JP2008298865A - 導波路型波長ドメイン光スイッチ - Google Patents

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Abstract

【課題】部品点数が少なく、組立が簡単で、低コストな導波路型波長ドメイン光スイッチを提供する。
【解決手段】波長多重された光信号を他の導波路型分光器に、或いは多数の波長の光を多重化して光伝送路となる光ファイバに入出力するための導波路型波長ドメイン光スイッチにおいて、導波路型分光器２を厚さ方向に少なくとも３枚積層してなる入出力ポート３と、入出力ポート３の入力ポート８から入射し出射された光を一軸方向に集光するための第１レンズ４と、第１レンズ４の集光方向と直交する方向に第１レンズ４から出射された光を集光するための第２レンズ５と、第２レンズ５から出射された光を第２レンズ５、第１レンズ４を介して光の入出力ポート３の出力ポート９に反射させるための光位相変調セル６とを順次配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波路型波長ドメイン光スイッチに関するものである。
図１０に、従来の波長ドメイン光スイッチを示す（特許文献１参照）。
図１０に示すように、波長ドメイン光スイッチ６００は、入出力光ファイバ６０１〜６０６と、コリメートレンズアレイ６１０と、水平偏波（ｙ偏波）と垂直偏波（ｘ偏波）間の特性を無依存化するためのWollastonプリズム６１５（２つの３角形状からなるプリズム６１６，６１７から構成されている）と、前記水平偏波と垂直偏波間の位相差を零にするための複屈折率板６２０と、１／２波長板６２５（６２６のみが１／２波長板で６２７は偏波に影響を与えない）と、凹面鏡６３０と、シリンドリカルレンズ６３５と、エッジプリズム６４１付グレーティング６４２と、光を垂直に曲げるためのプリズム６４６と、LCOS SLM(Liquid Crystal On Si Spatial Light Modulator)６４５とから構成されている。
波長ドメイン光スイッチ６００では、例えば、入力光ファイバ６０２を出射した波長多重化光ビームは、互いに偏波方向の等しい２つの光ビームにされて凹面鏡６３０で反射され、グレーティング６４２に入射する。グレーティング６４２では各波長の光ビームに分光され、LCOS SLM６４５に入射される。LCOS SLM６４５では、各波長の光ビームが出力される光ファイバの位置に集光されるように位相変調される。
また、図１１に従来のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロミラーを用いた導波路型波長選択スイッチを示す（特許文献２参照）。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、導波路型波長選択スイッチ１００は、１枚の基板１０１上に５個の導波路型分光器１０２を配置しており、さらにその基板１０１を５枚重ねた構造となっている。導波路型波長選択スイッチ１００では、ＭＥＭＳマイクロミラー１０３が光ビームを所定の角度で反射するように制御されている。なお、図中１０４は、導波路型分光器１０３の入出射端毎に光ビームを集光するマイクロレンズアレイであり、１０５はコリメートレンズである。
米国特許出願公開第２００６／６７６１１号明細書 米国特許第７０８８８８２号明細書
しかしながら、図１０の波長ドメイン光スイッチには次の問題点がある。
第１に、バルク形のグレーティング（エッジプリズム付グレーティング）を使用しているため、１つの部品で分光することができる点でメリットを有するが、バルク形のグレーティングは寸法が大きくなり小型化が困難であるという問題がある。
第２に、偏光依存性の大きなバルク形のグレーティングと従来の光位相変調セルLCOS SLM６４５を用いているため、偏光依存性を解消するべく、Wollastonプリズム６１５（２つの３角形状からなるプリズム６１６，６１７から構成されている）と、水平偏波（ｙ偏波）と垂直偏波（ｘ偏波）間の位相差を零にするための複屈折率板６２０と、１／２波長板６２５（６２６のみが１／２波長板であり、６２７は偏波に影響を与えない）などの複雑な光学系を用いなければならないという問題がある。
第３に、複雑な光学系を構成するため、各光学部品のコストおよび組立コストが大きくなり低コスト化が困難であるという問題がある。
