(57)【要約】  光クロスコネクトスイッチ。このスイッチにおいては、各々が通信ビームを搬送する入力光ファイバ群中のいずれかの光ファイバを、出力光ファイバ群中のいずれかの光ファイバへとクロスコネクトすることが出来る。入力光ファイバ群中の各ファイバが搬送する通信ビームには、アライメントビームが付加され、これと同軸にアライメントされることにより、各ファイバ用に通信―アライメントビームが画定されている。各通信―アライメントビームは閉じ込められた光経路中を送られて入力アレイ構造体中にある特定の出射孔へと向けられる。全ての通信―アライメントビームの出射孔は入力アレイを画定するパターンに配置されており、これにより通信―アライメントビームの各々は、入力アレイ構造体におけるその出射孔の位置によって識別することが出来る。通信―アライメントビームの各々は、第一のレンズマイクロレンズアレイ中の１つのマイクロレンズにより、クロスコネクションビームへと形成される。各クロスコネクションビームは、第一のミラーアレイ中の第一のミラー及び第二のミラーアレイ中の第二のミラーという２枚のミラーにより、第二のレンズアレイ中の１つのレンズへと向けられる。第二のレンズアレイ中のこのレンズは、通信ビームを出力アレイ構造体中の、望ましくは光ファイバである、閉じ込められた光経路の特定の入射孔へとフォーカスする。出力アレイ構造体中の閉じ込められた光経路の各々は、出力光ファイバ群中の１本の光ファイバに光学的に接続している。第二のレンズアレイの付近に配置された第一のデテクタアレイは、各アライメントビームの位置をモニタし、ミラーアレイの少なくとも一方におけるミラー制御用に位置情報をプロセッサへと供給する。
2007536573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光ファイバ群中の光ファイバを出力光ファイバ群中の光ファイバへとクロスコネクトする為の、前記光ファイバを通じて伝送される通信ビームと同軸のアライメントビームを用いた光ファイバ光クロスコネクトスイッチであって、
Ａ）アライメントビームを前記入力光ファイバ群中の各ファイバにより搬送される前記通信ビームと同軸となるようにアライメントすることで、各ファイバについて通信―アライメントビームを画定する為のアライメントビーム挿入手段と、
Ｂ）入力アレイ構造体と、
Ｃ）各通信―アライメントビームを、前記入力アレイ構造体中の特定の出射孔へと導く為の閉じ込められた光経路の第一のネットワークであって、前記通信―アライメントビーム全ての前記出射孔が、各通信―アライメントビームをその出射孔の位置により識別することが出来るような形で前記入力アレイを画定するパターンに配列されていることを特徴とする前記閉じ込められた光経路の第一のネットワークと、
Ｄ）出力アレイ構造体と、
Ｅ）各クロスコネクションビームの前記通信ビーム部分を前記出力アレイ構造体中の特定の出射孔へと導くための閉じ込められた光経路の第二のネットワークであって、各閉じ込められた光経路が入射孔を画定しており、前記経路全ての前記入射孔が、前記出力アレイ構造体中のその入射孔の位置により各経路を識別することが出来るような形で前記出力アレイを画定するパターンに配列されていることを特徴とする前記閉じ込められた光経路の第二のネットワークと、
Ｆ）各通信―アライメントビームをクロスコネクションビームへと形成する為の第一のレンズアレイと、
Ｇ）前記クロスコネクションビームの前記通信部分を、前記閉じ込められた光経路の第二のネットワークの前記入射孔中にフォーカスする為の第二のレンズアレイと、
Ｈ）第一のミラーアレイ及び第二のミラーアレイであって、前記第一のミラーアレイが複数のミラーを有し、各ミラーが前記クロスコネクションビームの１つを捕らえ、それを第二のミラーアレイへと向けるようになっており、前記第二のミラーアレイが複数のミラーを有し、各ミラーが前記クロスコネクションビームの１つを捕らえ、それを前記第二のレンズアレイ中のマイクロレンズへと向けるようになっていることを特長とする前記第一及び第二のミラーアレイと、
Ｉ）各クロスコネクションビームの前記アライメントビーム部分の各々の少なくとも一部をモニタするように配置された第一のデテクタアレイと、そして
Ｊ）前記第一及び第二のミラーアレイ中のミラーの位置を、少なくとも部分的に前記第一のデテクタアレイが提供するビーム方向情報に基づいて制御するようにプログラミングされた少なくとも１つのプロセッサとを具備した前記スイッチ。
【請求項２】
第二のデテクタアレイが前記クロスコネクションビームの前記通信ビーム部分に対して透明であることを特徴とし、これによりアライメントビームの検出が可能でありながらも、前記通信ビームが前記デテクタアレイを通過して前記出力アレイ構造体中の前記閉じ込められた経路の入射孔へと至ることを許容することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
前記閉じ込められた光経路の前記第一及び第二のネットワークが、第一及び第二の光ファイバネットワークであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項４】
前記第一及び第二の光ファイバネットワークを高精度で配列させる為に、少なくとも２つのフェルールアレイを更に具備した請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
前記第一のレンズアレイが第一のマイクロレンズアレイであり、前記第二のレンズアレイが第二のマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項６】
前記第一のミラーアレイが第一のＭＥＭＳミラーアレイであり、前記第二のミラーアレイが第二のＭＥＭＳミラーアレイであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項７】
前記第一のデテクタアレイが前記通信ビームに対して透明であることを特徴とし、これによりアライメントビームの検出は可能でありながらも、前記通信ビームに前記デテクタアレイを通過させ、前記出力アレイ構造体中の前記閉じ込められた経路の前記入射孔へと至ることを許容することを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項８】
前記第一及び第二のミラーアレイの間に光学的に位置し、前記クロスコネクションビームの各アライメントビームの一部分を前記第一のデテクタアレイへと向けるように配置された第二のデテクタアレイ及びビームスプリッタを更に具備した請求項１に記載のスイッチ。
【請求項９】
前記第一のミラーアレイ中の前記ミラーの位置を、前記第二のデテクタアレイが提供するビーム方向情報に少なくとも一部基づいて制御するようにプログラミングされた第二のプロセッサを更に具備した請求項７に記載のスイッチ。
【請求項１０】
前記入力光ファイバ群及び前記出力光ファイバ群が、それぞれ少なくとも１６本の光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１１】
前記入力光ファイバ群及び前記出力光ファイバ群が、それぞれ少なくとも２５６本の光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１２】
全国規模ネットワークにおけるクロスコネクトスイッチとして動作するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１３】
ＲＯＡＤＭユニットの一部として動作するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１４】
イントラオフィス又はイントラファクトリ通信システムの一部として動作するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１５】
信号増幅器を更に具備した請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１６】
自動利得制御を更に具備した請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１７】
信号グルーミングコンポーネントを更に具備した請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１８】
マルチプレクサ及びデマルチプレクサを更に具備した請求項１に記載のスイッチ。
【請求項１９】
前記マルチプレクサ及びデマルチプレクサが、多孔性シリコンフィルタを具備することを特徴とする請求項１８に記載のスイッチ。
【請求項２０】
前記多孔性シリコンフィルタがルゲートフィルタとして設計されていることを特徴とする請求項１９に記載のスイッチ。
