(57)【要約】【課題】動的な制御を簡易な構成により行うことができる制御装置を提供する。【解決手段】光路制御装置１００は、所定の入力ポートから入射した光ビームを任意の出力ポートに出射する光スイッチに適用される光路制御装置であって、印加電圧に応じて角度を変化させて光ビームを反射して任意の出力ポートに出射するＭＥＭＳミラー１０と、ＭＥＭＳミラー１０に対して直流電圧を印加する直流電圧源２０及び交流電圧を印加する交流電圧源３０と、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流の直流成分及び交流成分を検出する電流計４０と、検出された電流の直流成分と交流成分との比を演算し、比に基づいて直流電圧源２０が印加する直流電圧を制御する調整量演算部５０と、を備える。光路制御装置１００は、この構成により、ＭＥＭＳミラー１０の静電容量と印加電圧との関係式又は対応表を不要とする。【選択図】図２
2014002242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された電圧に応じて角度を変化させるＭＥＭＳミラーと、
前記ＭＥＭＳミラーに対して直流電圧を印加する直流電圧源と、
前記ＭＥＭＳミラーに対して交流電圧を印加する交流電圧源と、
前記ＭＥＭＳミラーに流れる電流の直流成分及び交流成分を検出する検出器と、
前記検出器により検出された前記電流の直流成分と前記電流の交流成分との比を演算し、前記比に基づいて前記直流電圧源が印加する直流電圧を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記電流の直流成分と前記電流の交流成分との比に、前記交流電圧源が印加する交流電圧の振幅及び角周波数並びに前記検出器の測定時間を乗算した値を電圧調整量とし、前記電圧調整量に基づいて前記直流電圧源が印加する直流電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、０より大きく１より小さい実数である調整係数を前記電圧調整量に乗算し、前記乗算した結果を前記直流電圧源が印加する直流電圧に加算することにより、前記直流電圧源が印加する直流電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記直流電圧源、前記交流電圧源、前記ＭＥＭＳミラー、及び前記検出器は直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項５】
前記交流電圧源が印加する交流電圧の周波数は、前記ＭＥＭＳミラーの共振周波数の１０倍以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項６】
前記直流電圧源はＤ／Ａコンバータを有し、
前記交流電圧源はダイレクト・デジタル・シンセサイザを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項７】
前記検出器はＡ／Ｄコンバータを有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の制御装置。
【請求項８】
前記直流電圧源が出力する直流電圧と、前記交流電圧源が出力する交流電圧とを重畳して前記ＭＥＭＳミラーに印加するバイアスティーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチで使用され、光路を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信ネットワークの高速化・大容量化に伴い、波長多重ネットワークにおける光挿入・分岐装置であるＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）の開発が進められている。そして、このＲＯＡＤＭにおいて光を分波させたり合波させたりするためのデバイスとして、ＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical System）ミラーを用いた光スイッチの開発が盛んに行われている。
【０００３】
