(57)【要約】【課題】スイッチ動作を高速で行なえると共に安定した光結合を与える信頼性の高い光スイッチ装置を提供する。【解決手段】光スイッチ装置１００は、複数の入力光ファイバ１１１と、複数の出力光ファイバ１１７と、任意の入力光ファイバ１１１からの信号光ビームを偏向して任意の出力光ファイバ１１７に光接続する光接続切換手段１２０と、複数の受光素子を有する受光素子アレイ１１６と、受光素子アレイ１１６からの情報に基づいて出力光ファイバ１１７に対する信号光ビームの位置ずれを検出する誤差検出回路１１８と、誤差検出回路１１８からの情報に基づいて光接続切換手段１２０を制御する制御回路１１９とを備えている。誤差検出回路１１８は、信号光ビーム１１３の偏向方向に直交する分割線を間に挟んで位置する受光素子の出力の差に従って信号光ビーム１１３の位置ずれを求める。【選択図】　　図１
2004020741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光が入力される複数の入力光ファイバと、
信号光を出力するための複数の出力光ファイバと、
任意の入力光ファイバから射出される信号光ビームを偏向することにより任意の出力光ファイバに対して切換可能に光接続する光接続切換手段と、
各出力光ファイバのコア部の周りに配置された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、
受光素子アレイからの情報に基づいて信号光ビームと出力光ファイバの位置ずれを検出するための誤差検出回路と、
誤差検出回路からの情報に基づいて光接続切換手段を制御する制御回路とを備えている、光スイッチ装置。
【請求項２】
光接続切換手段は、信号光ビームを偏向する少なくとも一つの偏向手段を含んでおり、偏向手段は信号光ビームを反射するための複数のミラーを有し、各ミラーは少なくとも一本の軸の周りに傾斜可能であり、制御回路はミラーの姿勢を制御して信号光ビームの方向を変えることにより信号光ビームが入射する出力光ファイバを変更する、請求項１に記載の光スイッチ装置。
【請求項３】
各出力光ファイバの周りに配置された受光素子は、出力光ファイバの光軸に略垂直な平面上に位置し、出力光ファイバのコア部を通る分割線を間に挟んで位置しており、分割線は信号光ビームが偏向される方向に対して略直交しており、誤差検出手段は分割線を間に挟んで位置する受光素子の出力の差に対応する信号を出力する、請求項１に記載の光スイッチ装置。
【請求項４】
光接続切換手段は、信号光ビームを偏向する少なくとも一つの偏向手段を含んでおり、偏向手段は信号光ビームを反射するための複数のミラーを有し、各ミラーは二本の軸の周りに傾斜可能であり、受光素子アレイは各出力光ファイバの周りに四つの受光素子を有しており、四つの受光素子は出力光ファイバのコア部を通る互いに略直交する二本の分割線によって互いに分離されており、二本の分割線は、それぞれ、ミラーの二本の軸周りの傾きに従って信号光ビームが偏向される方向に直交して延びており、誤差検出手段は、信号光ビームの二つの偏向方向の各々に関する信号光ビームと出力光ファイバの位置ずれを、信号光ビームの偏向方向に直交する分割線を間に挟んで位置する受光素子の出力の差に基づいて検出する、請求項１に記載の光スイッチ装置。
【請求項５】
受光素子アレイが複数の出力光ファイバと一体的に設けられている、請求項１に記載の光スイッチ装置。
【請求項６】
受光素子アレイは分割線上に位置する貫通孔を有しており、出力光ファイバは貫通孔により保持される、請求項５に記載の光スイッチ装置。
【請求項７】
制御光を発する制御光光源と、制御光を信号光に合波する合波手段とを更に有し、受光素子アレイの受光素子は制御光に対して感度を有している、請求項２に記載の光スイッチ装置。
【請求項８】
受光素子アレイの受光面上において、制御光は、信号光のビーム径と分割線の幅のいずれよりも大きいビーム径を有している、請求項７に記載の光スイッチ装置。
【請求項９】
合波手段は、入力光ファイバに接続されたファイバカプラである、請求項７に記載の光スイッチ装置。
【請求項１０】
出力光ファイバに入射した信号光の強度を検出する信号光強度検出手段を更に備えており、制御手段は、誤差検出手段の出力と信号光強度検出手段の出力とに基づいて偏向手段を制御する、請求項７に記載の光スイッチ装置。
【請求項１１】
制御手段は、最初に誤差検出手段の出力に基づいて偏向手段の制御を行ない、続いて信号光強度検出手段の出力に基づいて偏向手段の制御を行なう、請求項１０に記載の光スイッチ装置。
【請求項１２】
信号強度検出手段の出力が最大となったときの誤差検出手段の出力値を記憶する記憶手段を有し、制御手段は、誤差検出手段の出力が記憶手段に記憶された出力値を維持するように偏向手段を制御する、請求項１０に記載の光スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の入力光ファイバと複数の出力光ファイバとを有し、任意の入力光ファイバから任意の出力光ファイバへの光接続の切り換える光スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００１−１１７０２５号公報は、複数の光ファイバに対応して可動ミラーアレイを配置し、各ミラーの傾き制御によって入力ファイバと出力ファイバの間の接続を自在に切り換える光スイッチ装置を開示している。
