(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持構造体と、コリメータと、ほぼ光軸に沿って延びるＺ軸に沿って前記コリメータを結合する光ファイバと、前記コリメータを移動させるように作動されたとき撓むアクチュエータと、前記アクチュエータと前記コリメータとの間に配置された第１撓み接続手段とを備え、前記アクチュエータの移動は、前記接続手段を介して前記コリメータに伝達され、第２撓み接続手段をさらに備え、前記コリメータの前記Ｚ方向の移動を拘束し、かつ、前記光軸に直交するほぼＸ及びＹ平面内での揺動を許すように前記コリメータが前記第２撓み接続手段に装着され、前記第２撓み接続手段は前記支持構造体と前記コリメータとの間に配置され、前記第１及び第２撓み接続手段は前記Ｚ軸に沿って離間され、前記アクチュエータが移動したとき前記コリメータの運動が前記アクチュエータの運動に関して逆転される、ビームステアリング装置。
【請求項２】
前記アクチュエータは電極プレートと圧電材料との交互積層のラミネートを組み入れ、前記アクチュエータはほぼＺ方向に延び、Ｘ及びＹ平面断面内で前記アクチュエータは電極プレートの第１及び第２領域と１又はそれを超える別の領域とを有し、前記第１領域は付勢されたとき第１Ｙ方向に偏向し、前記第２領域は付勢されたとき第２Ｙ方向に偏向し、前記別の領域は付勢されたときＸ方向に偏向する、請求項１に記載のビームステアリング装置。
【請求項３】
ビームのステアリングにおいて、前記アクチュエータによってフィードバックで使用するために、前記コリメータの配向を示す信号を与える位置センサをさらに備えた、請求項１又は２に記載のビームステアリング装置。
【請求項４】
前記第２撓み接続手段と共に前記コリメータを前記支持構造体に装着するための装着部を形成する第３撓み接続手段をさらに備えた、請求項１−３のうち任意の一項に記載のビームステアリング装置。
【請求項５】
前記第２及び第３撓み接続手段は前記コリメータの移動を検知するゲージを備えている、請求項４に記載のビームステアリング装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、作動されたとき撓む第１の部分と、前記第１の部分によって達成されるＺ軸からの移動量を増幅するために前記第１の部分からの延長部である第２の部分とを備えている、請求項１−５のうち任意の一項に記載のビームステアリング装置。
【請求項７】
前記第２の部分は、実質的に切頭円錐台形である、請求項６に記載のビームステアリング装置。
【請求項８】
先行する請求項の何れか一項に基づいて、多数のビームステアリング装置を備えた、光スイッチコンポーネント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ビームステアリング装置、及び特に光スイッチに関する。
【０００２】
同時通信システムにおいて、変調された光放射として実質的に通信トラフィックを搬送することが目的である。更に、このような通信システムは、敏捷であること、即ち、システム自体を再構成可能であることが益々必要となっている。
【０００３】
このように、光通信システムは、外部から提供される経路指定情報に従って入力と出力との間で光放射を経路指定できる光スイッチングアセンブリを必要としている。
【０００４】
入力放射を選択された出力ポートへ空間的に向けられるビームへ形成するアセンブリを含む光スイッチングアセンブリのための幾つかの異なる構成が提案されている。入力と出力ポートがより多数である形態における一層のスイッチ能力を提供するの必要なことは、このようなアセンブリのサイズ、複雑性、及び電力消費とコストの上昇を引き起こすことになる。
【０００５】
本発明の種々な態様の目的は、特に、このようなアセンブリでの使用のために改良されたビームステアリング装置を提供することによって、これらの困難の幾つか又は全てを、除去或いは改良することである。
【０００６】
ビームを方向付けるための種々のスキームが提案されている。典型的なスキームは、出力ファイバのアレイ上での入力光ファイバの走査移動、コリメートビームの角度を変化するようにコリメートレンズに対する光ファイバの変位及び選択された角度でビームを反射するためにマイクロミラーの使用を含む。
【０００７】
本発明者らは、多数のポートが所与のスイッチ容量内に収容され得るか否かを決定することで重要なファクタは、ビーム方向に対して直交する方向における個々のビームステアリング装置の空間寸法であることを認識した。便利なスイッチジオメトリーは、ビーム偏向領域によってＺ方向に分離された入力及び出力ポートの対向する２次元アレイを有する。次に、これらのポートが一緒に装備され得る密度は、各ポートのビームステアリング装置のＸとＹ次元によって決定される。残念なことに、多くの従来の技術の構成の特徴は、ポートの数の増加そしてその増加による必要なビーム偏向の範囲の増加によって、各ポートの操作に必要なＸとＹ方向距離の実質的な増加をもたらすことである。
【０００８】
多数の電気通信用途において、スイッチの設置に利用可能な容量に対する定まった制限がある。他の用途では、コンパクトな設計の利点は、使用及び製造での経済性にある。
【０００９】
その態様の一つとして、本発明は、ビームステアリングに対する新規なアプローチでこの問題を解決するように努める。
【００１０】
従って、本発明は、一態様において、支持構造体と、コリメータと、このコリメータをＺ軸に沿って接合する光ファイバと、を備え、前記コリメータが、Ｚ軸に直交する一つ又はそれより多くの軸の回りにのみ揺動移動するように、前記支持構造体に対して束縛され、更に、ビームを操作するように前記コリメータを揺動するためのアクチュエータを備えるビームステアリング装置よりなる。
【００１１】
コリメータがジンバルを介して支持構造体に取付けられることが有利である。
【００１２】
ジンバル取り付けコリメータを揺動することによって、大きなビーム偏向がＸとＹ次元において非常にコンパクトである構成内で達成されることが出来る。
【００１３】
より大きなスイッチで提起される複雑さは、各ビームが意図された目標ポートに到達するのに十分な精度で偏向されることを確保するためにある形態の動的フィードバックが一般的に必要であることである。一つの共通のフィードバック技術では、変調されたビーム自体がサンプリングされてそれが正しい入力ポートと出力ポートとの間を移動していることをチェックする。そのような構成では、データフローと経路指定制御信号フローとの間での漏話とスイッチ内での遷移ロスの増加というリスクがある。このような問題を解決する試みでは、副次ビームをデータ変調ビームに沿って又は回りに位置し、そして各出力ポートに沿って又は回りに位置決めされた検出器でこれらの副次ビームを感知して主ビームの位置に関するフィードバックを提供することが以前より提案されている。これらの副次ビームは性質上光学的なままであるので、主ビームと副次ビームとの間の周波数分離を行うためのフィルタ処理において幾らかの漏話のリスクや遷移ロスのリスクが残ることになる。また、各主ビームに沿う又は周りへの副次ビームの位置決めは、スイッチのＸとＹ寸法を大きく増加する（即ち、任意の所与の容量内に収容され得るスイッチの容積を大きく減少する）ということが認識される。
【００１４】
本発明の幾つかの態様の目的は、これらの困難を解消または減少することである。
【００１５】
従って、他の一つの態様では、本発明は、支持構造体と、コリメータと、このコリメータをＺ軸に沿って結合する光ファイバと、を備え、前記コリメータが前記Ｚ軸に直交するＸ軸回りに少なくとも旋回可能に前記支持構造体に対して移動するように取付けられ、ビームを操作するようにコリメータを移動するためのアクチュエータと、更に、前記ビームの操作においてアクチュエータによってフィードバックで使用されるためにＸ軸回りのコリメータの配向を指示する信号を提供する角度位置センサと、を備えるビームステアリング装置よりなる。
【００１６】
コリメータの角度位置の直接感知によって、ビームの位置に関するフィードバックを行うことの問題に対する独創的な解決策を提供する。光漏話のリスクが無く、且つ高度にコンパクトなＸＹ範囲内でフィットする感知構造が可能である。
【００１７】
角度位置センサは、コリメータと支持構造体に夫々固定された相互作用部分を有する。位置センサのこれらの部分は、電気的及び／又は機械的に相互作用し、相互作用部分の一方が相互作用部分の他方によって感知される電界又は磁界を発生するように働く。
【００１８】