このような光スイッチでは、ＭＥＭＳミラーの角度制御を介して光路の切り替えや光減衰機能が実現される。ＭＥＭＳミラーの角度制御には、種々の方式が採用されている。例えば、下記の特許文献１に記載の技術では、ＭＥＭＳミラーの角度に応じて静電容量が変化するＭＥＭＳミラーを含んだＬＣ発振回路を構成し、このＬＣ発振回路から出力された周期的信号の周期に基づいてコントローラ及びＭＥＭＳドライバがＭＥＭＳミラーに駆動電圧を出力することにより、ＭＥＭＳミラーの角度を補正する。また、下記の特許文献２に記載の技術では、ミラー角度を設定する直流印加電圧に所定の周波数の交流摂動電圧を重畳してミラーを駆動し、出力ポートにおける出力光強度を検出して、検出結果に基づいてミラーの角度を調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６９５３４２号公報
【特許文献２】特許第４８２８５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１，２に記載の技術には、それぞれ次のような問題点がある。特許文献１に記載の技術の場合、ＬＣ発振回路の出力に基づいてＭＥＭＳミラーの静電容量に対応する発振周波数を検出しているが、ＭＥＭＳミラーの静電容量は可制御量でも可観測量でもない。このため、ＭＥＭＳミラーを駆動するための印加電圧の調整量を決定するためには、制御系内に印加電圧と静電容量との間の関係式または対応表を用意する必要があり、動的な制御を行う上で制約がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載の技術の場合、出力光強度を検出するための構成として出力ポートの周辺に光検出器を配置することが考えられるが、この光検出器が迷光を検出することにより、ＭＥＭＳミラーの角度の変位として誤検出してしまう可能性がある。この問題を解決するためには光学系や信号処理を工夫する必要があり、光学系の大型化や信号処理の複雑化に繋がる。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、動的な制御を簡易な構成により行うことができる制御装置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】
【０００８】
本発明に係る制御装置は、印加された電圧に応じて角度を変化させるＭＥＭＳミラーと、ＭＥＭＳミラーに対して直流電圧を印加する直流電圧源と、ＭＥＭＳミラーに対して交流電圧を印加する交流電圧源と、ＭＥＭＳミラーに流れる電流の直流成分及び交流成分を検出する検出器と、検出器により検出された電流の直流成分と電流の交流成分との比を演算し、その比に基づいて直流電圧源が印加する直流電圧を制御する制御部と、を備えることを特徴としている。
【０００９】
この制御装置は、ＭＥＭＳミラーと、ＭＥＭＳミラーに対して直流電圧を印加する直流電圧源及び交流電圧を印加する交流電圧源とを備え、これらの直流電圧源及び交流電圧源によってＭＥＭＳミラーに流れる電流の直流成分と交流成分の比に基づいて、直流電圧源が印加する直流電圧を制御する。したがって、ＭＥＭＳミラーの静電容量と印加電圧とを対応付ける関係式又は対応表を用意せずにＭＥＭＳミラーの印加電圧の制御を行うことができるため、動的な制御を簡易な構成により行うことが可能となる。
【００１０】
上記の制御装置では、制御部は、電流の直流成分と電流の交流成分との比に、交流電圧源が印加する交流電圧の振幅及び角周波数並びに検出器の測定時間を乗算した値を電圧調整量とし、電圧調整量に基づいて直流電圧源が印加する直流電圧を制御するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記の制御装置では、制御部は、０より大きく１より小さい実数である調整係数を電圧調整量に乗算し、乗算した結果を直流電圧源が印加する直流電圧に加算することにより、直流電圧源が印加する直流電圧を制御するようにしてもよい。この場合、調整係数を乗算することにより電圧調整量が小さめに設定されるので、ＭＥＭＳミラーの角度がオーバーシュートを起こすことを防止できる。
【００１２】