【請求項２１】
前記第一及び第二のミラーアレイ中にある前記ＭＥＭＳミラーの各々が、シリコンウエハ中に作られたミラー素子と、そしてシリコンウエハ中に作られたミラー制御機構とを具備したことを特徴とする請求項６に記載のスイッチ。
【請求項２２】
前記ミラー制御機構が、前記ミラーのミラー位置を制御する為の静電気力を生じる４つの電極を具備したことを特徴とする請求項２１に記載のスイッチ。
【請求項２３】
前記電極の各々が、前記ミラー素子の直下に位置する上面と、そして底面とを画定するものであり、前記電極への電力は、前記電極の前記底面を通じて供給されることを特徴とする請求項２２に記載のスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００１年４月３０日出願の米国特許出願第０９／８４６，８７９号、２００１年９月２０日出願の米国特許出願第０９／９６０，２２５号及び２００３年１０月２日出願の米国特許出願第１０／６７７，５９０号の一部継続出願である。
本発明は、一般に光ファイバ通信システムに関する。より具体的には、本発明はそのようなシステム向けの光クロスコネクトスイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信
過去数十年間にわたり電気通信産業は急速に発展し、この産業への光ファイバの導入は情報の伝達方式に革命をもたらした。光ファイバを伝送媒体として用いた通信システムは、過去の銅線を主体としたシステムよりも著しく優れた利点をいくつか提供している。これらの利点としては、より高い帯域及び伝送速度、より低い伝送損失、そしてより優れた信号絶縁が含まれる。米国内においては、何百万マイルにも及ぶ光ファイバが存在する。情報は、何百万ものトランスミッタから迷路のように入り組んだファイバを通じて何百万ものレシーバへと光の速さでルーティングされなければならないのである。
【０００３】
光ファイバの多重化、スイッチング、そして逆多重化
代表的な光ファイバ通信システムにおいては、幾つかのファイバを一つに束ね、この束中の各ファイバにおいて搬送される光ビーム中に多数の別個の信号を併合するものがある。別々の信号を一本のファイバが搬送する１つの信号へと併合することを、信号の多重化と呼ぶ。時分割多重化及び周波数分割多重化の両方を利用することが出来る。代表的な光ファイバシステムにおいては、各信号は一緒にコードを搬送しており、これによってシステムのトラヒック制御機構はその信号を適正な宛先へと送ることが出来る。多数の信号から成る光ビームは、一般に数本又は多数本のファイバを通じて副次的な宛先又は最終宛先へと直列に送信される。個々の信号は、多重化と呼ばれるプロセスにおいて一本のファイバへと集められ、逆多重化と呼ばれるプロセスにおいてビーム中の他の信号から分離される。この処理は、送信側から受信側へのこのような光信号の形式においては、情報の伝達中に一回又は複数回発生する場合がある。
【０００４】
多重化及び逆多重化
図１３Ａは逆多重化を、そして図１３Ｂは多重化を描いた図である。図１３Ｃは、２つのデマルチプレクサと２つのマルチプレクサを持つ従来のスタティッククロスコネクトであり、２本の別個のファイバ上を４つの別個の波長範囲にて搬送される信号が、どのように他の２本のファイバへとスイッチングされるかを説明するものである。マルチプレクサ及びデマルチプレクサにおける波長範囲の分離には、単一波長範囲を伝送し、他の全ての波長範囲を反射する光フィルタがしばしば用いられる。周知のフィルタが、図１３Ｄに示したもののような薄膜フィルタである。これらのフィルタは一般に、ガラス基板上に、半波長共振空洞とその両側に１つ以上の四分の一波長誘電体リフレクタの薄膜群を形成したものである。図１３Ｅは、半波長共振空洞と四分の一波長誘電体リフレクタを１セット、２セット及び３セットとした場合の結果を示している。図１３Ｆは、これらの狭帯域フィルタを用いてどのようにデマルチプレクサを作ることが出来るのかを示す図である。マルチプレクサは、矢印に示す方向を切り替えることによるものである。
【０００５】
トラヒック制御機構は、送り手側からの特定の信号をシステムの様々な光ファイバの接続を変えることなく多数のファイバを通じて受け手側へとルーティングすることが出来る。しかしながら、特定のファイバルートが混雑した場合、その混雑を緩和する為、又は信号をより効率的に送る為にファイバ間の接続を変更しなければならなくなる。これは光ファイバスイッチの仕事である。歴史的に、光ファイバを通じた光ビームのルートの切り換えはハイブリッド型光‐電‐光スイッチを用いて行われており、これは第一の光ファイバからスイッチに入る光信号を検出して電気信号へと変換し、その電気信号を使って第二の光ファイバ上での伝送に供する為の新たな光信号を生成するものである。
【０００６】
光クロスコネクトスイッチ
最近、光信号から中間電気信号へと変換する必要性を排除する為に、１本のファイバから他のファイバへと光信号を直接的にスイッチングする数々の光クロスコネクトスイッチが提案されている。これらの光スイッチは、ミラーやプリズム、ファイバコリメータや複雑な駆動機構等、スイッチを通じて光信号をルーティングする為の様々な光スイッチ素子を採用したものである。一部の光スイッチについては、ＭＥＭＳミラーとして知られる極小のミラーが提案されている。これらはリソグラフィーにより作られたミラーであり、同様のリソグラフィー技術で作られる集積回路を通じて印加された電圧信号で作動するものである。様々な反射性素子の適正な角度アライメントに必要とされる非常に厳しい許容誤差条件により、そしてこれらの反射性素子の開ループ応答が所定位置への完全な配置に至るには不十分である為に、非常に高度なフィードバック制御システムが利用されることがあり、その結果、これらのスイッチには不具合が生じ易く、かなりのメンテナンスが必要となる可能性があるのである。クロスコネクトスイッチはまた、特定波長の信号をアドしたりドロップしたりする為に、マルチプレクサ及びデマルチプレクサと共に用いることが有用である。これを実施する為のユニットは、再構成可能光アド／ドロップマルチプレクサ、即ちＲＯＡＤＭと呼ばれている。
【０００７】
再構成可能光アド／ドロップマルチプレクサ
図１３Ｇはアド／ドロップユニットを示すもので、これはマルチプレクサ及びデマルチプレクサから構成されているが、スイッチは含んでいない。このユニットはスタティックユニットであると考えられており、その再設定にはオペレータを要する。図１３Ｈは同様のユニットであるが、遠隔で操作又はプログラミングすることが出来る光スイッチを持ち、自動的に作動する。このユニットは追加波長の制御が可能なように調整可能トランスポンダを含んでいる。図１３Ｉは、ファイバ間で信号を切り替えることと同時に、ローカルサービス向けに信号のアド又はドロップ制御を実施することが出来るように、４つの別個の光スイッチを含んでいるＲＯＡＤＭを示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気通信産業がより多くの顧客にサービスを提供する為に発展と成長を続けて行くに伴い、大規模かつ高信頼性の光スイッチへの要求は高まることになる。この結果、既存の電気通信システムへと容易に組み込むことが出来る、そして入力ファイバアレイの各ファイバから出力ファイバアレイの各ファイバへと、光信号を高い信頼性で切り換えることが出来る、そしてこの切り換えを最小のパワー損失かつ最少のチャネルあたりコストで高速に実施することが出来る光クロスコネクトスイッチに対する要求が存在するのである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光クロスコネクトスイッチを提供するものである。このスイッチにおいては、各々が通信ビームを搬送する入力光ファイバ群中のいずれかの光ファイバを出力光ファイバ群中の光ファイバのいずれかにクロスコネクトすることが可能である。入力光ファイバ群中の各ファイバにより搬送される通信ビームにはアライメントビームが付加され、同軸にアライメントされることにより、各ファイバには通信―アライメントビームが画定される。各通信―アライメントビームは、閉じ込められ光経路中を送られて入力アレイ構造体中にある特定の出射孔へと向けられる。全ての通信―アライメントビームの出射孔は入力アレイを画定するパターンに配列される為、入力アレイ構造体中のその出射孔の位置によって通信―アライメントビームの各々を識別することが出来る。各通信―アライメントビームは、第一のレンズマイクロレンズアレイ中にある１つのマイクロレンズによりクロスコネクションビームへと形成される。各クロスコネクションビームは、第一のミラーアレイ中の第一のミラー及び第二のミラーアレイ中の第二のミラーという２枚のミラーにより第二のレンズアレイ中の１つのレンズへと向けられる。第二のマイクロレンズアレイ中のレンズは、通信ビームを、出力アレイ構造体中の、望ましくは光ファイバである閉じ込められた光経路の特定の入射孔へとフォーカスする。出力アレイ構造体中の閉じ込められた光経路の各々は、出力光ファイバ群中の１光ファイバへと光学的に接続している。第二のレンズアレイ付近にある第一のデテクタアレイは、各アライメントビームの位置をモニタし、ミラーアレイのうちの少なくとも１つにおけるミラーの制御用に位置情報をプロセッサへと送る。