更なる態様では、本発明は、支持構造体と、コリメータと、このコリメータをＺ軸に沿って結合する光ファイバと、を備え、前記コリメータが前記Ｚ軸に直交するＸ軸回りに少なくとも前記支持構造体に対して移動するように取付けられ、更に、ビームを操作するようにコリメータを移動するためのアクチュエータを備え、前記アクチュエータは、前記Ｚ軸に沿って配置された圧電材料の円筒状体のような長尺状トランスジューサを備えるビームステアリング装置よりなる。
【００１９】
ファイバが軸方向穿孔を介してトランスジューサに延出し且つこれらの装置がそのファイバ回りで略対称的であることが好適である。
【００２０】
トランスジューサをＺ軸に沿って延出し且つ装置をファイバ回りに対称的に配置することによって、本発明のこの態様は、更に、ＸＹ寸法を減少し且つビームステアリング装置が配される密度を増加してコンパクトで高容積スイッチを提供するように発展する。
【００２１】
本発明の好適な形態において、アクチュエータは、圧電材料体のような固体トランスジューサよりなる。このトランスジューサは、好ましくは、長尺状であり且つＺ軸方向へ延出し、コリメータから遠い方のトランスジューサの端部が支持構造体に固定され、そしてコリメータに隣接するトランスジューサの端部が、アクチュエータ駆動信号のトランスジューサへの印加によって、Ｘ軸とＹ軸の方向へ移動可能となっている。トランスジューサは、中空で中央ファイバと共軸的であり得る。
【００２２】
トランスジューサが支持構造体と光ファイバとの間で作用し、光ファイバのコリメータへの作用がコリメータを動かすように働くことが好ましい。トランスジューサは、好ましくは光ファイバと共軸の中空シリンダの形態であるレバーを介して作用し、このレバーは、Ｚ軸方向に沿って延出し、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも５：１の機械的利益を提供する。この作動レバーは、例えば、ジンバルを介して、支持構造体へ旋回可能に取り付けられる。本発明の一形態では、アクチュエータは、光ファイバに作用し、光ファイバのコリメータへの作用によって、コリメータを動かす。
【００２３】
更に他の態様では、本発明は、複数のビームステアリング装置よりなる光スイッチコンポーネントであって、各ビームステアリング装置は先行する請求項の何れか一項に記載され、それらのビームステアリング装置は、共通の支持構造体を有し、且つ好ましくは、Ｚ軸を含む平面上に延出しＺ軸に直交するスタッキング軸に沿って比較的近接するが離間された一対の平らで平行なスタッキング表面を有する略プレートの形態である光スイッチコンポーネントよりなる。次に、これらのプレート状コンポーネントは、スタックされて光スイッチアセンブリを形成する。各々が仕上げアセンブリ前にテストされ得る多数の類似のサブアセンブリからスイッチを構成することは、製造プロセスを簡単にし且つ使用後に故障したユニットの迅速で簡単な修理が可能となる。
【００２４】
本発明の一形態は、Ｐ×Ｑ光スイッチであって、Ｐ個の光入力ポートと；各々が上で定義された形態の何れかの形態であり、各々が前記入力ポートの各一つと関連する光ファイバを有するＰ個の同様な入力ビームステアリング装置と；Ｑ個の光出力ポートと；各々が上で定義された形態の何れかの形態であり、各々が前記出力ポートの各一つと関連する光ファイバを有するＱ個の同様な出力ビームステアリング装置と；入力ビームステアリング装置のコリメータの何れか一つと出力ビームステアリング装置のコリメータの何れか一つとの間でビームを搬送する光路と；経路指定入力端子と、この経路指定入力端子で受信された経路指定情報信号に応答して作動信号を選択されたビームステアリング装置のアクチュエータへ供給して任意の選択された入力ポートを任意の選択された出力ポートに光学的に相互接続するように夫々のビームを操作するのに適する経路指定コントローラと；を備えるＰ×Ｑ光スイッチよりなる。
【００２５】
好ましくは、これらのビームステアリング装置は、夫々のビームの少なくとも幾つかは静止状態において中心点に合うように放射形状に配置される。
【００２６】
本発明は、添付図面を参照して、単なる実施の形態を介して記述される。
【００２７】
（発明の実施の形態）
最初に、図１を参照して、そこには、参照番号１０で概略的に指示される光スイッチアセンブリの主要部の概略図が示されている。アセンブリ１０は内部インターフェース３０を介してスイッチングシステム４０に接続される制御システム２０を備える。スイッチングシステム４０は、参照番号４５で示される１０２４個の光入力ポートＰ１乃至Ｐ１０２４と、参照番号５０で示される１０２４個の光出力ポートＱ１乃至Ｑ１０２４を含む。また、制御システム２０は、外部インターフェース６０を介して外部デバイス、例えば、アセンブリ１０を組み込む電気通信システムの管理デバイスへ接続される。
【００２８】
入力と出力ポートＰとＱは、外部デバイス（図示せず）から単一モード光ファイバを受け取るように設計される。
【００２９】
スイッチングシステム４０の構造は、図２を参照して、更に詳細に説明される。
【００３０】
スイッチングシステム４０は、入力ポートＰ１乃至Ｐ１０２４に光学的に接続される入力アレイ１００と、出力ポートＱ１乃至Ｑ１０２４に光学的に接続される出力アレイ１１０と、を備える。入力と出力アレイ１００と１１０は、スイッチングシステム４０内に取付けられ、且つ偏向領域１２０によって空間的に分離されている。これらのアレイ１００、１１０は、それらを正確で安定的な相互アラインメントを維持するハウジング内に剛性的に保持される。単一モード光ファイバは、入力ポートＰ１乃至Ｐ１０２４から入力アレイ１００の対応する入力へ接続される。同様に、単一モード光ファイバは、出力ポートＱ１乃至Ｑ１０２４から出力アレイ１１０の対応する出力へ接続される。
【００３１】
動作上、入力ポートＰで入力される光放射は、それらの関連光ファイバに沿って入力アレイ中の対応する入力ビームステアリング装置（図２には示されていない）へ搬送される。コリメートされたビームは、これらのビームステアリング装置によって操作されて偏向領域１２０に入射される。例えば、システム４０は、入力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ１０２４で光放射を受け取ってその放射を入力アレイ１００へ搬送し、このアレイから対応するコリメート放射ビーム１３０、１３５、１４０及び１４５が夫々出力される。ビーム１３０、１３５、１４０及び１４５が偏向領域１２０を通って伝播して出力アレイ１１０の出力ビームステアリング装置（図２には示さず）で受信される。これらの出力ビームステアリング装置で受信された放射は、対応する出力ポートＱ１乃至Ｑ１０２４へ向けられる。例えば、ビーム１３０、１３５、１４０及び１４５が、出力ポートＱ１、Ｑ１０２４、Ｑ４及びＱ５０と関連する出力アレイ１１０のアクチュエータで夫々受信される。このように、図２のスイッチングシステム４０は、制御システム２０によって入力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ１０２４から出力ポートＱ１０２４、Ｑ４、Ｑ１、Ｑ５０への光接続を夫々確立するように構成された。
【００３２】
前述の入力と出力アクチュエータの操作方向を変更することによって、スイッチングシステム４０を通る他の光路が確立され得る。入力と出力アレイ１００、１１０のアクチュエータの操作方向が外部デバイスから制御システム２０で受信された命令に応答して制御システム２０の制御下で変更されることが出来ることが理解される。
【００３３】
スイッチングシステム４０において、入力と出力アレイ１００、１１０は、１４０から１８０ｍｍのオーダーで離間されている。入力アレイから出力アレイへ、或いはそのシステム４０が逆に動作される場合はその逆に、偏向領域１２０を介して伝播する放射のコリメートされたビームは、直径が４００乃至８００μｍのオーダーである。図２から、スイッチングシステム４０内での光放射経路指定は、双方向であってもよく、そして前述の用語「入力アレイ」と「出力アレイ」は、ハードウエアを記述において明瞭化のためにのみ使用されることを理解すべきである。
【００３４】
スイッチングシステム４０内での光経路指定の確立において、勿論、偏向領域１２０内で伝播するビームは、出力アレイ１１０の受信アパーチャに向かって正確に方向付けられることが肝要である。制御システム２０が偏向領域１２０に伝播する放射ビームを直接にはサンプリングしないことの結果として、アセンブリ１０は、信頼出来る光路を提供するために、安定的にその較正を維持することに効果的に依存している。
【００３５】