また、上記の制御装置では、直流電圧源、交流電圧源、ＭＥＭＳミラー、及び検出器は直列に接続されていてもよい。この場合には、ＭＥＭＳミラーに流れる電流の直流成分と交流成分とを分離して検出することが容易となる。
【００１３】
また、上記の制御装置では、交流電圧源が印加する交流電圧の周波数は、ＭＥＭＳミラーの共振周波数の１０倍以上であってもよい。この場合には、交流電圧をＭＥＭＳミラーに印加することによって生じるＭＥＭＳミラーの振動が実用上の問題を生じない程度に小さくなり、ＭＥＭＳミラーの角度制御を動的に行った場合にも、光出力を安定に維持することが可能となる。
【００１４】
また、上記の制御装置では、直流電圧源はＤ／Ａコンバータを有し、交流電圧源はダイレクト・デジタル・シンセサイザを有していてもよい。この場合には、Ｄ／Ａコンバータを交流電圧の周波数に対応した高速・高精度なものとする必要がなく、制御装置の低コスト化、省電力化を図ることができる。
【００１５】
また、上記の制御装置では、検出器はＡ／Ｄコンバータを有していてもよい。この場合には、検出器によって検出されたＭＥＭＳミラーの電流の直流成分と交流成分とがＡ／ＤコンバータによってＡ／Ｄ変換されるため、直流成分と交流成分との分離をデジタルフィルタによって行うことが可能となり、調整の容易化を図ることができ、また、経年劣化による特性変化を防止することができる。
【００１６】
また、上記の制御装置では、直流電圧源が出力する直流電圧と、交流電圧源が出力する交流電圧とを重畳してＭＥＭＳミラーに印加するバイアスティーをさらに備えていてもよい。この場合には、直流電圧と交流電圧との重畳が、バイアスティーを用いてアナログ領域で行われるため、直流電圧と交流電圧をデジタル領域で加算した場合と比べて、高速・高精度なＤ／Ａコンバータが不要となり、制御装置の低コスト化、省電力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、動的な制御を簡便な構成により行うことができる制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る光スイッチを模式的に示す図である。
【図２】本実施形態に係る光路制御装置の機能構成を示すブロック図である。
【図３】光路制御装置の回路構成を示す回路図である。
【図４】ＭＥＭＳミラーのモデルを示す図である。
【図５】ＭＥＭＳミラーの振動の周波数特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
本発明の実施形態に係る光路制御装置１００（制御装置）は、所定の入力ポートから入射した光ビームを任意の出力ポートに射出する光スイッチに適用される。図１は、この光スイッチを模式的に表す図である。
【００２１】
光スイッチ１は、入力ポートＰ１から入射した光ビームをＭＥＭＳミラー１０によって反射することにより出力ポートＰ２に結合させて射出させる。なお、図１では１個の入力ポートＰ１および１個の出力ポートＰ２のみを示しているが、入力ポートＰ１及び出力ポートＰ２の個数は１個には限られない。そして、ＭＥＭＳミラー１０は光スイッチ制御装置１００によって角度を調節することができるように構成されている。ＭＥＭＳミラー１０の角度を適宜調節することにより、入力ポートＰ１から入射した光ビームはＭＥＭＳミラー１０で反射されて出力ポートＰ２に結合される。また、光スイッチ１は、ＭＥＭＳミラー１０の角度の調整により入力ポートＰ１と出力ポートＰ２の光学結合を弱くすることで光減衰機能を実現する。
【００２２】
次に、光路制御装置１００の機能構成について、図２を参照しつつ説明する。図２は、本実施形態に係る光路制御装置１００の機能構成を示すブロック図である。光スイッチ制御装置１００は、ＭＥＭＳミラー１０、直流電圧源２０、交流電圧源３０、電流計４０（検出器）、及び調整量演算部５０（制御部）を含んで構成される。ＭＥＭＳミラー１０、直流電圧源２０、交流電圧源３０、及び電流計４０は、直列に接続されている。
【００２３】
なお、本明細書においては、直流という語を、周波数がＭＥＭＳミラー１０の共振周波数よりも低いことを表すために用いる。また、交流という語を、周波数がＭＥＭＳミラー１０の共振周波数よりも高いことを表すために用いる。
【００２４】
