JP7524952B2

JP7524952B2 - 光スイッチ

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Publication number: JP7524952B2
Application number: JP2022541346A
Authority: JP
Inventors: 千里深井; 邦弘戸毛; 友裕川野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2024-07-30
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: WO2022029851A1; US20230324621A1; JPWO2022029851A1

Description

本発明は、主に光ファイバネットワークにおいてシングルモード光ファイバを用いた光線路の経路を切り替えるために用いる光スイッチに関する。

光を光のまま経路切替を行う全光スイッチには、例えば非特許文献１に示すように様々な方式が提案されている。このうち、光ファイバあるいは光コネクタ同士の突合せをロボットアームやモータ等で制御する光ファイバ型機械式光スイッチは、切替速度が遅いという点では他方式に劣るものの、低損失、低波長依存性、多ポート性、電源消失時に切替状態を保持する自己保持機能の具備などの点で他方式よりも優れている点を多く有している。この代表的な構造として、例えば光ファイバＶ溝を用いたステージを並行移動させる方式や、ミラーやプリズムを並行移動または角度変化させて入射光ファイバから複数の出射光ファイバに対して選択的に結合させる方式、ロボットアームを用いて光コネクタ付きのジャンパーケーブルを接続する方式などがある。

また、切替を行う光経路として、マルチコアファイバを用いる方法が提案されており、例えば、マルチコアファイバに３次元ＭＥＭＳ光スイッチを組み合わせる（例えば、非特許文献２参照）ことにより、多経路を一括に切り替えることが可能となる。また、マルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを回転させることによって切り替えを行う（例えば、特許文献１参照）ことにより、レンズやプリズム等の光学部品を不要とし、構成の簡略化が可能となる。

特開平２－８２２１２

Ｍ．Ｃｔｅｐａｎｏｖｓｋｙ，"ＡＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＲｅｖｉｅｗｏｆＭＥＭＳ－ＢａｓｅｄＯｐｔｉｃａｌＣｒｏｓｓ－ＣｏｎｎｅｃｔｓｆｏｒＡｌｌ－ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋｓＦｒｏｍｔｈｅＰａｓｔｔｏｔｈｅＰｒｅｓｅｎｔＤａｙ，" ＩＥＥＥＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｕｒｖｅｙｓ & Ｔｕｔｏｒｉａｌｓ，ｖоｌ．２１，ｎо．３，ｐｐ．２９２８－２９４６，２０１９．ＫｅｎｊｉＨｉｒｕｍａ，ＴｏｓｈｉｋｉＳｕｇａｗａｒａ，ＫｅｎｉｃｈｉＴａｎａｋａ，ＥｔｓｕｋｏＮｏｍｏｔｏ，ａｎｄＹｏｎｇＬｅｅ， "ＰｒｏｐｏｓａｌｏｆＨｉｇｈ－ｃａｐａｃｉｔｙａｎｄＨｉｇｈ－ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＯｐｔｉｃａｌＳｗｉｔｃｈＥｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈＭｕｌｔｉ－ｃｏｒｅＦｉｂｅｒｓ"、ＯＥＣＣ／ＰＳ２０１３，ＴＨＴ１－２．

しかしながら、前述の非特許文献１に記載の従来技術においては、さらなる低電力化および小型化、経済化が困難であるという問題がある。具体的には、前述の光ファイバＶ溝ステージあるいはプリズムを並行移動させる方式では、一般に駆動源にモータが用いられるが、ステージ等の重量物を直動させる機構のため、一定以上のトルクがモータに必要となり、必要トルクを維持するために相応の出力を得るための消費電力を要する。また、シングルモード光ファイバを用いた光軸調心には、1μｍ以下程度の精度が必要であることから、モータの回転運動を直動運動に変換させる機構（一般にはボールねじが用いられる）において、サブμｍステップの直動運動に変換させる必要がある。通常用いられる出力側の光ファイバアレイの光ファイバピッチは、光ファイバのクラッド外径１２５μｍあるいは光ファイバの被覆外径２５０μｍ程度である。この光ファイバピッチを維持したまま設置する光ファイバの本数を多くすると、出力側の光ファイバアレイが大きくなる。その結果、直動運動の距離が延び、モータの実駆動時間は長くせざるを得ず、消費電力が増大するという課題があった。このため、一般にこのような光ファイバ型機械式光スイッチは数百ｍＷ以上の電力を要する。また、光コネクタを用いたロボットアーム方式は、光コネクタあるいはフェルールを挿抜制御するロボットアームそのものに数十Ｗ以上の大きな電力を要してしまうという課題があった。