【００１０】
一実施例においては、第一及び第二のミラーアレイの間に光学的に配置された二色性ビームスプリッタがアライメントビームの第一の部分を第二のデテクタアレイへと向けるもので、第二のデテクタアレイは各アライメントビームの第一の部分の方向をモニタし、ビーム方向データを、第一のミラーアレイ中のミラー位置を制御するようにプログラミングされたプロセッサへと送る。出来れば第一のデテクタアレイは、通信ビームに対して透明であり、アライメントビームは検出する一方で、通信ビームがデテクタアレイを透過し、出力アレイ構造体中の閉じ込められた経路の入射孔へと至ることを許容するものであることが好ましい。この実施例の構成においては、第一のデテクタアレイは第二のレンズアレイと、出力アレイ構造体中の閉じ込められた経路の入射孔との間に光学的に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａ及び図１Ｂは、第一の２５６（１６ｘ１６）光ファイバ束４のファイバにより搬送される光通信ビームを、第二の２５６光ファイバ束６のファイバへと切り換える為の光スイッチ２を示す。束４のいずれのファイバ中にあるビームも、束６のいずれかのファイバへと切り換えることが出来る。束４及び６は、「全国規模光ファイバネットワークでの応用」と題された本明細書の記載部分に説明されているもののような、各ファイバが多数の別個の周波数で情報を搬送する大規模な全国に広がる通信システムの一部とすることが出来る。或いは、束４及び６は、個々のファイバにより単一又は少数の周波数が搬送されるアド／ドロップステーションのように、多重化又は逆多重化処理の一部にあるものであっても良い。スイッチは、（１）アライメントビーム挿入部１０、（２）ビーム入力部１２Ａ、（３）ビーム配向部１４、そして（４）ビーム受信部１２Ｂという４つの基本部分へと別けられる。
【００１２】
アライメントビーム挿入部
スイッチのアライメントビーム挿入部においては、可視光ビームが付加され、束４の各ファイバが搬送する通信ビームと相互にアライメントされる。これは、図２及び図２Ａを参照しつつ説明するように実現される。束４のファイバ２５６本中の各ファイバ３３が、一本のファイバ３０に通じるコネクタ（図示せず）と接続される。ファイバ３０は破断しており、図２及び図２Ａに示したように、３８において接続部と再接合されている。この接続部は、図２Ａ（図２の２Ａ部分を拡大したもの）に示したように不完全融着接続部である。アライメントビーム用の可視光は、６３０ｎｍ赤色光を発生する発光ダイオード３２から供給される。ダイオード３２からの光は、レンズ３４により不完全融着接続部へとフォーカスされる。ファイバ３０は、接合部の後ろから通信ビームとアライメントビームの両方を伝送する通信及びアライメントビーム光ファイバ３６となる。図２Ａにおける３８に示したような不完全接合部は、工業用の自動融着接続装置により、安価に作ることが出来る。そしてこの不完全接合部は、適正な量だけの不完全性が提供されることになるように、高い精度で作ることが出来る。実施例においては、そのずれの量は約１２〜２０％の範囲、即ち概ね１μである（これらの光ファイバのコアの径は、約８μである）。融合されたファイバは、屈折率整合接着剤により透明ハウジング４０にしっかりと押し当てられて保持される為、ダイオード３２からのフォーカスされた光はファイバ３６へと入り、わずかな距離のうちに効果的にファイバ３０からの通信ビームと相互アライメントされるのである。３８における約１２〜２０％の不完全融着による通信ビームの損失は、約０．２ｄＢだけ（約９５％の伝送に対応）である。他の技術をアライメントビームの注入に利用することも可能であるが、この新規の技術は非常に良好かつ安価に作用するものであることから、大いに望ましいものであると本願出願人は考える。ハウジング及びレンズは、プラスチック製で安価なものが望ましく、発光ダイオードは安価である。本願出願人のテストにおいては素晴らしい結果が得られた。
【００１３】
入力部
各通信―アライメントビームは、束８を構成する光ファイバ３６中を運ばれる。各ファイバの端部は、入力アレイ構造体中に配列され、図１Ａに示すようにフェルールに対して高精度で配置されてフェルールアレイ５０が形成される。各ファイバの端部は、研磨され、全通信―アライメントビーム用の出射孔が画定されている。ファイバ端部は、各通信―アライメントビームの、入力アレイ構造体中のその出射孔の位置による識別が可能となるように、入力アレイを画定するパターンに配列されている。そのようなパターンの１つを図３Ａに示した。出射孔のパターンは１８ｘ１８のパターンであり、各出射孔は隣接する出射孔から１．２５ｍｍ離間している。
【００１４】
２５６本のファイバ束のアライメントビームの挿入部は、１８ｘ１８アレイで３２４チャネルを提供するものであることが望ましく、これにより最大６８本の潜在的なスペアチャネルが提供される。これらのスイッチは量産されることが望ましく、製造不具合が予想され、そして幾つかのチャネルは挿入デバイス中又は下流のいずれかにおいて作動中に不具合を起こす可能性があるものである。そのようなことが発生した場合、不具合を起こしたチャネルのファイバ３０からファイバの接続を断ち、良好なチャネルの一部であるファイバ３０へと再接続することが出来る。スイッチの出力側でも同じことが実施される。
【００１５】
フェルールアレイの一部分を拡大した図を図５の符号５０に示す。フェルールは符号１１８に示した。これらは、ファイバ３６を１．２５ｍｍ中心部に高い精度で配置し、これらを高い精度で相互に平行にアライメントする。光ファイバの端部１２０は平らに角度研磨されている。このアレイがスイッチ２の入力部分１２を構成する。
【００１６】
図５を見ると、スイッチ２の一部分の断面図はフェルールアレイ５０及びレンズアレイ５２の一部分を示している。フェルールアレイは、これらの高精度フェルール１１８を図３Ａに示すような方形パターンに配列することにより形成されている。小型レンズパネル１０８は実質的に平行であり、ファイバ３６の端部から約３ｍｍ離間し、そして所定位置に固定されている。一実施例においては、小型レンズパネル１０８はスペーサー（図示せず）によりフェルールアレイ５０に固定されているものであるが、フェルールアレイと小型レンズパネル１０８の相対位置を維持することが出来る他のいずれの方法が用いられても良い。代表的なフェルールは周知の高精度の寸法を持つものであり、従って入力ファイバ３６の位置決めは、非常に高い精度で実施することが出来るのである。
【００１７】
先に述べたように、小型レンズパネル１０８にはクロスコネクションビーム１１４を生成する為の小型レンズ１１０のアレイが設けられている。図５に示したように、入力ファイバ３６の端部は、発散光源（点線で示したもの）を作る。小型レンズ１１０は端部１２０から３ｍｍ離間しており、これは本実施例における小型レンズ１１０の概ねの焦点距離である。小型レンズ１１０は入力ファイバ３６からの光をほぼ全て受け、実質的に平行化された、１．２５ｍｍよりも若干小さい径１３０を持つクロスコネクションビーム１１４を生成する。入力ファイバと基板１２０との間の角度は、通信ビーム角度１２６に寄与する。この角度がレンズアレイ１０８に対して正確に９０度であることが望ましく、そうすることで通信ビームの角度が９０度となり、光学軸１２８に沿って伝播されることになる。
【００１８】
出力部
スイッチの出力部分を、図１Ａ及び図１Ｂの符号１２Ｂに示す。これは図１Ａに示し、図６Ａ及び図６Ｂに拡大して示した３２４フェルールのフェルールアレイ６０を含んでいる。このアレイ６０のパターンはフェルールアレイ５０と同一であり、個々のフェルールは図３に示した。図６Ａに示したように、フェルールアレイ６０の３２４フェルールの各々１１８Ａに１本のファイバ１０４Ａが差し込まれ、スイッチの一部を構成している。２５６光ファイバ束の２５６本のファイバの各々は、光ファイバコネクタ（図示せず）によりファイバ１０４Ａの出力端部に取り付けられ、その反対側端部は図６Ａ及び図６Ｂに示したようにフェルールアレイ６０のフェルール中に配置される。
【００１９】
ビーム配向部
