特許 7251760 ＭＥＭＳ光スイッチ、その駆動方法、及びＭＥＭＳ光スイッチを備えた光スイッチモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-27

(45)【発行日】2023-04-04

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ光スイッチ、その駆動方法、及びＭＥＭＳ光スイッチを備えた光スイッチモジュール

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/35 20060101AFI20230328BHJP

【ＦＩ】

G02B6/35

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018522443

(86)(22)【出願日】2017-06-01

(86)【国際出願番号】 JP2017020449

(87)【国際公開番号】W WO2017213018

(87)【国際公開日】2017-12-14

【審査請求日】2020-05-25

(31)【優先権主張番号】P 2016113356

(32)【優先日】2016-06-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000240477

【氏名又は名称】Ｏｒｂｒａｙ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077573

【弁理士】

【氏名又は名称】細井 勇

(72)【発明者】

【氏名】山内 研也

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 正和

(72)【発明者】

【氏名】石川 正紀

(72)【発明者】

【氏名】神原 大輔

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１５８６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０２２５８３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０２９０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０６５５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１９２９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５１４６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－００３２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０２８６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００９７９２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－０４２２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１３３３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０７７１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０９０９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－０７３２１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／３５，２６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＭＥＭＳ光スイッチと、ミラーと、該ミラーの角度を制御する制御機構とを備えた光スイッチモジュールであって、
ＭＥＭＳ光スイッチは、入力ポートの数がｎ（ｎ≧１）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチであり、
ＭＥＭＳ光スイッチは、出力ポートの他に、光が照射されても外部に光を出射しないオフポートを有し、出力ポートとオフポートを含む出力側ポートを備えるとともに、入力ポートに入力された光を、オフポートを含む出力側ポートへ照射することができるように構成されており、且つＭＥＭＳ光スイッチは駆動電極を備え、
ミラーは、電圧の印加により該ミラーの向きを入力ポートと出力ポートに対して変更可能に配置されるとともに、該ミラーの角度に応じて何れかの入力ポートと何れかの出力ポートが光学的に結合可能となるように配置されており、
制御機構は、電圧の印加によりミラーの角度を制御可能に構成されており、且つ、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖ０（Ｖ）超およびＶ１（Ｖ）未満である電圧Ｖ２（Ｖ）がミラーに印加され、Ｖ２（Ｖ）印加により設定値角度までミラーが振れた時点でＶ１（Ｖ）が印加されるように構成されており、前記電圧Ｖ２（Ｖ）は、当該電圧Ｖ２（Ｖ）をミラーに印加した時、ミラーの最大振れ幅が前記設定値角度となる電圧値であり、
制御機構は、駆動電極に接続されて駆動電極の印加電圧を制御する制御部により形成されており、
制御部は、設定受付部、光量制御部、駆動制御部を備えており、設定受付部は、入力ポート及び出力ポートを通る光の光量に関する設定を受け付け、
光量制御部は、演算装置を備え、設定受付部が受け付けた前記光量に関する設定に従って、ミラーでの光の反射に応じて照射先とされる出力側ポートの切換スケジュールを設定し、
駆動制御部は、切換スケジュールに従って、駆動電圧を駆動電極に印加する、ことを特徴とする光スイッチモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳ光スイッチ、その駆動方法、及びＭＥＭＳ光スイッチを備えた光スイッチモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳ光スイッチは、光クロスコネクトスイッチ、減衰器、波長ブロッカー、動的利得等化器、光ファイバネットワーク等の幅広い用途に使用されており、例えば特許文献１のようなミラーを備えた型式のＭＥＭＳ光スイッチが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１０－５１５０９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ミラーを備えるＭＥＭＳ光スイッチは、電圧を印加することでミラーの角度が制御される型式のスイッチである。ＭＥＭＳ光スイッチは、１つ又は複数の入力ポートと１つ又は複数の出力ポートを備えている。ＭＥＭＳ光スイッチでは、ミラーの角度が変わることに伴って反射光の方向が変わることにより、入力ポートと出力ポートの光学的結合が制御される。例えば、入力ポートと出力ポートが複数存在する場合には、それぞれの入力ポートについて、入力ポートからの光の反射光の方向を制御することで適宜それぞれの出力ポートに光学的に結合させることができる。