【０００３】
ここでミラーの傾き制御は、光スイッチに対する入力信号及び出力信号を監視して行われている。すなわち、光スイッチ装置の外側に接続される光トランスレーションユニット（ＯＴＵ）にて光スイッチ装置の入力側及び出力側の信号をタップして取り出し、入力信号と出力信号の相関を監視することでミラーを制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−１１７０２５号公報に開示されている光スイッチ装置では、信号光の位置制御すなわちミラーの角度制御を入力信号及び出力信号の比較により行なうため、位置ずれが発生している場合、その方向を検出することができない。
【０００５】
位置誤差の方向が検出できない状態でミラーの姿勢を制御するというこの制御法は非常に複雑で難しく、それゆえ高速な位置決め制御を行なうことはできない。従って、スイッチ動作を高速で行なうことが難しい。また、振動や衝撃に対しても追従制御が遅れるために外乱に弱く、このため入力と出力の間の光結合を安定に保つことが難しい。つまり、信頼性が低い。
【０００６】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、スイッチ動作を高速で行なえると共に安定した光結合を与える信頼性の高い光スイッチ装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光スイッチ装置は、信号光が入力される複数の入力光ファイバと、信号光を出力するための複数の出力光ファイバと、任意の入力光ファイバから射出される信号光ビームを偏向することにより任意の出力光ファイバに対して切換可能に光接続する光接続切換手段と、各出力光ファイバのコア部の周りに配置された複数の受光素子を有する受光素子アレイと、受光素子アレイからの情報に基づいて信号光ビームと出力光ファイバの位置ずれを検出するための誤差検出回路と、誤差検出回路からの情報に基づいて光接続切換手段を制御する制御回路とを備えている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
第一実施形態
本発明の第一実施形態の光スイッチ装置１００を図１に示す。
【００１０】
図１に示されるように、光スイッチ装置１００は、信号光が入力される複数の入力光ファイバ１１１と、入力光ファイバ１１１を整列させて保持するファイバホルダ１１２Ａと、信号光を出力するための複数の出力光ファイバ１１７と、複数の出力光ファイバ１１７を整列させて保持するファイバホルダ１１２Ｂと、任意の入力光ファイバ１１１から射出される信号光ビームを偏向（走査）することにより任意の出力光ファイバ１１７に対して切換可能に光接続する光接続切換手段１２０と、ファイバホルダ１１２Ｂの表面に実装された受光素子アレイ１１６と、受光素子アレイ１１６からの情報に基づいて信号光ビームと出力光ファイバ１１７の位置ずれを検出するための誤差検出回路１１８と、誤差検出回路１１８からの情報に基づいて光接続切換手段１２０を制御する制御回路１１９とを備えている。
【００１１】
光接続切換手段１２０は、入力光ファイバ１１１から射出される発散性の信号光ビームを略平行な光ビームに変えるためのレンズアレイ１１４Ａと、レンズアレイ１１４Ａからの光ビームを独立に偏向し得る偏向手段であるマイクロミラーアレイ１１５Ａと、マイクロミラーアレイ１１５Ａからの光ビームを独立に偏向し得る偏向手段であるマイクロミラーアレイ１１５Ｂと、マイクロミラーアレイ１１５Ｂからの略平行な光ビームを収束光に変えるためのレンズアレイ１１４Ｂとを有している。
【００１２】
マイクロミラーアレイ１１５Ａとマイクロミラーアレイ１１５Ｂは同様の構成を有しており、図２に示されるように、光ビームを反射するための複数のマイクロミラー１２１を有している。各マイクロミラー１２１は、二本の軸すなわちｘ軸とｙ軸の周りに傾斜可能に支持されており、マイクロミラーアレイは、マイクロミラー１２１の傾きすなわち姿勢を独立に変更し得る。
【００１３】
例えば、マイクロミラーアレイは、各マイクロミラー１２１の下面側に配置された駆動用の電極（図示せず）を有しており、マイクロミラーの傾きは、電極とマイクロミラーとの間の静電力を利用して変更される。
【００１４】
このようなマイクロミラーアレイについては、例えば特開２００１−１７４７２４号公報に詳しく開示されている。同文献の開示は参照により本明細書に組み込まれるものとし、その詳細な説明はここでは割愛する。
【００１５】
マイクロミラー１２１で反射される光ビームは、マイクロミラー１２１のｘ軸周りの傾きに従ってｙ軸に沿って偏向され、マイクロミラー１２１のｙ軸周りの傾きに従ってｘ軸に沿って偏向される。従って、マイクロミラーアレイは、マイクロミラー１２１の姿勢を変えることにより、マイクロミラー１２１で反射される光ビームの方向を変更することができる。
【００１６】
