JP2008224824A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、部品点数が少なく簡易な構成の波長選択スイッチを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る波長選択スイッチは、第一レンズと、第一レンズを間にして複数の光入出力ポートの反対側に配置された回折格子と、光入出力ポートから出力され回折格子で反射した光のうち第一レンズを透過した光を透過させて複数の光入出力ポートの配列方向では凹レンズとしての作用を持ち第一レンズからの収束光を平行光束に変換し、複数の光入出力ポートの配列方向と直交する方向ではレンズ作用を持たず第一レンズからの収束光をそのまま収束させるように第一レンズを間にして回折格子の反対側に配置されたシリンドリカル凹レンズと、シリンドリカル凹レンズを間にして第一レンズの反対側に配置された複数のミラーと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波長多重通信において、異なる波長の光を分岐し又は結合することが可能な波長選択スイッチに関する。

波長多重光通信の普及に伴い、波長毎に光信号を合波又は分波する波長選択スイッチが光通信のキーデバイスとなっている。

ここで、図１４に従来の波長選択スイッチの概略構成図を示す。

図１４の波長選択スイッチ２００は、焦点位置に配置された光入出力ポート１０１ｃから出力される光を平行光にするマイクロレンズアレイ１０２と、マイクロレンズアレイ１０２からの光を収束させる高開口数レンズ１０３と、高開口数レンズ１０３と焦点位置を共通に配置された第二レンズ１０４と、第二レンズ１０４からの光を波長ごとに異なる角度に反射する回折格子１０５と、第二レンズ１０４の焦点位置に配置され回折格子１０５から第二レンズ１０４を透過した光を第二レンズ１０４に向けて任意の角度で反射するアレイミラー１０６と、を備える（例えば、特許文献１を参照。）。

これにより、アレイミラー１０６において任意の角度で反射された光は、アレイミラー１０６の個々のミラーの角度に応じて波長ごとに異なる光入出力ポートに収束させることができる。このように、高開口数レンズ１０３は、アレイミラー１０６で反射した光のうち回折格子１０５で再び反射して第二レンズ１０４を透過した光の角度を変えるとともに光入出力ポート１０１ｃからの光の光軸にオフセットを付与する機能（以下、当該機能を「角度／オフセット変換」機能という。）を有している。

特開２００３−１０１４７９号公報

しかし、従来の波長選択スイッチ２００は、高開口数レンズ１０３及びマイクロレンズアレイ１０２が必要であり、部品点数が多くなってしまうという問題がある。

そこで、本発明では、部品点数が少なく簡易な構成の波長選択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に、本発明では、ミラーで反射した光の光軸にオフセットを付与するシリンドリカル凹レンズを適用することとした。

具体的には、本願第一発明に係る波長選択スイッチは、一以上の波長を含む光を入出力し、横並び直線状に設けられた複数の光入出力ポートに対向して前記光入出力ポートからの光を平行光にするように配置された第一レンズと、前記第一レンズを間にして前記複数の光入出力ポートの反対側に配置され、前記光入出力ポートから入出力される光のうち前記第一レンズを透過した光を受ける面上に前記複数の光入出力ポートの配置方向に平行な複数の格子が形成された格子面において前記第一レンズを透過した光を波長ごとに異なる角度で反射する回折格子と、前記光入出力ポートから出力され前記回折格子で反射した光のうち前記第一レンズを透過した光を透過させて前記複数の光入出力ポートの配列方向では凹レンズとしての作用を持ち前記第一レンズからの収束光を平行光束に変換し、前記複数の光入出力ポートの配列方向と直交する方向ではレンズ作用を持たず前記第一レンズからの収束光をそのまま収束させるように前記第一レンズを間にして前記回折格子の反対側に配列されたシリンドリカル凹レンズと、前記光入出力ポートから出力され前記回折格子で反射し前記第一レンズ及び前記シリンドリカル凹レンズを透過した光を、前記シリンドリカル凹レンズを間にして前記第一レンズの反対側で前記シリンドリカル凹レンズの焦点距離だけ離れた位置においてそれぞれ反射し、反射した光のそれぞれが前記シリンドリカル凹レンズ及び前記第一レンズを透過して前記回折格子で反射し再び前記第一レンズを透過して前記複数の光入出力ポートのいずれかに収束するように光の反射角度がそれぞれ設定された複数のミラーと、を備える。

本発明は、回折格子で反射する反射型の波長選択スイッチに該当する。本発明の波長選択スイッチは、シリンドリカル凹レンズを備えるため、複数のミラーで反射した光の光軸を複数の光入出力ポートの配列方向にオフセットを付与することができる。これにより、角度／オフセット変換機能をシリンドリカル凹レンズの１つで実現でき、部品点数を削減して簡易な構成にすることができる。また、小型化も可能である。さらに、第一レンズから光入出力ポートへの光の入力角度を光入出力ポートに対して略垂直となるように調整すれば低損失の波長選択スイッチが実現できる。

また、本願第二発明に係る波長選択スイッチは、一以上の波長を含む光を入出力し、横並び直線状に設けられた複数の光入出力ポートに対向して前記光入出力ポートからの光を平行光にするように配置された第一レンズと、前記第一レンズを間にして前記複数の光入出力ポートの反対側に配置され、前記光入出力ポートから入出力される光のうち前記第一レンズを透過した光を受ける面上に前記複数の光入出力ポートの配置方向に平行な複数の格子が形成された格子面において前記第一レンズを透過した光を波長ごとに異なる角度で透過させる回折格子と、前記回折格子を間にして前記第一レンズの反対側に前記第一レンズと前記回折格子との距離と等しい距離だけ離れて配置される第二レンズと、前記光入出力ポートから出力され前記回折格子を透過した光のうち前記第二レンズを透過した光を透過させて前記複数の光入出力ポートの配列方向では凹レンズとしての作用を持ち前記第二レンズからの収束光を平行光束に変換し、前記複数の光入出力ポートの配列方向と直交する方向ではレンズ作用を持たず前記第二レンズからの収束光をそのまま収束させるように前記第二レンズを間にして前記回折格子の反対側に配列されたシリンドリカル凹レンズと、前記光入出力ポートから出力され前記第一レンズ、前記回折格子、前記第二レンズ及び前記シリンドリカル凹レンズを透過した光を、前記シリンドリカル凹レンズを間にして前記第二レンズの反対側で前記シリンドリカル凹レンズの焦点距離だけ離れた位置においてそれぞれ反射し、反射した光のそれぞれが前記シリンドリカル凹レンズ、前記第二レンズ及び前記第一レンズを透過して前記複数の光入出力ポートのいずれかに収束するように光の反射角度がそれぞれ設定された複数のミラーと、を備える。

