JP4112440B2 - 光スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信設備において光路の切替に用いられる光スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光スイッチは光ファイバ等で伝達された光信号を電気に変換することなく、光のままで経路の切り換えをおこなうものであり、その方式の一つに跳ね橋型光スイッチがある。
これはポリマー導波路フィルムに片面から加工され、かつ他方の面までは貫通していない溝を加工し、駆動機構によりその溝を開閉させて光信号のスイッチングを行うものである。
導波路素材としては例えばフッ素化ポリイミドを用いており、駆動機構としてはピエゾ素子や電磁アクチュエータを採用している。
【0003】
即ち従来技術においては、溝の開放側から駆動機構によってフィルムに変位を加えると、溝が閉じて溝の隙間がなくなる。溝を閉じると溝表面が接触して光信号は溝部を透過し一方の出力ポートに出力される。
逆に反対側からフィルムに変位を加えると溝が開き、溝内に空気層が生じる。空気層が生じると光信号は溝表面で反射されて他方の出力ポートに出力される(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−174784号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
光スイッチでは光信号を一方の出力ポートに出力するときに、他方の出力ポートには光信号が漏洩しないのが望ましい。
漏洩する光をクロストーク光といい、クロストーク光が多いと他系統の信号に混じってしまうため伝送品質の低下となり、満足なデータ伝送ができなくなるためである。
【0006】
しかし、特許文献1に示した従来の光スイッチでは透過状態にしたときでも溝表面でわずかに反射が生じるため、他方の出力ポートに光が漏洩し、他方の出力ポートへのクロストーク光を完全に遮断することは難しい。
逆に、反射状態にした場合でも光がわずかに溝部を透過してしまうため、透過側出力ポートに光信号が漏洩してしまう。
【0007】
例えば、光スイッチが透過状態(溝が閉じた状態)のとき、反射側へのクロストーク量を−65dB以下とするには、計算では溝間隔を0.3nm以下とする必要がある。この値は分子レベルの大きさであり、これを安定して実現するのは困難である。
以上のように、跳ね橋型光スイッチではクロストーク特性の向上が課題となっている。
【0008】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、漏洩光を阻止することのできる光スイッチを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1に係る光スイッチは、板材と、駆動手段とを備え、板材は、その内部に線状に延びる光導波路と、この光導波路を横断するように設けられた切れ目からなるメインスイッチを有し、駆動手段は、切れ目の間隙を接近および離隔させることによって光の進路を選択するものであって、メインスイッチの出力ポート側に同じく切れ目からなるサブスイッチを設け、メインスイッチと同じ動作を行なうサブスイッチはメインスイッチと同じ面に形成するとともに、メインスイッチと反対の動作を行なうサブスイッチはメインスイッチと反対側の面に形成し、更に駆動手段はメインスイッチとサブスイッチを同時に駆動するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、図1を参照して、本発明の前提技術となる光スイッチについて説明する。図1に示すのは、この光スイッチに用いるポリマー光導波路3の部分である。このポリマー光導波路3は、切れ目として、ポリイミドフィルム1に鋭利な刃物で切断して形成した第1〜第3の切り込み6a〜6cを有している。
【0011】
このポリマー光導波路3においては、説明のために、第1および第2の入力ポート4a,4b、第1および第2の出力ポート5a,5bを図示しているが、入力ポートおよび出力ポートはより多く存在してもよい。
光導波路2は、各入力ポートと出力ポートに対応してポリイミドフィルム1の内部に多数形成されており、交差点8a〜8fで交差している。
図1には図示していないが、各交差点8a〜8fの近傍には、交差点部分を一方の側から圧迫する押圧手段が設けられている。押圧手段としては、たとえば、図2(a),(b)に示すような、プッシュロッド9である。
