(57)【要約】所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（２−１）と、該入力光偏向手段（２−１）からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（２−２）とを有する光スイッチ（２）を制御する際、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタ手段４でモニタし、制御手段（５，６，７）が、その光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（２−１）の偏向状態と該出力光偏向手段（２−２）の偏向状態とを並行して制御する。これにより、光スイッチ（２）の最適制御量が温度ドリフトや経時ドリフトでずれた場合でも、最適制御量の探索時間を大幅に短縮して、光パスの高速切替を実現できる。
2004051359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（２−１）と、該入力光偏向手段（２−１）からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（２−２）とを有する光スイッチ（２）と、
該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段（４）と、
該モニタ手段（４）によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（２−１）の偏向状態と該出力光偏向手段（２−２）の偏向状態とを並行して制御する制御手段（５，６，７）とをそなえたことを特徴とする、光信号交換装置。
【請求項２】
該制御手段が、
該光結合効率と上記の各光偏向手段に対する各偏向制御量との関係を表す制御マップ情報を記憶するメモリ（７）と、
該制御マップ情報により表される上記の各光偏向手段に対する各偏向制御軸を当該偏向制御軸と異なる制御軸にそれぞれ変換する制御軸変換部（５１）と、
該制御軸変換部（５１）により得られた制御軸に沿って該光結合効率が最大となるよう上記の各光偏向手段（２−１，２−２）を並行制御する制御部（５）とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の光信号交換装置。
【請求項３】
該制御軸変換部（５１）が、
該制御マップ情報により表される、同じ光結合効率となる上記の各光偏向手段に対する各偏向制御量の関係が楕円形状である場合に、上記の各偏向制御軸を該楕円形状の長径軸及び短径軸に変換するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の光信号交換装置。
【請求項４】
該制御軸変換部（５１）が、
該長径軸及び該短径軸に関する情報を該制御マップ情報について楕円近似演算を施すことにより求めるように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第３項に記載の光信号交換装置。
【請求項５】
該制御手段（５，６，７）が、
該入力光偏向手段（２−１）の偏向状態と該出力光偏向手段（２−２）の偏向状態とを同じ制御量比率で並行制御するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１〜４項のいずれか１項に記載の光信号交換装置。
【請求項６】
該制御手段（５，６，７）が、
該モニタ手段（４）によってモニタされる該光結合効率の絶対値情報又は変化量情報に応じて、上記の各光偏向手段（２−１，２−２）に対する制御量を可変するように構成されたことを特徴とする、請求の範囲第１〜５項のいずれか１項に記載の光信号交換装置。
【請求項７】
所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（２−１）と、該入力光偏向手段（２−１）からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（２−２）とを有する光スイッチ（２）の制御装置であって、
該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段（４）と、
該モニタ手段（４）によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（２−１）の偏向状態と該出力光偏向手段（２−２）の偏向状態とを並行して制御する制御手段（５，６，７）とをそなえたことを特徴とする、光スイッチの制御装置。
【請求項８】
所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段（２−１）と、該入力光偏向手段（２−１）からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段（２−２）とを有する光スイッチ（２）の制御方法であって、
該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタし、
