present disclosure is an actuator that rotates the rotation mechanism in constant angular steps and stops it in arbitrary angular steps; a bearing that constitutes the rotation mechanism; You may further comprise.
  • an optical coupling unit and an optical switch that can achieve stable optical characteristics against external factors with low power consumption and more economically.
  • FIG. 3 is a front view of the end of the output ferrule.
  • FIG. 3 is a front view of the end of the input ferrule.
  • FIG. 3 is a diagram showing the optical coupling portion in a plane along the longitudinal direction.
  • An example of the relationship between excess loss and the clearance between the ferrule outer diameter and sleeve inner diameter is shown.
  • the vicinity of the end of the ferrule of the optical coupling part of the present invention is shown.
  • An example of the relationship between the angle between a cross section perpendicular to the ferrule center axis and the end face of a single mode optical fiber and the amount of return loss is shown.
  • FIG. 7 shows a cross section of an input side ferrule of an optical coupling section of the present invention according to Embodiment 2.
  • FIG. 7 shows a cross section of an input side ferrule of an optical coupling section of the present invention according to Embodiment 2.
  • FIG. 3 shows a side view of the output side flange of the present invention according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an embodiment of the present invention. Although this embodiment describes a mode in which light enters from the input optical fiber S01 and exits to the output optical fiber S04, the direction of the light may be reversed.
  • the present invention switches the input side optical fiber S01 connected to the pre-stage optical switch component S00 to a specific port of the inter-optical switch optical fiber S02 in the pre-stage optical switch component S00, and can be switched to a desired output side optical fiber S04 in the downstream optical switch component S03.
  • the present invention is an optical switch corresponding to the front-stage optical switch component S00 and the rear-stage optical switch component S03.
  • the front-stage optical switch component S00 will be abbreviated as an optical switch S00
  • the rear-stage optical switch component S03 will be abbreviated as an optical switch S03. Since the optical switch S00 and the optical switch S03 are in a horizontally reversed relationship and have the same configuration, the detailed configuration will be described below using the optical switch S00.
  • FIG. 2 is a block configuration diagram according to an embodiment of the present invention.
  • the optical coupling section S8 included in the optical switch S00 according to the present embodiment is a first ferrule in which core centers of a plurality of single mode optical fibers are arranged on the same circumference from the center in a cross section of the ferrule; A second ferrule in which the core centers of one or more single mode optical fibers are arranged on a circumference having the same diameter as the circumference in which the core centers of the single mode optical fibers in the first ferrule are arranged from the center in the ferrule cross section.
  • a ferrule of It has a hollow part into which the first ferrule and the second ferrule are inserted so that the center axes of the first ferrule and the second ferrule coincide, and the first ferrule and the second ferrule are rotatable. and a cylindrical sleeve S17 in which a predetermined gap is provided between each outer diameter of the first ferrule and the second ferrule and the inner diameter of the hollow part.
  • the input side optical fiber S1 is configured to be a single-core single-mode optical fiber, and the input side ferrule S6 is a second ferrule.
  • the output side optical fiber S9 is configured to include a plurality of single-core single-mode optical fibers, and the output side ferrule S7 is a first ferrule.
  • the input optical fiber S1 corresponds to the input optical fiber S01 in FIG. 1, and the output optical fiber S9 corresponds to the inter-optical switch optical fiber S02 in FIG.
  • the optical switch S00 shown in FIG. 2 has an optical coupling section S8 composed of an input ferrule S6 into which the input optical fiber S1 is inserted and an output ferrule S7 into which the output optical fiber S9 is inserted.
  • the input optical fiber S1 is fixed at a predetermined position in a fiber hole provided in the input ferrule S6 using an adhesive or the like.
  • the output side optical fiber S9 is fixed using an adhesive or the like at a predetermined position in the fiber hole provided in the output side ferrule S7.
  • the input optical fiber S1 When light is input from the input optical fiber S1, by fixing the output ferrule S7 and rotating the input ferrule S6, the input optical fiber S1 is connected to any one of the output optical fibers S9, and the input The optical switch S00 is capable of outputting the light from one of the output side optical fibers S9, and can be used as a 1xN relay type optical switch. Conversely, it is also possible to input light from the output side optical fiber S9. For example, by inputting light into a plurality of single mode optical fibers of the output optical fibers S9, fixing the output ferrule S7, and rotating the input ferrule S6, any one of the output optical fibers S9 can be input.
  • optical switch S00 in which the output side ferrule S7 is fixed and the input side ferrule S6 is rotated will be described.
  • the output side ferrule S7 is fixed by a rotation stopper mechanism (not shown) so as not to rotate.
  • the actuator S3 performs arbitrary angle rotation based on a signal from the control circuit S4.
  • the input-side ferrule S6 rotates as the output of the actuator S3 is transmitted via the rotation mechanism S5.
  • the input ferrule S6 is provided with a certain extra length S2 to allow twisting of the input optical fiber S1.
  • the optical coupling section S8 is configured to suppress the misalignment of the ferrule center axis using an axial misalignment adjustment mechanism (not shown) and avoid excessive loss due to the axial misalignment.
  • the optical coupling section S8 included in the optical switch S00 according to the present embodiment is
  • the input side ferrule S6 and the output side ferrule S7 are each Equipped with a convex spherical end in the direction of the central axis, The tip of the input ferrule S6 and the tip of the output ferrule S7 are brought into contact.
  • FIG. 3 is a schematic front view of the end of the output ferrule S7 according to the embodiment of the present invention.
  • a plurality of optical fibers are bundled into a bundle and placed inside the fiber hole S11 with a diameter S21 provided at the center of the output side ferrule S7, and the core center of each output side optical fiber S9 is output. It is characterized in that it is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center of the side ferrule S7.
  • the dummy fiber S10 may be an optical fiber having the same strength and the same outer diameter as the output side optical fiber S9, and may be a fiber without a core, that is, a fiber that does not pass light.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the end of the input ferrule S6 according to the embodiment of the present invention from the front.
  • a plurality of optical fibers are bundled into a bundle and placed inside the fiber hole S11 provided at the center of the input ferrule S6, so that the core center of the input optical fiber S1 is connected to the input ferrule S6. It is characterized by being arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore with respect to the center.
  • the core center of the input optical fiber S1 is arranged on the circumference of a circle having a core arrangement radius Rcore, but the present invention is not limited thereto.
  • one or more fiber holes capable of arranging one optical fiber are provided on the circumference of a circle with a core arrangement radius Rcore relative to the central axis of the input ferrule S6, and the input optical fiber is inserted into the fiber hole.
  • S1 may be placed.
  • the dummy fiber S10 may be an optical fiber having the same strength and the same outer diameter as the input side optical fiber S1, and may be a fiber without a core, that is, a fiber that does not pass light.
  • the outer diameter of the dummy fiber S10 placed at the center of the output ferrule S7 and the input ferrule S6 may be different from that of the output optical fiber S9 and the input optical fiber S1.
  • the outer diameter of the dummy fiber S10 placed at the center larger than 125 ⁇ m, it becomes possible to arrange six or more output side optical fibers S9 on the circumference of a circle with a core arrangement radius Rcore. .
  • each core of the output side optical fiber S9 has the same optical characteristics as the core of the input side optical fiber S1 in that it has a mode field diameter of the same order. It is preferable that Furthermore, it is important to minimize excess loss due to axis misalignment, and it is desirable that the ferrule outer diameter S15 of the output side ferrule S7 be approximately the same as the ferrule outer diameter S15 of the input side ferrule S6.
