JP2007240744A

JP2007240744A - 光スイッチ及び光アドドロップマルチプレクサ

Info

Publication number: JP2007240744A
Application number: JP2006061258A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Koyama; 悦雄小山; Hiroyoshi Matsumura; 宏善松村
Original assignee: TECDIA Co Ltd
Current assignee: TECDIA Co Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US7343064B2; US20070211987A1; EP1832914A1

Abstract

【課題】特定の波長の光を選択できる波長選択型光スイッチと、これらを用いた光アドドロップマルチプレクサ（OADM）を提供する。
【解決手段】シリコン基板と、シリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層を具備するガラス基板と、シリコン基板の表面上に配置された光回折反射層と、光回折反射層と透明電極層との間に配置された液晶層と、シリコン基板の裏面側から取り出されたシリコン基板側電極と、透明電極層と前記シリコン基板側電極の間に電圧を印加する手段とを有し、電圧により液晶層の屈折率を制御することにより、光回折反射層により回折反射される光の波長を選択可能である。波長多重信号光のビーム径をコリメータレンズにより拡大し、ビーム径の拡大された波長多重信号光を光スイッチに入射させ、光スイッチに印加される電圧により選択された波長の信号光のみを光スイッチにより回折反射させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、波長分割多重方式（WDM:Wavelength Division Multiplexing）を用いた光ファイバ通信に適用され、光ファイバ内を伝搬する複数の異なる波長の信号光のうち特定の波長の信号光の透過または遮断を切り替える波長選択型の光スイッチと、特定の波長の信号光をアド(挿入)及び／またはドロップ(抽出)する波長選択型の光アドドロップマルチプレクサ（OADM:Optical Add/Drop Multiplexer）とに関する。

波長分割多重通信においては、特定の波長の光のみを抽出、あるいは挿入させる波長選択型の光減衰器は重要なデバイスの一つである。波長選択型の光減衰器としては、光ファイバーから自由空間に出射させた波長多重化光をグレーティング（回折格子）で分光し、液晶素子などの空間光変調器で特定の波長の光を減衰（遮断）した後、再度グレーティングで合波し、再び光ファイバーに入射させる多チャンネルの波長選択型の光減衰器がある。さらに、選択する波長を適宜変更できる可変光減衰器（通称、波長ブロッカ）も知られている。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、従来の可変光減衰器（波長ブロッカ）の構成例を模式的に示した図である。
図７（ａ）は、非特許文献１に記載されたXtellus社（米国）の波長ブロッカである。入力側の単一モード光ファイバ（SMF:Single Mode Fiber）１００１から出射した光は、光学レンズ１００２でコリメートされ、カルサイト（方解石）などの偏光分離素子あるいは偏光合波素子１００３で偏波方向を一定にした後に、グレーティング１００４により分波される。分波した光を、焦平面に配置した光学レンズ１００５により液晶空間光変調器１００６にフォーカスし、この液晶空間光変調器１００６の液晶シャッタ（あるいはマイクロマシンシャッタ）により、特定の波長の光λiを減衰（ブロック）し、遮断している。その後、入力側と対称な光学系で出力側の単一モード光ファイバ１００７に導かれている。

また、図７（ｂ）は、非特許文献２に記載されたOptogone社（仏）の波長ブロッカである。その構造は基本的には上記の非特許文献１に記載のものと同じであるが、図７(ｂ)に示すように、液晶空間光変調器１００６を反射型にして構成を簡素化し、サーキュレータ１００８を用いて、波長ブロッカへの入力と波長ブロッカからの出力を分離している。

一方、従来、波長多重化光から特定の波長のみを選択的に反射する光フィルターが知られている。特許文献１等では、液晶素子を利用した波長可変光フィルターを有する外部共振器型半導体レーザ装置が提案されている。液晶素子を利用した波長可変光フィルターは所望の電圧を印加することによって動作するため、半導体レーザ装置に機械的動作を行う部品がなく、温度変化や機械的振動に強く、発振波長、繰り返し周波数、偏波面等の安定性に優れ、長時間安定に動作する。