光接続切換手段１２０では、特定の入力光ファイバ１１１から射出された信号光ビームは、マイクロミラーアレイ１１５Ａと１１５Ｂのマイクロミラー１２１の傾きすなわち姿勢に対応して決まる特定の出力光ファイバ１１７に導かれる。従って、光接続切換手段１２０は、マイクロミラーアレイ１１５Ａと１１５Ｂのマイクロミラー１２１の傾きすなわち姿勢を調整することにより、信号光ビームを任意の出力光ファイバ１１７に導くことができる。言い換えれば、光接続切換手段１２０は、マイクロミラー１２１の姿勢を変えて信号光ビームの方向を変えることで、信号光ビームが入射する出力光ファイバ１１７を変更することができる。
【００１７】
図３に示されるように、光スイッチ装置１００は、例えば、ｘ軸とｙ軸に沿って４×４の配列でマトリックス状に整列された１６本の出力光ファイバ１１７を有している。しかし、出力光ファイバ１１７の本数は、これに何ら限定されるものではなく、任意の本数であってもよい。例えば、光スイッチ装置１００は、必要に応じて、百本以上の出力光ファイバ１１７や、千本以上の出力光ファイバ１１７を有していてもよい。
【００１８】
図３と図４に示されるように、受光素子アレイ１１６は、各出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａの周りに配置された複数の受光素子１３１を有している。受光素子１３１は出力光ファイバ１１７の光軸に略垂直な平面上に位置している。受光素子１３１は一本の出力光ファイバ１１７に対して四つ配置されている。
【００１９】
図４に示されるように、一本の出力光ファイバ１１７に対応する四つの受光素子１３１は、出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａを通り、ｘ軸とｙ軸に沿って延びる二本の分割線１３２によって分離されている。言い換えれば、分割線１３２は、ｘ軸とｙ軸に平行に延びており、その交点が出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａに位置している。
【００２０】
二本の分割線１３２は光ビームが偏向される二方向に対して略直交して延びている。すなわち、一方の分割線１３２は、信号光ビームがマイクロミラー１２１のｘ軸周りの傾きに従って偏向される方向（すなわちｙ軸方向）に直交して延びており（つまりｘ軸に沿って延びており）、他方の分割線１３２は、信号光ビームがマイクロミラー１２１のｙ軸周りの傾きに従って偏向される方向（すなわちｘ軸方向）に直交して延びている（つまりｙ軸に沿って延びている）。
【００２１】
図３と図４には、出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａと信号光ビーム１１３の位置関係を示すために、ひとつの信号光ビーム１１３も併せて示されている。これらの図には、説明の簡略化のために、信号光ビーム１１３のひとつだけが図示されているが、実際には、出力光ファイバ１１７の数に対応した数の信号光が存在する。
【００２２】
続いて、本実施形態の光スイッチ装置１００の動作について説明する。
【００２３】
光スイッチ装置１００は、１６本の入力光ファイバ１１１と１６本の出力光ファイバ１１７の間の光接続を自在に切り換えるためのクロスコネクト光スイッチであり、その光接続の切り換えはマイクロミラーアレイ１１５Ａ及び１１５Ｂにより行なわれる。すなわち、入力光ファイバ１１１の全てはマイクロミラーアレイ１１５Ａのマイクロミラーに１対１で対応している。同様に、出力光ファイバ１１７の全てはマイクロミラーアレイ１１５Ｂのマイクロミラーに１対１で対応している。これらの対応は常に変更されない。
【００２４】
入力光ファイバ１１１と出力光ファイバ１１７の光接続を変更する場合、たとえばＭ番の入力からＮ番の出力へ接続変更したい場合は、マイクロミラーアレイ１１５ＡのＭ番のマイクロミラーを回転制御して、マイクロミラーアレイ１１５Ｂ上のＮ番のマイクロミラーへ向けて信号光ビーム１１３を偏向する。さらに、マイクロミラーアレイ１１５ＢのＮ番のマイクロミラーを回転制御して、Ｎ番の出力光ファイバ１１７へ向けて信号光ビーム１１３を偏向する。これにより、Ｍ番入力光ファイバ１１１からＮ番出力光ファイバ１１７への光接続が行なわれる。
【００２５】
一般に光ファイバのコア径は１０μｍ程度と小さいため、少ない損失で光接続を行なうためには、信号光ビーム１１３と出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａとが１μｍ以下の高い精度で位置合わせされる必要がある。従って、マイクロミラーアレイ１１５Ａとマイクロミラーアレイ１１５Ｂの制御には、各マイクロミラーの非常にシビアな角度制御が要求される。
【００２６】
更に、特開２００１−１１７０２５号公報の技術のように出力光ファイバ１１７にカップリングされる信号光をモニタして制御を行なう場合、仮にカップリングされる光量が少ない（位置ずれが発生している）ということが検出できたとしても、マイクロミラーをどちらの方向にどれだけ駆動すればよいのかが分からず、試行錯誤的な制御が行なわれるため、高速な制御を行なうことができないという問題がある。また、高速な制御が行なえないため、振動等の外乱への追従性が悪く、その光スイッチの特性は外乱の影響を受け易いとう問題がある。
【００２７】
本実施形態の光スイッチ装置１００は、このような問題を解決するため、すなわちミラーの角度制御を容易にしかも高速で行なえるようにするため、受光素子アレイ１１６によって信号光ビーム１１３の位置検出を行なうものである。