光システムは、ビームが偏向領域１２０を横切るので、操作されたビームの追加の方向のために領域１２０に組み込まれることが出来る。図２において、例えば、放射ビーム１５２は、入力ポートＰ１と関連するビームステアリング装置から角度θ１で出現し、且つ角度θ２に対する偏向ビーム１５４を形成するように働く光レバー１５０へ伝播することが示され、その角度θ２は、レバー１５０の光梃子比に対応する比だけ角度θ１よりも大きい。図２において、ビーム１５４は、出力ポートＱ１０２２と関連するアクチュエータに向かって方向付けられているように図示されている。
【００３６】
レバー１５０の組み込みは、入力アレイ１００に関連するアクチュエータが、特定の物理的ジオメトリーに対して、放射を任意の選択された出力ポートＱへ向けることが出来るように、より小さな角度範囲で放射ビームを偏向することが必要である点で有利である。このように、アセンブリ１０で必要なことは、このアセンブリがその中の放射ビームを＋／−５°のオーダーで偏向範囲に亘って０．０１０°のオーダーの非常に高い精度に操作出来るべきである点であり、このことは、軸当り０．０５ｄＢの余分なロスを表す。
【００３７】
入力アレイ１００の構造を図３を参照して記述する。出力アレイ１１０は、入力アレイ１００と実質的に同様に構成されることを理解すべきである。
【００３８】
アレイ１００は、３２個の光スイッチコンポーネント２００．１乃至２００．３２を備え、各コンポーネントは、共通の支持構造体に３２個の同様なビームステアリング装置を備える。これらのコンポーネント２００は、平らで平行なスタッキング表面を有する略平らな「スライス」の形態を取る。入力アレイ１００において、３２個のスライス２００は、参照番号２０５によって指示されるように、２次元（２−Ｄ）アレイの形態にスタックされる。
【００３９】
入力アレイ１００及び同様に出力アレイ１１０をスライスのスタックの形状にを構成することは、それらのスライスの各々が共に組み立てられる前に、個々に構成され且つテストされることが出来る点で有利である。更に、スライスの一つに欠陥がある場合、スタック２０５は、分解されて一つ又はそれより多くの故障のスライスが迅速且つ簡単に交換される。
【００４０】
各スライス２００は、それが３２個の光ファイバのリボン、例えば、リボン２０８、を介して夫々の入力ポートＰへ接続されるように設計されることが好ましい。各リボン２０８は、その後端で関連するスライス２００へ接続されることが好ましい。同様に、各スライス２００は、関連する電気リボンケーブル２１０に沿って搬送される関連する電気接続部を有することが好ましい。リボンケーブルは、スライス２００のスタッキングを助けるために、光ファイバのリボンの方向に対して実質的に直交する方向にスライス２００へ接続されることが好ましい。好ましくは、電気リボンケーブルは、スライス２００をスタックするのを助けるために交番側で繋がるように配置される。
【００４１】
動作において、スライス２００は、それらの夫々の入力ポートＰから光放射を受け取り、そしてその放射を操作されたコリメートビーム、例えば、コリメート放射ビーム２１５、２１８の形態で放射する。
【００４２】
前述より、スライス２００は、入力アレイ１００のみならず出力アレイ１１０においても実質的に同様であることを理解すべきである。これによって、製造とサービスにおいて経済的になされることを可能にする。
【００４３】
各スライス２００の構造と機能及びそれが含むビームステアリング装置を詳細に記述する前に、この実施の形態のキーとなる特徴をより一般的用語に関して議論することが有用である。図４を参照してこの議論を行う。
【００４４】
光ファイバ３８は、コリメータ４０に接合されているように示されている。コリメータ４０は、非常に広範な形態を取ることが出来、且つ当業者によって明白である多くの異なる方法でファイバへ接合され得る。実際に、コリメータが一体化された光ファイバは、市場から購入可能である。コリメータは、ファイバ自体の端部をレンズに整形することによって形成されてもよい。
【００４５】
一体のファイバとコリメータの組合せの非常に重要な利点は、ファイバとコリメータが分離された構成、特にファイバとコリメータとの相対変位にビームのステアリングが依存するそれらの構成に比較して、光ロスが大きく減少される。
【００４６】
図４に示されるキーとなる特徴は、ジンバル４２中へのコリメータ４０の取り付けである。このジンバルの取付け（図面には概略的に表されている）によってコリメータのビーム形成軸である、Ｚ軸に対して直交するＸとＹ軸回りにコリメータの揺動移動が可能とされる。コリメータの並進運動が効果的に束縛される。
【００４７】
図５に示されるようにジンバルタイプのマウント４２にコリメータ４０を取り付けてコリメータ４０をその中心点の回りに旋回できることによって、及び光ファイバの端部でコリメータの角度的揺動を介してビームを操作することによって、重要な利点が確保出来る。各ファイバの回りの作動容量は、ファイバの端部を並進的に移動する従来の装置に比較して、大きく減少される。達成可能な物理的なビームの偏向は、ファイバに対してコリメータを移動する従来の技術を介して達成可能なものに十分に匹敵する。しかしながら、ファイバとコリメータが分離された装置に固有の光ロスは、本発明のこの態様では回避される。
【００４８】
ここで、スライス２００の記述に返って、スライス２００．１をより詳細に示す図５を参照する。このスライスは、例えば、参照番号３０５で指示される、３２個のビームステアリング装置の平行アレイのための支持構造体を提供するハウジング３００を備える。このビームステアリング装置３０５は、Ｚ軸回りに延出する長尺状のアクチュエータ３１０を備える。アクチュエータ３１０は、その第１の端部でハウジング３００中に剛に取り付けられ、そしてその第２の端部でハウジングに対して自由に移動出来る。切頭円錐台レバー３２０は、アクチュエータの第２の端部から剛性的に延出する。アクチュエータ部材３１０は、電極層が散在された圧電材料の層のスタックを備えるラミネートである。圧電材料層は、電極層への適切な作動信号の印加によって、アクチュエータ３１０を図５に示されるＸ方向とＹ方向へ屈曲するように分極されるＰＺＴセラミックを備えることが好ましい。電極層は、より高いファイアリング温度を可能とする銀、アルミニウム、又は理想的には白金製であるが、他の材料も勿論可能である。或いは、電極を介して圧電層（図１に示される制御システム２０を介する）へ印加される適切なバイアス電位（典型的には、＋／−４５ボルト）が必要な電界を生成するのに十分であるように、電極層は、平行に交互に接続される。この様な圧電ラミネートの設計は、種々の他の分野から周知である。
【００４９】
実質的に拘束されていないアクチュエータ部材３１０の第２の端部は、撓まされると、自由に動く。アクチュエータ３１０は、矩形断面を有することが好ましく、且つ２０ｍｍ乃至４０ｍｍ、好ましくは、２５ｍｍ乃至３０ｍｍの範囲の長さを有し、更に、１．８ｍｍのオーダーのサイド幅を有する。アクチュエータ３１０は、実質的に正方形の断面であることがより好ましい。アクチュエータ３１０は、光ファイバ３１５を収容するための軸方向穿孔を有する。
【００５０】
また、アクチュエータレバー３２０もまた、光ファイバを収容するように中空である。アクチュエータレバー３２０の中空テーパー形状、それが造られる材料（例えば、カーボンファイバ）、及び材料の厚みは、それらの撓みモード共振周波数、即ち、一次固有モード周波数、を出来る限り高くするために、高剛性を有し且つ低質量であるように選択される。アクチュエータレバー３２０は、２５ｍｍ乃至７５ｍｍの範囲の長さであることが好ましいが、実質的に６０ｍｍの長さであることがより好ましい。
【００５１】
スライス２００の各ビームステアリング装置は、アクチュエータの光ポートを関連するコリメータに連結するために関連する光ファイバを備える。例えば、アクチュエータ３０５は、第１の端部でアクチュエータ３０５に関連する光ポートＰｎ（ここで、ｎは整数である）に接続され、且つ第２の端部でコリメータ３４０に接続される光ファイバ３１５を担持する。光ファイバ３１５は、アクチュエータ部材３１０の軸方向穿孔に沿って且つアクチュエータレバー３２０の中空中央領域を介して経路指定される。ファイバ３１５は、チューブ状のコリメータ３４０の第１の端部で最終的に終端する前に実質的に２ｍｍのオーダーでアクチュエータレバー３２０を越えて露出領域３５０に延出する。光ファイバ３１５は、好ましくは、溶融溶接によってコリメータ３４０に取り付けられる。この溶融溶接の代わりとして、実質的に光透過性紫外線（ＵＶ）放射硬化性接着材が光ファイバ３１５とコリメータ３４０を接合するために使用されることが出来る。
