专利名称：光开关及其制造方法和具有光开关的光路切换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及插入用在光通信等上的光纤传输路径中用于切换传输路径的光开关及其制造方法，以及具有该光开关的光路切换装置。
背景技术：
光通信系统中用作光传输路径的光纤具有传输光的纤芯和在纤芯周围形成比纤芯折射率小的包覆层。作为切换多个这种光纤的光路的光开关，过去提出过多种类型。其中，作为机械开关，如图28所示，特开昭63-313111号提出具有通过磁性线圈4直接驱动在输入用光纤1A上附加的磁性膜5，把从输入用光纤1A到输出用光纤1B的光路3切换到输出光纤1C的结构的光纤可移动型1×2光开关。光纤1A，1B，1C固定在管体16的支持器6A和6B上，通过在磁性线圈4外周部设置的永磁体7的磁力，将输入用光纤1A的磁性膜5保持在管体16内的规定位置上。
如图29和30所示，特开昭54-162551号和特开昭55-87107号公开了驱动反射镜和棱镜等微小光学元件来切换光路的微小光学元件可移动型1×2光开关。
图29所示光开关中，以反射镜2的反射面为中心的圆周上按120°间隔配置光纤1A，1B，1C。输入用光纤1A上附加用于使光变成平行光束的光学系统(未示出)，来自输入用光纤1A的平行光束沿着光路3入射到反射镜2，在那里反射，沿着光路3a输出到输出用光纤1B中。反射镜2回转120°时，反射镜2反射的平行光束沿着光路3b输出到输出用光纤1C中。这样，通过控制反射镜2的回转角，可选择输出用光纤1B，1C。
但是，图29所示的已有微小光学元件可移动型开关中，在反射镜2的回转角大的情况下，由于光纤呈放射状配置，因而，出现光开关的设置面积增大的问题。
图30所示光开关中，以输入用光纤1A为中心的圆周上配置输出用光纤1B、1C、1D、1E、1F、1G。来自输入用光纤1A的平行光束沿着光路3，由2个45°的反射镜2反射，沿着光路4入射到输出用光纤1B中。通过控制反射镜2的回转角θ可选择各个输出用光纤。
以往的微小光学元件可移动型开关中，棱镜和反射镜通过脉冲马达等控制回转角和位置，但在光通信中使用的光纤的耦合中，需要在超微量级上进行位置对中，因此通过仅0.5°左右的回转角精度的脉冲马达等进行的位置控制中，光路切换缺乏再现性，导致损耗增加，也存在必需经常给马达供电的问题。
图2(a)和2(b)所示已有光开关中，利用反射镜2的回转角θ，将光束从1A分为1B和1C。从1A到1B的光束相对反射镜2的法线D1，以φ1的角度入射射出，从1A到1C的光束相对反射镜2的法线D2以φ2的角度入射射出。φ1和φ2是反射镜2的回转角θ的一半，φ1＝φ2＝θ/2。
实际的输入用光纤中附加使光束形成为平行光束的透镜，由于通过反射镜2分离的光必须输入到输出用光纤的透镜中心，因此需要使光纤间隔开透镜的半径以上的距离D。因此，从反射镜2到各输出用光纤1B、1C的距离LB，LC为LB＝LC＝D/tan(φ1)。回转角θ小时，由于彼此不干涉，需要加长反射镜2和光纤1A，1B，1C的距离LA，LB，LC，光开关增大。在仅通过图2(a)所示的反射镜2的回转切换光路的已有的光开关的情况下，通常反射镜2移动，需要高精度控制其回转角θ。
图4表示反射镜2对光纤间距离D的回转角θ分别为4，6，8，10°时的反射镜2和光纤间距离L的计算结果。从图4可知，反射镜2的回转角θ小时，需要加长反射镜2和光纤的距离L。使用的准直透镜的直径约为3.2mm，考虑光束直径时，距离D需要在2mm以上。因此，回转角θ＝8°时，反射镜2和光纤的距离约为28mm，光开关增大了。此时由输入用光纤1A到输出用光纤1B，1C的光路长度大至56mm，因此与光纤的耦合损耗增大，难以低损耗化。
关于光纤，反射返回中也有问题。所谓反射返回是在传输过光纤的纤芯中的光到达端部时，因纤芯和空气的折射率差产生的现象。反射返回光返回半导体激光器等发光元件，因此振动状态不稳定。从而为抑制反射返回光，在端部设置斜切断光纤端部或球面化端部或减少纤芯和空气的折射率差的防反射膜。
通过透镜校直来自一个光纤的射出光，并使之入射到另一光纤中，该目的透镜中使用折射率分布型的GRIN透镜等。但是，GRIN透镜尺寸明显比光纤大，因此有装置大型化的问题。
特开昭54-20747号公开了通过球面化光纤的端部，高效地将光耦合于发光元件或受光元件的情况。如图31所示，在简单地在光纤100的前端上形成球状部105的情况下，球状部105的曲率半径R比光纤半径(D1/2)大，但不能扩大纤芯106端部的球面形状。因此，来自光纤端部的光103，与将前端设置为球状部105之前几乎不变地射出，因此不能与光元件高耦合。所谓高耦合，是在光纤和光元件之间或光纤之间抑制光泄漏并高效地耦合。存在反射返回光也与将前端设为球状部105之前大致同程度地存在的问题。
