JPH03215811A - マトリクス光スイッチ - 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、マトリクス状に配列された光路のおのおのの
途中に設置したミラーで光を反射させ、光路を切り替え
ることにより、自由に低損失に接続・切替でき、かつ自
己保持機能をもつ多端子マＩ・リクス光スイッチに関す
るものである。

（従来の技術） 第３図は、文献ｒＮＯＮＢＬＯｃＫＩＮＧ　８　Ｘ　８
　０ＰＴＩＣＡＬＭＡＴＲＩＸ　ＳＷＩＴＣＨ　ＦＯＲ
　ＦＩＢＥＲ−ＯＰＴＩＣ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯ
Ｎ，ＥＬＩＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　Ｖ
ＯＬ．１６，ＮＯ．１１，　ｐｐ．４２２−４２３（１
９８０）Ｊなどにみられるような、従来のこの種のマト
リクス光スイッチの基本構成を示した平面図である。第
３図に示す光スイッチは、光ファイバ１−１．１−２の
端部とレンズｌ−１．１−２の相対位置を固定して、ビ
ームコリメータ３−１，３−２を作り、その光路の途中
にマトリクス状に配設したミラー４を介して、レンズｌ
−１．　　２２が対向するように設置して、ミラー４を
ソレノイドアクチュエー夕で紙面に垂直に」二／下動さ
せることによって、光ビーム５を反射／通過させ、光ビ
ーム５を任意の光ファイバ１−１，］−２に接続・切替
するように構成したマトリクス光スイッチである。

ところで、光ＭＤＰ（Ｍａｉｎ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ
ｏｎ　Ｆｒａｍｅ）など、光スイッチの切替頻度が数回
／年と少ない場合、電力消費なしで、スイッチングした
状態を自己保持できることが望ましい。文献［光スイッ
チ構成法、ＮＴＴ研究実用化報告、第３０巻、第１１号
、ｐ．２７８９，　１９８１Ｊにみられるような、ミラ
ーの自己保持機構がある。この自己保持機構は、ソレノ
イドアクチュエー夕と永久磁石を一組とするものであり
、各切替・接続点ごとに、行数と列数の積だ３ け設けられている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、第３図の構成によるマトリクス光スイッチには
、以下の課題があり、低損失化、小型高密度化、多端子
化、かつ自己保持化が難しかった。

すなわち （１）損失は、ビームコリメータ３−１を構成する光フ
ァイバ１−１とレンズ２−１の各軸間の軸ずれ・角度ず
れ、ビームコリメータ３−１とビームコリメータ３−２
との軸ずれ・角度ずれ、およびミラー４自体の製作精度
（角度など）とミラー４の設置精度（角度など）などで
決定される。現状の機構・部品の製作技術では、光ビー
ム入射角度誤差を可成り吸収できる五角プリズムを用い
ても、損失が大きくなる問題がある。たとえば、ビーム
コリメータ３−１．３−２を構成する光ファイバ１−１
（１．−２）とレンズ２−１　（２−２）の各軸間の軸
ずれ２μｍ１レンズ２−１．２−２間の角度ずれ１０−
３ラジアン、およびミラー４の角度誤差２　Ｘ　１．０
−”ラジアンという機構・部品精度で、ス４ ポットサイズ５μｍの単一モードファイバと焦点距離１
．５ｍｍのレンズを用いて平行ビーム系を構成する場合
、光ファイバ１−１．１−２間の損失は、回折損失Ｏｄ
Ｂの条件で計算すると、約１０ｄＢと大きくなる場合が
出てくる。損失を低減するため、軸ずれ・角度ずれをす
べての行または列について人手で最適に調整することは
極めて困難であり、結局、損失が大きくなる場合が相当
数出てくる問題がある。

（２）回折損失ＯｄＢとなる最大光路長はレンズの焦点
距離で決定されること、また、光ビーム５は、ビームウ
エストを越えると、回折により光路長とともに立体的に
広がって行くことのため、光路長が受光レンズ径や損失
から制限され、多端子化には限度がある。たとえば上記
（１）の計算例の場合、レンズとして球レンズを用い、
行間または列間のピッチがレンズ径で決まるとした場合
、約］ＯｄＨの損失を許容しても、マトリクス光スイッ
チの端子数がＩＯＸＩＯに制限される問題がある。