【００５２】
光ファイバ３１５は、アクリル主コーティングを含む外径が実質的に２５０μｍの単一モード光ファイバ（例えば、Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＳＭＦ−２８）であることが好ましい。（１０μｍコア、１２５μｍ径ガラス被覆）或いは、１６０μｍの外径を与える、より薄いポリアミドコーティング（Ｌｕｃｅｎｔ社）が使用出来、ファイバの剛性が温度にあまり依存しない利点があり、且つこの方法が採用される場合、アクチュエータの孔をより小さくすることが必要である。より好適には、ダイアモンド被覆ファイバ（３Ｍ社）１２７μｍのＯＤと非常に安定した機械的特性を有する。従って、光ファイバの単一の無中断長がアクチュエータ３０５と関連する光ポートＰｎをアクチュエータ３０５のコリメータ３４０にリンクし、このような無中断長の使用は、光挿入ロスを最小にするのに重要である。
【００５３】
スライス２００のアクチュエータに関連するコリメータは、線形アレイ３６０に配置され、各コリメータは、図４に広く示される形態を取ると、関連するジンバル３６５によってハウジング３００に支持される。このように、これらのコリメータは、ジンバルによって拘束されて出現するビームを操作するように直交軸ＸとＹに旋回し、ジンバルは、実質的にコリメータの横方向への並進を防止し且つベース（３００）とアクチュエータ／レバーアセンブリ（３１０／３２０）との間の熱的長さ変化を許容するのに必要なその小さなＺ移動とより大きな偏向角度でのアクチュエータレバーコリメータリンケージの２次短縮のみを許容する。
【００５４】
動作において、ＰＺＴアクチュエータ３１０の撓みによって、その自由端、従って、アクチュエータレバー３２０がＸＹ平面で移動される。レバーの機械的利点によって増幅されたこの移動は、レバーの狭端とコリメータとの間で露出されたファイバの短い領域３５０を介してコリメータへ連絡される。このように、コリメータは、ＸとＹ旋回軸回りに正確で要求される角度範囲へ揺動される。
【００５５】
ビームステアリングプロセスにおいて、アクチュエータがファイバに働き、ファイバがコリメータに働くことに留意すべきである。このアプローチは、多くの利点がある。第１に、ファイバとコリメータのＺ軸回りに両者が共軸であり円筒状であるアクチュエータとアクチュエータレバーの軸方向シンメトリを保持することである。このシンメトリによって、ビームの２Ｄアレイにとって最も空間的に効率的な方法で必要な構造が分配される。また、シンメトリは、高周波において励起される高密度に詰め込まれた機械的部品で面倒な共振と高調波を除去するのに非常に有用である。ファイバをコリメータとの「駆動接続」として使用することの更なる利点は、コリメータの臨海的ダイナミック動作への全ての影響が、特別の目的で設計されたジンバルとファイバ自体を除いて、除去されることである。
【００５６】
コリメータ３４０が軸から逸れた方向へ操作される時に、露出された領域３５０におけるファイバ３１５が曲げられることを理解すべきである。
【００５７】
スライス２００．１の動作を概説する。
【００５８】
外部デバイス（図示せず）からの入力光放射は、種々の入力ポート（Ｐｎのような）で受信され、対応するコリメータ３４０へ関連するファイバに沿ってガイドされ、このコリメータから実質的にコリメートされたビームの放射３７０が出力される。制御システム２０からの作動信号は、アクチュエータ３１０へ印加されてそれを撓ませ、アクチュエータレバー３２０は、少なくとも２：１、好ましくは、少なくとも５：１のこのような撓みの機械的拡大を提供する。この撓みによって、露出領域３５０のファイバ３１５が曲げられ、それによって、コリメータ３４０がそのジンバル３６５内で傾けられる。このように、アクチュエータ部材３１０とその関連する離間部材３２０を撓ませることによって、ビーム３７０の操作方向における対応する変化が提供される。
【００５９】
後述されるように、各スライス２００の部品は、シリコン微細機械加工されたコンポーネントの形態で実施されることが出来、このようなコンポーネントは、ＭＥＭのコンポーネントとして本発明の技術分野で参照される。例えば、アクチュエータレバー３２０は、カーボンファイバ材料から製造されるとして上記では記述されているが、別法として、微細機械加工されたシリコンや微細機械加工されたダイヤモンドから製造されてもよい。単一の結晶シリコンは略完全な弾性を示し且つ中に粒子境界が無いので加工硬化を受けにくい高強度で軽量の材料である。アクチュエータレバー３２０の微細製造については、後述する。
【００６０】
同様に、アレイ３６０のジンバルは、例えば、窒化シリコンやダイヤモンド基板から、シリコン系材料システムで同様に微細製作され得る。ジンバル３６５の微細製作については、後述する。
【００６１】
スライス２００のアクチュエータ３１０は個々のアイテムとして製造され且つスライス２００に組み付けられる。或いは、スライス２００のアクチュエータ部材は、単一のくし状アセンブリとして製造され得る。
【００６２】
図６を参照すると、スライス２００の変更バージョンが示され、そこでは、コンポーネント部品が、プライム符号が付されているが、図５におけるのと同じ参照番号を取っている。変更スライス３００’において、アクチュエータ３１０’は、互いに対して平行ではなく、放射アレイに配置されている。図７に概略的に示されているように、入力アレイの各スライス２００’のアクチュエータの長手軸は、実質的に出力アレイ１１０’中の対向スライス２００’の中央アクチュエータの方向に向けられる。
【００６３】
この変更例では、コリメータは、対向アレイの中央ファイバで非偏向放射に向けて動作する。このような構成は、偏向領域１２０’において光学系からの更なる偏向の必要性を最小にする。この変更された構造の更なる利点は、コリメータのより小さな範囲での角度移動で、任意の可能な入力から任意の可能な出力へのビームを操作するに足ることである。
【００６４】
変更スライス２００’において、アクチュエータは、単一のくし構造でさえ製造されることが出来るが、複数の角度付けされたのこぎりカットがアクチュエータの放射方向アレイを画定するために必要である。
【００６５】
各コリメータ３４０（又は３４０’）を支持するジンバルの好適な形態を特に図８を参照して説明する。
【００６６】
図８において、中央領域に関連するジンバル５５０が取付けられたコリメータ３４０を示す。このコリメータ３４０は、実質的に円筒形状（又は、端部が研磨された屈折レンズを有する平面ガラス）の勾配屈折率光部品であり、動作上、放射のコリメートビームが出現する第１の端部と、（例えば、米国、アルバカークのＬｉｇｈｔｐａｔｈ  Ｉｎｃによって供給される）ファイバ３１５が溶融溶接された第２の端部を有する。もし必要ならば、歪み取りが溶融溶接で提供され得る。このような歪み取りは、コリメータ３４０の第２の端部とファイバ３１５とに塗布される接着剤、例えば、米国のＮｏｒｌａｎｄ  Ｉｎｃ．から購入され得るＵＶ硬化性の実質的に透明な光グレード接着剤のメニスカスよりなり、或いは、コリメータ３４０の第２の端部は、部分的に凹にされてファイバ３１５に対してより機械的な支持を提供することが出来る。
【００６７】
ジンバル５５０は、写真製版と金属メッキ技術を使用して形成される平らで金属構造体である。好ましくは、ジンバル５５０は、ニッケルから製作される。ジンバルは、コリメータ３４０を受領するための中央の丸い穴を有する中央の実質的に矩形形状のプレーナ領域５６０を備える。領域５６０の一縁で、二つの耳部５６２ａ、５６２ｂが対向する角部から突出し、これらの耳部５６２ａ、５６２ｂは、中央領域５６０と実質的に同じ平面にある。中央領域５６０と耳部５６２ａ、５６２ｂは、名目上、６０μｍから１４０μｍの範囲の厚みであるが、それらは、好ましくは、実質的に１００μｍの厚みである。耳部５６２ａ、５６２ｂへは、図示されているように、夫々第１と第２の撓み部材５７０ａ、５７０ｂが取り付けられている。これらの撓み部材５７０ａ、５７０ｂは、好ましくは、１０μｍから３０μｍの範囲の厚みであり、より好ましくは、実質的に２０μｍの厚みであり、且つ８０μｍから３００μｍの範囲の幅であり、より好ましくは、実質的に２００μｍの幅である。第１と第２の撓み部材５７０ａ、５７０ｂは、各々実質的に１．５ｍｍの長さのオーダーである。更に、撓み部材５７０ａ、５７０ｂは、好ましくは、平行であり且つ中央領域５６０の平面内にある。耳部５６２ａ、５６２ｂから遠くの撓み部材５７０ａ、５７０ｂの端部は、部材５７０、耳部５６２及び中央領域５６０を収容する中空の矩形フレーム５８０へ接続される。フレーム５８０は、中央領域５６０と名目上同じ平面にある。フレーム５８０は、好ましくは、６０μｍから１４０μｍの範囲の厚みであり、より好ましくは、１００μｍの厚みであり、且つそのフレーム縁の幅は、名目上、１００μｍから３００μｍの幅であり、より好ましくは、実質的に２００μｍの幅である。フレーム５８０の周縁では、フレーム５８０の周縁が中央領域５６０の前述の周縁に対して名目上直交し、縁の対向角部には二つの耳部５８２ａ、５８２ｂが設けられている。耳部５８２ａ、５８２ｂは、名目上、中央領域５６０と同じ平面にある。耳部５８２ａ、５８２ｂからは、第３と第４の撓み部材５９０ａ、５９０ｂが延出しており、これらの撓み部材は、耳部５８ａ、５８２ｂから遠くの端部で機械的に研磨された平面領域６００へ夫々接続される。研磨平面領域６００と撓み部材５９０ａ、５９０ｂは、名目上、中央領域５６０と同じ平面にある。第３と第４の撓み部材５９０ａ、５９０ｂは、第１と第２の撓み部材５７０ａ、５７０ｂの長手軸に直交する関連する長手軸を有する。撓み部材５９０ａ、５９０ｂは、部材５７０ａと５７０ｂと同じであることが好ましい。