モニタした光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段（２−１）の偏向状態と該出力光偏向手段（２−２）の偏向状態とを並行して制御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】  本発明は、高速・大容量の波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムにおける光クロスコネクト装置や光アド／ドロップ装置、波長ルータ装置等で用いられる光スイッチの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】  大容量光通信網を構築する有力な手段としてＷＤＭ方式があるが、近年のインターネットの爆発的な普及とともに、そのトラフィックが爆発的に増加している。基幹光ネットワークにおける光クロスコネクト（ＯＸＣ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔ）システムは、光ファイバに障害が発生した場合、即時に予備の光ファイバや別ルートの光ファイバに自動的に迂回してシステムを高速に復旧させることができる他、波長単位での光パスの編集、波長変換可能な特徴を有する。
図５にＯＸＣシステムの一例を模式的に示す。この図５に示すＯＸＣシステムは、複数の光ノード（光信号交換装置）１００がメッシュ状に接続されて構成されており、各光ノード１００は、それぞれ、例えば、プリアンプ１０１，デマルチプレクサ（光分波器）１０２，光スイッチ１０３，マルチプレクサ（光合波器）１０４及びポストアンプ（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１０５等をそなえて構成されている。
ここで、プリアンプ１０１は、入力光伝送路から入力されるＷＤＭ信号を所定のレベルにまで波長一括増幅するものであり、デマルチプレクサ１０２は、このプリアンプ１０１から出力されるＷＤＭ信号を波長（チャンネル）ごとの光信号に分離するものである。なお、これらのプリアンプ１０１及びデマルチプレクサ１０２は、それぞれ、光ノード１００が収容する入力光伝送路ごとに設けられている。
また、光スイッチ１０３は、上記の各デマルチプレクサ１０２から出力される波長ごとの光信号を所定の入力ポートから受けて、任意の出力ポートへ出力することにより、入力光信号の波長単位のクロスコネクトを行なうものである。
さらにマルチプレクサ１０４は、この光スイッチ１０３から出力される、異なる波長の光信号を波長多重してＷＤＭ信号を出力するものであり、ポストアンプ１０５は、マルチプレクサ１０４からのＷＤＭ信号を次光ノードへの伝送にそなえて所定のレベルにまで波長一括増幅するものである。なお、これらのマルチプレクサ１０４及びポストアンプ１０５も、それぞれ、出力光伝送路ごとに設けられている。
このような構成により、光ノード１００では、それぞれ、或る入力伝送路から受信されたＷＤＭ信号が対応するデマルチプレクサ１０２にて波長ごとの光信号（以下、チャンネル信号ともいう）に分離されたのち、光スイッチ１０３にて波長単位のクロスコネクトが行なわれる。したがって、光スイッチ１０３の任意の入力ポートに入力されたチャンネル信号を任意の出力ポート、つまり、任意の出力光伝送路へ出力させることができる。
ＯＸＣシステムとしては、他に、例えば図６に模式的に示すような、光アド／ドロップ（ＯＡＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）リングシステムが知られている。このリングシステムは、基幹ネットワークの下位に位置する県内・都市網でよく用いられ、１波長ごとの光信号を電気信号に変換することなく、そのまま任意に出し入れ（アド・ドロップ）することが可能である。
なお、この図６に示すリングシステムを構成する光ノード１００は、図５により上述した光ノード１００と同様の機能を用いて実現でき、この場合も、例えば、プリアンプ１０１，デマルチプレクサ（光分波器）１０２，光スイッチ１０３，マルチプレクサ（光合波器）１０４及びポストアンプ（ＥＤＦＡ）１０５等がそなえられる。
そして、この場合は、光スイッチ１０３での波長単位のクロスコネクトにより、ＳＯＮＥＴ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ＮＥＴｗｏｒｋ）伝送装置２００や下位（トリビュータリ側）に位置するルータ３００からの光信号を、リングシステム上を伝送するＷＤＭ信号の空き波長にアドしたり、逆に、リングシステム上を伝送するＷＤＭ信号から任意の波長の光信号をＳＯＮＥＴ伝送装置２００やルータ３００にドロップしたりすることが可能になる。
したがって、或る地点でトラフィックが増加した場合に、波長の割り当てをダイナミックに変更することによって帯域を自動的に拡張して転送可能容量を増やすなど、ユーザの利用状況に合わせてネットワーク構成を自動的に変更することが可能である。
ただし、既存の光スイッチ１０３は、光信号を一旦電気信号に変換して信号の伝達先を切り替え、その後、再び光信号に変換するタイプのものが主流である。しかし、データ転送速度が１０Ｇｂ／ｓ（ギガビット毎秒）を超え、また、チャンネル数も増加してくると、光電気変換が前提ではデータ転送速度及び装置規模の縮小化に対応できないので、光信号の速度（ビットレート）に依存しないＯＸＣ／ＯＡＤＭ装置を構成することが望まれている。
現在は、入力ポート数が３２、出力ポート数が３２（３２×３２チャンネル）の光スイッチモジュールが実現されており、このような光スイッチモジュールを多段接続して非閉塞（ノンブロッキング）のスイッチ網（光スイッチ１０３）を構築した例もある。
具体例として、光学的スイッチング素子として可動式のマイクロミラーを用いたものがある。即ち、静電力や電磁力によりマイクロミラーの向きを制御して、光信号の伝播する方向を切り替えるというものである。なお、上記マイクロミラーは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて形成される。そして、光スイッチモジュールは、多数のマイクロミラーを２次元（Ｘ方向及びＹ方向）に配列して構成される。
