JPS6141131A - 光スイツチ - 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】 発明の背景 ［発明の技術分野］ この発明は温度によって屈折率が変化する光学材料を利
用した光スイッチに関する。

［従来技術の説明］ 温度によって屈折率が変化する光学材料の表面上にＮｉ
−Ｃｒ等の発熱体やベルチェ素子が設けられ、発熱体や
ベルチェ素子への供給電力を切り替えることによって光
学材料内に形成される屈折率勾配を切り替えて、光の出
射位置を変位させる光スイッチが知られている。発熱体
やベルチェ素子への供給電力を切り替えると、光学材料
内に発生する温度勾配が変化し、したがって屈折率勾配
が変化する。すると、光学材料の端面から入射された光
ビームの偏向角が変化し、反対側の端面から出射される
光の出射位置が変位するので光スイツチ機能が達成され
る。

このような光スイッチでは、光学材料の表面を加熱（ま
たは冷却）することにより、光学材料内に屈折率勾配を
形成させているので周囲の温度の影響を受けやすい。発
熱体やベルチェ素子への供給電力が一定の値であっても
、周囲の温度によって光学材料内に形成される温度勾配
が変化する。また光学材料内に形成される温度勾配が同
じであっても、周囲の温度が変化することにより光学材
料の表面温度が変化すれば、屈折率勾配が変化する。周
囲温度の変化によって屈折率勾配が変動し、光スイッチ
の動作が不安定になるという問題がある。

発明の概要 ［発明の目的］ この発明は、温度によって屈折率が変化する光学材料を
利用した光スイッチにおいて、周囲の温度が変化しても
常に正確な光スイツチング機能を達成するることができ
る光スイッチを提供することを目的とする。

［発明の構成、作用および効果］ この発明は、温度によって屈折率が変化する光学材料、
光学材料の上下面の少なくとも一方の面上に設けられか
つ光学材料を加熱または冷却するための熱素子および光
学材料内に形成される屈折率勾配を複数段階に切り替え
るために熱素子への供給電力を複数段階に切り替える供
給電力切替手段を有する光スイッチにおいて、光スイッ
チの周囲の温度を検出するための温度検出器、熱素子に
供給されている電力を測定するための電力測定手段、な
らびに上記検出された温度および上記測定された電力に
もとづいて１、設定された所定の屈折率勾配が光学材料
内に形成されるように熱素子への供給電力を制御する電
力制御手段、を備えていることを特徴とする。

供給−力切替手段によって切り替えられる供給電力には
、供給電力が零、すなわち光学材料内に形成される屈折
率勾配が零である場合も含まれる。

この発明による光スイッチでは、光スイッチの周囲の温
度が測定されるとともに熱素子に供給されている電力が
測定される。そして測定された温度および電力にもとづ
いて、設定された所定の屈折率勾配が形成されるように
熱素子への供給電力が制御される。したがって、周囲の
温度にかかわらず、光学材料内には設定された所定の屈
折率勾配が形成され、周囲の温度の変化にもとづく屈折
率勾配の変動を補償することができる。この結果、光ス
イッチを安定に動作させることができるようになる。

実施例の説明 第１図〜第４図は、この発明の第１実施例を示している
。入力用光ファイバ（１）によって伝送されてきた光は
、コリメート・レンズ（２）によってコリメートされた
のち光偏向器（３）の一端面に入射される。光偏向器（
３）によって入射光ビームｂが偏向されない場合には、
その他端面から出射される出射光ビームｂ１は出力用光
ファイバ（４ａ）に導かれる。光偏向器（３）によって
入射光ビームｂが偏向された場合には、鎖線で示すよう
にその出射光ビームｂ２は出力用光ファイバ（４ｂ）に
導かれる。必要ならば、これらの光ファイバ（４ａ）（
４ｂ）の前端面位置に集光レンズが配置される。