また、非特許文献２に記載のマルチコアファイバを用いた光経路切替では、光スイッチを製作する過程において、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を得るための除振機構が別途必要となり、組立工程も複雑になるという課題があった。

さらに、特許文献１に記載のマルチコアファイバが挿入された円筒フェルールを用いた光経路切替では、フェルールをスリーブに密着挿入することにより、フェルールの中心軸を合わせており、フェルールとスリーブ間の摩擦力により、回転の駆動に大きなエネルギーが必要であり大きな電力を要してしまうという課題があった。加えて、回転による切替を繰り返し行うことによって光ファイバにねじれが生じてしまう課題があった。

前記課題を解決するために、本発明は、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の光スイッチは、ミラーを端面に有する円筒部材又は中心コア及び外周コアを有するマルチコア光ファイバの一方を容易に軸回転させてミラーの反射により光経路を切り替える機構と、回転に伴う損失をなくすためのクリアランスと、を設ける。

具体的には、本開示に係る光スイッチは、ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コア及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周コアを有するマルチコア光ファイバと、前記マルチコア光ファイバの端面の正面に配置され、前記外周コアのいずれか１つと前記中心コアとを１つの光経路として結合するミラーと、前記ミラーが固定された前記端面を持つ円筒部材と、を有する光結合部、及び、前記光結合部において、前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を前記マルチコア光ファイバの軸方向に回転させ、前記光経路を切り替える回転機構を備える。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記光結合部は、前記マルチコア光ファイバを内蔵したフェルールと、前記フェルール及び前記円筒部材が、前記マルチコア光ファイバの前記端面と前記ミラーとが向かい合うように挿入された円筒のスリーブと、をさらに備え、前記円筒部材の外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間があってもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記マルチコア光ファイバは、前記光結合部に含まれる前記端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア光ファイバに接続するファンイン又はファンアウト用光デバイスに接続していてもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記円筒部材をベアリングを介して保持するフランジをさらに備えてもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記フェルールをベアリングを介して保持するフランジをさらに備えてもよい。

例えば、本開示に係る光スイッチは、前記回転機構を一定の角度ステップで回転させ、任意の角度ステップで静止させるアクチュエータをさらに具備してもよい。

本発明は、マルチコア光ファイバ又は円筒部材の一方のみを容易に軸回転させる機構と、回転に伴う損失をなくすための間隙及びクリアランスと、を設けることにより、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくでき、低消費電力化が可能である。また、円筒部材の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部においてスリーブにより制限されているために、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる。さらに、特別な除振機構を具備しておらず、フェルール、スリーブ及びミラーといった光コネクタ製品や光スイッチ製品に広く用いられている一般的な材料によって、組立作業性に優れた経済的かつ小型である光スイッチが実現できる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本開示によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

本発明の実施形態の一例を示す図である。本発明の実施形態を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係るマルチコア光ファイバの構造を表した模式図である。本発明の実施形態に係る光結合部の光経路のイメージを示す図である。本発明の実施形態に係る光結合部の詳細を示す模式図である。本発明の実施形態１に係る光結合部の篏合形態を表す模式図である。コア配置半径に対する最大の静止角度精度の関係の一例を示す図である。本発明の実施形態２に係る光結合部の篏合形態を表す模式図である。本発明の実施形態２に係る光反射部を正面から見た図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
本実施形態に係る光スイッチの使用形態の一例を図１に示す。本実施形態は、光がＳ０１から入力され、Ｓ０４へ出力する形態を説明する。光スイッチであるから、光の方向は逆でもよい。本発明は、前段光スイッチＳ００に接続された入力側光ファイバＳ０１を、前段光スイッチＳ００において光スイッチ間光ファイバＳ０２の特定のポートに切り替えて、光スイッチ間光ファイバＳ０２のポートを、後段光スイッチＳ０３において所望の出力側光ファイバＳ０４に切り替えることを可能とする。本発明は、前段光スイッチＳ００及び後段光スイッチＳ０３に該当する光スイッチである。以下、前段光スイッチＳ００を光スイッチＳ００と、後段光スイッチＳ０３を光スイッチＳ０３と略記する。以下、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３について説明する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の構成と動作の概要について図２で説明する。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３のブロック構成図を図２に示す。