作为光纤的终端处理方法，融接纤芯106和包覆层107并进行均匀化，使其前端为半球状的方法在特开平1-269906号中公开。图32表示具有熔融纤芯106和包覆层107而制作的前端球状部105的光纤。该光纤中，从前端球状部105的前端到纤芯的距离T比其直径(2R)短。因此，从前端球状部105发射的光103的扩展角NA与纤芯内的光的扩展角大致相同，在前端球状部105的前端，光束103不会充分扩展。其结果是从前端球状部105发射的光束103扩展了，不能把前端球状部105作为准直仪。
发明内容
因此本发明的目的是提供得到高精度的位置决定和高的再现性的小型的且低损耗的光开关及其制造方法。
本发明的再一目的是提供具有该光开关的光路切换装置。
本发明的第一光开关，其特征在于具有1根输入用光纤、2根输出用光纤、将从上述输入用光纤到来的光束的光路从一个输出用光纤切换为另一输出用光纤的反射镜，上述输入用光纤与上述反射镜之间的距离同上述输出用光纤的每一个与上述反射镜之间的距离不同。
最好是，从上述输入用光纤入射到上述反射镜的光束与上述反射镜的法线的角度在10°以下。
最好是，上述反射镜的回转角为20°以下，各输出用光纤和上述反射镜的角度为上述反射镜的回转角的2倍。
在本发明的一个最佳实施例中，具有分别由1根输入用光纤和2根输出用光纤构成的N组输入输出系统，和进行上述N组输入输出系统的切换的1个反射镜。
在上述光开关中，也可以将输入用光纤用作输出用光纤，相反，将输出用光纤用作输入用光纤(输入输出倒转)。
本发明的第二光开关，其特征在于，具有1根输入用光纤、2根输出用光纤、反射来自上述输入用光纤的光束并使之入射到一个输出用光纤的第一反射镜、来往在来自上述输入用光纤的光束的光路上的第二反射镜，和驱动上述第二反射镜的装置，由上述驱动装置将上述第二反射镜驱动到遮住上述光路的位置时，来自上述输入用光纤的光束由上述第二反射镜反射，入射到另一输出用光纤。
就上述光开关而言，利用反射镜来改变来自2根输入用光纤之一的光束的光路，可将其连接到1根输出用光纤上。即，输入输出光纤的关系可彼此相反。
最好是，第一反射镜为固定式反射镜，第二反射镜是可移动反射镜。最好是，使光束从上述输入用光纤到上述第一反射镜的入射角α1与光束从上述输入用光纤到上述第二反射镜的入射角α2不同，并且α1与α2的差在0.5°以上。最好是，光束到上述第一和第二反射镜的入射角都在20°以下。
原来的反射镜驱动型光开关中，反射镜常常大幅度移动，很难高精度地控制其位置和回转角，但使用2个反射镜的本发明的光开关中，由于固定式反射镜的光路位置精度高，可移动式反射镜的动作简单，因此通过可移动式反射镜可高精度再现光路的位置和角度。
最好是，使输入用光纤与输出用光纤之间的固定式反射镜的光路长度等于输入用光纤与输出用光纤之间的可移动式反射镜的光路长度。
这样通过规定入射角的差(α1-α2)和入射角自身，可提高光路的连接精度，同时能实现光开关的小型化。
通过多级连接多个上述光开关，构成N×M光开关。通过多级连接，可构成比1×2分支多的光开关。此时，有N＜M的关系(N是1以上整数，M是3以上整数)。这里，“N×M光开关”指的是具有N个输入端和M个输出端的光开关。“多级连接”指的是将某1×2光开关的至少一个输出光纤连接到另一1×2光开关的输入用光纤上，用于增加切换光路的分支数。
本发明的光开光可构成为进行N个光路的切换的N×2N光开关。N是2以上的整数。该N×2N光开关的第一类型是为独立进行各光路切换而并排配置N个1×2光开关的结构。第二类型具有具备N组输入输出光纤和一组固定式反射镜和可移动式反射镜的结构，是可同时进行N个光路切换的N×2N光开关。
N×2N光开关和多级连接的N×M光开关，由于组合了本发明的小型光开关来制作，因此，与组合原来的光开关相比，整体上小型化。
在本发明的光开关中，最好是，上述输入用光纤和上述输出用光纤的任一个都由具有传输光的纤芯的光纤本体部、在上述光纤本体部的前端一体融接的前端光纤部构成，上述前端光纤部只由具有比上述光纤本体部的纤芯直径大的纤芯或整体的纤芯构成，上述前端光纤部具有前端球状部。
最好是，前端光纤部的外径在光纤本体部的外径以上。可通过增大前端光纤部的外径，来增大前端球状部的曲率半径。这样，输出光束直径增大，输出光束容易飞到远处。前端光纤部的前端球状部的曲率半径在前端光纤部的外径的一半以上。
本发明的最佳实施例的前端球状光纤，由具有用于传输光的纤芯的光纤本体部、与上述光纤本体部一体连接的前端光纤部构成，上述前端光纤部在前端具有球状部，上述前端球状部的曲率半径R，相对上述光纤本体部的外径D1，满足R＞D1/2的关系。最好是，光纤本体部和前端光纤部在平坦的端面之间接合。