【００２８】
図４を参照しながら信号光ビーム１１３の位置の検出法について説明する。図４は、受光素子アレイ１１６の一部分を示しており、一本の出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａの周りに配置された四つの受光素子１３１が示されている。四つの受光素子１３１は二本の分割線１３２を間に置いて互いに離れており、二本の分割線１３２は、ｘ軸とｙ軸に平行に延びており、出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａの位置で交差している。
【００２９】
信号光ビーム１１３と出力光ファイバ１１７との間の位置ずれは、分割線１３２を間に挟んで位置している受光素子１３１の出力の差から知ることができる。図４に示されるように、四つの受光素子１３１の出力をそれぞれＰＤ００、ＰＤ０１、ＰＤ１０、ＰＤ１１とすると、ｘ軸方向の位置ずれεｘは
εｘ＝（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃１０）−（ＰＤ＃０１＋ＰＤ＃１１）・・・（１）
により求めることができる。例えば、信号光ビーム１１３がｘ軸に沿って図４の右方向にずれていれば、この値は負に大きくなる。また、ｙ軸方向の位置ずれεｙは
εｙ＝（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃０１）−（ＰＤ＃１０＋ＰＤ＃１１）・・・（２）
により求めることができる。例えば、信号光ビーム１１３がｙ軸に沿って図４の下方向にずれていれば、この値は負に大きくなる。
【００３０】
つまり、信号光ビーム１１３の二つの偏向方向すなわちｘ軸方向とｙ軸方向に関する信号光ビーム１１３と出力光ファイバ１１７の位置ずれεｘとεｙは、それぞれ、信号光ビーム１１３の偏向方向（すなわちｘ軸方向とｙ軸方向）に直交して延びる（すなわちｙ軸方向とｘ軸方向に延びる）分割線を間に挟んで位置する受光素子１３１の出力の差に基づいて求められる。
【００３１】
以上のように、受光素子アレイ１１６の出力の差信号に基づいて、出力光ファイバ１１７のコア部１１７ａに対する信号光ビーム１１３の位置ずれの方向と量を、ｘ軸方向とｙ軸方向の両方について独立に求めることができる。
【００３２】
なお、信号光ビーム１１３が出力光ファイバ１１７のごく近い位置に位置決めされている状態では受光素子１３１に入射する信号光量は大きく低下するが、実際のビームはガウシアン光量分布を有しており、光軸からやや離れた点でもある程度の光量はあるので、やはり受光素子１３１の出力の差により位置ずれを検出することが可能である。ただしこの場合、単に差信号を求めるだけでは振幅が低下してしまうため、和信号で正規化することが望ましい。その場合には、
εｘ＝｛（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃１０）−（ＰＤ＃０１＋ＰＤ＃１１）｝÷（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃０１＋ＰＤ＃１０＋ＰＤ＃１１）・・・（３）
εｙ＝｛（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃０１）−（ＰＤ＃１０＋ＰＤ＃１１）｝÷（ＰＤ＃００＋ＰＤ＃０１＋ＰＤ＃１０＋ＰＤ＃１１）・・・（４）
となる。
【００３３】
上述の演算により信号光ビーム１１３の出力光ファイバ１１７に対する位置ずれの方向と量が分かるため、この量がゼロとなる極性で対応するマイクロミラー１２１に対してフィードバックを行なうことにより、信号光ビーム１１３と出力光ファイバ１１７の位置が一致するように各マイクロミラー１２１の姿勢を正しく制御することができる。特に、図４に示されるように、分割線１３２をｘ軸及びｙ軸と平行に設けて、マイクロミラー１２１による信号光の偏向方向（ｙ軸とｘ軸）と直交させておくことにより、各方向の位置ずれを独立に検出できる。これにより、信号光位置を独立に制御できるため、複雑な信号処理なしにフィードバック制御を容易に行なうことができる。
【００３４】
フィードバック制御を行なうための誤差検出回路１１８と制御回路１１９の細部を図５に示す。
【００３５】
図５に示されるように、誤差検出回路１１８はＩ−Ｖ変換回路１５１と和・差演算回路１５２とを有しており、制御回路１１９は位相補償回路１５３と駆動電圧算出回路１５４とドライバ回路１５５とコントローラ１５６とを有している。
【００３６】
受光素子１３１の出力は誤差検出回路１１８の中のＩ−Ｖ変換回路１５１により電流−電圧変換され、その出力は和・差演算回路１５２で加減算されることにより、位置誤差信号εｘとεｙが得られる。ここで和・差演算回路１５２での演算式は、位置決め対象の出力光ファイバに応じて異なる。
【００３７】
位置誤差信号εｘとεｙは制御回路１１９に入力され、フィードバック制御ループの周波数特性を安定化するための位相補償回路１５３、更に、各マイクロミラー１２１の図示しない駆動電極に与える電圧を決めるための駆動電圧算出回路１５４、ドライバ回路１５５を経て、マイクロミラー１２１の駆動電極へとフィードバックされる。
【００３８】