  • the input side ferrule S6 and the output side ferrule S7 are made of zirconia, and the input side optical fiber S1 and the output side optical fiber S9 are made of quartz glass, but they are capable of communicating signal light in the communication wavelength band. It may be an optical fiber, but is not limited to this.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the optical coupling portion S8 according to the embodiment of the present invention in a plane along the longitudinal direction.
  • the input side ferrule S6 into which the input side optical fiber S1 is inserted and the output side ferrule S7 into which the output side optical fiber S9 is inserted have a hollow part with an inner diameter S16 that is one sub- ⁇ m larger than the outer diameter S15 of these ferrules. It is aligned with a cylindrical sleeve S17, and in order to control the axial misalignment within a certain allowable range and not to interfere with the axial rotation of the input ferrule S6, a slight clearance C of about sub- ⁇ m is provided between the input ferrule S6 and the input ferrule S6. It is provided for the output side ferrule S7.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the excess loss T C and the clearance C between the ferrule outer diameter S15 and the sleeve inner diameter S16 of the input ferrule S6 and the output ferrule S7.
  • misalignment of the fiber cores causes excessive loss. Since the increase in excess loss becomes a factor that limits the total length of the optical path, it is necessary to reduce the axis misalignment of the fiber core.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the mode field radii (unit: ⁇ m) of the input-side and output-side optical fiber S9 cores, respectively, and FIG. 6 shows that the mode field diameters of the input-side optical fiber S1 and output-side optical fiber S9 core are , are diagrams showing the loss when both are 9 ⁇ m.
  • the maximum excess loss can be suppressed to about 0.1 dB or less. Further, when the maximum excess loss is set to 0.2 dB, it is necessary to process the ferrule outer diameter S15 and the sleeve inner diameter S16 so that the clearance C becomes 1 ⁇ m or less.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing in more detail the vicinity of the end of the ferrule of the optical coupling portion S8 according to the embodiment of the present invention.
  • the end portions of the input ferrule S6 and the output ferrule S7 have a convex spherical shape having a center point on the ferrule central axis AC .
  • the output ferrule S7 of this embodiment has a dummy fiber S10 arranged at the center of the fiber hole S11, and an output optical fiber S9 arranged around the dummy fiber S10. There is.
  • the end faces of the output optical fiber S9 and the dummy fiber S10 arranged in the output ferrule S7 form the convex spherical shape of the end of the output ferrule S7.
  • a dummy fiber S10 is arranged at the center of the fiber hole S11, and an input side optical fiber S1 and a dummy fiber S10 are arranged around the dummy fiber S10. There is.
  • the end faces of the input optical fiber S1 and the dummy fiber S10 arranged in the output ferrule S6 form the convex spherical shape of the end of the input ferrule S6.
  • the tips of the dummy fibers S10 disposed in the input ferrule S6 and the output ferrule S7 are butted against each other.
  • the input side fiber S1 and the output side fiber S9 are arranged at a position with a core arrangement radius Rcore from the ferrule central axis AC in the ferrule cross section.
  • the end faces of the input fiber S1 and the output fiber S9 are set back from their tips in order to prevent their respective end faces from coming into contact and being damaged during rotational switching.
  • the angle ⁇ between the cross section perpendicular to the ferrule center axis AC and the end face of the single-core optical fiber is controlled in order to suppress deterioration of signal characteristics due to reflection.
  • a convex spherical shape can be manufactured by using a polishing technique used in manufacturing general optical connectors.
  • the end faces of the dummy fibers S10 arranged at the center axis of each ferrule are butted against each other, but it is sufficient that the end faces of the input side fiber S1 and the output side fiber S9 are arranged so that they do not come into contact with each other. , but not limited to this.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the angle ⁇ between a cross section perpendicular to the ferrule center axis and the end face of a single mode optical fiber, and the return loss R.
  • the optical coupling section S8 if there is a region with different refractive index between the end face of the input side optical fiber S1 and the end face of the output side optical fiber S9, signal characteristics will deteriorate due to reflection.
  • Equation 2 The relationship between the angle ⁇ (unit: degrees) between the cross section perpendicular to the ferrule center axis AC and the end face of the single mode optical fiber and the return loss R (unit: dB) can be expressed as 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).
  • R 0 is the return loss amount at the flat end face, and can be expressed as Equation 3.
  • n 2 is the refractive index of the light-receiving medium, that is, the refractive index of air.
  • the return loss R 0 at the flat end face is 14.7 dB, and for example, perpendicular to the ferrule center axis AC .
  • the angle ⁇ between the cross section and the end face of the single mode optical fiber is 4.5 degrees or more, a return loss R of 40 dB or more can be maintained.
  • the reflection characteristics can be further improved by applying a reflective coating to the fiber end face.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the relationship between excess loss TG and gap G.
  • the relationship between the gap G (unit: ⁇ m) and the excess loss T G (unit: dB) can be expressed as Equation 4.
  • ⁇ , n clad , ⁇ 1 , and ⁇ 2 are the wavelength of the propagating light in vacuum (unit: ⁇ m), the refractive index of the optical fiber cladding, that is, pure quartz, and the input optical fiber S1 and the output optical fiber This is the mode field radius (unit: ⁇ m) of the core of S9
  • FIG. 9 is a diagram showing the loss when the mode field diameters of the cores of input side optical fiber S1 and output side optical fiber S9 are both 9 ⁇ m.
  • the excess loss can be suppressed to 0.1 dB or less.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the relationship between the radius of curvature Rcur of the convex spherical ferrule end face and the angle ⁇ between a cross section perpendicular to the ferrule central axis AC and the single mode optical fiber end face.
  • the relationship between the radius of curvature Rcur (unit: mm) of the convex spherical ferrule end face and the angle ⁇ (unit: degree) between the cross section perpendicular to the ferrule central axis AC and the single mode optical fiber end face is determined by the core arrangement. It can be expressed as Equation 5 using the radius Rcore (unit: ⁇ m).
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the angle ⁇ and the radius of curvature Rcur when the core arrangement radius Rcore is 125, 150, 200, and 250 ⁇ m. From FIG. 8, the angle ⁇ that can maintain a return loss R of 40 dB or more is 4.5 degrees or more, and it is possible to realize a radius of curvature Rcur where the angle ⁇ is 4.5 degrees or more with a core arrangement radius Rcore of 250 ⁇ m or less. It can be seen that it is.
  • the core arrangement radius Rcore is 125 ⁇ m, 150 ⁇ m, 200 ⁇ m, and 250 ⁇ m
  • the angle ⁇ is 4.5 degrees or more, and a return loss R of 40 dB or more can be maintained.
  • the outer diameter of a typical single mode optical fiber is 125 ⁇ m, and when the single mode optical fibers are arranged in a bundle as shown in Figure 3, the end face of the ferrule is polished so that the radius of curvature Rcur is 1.5 mm or less.
  • the angle ⁇ between the cross section perpendicular to the ferrule central axis AC and the end face of the single mode optical fiber becomes 4.5 degrees or more, and a return loss R of 40 dB or more can be achieved.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the relationship between the radius of curvature Rcur of the convex spherical ferrule end face and the distance D from the ferrule tip to the single mode optical fiber end face.