“前端光纤部”，只由纤芯直径比光纤本体部的纤芯直径大的或不不包括包覆层的纤芯构成。
使用上述前端球状光纤可形成准直仪。在上述前端球状光纤之间，可入射和射出光，在发光元件或受光元件与前端球状光纤之间也可传播光。从一个前端球状光纤射出经过准直的光(平行光线)，将该平行光线入射到另一先端球状光纤，使得可构成高耦合的准直仪。另外上述前端球状光纤中，光纤本体部和前端光纤部的折射率可相同。为使前端光纤部的折射率高于光纤本体部的折射率而选择两个光纤的材质时，可得到高耦合的准直效果。
术语“准直仪”指的是使从光纤的纤芯端部射出的光基本上变为平行光线的部件，但以从光纤的纤芯端部射出的光不充分入射到相对的光纤的端面或准直仪的受光面为限，不需要是完全的平行光线。
为了使来自前端球状部的光的反射返回量在55dB以上，前端球状光纤最好是是低反射的。光纤的前端球状部中光射出时，反射返回量N满足以下关系N＝-10log10(I1/I2)≥55dB(其中，I1是由前端球状部与空气的界面所反射的光量，I2是入射光的光量)。这里，在各光量测定中，光纤型2×2方向性耦合器的一侧的2根光纤上连接光源和传感器，相反侧的1根光纤上连接用于测定反射量的光纤A，另外连接1根斜切断的低反射损耗(＞70dB)的光纤B。光纤的垂直断面的菲涅耳反射损耗(14.7dB)为基准反射损耗量，由传感器测定光纤A的反射量。
根据本发明的最佳实施例的光纤中，组合了2个以上的上述前端球状光纤，在前端球状光纤之间配置用于切换光路的反射镜。通过使用本发明的前端球状光纤，可在光开关内，充分获取光纤之间的光路长度。通过灵活运用光路长度的裕度改变光纤的配置或弯折光路，可把光开关小型化。
本发明的光路切换装置，其特征在于搭载上述的光开关。例如，可在分支插入装置(OADMOptical Add Drop Multiplexer)或具有光交叉连接(OXCOptical Cross Connect)等功能的光路切换装置中使用本发明的光开关。这里，OADM在传输路径中途取出特定波长的光，并分配给局域的网络，OXC在与其他干线交叉的地方分配各波长的信号。
本发明的其他光路切换装置，在搭载上述光开关的同时还具有电子电路或电路。电子电路或电路是控制光路的切换的控制电路(例如，驱动器IC或OP放大器)、检测把光纤切换到那个光路上的位置检测电路、向驱动装置供给电流的电路或电源等。为切换光路，驱动电流流过光开关上配备的驱动装置。或将驱动电流设为1个方向，从而与需要反转驱动电流的方向的光开关相比，可简化驱动电路和控制电路，可把光路切换装置整体小型化。例如，在驱动装置中使用电磁线圈时，为进行光路切换，需要正负反转电流方向。与此相反，在驱动装置上使用继电器等时，为了进行切换，而只进行电流的通/断即可。
本发明的光开关的制造方法，其特征在于在具有用于传输光的纤芯的光纤本体部的前端一体连接有其纤芯直径比上述光纤本体部大的前端光纤部，把上述前端光纤部的前端部球面化。在光纤本体部和前端光纤部的融接中，最好使用光纤用融接装置，但作为融接方法最好使用放电方式。
通过搭载上述前端球状光纤，可构成光组件。作为采用本发明得到的光组件，可举出例如(a)通过前端球状光纤向外部送出发光元件的光的光模块(例如激光器二极管模块)、(b)夹着滤波器，使前端球状光纤对置的轴向(in-line)光滤波器、(c)光连接器、(d)从前端球状光纤向受光元件传递光的装置、(e)将光纤之间突接或使之移动而切换光路的光纤驱动型光开关、(f)替代反射镜移动棱镜来切换光路的棱镜驱动型光开关、(g)在耦合导波路径和外部的光纤的场所，配置光纤的导波路径型光开关、(h)二维矩阵状配置微反射镜来切换光路的MEMS(微电机械系统Micro-ElectromechanicalSystem)、(I)使微反射镜阵列之间三维对置来切换光路的MEMS等。除此之外，在需要耦合或中继光纤的光路的光通信装置、光通信线路和光测定装置中，使用本发明的前端球状光纤时，也以高耦合实现光的传输。
图1(a)是表示本发明的一实施例的1×2光开关的平面图；图1(b)是表示图1(a)的1×2光开关的细节的图；图2(a)是说明原来的1×2光开关的平面图；图2(b)是表示图2(a)的1×2光开关的细节的图；图3是表示实施例1的光开关中反射镜与光纤前端的距离L同光纤之间的距离D的关系的曲线；图4是表示图2所示的原来光开关中反射镜与光纤的距离L1同光纤之间的距离D的关系的曲线；图5是表示本发明的1×2光开关的结构的具体例子的平面图；图6是表示实施例1的光开关的插入损耗的曲线；图7是表示实施例1的光开关的切换特性的曲线；图8是表示实施例1的光开关的脉冲宽度与切换时间的关系的曲线；图9是表示实施例1的光开关的驱动电压与切换时间的关系的曲线；图10是表示实施例2的1×2光开关的斜视图；图11是表示实施例3的1×2光开关的斜视图；图12是详细表示图11的1×2光开关的反射镜与光路的关系的扩大图；图13是表示实施例3的光开关的具体结构的图；图14是表示实施例3的光开关中向一个输出用光纤的切换特性的曲线；