【0012】
図2(a),(b)を参照して、光路の切換え動作について説明する。図2(a),(b)は、光導波路2の交差点8a〜8fの部分を拡大して示したものである。
まず、プッシュロッド9がポリイミドフィルム1に押し当てられていない図2(a)の状態では、光導波路2を進んできた信号光は、切り込み6の部分で反射される。
一方、プッシュロッド9がポリイミドフィルム1に押し当てられた図2(b)の状態では、プッシュロッド9の圧迫によって上下の光導波路2同士が物理的に接合されるため、信号光は切り込み6のあった部分を無反射で透過することができる。
【0013】
再び、図1を参照して、引き続き、動作について説明する。たとえば、図1のポリマー光導波路3を備える光スイッチにおいて、交差点8a,8b,8e,8fにプッシュロッド9(図2参照)を押し当て、交差点8cのみを解放しておく。この場合、交差点8cにおいては、光導波路2が切り込み6aによって45°の角度で切断されているため、交差点8cでは、光信号が全反射される。その結果、第1の入力ポート4aから入射した信号光を第1の出力ポート5aに出力することができる。
【0014】
また、交差点8a,8dにプッシュロッド9を押し当て、交差点8bを解放した場合には、第1の入力ポート4aから入射した信号光を第2の出力ポート5bに出力することができる。
同様に、交差点8a〜8fの中から適宜選択した交差点のみにプッシュロッド9を押し当てることによって、第1および第2の入力ポート4a,4bからの入射光を第1および第2の出力ポート5a,5bのうちの任意の出力ポートに出力することができる。
【0015】
図3(a),(b)は別の形態による光スイッチの接続及び反射の切り換え原理を示す断面図であり、プッシュロッド9は、ポリイミドフィルム1の裏面すなわち切り込み6のある側と反対側の面において、押さえ板10の貫通穴11を通じて押すようになっている。
図3(a)に示すように、プッシュロッド9によって押さない状態では、切り込み6はふさがっており、光導波路2同士は接続状態である。
一方、図3(b)に示すように、プッシュロッド9で押すことによって、光導波路2は曲げられ、切り込み6の間隙の幅が、信号波長の1/4より大きく広がる。このようにして、光導波路2内を伝わってきた信号光は全反射するようになる。
【0016】
本願発明は上記前提技術に改良を加えたものであり、光信号を切り換えるメインスイッチとは別に、出力側ポートの光導波路に光導波路の透過と遮断を切り換えることのできるサブスイッチを設けることにより、漏洩光を阻止するものである。
図4はこの発明の実施の形態1による光スイッチを示す一部平面図であり、メインスイッチ12だけの場合には、非選択側ポートヘの光信号の漏洩を完全に防止することができない。
そこで、透過側、反射側の出力ポートにそれぞれサブスイッチ13a,13bを設ける。
【0017】
サブスイッチ13a,13bはメインスイッチ12と同様に光導波路2部に溝を形成し、それを駆動機構により開閉できるようにしたものである。
溝を閉じると光信号は光導波路2をそのまま透過し、溝を開くと溝表面で反射されるため、光導波路2は遮断される。
サブスイッチ13a,13bの駆動機構としては、例えばメインスイッチ12と同様の方法を用いることができる。
【0018】
メインスイッチ12の駆動方法としては、図3(a),(b)に示したものを採用することが考えられる。
即ちポリイミドフィルム1を穴の開いた押さえ板11で挟み、穴中央部にスイッチ部を配置して、溝部をポリイミドフィルム面外方向からアクチュエータにより開閉させるものである。
透過側、反射側それぞれのポートのサブスイッチ13a,13bにおいて、メインスイッチ12によって当該ポートが非選択側になったときには、溝を開放させて光導波路2を遮断して漏洩光の下流への流出を防止する。
【0019】
選択側ポートとなったときには、サブスイッチ13a,13bの溝を閉じて透過状態とし、信号出力を出力ポートに出力することができる。
サブスイッチ13a,13bはメインスイッチ12と同様にポリイミドフィルムに溝を形成した構造であり、駆動機構により溝を開閉する。
【0020】
跳ね橋型光スイッチは透過過剰損失が0.1dB以下と少ないことが特長の一つであり、同様の構造であるサブスイッチ13a,13bの透過過剰損失も同様な値である。