光偏向器（３）は、温度光学効果をもつ誘電体結晶、た
とえばニオブ酸リチウム（ＬｔＮｂＯａ　）結晶（５）
の下面に発熱体（６）が設けられ、結晶（５）の上面に
放熱フィン（７）が設けられているものである。発熱体
（６）は、たとえばＮｉ−ＣｒやＴ１が結晶（５）の下
面に真空蒸着されることによって形成される。

発熱体（６）には駆動回路（２０）から電力が供給され
る。駆動回路（２０）は、直流電源（２１）とスイッチ
（２２）と駆動回路（２０）の出力電圧を調整するため
の可変抵抗（２３ａ）を備えた出力電圧（電流）調整回
路（２３）とから構成でいる。また駆動回路（２０）に
は発熱体（６）に供給されている電圧および電流を検出
するための電圧検出器（２４）および電流検出器（２５
）がそれぞれ設けられている。

スイッチ（２２）がオフのときには、発熱体（６）には
電力が供給されない。したがって、結晶（５）内の温度
勾配、屈折率勾配は零であり、入射光ビームｂは結晶（
５）内を直進し、その出射光ビームｂ１は出力用光ファ
イバ（４ａ）に導かれる。スイッチ（２２）がオンにさ
れると、発熱体（６）に電力が供給され、発熱体（６）
が発熱する。これにより、結晶（５）の下面が加熱され
、結晶（５）の内部にその上下方向に温度勾配が発生し
、この温度勾配によって結晶（５）内部に屈折率勾配が
生じる。この光偏向器（３）では、下部の屈折率が相対
的に高くなり、上部の屈折率が相対的に低くなるような
屈折率勾配が生じる（屈折率が正の温度依存性をもつ結
晶の場合）。したがって入射光ビームｂは下向きに偏向
され、その出射光ビームｂ２は出力用光ファイバ（４ｂ
）に導かれる。

なお、結晶（５）が、酸化チタン（ルチル構造）のよう
に、その屈折率が負の温度依存性をもつ場合には、上記
と逆の屈折率勾配が形成され、光ビームの偏向方向が上
下逆になる。

第２図は、発熱体（６）に一定の電力が供給されること
によって結晶（５）に生じる上下方向く×方向）におけ
る温度Ｔへの分布を示している。実線は周囲の温度（結
晶（５）の上面の温度とほぼ等しいと考えられる）が基
準温度ＴＬＯ，たとえば２５℃のときの温度分布を示し
ている。温度ＴＨＯは周囲温度が基準温度ＴしＯである
場合に、上記一定電力が発熱体（６）に供給されたとき
の結晶（５）の下面の濃度である。周囲の温度が基準温
度ＴＬＯよりもΔＴだけ高い温度ＴＬ１に変化すると、
結晶（５）の上面の温度はＴＬＩにほぼ等しくなる。温
度勾配（×方向への温度の変化）を表わす線をΔＴだけ
高温側にシフトした線が鎖線で示され、結晶（５）の上
、下面の温度がそれぞれＴＬｌ、ＴＨｌで表わされてい
る。周囲温度がΔＴだけ上昇し結晶（５）の上面の温度
がＴＬＩになったときに、上記と同一電力を発熱体（６
）に供給したとしても結晶（５）の下面の温度は必ずし
もＴＨｌにはならない。そこで、周囲温度が変化しても
周囲温度が基準温度ＴＬＩのときの温度勾配とほぼ等し
い温度勾配が結晶（５）内に、形成されるように温度補
償を行う必要がある。

第３図は結晶（５）の温度−屈折率の特性を示している
。この図からも分るように、結晶（５）の屈折率孔の温
度Ｔに対する変化は線形ではないので、温度勾配（×方
向への温度の変化）が一定であっても、温度Ｔが異なる
場合には、屈折率勾配は異なる値をとる。したがって、
より正確に温度補償を行うためには、周囲温度が変化し
ても、周囲温度が基準温度ＴＬＯであるときの屈折率勾
配と等しい屈折率勾配が常に得られるようにすることが
好ましい。

