JPH027014A - 光スイッチの切替制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、伝搬光の光路を切り替える光スイッチの切替
制御方法に関するものである。

（従来の技術） 従来より、伝搬光の光路の切り替えを行なうために種々
の方法を採用した光スイッチが知られており、これらの
中に制御電圧をオン、オフして発生する静電力を用いる
ことによって光路を切り変える光スイッチが提案されて
いる（特願昭６３−２４０４４号）。

第２図は、従来の制御電圧をオン、オフして伝搬光の光
路を切り替える方法を採用した光スイッチの構成図であ
る。第２図において、１は導電性材料からなる振動板、
２は振動板１の先端に振動板１の変位方向に突出する如
く設けられ、伝搬光を反射または遮断するエレメント、
３は振動板１とは異なる導電性材料からなり、振動板１
面に対向する如く平行にかつ隣接して配置された平板、
４は半導体または絶縁体の層、５はスイッチ、６は振動
板１と平板３間に制御電圧を印加するための電源であり
、このような構成を有する光スイッチは、例えば先導波
路７−１と光導波路７−２間に設けられた間隙中をエレ
メント２がそれ自体の変位により出入りできるように配
置される。

第２図においては、振動板１と平板３間に印加する＄−
Ｉ７１電圧がオフのときは、例えば、光導波路７−１を
伝搬してきた光はエレメント２によって遮断される。一
方、振動板１と平板３間に印加する制御電圧をオンにす
ると、両者間に働く静電力によって振動板１の先端に設
けられたエレメント２が変位する。これにより、光導波
路７−１を伝搬してきた光は直進して先導波路７−２に
伝搬される。

また、第３図に示すように、光導波路７−３〜７−６の
交差部の間隙中に光を反射する機能を有するエレメント
２′を配置し、前述と同様の方法、即ち制御電圧をオン
、オフしてエレメント２′を変位させることにより、２
×２の光スイッチを実現したものも提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記方法によれば、振動板１と平板３間
に印加する制御電圧をオン、オフして振動板１が変位す
るときに、第４図（ａ）　、　（ｂ）に示すような、チ
ャタリングと呼ばれる現象が生じてしまう。このチャタ
リングという現象は、制御電圧をオンまたはオフにした
後に、振動板１が直にその制御電圧に対応した変位量分
、変化するのではなく、大きな振動（減衰振動）をしな
がら、最終的に制御電圧に対応した変位量分、変位する
現象である。従って、この振動が減衰し、光出力が一定
レベルになるまでは、光路を切り替えたことにはならず
、このため、光スイッチの切り替え速度はチャタリング
によって制限されてしまい、切り替え速度を速（するこ
とができないという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、制御電圧オン、オ
フ時に発生するチャタリングを抑制でき、切り替え速度
の速い光スイッチを実現できる光スイッチの切替制御方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、制御電圧
のオン、オフにより変位する振動部材と、前記振動部材
の先端に該振動部材が変位することにより伝搬光を反射
または遮断するエレメントとを備えた光スイッチの切替
制御方法において、前記制御ｉ１１！電圧をオンにする
前に前記振動部材の固有振動周期より短い第１の予備電
圧パルスを前記振動部材に印加し、かつ、前記制御電圧
をオフにした後に前記振動部材の固有振動周期より短い
第２の予［電圧パルスを前記振動部材に印加するように
した。

また、請求項（２）では、請求項（１）における第１の
予備電圧パルスが次式 ％式％）） ５Ｉｎ（ω（τ■／２＋τ２））≦（ａ　　−１）／４
を満足し、かつ、第２の予備電圧パルスが次式％式％）
） を満足するようにした。

（作　用） 請求項（１）によれば、例えば制御電圧をオンにして光
路を切り替える場合、まず第１の予備電圧が振動部材に
印加されて振動部材が変位し、続いて変位速度が零とな
る位置付近で制御電圧がオンにされて振動部材に印加さ
れ、これにより、光路を切り替えるに必要な位置付近で
、振動部材及びエレメントは小さな振幅で振動すること
になる。