本発明は、回折格子で反射する透過型の波長選択スイッチに該当する。本発明の波長選択スイッチは、シリンドリカル凹レンズを備えるため、複数のミラーで反射した光の光軸を複数の光入出力ポートの配列方向にオフセットを付与することができる。これにより、角度／オフセット変換機能をシリンドリカル凹レンズの１つで実現でき、透過型の波長選択スイッチの構成において、部品点数を削減して簡易な構成にすることができる。また、小型化も可能である。さらに、第一レンズから光入出力ポートへの光の入力角度を光入出力ポートに対して略垂直となるように調整すれば低損失の波長選択スイッチが実現できる。

上記波長選択スイッチにおいて、前記複数の光入出力ポートと前記第一レンズとの間に配置され、前記複数のミラーで反射し前記第一レンズを透過した光が前記複数の光入出力ポートに対してそれぞれ略垂直に入力されるように光の前記複数の光入出力ポートへの入力角度を変える光入力角度変換レンズをさらに備えることが望ましい。

本発明の波長選択スイッチでは、光入力角度変換レンズを備えるため、第一レンズから光入出力ポートへの光の入力角度を光入出力ポートに対して略垂直となるように調整できる。これにより、低損失の波長選択スイッチが実現できる。

上記波長選択スイッチにおいて、前記複数の光入出力ポートと前記第一レンズとの間で前記複数の光入出力ポートごとに配置され、前記複数のミラーで反射し前記第一レンズを透過した光が前記複数の光入出力ポートに対してそれぞれ略垂直に入力されるように光の前記複数の光入出力ポートへの入力角度を変える複数の光入力角度変換プリズムをさらに備えることが望ましい。

本発明の波長選択スイッチでは、光入力角度変換プリズムを備えるため、第一レンズから光入出力ポートへの光の入力角度を光入出力ポートに対して略垂直となるように調整できる。これにより、低損失の波長選択スイッチが実現できる。また、光入力角度変換プリズムを光入出力ポートの前面に取り付けることが可能となるため、装置の大きさ増大への影響が小さく、装置の大きさをそのままに低損失の波長選択スイッチが実現できる。

上記波長選択スイッチにおいて、前記複数の光入出力ポートから入出力する光を伝搬させる光導波路が前記複数の光入出力ポートの配列間隔に応じて前記複数の光入出力ポートごとに設けられたピッチ変換、スポットサイズ変換、入出射角度変換の働きを持つ光導波路部品をさらに備えることが望ましい。なお、光導波路部品には、後述する光ファイバや光導波路回路を含む。

これにより、光導波路のピッチ変換により光入出力ポートの配列間隔を等価的に縮小しミラー幅の縮小による波長選択スイッチ自体の小型化が可能となる。また光導波路のスポット半径変換により光入出力ポートのスポット半径を等価的に拡大しレンズ収差の低減による光結合の高効率化が可能となる。

なお、本発明に係る波長選択スイッチでは、上記の通り１つの光入出力ポートから出力された複数波長の光を他の複数の光入出力ポートに分波する機能として説明されるが、複数のミラーの角度を調整すれば複数の光入出力ポートから出力された光を１つの光入出力ポートに結合することもでき、当然に合波機能も有している。

本発明では、部品点数が少なく簡易な構成の波長選択スイッチを提供することが可能である。

以下、具体的に実施形態を示して本願発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。なお、以下の実施形態では、１つの光入出力ポート（後述の光入出力ポート２０ｄ）から光が出力され他の光入出力ポート（後述の光入出力ポート２０ａ〜２０ｇ）のいずれかに光を波長ごとに分けて出力する構成について説明するが、当該他の光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれかから出力される光を波長ごとに分けて当該１つの光入出力ポート２０ｄに入力する形態についても同様に説明できる。

（第一実施形態）
図１に、本実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図を示す。図１（ａ）は、ｘ−ｚ面での波長選択スイッチを示し、図１（ｂ）は、ｙ−ｚ面での波長選択スイッチを示している。図１の波長選択スイッチ１０は、反射型の構成、つまり、後述の回折格子３１で光を反射する構成である。

図１の波長選択スイッチ１０は、光入出力ポート２０ｄからの光を平行光にするように配置された凸レンズ３０と、光入出力ポート２０ｄからの光のうち凸レンズ３０を透過した光を波長ごとに異なる角度で反射する回折格子３１と、凸レンズ３０を間にして回折格子３１の反対側に配置されたシリンドリカル凹レンズ３３と、回折格子３１で反射し凸レンズ３０及びシリンドリカル凹レンズ３３を透過した光を、シリンドリカル凹レンズ３３を間にして凸レンズ３０の反対側でそれぞれ反射するミラー３５ａ，３５ｂと、を備える。但し、図１では、光入出力ポート２０ｄから出力して回折格子３１で反射し、ミラー３５ｂに至るまでの光路については凸レンズ３０、シリンドリカル凹レンズ３３の作用を表すために破線で光束の広がりを示し、実線で主光線を示している。他の光路については図の錯綜を避けるため主光線のみを実線、又は一点鎖線で示している。