このような温度補償を行うために、その光スイッチには
、上記駆動回路（２０）の他、周囲の温度を検出するた
めの濃度検出器（２６）および上記可変抵抗（２３ａ）
の抵抗値を制御して発熱体（６）への供給電力を制御す
る供給電力制御装置（２７）が設けられている。温度検
出器（２６）は、たとえば熱雷対、サーミスタ等であり
、周囲温度を測定するためであるから室内等のどこに配
置してもよいが光偏向器（３）のケースに取付ける場合
には、光偏向器（３）との間に断熱材を介して取り付け
られる。供給電力装Ｗｌ　（２７）は図示しない中央処
理装置ｔ　（ＣＰＵ）　、メモリなどから構成されてい
る。供給電力制御装置（２７）には、スイッチ（２２）
の入力信号ならびに電圧検出器（２４）、電流検出器（
２５）および温度検出器（２６）の検出信号がそれぞれ
入力している。

第４図は、供給電力制御装置（２７）による温度補償処
理手順を示している。スイッチ（２２）の入力信号にも
とづいて、スイッチ（２２）がオンされているかどうか
判断される（ステップ（４１））。

スイッチ（２２）がオンされていない場合にはスイッチ
（２２）がオンされるまで待つ。スイッチ（２２）がオ
フの場合には温度補償をする必要はない。

スイッチ（２２）がオンされている場合には、前回の温
度補償ルーチンにおけるスイッチ（２２）の状態と比較
することにより、スイッチ（２２）がオンに切り替えら
れた直後であるかどうかが判断される（ステップ（４２
））。スイッチ（２２）がオンに切り替えられた直後で
あれば、結晶（５）内の温度分布が定常状態に達するま
で持つ（ステップ（４３）　）。結晶（５）内の温度分
布が定常状態になったかどうかの判断は、たとえば電圧
検出器（２４）および電流検出器（２５）の検出信号に
もとづいて発熱体（６）に供給されている電力の積算値
が一定値に達したかどうかにより行なわれる。この一定
値もまた周囲温度ＴＬに応じて変えることが好ましい。

結晶（５）内の温度分布が定常状態になると、温度検出
器（２６）の検出信号にもとづいて周囲温度ＴＬが読み
取られる（ステップ（４４））。上記ステップ（４２）
で、スイッチ（２２）がオンに切り替えられた直後では
ないと判断された場合には、すでに温度分布は定常状態
となっているので、ただちにステップ（４４）に移り、
周囲温度ＴＬが読み取られる。温度ＴＬが読み取られる
と、電圧検出器（２４）および電流検出器（２５）の検
出信号にもとづいて発熱体（６）に供給されている電力
Ｗが算出される（ステップ（４５）’）。そして周囲の
温度が基準温度ＴＬＯである場合において、ステップ（
４５）で算出された電力Ｗと等しい電力が発熱体（６）
に供給されたときに結晶（５）内に形成されるべき温度
勾配＋８０１が算出される（ステップ（４６）　）。ま
たステップ（４４）で読みとられた周囲温度ＴＬおよび
ステップ（４５）で算出された電力Ｗにもとづいて結晶
（５）内に形成されている温度勾配＋８１が算出される
（ステップ（４７））。

温度勾配ｌ５０１および＋３１の算出は、たとえば、周
囲温度をパラメータとして、発熱体（６）に供給される
電力に対する温度勾配の関係をあらかじめ実験的にまた
は計算上において求めておくことによって行うことがで
きる。

次に、算出された両温度勾配置ｓＩおよびｌ５ｏｌが比
較される（ステップ（４８））。両温度勾配置ｓＩおよ
び＋８０１が互いに等しい場合には、ステップ（４１）
に戻る。温度勾配置８＋が１８０１よりも大きい場合に
は、可変抵抗（２３ａ）の抵抗値が一定値だけ高くされ
る（ステップ（４９））。これにより発熱体（６）への
供給電力が減少し、結晶（５）の下面の温度が低くされ
る。この結果、結晶（５）中の温度勾配が小さくなる。

