JP4982595B2 - 光ファイバスイッチ構造 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバスイッチに関する。

典型的には、高密度Ｎ×Ｎスイッチの作製にあたり、故障の際の代行能力を備えるために、２つのＮ×Ｎスイッチコア又はファブリックが必要である。各スイッチコア内では、到来ファイバから出た信号が分割され、戻り経路が再び結合される。かかるスイッチングは、所望の経路を選択する個々のスイッチング機構を用いることによって実現できる。

特開平０５−１０７４８５号公報

スイッチコアの全体サイズ（即ち、値Ｎ）が増大し続けるにつれ、シングルポートユニット内にパッケージ実装しなければならない個々のスイッチング機構の数が多すぎる状態になっている。

本発明の１つの側面では、光ファイバスイッチ組立体は、偏向ミラーからなる第１のストリップ構成と、偏向ミラーからなる、第１のストリップ構成に対向する第２のストリップ構成とを有し、第１及び第２のストリップ構成の偏向ミラーは、複数のスイッチを形成すべく協働するように構成されている。

本発明の実施形態は以下の特徴の１以上を含む。

各ストリップの偏向ミラーは各々、光ビームを受け取り、その光ビームを対向するストリップのＮ個の偏向ミラーのうちの選択された偏向ミラーに伝える。

本発明の利点は、とりわけ以下の通りである。１×Ｎスイッチの交互配置により、非常にコンパクトな構成が得られ、かくして、スイッチ組立体の全体的なパッケージ実装サイズが減少する。かかるコンパクトな構成は、多くのスイッチをシングルユニットとしてパッケージ実装する必要のある光ファイバスイッチング用途にとって特に関心が向けられている。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかになろう。

４つの１×２スイッチからなるよう構成されたスイッチの略図である。 図１に示すスイッチの側面図である。 図１に示すスイッチの平面図である。 例示のミラー構造の平面図である。 例示のミラー構造の側面図である。 図１、図２Ａ及び図２Ｂのスイッチ中の各スイッチング経路の結合状態を最適化する検出器構造の略図である。 ラッチ式スイッチ素子を用いる別の１×２スイッチ構造の略図である。

図１を参照すると、スイッチ１０は、ミラーの２つのアレイ又はストリップ１２ａ，１２ｂの構成を含み、２つのアレイ又はストリップ１２ａ，１２ｂはそれぞれ、ミラー１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ及びミラー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆを有している。本明細書において説明するようなミラー１４，１６は、２次元ミラーである。変形例として、ミラー１４，１６は、１次元ミラーであってもよい。ミラーは、１個の入力でＮ個の出力（１×Ｎ）を持つスイッチ１８を形成するようグループ分けされており、図１では、Ｎの値は２である。ミラー１４ａ，１４ｄ，１６ｃ，１６ｆは入力として働き、他のミラーは出力として働く。ミラー１４ａ，１６ａ，１６ｂは第１のスイッチ１８ａを形成し、ミラー１６ｃ，１４ｂ，１４ｃは第２のスイッチ１８ｂを形成し、ミラー１４ｄ，１６ｄ，１６ｅは第３のスイッチ１８ｃを形成し、ミラー１６ｆ，１４ｅ，１４ｆは第４のスイッチ１８ｄを形成している。励進コリメータ（図示せず）からミラーストリップ１２ａのミラー１４ａに差し向けられた光は、ミラー１４ａによって対向するミラーストリップ１２ｂのターゲットミラー１６ａ又は１６ｂのいずれかに差し向けられる。ミラーストリップ１２ｂのミラー１６ｃに当たった光は、ミラーストリップ１２ａのミラー１４ｂ又はミラー１４ｃのいずれかに差し向けられる。同様に、ミラー１４ｄは、光ビームをターゲットミラー１６ｃ，１６ｄのうちの選択された一方に差し向け、ミラー１６ｆは、光ビームをターゲットミラー１４ｅ，１４ｆのうちの選択された一方に差し向ける。図から理解できるように、スイッチ１８ａ，１８ｃは、第１の向きに配置され、スイッチ１８ｂ，１８ｄは、第１の向きと反対の第２の向きに配置されている。したがって、図示のようなスイッチのコンパクトな構造を得るために、第１の向きに配置されたスイッチと第２の向きに配置されたスイッチとは、交互に配置される。すなわち、スイッチ１８ａ，１８ｃ，１８ｂ，１８ｄのそれぞれの入力１４ａ，１４ｄ，１６ｃ，１６ｆは、スイッチ１８のうちの隣り合うものの出力と整列するように配向される。例えば、スイッチ１８の入力１４ａは、それに隣接したスイッチ１８ｂの出力１４ｂ，１４ｄと一線をなし、同様に、スイッチ１８ｂの入力１６ｃは、スイッチ１８ａの出力１６ａ，１６ｂ並びにスイッチ１８ｂに隣接したスイッチ１８ｃの出力１６ｄ，１６ｅと一線をなす。