このようなメカニカルなマイクロミラー光スイッチに対し、可動部のない非メカニカルな光スイッチも提案されている。例えば、電気光学効果を利用したスイッチング素子（光偏向素子）として、特開平９−５７９７号公報（以下、特許文献１という）等で開示されているものがある。図７Ａは本特許文献１による光偏向素子を示す模式的平面図、図７Ｂは図７ＡにおけるＡ矢視図である。
これらの図７Ａ及び図７Ｂに示すように、特許文献１の光偏向素子は、導電性又は半導電性の単結晶基板４０１の上に電気光学効果を有する光導波路４０２が形成され、更にその上に上部電極４０３が形成されている。
また、上部電極（プリズム電極）４０３は、入射光の光軸に対し直交する辺（以下、底辺という）４０３ａと斜めに交差する辺（以下、斜辺という）４０３ｂとを有するくさび（テーパ）形状（直角三角形状）に形成されている。
このように構成された光偏向素子において、光は図７Ａに示すように、上部電極１２の底辺４０３ａ側から光導波路４０２に入射し、上部電極４０３の斜辺４０３ｂ側から出射する。ここで、基板４０１を下部電極とし、上部電極４０３との間に電圧を印加すると、光導波路４０２のうち上部電極４０３の下方部分の屈折率が変化し、周囲との間に屈折率の差が生じる。このため、光導波路４０２を伝播する光は、屈折率が変化する部分で屈折して進行方向が変化する。即ち、上部電極４０３と基板４０１との間に印加する電圧を変化させることで、光の出射方向を制御することができる。
そして、例えば、特開２００２−３１８３９８号公報（以下、特許文献２という）に記載されているように、上記プリズム電極４０３を入射側及び出射側にそれぞれ対向して配置して、電気光学効果光スイッチの小型化を図る提案もなされている。
図８はかかる特許文献２により提案されている光スイッチモジュール（以下、公知例２ともいう）の模式的平面図で、この図８に示す光スイッチモジュールは、入射側光導波路部５０１，コリメート部５０２，入射側光偏向素子部５０３，共通光導波路５０４，出射側光偏向素子部５０５，集光部５０６及び出射側光導波路部５０７をそなえて構成されている。なお、これらの入射側光導波路部５０１，コリメート部５０２，入射側光偏向素子部５０３，共通光導波路５０４，出射側光偏向素子部５０５，集光部５０６及び出射側光導波路部５０７は、基板上に一体的に形成されている。
ここで、入射側光導波路部５０１は、複数本の入力ポートとして機能する光導波路（コア）５０１ａと、これらの光導波路５０１ａを被覆して屈折率の差により光を光導波路５０１ａ内に閉じ込めるクラッド層５０１ｂとにより構成されている。出射側光導波路部５０７も、これと同様に、複数本の出力ポートとして機能する光導波路（コア）５０７ａと、これらの光導波路５０７ａを被覆して屈折率の差により光を光導波路５０７ａ内に閉じ込めて伝播するクラッド層５０７ｂとにより構成されている。
なお、入射側光導波路部５０１の光導波路（入力ポート）５０１ａの数と、出射側光導波路部５０７の光導波路（出力ポート）５０７ａの数は同じ（ｎ）である。つまり、この場合は、ｎ×ｎの光スイッチモジュールとなる。ただし、勿論、光導波路５０１ａの数と光導波路５０７ａの数とは異なっていてもよい。
コリメート部５０２は、入射側光導波路部５０１の各光導波路５０１ａから入射される複数の光信号をそれぞれ個別にコリメートするもので、このために、ｎ個のコリメートレンズ５０２ａにより構成されている。各コリメートレンズ１０２ａは、それぞれ光導波路５０１ａの端部から若干離れた位置に配置されている。これにより、光導波路１０１ａから出射された光は放射状に広がるが、コリメートレンズ１０２ａによって平行光となる。
入射側光偏向素子部５０３は、このコリメート部５０２を通過した各光信号の伝播方向を、電気光学効果（ポッケルス効果）を利用してそれぞれ個別に切り替えるためのもので、ｎ個の光偏向素子５０３ａがそれぞれコリメートレンズ５０２ａからその光軸方向に若干離れた位置に配置されている。各光偏向素子５０３ａは、それぞれ、いずれも１つ又は複数のプリズムペアにより構成され、当該プリズムペアは、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３））などの電気光学効果を有する材料で形成された光導波路〔スラブ（ｓｌａｂ）型導波路〕４０２上に、くさび形状（例えば、三角形状）に形成され、くさび先端方向が逆となるようにスラブ型導波路４０２の光信号領域上に配置された第１及び第２の前記上部電極４０３（４０３ａ，４０３ｂ）及び第１及び第２の前記下部電極４０１（４０１ａ，４０１ｂ）とにより構成されている。
共通光導波路５０４は、入射側光偏向素子部５０３を通過した光を出射側光偏向素子部５０５へ伝播する。この共通光導波路５０４には複数の光信号が同時に通るが、これらの光信号は共通光導波路５０４内を決められた方向に直進するので、他の光信号と干渉することなく伝達される。なお、図９に入射側の光偏向素子部５０３ａと出射側の光偏向素子部５０５ａとの間の光路（光パス）の一例を模式的に示す。
出射側光偏向素子部５０５は、共通光導波路５０４を通過した各光信号の伝播方向を、電気光学効果を利用してそれぞれ個別に切り替えるもので、入射側光偏向素子部５０３と同様に、ｎ個の光偏向素子５０５ａが設けられている。これらの光偏向素子５０５ａは、それぞれ、光偏向素子５０３ａと同様の構造を有し、共通光導波路５０４を通って光偏向素子５０５ａに到達した光を、光導波路５０７ａに平行な方向に偏向する。
集光部５０６は、ｎ個の集光レンズ５０６ａにより構成されており、これらの集光レンズ５０６ａによって、光偏向素子５０５ａを通過した光が集光されて光導波路５０７ａに導かれるようになっている。
このような光スイッチモジュールによれば、各光偏向素子部５０３及び５０５において、第１の上部電極４０３ａと第１の下部電極４０１ａとの間で光の伝播方向を変更し、第２の上部電極４０３ｂと第２の下部電極４０３ｂとの間で光の伝播方向を更に変更するので、光の伝播方向を大きく変えることができるという利点がある。
