JP2620321B2 - 光スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光スイッチに関し、特に詳細には、一本の光
ファイバと複数の光ファイバとを切替え接続するいわゆ
る１×Ｎ光スイッチであって、切替えを機械的に行う光
スイッチに関する。

〔従来技術〕

１×Ｎスイッチとしては、種々のものが考えられ、そ
の切替える光ファイバ同志の光軸合わせでは以下のよう
なものが検討され、実現されている。

例えば、昭和62年電子情報通信学会、半導体材料部
門、全国大会にて、杉本他により発表された「セラミッ
クフェルールを用いた高密度１×1000光スイッチ」と題
する論文、昭和62粘度電子情報通信学会、創立70周年記
念総合全国大会にて古川他により発表された「大規模低
損失１×Ｎ光スイッチ」と題する論文及び昭和63年電子
情報通信学会、春季全国大会にて、小島他により発表さ
れた「コネクタ切替型光スイッチの３万回着脱試験結
果」と題する論文等に示されるものがある。これらの論
文に示される１×Ｎ光スイッチでは光コネクタの構成部
分であるフェルールを２次元もしくは１次元に配列し、
対向するフェルールを２次元若しくは１次元に移動させ
る装置に取り付けている。そして、２次元若しくは１次
元に配列されたフェルールに光ファイバを接続し、一方
移動させられるフェルールにも光ファイバを接続して、
配列されたフェルールに選択的に接続し、光ファイバの
伝送路を切替えている。

また別の例としては、アンリツ株式会社が通信用測定
器として製作している光チャネルセレクタの様に、プリ
ズムを電磁力により駆動し、プリズムを伝搬する光の伝
送路を切替えるタイプのスイッチがある。

また更に、エレクトロニクスレター、1981年８月６日
号、第17巻第16号の第571頁にダブリュ、シイ、ヤング
により発表された「シングルモード及びマルチモード光
ファイバ用カスケードタイプ多極スイッチ」（Electron
ics Letters 6th August,1981,Vol.17,No.16 page 571,
“CASCADED MULTIPOLE SWITCHES FOR SINGLE−MODE AND
MULTIMODE OPTICAL FIBER"W.C.YOUNG）には機械駆動式
光スイッチが示されている。

〔発明の解決しようとする課題〕

しかし、上記の文献に示されるフェルールを２次元的
または１次元的に配列した１×Ｎ光スイッチでは、切替
え心数が大きくなると２次元的等に配列する配列部分の
大きさが大きくなり、そのため、装置全体が大きくなり
過ぎてしまう。したがって、切替え心数を大きくするこ
とができない。また、このタイプの１×Ｎ光スイッチで
は、接続すべき光ファイバ同志の光軸合わせにおいて、
光コネクタを構成部品であるフェルールの外径調心を利
用しているため、フェルール同志の接続の際、フェルー
ルの外径部に摩耗が生じる。そのため、繰返しの切替え
回数に限界があり、長期信頼性及び耐久性に問題があ
る。また、この摩耗によってダストが発生し、フェルー
ル内の光ファイバ端面に付着することがある。この様な
場合には接続損失が増加してしまう。また更に、光ファ
イバ自体を空間接続を用いて接続切替えする方法を、光
ファイバを２次元的に配列した光スイッチに適用する場
合には、高精度な位置決め装置が必要となっていた。