サブスイッチ13a,13bの追加によって、スイッチ部の透過過剰損失と反射損失は、サブスイッチ13a,13bの透過過剰損失分だけ増加することになるが、サブスイッチ13a,13bにおける損失は小さいので、サブスイッチ13a,13bの追加による損失の増大はわずかであり、スイッチ全体の性能を大きく落とすことはない。
【0021】
次に本発明による光スイッチの具体的な動作について、図5,図6に基づき説明する。
図5に示すように、メインスイッチ12部の溝が閉じているときは、入力信号は出力ポート14a側に出力される。このとき、メインスイッチ12で光信号がわずかに反射され、出力ポート14b側に漏れてしまうことが問題となる。出力ポート14a側サブスイッチ13aは溝を閉じておき、光信号の出力を妨げないようにする。
メインスイッチ12を透過状態にしても、出力ポート14b側に漏れる信号は、出力ポート14b側サブスイッチ13bの溝を開放することにより、出力ポート14b側光導波路2を遮断して出力ポート14bに出力されるのを防止する。
【0022】
次に図6に示すように、メインスイッチ12部の溝が開いているときは、入力信号は溝表面で反射し、出力ポート14b側に出力される。このとき、サブスイッチ13bは溝を閉じておき、光信号の出力を妨げないようにする。
メインスイッチ12の出力ポート14a側に漏れる信号は、サブスイッチ13aの溝を開放することにより、出力ポート14a側の光導波路2を遮断して、出力ポート14a側に出力されるのを防止する。
【0023】
以上のように本実施形態によれば、メインスイッチ12の出力ポート側にサブスイッチ13a,13bを組み込み、メインスイッチ12の状態に応じてサブスイッチ13a,13bの透過・反射を制御することで、光スイッチ全体としてクロストーク特性を向上させることができる。
【0024】
実施の形態2.
本実施形態においても、サブスイッチによってクロストーク特性の向上を図ることは実施の形態1と同じであるが、更にメインスイッチ12とサブスイッチ13a,13bを同一の駆動機構を用いて連動して動作させることを目的とする。
図4に示した光スイッチにおいて、2つのサブスイッチ13a,13bの状態はメインスイッチ12の状態に応じて図7に示すように一意的に決まる。
そこで出力ポート14a側のサブスイッチ13aはメインスイッチ12と同じ面に、出力ポート14b側のサブスイッチ13bはメインスイッチ12とは反対面に形成することで、メインスイッチ12の駆動機構を用いて同時にサブスイッチ13a,13bを駆動することができるようになる。
【0025】
図8、図9は出力ポート14a側のサブスイッチ13aの動作を説明するための側面図である。
図8において、駆動機構によりポリイミドフィルム1を下方に押し下げると、溝が閉じてメインスイッチ12は透過状態となる。このときサブスイッチ13aはメインスイッチ12とポリイミドフィルム1の同じ側に設けてあるので、ポリイミドフィルム1が押し下げられることにより、サブスイッチ13aの溝も閉じて透過状態となり、図5に示す状態となる。
逆に図9に示すように、ポリイミドフィルム1を押し上げて、メインスイッチ12の溝を開放して反射状態にすると、サブスイッチ13aの溝も開放状態となり、漏洩光を遮断することができ、図6に示す状態となる。
【0026】
次に図10、図11は出力ポート14b側のサブスイッチ13bの動作を説明するための側面図である。
図10において、駆動機構によりポリイミドフィルム1を下方に押し下げると、溝が閉じてメインスイッチ12は透過状態となる。このとき出力ポート14b側サブスイッチ13bはメインスイッチ12とポリイミドフィルム1の反対側に設けてあるので、ポリイミドフィルム1が押し下げられることにより、サブスイッチ13bの溝は開放され、漏洩光を遮断することができ、図5の状態となる。
逆に図11に示すように、ポリイミドフィルム1を押し上げてメインスイッチ12の溝を開放して反射状態にすると、サブスイッチ13bの溝は閉じて透過状態となり、図6に示す状態となる。
【0027】
このようにサブスイッチ13a,13bをメインスイッチ12の近傍に組み込んだ場合には、図8〜図11に示すように、メインスイッチ12のフィルム押圧部材でサブスイッチ13a,13bも同時に駆動できるので、アクチュエータを増やすことなく、サブスイッチ13a,13bを構成することができる。
【0028】
図12はメインスイッチ12とサブスイッチ13が離れている場合の光スイッチを示す側面図である。