また、第１及び第２の上部電極４０３ａ，４０３ｂをそれらのくさび先端が相互に逆方向となるように配置し、第１の上部電極４０３ａに第１の下部電極４０１ａを対向させ、第２の上部電極４０３ｂに第２の下部電極４０１ｂを対向させているので、電極の配置密度が高いという利点もある。なお、その他の本光スイッチモジュールの作用効果については、特許文献２に詳細に記載されているので省略する。
しかしながら、本特許文献２に示されるような構成の光スイッチモジュールにおいては、電気光学定数の温度依存性や経時的なドリフト、光結合系の温度依存性等の変動要因があるため、光スイッチモジュール組立後の調査で、最大光結合効率を得られる最適電圧（電極４０１，４０３に印加する電圧）を初期設定値として求めておいても、様々な変動要因により十分な光結合効率を得ることができないことがある。
例えば、上記特許文献２の光スイッチモジュールにおいて、入射側のコリメート部５０２が光入射方向と垂直方向に５０μｍずれた場合、光結合効率は５ｄＢ低下する。また、温度変動時には、コリメート部５０２と共通光導波路５０４との熱膨張係数の差異により上記光学系のずれが生じることが予想される。さらに、本特許文献２の光スイッチモジュールのように電気光学効果を有する材料により作製された光偏向素子５０３ａ，５０５ａにおいては、印加電圧に対する偏向角の特性が経時的又は温度で変化する可能性がある。
以上のことから、特許文献２の光スイッチモジュールにおいては、光出力パワーをモニタし、光出力パワーが変動しないようにフィードバック制御を行なうことが必要になる。ここで、従来例を説明するため、くさび電極による光ビーム偏向角について考える。電気光学効果を有する厚さｄのスラブ導波路の上下にくさび型電極を対向させ電圧Ｖを印加したとき、１次の電気光学効果（ポッケルス効果）による屈折率変化Δｎは次式（１）で与えられる。
2004051359.tif 000003
なお、上記の式（１）において、ｒは電界方向の電気光学定数（ポッケルス定数ＴＥモード）、ｎは異常光に対する屈折率を表す。また、図１０Ａに示すように、くさび電極への入射角をθｉｎ、入力端での偏向角をα、出射角をθｏｕｔとしたとき、θｉｎ，θｏｕｔ，αにおいて、全て近軸光線近似が成り立つとすると、θｉｎとθｏｕｔには以下の式（２）に示す関係が成り立つ。
2004051359.tif 000004
また、プリズムペアの場合（図１０Ｂ）は以下の式（３）で表される。
2004051359.tif 000005
次に、図８に示した光学系に、ガウシアンビームモデルを適用し、入出力ファイバ間光結合効率を算出する。図１１に示すように、光学参照面７００を入出力の中間点とし、横方向をｚ軸、縦方向をｘ軸、紙面垂直方向をｙ軸と定義し、偏向角は近軸光線近似が成り立つ程度に小さいものとする。また、入出力は参照面７００に対し対称であり、入力光と出力光のスポットサイズ及び参照面７００からビームウェストまでの距離は等しいものとする。このとき、ガウシアンビームの光結合効率ηは次式（４），（５）で表される。
2004051359.tif 000006
ここで、λは波長、ｗはビームウェスト幅、ｚは参照面７００からビームウェストまでの距離をそれぞれ表す。また、Δｘは参照面７００における光軸交差位置ズレ、Δθは同じく光軸交差角度ズレをそれぞれ表す。
入射側プリズムペア５０３ａに印加する電圧をＶｉｎ、出射側プリズムペア５０６ａに印加する電圧をＶｏｕｔとすると、ある入力チャンネルｍからある出力チャンネルｎへの光パスが確立されるとき、理想的にはＶｉｎ＝Ｖｏｕｔとなる。即ち、コリメート部５０２を出射し、入射側プリズムペア５０３ａで偏向したビームは、出射側プリズムペア５０６ａによりコリメート部５０２を出射したビームと平行な角度に偏向され、集光部５０６に入射する。これらＶｉｎ，Ｖｏｕｔの値をパス確立時の初期値（パス情報）とする。このパス情報は、メモリを参照することにより与えられる。
上述のように、温度変化や経時変化等の変動要因により、上記初期値が最適な光結合状態からずれることが考えられるが、光パワーが十分検出（モニタ）できる程度になる。この状態になると、Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔのフィードバック制御が行なえるようになる。光結合効率を最大にする制御（最適結合制御）においては、Ｖｉｎ又はＶｏｕｔは、フィードバック制御により検出される光パワーが最大になるところに微量にその値が調整されることになる。
ここで、Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔの変化に対する光結合効率を計算すると、図１２Ａに示すような分布が得られる。図１２Ｂは図１２Ａに示す光結合効率の分布の等高線マップを示す図である。なお、これらの図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて光結合効率は規格化しており、等高線マップはＶｉｎ軸、Ｖｏｕｔ軸に対して、傾いた楕円の分布となる。
このような光結合効率の分布をもつ制御系に対し、従来の制御方式では、Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔを交互に微調整することでフィードバック制御を行なっていた。つまり、従来の制御方式は、上記等高線マップのＶｉｎ軸、Ｖｏｕｔ軸に沿った制御である。この方式によれば、ピーク点探査方向の誤認識ゾーンが発生することになる。その例を図１３に示す。