図２に示す光スイッチＳ００及びＳ０３は、入出力シングルコア光ファイバＳ１と、ファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２と、複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバＳ４（以下、「複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバＳ４」を「マルチコア光ファイバＳ４」と称する。）と、円筒部材Ｓ６と、マルチコア光ファイバＳ４の端部及び円筒部材Ｓ６の端部で構成される光結合部Ｓ１０と、を備える。また、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６のみを回転させるために、回転止め機構Ｓ３と、回転機構Ｓ７と、アクチュエータＳ８と、制御回路Ｓ９とを備える。回転止め機構Ｓ３及び回転機構Ｓ７は、光結合部Ｓ１０に含まれてもよい。

マルチコア光ファイバＳ４は、図２に示すように、軸回転しないように回転止め機構Ｓ３により固定される。円筒部材Ｓ６は、回転機構Ｓ７が取り付けられ、軸方向に自由に回転することができる。任意の角度回転を行うアクチュエータＳ８は、制御回路Ｓ９からの信号により円筒部材Ｓ６を回転させる。また、光結合部Ｓ１０には、間隙Ｓ５が設けられており、円筒部材Ｓ６が回転しても、マルチコア光ファイバＳ４と干渉しない構成になっている。

光スイッチＳ００及びＳ０３は、マルチコア光ファイバＳ４の、光結合部Ｓ１０に含まれる端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア光ファイバＳ１に接続するファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２に接続している。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、入出力シングルコア光ファイバＳ１がファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介してマルチコア光ファイバＳ４のコアと接続する。

上記において、マルチコア光ファイバＳ４を固定して、円筒部材Ｓ６を回転させることとしたが、ファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２から光結合部Ｓ１０までの余長をあらかじめ長くすることにより、円筒部材Ｓ６を固定し、マルチコア光ファイバＳ４を回転させてもよい。以下では、図２に示すように、マルチコア光ファイバＳ４を固定し、円筒部材Ｓ６を回転させる光スイッチＳ００及びＳ０３について説明する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３について、図３から図７を用いて具体的に説明する。マルチコア光ファイバＳ４の断面を図３に示す。図３（ａ）は、９つのコアから成るマルチコア光ファイバを、図３（ｂ）は、バンドル光ファイバを表す。マルチコア光ファイバＳ４は、図３（ａ）又は（ｂ）のいずれの形態でもよい。マルチコア光ファイバＳ４は、図３に示すように、光ファイバの中心にある中心コアＳ１１と、光ファイバの中心を中心としたコア配置半径Ｓ１３の円の円周上にコアの中心が配置されている複数の外周コアＳ１２とを有することを特徴とする。図３では合計９つのコアから成るマルチコア光ファイバあるいはバンドル光ファイバを例に挙げているが、中心コアＳ１１が光ファイバの中心にあり、各外周コアＳ１２の中心が光ファイバの中心を中心としたコア配置半径Ｓ１３を有する円の円周上に配置されていればよく、この条件を満たせば、光ファイバのコア数及び配置は、これに限られない。なお、図３（ｂ）のバンドル光ファイバを構成するシングルコア光ファイバは、中心クラッドＳ４１又は外周クラッドＳ４２を有する。

ここで、光スイッチとしては光結合部Ｓ１０の光結合率をできるだけ大きくすることが重要であり、マルチコア光ファイバＳ４の中心コアＳ１１と外周コアＳ１２は同程度のモードフィールド径を有する点で同じ光学特性である方が望ましいが、光結合可能であれば異なる光学特性を有してもよい。また、光ファイバクラッド径Ｓ１４は、広く通信用で用いられている１２５μｍあるいは、多くのコア数を実現するために拡大されたクラッド径、例えば１９０μｍであっても良い。

本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１０の詳細を図４及び５を用いて説明する。まず、本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１０における光反射部Ｓ１７、光経路Ｓ２８、マルチコア光ファイバＳ４について図４を用いて説明する。図４は、光結合部Ｓ１０のうち、マルチコア光ファイバＳ４の端面及び円筒部材Ｓ６の端面付近を示す図である。光結合部Ｓ１０は、ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コアＳ１１及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周コアＳ１２を有する前述したマルチコア光ファイバＳ４と、マルチコア光ファイバＳ４の端面の正面に配置され、外周コアＳ１２のいずれか１つと中心コアＳ１１とを１つの光経路Ｓ２８として結合するミラーＳ２５及びＳ２６と、ミラーＳ２５及びＳ２６が固定された端面を持つ円筒部材Ｓ６と、を有する。