图15是表示实施例3的光开关中向另一个输出用光纤的切换特性的曲线；图16是表示实施例3的光开关的反复切换测试结果的曲线；图17是表示实施例5的1×2光开关的具体结构的平面图；图18是表示实施例6的1×2光开关的斜视图；图19是表示实施例7的2×4光开关的斜视图；图20是表示实施例8的1N×2N光开关的平面图；图21是表示实施例9的1×4光开关的平面图；图22是表示实施例10的2×8光开关的平面图；图23是表示实施例11的1×8光开关的平面图；图24是表示实施例12的前端球状光纤准直仪的一例的截面图；图25是表示图24的前端球状光纤的详细结构的截面图；图26是表示本发明的前端球状光纤的条件的曲线；图27是表示实施例12的前端球状光纤之间的距离和插入损耗的关系的曲线；图28是表示现有的光开关的一例的截面图；图29是表示现有的光开关的另一例的截面图；图30是表示现有的光开关的再一例的截面图；图31是表示现有的前端球状光纤的一例的截面图；图32是表示现有的前端球状光纤的再一例的截面图。
具体实施例方式
下面参考附图详细说明本发明的实施例，但本发明不限于这些实施例。各图中，简单地用线条表示光纤，但这不表示光纤的外径尺寸。各图中相同或类似的部件附加相同的符号。
实施例1图1(a)表示本发明的光开关的一例。在该光开关中，来自输入用光纤1A的光束3由反射镜2反射，沿着光路3a被光纤1B耦合。如反射镜2仅仅回转角度θ，由反射镜2反射的光束沿着光路3b耦合到光纤1C中。输入用光纤1A与反射镜2的距离同输出用光纤1B，1C与反射镜2的距离不同。
图2(a)和(b)所示的原来的光开关中，因为采用通过反射镜2的回转角θ将光束从光纤1A分配为光纤1B或1C的结构，所以如反射镜2的回转角θ小至8°，则反射镜2与光纤的距离(LB，LC)变成约28mm，使光开关变大。
与此相反，从表示输入用光纤1A与输出用光纤1B，1C以及反射镜2的位置关系的图1(b)可知，本发明中输入用光纤1A不是设置在中央而设置在一侧，以φ1的入射角入射到反射镜2，相对反射镜2的法线D1以φ1反射，并进入到输出用光纤1B。如反射镜2仅仅回转θ，则以φ2的入射角入射到反射镜2，相对反射镜2的法线D2，以φ2反射，并进入到输出用光纤1C。输出用光纤1B，1C与反射镜2的距离LB，LC为LB＝LC＝D/tan(φ3)，φ2＝θ+φ1，φ3＝θ，输出用光纤1B，1C之间切换光路时，光路的回转角度为反射镜2的回转角θ的2倍。输入用光纤1A与反射镜2的距离LA为LA＝D/tan(2φ1)。
图3表示在各距离D上的反射镜2与各光纤的前端的距离L的计算结果，这时反射镜2的回转角θ为8°，且来自光纤的光线入射角φ1为8°。为进行比较，图2(a)和(b)所示的以往光开关的情况下的计算结果在图3中作为LA，LB，LC表示。设距离D为2mm时，在实施例1的光开关中，LA约为7mm，LB，LC约为14mm，与原来的光开关相比，可使距离大约缩短一半的距离。
本实施例的光开关的一具体例子表示于图5中。反射镜2设置在驱动部8上。通过在电磁线圈9A、9B中流过彼此相反的电流，通过将反射镜(或反射镜的支持体)吸引到电磁线圈9A、9B或使之排斥离开电磁线圈9A，9B来旋转驱动部8。在最佳的一个例子中，外壳10的尺寸为宽19mm、长27mm、厚8.5mm。
图6表示在实施例1的光开关中，各光纤和其准直仪部通过粘合剂固定时的插入损耗的测定结果。横轴表示时间(min)，纵轴表示插入损耗(dB)。在粘合剂经过30分钟的硬化时间后，光纤等的位置几乎不偏离，插入损耗达到0.32dB。
图7表示实施例1的光开关的切换特性的测定结果。从图7可知，利用5V和5ms的切换输入脉冲，可用约3ms的切换时间得到光输出。图8是表示输入脉冲电压5V的光开关对脉冲宽度的切换时间的测定结果。横轴表示脉冲宽度(pulse width)，纵轴表示切换时间(switching time(ms))。从该图可知，在0.7ms以上得到约3ms的切换时间。图9表示输入脉冲宽度5ms的光开关对脉冲电压的切换时间的测定结果。纵轴表示切换时间(switchingtime(ms))，横轴表示脉冲电压(V)。从该图可知，最低驱动电压为2.5V以上，4V以上得到切换时间3ms。
实施例1的光开关插入损耗为1dB以下时，是低损耗的，切换时间为3ms时，是高速的。10万次的反复切换后插入损耗也在0.1dB以下，确认该光开关具有极高的再现性。回转角和输入用光纤的入射角在本实施例中为8°，但回转角超出20°时，因切换时间变长，而使插入损耗的偏光依赖性增大，所以回转角最好在20°以下。