温度勾配＋３１が１８０１より小さい場合には、可変抵
抗（２３ａ）の抵抗値が一定値だけ低くされる（ステッ
プ（５０）　）。これにより発熱体（６）への供給電力
が増加し、結晶（５）の下面の温度が高くされる。この
結果、結晶（５）内の温度勾配が大きくなる。

温度勾配＋３１と１８０１との大小に応じて可変抵抗（
２３ａ）の抵抗値が調整されると（ステップ（４９）（
５０））　、結晶（５）の温度分布が変更さるので、そ
の温度分布が定常状態に達するのに必要な一定時間が経
過するのを持つ（ステップ（５１））。そして一定時間
が経過すると、ステップ（４１）に戻り、上記一連の処
理（ステップ（４１）〜（５１））が繰り返し行なわれ
る。これにより、周囲温度が基準温度ＴＬＯである場合
に形成されるべき温度勾配と等しい温度勾配が周囲温度
にかかわらず常に結晶（５）内に形成されるようになる
。したがって周囲温度の変化にもとづく温度勾配（屈折
率勾配）の変動が補償され、出射光ビームｂ２を、出力
用光ファイバ（４ｂ）に常に効率よく入射させることが
できるようになる。

上記ステップ（４６）において、周囲の温度が基準温度
ＴＬＯの場合に電力Ｗと等しい電力が発熱体（６）に供
給されたときに結晶（５）内に形成されるべき屈折率勾
配を算出し、上記ステップ（４７）において、周囲温度
ＴＬおよび電力Ｗにもとづいて結晶（５）内に形成され
ている屈折率勾配を算出し、算出された両層折率勾配の
大小に応じて可変抵抗（２３ａ）の抵抗値を調整するよ
うにしてもよい。このような屈折率勾配の算出は、たと
えば周囲温度をパラメータとして、発熱体（６）に供給
される電力に対する屈折率勾配の関係をあらかじめ求め
ておくことによって行うことができる。

また、結晶（５）内の温度勾配が定常状態になるのに要
する時間を短縮するために、スイッチ（２２）がオンさ
れたときに発熱体（６）に短時間の間、大電流を流すよ
うな回路を駆動回路（２０）に設けてもよい。発熱体（
６）に短時間の間、供給する電流の値も周囲温度に応じ
て制御することが好ましい。

第５図および第６図は、この発明の第２実施例を示して
いる。第５図において第１図と同じものには同じ符号を
付してその説明を省略する。

この光スイッチは、光偏向器（３＾）、駆動回路（２０
Ａ）の一部および電力制御装置（２７）の処理の一部が
第１実施例のものと異なっている。

光偏向器（３Ａ）はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）
結晶（５）の上下面にベルチェ素子（６Ａ）がそれぞれ
設けられたものである。ベルチェ素子（６Ａ）はよく知
られているように１対の伝熱板（８）間に異種の伝導形
の半導体（９）が少なくとも１組設けられ、かつこれら
の半導体（９）が伝熱板（８）に固定された接続導体（
図示路）によってＰ形とＮ形とが交互になるように直列
に接続されてなるものである。半導体（９）に直流電流
を流すと、１対の伝熱板（８）うち一方の伝熱板（８）
に熱の発生、他方の伝熱板（８）に熱の吸収が起こる。

電流の向きを逆にすると、熱の発生の起こる伝熱板（８
）との熱の吸収が起こる伝熱板（８）とが逆になる。伝
熱板（８）の外面が発熱吸熱面である。各ベルチェ素子
（６Ａ）は、一方の伝熱板（８）の発熱吸熱面が結晶（
５）の上面または下面に密着した状態で結晶（５）に固
定されている。各ベルチェ素子（６Ａ）の他方の伝熱板
（８）の発熱吸熱面には、放熱吸熱フィン（７）が固定
されている。

