(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力ポートと、
複数の出力ポートと、
前記複数の入力ポートの各々からの光を前記複数の出力ポートの各々に導く位置のそれぞれに、可動のMEMSミラーを有する光路切換手段を備え、
前記各入力ポートから対応するMEMSミラーを通じて前記各出力ポートに到る各経路で損失がほぼ等しくなるよう、前記MEMSミラーが対応する入力ポートの光を対応する出力ポートに導くときの前記MEMSミラーの角度が設定される、
ことを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
前記複数の入力ポートおよび前記複数の出力ポートによる入出力ポート群を２組備え、前記MEMSミラーの両面で光ビームを反射させる、ことを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに適用される光スイッチに係わり、特に、マイクロマシン技術を用いて製造される微小ミラーを用いた光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ネットワークの高速、大容量化に伴って、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のまま経路を切り換えることのできる光スイッチの需要が高まってきている。光スイッチとしては、切り換えチャンネル数に応じてさまざまな種類のものがあるが、4〜32チャンネル程度の中規模のチャンネル数向けとしては、MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術を用いた2次元型光スイッチが有力と考えられている。2次元MEMS光スイッチの例として、4チャンネルの光スイッチの構成を図10に示す。光スイッチは、入力ポート(入力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバFB11〜FB14、レンズLS11〜LS14、出力ポート(出力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバFB01〜FB04、レンズLS01〜LS04および半導体製造技術でシリコン基板上に作製された複数の微小MEMSミラーMM11〜MM44から構成される。
【０００３】
ファイバFB11〜FB14を伝搬してきた光は、レンズLS11〜LS14によって空間伝搬に適したコリメート光に変換される。MEMSミラーMM11〜MM44は静電気の作用で立ち上げることができ、特定のミラーを立ち上げることで、光スイッチはファイバFB11〜FB14を伝搬してきた光を反射させて所望の出力側のファイバ位置に光路を切り換えることができる。図10において太線はMEMSミラーが立っていることを示し、細線はMEMSミラーが倒れていることを示す。従って、図ではMEMSミラーMM11,MM32,MM44が立っており、入力チャンネル＃１，＃３，＃４からの光信号がそれぞれ出力チャンネル＃１，＃２，＃４にクロスコネクトされている。
【０００４】
図1１はMEMSミラーの立ち上げ動作説明用の概略図であり、（A）は平面図、(B)は側面図である。円形のスイッチ用ミラーMRが形成されたミラープレートMPLはシリコン基板SBDに対して蝶番HGにより回転可能になっている。直動プレートTPLはスクラッチドライブアクチュエータSDAにより左右方向に直動するようになっており、プッシュロッドPR1,PR2によりヒンジジョイントHGJを介してミラープレートMPLに連結している。尚、SPはスプリング、HPLは押え板である。スクラッチドライブアクチュエータSDAに±100Vの電圧を500KHzで加えると、直動プレートTPLは右方向に移動してミラープレートMPLを0.5msで900に直立させることができる。また、駆動を解除すれば直動プレートTPLはスプリングSPにより左方向に移動して瞬時に倒すことができる。
【０００５】
2次元MEMS光スイッチは、図10から明らかなように経路により光路長が異なる。図10の場合、最長光路は入力チャンネル#1から出力チャンネル#1に到る経路で、光路長は2b+6aであり、最短光路は入力チャンネル#4から出力チャンネル#4に到る経路で、光路長は2bとなる。尚、bはファイバ先端からMEMSミラーまでの距離、ａはMEMSミラー間の距離である。この光路長のバラツキは、損失バラツキを発生させる要因となっている。
