JP4680862B2 - 光スイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、光スイッチに関する。
光スイッチを実現するための技術の一つとして、マイクロミラーを用いたものが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。マイクロミラーを用いた従来の光スイッチを図8に示す。
図8に示す光スイッチは、入力ポート1aと、出力ポート1bと、入力側マイクロミラーアレイ2aと、出力側マイクロミラーアレイ2bとを備えている。入力ポート1aと出力ポート1bは、それぞれ2次元的に配列された複数の光ファイバからなり、マイクロミラーアレイ2a,2bは、それぞれ2次元的に配列された複数のマイクロミラー装置3a,3bからなる。なお、図8における矢印は光ビームの進行方向を示している。
ある入力ポート1aから出射した光信号は、この入力ポート1aに対応する入力側マイクロミラーアレイ2aのマイクロミラー装置3aにより反射偏向される。後述するように、マイクロミラー装置3aのミラーは2軸回りに回動可能に構成されており、マイクロミラー装置3aの反射光を出力側マイクロミラーアレイ2bの任意のマイクロミラー装置3bに向けることができる。同様に、マイクロミラー装置3bのミラーも2軸回りに回動可能に構成されており、ミラーの傾斜角を適当に制御することにより、マイクロミラー装置3bの反射光を任意の出力ポート1bに向けることができる。したがって、入力側マイクロミラーアレイ2aと出力側マイクロミラーアレイ2bのミラーの傾斜角を適当に制御することにより光路の切り替えを行い、2次元的に配列された任意の入力ポート1aと出力ポート1bとの間を接続することができる。
このような光スイッチの構成要素として最も特徴的なものがマイクロミラーアレイ2a,2bを有するマイクロミラー装置3a,3bである。従来より、マイクローミラー装置は、図9,図10に示すように、ミラーが形成されたミラー基板200と、電極が形成された電極基板300とが並行に配設された構造を有する(例えば、非特許文献1参照。)。
ミラー基板200は、板状の枠部210と、枠部210の開口内に配設された可動枠220と、可動枠220の開口内に配設されたミラー230とを有する。枠部210、トーションバネ211a,211b,221a,221b、可動枠220およびミラー230は例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー230の表面には例えば3層のTi/Pt/Au層が形成されている。一対のトーションバネ211a,211bは、枠部210と可動枠220とを連結している。可動枠220は、一対のトーションバネ211a,211bを通る図9の可動枠回転軸Xを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ221a,221bは、可動枠220とを連結している。ミラー230は、一対のトーションバネ221a,221bを通る図9のミラー回動軸Yを軸として回動することができる。可動枠回動軸Xよミラー回動軸Yとは、互いに直交している。結果として、ミラー230は、直交する2軸で回動する。
電極基板300は、板状の基部310と、段丘状の突出部320とを有する。基部310と突出部320は例えば単結晶シリコンからなる。突出部320は、基部310の上面に形成された角錐台の形状を有する第2テラス322と、第2テラス322の上面に形成された角錐台の形状を有する第1テラス321と、第1テラス321の上面に形成された柱状の形状を有するピボット330とから構成される。突出部320の四隅とこの四隅に続く基部310の上面には、4つの電極340a〜340dが形成されている。また、基部310の上面には、突出部320を挟むように併設された一対の凸部360a,360bが形成されている。さらに、基部310の上面には、配線370が形成されており、この配線370には、引き出し線341a〜341dを介して電極340a〜340dが接続されている。なお、基部310の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層311が形成されており、この絶縁層311の上に電極340a〜340d、引き出し線341a〜341d、配線370が形成されている。