ベルチェ素子（６Ａ）は、入力端子（Ａ）（Ｂ）のうち
、端子（Ａ）に正電圧が印加されると結晶（５）側の伝
熱板（８）に熱の発生が起こり、端子（Ｂ）に正電圧が
印加されると結晶（５）側の伝熱板（８）に熱の吸収が
起こるようになっている。上側のベルチェ素子（６Ａ）
の端子（Ａ）に正電圧を印加するとともに下側のベルチ
ェ素子（６Ａ）の端子（Ｂ）に正電圧を印加すると、結
晶（５）の上面が加熱され、下面が冷却される。これに
よって結晶（５）内部に、上部の屈折率が高くなり、下
部の屈折率が低くなるような屈折率勾配が生じる。この
結果、入射光ビームｂは結晶（５）内を伝搬する過程で
上向きに偏向される。上側のベルチェ素子（６Ａ）の端
子（Ｂ）に正電圧を印加するとともに下側のベルチェ素
子（６Ａ）の端子（Ａ）に正電圧を印加すると、入射光
ビームは、下向きに偏向される。光ビームの偏向角の大
きさは、結晶（５）内部に形成された屈折率勾配（温度
勾配）応じて変化する。屈折率勾配は上下のベルチェ素
子（６Ａ）に供給する電力によって変えることができる
。

駆動回路（２０）は、直流電源（２１）、直流電源（′
２１）の発生電圧およびその極性を切り替えるための電
圧および極性切替回路（２２Ｂ）および出力電圧調整回
路（２３）から構成されている。各ベルチ工素子（６Ａ
）は切替回路（２２Ｂ）の出力端子（Ｃ）（Ｄ）に対し
て並列にかつ電流の流れる方向が互いに逆になるように
接続されている。

切替回路（２２）は、切替スイッチ（２２＾）からのモ
ード指定信号にもとづいて電源電圧の値および極性と切
り替える。切替スイッチ（２２Ａ）によってモード（Ｍ
ｌ）が設定されている場合には切替回路（２２Ｂ）の出
力電圧■はＶｌ　（＝Ｏ）となる。この場合には、入射
光ビームｂは結晶（５）内を直進し、その出射光ビーム
ｂ１は出力用光ファイバ（４ａ）に導かれる。切替スイ
ッチ（２２＾）によってモード（Ｍ２）が設定されてい
る場合には、切替回路（２２Ｂ）の出力電圧Ｖは＋■２
となる。この場合には、入射光ビームｂは上向きに大き
く偏向され、その出射光ビームｂ２は出力用光ファイバ
（４ｂ）に導かれる。切替スイッチ（２２Ａ）によって
モード（Ｍ３）が設定されている場合には切替回路（２
２Ｂ）の出力電圧Ｖはその値がＶ２よりも小さな＋ｖ３
となる。この場合には、モード（Ｍ２）が設定されてい
るときよりも入射光ビームｂの偏向角が小さくなり、そ
の出射光ビームｂは出力用光ファイバ（４Ｃ）に導かれ
る。切替スイッチ（２２Ａ）によってモード（Ｍ４）が
設定されている場合には切替回路（２２Ｂ）　（７）出
力１圧ＶハＶ４　（−−Ｖ３　）となり、入射光ビーム
ｂは下向きに偏向され、その出射光ビームｂ４は出力用
光ファイバ（４ｄ）に導かれる。切替スイッチ（２２Ａ
）によってモード（Ｍ５）が設定されている場合には切
替回路（２２Ｂ）の出力電圧■はＶ５　（−−Ｖ２）と
なり、出射光ビームｂ５は出力用光ファイバ（４ｅ）に
導かれる。各モード（Ｍｌ）〜（Ｍ５）のときの切替回
路（２２Ｂ）の出力電圧Ｖ１〜■５は、周囲の温度ＴＬ
が基準温度ＴＬＯのときに出射光ビームｂ１〜ｂ５が出
力用光ファイバ（４ａ）　〜（４ｅ）に最も効率よく入
射するような値にそれぞれ設定されている。