本発明は上記問題点を解決し、繰返しの切替えに対し
て信頼性、耐久性が高く、かつ接続すべき光ファイバ同
志の正確な光軸合わせが可能な光スイッチを提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光スイッチは、一端に光源が接続される第１
の光ファイバと、その一端が前記第１の光ファイバの他
端に所定の間隔だけ離間して対向し、前記第１の光ファ
イバと光軸合わせされた第２の光ファイバと、前記第１
及び第２の光ファイバの間の離間部分に所定の隙間をも
って挿入され、前記第１及び第２の光ファイバの光軸方
向に垂直な平面上で移動可能な光路切替え手段と、前記
第１の光ファイバの端面に対向し、その対向部近傍にお
いて前記第１の光ファイバの光軸に対して平行に伸び、
前記光路切替え手段内にその対向部が固定される第３の
光ファイバと、前記第２の光ファイバの前記離間部側端
面に対向し、その対向部近傍において前記第２の光ファ
イバの光軸に対して平行に伸び、前記対向部近傍の光軸
が前記第３の光ファイバの前記対向部近傍の光軸と一致
し、前記光信号切替え手段内にその対向部が固定されて
いる第４の光ファイバと、前記光路切替え手段を前記第
１及び第２の光ファイバの光軸方向に垂直な平面上で移
動させる移動手段と、前記第３光ファイバと前記対向部
とは反対の端部からの光出力を検知し、その光出力が最
大となるように前記移動手段を制御し、前記光信号切替
え手段を移動させ、前記第１の光ファイバと前記第３の
光ファイバの前記対向部との光軸合わせを行うことによ
り、前記光路切替え手段の前記対向部での前記第４の光
ファイバの光軸と前記第２の光ファイバとの光軸との軸
合わせを行う制御手段とを備えることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の光スイッチでは、上記のように構成している
ので、光スイッチ切り替えの際、接触部分がない。ま
た、光スイッチの切替えの際、軸合わせをフィードバッ
ク制御を利用して行い、常に正確な軸合わせを可能にし
ている。

〔実施例〕

以下図面を参照しつつ本発明に従う実施例について説
明する。

第１図は本発明に従う光スイッチの実施例の部分分解
斜視図である。

図に示すように、光スイッチ１は複数の光ファイバを
保持する光ファイバ保持部10と、光路の切替えを行う光
路切替え部材20と、光路切替え部材20を移動させる移動
機構30と、移動機構30を制御する制御機構40とより構成
されている。

第２図に光ファイバ保持部10の斜視図を示す。この図
では第１図に示す光ファイバ保持部を裏返して示してあ
る。図に示すように光ファイバ保持部10には複数の光フ
ァイバ11が、２段形状のシリコン板12上のＶ溝13に、例
えばＰ＝0.25mmピッチで平行に配列され、その光ファイ
バ11の中央部には光ファイバ11を横切る溝14が形成され
ている。このＶ溝13の頂角は60度であり、その深さは外
径125μｍの光ファイバが入る程度にしている。一方、
この溝14は幅l1＝5mm、深さd2＝0.2mmの形状であり、シ
リコン基板12内に固定された光ファイバ11の少なくとも
コア部が露出する深さに形成してある。そしてこの溝14
の両側面は第４図に示すように光ファイバ11の光軸に垂
直な方向に対して約５度（θ）傾斜している。これは光
路切替え部材20の側面での光の反射を防止するためであ
る。更に、光ファイバ11は、この溝14により２つの部分
に分割される。溝14により分割された一方の光ファイバ
11aの溝14側と反対側と端部11cは１つに束ねられた後、
光源15に光結合されている。他方の光ファイバ11bの溝1
4側とは反対側の端部11dは、この光スイッチの信号入出
力側となる。本実施例ではこの光源15としてハロゲンラ
ンプを使用し、また光ファイバ11としては、通常通信用
に使用する光フィイバであり、仕上り外径250μｍの紫
外線硬化型樹脂被覆の1.3μｍ帯単一モードファイバを
使用した。なお、この光ファイバの特性及び構造はMED
＝10μｍ±１μｍ、カットオフ波長1.2±１μm,クラッ
ド外径125μｍ、比屈折率差0.3％であった。