（３）マトリクス状に設置する光学部品や機構部品５ （自己保持機構など）を、小型かつ高精度に製作するに
は限度があり、光スイッチを小型高密度化できない問題
がある。特に、長期的に損失再現性を確保するため機構
部品の摩擦による劣化を小さくするように製作する場合
、寸法が大きくなる問題がある。また、ミラー４を移動
させるため、各切替・接続点ごとにソレノイドアクチュ
エー夕を用いる場合、行間または列間のピッチを小さく
してソレノイドアクチュエー夕を高密度配置にすると、
磁気が隣接するソレノイドアクチュエー夕に漏れ、接続
・切替に誤動作を発生し、マトリクス光スイッチの小型
高密度化と自己保持機能とを同時に達成できない問題が
あった。

（４）　　ソレノイドアクチュエータとミラー４の必要
個数は、ともに、行数と列数の積となり、たとえば端子
数１００　ＸＩＯＯのマトリクス光スイッチでも、必要
部品数が各１万個となり、加工精度や組立精度のばらつ
きによる光損失、および量的に経済性が問題である。こ
れに対して、ミラーを行または列ごとに移動させるミラ
ー１軸移動機構を導入し６ て経済化しようとすると、ミラー１軸移動機構の寸法が
大きくなり、その結果、行間または列間のピッチが大き
くなり、高密度化できなかったり、ミラー設定位置精度
がばらつき、損失が大きくばらつく場合がでてきたり、
切替時間が少なくともミラー移動時間の分だけ長くなる
問題がある。

本発明の課題は、上記問題点に鑑み、大規模マトリクス
で任意の光ファイバ間において、ミラーの反射により切
替・接続できる、低損失、小型高密度、多端子、かつ自
己保持可能なマｌ−　１）クス光スイッチを提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 本発明のマトリクス光スイッチには、格子状に形成した
導波路、導波路の交差部に形成したミラー挿入空間用ギ
ャップ、表面に形成した位置決め用の溝または突起、磁
性金属または永久磁石をマトリクス状に配設したマトリ
クス板と、両面に設けた前記溝または突起に対向する位
置決め用の突起または溝、マトリクス板の磁性金属また
は永久磁石に対して引力が作用する永久磁石または磁性
金属、導波路内伝搬光を反射させるミラーからなるチッ
プと、引力に対抗してチップをマトリクス板から引き離
すに十分な牽引力をもつ電磁石、チップ片面の位置決め
用の溝または突起と対向する位置決め用の突起または溝
からなる位置決めヘッドと、導波路交差部で対向してい
るコア端面間とミラー部に充満したマッチングオイルと
、位置決めヘットを位置決めする装置とを備えた。

（作用） 光は空間伝搬から導波路伝搬となり、ミラー挿入空間用
キャップを除いて、常に導波路内に閉じ込められ、光路
長の制限が大幅に緩和され、光スイッチを多端子化でき
る。また、マッチングオイルによりフレネル損失がなく
、かつ導波路交差部で軸ずれ・角度ずれがなく、損失が
小さい。また、半導体プロセス技術を利用して、マトリ
クス板とチップおよび位置決めヘッドの、位置決め用の
溝または突起を高精度に形成でき、その結果、すべての
導波路交差部において、チップ、換言すればミラーを正
確に設定でき、接続の切替による損失のばらつきが少な
い。また、チップの数は行数と列数のうち少ない方の数
だけでよくなり、一方、電磁石の数は１個でよい。また
、接続・切替時以外は、電力消費なしで、チップはマト
リクス板に磁気力により付着している。一方、接続・切
替時には、隣接した電磁石は存在せず、隣接するチップ
への磁気の漏れが少なく、隣接するチップを離脱させる
ことなく、当該チップだけ説着できる。