  • the distance D from the tip of the ferrule to the end face of the single mode optical fiber corresponds to half the gap G between the end face of the input optical fiber S1 and the end face of the output optical fiber S9, and is equal to the radius of curvature of the convex spherical ferrule end face. It can be expressed as Equation 6 using Rcur (unit: mm) and the angle ⁇ (unit: degree) between the cross section perpendicular to the ferrule central axis AC and the end face of the single mode optical fiber.
  • FIG. 11 shows the relationship between the radius of curvature Rcur and the distance D from the ferrule tip to the fiber end face when the core arrangement radius Rcore is 125, 150, 200, and 250 ⁇ m.
  • the core arrangement radius Rcore is 125 ⁇ m, 150 ⁇ m, 200 ⁇ m, and 250 ⁇ m
  • by adjusting the radius of curvature Rcur to be 0.7 mm or more, 1.0 mm or more, 1.8 mm or more, and 2.8 mm or more, respectively.
  • the distance D from the ferrule tip to the fiber end face is 11 ⁇ m or less, that is, the gap G is 22 ⁇ m or less, and as shown in FIG.
  • the excess loss T G due to the gap can be suppressed to 0.1 dB or less.
  • the fiber outer diameter of a typical single mode optical fiber is 125 ⁇ m, and when the single mode optical fibers are arranged in a bundle as shown in FIG. By polishing the ferrule end face, it is possible to achieve a return loss R of 40 dB or more and an excess loss TG of 0.1 dB or less.
  • the optical coupling section S8 included in the optical switch S00 according to the present embodiment has the following features in order to obtain a return loss of 40 dB or more and an excess loss due to a gap of 0.1 dB or less.
  • the radius of curvature of the convex spherical shape may be 0.7 mm or more and 3.2 mm or less.
  • the actuator S3 is a drive mechanism that rotates in arbitrary angular steps in response to pulse signals from the control circuit S4 and has a constant static torque for each angular step, and uses a stepping motor, for example. Note that other methods may be used as long as the actuator S3 is a drive mechanism that rotates in arbitrary angular steps according to pulse signals from the control circuit S4 and 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 S4, and the angle step and static torque may be adjusted via a reduction gear.
  • the input ferrule S6 in the optical coupling section S8 is designed to rotate around the ferrule center axis AC , so the static torque required to maintain the rotation angle of the input ferrule S6 is limited to the actuator. It has the characteristic that it is given by S3.
  • This provides a low-power optical switch that has a self-holding function that does not require power when at rest after switching, and can minimize the driving energy when switching optical paths. It is possible to do so.
  • the number of static angular steps is equal to the number of cores with the same core arrangement radius Rcore of the output optical fiber S9. It is characterized by being a natural number multiple.
  • FIG. 12 shows an example of the relationship between the core arrangement radius Rcore and the excess loss TR due to rotational angle deviation.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the core arrangement radius Rcore and the excess loss T R due to the rotation angle deviation when the rotation angle deviation ⁇ is 0.1 degree, 0.15 degree, 0.2 degree, and 0.3 degree. be. The larger the core arrangement radius Rcore, the larger the excess loss.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the coupling form of the optical coupling portion S8 according to the first embodiment of the present invention.
  • the output side ferrule S7 is attached to an output side flange S19 with a notch, and the output side flange S19 is attached to a fixing jig S27 with fixing screws S25, so that the axial direction and the shaft rotation direction are fixed.
  • the input side ferrule S6 is attached to a rotating flange S29, and a bearing S26 is provided on the rotating flange S29, which is also attached to a fixing jig S27 with a fixing screw S25 and fixed in the axial direction.
  • a sleeve S17 is built inside the fixing jig S27, and the input side ferrule S6 and the output side ferrule S7 are inserted into the sleeve S17 to align the center axes of the ferrules.
  • the output side ferrule S7 is fixed, and the input side ferrule S6 is rotated within the sleeve S17 about the center of the ferrule cylinder by a rotation mechanism S5 of a bearing S26.
  • the core of the input optical fiber S1 inserted into the input ferrule S6 rotates, and the core of the output optical fiber S9 facing the input optical fiber S1 is switched.
  • the bearing S26 although zirconia is used for the bearing S26, for example, other materials may be used as long as they can be manufactured with high dimensional accuracy. Furthermore, by making the fixing jig S27 a frame made of hollow metal with low rigidity, for example, it is possible to reduce the axial displacement of the input side ferrule S6 due to axial wobbling when the actuator S3 rotates. be.
  • FIG. 17 shows a side view of the notched output side flange S19 attached to the output side ferrule S7.
  • the capillary S23 is arranged at a position where the fiber hole S30 of the output ferrule S7 attached to the output flange S19 and the ferrule center axis AC coincide, and the capillary S23 is tapered in the longitudinal direction.
  • an example was shown in which a longitudinally tapered capillary was inserted inside the flange, but the shape inside the flange was such that an optical fiber could be inserted into the fiber hole, and the optical coupling part could be fabricated. It may have any shape as long as it can protect the optical fiber at times, and is not limited to this.
  • the ends of two ferrules in which single-mode optical fibers are arranged parallel to the central axis and at the same distance from the central axis are convex, and the central axes are aligned with the tips of the ends of the two ferrules.
  • one of the input and output sides of the optical coupling unit S8 that performs optical switching is a mechanism that can rotate around an axis, it is possible to minimize the energy required by the actuator S3, that is, the torque output. It is possible to reduce power consumption. Further, since the amount of optical axis deviation in directions other than the axial rotation of the input side ferrule S6 is guaranteed by the sleeve S17 in the optical coupling portion S8, it is possible to reduce the loss.
  • the present invention does not include a collimator or a special anti-vibration mechanism, and is made up of commonly used optical connection parts such as ferrules and sleeves, so it is small and economical.
  • an optical coupling unit and an optical switch that can achieve stable optical characteristics against external factors such as temperature and vibration with low power consumption and more economically.
  • it can be used as an optical switch for switching paths in any equipment, regardless of location, in an optical line using single-mode optical fibers of an optical fiber network.
  • the configuration and operation of the optical switch S00 according to this embodiment will be specifically described below using FIGS. 14 and 15.
  • the optical switch S00 of this embodiment differs from the optical switch S00 of the first embodiment in that the input side ferrule S6 of the optical coupling portion S8 is attached to the input side flange S18 instead of the rotating flange S29, and the position where the bearing S26 is provided.
  • the rotation mechanism of the input ferrule S6 will be described below. Note that the contents other than those described below are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the coupling form of the optical coupling portion S8 according to the present embodiment. Similar to the first embodiment, the output side ferrule S7 is attached to a notched output side flange S19, and the output side flange S19 is attached to a fixing jig S27 with fixing screws S25, so that the axial direction and shaft rotation direction are fixed. Fixed.
  • the input ferrule S6 is attached to the notched input flange S18.
  • the input side flange S18 is attached to the fixing jig S27 with a removable fixing screw S25, and the axial direction and shaft rotation direction are fixed. By loosening the fixing screw S25, the input side flange S18 can be rotated, and Accordingly, the input ferrule S6 attached to the input flange S18 can rotate.
  • the input side flange S18 may have the structure shown in FIG. 15, as described later.
  • a fixing screw (not shown) for fixing the axial direction may be separately provided.
  • the input side ferrule S6 has a ferrule outer diameter S15 smaller than the output side ferrule S7, is attached with a bearing S26, and is rotated by a rotation mechanism S5 of the bearing S26. That is, by fixing the output ferrule S7 and making the input flange S18 rotatable, the input ferrule S6 is rotated within the sleeve S17 by the rotation mechanism S5 of the bearing S26 about the center of the ferrule cylinder. As a result, the core of the input optical fiber S1 inserted into the input ferrule S6 rotates, and the core of the output optical fiber S9 opposing the input optical fiber S1 is switched.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a cross section of the input side ferrule S6 of the optical coupling section S8 according to the present embodiment.