第４に、光ネットワークに必要な光信号の波長と光信号パワーをモニターする機能の実現が困難であり、別の新たなモジュールが必要になるという問題がある。
また、図１１のＭＥＭＳマイクロミラーを用いた導波路型波長選択スイッチには次の問題点がある。
第１に、ＭＥＭＳのマイクロミラーを用いる場合は反射角度を大きくとれるため、１枚の基板上に複数個の導波路型分光器を並列配置する構成が可能であるが、この構成をLCOS SLMを用いた波長ドメイン光スイッチに適用することができないという問題がある。なぜなら、ＭＥＭＳマイクロミラーを用いた導波路型波長選択スイッチを基板上に配置する場合、１００ｍｍ程度の厚みになってしまうため、反射角度が小さいLCOS SLMでは全ての光を反射させることができず、光スイッチの性能が著しく劣化するからである。
第２に、各導波路型分光器の一つ一つに対応して垂直方向に集光するレンズアレイを用いているが、本レンズアレイと各導波路型分光器との光軸調整が非常に厳しく、組立に多くの時間を要すると共に、本レンズには収差を抑えるため非球面形状が必要であり、価格が大幅に増加するという問題がある。この傾向は、レンズを小さくすればするほど顕著となり光スイッチの小型化が極めて困難となる。
第３に、導波路型分光器を入出射光に対して斜めに配置せず、水平に配置しているため、各光学部品端面で入出射光の反射ロスが生じ、スイッチ特性が劣化するという問題がある。
第４に、出力数を増加させるため縦方向に導波路型分光器を積み重ねているが、各出力に対してマイクロレンズが必要であるため、収差を小さくしようとすると、大きさに限界があり、高密度に積み重ねることができない。このため、小型化、高性能化が極めて困難となる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、部品点数が少なく、組立が簡単で、低コストな導波路型波長ドメイン光スイッチを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、波長多重された光信号を他の導波路型分光器に、或いは多数の波長の光を多重化して光伝送路となる光ファイバに入出力するための導波路型波長ドメイン光スイッチにおいて、導波路型分光器を厚さ方向に少なくとも３枚積層してなる入出力ポートと、該入出力ポートの入力ポートから入射し出射された光を一軸方向に集光するための第１レンズと、該第１レンズの集光方向と直交する方向に上記第１レンズから出射された光を集光するための第２レンズと、該第２レンズから出射された光を上記第２レンズ、上記第１レンズを介して上記入出力ポートの出力ポートに反射させるための光位相変調セルとを順次配置した導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項２の発明は、積層された導波路型分光器は、透明な光学接着剤によって互いに接着されている請求項１記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項３の発明は、波長多重された光信号を他の導波路型分光器に、或いは多数の波長の光を多重化して光伝送路となる光ファイバに入出力するための導波路型波長ドメイン光スイッチにおいて、少なくとも２枚の導波路型分光器と導波路型光カップラ回路を積層してなる入出力ポートと、該入出力ポートの入力ポートから入射し出射された光を一軸方向に集光するための第１レンズと、該第１レンズの集光方向と直交する方向に上記第１レンズから出射された光を集光する第２レンズと、該第２レンズから出射された光を上記第２レンズ、上記第１レンズを介して上記入出力ポートの出力ポートに反射させるための光位相変調セルとを順次配置した導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項４の発明は、積層された導波路型分光器、及び導波路型分光器と導波路型光カップラ回路は、透明な光学接着剤によって互いに接着されている請求項３記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項５の発明は、上記導波路型光カップラ回路は、スラブ導波路と、該スラブ導波路から分波される波長数以上の出力用導波路とからなることを特徴とする請求項３または４記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項６の発明は、上記出力用導波路の出射端側に、出力用導波路から出射された光をモニタするための