(57)【要約】【課題】山状の電圧−損失特性を持つMEMSマイクロミラー装置を用いて、安定した光出力パワーの制御を実現する。【解決手段】加算器１１は、目標値に対する検出結果の偏差を求め、補償量算出部１２は、その偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出し、傾き符号算出部１３は、現在の電圧における電圧の変化に対するパワーの変化率の符号を求め、乗算器１４および加算器１５は、その符号に応じて補償量を現在の電圧に加算または減算して、現在の電圧に偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出し、電極電圧変換部１６は、その次回の電圧から駆動電圧を算出する。これにより、正帰還に陥ることなく、光パワーの調整可変範囲を狭めることなく、目標通りの光出力パワーとするように自動制御することができ、安定した光出力パワーの制御を実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、
回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
前記光出力部から出力される出力光のパワーを検出する検出部と
を備えた光スイッチに対して、前記検出部の検出結果に基づいて、前記駆動電圧を算出し、この駆動電圧を前記電極に印加して前記ミラーを傾斜させる光スイッチの制御機構であって、
目標値に対する前記検出結果の偏差を求める加算器と、
この加算器から出力される偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出する補償量算出部と、
現在の電圧における電圧の変化に対する前記パワーの変化率の符号を求める符号検出部と、
この符号検出部において検出された符号に応じて前記補償量を前記現在の電圧に加算または減算して、前記現在の電圧に前記偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出する補償電圧算出部と、
この補償電圧算出部において求めた前記次回の電圧から前記駆動電圧を算出する駆動電圧算出部と
を有することを特徴とする光スイッチの制御機構。
【請求項２】
前記補償量算出部は、前記補償量に、少なくとも前記偏差にパラメータを乗じた値を含む前記補償量を算出し、
当該パラメータは、現在の電圧の変化に対する前記パワーの変化率が所定の範囲の値である場合は、基準となる電圧で最適化したパラメータの基準値に、基準となる電圧値と現在の電圧の絶対値との比を乗じた値からなる
ことを特徴とする請求項１記載の光スイッチの制御機構。
【請求項３】
所定の電圧を前記電極に印加したときの光出力パワーと目標値とから偏差を算出し、この偏差から目標損失を算出し、この目標損失に対する電圧を算出し、この電圧から駆動電圧を求め、この駆動電圧を前記電極に印加する初期電圧算出部
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の光スイッチの制御機構。
【請求項４】
入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、
出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、
回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することにより前記ミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、
前記光出力部から出力される出力光のパワーを検出する検出部と
を備えた光スイッチに対して、前記検出部の検出結果に基づいて、前記駆動電圧を算出し、この駆動電圧を前記電極に印加して前記ミラーを傾斜させる光スイッチの制御方法であって、
目標値に対する前記検出結果の偏差を求める加算ステップと、
この加算ステップにより出力される偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出する補償量算出ステップと、
現在の電圧における電圧の変化に対する前記パワーの変化率の符号を求める符号検出ステップと、
この符号検出ステップにより検出された符号に応じて前記補償量を前記現在の電圧に加算または減算して、前記現在の電圧に前記偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出する補償電圧算出ステップと、
この補償電圧算出ステップにより算出された前記次回の電圧から前記駆動電圧を算出する駆動電圧算出ステップと