在本实施例中，为回转反射镜2而使用电磁线圈，但也可使用步进马达等。
实施例2图10表示本发明的光开关的其他例子。在该光开关中，1根输入用光纤11A和2根输出用光纤11B，11C的组合构成的1×2光开关和1根输入用光纤12A和2根输出用光纤12B，12C的组合构成的1×2光开关上下配置，对这些1×2光开关使用1个反射镜2。本实施例中，是同时切换2个1×2光开关的结构，但可通过排列N个1×2光开关来实现N倍的1×2光开关。可不同时切换到同一方向，而是分别控制各个1×2光开关，实现不同的组合的切换。
实施例3图11简略表示本发明的1×2光开关的另一例子。在该光开关中，从输入用光纤1A到来的光束3由反射镜2B反射，沿着光路3a入射到输出用光纤1C。可移动式反射镜2A在X轴方向上移动而遮住光路3时，通过可移动式反射镜2A反射来自输入用光纤1A的光束，沿着光路3b耦合到输出用光纤1B中。
该光开关中，输入用光纤1A与输出用光纤1B之间的距离同输入用光纤1A与输出用光纤1C之间的距离相等，即1A与1B同的光路长度同1A与1C间的光路长度相等。各光纤在前端上安装准直仪。输入用光纤1A的端部的光的发散由准直仪抑制，从输入用光纤1A出来的光高效率地导入到输出用光纤1B，1C。
图12是详细表示图11的反射镜2A，2B与光路的关系的扩大图。沿着来自输入用光纤1A的光路3的光束由固定式反射镜2B反射，沿着光路3a耦合到输出用光纤1C上。此时，光束的入射角＝反射角＝αC。
可移动式反射镜2A可自由移动地配置在光路3中，来自输入用光纤1A的光束由可移动式反射镜2A反射，光路3连接输出用光纤1B。该实施例中，光束的入射角＝反射角＝αB＜αC。图2中的线P2A，P2B表示各反射镜2A，2B的垂线。
图13表示实施例3的光开关的具体结构。可移动式反射镜2A设置在驱动部8上。驱动部8具有可自由旋转地支持在中央支柱6上的跷跷板式的软磁体杆5，杆5的一端上设置可移动式反射镜2A。通过使电磁线圈9A，9B中流过方向彼此相反的电流，杠杆型的杆5吸引到电磁线圈9A、9B或被排斥离开电磁线圈9A、9B，以支柱6为中心旋转。其结果是杆5的一端固定的可移动式反射镜2A在光路3上进出。
支柱6的另一端固定于外壳10。杆5被吸引到电磁线圈9B的状态(可移动式反射镜2A未遮住光路3的状态)用实线表示，杆5吸引到电磁线圈9A的状态(可移动式反射镜2A遮住光路3的状态)用虚线表示。在图中省略了关于从外部向电磁线圈9A、9B供给电流的导线和应连接导线的外壳上设置的电极端子。最佳的一个例子中，覆盖光路切换结构的外壳10的尺寸是宽度为14mm，长度为16mm，厚度为8.5mm。
在最佳的一个例子中，光束从输入用光纤1A入射到可移动式反射镜2A的入射角αB设定为8°。光束的入射角αB超出20°时，切换时间变长，插入损耗的偏光依赖性增大，因此光束的入射角αB最好在20°以下。
通过设定分别入射到可移动式反射镜2A和固定式反射镜2B的光束的角度αB和αC的差别，使输出用光纤1B与输出用光纤1C不重叠，光路配置小型化的同时容易进行调整。本实施例中，根据反射镜和光纤的距离将光束的角度差(αB-αC)设定为5°，入射角αC设为13°。该光开关的插入损耗为0.65dB以下。这样，可制作低损耗高精度地进行位置确定的小型光开关。
图14和图15表示实施例3的光开关的切换特性的测定结果。图14是表示在固定式反射镜2B的光路3a的情况下施加到驱动部8上的脉冲电压和输出光纤1C的光输出的关系的曲线。图15是表示在利用可移动式反射镜2A的光路3b的情况下施加到驱动部8上的脉冲电压和输出光纤1B的光输出的关系的曲线。二者横轴都表示时间，图中的上面的波形表示施加的脉冲电压，下面的波形表示从输出光纤得到的光强度(光输出)。脉冲电压施加到电磁线圈9A，9B上时，即，电磁线圈9A、9B中流过电流时，产生磁场，杆5和可移动式反射镜2A被驱动。
从图14可知，通过向输出光纤1C的切换根本没有初始变动，得到稳定的切换动作。对于各个作为5V和5ms的切换输入施加的脉冲电压，在约3ms以下的切换时间中得到光输出。
图16表示每0.5秒的反复切换测试结果。图16的横轴表示切换次数(指数表示)，纵轴表示输出光纤的插入损耗(dB)。即便在输出光纤1B和1C时进行20万次以上的切换，插入损耗的变化也仍在0.1dB以下，得到稳定的动作。
实施例3的光开关中插入损耗在1dB以下，是低损耗的，切换时间为3ms，是高速的。20万次以上的反复再现测试结果确认为该光开关插入损耗低至1dB以下，再现性高。
实施例4通过反转实施例3的光开关的光路，作成用1个光测定装置，交互测定2个光源的输出信号的光开关。作为光源使用2个发光二极管，将各个发光引向光纤1B，1C。