【００６８】
撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂは、それらの幅より薄く、従って、コリメータ３４０がファイバ３１５の並進によって操作された時に、機械的研磨平面６００に対して中央領域５６０の横方向並進に実質的に抵抗する。撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂは、図８に示されているように、Ｚ軸方向へ容易に曲がる。第１と第２の撓み部材５７０ａ、５７０ｂは、Ｚ方向に撓んでコリメータ３４０がＸ方向へ回転することを可能とする。第３と第４の撓み部材５９０ａ、５９０ｂは、図示されているように、Ｚ方向へ撓んでコリメータ３４０がＹ方向へ回転することを可能とする。撓み部材の中央は、理想的には、コリメータの中央を通るＸとＹ軸上にある。
【００６９】
ジンバル５５０は、金属又は金属合金から製作されると記述されているが、幾つかの用途においては、金属に比較して、より優れた機械的特性と安定性を有するシリコンのような単結晶材料や窒化シリコンから微細機械加工されることがより好ましい。このように向上された安定性は、単結晶シリコン及び窒化シリコンにおいて粒子境界が実質的に存在しないために発生する。他の材料、例えば、シリコンカーバイドや単結晶ダイヤモンドでさえも、ジンバル５５０を製作するために使用されることが出来る。ジンバル５５０の製造バージョンを後で詳細に記述する。
【００７０】
スイッチングシステム４０内のコリメート放射ビームが、高い精度で、典型的には、コンパクトな１０２４×１０２４の光スイッチにおいて０．０１°のポインティング精度のオーダーで操作されなければならないことを理解すべきである。更に、この精度は、典型的には、相当な時間期間に亘って且つ全てがスイッチの容器や取り付けによって排除されるわけではない複数の顕著な環境的変化に対して維持されることが要求される。
【００７１】
本発明の種々の態様に従う、固体トランスジューサ、ファイバ回りに放射状に対称的であるアクチュエータ装置、揺動コリメータ及び曲げや撓みを介して動作するジンバルの全ての使用は、精度、安定性及びドリフトに対する抵抗の実質的な向上に寄与する。入力アレイの特定のコリメータを出力アレイの特定のコリメータに位置合わせするために必要な作動信号の周期的再較正は、有用である。しかしながら、最も必要とされる用途では、依然としてビームステアリングプロセスにおいてある形態のダイナミックフィードバックが必要なまま残る。
【００７２】
コリメートビーム方向の最も信頼出来る指示は、例えば、コリメータ３４０のハウジング３００に対する角度配向をモニターすることによるコリメータの角度配向である。このことは、ビーム自体のサンプリングを必要としない点及び位置フィードバックのために主ビームの配向を追跡する副次ビームを必要としない点の重要な利点がある。これらの従来の技術のアプローチは、高い精度が可能であるが、光路に複雑さと空間消費設計の特徴が含まれない場合、主ビームの減衰や汚染のリスクを保持したままである。
【００７３】
このように、スイッチングシステム４０内でコリメートビームのステアリング精度を改良するために、本発明の実施の形態は、コリメータの瞬時の角度位置から情報を取るフィードバックループを利用して望ましいビーム偏向を行うために必要な作動信号を導出する。コリメータの角度配向は、種々のタイプのセンサを使用して感知されることが出来る。容量性感知は、以下の感知特徴があるので特に好ましい。
（ａ）寸法安定性が維持され且つ励起信号が振幅と周波数において一定に維持されるとすれば、温度に対して実質的に不変であること、および
（ｂ）電気的相互接続を単純化するために多重化できること。
【００７４】
図８に示されるように、コリメータ３４０の角度位置を決定するための容量性センサとそれに関連する感知回路を図１０と１１を参照してここで説明する。図９において、コリメータ３４０とそれに関連するジンバル５５０、このコリメータ３４０の軸方向一端の回りに対称的に実質的に等間隔に離間されて位置決めされた、「ａ１」、「ｂ１」、「ｃ１」、「ｄ１」で表される４個の容量性プレートと、更に、このコリメータの軸方向他端の回りに対称的に実質的に等間隔に離間されて位置決めされた、「ａ２」、「ｂ２」、「ｃ２」、「ｄ２」で表される４個の容量性プレートとが示される。
【００７５】
２セット「１」と「２」の容量性プレートは、同一であり、一方のみが以下で記述される。
【００７６】
プレート「ａ１」と「ｂ１」平行であり、図示されているように、コリメータ３４０は、それらの間に実質的に等距離離間されて位置決めされている。同様に、プレート「ｃ１」と「ｄ１」は、平行であり、コリメータ３４０は、それらの間に実質的に等距離離間されて位置決めされている。プレート「ｃ１」と「ｄ１」は、プレート「ａ１」と「ｂ１」に対して直交して取り付けられている。プレート「ａ１」と「ｂ１」は、図９に示されているように、コリメータ３４０の対応端のＸ方向への移動を感知するように配置されている。プレート「ｃ１」と「ｄ１」は、図示されているように、コリメータ３４０の端部のｙ方向への移動を感知するように配置される。
【００７７】
両セット「１」と「２」の容量性プレートを使用することによって、コリメータの両端のＸＹ位置、従って、コリメータのＸとＹの両軸に対する角度を決定出来る。位置決定は、ジンバルの一体性についてチェックをすることによって両端に対して独立して、又は電極セット１と２（即ち、ｃ２対ｄ１、ｄ２対ｃ１、ｂ２対ａ１及びａ２対ｂ１）を相互接続することによってより簡単に行われ得る。代替の装置において、コリメータをＸとＹ軸周りの厳格な回転に束縛することは、ジンバルに依存しており、ＸとＹの両軸に対するコリメータの角度は、コリメータの一端のみのＸＹ位置の決定から推定される。
【００７８】
コリメータ３４０と容量性プレートの各々との間の容量Ｃは、式１から近似的に計算されることが出来る。
Ｃ＝ε0εrＡeff／ｄ                式１
ここで、
ε0＝自由空間の絶対誘電率（８．８５４×１０-12Ｆ／ｍ）；
εr＝プレートとコリメータ３４０との間の相対誘電率（即ち、空気又はドライ窒素、εr＝１．００）；
Ａeff＝存在する有効インターフェース領域（コリメータ３４０に向かうプレート表面の領域の半分に略等しい）；及び
ｄ＝プレートとコリメータ３４０との間のギャップ距離
【００７９】
一実施の形態において、プレート「ａ１」と「ｂ１」は、電荷増幅器を介して対応出力信号Ｖｘを提供する第１の差動増幅器（図示せず）の非反転及び反転入力へ接続される。同様に、プレート「ｃ１」と「ｄ１」は、電荷増幅器を介して対応出力信号ＶＹを提供する第２の差動増幅器の非反転及び反転入力へ接続される。
【００８０】
コリメータ３４０は、電極被覆を備える。これは、コリメータ構造体の金属クラッデリング形成部品であっても良いし、専用の電極構成であってもよい。接続部６１０は、ジンバル５５０を介してコリメータ電極に造られることが便利であり、一実施の形態において、コリメータは、振幅ＶＥを有する正弦励磁によって励磁される。このように、信号ＶＸとＶＹは、式２と式３から決定されることが出来る。
ＶX＝(ＶEε0εrＡeff／Ｃf)［(ｄa−ｄb)／(ｄaｄb)］        式２
ＶY＝(ＶEε0εrＡeff／Ｃf)［(ｄc−ｄd)／(ｄcｄd)］        式３