以上のようなミラー基板200と電極基板300とは、ミラー230と電極340a〜340dとが対向配置されるように、枠部210の下面と凸部360a,360bの上面とを接合することにより、図10に示すようなマイクロミラー装置を構成する。このようなマイクロミラー装置においては、ミラー230を接地し、電極340a〜340dに正の駆動電圧を与えて、しかも電極340a〜340d間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー230を静電引力で吸引し、ミラー230を任意の方向へ回動させることができる。
T.Yamamoto, et al., 「a three-dimensional MEMS optical switching module having 100 input and 100 output ports」, Photonics Technology Letters, IEEE, Volume 15, Issue:10, pp1360-1362
従来の光スイッチにおいては、ミラー230の傾斜角を制御する制御装置(図示せず)は、任意の1の入力ポート1aから出射される光信号を任意の1の出力ポート1bから出射させる光路を形成するためのマイクロミラー装置3aとマイクロミラー装置3bとの組み合わせ(以下、「接続パス」という)毎に、この接続パスを実現するために必要な回動角にミラー230を駆動させるための駆動電圧を、接続パス毎記憶したテーブルを設けていた。これにより、制御装置は、スイッチング毎にテーブルを参照して、各接続パスのミラー230の駆動電圧を決定していた。
しかしながら、パス接続のための最適な駆動電圧は、ミラーのドリフトや温度などの環境変化等により変化することがあるため、単にテーブルを参照してミラー230の駆動電圧を決定したのでは、ミラー230を最適な回動角に駆動させることができない場合がある。ミラー230を最適な回動角に駆動できないと、光信号の強度が低下して、通信品質が低下する恐れがある。
そこで、本願発明は上述したような課題を解決するためになされたものであり、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる光スイッチを提供することを目的とする。
上述したような課題を解決するために、本発明に係る光スイッチは、入力光を入力する少なくとも1つの入力ポートと、出力光を出力する少なくとも1つの出力ポートと、駆動電圧を印加することにより、回動可能に支持されたミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置が複数配列されたミラーアレイと、1の入力ポートからの入力光を偏向させて1の出力ポートから出力させる回動角にミラーを傾斜させるときのミラー装置の駆動電圧を、入力ポートと出力ポートの組み合わせ毎に記録したテーブルと、このテーブルを参照して駆動電圧をミラー装置に供給することにより、所定の入力ポートに入力された入力光を選択的に任意の出力ポートから出力させる駆動手段と、出力光のパワーが最適値になるミラーの駆動電圧を検出する検出手段と、この検出手段により検出された駆動電圧に基づいて補正電圧を算出し、テーブルに記録された駆動電圧を補正する補正手段とを備え、補正手段は、ミラーアレイ内における、最適なミラー駆動電圧を検出した少なくとも2つのミラー装置と他のミラー装置との幾何学的な位置関係と、少なくとも2つのミラー装置の最適なミラー駆動電圧とに基づいて内挿または外挿により算出した補正電圧により、他のミラー装置の駆動電圧を補正することを特徴とする。
また、上記光スイッチにおいて、補正手段は、検出手段が駆動電圧を検出した時間駆動手段がミラー装置に駆動電圧を供給するためにテーブルを参照した時間との差分である経過時間と、この経過時間の関数とに基づいて算出した補正電圧により、テーブルに記録された駆動電圧を補正するようにしてもよい。
本発明によれば、出力光のパワーが最適値になるミラーの駆動電圧を検出し、この駆動電圧に基づいてテーブルを補正することにより、ミラーのドリフトや温度などの環境変化等によりミラーの最適な回動角が変化した場合であっても、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、図8〜図10を参照して背景技術の欄で説明した構成要素と同等の構成要素については同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[光スイッチの構成]