光路切替え部材20の斜視図を第３図に示す。この図に
示すように光路切替え部材20は略直方体の形状をしてお
り、その上部は溝14内を空間的に移動できる。また、そ
の側面21は先に説明した溝14内面に沿うようにθ＝５度
傾斜している。更に、この光路切替え部材20には、２本
の光ファイバ22、23が固定されている。これらの光ファ
イバ22、23のそれぞれの端部22a、22aは傾斜した側面に
位置し、かつ、その側面近傍では、これらの光ファイバ
22、23の光軸は、図において１点鎖線で示すように一直
線上にある。更に、光軸方向は光路切替え部材20が溝14
内で摺動する方向Ｘに対して直角な方向としてある。そ
して、光ファイバ22の他端22bはフォトダイオード等の
受光素子に係合され、一方光ファイバ23の他端23bから
光信号が入力される。第４図に、光路切替え部材20の移
動方向Ｘより見た溝14と光路切替え部材20との位置関係
を示す。図に示すように、光路切替え部材20は溝14に対
して空間的に配置され、これらの溝14と光路切替え部材
20との隙間はd1＝50μｍ程度にしてある。この隙間は、
光路切替え部材20を移動させる際、溝14の内面に接触さ
せず、かつ光ファイバ保持部10内に固定された光ファイ
バ11a、11bの端部11c、11dと光路切替え部材20内に固定
された光ファイバ22、23の端部22a、23bとの間で光伝送
損失をあまり大きくしない程度に選択されねばならな
い。

移動機構30は、パルスモータ31と、このパルスモータ
31の回転軸に接続されたボールねじ32と、このボールね
じ32の回転により、ボールねじ32の長手方向に移動する
ステージ33とより構成されている。このボールねじ32の
パルスモータ31との接続側と反対側は軸受け34により支
持されている。更に、このステージ33の上には図に示す
ように、それぞれＸ方向、Ｚ方向に変形する圧電素子3
5、36が搭載されている。更にこの圧電素子35、36の上
に光路切替え部材20が搭載固定されている。これらの圧
電素子35、36は印加された電圧の方向及び大きさに応じ
て変形する。本実施例では、第１図に示すＸ及びＺ方向
に微小変形する様に構成されている。そしてその変形量
は30μｍ程度であり、印加電圧の大きさによって微小調
整が可能となる。これに対してパルスモータ31とボール
ねじ32との組み合わせでは約0.25mmの間隔の粗動動作を
行うことができる。これらの粗動調整及び微小調整とを
組み合わせることにより、光ファイバ11aと光ファイバ2
2との間の正確な光軸合わせを行うことができる。

制御機構40は圧電素子35、36を制御するための圧電素
子コントローラ41と、パルスモータ31を制御するための
パルスモータコントローラ42と光ファイバ22からの光信
号を受光し、光強度に応じた電気信号を出力する受光素
子43と、受光素子43からの信号の強度に応じた電流を出
力するパワーメータ44と、上記コントローラ41、42及び
パワーメータ44からの信号を入力する全体コントローラ
45とから構成されている。本実施例では受光素子43及び
パワーメータ44を一体化し、シリコン系のフォトダイオ
ードを組み込んだパワーメータを使用し、全体コントロ
ーラ45としては、市販されている型式HP9816の小型コン
ピュータを用いた。

次に本実施例の構成部材の１つである光ファイバ保持
部10及び光路切替え部材20の製造方法について説明す
る。

光ファイバ保持部10は、第５図（ａ）に示すような２
段構造に形成したシリコン基板50に、頂角60度で外径12
5μｍの光ファイバが入るＶ溝13を0.25mmピッチで平行
に形成する。次に、このＶ溝13に光ファイバ11を第５図
（ｂ）のように挿入し接着剤等で固定する。次に第５図
（ｃ）に示すように、段部分の中央に、第４図で示すよ
うな断面が台形形状の溝14を形成する。この溝の深さ
は、少なくとも固定された光ファイバ11のコア部が露出
するような深さである。

Ｖ溝に光ファイバを挿入固定しても第６図に示すよう
に光ファイバは必ずしもＶ溝の側面に接触固定されず、
正確に位置決めすることが難しく、２本の光ファイバ同
志の光軸を合わせることが難しい。また、挿入する光フ
ァイバの外径偏心についても必ずしも同じではない。し
かし、１本の光ファイバを溝で分断し、２本の光ファイ
バとすることにより、その溝を挾んで対向する光ファイ
バ端面同志では溝内での位置及び光ファイバの外径、偏
心をほぼ一致していると見なすことができる。そのた
め、溝を挟んで対向する光ファイバ位置は切断面に対し
て一致していると見すことができる。