図８は、従来の波長可変光フィルター１００の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
波長可変光フィルター１００は、シリコン基板１１２と、このシリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層１１９を具備するガラス基板１２１とを有する。さらに、シリコン基板の表面上に光回折反射層１２５が配置され、光回折反射層１２５と透明電極層１１９との間に液晶層１１７が配置される。液晶層１１７の周囲はシーリング柱壁１１８により封止されている。

光回折反射層１２５は、シリコン基板１１２側から順に配置されたクラッディング層１１３、回折格子１１４及び光導波路層１１５から形成されている。
その他に、シリコン基板１１２及びガラス基板１２１は、それぞれ両面を反射防止層１１１ａ、１１１ｂ、及び１２０ａ、１２０ｂで被覆されている。また液晶層１１７に接触する透明電極層１１９と光導波路層１１５の各面上は配向膜層１１６ａ、１１６ｂで被覆されている。

斯かる構成の波長可変光フィルターでは、シリコン基板１１２と透明電極層１１９との間に印加される電圧により液晶層１１７の配向を変化させることによりその屈折率を制御し、その結果、回折反射される光の波長を変化させることができる。

図８（ａ）に示すように、縦断面の一側面においてガラス基板１２１上の透明電極層１１９からはガラス基板側電極端子１２３が取り出され、他側面においてシリコン基板１１２の表面、すなわち光回折反射層１２５側の面からシリコン基板側電極端子１２２が取り出されている。
ガラス基板側電極端子１２３を取り出すにあたっては、取り出し幅ｗ１を確保するために、ガラス基板１２１がシリコン基板１１２に対してせり出している。

一方、シリコン基板側電極端子１２２を取り出すにあたっては、取り出し幅ｗ２を確保するために、シリコン基板１１２がガラス基板１２１に対してせり出している。従来、シリコン基板１１２及び光回折反射層１２５は、現在のシリコン半導体製造プロセスを用いて製造されているが、その製造工程の一貫性を確保するためにシリコン基板側電極端子１２２はシリコン基板１１２の表面からしか取り出せなかった。

これは、具体的には次のような理由による。従来、シリコン基板側電極端子１２２の形成工程においては、シリコン基板の表面に設けられた位置合わせマーク（凹凸等）が利用されている（特許文献２、３等）。この位置合わせマークは、シリコン基板の表面上にパターン形成等種々の加工を行う際に利用されている。一方、シリコン基板の厚みが厚いために、可視光線を用いたシリコン基板裏面側からの観察によって表面上に設けた位置合わせマークを検出することができなかった。このため、従来はシリコン基板側電極端子１２２をシリコン基板１１２の表面から取り出さざるを得なかった。

しかしながら近年、シリコン基板上に形成された半導体素子の故障解析を行うために、シリコン基板の裏面側から赤外線を用いて表面上にある位置合わせマーク等を検出する方法が提示されている（特許文献４、特許文献５等）。

特許文献４には、シリコン基板内を透過する波長領域の赤外光を出力する光源部と、光源部からの出力光を基板の裏面に照射したときの裏面からの第１の反射光と、基板を透過して基板内及び表面からの第２の反射光とを撮像し、それぞれの画像データを演算して反射位置の観察データを得る装置が開示されている。
また、特許文献５では、赤外線の透過性を有するシリコン基板と、位置合わせ部として機能する基板表面上の半導体素子を互いの間隔が裏面解析システムの最小観察視野の範囲の１／２以下となるように離間して観察視野内に３個以上配置することにより、裏面側から表面上の半導体素子の観察を実現している。
特開平５−３４６５６４号公報特開平１０−２０９００９号公報特開２００５−３４０３２１号公報特開２００５−２２１３６８号公報特開２００５−３１１２４３号公報 . S. Patel and Y. Silberberg "Liquid crystal and Grating-based multiple-wavelength cross-connect switch," IEEE PTL vol.7, pp.514-516 1995 "Dynamic spectral equalizer using free-space discursive optics combined with a polymer-dispersed LC spatial light attenuator," IEEE JLT vol.21 pp.2061002073, 2003

上記の非特許文献１に記載の波長ブロッカは、減衰特性が良好であり、４０ｄＢ以上の減衰特性を示すが、減衰した信号光は消失するのみで外部に抽出することはできない。つまり、特定の波長の透過と遮断を適宜切り替えられるスイッチとしては機能しない。加えて、構成要素が多く調芯に時間が掛かり、実用的でなかった。