入力フェルールアレイ５０中にある入力ファイバ３６の研磨された各端部１２０から約３ｍｍ先の光学的なダウンストリームには、図５に示したように、マイクロレンズアレイ５２の一部を構成するマイクロレンズがある。これらマイクロレンズの各々は、対応する入力ファイバからの光を、真っ直ぐ先にある、実際のフォーカスがビームスプリッタ５６へと向いているＭＥＭＳミラーアレイ１６中のＭＥＭＳミラーへと配向するものであり、ビームスプリッタ５６は図１Ａに示すようにＭＥＭＳミラーアレイ１６及び１８の中間に、２つのアレイ間の公称ビーム経路に対して４５度の角度で配置されている。ＭＥＭＳミラーアレイ１８及びＣＭＯＳセンサアレイ２０は、ミラーアレイ１６から同じ光学距離に配置されている。図１Ａにおいては、スイッチを通過する全てのビームが、ＭＥＭＳミラーアレイ１６及びＭＥＭＳミラーアレイ１８との間の光学部において相互に平行に示されており、従ってフェルールアレイ５０を通過する各ビームは、フェルールアレイ６０を通じて同じ相対位置から出射する。従ってフェルールアレイ５０を通過する（例えば）ビーム３Ｆ（図３に図示）は、フェルールアレイ６０のフェルール３Ｆから出射するのである。上述したように、このスイッチによれば、フェルールアレイ５０を通過するいずれのビームも、２つのミラーアレイ中のミラーによりフェルールアレイ６０中のいずれかのフェルール中にある光ファイバへと導くことが出来るのである。その例を図１Ｂに示した。ここでは（例えば）フェルールアレイ５０の行１中にあるフェルールの１つを通過するビームが、フェルールアレイ６０の行１８中にあるフェルールへと導かれ、フェルールアレイ５０の行９中にあるフェルールの１つを通過するビームが、フェルールアレイ６０の行１中にあるフェルールへと導かれている。
【００２０】
ビームスプリッタ５０はアライメントビームの５０％を反射し、通信ビームの実質的に全てを通過させることになるようにフィルムでコーティングされた二色性ミラーである。ＣＭＯＳデテクタ２０は、図４Ｃの符号５１に示したように、各ビームに対して１６画素とした５，１８４画素（７２ｘ７２）のアレイから成る。このデテクタは、ＭＥＭＳミラーアレイ１８上のビームパターンと実質的に同一のビームパターンを見る。プロセッサ７２はスイッチ２を通過する各ビームの方向をモニタする。ＣＭＯＳセンサ２０が収集したデータは、アレイ１６中のミラーが各ビームをミラーアレイ１８中の適正なミラーの中心へと向けていることを保証する為に、プロセッサ７２によって利用される。ミラーアレイ１８の各ミラーは、フェルールアレイ６０中の特定のフェルールへと対応している、即ち、ミラーアレイ１８とフェルールアレイ６０間の全ビームが実質的に相互に平行なのである。（ＣＭＯＳデテクタ６４がミラーアレイ１８からの可視光アライメントビームの位置をモニタしている。これは通信ビームに対しては透明である。）各平行ビームは、マイクロレンズアレイ６２の対応するレンズによりＣＭＯＳデテクタ６４の４ｘ４部分６４Ａを通じて、図６Ａに示すように、そして図６Ｂの拡大図に示すように、ＣＭＯＳデテクタのすぐ下に位置するフェルールアレイ６０の対応する光ファイバ１０４Ａの８μ径コアへとフォーカスされる。デテクタ６４のこれらの４ｘ４フォトダイオードアレイは、図７を図４Ｃと比較することでわかるようにデテクタアレイ２０のそれらよりも小さい。しかしながら、いずれの場合も、ＣＭＯＳ回路はモニタされているビーム経路の外に位置している。通信ビームは必ずアレイを通過しなければならないことから、これはデテクタアレイ６４にとっては特に重要な点である。ビーム配向部の構成要素については、以下により詳細を述べる。
【００２１】
ミラーアレイ１６及び１８について、図９Ａ〜図１０Ｋを参照しつつより詳細に説明する。ミラーアレイ１６及び１８は、同じものである。各々はいずれも図９Ｄにおける符号６２に示すように（１）ミラー部６０と、そして（２）ミラー制御部６２との２部分から作られる。これら２部分の各々は、図９Ａに示されるように４インチシリコンウエハから作られる。上述したように、各アレイは１８ｘ１８個のミラー（３２４ミラー）を含み、約１平方インチである。図９Ｂは、そのアレイのうちの６枚のミラーの拡大図である。ミラーの反射面は図９Ｂに示すように実質的に円形であり、図９Ｄに示すように０．７９０ｍｍの直径を持っている。ミラーは、図１Ａの平面に対して垂直な方向に相互に中心間で１．２５ｍｍ離間している。図１に示した方向１５においては、ミラーはレンズアレイ５２からのクロスコネクションビームにより作られる角度を考慮して中心間で１．２９ｍｍである。各ミラーの中央部７０は、ミラー基板及び反射面を含んでいる。ミラー基板は、図９Ｄに示したように２０μ厚のシリコン基板であり、シリコン基板上に０．０２μ厚に形成した金層による反射面が設けられている。これも２０μ厚であるリング素子６４が各ミラーの中心部７０を囲んでおり、リング素子６４は相互に径をはさんで反対側に位置する図９Ｂの符号６８に示す２箇所において約８０μ厚のミラー構造体６６にヒンジ連結されている。ミラー素子であるミラーの中心部７０は、これもまた径をはさんで反対側に位置し、リング素子６４をミラー構造体６６へと連結するヒンジから９０度ずれた２箇所の位置７２において、リング素子６４へと連結されている。これらのヒンジは各々にシリコンウエハからリソグラフィー処理により、部品６０の他の部分の製作と同時に作られたものである。ヒンジ７２の１つを拡大して描いたものを図９Ｃに示す。これはミラー素子７０をリング素子６４へとヒンジ連結している。ヒンジは蛇状の形状をしており、厚さは約３〜４μである。図９Ｅに示したように、ミラー素子７０は約１０度までチルトさせることが出来る。ミラーのチルトは最大約３００ボルトの電位に帯電した場合に静電気力を印加する４つの電極により実現される。図９Ｂの６個のミラーのうち、その下の電極を見せる為にミラー素子７０を除去した１つに、４つの電極８０Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを示した。図９Ｅは、約１７０Ｖの電極８０Ａと約１３０Ｖの電極８０Ｃを使ってミラー素子７０を数度チルトさせた一例を示している。図４Ａ及び図４Ｂは、本願出願人のミラー制御技術の概要を説明するものである。図４Ａは、ミスアライメントされたミラーを示しており、１６画素ＣＭＯＳセンサアレイによりそのミスアライメントが検出されている。センサアレイからの信号はプロセッサ７２又は７４へと送られ、そしてプロセッサはこのアライメントを修正する為に電極８０Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤへの印加が必要な電圧を決定する。ミラーは図４Ｂに示したように正しくアライメントされる。（図４Ａ及び図４Ｂは、図１Ａの実施例におけるいずれかのミラー制御を厳密に説明しているものではない点に留意されたい。例えば、センサアレイ２０は通信ビームの経路外にあり、センサアレイ６４がほぼ完全にフォーカスされ��ビームを見ている。）上述したように、ミラー制御は、ミラー位置が記憶された校正データに基づくオープンループで作動させることが出来る。所望の頻度で校正のアップデートを実施するようにプロセッサ７２をプログラミングすることが出来る。これはスイッチを介して基準通信信号を送ることにより、そしてミラー位置を変化させつつ、又は細かく動かしながらスイッチから出てくるその強度をモニタすることにより自動的に実施することが出来る。
【００２２】
ミラー制御機構の製作
図１０Ａ〜図１０Ｋは、ミラーアレイ１６及び１８のミラー群のミラー制御機構を製作する上で好適な技術を示すものである。ウエハ７３は約０．０１ｏｈｍ−ｍの導電性を持つことになるようにドーピングされる。これらの制御機構は、図１０Ａに示すように４インチの５００μ厚シリコンウエハから製作される。図１０Ｂはフォトレジストの層上に、例えば８０Ａのような１つの電極の形状をプリントしたところを示している。このパターンの断面図を拡大したものが図１０Ｃに示されており、このパターンは図１０Ｄに示すようにシリコン中へとエッチングされる。フォトレジストが除去され、図１０Ｆに示すように表面上に酸化シリコン絶縁膜が作られ、図１０Ｇ及び図１０Ｈに示すようにスロット中に絶縁性二酸化シリコンが形成されてその表面が研磨される。その後ウエハは図１０Ｉ及び図１０Ｊに示すように約１００μ厚に薄く加工され、上部トレンチの反対側にあるウエハ底面にトレンチが、２つのトレンチが繋がるまでエッチングされる。底面トレンチは、絶縁材を充填しても、空の状態としたままでも良い。次に図１０Ｋに示すように金属接触８１Ａが電極８０Ａの底面上に形成される。その後図９Ｅに示すように信号制御導体が接触８１Ａへとはんだ付けされる。
【００２３】