また、第一レンズとして、本実施形態では凸レンズ３０を用いているが、ここで用いるレンズは凸レンズに限定されない。例えば、光学収差を低減させるために適切な凸レンズと凹レンズを接着して組み合わせたダブレットレンズやトリプレットレンズのように複数のレンズを組み合わせたレンズを用いてもよい。

光入出力ポート２０ａ〜２０ｇは、複数のポートを備えている。図１では、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇと７つ記載しているが、これ以上又はこれ以下の任意の数で配置可能である。光入出力ポート２０ａ〜２０ｇには、例えば、図１に示すように光入出力ポート２０ａ〜２０ｇごとに光ファイバ４０ａ〜４０ｇが接続され、又は、光導波路（後述の図７のピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇを参照。）が接続される。また、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇは、それぞれ光ファイバ４０ａ〜４０ｇを伝搬する一以上の波長を含む光を入出力する。また、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇは、横並び直線状に設けられ、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇに対向して配置された凸レンズ３０が光入出力ポート２０ａ〜２０ｇからの光を平行光に変換しうるように、凸レンズ３０から凸レンズ３０の焦点距離ｆ_ｍだけ離れた位置に配置される。図１では、図１（ｂ）に示すように、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇは、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇから出力される光の向きがｚ軸方向に平行となるように配置されているが、凸レンズ３０において平行光に変換されるのであれば、いずれの向きに向いていてもよい。例えば、図１に示すように光入出力ポート２０ａ〜２０ｇが焦点距離ｆ_ｍだけ離れた位置に配置される場合、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの向きは凸レンズ３０に対して斜めであってもよい。

回折格子３１は、凸レンズ３０を間にして光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの反対側に配置される。また、図１では、共焦点系を構成するため、回折格子３１は、凸レンズ３０から凸レンズ３０の焦点距離ｆ_ｍだけ離れた位置に配置される。図１のように共焦点系を構成すると波長選択スイッチ１０を小型にすることができ有効である。

また、回折格子３１の格子面３２上には、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置方向に平行となるように配置された格子（不図示、以下本明細書において同じである。）が形成されている。図１では、格子面３２上には、図１（ｂ）のｙ軸方向に平行な格子が図１（ａ）のｘ軸方向に並列に複数形成される。格子は、格子面３２上に形成された複数の凹凸形状の溝であってもよいし、光を反射する部分と吸収する部分とを交互に配置してもよい。これにより、図１（ａ）に示すように、凸レンズ３０を透過した光は、回折格子３１の格子面３２上で反射してｘ軸方向に波長ごとに異なる角度で反射する。なお、図１（ｂ）のｚ軸方向にはそのまま返送される。図１では簡単のため回折格子３１の格子面３２は、凸レンズ３０に正対しているが、一般的には格子面３２の法線がｘｚ面内にあるように光軸（ｚ軸）に対して傾斜している。

シリンドリカル凹レンズ３３は、回折格子３１で反射した光のうち凸レンズ３０を透過した光を透過させて後述のミラー３５ａ，３５ｂに向けて収束させる。シリンドリカル凹レンズ３３は、図１（ａ）のｘ−ｚ面、つまり光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配列方向と直交する方向（ｘ方向）では単純平板であり、凸レンズ３０からの焦点距離ｆ_ｍよりも若干長くなる位置に、凸レンズ３０からの光をそのまま収束させる。一方、図１（ｂ）のｙ−ｚ面、つまり光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配列方向（ｙ方向）では凹レンズとして機能し、凸レンズ３０からの光を平行光に変換してミラー３５ａ，３５ｂに導く。図１では、シリンドリカル凹レンズ３３は、凹面３４がミラー３５ａ，３５ｂの側を向くように配置されるが、凸レンズ３０の側を向くように配置しても当然によい。また、図１では、平凹のシリンドリカルレンズを適用しているが、両凹のシリンドリカルレンズでもよい。

ミラー３５ａ，３５ｂは、図１では２つ記載しているが、光ファイバ４０内を伝搬する光の波長数に応じて波長ごとに複数配置するとよい。以下、ミラー３５ａを中心に説明するが、ミラー３５ｂも同様である。ミラー３５ａは、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３だけ離れた位置に配置される。そして、シリンドリカル凹レンズ３３からの光が収束する位置でシリンドリカル凹レンズ３３からの収束光を任意の角度で反射する。また、ミラー３５ａで反射した光がシリンドリカル凹レンズ３３及び凸レンズ３０を透過して回折格子３１で反射し再び凸レンズ３０を透過して光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれかに収束するように光の反射角度がそれぞれ設定される。図１では、ミラー３５ａでは、光入出力ポート２０ｃに、ミラー３５ｂでは、光入出力ポート２０ｅに、それぞれ収束するように設定されているが、角度に応じて光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれにも収束させることは可能である。例えば、ミラー３５ａのように角度を上方に傾けると凸レンズ３０及び回折格子３１を通して光入出力ポート２０ｃに収束させることができ、一方、ミラー３５ｂのように下方に傾けると凸レンズ３０及び回折格子３１を通して光入出力ポート２０ｅに収束させることができる。このように、ミラー３５ａの角度を変えることで波長選択が可能となる。ミラー３５ａとしては、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを適用して小型の波長選択スイッチを実現することができる。

以上より、波長選択スイッチ１０は、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれかから出力される複数波長の光を他の光入出力ポート（光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれか）に振分けたり、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのうち複数から出力される光を他の１つの光入出力ポート（光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのいずれか）で合波することができるため、光波長多重通信ネットワーク実現の際の波長多重用の光合分波回路や波長再配置型のａｄｄ−ｄｒｏｐ波長多重回路として適用できる。