  • a bearing S26 is attached around the input ferrule S6, so that the input ferrule S6 can freely rotate within the sleeve S17.
  • FIG. 15 shows an example in which a fixing spring S28 is used as a method of fixing the input side flange S18.
  • a groove as shown in FIG. 15 is previously provided in the input flange S18, and the tip of the fixing spring S28 is held in the groove, thereby fixing the input flange S18 and the input ferrule S6 fixed thereto.
  • the fixing spring S28 releases the fixation of the input ferrule S6 and becomes rotatable.
  • collective control of optical fiber switching becomes possible by interlocking the fixing and releasing of the fixing spring S28 with a control circuit S4 (not shown) that controls the actuator S3.
  • a control circuit S4 (not shown) that controls the actuator S3.
  • FIG. 16 by making the outer periphery of the input flange S18 into a shape in which a plurality of gears are arranged so that the grooves are shifted along the longitudinal direction of the input ferrule S6, a finer rotation angle can be achieved. Control is also possible.
  • a magnet or a solenoid may be used in addition to the fixing spring S28.
  • optical coupling unit and optical switch according to the present disclosure can be applied to the optical communication industry.
  • S00 Front stage optical switch component S00: Optical switch S01: Input side optical fiber S02: Optical fiber between optical switches S03: Back stage optical switch component S03: Optical switch S04: Output side optical fiber S1: Input side optical fiber S2: Extra Long part S3: Actuator S4: Control circuit S5: Rotating mechanism S6: Input side ferrule S7: Output side ferrule S8: Optical coupling section S9: Output side optical fiber S10: Dummy fiber S11: Fiber hole S15: Ferrule outer diameter S16: Sleeve Inner diameter S17: Sleeve S18: Input side flange S19: Output side flange S21: Fiber hole diameter S23: Capillary S25: Fixed screw S26: Bearing S27: Fixing jig S28: Fixed spring S29: Rotating flange S30: Fiber hole

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Abstract

本開示では、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結合部及び光スイッチを提供することを目的とする。本開示に係る光結合部は、上記目的を達成するために、スリーブを用いて２つのフェルールに配置されているシングルコアの光ファイバを結合する光結合部であって、前記２つのフェルールのうちの第１のフェルールは、ファイバ孔内に複数の光ファイバがフェルール中心軸を中心とする同一の円周上にバンドル状に配置されており、前記２つのフェルールの少なくとも一方は、前記フェルール中心軸を中心に回転可能であり、前記２つのフェルールの突き合わされている端部が、前記フェルール中心軸上に中心点を有する凸球面形状を有する、光結合部。

Description

光結合部及び光スイッチ
　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結合部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出射する複数の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いる。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号公報
Ｍ．Ｓｔｅｐａｎｏｖｓｋｙ，"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． Ｋ．Ｈｉｒｕｍａ，Ｔ．Ｓｕｇａｗａｒａ，Ｋ．Ｔａｎａｋａ，Ｅ．Ｎｏｍｏｔｏ，　ａｎｄ　Ｙ．Ｌｅｅ，"Ｐｒｏｐｏｓａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ－ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｅｑｕｉｐｍｅｔ　ｗｉｔｈ　Ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ　Ｆｉｂｅｒｓ，"　１８ｔｈ　ＯｐｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｈｅｌｄ　ｊｏｉｎｔｌｙ　ｗｉｔｈ　２０１３　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　ｉｎ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＯＥＣＣ／ＰＳ），ＴｈＴ１－２，２０１３． 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． Ｃｈｉｓａｔｏ　Ｆｕｋａｉ，Ｙｏｓｈｉｔｅｒｕ　Ａｂｅ，ａｎｄ　Ｋａｚｕｎｏｒｉ　Ｋａｔａｙａｍａ，"Ｍｕｌｔｉ－Ｆｉｂｅｒ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｆｅｒｒｕｌｅ　ｆｏｒ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｒｏｔａｒｙ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，"　２０２２　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ（ＯＦＣ），Ｔｈ２Ａ．１１，２０２２．
　しかしながら、前述の非特許文献１に記載の従来技術においては、さらなる低電力化および小型化、経済化が困難であるという問題がある。具体的には、前述の光ファイバＶ溝ステージあるいはプリズムを並行移動させる方式では、一般に駆動源にモータが用いられるが、ステージ等の重量物を直動させる機構のため、一定以上のトルクがモータに必要となり、必要トルクを維持するために相応の出力を得るための消費電力を要する。また、シングルモード光ファイバを用いた光軸調心には、１μｍ以下程度の精度が必要であることから、モータの回転運動を直動運動に変換させる機構（一般にはボールねじが用いられる）において、サブμｍステップの直動運動に変換させる必要がある。通常用いられる出力側の光ファイバアレイの光ファイバピッチが光ファイバのクラッド外径１２５μｍあるいは光ファイバの被覆外径２５０μｍ程度であることを考えると、出力側の光ファイバアレイが大きくなる程モータの実駆動時間は長くせざるを得ず、消費電力の増大となるという問題があった。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問題があった。
　また、非特許文献２に記載のマルチコアファイバを用いた光経路切替では、光スイッチを製作する過程において、出力側の光ファイバアレイに結合させるためのコリメート機構や、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を得るための除振機構が別途必要となり、組立工程も複雑になるという問題があった。
　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、フェルールがスリーブに密着挿入することにより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問題があった。さらに、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３）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４）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。