上述の（１）式〜（４）式による誤差信号は、信号光ビーム１１３が目標とする出力光ファイバ１１７の近くまで来ないと出力されない。具体的には、出力光ファイバ１１７を囲む四つの受光素子のいずれかに信号光が入射しないと位置誤差信号が出力されない。従って、実際の制御においては、スイッチの司令を受けた後、まず予め作成しておいた駆動電圧テーブルを用いる等の手法により開ループ制御でマイクロミラーをおよその目標位置に駆動し、その後にフィードバック制御を開始することが望ましい。この場合の制御フローは図６のようになり、この制御はコントローラ１５６により行われる。
【００３９】
具体的には、図６に示されるように、スイッチ指令の有無を検知し、スイッチ指令を受けたときには、フィードバック制御を停止し、およその目標位置に対応する駆動電圧データをテーブルから取り出し、マイクロミラーの駆動電極に駆動電圧を出力し、マイクロミラーの移動を待った後、フィードバック制御を開始する。その後、前述の（１）式と（２）式あるいは（３）式と（４）式に従う位置決めを行ない、位置決めが完了したときはスイッチすなわち切り換え完了を報告して終了する。
【００４０】
ところで、信号光ビーム１１３の位置決め位置は、受光素子１３１の中間位置（分割線上）となるため、出力光ファイバ１１７に対して正確に信号光ビーム１１３を位置決めするには、受光素子アレイ１１６の位置が出力光ファイバ１１７に対して正確に実装されている必要がある。本実施形態では受光素子アレイ１１６はファイバホルダ１１２Ｂに取り付けられているため、スイッチ装置全体を組立・調整する前の段階で受光素子アレイ１１６と出力光ファイバ１１７との位置合わせと実装を行なっておくことができる。大規模な光スイッチ装置で入出力光ファイバの数が多く組立時の取り回しが難しいような場合であっても、先にこの部分の調整・組立を行なえるため、位置合わせ精度を向上させることができる。すなわち大規模スイッチへの適用も容易である。
【００４１】
また、図７に示されるように、受光素子１３１が形成される半導体基板１７１に貫通孔部１７２を設けておき、この貫通孔部１７２により出力光ファイバ１１７の先端部を保持することにより、更に受光素子アレイ１１６と出力光ファイバ１１７の間の位置合わせ精度を更に確実に向上させることができる。これにより信号光ビーム１１３との間の位置決め精度も向上するため、その結果、光損失の少ない、信頼性の高い光スイッチ装置が実現される。
【００４２】
以上説明したように本実施形態によれば、出力光ファイバにカップリングされる信号光を出力光ファイバの手前に配置した受光素子アレイで受光し、出力光ファイバを通る分割線を間に挟んで位置する受光素子間の差信号に基づいて信号光と出力光ファイバとの位置誤差を検出し、マイクロミラーの姿勢をフィードバック制御するため、高速かつ安定なマイクロミラーの姿勢制御が行なえる。これにより、スイッチ動作すなわち切り換え動作を短時間で行なえると共に、振動や衝撃への耐性も向上される。つまり、スイッチ動作を高速で行なえると共に信頼性の高い光スイッチ装置が得られる。
【００４３】
第二実施形態
本発明の第二実施形態の光スイッチ装置２００を図８に示す。図中、第一実施形態の部材と同一の参照符号で示される部材は同等の部材であり、ここではその詳しい説明は省略する。第一実施形態では信号光を用いて信号光の位置検出を行なっているが、本実施形態では波長の異なる制御光を用いて位置検出を行なう。
【００４４】
図８に示されるように、本実施形態の光スイッチ装置２００は、第一実施形態の構成に加えて、制御光を発するための制御光光源２８１と、制御光光源２８１からの制御光を入力光ファイバ１１１の信号光に合波するためのファイバカプラ２８２とを有しているとともに、ファイバホルダ１１２Ｂには第一実施形態の受光素子アレイ１１６に代えて別の受光素子アレイ２１６が実装されている。
【００４５】
ファイバカプラ２８２で合波され入力光ファイバ１１１から射出される信号光ビーム１１３と制御光ビーム２８３は同じ光軸を有しているため、それらは図８では一本の線で示されている。
【００４６】
受光素子アレイ２１６は、図９に示されるように、一本の出力光ファイバ１１７に対して、そのコア部１１７ａの周囲に配置された四つの受光素子２３１を備えている。四つの受光素子２３１は、コア部１１７ａを通り、ｘ軸とｙ軸に沿って延びる二本の分割線２３２によって分離されている。
【００４７】
受光素子２３１は、第一実施形態とは異なり、制御光２８３に対して感度を持つ一方、信号光１１３に対しては感度を持たず、これを透過する特性を有している。例えば、信号光１１３は１．３μｍ〜１．５５μｍ程度の波長を持つ赤外の光であり、制御光２８３は０．６〜０．８μｍ程度の波長を持つ可視あるいは近赤外の光であり、これに対応する受光素子２３１としては例えばＳｉ系のものが適用され得る。
【００４８】
制御光ビーム２８３は信号光ビーム１１３と同軸であるため、制御光ビーム２８３の位置を検出することにより、信号光ビーム１１３の位置を検出することができる。本実施形態の光スイッチ装置２００のスイッチ動作つまり切り換え動作は、位置誤差の検出を制御光２８３に基づいて行なう他は、誤差信号の算出や制御法まで含めて第一実施形態の光スイッチ装置１００と同様であるので、詳細な説明は割愛する。
【００４９】