ＭＥＭＳミラー１０は、静電型ＭＥＭＳミラーである。静電型ＭＥＭＳミラーとは、印加された電圧に応じて電極間に発生する静電気力を変化させ、この静電気力の変化により、角度を変化させることができるように構成されたミラーである。ＭＥＭＳミラー１０は、ミラー部と、固定部電極と、固定部電極に対して揺動可能に設けられた可動部電極とを有して構成されている。ミラー部は、光を反射するためのミラーを備えている。このミラー部は可動部電極に対して固定されており、可動部電極と連動して動くことができる。そして、固定部電極と可動部電極との間には、これらの両電極間に印加された電圧に応じて静電気力が生じ、この静電気力の大きさに応じてＭＥＭＳミラー１０のミラー面の角度を変化させることが可能となっている。また、ＭＥＭＳミラー１０は、固有の共振角周波数ω０を有している。したがって、ＭＥＭＳミラー１０の共振周波数は、ω０／２πである。
【００２５】
直流電圧源２０は、直流電圧を発生し、この直流電圧をＭＥＭＳミラー１０に対して印加する。直流電圧源２０が発生する直流電圧の大きさは、調整量演算部５０が出力する値Ｖ＋δＶに等しい。
【００２６】
交流電圧源３０は、交流電圧を発生し、この交流電圧をＭＥＭＳミラー１０に対して印加する。交流電圧源３０が発生する交流電圧の振幅及び角周波数は、外部から指令値として与えられる振幅Ｖｍ及び角周波数ωｍにそれぞれ等しい。
【００２７】
電流計４０は、直流電圧源２０及び交流電圧源３０がＭＥＭＳミラー１０に印加した電圧によってＭＥＭＳミラー１０に流れる電流を検出する。電流計４０は、検出した電流値を直流成分Ｉと交流成分Ｉｍとに分離して出力する。
【００２８】
調整量演算部５０は、電流計４０が出力する電流値の直流成分Ｉと交流成分Ｉｍ、それに外部から指令値として与えられる直流電圧指令値Ｖ、電流計４０の測定時間Δｔ、交流電圧振幅Ｖｍ、交流角周波数ωｍに基づいて、電圧調整量δＶを演算する部分である。このδＶは、次の数式（１）により求められる。なお、数式（１）において、αは調整係数である。このαは０より大きく１より小さい実数である。
【数１】
2014002242.tif 000003
【００２９】
次に、光路制御装置１００の機能構成を実現する回路構成を、図３を参照しながら説明する。
【００３０】
直流電圧源２０は、Ｄ／Ａコンバータ２１及びアンプ２２を含んで構成されている。Ｄ／Ａコンバータ２１は、調整量演算部５０から入力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。アンプ２２は、Ｄ／Ａコンバータ２１が出力したアナログ信号を増幅して、Ｄ／Ａコンバータ２１に入力されたデジタル信号の値に対応する直流電圧を出力する。
【００３１】
交流電圧源３０は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）３１及びアンプ３２を含んで構成されている。ダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１は、外部から入力された電圧振幅を示すデジタル指令値及び周波数を示すデジタル指令値に対応するアナログ電圧信号を生成する。アンプ３２は、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１が出力するアナログ電圧信号を増幅して、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１に入力された電圧振幅を示すデジタル指令値及び周波数を示すデジタル指令値に対応する交流電圧を出力する。
【００３２】
ここで、直流電圧源２０の出力にはインダクタ６１の一端が接続されている。また、交流電圧源３０の出力にはコンデンサ６２の一端が接続されている。そして、インダクタ６１の他端とコンデンサ６２の他端とが接続されている。このインダクタ６１の他端及びコンデンサ６２の他端は、抵抗４１を介してＭＥＭＳミラー１０に接続されている。このようにして、直流電圧源２０が出力する直流電圧と交流電圧源３０が出力する交流電圧とがＭＥＭＳミラー１０に印加される。なお、インダクタ６１及びコンデンサ６２に替えて、バイアスティーを用いて、直流電圧源２０が出力する直流電圧と交流電圧源３０が出力する交流電圧を重畳してＭＥＭＳミラー１０に印加するようにしてもよい。