ここで、ミラー３５ａで反射した光の軌跡について詳細に説明する。

図３は、ミラー３５ａとシリンドリカル凹レンズ３３を示した概略図である。

図３に示すように、ミラー３５ａにおいて角度θ_ｍで反射した主光線５５は、ミラー３５ａへの入射光５６の光軸６０からｈ＝｜ｆ_３｜θ_ｍの高さでシリンドリカル凹レンズ３３を透過する。これは、ミラー３５ａをシリンドリカル凹レンズ３３からシリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３だけ離れた位置に配置したためである。シリンドリカル凹レンズ３３を透過した主光線５５は、シリンドリカル凹レンズ３３透過時の屈折角度がｈ／｜ｆ_３｜＝θ_ｍであり、出射角度は、θ_ｍ＋ｈ／｜ｆ_３｜＝２θ_ｍとなる。つまり、シリンドリカル凹レンズ３３を透過した主光線５５は、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点から高さ−ｈの点を光源として出射される光線と一致するとみることができ、ミラー３５ａに入射する入射光５６の反射位置を等価的に−ｈだけｙ方向にオフセットすることができることがわかる。

以上説明したように、図１の波長選択スイッチ１０は、シリンドリカル凹レンズ３３を備えるため、角度／オフセット変換機能をシリンドリカル凹レンズ３３の１つで実現でき、部品点数を削減して簡易な構成にすることができる。また、小型化も可能となる。さらに、後述のように、凸レンズ３０から光入出力ポート２０ａ〜２０ｇへの光の入力角度を光入出力ポート２０ａ〜２０ｇに対して略垂直となるように調整すれば低損失の波長選択スイッチが実現できる。

（第二実施形態）
図４に、本実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図を示す。図４（ａ）は、ｘ−ｚ面での波長選択スイッチを示し、図４（ｂ）は、ｙ−ｚ面での波長選択スイッチを示している。なお、図４において図１と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。

図４の波長選択スイッチ１２は、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇと凸レンズ３０との間で凸レンズ３０を透過した光の光入出力ポート２０ａ〜２０ｇへの入力角度を変える光入力角度変換レンズ３８を備えている。

光入力角度変換レンズ３８は、ミラー３５ａで反射し凸レンズ３０を透過した光が光入出力ポート２０ａ〜２０ｇに対してそれぞれ略垂直に入力されるように配置される。図４では、光入力角度変換レンズ３８として、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３の１／２倍の焦点距離ｆ_４を有する凸レンズを適用し、凸レンズ３０の焦点の位置が光入力角度変換レンズ３８の焦点距離ｆ_４の２倍の距離（つまり、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３）だけ離れた位置にくるように凸レンズ３０に対向して配置される。また、光入力ポート２０ａ〜２０ｇは、光入力角度変換レンズ３８から光入力角度変換レンズ３８の焦点距離ｆ_４の２倍の距離（つまり、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３）だけ離れた位置に配置される。本実施形態では、光入力角度変換レンズ３８として凸レンズを用いているが、ここで用いるレンズは凸レンズに限定されない。凸レンズの機能さえあれば、例えば、単レンズ、凸レンズと凹レンズとを接着して組合わせたダブレットレンズのように複数のレンズを組み合わせたレンズ、又は非球面レンズを用いてもよい。

ここで、光入力角度変換レンズ３８を透過する光の軌跡について詳細に説明する。

図５は、光ファイバ４０と光入力角度変換レンズ３８を示した概略図である。

光入力角度変換レンズ３８の焦点距離ｆ_４の２倍の距離だけ離れた位置に光入力角度変換レンズ３８の中心軸６１からの高さが−ｈの位置に光入出力ポート２０ｅを配置して、光入力角度変換レンズ３８の中心軸６１からの高さが−ｈの位置に向けて角度２θ_ｍの光５１を入射すると、光入力角度変換レンズ３８の性質上、倍率１の倒立実像が、光ファイバ４０の端面である光入出力ポート２０ｅに結像する。そして、光入力角度変換レンズ３８に入射した光５１は、光ファイバ４０のコア軸６２に平行に入力される。

以上説明したように、図４の波長選択スイッチ１２では、光入力角度変換レンズ３８を備えるため、凸レンズ３０から光入出力ポート２０ａ〜２０ｇへの光の入力角度を光入出力ポート２０に対して略垂直となるように調整できる。これにより、低損失の波長選択スイッチが実現できる。

（第三実施形態）
本実施形態では、図４で説明した光入力角度変換レンズ３８に代えて、光入力角度変換プリズムを備えている。

図６に、本実施形態に光入力角度変換プリズムの概略構成図を示す。

図６の光入力角度変換プリズム３９ａ〜３９ｇは、複数備えている。図６では、光入力角度変換プリズム３９ａ〜３９ｇと７つ記載しているが、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの数に応じて光入出力ポートごとに配置する。また、光入力角度変換プリズム３９ａ〜３９ｇは、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇと凸レンズ（不図示、図１等の凸レンズ３０）との間に配置され、例えば、不図示の凸レンズを透過した光５２が光入出力ポート２０ｃに対して略垂直に入力されるように光５２の光入出力ポート２０ｃへの入力角度を変える。他の光入出力ポート２０ｂ，ｄ〜ｇについても同様である。光入出力ポート２０ｃに設けた光入力角度変換プリズム３９ｃの頂角をθ_ｐ、光入力角度変換プリズム３９ｃの屈折率をｎ_ｐとすると、角度２θ_ｍで入射する光５２を光入力ポート２０ｃである光ファイバ４０ｃの端面に垂直にする条件は、次の数式（１）で表せる。