从光纤1B射出的光，由可移动式反射镜2A反射，并入射到光纤1A中，导入连接光纤的另一端的光测定装置，测定光强度，据此求出第一发光二极管的光的波长与强度的关系。此时，光纤1C射出的光由可移动式反射镜2A的里面遮住。光开关中流过驱动电流，并将之引入可移动式反射镜2A，可由固定式反射镜2B反射从光纤1C射出的光，并入射到光纤1A，导入在光纤的另一端连接的光测定装置，测定第二发光二极管的光的波长和强度的关系。此时，从光纤1B射出的光由固定式反射镜的端部反射，但不入射到光纤1A中。为了不使未入射到光纤1A的光成为散射光，在与光路没有直接关系的部位和外壳10的内壁上涂布黑色涂料为好。
增加流过各发光二极管的电流，用同样方法切换光路，用1个光测定装置顺序测定2个发光二极管的光特性。这样，实施例4中，由于用相同测定装置不考虑时间而进行顺序测定，因此不影响测定装置的精度和发光二极管与室温的关系，可比较2个发光二极管的光特性。
实施例5
将图13所示的杠杆型的驱动部8置换为图17所示的平行移动型的驱动部18，可构成实施例5的光开关。平行移动型的驱动部18，由可平行移动板状的杆15的一对电磁线圈9A、9B和设置在杆15的前端的反射镜2A构成。在引入杆15的状态下，光路3的光束由固定式反射镜2B反射，沿着光路3a连接到输出用光纤1C。为遮住光路3突出杆15时，来自输入用光纤1A的光束由反射镜2A反射，沿着光路3b连接到输出用光纤1B。实施例5的光开关与实施例3同样反复再现性高，插入损耗在1dB以下。
反射镜通过在杆15的端面上进行电镀形成，但通过固定重量轻的薄型的反射镜也可构成反射镜。但是使用电镀膜时杆15的重量增加少，与使用薄型反射镜相比，可进行高速的光路切换。
实施例6图18表示本发明的光开关的另一例子的斜视图。该光开关除可在Y方向上自由移动可移动式反射镜2A这一点外与实施例3的光开关相同。
实施例7图19是表示本发明的光开关的再一例子的斜视图。该光开关与图11同样是光纤和反射镜的结构。具体说，该光开关是使输入用光纤11A和2根输出用光纤11B，11C的组合构成的1×2光开关和输入用光纤12A和2根输出用光纤12B，12C的组合构成的1×2光开关上下配置，作为共用反射装置使用一组可移动式反射镜2A和固定式反射镜2B的结构。通过反射镜共用可降低部件数目，减少组装工序数。
下面详细说明该光开关的动作。可移动式反射镜2A保持在不遮住输入用光纤11A，12A的光路的位置上时，从输入用光纤11A射出的光由固定式反射镜2B反射，并导入到输出用光纤11C中。由输入用光纤12A射出的光由固定式反射镜2B反射，并导入到输出用光纤12C中。将可移动式反射镜2A在X方向上移动到遮住输入用光纤11A，12A的光路的位置上时(移动后的可移动式反射镜用2A’表示)，从输入用光纤11A射出的光由可移动式反射镜用2A’反射并导入输出用光纤11B中。从输入用光纤12A射出的光，由固定式反射镜2A反射，并导入到输出用光纤12B上。即，得到具有由一组可移动式反射镜2A和固定式反射镜2B同时切换2个1×2光开关的功能的2×4光开关。
作为使实施例7发展的实施例，对一组可移动式反射镜和固定式反射镜，通过在Y方向上配置3组1×2光纤可制作3×6光开关。另外如果Y方向上加长可移动式反射镜和固定式反射镜，配置N个1×2的光路切换装置，则可得到N×2N光开关。
实施例8在实施例7中，为同时切换2个1×2开关的结构，但如图20所示，通过配置N个实施例3的1×2光开关，可实现1N×2N光开关。图示的例子是具有8个输入端和1个输出端的8×16光开关，但这可通过在SUS制造的外壳10内并排配置8个实施例3的光开关，并将各光纤伸出到外壳外而得到。该光开关也叫做8连的反射镜驱动型1×2光开关。输入端和输出端是光纤的端部上设置的光纤用连接器。与实施例7的光开关不同，如果有另外操作驱动装置的控制装置，则可任意切换该光开关的各光路分支。排列配置的1×2光开关的数目可变，则可制作4×8光开关和12×24光开关。
实施例9如图21所示，将3个实施例3的1×2的反射镜驱动型光开关多级连接时，得到1×4型光开关。第一1×2光开关的2个输出光纤上，经光纤用连接器分别连接第二和第三光开关的输入用光纤。替代经连接器连接，可直接融接光纤。连接的3个光开关容纳在外壳10中，将第一1×2光开关的输出光纤作为1个输入端，将第二和第三1×2光纤的输出光纤用作4个输出端，得到反射镜驱动型的1×4光开关。
通过同样的多级化法发展实施例9，则可构成反射镜驱动型的1×8光开关、反射镜驱动型的1×16光开关、反射镜驱动型的1×32光开关等。
构成N×M光开关时，如实施例9那样，树状的多级连接不必要左右对称，可构成为根据N和M的需要值在最终级的前一级中伸出与M的至少一个相当的输出端的结构。由此，可构成反射镜驱动型的1×3光开关、1×7光开关、1×9光开关、1×10光开关、1×12光开关等。