受光素子が配置されている請求項５記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項７の発明は、上記入出力ポートは、中央部分に上記入力ポートが位置しており、該入力ポートの上下側に出力ポートが積層されている請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項８の発明は、上記導波路型分光器は、屈折率の高いコアをそれよりも屈折率の低いクラッドで埋め込まれた少なくとも１本以上の入力導波路と、該入力導波路に接続され厚さ方向のみに閉じ込め構造を持つスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続された多数の一定長だけ長さが順次異なるアレイ導波路とからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項９の発明は、上記導波路型分光器の上記スラブ導波路の一部に楔形の溝が少なくとも１個形成され、該溝部には石英ガラスの屈折率温度特性と逆の温度依存性を持つ樹脂が挿入されている請求項８記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１０の発明は、上記入出力ポートの入出力端面には無反射コーティングが形成されている請求項１〜９のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１１の発明は、上記入出力ポートの入出力端面が、上記導波路型分光器の積層方向と同一面内で光の入出射方向に対して８°以上の角度をなすように形成されている請求項１〜１０のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１２の発明は、上記光位相変調セルの光の入出力端面には無反射コーティングが形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１３の発明は、上記光位相変調セルの光の入出力端面が上記導波路型分光器と同一平面内で上記第２レンズからの出射光に対して０．１〜０．５°傾けて配置されている請求項１〜１２のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１４の発明は、上記光位相変調セルは、基板上に反射膜と液晶層が設けられ、上記反射膜と液晶層との間に１／４波長膜が挿入されてなる請求項１〜１３のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
請求項１５の発明は、上記第１レンズおよび第２レンズによる集光位置のずれを補正するための位相分布を上記光位相変調セルに対して付与することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチである。
本発明によれば、部品点数を少なく構成することができ、組立が簡単で、低コストで製造することができるといった優れた効果を発揮する。
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係る導波路型波長ドメイン光スイッチの好適な第１の実施形態を示した概略図である。
本実施の形態に係る導波路型波長ドメイン光スイッチ１は、導波路型分光器２を５層積層してなる入出力ポート３を形成し、光伝送路である光ファイバ７ｃより入射して入出力ポート３の入力ポート８から出射した光ビーム（自由空間を伝搬する光信号を光ビームとする）を一軸方向にコリメートする第１レンズ４と、第１レンズ４を出射した光ビームを第１レンズでコリメートする方向と直交する方向にコリメートする第２レンズ５と、第２レンズ５を出射した光ビームを第２レンズ５、第１レンズ４を介して任意の導波路型分光器２に入射させる光位相変調セル６を配置したものである。
本実施形態では、第１レンズ４は、入出力ポート３から出射した光信号を導波路型分光器２の厚さ方向にコリメートする向きに配置され、第２レンズ５は、導波路型分光器２の幅方向にコリメートする向きに配置されている。第１レンズ４及び第２レンズ５としては、円筒レンズ（シリンドリカルレンズ）を用いた。この他、蒲鉾型レンズを用いてもよい。
入出力ポート３は、外部（導波路型波長ドメイン光スイッチを組み込む光伝送システム等）と光伝送路を介して接続されている。本実施の形態では、５枚の導波路型分光器２に、１つのファイバブロック２５（図２参照）を介してそれぞれ光伝送路として光ファイバ７（入力用光ファイバ７ｃ、出力用光ファイバ７ｂ）が接続されている。