【０００６】
図1２は光路長差に起因する損失の説明図であり、(B)に示す光路長Dにおいて損失が最小となるように光学系、すなわち、レンズLSI,LSOの焦点距離、ファイバFBI，FBOとレンズLSI,LSO間の距離が設計されているものとする。(Ａ)に示すように光路長がDより短くなると、ビームBMが、（Ｂ）の場合より絞られた状態でレンズLSOに入力する。この結果、ファイバFBOの手前dの位置で最も絞られ、その後、ビーム径が広がりながらファイバFB0に入力する。ファイバFBOに入力する時のビーム径がファイバFBOの内径より大きくなれば損失が発生し、また、ビーム径がファイバFBOの内径より小さくても絞られすぎてファイバに入力するためファイバの中をうまく導波せず損失が発生する。また、(Ｃ)に示すように光路長がDより長くなると、ビームBMがレンズLSOの位置で広がりすぎて損失が発生する。また、レンズLSOの後方dの位置で最も絞られるため、レンズLSOからの光が全部ファイバFBOに入らずやはり損失が発生する。
【０００７】
光スイッチの損失バラツキはシステムへの適用上問題であり、損失バラツキを低減する方法が検討されている。損失バラツキは本来光路長の経路依存性により発生するため、特開平Ｈ13-59089号に開示された従来方法は、光路長を一定にして損失バラツキを低減する。図1３はこの従来の光スイッチの構成図であり、図10の光スイッチと同一部分には同一符号を付している。異なる点は、▲１▼MEMSミラー以外に、固定ミラーFMR1,FMR2を配置し、この固定ミラーで光を反射させることで各チャンネル間の光路長が一定になるようにしている点、▲２▼ファイバを傾斜して配置している点、▲３▼経路に応じて直立するMEMSミラーが図1の場合と異なる点である。図1３において太線はMEMSミラーが立っていることを示し、細線はMEMSミラーが倒れていることを示す。図では＃１→＃１、＃２→＃２、＃３→＃３、＃４→＃４の4通りの経路が示されているが、いずれも光路長は同一となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例では、図1３からわかるようにファイバおよびレンズ（図示されていない）を階段状に配置する必要がある。図1４は図1３の光スイッチに使用するファイバアレイの端部外形図であり、端面を階段状にしなければならない。ファイバ端面はギザギザになっており、そのままでは光が真っ直ぐ出ない。このため表面を研磨する必要がある。図10に示した従来例の光スイッチでは、ファイバアレイの端面を平面にできるため研磨を容易に行え、製造が容易である。しかし、図1４のファイバアレイでは端面が階段状になっているため研磨が困難となり、製造が難しい問題がある。
【０００９】
又、図1３の光スイッチでは、平板レンズアレイが適用できず、球レンズやロッドレンズを階段上に並べて高精度に配置する必要があり、実装精度およびコストの点で大きな問題がある
更に、図1３の光スイッチでは、余分な固定ミラーが必要になり、サイズを小形化する点で、また、製造を容易にする点で問題がある。
以上から本発明の目的は、可動の光反射部分を有する光路切換手段を複数備えた光スイッチにおいて、光路長の差に起因する損失のバラツキを低減することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、前記複数の入力ポートの各々からの光を前記複数の出力ポートの各々に導く位置のそれぞれに、可動のMEMSミラーを有する光路切換手段を備えた光スイッチであり、入力ポートから出力ポートまでの各経路における損失のバラツキを低減するように、前記MEMSミラーのそれぞれにおいて固有の損失を発生させる。
すなわち、経路の損失は、光路長に基く損失と前記MEMSミラーが発生する損失の合計であり、合計損失が各経路において等しくなるように各MEMSミラーで固有の損失を発生するようにする。以上のようにすれば、可動のMEMSミラーを有する光路切換手段を複数備えた光スイッチにおいて、光路長の差に起因する損失のバラツキを低減することが可能となる。
【００１１】
そすなわち、本発明では、各入力ポートから対応するMEMSミラーを通じて各出力ポートに到る各経路で損失がほぼ等しくなるよう、前記MEMSミラーが対応する入力ポートの光を対応する出力ポートに導くときの前記MEMSミラーの角度が設定される。