　また、非特許文献５に記載の複数の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、フェルールを球面に研磨してファイバ端面が斜めに研磨され、かつ、フェルール中心部をフラットに研磨してファイバ端面に生じる間隙を最小限に抑えることができるため、接触によるファイバ端面の傷を防止しながら反射の防止と間隙による接続損失を低く抑えることが可能である。しかし、フェルール金型の製造過程において、ファイバ孔位置を高精度に制御することが困難であり、ファイバ孔位置ずれによる軸ずれ損失が過剰損失として生じてしまうという問題があった。さらに、フェルール端面においてファイバ孔を中心に近づけることが困難であり、ファイバ孔がフェルール端面の中心から遠くなることにより、切替を行う際の回転角度ずれ損失が大きくなってしまうという問題があった。
　前記問題を解決するために、本発明は、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結合部及び光スイッチを提供することを目的とする。
　本開示に係る光結合部は、
　スリーブを用いて２つのフェルールに配置されているシングルコアの光ファイバを結合する光結合部であって、
　前記２つのフェルールのうちの第１のフェルールは、ファイバ孔内に複数の光ファイバがフェルール中心軸を中心とする同一の円周上にバンドル状に配置されており、
　前記２つのフェルールの少なくとも一方は、前記フェルール中心軸を中心に回転可能であり、
　前記２つのフェルールの突き合わされている端部が、前記フェルール中心軸上に中心点を有する凸球面形状を有する。
　本開示の光結合部および光スイッチは、フェルール中心軸に平行かつフェルール中心軸から同一距離にシングルコアのシングルモード光ファイバが配置された２つのフェルールを備えていてもよい。この場合、２つのフェルールの突き合わされている端部が凸球面形状であり、２つのフェルールの端部の先端を中心軸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を回転させる。
　より具体的には、本開示に係る光結合部は、
　フェルール断面において中心部に複数のシングルコアのシングルモード光ファイバのコア中心が同一円周上に並ぶようにバンドル状に配置された、凸球面の端面を有する第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モード光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１つまたは複数のシングルコアのシングルモード光ファイバのコア中心が配置され、凸球面の端面を有する第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のフェルール及び前記第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。
　本発明は、フェルール中心軸に平行かつフェルール中心軸から同一距離にシングルモード光ファイバが配置された２つのフェルールの端部が凸球面形状であり、２つのフェルールの端部の先端を中心軸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中心軸を中心として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が非平行となるため、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、より経済的な光結合部および光スイッチを提供することができる。
　さらに、本発明は、光スイッチングを行う光結合部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、入力側フェルールの軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部においてスリーブにより保証されているために、低損失化が可能となる。加えて、本発明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。
　ここで、フェルール中心軸を中心とする同一の円周上にバンドル状に配置された前記複数の光ファイバの内側にダミーファイバを配置し、前記ダミーファイバの端面が前記凸球面形状の一部を構成してもよい。
　また、前記凸球面形状での反射減衰量は所定値以上であってもよい。例えば、本開示に係る光結合部は、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、フェルール中心軸に対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度が４．５度以上であってもよい。これにより、前記凸球面形状での反射減衰量を４０ｄＢ以上にすることができる。
　また、前記２つのフェルールの突き合わされている端面の間隙による過剰損失ＴＧを抑制してもよい。例えば、本開示に係る光結合部は、前記第１のフェルールのシングルモード光ファイバの端面と、当該シングルモード光ファイバに光軸が一致する前記第２のフェルールのシングルモード光ファイバの端面の間隙が２２μｍ以下であってもよい。これにより、間隙による過剰損失ＴＧを０．１ｄＢ以下に抑制することができる。
　また、前記２つのフェルールの回転角度ずれによる過剰損失ＴＲを抑制してもよい。例えば、本開示に係る光結合部は、前記第１のフェルール及び前記第２のフェルールにおける各シングルモード光ファイバのコア中心の、フェルール中心軸からの距離が２５０μｍ以下であってもよい。これにより、回転角度ずれによる過剰損失ＴＲを０．１ｄＢ以下にすることができる。
　前記凸球面形状での反射減衰量及び前記２つのフェルールの突き合わされている端面の間隙による過剰損失ＴＧの条件を満たしてもよい。例えば、本開示に係る光結合部は、前記複数の光ファイバはシングルモード光ファイバであり、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、前記凸球面形状における曲率半径が０．７ｍｍ以上３．２ｍｍ以下であってもよい。
　具体的には、本開示に係る光スイッチは、
　前記光結合部と、
　前記光結合部の前記２つのフェルールのどちらか一方を、前記フェルール中心軸を中心に回転させる回転機構と、を具備する。
　例えば、本開示に係る光スイッチは、
　前記回転機構を一定の角度ステップで回転させ、任意の角度ステップで静止させるアクチュエータと、
　前記回転機構を構成するベアリングと、
をさらに具備してもよい。
　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、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結合部及び光スイッチを提供することができる。
本発明の使用形態の一例を示す。 本発明の概略構成の一例を示す。 出力側フェルールの端部を正面から表した図である。 入力側フェルールの端部を正面から表した図である。 光結合部を長手方向に沿った面で表した図である。 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。 本発明の光結合部のフェルールの端部近傍を示す。 フェルール中心軸に対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面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。 凸球面形状のフェルール端面の曲率半径に対する、中心軸に対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度の関係の一例を示す。 凸球面形状のフェルール端面の曲率半径に対する、フェルール先端からシングルモード光ファイバ端面までの距離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。 実施形態１に係る本発明の光結合部の篏合形態を表す。 実施形態２に係る本発明の光結合部の篏合形態を表す。 実施形態２に係る本発明の光結合部の入力側フェルールの断面を表す。 実施形態２に係る本発明の光結合部の入力側フェルールの断面を表す。 実施形態１に係る本発明の出力側フランジの側面を表す。
　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は本発明の実施形態の一例を示す図である。本実施形態は、光が入力側光ファイバＳ０１から入射され、出力側光ファイバＳ０４へ出射する形態を説明するが、光の方向は逆でもよい。本発明は、前段光スイッチ構成部Ｓ００に接続された入力側光ファイバＳ０１を、前段光スイッチ構成部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、後段光スイッチ構成部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、前段光スイッチ構成部Ｓ００及び後段光スイッチ構成部Ｓ０３に該当する光スイッチである。以下、前段光スイッチ構成部Ｓ００を光スイッチＳ００と、後段光スイッチ構成部Ｓ０３を光スイッチＳ０３と略記する。光スイッチＳ００と光スイッチＳ０３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Ｓ００を用いて詳細な構成を示す。
　図２は本発明の実施形態に係るブロック構成図である。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００が有する光結合部Ｓ８は、
　フェルール断面において中心から同一の円周上に複数のシングルモード光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、第１のフェルールにおけるシングルモード光ファイバのコア中心が配置された円周と同じ直径の円周上に１つまたは複数のシングルモード光ファイバのコア中心が配置された第２のフェルールと、