まず、図１３中のＸ点からピーク点（Ｐ点）に到達するまでのプロセスを考える。Ｖｉｎ軸と平行にＡ−Ａ′断面に沿ってフィードバック制御を開始して、単位ステップ（ΔＶｉｎ）動作後の光出力パワー（光結合効率）と直前のパワーとを比較し、パワーが増加する方向にＶｉｎを変化させる。数ステップ後にパワーがピークＸ′を超えた時点でＶｉｎ軸に平行な制御は一旦終了し、Ｖｏｕｔ軸に沿った制御に移行する。
同様に、Ｖｏｕｔ軸に平行な制御は、単位ステップΔＶｏｕｔのステップで行なわれ、Ｂ−Ｂ′断面のピーク点Ｙで終了する。かかる動作を繰り返し、ピーク点Ｐを探索する。ピーク点ＰはＶｉｎの（＋）軸，（−）軸及びＶｏｕｔの（＋）軸，（−）軸のどの方向に移動してもパワーが減少する点をピーク点と決定し、探索を完了する。
上述したフィードバック制御アルゴリズムを、図１４を用いて説明すると、まず、入出力チャンネル情報をメモリから読み出して（ステップＡ１）、制御対象のプリズムペア５０３ａ，５０５ａを選択し、選択したプリズムペア５０３ａ，５０５ａに対する印加電圧（Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔ）（初期値）を決定し（ステップＡ２）、決定した電圧をプリズムペア５０３ａ，５０５ａに印加する（ステップＡ３）。
ここで、光出力パワーをモニタし受信レベルを検出（Ａ／Ｄコンバータ出力値検出等）し（ステップＡ４）、光出力パワーが検出できない等の異常が無いかを判定し（ステップＡ５）、異常がある場合（ステップＡ５でＮＯの場合）は、上記ステップＡ１からの処理が再び実行される。つまり、以上の処理は、入出力チャンネル情報に基づいて制御対象のプリズムペア５０３ａ，５０５ａに印加すべき初期電圧を決定するフィードフォワード制御を意味する。
一方、モニタした光出力パワーに異常がない場合（ステップＡ５でＹＥＳの場合）は、次のフィードバック制御に移行する。即ち、まず、入射側プリズムペア５０３ａの印加電圧ＶｉｎをΔＶｉｎだけ増加し（ステップＡ６）、そのときの受信レベル（Ａ／Ｄ値）を検出する（ステップＡ７）。Ａ／Ｄ値が増加すれば（ステップＡ８でＹＥＳの場合）、探査方向として正しい方向と判断し、さらにΔＶｉｎだけ増加する（ステップＡ９）。逆に、Ａ／Ｄ値が減少すれば（ステップＡ８でＮＯの場合）、探査方向を誤ったと判断し、ＶｉｎをΔＶｉｎだけ減少させる（ステップＡ１２）。
その後、Ａ／Ｄ値が減少するまで（ステップＡ１１又はＡ１４でＮＯと判定されるまで）Ｖｉｎの増加を繰り返し（ステップＡ１０又はＡ１４、及び、ステップＡ１１又はＡ１４のＹＥＳルート）、Ａ／Ｄ値が減少した時点でこのＶｉｎ軸に沿った制御を停止し、Ｖｏｕｔ軸の制御（出射側プリズムペア５０５ａの印加電圧制御）に移行する（ステップＡ１５）。
Ｖｏｕｔ軸方向の制御も上述したＶｉｎ軸方向の制御と同様に行ない（ステップＡ１６〜Ａ２４）、再度、Ｖｉｎ軸方向の制御に移行する（ステップＡ２５）。以上のループを所定回数（Ｎ回）繰り返す（ステップＡ２６のＮＯルート）ことによりピーク点探査は完了する（ステップＡ２６のＹＥＳルート）。
しかしながら、このような制御方法では、最短制御のコースは図１３中の符号６０２で示す経路であるにもかかわらず、出発点Ｘが誤認識ゾーン６００中にある場合には、探査開始方向が最短コース６０２と正反対になる（経路６０１参照）。したがって、ピーク点Ｐに収束するまでに大きく迂回することになり、フィードバック制御に非常に時間がかかり、光スイッチモジュールでの光パス切替が大幅に遅延してしまう。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、光信号交換装置で用いられる光スイッチの切替制御に要する時間を短縮化して光スイッチの切替制御を高速化することを目的とする。
【発明の開示】
上記の目的を達成するために、本発明の光信号交換装置は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スイッチと、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段と、該モニタ手段によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行して制御する制御手段とをそなえたことを特徴としている。
また、本発明の光スイッチの制御装置は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スイッチの制御装置であって、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタするモニタ手段と、該モニタ手段によってモニタされる該光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行して制御する制御手段とをそなえたことを特徴としている。
さらに、本発明の光スイッチの制御方法は、所定の入力ポートから入力された光信号を任意の方向に偏向しうる入力光偏向手段と、該入力光偏向手段からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポートへ結合する出力光偏向手段とを有する光スイッチの制御方法であって、該出力ポートへの光信号の光結合効率をモニタし、モニタした光結合効率が最大となるように、該入力光偏向手段の偏向状態と該出力光偏向手段の偏向状態とを並行して制御することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の光ノード（光信号交換装置）の構成を示すブロック図である。
図２は本実施形態に係る光結合効率の等高線マップの一例を示す図である。
図３は本実施形態の光スイッチの制御方法を説明するためのフローチャートである。