【００３３】
電流計４０は、抵抗４１、差動増幅器４２、Ａ／Ｄコンバータ４３、デジタルフィルタ４４を含んで構成されている。抵抗４１の一端はインダクタ６１及びコンデンサ６２の他端に接続され、抵抗４１の他端はＭＥＭＳミラー１０に接続されている。このようにして、抵抗４１は、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流に比例する電圧をその両端に発生させる。
【００３４】
抵抗４１の一端は、差動増幅器４２の２つの入力の一方に接続され、抵抗４１の他端は差動増幅器４２の２つの入力の他方に接続されている。差動増幅器４２は、抵抗４１の両端間に発生する電圧を増幅する。差動増幅器４２の出力はＡ／Ｄコンバータ４３の入力に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ４３は、入力されたアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換して出力する。Ａ／Ｄコンバータ４３の出力は、デジタルフィルタ４４に接続されている。デジタルフィルタ４４は、Ａ／Ｄコンバータ４３から入力されたデジタル電圧信号を直流成分と交流成分に分離する。より具体的には、デジタルフィルタ４４の周波数特性は、例えばＭＥＭＳミラー１０の共振角周波数ωｍをカットオフ角周波数とするローパスフィルタ及びハイパスフィルタとされている。ローパスフィルタは、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流の直流成分Ｉを出力し、ハイパスフィルタは、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流の交流成分Ｉｍを出力する。
【００３５】
調整量演算部５０は、例えばマイクロプロセッサ５１を用いて構成されている。このマイクロプロセッサ５１には、デジタルフィルタ４４からＭＥＭＳミラー１０の電流の直流成分Ｉ及び交流成分Ｉｍが入力される。また、マイクロプロセッサ５１には、外部からの指令値として、ＭＥＭＳミラー１０の直流電圧指令値Ｖ、電流計４０の測定時間Δｔ、交流電圧振幅Ｖｍ、交流角周波数ωｍが入力される。マイクロプロセッサ５１は、上記の数式（１）により、ＭＥＭＳミラー１０の電圧調整値δＶを演算する。
【００３６】
次に、本実施形態に係るＭＥＭＳミラー１０の制御手法の導出過程について説明する。なお、以下の説明において、虚数単位としてｊ＝−ｉを採用する。
【００３７】
まず、ＭＥＭＳミラー１０のモデル化について図４を用いて説明する。ＭＥＭＳミラー１０は静電型ＭＥＭＳミラーである。この静電型ＭＥＭＳミラーの駆動部に注目すると、駆動部の回転角が小さいので、ＭＥＭＳミラー１０は、図４に示す直線振動系としてモデル化できる。
【００３８】
この直線振動系は、可動部１０ａと固定部１０ｂとバネ１０ｃと電源Ｖとから構成される。可動部１０ａは、質量ｍを有する。可動部１０ａは、固定部１０ｂに対してｘ軸方向に移動可能に構成されている。可動部１０ａは、バネ定数ｋのバネ１０ｃを介して固定部１０ｂに固定されている。可動部１０ａと固定部１０ｂとは、それぞれ平板形状の電極であり、可動部１０ａと固定部１０ｂとは、それぞれの一部が重なるように構成されている。可動部１０ａと固定部１０ｂとの間には、電圧源Ｖにより電圧ｖが印加される。可動部１０ａと固定部１０ｂとは、電圧源Ｖにより印加される電圧ｖが０である場合に、重なり長がｘ０であり、このときの可動部１０ａと固定部１０ｂとの間の静電容量はＣ０である。
【００３９】
上記の直線振動系において、可動部１０ａの運動方程式は、次の数式（２）により表せる。ただし、ｘ、ｍ、γ、ｋは、それぞれ可動部１０ａの変位、可動部１０ａの質量、減衰定数、バネ１０ｃのバネ定数であり、ｑは、可動部１０ａまたは固定部１０ｂのいずれか一方に誘起された電荷であり、ｖは可動部１０ａと固定部１０ｂとの間に印加された電圧である。
【数２】
2014002242.tif 000004
【００４０】
一般に、静電型ＭＥＭＳミラーは電圧制御であるため、数式（２）は次の数式（３）に変形でき、数式（３）について考えればよい。