ここで、
ｄa＝コリメータ３４０からプレート「ａ１」までの距離；
ｄb＝コリメータ３４０からプレート「ｂ１」までの距離；
ｄc＝コリメータ３４０からプレート「ｃ１」までの距離；及び
ｄd＝コリメータ３４０からプレート「ｄ１」までの距離：
【００８１】
励磁信号は、実質的に正弦波信号であり、例えば、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数、より好ましくは、実質的に５０ｋＨｚの周波数を有する正弦波信号である。また、出力信号ＶＸ、ＶＹは、励磁信号と類似する周波数の正弦波信号である。
【００８２】
式２と３を観察すると、ＶＸとＶＹは、コリメータ３４０がプレート「ａ１」、「ｂ１」、「ｃ１」、「ｄ１」から等距離離間されて位置決めされる時、実質的に０振幅の信号である。
【００８３】
中央位置から逸れたコリメータ３４０の小さな偏向に対して、式２と３は、コリメータ３４０の位置の略線形感知が達成可能であることを示す。大きな偏向に対しては、センサは、非線形になるが、測定された電圧が連結された位置へなおマッピングするので、全体として使用可能である。
【００８４】
動作において、制御システム２０は、外部デバイスから経路指定命令を受信し、接続されるべき光ポートをコリメータのステアリング角度に関連付ける、従って、接続されるべきポートと関連するアセンブリ１０のアクチュエータの各々に対してＶｘとＶＹの望ましい値に関連付ける格納された較正ルックアップテーブルを参照する。制御システム２０は、アクチュエータに対するＶｘとＶＹの望ましい値が達成されるまで、そのアクチュエータ部材３１０を作動するように進む。この相互作用プロセスは、較正プロセスにおいて各望ましいコリメータ角度と関連する予備ＸとＹ作動信号から開始する。
【００８５】
図９に示される容量性プレートに一セット又は両セットを再び使用する他の好適な感知方法を図１０を参照して記述する。
【００８６】
この構成において、プレートａ、ｂ、ｃ及びｄが励起され、測定信号を端子６１０を介してコリメータ電極から取る。単一セットの電極又はジンバルの各側の二つの相互接続されたセットの電極が、上述のように、使用されることが出来る。図１０に示されているように、四つの矩形波プレート励起信号が発生される。信号ＩとＱは、直角位相にあり、それらの夫々の逆形状が利用可能である。これらの信号は、直接ではなく、一団のスイッチ装置６２０と一セットのＤタイプフリップフロップ６３０を介してプレートへ印加される。スイッチ装置は、二つの状態を有し、第１の状態では、四つの異なる駆動信号が夫々のフリップフロップのＤ入力へ接続され、第２の較正状態では、単一の駆動信号Ｉが全ての４個のフリップフロップへ接続される。フリップフロップによって実行される再クロック動作は、好ましくは、１０−４ラジアン内に対して、ＩとＱ信号の間の位相精度を増加するように働く。フリップフロップは、４ｆでクロックされる。ここでｆは励起周波数である。
【００８７】
コリメータ信号は、端子６１０と単純な増幅段６３０を介して精密（好ましくは、１２ビット）ＡＤＣへ取り出される。ディジタル出力が解析のためにディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）へ取り出される。ＡＤＣとフィリップフロップが同じグランドと電圧基準レールから動作することがこの回路の重要な特徴である。また、フリップフロップ出力が非常に低いインピーダンスでありレールからレールへ駆動されることが重要である。
【００８８】
ＤＳＰは、信号を発生し、実成分と虚成分は、ＸとＹ位置に夫々一致する。
Ｓ＝平均［(１−３)＋ｉ(２−４)］        式４
ここで、１、２、３及び４は、連続する時間サンプルを表し、平均は、任意の適切な時間間隔に対して取られる。
【００８９】
この信号は、スイッチ装置６２０の「測定」と「較正」の両状態の間に発生され、値が比較されて位置の値を与える。
位置＝Ｓmeasurement／Ｓcalibration          式５
【００９０】
この技術は、増幅器感度のばらつき、誘電動作における変化及び電圧ドリフトに対する優れた安定性を提供する。
【００９１】
自己検査及び較正機構は、上述のものと同一の感知装置を有すると共にハウジング内に事前定義された角度配向で剛性で固定されている追加の「ダミー」コリメータを備えることが出来る。
【００９２】
変更されたジンバル構造を記述する。
【００９３】
図１１は、微細機械加工技術（ＭＥＭｓ）を使用して製作されたジンバル５５０の線形アレイを示し、このアレイは参照番号９００によって概略的に示される。ジンバル５５０の撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂが実質的に窒化シリコンから製作され、それらの接続される領域は、窒化シリコンとシリコンバルク層の組合せから製作される。アレイ９００のジンバル５５０は、図８に示されるジンバル５５０の実質的に同じ寸法のものであることが好ましい。中央領域５６０は、エピタキシャル成長によって形成される平凸レンズ９１０を含み、アレイ９００に集積されるコリメータを形成する。或いは、図１１の中央領域５６０は、先に述べられたコリメータの円筒形状を収容するために、レンズ９１０の代わりに、微細機械加工された丸穴を含んでも良い。
【００９４】
アレイ９００の製作は、以下のステップを含む。
（ａ）シリコンウエハ基板を提供すること；
（ｂ）窒化シリコンの層を基板に気相付着によって成長や堆積すること；
（ｃ）撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂが形成されるべき場所近傍でシリコン基板を選択的にエッチング除去すること；および
（ｄ）ボイド領域を描画してフレーム５８０、撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂ及びジンバル５５０の中央領域５６０を画定して除く、このような描画は、異方性エッチングを向上する磁気的に含まれるプラズマを使用する反応性イオンエッチングの使用を含む。
【００９５】
コリメータレンズ構造体がアレイ９００の中に一体的に形成されるべき場合、更なる堆積ステップが上記ステップ（ｂ）と（ｃ）との間でに含まれてこのようなレンズ構造体を形成する。
【００９６】
製作ステップ（ａ）から（ｄ）には、写真製版ステップ、レジスト堆積ステップ、レジスト現像ステップ及びステンシルマスク形成ステップが関連しており、これらのステップは、半導体製造の技術分野において周知である。また、アレイ９００の微細機械加工は、他の材料系で、例えば、単結晶ダイアモンドで実行されてもよい。
【００９７】
ジンバル５５０は、微細機械加工される場合、このような微細製作は、撓み部材５７０ａ、５７０ｂ、５９０ａ、５９０ｂに導入される歪みを感知するために歪みゲージが含まれることが可能となる。このような歪みゲージ感知は、図１０に示される容量性位置感知に加えて又はその代わりに設けられる。歪みゲージは、３のオーダーのゲージ率を提供出来るエピタキシャル成長ドープポリシリコン又はある結晶配向に対して数百に近いゲージ率を有することが出来るエピタキシャル成長ドープ単結晶シリコンから形成されることが好ましく。
【００９８】
動作において、歪みゲージは以下のために使用されることが出来る。
（ａ）アレイ９００中のジンバルと関連するコリメータのステアリング方向を感知すること；及び／又は
（ｂ）ジンバル５５０のｚ軸方向変位を感知すること、従ってｚ軸方向への過剰な移動が発生すると危急のジンバル故障の可能性を警告すること；及び／又は
（ｃ）フィードバックループを介してＺ軸方向作動へアクチュエータ部材を作動し、それによってＺ軸方向へのコリメータの並進をゼロに積極的に減少すること。
【００９９】
図１２を参照して、微細製作された形態のジンバル５５０はその歪みゲージを持つよう仕上げられて示されている。第３と第４の撓み部材５９０ａ、５９０ｂは、夫々、それらの長手に沿って歪みゲージ９２０、９３０を含む。同様に、第１と第２の撓み部材５７０ａ、５７０ｂは、夫々、それらの長手に沿って、歪みゲージ９４０、９５０を含む。フレーム５８０上には、温度による抵抗の変化に対して歪みゲージ９２０から９５０を補償するために温度感知を行う第１と第２の補償ゲージ９６０、９７０が含まれる。必要に応じて、ゲージ９２０から９７０は、ホイートストーンタイプブリッジ構成に電気的に接続されても良し、或いは、ゲージ９２０から９７０は、個々に接続され、従って制御システム２０から個々に識別されることが出来る。電気接続部は、図１８に示されるように、歪みゲージから撓み部材を介して必要な所へ運ばれる。電気接続部は、結果として、アレイ９００の周縁で接点パッドへ経路指定される。ゲージ９２０から９５０がそれらの関連する撓み部材と実質的に同じ程度長く、それらのゲージは、主として、動作中のそれらの撓み部材の曲がり、従って、それらの関連するコリメータの角度ステアリング方向を感知する。逆に、ゲージ９２０から９５０がそれらの対応する撓み部材よりもかなり短くされると、それらの部材は、コリメータのｚ軸方向移動とコリメータのステアリング角度の両方を感知する測定信号を発生するために使用されることが出来る。