を有することを特徴とする光スイッチの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信用光伝送装置や波長ルーティング装置などに用いられる光スイッチの制御機構および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信の分野では、光信号を電気信号に変換することなく相手先に送信することにより、光の特徴を生かした高速通信が実現されている。また、１つの波長に１つの光信号を対応させて波長多重するWDM(Wavelength Division Multiplexing)技術により、１本の光ファイバにより大容量の光伝送を行うことも実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチが脚光を浴びている。
【０００３】
光スイッチの機能としても、単に経路の切り替えだけではなく、経路毎に光信号のパワーを調整して、どの経路を経由した光信号のパワーも一定の範囲内に収まるよう、すなわち、出力される光信号のパワーの偏差が経路によらずに一定の範囲内となるようにする「パワー調整機構」が付加機能として求められる。「レベル等価」とも呼ばれるこの機能により、光のまま通過可能なノード数を増やすことができるので、経済的な光ネットワークを実現することができる。
【０００４】
光スイッチは、光通信ネットワークの大規模化に伴って、高機能化が促進されている。従来では、入力ポートが１つ、出力ポートが２つの単純な１×２スイッチが用いられていたが、近年では、入力ポートおよび出力ポートを数百個有し、万単位の光路制御を行うことができるマトリクススイッチや数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかから出力する波長選択スイッチ（例えば、特許文献１参照）などが提案されている。中でも、高機能化とともに小型化を実現できるのが空間光学系光スイッチである。
【０００５】
空間光学系光スイッチは、光ファイバとともにレンズやミラーなどの空間光学部品を３次元的に配置することにより、高機能化と小型化を実現している。このような空間光学スイッチには、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作成されたマイクロミラー装置（例えば、特許文献１，２参照）がよく用いられる。MEMSマイクロミラー装置は、ミラーと対向配置された電極に電圧を印加し、電極とミラーとの間に生じる静電力によってミラーを回動軸回りに回動させる装置である。MEMSマイクロミラー装置は、ミラーを複数の回動軸により回動させることが可能なので、例えば、光路の切り替えを実現する第１の回動軸の他に、その第１の回動軸と直交する第２の回動軸の回りにミラーを傾けることによって、光損失を制御することが提案されている。
【０００６】
光損失を制御して光出力パワーを所望の値（目標値）に制御する方法としては、目標値と光出力パワーとの偏差を０にするように、ミラーと対向配置された電極に印加する電圧を繰り返し制御するフィードバック制御が知られている。この中でも特にＰＩＤ制御は、偏差に比例した電圧を帰還量として還す比例制御（Ｐ制御）と、偏差の累積値に比例した電圧を帰還量として還す積分制御（Ｉ制御）と、偏差の時間変化に比例した電圧を帰還量として還す微分制御（Ｄ制御）とからなり、汎用性および適用性が高いのでよく用いられている。
このＰＩＤ制御を、上述したＭＥＭＳマイクロミラー装置を用いた光スイッチに適用した場合について、以下に説明する。
【０００７】
図８に示す波長選択スイッチ１００は、１本の入力側光ファイバ１０１と、ｎ本の出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎと、入力側光ファイバ１０１からの入力光を回折して波長の異なるｍ個の光を生成する回折格子１０３と、この回折格子１０３により回折された特定の波長のｍ個の光を各波長毎に反射して、対応する出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎから出力させるＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍと、出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎからの出力を合流する合流器１０５と、この合流器１０５により合流された光をｍ個の特定の波長毎に分波する分波器１０６と、この分波器１０６により分波された各光をモニタするフォトダイオード１０７−１〜１０７−ｍと、このフォトダイオード１０７−１〜１０７−ｍの検出結果をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１０８と、このＡ／Ｄ変換器１０８からの出力に基づいてＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍの駆動を制御する制御機構１０９とを備えている。
【０００８】