非特許文献２に記載の波長ブロッカもまた、減衰した信号光を抽出することはできず、スイッチとして機能しない。従って、光アドドロップマルチプレクサ（OADM）を構成するためには、３ｄＢカップラのアドポート及び３ｄＢカップラのドロップポートが必要となり、回路構成が複雑で、実用的でなかった。

また、従来の波長可変光フィルターは、図８（ｂ）の平面図に示すように、高さ（矩形平面形状における短辺）が約５mm、幅（矩形平面形状における長辺）が約７mmと大きく、この波長可変光フィルターを用いた外部共振器型半導体レーザ装置の筺体サイズは、高さが約１２mm、幅が１６mmと大きなものとなっていた。

現在、１０GHzの次世代の光通信システムが開発されているが、その幹線系に適用されるトランスポンダーは小型に設計されており、その中に組み込まれる外部共振器型半導体レーザ装置の筺体の大きさは、その光通信システムに使用されるトランスポンダーの大きさで制約され、高さが９mm、幅が１３mmより小さくすることが必須となってきている。また、半導体レーザを効率よく発振させるためには、５０℃の温度制御のもとで使用されるため、温度制御の効率を上げるためにも、外部共振器形半導体レーザ装置の筐体の大きさを、上記の大きさよりも小さくすることが必須となってきている。さらに、外部共振器型半導体レーザ装置の筺体内部には、温度制御用のペルチエ素子や部品搭載用のステムを取り付けるスペース、半導体レーザや波長可変光フィルター用の電極取り出しスペース、これら部品の固定スペースなどが必要となる。筺体の厚みを考慮すると、波長可変光フィルターとしては、高さ３mm以下、幅４．５mm以下とすることが強く要望されている。

ところが、図８（ａ）に示したように従来の波長可変光フィルター１００では、シリコン基板１１２とガラス基板１２１の間において液晶層１１７をシーリング柱壁１１８で封止しているが、その製造技術の問題から、シーリング柱壁１１８の幅は０．５mm以上が必要である。また、ガラスの切断壁開技術の問題から、シーリング柱壁１１８からの切開取シロの幅は０．２mm以上が必要である。

さらに、例えば０．５mm径の銅線ワイヤーをシリコン基板側電極端子１２２及びガラス基板側端子１２３にそれぞれ接合させる製造技術の問題から、電極端子幅は０．６mm以上が必要となり、ガラス板やシリコン基板の切断壁開技術の問題から、シリコン基板側電極端子１２２及びガラス基板側電極端子１２３からの切開取シロの幅は０．２mm以上が必要となる。その場合、図８（ａ）の取り出し幅ｗ１、ｗ２は、いずれも０．８mm以上必要である。
なお、シリコン基板側電極端子１２２をシリコン基板１１２の裏面から取り出せば、図８（ａ）に示した取り出し幅ｗ２が不要となるが、シリコン基板１１２の裏面から電極端子を取り出すことは、前述の通り非常に困難であった。

さらには、光回折反射層１２５の面内における有効領域幅（後述する図３において説明する）がシーリング柱壁１１８の影に掛かる問題から、有効領域幅とシーリング柱壁１１８の間隙は０．２mm以上が必要である。
従って、上記の寸法条件を全て満足させると、従来の波長可変光フィルターの高さは少なくとも３．３mm、幅は少なくとも５．３mm必要である。

以上述べたように、従来の波長可変フィルターの構成では、高さ３mm以下、幅４．５mm以下に小型化することは非常に困難であった。因みに、単純にシーリング柱壁の幅を０．２mmに減じることを試みたが、柱壁の強度が極端に劣化して製造歩留まりが悪化し、実用的でなくなった。

本発明は、上述のような従来技術の課題に鑑みなされたもので、その目的は、特定の波長の光を可変減衰できるとともに、減衰光を抽出できるスイッチング機能をもちかつ高さ３mm以下、幅４．５mm以下に小型化した波長選択型可変光スイッチを用いた波長選択型可変光スイッチを提供することである。さらに、斯かる光スイッチを用いた光アドドロップマルチプレクサを実現することを目的とする。