スイッチング処理が要求された場合にスイッチを通過するビームを適正に導くようにプロセッサ７２及び７４をプログラミング出来るように、校正処理はクロスコネクトスイッチ毎に実施することが望ましい。校正の実施に望ましい処理を以下に説明する。図１Ａに示したスイッチ制御機構８０及びプロセッサ７２、７４は、校正を自動で実施するようにプログラミングされていることが望ましい。
１）センサ２０を使ってミラーアレイ１６中の全ミラーを１つづつ調整することにより、アレイ１６中の各ミラーからのビームが、ミラーアレイ１８中の対応するミラーへと確実に向くようにする。これは図１Ａに示した構成において実施される。
２）センサ６４を使ってミラーアレイ１８中の各ミラーを調整することにより、ミラーアレイ１８中の各ミラーからのビームが、レンズアレイ６２中の対応するレンズへと確実に向くようにする。
３）次にミラーアレイ１８中の各ミラーを細かく動かしつつ、センサ６４にてビーム位置をモニタする、及び／又はスイッチの出力において基準通信ビームの強度をモニタすることにより、センサ２０のデータに基づくその最適位置が確実にプロセッサ７２のメモリ中に記録されるようにする。
４）次にミラーアレイ１６中の各ミラーを細かく動かすことにより、確実にその最適位置が記録されるようにする。アレイ１６中のいずれかのミラーについての最適位置が変化した場合、ミラーアレイ１８の対応するミラーについてステップ３)を再実施しなければならない。その位置が変化した場合、アレイ１６中のそのミラーについてもう一回テストを実施することが望ましい。
５）次にセンサ２０を用いてミラーアレイ１６中の各ミラー（例えばミラー１Ａ）がミラーアレイ１８の３２４枚のミラー全て（ミラー１Ａ〜１８Ｒ）に１つづつ順番に向けられ、これによりアレイ１６のミラー（例えばミラー１Ａ）の適正な位置が判定される。アレイ１８中の全てのミラーがセンサ６４を使って調整され、アレイ１８中の全ミラー（例えばミラー１Ａ〜１８Ｒ）の適正位置が判定され、これによりビームが入力フェルール５０のフェルール１Ａから、フェルールアレイ６０中の３２４個のフェルールの各々へと向けられる。アレイ１６中のミラー１Ａ及びアレイ１８中の３２４個のミラーの各々について、入力ファイバ１Ａから３２４本の出力ファイバ１Ａ〜１８Ｒへの接続の為のミラー位置、最良の通信に向けたミラー位置がプロセッサ７２及び７４のメモリ中に記録される。
６）次にステップ５）がミラーアレイ１６中の各ミラーについて繰り返される。
７）プロセッサ７２及び７４は、（センサ２０及び６４から収集したデータに基づき）このスイッチの３２４ｘ３２４（１０４，９７６）個の可能な接続の各々についてミラー位置の参照値を生成し、記録する。
【００２４】
スイッチング処理が必要とされる場合、影響を受ける光ファイバにおける通信が一時的に停止し、図１Ａに示すスイッチ制御プロセッサ８０からの命令によりプロセッサ７２及び７４を通じてミラーが調節され、スイッチングが実行される。この処理時間は約１０ミリセカンドである。スイッチング処理の間は、センサ６４及び２０が継続的に、又は定期的にアライメントビーム位置をモニタし、プロセッサ７２及び７４がセンサからの信号に基づいてミラーアレイ１６及び１８中のミラーをそれらの最適な位置に維持するミラー制御信号を提供するというように、閉ループ処理を実現することが出来る。スイッチングには更に、処理の間、１つ以外の全アライメントビームのオフを可能とすることにより混信の可能性を生じることなく各接続の導通チェックを行えるような制御機能を提供するものであることが望ましい。
【００２５】
全国規模光ファイバネットワークでの応用
この参照により本願に含まれる米国特許出願第１０／６７７，５９０号は、全て光スイッチを利用した全国規模の高速通信ネットワークについて記載したものである。本願に記載のスイッチは、この出願に記載のネットワークにおいて非常にうまく作動するものである。‘５９０号出願に記載された実施例においては、各ファイバ中のビームの中心波長は約１．５７μ（１９３．１ＴＨｚに対応）で、利用可能帯域幅は１５，０００ＧＨｚ（１８６，０００ＧＨｚ〜２０１，０００ＧＨｚ）である。最大３００の別個の通信チャネル（各々５０ＧＨｚ）を各ファイバ中のビームで搬送することが出来る。３００の別個のチャネル（各々５０ＧＨｚ）の各々は、例えば４ＧＨｚ間隔の６つの下位周波数範囲といったように、更に小さな周波数範囲へと分割することが出来る。これにより、各ファイバにおいては１２００もの信号を伝送することが可能となり、従って一束が２５６本のファイバとした場合、論理上は一束あたり３００，０００もの別個の信号を同時に伝送することが出来るのである。これらの信号が送信位置において別々に入力されることにより併合ビームが作られなければならず、各信号受信者はこれを他の全ての信号から分割することにより受信しなければならない。これは周波数分割多重化と呼ばれる。時分割多重化は特定の時間中に取り扱うことが出来る複数の別個の通信の更なる多重化を可能にする。
【００２６】
図１１は、‘５９０号出願の図１に変更を加えたものである。ここでは、エンドユーザーは２５０個のエリアコードの１つに割り当てられており、各エリアコードにはだいたい同数のエンドユーザーがいるという全国規模ネットワークを想定する。例えば、エリアコード＃１にはサンディエゴが割り当てられており、＃４０にはシアトル、＃２００にはワシントンＤＣ、そして＃２４０には国際ユーザーのサブセットが割り当てられている。提案するネットワークは、１エリアコードあたりに約４００，０００ものユーザーノードを持つことが出来る。図１１に示したように、各エリアコードに接続する光クロスコネクトスイッチ２Ｋは、メッシュネットワーク中に繋がれたメッシュノード４Ｋに位置しており、これにより光信号を特定のエリアコードから他のいずれのエリアコードにもスイッチングすることが可能となっている。特定のメッシュネットワークは既に設置されている都市間ファイバトランクラインを最大限に活用するものである。
【００２７】
本実施例においては、全ての長距離通信は、約１．５７μ（約１９３．１ＴＨｚに対応）に中心を持つ波長範囲で作動する光ファイバを通じて行われる。ネットワークは、周波数１８６ＴＨｚ〜２０１ＴＨｚまでの総帯域幅１５，０００ＧＨｚで作動するように設計されている。５０ＧＨｚ間隔の場合、これは光ファイバ１本あたり３００の「カラー」チャネルを提供する。４つの別個のファイバは、合計１２００通信チャネルを提供するのである。
【００２８】
本実施例においては、１２００の別個の広帯域通信チャネル（各々が１５ＧＨｚの利用可能光帯域幅を持つ）が各エリアコードを出入りしている。我々はこれらの広帯域チャネルをＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓと呼んでおり、これらは４本の別個のファイバ上で３００もの異なるＤＷＤＭ波長（標準５０ＧＨｚ間隔）として分布している。推奨される光ネットワークはＣ及びＬ帯域において中心周波数１５７０ｎｍ（１９３．１ＴＨｚ）で作動する。よって１つのエリアコードとその対応するスイッチとの間には、図１１の符号６Ｋに示したように、出て行くトラヒックに４本、入ってくるトラヒックに４本として、８本の作動ファイバがあるのである。
【００２９】
１２００本のＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓをエリアコードの数（３００）で割り算した場合、１エリアコードあたり平均４．８ＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓとなる。しかしながら、いずれかの特定のエリアコード（例えばサンディエゴ）から出て行く１２００ＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓは、１ファイバあたり１５ＴＨｚ以下の総帯域幅で２５０エリアコードに対する利用デマンドに基づいて割り当てられる。例えば、サンディエゴからのトラヒックのＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓは、ある特定の時間において次のように割り当てられる。ワシントンへのトラヒックに１０、シアトルへのトラヒックに６、アトランタへのトラヒックに１、といったように全ての１２００ファイバカラーが割り当てられるまで続けられる。実際の割り当ては、一日のうちの時間及び週のうちの曜日で変化するデマンドに応じて定期的に自動調整されることが期待される。従って、各起点エリアコードからの各ＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓが支障をきたすことなくネットワーク中を導かれてその宛先エリアコードへと至ることが出来るように、いずれかの特定の時点においてスイッチが設定されなければならない。