これらの点に着目して上記のような製造方法で光ファ
イバ保持部10を製造した。

また、光路切替え部材20の製造は、略直方体のシリコ
ン基材に一直線上に溝を入れ。この溝の両端部にそれぞ
れ端面がくるように光ファイバ22、23を挿入し、接着樹
脂等で固定する。そして、樹脂固定された光ファイバ2
2、23と共にシリコン基体及び接着樹脂を加工し、第３
図に示すような形状に形成する。ここで光ファイバ22、
23の端面はそれぞれ一直線状に形成した溝に挿入固定さ
れているため、その端面部の光軸は一直線上にあり、光
軸は一致することになる。

次に、本実施例の動作原理を第１図、第２図及び第４
図を用いて説明する。

まず、外部より入力されたスイッチ選択信号に応じて
全体コントローラ45からパルスモータコントローラ42へ
パルスモータ制御信号を送出する。このパルスモータ制
御信号に応じてパルスモータコントローラ42はパルスモ
ータ31を駆動し、ステージ33を動かし、スイッチ選択信
号に応じた光ファイバ11bの中心位置に光路切替え部材2
0の光ファイバ23の端面23aが来るようにする。そして、
このパルスモータ31は光ファイバ11a、11bの配列ピッチ
Ｐ＝0.25mm単位でステージ33を停止させることができ
る。しかし、このパルスモータ31の動きでは正確な位置
決めができず、粗動状態である。そしてこの粗動状態で
は、対応する光ファイバの中心位置まで光路切替え部材
20を動かす。次に、圧電素子35、36を用いて微小位置調
整をする。この微少調整では、光源15より発した光を光
ファイバ11a、光ファイバ22を介して受光素子43で受光
し、その受光強度をパワーメータ44で検知する。そし
て、このパワーメータ44の出力が最大となるように、全
体コントローラ45により圧電素子コントローラ41を作動
させ、圧電素子35、36を駆動する。ここで、圧電素子3
5、36はその上に搭載している光路切替え部材20をＸ及
びＺ方向に微少調整することができる。このようにして
得られた受光強度が最大となる光路切り替え部材20の位
置では、光ファイバ11aに対向する部分の光ファイバ22
の光軸と光ファイバ11aの光軸とが一致している。一方
この光ファイバ11aに対向する部分の光ファイバ22の光
軸と、光ファイバ11bに対向部分の光ファイバ23の光軸
とは一致している。また更に、光ファイバ11aの光軸と
光ファイバ11bの光軸とは一致している。したがって、
光ファイバ22と光ファイバ11aとが光軸合わせされた状
態では、光ファイバ23と光ファイバ11bとが光軸合わせ
された状態となり、光ファイバ23の端部23bより入射し
た光信号は、選択された光ファイバ11bに低い伝送損失
で伝達される。また、このようにスイッチに切り替え毎
に光軸合わせ状態をフィードバック制御を用いて調整し
ているため、スイッチ全体に加わる温度変化等により光
ファイバ配列が変形しても正確な光軸合わせが可能にな
る。

したがって、本実施例では常に光軸合わせ状態を検知
しつつ、スイッチングが可能になる。

上記実施例にしたがって１×500心の光スイッチを試
作し、第７図（ａ）に示すような後方散乱損失測定系を
構成し、接続損失を測定した。この測定系では、OTDRと
光スイッチの間を1kmの光ファイバで連結しスプライス
を介して接続した。更に光スイッチの出力側の500出力
端子には100mの10心テープ状光ファイバを100m接続して
ある。そして、この様な測定系を用いて測定した結果、
平均接続損失，αｉ＝1.2dB、またはその標準偏差、α
ｎ＝0.3dB、一心当たり接続時間が20秒の結果が得られ
た。