このような波長選択スイッチ１００では、ある波長の光信号に対応するＭＥＭＳミラー装置のミラーを、出力ポートの選択軸（ＭＥＭＳミラー装置の配列方向に沿った軸（以下、Ｘ軸という））周りに回動させ、特定の出力側ポートに結合させることにより、入力側光ファイバ１０１から入力された最大ｍ波長の光信号の、ある波長の光信号のみを任意の出力側光ファイバ１０２−１〜１０２−ｎから取り出すことができる。また、Ｘ軸と直交するＹ軸周りにミラーを回動させれば、このミラーによって反射された光は、出力側光ファイバが配列された方向と直交する方向に変化して、出力側ポートと結合ずれが生じるので、他の出力側光ファイバに光信号が漏れることなく、出力光信号を調節することができる。出力側光ファイバの各光ファイバには、カプラを介して光パワーの一部が低率で分岐され、一度、合流器１０５で一つの光ファイバに合流された後、分波器１０６で、ｍ波長毎の光信号に分波される。この分波された光信号は、各信号に対応したフォトダイオード１０７−１〜１０７−ｍで受光されて電気信号に変換された後、その信号のパワーがＡ／Ｄ変換器１０８により数値化される。この数値化された光信号のパワーと、目標とするパワーとの偏差が制御機構１０９によって算出され、その偏差に応じた帰還量を、その光信号波長に対応するミラーの損失制御を実現する軸の周りに回す制御電圧に還すことで、光信号のパワーを目標の値に一定にすることができる。
【０００９】
次に、上述した波長選択スイッチ１００における、出力側光ファイバとの結合率を変えることによって光出力パワーを調整する機構について、図９を参照して説明する。
【００１０】
入力側光ファイバ１０１から空間に出射された光線の方向を、ＭＥＭＳミラー装置１０４−１〜１０４−ｍを構成するマイクロミラー２０１の角度を変えることによって変化させると、出力側光ファイバ１０２との結合状態が変化する。その結果、出力側光ファイバ１０２から取り出すことができる光パワーも変化する。したがって、マイクロミラー２０１の角度を適当に制御することによって入力光パワーに適当な減衰率を与えて所望の光パワーを出力側光ファイバ１０２から取り出すことができる。
【００１１】
マイクロミラー２０１の下方には、電極２０２，２０３が設けられており、この２つの電極２０２，２０３に適当な電圧を印加することによって、マイクロミラー２０１と電極２０２，２０３間に生じる２つの静電力の力関係からマイクロミラー２０１の角度を制御することができる。２つの電極２０２，２０３によって生じた静電力の差で角度が決まることから、例えば、２つの電極２０２，２０３に印加する電極電圧の差分電圧Ｖｄを定義して、このＶｄの関数としてマイクロミラー２０１の角度θ＝θ（Ｖｄ）と表すことができる。簡単のため、以下の説明においては、差分電圧を単に電圧と呼ぶこととし、その表記もＶｄに代えて単にＶと表すこととする。
【００１２】
マイクロミラー２０１の角度は１つの電圧Ｖで制御され、このマイクロミラー２０１によって方向が変えられる光信号の結合率は、このマイクロミラー２０１の角度に対して、結合率が最大となる最適な角度に前後して小さくなる（損失が大きくなる）。したがって、電圧Ｖと結合率（または損失）の関係は、図１０に示すような山状のプロファイルとなる。パワー制御をする場合、その山状のプロファイルを通る曲線上で所望のパワーになるようにフィードバック制御を行う。
【００１３】
上述したように、フィードバック制御のために、出力側光ファイバからの出力の一部をカプラ２１０を使って取り出し、Ｏ／Ｅ変換器２１１とＡ／Ｄ変換器２１２を用いて計算処理が可能なように数値化した上で制御機構１０９に入力する。制御機構１０９では、目標値と数値化された光出力パワーとの偏差を算出し、この偏差から帰還量を算出する。この帰還量の算出方法としては、上述したＰＩＤ制御に基づく帰還量の算出方法が一般的に知られている。制御機構１０９は、算出した帰還量を現在の電圧Ｖに加えて新しい電圧を算出し、この新しい電圧に対応する電極電圧を電極に印加する。この処理を繰り返すことで、偏差が減少し、光出力パワーを目標値と一致させることができる。
【００１４】
【特許文献１】特許第３５７９０１５号公報
【特許文献２】特開２００７−２４０７２８号公報
【非特許文献１】広井和男、宮田朗、“シミュレーションで学ぶ自動制御技術入門”、ＣＱ出版社、２００４年１０月１日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、結合率（または損失）をマイクロミラーを制御する電圧Ｖの関数としてみると、電圧に対する損失の変化、すなわち傾きは、結合率が最大（損失が最小）となる電圧Ｖを境に、その正負が逆転する。また、電圧に対する損失の変化（傾き）も一定ではなく、電圧によって変化する。
【００１６】
したがって、このような関数にＰ制御を適用した場合には、まず、第一に、損失が最低となるピークを境に、負帰還制御から正帰還制御になって値が発散してしまう恐れがある。
【００１７】