例えば、ここでｎ_ｐ＝１．４５、θ_ｍ＝１．５度とすると、θ_ｐ＝６．６６度となる。光入出力ポート２０ｃの位置を固定することで光入力角度変換プリズム３９ｃの頂角θ_ｐの大きさを決定することができる。このことは、他の光入出力ポート２０ｂ，ｄ〜ｇについても同様である。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチでは、光入力角度変換プリズム３９ａ〜３９ｇを備えるため、不図示の凸レンズから光入出力ポート２０ａ〜２０ｇへの光の入力角度を光入出力ポート２０ａ〜２０ｇに対して略垂直となるように調整できる。これにより、低損失の波長選択スイッチが実現できる。また、光入力角度変換プリズム３９ａ〜３９ｇを光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの前面に取り付けることが可能となるため、装置の大きさ増大への影響が小さく、装置の大きさをそのままに（例えば、図１の波長選択スイッチ１０の大きさそのまま）低損失の波長選択スイッチが実現できる。

（第四実施形態）
図７に、本実施形態に係る波長選択スイッチとその周辺部の概略構成図を示す。図７（ａ）は、ｘ−ｚ面での波長選択スイッチを示し、図７（ｂ）は、ｙ−ｚ面での波長選択スイッチを示している。なお、図７において図１と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。

図７の波長選択スイッチ１３には、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇで入出力される光を伝搬する光ファイバ４０ａ〜４０ｇと光入出力ポート２０ａ〜２０ｇとの間で光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔と光ファイバ４０ａ〜４０ｇの配置間隔とを相互に変換するピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇが接続されている。ピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇは、光導波路回路４１として構成される。光ファイバ４０の外径に制約があり、例えば、直径１２５μｍ以下にできないような場合、有効である。光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔は、後述するようにミラー３５ａの大きさに影響を与えるからである。

光ファイバ４０は、複数備える。図７では、光ファイバ４０ａ〜４０ｇの７つ記載しているが、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇのポート数に応じて光入出力ポートごとに複数配置する。

ここで、図７のミラー３５ａの反射面６３ａ上の光のスポット半径ω_ｍｙは、次の数式（２）と表せる。数式（２）において、λは光入出力ポート２０ａ〜２０ｇで入出力される光の波長、ω_ｆは光入出力ポート２０ｄから出力される光のスポット半径である。一方、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦとシリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３との関係は、次の数式（３）と表せる。数式（３）において、θ_ｍはミラー３５ａの反射角度である。さらに、数式（２）、数式（３）から、数式（４）を導ける。

ここで、ミラー３５ａの反射面６３ａ上の光のスポット直径２ω_ｍｙは、ｙ−ｚ面におけるミラー３５ａの幅Ｍ_ｙより小さいことが要求される。この要求条件を満たすためには、波長λ、及び光入出力ポート２０ｄから出力される光のスポット半径ω_ｆが与えられるとして、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３を適切な値にする必要がある。

スポット直径２ω_ｍｙは、λ，ω_ｆ，θ_ｍを一定とすると、数式（４）から光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦに比例することが分かる。そのため、スポット直径２ω_ｍｙを小さくするためには、数式（４）より、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦを小さくすればよいが、上記の通り、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇに直接光ファイバを接続する場合には、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦには下限がある。そこで、図７に示すようにピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇを備えると、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦを光ファイバを直接接続した場合と比べて小さくすることができる。

例えば、ピッチ変換光導波路４２ａの端面である光入出力ポート２０ｄから出力される光のスポット半径ω_ｆ＝５．２μｍ、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦ＝２５μｍとする。また、ミラー３５ａの最大変位角度を±１．５度、光入出力ポートの数を１０個（但し、図７では、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇとして７つ記載している。）とすると、隣接する光入出力ポート（例えば、光入出力ポート２０ｅと光入出力ポート２０ｆ）への光の入力角度の切換角度θ_ｍは、ミラー３５ａが反射ミラーであることを考慮し、最大変位角度±１．５度を１０分割した０．３度の２倍でθ_ｍ＝０．６度（０．０１０５ｒａｄ）となる。数式（３）から、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３＝２．５μｍ／０．０１０５ｒａｄ＝２．３９ｍｍとなる。数式（４）から、光の波長λ＝１．５４４７μｍとして、ミラー３５ａの反射面６３ａ上の光のスポット直径２ω_ｍｙ＝４５２μｍとなり、必要なミラー３５ａの幅Ｍ_ｙは、Ｍ_ｙ＝５００μｍ程度であることがわかる。

一方、λ，ω_ｆ，θ_ｍの条件を上記と同じとして、外径１２５μｍの光ファイバをピッチ１２７μｍのＶ格子基板にアレイ状に配置して直接光入出力ポートに接続した場合には、数式（４）より、ミラーの幅Ｍ_ｙとして２．５ｍｍ程度が必要であることがわかる。ミラー３５ａの幅Ｍ_ｙを小さくするためには、λ，ω_ｆは略固定であるため、数式（４）より、θ_ｍを大きくする必要がある。θ_ｍを±１．５度の５倍の±７．５度とすれば、ミラーの幅Ｍ_ｙを５００μｍ程度とすることができるが、ミラー３５ａの最大変位角度を超えてしまう。

以上説明したように、ピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇを備えると、波長選択スイッチ１３は、ミラー３５ａの幅Ｍ_ｙを小さくすることができ波長選択スイッチ１３全体を小型のままに光ファイバ４０に接続することができる。

（第五実施形態）
本実施形態では、図７の波長選択スイッチ１３が、先端部分がテーパ状のピッチ変換光導波路に接続されている。ピッチ変換光導波路は、図７で説明したピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇと同様である。

図８に、本実施形態にピッチ変換光導波路の先端部分の概略図を示す。

図８のピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇは、その先端部分がテーパ状である。ピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇのコア幅を次第に狭くするテーパ状にすると、導波路内の光のクラッドによる拘束が緩み、スポットサイズが拡大する。これにより、数式（４）から分かるように、半径ω_ｆを拡大して、図７のミラー３５ａの反射面６３ａ上のスポット直径２ω_ｍｙを小さくすることができる。