本実施の形態に係る光スイッチは、入力ポート1aと、出力ポート1bと、入力側マイクロミラー装置3aと、出力側マイクロミラー装置3bと、出力光測定装置4と、制御装置5とを備える。
出力光測定装置4は、出力ポート1bから出射された出力光の強度を検出し、電気信号に変換する。このような出力光測定装置4の構成例としては、出力光の一部を切り出して、フォトダイオードなどの受光素子で出力光の強度を測定する構成が考えられる。
制御装置5は、マイクロミラー装置3a,3bに駆動電圧を供給して、ミラー230を所定の角度に傾斜させる。また、駆動電圧に微小な変動を与え、ミラー230を摂動させることにより、ミラー装置3a,3bの最適な駆動電圧を求める。このような制御装置5は、駆動部51、検出部52、補正部53および記憶部54を備えている。
駆動部51は、記憶部54に記憶されている後述するLUT(Look Up Table)54bを参照して、各接続パスのマイクロミラー装置3a,3bの駆動電圧を取得し、これを対応するマイクロミラー装置3a,3bに供給することにより、ミラー230を所定の角度に傾斜させる。また、検出部52の指示に基づいて、駆動電圧に微小な変動を与え、ミラー230を摂動させる。
検出部52は、駆動部51に指示を出してミラー230を摂動させ、このときの出力光測定装置4の測定結果からミラー装置3a,3bの最適な駆動電圧を検出する。この駆動電圧は、駆動部51および補正部53に入力される。ここで、図2を参照して、最適な駆動電圧の検出方法の一例を説明する。
図2に示すように、ミラー230を摂動させるためにミラー装置3a,3bに供給する駆動電圧の範囲(以下、摂動電圧範囲という)を予め設定し、この摂動電圧範囲を数点(図2の場合は4点)で構成される一連の駆動点で分割し、各駆動点の電圧を順次ミラー装置3a,3bに供給してミラー230を摂動させることにより、最適な駆動電圧を探索する。具体的には、まず、ミラー装置3aに供給する駆動電圧を1つの駆動点に固定した状態で、ミラー装置3bに各駆動点の駆動電圧を供給してミラー230を摂動させる。これを、ミラー装置3aの各駆動点について行うことにより、ミラー装置3a,3bの駆動点の全ての組み合わせでミラー装置3a,3bのミラー230を摂動させる。このように摂動させ、各駆動点の全ての組み合わせにおける出力光測定装置4の測定結果から出力光パワーが最適となるミラー装置3a、ミラー装置3bの駆動点の組み合わせを探索する。この駆動点の駆動電圧を最適な駆動電圧として検出する。
補正部53は、検出部52により検出された最適な駆動電圧に基づいて、後述するLUT54bを補正する。
記憶部54は、制御装置5による動作に関する各種情報を記憶しており、初期情報54aと、LUT54bとを少なくとも備えている。
初期情報54aは、補正部53により補正されていない最初のLUT54bやミラーアレイ2a,2bにおける各ミラー装置3a,3bの配置等に関する情報からなる。
LUT54bは、マイクロミラーアレイ2aとマイクロミラーアレイ2bとの接続パス毎に、これらの接続パスを実現するために必要な回動角に対応するマイクロミラー装置3a,3bのミラー230を駆動させるための駆動電圧を記憶したテーブルからなる。このようなLUT54bの一例を図3に示す。この図3に示すようにLUT54bはマトリックスの構成を有し、行に符号A,B,C,D,E,F,…で示すマイクロミラー装置3aのレコードが、列に符号α,β,γ,δ,ε,ζ,…で示すマイクロミラー装置3bのレコードが設けられている。行方向のレコードと列方向のレコードとの交点のフィールドは、対応するマイクロミラー装置3a,3bのミラー230の駆動電圧が格納されており、それぞれは接続パスとして識別番号1,2,3,…が付されている。例えば、接続パス23は、ミラー装置Cとミラー装置γとの組み合わせからなる接続パスを意味しており、LUT54bの識別番号23のフィールドには、その接続パスを実現するために必要な回動角にミラー装置Cおよびミラー装置γのミラー230を駆動させるための駆動電圧が格納されている。なお、図9,図10に示すようなミラー装置の場合、1つのミラー装置に4つの電極340a〜340dが設けられているので、LUT54bには、1つの接続パスのフィールドに8つの駆動電圧が記憶される。