また、第二には、関数の傾き（ｄＬ／ｄＶ）（Ｌは損失）がＶによって異なるため、同じ負帰還量を与えてもＶの値が異なると補償される損失量も異なってしまう。このため、Ｖに応じて目標に到達するまでにかかる帰還回数が異なってしまう。すなわち、目標値に到達するまでの「引き込み」時間が、Ｖの値や目標値によって変わってしまう。ネットワークシステムでは、スイッチングやパワー等価にかかる時間が目標パワーの値に関係なく規定されるのが普通なので、目標値に依存して収束時間が変わることは問題となる。
【００１８】
従来では、上記第一の問題に対処する、すなわち正帰還制御を避けるため、使用する電圧範囲を損失が最低となる電圧（ピーク電圧と呼ぶ）の左側または右側だけに制限していた。しかし、ＭＥＭＳミラーの場合、ピーク電圧が時間とともに変化してしまう現象により、初期に定めたピーク電圧は必ずしも現在のピーク電圧とは一致しなくなり、初期に制限した電圧範囲も時間とともに不適切になるという問題がある。この問題は、ドリフトと呼ばれており、その原因については色々な要因が挙げられる。例えば、電気的な要因として、電圧を印加している時間が経過するとともに電極周辺の絶縁体に電荷がチャージしてしまい、静電力に変化が生じてミラーが動くことが挙げられる。また、周辺温度が変化することによって、ミラーや光学部材の熱膨張や圧縮が起こり、光学的なずれが生じることもドリフトの要因となる。
【００１９】
このドリフトは時間をかければ落ち着く現象であるので、予めドリフトが生じても正帰還に陥らないように余裕を持って電圧範囲を制限することで、どんな場合でも正帰還にならないようにすることも可能である。しかしながら、このように余裕を持った電圧制限の場合、最小損失（ピーク）近傍の領域が使えなくなり、パワー可変範囲が狭くなってしまうという問題が生じる。
【００２０】
また、上記第二の問題に対処するには、線形近似、すなわち、近い値の傾きで電圧範囲を分割し、その電圧範囲毎に比例定数を最適化する方法が挙げられる。しかしながら、ＭＥＭＳミラーの場合、上述した場合と同様、電圧と損失の関係が時間とともに変化するために、初期に最適な分割範囲だったものが、時間の経過とともに必ずしも最適であるとは言えなくなってしまう。
【００２１】
そこで、本願発明は、上述のような山状の電圧−損失特性を持つMEMSマイクロミラー装置を用いて、安定した光出力パワーの制御を実現することを目的とする。より具体的には、正帰還に陥ることなく、光パワーの調整可変範囲を狭めることなく、目標通りの光出力パワーとするように自動制御する光スイッチの制御機構および制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上述したような課題を解消するために、本発明に係る光スイッチの制御機構は、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、光出力部から出力される出力光のパワーを検出する検出部とを備えた光スイッチに対して、検出部の検出結果に基づいて、駆動電圧を算出し、この駆動電圧を電極に印加してミラーを傾斜させる光スイッチの制御機構であって、目標値に対する検出結果の偏差を求める加算器と、この加算器から出力される偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出する補償量算出部と、現在の電圧における電圧の変化に対するパワーの変化率の符号を求める符号検出部と、この符号検出部において検出された符号に応じて補償量を現在の電圧に加算または減算して、現在の電圧に偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出する補償電圧算出部と、この補償電圧算出部において求めた次回の電圧から駆動電圧を算出する駆動電圧算出部とを有することを特徴とする。
【００２３】
上記光スイッチの制御機構において、補償量算出部は、補償量に、少なくとも偏差にパラメータを乗じた値を含む補償量を算出し、当該パラメータは、現在の電圧の変化に対するパワーの変化率が所定の範囲の値である場合は、基準となる電圧で最適化したパラメータの基準値に、基準となる電圧値と現在の電圧の絶対値との比を乗じた値からなるようにしてもよい。
【００２４】
上記光スイッチの制御機構において、所定の電圧を電極に印加したときの光出力パワーと目標値とから偏差を算出し、この偏差から目標損失を算出し、この目標損失に対する電圧を算出し、この電圧から駆動電圧を求め、この駆動電圧を電極に印加する初期電圧算出部をさらに備えるようにしてもよい。
【００２５】