図８に示すようにスポット半径ω_ｆとなる導波路幅Ｗ_ｆの定常導波路部４５に先端がテーパ状のピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇを接続すると、ピッチ変換光導波路４２ａ〜４２ｇ内を伝搬する光は、テーパ導波路部４６の等価屈折率低減でスポット半径が徐々に拡大しスポット拡大部４７に導かれる。図７のミラー３５ａの反射面６３ａ上のｙ−ｚ面内のスポット半径ω_ｍｙの拡大と同時にｘ−ｚ面内のスポット半径ω_ｍｚもスポット半径ω_ｆより拡大するが、これらのスポット半径ω_ｍｚ，ω_ｍｙの拡大で図７の凸レンズ３０の収差が低減する傾向となり、より効率のよい光結合が得られる。

また、前述のように、例えば、図７で説明したようにピッチ変換光導波路４２ａからの光のスポット半径ω_ｆ＝５．２μｍ、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔DＦ＝２５μｍ、また、ミラー３５ａの最大変位角度を±１．５度、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの数を１０個（但し、図７では、光入出力ポート２０として７つ記載している。）とすると、隣接する光入出力ポート（例えば、光入出力ポート２０ｄと光入出力ポート２０ｂ）への光の入力角度の切換角度θ_ｍ＝０．６度（０．０１０５ｒａｄ）、シリンドリカル凹レンズ３３の焦点距離ｆ_３＝２．５μｍ／０．０１０５ｒａｄ＝２．３９ｍｍとなる。スポット半径ω_ｆの拡大で３倍に拡大されるとω_ｆ＝１５．６μｍとなる。光の波長λ＝１．５４４７μｍとして、数式（４）から図７のミラー３５ａの反射面６３ａ上の光のスポット直径２ω_ｍｙ＝１５０μｍとなり、ミラー３５ａの幅Ｍ_ｙは、スポットサイズに逆比例して小さくなることが分かる。これにより、ミラー３５ａ自体をより現実的な大きさして、波長選択スイッチ１３全体を小型にすることができる。

（第六実施形態）
図９に、本実施形態に係る波長選択スイッチとその周辺部の概略構成図を示す。図９（ａ）は、ｘ−ｚ面での波長選択スイッチを示し、図９（ｂ）は、ｙ−ｚ面での波長選択スイッチを示している。なお、図９において図１と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。

図９の波長選択スイッチ１４には、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇで入出力される光を伝搬する光ファイバ４０ａ〜４０ｇと光入出力ポート２０ａ〜２０ｇとの間で光入出力ポート２０ａ〜２０ｇの配置間隔と光ファイバ４０ａ〜４０ｇの配置間隔とを相互に変換するピッチ変換光導波路４４ａ〜４４ｇが接続されている。図９の波長選択スイッチ１４は、図１の波長選択スイッチ１０と同一の波長選択スイッチである。図９は、ピッチ変換光導波路４４ａ〜４４ｇを備える点で第四及び第五実施形態で説明した波長選択スイッチ１３（図７を参照。）において光入力角度変換レンズ３８を取り去った構成を示している。

図９のピッチ変換光導波路４４ａ〜４４ｇは、光導波路回路４３として構成され、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇへの光の入力角度２θ_ｍと同じ傾斜角度を持って配置されている。ピッチ変換光導波路４４ａ〜４４ｇのコア間のクロストークを避けるために、コアとコアとの間に遮光格子をつけてもよい。また、図８で説明したように先端部分をテーパ状にして、スポットサイズの拡大により出力を傾斜させてもよい。

本実施形態のように光導波路が傾斜したピッチ変換光導波路４４ａ〜４４ｇを備えると、波長選択スイッチ１４は、より小型にできるとともに、効率のよい光結合で光ファイバ４０に接続することができる。

（第七実施形態）
図２に、本実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図を示す。図２（ａ）は、ｘ−ｚ面での波長選択スイッチを示し、図２（ｂ）は、ｙ−ｚ面での波長選択スイッチを示している。なお、図２において図１と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。図２の波長選択スイッチは、透過型の構成、つまり、後述の回折格子で光を透過させる構成である。

図２の波長選択スイッチ１１は、図１の波長選択スイッチ１０と異なる構成部分に代えて、光入出力ポート２０ａ〜２０ｇから入出力される光のうち凸レンズ３０を透過した光を波長ごとに異なる角度で透過させる回折格子３６と、回折格子３６を間にして凸レンズ３０の反対側に凸レンズ３０と回折格子３６との距離と等しい距離だけ離れて配置される凸レンズ３７と、を備える。但し、回折格子３６は、凸レンズ３０を透過した光を透過させる点が異なる他は、図１の回折格子３１と同様である。この場合、格子面３２上に形成される格子は、格子面３２上に形成された複数の凹凸形状の溝であってもよいし、光を透過する部分と反射又は吸収する部分とを交互に配置したスリット状であってもよい。また、凸レンズ３７は、凸レンズ３０と同一のレンズを適用している。

以上の構成により、図２の波長選択スイッチ１１は、図１で説明した波長選択スイッチ１０と同様の機能を発揮して波長選択することができる。なお、第二から第六実施形態で説明した波長選択スイッチ及びその周辺部の構成も当然に図２の波長選択スイッチ１１にも適用することができる。

ここで、第一から第七実施形態に係る波長選択スイッチの透過特性について説明する。図１を中心に説明するが、図４、図７及び図９に示す波長選択スイッチ１２，１３，１４でも同様である。

図１のミラー３５ａのｘ−ｚ面内の幅Ｍ_ｚがミラー３５ａの反射面６３ａ上のスポット直径２ω_ｍに比べて大きい場合には、透過特性が広く且つ急峻な遮断特性を有する合分波特性が得られることが既に知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，９ｔｈ Ｍａｙ １９８５，Ｖｏｌ−２１，Ｎｏ．１０，ｐｐ．４２３−４２３