図において、ポリイミドフィルム1は保持部材15によって保持され、又、駆動機構16には、メインスイッチ12とサブスイッチ13を同時に駆動することのできる押圧部材17が連結されている。このように構成することにより、メインスイッチ12とサブスイッチ13が離れている場合でも、図12のように押圧部材を連結し、それを駆動することで、アクチュエータを増やすことなくサブスイッチ13を追加できる。
なお、サブスイッチ13a,13bのフィルム1上での平面配置関係は実施の形態1の場合と同じである。
【0029】
以上のように本実施形態によれば、サブスイッチ13a,13bを組み込む際に、出力ポート14a側のサブスイッチ13aの溝はメインスイッチ12の溝とポリイミドフィルム1の同じ面に、又、出力ポート14b側のサブスイッチ13bの溝はメインスイッチ12の溝とは反対面に形成することにより、即ちメインスイッチ12と同じ動作を行なうサブスイッチ13aはメインスイッチ12と同じ面に形成し、メインスイッチ12と反対の動作を行なうサブスイッチ13bはメインスイッチ12と反対側の面に形成することにより、メインスイッチ12用の駆動機構を用いてサブスイッチ13a,13bを連動させて駆動することができる。
このように駆動機構を増やすことなくサブスイッチ13a,13bを組み込めるので、サブスイッチ組み込みによるコストアップが最小限に押さえられる。
【0030】
実施の形態3.
本実施形態においては、跳ね橋型光スイッチを用いた光クロスコネクトスイッチにサブスイッチを設けたものである。
光クロスコネクトスイッチは、図13に示すように、多数の入力ポート18−1,18−2,18−3をそれぞれ任意の出力ポート19−1,19−2,19−3に接続することができるようにしたものであり、サブスイッチの無い従来の跳ね橋型光スイッチでは、3入力、3出力の場合は図13に示すような構成となる。
図13において、メインスイッチは9箇所存在し、入力側光導波路と出力側光導波路との交点にそれぞれメインスイッチS11〜S33が配置される。
【0031】
図14においては、入力18−1と出力19−2、入力18−2と出力19−1、入力18−3と出力19−3の接続パターンを示している。このときメインスイッチS12、メインスイッチS21、メインスイッチS33が反射状態であり、その他のメインスイッチは透過状態である。
この接続パターンでは、スイッチS31、スイッチS32において、入力ポート18−3からの信号が、出力ポート19−1、出力ポート19−2に漏洩してしまう。
図13に示す構成にサブスイッチを追加することも考えられるが、非選択側ポートは遮断されてしまうため、図13に示す構成にサブスイッチを組み込むと、任意の接続パターンがとれなくなるという問題が発生する。
【0032】
本実施形態は、このような光クロスコネクトスイッチにもサブスイッチを設けて漏洩光を防ぐものであり、図15に示すように、各メインスイッチS11〜S33からの反射出力を、カプラ20を用いて出力ポート19−1,19−2,19−3に接続するとともに、メインスイッチS11〜S33の反対側にサブスイッチW11〜W33を設けたものである。これにより任意の接続パターンが可能となる。
図16においては、入力18−1と出力19−2、入力18−2と出力19−1、入力18−3と出力19−3の接続パターンを示している。これは従来スイッチを用いた図14の場合と同じ接続パターンである。
【0033】
従来スイッチで問題となった入力ポート18−3から出力ポート19−1及び出力ポート19−2への漏洩は、サブスイッチW31,W32によって遮断されるので、クロストーク特性が向上する。
なお、このクロスコネクトスイッチの場合には、反射状態における透過側ポートヘの漏洩光は、各出力ポート19−1,19−2,19−3に達することはなく、問題にならないので、サブスイッチは反射側のみに設ければ良い。
【0034】
図17はサブスイッチを組み込んだ別の形態による光クロスコネクトスイッチを示す回路図である。
図15においては、各メインスイッチ部からの反射側出力を、2入力のカプラ20で出力ポートに連結した場合を示したが、図17は多入力のカプラ(図では3入力)21を用いて一括して出力ポートに連結したものである。
【0035】
以上のように本実施形態によれば、各メインスイッチの反射側ポートにサブスイッチを組み込み、サブスイッチの出力側をカプラによって各出力ポートに接続するようにしたので、光クロスコネクトスイッチにおいてもサブスイッチの組み込みを可能にした。
これによりクロストーク特性の優れた光クロスコネクトスイッチを実現できる。
【0036】
実施の形態4.