切替スイッチ（２２Ａ）および切替回路（２２Ｂ）とし
ては、たとえば第６図に示すような切替装置（３０）が
用いられる。この切替装置（３ｏ）はロータリー・スイ
ッチ（３０ａ）と抵抗（Ｒ１）または抵抗（Ｒ２）（Ｒ
１＜Ｒ２）からなる複数の抵抗回路とからなる。ロータ
リー・スイッチ（３０ａ）の切替モード（Ｍｌ）〜（Ｍ
５）は上記切替スイッチ（２２Ａ）の切替モード（Ｍｌ
）〜（Ｍ５）にそれぞれ対応している。

この電力制御装置（２７Ａ）による温度補償処理は、上
記第１実施例の電力制御装置（２７）による温度補償処
理（ステップ（４１）〜（５１）第４図参照）とほぼ同
様である。第１実施例では、ステップ（４１）において
スイッチ（２２）がオンとなっているかどうかが判断さ
れたのに対し、この実施例では、モード指定信号にもと
づいて切替スイッチ（２２Ａ）に設定されているモード
（Ｍｌ）〜（Ｍ５）が判断される。また第１実施例では
ステップ（４２）においてスイッチ（２２）がオンに切
り替えられた直後であるかどうかが判断されたのちに対
し、この実施例ではモードが切り替えられた直後である
かどうかが判断される。他のステップ（４３）〜（５１
）の処理は第１実施例のものと全く同様であるのでその
説明を省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図〜Ｍ４図はこの発明の第１実施例を示し、第１図
は光スイッチの構成を示す概略図、第２図は結晶内の温
度分布を示すグラフ、第３図は結晶の温度−屈折率特性
を示すグラフ、第４図は供給電力制御装置による温度補
償処理手順を示すフローチャート、第５図および第６図
はこの発明の第２実施例を示し、第５図は光スイッチの
構成を示す概略図、第６図は切替スイッチおよび切替回
路の一例を示す構成図である。 （５）・・・温度光学効果をもつ結晶、（６）・・・発
熱体、（６Ａ）・・・ベルチェ素子、（２２）・・・ス
イッチ、（２２Ａ）・・・切替スイッチ、（２２Ｂ）・
・・電圧および極性切替回路、（２３）・・・電圧調整
回路、（２４）・・・電圧検出器、（２５）・・・電流
検出器、（２６）・・・温度検出器、（２７）（２７＾
）・・・供給電力制御装置。 以上 外４ん 第２図 ’ｎ−ＩＱ　　　　ＴＨＩ 一−Ｔ 温度Ｔ− 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度によつて屈折率が変化する光学材料、光学材
   料の上下面の少なくとも一方の面上に設けられかつ光学
   材料を加熱または冷却するための熱素子および光学材料
   内に形成される屈折率勾配を複数段階に切り替えるため
   に熱素子への供給電力を複数段階に切り替える供給電力
   切替手段を有する光スイッチにおいて、 光スイッチの周囲の温度を検出するための温度検出器、 熱素子に供給されている電力を測定するための電力測定
   手段、ならびに 上記検出された温度および上記測定された電力にもとづ
   いて、設定された所定の屈折率勾配が光学材料内に形成
   されるように熱素子への供給電力を制御する電力制御手
   段、 を備えている光スイッチ。
2. （２）供給電力制御手段が、 温度検出器によつて検出された温度および電力測定手段
   によって測定された電力にもとづいて光学材料内に形成
   されている温度勾配または屈折率勾配を算出する第１の
   演算手段、 周囲の温度が基準温度である場合において熱素子に上記
   測定された電力と等しい電力が供給されたときに光学材
   料内に形成される温度勾配または屈折率勾配を算出する
   第２の演算手段、および 第１の演算手段によつて算出された温度勾配または屈折
   率勾配と第２の演算手段によって算出された温度勾配ま
   たは屈折率勾配との比較結果にもとづいて、両温度勾配
   または屈折率勾配の偏差が減少するように熱素子への供
   給電力を増加または減少させる手段、 からなる、特許請求の範囲第（１）項記載の光スイッチ
   。