図１０に、スポット半径ωのガウスビームスポットが波長変化とともにミラー３５ａの反射面６３ａ上を移動する様子を示す。

δλ＝１００ＧＨｚの波長変化でビームスポットは、ミラー３５ａ，３５ｂ間のピッチＭ_ｐ＝δλ×ＬＤだけ移動する。ピッチＭ_ｐは、以下の数式（５）と表せる。数式（５）において、ＬＤは、図１の回折格子３１の格子定数と凸レンズ３０の焦点距離ｆ_ｍで決定する定数（線分散）である。

また、λ_０．５＝６０ＧＨｚの波長変化でビームスポットが結合損失の０．５ｄＢ増加する幅だけ移動すると以下の数式（６）の関係がある。

ビームスポットが波長とともに移動しミラー３５ａ，３５ｂからはみ出さない範囲が通過帯域であるから通過帯域は概ね（Ｍ_ｚ−２ω）に比例する。実際にはミラー３５ａ，３５ｂの両端で０．５ｄＢ分のはみだしを許容するため、厳密には（Ｍ_ｚ−１．５９ω）に比例する。

具体例として、ミラー３５ａの幅Ｍ_ｚをミラー３５ａ，３５ｂ間のピッチＭ_ｐの８５％（これを、ミラー３５ａ，３５ｂのフィルタファクターと呼ぶ。）として、δλ＝１００ＧＨｚ，λ_０．５＝６０ＧＨｚとすると、数式（５）、（６）から、ミラー３５ａ，３５ｂ間のピッチＭ_ｐとガウスビームのスポット半径ωとの関係が以下の数式（７）と表せる。

Ｍ_ｐ＝１３０μｍとすると、数式（７）から、要求されるωは、ω＝２０μｍとなる。また、数式（５）のＬＤを数式（６）に代入すると、以下の数式（８）が導ける。

数式（８）において、Ｍ_ｐ＝１３０μｍと仮定すると、λ_０．５とガウスビームのスポット半径ωとの関係が得られる。

図１１に、ガウスビームのスポット半径ωと１００ＧＨｚの波長間隔における０．５ｄＢの通過帯域λ_０．５との関係を示したグラフを示す。スポット半径ωを２μｍから３０μｍまで変化させたときの関係を示している。

図１１から、図１０のミラー３５ａ，３５ｂ間のピッチＭ_ｐとフィルタファクターを一定とすると、ωが大きくなるほどλ_０．５が小さくなることが分かる。従来技術では、図１４に示すように、Ｐ５−２面でのスポット半径ω_Ｐ５−２がアレイミラー１０６の反射面１０７上でのスポット半径ω_ａｒｒと等しくなることは図１と同様であるが、高開口数レンズ１０３の焦点距離ｆ_２、マイクロレンズアレイ１０２の焦点距離ｆ_１とすると、Ｐ５−１面もＰ５−２面も共焦点系であるため、光入出力ポート１０１ｄから出力される光のスポット半径ω_ｆとすると、Ｐ５−２面でのスポット半径ω_Ｐ５−２は、ω_Ｐ５−２＝（ｆ_２／ｆ_１）×ω_ｆとなる。また、アレイミラー１０６の反射面１０７上でのスポット半径ω_ａｒｒは、ω_ａｒｒ＝ω_Ｐ５−２となる。そのため、図１４のマイクロレンズアレイ１０２の焦点距離ｆ_１は、高開口数レンズ１０３の焦点距離ｆ_２より短くなっており、ωを５．２μｍとした場合、ω_Ｐ５−２はその数倍の大きさになることがわかる。図１１で分かるように、ωが大きくなると波長帯域は狭くなる傾向があるため、従来の波長選択スイッチでは通過帯域が狭くなる傾向がある。

一方、図１の波長選択スイッチ１０では、ミラー３５ａの反射面６３ａ上のｘ−ｚ面でのスポット半径ω_ｍｚは、波長選択スイッチ１０が共焦点系であるため、光入出力ポート２０ｄから出力される光のスポット半径ω_ｆと同じとなり、通常シングルモードファイバでは５．２μｍとなる。よって、図７の波長選択スイッチ１０は、λ_０．５＝８５−１５９（ω／Ｍ_ｐ）＝７９ＧＨｚと広い通過帯域を有することが分かる。

図１２に、本実施形態に係る波長選択スイッチの通過帯域特性の一例を示す。図１３に、従来の波長選択スイッチの通過帯域特性の一例を示す。

図１３から従来の波長選択スイッチが０．５ｄＢ通過帯域幅が６０ＧＨｚであり、通過帯域が狭く且つ遮断特性が緩慢である一方で、急峻な遮断特性を持つ一方で、図１２から、図１の波長選択スイッチ１０は、０．５ｄＢ通過帯域幅が７０ＧＨｚ以上で広帯域となっており、急峻な遮断特性を持つことが分かる。

本発明の波長選択スイッチは、異なる波長の光を分岐し又は結合することができ、光波長多重通信ネットワーク実現の際の波長多重用の光合分波回路や波長再配置型のａｄｄ−ｄｒｏｐ波長多重回路として適用できる。

一実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図である。 一実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図である。 ミラーとシリンドリカル凹レンズを示した概略図である。 一実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成図である。 光ファイバと光入力角度変換レンズを示した概略図である。 一実施形態に光入力角度変換プリズムの概略構成図である。 一実施形態に係る波長選択スイッチとその周辺部の概略構成図である。 一実施形態にピッチ変換光導波路の先端部分の概略図である。 一実施形態に係る波長選択スイッチとその周辺部の概略構成図である。 スポット半径ωのガウスビームスポットが波長変化とともにミラーの反射面上を移動する様子を示した概略図である。 ガウスビームのスポット半径ωと１００ＧＨｚの波長間隔における０．５ｄＢの通過帯域λ_０．５との関係を示したグラフである。 一実施形態に係る波長選択スイッチの通過帯域特性の一例を示した図である。 従来の波長選択スイッチの通過帯域特性の一例を示した図である。 従来の波長選択スイッチの概略構成図である。