一方、この状態から制御電圧をオフにして光路を遮断す
る場合は、制御電圧がオフにされて振動部材が変位し、
この変位途中で第２の予備電圧が振動部材に印加されて
変位速度が減速され、これにより、光路を遮断するに必
要な位置付近で変位速度が零となり振動部材及びエレメ
ントは、小さな振幅で振動することになる。

また、請求項（２）によれば、例えば制御電圧をオンに
して光路を切り替える場合、まず次式％式％）） 近で振動部材及びエレメントは小さな振幅で振動するこ
とになる。

一方、上記状態から制ａｌ電圧をオフにして光路を遮断
する場合は、制御電圧がオフにされて振動部材が変位し
、この制御電圧がオフにされたから時間τ３経過後の変
位途中で、次式 ％式％）） を満足する第１の予備電圧パルス（電圧値Ｖ１）が振動
部材に印加されて、振動部材が変位し、これから、変位
途中である時間τ１経過後に第１の予備電圧がオフにさ
れる。振動部材は、慣性でさらに変位し、時間τ２経過
後に、光路を切り替えるに必要な位置付近に変位して変
位速度が零となり、この時点で制御電圧（電圧値Ｖ）が
振動部材に印加され、これにより、制御電圧の印加位置
付を満足する第２の予備電圧パルス（電圧値ｖ２）が時
間τ４だけ振動部材に印加されて、変位速度が減速され
、これにより、光路を遮断するに必要な位置付近で変位
速度が零となり、この位置付近で振動部材及びエレメン
トは小さな振幅で振動することになる。

（実施例） 第１図は本発明方法を採用した光スイッチの一実施例を
示す構成図であって、従来例を示す第２図と同一構成の
ものは同一符号をもって表す。即ち、１は振動板、２は
エレメント、３は平板、４は半導体または絶縁体の層で
、エレメント２は先導波路７−１と光導波路７−２間に
設けられた間隙中を変位することにより出入りできるよ
うに配置棺れている。

ｌＯは印加電圧制御回路で、例えば先導波路７−１を伝
搬してきた光を光導波路７−２に伝搬させるときは、時
間τ１だけ振動板１の固有振動周期Ｔより短い第１の予
備電圧パルス（電圧値ｖ１）をオンにして振動板１と平
板３間に印加し、この第１の予備電圧パルスをオフにし
てから、時間τ２経過後に制御電圧（電圧値Ｖ）をオン
にし、かつ、この状態から光導波路７−１の伝搬光を遮
断するときは、制御電圧をオフにしてから時間τ３経過
後に、第２の予備電圧パルスを振動板１の固有振動周期
Ｔより短い第２の予備電圧パルス（電圧値ｖ２）を時間
τ４だけオンして振動板１・と平板３間に印加する。

次に、上記構成による動作を第５図（ａ）　、（ｂ）に
基づいて説明する。

例えば、光導波路７−１の伝搬光を先導波路７−２に伝
搬させる場合、まず、印加電圧制御回路１０は、第１の
予備電圧パルスをオンにして振動板１と平板３間に印加
し、振動板１を平板３の方向に変位させて、時間τ１経
過したならば第１の予備電圧パルスをオフにする。この
時、振動板１は電圧が印加されないときの位置（以下、
原点と称す）から光路を切り替えるに必要な変位ｍｙ。

（−ｅＶ；ｃは定数）に達する前、例えば変位量ｙ１で
第１の予備電圧パルスがオフにされることになるが、振
動板１は慣性で変位を続け、変位量はｙ　からｙｏへ増
加し、時間τ２経過して変位量ｙ。付近で振動板１の変
位速度が零になる（第１の予備電圧の値が予め設定され
ている）。続いて、印加電圧制御回路１０は、時間τ２
経過した時点で、制御電圧をオンにして振動板ｌと平板
３間に印加する。これにより、振動板１及びエレメント
２は３／０変位した付近において小さな振幅で振動する
ことになり、光出力レベルの変動も小さくチャタリング
が抑制されて、光路の切り替えが速やかに行なわれるこ
とになる。