具体的には、円筒部材Ｓ６の端面に形成された光反射部Ｓ１７がミラーＳ２５及びＳ２６を備える。ミラーＳ２５及びＳ２６は、光反射部Ｓ１７において、次の３つの条件を満たす位置に固定される。（１）ミラーＳ２５が中心コアＳ１１と対向する位置である。（２）ミラーＳ２６が外周コアＳ１２のいずれか１つと対向する位置である。（３）図４に示す光反射中心点間距離Ｓ２７が図３に示すマルチコア光ファイバＳ４のコア配置半径Ｓ１３と一致する。この３つの条件を満たすことにより、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６を回転させることで、ミラーＳ２６を外周コアＳ１２が配置された円の円周に沿って移動させることができる。常にミラーＳ２６と外周コアＳ１２とが同じ円周上にあることにより、光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６を長軸方向を軸として回転させるだけで、ミラーＳ２６と任意の外周コアＳ１２とを対向させることができる。また、ミラーＳ２５及びＳ２６の角度は、中心コアＳ１１を通過した光がそれぞれのミラーで９０度の反射が行われるように調整される。

図４では、ミラーを２つ用いて中心コアＳ１１から出射した光を反射して外周コアＳ１２に入射することとしたが、このほかの方法として、例えば、プリズムを用いることも可能であり、中心コアＳ１１から出射した光が外周コアＳ１２に入射して光結合する機構となっていればよい。

光結合部Ｓ１０における光経路Ｓ２８について説明する。光反射部Ｓ１７は、中心コアＳ１１から通過した光を、光反射部Ｓ１７上に形成された２つのミラーＳ２５及びＳ２６で９０度の反射を２回行う。２回反射した光を外周コアＳ１２に入射させることで、外周コアＳ１２のいずれか１つと中心コアＳ１１とを１つの光経路Ｓ２８として結合させる。また、図４では、光経路Ｓ２８は中心コアＳ１１から出射して外周コアＳ１２に入射することとしたが、外周コアＳ１２から出射した光をミラーＳ２５及びＳ２６で反射して中心コアＳ１１に入射することも可能である。

図４に示すように、光結合部Ｓ１０において、マルチコア光ファイバＳ４は、フェルールＳ１５に内蔵される。フェルールＳ１５の端面は、研磨されており、空気層とのフレネル反射を低減するための反射防止膜Ｓ１６がコーティングされている。フレネル反射を低減する別の方法として、フェルール端面がフラットでなく、一定角度をつけて研磨する斜め研磨も代替として用いることができる。ただし、この場合、円筒部材Ｓ６が回転した際に、円筒部材Ｓ６のミラーＳ２５及びＳ２６がフェルールＳ１５の端面に接触しないように、後述する間隙Ｓ５、研磨角度及び円筒部材Ｓ６のミラーＳ２５及びＳ２６の形状を工夫する必要がある。

次に、本発明の実施形態に係る光結合部Ｓ１０を図５で説明する。なお、図５の円筒部材Ｓ６は、図４に示すものと同一であるが、光反射部Ｓ１７に形成されたミラーＳ２５及びＳ２６を省略している。光結合部Ｓ１０は、マルチコア光ファイバＳ４を内蔵したフェルールＳ１５と、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６が、マルチコア光ファイバＳ４の端面とミラーＳ２５及びＳ２６が形成された光反射部Ｓ１７とが向かい合うように挿入された円筒のスリーブＳ１９と、をさらに備え、円筒部材Ｓ６の外径及びスリーブの内径の間に所定の隙間（クリアランスＳ４０）がある。

光結合部Ｓ１０は、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６並びにスリーブＳ１９を用いて、マルチコア光ファイバＳ４及び円筒部材Ｓ６の軸ずれを防止する。スリーブＳ１９は、フェルールＳ１５および円筒部材Ｓ６の軸ずれを一定許容範囲に制御し、円筒部材Ｓ６の軸回転を妨げないようにするために、円筒部材Ｓ６の円筒部材外径Ｓ２０に対して自身のスリーブ内径Ｓ２１をサブμｍ程度一回り大きくして、サブμｍ程度の僅かなクリアランスＳ４０（所定の隙間）を設けている。ここで、サブμｍ程度とは、０．１～１μｍを指す。

光結合部Ｓ１０は、フェルールＳ１５の端面と円筒部材Ｓ６の光反射部Ｓ１７との間に間隙Ｓ５を設ける。間隙Ｓ５は、図５に示すように、スリーブＳ１９のスリーブ軸方向の長さＳ２４と、フェルールＳ１５に取り付けられたフェルールフランジＳ２２と、円筒部材Ｓ６に取り付けられた円筒部材フランジＳ２３と、により確保されることを特徴とする。具体的には、スリーブＳ１９のスリーブ軸方向の長さＳ２４は、フェルールＳ１５がフェルールフランジＳ２２から突き出す長さと、円筒部材Ｓ６が円筒部材フランジＳ２３から突き出す長さとの合計よりも長く設定されており、これにより間隙Ｓ５を確保できる構造となっている。