[光スイッチの動作]
次に、本実施の形態に係る光スイッチの動作について、図4を参照して説明する。まず、外部より任意の入力ポート1aに入力される光信号を任意の出力ポート1bから出力させるいわゆるスイッチング動作を行うようにとの指示を受信すると(ステップS1)、駆動部51は、その指示に対応する接続パスに含まれるマイクロミラー装置3a,3bの駆動電圧をLUT54bを参照して取得する(ステップS2)。
駆動電圧を取得すると、駆動部51は、その駆動電圧を対応するマイクロミラー装置3a,3bに供給して、ミラー230を傾斜させる(ステップS3)。すると、任意の入力ポート1aに入力された光信号は、マイクロミラー装置3a,3bのミラー230により反射されて、任意の出力ポート1bから出力され、スイッチング動作が行われる。
上述したようなスイッチング動作が行われると、検出部52は、駆動部51にそのスイッチング動作の接続パスに含まれるマイクロミラー装置3a,3bのミラー230を摂動させる旨の指示を出す。すると、駆動部51は、駆動電圧に周期的に変化する微小な電圧変化を与えて、そのミラー230を微小に摂動(振動)させる(ステップS4)。
摂動が行われると、検出部52は、出力光測定装置4により測定された出力ポート1bに入射した摂動が行われた状態の出力光のパワーに基づいて、出力光のパワーが最適な値となる駆動電圧を検出する(ステップS5)。
最適な駆動電圧を検出すると、検出部52は、駆動部51を介してその駆動電圧を対応するマイクロミラー装置3a,3bに供給する(ステップS6)。これにより、上記接続パスに含まれるマイクロミラー装置3a,3bのミラー230は、出力ポート1bから出射される出力光のパワーが最適な値となる角度に制御される。ここで、最適な出力光のパワーとは、入力光との光学的損失が最小になる出力光のパワー、または、システムからの要求に基づく所望の出力光のパワーを意味する。このような出力光のパワーが得られるミラーの回動角を実現するときの駆動電圧を、最適な駆動電圧という。
このとき、補正部53は、検出された駆動電圧に基づいて、LUT54bを補正する(ステップS7)。この補正動作について、以下に説明する。なお、以下においては、図3におけるミラー装置Cとミラー装置γとからなる接続パス23を接続する場合を例に説明する。ここで、LUT54bの接続パス23に対応するフィールドには、ミラー装置Cの駆動電圧としてVC23、ミラー装置γの駆動電圧としてVγ23が格納されているものとする。便宜上、VC23およびVγ23は、それぞれミラー装置Cおよびミラー装置γの電極340a〜340dに印加する各駆動電圧を総称するものとする。
例えば、検出部52により、出力光のパワーが最適な値となる任意の接続パスの駆動電圧が、LUT54bに記憶されている上記任意の接続パスの駆動電圧と異なる場合、補正部53は、LUT54bの駆動電圧を補正する。例えば、検出部52によりミラー装置Cおよびミラー装置γの最適な駆動電圧がそれぞれVC23’およびVγ23’であると検出されると、補正部53は、LUT54bの接続パス23のフィールドに格納されている駆動電圧VC23およびVγ23をVC23’およびVγ23’に置き換える。これにより、LUT54bに記憶されたミラー230の駆動電圧は、最適な駆動電圧を検出するたびに更新されるため、ミラーのドリフトや温度などの環境変化などにより最適な駆動電圧が変化した場合であっても、その変化に追従することができるので、結果として、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる。
なお、1つの接続パスの駆動電圧を補正した場合、他の接続パスの駆動電圧を補正するようにしてもよい。この方法としては、初期のLUT54bに格納されている駆動電圧と検出部52により検出された最適な駆動電圧との差分に基づいて補正する方法と、ミラーアレイ2a,2b内におけるミラー装置3a,3bの位置に基づいて補正する方法とが挙げられる。それぞれについて以下に説明する。