一方、上記状態において、先導波路７−１から光導波路
７−２への伝搬光を遮断する場合、印加電圧制御回路１
０は、制御電圧をオフにして、振動板１を原点方向に変
位させて、時間τ３経過したならば、第２の予備電圧パ
ルスをオンにして振動板１と平板３間に時間τ４だけ印
加する。この時、振動板１は原点に達する前、例えば変
位量ｙ２で第２の予（ｉｉＪ電圧パルスが印加されるこ
とになるが、この第２の予備電圧パルスの印加により、
変位速度が減速されて、徐々に原点に近づき時間τ４後
に第２の予備電圧パルスがオフにされた時点で原点付近
となって変位速度が零になる。これにより、振動板１及
びエレメント２は、原点付近において、小さな振幅で振
動することになり、チャタリングが抑制されて、速やか
に光路の遮断が行なわれることになる。

次に、第１の予備電圧パルスと第２の千１９圧）５ルス
を印加して、最適にチャタリングを抑制する方法につい
て第５図（ａ）　、　（ｂ）に従い順を追って説明する
。なお、以下の説明では前述した第４図から明らかなよ
うに、固有振動周期Ｔに比較して振動の減衰時間は十分
に長いため振動の減衰項は無視した。

まず、制御電圧オン時におけるチャタリングを抑制する
条件は以下のようになる。

ｔ　≦ｔ≦ｔ２では、 ｄ　　ｙ／ｄｔ２＋ω２　（３／−ｅＶ　　）＝０とな
る。ここで、ω−２π／Ｔ、Ｔは固有振動周期である。

この微分方程式をｔ−ｔ　１でｙ（ｔｌ）−０、ｄｙ　
（ｔｌ）／ｄｔ−０という境界条件のもとで解くと、 ｙ（ｔ）＝　ｃＶｌ　　（１−ｃｏｓ　（ω（ｔ−ｔｌ
　）））　　　・＝　−（１）ｄｙｅ）／ｄｔ　−ｅＶ
　　・ω・５ｉｎ（ω（ｔ−ｔｌ）Ｌ”　−（２）■ となる。

また、ｔ　≦ｔ≦ｔ３では、 ｄ　ｙ／ｄｔ２＋ω２ｙ−０ となる。この微分方程式を１−１２で解が連続であると
いう条件、即ち、 ｙ（ｔ　　）　＝ｃＶ　　・（１−ｃｏｓ　（ω（ｔ２
−ｔｌ　）））ｄｙ（ｔ　　）／ｄｔ＝　ｅＶ　　・ｗ
　・５ｉｎ（ω（ｔ２−１ｌ　））という境界条件のも
とで解くと、 ｙ（ｔ）　＝　ｅＶ　　ＩＩｃｏｓ　　（ω（ｔ−ｔ２
　））　−■ ｃｖ−ｃｏｓ（ω（１−１１））・・・・・・（３）ｄ
ｙ（ｔ）／ｄｔ−ｅ’／　　・ω・（ｓｉｎ　（ω（ｔ
−ｔｌ　））　−ｓｉｎ　　（ω（ｔ−ｔ　　）））　
　　・”　−（４）となる。