図18はこの発明の実施の形態4による光スイッチにおけるサブスイッチ部を示す平面図、図19は同じく側面図である。
サブスイッチ13は、溝を開放して光導波路2を遮断することで漏洩光の流出を防止する。
そしてサブスイッチ13の溝表面を光導波路2の光軸に対して垂直方向から傾けることで、サブスイッチ13で反射された漏洩光が入力ポートに戻ってしまうことを防止することができるようになる。
傾斜の方向としては、図18に示すように、フィルム1の平面方向に対して傾ける場合と、図19に示すように、フィルム1の側面方向に対して傾ける場合がある。
【0037】
光ファイバは中央の核をなすコア部と、その周囲を囲むクラッド部からなり、コア部の屈折率をクラッド部よりもわずかに大きくすることにより、光がコアとクラッドの境界で全反射することを利用して光信号をコア内に閉じ込めて伝送させている。しかし、ある一定角度以上でコアからクラッドに入射した場合は境界面で全反射しなくなる。
そこでサブスイッチ13を構成する溝をコアに対して垂直から傾けることにより、サブスイッチ13での反射光は斜め方向に反射して臨界角より大きな角度となるので、不要な反射光はコアからクラッドに放出されて消失する。
【0038】
コアとクラッドの屈折率をそれぞれn1、n2、コアからクラッドヘ光が入射する場合の入射角をa1、屈折角をa2とすると、スネルの法則により、
nlSina1=n2Sina2
が成立する。
全反射しないための条件は、屈折角a2が90°以下の条件を満足しなければならないので、
Sina1<n2/n1
なる式が成立することになる。
【0039】
コアとクラッドの屈折率差は通常0.3%〜2%であるから、
n1=(1.003〜1.02)n2となり、
1/1.02<Sina1<1/1.003となる。
この式を満足するa1を求めることにより、全反射しないための最大の入射角a1は78°〜86°となる。
従ってサブスイッチ13をコアに対して90°から(90−86)°〜(90−78)°、即ち4°〜12°傾けることで、サブスイッチ13での反射戻り光は光導波路を伝搬しなくなり、不要な反射光を消失させることができる。
これよりも大きく傾けても反射戻り光を消失させることはできるが、サブスイッチ13の透過時の損失が大きくなってしまうため、必要最低限の傾きが望ましい。
【0040】
以上のように本実施形態によれば、サブスイッチ13の溝を光導波路2の光軸に対して垂直な方向から傾け、更には光導波路2の光軸に対する傾きが、光軸に垂直な方向から4°〜12°にしたことにより、溝を開放して漏洩光を遮断した場合に、入力ポートに漏洩光が反射するのを防止することができる。
【0041】
【発明の効果】
この発明の請求項1に係る光スイッチによれば、板材と、駆動手段とを備え、板材は、その内部に線状に延びる光導波路と、この光導波路を横断するように設けられた切れ目からなるメインスイッチを有し、駆動手段は、切れ目の間隙を接近および離隔させることによって光の進路を選択するものであって、メインスイッチの出力ポート側に同じく切れ目からなるサブスイッチを設け、メインスイッチと同じ動作を行なうサブスイッチはメインスイッチと同じ面に形成するとともに、メインスイッチと反対の動作を行なうサブスイッチはメインスイッチと反対側の面に形成し、更に駆動手段はメインスイッチとサブスイッチを同時に駆動するようにしたので、光の漏洩を低減することができるとともに、メインスイッチ用の駆動機構を用いてサブスイッチを連動させて駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の前提技術となる光スイッチの斜視図である。