【０１００】
必要に応じて、より短い歪みゲージとより長い歪みゲージの組合せは、図１１に示される微細製作ジンバル５５０に含まれ、それらの信号が混合されてｚ軸感知とコリメータ角度情報を独立して提供する。
【０１０１】
図１１と１２の微細製作されたジンバル５５０へのコリメータの微細製作は、図１３の断面図に示されている。露出領域３５０のファイバ３１５は、実質的に光透過性のガラス１０００のブロックの第１の面へ参照番号９０５の位置で溶融溶接される。ブロック１０００は、第１の面に実質的に平行な第２の面を含む。アレイ９００の組み付けの間、ブロック１０００の第２の面は、例えば、ＵＶ硬化性の実質的に透明な光学接着剤を使用して、中央領域５６０の下側へ接合される。図１３の中央領域５６０の上表面には、エピタキシャルに形成された平凸レンズ９１０がある。必要に応じて、レーザ又はイオンミリングがレンズに適用されてその光特性をトリミングし、それによって、レンズ９１０が正確なコリメート放射ビームを形成することが出来る。
【０１０２】
図１４を参照して、圧電アクチュエータ装置の例を記述する。
【０１０３】
図１４は、矩形断面の筒状圧電アクチュエータ３１０と光ファイバ３１５を収容する軸方向穿孔（矩形横断面の）を有することを示す。圧電材料のボティ内に位置される電極は、図１４に概略的に示されている。４個の電極は、ＵＰ、ＤＯＷＮ、ＬＥＦＴ及びＲＩＧＨＴと呼ばれる。ＵＰのみが刺激されると、図１４に示されるように、アクチュエータの頂部は、収縮し、そしてアクチュエータ全体は、収縮部に向かって曲がり、従ってファイバ位置をＸ軸に沿って上方へ移動する。同じことがＤＯＷＮ、ＬＥＦＴ及びＲＩＧＨＴの各々に対して夫々の方向に当てはまる。電極は、図１４における入力Ｕ、Ｌ、Ｒ及びＤによって刺激され、それらは、夫々、ＵＰ、ＬＥＦＴ、ＲＩＧＨＴ及びＤＯＷＮ電極に対応する。エレクトロニクスの構成の場合、電極入力は、全てアクチュエータの同じ側に位置される。本実施の形態において、圧電セラミックアクチュエータを刺激する４個の電極がある。この場合、電極は、アクチュエータの全長に延出するか、或いは、電極は、アクチュエータのセクションのみを刺激してもよい。
【０１０４】
指定の且つ好適なモノリシックタイプの圧電セラミックブロックトランスジューサが図１５に示されている。これは、一体電極を有する圧電セラミック材料の層を作ることによって製造されることが出来る。
【０１０５】
（図面で見て）アクチュエータ構造体に向かってブロックの幅を横切るように延出する電極層ＡとＢがインターリーブされる。ブロックの底部に向かう同様な電極層ＥとＢがある。全てのＢ層が都合よく接地されている場合、Ａ又はＥへの電圧の印加によって夫々上方又は下方へ移動される。このスキームにおいて、駆動電圧は、単極性であり、極性は、印加電界と並列にアラインされる、それによって、圧電材料が収縮モードで反応する。
【０１０６】
ブロックの中央領域には、電極層ＣとＤがインターリーブされる。Ｄ層は、ブロックの幅を横断するように延出するが、Ｃ電極が左と右に分割される。電圧の適切なセットのＣ電極への印加によって、左又は右偏向を行う。
【０１０７】
本発明の好適な実施の形態に従う光スイッチコンポーネントを示す図１６を参照する。この実施の形態は、先に記述された特定の要素と特徴を描いている。
【０１０８】
図１６は、支持プレート１７００を示し、この中に、４つの半径方向へ収束するスロット１７０２がカットされており、各スロットは、参照番号１７０４で概略的に示されるビームステアリング装置を収容する。実際の光ファイバは、図１６には示されていないが、それらの位置は、夫々の点線１７０６で示されるビームパスから認められる。
【０１０９】
長尺状の圧電アクチュエータ１７０８は、夫々のスロットに位置決めされ、クランプ１７１０を介して一端で支持プレートにクランプされる。これらのクランプの領域において、圧電アクチュエータは、内部作動電極と外部接続のための端子を担持するように見える。
【０１１０】
各圧電アクチュエータ１７０８の自由端から、アクチュエータ自体よりも長い円形中空筒状レバー１７１２が延出する。このレバーの外径は、アクチュエータに隣接する比較的大きな直径からその自由端の比較的小さな直径までの領域において段部とされている。レバーは、広範な金属や複合材から形成される。
【０１１１】
クランプ１７１０から遠い方のスロット１７０２の端部には、夫々のジンバル１７２０に対する剛マウンティングを提供するＵ−形状のチャネル１７１８は配置される。これらのジンバル１７２０と関連するコリメータ１７２２は、先に述べた形態を取ることが出来る。
【０１１２】
感知バー１７２４は、ピラー１７２６を介して支持プレート１７００から離間されており、夫々のコリメータ１７２２の自由端を収容する一連の孔１７２８を有する。各孔１７２８の回りには図９の容量性感知プレートａ、ｂ、ｃ及びｄが位置決めされる。
【０１１３】
図１６の構成の変更例が図１７に概略的に示されている。この変更例の目的は、機械的なショックや振動への構造体の抵抗を改良するためである。
【０１１４】
この変更例において、アクチュエータ１７０８’は、一端で参照番号１７００’で概略的に支持プレートへ剛性的にクランプされている。また、光ファイバ１７０５は、アクチュエータ１７０８’とレバー１７１２’を貫通して元のままのコリメータとジンバル装置１７２０’／１７２２’へ通過する。しかしながら、レバー１７１２’は、アクチュエータに担持されず、代わりに、ジンバル１７５０を介して支持プレート１７００’に担持される。この新たなジンバルは、コリメータジンバル１７２０と同じ形態を取ることが便利であり、その撓み要素の寸法が４００μｍの幅であり、６００μｍと短く、フレーム５８０は、安定的に堅固とされている。
【０１１５】
動作において、アクチュエータ１７０８’の自由担の撓み移動は、レバー１７１２’の対向端部へファイバ１７０５を介して伝達される。このファイバの非支持ファイバ長は、０．５から１．５ｍｍ、理想的には０．６ｍｍである。次に、コリメータに対向するレバーの端部は、勿論、対向方向へ移動し、この例では、約４：１のレバーの機械的利益によってその移動が拡大する。
【０１１６】
Ｘ又はＹ方向への外部衝撃がある場合、レバー１７１２’は、先に述べられた片持ち支持装置よりも望ましくない移動に対してかなり大きく抵抗する。実際に、概説された好適な寸法を使用すると、第１に、アクチュエータ端部を下へ移動しようとする慣性力は、レバー（１７１２’）のコリメータ端部を下へ移動しようとする力によってバランスされる（約４．１の作動ゲインが考慮される場合）。このバランスは、ジンバル１７５０とアクチュエータ１７１２’のコリメータ端との間に加えられる質量を調節することによって調整されことが出来る。
【０１１７】
レバー１７１２’（及び実際レバー１７１２）は、ステンレススチールチューブ（例えば、０．２ｍｍの厚みを有する１．２５ｍｍチューブ）で形成されても良いし、微細機械加工を含む、種々の技術を使用して構成される。
【０１１８】
ファイバを使用してアクチュエータとレバーとの間で移動を伝達することが便利であるが、他の撓みや他の接続も可能である。
【０１１９】
前述の実施の形態は、一般的に、コリメータの望ましいＸとＹ揺動移動が、好ましくは一体的なプレート構造体で形成される要素の曲がりや撓み移動を介して達成されるジンバルの形態を使用する。ジンバルのこの形態は、多くの利点、特に、長期間にわたる信頼性を有すると考えられる。コリメータの取り付けのための他の構成も可能である。
【０１２０】