上記の目的は、以下の構成により達成される。
（１）請求項１に係る光スイッチは、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層を具備するガラス基板と、前記シリコン基板の表面上に配置された光回折反射層と、前記光回折反射層と前記透明電極層との間に配置された液晶層と、前記シリコン基板の裏面側から取り出されたシリコン基板側電極と、前記透明電極層と前記シリコン基板側電極の間に電圧を印加する手段とを有し、
前記電圧により前記液晶層の屈折率を制御することにより、前記光回折反射層により回折反射される光の波長を選択可能であることを特徴とする光スイッチ。
（２）請求項２に係る光スイッチは、請求項１において、高さが３mm以下でありかつ幅が４．５mm以下であることを特徴とする。
（３）請求項３に係る光アドドロップマルチプレクサは、波長多重信号光のビーム径を拡大するコリメータレンズと、
前記ビーム径の拡大された波長多重信号光を入射させる請求項１または２に記載の光スイッチとを有し、
前記波長多重信号光のうち前記光スイッチに印加される電圧により選択された波長の信号光のみを前記光スイッチにより回折反射させることを特徴とする。
（４）請求項４に係る光アドドロップマルチプレクサは、波長多重信号光のビーム径を拡大する第１のコリメータレンズと、
特定の波長の信号光のビーム径を拡大する第２のコリメータレンズと、
前記ビーム径の拡大された波長多重信号光及び特定の波長の信号光を入射させる請求項１または２に記載の光スイッチとを有し、
前記光スイッチに印加される電圧を前記特定の波長を選択するべく設定することにより前記特定の波長の信号光を前記光スイッチにより回折反射させ、該特定の波長の信号光を前記波長多重信号光と合波させることを特徴とする。
（５）請求項５に係る光アドドロップマルチプレクサは、請求項３または４において前記コリメータレンズが前記ビーム径を１．３mm以上に拡大することを特徴とする。

請求項１または２に係る光スイッチは、回折反射される光の波長を選択するために液晶層に電圧印加する電極端子のうち、シリコン側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出している。これにより、従来、シリコン側電極端子をシリコン基板の表（おもて）面から取り出す際に必要であった取り出し幅（図８（ａ）のｗ２）が不要となり、その分、シリコン基板の幅を小さくすることができる。これにより、光スイッチ全体を小型化でき、光アドドロップマルチプレクサに組み込んだ場合に装置全体の省スペースを実現できる。

請求項３〜５に係る光アドドロップマルチプレクサは、請求項１または２の小型光スイッチを用いることにより簡易な構造で波長多重信号光から特定の波長を抽出したり、挿入したりすることが実現される。請求項１または２の光スイッチは、液晶の屈折率制御により波長選択を行うので、温度変化や機械的振動の影響を受け難く、長時間の高安定性が実現できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
前述の通り、従来の波長可変光フィルターの構成では、高さ３mm、幅４．５mm以下に小型化することは非常に困難であった。その原因の一つは、図８の構成図で示したように、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の表面から取り出していることにある。これは、前述の通り、シリコン基板の裏面側から表面上の位置合わせマークを認識することが困難であったことによる。

しかしながら、昨今のシリコン半導体製造プロセスの革新により、特に、シリコン基板の位置合わせマークを裏面から赤外線を用いて読み取る技術が開発され（特許文献４、５参照）、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出すことが可能になってきた。このため、図１Ａに示すように、シリコン基板側電極端子をシリコン基板の裏面から取り出す構成にすることにより大幅な小型化が可能になった。

図１Ａは、本発明に用いる波長可変光フィルター１の構成を模式的に示す縦断面図である（縦方向寸法を誇張して示している）。図１Ｂ（ａ）はその平面図であり、図１Ｂ（ｂ）はその裏面図である。
波長可変光フィルター１は、シリコン基板１２と、このシリコン基板１２の表面と対向して配置され対向する面に透明電極層１９を具備するガラス基板２１とを有する。さらに、シリコン基板１２の表面上に光回折反射層２５が配置され、光回折反射層２５と透明電極層１９との間に液晶層１７が配置される。液晶層１７の周囲はシーリング柱壁１８により封止されている。
光回折反射層２５は、シリコン基板１２側から順に配置されたクラッディング層１３、回折格子１４及び光導波路層１５から形成されている。
その他に、シリコン基板１２及びガラス基板２１は、それぞれ両面を反射防止層１１ａ、１１ｂ、及び２０ａ、２０ｂで被覆されている。また液晶層１７に接触する透明電極層１９と光導波路層１５の各面上は配向膜層１６ａ、１６ｂで被覆されている。