【0005】

ＭＥＭＳ光スイッチにおける電圧の印加に際しては、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）に遷移させることでミラーに電圧が印加される。しかし、ミラーは機械的共振周波数特性を有するため、入力電圧値を図６上段の様にＶ０（Ｖ）から直接Ｖ１（Ｖ）に遷移させると、図６下段の様にミラーが共振する。図６には、上段に駆動電圧と経過時間との関係を示すグラフが示され、下段に初期電圧がＶ０の場合におけるミラーの状態を基準としたミラーの角度θと経過時間との関係を示すグラフが示されており、経過時間の軸を揃えて上段と下段のグラフが並べられている。また、図７には、図６の場合における出射光の光出力と経過時間との関係を示すグラフが示されている。この図７に示すように、図６の下段に示すような共振振れ幅から減衰振動して設定値角度に収束する過程で、出力ポートに伝搬される出射光の光出力にリンギングが発生する。よって入力ポートの光学的なスイッチング時間が冗長化されてしまう。

【0006】

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ミラーの共振と出力ポートに伝搬される出射光の光出力に於けるリンギングの発生が防止されて、入力ポート及び／又は出力ポートの光学的なスイッチング時間が短縮可能なＭＥＭＳ光スイッチ、その駆動方法、及び光スイッチモジュールの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち本発明の光スイッチモジュールは、ＭＥＭＳ光スイッチと、ミラーと、該ミラーの角度を制御する制御機構とを備えた光スイッチモジュールであって、ＭＥＭＳ光スイッチは、入力ポートの数がｎ（ｎ≧１）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチであり、ＭＥＭＳ光スイッチは、出力ポートの他に、光が照射されても外部に光を出射しないオフポートを有し、出力ポートとオフポートを含む出力側ポートを備えるとともに、入力ポートに入力された光を、オフポートを含む出力側ポートへ照射することができるように構成されており、且つＭＥＭＳ光スイッチは駆動電極を備えている。

【0008】

前記ミラーは、電圧の印加により該ミラーの向きを入力ポートと出力ポートに対して変更可能に配置されるとともに、該ミラーの角度に応じて何れかの入力ポートと何れかの出力ポートが光学的に結合可能となるように配置されており、制御機構は、電圧の印加によりミラーの角度を制御可能に構成されており、且つ、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖ０（Ｖ）超およびＶ１（Ｖ）未満である電圧Ｖ２（Ｖ）がミラーに印加され、Ｖ２（Ｖ）印加により設定値角度までミラーが振れた時点でＶ１（Ｖ）が印加されるように構成されている。前記電圧Ｖ２（Ｖ）は、当該電圧Ｖ２（Ｖ）をミラーに印加した時、ミラーの最大振れ幅が前記設定値角度となる電圧値である。

【0009】

前記制御機構は、駆動電極に接続されて駆動電極の印加電圧を制御する制御部により形成されており、制御部は、設定受付部、光量制御部、駆動制御部を備えており、設定受付部は、入力ポート及び出力ポートを通る光の光量に関する設定を受け付け、光量制御部は、演算装置を備え、設定受付部が受け付けた前記光量に関する設定に従って、ミラーでの光の反射に応じて照射先とされる出力側ポートの切換スケジュールを設定し、駆動制御部は、切換スケジュールに従って、駆動電圧を駆動電極に印加するように構成されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明のＭＥＭＳ光スイッチ、その駆動方法、及び光スイッチモジュールに依れば、いずれについてもミラーの共振を防止することが可能となる為、出力ポートに伝搬される出射光の光出力に於けるリンギング発生が防止される。よって入力ポート及び／又は出力ポートの光学的なスイッチング時間が短縮され、高速でのスイッチング動作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ光スイッチと、そのＭＥＭＳ光スイッチを備えた光伝搬装置を示す模式図である。