又、本発明は複数の入力ポートおよび前記複数の出力ポートによる入出力ポート群を２組備え、前記MEMSミラーの両面で光ビームを反射させるようにする。このようにすれば、小形の構成で2組の光スイッチを作成できると共に、光信号の挿入(add),光信号の抽出(drop)が可能な、損失バラツキの少ない光伝送装置(光クロスコネクト装置)を提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（A）本発明の原理
図1は、本発明の原理説明図であり、4チャンネルの光スイッチの構成を示す。光スイッチは、入力ポート(入力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバ11〜14、レンズ21〜24、出力ポート(出力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバ31〜34、レンズ41〜44および半導体製造技術でシリコン基板上に作製された複数の微小MEMSミラー5111〜5144から構成される。MEMSミラーは例えば、図1１に示す構成を備えている。
【００１３】
ファイバ11〜14を伝搬してきた光は、レンズ21〜24によって空間伝搬に適したコリメート光に変換される。MEMSミラー5111〜5144は静電気の作用で立ち上げることができ、特定のミラーを立ち上げることで、光スイッチはファイバ11〜14を伝搬してきた光を反射させて所望の出力側のファイバ31〜34の位置に光路を切り換える。図１において太線はMEMSミラーが立っていることを示し、細線はMEMSミラーが倒れていることを示す。従って、図ではMEMSミラー5111、5132、5144が立っており、入力チャンネル＃１，＃３，＃４からの光信号がそれぞれ出力チャンネル＃１，＃２，＃４にクロスコネクトされている。
【００１４】
MEMSミラー5111〜5144には、各経路の損失バラツキを低減するために固有の損失を発生する工夫(損失発生手段)が付加されている。図1において、損失発生手段を、MEMSミラーの大きさを変えて図示しており、また、発生させる損失の値に応じてMEMSミラーの大きさを変えている。かかる表記を用いた理由は、後述するように光ビームに対する光反射部分の有効面積に基いて発生損失(はみ出し損失)を決定するからであり、また、このはみ出し損失が大きいほど有効面積を小さく、はみ出し損失が小さいほど有効面積を大きくするからである。
【００１５】
図1からわかるように、各経路と、反射ミラーであるMEMSミラーとが1対1に対応する。すなわち、光信号を入力チャンネル＃ｉから出力チャンネル＃ｊへクロスコネクトするMEMSミラーは51ij（ｉ＝１〜４，ｊ＝１〜４）である。そこで、各経路において光路長に基いて発生する損失(結合損失という)のバラツキを打ち消すように、MEMSミラーで損失(はみ出し損失)を発生させ、結合損失とはみ出し損失の合計損失が一定となるように調整する。
【００１６】
ここでは一例として、図2に示すように、最短の経路(#4→#4)と中間の経路(#1→#4)における合計損失を一定にする場合について本発明の原理を説明する。予め、光学系の設計に際して、中間光路長＝2b+3aの経路(#1→#4、#2→#3、#3→#2、#4→#1)で損失が最小となるように各レンズの焦点距離、入出力側におけるファイバとレンズ間の距離をそれぞれ決定する。ただし、bはファイバとMEMSミラー間の距離、aはMEMSミラー間の距離である。中間の光路長で光学系を最適化する設計を行うと、ビームウェスト(ビーム径が最も小さくなるところ)は、光路長2b+3aの半分であるb+3a/2の位置にくる。
【００１７】
光結合効率η(x)は、入力側及び出力側からそれぞれ光を擬似的に入力した場合のビームウェスト位置のずれ量xを用いて、
【数１】
0004047612.tif 000002
と表される（例えば、河野著「光デバイスのための光結合系の基礎と応用」現代工学社 1991年発行の第39頁の(3.3-30)式を参照、この式でω1=ω2=ω0とすれば上式が導出される）。ここでλは光の波長、ω0はビームウェスト径である。
【００１８】
この例では、中間の光路長2b+3aを基準にして光学系を最適化しているので、＃１→＃４の中間光路長でx=0、＃４→＃４の最短光路長でx=3aとなり、中間の経路において損失は0dB、最短の経路において損失(結合損失)は