また、本発明に係る光スイッチの制御方法は、入力光を入力する少なくとも１つの光入力部と、出力光を出力する少なくとも１つの光出力部と、回動可能に支持されたミラーおよびこのミラーと対向配置された複数の電極を有し、これらの電極に駆動電圧を印加することによりミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置と、光出力部から出力される出力光のパワーを検出する検出部とを備えた光スイッチに対して、検出部の検出結果に基づいて、駆動電圧を算出し、この駆動電圧を電極に印加してミラーを傾斜させる光スイッチの制御方法であって、目標値に対する検出結果の偏差を求める加算ステップと、この加算ステップにより出力される偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出する補償量算出ステップと、現在の電圧における電圧の変化に対するパワーの変化率の符号を求める符号検出ステップと、この符号検出ステップにより検出された符号に応じて補償量を現在の電圧に加算または減算して、現在の電圧に偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出する補償電圧算出ステップと、この補償電圧算出ステップにより算出された次回の電圧から駆動電圧を算出する駆動電圧算出ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、目標値に対する検出結果の偏差を求め、この偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出し、現在の電圧における電圧の変化に対するパワーの変化率の符号を求め、この符号に応じて補償量を現在の電圧に加算または減算して、現在の電圧に偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出し、この次回の電圧から駆動電圧を算出することにより、正帰還に陥ることなく、光パワーの調整可変範囲を狭めることなく、目標通りの光出力パワーとするように自動制御することができ、安定した光出力パワーの制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態に係る光スイッチの制御機構は、図８，図９を参照して説明した光スイッチの制御機構１０９に相当するものである。したがって、本実施の形態において、図８，図９を参照して既に説明した光スイッチと同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２８】
＜制御機構の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る光スイッチの制御機構１は、通常のＰＩＤ制御を実行するために光出力パワーと目標値との偏差を算出する加算器１１と、この加算器１１が算出した偏差から帰還量を算出する補償量算出部１２と、光出力パワーの値を示すＰｏｗ、この光出力パワーＰｏｗの前回の値を示すＰｒｅｖＰｏｗ、電圧Ｖ、および、この電圧Ｖの前回の電圧の値を示すＰｒｅｖＶという４つの変数から傾きを算出し、この傾きの符号を抽出する傾き符号算出部１３と、この傾き符号算出部１３により算出された符号と補償量算出部１２により算出された帰還量とを掛け合わせる乗算器１４と、現在の電圧Ｖから乗算器１４から出力される帰還量を減算する加算器１５と、この加算器１５から出力される新しい電圧Ｖを物理的な電圧（電極電圧）に変換して電極２０２，２０３に印加する電極電圧変換部１６と、一定の制御周期ΔＴを計測するタイマ１７とを備えている。ここで、前回の光出力パワーＰｒｅｖＰｏｗは、現在の値から１周期分の遅れを付加する遅延部−ΔＴ１８により、光出力パワーＰｏｗに基づいて算出される。同様に、前回の電圧ＰｒｅｖＶは、現在の値から１周期分の遅れを付加する遅延部−ΔＴ１９により、電圧Ｖに基づいて算出される。
【００２９】
このような制御機構１は、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＡＭやＲＯＭ等からなり、動作プログラムや各種データ等を記憶した記憶装置を備え、上記プログラムに基づいて演算を行う、すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した各構成要素が実現されるようにしてもよい。また、ソフトウェアとハードウェアの中間的手法であるＦＰＧＡなどのプログラマブルロジック回路を使って実現したり、ＩＣとしてハードウェア化して実現したりするようにしてもよい。
【００３０】
＜制御機構の動作＞
次に、本実施の形態に係る制御機構１の動作について、図２を参照して説明する。
【００３１】
はじめに、制御機構１は、関連する変数の初期化を行う（ステップＳ１）。ここで、前回の値を保存する変数や負領域または正領域の何れにいるかを判定する傾きｄＰ／ｄＶも初期化しておく。具体的には、例えば、傾きｄＰ／ｄＶの場合、ｄＰ／ｄＶ＝０としておく。
【００３２】
次に、制御機構１は、帰還制御を行う前の準備として、電極２０２，２０３に電圧の初期値Ｖ0から換算した電極電圧を印加して、このときの光パワーの値Ｐ0を観測した後、これらの値を前回の値を保存する変数にコピーする（ステップＳ２）。具体的には、電圧Ｖｎの初期値を印加して、光出力パワーＰｎを取得した場合、Ｖn-1＝Ｖn、Ｐn-1＝Ｐnとしておく。ここで、ｎは現在の値、ｎ−１は前回の値を意味する。
【００３３】