【図2】図２は、図１のＭＥＭＳ光スイッチに備えられるミラーの変化角度を示す模式図である。

【図3】図３は、図１のＭＥＭＳ光スイッチに備えられるミラーを駆動する電圧の印加例を示す説明図である。

【図4】図４は、本実施例におけるＭＥＭＳ光スイッチに備えられるミラーを駆動する電圧の印加条件を示す図である。

【図5】図５は、本実施例に係るＭＥＭＳ光スイッチのミラーを高速スイッチング駆動させた場合における、光出力とスイッチング時間の関係を示すグラフである。

【図6】図６は、ＭＥＭＳ光スイッチに備えられるミラーを駆動する電圧の印加について、従来の電圧の印加例を示す説明図である。

【図7】図７は、ＭＥＭＳ光スイッチに備えられるミラーが共振を起こした場合における、光出力とスイッチング時間の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明のＭＥＭＳ光スイッチの実施形態においては、ＭＥＭＳ光スイッチが、入力ポートの数がｎ（ｎ≧１）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチであり、ミラーを備える。ミラーの角度は、電圧の印加により制御可能に構成され、且つ、ミラーの角度に応じて何れかの入力ポートと何れかの出力ポートが光学的に結合される。また、ＭＥＭＳ光スイッチは、何れかの入力ポートと何れかの出力ポートを光学的に結合させるように電圧の印加によりミラーの角度を制御する制御機構を接続することができるように構成される。このＭＥＭＳ光スイッチに接続される制御機構においては、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖ０（Ｖ）超およびＶ１（Ｖ）未満である電圧Ｖ２（Ｖ）がミラーに印加され、電圧Ｖ２（Ｖ）の印加により設定値角度までミラーが振れた時点（タイミング）で設定電圧Ｖ１（Ｖ）が印加される。

【0013】

また本発明のＭＥＭＳ光スイッチの駆動方法に係る実施形態の特徴は、ミラーを備え、入力ポートの数がｎ（ｎ≧１）で出力ポートの数がｍ（ｍ≧１）のｎ×ｍ光スイッチであるＭＥＭＳ光スイッチに、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラーの角度を所望の設定値角度に制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）に遷移する途中で、Ｖ０（Ｖ）超およびＶ１（Ｖ）未満である電圧Ｖ２（Ｖ）をミラーに印加し、電圧Ｖ２（Ｖ）の印加により設定値角度までミラーが振れた時点で設定電圧Ｖ１（Ｖ）を印加することである。

【0014】

ＭＥＭＳ光スイッチ及びその駆動方法に依れば、ミラーの共振を防止することが可能となる為、出力ポートに伝搬される出射光の光出力に於けるリンギング発生が防止される。よって入力ポート及び／又は出力ポートの光学的なスイッチング時間が短縮され、高速でのスイッチング動作が可能となる。

【0015】

以下、図１から図３を参照して本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ光スイッチとその駆動方法を説明する。本実施形態のＭＥＭＳ光スイッチ１２０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を適用した光スイッチであり、入力ポート１１０の数がｎ（ｎ≧１、図１ではｎ＝１）で出力ポート１３０の数がｍ（ｍ≧１）の、ｎ×ｍ光スイッチで、ミラー１２１を備える。図１は、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０を備えた装置の一例として、光伝搬装置１００を示している。光伝搬装置１００は、入力ポート１１０からの入射光の光量を複数に分岐して、出力ポート１３０から出射する装置である。

【0016】

入力ポート１１０は光の入射口であり、光ファイバ２２０等を介して光源２１０と光学的に結合され、光源２１０からの光を入射する。光源２１０は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光や、赤外光、紫外光等の不可視光を出射する光源であり、半導体レーザＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）が使用されてよいし、発光ダイオード（ＬＥＤ）等が使用されてよい。なお、入力ポート１１０と並んでオフポートを設けても良い。