斯かる構成の波長可変光フィルター１では、シリコン基板１２と透明電極層１９との間に印加される電圧により液晶層１７の配向を変化させることによりその屈折率を制御し、その結果、回折反射される光の波長を変化させることができる。

図１Ａに示すように、縦断面の一側面においてガラス基板２１上の透明電極層１９からはガラス基板側電極端子２３が取り出され、同じ側面近傍においてシリコン基板１２の裏面から、すなわち光回折反射層２５とは反対側の面からシリコン基板側電極端子２２が取り出されている。

ガラス基板側電極端子２３を取り出すにあたっては、図８（ａ）に示した従来例と同様に取り出し幅を確保するために、ガラス基板２１がシリコン基板１２に対してせり出している。

一方、シリコン基板側電極端子２２はシリコン基板１２の裏面から取り出されるため、図８（ａ）に示した従来例と異なり、シリコン基板１２をガラス基板２１に対してせり出させる必要が無く、その分だけ波長可変光フィルターの幅を小さくすることができる。つまり従来例と異なり、縦断面においてシーリング柱壁１８の外側周縁よりも内側にシリコン基板側電極端子２２を配置できる。なお原理的には、シリコン基板１２の裏面であれば、光が反射及び透過する領域以外の任意の位置にリコン基板側電極端子２２を設けることができる。これにより、本発明に用いる波長可変光フィルターは、高さ３mm、幅４．５mmの小型化を実現している。

図１Ａ及び図１Ｂに示した波長可変光フィルター１は、大凡次のように作製される。
シリコン基板１２の両面に反射防止層１１ａ、１１ｂを形成した後、屈折率がｎ３で波長と同程度の厚みの誘電体膜によるクラッディング層１３を形成し、その最表面に周期Λの回折格子１４をストライプ状に加工する。この回折格子１４の周期Λは、所望の波長の光を回折し反射できるように、所謂ブラッグ反射の条件を満足するように定められている。ストライプ状に誘電体膜の回折格子１４を形成した後に、屈折率ｎ１（ｎ１＞ｎ３）の誘電体膜を厚く埋め込み光導波路層１５を形成する。光導波路層１５の厚みは、この光導波路層１５に反射させたい波長λの光モードしか伝播しない、所謂、単一モード伝播の条件を満足するように、クラッディング層１３の屈折率ｎ３、光導波路層１４の屈折率ｎ１と後に形成する液晶層１７の屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２＞ｎ３）で決定される。

その後、シリコン基板１２とのオーミックコンタクトを取るために、電極形成用のストライプ状溝をエッチングによりシリコン基板１２に掘り込み、ここにシリコン基板側電極端子２２用の金属膜を埋め込む。その後、作製した基板の前面に、液晶の向きを揃える配向膜１６ａを形成し、その上に、光の波長と同程度の高さと幅のシーリング柱壁１８を形成する。続いて、一面に反射防止層２０ａ、透明電極層１９及び配向膜層１６ｂを、他面に反射防止層２０ｂを形成したガラス基板２１を被せ、シリコン基板１２とガラス基板２１の隙間に屈折率ｎ２（ｎ１＞ｎ２＞ｎ３）の液晶を挿入し、その注入口をシーリング柱壁１８で覆って封止する。さらにガラス基板側電極端子２３用の金属膜も取り付ける。最後に、ガラス基板２１とシリコン基板１２を切断して所望の大きさとする。

こうして形成された波長可変光フィルター１におけるシリコン基板側電極端子２２とガラス基板側電極端子２３との間に所望の電圧を印加すると、液晶分子の配向の方向が変化し、その結果、液晶の屈折率ｎ２が液晶分子の配向の変化に応じて変化する。これにより、波長多重化方式の光通信帯域であるCバンドとLバンドの波長が自由に選択できる