なお、フェルール、スリーブ及び円筒部材はジルコニアが用いられるが、高い寸法精度で作製することが可能であれば、これ以外の材質を用いることも可能である。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３を図６で例示する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１０において、マルチコア光ファイバＳ４又は円筒部材Ｓ６をマルチコア光ファイバＳ４の軸方向に回転させ、光経路Ｓ２８を切り替える回転機構Ｓ７を備えることを特徴とする。以下では、ここまでの説明と同様に、光スイッチＳ００及びＳ０３は、フェルールＳ１５を固定し、円筒部材Ｓ６を回転させる構造例を説明する。

具体的には、本実施形態に係るフェルールＳ１５は切り欠き付きのフェルールフランジＳ２２に取り付けられる。フェルールフランジＳ２２は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられ、フェルールＳ１５の軸方向および軸回転を固定してもよい。この際、フェルールフランジＳ２２、固定ネジＳ２９及び固定治具Ｓ３１が前述した回転止め機構Ｓ３となる。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、円筒部材Ｓ６をフランジベアリングＳ３０を介して保持する円筒部材フランジＳ２３をさらに備える。円筒部材Ｓ６は円筒部材フランジＳ２３に取り付けられる。円筒部材フランジＳ２３は、外側にフランジベアリングＳ３０が設けられている。フランジベアリングＳ３０は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられる。この際、円筒部材フランジＳ２３、固定ネジＳ２９及びフランジベアリングＳ３０が前述した回転機構Ｓ７となる。固定治具Ｓ３１内にスリーブＳ１９が内蔵されており、フェルールＳ１５及び円筒部材Ｓ６がスリーブＳ１９に挿入されることによって軸合わせが行われる。

光スイッチ（Ｓ００、Ｓ０３）は、回転機構Ｓ７を一定の角度ステップで回転させ、任意の角度ステップで静止させるアクチュエータＳ８をさらに具備することを特徴とする。

アクチュエータＳ８と、マルチコア光ファイバＳ４および円筒部材Ｓ６と、に係る要件について図７で説明する。アクチュエータＳ８には、制御回路Ｓ９からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっており、例えば、ステッピングモータが用いられる。なお、アクチュエータＳ８は、制御回路Ｓ９からのパルス信号により任意の角度ステップで回転を行い、角度ステップ毎で一定の静止トルクを有する駆動機構となっていれば、これ以外の方法を用いてもよい。回転速度や回転角度は制御回路Ｓ９からのパルス信号の周期とパルス数で決定され、角度ステップや静止トルクは減速ギヤを介して調整されたものでもよい。なお、前述のとおり、光結合部Ｓ１０における円筒部材Ｓ６は自由に軸回転するように設計されているため、円筒部材Ｓ６の回転角度の保持に必要な静止トルクはアクチュエータＳ８によって付与されるものであるという特徴を有する。

ここで、ステッピングモータにおいて、電源供給停止時の角度位置を示す角度ステップ数を静止角度ステップ数と定義する。すなわち、静止角度ステップ数は、３６０度をいくつのステップ数で表現するかを意味する。例えば、静止角度ステップ数が４だった場合、特定の角度位置を０度（基準）とした電源供給停止時の角度位置は、９０度＝１ステップ、１８０度＝２ステップ、２７０度＝３ステップ、３６０度＝４ステップと表現される。なお、特定の角度位置は、外周コアＳ１２の１つとミラーＳ２６とが対向した位置となる角度位置が望ましい。また、電源供給停止時の角度位置を静止角度位置と定義する。静止角度位置は、自然数Ｎを用いて、（（３６０÷静止角度ステップ数）×Ｎ）と定義する。ステッピングモータは、電源供給停止時に、円筒部材Ｓ６を静止角度位置になるまで回転させてからその回転を終了させる。ステッピングモータは、円筒部材Ｓ６が静止角度位置で静止した際に、外周コアＳ１２の１つとミラーＳ２６とが対向した位置となるようにするために、静止角度ステップ数をマルチコア光ファイバＳ４のコア数と同等とすることを特徴とする。

また、光結合部Ｓ１０における回転角度ずれによる過剰損失をＴＲ（単位：ｄＢ）、ステッピングモータの静止角度精度をθ（単位：度）、マルチコア光ファイバＳ４のコア配置半径Ｓ１３の大きさをＲ(単位：μｍ)とした場合、これらの関係は数１に表すことができる。