次に、制御機構１は、帰還制御を実行し、ステップＳ１２で停止命令が出されるまで、ステップＳ３〜Ｓ１１の帰還制御ループを繰り返す。停止命令は、例えば、停止フラグ用の論理変数を予め設けておき、初期化時に停止フラグをＦａｌｓｅ（停止しない）に設定しておく。ユーザ等から停止イベントが実行されたときに、この停止フラグ変数をＴｒｕｅ（停止する）変更しておく。ステップＳ１２では、停止フラグがＴｒｕｅかＦａｌｓｅかを確認し、Ｔｒｕｅの場合はループを抜けて停止し、Ｆａｌｓｅの場合は帰還制御ループを続行するようにする。
【００３４】
帰還制御ループでは、まず、タイマ１７により、時間を計測し、制御ループ時間Δｔだけ経過させる（ステップＳ３）。このとき、次のステップ等は実行させない。
【００３５】
次に、加算器１１は、目標値Ｐｔと現在のパワーＰｎとの差である現在の偏差ｅnを算出する（ステップＳ４）。この偏差ｅnは下式（１）により算出される。
【００３６】
ｅn＝Ｐt−Ｐn  ・・・（１）
【００３７】
次に、補償量算出部１２は、加算器１１により算出された偏差ｅnを用いて、比例制御、積分制御、微分制御に対する帰還量ＭＶを算出する（ステップＳ５）。具体的には、比例制御に対する帰還量ＭＶpは下式（２）、積分制御に対する帰還量ＭＶiは下式（３）、微分制御に対する帰還量ＭＶdは下式（４）、これらの帰還量に基づく偏差ｅnに対する帰還量ＭＶは下式（５）により算出される。ここで、ｋｐは比例定数を意味する。
【００３８】
ＭＶp＝ｋｐ＊ｅn  ・・・（２）
ＭＶin＝ＭＶin-1＋ｋｐ＊ｅn＊Δｔ／Ｔｉ  ・・・（３）
ＭＶd＝ｋｐ＊（ｅn−ｅn-1）＊Ｔｄ／Δｔ  ・・・（４）
ＭＶ＝ＭＶp＋ＭＶin＋ＭＶd  ・・・（５）
【００３９】
次に、補償量算出部１２により算出したＭＶを制御電圧に返す前に、傾き符号算出部１３は、傾きｄＰ／ｄＶを算出し、ｄＰ／ｄＶの符号が負またはｄＰ／ｄＶが０であるか否かを確認する（ステップＳ６）。ｄＰ／ｄＶの符号が負またはｄＰ／ｄＶが０の場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、乗算器１４および加算器１５は、前回の電圧Ｖn-1からＭＶを引いた上で次に印加する電圧Ｖｎを算出する（ステップＳ７）。一方、ｄＰ／ｄＶの符号が正の場合（ステップＳ６：ＮＯ）、乗算器１４および加算器１５は、前回の電圧Ｖn-1にＭＶを加えた上で次に印加する電圧Ｖｎを算出する（ステップＳ８）。
【００４０】
印加する電圧Ｖｎが決定されると、制御機構１は、電極電圧変換部１６により、その電圧Ｖｎを電極２０２，２０３に実際に印加する電極電圧に変換し、これを電極２０２，２０３に印加させ、このときの出力光のパワーＰｎを取得する（ステップＳ９）。
【００４１】
光出力パワーＰnを取得すると、傾き符号算出部１３は、取得したＰn、現在のＶn、前回のＰn-1およびＶn-1を用いて、下式（６）により傾きｄＰ／ｄＶを算出する（ステップＳ１０）。
【００４２】
ｄＰ／ｄＶ＝（Ｐn−Ｐn-1）／（Ｖn−Ｖn-1）  ・・・（６）
【００４３】
傾きｄＰ／ｄＶを算出すると、次回の演算のために、各値を前回の値を保持する変数にコピーする（ステップＳ１１）。具体的には、下式（７）〜（１０）で示すように現在の値を変数に置き換える。このように値を置き換えると、ステップＳ１２の処理に進む。
【００４４】
Ｐn-1＝Ｐn  ・・・（７）
Ｖn-1＝Ｖn  ・・・（８）
ｅn-1＝ｅn  ・・・（９）
ＭＶin-1＝ＭＶin  ・・・（１０）
【００４５】
図３に示すように、電圧−損失プロファイルのピーク（損失が最小になる点）を境に、傾きの符号が反転し、紙面に対してピークの右側の領域で負、左側の領域で正になることがわかる。式（６）に示したｄＰ／ｄＶは、図３の符号ａで示す白点と符号ｂで示す黒点とを結ぶ直線の傾きであり、ＶnとＶn-1の差が両領域に跨がないほどの適当な大きさを採ることにより、ｄＰ／ｄＶの符号はＶnにおける傾きの符号と一致する。したがって、ｄＰ／ｄＶの符号を元に帰還量の符号を代えてＶnに加えれば、従来ではピークの左右で負帰還と正帰還が現れていたものを、どちらの領域でも負帰還にすることができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、加算器１１は、目標値に対する検出結果の偏差を求め、補償量算出部１２は、その偏差に基づいて現在の電圧に対する補償量を算出し、傾き符号算出部１３は、現在の電圧における電圧の変化に対するパワーの変化率の符号を求め、乗算器１４および加算器１５は、その符号に応じて補償量を現在の電圧に加算または減算して、現在の電圧に偏差を負帰還した電圧を次回の電圧として算出し、電極電圧変換部１６は、その次回の電圧から駆動電圧を算出する。これにより、正帰還に陥ることなく、光パワーの調整可変範囲を狭めることなく、目標通りの光出力パワーとするように自動制御することができ、安定した光出力パワーの制御を実現することができる。