図２は、図１Ａに示した波長可変光フィルター１の動作原理を説明する図である。
入射角度θ1で入射した波長λ（λ１、λ２．．のチャネル間隔毎の異なる波長を含む）の光のうち、式（１）を満たす波長λ=λ1のみが回折格子１４で回折され、屈折率ｎ１の光導波路層１５に角度φ1で入射する。この角度φ1は、回折格子１４の周期Λで決定され、式（１）で与えられる。ここでは一次の回折光のみを考慮する。
ｎ１sinφ1−ｎ３sinθ1＝λ１／Λ ・・・（１）

つまり、光導波路層内１５を伝播可能な単一モードの伝播角度Φ1と、（１）式で与えられる入射光の回折格子１４による回折角度φ1が一致（φ1=Φ1）すれば、入射した光は、光導波路層１５内を伝播する単一モードに結合し、その全てのエネルギーを単一モードに放出し、光導波路層１５内を層内方向にジグザグに進行する。光がジグザグに伝播するに伴い、光導波路層１５内を伝播角度φ1=Φ1で伝播する単一モードは、クラッディング層１３側にある回折格子１４の影響を受け、入射光と逆方向に波長λ１の光を角度−θ1で順次回折し、次第に消滅していく。この回折光が反射光λ１として入射方向と逆方向に角度−θ1で出射することになる。

一方、波長λ２、λ３．．（≠λ1）で入射した光は、その回折の角度φ2、φ３．．が光導波路１５層内を伝播する単一モードの伝播角度Φ1と一致しないため（φ2≠Φ1、φ３≠Φ1．．）、入射光は光導波路層１５内を伝播することが出来ず、透過光としてシリコン基板１２の裏面方向から出射する。

ここで、図２に示すように、シリコン基板側電極端子２２とガラス基板側電極端子２３との間に電圧Ｖをかけると、液晶層１７の液晶分子の配向の方向が変化し、それに伴い屈折率ｎ２が変化する。その結果、光導波路層１５内を伝播する単一モードの伝播角度Φ１が変化し、ある電圧Ｖ2で、単一モードの伝播角度がΦ2に変化し、波長λ2の光の回折角度φ2に一致するようになる（φ2=Φ2）。これによって、波長λ2の入射光のエネルギーは、全て光導波路層１５内を伝播する単一モードに結合移管し、回折格子１４の影響を受けて波長λ2(≠λ1)の光を回折し、反射光となる。電圧Ｖ２を印加した場合には、前述の波長λ1の光は、光導波路層１５内を伝播することができず、透過光としてシリコン基板１２の裏面方向から出射する。

次に図３を参照して、本発明で用いる波長可変光フィルターの有効領域幅について説明する。
図２で説明した通り、入射した光は回折格子で回折した後、光導波路層内を層内方向にジグザグに進行するが、このジグザグの長さが長いほど回折反射光が多くなり、大きな反射エネルギーが得られることになる。すなわち、波長可変光フィルターの有効領域幅が広ければ広いほど反射率は１００％近くになり、入射した波長λ1の光は全て反射し、他の波長の光は透過する感度の高い光フィルターとなる。一般に、波長可変光フィルターの反射率は波長に対して若干の広がりがある。この拡がりは、ローレンツ分布をしており、主として回折格子１４の深さと溝幅の大きさにより決定される。特に、最大反射率の１／２になる広がり幅はＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）と定義されている。