（実施例） 第１図（ａ）は、本発明のマトリクス光スイッチのスイ
ッチング部および位置決めヘッドと位置決め装置の一実
施例の断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ’
における断面図である。第２図は、第１図に示すスイッ
チング部をマトリクス状に配設した平面図である。第１
図は、第２図のＢ−Ｂ’における断面図に、位置決めヘ
ッドと位置決め装置の断面図を加えた図である。第１図
において、マトリクス板６は、Ｓｉ基板７、Ｓｉ基板７
上に作られた導波路板８、およびＳｉ基板７の下部に設
けた永久磁石９からなる。マトリクス板６には、第２図
９ に示すように、中心部にコア１０−　１　．　１０−　
２をもつ格子状に形成した導波路１１、導波路１１の交
差部に、第１図に示すミラー挿入空間用ギャップ１２（
たとえば、幅１０μｍ）、およびＶ溝１３を形成してい
る。ただし、コア１０−　１　．　１０−　２は、半導
体プロセス技術で形成され、導波路１１の交差部におい
て、軸ずれ・角度ずれかない。また第１図において、チ
ップ１４は、その一方の片面にマトリクス板６に設けた
■溝ｌ３と対向するように形成した位置決め用突起ｌ５
、他方の片面に形成した■溝１６、マトリクス板６に設
けた永久磁石９からの引力が作用するように、チップｌ
４の両面に設けた磁性金属１７、導波路交差部のミラー
挿入空間用ギャップ１２において、コア１０−１内伝搬
光を反射させるミラー４（たとえば、幅４μｍ）から構
成されている。少なくとも、ミラー挿入空間用ギャップ
ｌ２には、第２図に示すようにマッチングオイル１８を
満たしている。また、第１図において、位置決めヘッド
１９は、マトリクス板６に設けた永久磁石９とチップ１
４の両面に設けた磁性金属１７との間に作用１０ ずる引力に対抗して、チップ１４をマトリクス板６から
引き離すに十分な牽引力をもつ電磁石２０、チップｌ４
の片面に設けた位置決め用Ｖ溝ｌ６と対向する位置決め
用突起２１から構成されている。また２２は、３軸位置
決め装置で、位置決め精度をｌＯμｍ程度緩和する弾性
体２３を介して、位置決めヘッド１９が固定して取り付
けられている。第２図において、チップ１４の点描部は
、片面に設けた磁性金属ｌ７で、永久磁石９から引力を
受ける。このとき、マトリクス板６に設けた■溝１３は
、Ｘ字状に形成されており、マトリクス板６、すなわち
導波路ｌ１に対して、チップｌ４、すなわちミラー４を
３次元的に正確に位置決めできる構造になっている。

方、チップ１４の片面に設けたＶ溝１６も、中央部が切
れたＸ字状に形成されており、同様に、第１図に示すよ
うに、チップ１４と位置決めヘッドｌ９とが正確に位置
決めされる構造になっている。

次に、上記構成による導波路内伝搬光のスイッチング動
作を説明する。初期状態が、第２図に示すように、チッ
プ１４が、電力消費なしで、マトリ１ ｌ クス板６に永久磁石９により自己保持されている場合を
考える。このとき、コアｌＯ−１内伝搬光は、ミラー４
で光路が曲げられ、コアＩＯ−２に入射しているスイッ
チング状態である。まず、第１図に示すように、３軸位
置決め装置２２で位置決めへ・ソド１９をチップｌ４上
に位置決めする。次に、永久磁石９とチップ１４の磁性
金属１７との間に作用している磁気力（自己保持力）に
打ち勝つ牽引磁気力を電磁石２０に発生させ、チップ１
４を位置決めヘッドｌ９で把持する。このとき、チップ
■４および位置決めヘッド１９は、位置決め用のＶ溝ｌ
６と突起２ｌとによって、あたかも一体となった剛体の
ように緊結され、その結果、３軸位置決め装置２２の位
置決め精度が、ミラー４の位置決め精度とほぼ等しくな
る。次に、チップ１４を３軸位置決め装置２２で接続・
切替先の導波路交差部まで移動し、チツプｌ４に形成し
たミラー４を移動先のミラー挿入空間用ギャップ１２に
挿入する。このとき、直進していた移動先のコア内伝搬
光１０−１は、ミラー４で反射して光路が曲げられ、ス
イッチングされる。同時に、＝１２ 永久磁石９とチップ１４の磁性金属１７との間に磁気力
（自己保持力）が作用し、電磁石２０の磁気力を切って
も、チップ１４はマトリクス板６に自己保持される。