【数３】
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【００４１】
光の偏光制御を目的としたＭＥＭＳミラーでは、駆動力を得るために電極を櫛歯構造にしているが、この櫛歯構造を単純化すると、図４のような、平板電極の一部が重なり合うモデルで表現できる。したがって、可動部１０ａと固定部１０ｂとの間の静電容量は、一般に次の数式（４）で近似できる。ただし、ｘ０はバイアス電圧０でかつ可動部１０ａが停止しているときの可動部１０ａと固定部１０ｂとの間の重なり長、Ｃ０は、同条件下での可動部１０ａと固定部１０ｂとの間の静電容量で、Ｃｂは可動部１０ａと固定部１０ｂとの重なり以外により生じる背景の静電容量である。
【数４】
2014002242.tif 000006
【００４２】
数式（４）を数式（３）に代入して両辺をｍで割ると、電圧制御時の運動方程式として次の数式（５）が得られる。
【数５】
2014002242.tif 000007
【００４３】
ここで、数式（５）を一般化して、ＭＥＭＳミラーに周波数Ω／２πの外力Ｆが加わった場合の可動部１０ａの応答について考える。
【数６】
2014002242.tif 000008
【００４４】
光スイッチでは、ＭＥＭＳミラーの減衰定数γは十分小さいので、次の数式（７）で固有周波数Ω０／２πが定義できる。
【数７】
2014002242.tif 000009
【００４５】
初期条件として、可動部１０ａが原点において完全に停止している場合を考えると、数式（６）の解として数式（８）を得る。
【数８】
2014002242.tif 000010
【００４６】
数式（８）から次の２点がわかる。第１に、ＭＥＭＳミラー１０の振動は、外力Ｆによる強制振動開始から減衰定数γの逆数の４倍程度の時間が経過すれば、強制振動に同期する成分が支配的となる。第２に、ＭＥＭＳミラー１０は、固定角周波数Ω０の１０倍程度以上に高い角周波数Ωによる強制振動には、ほとんど追従できない。この様子を表すグラフを図５に表す。図５のグラフの横軸は、規格化周波数Ω／ω０である。図５のグラフの縦軸は、規格化振幅ｋＸ／Ｆである。
【００４７】
上記の数式（８）に基づく考察からわかる２点を踏まえて数式（５）について考えると、静電駆動力は印加電圧ｖの２乗に比例するので、角周波数がＭＥＭＳミラー系の固有角周波数の５倍程度以上高ければ、交流駆動が可能であることがわかる。また、静電容量Ｃの測定のために、ＭＥＭＳミラー系の固有角周波数より１０倍以上高い交流を重畳しても問題ないことがわかる。
【００４８】
次に、以上で説明したＭＥＭＳミラー１０のモデルに基づいて、ＭＥＭＳミラー１０の角度を制御するための手法について考える。
【００４９】
直流も含めて一定角周波数ωの正弦波電圧ｖによってＭＥＭＳミラー１０を駆動する場合において、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流ｉは、次の数式（９）で表すことができる。
【数９】
2014002242.tif 000011
【００５０】
なお、正弦波電圧ｖは、次の数式（１０）で表される。
【数１０】
2014002242.tif 000012
【００５１】
上記の数式（９）において、右辺の第１項はＭＥＭＳミラー１０の角度変化（可動部１０ａの速度）に対応する電流である。右辺の第２項は制御電圧ｖの振幅変化に対応する電流である。右辺の第３項は定常電流である。なお、角度保持動作中には、制御電圧ｖの振幅を原則として固定する。このため、角度保持動作中は、数式（９）の右辺第２項は０である。
【００５２】
ＭＥＭＳミラー１０を直流電圧で駆動する場合、定常電流が０となるので、電流の測定時間Δｔで生じた変位Δｘは、数式（９）のｄｘ／ｄｔをΔｘ／Δｔで置き換え、Δｘについて解くことにより、数式（１１）で与えられる。
【数１１】
2014002242.tif 000013
【００５３】
したがって、変位Δｘを打ち消すのに必要な電圧ΔＶは、次の数式（１２）で与えられる。
【数１２】
2014002242.tif 000014
【００５４】