過剰損失Ｔを例えば０．１ｄＢあるいは０．２ｄＢとすれば、最大の前記静止角度精度θは、コア配置半径Ｓ１３の大きさＲに対して図７のように与えられる。図７より、コア配置半径Ｓ１３が大きいほど厳しい静止角度精度が求められ、例えば過剰損失０．１ｄＢとすれば、コア配置半径Ｓ１３が５０μｍで約０．８度以下の静止角度精度が必要となる。

本実施形態に係る円筒部材Ｓ６の回転動作について図１、２、４及び６で説明する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、前述した回転機構Ｓ７が取り付けられた円筒部材Ｓ６にアクチュエータＳ８を取り付け、制御回路Ｓ９からアクチュエータＳ８へ信号を送ることにより、アクチュエータＳ８により円筒部材Ｓ６を回転させる。そして、図６に示すように、円筒部材フランジＳ２３に取り付けられたフランジベアリングＳ３０により、円筒部材フランジＳ２３及び円筒部材Ｓ６が回転する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の動作の一例について図２及び図６を用いて説明する。

光スイッチＳ００について説明する。光スイッチＳ００は、図２に示す入出力シングルコア光ファイバＳ１のうち、中心コアＳ１１に接続する単数のシングルコア光ファイバを入力シングルコア光ファイバ（不図示）とし、外周コアに接続する複数のシングルコア光ファイバを出力シングルコア光ファイバ（不図示）とする。また、入力シングルコア光ファイバは、図１の入力側光ファイバＳ０１と接続しており、複数の出力シングルコア光ファイバは、それぞれ図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２と接続している。

光スイッチＳ００は、入力シングルコア光ファイバからファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介して光が中心コアＳ１１に入力される。光スイッチＳ００は、中心コアＳ１１に入力され、中心コアＳ１１を通過した光を、図４に示すように、光反射部Ｓ１７のミラーＳ２５及びＳ２６で反射し、外周コアＳ１２のいずれかに入射させることで、中心コアＳ１１と外周コアＳ１２のいずれか１つとを１つの光経路Ｓ２８として結合する。外周コアＳ１２に入射した光は、外周コアＳ１２を通過して、出力シングルコア光ファイバから出力される。本実施形態に係る光スイッチＳ００は、光反射部Ｓ１７で光を反射する際に、アクチュエータＳ８で円筒部材Ｓ６を回転させ、中心コアＳ１１を通過した光を回転前と別の外周コアＳ１２へ反射し、中心コアＳ１１と回転前とは別の外周コアＳ１２とを新たに１つの光経路として結合させることで、光経路を切り替えることができる。

一方、光スイッチＳ０３は、図２に示す入出力シングルコア光ファイバＳ１のうち、外周コアＳ１２に接続する複数のシングルコア光ファイバを入力シングルコア光ファイバ（不図示）とし、中心コアＳ１１に接続する単数のシングルコア光ファイバを出力シングルコア光ファイバ（不図示）とする。また、複数の入力シングルコア光ファイバは、それぞれ図１の光スイッチ間光ファイバＳ０２と接続しており、出力シングルコア光ファイバは、図１の出力側光ファイバＳ０４と接続している。

光スイッチＳ０３は、任意の入力シングルコア光ファイバからファンイン又はファンアウト用光デバイスＳ２を介して光が外周コアＳ１２に入力される。光スイッチＳ０３は、外周コアＳ１２のいずれか１つについて、その外周コアＳ１２に入力され、その外周コアＳ１２を通過した光を、光反射部Ｓ１７で反射し、中心コアＳ１１に入射させることで、中心コアＳ１１と外周コアＳ１２のいずれか１つとを１つの光経路として結合する。結合した光経路は図４に示す光経路Ｓ２８の逆向きである。中心コアＳ１１に入射した光は、中心コアＳ１１を通過して、出力シングルコア光ファイバから出力される。本実施形態に係る光スイッチＳ０３は、光反射部Ｓ１７で反射する際に、アクチュエータＳ８で円筒部材Ｓ６を回転させ、回転前とは別の外周コアＳ１２を通過した光を中心コアＳ１１に反射し、回転前とは別の外周コアＳ１２と中心コアＳ１１とを新たに１つの光経路として結合させることで、光経路を切り替えることができる。

以上、円筒部材Ｓ６を回転させる構造例を説明したが、円筒部材Ｓ６を固定し、フェルールＳ１５を回転させる構造でも同様である。円筒部材Ｓ６ではなくフェルールＳ１５を回転させる際は、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、フェルールＳ１５をベアリングを介して保持するフェルールフランジＳ２２をさらに備えてもよい。