以上の説明では、永久磁石９は導波路１１の各交差部ご
とにマトリクス状に配設した場合について説明したが、
Ｓｉ基板７の下部に１枚の板状の永久磁石を用いてもよ
い。また、永久磁石９と磁性金属ｌ７を置き換えてもよ
い。

次に、永久磁石および電磁石の磁気力の目安を考える。

目安として、導波路のピッチ１　＋ｎｍとして、体積が
１　ｍｍＸ　１　ｍｍＸ　１　ｍｍ、かつ材質はＳｉの
チップの重量が考えられる。しかし、チップには、磁性
金属も付けるので、いま、チップがＳｉ　（比重量２．
３ｇ／ｃｍ３）より重い磁性金属（比重量８ｇ／ｃｍ３
）だけでできていると仮定して、目安となる重量を求め
ると、チップの重量は８ｍｇとなる。

以上のように、導波路のピッチ１ｍｍ以下、端子数１０
０　ＸＩＯＯ程度で切替時間１秒程度のマトリクス光ス
イッチを構成できる。また、導波路形成技１３ 術の進歩などにより、導波路における損失が低減してき
ており、端子数１００　ＸＩＯＯの光スイッチの損失は
約３．　５ｄＢ以下となる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のマトリクス光スイッチは
、光が導波路内に閉じ込められ、光路長の制限が小さく
なり、多端子化できる。またマ・ソチングオイルにより
フレネル損失がなく、かつ導波路交差部で軸ずれ、角度
ずれがなく、損失が小さい。また半導体プロセス技術を
利用して、高精度な部品加工が可能であり、ミラーを何
回脱着しても、ミラーを３次元的に高精度に位置決めで
き、接続・切替による損失のばらつきが少ない。また接
続・切替時以外は、電力消費なしで、永久磁石によって
、ミラーはマトリクス板に自己保持できる。一方、接続
・切替時には、隣接した電磁石は存在せず、隣接するチ
ップを離脱させることなく、当該チップだけ脱着できる
。このように、本発明のマトリクス光スイッチは、多端
子化、低損失化、小型高密度化、自己保持化が可能であ
り、また量１　４− 産性があり、したがって経済化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマトリクス光スイッチのスイッチング
部、および位置決めヘッドと位置決め装置の一実施例の
断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡＡ′における
断面図、 第２図は第１図に示すスイッチング部をマトリクス状に
配設した平面図、 第３図は従来のこの種のマトリクス光スイッチの基本構
成を示す平面図である。 ４・・・ミラー　　　　　　　　６・・・マトリクス板
７・・・Ｓｉ基板　　　　　　　８・・・導波路板９・
・・永久磁石　　　　　　１０−　１　．　１０−　２
・・・コア１１・・・導波路 ｌ２・・・ミラー挿入空間用ギャップ １３．　１６・・・Ｖ溝　　　　　　１４・・・チップ
１５．　２１・・・突起　　　　　　ｌ７・・・磁性金
属１８・・・マッチングオイル　　ｌ９・・・位置決め
ヘッド２０・・・電磁石　　　　　　　２２・・・位置
決め装置２３・・・弾性体 １５−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マトリクス状に配列された光路のおのおのの途中に
   設置したミラーで光を反射させ光路を切り替える、自己
   保持可能なマトリクス光スイッチにおいて、 格子状に形成した導波路、導波路の交差部に形成したミ
   ラー挿入空間用ギャップ、一方の片面に形成した位置決
   め用の溝または突起、他方の片面に磁性金属または永久
   磁石を設けたマトリクス板と、 両面に設けた、前記溝または突起に対向する位置決め用
   の突起または溝、マトリクス板の磁性金属または永久磁
   石に対して引力を作用させる永久磁石または磁性金属、
   導波路内伝搬光を反射させるミラーからなるチップと、
   引力に対抗してチップをマトリクス板から 引き離すに十分な牽引力をもつ電磁石、チップ片面の位
   置決め用の溝または突起と対向する位置決め用の突起ま
   たは溝からなる位置決めヘッドと、 導波路交差部で対向しているコア端面間とミラー部に充
   満したマッチングオイルと、 位置決めヘッドを位置決めする装置とを備えたことを特
   徴とするマトリクス光スイッチ。