ここで、数式（１２）の右辺において、静電容量Ｃは、可制御量でも可観測量でもない。このため、数式（１２）に基づいて電圧調整量ΔＶを決定するためには、制御系内に電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係式又は対応表を用意する必要がある。
【００５５】
なお、制御の安定性の観点から、電圧の調整量δＶは、数式（１２）で求められるΔＶより小さい方が望ましい。そこで、電圧の調整量δＶを、数式（１２）のΔＶに、０より大きく１より小さい実数である調整係数αを乗算して、数式（１３）のように決定する。
【数１３】
2014002242.tif 000015
【００５６】
この場合、関係式又は対応表を介して与えられる静電容量Ｃ及び電流の測定時間Δｔに関する誤差を補正係数αにより吸収することができる。したがって、静電容量Ｃ及び電流の測定時間Δｔの値は、近似値で十分である。
【００５７】
ＭＥＭＳミラー１０を交流電圧駆動する場合、電流ｉは数式（１４）で近似できる。
【数１４】
2014002242.tif 000016
【００５８】
ここで、ωは以下の数式（１５）の条件を満たす。
【数１５】
2014002242.tif 000017
【００５９】
ただし、Ωは、外乱によって励振された振動の支配的な角周波数である。したがって、ＭＥＭＳミラー１０の可動部１０ａがΔｘだけ変位したときの電流の振幅Ｉは、次の数式（１６）で表せる。
【数１６】
2014002242.tif 000018
【００６０】
したがって、変位Δｘを打ち消すのに必要な電圧の調整量ΔＶは、数式（１７）で与えられる。
【数１７】
2014002242.tif 000019
【００６１】
ここで、数式（１７）の静電容量Ｃは定常状態での値であり、可制御量でも可観測量でもない。したがって、ＭＥＭＳミラー１０を直流駆動する場合と同様に、電圧Ｖと静電容量Ｃとの関係式又は対応表を制御系内に保持しておき、参照する必要がある。
【００６２】
一方、数式（１４）を参照すると、交流電流ｉを測定することで静電容量Ｃを測定できることがわかる。そこで、ＭＥＭＳミラー１０を駆動するための直流電圧源と、交流電流を測定するための交流電圧源とを直列に接続した系を考える。この系の角度保持動作中に外乱が加わったときに流れる電流は、数式（１８）で表せる。ここで、Ｖｍ及びωｍは、それぞれ測定用電圧の振幅及び角周波数である。また、Ｉ及びＩｍは、それぞれ電流ｉの直流成分及び交流成分である。
【数１８】
2014002242.tif 000020
【００６３】
測定角周波数ωは、ＭＥＭＳミラー１０の角度保持動作に影響を与えないように十分に高くとる。この場合、直流成分Ｉと交流成分Ｉｍとは容易に分離することができる。数式（１２）及び数式（１４）を参照すると、電圧調整量ΔＶは、以下の数式（１９）で与えればよいことがわかる。
【数１９】
2014002242.tif 000021
【００６４】
この数式（１９）の右辺には、可制御量又は可観測量しか含まれていない。したがって、このようにＭＥＭＳミラー１０を駆動するための直流電圧源２０と、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流を観測するための交流電圧源３０とを直列に接続する方式では、上記のＭＥＭＳミラー１０を直流電圧または交流電圧のいずれかで駆動する方式と異なり、印加電圧と静電容量との関係式や対応表が必要でないことがわかる。
【００６５】
そして、数式（１９）に数式（１３）と同様の調整係数αを乗算することにより、上記の実施形態で使用した数式（１）が導かれる。
【００６６】
以上で説明した本実施形態の光路制御装置１００によれば、ＭＥＭＳミラー１０と、ＭＥＭＳミラー１０に対して直流電圧を印加する直流電圧源２０及び交流電圧を印加する交流電圧源３０とを備え、これらの直流電圧源２０及び交流電圧源３０によってＭＥＭＳミラー１０に流れる電流の直流成分と交流成分の比に基づいて、直流電圧源２０が印加する直流電圧が制御される。したがって、ＭＥＭＳミラー１０の静電容量と印加電圧とを関係づける関係式又は対応表を用意せずにＭＥＭＳミラー１０の印加電圧の制御が行われるため、動的な制御が簡易な構成により行われる。
【００６７】