【００４７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態に係る制御機構１にさらに初期電圧演算部２０を加えたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４８】
＜制御機構の構成＞
図４に示すように、本実施の形態に係る制御機構２は、加算器１１と、補償量算出部１２と、傾き符号算出部１３と、乗算器１４と、加算器１５と、電極電圧変換部１６と、タイマ１７と、遅延部−ΔＴ１８と、遅延部−ΔＴ１９と、初期電圧演算部２０とを備えている。
【００４９】
初期電圧演算部２０は、現在の光出力パワーと目標値から偏差を算出し、この偏差から目標損失を算出し、この目標損失に対する電圧を算出し、これを初期電圧として出力するものである。
【００５０】
ここで、初期電圧演算部２０は、図５に示すような電圧−損失特性を制御対象となる光スイッチを用いて事前に測定しておき、この結果に基づいて損失に対する電圧をテーブル化または近似関数化して、メモリの中に保存しておく。なお、ここで電圧−光出力パワー特性ではなく電圧−損失特性としているのは、光出力パワーは入力パワーに依存する値だからである。このため、事前に電圧−光出力パワーの関係を測定したときの入力パワーと、現在、光スイッチを使用しているときの入力パワーとが異なれば、電圧−光出力パワー特性は変わってしまう。しかしながら、電圧−損失特性は入力パワーに依存しない量なので、入力パワーが変わっても電圧−損失特性自体は変わることはない。また、電圧−損失特性のみからは目標パワーに対する損失を求めることができない。その損失を求めるには、入力パワーを見積もる必要がある。そこで、本実施の形態では、ＰＩ制御の開始前に、一度、規定の損失（ＡＴＴｅｓｔ）になるような電圧を印加する。このときの光出力パワー（Ｐｏｕｔ）を測定することにより、現在の入力パワー（Ｐｉｎ）を、Ｐｉｎ＝Ｐｏｕｔ＋ＡＴＴｅｓｔとして見積もることができる。これらの値を用いることにより、目標パワー（Ｐｔａｅｇｅｔ）に対する損失（ＡＴＴａｒｇｅｔ）は、ＡＴＴａｒｇｅｔ＝Ｐｉｎ−Ｐｔａｒｇｅｔ＝Ｐｏｕｔ＋ＡＴＴｅｓｔ−Ｐｔａｒｇｅｔとして求めることができる。さらに、見積もった損失に対する電圧は、電圧−損失特性を用いて算出する。この算出した初期電圧を、電極電圧変換部１６を用いて電極電圧に変換したのち、マイクロミラー２０１の電極２０２，２０３に印加する。このようにすることで、ＰＩ制御を開始する直前のパワーＰ0が目標値Ｐｔａｅｇｅｔに非常に近い値（原理的には、電圧−光出力特性を評価した時の光スイッチの状態と、現在の光スイッチの状態との違いに起因する誤差程度）とすることができるので、ＰＩ制御は比較的小さな偏差を解消すればよい。これにより、引き込み時間のばらつきを小さくすることができる。
【００５１】
＜制御機構の動作＞
次に、本実施の形態に係る制御機構２の動作について、図６を参照して説明する。なお、本実施の形態では、Ｄ制御を用いず、ＰＩ制御により動作させる場合を例に説明するが、Ｄ制御も用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５２】
はじめに、制御機構２は、関連する変数の初期化を行う。ここで、傾きｄＰ／ｄＶについても初期化をしておく（ステップＳ２１）。具体的には、例えば、傾きｄＰ／ｄＶの場合、ｄＰ／ｄＶ＝０としておく。
【００５３】
次に、制御機構２は、帰還制御に入る前の準備として、図５に示すような電圧−損失特性に基づく電圧−損失テーブルから目標パワーに対応する電圧Ｖ0を取得する（ステップＳ２２）。
【００５４】
次に、制御機構２は、電圧−損失テーブルから取得した電圧Ｖn＝Ｖ0を電極２０２，２０３に印加して、このときの光パワーの値Ｐ0を観測した後、これらの値を前回の値を保存する変数にコピーする（ステップＳ２３）。
【００５５】
次に、制御機構２は、帰還制御を実行し、ステップＳ３３で停止命令が出されるまで、ステップＳ２４〜Ｓ３２の帰還制御ループを繰り返す。なお、停止命令は、第１の実施の形態で説明したのと同等の手法により出される。
【００５６】
帰還制御ループでは、まず、タイマ１７により、時間を計測し、制御ループ時間Δｔだけ経過させる（ステップＳ２４）。このとき、次のステップ等は実行させない。
【００５７】
次に、加算器１１は、目標値Ｐｔと現在のパワーＰｎとの差である現在の偏差ｅnを算出する（ステップＳ２５）。この偏差ｅnは上式（１）により算出される。
【００５８】
次に、補償量算出部１２は、加算器１１により算出された偏差ｅnを用いて、比例制御および積分制御に対する帰還量ＭＶを算出する（ステップＳ２６）。本実施の形態では、帰還量の算出を、従来のＰＩ制御とは異なり、比例定数ｋｐをＶnの関数ｋｐ（Ｖn）として関数化して算出する。
【００５９】
Ｖnがある電圧範囲−Ｖｒｅｆ〜Ｖｒｅｆに入っている場合、ピーク近傍にいるために引き込み回数がかかると判断して、下式（１０）に示すｋｐ（Ｖn）を使用して引き込みを加速する。ここで、ｋｐ０はＶn＝Ｖｒｅｆ（基準となる電圧）において最適化したときの比例定数である。