−10・logη(3a)  dB        (2)
となる。
【００１９】
光ファイバから出射される光ビームはガウシアン形状で近似できるが、図３(Ｂ)に示すように、ガウシアン光ビームは理論上無限大まで光が分布しており、有限の大きさのMEMSミラー51で反射させるとミラーからビームがはみ出すことによる損失が発生する。MEMSミラー51の大きさと、はみ出し損失の関係は以下のようにして算出できる。MEMSミラー51のミラーとしての有効部分が図３（Ａ）に示すようにビームの入射方向からみて一辺Lの正方形であるとし、また、ビーム中心がミラー中心Oと一致するものとすると、ミラー上のポイント（ｘ，ｙ）におけるガウシアンビームの光パワーI(x,y)は、
【数２】
0004047612.tif 000003
となる。ただし、ωは、光パワーが最大パワーの13.5%となるときのビーム径である。
【００２０】
従って、反射される光パワーは、ミラー51の面積部分を積分して
【数３】
0004047612.tif 000004
となる。(4)式において、erf(z)は誤差関数であり、次式
【数４】
0004047612.tif 000005
で表現される。
【００２１】
一方、ビームウェスト位置からzの距離におけるビーム径は次式
【数５】
0004047612.tif 000006
により表される。従って、入力側ファイバから距離bの位置にあるMEMSミラー5114，5144におけるビーム径は、ω(3a/2)と計算でき、ミラーはみ出しによる損失(はみ出し損失)は、次式
【数６】
0004047612.tif 000007
となる。
【００２２】
従って、最短の経路(#4→#4)と中間の経路(#1→#4)における損失を同じにするためには、それぞれの経路におけるMEMSミラー5114，5144の一辺長をL14およびL44とすると、次式
【数７】
0004047612.tif 000008
を満足するように、それぞれのミラー5114，5144のサイズL14、L44を決めればば良いことになる。
【００２３】
（B）第1実施例
(ａ) 4チャンネル光スイッチ
図4は本発明の4チャンネル光スイッチの実施例構成図であり、すべてのMEMSミラー5111〜5144が立ち上がった状態を示している。MEMSミラー毎に光ビームのはみ出し損失量を変えるために、この実施例ではMEMSミラーの高さを変えている。4×４個のMEMSミラー5111〜5144はシリコン基板61上に作成され、筐体62に収容されている。実際には蓋がかぶされて密閉されるが、蓋を除去して示している。入力側及び出力側のファイバアレイ63、64には入力側の各チャンネル、出力側の各チャンネルの光ファイバ11〜14、31〜34(図1参照)が埋め込まれ、その先端は筐体の側壁を貫通して筐体内でレンズアレイ65,66に対向するようになっている。入力側のレンズアレイ65は入力側のファイバアレイ63の先端と所定距離を置いて対向するように筐体内に配設され、同様に、出力側のレンズアレイ66は出力側のファイバアレイ64の先端と所定距離を置いて対向するように筐体内に配設されている。
【００２４】
(A)の原理の項で説明したように、中間距離における結合損失が最小となるようにレンズの焦点距離、ファイバとレンズ間の距離を決定し、(8)式と同様の計算を行ってMEMSミラー51ij(ｉ＝１〜４、ｊ＝１〜４)の光ビームに対する有効面積(高さ)が決定されている。
以上のように光スイッチを構成すれば、各経路における損失がほぼ等しくなって損失バラツキが低減する。
【００２５】
（ｂ）変形例
以上では、ミラーの有効部分の形状を正方形としたが、他の形状（円形、長方形、六角形など）でもかまわない。
また、以上ではビームに対するミラーの有効面積を変更することにより経路に損失を付加した場合であるが、経路に損失を付加する具体的な実現方法(手段)としては更に以下の３つの方法が考えられる。
第1は、ミラーの反射率を低下させることで、反射損失を増加させる方法である。反射率は、発生させようとする損失値に応じて、MEMSミラー51ij毎に異なるようする。
【００２６】
第2は、図5に示すように各MEMSミラー51ijを持ち上げる際に、角度オフセットαを付けることで、光軸の角度ずれを発生させて、過剰損失を発生する方法である。この角度オフセットの値は、発生させようとする損失値に応じて、MEMSミラー毎に異なるようにする。