図９に示されるように、受光素子アレイ２１６の受光面上において、制御光２８３のビーム径は、信号光１１３のビーム径よりも大きく、また分割線２３２の幅よりも十分に大きい。これは、信号光１１３と制御光２８３の波長の違いを利用してレンズアレイ１１４Ａやレンズアレイ１１４Ｂの設計を行なうことにより実現される。
【００５０】
制御光２８３のビーム径が分割線２３２の幅よりも十分大きいため、受光素子２３１の出力の差に基づいて位置誤差信号を求める際に不感帯となる分割線２３２の影響が軽減される。これにより、より高い精度・安定度での位置誤差検出が行なえる。
【００５１】
また本実施形態では、信号光に対する制御光の合波は入力光ファイバに接続されたファイバカプラで行なわれるため、信号光と制御光とが確実に同軸で合波される。また、合波のために入力光ファイバと出力光ファイバの間の光学系部分のスペースを犠牲することもないため、光学設計の自由度はそのまま維持される。このため、大規模化を図る場合においても、容易に良好な特性の光スイッチ装置を実現できる。
【００５２】
以上のように本実施形態によれば、制御光を用いることにより、信号光の位置誤差検出を第一実施形態よりも更に高い精度で行なうことができる。これにより、より高い精度で信号光を出力光ファイバに対して位置決めすることができる。従って、光損失の低減と信頼性の向上が図られる。
【００５３】
第三実施形態
本発明の第三実施形態の光スイッチ装置３００を図１０に示す。図中、第二実施形態の部材と同一の参照符号で示される部材は同等の部材であり、ここではその詳しい説明は省略する。第二実施形態では制御光を用いて信号光の位置検出を行なっているが、本実施形態では信号光と制御光の両方を用いて位置検出を行なう。
【００５４】
図１０に示されるように、本実施形態の光スイッチ装置３００は、第二実施形態の構成に加えて、出力光ファイバ１１７に接続された信号光を分岐するためのファイバカプラ３９１と、ファイバカプラ３９１で分岐された信号光の強度を検出するための信号光強度検出手段である受光素子３９２とを有していると共に、これに対応して、第二実施形態の制御回路１１９に代えて、誤差検出回路１１８の出力と受光素子３９２の出力の両方を入力とする制御回路３１９を備えている。
【００５５】
本実施形態の光スイッチ装置３００のスイッチ動作すなわち切り換え動作について、図１１を参照しながら説明する。これまでの実施形態と同一の部分については説明を割愛する。
【００５６】
スイッチの切り換え司令を受けたら、まずその時点でのフィードバック制御を停止してマイクロミラーを駆動する準備をする。続いて、予め作成しておいた駆動電圧テーブルを参照して、開ループ制御でマイクロミラーを駆動して姿勢を変化させる。諸々の誤差や外乱が皆無であれば、この段階で信号光１１３と制御光２８３が目標とする出力光ファイバ１１７に結合されるが、殆どの場合、信号光ビーム１１３と制御光ビーム２８３が完全に正しい位置へ移動されることはなく、目標とする出力光ファイバ１１７の近くまで移動されるだけである。
【００５７】
開ループ制御の後、制御光による位置誤差検出を行なって制御光２８３によるマイクロミラー姿勢のフィードバック制御（誤差検出回路１１８の出力に基づくフィードバック制御）を開始する。
【００５８】
制御光２８３による位置決めが完了した後、次に信号光１１３によるマイクロミラー姿勢のフィードバック制御（受光素子３９２の出力に基づくフィードバック制御）を開始する。このフィードバック制御は、受光素子３９２の出力が最大になるようにマイクロミラー姿勢を制御する。なお、受光素子３９２は、制御光２８３の影響を避けるために、好ましくは、信号光１１３だけに対して感度を持ち、制御光２８３に対しては感度を有していないとよい。
【００５９】
信号光１１３による位置決めが完了した後、スイッチ動作の完了報告を行なって次のスイッチ司令を待つ。
【００６０】
このように、最初に制御光（位置誤差信号）に基づいて高速な制御を行なうことにより、スイッチ動作に要する時間の短縮が図れる。更に、それに続いて信号光（受光素子３９２により検出される光量）に基づく位置制御の修正を行なうことにより、光損失が最も少なくなるようにマイクロミラー姿勢を制御することができる。このため、受光素子アレイ２１６と出力光ファイバ１１７との間にわずかな実装ずれがある場合であっても、あるいは制御光に光学的な歪みが生じている場合であっても、最終的にマイクロミラーを最適な姿勢に制御することができる。
【００６１】
第四実施形態
本発明の第四実施形態は、第三実施形態の制御回路３１９に代えて適用可能な別の制御回路に向けられている。本実施形態に従う光スイッチ装置の構成は、制御回路の他は、第三実施形態の光スイッチ装置３００と全く同じである。
【００６２】
第三実施形態では、最終的なマイクロミラー１２１の姿勢制御すなわち信号光ビーム１３１の位置決め制御は受光素子３９２で検出される信号光１３１の光量が最大となるようにしているため、位置決めの精度が向上する反面、制御の速度が犠牲となる。このため、振動や衝撃に対する耐性がやや劣る嫌いがある。本実施形態の制御回路は、この点を改善するためのものである。
【００６３】
本実施形態の制御回路の構成を誤差検出回路と共に図１２に示す。図中、前述の実施形態の部材と同一の参照符号で示される部材は同等の部材であり、ここではその詳しい説明は省略する。