【００６０】
ｋｐ（Ｖn）＝ｋｐ０＊Ｖｒｅｆ／｜Ｖn｜  ・・・（１０）
【００６１】
ただし、Ｖnが０近傍の場合、Ｖｒｅｆ／｜Ｖn｜の値が非常に大きくなるため、ｋｐ（Ｖn）の値も過剰に大きくなる。これを防ぐために、Ｖｒｅｆ／｜Ｖn｜の値が制限値ＶＲａｔｅＭａｘより大きくなった場合には、上式（１０）の代わりに下式（１１）を用いる。
【００６２】
ｋｐ（Ｖn）＝ｋｐ０＊ＶＲａｔｅＭａｘ  ・・・（１１）
【００６３】
Ｖn＜−ＶｒｅｆやＶn＞Ｖｒｅｆの場合には、ピークから離れた領域にいるとして従来通りのＰＩ制御を用いる。すなわち、下式（１２）に示すように、ｋｐをＶｎの関数とはせずに、定数として扱う。
【００６４】
ｋｐ（Ｖn）＝ｋｐ０  ・・・（１２）
【００６５】
なお、上式（１０）において、ｋｐ（Ｖn）をＶnの−１乗関数としているが、この根拠は、パワーをｄＢｍで表した場合、図７に示すように、ピーク近傍における電圧ＶとパワーＰの関係は、Ｐ∝Ｖ2と、Ｖの二次関数に近似できるからである。よって、ピーク近傍の傾きは、下式（１３）のように二次関数の微分値としてＶに比例する。
【００６６】
ｄＰ／ｄＶ＝−ＡＶ  ・・・（１３）
【００６７】
ここで、−Ａは、パワーを電圧の二次関数で近似した場合の二次係数である。この式（１３）からＶが原点に近いほど傾きが小さくなるため、原点に近いほど、同じ帰還量ＭＶに対するパワーの変化が小さくなる。そこで、上式（１０）のように、帰還量ＭＶを求める際に用いるパラメータｋｐ（Ｖn）を、最適化したｋｐ０（基準値）に、Ｖｒｅｆ（基準となる電圧値）と、Ｖn（現在の電圧値）の絶対値の逆数とを乗じる値とする（言い換えると、ｋｐ０に、ＶｒｅｆとＶnの絶対値との比を乗じる値とする）ことで、Ｖに依存せずに、同じ偏差ｅnに対する補償時のパワー変化量を同じにしている。このため、式（１０）を適用するには、パワーがｄＢｍで表されている場合に限られる。ワット（通常、光パワーはｍＷ単位で表される）で表示されている場合は、下式（１４）を用いてｄＢｍ表示に変換する必要がある。
【００６８】
Ｐ［ｄＢｍ］＝１０ｌｏｇ（Ｐ［ｍＷ］）  ・・・（１４）
【００６９】
なお、上述した例では、原点（Ｖ＝０）で損失が最小となるピークがある場合について説明したが、ピークが原点ではなくＶ＝Ｖｐｅａｋにある場合は、Ｖ−Ｖｐｅａｋを新しい電圧として定義することで、原点に平行移動して考えれば、上述した方法が適用できることは言うまでもない。
【００７０】
したがって、比例制御に対する帰還量ＭＶpは下式（１５）、積分制御に対する帰還量ＭＶiは下式（１６）、これらの帰還量に基づく偏差ｅnに対する帰還量ＭＶは下式（１７）により算出される。
【００７１】
ＭＶp＝ｋｐ（Ｖn）＊ｅn  ・・・（１５）
ＭＶin＝ＭＶin-1＋ｋｐ（Ｖn）＊ｅn＊Δｔ／Ｔｉ  ・・・（１６）
ＭＶ＝ＭＶp＋ＭＶin  ・・・（１７）
【００７２】
これ以降のステップＳ２７〜Ｓ３２は、第１の実施の形態で説明したステップＳ６〜Ｓ１１と同等である。
【００７３】
このように、本実施の形態によれば、初期電圧演算部２０が、光出力パワーと目標値から偏差を算出し、この偏差から目標損失を算出し、この目標損失に対する電圧を算出し、これを初期電圧として出力するようにしても、正帰還に陥ることなく、光パワーの調整可変範囲を狭めることなく、目標通りの光出力パワーとするように自動制御することができ、安定した光出力パワーの制御を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、回動軸を有するミラー装置による反射光の光強度の最適化を行う各種装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る光出力パワーの制御機構の構成を模式的に示す図である。
【図２】光出力パワーの制御機構の動作を示すフローチャートである。
【図３】電圧−光出力パワーのプロファイルを示す図である。
【図４】本発明に係る他の光出力パワーの制御機構の構成を模式的に示す図である。
【図５】電圧−損失特性のプロファイルを示す図である。
【図６】図４に示す光出力パワーの制御機構の動作を示すフローチャートである。
【図７】電圧−光出力パワーのプロファイルを示す図である。
【図８】波長選択スイッチの構成を模式的に説明する図である。
【図９】光出力パワーを調整する機構を模式的に説明する図である。
【図１０】電圧−損失特性のプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１，２…光スイッチの制御機構、１１…加算器、１２…補償量算出部、１３…符号算出部、１４…乗算器、１５…加算器、１６…電極電圧変換部、１７…タイマ、１８，１９…遅延部−ΔＴ、２０…初期電圧演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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