入出力ポート３は、５枚の導波路型分光器２を積層して構成されるが、本実施形態では、中央の導波路型分光器（上から３枚目）２ｃを、外部から光信号が入力される入力ポート８とし、入力ポート８の上下に配置された他の導波路型分光器（上から、１、２、４及び５枚目）２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｅをそれぞれ外部に光信号を出力する出力ポート９とした。
具体的には、入出力ポート３は、上下方向から２個ずつの出力ポート９ａ、９ｂ、９ｄ、９ｅによって入力ポート８を挟み込み、各ポート８，９間は、アライメントマーク２６を目印にして位置決めの上、光学接着剤によって（接着層を介して）間隙無く接続されている。接着層の厚さは、１０μｍ以下程度であることが好ましい。接着層の厚さが１０μｍを超えると、温度変化によって接着層の膨張、収縮の影響が大きくなり、導波路型分光器２を伝搬する光信号の光学特性に変化を与えるため好ましくない。
次に、導波路型分光器２について詳述する。
図２（ｂ）に示すように、導波路型分光器２は、石英ガラス基板（Ｓｉ基板でも良い）２７と、石英ガラスからなるクラッド２９と、クラッド２９で囲まれ、かつクラッド２９よりも屈折率の大きいコア２８とからなる。
図２（ａ）に示すように、コア２８とクラッド２９とで構成される導波路型分光器２は、入出力導波路２１と、入出力導波路２１に接続されるスラブ導波路２２と、スラブ導波路２２に接続され一定長ずつ長さの順次異なる複数のアレイ導波路２４とからなる。入出力導波路２１は基板端面に臨み、その端面で光ファイバブロック２５を介して光ファイバ７に接続され、複数のアレイ導波路２４は、入出力導波路２１が臨む端面と反対側の端面に臨み、第１レンズ４に対向している。
各導波路型分光器５の厚さは、厚さ方向に高密度に積層することができるよう１ｍｍ以下とするのが好ましい。このように構成することで、光位相変調セル６から偏向して反射された光を、複数の導波路型分光器２を積層してなる入出力ポート３の厚さの範囲内に収めることができ、入出力ポート３の任意の導波路型分光器２に効率良く入射させることができるからである。
なお、導波路型分光器２の基板２７としてＳｉ基板を用いる際には、可視領域では不透明であるため、赤外カメラ（近赤外１．３μｍ以上）を用いてアライメント調整を行う。
導波路型分光器２を構成する材料である石英ガラス（添加物がドープされた石英ガラス、純石英等）は、他の材料と比較して変化量は小さいものの、熱によって屈折率が変化する。そのため、本実施形態では、特許第３４９８６５０号で開示する方法を用いて、スラブ導波路２２中に楔形の溝部２３を形成し、温度無依存化を図っている。
具体的には、溝部２３に石英ガラスの屈折率温度依存性と逆の屈折率温度依存性を有する樹脂を挿入（充填）する。これにより、温度変化による石英ガラスの屈折率上昇分（或いは下降分）を、温度変化による溝部の屈折率下降分（或いは上昇分）で相殺し、導波路型分光器２の温度無依存化を図ることができる。
また、本実施形態では、導波路型分光器２の基板面に対して、入出力導波路側の端面をθ１、アレイ導波路側の端面をθ´傾けて形成している。この理由については、後述する。
さらに、入出力ポート３は、導波路型分光器２を積層したことによる応力を緩和すべく、最表面側の導波路型分光器２ａ上にダミー基板４３（図６（ａ）参照）を設けても良い。ダミー基板４３としては、導波路が形成されている必要は無く、導波路型分光器２に用いた基板と同じ材料、厚さ、大きさであれば良い。
次に、光位相変調セル６について詳述する。
図３（ａ）に示すように、光位相変調セル６は、電子回路が形成されたＳｉ基板３７上に、反射膜３８、電極（例えばＩＴＯ）３２、ＳｉＯ２膜３３、１／４波長板３６、配向膜３５、液晶層３４、ＳｉＯ２膜３３、電極３２、及び薄膜状のガラス基板３１が順次積層されている。１／４波長板３６には樹脂製の薄板を用いている。
図３（ｂ）に示すように、光位相変調セル６は、各セル３９の屈折率を独立に制御可能なセル群から構成される。具体的には、各セル３９毎に電圧を印加することにより液晶層３４の配向方向（複屈折率）を制御し、これにより光位相変調セル６で入反射する光ビームの位相を各セル３９毎に変調させることができる。