図４は本実施形態の光スイッチの制御方法を説明すべく光結合効率の等高線マップを示す図である。
図５は従来のＯＸＣシステムの一例を示すブロック図である。
図６は従来のＯＸＣシステム（光アド／ドロップリングシステム）の一例を示すブロック図である。
図７Ａは従来の光偏向素子を示す模式的平面図である。
図７Ｂは図７ＡのＡ矢視図である。
図８は従来の電気光学効果を利用した光スイッチモジュールの構成を示す平面図である。
図９は従来の光スイッチモジュールにおける光パスを示す図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂはいずれも従来の電気光学効果（ポッケルス効果）による光偏向素子の屈折率変化に伴う光パスの変化を説明するための図である。
図１１はガウシアンビームモデルに基づく入出力ファイバ間光結合効率の算出を説明するための図である。
図１２Ａは図８に示す入出力プリズムペアの印加電圧変化に対する光結合効率の分布の一例を示す図である。
図１２Ｂは図１２Ａに示す等高線マップを示す図である。
図１３は従来の光スイッチの制御方法を説明すべく光結合効率の等高線マップを示す図である。
図１４は従来の光スイッチの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】  （Ａ）一実施形態の説明
図１は本発明の光ノード（光信号交換装置）の構成を示すブロック図で、この図１に示す光ノード１も、図５又は図６により前述したＯＸＣシステムに適用されるもので、ここでは、例えば、光スイッチ２，光分岐部３，光検出部４，制御部５，駆動部６及びメモリ７等をそなえて構成されている。
ここで、光スイッチ２は、例えば図８により前述したものと同様の電気光学効果を利用した光スイッチモジュールとして構成され、入力側の光偏向素子部（入力光偏向手段）２−１及び出力側の光偏向素子部（出力光偏向手段）２−２をそなえている。これらの光偏向素子部２−１，２−２は、それぞれ、図８により前述した光偏向素子部５０３，５０５と同様の構成を有しており、入力側の光偏向素子部２−１は、所定の入力ポート（光導波路）５０１ａから入力された光信号を任意の方向に偏向し、出力側の光偏向素子部２−２は、入力側の光偏向素子部２−１からの光信号を任意の方向に偏向して所定の出力ポート（光導波路）５０７ａへ結合できるようになっている。
このため、各光偏向素子部２−１，２−２には、例えば、入力波長数（光チャンネル数）ｎに対応する数の光偏向素子（図示省略）が設けられており、この場合も、当該光偏向素子の上部電極及び下部電極に印加する電圧（Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔ）を可変することで、光偏向素子部５０３，５０５間の光パス切替を行なえるようになっている。
光分岐部３は、光スイッチ２（光偏向素子部２−２）から出射される各光信号（チャンネル信号）を個別に分岐して光出力パワーのモニタ光として光検出部４へ出力しうるもので、このために、例えば、チャンネルごとに光分岐カプラ３１が設けられている。
光検出部（モニタ手段）４は、上記の各光分岐カプラ３１から分岐されてくるモニタ光を受光して、その受光量に応じた電気信号に変換することにより、光スイッチ２の光出力パワー（出力ポート５０７ａへの光結合効率）をチャンネルごとに検出（モニタ）しうるものである。なお、この場合も、前記光出力パワー（受信レベル）は、例えば、上記電気信号をＡ／Ｄ変換したＡ／Ｄ値として得られる。
駆動部６は、制御部５からの指示に従って光偏向部２−１，２−２に電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔを印加してそれぞれの偏向状態を個別に制御しうるものであり、メモリ７は、制御部５によるフィードバック制御に必要な情報を保持するもので、例えばＲＡＭ等が用いられる。
制御部５は、上記光検出部４で得られるチャンネルごとの受信レベルに基づいて、当該チャンネルの受信レベルが最大となる（つまり、図８に示す出力ポート５０７ａへの光信号の結合効率が最大となる）よう、駆動部６に各光偏向部２−１，２−２に対する印加電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔの指示を与えて、光偏向部２−１，２−２の偏向状態をフィードバック制御するものである。この制御部５は、例えば、ＣＰＵ等を用いて実現される。
ただし、上記のＶｉｎ，Ｖｏｕｔの初期値の設定は、この場合も、例えば、外部入力される初期情報（入出力チャンネル情報や初期電圧情報），スイッチ情報（光パス切替情報）等に基づいて、フィードフォワード制御により、制御対象のチャンネルを選択して上記初期電圧情報に基づいて印加電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔが決定される。
そして、上記フィードバック制御時においては、本制御部５は、従来のように入力側の光偏向部２−１に対する印加電圧Ｖｉｎの制御と出力側の光偏向部２−２に対する印加電圧Ｖｏｕｔの制御とを時間的にシーケンシャルに実行するのではなく、並行して行なう、より具体的には、Ｖｉｎ及びＶｏｕｔの制御を同時に行なうようになっている。
即ち、本実施形態においては、図１２Ｂや図１３に示した光結合効率の分布を示す電圧Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔの等高線マップ（以下、電圧マップ又は光結合効率分布マップともいう）上での傾斜した楕円（同じ光結合効率となる上記の各光偏向部２−１，２−２に対する各偏向制御量の関係が楕円形状となっていること）に着目し、この楕円の長径と短径に平行な方向に制御軸を変換する。具体的には、例えば図２に示すように、実際の制御において各光偏向部２−１，２−２に印加するフィードバック制御電圧Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔは、Δθ，Δｘの単位ステップ量をそれぞれΔθｕｎｉｔ，Δｘｕｎｉｔと定めると、次式（６），（７）で表される。