　第１のフェルール及び第２のフェルールの中心軸が一致するように第１のフェルール及び第２のフェルールが挿入される中空部を有し、第１のフェルール及び第２のフェルールが回転可能なように、第１のフェルール及び第２のフェルール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円筒のスリーブＳ１７と、を備える。
　図２において、入力側光ファイバＳ１を一のシングルコアのシングルモード光ファイバからなる構成とし、入力側フェルールＳ６を第２のフェルールとする。また、出力側光ファイバＳ９を複数のシングルコアのシングルモード光ファイバからなる構成とし、出力側フェルールＳ７を第１のフェルールとする。なお、入力側光ファイバＳ１は図１の入力側光ファイバＳ０１に対応し、出力側光ファイバＳ９は図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２に対応する。
　図２に示す光スイッチＳ００は、入力側光ファイバＳ１が挿入された入力側フェルールＳ６と、出力側光ファイバＳ９が挿入された出力側フェルールＳ７とから構成される光結合部Ｓ８を有する。入力側光ファイバＳ１は、入力側フェルールＳ６に備わるファイバ孔の予め定められた位置で、接着剤などを用いて固定されている。出力側光ファイバＳ９は、出力側フェルールＳ７に備わるファイバ孔の予め定められた位置で、接着剤などを用いて固定されている。
　入力側光ファイバＳ１から光を入射した場合、出力側フェルールＳ７を固定し、入力側フェルールＳ６を回転させることで入力側光ファイバＳ１を出力側光ファイバＳ９の任意の１本と接続させ、入射した光を出力側光ファイバＳ９の１本から出力させることのできる光スイッチＳ００であり、１ｘＮ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、出力側光ファイバＳ９から光を入射することも可能である。例えば、出力側光ファイバＳ９のうちの複数のシングルモード光ファイバに光を入射し、出力側フェルールＳ７を固定し、入力側フェルールＳ６を回転させることで出力側光ファイバＳ９の任意の１本を入力側光ファイバＳ１と接続させ、入射した複数の光の中から選択した１つの光のみを入力側光ファイバＳ１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、出力側フェルールＳ７を固定して、入力側フェルールＳ６を回転させることとしたが、入力側フェルールＳ６又は出力側フェルールＳ７のいずれかを固定し、対向する側を回転させることによって対向するファイバの切り替えを可能とする形態であればよいため、入力側フェルールＳ６を固定し出力側フェルールＳ７を回転させてもよい。また、入力側フェルールＳ６を１本としたが、複数の光ファイバを配置することも可能である。
　以下では、出力側フェルールＳ７を固定し、入力側フェルールＳ６を回転させる光スイッチＳ００について説明する。出力側フェルールＳ７は回転止め機構（図示せず）により軸回転しないように固定される。アクチュエータＳ３は制御回路Ｓ４からの信号により任意の角度回転を行う。入力側フェルールＳ６は、アクチュエータＳ３の出力が回転機構Ｓ５を介して伝達されることにより回転する。また、入力側フェルールＳ６には入力側光ファイバＳ１のねじれを許容するための一定の余長部Ｓ２が設けられている。また、光結合部Ｓ８は、軸ずれ調整機構（不図示）によってフェルール中心軸の軸ずれを抑制し、軸ずれによる過剰損失を回避する構成になっている。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００が有する光結合部Ｓ８は、
　入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７はそれぞれ、
　中心軸方向に凸球面形状の端部を備え、
　入力側フェルールＳ６の先端と出力側フェルールＳ７の先端とが突き合わされる。
　図３は本発明の実施形態に係る出力側フェルールＳ７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光ファイバを束ねてバンドル状にして出力側フェルールＳ７の中心部に設けた直径Ｓ２１のファイバ孔Ｓ１１の内部に配置し、出力側光ファイバＳ９のそれぞれのコア中心が出力側フェルールＳ７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３では中心にダミーファイバＳ１０を配置し、合計６つの出力側光ファイバ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出力側光ファイバＳ９のコア中心が配置されていればよく、これに限らない。ダミーファイバＳ１０は、出力側光ファイバＳ９と同じ強度、かつ同じ外径となる光ファイバであればよく、コアを有しないファイバ、つまり、通光しないファイバであってもよい。
　図４は本発明の実施形態に係る入力側フェルールＳ６の端部を正面から表した模式図である。図４に示すように複数の光ファイバを束ねてバンドル状にして入力側フェルールＳ６の中心部に設けたファイバ孔Ｓ１１の内部に配置し、入力側光ファイバＳ１のコア中心が入力側フェルールＳ６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本の入力側光ファイバＳ１がｙ軸（ｘ＝０）上に配置され、他の６つのダミーファイバＳ１０とともに入力側フェルールＳ６の中心部に配置された例を挙げているが、入力側光ファイバＳ１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。例えば、入力側フェルールＳ６の中心軸に対してコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に１本の光ファイバを配置可能なファイバ孔を１つまたは複数設けて、そのファイバ孔に入力側光ファイバＳ１を配置してもよい。また、ダミーファイバＳ１０は、入力側光ファイバＳ１と同じ強度、かつ同じ外径となる光ファイバであればよく、コアを有しないファイバ、つまり、通光しないファイバであってもよい。
　なお、出力側フェルールＳ７及び入力側フェルールＳ６の中心に配置されるダミーファイバＳ１０の外径は、出力側光ファイバＳ９及び入力側光ファイバＳ１と異なっていてもよい。例えば、中心に配置されるダミーファイバＳ１０の外径を１２５μｍよりも大きくすることで、６本以上の出力側光ファイバＳ９をコア配置半径Ｒｃｏｒｅの円の円周上に配置することが可能になる。
　ただし、光結合部Ｓ８の透過損失をできるだけ小さくすることが重要であり、出力側光ファイバＳ９の各コアは、入力側光ファイバＳ１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、出力側フェルールＳ７のフェルール外径Ｓ１５は、入力側フェルールＳ６のフェルール外径Ｓ１５と同程度である方が望ましい。
　本実施形態では、入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７はジルコニア、入力側光ファイバＳ１及び出力側光ファイバ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。
　図５は本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ８を長手方向に沿った面で表した模式図である。入力側光ファイバＳ１を挿入した入力側フェルールＳ６と、出力側光ファイバＳ９を挿入した出力側フェルールＳ７が、それらのフェルール外径Ｓ１５に対してサブμｍ程度一回り大きい内径Ｓ１６の中空部を有する円筒のスリーブＳ１７で調心されており、軸ずれを一定許容範囲に制御し、入力側フェルールＳ６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を入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７に対して設けている。
　図６は入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７のフェルール外径Ｓ１５とスリーブ内径Ｓ１６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。ここで、フェルール外径Ｓ１５とスリーブ内径Ｓ１６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Ｓ１５とスリーブ内径Ｓ１６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はそれぞれ入力側及び出力側光ファイバＳ９コアのモードフィールド半径（単位：μｍ）であり、図６は入力側光ファイバＳ１及び出力側光ファイバＳ９コアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、クリアランスＣが０．７μｍ以下となるように、フェルール外径Ｓ１５及びスリーブ内径Ｓ１６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Ｓ１５とスリーブ内径Ｓ１６を加工する必要がある。
　図７は本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ８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。入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７の端部は、フェルール中心軸ＡＣ上に中心点を有する凸球面形状である。具体的には、本実施形態の出力側フェルールＳ７は、図３に示すように、ファイバ孔Ｓ１１の中心にダミーファイバＳ１０が配置され、ダミーファイバＳ１０の周囲に出力側光ファイバＳ９が配置されている。出力側フェルールＳ７に配置されている出力側光ファイバＳ９及びダミーファイバＳ１０の端面が、出力側フェルールＳ７の端部の前記凸球面形状を構成する。また本実施形態の出力側フェルールＳ６は、図４に示すように、ファイバ孔Ｓ１１の中心にダミーファイバＳ１０が配置され、ダミーファイバＳ１０の周囲に入力側光ファイバＳ１及びダミーファイバＳ１０が配置されている。出力側フェルールＳ６に配置されているに入力側光ファイバＳ１及びダミーファイバＳ１０の端面が、入力側フェルールＳ６の端部の前記凸球面形状を構成する。