さらに、ｔ３≦ｔでは、 ｄ　　ｙ　／　ｄ　ｔ　　＋　ω（ｙ　−ｃ’／　ｔ　
）　−０となる。この微分方程式を１−１３で解が連続
であるという条件、即ち、 ｙ（ｔ）＝ｃＶ　　・ｃｏｓ　　（ω（ｔＢ−１２））
−ｃＶｌ　　＠ｃｏｓ　　（（ＩＪ　（ｔＢ　−ｔｌ　
））ｄｙ（ｔ　　）／ｄｔ−ｅＶ　　・ω・（ｓｉｎ　
（ω（ｔＢ−１１））　−ｓｉｎ　　（ω（ｔｓ−ｔ２
））） という境界条件のもとで解くと、 ｙ（ｔ）　−−ｅＶφｃｏｓ　　（ω（ｔ−ｔｓ　））
＋ｅＶ　　　　争　ｃｏｓ　　　（ω　（１−１２））
−■ ｃＶ　　−ｃｏｓ　　（ω（ｔ−ｔｌ））　＋　ｅＶ　
　−（５）ｄｙ（ｔ）／ｄｔ　−ｃ　・ω・（Ｖ−ｓｌ
ｎ　　（ω（ｔ−ｔＢ　））＋Ｖ　　−５ｉｎ　　（（
４）　（ｔ−ｔｌ　））−Ｖ　　・ｓｉｎ　　（（ＩＪ
　（ｔ−ｔ２　）））　　−（６）となる。式（５）か
ら、ｔ３≦ｔで、振動板１はＣＶ（−ｙ）の位置を中心
に振幅Ａ１で振動する。

その振幅Ａ１は、次式（７）となる。

Ａ　　＝　２ｅＶ・（１／４−（Ｖ　　／Ｖ）　　・５
ｉｎ（ωｒ１／２）ｓｉｎ（ω（τ　／２＋τ　））＋
　（（Ｖ１／Ｖ）ｓｉｎ（ωｒ　　／２））２）　”２
−−　（７）ま ただし、τ　調１　−１　　、τ２■ｔ　　　ｔ２であ
る。従って、制御電圧をオンにしたとき、振動板１が振
動してもその変位がｃＶ・（１−ａ）以下にならないよ
うにすれば、この値に対応した光出力で光路の切り替え
が判断できる。この条件より、第１の予備電圧パルスの
満足すべき印加条件は、 （（Ｖ　　／Ｖ）　　・５ｌｎ（ωｒ　　／２））２−
（Ｖ　　／Ｖ）Ｓ１ｎ（ωτ／２）・５１ｎ（ω（τ１
／２＋ｒ２））≦（ａ２−１）ハ　　　　　　　　　・
・・・・・・・・（８）となる。この場合、ａは０≦ａ
＜１である。

同様に、制御電圧オフ時におけるチャタリングを抑制す
る条件は、以下のようになる。

ｔ　≦ｔ≦ｔ５では、 ｄ　ｙ／ｄｔ２＋ω２ｙ−０ となる。この微分方程式をｔ−ｔ４でｙ　（ｔ　４　）
＝　ｃ　Ｖ　、　ｄ　ｙ　（ｔ　４　）　／　ｄ　ｔ　
＝　０という境界条件のちとで解くと、 ｙ（ｔ）−ｃＶ・ｃｏｓ（ω（ｔ−ｔ　　））　　　　
−（９）ｄｙ（ｔ）／ｄｔ　−−ｅＶ　・ω譬５１ｎ（
ω（ｔ−ｔ４　））−（１０）となる。

また、ｔ５≦ｔ≦ｔａでは、 ｄ　　ｙ／ｄｔ２＋ω２（ｙ−ｅＶ　　）　−０となる
。この微分方程式をｔ　”　ｔ　ｓで解が連続であると
いう条件、即ち ｙ（ｔ）＝ｃＶ・ｃｏｓ（ω（ｔｓ−ｔ４　））ｄ）’
（ｔ）／ｄｔ−−ｃｌ／　ｅ　（１）　・５１ｎ（ω（
ｔｓ　−ｔ４　））という境界条件のもとで解くと、 ｙ（ｔ）＝　−ｅＶ　　・ｃｏｓ（ω（ｔ−ｔｓ））＋
ｅＶ−ｃｏｓ（ω（ｔ−ｔ　　））＋　ＣＶ２−（１１
）ｄｙ（ｔ）／ｄｔ＝　ｃ　・ω・（Ｖ　　−５ｉｎ（
ω（ｔ−ｔｓ　））−Ｖ−ｓｌｎ（ω（ｔ−ｔ４）））
　　−・＝　＝　（１２）となる。