【００６４】
図１２に示されるように、制御回路４１９は、位相補償回路１５３と駆動電圧算出回路１５４とドライバ回路１５５に加えて、コントローラ４５６とメモリ４５７を有している。
【００６５】
まず最初に、コントローラ４５６は、第三実施形態で説明した手法に従って、受光素子３９２で検出される信号光１１３の光量が最大となるようにマイクロミラー姿勢を制御し、メモリ４５７はコントローラ４５６からの指示に従ってその時点で誤差検出回路１１８から出力される誤差信号を記憶する。
【００６６】
その後の実際のマイクロミラーの姿勢制御においては、コントローラ４５６は、制御光２８３に基づいて誤差検出回路１１８で検出される誤差信号がメモリ４５７に記憶されている値と一致するように制御する。
【００６７】
このように、信号光１１３に従ってマイクロミラーが正しく姿勢制御されたときに誤差検出回路１１８から出力される誤差信号の値をメモリ４５７に記憶しておき、その後は、メモリ４５７に記憶された値に誤差検出回路１１８の出力を追従させることによって、受光素子アレイ２１６と出力光ファイバ１１７との間の実装ずれの影響等の初期的なオフセットがキャンセルされると共に、マイクロミラーの姿勢制御を第三実施形態に比べて高速で行なえる。これにより、振動や衝撃に対する耐性、つまり信頼性が向上される。
【００６８】
最初の信号光１１３によるマイクロミラーの姿勢制御すなわち信号光ビーム１１３の位置決め制御と、そのときの誤差検出回路１１８の出力値の記憶は、定期的に行なっても、あるいは光スイッチの組立工程内で行なっておいてもよい。組立工程内で行なう場合は、受光素子３９２の出力を用いるのではなく、出力光ファイバ１１７の出力をモニタしながら、メモリ４５７に記憶させる値を求めてもよい。
【００６９】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００７０】
従って、本発明は以下の各項に記す光スイッチ装置を含んでいる。
【００７１】
１．複数の入力光ファイバと、複数の出力光ファイバと、前記入力光ファイバからの信号光をいずれかの前記出力光ファイバに向けられるように設けられた光走査手段と、前記出力光ファイバの光軸に略垂直な面に配置された複数の受光素子であって、該垂直な面と各出力光ファイバの光軸との交点を通る分割線によって分割されている受光素子からなる受光素子アレイと、前記受光素子アレイのうち前記分割線によって分割された少なくとも２つの受光素子の出力の差を求める誤差検出手段と、前記誤差検出手段の出力に基づいて前記光走査手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする光スイッチ装置。
【００７２】
この構成においては、信号光の位置を複数の受光素子出力の差により検出するため、信号光の位置ずれの方向及び量を検出することができ、高速なミラーの姿勢制御が可能となる。これによって、スイッチ動作の所要時間の短縮と、振動・衝撃等の外乱への追従が可能となり、光スイッチ装置の高速化、信頼性の向上が可能となる。
【００７３】
２．前記分割線が、前記光走査手段が可動に光を走査する方向に対し略直交するよう設けられており、前記誤差検出手段は、前記分割線を挟んで対向する受光素子の出力の差に基づいた値を出力することを特徴とする、第１項に記載の光スイッチ装置。
【００７４】
この構成においては、ミラーによる光の走査方向と直交する方向に設けられた分割線を挟んで対向する受光素子の間の差信号により制御光の位置検出を行うため、位置検出を高感度に高い精度で行うことが可能となる。この結果ミラー姿勢制御の精度が向上し、過剰な光損失を避けることができる。
【００７５】
３．前記受光素子アレイが前記複数の出力光ファイバと一体的に設けられていることを特徴とする、第１項または第２項の光スイッチ装置。
【００７６】
この構成においては、受光素子アレイを出力光ファイバと一体的に設けることにより、受光素子アレイのスペースを小型化することができ、それによって信号光が伝搬する光学空間部分を広くとることができるため、設計の自由度が向上する。また、伝受光素子アレイと出力光ファイバとの位置合わせが容易となり、製造も容易となる。
【００７７】
４．前記受光素子アレイは前記分割線の交差部に貫通孔を有しており、前記出力光ファイバは前記貫通孔により保持されることを特徴とする、第３項に記載の光スイッチ装置。
【００７８】
この構成においては、貫通孔に対して光ファイバの保持を行うため、受光素子と出力光ファイバとの位置合わせを高精度に、しかも非常に容易に行うことが可能となる。
【００７９】
５．制御光を発する制御光光源と、前記制御光を前記信号光に合波する合波手段と、を更に有し、前記受光素子アレイは前記制御光を受光することを特徴とする、第１項〜第４項のいずれかひとつに記載の光スイッチ装置。
【００８０】
この構成においては、信号光と同軸の制御光の位置を受光素子で検出することにより信号光の位置を検出するため、信号光へ影響を与えることなく、信号光の位置検出を安定に行うことが可能となる。
【００８１】
６．前記受光素子アレイでの前記制御光のビーム径が、前記信号光のビーム径、前記分割線の幅のいずれよりも大きいことを特徴とする、第５項に記載の光スイッチ装置。