【0017】

一方、各出力ポート１３０に光ファイバ２３０が光学的に結合されている。出力ポート１３０は光の出射口であり、入力ポート１１０に入力した光が照射されると光ファイバ２３０等を介してその光を外部に出射する。なおオフポート１３２に光が照射されても、外部に光を出射しない。出力ポート１３０とオフポート１３２をまとめて、出力側ポート１３４と称する。

【0018】

ミラー１２１の傾斜角度と各出力側ポート１３４の位置は、予め光伝搬装置１００内において対応付けられて配置設定されており、ミラー１２１の傾斜角度を変化させてミラー１２１の向きを制御することにより、各出力側ポート１３４の何れかに入力ポート１１０からの光を伝搬させる。伝搬先となった何れかの出力側ポート１３４が、入力ポート１１０と光学的に結合されることになる。

【0019】

ＭＥＭＳ光スイッチ１２０には、何れかの入力ポートと何れかの出力ポートが光学的に結合されるように電圧の印加によりミラーの角度を制御する制御機構が接続される。制御機構は、駆動電極１２２に接続されて駆動電極１２２の印加電圧を制御する制御部１４０により形成されている。ＭＥＭＳ光スイッチ１２０に制御機構が接続されて光スイッチモジュールが形成される。光伝搬装置１００には、図１に示すように、このような光スイッチモジュールが搭載されている。

【0020】

制御部１４０は、設定受付部１４１、光量制御部１４２、駆動制御部１４３を備えている。光量制御部１４２は、演算装置やメモリ等により構成することができ、設定受付部１４１が受け付けた光量に関する設定に従って、ミラー１２１での光の反射（入力ポート１１０からの光の反射）に応じて照射先とされる出力側ポート１３４の切換スケジュールを設定する。

【0021】

駆動制御部１４３は、電圧出力装置等により構成することができ、切換スケジュールにしたがって、駆動電圧を駆動電極１２２に印加する。

【0022】

ＭＥＭＳ光スイッチ１２０は、ミラー１２１と駆動電極１２２を備えている。ミラー１２１は、入力ポート１１０から入射した光がその反射面に導かれる位置に配置されており、駆動電極１２２からの駆動電圧Ｖａ（ｔ）がミラー１２１に印加されて、ミラー１２１の角度が制御される。そして、ミラー１２１の角度に応じて各出力側ポート１３４の何れかに入力ポート１１０からの光が伝搬されることとなる。

【0023】

ミラー１２１の向きを所望の角度に制御するにあたり、駆動電圧Ｖａ（ｔ）として、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から、ミラー１２１の角度を所望の設定値角度θに制御する設定電圧Ｖ１（Ｖ）が印加される（図２参照）。ただし、本実施形態では、駆動電圧Ｖａ（ｔ）を初期電圧Ｖ０（Ｖ）からＶ１（Ｖ）に遷移する途中で、図３上段に示すようにＶ０（Ｖ）超およびＶ１（Ｖ）未満である電圧Ｖ２（Ｖ）をミラー１２１に印加するように駆動電圧Ｖａ（ｔ）の電圧印加が制御される。Ｖ２（Ｖ）の電圧値は、そのＶ２（Ｖ）をミラー１２１に印加した時、ミラー１２１の最大振れ幅が前記設定値角度θとなる電圧値とする。なお、図３には、上段に駆動電圧と経過時間との関係を示すグラフが示され、下段に初期電圧がＶ０の場合におけるミラー１２１の状態を基準としたミラー１２１の角度θと経過時間との関係を示すグラフが示されており、経過時間の軸を揃えて上段と下段のグラフが並べられている。

【0024】

制御部１４０による電圧印加の制御にともなうミラー１２１の向き（角度）制御について、初期電圧Ｖ０（Ｖ）から設定電圧Ｖ１（Ｖ）への遷移途中にＶ２（Ｖ）を印加してミラー１２１を設定値角度θまで予め振らせておき、ミラー１２１が設定値角度θまで振れた時点（図３中の時間ｔ２経過時点）でＶ１（Ｖ）を印加することで、ミラー１２１が初期状態から直接設定値角度θで共振することが防止されることを、本出願人は検証により見出した。即ち、Ｖ２（Ｖ）の印加によりミラー１２１が設定値角度θまで振れた状態で、更にＶ１（Ｖ）の印加により設定値角度θにミラー１２１が振れようとする為、ミラー１２１の共振が防止可能となる。