实施例10如图22所示，按实施例9的要领，把3个实施例7的反射镜驱动型2×4光开关连接成多级时，得到2×8光开关。与第一2×4光开关的一个输入端对应的2个输出端上连接第二2×4光开关的2个输入端，与第一2×4光开关的另一输入端对应的2个输出端上连接第三2×4光开关的2个输入端。
作为实施例10的变更例，也可以在多级连接1×2光开关、N×2N的N连光开关(N是2以上的整数)，来构成1×2N光开关。
实施例11如图23所示，将反射镜驱动型的1×2光开关的输出端连接到实施例10的2×8光开关的输入端，可构成1×8光开关。
实施例12图24是表示本发明中使用的前端球状光纤准直仪的一例的截面图，图25是表示各前端球状光纤100的详细结构的截面图。前端球状光纤100由传输光的纤芯106和覆盖该纤芯的包覆层107构成的本体部101与具有前端球状部103的准直仪部102构成。准直仪部102的前端球状部103在光纤本体部101的端面上融接具有比本体部101的纤芯直径D0大的纤芯直径D2的光纤104，加热熔融光纤104的前端部使之球面化来形成。
把2个前端球状光纤100，100配置成准直仪部102，102相对，射出和入射光束13。从纤芯106传播过前端球状部103的光为光束13，从前端球状光纤100射出。光束13为经过准直的平行光线，即为准直光。
参考图25，在将来自前端球状光纤100的射出光13变为准直光的过程中，前端球状部103的曲率半径R、从前端球状部103的前端到光纤100的纤芯106的末端的距离T以及来自纤芯106的光束扩展角(NA)必需满足下面式(1)表示的条件。sin-1(n1n0·T-RR·NA)=sin-1(NA)+sin-1(T-RR·NA)......(1)]]>其中，N0是空气的折射率，N1是光纤104的折射率。
来自光纤100的纤芯106的光束需要满足不照射在光纤104的纤芯的外周或光纤104的外周上的条件。该条件有下面的式(2)表示T≤R2-(D12)2+R+D12·tan(sin-1NA)......(2)]]>由于光束13的扩展角NA过大时，不能满足式(1)，因此需要满足下面式(3)。NA≤nn1RT-R......(3)]]>为了使光纤100的纤芯106不残留在通过加热熔融形成的前端球状部103内部，需要满足下面式(4)的条件。
T≥2R ……(4)
图26表示计算满足式(1)～(4)的前端球状部103的形状的结果。对光束的扩展角NA，作为参数计算前端球状部的曲率半径R和纤芯和前端部的距离T。曲线横轴表示NA，纵轴是将曲率半径/纤芯直径参数化得到的数值(2R/D2)。R和T由光纤104的纤芯直径D2规格化。为得到本发明的前端球状光纤准直仪，最好使2R/D2为1以上，NA为0.01～0.7，并且2T/D2为1.985～32，同时，制作前端球状部103，以满足图26中除去曲线中央上部的白色部分的凹透镜状区域内的斜线部表示的关系。各斜线表示2T/D2＝4～32的范围的计算结果。
外径D1为125微米，纤芯直径D0为10微米的单模光纤本体部101上，融接外径D1为125微米且纤芯直径D2为100微米的光纤104，通过使其前端部融熔解热形成曲率半径R为200微米的前端球状部103。准直仪102的长度T为800微米。变更这样得到的2根前端球状光纤100，100之间的距离(mm)，测定插入损耗(dB)，结果如图27所示。光纤100，100之间的距离为3.5mm时，插入损耗为0.7dB，来自前端球状部103的反射返回量为55dB以上，是低反射的。插入损耗用IL＝-10log10(P1/P0)表示，P0是用光纤连接光源和传感器时得到的功率，P1是将前端球状光纤准直仪100，100分别连接光源和传感器时得到的功率。另外，在前端球状部103上涂覆防反射膜时，插入损耗和反射返回量再次降低。关于实施例12，变更为准直仪102的外径比光纤本体部101的外径大的结构时，加热熔融前端部时球面形状的精度和成品率可提高。
实施例13除将光纤104置换为仅由纤芯构成的光纤以外，通过与实施例12相同的方法，制作前端球状光纤。由于没有包覆层，D1＝D2。该前端球状光纤准直仪在具有传输光的纤芯106的光纤本体部101的端面上融接具有比本体部101的纤芯直径大的外径的光纤104b后加热熔融光纤104b的前端部并球面化。该结构中近似实施例12，实现光纤的高耦合。但是，纤芯106和光纤104的接合界面上产生一定散射，来自纤芯106的光到达光纤104的外周面。为防止这一点，如图25所示，希望将光纤104做成具有包覆层的结构。