（即ち、同じ波長で作用する２つのＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓの為に同じファイバを同時に利用することが出来ない。）これが実現可能であるということは俄かには明らかではなかったが、しかし本願出願人はこのタスクを実現する、着実かつ比較的短時間のうちに収束すると思われるアルゴリズムを開発した。我々はこのアルゴリズムをマジックスクウェアアルゴリズム（Ｍａｇｉｃ  Ｓｑｕａｒｅ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）と呼んでおり、それは割り当てを必要とするＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓの基礎をなすマトリクスが、加算すると同じ数となる行及び列を持っている為である。このＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒｓの割り当て問題に関しては、その解決策と共に「マジックスクウェアソフトウェア」と題した本明細書の段落にて詳細に説明する。この問題の解決策は主要な技術革新であり、それはデータソースエリアコードとデータ宛先エリアコード間において光信号から電気信号への変換、又は他のＤＷＤＭ波長への変換を要するという不利を生じずに、比較的に少数のチャネルで全国規模の全光ネットワークの配備を実現する為である。
【００３０】
メッシュノード４Ｋにおけるスイッチ２Ｋの処理は、‘５０９号出願により詳細が記載されている。実施例においては、全てのＤＷＤＭ波長が光スイッチング以前に逆多重化され、スイッチング後に再多重化される。標準的な５０ＧＨｚのＤＷＤＭ間隔よりも細かい分解能での波長分離は必要とされないことから、標準部品を使うことが出来る。（より細かい分解能はデータソース及び宛先エリアコード内にのみ生じる。）波長分離と光スイッチングを組み合わせた専用スイッチも可能である。光増幅器（エルビウム添加ファイバ増幅器等）はネットワークを通じて適正な光信号強度を維持する為に必要に応じて利用される。
【００３１】
他のサイズ
本実施例においては、１６ｘ１６光ファイバ束の接続に１８ｘ１８アレイが利用される設定となっている。しかしながら、読者には明らかなように、本発明は製造、アライメント又は対応する制御系の複雑性を著しく増すことなく、より小さい、又は大きい、他の多様なサイズとすることが可能である。更に、経験則に基づいて追加の、又はより少ないスペアチャネルを設けることも出来る。
【００３２】
推奨される制御技術
ここで図８を参照すると、全体が符号４００で示される本発明に基づく光クロスコネクトスイッチの制御系のブロック図が示されている。制御系４００は、リアルタイムコンピュータ４０４、電気通信インターフェース４０６及びデジタル記憶装置４０８を具備したコンピュータ４０２を含んでいる。コンピュータ４０２は、閉ループフィードバック制御系を実現する上で必要な演算を実施することが出来るシステムである。これはアナログ又はデジタル電子機器を具備するものであっても、光演算装置を使って実現されたものであっても良い。一実施例においては、コンピュータは演算が可能な少なくとも１部品と、少なくとも３つのデジタルインターフェースを持ったデジタル電子機器から成る。第一のインターフェースはデジタル化された光フィードバック信号を受信することが可能であり、第二のインターフェースはビームディレクティング素子の駆動に必要なアナログ電子ドライバへと命令信号を伝送することが可能である。そして第三のインターフェースは、
外部ソースからネットワーク設定コマンドを受信すること、そして光スイッチの状態を送信することが可能である。他のインターフェースも特定機能の実現に必要となる場合がある。
【００３３】
一実施例においては、デジタル演算電子機器は、市販のデジタル信号プロセッサ又は他の中央処理装置といった１つ以上の汎用プロセッサから成るもの、又はこのタスク用に設計された１つ以上の特定用途向けＩＣとすることが出来る。デジタルインターフェースは多数あるパラレル又はシリアルリンクのいずれから成るものであっても良く、また、何等かの工業規格に準拠するものであっても、特定の実装用に特別に設計されたものであっても良い。
【００３４】
電気通信インターフェース４０６は、コンピュータ４０２と相互接続４１０を介した電気通信交換との間に電子インターフェースを提供する。本発明の光クロスコネクトシステムを導入した代表的な環境においては、相互接続４１０は、光学的に結合させるべき入力ファイバ及び出力ファイバを含むスイッチング情報を受ける。この情報を受けるための標準フォーマットは、特定の電気通信ネットワークにより確立することが出来るが、その特定のプロトコルに関係なく、この情報は本発明により実現することが出来る特定のスイッチ設定を含むものである。
【００３５】
デジタル記憶装置４０８は、一時及び永久デジタルメモリ媒体の両方を含むものとすることが出来る。例えば、デジタル記憶装置４０８はデータの処理にランダムアクセスメモリを、そしてプログラミングされたコンピュータシーケンスステップを記憶する為にプログラマブルリードオンリーメモリを含んでいても良く、また、オフセット値の表を含んでいても良い。
【００３６】
コンピュータ４０２は電気接続４１２を介してデジタルインターフェース４１４へと電気的に接続している。デジタルインターフェース４１４は高電圧増幅器と、コンピュータ４０２からのデジタル情報をミラー素子の制御に必要なアナログ信号へと変換するＤ／Ａ変換器とを含んでいる。デジタルインターフェース４１４はまた、コンピュータ４０２とビームディレクティング素子４２０との間で必要となるデジタルデータの送信及び受信も行う。（図８は１つのミラーと１つのセンサしか示していないが、各クロスコネクションビームは、２つのミラーの配置により制御されており、ビーム方向は２つのセンサによりモニタされていることに、読者は留意されたい。しかしながら、ビーム位置を維持する為に推奨される技術は、一度に１つのミラーのみを調節するものである。完全制御を確立するまでには、数回にわたってビーム経路中の１つのミラーを微調整し、そして他方のミラーを微調整することが必要なこともよくある。これは全て自動的にプログラミングすること、又は外部制御装置又はオペレータの命令により実施することが出来る。
【００３７】
１つのＭＥＭＳミラーのピボット制御機構はインターフェース４１４から電子信号を受信し、クロスコネクトビームをその所望の方向へと向ける為にＭＥＭＳミラーを２つの特定の回転位置で動かす。ＭＥＭＳミラーが適正に配置されたことを確実にする為に、光センサはアライメントビームの位置を測定し、上述したように光フィードバックを提供する。アナログインターフェース４２６はアナログ増幅器及び光センサ４２２からアナログ信号を受けてコンピュータ４０２へと電気接続４２８を介して伝送されるデジタル信号を生成するＡ／Ｄ変換器を含むアナログ信号条件付け部品を含んでいる。コンピュータ４０２はアライメントビームの位置に関する電子情報をセンサ４２２から受け、この位置をメモリ４０８に格納される位置と比較してビームディレクタ１６及び１８中のビームディレクティング素子４２０が適正に配置されているかどうかを判断する。センサ４２２が測定したアライメントビーム位置とメモリ４０８中に格納された位置データとの間に相違があった場合、コンピュータ４０２はデジタルインターフェース４１４へと送った電子信号を調節してビームディレクティング素子４２０の回転位置を変更し、センサ内部のアライメントビームを再配置する。アライメントビームの位置が、光センサ４２２により再度計測され、必要であればビームディレクティング素子の回転位置への調整が再度実行される。このようにアライメントビームを適正に配置することにより、通信ビームとの干渉を生じずに、又は通信ビーム自体の計測を行うことなく適正に配置された通信ビームを得ることが出来るのである。
【００３８】
発明の作用
作用においては、本発明の光クロスコネクトスイッチは光信号を束４中の入力ファイバから束６中の出力ファイバへと伝送する。本発明の一実施例の作用は、図１Ａ及び図１Ｂを参照すると最も分かり易い。
【００３９】
ファイバの入力−出力マッピングであるスイッチファブリックの再設定は、以下のように実現される。再設定コマンドが受信されると、影響を受けるチャネルのビームステアリングミラーが即時に開ループステップを実施してそれらの現在の位置から命令された再設定を実現する上で適正な、新たな配置へと動く。この開ループステップの間、制御フィードバックは影響を受けるチャネル上で終わる。ビームステアリング素子がそれらの新たな配置に近づくと、アライメントビームが、再設定コマンドにより示された新たな出力ファイバに対応するセンサ部分上に当たるようになる。この時点において、閉ループサーボ制御が再起動し、その新たな接続が完成する。開ループステップの間、非スイッチングチャネルのサーボフィードバック信号がスイッチングされるチャネルのガイダンスビームによって汚染されることがないように、他の全ての再配置チャネルへのアライメントビームは切られていても良い。