第3の方法は、MEMSミラー51ijの反射ミラーの表面を荒くしたり微少穴を形成して、散乱損失を発生させる方法である。図6に示すようにミラー表面に微小な穴HLのパターンや段差などを形成し、MEMSミラー51ij毎にパターンを変えて固有の損失を付与する。
【００２７】
（Ｃ）第2実施例
第2実施例として数値例を示す。光スイッチは図示しないが16チャンネルとし、MEMSミラー間距離a=1mm、ファイバとMEMSミラー間の距離b=2mmの例で計算を行う。この場合、最短経路長は2b=4mm、最長光路長は2b+30a=34mmとなる。中間の光路長のチャンネル(2b+15a=19mm)で損失を最小化するように光学系を設計する。例えば、レンズの焦点距離を0.89mm、レンズとファイバの間隔は0.93mmとなる。
【００２８】
以上のように光学系を設計すると、各光路長における結合損失は、図７に示すようになり、最大で約2.1dBのバラツキをもつ。図7において、横軸は光路長(mm)、縦軸は損失(dB)である。
一方、MEMSの光反射有効部分の形状を円形として、ビームのはみ出しによる損失(はみ出し損失)を計算すると、図８に示すようになる。図8において、横軸はミラー直径とビーム直径の比であり、縦軸は損失(dB)である。
従って、光路長バラツキによる2.1dBの損失を補償するためには、ミラーの有効部分の直径を、MEMSミラー毎に、ビーム径の約0.6倍から1倍の範囲で変えればよい。例えば、最大光路長の経路に応じたMEMSミラーの径をビーム径の1倍にすれば、中間距離の経路に応じたMEMSミラーの径をビーム径の0.6倍にする。そして、他のMEMSミラーの径をビーム径の約0.6倍から1倍の範囲で変える。
【００２９】
（D）第3実施例
図9は本発明の第3実施例の概略構成図であり、4チャンネルの光スイッチを2組形成する例であり、図1と同一部分には同一符号を付している。異なる点は、▲１▼入力ポート群 A,Bと出力ポート群A,Bを2組設けた点、▲２▼MEMSミラー51ijの両面に反射面を設けている点である。すなわち、第3実施例では図1と同一構成の入出力ポート群Aを有するほか、光ファイバ71〜74、レンズ75〜78で構成された入力ポート群B、光ファイバ81〜84、レンズ85〜88で構成された出力ポート群Bを備え、更に、MEMSミラー51ijの両面に反射面を設けている。
【００３０】
MEMSミラー51ijの両面に形成した光反射部分のビームに対する有効面積を第1実施例と同様に決定すると、入力ポート群Aから出力ポート群Aへの光損失、および入力ポート群Ｂから出力ポート群Ｂへの光損失を略一定にでき、損失バラツキを低減できる。
第3実施例によれば、損失バラツキのない2組の光スイッチを構成できるほか、光信号の挿入(add)、抽出(drop)が可能な光伝送装置(光クロスコネクト装置)を構成できる。すなわち、入力ポート群Ａ、出力ポートBを光伝送路側の入出力ポート群、入力ポート群Ｂ、出力ポート群Aを光伝送路に光信号を挿入し、あるいは光伝送路より光信号を抽出するトリビュタリー側の入出力ポート群とする。このように伝送装置として使用する場合において、第1実施例と同様に中間光路長2b+3aで損失最小となるように光学系設計を行っておけば、入力ポート群Aから出力ポート群Ｂへの損失は、最小損失となる。
【００３１】
・付記
(付記１）  複数の入力ポートのそれぞれからの光を、複数の出力ポートの任意の出力ポートに導く可動の光反射部分を有する光路切換手段を複数備えた光スイッチにおいて、
入力ポートから出力ポートまでの各経路における損失のバラツキを低減するように、前記光路切換手段のそれぞれにおいて固有の損失を発生させる、
ことを特徴とする光スイッチ。
（付記２）  経路の損失は、光路長に基く損失と前記光路切換手段が発生する損失の合計であり、合計損失が各経路において等しくなるように各光路切換手段は固有の損失を発生する、
ことを特徴とする付記1記載の光スイッチ。
（付記３）  最短経路と最長経路の中間において、光路長に基く損失が最小となるように設計された光学系を備えた、
ことを特徴とする付記1又は2記載の光スイッチ。
（付記４）  前記発生する損失が前記固有の損失となるように、前記光路切換手段における光反射部分の光ビームに対する有効面積を決定する、
ことを特徴とする付記１又は2記載の光スイッチ。