　入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７に配置されているダミーファイバＳ１０は、それぞれの先端が突き合わされている。入力側ファイバＳ１及び出力側ファイバＳ９は、前述したように、フェルール断面においてフェルール中心軸ＡＣからコア配置半径Ｒｃｏｒｅの位置に配置されている。入力側ファイバＳ１及び出力側ファイバ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、端面が先端より後退している。また、入力側ファイバＳ１及び出力側ファイバＳ９の端面では、反射による信号特性劣化を抑制するため、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルコア光ファイバ端面とがなす角度θが制御されている。例えば、一般的な光コネクタの作製で用いられる研磨技術を使用することにより、凸球面形状を作製することができる。図７では、それぞれのフェルール中心軸に配置されたダミーファイバＳ１０の端面同士が突き合わされているが、入力側ファイバＳ１と出力側ファイバＳ９のそれぞれの端面同士が接触しない配置になっていればよく、これに限らない。例えば、フェルール端面を研磨する際に、ファイバ引込量を多くすることによって、入力側フェルールＳ６と出力側フェルールＳ７を突合せた際に入力側ファイバＳ１と出力側ファイバＳ９の端面同士が接触しない構造としてもよい。
　図８はフェルール中心軸に対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θと反射減衰量Ｒの関係の一例を示す図である。光結合部Ｓ８において、入力側光ファイバＳ１の端面と出力側光ファイバ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７に示す本発明の構成において、入力側光ファイバＳ１の端面と出力側光ファイバ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。本発明では角度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。フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度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、つまり空気の屈折率である。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、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θを４．５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。さらに、ファイバ端面に反射コーティングを加工することにより、反射特性をさらに改善することも可能である。
　図９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。入力側光ファイバＳ１と出力側光ファイバＳ９との間の光結合において、入力側光ファイバＳ１の端面と出力側光ファイバＳ９の端面との間に間隙Ｇが存在すると、入力側光ファイバＳ１の出射光の分布が広がり、出力側光ファイバ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λ、ｎｃｌａｄ、ω１、ω２はそれぞれ伝搬光の真空中での波長（単位：μｍ）、光ファイバのクラッド、つまり純石英の屈折率、入力側光ファイバＳ１及び出力側光ファイバＳ９のコアのモードフィールド半径（単位：μｍ）であり、図９は入力側光ファイバＳ１及び出力側光ファイバＳ９のコアのモードフィールド径が、ともに９μｍの時の損失を示す図である。例えば、入力側光ファイバＳ１の端面と出力側光ファイバＳ９の端面との間の間隙Ｇが２２μｍ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。
　図１０は凸球面形状のフェルール端面の曲率半径Ｒｃｕｒに対する、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θの関係の一例を示す図である。凸球面形状のフェルール端面の曲率半径Ｒｃｕｒ（単位：ｍｍ）と、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θ（単位：度）の関係は、コア配置半径Ｒｃｏｒｅ（単位：μｍ）を用いて、数５に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　図１０はコア配置半径Ｒｃｏｒｅが１２５、１５０、２００、２５０μｍの時の角度θと曲率半径Ｒｃｕｒの関係を示す図である。図８より、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを保持可能な角度θは４．５度以上であり、２５０μｍ以下のコア配置半径Ｒｃｏｒｅにおいて角度θが４．５度以上となる曲率半径Ｒｃｕｒが実現可能であることがわかる。例えば、コア配置半径Ｒｃｏｒｅが１２５μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍのとき、曲率半径Ｒｃｕｒをそれぞれ１．５ｍｍ以下、１．９ｍｍ以下、２．５ｍｍ以下、３．２ｍｍ以下、となるように調整することにより、角度θが４．５度以上となり、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを保持することができる。一般的なシングルモード光ファイバのファイバ外径は１２５μｍであり、前記シングルモード光ファイバを図３のようにバンドル状に配置する場合、１．５ｍｍ以下の曲率半径Ｒｃｕｒとなるようにフェルール端面を研磨することによって、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θが４．５度以上となり、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒを実現することができる。
　また、図１１は凸球面形状のフェルール端面の曲率半径Ｒｃｕｒに対する、フェルール先端からシングルモード光ファイバ端面までの距離Ｄの関係の一例を示す図である。フェルール先端からシングルモード光ファイバ端面までの距離Ｄは、入力側光ファイバＳ１の端面と出力側光ファイバＳ９の端面との間の間隙Ｇの半分に相当し、凸球面形状のフェルール端面の曲率半径Ｒｃｕｒ（単位：ｍｍ）と、フェルール中心軸ＡＣに対して垂直な断面とシングルモード光ファイバ端面とがなす角度θ（単位：度）を用いて、数６に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　図１１では、コア配置半径Ｒｃｏｒｅが１２５、１５０、２００、２５０μｍの時の曲率半径Ｒｃｕｒとフェルール先端からファイバ端面までの距離Ｄの関係を示す。例えば、コア配置半径Ｒｃｏｒｅが１２５μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍのとき、曲率半径Ｒｃｕｒがそれぞれ０．７ｍｍ以上、１．０ｍｍ以上、１．８ｍｍ以上、２．８ｍｍ以上となるように調整することによって、フェルール先端からファイバ端面までの距離Ｄが１１μｍ以下、つまり、間隙Ｇが２２μｍ以下となり、図９に示したとおり間隙による過剰損失ＴＧを０．１ｄＢ以下に抑制することができる。一般的なシングルモード光ファイバのファイバ外径は１２５μｍであり、前記シングルモード光ファイバを図３のようにバンドル状に配置する場合、曲率半径Ｒｃｕｒを０．７ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となるようにフェルール端面を研磨することによって、４０ｄＢ以上の反射減衰量Ｒと０．１ｄＢ以下の過剰損失ＴＧを実現することができる。
　本実施形態に係る光スイッチＳ００が有する光結合部Ｓ８は、４０ｄＢ以上の反射減衰量と０．１ｄＢ以下の間隙による過剰損失を得るために、
　入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７のそれぞれにおいて、
　凸球面形状における曲率半径が０．７ｍｍ以上３．２ｍｍ以下であってもよい。
　次に、図２におけるアクチュエータＳ３と図３で述べた出力側フェルールＳ７、並びに図４で述べた入力側フェルールＳ６に係る要件について説明する。アクチュエータＳ３には、制御回路Ｓ４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Ｓ３は、制御回路Ｓ４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Ｓ４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Ｓ８における入力側フェルールＳ６はフェルール中心軸ＡＣを中心に回転するように設計されているため、入力側フェルール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Ｓ３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出力側光ファイバ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、光結合部Ｓ８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：°）、コア配置半径Ｒｃｏｒｅ（単位：μｍ）とした場合、これらの関係は数７に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 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１２に示す。図１２では、回転角度ずれΦが０．１度、０．１５度、０．２度、０．３度の時のコア配置半径Ｒｃｏｒｅと回転角度ずれによる過剰損失ＴＲの関係を示す図である。コア配置半径Ｒｃｏｒｅが大きいほど過剰損失が大きくなるが、例えば、モードフィールド半径ω１及びω２が４．５μｍ（ＭＦＤ＝９μｍ）のとき、コア配置半径が２５０μｍ以下において、０．１５度の回転角度ずれにおいても、回転角度ずれによる過剰損失ＴＲは０．１ｄＢ以下を保持することが可能である。ファイバ外径１２５μｍのシングルモード光ファイバを図３のようにバンドル状に配置する場合、コア配置半径Ｒｃｏｒｅは１２５μｍになるため、図１２により、０．３度の回転角度ずれにおいても、回転角度ずれによる過剰損失ＴＲは０．１ｄＢ以下を保持することが可能である。