図３は、９８％以上の反射率が得られる波長可変光フィルターの有効領域幅と反射率のＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。現在、通信情報量の増大に対応するために、波長チャネル間隔が５０GHzの波長多重通信システムが開発されている。そしてこのチャネル間隔５０GHzに合わせて、波長可変光フィルターのＦＷＨＭを１００GHz以下に設定している。図３のグラフによれば、ＦＷＨＭが１００GHz以下の場合、波長可変光フィルターの有効領域幅は１．３mm以上必要となる（この点も、波長可変フィルターの高さ及び幅の低減の限界となっていた）。すなわち、この波長可変フィルターを、波長選択型の光スイッチとして適用するときには、波長可変フィルターのフィルター領域は１．３mm以上必要であると共に、入射ビームを１．３mm以上に広げて入射しなければならないことを示唆している。因みに図３を参照すると、例えば、入射ビームの広がりを０．５mmとするとＦＷＨＭは２００GHz以上となり、λ1の信号光のみならずλ2の信号光のエネルギーの一部を抽出することになり光スイッチとして機能しなくなる。また、ＦＷＨＭが１００GHzの場合、入射ビームの広がりを、０．５mmとすると、反射率が９８%以上とれず、光スイッチとして十分な消光比が得られない。
本発明で用いる波長可変光フィルターは、１．３mm以上の十分な有効領域幅が確保でき、これにより狭いＦＷＨＭが得られると同時に、全体サイズの大幅な小型化（３mm×４．５mm）を実現できる。

図４は、図１Ａに示した波長可変光フィルターである光スイッチ３１と、これを用いた光アドドロップマルチプレクサ４０の一例を模式的に示す構成図である。ただし、本構成例は光ドロップ機能のみを有する。本構成例では、光スイッチ３１（波長可変光フィルター）を傾けて配置した構成を示しているが、コリメータレンズ５２、６２、７２をオフアクシスにして光ビームを傾斜させた構成をとってもよい。

入力側の単一モード光ファイバ５１から出射した波長λ１、λ２、λ３、λ４．．．λｎの光ビームは、光スイッチ３１において十分な反射率を得るために、コリメータレンズ５２によってそのビーム径が１．３mm以上に拡大されてコリメートされる。
このコリメート光は、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子５３により、直線偏光に変換されて光スイッチ３１に入射される。光スイッチ３１ではその印加電圧Ｖに応じて特定の波長（図４では電圧Ｖ３で波長λ３）の光が回折反射され、残りの光はすべて光スイッチ３１を透過する。この場合、偏光制御素子６３は必ずしも必要ない。

透過した波長λ１、λ２、λ４．．．の光は、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子６３とコリメータレンズ６２を介して第１出力の単一モード光ファイバ６１に注入され、λ１、λ２、λ４．．．の出射信号光となる。
一方、回折反射した波長λ３の光は、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子７３とコリメータレンズ７２を介して第２出力の単一モード光ファイバ７１に注入されλ３の出射信号光となる。この場合偏光制御素子７３は必ずしも必要ではない。これにより、特定の波長の光を選択して抽出できる波長選択型光スイッチとして機能することになる。これが光のドロップ機能である。

図５は、図１Ａに示した波長可変光フィルターである２つの光スイッチ３１ａ、３１ｂと、これを用いた光アドドロップマルチプレクサ４１の別の例を模式的に示す構成図である。このように、光スイッチを複数個配置し、所望の波長に相当する印加電圧（図５では電圧Ｖ３で波長λ３、電圧Ｖ２で波長λ２）を光スイッチ３１ａ、３１ｂにそれぞれ印加すれば、多チャンネル型の光のドロップ機能を容易に達成できる。

図６は、図１Ａに示した波長可変光フィルターである２つの光スイッチ３１ａ、３１ｃと、これを用いた光アドドロップマルチプレクサ４２のさらに別の例を模式的に示す構成図である。図６では、２つの光スイッチ３１ａ、３１ｃを、光軸に垂直な面に対してほぼ対称に配置する。
第１入力側の単一モード光ファイバ５１からの波長λ３の入力の光ビームは、光スイッチ３１ａにおいて十分な反射率を得るために、コリメータレンズ５２によってそのビーム径が、１．３mm以上に拡大されてコリメートされる。このコリメート光は、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子５３により、直線偏光に変換されて光スイッチ３１ａに入射される。光スイッチ３１ａではその印加電圧を調整することにより波長λ３の光が回折反射され、他の波長λ１、λ２、λ４．．．λｎは光スイッチ３１ａを透過する。