まず、差分に基づいて補正する場合、補正部53は、最適な駆動電圧を検出したミラー装置3a,3bが関連している駆動電圧、すなわち最適な駆動電圧が検出されたミラー装置が含まれる接続パスの駆動電圧に、上記差分を加算する。例えば、図3に示すLUT54bの接続パス23のフィールドに格納されているミラー装置Cの駆動電圧VC23をVC23’に置き換えたとき、補正部53は、VC23とVC23’との差分ΔVC23(ΔVC23=VC23’−VC23)を、ミラー装置Cのレコードの駆動電圧、すなわち、接続パス21,22,24,25,…のフィールドに格納されたミラー装置Cの駆動電圧に加算する。これにより、ミラードリフトなどミラー装置の電極340a〜340dに一定電圧が供給された場合においても、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる。
また、位置に基づいて補正する場合、補正部53は、最適な駆動電圧を検出したミラー装置3a,3bのミラーアレイ2a,2b内の幾何学的位置に応じて内挿または外挿することにより、対応するミラー装置3a,3bの駆動電圧を補正する。ここで、内挿および外挿について、図5,図6を参照して説明する。図5,図6は、ミラーアレイ2a,2b内におけるミラー装置3a,3bの直線距離または任意方向からの距離と駆動電圧とを表している。
例えば、図5に示すように、ミラーアレイ2a,2b内において距離l1と距離l5にあるミラー装置の駆動電圧が検出された場合、この2つの駆動電圧の値を通る直線の傾きに基づいて、距離l1と距離l5の間に位置するミラー装置、すなわち距離l2〜l4にあるミラー装置の駆動電圧を内挿により算出する。
また、例えば、図6に示すように、ミラーアレイ2a,2b内において距離l1と距離l2にあるミラー装置の駆動電圧が検出された場合、この2つの駆動電圧の値を通る直線の傾きに基づいて、距離l1および距離l2の外側に位置するミラー装置、すなわち距離l3〜l5にあるミラー装置の駆動電圧を外挿により算出する。
したがって、位置に基づいて補正する場合は、少なくとも2つのミラー装置の最適な駆動電圧が必要となる。上述したような方法によって駆動電圧を補正することにより、ミラー基板200の熱膨張した場合においても、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる。ミラー回動角と駆動電圧とは非線形的な関係にあるので、この非線形性を考慮し、内挿または外挿する場合に直線だけではなく多次関数のような曲線を用いて行うことも可能である。
なお、LUT54bが補正された(ステップS7)後、再びスイッチング指令を受信すると(ステップS1)、駆動部により補正されたLUT54bが参照される(ステップS2)が、ステップS7でLUT54bが補正されてからステップS2でLUT54bが参照されるまでの時間は、スイッチング指令の発信間隔により大きく異なり、場合によっては1年以上の長期にわたることもある。補正電圧が環境変化の影響を補正していることに鑑みると、LUT54bの補正電圧の正確さは、時間の経過と共に低下することが想定される。そこで、時間の経過と共に補正電圧の効果を低下させる、すなわち補正電圧の値を低下させるようにしてもよい。この低下させる度合いは、初期のLUT54bを補正する電圧を、最適電圧を検出してからの経過時間の関数として与えることによって設定するようにしてもよい。例えば、図7(a),(b)に示すように、経過時間が指定された時間内の場合だけ補正を行うようにしてもよい。また、図7(c)に示すように、指定された時定数で指数的に減少させるようにしてもよい。これにより、補正電圧の値をより最適な値とすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、検出部52によりミラー装置3a,3bの最適な駆動電圧を検出し、補正部53によりその最適な駆動電圧に基づいてLUT54bを補正することにより、ミラー230のドリフトや温度などの環境変化等によりミラー230の最適な回動角が変化した場合であっても、ミラー230を最適な回動角に駆動させることができる。