他のコリメータの取り付け例が図１８に示されている。ここで、参照番号１２００に概略的に示されるマウントは、３個のサファイアボールベアリング１２２０を組み込むケーシング１２１０を備え、これらのベアリングは、ケーシング１２１０に形成された対応する孔に保持される。ベアリングは、各々１５０μｍから５００μｍの範囲内の直径を有することが好ましく、実質的に２００μｍがより好ましい。ベアリングは、図示されているように、コリメータ３４０の回りに等間隔で離間されており、コリメータ１２３０の外側の実質的に円筒形表面に対して弱い圧縮力で保持されている。ケーシング１２１０は、このような圧縮を提供するために、僅かにしなやか、即ち、弾性的に変形可能である。作動力がファイバ１２４０を介して印加されると、コリメータ１２３０は、マウント１２００内で傾くことが出来る。更に、コリメータ３４０は、ボールベアリング１２２０間でスライド可能に保持されている。動作すると、コリメータ１２３０は、より大きな傾き角度に対するベアリングに関してｚ軸方向に僅かにスライドし、このようなスライドは、マウント１２２０によって簡単に許容され、且つ実質的に特性を変化させない。
【０１２１】
必要ならば、ケーシング１２１０は、コリメータ３４０の角度傾きを感知するための容量性センサプレートを支持するように延出されてもよく、図９に示されているように、４プレート又は８プレートの容量性感知装置の何れが使用されてもよい。
【０１２２】
光ファイバと共軸であるアクチュエータレバーの使用は、多くの重要な利点を有すると考えられるが、上述の軸方向のシンメトリの保持に関連して、他の構成も可能である。
【０１２３】
一つのこのような代替として、ここでは、図１９を参照して記述する。
【０１２４】
図１９は、概略的に表されているジンバルに撓み要素２００２と２００４を介して取付けられたコリメータ２０００の拡大詳細図を示す。コリメータ２０００は、以前の通りに、光ファイバ２００６へ直接的に接続される。
【０１２５】
この構成では、テーパー状の要素２００８の形態でアクチュエータレバーは、撓み接続ストリップ２０１０を介してコリメータ２０００と直接に接続される。アクチュエータレバーは、先の実施の形態を参照して説明されたように、アクチュエータと剛性的に接続又は支持構造体に枢軸されることが出来る。
【０１２６】
図１９の構成において、コリメータの揺動は、光ファイバの中間体を介するのではなくてアクチュエータの移動の直接的結果として発生する。
【０１２７】
ＸとＹ方向への平行移動を行うことなく且つＺ方向への最小の平行移動又は平行移動を無くしてコリメータのＸとＹ方向への揺動を行うためにジンバルや他の手段を使用することは、詳細に記述され、その利点が述べられた。幾つかの用途において、一次元ビーム偏向で十分であり、そして、ジンバルはＸ軸回りのみの揺動を必要とする。多くの必要性はないが幾つかの用途では、ジンバルを備えないコリメータ取り付けの場合もあるが、その場合も、本発明の種々の態様の他の多くの利点を共有する。
【０１２８】
そのような構成が、図２０に示されている。
【０１２９】
図２０は、各々が筒状の圧電アクチュエータ２１０２を収容する孔を有する支持プレート２１００を示している。アクチュエータは、中空であり、中央の光ファイバ２１０４と共軸である。各光ファイバは、コリメータで終端し、図２０は、便宜的に、コリメータの二つの形態を示し、二つの形態は本発明の実施の形態の何れかによって使用される。一つのコリメータ２１０６は、ファイバからは別に形成され且つ伝送ロスを最小にする方法でファイバへ接合されたコリメートレンズの従来の形態を取る。他のコリメータ２１０８は、ファイバの先端の適切な整形や処理を介してファイバと一体的に生成されたレンズの形態を取る。
【０１３０】
アクチュエータ２１００は、先に述べられた形態を取り、作動信号の印加によって、アクチュエータを撓ませ且つアクチュエータの非支持端部の、従って、コリメータ２１０６又は２１０８のＸとＹ方向への移動を引き起こす。圧電電極との接続のための端子が参照番号２１１０で示されている。
【０１３１】
上述されるように容量性又は他の感知装置は、図２０の構造内で使用されることが出来る。例えば、図１６に示されるような感知バーは、コリメータ２１０６又は２１０８回りに位置されることが出来る。
【０１３２】
本発明は、例を介して記述されたが、添付の請求項の範囲から離れた範囲で広範な更なる変更が可能である。多くの異なる特徴が記述され、これらの特徴の幾つかの組合わせが例として与えられた。また、これらの特徴の他の組合せが有用であり、且つ全ての組合せが明示的にここで開示される。
【０１３３】
ここで開示された幾つかの実施の形態の製造と使用に関する有用な情報が、参照されるＷＯ０１／５０１７６に見られる。ＷＯ０１／５０１７６の開示が参照によって、ここに組み込まれる。
【０１３４】
角度位置センサの種々の形態が例として記述されたが、勿論、多くの代替が存在する。このように、コリメータ電極と感知プレートの使用が記述されたが、コリメータ及び支持構造体の夫々固定された相互作用部品の他の構成がある。このように、コリメータ電極構造体は、コリメータに対して固定された要素の周辺に設計されても良いし、設けられても良い。
【０１３５】
位置センサの夫々の部品が電気的ではなくて磁気的に相互作用しても良い。従って、相互作用部品の一方が相互作用部品の他方によって感知される磁界を発生することが出来る。各コリメータに担持された少なくとも一つのコイルが全体のスイッチアレイに共通の二つ又は三つのコイル対によって確立される磁界を感知することが好ましい。
【０１３６】
他の変更例は、振動や機械的ショックに対する抵抗力を向上するために作動レバーに関して記述されたダイナミック変動に関する。幾つかの用途において、アクチュエータレバーは必要なく、アクチュエータが、好ましくは、光ファイバ自体の介在物を介してコリメータに直接接続される。この様な構成において、ダイナミックバウンシング効果は、コリメータの長手のより長い部分がコリメータ平面の外側に位置するようにジンバルに関してコリメータを前方へ移動することによって達成される。このように、コリメータの「外側」にあるコリメータの部分の慣性モーメントが、アクチュエータと有効な相互接続と共にコリメータの「内側」にあるコリメータの部分の慣性モーメントがバランスする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従う光スイッチングアセンブリの主要部分の概略図である。
【図２】  図１のアセンブリ内に含まれる光スイッチングユニットの概略図である。
【図３】  図２と図３のスイッチングユニットの入力アレイを類似のアクチュエータスライスのスタックを使用して構成された場合の図である。
【図４】  コリメータ用のジンバルマウンティングの図である。
【図５】  図３のスライスの一つの概略図である。
【図６】  アクチュエータの放射方向アレイを有する変更スライスを示す、図５に類似の図である。
【図７】  図６の変更スライスの入力と出力アレイの配向を示す図である。
【図８】  ジンバルと図３の構造体の各アクチュエータ部材と関連するジンバルのコリメータと光ファイバの概略図である。
【図９】  図８に示されるコリメータ回りに構成された８プレート容量性角度位置センサの図である。
【図１０】  図９に示される容量性プレートの４つを利用する角度位置感知回路の図である。
【図１１】  微小製造されたジンバルのアレイの図である。
【図１２】  図１１のジンバルの各々歪みゲージの配置の概略図である。
【図１３】  図１１のジンバルと共に使用される微小製造されたコリメータの図である。
【図１４】  アクチュエータに対する電極構成を概略的に示す。
【図１５】  図１４の電極構成の断面図である。
【図１６】  本発明の他の実施の形態に従う光スイッチコンポーネントの斜視図である。
【図１７】  図１６の実施の形態に対する変更実施の形態を示す分解図である。
【図１８】  ベアリングを使用するジンバルの他の実施の形態を示す。
【図１９】  アクチュエータレバーの他の実施の形態を示す。
【図２０】  本発明の更に他の実施の形態の概略図である。
【符号の説明】
１０    光スイッチアセンブリ
２０    制御システム
３８    光ファイバ
４０    スイッチングシステム
４２    ジンバル
４５    入力ポート
５０    出力ポート
６０    外部デバイス
１００    入力アレイ
１１０    出力アレイ
１２０    偏向領域
１５０    光レバー
２００    スライス
２０５    スタック
２０８    リボン
３０５    アクチュエータ
３１０    アクチュエータ
３１５    光ファイバ
３２０    アクチュエータレバー
３６５    ジンバル
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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