さらに、ｔ６≦ｔでは、 ｄ　　ｙ／ｄｔ２＋ω２ｙ−０ となる。この微分方程式を１−１５で解が連続であると
いう条件、即ち、 ｙ（ｔ）−−ｅＶ　　・ｃｏｓ（ω（ｔＢ−１５））＋
ｅＶφｃｏｓ　（ω（ｔＢ−ｔ４　））＋ｃＶ２ｄｙ（
ｔ）／ｄｔ　−ｃ　・ω・（Ｖ　　−５ｉｎ（ω（ｔＢ
　−ｔｓ　））　−Ｖ−５ｉｎ（ω（ｔｏ　−ｔ４　）
））という境界条件のもとで解くと、 ｙ（ｔ）　−ｅＶ　　・ｃｏｓ　（ω（ｔ−ｔ　　））
　　ｃＶ２ｃｏｓ（ω（ｔ−ｔ　　））＋ｃＶ・ｃｏｓ
　（ω（１−１４））・・・・・・（１，３） ｄｙ（ｔ）／ｄｔ−ｃ　・ω・（−Ｖ２　　・５ｉｎ（
ω（ｔ−ｔ６））十Ｖ２　・５ｌｎ（ω（ｔ−ｔ５　）
）−Ｖ−ｓｌｎ（ω（ｔ−ｔ４　）））・・・・・・（
１４） となる。式（１３）から、ｔ６≦ｔで、振動板１は変位
零の位置（原点）を中心に振幅Ａ２で振動する。

その振幅Ａ２は次式（１５）となる。

Ａ　　−２ｃＶ・（ｉ−（Ｖ　　／Ｖ）　・５１ｎ（ω
ｒ、　／２）ｓｆｎ（ω（ｒ　　＋　ｒ　　／２））＋
　（（Ｖ２／Ｖ）ｓｉｎ（ωｒ　　／２＞）２）　”２
・・・・・（１５）ただし、τ　鯵１　−１　　、τ４
　”　ｔ　ｅ　　ｔ　ｓである。従って、制御電圧をオ
フにしたとき、振動板１が振動してもその変位がｂ＊ｃ
Ｖ以上にならないようにすれば、この値に対応した光出
力で光路の切り替えが判断できる。この条件より、第２
の予８１４圧パルスの満足すべき印加条件は、（（Ｖ　
　／Ｖ）　　・５ｉｎ（ωｒ　　／２））　　　（Ｖ２
／Ｖ）ｓｌｎ（ωｒ　　／２）　　φ５１ｎ（ω（ｒ　
　＋　ｒ　４　／２））≦（ｂ２−１）ハ　　　　　　
　　　・・・・・・・・・（ＩＢ）となる。この場合、
ｂは０≦ｂ＜１であり、さら１こｃＶ・（１−ａ）＞ｂ
争ｃＶ　（ａ＋ｂ＜１）となる。

以上ニヨリ、例えばＶｌ−ｍＶ２−Ｖでａ−ｂ＝０の場
合、上記式（８）・式（１Ｂ）より、ｒ　　−ｒ　　−
ｒ　　−ｒ４＝Ｔ／６　−・・（１７）とすれば振動板
１は振動せずに変位する。

従って、振動板１の固有振動周期Ｔを測定して上記式（
１７）を満足するように、第１．第２の予備電圧を印加
すれば、チャタリングの抑制が最適に行なわれる。

第６図は、上記方法に基づいて行なった実験結果を示す
図である。第６図（ａ）は、第１及び第２の予備電圧パ
ルスを印加しないで実験を行なった結果であり、この場
合にはチャタリングが生じていることがわかる。この時
の固有振動周期はＴ−１３ＩＩＳである。