符号の説明

１０，１１，１２，１３，１４：波長選択スイッチ
２０ａ〜２０ｇ：光入出力ポート
３０：凸レンズ
３１：回折格子
３２：格子面
３３：シリンドリカル凹レンズ
３４：凹面
３５ａ，３５ｂ：ミラー
３６：回折格子
３７：凸レンズ
３８：光入力角度変換レンズ
３９ａ〜３９ｇ：光入力角度変換プリズム
４０ａ〜４０ｇ：光ファイバ
４１：光導波路回路
４２ａ〜４２ｇ：ピッチ変換光導波路
４３：光導波路回路
４４ａ〜４４ｇ：ピッチ変換光導波路
４５：定常導波路部
４６：テーパ導波路部
４７：スポット拡大部
５１〜５４：光
５５：主光線
５６：入射光
６０：光軸
６１：中心軸
６２：コア軸
６３ａ，６３ｂ：反射面
１０１，１０１ａ〜１０１ｄ：光入出力ポート
１０２：マイクロレンズアレイ
１０３：高開口数レンズ
１０４：第二レンズ
１０５：回折格子
１０６：アレイミラー
１０７：反射面
２００：波長選択スイッチ

Claims (5)

1. 一以上の波長を含む光を入出力し、横並び直線状に設けられた複数の光入出力ポートに対向して前記光入出力ポートからの光を平行光にするように配置された第一レンズと、
   前記第一レンズを間にして前記複数の光入出力ポートの反対側に配置され、前記光入出力ポートから入出力される光のうち前記第一レンズを透過した光を受ける面上に前記複数の光入出力ポートの配置方向に平行な複数の格子が形成された格子面において前記第一レンズを透過した光を波長ごとに異なる角度で反射する回折格子と、
   前記光入出力ポートから出力され前記回折格子で反射した光のうち前記第一レンズを透過した光を透過させて前記複数の光入出力ポートの配列方向では凹レンズとしての作用を持ち前記第一レンズからの収束光を平行光束に変換し、前記複数の光入出力ポートの配列方向と直交する方向ではレンズ作用を持たず前記第一レンズからの収束光をそのまま収束させるように前記第一レンズを間にして前記回折格子の反対側に配列されたシリンドリカル凹レンズと、
   前記光入出力ポートから出力され前記回折格子で反射し前記第一レンズ及び前記シリンドリカル凹レンズを透過した光を、前記シリンドリカル凹レンズを間にして前記第一レンズの反対側で前記シリンドリカル凹レンズの焦点距離だけ離れた位置においてそれぞれ反射し、反射した光のそれぞれが前記シリンドリカル凹レンズ及び前記第一レンズを透過して前記回折格子で反射し再び前記第一レンズを透過して前記複数の光入出力ポートのいずれかに収束するように光の反射角度がそれぞれ設定された複数のミラーと、
   を備える波長選択スイッチ。
2. 一以上の波長を含む光を入出力し、横並び直線状に設けられた複数の光入出力ポートに対向して前記光入出力ポートからの光を平行光にするように配置された第一レンズと、
   前記第一レンズを間にして前記複数の光入出力ポートの反対側に配置され、前記光入出力ポートから入出力される光のうち前記第一レンズを透過した光を受ける面上に前記複数の光入出力ポートの配置方向に平行な複数の格子が形成された格子面において前記第一レンズを透過した光を波長ごとに異なる角度で透過させる回折格子と、
   前記回折格子を間にして前記第一レンズの反対側に前記第一レンズと前記回折格子との距離と等しい距離だけ離れて配置される第二レンズと、
   前記光入出力ポートから出力され前記回折格子を透過した光のうち前記第二レンズを透過した光を透過させて前記複数の光入出力ポートの配列方向では凹レンズとしての作用を持ち前記第二レンズからの収束光を平行光束に変換し、前記複数の光入出力ポートの配列方向と直交する方向ではレンズ作用を持たず前記第二レンズからの収束光をそのまま収束させるように前記第二レンズを間にして前記回折格子の反対側に配列されたシリンドリカル凹レンズと、
   前記光入出力ポートから出力され前記第一レンズ、前記回折格子、前記第二レンズ及び前記シリンドリカル凹レンズを透過した光を、前記シリンドリカル凹レンズを間にして前記第二レンズの反対側で前記シリンドリカル凹レンズの焦点距離だけ離れた位置においてそれぞれ反射し、反射した光のそれぞれが前記シリンドリカル凹レンズ、前記第二レンズ及び前記第一レンズを透過して前記複数の光入出力ポートのいずれかに収束するように光の反射角度がそれぞれ設定された複数のミラーと、
   を備える波長選択スイッチ。
3. 前記複数の光入出力ポートと前記第一レンズとの間に配置され、前記複数のミラーで反射し前記第一レンズを透過した光が前記複数の光入出力ポートに対してそれぞれ略垂直に入力されるように光の前記複数の光入出力ポートへの入力角度を変える光入力角度変換レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記複数の光入出力ポートと前記第一レンズとの間で前記複数の光入出力ポートごとに配置され、前記複数のミラーで反射し前記第一レンズを透過した光が前記複数の光入出力ポートに対してそれぞれ略垂直に入力されるように光の前記複数の光入出力ポートへの入力角度を変える複数の光入力角度変換プリズムをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記複数の光入出力ポートから入出力する光を伝搬させる光導波路が前記複数の光入出力ポートの配列間隔に応じて前記複数の光入出力ポートごとに設けられたピッチ変換、スポットサイズ変換、入出射角度変換の働きを持つ光導波路部品をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の波長選択スイッチ。

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