ターゲットミラー、例えばミラー１４ｅ，１４ｆは、互いに近接しているので、ビームを偏向させるミラー（ターゲットミラー１４ｅ，１４ｆの例では、ミラー１６ｆ）の偏向角度は極めて小さく、偏向に必要な駆動電圧も非常に小さい。例えば、（焦点距離が１．５ｍｍのレンズを用い、）レンズ間の距離が５０ｍｍで、ミラー間隔が１ｍｍの場合、必要なミラーの偏向角度は、１／２度よりもほんの僅かに大きい角度であるに過ぎない。偏向させないターゲット位置が２つのターゲットミラーの中間に位置するように、ビーム励進コリメータを各１×２スイッチに向けることによって、偏向角度を一段と小さくしてもよく、この場合、使用される必要がある角度は小さくなる。ストリップに沿う一方の偏向方向だけが、はっきりと分かるほどの偏向を必要とすることもできる。この場合、機械的な軸合わせが正確に行われていれば、他方の偏向方向は、非常に僅かな補正を必要とするに過ぎない。もちろん、上述したように、ミラーは１次元であっても良く、その場合、ミラーは、１方向にだけ偏向させる。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、（図１の）スイッチ１０の組立体、即ちスイッチ組立体２０が、２つの組立体２２，２４を含み、２つの組立体２２，２４は、ピン２６によって互いにしっかりとクランプ止めされている。組立体２４は、レンズ２８，２８′とファイバフェルール３０ａ，３０ｂを備えたファイバとを保持する一体構造ブロックであり、これらのレンズ及びファィバは、フェルール３０ａ，３０ｂの端部でファイバから出るビームウエスト距離を最大にさせるように互いに調節される。組立体２２は、（例えばシリコン、セラミック、ガラス等の関連した基板を含む）ミラーストリップ１２ａ，１２ｂを保持し、これらのミラーストリップは、これらの導線用の接続リボン３２ａ，３２ｂを有している。組立体２０は、安定化された温度環境をもたらすように、ヒータ３４及び温度センサ３６を更に有している。スイッチ組立体２０をその周囲環境から断熱ジャケット（図示せず）で断熱するのがよい。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、ミラーストリップ１２ａ，１２ｂを具体的に構成するための例示のミラーストリップ構造４０が部分図の状態で示されている。ミラーストリップ構造４０は、（図１のミラー１４，１６に相当する）マイクロミラー構造４２を含み、マイクロミラー構造４２は各々、基準部材又は基板４６の上面よりも上に配置され且つその上面にわたって支持されたミラー構成４４を有している。マイクロミラー構造４２の細部を示すため、３つのマイクロミラー構造だけが図示されている。図１のスイッチ１０のストリップ１２ａ，１２ｂの各々には、６つのマイクロミラー構造４２があることが理解されよう。図３Ａに示すように、各ミラー構成４４は、ミラー４８を有し、このミラー４８は、第１の対をなす捩り部材５２ａ，５２ｂによってミラーフレーム５０に結合されている。ミラー構成４４は、第２の対をなす捩り部材５４ａ，５４ｂをさらに有し、これらの捩り部材５４ａ，５４ｂは、ミラーフレーム５０をストリップ５６に結合している。

図３Ｂを参照すると、基板４６は、ベース部分５８と、ベース部分５８上の隆起部分６０と、ベース部分５８の両側に設けられた側壁部分６２とを有している。基板は、セラミック又は他の適当な材料で作られたものである。ストリップ５６は、側壁６２の上面に位置している。隆起部分６０（図３Ａ）によって示すように、隆起部分６０の形状は円錐形又はほぼ円錐形である。

ミラー４８及びミラーフレーム５０（図３Ａ）に回転運動を与える電極６４が、隆起部分６０の表面に設けられている。電極６４は、捩り部材５２ａ，５２ｂ（「Ｘ軸」）周りのミラー構成の内側回転並びに捩り部材５４ａ，５４ｂ（「Ｙ軸」）周りのミラー構成の外側回転を制御する。