从以上结果可知，为稳定得到校直的平行光线，最好是，D2/D1＞10·D0。在0.8～3的范围内较好。最好是，2R/D2在1～10的范围内，在2～8的范围内最好。另外，T/D2在4～30的范围内较好，更好在5～20的范围内。
如上所述，根据本发明，可实现得到高精度的位置确定且高再现性的小型低损耗的光开关。
由于本发明的前端球状光纤是低反射且高耦合的，通过使用该光纤，与原来的光纤与透镜的组合相比，可使光组件小型化。
权利要求
1.一种光开关，其特征在于具有1根输入用光纤、2根输出用光纤、将从上述输入用光纤到来的光束的光路从一个输出用光纤切换为另一输出用光纤的反射镜，上述输入用光纤与上述反射镜之间的距离同上述输出用光纤的每一个与上述反射镜之间的距离不同。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于从上述输入用光纤入射到上述反射镜的光束与上述反射镜的法线的角度在10°以下。
3.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于上述反射镜的回转角为20°以下，各输出用光纤和上述反射镜的角度为上述反射镜的回转角的2倍。
4.根据权利要求1到3之一所述的光开关，其特征在于具有分别由1根输入用光纤和2根输出用光纤构成的N组输入输出系统，和进行上述N组输入输出系统的切换的1个反射镜。
5.根据权利要求1到4之一所述的光开关，其特征在于将上述1个输入用光纤用作输出用光纤，将上述2个输出用光纤用作输入用光纤。
6.一种光开关，其特征在于，具有1根输入用光纤、2根输出用光纤、反射来自上述输入用光纤的光束，并使之入射到一个输出用光纤的第一反射镜、来往在来自上述输入用光纤的光束的光路上的第二反射镜，和驱动上述第二反射镜的装置，由上述驱动装置将上述第二反射镜驱动到遮住上述光路的位置时，来自上述输入用光纤的光束由上述第二反射镜反射，入射到另一输出用光纤。
7.根据权利要求6所述的光开关，其特征在于上述第一反射镜是固定式反射镜，上述第二反射镜是可移动反射镜。
8.根据权利要求6或7所述的光开关，其特征在于通过从上述第一和第二输出用光纤中的一个入射光束，由上述第一和第二反射镜中的一个反射，入射到上述输入用光纤，倒转光束的输入输出方向。
9.根据权利要求6到8之一所述的光开关，其特征在于使光束从上述输入用光纤到上述第一反射镜的入射角α1与光束从上述输入用光纤到上述第二反射镜的入射角α2不同，并且α1与α2的差在0.5°以上。
10.根据权利要求6到9之一所述的光开关，其特征在于光束到上述第一和第二反射镜的入射角都在20°以下。
11.一种光开关，其特征在于通过多级连接根据权利要求6到10之一所述的多个光开关构成N×M光开关。
12.一种光开关，其特征在于具有根据权利要求6到11之一所述的光开关的结构，是进行N个光路的切换的N×2N光开关。
13.根据权利要求1到12之一所述的光开关，其特征在于上述输入用光纤和上述输出用光纤的任一个都由具有传输光的纤芯的光纤本体部、在上述光纤本体部的前端上一体融接的前端光纤部构成，上述前端光纤部只由具有比上述光纤本体部的纤芯直径大的纤芯或整体的纤芯构成，上述前端光纤部具有前端球状部。
14.根据权利要求13所述的光开关，其特征在于上述前端光纤部的外径大于上述光纤本体部的外径。
15.根据权利要求13或14所述的光开关，其特征在于上述前端光纤部的前端球状部的曲率半径大于上述前端光纤部的外径的一半。
16.根据权利要求1到12之一所述的光开关，其特征在于上述输入用光纤和上述输出用光纤的任一个都由具有用于传输光的纤芯的光纤本体部、与上述光纤本体部一体连接的前端光纤部构成，上述前端光纤部具有前端球状部，上述前端球状部的曲率半径R相对上述光纤本体部的外径D1满足R＞D1/2的关系。
17.根据权利要求13到16之一所述的光开关，其特征在于来自上述前端球状部的光的反射返回量在55dB以上。
18.一种光路切换装置，其特征在于搭载根据权利要求1到12之一所述的光开关。
19.一种制造权利要求13到16之一所述的光开关的方法，其特征在于在具有用于传输光的纤芯的光纤本体部的前端一体连接纤芯直径比上述光纤本体部大的前端光纤部，使上述前端光纤部的前端部球面化。
全文摘要
一种光开关，包括1根输入用光纤、2根输出用光纤、反射来自输入用光纤的光束并使之入射到一个输出用光纤的固定式反射镜、来往在来自输入用光纤的光束的光路上的可移动反射镜、和驱动可移动反射镜的装置，当由驱动装置将可移动反射镜驱动到遮住光路的位置时，来自输入用光纤的光束由可移动反射镜反射，入射到另一输出用光纤上。
文档编号G02B6/35GK1417606SQ02157510
公开日2003年5月14日 申请日期2002年9月18日 优先权日2001年9月18日
发明者牧尾论 申请人:日立金属株式会社