第６図（ｂ）は、第１及び第２の予備電圧ノくルスを印
加して実験を行なった結果であり、この場合にはチャタ
リングが抑制できていることがわかる。

この時、τ１−τ２−τ３１ｍτ４−２．２ＩＩＳ１Ｖ
１＝ｖ２−ｖ霞８１．５Ｖである。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、制御電圧
のオン、オフにより変位する振動部材と、前記振動部材
の先端に該振動部材が変位することにより伝搬光を反射
または遮断するエレメントを備えた光スイッチの切替制
御方法において、前記制御電圧をオンにする前に前記振
動部材の固有振動周期より短い第１の予備電圧パルスを
前記振動部材に印加し、かつ７、前記制御電圧をオフに
した後に前記振動部材の固有振動周期より短い第２の予
備電圧パルスを前記振動部材に印加するようにしたので
、制御電圧をオンにした時及びオフにした時に発生する
チャタリングを抑制することができ、これにより、光ス
イッチの切り替え速度の向上を図れる利点がある。

また、請求項（２）によれば、第１及び第２の予（ｉｌ
１ｍ圧が最適な条件を満足して印加されるため、請求項
（１）より、より確実なチャタリグの抑制を行なうこと
ができ、光スイッチの性能のより一層の向上を図れる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を採用した光スイッチの一実施例を
示す構成図、第２図は従来方法を採用した光スイッチの
構成図、第３図は２×２光スイツチの説明図、第４図は
従来の光スイ・ソチの切替特性図、第５図は本発明に係
る動作及び第１及び第２の予備電圧パルスの印加条件の
説明図、第６図は本発明に基づく実験結果を示す波形図
である。 図中、１・・・振動板、２・・・エレメント、３・・・
平板、４・・・半導体または絶縁体の層、１０・・・印
加電圧制御回路。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　吉　　１）　精　　孝第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）制御電圧のオン、オフにより変位する振動部材と
   、前記振動部材の先端に該振動部材が変位することによ
   り伝搬光を反射または遮断するエレメントとを備えた光
   スイッチの切替制御方法において、 前記制御電圧をオンにする前に前記振動部材の固有振動
   周期より短い第１の予備電圧パルスを前記振動部材に印
   加し、 かつ、前記制御電圧をオフにした後に前記振動部材の固
   有振動周期より短い第２の予備電圧パルスを前記振動部
   材に印加する ことを特徴とする光スイッチの切替制御方法。
2. （２）前記第１の予備電圧パルスが次式 （（Ｖ＿１／Ｖ）・ｓｉｎ（ωτ＿１／２））＾２−（
   Ｖ＿１／Ｖ）・ｓｉｎ（ωτ＿１／２）・ｓｉｎ（ω（
   τ＿１／２＋τ＿２　））≦（ａ＾２−１）／４ 〔ただし、τ＿１は電圧Ｖ＿１の第１の予備電圧パルス
   を印加する時間 τ＿２は電圧Ｖ＿１と電圧Ｖを加える間の電圧零の時間 ω＝２π／Ｔ Ｔは固有振動周期 ａは制御電圧オン後の振動部材の許容振幅を表すパラメ
   ータ（０≦ａ＜１）〕 を満足し、かつ、前記第２の予備電圧パルスが次式 （（Ｖ＿２／Ｖ）・ｓｉｎ（ωτ＿４／２））＾２−（
   Ｖ＿２／Ｖ）・ｓｉｎ（ωτ＿４／２）・ｓｉｎ（ω（
   τ＿３＋τ＿４／２））≦（ｂ＾２−１）／４ａ＋ｂ＜
   １ 〔ただし、τ＿３は電圧Ｖと電圧Ｖ＿２を加える間の電
   圧零の時間 τ＿４は電圧Ｖ＿２の第２の予備電圧パルスを印加する
   時間 ｂは制御電圧オフ後の振動部材の許容振幅を表すパラメ
   ータ（０≦ｂ＜１）〕 を満足する請求項（１）記載の光スイッチの切替制御方
   法。