　図１３は本発明の第１の実施形態に係る光結合部Ｓ８の篏合形態の一例を表す模式図である。出力側フェルールＳ７は切り欠き付きの出力側フランジＳ１９に取り付けられ、出力側フランジＳ１９は固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられ、軸方向および軸回転方向が固定されている。入力側フェルールＳ６は回転フランジＳ２９に取り付けられ、回転フランジＳ２９にベアリングＳ２６が設けられており、これも同様に固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられ、軸方向が固定されている。固定治具Ｓ２７の内側にスリーブＳ１７が内蔵されており、入力側フェルールＳ６及び出力側フェルールＳ７がスリーブＳ１７に挿入されることによってフェルール中心軸の軸合わせが行われる。出力側フェルールＳ７が固定され、入力側フェルールＳ６がスリーブＳ１７内でフェルール円筒の中心を軸としてベアリングＳ２６の回転機構Ｓ５により回転する。これにより、入力側フェルールＳ６に挿入された入力側光ファイバＳ１のコアが回転し、入力側光ファイバＳ１に対向する出力側光ファイバＳ９のコアが切り替わる。なお、ベアリングＳ２６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。また、固定治具Ｓ２７を、例えば剛性の低い、中空形状の金属で構成されたフレームにすることにより、アクチュエータＳ３の回転時の軸ブレによる入力側フェルールＳ６の軸ずれを低減することが可能である。
　出力側フェルールＳ７に取り付けられた切り欠き付きの出力側フランジＳ１９の側面図を図１７に示す。キャピラリＳ２３は、図１７に示すように、出力側フランジＳ１９に取り付けられた出力側フェルールＳ７のファイバ孔Ｓ３０とフェルール中心軸ＡＣが一致する位置に配置し、キャピラリＳ２３を長手方向にテーパー形状にして、その先端の直径を出力側フェルールＳ７のファイバ孔Ｓ３０の直径に近づけることによって、出力側光ファイバＳ９を出力側フェルールＳ７へ挿入する際に段差による引っ掛かりを防ぎ、さらには光ファイバの折れを予防することが可能になる。入力側フェルールＳ６に取り付けられた回転フランジＳ２９も同様である。本実施例ではフランジの内部に長手方向にテーパー形状であるキャピラリを挿入する例を示したが、フランジ内部の形状は、光ファイバをファイバ孔に挿入可能な形状であり、かつ、光結合部作製時に光ファイバを保護することが可能な形状であればよく、この限りではない。
　本発明は、中心軸に平行かつ中心軸から同一距離にシングルモード光ファイバが配置された２つのフェルールの端部が凸形状であり、２つのフェルールの端部の先端を中心軸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を中心軸を中心として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、より経済的な光結合部および光スイッチを提供することができる。
　さらに、本発明は、光スイッチングを行う光結合部Ｓ８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Ｓ３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、入力側フェルールＳ６の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部Ｓ８においてスリーブＳ１７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、本発明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、本発明により、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結合部及び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）
　以下、本実施形態に係る光スイッチＳ００の構成と動作について図１４及び図１５を用いて具体的に示す。本実施形態の光スイッチＳ００は、光結合部Ｓ８の入力側フェルールＳ６が回転フランジＳ２９ではなく、入力側フランジＳ１８に取り付けられ、ベアリングＳ２６の設けられる位置が実施形態１の光スイッチＳ００と異なる。以下、入力側フェルール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。
　図１４は、本実施形態に係る光結合部Ｓ８の篏合形態を表す模式図である。第１の実施形態と同様に、出力側フェルールＳ７は切り欠き付きの出力側フランジＳ１９に取り付けられ、出力側フランジＳ１９は固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられ、軸方向および軸回転方向が固定されている。
　入力側フェルールＳ６は切り欠き付きの入力側フランジＳ１８に取り付けられる。入力側フランジＳ１８は取り外し可能な固定ネジＳ２５で固定治具Ｓ２７に取り付けられ、軸方向および軸回転方向が固定されており、固定ネジＳ２５をゆるめることにより、入力側フランジＳ１８が回転可能となり、それに伴い入力側フランジＳ１８に取り付けられている入力側フェルールＳ６が回転できる。また、入力側フランジＳ１８は後述するように、図１５に示す構造であってもよい。この時、軸方向を固定する固定ネジ（不図示）を別途設けてもよい。入力側フェルールＳ６は出力側フェルールＳ７よりもフェルール外径Ｓ１５を小さくし、ベアリングＳ２６が取り付けられており、ベアリングＳ２６の回転機構Ｓ５により回転する。つまり、出力側フェルールＳ７が固定され、入力側フランジＳ１８が回転可能になることにより、入力側フェルールＳ６がスリーブＳ１７内でフェルール円筒の中心を軸としてベアリングＳ２６の回転機構Ｓ５により回転する。これにより、入力側フェルールＳ６に挿入された入力側光ファイバＳ１のコアが回転し、入力側光ファイバＳ１に対抗する出力側光ファイバＳ９のコアが切り替わる。
　図１５は、本実施形態に係る光結合部Ｓ８の入力側フェルールＳ６の断面を表した模式図である。入力側フェルールＳ６の周囲にベアリングＳ２６が取り付けられ、入力側フェルールＳ６がスリーブＳ１７内で自由に回転できる構造となっている。また、図１５では、入力側フランジＳ１８の固定方法として、固定ばねＳ２８を用いた例を示す。入力側フランジＳ１８に図１５に示すような溝をあらかじめ設けておき、その溝に固定ばねＳ２８の先端を挟むことによって入力側フランジＳ１８とそれに固定された入力側フェルールＳ６が固定されている。固定ばねＳ２８は矢印の方向ＤＳに力を加えることにより入力側フェルールＳ６の固定が解放されて回転可能となる。例えば、この固定ばねＳ２８の固定と解放をアクチュエータＳ３を制御する制御回路Ｓ４（不図示）と連動させることによって、光ファイバ切り替えの一括制御が可能となる。また、図１６のように入力側フランジＳ１８の外周の形状を、入力側フェルールＳ６の長手方向に沿って溝がずれるように複数の歯車を配置したような形状にすることによって、より細かい回転角度制御を行うことも可能である。また、入力側フランジＳ１８の固定と解放の方法として、固定ばねＳ２８以外に磁石やソレノイドを用いてもよい。
　以上説明したように、本発明によれば、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結合部及び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。
　本開示に係る光結合部および光スイッチは、光通信産業に適用することができる。
Ｓ００：前段光スイッチ構成部
Ｓ００：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：後段光スイッチ構成部
Ｓ０３：光スイッチ
Ｓ０４：出力側光ファイバ
Ｓ１：入力側光ファイバ
Ｓ２：余長部
Ｓ３：アクチュエータ
Ｓ４：制御回路
Ｓ５：回転機構
Ｓ６：入力側フェルール
Ｓ７：出力側フェルール
Ｓ８：光結合部
Ｓ９：出力側光ファイバ
Ｓ１０：ダミーファイバ
Ｓ１１：ファイバ孔
Ｓ１５：フェルール外径
Ｓ１６：スリーブ内径
Ｓ１７：スリーブ
Ｓ１８：入力側フランジ
Ｓ１９：出力側フランジ
Ｓ２１：ファイバ孔直径
Ｓ２３：キャピラリ
Ｓ２５：固定ネジ
Ｓ２６：ベアリング
Ｓ２７：固定治具
Ｓ２８：固定ばね
Ｓ２９：回転フランジ
Ｓ３０：ファイバ孔

Claims (4)

  1. 　スリーブを用いて２つのフェルールに配置されているシングルコアの光ファイバを結合する光結合部であって、
    　前記２つのフェルールのうちの第１のフェルールは、ファイバ孔内に複数の光ファイバがフェルール中心軸を中心とする同一の円周上にバンドル状に配置されており、
    　前記２つのフェルールの少なくとも一方は、前記フェルール中心軸を中心に回転可能であり、
    　前記２つのフェルールの突き合わされている端部が、前記フェルール中心軸上に中心点を有する凸球面形状を有する、
    　光結合部。
  2. 　前記第１のフェルールは、前記フェルール中心軸を中心とする同一の円周上にバンドル状に配置された前記複数の光ファイバの内側にダミーファイバを備え、
    　前記ダミーファイバの端面が前記凸球面形状の一部を構成する、
    　請求項１に記載の光結合部。
  3. 　請求項１又は２に記載の光結合部と、
    　前記光結合部の前記２つのフェルールのどちらか一方を、前記フェルール中心軸を中心に回転させる回転機構と、
    　を具備する光スイッチ。
  4. 　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と、
    　前記回転機構を構成するベアリングと、
    　をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
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