一方、第２入力側の単一モード光ファイバ９１からの波長λ３の入力の光ビームは、光スイッチ３１ｃにおいて十分な反射率を得るために、コリメータレンズ９２によってそのビーム径が、１．３mm以上に拡大されてコリメートされる。このコリメート光は、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子９３により、直線偏光に変換されて光スイッチ３１ｃに入射される。この波長λ３の光ビームは光スイッチ３１ｃで回折反射され、他の波長λ１、λ２、λ４．．．λｎの光ビームと合流し、グラントムソンプリズムなどの偏光制御素子６３とコリメータレンズ６２を介して出力の単一モード光ファイバ６１に注入され波長λ１、λ２、λ３、λ４、・・・λｎの波長多重出射信号光となる。この場合、偏光制御素子６３は必ずしも必要ではない。これにより、特定の波長の光を選択して挿入すなわち合波できる波長選択型光スイッチとして機能することになる。これが光のアド機能である。

多チャンネル構成の場合には、容易に想定できるが、複数個の光スイッチを配置すればよい。また、図６の光アドドロップマルチプレクサでは、波長選択型光スイッチをほぼ対称に配置したが、必ずしも対称に配置する必要はなく、単一モード光ファイバを介して接続してもよい。

本発明に用いる波長可変光フィルター１の構成を模式的に示す縦断面図である。（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその裏面図である。図１Ａに示した波長可変光フィルター１の動作原理を説明する図である。９８％以上の反射率が得られる波長可変光フィルターの有効領域幅と反射率のＦＷＨＭとの関係を示すグラフである。図１Ａに示した波長可変光フィルターである光スイッチと、これを用いた光アドドロップマルチプレクサの一例を模式的に示す構成図である。図１Ａに示した波長可変光フィルターである２つの光スイッチと、これを用いた光アドドロップマルチプレクサの別の例を模式的に示す構成図である。図１Ａに示した波長可変光フィルターである２つの光スイッチと、これを用いた光アドドロップマルチプレクサのさらに別の例を模式的に示す構成図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ従来の可変光減衰器（波長ブロッカ）の構成例を模式的に示した図である。従来の波長可変光フィルターの構成を概略的に示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１波長可変光フィルタ
１１ａ、１１ｂ、１２０ａ、１２０ｂ反射防止層
１２Ｓｉ基板
１３クラッディング層
１４回折格子
１５光導波路層
１６ａ、１６ｂ配向膜層
１７液晶層
１８シーリング柱壁
１９透明電極層
２１ガラス基板
２２Ｓｉ基板側電極端子
２３ガラス基板側電極端子
５１、６１、７１、８１、９１光ファイバ（ＳＭＦ）
５２、６２、７２、８２、９２コリメータレンズ
５３、６３、７３、８３、９３偏光制御素子

Claims

シリコン基板と、前記シリコン基板の表面と対向して配置されかつ対向する面に透明電極層を具備するガラス基板と、前記シリコン基板の表面上に配置された光回折反射層と、前記光回折反射層と前記透明電極層との間に配置された液晶層と、前記シリコン基板の裏面側から取り出されたシリコン基板側電極と、前記透明電極層と前記シリコン基板側電極の間に電圧を印加する手段とを有し、
前記電圧により前記液晶層の屈折率を制御することにより、前記光回折反射層により回折反射される光の波長を選択可能であることを特徴とする光スイッチ。
高さが３mm以下でありかつ幅が４．５mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
波長多重信号光のビーム径を拡大するコリメータレンズと、
前記ビーム径の拡大された波長多重信号光を入射させる請求項１または２に記載の光スイッチとを有し、
前記波長多重信号光のうち前記光スイッチに印加される電圧により選択された波長の信号光のみを前記光スイッチにより回折反射させることを特徴とする光アドドロップマルチプレクサ。
波長多重信号光のビーム径を拡大する第１のコリメータレンズと、
特定の波長の信号光のビーム径を拡大する第２のコリメータレンズと、
前記ビーム径の拡大された波長多重信号光及び特定の波長の信号光を入射させる請求項１または２に記載の光スイッチとを有し、
前記光スイッチに印加される電圧を前記特定の波長を選択するべく設定することにより前記特定の波長の信号光を前記光スイッチにより回折反射させ、該特定の波長の信号光を前記波長多重信号光と合波させることを特徴とする光アドドロップマルチプレクサ。
前記コリメータレンズが前記ビーム径を１．３mm以上に拡大することを特徴とする請求項３または４に記載の光アドドロップマルチプレクサ。