本発明は上記実施例の限定されず、種々の変形例が考
えられ得る。

具体的には、上記実施例では１×Ｎ光スイッチについ
て説明しているが、単に光信号をオン−オフする１×１
光スイッチに適用してもよい。

更に、上記実施例では、光路切替え部材の移動機構を
パルスモータと圧電素子とを組み合わせて行っている
が、これに限定されず、例えば超音波モータを使用して
行ってもよい。

上記実施例では光ファイバ保持部及び光路切替え部材
の製造方法について説明しているが、これらの製造方法
はこれに限定されず、光ファイバ同志の光軸が一致する
ような方法であればどの様な方法であってもよい。

〔発明の効果〕

上記のように本発明の光スイッチでは、光結合すべき
光ファイバ同志の端面上での接触がなく、所定の間隔を
保ったままで、軸合わせができるため、繰返しの切り替
えに対して信頼性の高い光スイッチを実現できる。また
更に、光軸合わせの際、フィードバック制御を利用して
軸合わせをおこなうため、熱などによる周囲環境の変化
に対して安定した特性を有する光スイッチを実現でき
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明に従う実施例の光スイッチの部分分解
斜視図、第２図は、第１図に示す光スイッチの光ファイ
バ保持部の斜視図、第３図は、第１図に示す光スイッチ
の光路切替え部材の斜視図、第４図は、光路切替え部材
と溝との位置関係を示す図、第５図、は光ファイバ保持
部の各製造工程に於ける状態を示す図、第６図は、Ｖ溝
内での光ファイバの位置状態を示す図及び第７図は、本
発明の実施例の光スイッチの測定系を示す図である。 １……光スイッチ、10……光ファイバ保持部、11、11
a、11b、22、23……光ファイバ、20……光路切替え部
材、30……移動機構、31……パルスモータ、35、36……
圧電素子、40……制御機構。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端に光源が接続される第１の光ファイバ
   と、 その一端が前記第１の光ファイバの他端に所定の間隔だ
   け離間して対向し、前記第１の光ファイバと光軸合わせ
   された第２の光ファイバと、 前記第１及び第２の光ファイバの間の離間部分に所定の
   隙間をもって挿入され、前記第１及び第２の光ファイバ
   の光軸方向に垂直な平面上で移動可能な光路切替え手段
   と、 前記第１の光ファイバの端面に対向し、その対向部近傍
   において前記第１の光ファイバの光軸に対して平行に伸
   び、前記光路切替え手段内にその対向部が固定される第
   ３の光ファイバと、 前記第２の光ファイバの前記離間部側端面に対向し、そ
   の対向部近傍において前記第２の光ファイバの光軸に対
   して平行に伸び、前記対向部近傍の光軸が前記第３の光
   ファイバの前記対向部近傍の光軸と一致し、前記光信号
   切替え手段内にその対向部が固定されている第４の光フ
   ァイバと、 前記光路切替え手段を前記第１及び第２の光ファイバの
   光軸方向に垂直な平面上で移動させる移動手段と、 前記第３光ファイバの前記対向部とは反対の端部からの
   光出力を検知し、その光出力が最大となるように前記移
   動手段を制御し、前記光信号切替え手段を移動させ、前
   記第１の光ファイバと前記第３の光ファイバの前記対向
   部との光軸合わせを行うことにより、前記光路切替え手
   段の前記対向部での前記第４の光ファイバの光軸と前記
   第２の光ファイバとの光軸との軸合わせを行う制御手段
   とを備える光スイッチ。
2. 【請求項２】前記第１及び第２の光ファイバがそれぞれ
   複数設けられ、それぞれが互いに平行に形成されたＶ溝
   内に挿入固定されている請求項１記載の光スイッチ。
3. 【請求項３】前記第１及び第２の光ファイバがそれぞれ
   １本の光ファイバの中間部分を切り取ることによって形
   成されている請求項１又は２記載の光スイッチ。
4. 【請求項４】前記移動手段がパルスモータと圧電素子と
   より構成されている請求項１、２又は３記載の光スイッ
   チ。