光スイッチＳ００のような光スイッチは、入力を単数とする１ｘＮのリレー型光スイッチとして使用できるものである。Ｎｘ１の光スイッチＳ０３の出力シングルコア光ファイバと１ｘＮの光スイッチＳ００の入力シングルコア光ファイバとを接続するように光スイッチを組み合わせることにより、Ｎ×Ｎの光スイッチを構成することも可能である。

本発明は、マルチコア光ファイバＳ４又は円筒部材Ｓ６の一方のみを容易に軸回転させる機構と、回転に伴う損失をなくすための間隙及びクリアランスと、を設けることにより、アクチュエータで必要となるエネルギー、すなわちトルク出力を限りなく小さくでき、低消費電力化が可能である。また、円筒部材Ｓ６の軸回転以外の方向における光軸ずれ量は、光結合部Ｓ１０においてスリーブＳ１９により制限されているために、振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる。さらに、光スイッチＳ００及びＳ０３には、特別な除振機構を具備しておらず、フェルール、スリーブ及びミラーといった光コネクタ製品や光スイッチ製品に広く用いられている一般的な材料によって、組立作業性に優れた経済的かつ小型である光スイッチＳ００及びＳ０３が実現できる。

また、本実施形態のように、円筒部材Ｓ６を回転させる場合は、光ファイバを回転させる際に発生する回転による切替を繰り返し行うことによって光ファイバにねじれが生じてしまう課題を解決することができる。

従って、本発明によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

（実施形態２）
以下、本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３の構成と動作について図２、図８及び図９を用いて具体的に示す。本実施形態の光スイッチＳ００及びＳ０３は、光結合部Ｓ１０の円筒部材Ｓ６の回転機構のみが実施形態１の光スイッチＳ００及びＳ０３と異なる。以下、円筒部材Ｓ６の回転機構について説明する。なお、以下に説明する内容以外は、実施形態１と同様とする。

本実施形態に係る光結合部Ｓ１０の篏合形態を図８に表す。本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、実施形態１と同様に、フェルールＳ１５は切り欠き付きのフェルールフランジＳ２２に取り付けられ、フェルールフランジＳ２２は固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられている。円筒部材Ｓ６の外径はフェルールＳ１５の外径よりも小さくする。本実施形態に係る光結合部Ｓ１０において、円筒部材Ｓ６は、スリーブＳ１９の内径と円筒部材Ｓ６の外径との間に円筒部材ベアリングＳ３２を具備する。円筒部材Ｓ６は、円筒部材フランジＳ２３に取り付けられる。円筒部材フランジＳ２３は、フランジ回転治具Ｓ３３が取り付けられる。フランジ回転治具Ｓ３３は、固定ネジＳ２９で固定治具Ｓ３１に取り付けられている。この際、円筒部材フランジＳ２３、固定ネジＳ２９、円筒部材ベアリングＳ３２及びフランジ回転治具Ｓ３３が回転機構Ｓ７となる。実施形態１と同様に、光結合部Ｓ１０は、フェルールフランジＳ２２及び円筒部材フランジＳ２３により、フェルールＳ１５の端面と円筒部材Ｓ６の光反射部Ｓ１７との間に間隙Ｓ５を確保する構造となっている。

本実施形態に係る光結合部Ｓ１０の光反射部Ｓ１７を正面から見た図を図９に示す。円筒部材Ｓ６の周囲に円筒部材ベアリングＳ３２が取り付けられ、円筒部材Ｓ６がスリーブＳ１９内で自由に回転できる構造となっている。

なお、円筒部材ベアリングＳ３２には、例えばジルコニアが用いられるが、高い寸法精度で作製することが可能であれば、これ以外の材質を用いることも可能である。

本実施形態に係る円筒部材Ｓ６の回転動作について図２及び８で説明する。光スイッチＳ００及びＳ０３は、図２に示すように、本実施形態における回転機構Ｓ７が取り付けられた円筒部材Ｓ６に実施形態１と同様のアクチュエータＳ８を取り付け、制御回路Ｓ９からアクチュエータＳ８へ信号を送ることにより、アクチュエータＳ８により円筒部材Ｓ６を回転させる。そして、図８に示すように、円筒部材ベアリングＳ３２及びフランジ回転治具Ｓ３３により、円筒部材フランジＳ２３及び円筒部材Ｓ６が回転する。