Δθ軸方向制御時の印加電圧
2004051359.tif 000007
Δｘ軸方向制御時の印加電圧
2004051359.tif 000008
なお、ここでは、α，βをそれぞれ与えているが、実際にはΔθ軸とΔｘ軸は直交しているため、α＝βとして構わない。以下、α＝βとして説明を行なう。また、Δθｕｎｉｔ，Δｘｕｎｉｔには次式（８）の関係を適用する。なお、下記の式（８）においてＡは楕円の長径、Ｂは楕円の短径を表す。
2004051359.tif 000009
つまり、本実施形態の制御部５は、上記の電圧Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔの等高線マップ情報（制御マップ情報）により表される各光偏向部２−１，２−２に対する各偏向制御軸を、上記式（８）で表される演算により、当該偏向制御軸と異なる、楕円の長径と短径に平行な方向の制御軸（Δｘ軸，Δθ軸）にそれぞれ変換する制御軸変換部５１としての機能をそなえているのである。
これにより、各光偏向部２−１，２−２に対する電圧制御は、従来のようにＶｉｎ軸，Ｖｏｕｔ軸に沿った方向ではなく、図２に示す楕円の長径軸（Δθ軸），短径軸（Δｘ軸）に沿った方向に行なわれることになる。かかる制御により、図１３により前述した光結合効率のピーク点Ｐの探査方向誤認識ゾーン６００を無くして、ピーク点Ｐへの収束時間を従来よりも大幅に短縮することが可能である。
なお、上記の等高線マップ情報は、事前に理論値あるいは実測値によりチャンネル（光偏向部２−１，２−２間の光パス）毎に求められてそれぞれテーブル形式のデータ等としてメモリ７に格納される。また、上記演算式（８）に必要なデータ（α，β，Ａ，Ｂ等）も事前にメモリ７に格納される。ただし、メモリ７には、これらの情報は格納せずに、事前に上記演算式（８）により求められる値をテーブル形式のデータとして格納しておくことも可能である。
つまり、上述した制御部５，駆動部６及びメモリ７から成る部分は、光検出部４によってモニタされる光結合効率が最大となるように、各光偏向部２−１，２−２の偏向状態を並行して制御する制御手段（光スイッチ２の制御装置）としての機能を果たすのである。
以下、上述のごとく構成された本実施形態の制御部５による光スイッチ２の制御方法について、図３に示すフローチャート（ステップＳ１〜Ｓ２４）及び図４に示す電圧マップを参照しながら詳述する。
まず、制御部５は、メモリ７にアクセスして、入出力チャネル情報を参照し（ステップＳ１）、制御対象チャネルを選択し、選択した制御対象チャネルに対するＶｉｎ，Ｖｏｕｔの初期値を決定し（ステップＳ２）、駆動部６に指示を与えて決定した電圧を各光偏向部２−１，２−２の制御対象チャネルに対応するプリズムペア５０３ａ，５０５ａに印加する（ステップＳ３）。
ここで、光出力パワーをモニタし受信レベルを検出（例えば、光検出部４内のＡ／Ｄコンバータ出力値を検出）し（ステップＳ４）、光出力パワーが検出できない等の異常がないかを判定し（ステップＳ５）、異常がある場合（ステップＳ５でＮＯの場合）は、上記ステップＳ１からの処理が再び実行される。
一方、モニタした光出力パワーに異常がない場合（ステップＳ５でＹＥＳの場合）は、次のフィードバック制御に移行する（この際、図４中に示すように探査開始点は点Ｘに位置しているものとする）。即ち、まず、プリズムペア５０３ａ，５０５ａの印加電圧Ｖｉｎ，ＶｏｕｔをΔｘｕｎｉｔに相当する分だけ増加し（ステップＳ６）、そのときの受信レベル（Ａ／Ｄ値）を検出する（ステップＳ７）。このとき、制御部５は、前記の式（３）の通り、ΔＶｉｎとΔＶｏｕｔとを同時に出力することになる。
その結果、受信レベルのＡ／Ｄ値が増加すれば（ステップＳ８でＹＥＳの場合）、探査方向として正しい方向（図４中の点Ｘ→点Ｘ′の方向）と判断し、さらにΔｘｕｎｉｔだけ増加する（ステップＳ９）。逆に、Ａ／Ｄ値が減少すれば（ステップＳ８でＮＯの場合）、探査方向を誤ったと判断し、ΔｘをΔｘｕｎｉｔ〔あるいは、Δｘｕｎｉｔよりも大きい分（例えば、２Δｘｕｎｉｔ）〕だけ減少させる（ステップＳ１２）。
その後、Ａ／Ｄ値が減少するまで（ステップＳ１１又はＳ１４でＮＯと判定されるまで）Δｘｕｎｉｔの増加を繰り返し（ステップＳ１０又はＳ１３、及び、ステップＳ１１又はＳ１４のＹＥＳルート）、Ａ／Ｄ値が減少した時点（図４に示すＡ−Ａ′断面のピーク点Ｘ′に到達した時点）でこのΔｘ軸に沿った制御を停止し、Δθ軸の制御に移行する（ステップＳ１５）。
即ち、まず、ΔθをΔθｕｎｉｔだけ増加させ（ステップＳ１６）、受信レベルを検出する（ステップＳ１７）。この場合も、制御部５は、前記の式（３）の通り、ΔＶｉｎとΔＶｏｕｔとを同時に出力することになる。その結果、受信レベルのＡ／Ｄ値が増加すれば（ステップＳ１８でＹＥＳであれば）、制御部５は、探査方向として正しい方向と判断し、さらに、Δθｕｎｉｔだけ増加させる（ステップＳ１９）。
反対に、受信レベルのＡ／Ｄ値が減少すれば（ステップＳ１８でＮＯであれば）、制御部５は、探査方向を誤ったと判断し、ΔθをΔθｕｎｉｔ〔あるいは、Δθｕｎｉｔよりも大きい分（例えば、２Δθｕｎｉｔ）〕だけ滅少させる（ステップＳ２２）。
その後、制御部５は、受信レベルのＡ／Ｄ値が減少するまで（ステップＳ２１又はＳ２４でＮＯと判定されるまで）、上記のステップＳ１９〜Ｓ２４を繰り返し、Ａ／Ｄ値が減少した時点で、この制御軸（Δθ）についての制御をストップし、ピーク点Ｐの探索が完了する（ステップＳ２１又はＳ２４のＮＯルート）。