【００４０】
一実施例においては、サーボループは第二のミラーアレイ中のミラー素子にのみ作用することが出来る。他の実施例においては、サーボループは第一のミラーアレイ、第二のミラーアレイ又は第一及び第二のミラーアレイの両方にあるミラー素子に作用することが出来る。一実施例においては、第一のアレイ中の各ミラー素子の校正が十分に正確であることから、各素子に対応するアライメント及び通信ビームの光エネルギーの実質的に全てが第二のビームディレクタアレイ中の意図したターゲット素子に当たることになるように、開ループ信号によりこれらの素子を配置することが出来る。ビームディレクティングミラー素子の開ループ位置決めは製造時及びデバイスの寿命期間にわたり定期的に校正され、開ループ位置決めに高い精度が保証される。更には、第一のアレイ中にあるミラーの開ループ位置決め精度はフルストロークの数パーセント程度で十分であり、これは第一の素子の小さな配置誤差が第二のミラーアレイ中の素子に働く閉ループサーボ制御系により実質的に補正される為である。この最初の開ループ位置決めは、第二のビームディレクティング素子のフィードバック制御との組み合わせにより、通信ビームを出力ファイバの中心へと高精度で位置決めするものである。
【００４１】
多重化及び逆多重化
上述したスイッチの重要なアプリケーションは、周波数多重化又は非多重化処理の一部である。先に述べたように、多重化とは一般に特定周波数の信号を他の周波数を搬送する幹線光ファイバへと加えることを含んでおり、逆多重化とはその逆である。いずれの場合も、結果的に得られる光信号を代表的には別の光ファイバである所望の方向へと向ける為にはスイッチが必要とされる。背景の説明において触れたように、薄膜フィルタを含む幾つかの多重化及び逆多重化技術が利用可能である。しかしながら本願出願人は、自らが開発した、従来技術よりも実質的に優位性を提供する多重化／逆多重化技術を推奨している。この技術は、多孔性シリコン光ファイバを利用したものである。この技術は薄膜フィルタと非常に似た結果を得られるものであるが、しかし多孔性シリコンファイバは大幅に早く、大幅に少ないコストで作ることが出来るのである。これらの多孔性シリコン光ファイバの概要を以下、及び図１２Ａ及び図１２Ｂに説明する。
【００４２】
多孔性シリコン光ファイバ
図１２Ａはシリコンウエハの一部分を描いたものであり、その表面には電流を使った酸エッチングによる多孔性シリコン技術によりエッチングされた様々な屈折率を持つ６つの層を持っている。多孔性シリコン（ＰＳｉ）技術は潜在的なアプリケーションを数多く秘めた最新技術である。シリコンウエハをフッ化水素酸（ＨＦ）中に沈め、その中に電流を流す。ＨＦはシリコンと反応してその表面にナノ孔をエッチングする。孔の直径は、電流、ＨＦ濃度及びシリコンの不純物濃度という３つのパラメータで決まる。推奨されるＨＦ濃度は約２５％〜約５０％の範囲である。推奨されるシリコンへの不純物添加量は約２．５ｘ１０１６イオン／ｃｍ３〜約２．５ｘ１０１７イオン／ｃｍ３である。このエッチングは、常にＨＦ溶液とシリコン基板との間の界面にて孔の底部に発生する。このことによりシリコンの奥深くまでエッチングを行い、ＰＳｉの厚い層を形成することが可能となる。孔の直径はエッチング処理中に電流を変化させることにより変えることが出来る。より大きな電流は孔の直径を大きくし、より小さな電流はその直径を小さくする。このようにしてシリコンの多孔率は深さの関数として変化させることが出来る。多孔率がより高い（より大きな直径の孔）とシリコン密度が低減し、ＰＳｉ層の屈折率が低くなる。そして多孔率がより低いと屈折率は増大する。従って、ＰＳｉの屈折率は変えられるのである。この、屈折率をその深さの関数として変化させられるという能力が、光フィルタの形成を可能とする。図１２Ｂは、１２層を模した表面中にある、大幅に拡大した孔（シリコン基板４８中に作られた）の一般形状を示す図である。シリコンの屈折率は約３．５であり、空気の屈折率は約１．００である。我々が関心を持っている光はこれらの孔よりも大幅に大きい波長を持っていることから、光は各層を形成する空気及びシリコン体積の加重平均に等しい屈折率を持っているかのように各模擬層に対して応答するのである。例えば、低屈折率部は符号５１に、高屈折率部は符号５３に示した。図１２Ｃは、図１２Ｂに示したパターンを作る為に用いられた電流と時間のグラフを示し、図１２Ｄは、波長８２０ｎｍ〜８５０ｎｍの光の表面からの反射率を示している。このフィルタは図１２Ｃに示したように２４層で構成されている。フィルタは追加層により、より狭くすることが出来る。図１２Ｅは、２９層とした結果を示すものである。図１２Ｆは、光ファイバ通信に一般に用いられる波長範囲用に設計された多孔性シリコンの反射グラフである。
【００４３】
ルゲート多孔性シリコンフィルタ
ＰＳｉ中に形成することが出来るフィルタの種類には興味深いものがある。従来の薄膜フィルタは、高屈折率材料及び低屈折率材料の薄い（四分の一波長厚の）層を交互に設けることにより作られる。ＰＳｉにおいては、屈折率変化は高い値及び低い値との間で連続的に行ったり来たりする。この種のフィルタはルゲートフィルタと呼ばれる。狭帯域フィルタから望ましくないサイドローブを排除する等、幾つかの興味深い効果を得ることが出来る。図１２Ｇは本願出願人が製作したルゲートフィルタのウエハ中の多孔性−対−深さを示し、図１２Ｈはその結果得られた反射データを波長の関数として示したものである。このグラフは３つの非常に狭い伝送帯域を示している。
【００４４】
図１２Ｉ及び図１２Ｊは、多孔性シリコンフィルタユニットを、どのように多重化及び逆多重化用に構成することが出来るかを示したものである。図１２Ｉには、波長帯域λ１、λ２・・・λｎの多数の信号を含む入力通信ビームを提供している４本のファイバ５４が描かれている。個々の波長帯域λ１、λ２・・・λｎを伝送するように設計された多孔性シリコンフィルタは符号５６に示される。例えば、フィルタ５６Ａは波長範囲λ１を伝送し、そして他の全ての波長帯域を反射する。フィルタ５６Ｂは波長帯域を伝送し、そして他の全ての波長帯域を反射する。波長帯域λ１、λ２・・・λｎはレンズアレイ５８により個々の光ファイバへとフォーカスされる。図１２Ｉ及び図１２Ｊに示したこのデザインは、一連の非常に狭い帯域フィルタを用いてＤＷＤＭビームから一度に１つづつの波長チャネルを順次分離して行くものである。各フィルタにおいては、選択されたチャネルが伝送され、残りの波長が反射されるのである。可視光が利用される場合、伝送された光が完全に吸収されないように、シリコン基板を薄くする、又は除去することが出来る。多くの電気通信アプリケーションにおいては、シリコンは基本的に利用波長に対しては透明であり、不純物添加濃度が過剰に高くなければシリコン基板を残しておくことが出来る。このフィルタ技術は概念的には単純であるが、最終波長が他の全ての波長から分離されるには、Ｎ−１（ＮはＤＷＤＭビームの波長チャネル数）番目のフィルタと出会わなければならないことから、多数の波長チャネルを持つＤＷＤＭシステムにとっては最良とは言えない。より複雑なデザインであれば１本のビームが通過しなければならないフィルタ総数を減らすことが可能であり、それは最初の幾つかのフィルタに１つ以上の波長チャネルを通過させることによるものである。その後、大幅に間引かれたビームから個々の波長チャネルを分離する為に狭帯域フィルタが用いられる。
【００４５】
薄膜フィルタ用に開発された多様な従来のルゲートフィルタデザインを多孔性シリコン技術と共に用いることで、ＤＷＤＭ用に要求されるスペックを持つ狭帯域フィルタを得ることが可能である。多孔性シリコン技術により、本願出願人は、正弦波曲線を描いて変化する屈折率を持つ一連の複数層を製作することにより、薄膜フィルタのスタックを模擬することが出来る。これは相互に重ねた２つ以上の相対的に広帯域のリフレクタを製作することに相当する。この構成は、市販の不連続誘電体薄膜フィルタに見られるマルチキャビティフィルタに相当するルゲートフィルタである。この種のフィルタは、ファブリペロエタロン共振空洞のエミュレーションにより、過度の長さを要さずに非常に良好な波長分解能を得ることが出来る。
【００４６】
フィルタを相互に重ねることにより、併合フィルタ構造体の共振帯域に対応する少数の狭い波長領域を除いてはＣ帯域を通じて非常に高い屈折率プロファイルが得られる。ここが、ブロードバンドフィルタを通じた伝送上の相変化が第二のブロードバンドフィルタからの反射上の相変化と一致するところである。これらの伝送領域の正確な波長及び幅は、ブロードバンド反射性フィルタの長さ及び屈折率プロファイルの設計により、限定範囲内において制御することが出来る。