【0025】

このようにミラー１２１の共振を防止することが可能となる為、本発明に係るＭＥＭＳ光スイッチを備えた光スイッチモジュールでは、図３下段に示すように出力ポート１３０から光ファイバ２３０に伝搬される出射光の、光出力に於けるリンギング発生が防止される。よって出力ポート１３０の光学的なスイッチング時間が短縮され、高速でのスイッチング動作が可能となる。

【0026】

高速でのスイッチング動作が可能となることで、本発明に係るＭＥＭＳ光スイッチを例えば光表示装置または照明装置と云った人間の肉眼により視認が必要な用途に於いた際、光のちらつき認識を防止することが可能となる。

【0027】

更に、ミラー１２１の共振周波数に応じて（一例として共振周波数が１ｋＨｚの場合）、高次数のローパスフィルタやノッチフィルタが不要となる。また、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０を駆動する回路がアナログ回路の場合、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０を駆動する回路にデジタルフィルタを構成する必要が無くなる。そのため、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０とＭＥＭＳ光スイッチ１２０を駆動するアナログ回路との親和性は良く、駆動回路が煩雑となるのを抑制できる。

【0028】

無論、ＭＥＭＳ光スイッチ１２０の使用例は、光伝搬装置１００に限定されず、光伝搬装置１００とは逆に光源２１０を複数設けると共に出力ポート１３０を１つとして、ミラー１２１により何れかの光源２１０の光を選択して出力ポート１３０に伝搬させても良い。

【実施例】

【0029】

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されない。

【0030】

本実施例のＭＥＭＳ光スイッチのミラーでは、初期電圧Ｖ０＝０（Ｖ）から２５（Ｖ）印加で１度（ｄｅｇｒｅｅ）振れる。その１度を設定値角度θとすると、共振の最大角度変化は±０．５度であった。またこのとき設定電圧Ｖ１＝２５（Ｖ）である。そしてＶ０から直接設定電圧２５（Ｖ）を加えると０．５度から１．５度を最大角度として減衰しながら設定値角度θに収束して行った。その減衰の際に２０ｍ秒のスイッチング時間を要することを観察した。その理由として、直接パルス的な駆動をすると高調波による広い周波数帯域を有する電圧信号となり、その共振周波数成分（約１ｋＨｚ）によって共振が起こると思われる。

【0031】

本実施例では、図４に示すようにＶ２＝Ｖ’（Ｖ）をミラーに印加した。なお、Ｖ０からＶ’及びＶ’からＶ１へと、Ｖ’（Ｖ）の印加時間ｔで以てステップ電圧駆動とした。Ｖ’はミラーの最大の振れ角度が設定値角度θ＝１度（ｄｅｇｒｅｅ）となるような電圧値であり、１２（Ｖ）とした。このＶ’（１２（Ｖ））の電圧をミラーに印加して１度ミラーが最大に振れた時点で、設定電圧２５（Ｖ）を加えることにより、入力ポートの光学的なスイッチング時間を０．５ｍ秒に短縮出来ることが観察された。さらに、このとき、図５に示すように出力ポートからの出射光の光出力に於けるリンギング発生が防止されることが確認された。

【符号の説明】

【0032】

１００ 光伝搬装置
１１０ 入力ポート
１２０ ＭＥＭＳ光スイッチ
１２１ ミラー
１２２ 駆動電極
１３０ 出力ポート
１３２ オフポート
１３４ 出力側ポート
１４０ 制御部
１４１ 設定受付部
１４２ 光量制御部
１４３ 駆動制御部
２１０ 光源
２２０、２３０ 光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】