【図2】 本発明の前提技術となる光スイッチの接続/反射の切換え原理説明図(a),(b)である。
【図3】 本発明の前提技術となる光スイッチの接続/反射の切換え原理説明図(a),(b)である。
【図4】 この発明の実施の形態1による光スイッチの平面図である。
【図5】 この発明の実施の形態1による光スイッチの平面図である。
【図6】 この発明の実施の形態1による光スイッチの平面図である。
【図7】 この発明の実施の形態2による光スイッチのメインスイッチとサブスイッチとの関係を示す表である。
【図8】 この発明の実施の形態2による光スイッチを示す側面図である。
【図9】 この発明の実施の形態2による光スイッチを示す側面図である。
【図10】 この発明の実施の形態2による光スイッチを示す側面図である。
【図11】 この発明の実施の形態2による光スイッチを示す側面図である。
【図12】 この発明の実施の形態2による光スイッチを示す側面図である。
【図13】 この発明の実施の形態3による光スイッチを示す平面図である。
【図14】 この発明の実施の形態3による光スイッチを示す平面図である。
【図15】 この発明の実施の形態3による光スイッチを示す平面図である。
【図16】 この発明の実施の形態3による光スイッチを示す平面図である。
【図17】 この発明の実施の形態3による光スイッチを示す平面図である。
【図18】 この発明の実施の形態4による光スイッチを示す平面図である
【図19】 この発明の実施の形態4による光スイッチを示す側面図である。
【符号の説明】
2 光導波路、12 メインスイッチ、13a,13b サブスイッチ、14a,14b 出力ポート、18 入力ポート、19 出力ポート、20,21 カプラ。
Claims (4)
- 板材と、駆動手段とを備え、上記板材は、その内部に線状に延びる光導波路と、この光導波路を横断するように設けられた切れ目からなるメインスイッチを有し、上記駆動手段は、上記切れ目の間隙を接近および離隔させることによって光の進路を選択する光スイッチにおいて、上記メインスイッチの出力ポート側に同じく切れ目からなるサブスイッチを設け、上記メインスイッチと同じ動作を行なう上記サブスイッチは上記メインスイッチと同じ面に形成するとともに、上記メインスイッチと反対の動作を行なう上記サブスイッチは上記メインスイッチと反対側の面に形成し、更に上記駆動手段は上記メインスイッチと上記サブスイッチを同時に駆動することを特徴とする光スイッチ。
- 板材と、駆動手段とを備え、上記板材は、その内部に線状に延びる光導波路と、この光導波路を横断するように設けられた切れ目からなるメインスイッチを有し、上記駆動手段は、上記切れ目の間隙を接近および離隔させることによって光の進路を選択する光スイッチにおいて、複数の入力ポート及び出力ポートを有し、上記メインスイッチの反射側ポートにのみ同じく切れ目からなるサブスイッチを設けるとともに、上記サブスイッチの出力側をカプラによって上記出力ポートに接続したことを特徴とする光スイッチ。
- 上記サブスイッチを構成する上記切れ目が上記光導波路の光軸の法線に対し傾き角をもって構成したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の光スイッチ。
- 上記傾き角は4°〜12°であることを特徴とする請求項3記載の光スイッチ。
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