本実施形態に係る光スイッチＳ００及びＳ０３は、実施形態１と同様に、入力された光を出力する。本実施形態に係る光スイッチＳ００は、光反射部Ｓ１７で光を反射する際に、アクチュエータＳ８で前述したように円筒部材Ｓ６を回転させ、実施形態１と同様に、光経路を切り替えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、低消費電力であり、かつ、複雑な組立工程を要しない機構により外的要因に対して安定的な光学特性を実現できる光スイッチを提供することができる。

本開示に係る光スイッチは、光経路を切り替える際の駆動エネルギーを限りなく小さくすることが可能であり、低消費電力な光スイッチを提供することが可能である。また、一般的に広く用いられている光接続部品から構成されているため小型かつ経済的であり、さらに、温度や振動等の外的要因に対して安定的な光学特性を実現した光スイッチを提供することが可能である。その結果、光ファイバネットワークのシングルモード光ファイバを用いた光線路において、場所を問わず、あらゆる設備において、経路を切り替える光スイッチに利用することが可能である。

Ｓ００：前段光スイッチ
Ｓ０１：入力側光ファイバ
Ｓ０２：光スイッチ間光ファイバ
Ｓ０３：後段光スイッチ
Ｓ０４：出力側光ファイバ
Ｓ１：入出力シングルコア光ファイバ
Ｓ２：ファンイン又はファンアウト用光デバイス
Ｓ３：回転止め機構
Ｓ４：複数のコアを有するマルチコア光ファイバあるいは複数のシングルコア光ファイバを溶融延伸したバンドル光ファイバ
Ｓ５：間隙
Ｓ６：円筒部材
Ｓ７：回転機構
Ｓ８：アクチュエータ
Ｓ９：制御回路
Ｓ１０：光結合部
Ｓ１１：中心コア
Ｓ１２：外周コア
Ｓ１３：コア配置半径
Ｓ１４：光ファイバクラッド径
Ｓ１５：フェルール
Ｓ１６：反射防止膜
Ｓ１７：光反射部
Ｓ１９：スリーブ
Ｓ２０：円筒部材外径
Ｓ２１：スリーブ内径
Ｓ２２：フェルールフランジ
Ｓ２３：円筒部材フランジ
Ｓ２４：スリーブ軸方向の長さ
Ｓ２５：ミラー
Ｓ２６：ミラー
Ｓ２７：光反射中心点間距離
Ｓ２８：光経路
Ｓ２９：固定ネジ
Ｓ３０：フランジベアリング
Ｓ３１：固定治具
Ｓ３２：円筒部材ベアリング
Ｓ３３：フランジ回転治具
Ｓ４０：クリアランス
Ｓ４１：中心クラッド
Ｓ４２：外周クラッド

Claims

ファイバ断面において、光ファイバの中心にある中心コア及び光ファイバの中心とする円の同一円周上にある複数の外周コアを有するマルチコア光ファイバと、前記マルチコア光ファイバの端面の正面に配置され、前記外周コアのいずれか１つと前記中心コアとを１つの光経路として結合するミラーと、前記ミラーが固定された前記端面を持つ円筒部材と、を有する光結合部、及び、
前記光結合部において、前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を前記マルチコア光ファイバの軸方向に回転させ、前記光経路を切り替える回転機構を備え、
前記回転機構は、前記中心コアから前記外周コアまでのコア配置半径に応じた静止角度精度で前記マルチコア光ファイバ又は前記円筒部材を回転させる
ことを特徴とする光スイッチ。
前記光結合部は、前記マルチコア光ファイバを内蔵したフェルールと、
前記フェルール及び前記円筒部材が、前記マルチコア光ファイバの前記端面と前記ミラーとが向かい合うように挿入された円筒のスリーブと、をさらに備え、
前記円筒部材の外径及び前記スリーブの内径の間に所定の隙間がある
ことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記マルチコア光ファイバは、前記光結合部に含まれる前記端面と反対側の端が、単数コアを有する入出力シングルコア光ファイバに接続するファンイン又はファンアウト用光デバイスに接続している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スイッチ。
前記円筒部材をベアリングを介して保持するフランジをさらに備える
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光スイッチ。
前記フェルールをベアリングを介して保持するフランジをさらに備える
ことを特徴とする請求項２又は請求項２を引用する請求項３に記載の光スイッチ。
前記回転機構を一定の角度ステップかつ前記静止角度精度で回転させ、任意の角度ステップで静止させるアクチュエータをさらに具備し、
前記静止角度精度は、前記回転機構の回転角度ずれによる過剰損失が設定値以下になるような精度である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光スイッチ。