小さな駆動電圧で大きな偏向角度を得るために、ミラー構造が、上述したような隆起部分６０を有するのが好ましい。隆起部分６０が円錐形又は円錐形に似た形態を有するものとして説明したけれども、隆起部分６０の形状は、電極６４をミラー構成４４に近接して位置決めし且つｘｙ平面内のミラー構成の回転運動を支持させる任意の形状又は構造のものであってもよい。しかしながら、隆起部分を設けることが望ましいにもかかわらず、任意その他の電極構造又は電極を支持するための構造を用いてもよいことが理解されよう。例えば、プレーナ形電極を用いてもよい。

好ましくは、ミラー構成１４及び電極３４は、円錐部３０がミラー１８の下にほぼ心出しされるように、円錐部３０に対して位置決めされる。ミラーフレーム２０の下に位置した基板領域は、円錐形である必要はないけれども、ミラー構成１４を捩り部材２４ａ，２４周りにその外側回転軸線を通って自由に回転させるのに必要とされる角度で傾斜している。これら基板領域を基板１６内において直線的に機械加工することができ、かくして基板１６の作製が単純化される。

図３Ｂで分かるように、スペーサ６５をストリップ５６の各々とストリップ５６よりも下に位置する基板４６の側壁部分６２との間に用いるのがよい。基板１２の底面の角度は、重要ではない。典型的には、基板１６は、４．５インチ×４．５インチ（１１．４３ｃｍ×１１．４３ｃｍ）野断面材で作られるので、これら断面材はすべて一緒に作られる。基板材料を垂直方向及び水平方向に機械加工して所望角度で材料を除去するのがよい。円錐体又は円錐体に似た形状は、基板構造体を仕上げるように研削加工によって頂部に形成されるが、これらをエッチングによって基板表面に形成してもよい。変形例として、基板材料を未加工状態で注型するための成形型を作ってもよい。さらに別の変形例では、電極を基板表面上にめっきしてもよい。

絶縁体上シリコン形成法を用いてミラー構造体４２を作製するのがよく、ミラー構成４４は、頂部（即ちデバイス）シリコンウエーハ内に作られる。他の作製法を用いてもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示すミラー構造体４２の実施形態及び関連した種々の作製方法は、「Ｎ×Ｎ光スイッチの改良」と題する２０００年１１月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願に詳しく説明されており、かかる米国特許出願の内容をここに援用する。

他の構造体（例えば、上述したように異なる電極構造を持つミラー構造体）を使用してもよい。例えば、ミラーストリップ１２ａ，１２ｂ及びそれぞれ関連したこれらのミラー構造体１４，１６を、米国特許第 6,044,705号及び第 5,629,790号に記載されている技術を用いて構成してもよく、かかる米国特許の内容をここに援用する。他の公知の超精密機械加工された２次元ミラー構造体を用いてもよい。

ミラー１４，１６の偏向を閉ループ系で駆動するのがよい。所望ならば、上述の米国特許出願及び米国特許に記載されているように、角度偏向センサを用いて偏向を制御してもよい。いずれの方向への偏向も、静電方式であっても良いし、磁石方式であっても良いし、或いは、これらの両方の方式であっても良い。例えば、比較的大きな偏向度を持つ軸線は磁石方式であるのが良く、比較的小さな偏向軸線は、小規模な補正しか必要としないので静電方式であるのが良い。かくして、たとえミラーが互いに遠くに間隔を隔てていても、静電的に不安定になるおそれは殆ど無い。

変形例として、偏向器を開ループ系で駆動しても良いし、或いは、外部軸合わせ方式を用いてもよい。例えば、図４を参照すると、（図２Ａからのものである）コリメータ３０ｂから出たファイバ７０が、マンドレル７１の周りに曲げられていることがあり、かかるファイバは放射線を生じ、この放射線は、（例えば、プラスチック製）単一レンズ又はフレネルレンズ７４により集められて検出器７２上に結像される。偏向ミラーの駆動電圧又は電流を非常に僅かな角度にわたってディザリングし、検出器７２を使用して位相検波方式で伝送出力ピークの最大値を検出することによって、ミラー１４，１６を、１つのファイバから別のファイバへの光の伝送を行うための最適偏向位置に係止することができる。

交互配置方式を１×２スイッチに関して上述したが、これは、任意のサイズの１×Ｎのスイッチにそのまま適用でき、ここでＮは、２又は３以上の値である。さらに、スイッチ１０を、４つの１×Ｎ（ここでは、Ｎ＝２）スイッチを有するものとして説明したが、スイッチ１０は、図示の１×Ｎスイッチを５以上又は３以下、有していても良い。