【００８２】
この構成においては、制御光のビーム径をある程度大きくすることにより、受光素子の分割線すなわち不感帯の影響を受けることなく位置検出を行うことができ、位置検出の精度・信頼性を更に高めることが可能となる。
【００８３】
７．前記合波手段が、前記入力光ファイバに接続されたファイバカプラであることを特徴とする、第５項または第６項に記載の光スイッチ装置。
【００８４】
この構成においては、ファイバカプラを用いて合波を行うことにより、制御光を信号光の軸上へ容易に合波させることが可能となる。また合波を入力光ファイバと出力光ファイバの間の光学空間部分の外部で行えるため、光学空間部分の設計の自由度が向上する。
【００８５】
８．前記出力光ファイバに入射する信号光の強度を検出する信号光強度検出手段を更に有し、前記制御手段が、前記誤差検出手段の出力及び前記信号光強度検出手段の出力に基づいて前記光走査手段を制御することを特徴とする、第５項〜第７項のいずれかひとつに記載の光スイッチ装置。
【００８６】
この構成においては、制御光だけでなく信号光の強度も併用して制御を行うため、受光素子アレイの位置ずれ（実装ずれ）や制御光と信号光の軸ずれ、更には制御光のビームの歪みがあっても信号光が確実に光接続されるように制御を行うことが可能となる。この結果、光スイッチ装置の信頼性が向上されるとともに、組立・調整で要求される精度が緩和される。
【００８７】
９．前記制御手段が、前記誤差検出手段の出力に基づいて前記光走査手段の制御を行う第一のステップと、前記信号光強度検出手段の出力に基づいて前記光走査手段の制御を行う第二のステップと、を含むことを特徴とする第８項に記載の光スイッチ装置。
【００８８】
この構成においては、位置ずれの方向や量がわかる受光素子アレイ出力に基づいてまず粗い制御を行うことにより、短時間でおよその姿勢制御を完了させることができる。その後信号光に基づいて残りの精密な制御を行うため、信号光強度に基づいた複雑な制御を行う期間が短くなり、結果として全体のスイッチ時間を短くすることができ、また光損失を低減することができる。
【００８９】
１０．前記信号強度検出手段の出力あるいは前記出力光ファイバの出力が最大となった際の前記誤差検出手段の出力値を記憶する記憶手段を有し、前記制御手段が、前記誤差検出手段出力が前記記憶手段出力とが一致するように前記光走査手段を制御することを特徴とする、第８項に記載の光スイッチ装置。
【００９０】
受光素子アレイの位置ずれ（実装ずれ）等の初期的なオフセットが補正された、より最適な位置へと信号光の位置制御を行うことができ、また位置誤差信号を用いた高速な制御を常に行えるため、高速なスイッチや信頼性を損なうことなく、組立・調整で要求される精度を緩和することができる。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチ動作を高速で行なえると共に安定した光結合を与える信頼性の高い光スイッチ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の光スイッチ装置を示している。
【図２】図１に示されたマイクロミラーアレイの斜視図である。
【図３】マトリックス状に整列された出力光ファイバとその各々の周りに配置された受光素子とを示している。
【図４】図３に示された一つの出力光ファイバのコア部とその周りに配置された四つの受光素子とを示している。
【図５】図１に示された誤差検出回路と制御回路の細部を示している。
【図６】図５に示された誤差検出回路と制御回路に従う制御フローを示している。
【図７】図１に示された受光素子アレイの受光素子が形成される半導体基板に設けられた貫通孔部による出力光ファイバの保持構造を示している。
【図８】本発明の第二実施形態の光スイッチ装置を示している。
【図９】図８に示された一つの出力光ファイバのコア部とその周りに配置された四つの受光素子とを示している。
【図１０】本発明の第三実施形態の光スイッチ装置を示している。
【図１１】図１０に示された光スイッチ装置のスイッチ動作のための制御フローを示している。
【図１２】本発明の第四実施形態に従う制御回路を誤差検出回路と共に示している。
【符号の説明】
１００　光スイッチ装置
１１１　入力光ファイバ
１１２Ａ　ファイバホルダ
１１２Ｂ　ファイバホルダ
１１４Ａ　レンズアレイ
１１４Ｂ　レンズアレイ
１１５Ａ　マイクロミラーアレイ
１１５Ｂ　マイクロミラーアレイ
１１６　受光素子アレイ
１１７　出力光ファイバ
１１８　誤差検出回路
１１９　制御回路
１２０　光接続切換手段
１２１　マイクロミラー
１３１　受光素子
１５１　Ｉ−Ｖ変換回路
１５２　和・差演算回路
１５３　位相補償回路
１５４　駆動電圧算出回路
１５５　ドライバ回路
１５６　コントローラ
【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】
2004020741.tif 000011
【図１０】
2004020741.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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