また、光路制御装置１００では、調整量演算部５０により、ＭＥＭＳミラー１０を流れる電流の直流成分と交流成分との比に、交流電圧源３０が印加する交流電圧の振幅及び角周波数並びに電流計４０の測定時間を乗算した値が電圧調整量として演算される。そして、調整量演算部５０により、０より大きく１より小さい実数である調整係数αが電圧調整量に乗算され、乗算された結果が、直流電圧源２０が印加する電圧に加算される。このため、調整係数を乗算することにより電圧調整量が小さめに設定されるため、ＭＥＭＳミラー１０の角度がオーバーシュートを起こすことが防止される。
【００６８】
また、光路制御装置１００では、ＭＥＭＳミラー１０、直流電圧源２０、交流電圧源３０、及び電流計４０が直列に接続されている。このため、ＭＥＭＳミラー１０に流れる電流の直流成分と交流成分とを分離して検出することが容易となっている。
【００６９】
また、光路制御装置１００では、電流計４０はＡ／Ｄコンバータ４３を有している。このため、電流計４０によって検出されたＭＥＭＳミラー１０の電流の直流成分と交流成分とがＡ／Ｄコンバータ４３によってＡ／Ｄ変換される。したがって、直流成分と交流成分との分離をデジタルフィルタ４４によって行うことが可能となり、調整の容易化が図られ、また、経年劣化による特性変化が防止される。
【００７０】
なお、光路制御装置１００では、直流電圧源２０が出力する直流電圧と、交流電圧源３０が出力する交流電圧とを重畳してＭＥＭＳミラー１０に印加するバイアスティーをさらに備えていてもよい。この場合、バイアスティーは、図３に示したインダクタ６１及びコンデンサ６２に代えて用いられ、直流電圧源２０のアンプ２２の出力、交流電圧源３０のアンプ３２の出力、及び電流計４０の抵抗４１の一端に接続される。この場合には、直流電圧と交流電圧との重畳が、バイアスティーを用いてアナログ領域で行われるため、直流電圧と交流電圧とをデジタル領域で加算した場合と比べて、高速・高精度なＤ／Ａコンバータが不要となる。したがって、光路制御装置１００の低コスト化、省電力化を図ることができる。
【００７１】
また、電流計４０において、Ａ／Ｄコンバータ４３の出力を直流成分Ｉと交流成分Ｉｍとに分離するために、デジタルフィルタ４４に代えてアナログフィルタを用いてもよい。さらに、調整量演算部５０においては、マイクロプロセッサ５１に代えて、数値計算を行うことができる公知の各種のデバイスを使用してもよい。
【００７２】
また、ＭＥＭＳミラー１０に印加される直流電圧と交流電圧とを重畳するために、調整量演算部５０のデジタル出力値とダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１のデジタル出力値とをデジタル加算器によってデジタル領域で加算し、このデジタル加算器の出力をＤ／Ａコンバータによって出力するようにしてもよい。ただし、この場合には、マイクロプロセッサ５１の出力レンジに比してダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１の出力する信号の振幅が小さい。このため、マイクロプロセッサ５１の広い出力レンジとダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１の振幅の小さい出力とに対応するために、高精度のＡ／Ｄコンバータが必要となる。また、Ａ／Ｄコンバータの出力がダイレクト・デジタル・シンセサイザ３１の出力する交流信号に追従できる必要があるため、Ａ／Ｄコンバータは高速なものとしなければならない。
【符号の説明】
【００７３】
１…光スイッチ、１０…ＭＥＭＳミラー、２０…直流電圧源、２１…Ｄ／Ａコンバータ、３０…交流電圧源、３１…ダイレクト・デジタル・シンセサイザ、４０…電流計、４３…Ａ／Ｄコンバータ、５０…調整量演算部、Ｐ１…入力ポート、Ｐ２…出力ポート。
【図１】
2014002242.tif 000022
【図２】
2014002242.tif 000023
【図３】
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【図４】
2014002242.tif 000025
【図５】
2014002242.tif 000026