かくして、スイッチ１８を、１個の入力、Ｎ個の出力を持つものとして説明した。変形例として、スイッチ１８は、Ｎ個の入力及び１個の出力をもつものであっても良く、或いは、第１のモードでは入力として働くミラー及び出力として働くミラーがそれぞれ、第２のモードでは出力及び入力として働くように、２モードで動作するものであってもよい。例えば、再び図１を参照すると、スイッチ１８は、ミラー１４ｂ，１４ｃ，１４ｅ，１４ｆ，１６ａ，１６ｂ，１６ｄ，１６ｅを入力として、ミラー１４ａ，１４ｄ，１６ｃ，１６ｆを出力として用いるよう動作させても良い。かくして、１×２スイッチは各々、２個の入力、１個の出力を持ち、かくして、単一の出力ミラーに差し向けられる２つの入力ミラーのうちの対応する１つの入力ミラーで受け取られた、入力信号（即ち、光ビーム）のうちの１つを選択する。

複数の１×２スイッチ、例えばスイッチ１０を含むスイッチ用の１×２スイッチの他の実施形態が計画されている。例えば、図５を参照すると、１×２スイッチが、スイッチ８０として示され、コリメータ及びファイバ組立体８４ａ〜８４ｃ（以下、コリメータという）を有する形態に配置されたシングルラッチ式スイッチ素子８２を用いて具体的に構成されている。コリメータ８４ａは、励進コリメータとして働き、コリメータ８４ｂ，８４ｃは、射出コリメータとして働く。コリメータ８４は各々、ミラーストリップ１２ａ，１２ｂのうち一方又は他方に結合され、好ましくは、シリコン基板に形成された「Ｖ」字形溝内に配置される。ラッチ式スイッチ素子８２を、同時係属中の米国特許出願第０９／３８８，７７２号に記載されているように、磁石作動及び静電クランプ方式で具体的に構成することができ、かかる米国特許出願の内容をここに援用する。

スイッチ８０の作用は次の通りである。ラッチ式スイッチ素子８２の非作動時、光ビーム経路は、コリメータ８４ａからコリメータ８４ｂに至る。ラッチ式スイッチ素子８２を図示のように４５°の角度のところに位置決めするために（静電的にクランプ止めすることによって）作動させると、コリメータ８４ａからのビームは、コリメータ８４ｂに差し向けられないで、その代わりにコリメータ８４ｃに差し向けられる。たとえラッチ式スイッチ素子８２が特定の位置に静電的にクランプ止めされていても、上述の米国特許出願第０９／３８８，７７２号に記載されているように、小規模な位置調整は依然として可能である。コリメータ８４に対するラッチ式スイッチ素子８２の機械的配設場所はばらつきがあってもよい。というのは、スイッチングが行われる時、関連したミラーを傾斜させ、２方向に適切に調整することができるからである。

本発明を詳細な説明の項において説明したが、上記の説明は例示であって、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。他の実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる。

８０ 光ファイバスイッチ構造
８２ ラッチ式スイッチ素子
８４ａ 励進コリメータ
８４ｂ、８４ｃ 射出コリメータ

Claims (1)

1. 第１のスイッチ及び第２のスイッチを有し、各スイッチは、励進コリメータと、第１の偏向ミラーと、２つの隣接した第２の偏向ミラーと、第１の射出コリメータと、第２の射出コリメータと、を含み、
   前記第１の偏向ミラーが前記励進コリメータに対応し、前記２つの隣接した第２の偏向ミラーがそれぞれ前記第１の射出コリメータ及び前記第２の射出コリメータに対応し、
   前記第１の偏向ミラーは、第１の位置及び第２の位置を有するラッチ式スイッチ素子を含み、
   前記ラッチ式スイッチ素子が第１の位置にあるとき、前記励進コリメータから出た光ビームが前記第１の射出コリメータに対応する方の前記第２の偏向ミラーに直接差し向けられ、前記ラッチ式スイッチ素子が第２の位置にあるとき、前記励進コリメータから出た光ビームが前記ラッチ式スイッチ素子によって前記第２の射出コリメータに対応する方の前記第２の偏向ミラーに偏向され、
   前記第１のスイッチの前記第１の偏向ミラーと前記第２のスイッチの前記２つの隣接した第２の偏向ミラーが整列して第１のストリップ構成をなし、且つ、前記第１のスイッチの前記２つの隣接した第２の偏向ミラーと前記第２のスイッチの前記第１の偏向ミラーが整列して第２のストリップ構成をなすように、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチが互いに反対の向きに交互に配置される、光ファイバスイッチ構造。

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