（付記５）  前記発生損失が前記固有の損失となるように、前記光路切換手段における光反射部分の反射率を決定する、
ことを特徴とする付記１又は2記載の光スイッチ。
（付記６）  前記発生損失が前記固有の損失となるように、前記光路切換手段における光反射部分の光ビームに対する反射光線の光軸を決定する、
ことを特徴とする付記１又は2記載の光スイッチ。
（付記７）  前記発生損失が前記固有の損失となるように、前記光路切換手段における光反射部分の表面形状を決定する、
ことを特徴とする付記１又は2記載の光スイッチ。
（付記８）  前記入出力ポート群をそれぞれ2組備え、前記各光反射部分の両面で光ビームを反射させる、
ことを特徴とする付記1記載の光スイッチ。
【００３２】
【発明の効果】
以上本発明によれば、2次元MEMS光スイッチの大きな課題であった損失バラツキを低減することができる。また、MEMSミラーサイズ変更などは、作成時にマスクパターンを変えるのみで何らコストアップを招くことなく実現可能である。なお、損失均一化を損失を付加して行うことについては、損失バラツキが発生していた従来の場合も、システムに適用する上では最大損失でシステム設計する必要があったため、実用上問題は発生せず、損失バラツキ低減により他の装置のダイナミックレンジ#が縮小できるという大きな効果が得られる。
【００３３】
又、本発明によれば、光路切換手段における損失を、光ビームに対する光反射部分の有効面積を変更することで制御するようにしたから、正確に損失を発生でき、各経路の合計損失のバラツキを低減することが可能となる。
また、最短経路と最長経路の中間において、光路長における結合損失が最小となるように光学系を設計したから、MEMSミラーサイズの制御幅を小さくでき、小形化に貢献できる。
又、入出力ポート群をそれぞれ2組備え、光路切換手段の光反射部分の両面で光ビームを反射させるようにしたから、小形の構成で2組の光スイッチを作成できると共に、光信号の挿入(add),光信号の抽出(drop)が可能な、損失バラツキの少ない光伝送装置(光クロスコネクト装置)を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の原理説明図である。
【図２】本発明の第2の原理説明図である。
【図３】はみ出し損失の説明図である。
【図４】本発明の4チャンネル光スイッチの実施例構成図である。
【図５】角度オフセットαを付けることで、光軸の角度ずれを発生させて、損失を発生する方法の説明図である。
【図６】ミラー表面に微小な穴のパターンを形成し、MEMSミラー毎に穴パターンを変えて固有の損失を付与する方法説明図である。
【図７】光路長と結合損失の関係図である。
【図８】ミラー直径とビーム直径の比とはみ出し損失の関係図である。
【図９】本発明の第3実施例の構成図である。
【図１０】従来の4チャンネルの光スイッチの構成図である。
【図１１】  MEMSミラーの立ち上げ動作説明用の概略図である。
【図１２】光路長差に起因する損失の説明図である。
【図１３】光路長を一定にする従来の光スイッチの構成図である。
【図１４】図1４は図1３の光スイッチに使用するファイバアレイの端部の外形図の例である。
【符号の説明】
１１〜１４  入力ポート(入力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバ
２１〜２４  レンズ
３１〜３４  出力ポート(出力チャンネル)＃１〜＃４の光ファイバ
４１〜４４  レンズ
5111〜5144  複数の微小MEMSミラー
【図１】
0004047612.tif 000009
【図２】
0004047612.tif 000010
【図３】
0004047612.tif 000011
【図４】
0004047612.tif 000012
【図５】
0004047612.tif 000013
【図６】
0004047612.tif 000014
【図７】
0004047612.tif 000015
【図８】
0004047612.tif 000016
【図９】
0004047612.tif 000017
【図１０】
0004047612.tif 000018
【図１１】
0004047612.tif 000019
【図１２】
0004047612.tif 000020
【図１３】
0004047612.tif 000021
【図１４】
0004047612.tif 000022