【００４７】
これまでに説明したものは、現時点において推奨される本発明の実施例であると考えられているものであるが、当業者には明らかなように、本発明の範囲及び精神から離れることなく様々な変更及び改変が可能である。例えば、図１Ａに示したスイッチは所望に応じて大規模化又は小規模化することが出来る。多様な自動制御をスイッチに導入する、又はスイッチの制御に用いることが出来る。多孔性シリコンフィルタ以外の、薄膜フィルタ等のフィルタを多重化及び逆多重化に利用することも可能である。予備チャネルはより少なくても、多くても、又は全く無くても良い。アライメントビームのソースは共振空洞発光ダイオードとすることが出来る。一部の実施例においては、両方のＭＥＭＳミラー群をセンサ６４からの信号に基づいて制御し、ビームスプリッタ５６及びセンサ２０を排除することが可能である。こうすることにより製造コストを下げることが出来るが、しかし校正及び制御が若干複雑化する可能性がある。また、ＭＥＭＳミラーをアライメントビームに対して部分的に透明にすることにより、センサ２０をＭＥＭＳアレイ１８の後ろに設置することが可能である。スイッチの各ファイバ中でアライメントビームを通信ビームへとアライメントする為に利用可能な他の技術は多数ある。スイッチの入力部分中にある入力ファイバを配列する方法は、他にも多数存在する。例えば、‘８７９特許に記載されているように、ファイバを高い精度でドリル穴を設けた基板とアライメントさせることが出来る。同じことは出力部分にも言える。ＭＥＭＳミラーアレイ以外の小型ミラーアレイを、ＭＥＭＳミラーアレイに代えて利用することが可能である。図１Ａ及び図１Ｂに示した２つのプロセッサに代えて、１つのプロセッサを利用しても良い。本発明のアプリケーションは、詳細にわたり説明した２つの重要なもの以外にも多数ある。例えば、このスイッチは非常に高速なデータ通信が重要である局所的なイントラオフィス又はイントラファクトリ通信システムに用いることが出来る。信号のグルーミング機構、利得制御及び増幅器をスイッチに組み込むことが可能である。本発明のＲＯＡＤＭユニットは、局所及び地域の高速通信トラヒックをサポートする為に利用することが出来る。本発明のスイッチは、ポイントツーポイント、リング（ハブ型及びメッシュ型）を含むシステムアーキテクチャの全てにおいて利用可能である。よって本特許の範囲は本願請求項及び法的にそれと同等のものによって決定されるものであり、ここに挙げた例によって決定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】本発明の実施例の機構を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の実施例の機構を示す図である。
【図２】実施例のアライメントビーム挿入部の機構を示す図である。
【図２Ａ】実施例のアライメントビーム挿入部の機構を示す図である。
【図３Ａ】実施例の、ミラーアレイ、レンズアレイ及びフェルールアレイに見られる代表的な１８ｘ１８アレイのレイアウトを示す図である。
【図３Ｂ】実施例の、ミラーアレイ、レンズアレイ及びフェルールアレイに見られる代表的な１８ｘ１８アレイのレイアウトを示す図である。
【図４Ａ】ミラーの制御にアライメントビームが利用されているところを示す図である。
【図４Ｂ】ミラーの制御にアライメントビームが利用されているところを示す図である。
【図４Ｃ】ＣＭＯＳデテクタの構成を示す図である。
【図５】フェルール及びマイクロレンズを入力アレイ構造体中で配置する為の技術を示す図である。
【図６Ａ】通信ビームを出力アレイ構造体中の出力ファイバの入射孔へとフォーカスする為の機構を示す図である。
【図６Ｂ】通信ビームを出力アレイ構造体中の出力ファイバの入射孔へとフォーカスする為の機構を示す図である。
【図７】ＣＭＯＳセンサアレイのレイアウトを示す図である。
【図８】光クロスコネクトスイッチ用の制御プログラムのブロック図である。
【図９Ａ】本発明の実施例において使用されるＭＥＭＳミラーを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施例において使用されるＭＥＭＳミラーを示す図である。
【図９Ｃ】本発明の実施例において使用されるＭＥＭＳミラーを示す図である。
【図９Ｄ】本発明の実施例において使用されるＭＥＭＳミラーを示す図である。
【図９Ｅ】本発明の実施例において使用されるＭＥＭＳミラーを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｅ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｆ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｇ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｈ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｉ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｊ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１０Ｋ】本発明の実施例用のＭＥＭＳミラーを製作する為の技術を示す図である。
【図１１】原出願第１０／６７７，５９０号の図１に変更を加えた図である。
【図１２Ａ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｂ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｃ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｄ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｅ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｆ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｇ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｈ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｉ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１２Ｊ】多孔性シリコンフィルタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサの特徴を示す図である。
【図１３Ａ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｂ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｃ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｄ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｅ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｆ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｇ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｈ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１３Ｉ】従来技術に基づくマルチプレクサ、デマルチプレクサ及びスイッチの例を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１０Ｉ】
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【図１０Ｊ】
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【図１０Ｋ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１２Ｊ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【国際調査報告】
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