なお、初期情報54aに含まれる最初のLUT54bは、従来、ミラー装置の幾何学的関係とミラー230の電圧−角度特性とに基づいて作成していたが、最適な駆動電圧またはこの値に近い値を得られない場合がある。そこで、ミラーアレイ2a,2bのうち一部のミラー装置3a,3bについては上記ステップS4,S5に示す方法により最適な駆動電圧を検出し、残りのミラー装置3a,3bについては、上述した差分や位置に基づいて最適な駆動電圧を推定するようにしてもよい。これにより、LUT54bの作成作業が簡略化されるとともに、従来よりも最適な駆動電圧またはこの値に近い値を得ることができる。
また、本実施の形態では、最初のLUT54bと、更新されるLUT54bとを記録するようにしたが、更新されるLUT54bの替わりにミラー装置3a、3b毎に検出部52により検出された最適な駆動電圧と最初のLUT54bの値との差分を記録するようにしてもよい。この場合、補正部53は、接続パスに関連するミラー装置3a,3bの駆動電圧を最初のLUT54bから検出し、この値に接続パスに関連するマイクロミラー装置3a,3bの上記差分を加算することにより各駆動電圧を補正する。この補正した値は、駆動部51により対応するミラー装置3a,3bに供給される。このようにしても、ミラーのドリフトや温度などの環境変化などにより最適な駆動電圧が変化した場合であっても、その変化に追従することができるので、結果として、ミラーを最適な回動角に駆動させることができる。また、更新されるLUT54bを有する場合と比較して、記録するデータ量を減少させることができるので、ハードウェア資源を節約することができる。
本発明は、光スイッチやこの光スイッチを有する通信システムに適用することができる。
(a)は本発明の光スイッチの構成を模式的に示す図、(b)は制御装置の構成を模式的に示す図である。 (a)はミラー装置3aの摂動電圧の一例を示す図、(b)はミラー装置3bの摂動電圧の一例を示す図である。 LUTの一構成例を模式的に示す図である。 本発明の光スイッチの動作を示すフローチャートである。 内挿を説明するための図である。 外挿を説明するための図である。 (a)〜(c)は補正電圧の補正方法を説明するための模式図である。 光スイッチの構成を模式的に示す斜視図である。 ミラー装置の構成を模式的に示す斜視図である。 ミラー装置の構成を模式的に示す断面図である。
符号の説明
1a,1b…入力ポート、2a,2b…ミラーアレイ、3a,3b…マイクロミラー装置、4…出力光測定装置、5…制御装置、51…駆動部、52…検出部、53…補正部、54…記憶部、54a…初期情報、54b…LUT。

Claims (2)

  1. 入力光を入力する少なくとも1つの入力ポートと、
    出力光を出力する少なくとも1つの出力ポートと、
    駆動電圧を印加することにより、回動可能に支持されたミラーを所定の角度に傾斜させるミラー装置が複数配列されたミラーアレイと、
    1の前記入力ポートからの入力光を偏向させて1の前記出力ポートから出力させる回動角に前記ミラーを傾斜させるときの前記ミラー装置の前記駆動電圧を、前記入力ポートと前記出力ポートの組み合わせ毎に記録したテーブルと、
    このテーブルを参照して前記駆動電圧を前記ミラー装置に供給することにより、所定の前記入力ポートに入力された入力光を選択的に任意の前記出力ポートから出力させる駆動手段と、
    前記出力光のパワーが最適値になる前記ミラーの前記駆動電圧を検出する検出手段と、
    この検出手段により検出された駆動電圧に基づいて補正電圧を算出し、前記テーブルに記録された駆動電圧を補正する補正手段と
    を備え、
    前記補正手段は、前記ミラーアレイ内における、最適なミラー駆動電圧を検出した少なくとも2つのミラー装置と他のミラー装置との幾何学的な位置関係と、前記少なくとも2つのミラー装置の前記最適なミラー駆動電圧とに基づいて内挿または外挿により算出した前記補正電圧により、前記他のミラー装置の駆動電圧を補正する
    ことを特徴とする光スイッチ。
  2. 前記補正手段は、前記検出手段が駆動電圧を検出した時間と前記駆動手段が前記ミラー装置に前記駆動電圧を供給するために前記テーブルを参照した時間との差分である経過時間と、この経過時間の関数とに基づいて算出した前記補正電圧により、前記テーブルに記録された駆動電圧を補正する
    ことを特徴とする請求項1記載の光スイッチ。
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