以上のように、本実施形態によれば、光信号交換装置１の光スイッチ２を制御して光偏向部２−１，２−２間の光パスを切り替えるに当たって、前記等高線マップの楕円の長径と短径に平行な軸（Δｘ軸，Δθ軸）に制御軸（ΔＶｉｎ，ΔＶｏｕｔ）を変換し、得られた制御軸（Δｘ軸，Δθ軸）に沿って光偏向部２−１，２−２への印加電圧をフィードバック制御することにより、各光偏向部２−１，２−２の偏向状態を並行して（同時に）フィードバック制御するので、光スイッチ２の最適制御電圧値が温度ドリフトや経時ドリフト等でずれた場合でも、光結合効率のピーク点探索時間を大幅に短縮して、高速な光パス切替を実現できる。
（Ｂ）第１変形例の説明
図２に示す光結合効率分布マップの楕円の傾きαは、ビームウェストがちょうど光学参照面７００（図１１参照）と一致したときに４５度となる。即ち、Δθ軸とΔｘ軸はＶｉｎ軸，Ｖｏｕｔ軸に対し４５度傾く。これは、前記の式（４）において、制御量ΔＶｉｎとΔＶｏｕｔの大きさが同じになることを意味する。したがって、次式（９），（１０）に示すように、Δθ軸方向制御時の印加電圧は、
2004051359.tif 000010
と表すことができ、Δｘ方向制御時の印加電圧は、
2004051359.tif 000011
と表すことができる。
つまり、この場合、制御部５は、入力側の光偏向部２−１の偏向状態と出力側の光偏向部２−２の偏向状態とを同じ制御量比率（１：１）で並行制御するのである。したがって、Δｘ軸，Δθ軸の単位制御量（単位ステップ幅）Δｘｕｎｉｔ，Δθｕｎｉｔを共通化することができ、制御が簡易になるとともに、メモリ７に必要な容量を削減することも可能である。
（Ｃ）第２変形例の説明
上述した例では、フィードバック制御の制御量、即ち、ステップ幅Δｘｕｎｉｔ，Δθｕｎｉｔを一定としているが、可変するようにしてもよい。例えば、探索位置がピーク点Ｐから遠いときにはフィードバック制御のステップ幅を粗くし、ピーク点Ｐに近づくほどステップ幅を細かくするように重み付けすることで、より高速にフィードバック制御を収束させることができる。
ここで、ピーク点からの遠近を判断する情報としては、例えば、Ａ／Ｄ値の絶対値情報やステップごとのＡ／Ｄ値の変化量情報を用いることができる。即ち、ピーク点ＰでのＡ／Ｄ値が予想されるときは、光検出部４で検出されるＡ／Ｄ値の絶対値情報で場合分けして、それに応じてステップ幅の重み付けを行なう。一方、光結合効率のプロファイル形状が予想されているときは、光検出部４で検出されるＡ／Ｄ値の変化量（変化前後の差分値）情報で場合分けして、それに応じてステップ幅の重み付けを行なう。
（Ｄ）第３変形例の説明
制御部５では、上述した光結合効率の等高線マップを基に楕円近似演算を行ない、近似した楕円より、前記の楕円の長径Ａ，短径Ｂ，傾きα，βを求めることができる。これらの値を各光パスについて求め、メモリ７内に収め、光パス切替時にその情報を参照して使用することができる。
ここで、上記楕円近似演算には、例えば、最小自乗法楕円近似演算を適用することができる。一般に、楕円は以下の式（１１）で表され、最小自乗法楕円近似法では、最低５点の座標データで近似できる。
2004051359.tif 000012
ここで、
2004051359.tif 000013
と表され、この２乗和の偏微分が０となるときが誤差最小であるので、
2004051359.tif 000014
から、各係数を求めることができる。このようにして、制御部５は、求めた楕円の係数から楕円の長径Ａ，短径Ｂおよび傾きα，βを求めることができる。つまり、この場合、制御部５は、光結合効率の電圧マップに楕円近似を実施し、楕円の回転角を求め、この結果に基づき、回転角と制御ステップ幅の演算を行なう機能を有しているのである。なお、かかる演算も、光パスごとに行なわれる。
（Ｅ）その他
本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、本発明を、電気光学効果を利用した光スイッチに適用した場合について説明したが、例えば、ＭＥＭＳによるマイクロミラーを用いたメカニカルな光スイッチに適用しても、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、上述した実施形態では、各光偏向部２−１，２−２に対する印加電圧ΔＶｉｎとΔＶｏｕｔとを同時に印加しているが、厳密な時間的同時性は必要ない。少なくとも、ΔＶｉｎとΔＶｏｕｔの両方を調整した上で光検出部４にて得られるＡ／Ｄ値に基づいてフィードバック制御が行なわれればよい。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明によれば、光信号交換装置に用いられる光スイッチの入力側及び出力側の各光偏向部による光信号の偏向が並列に行なわれるようにフィードバック制御することで、光スイッチの最適制御量が温度ドリフトや経時ドリフトでずれた場合でも、最適制御量の探索時間を大幅に短縮して、光パスの高速切替を実現できる。したがって、ＷＤＭシステム等の光通信システムの信頼性等の性能向上に大きく寄与し、その有用性は極めて高いものと考えられる。
【図１】
2004051359.tif 000015
【図２】
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【図３】
2004051359.tif 000017
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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