従来のＬＣＯＳ ＳＬＭ（光位相変調セル）は、一軸方向のみしか屈折率を変化させることができないため、一軸方向の偏光の位相のみしか変化させることができなかった（例えば、Ｙ軸方向のみの屈折率を変化させることができる場合には、Ｙ軸方向のみの偏光の位相のみを変化させる）。
しかしながら、一般に光は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２つの偏光成分を有しており、またそれらの比率は時間と共に変化する。そのため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２つの偏光成分を同様に位相制御する必要がある。
本実施形態で用いた光位相変調セル６は、反射膜３８と液晶層３４との間に１／４波長板３６を挿入することにより、１／４波長板３６を通る光の直交偏光成分間に１／４波長分の光路差を付与するので、光位相変調セル６に入射した光のＸ軸方向の偏光はＹ軸方向の偏光に、Ｙ軸方向の偏光はＸ軸方向の偏光にそれぞれ変換させることができる。これにより、位相変換前（反射前）及び位相変換後（反射後）の光ビームが液晶層３４を通過することによって等しくＹ軸方向成分の屈折率を変化させることができる。
つまり、位相変換前のＸ軸方向の偏光成分は、１／４波長板３６によってＹ軸方向の偏光に位相を変換された後、液晶層３４によって屈折率が変化する。また、位相変換前のＹ軸方向の偏光成分は、液晶層３４によって屈折率は変化するが、１／４波長板３６によってＸ軸方向の偏光に位相を変換された後は液晶３４によって屈折率は変化しない。
次に、本実施形態の作用を説明する。
入力用光ファイバ７ｃから入射された複数の波長スペクトルを含む波長多重化光信号は、入力ポート（中央の導波路型分光器２ｃ）８の入出力用導波路２１に入射されると、スラブ導波路２２内をＸ軸方向に放射して伝搬し、複数のアレイ導波路２４に入射する。各アレイ導波路２４は互いに長さが異なるので、アレイ導波路２４を伝搬した各光信号間に位相差が生じ、アレイ導波路２４の入出射端面から第１レンズ４に向かって出射する。このとき、位相差が生じた各光信号は、互いに干渉し波長毎に異なる角度で第１レンズ４に向かって出射する。
入力ポート８を出射した光ビームの伝播の様子を図４（ａ）〜図４（ｃ）を用いて詳述する。
図４（ａ）に、導波路型波長ドメイン光スイッチの上方向（Ｙ軸方向）から見た時の光ビームの伝播の様子を示す。
図４（ａ）に示すように、光ビームは、導波路型分光器２によって波長毎に分光され、Ｘ軸方向に拡がりをもって、第１レンズ４側に出射される。第１レンズ４に入射した光ビームは、Ｙ軸方向に関してコリメートされ、Ｘ軸方向に関してはコリメートされることなく、第２レンズ５側に出射される。第２レンズ５に入射した光ビームは、Ｘ軸方向に関してコリメートされて光位相変調セル６側に出射される。
この時、光位相変調セル６の光ビームの入出射端面６ａをＸ軸方向に対して０．１〜０．５°の角度をなすように斜めに配置することにより、光ビームの入出射の際の反射ロスを低減することができる。
光位相変調セル６をＸ軸方向に対して斜めに配置する理由を説明する。
一般的に光のスポットサイズが大きい場合、光の入射位置が少し変化しても、光の結合損失はほとんど発生しないが、光入射角度が少しでもずれると、大きな光の結合損失が発生する。
また逆に、光のスポットサイズが小さい場合、光の入射角度が少しずれても、光結合損失はほとんど発生しないが、光の入射位置が少しでも変位すると、大きな光の結合損失が発生する。
本実施形態においては、後述する理由により光位相変調セル６の光ビームの振り角をあまり大きく取れないので、光位相変調セル６への入射光と入出射端面６ａでの反射戻り光とが干渉してロスとなるのを防止するためには、光のスポットサイズが大きい方向、つまりＸ軸方向（本実施形態において、アレイ導波路２４から出射される光ビームは、Ｘ軸方向に長径となる楕円形状となる）に対して斜めに位相変調セル６を配置する方が好ましい。
また、斜めにする角度を０．１〜０．５°と定めた理由は、光位相変調セル６は光ビームの振り角をあまり大きく（光ビームの回折角までしか）取れないため、０．５°を超えた角度に設定した場合、光ビームが出力ポート９（２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅ）に入射されなくなるからである。また、斜めにする角度が０．１°未満では、光位相変調セル６の入出射端面６ａをＸ軸方向に傾けた際の効果が殆ど得られない。
次に、図４（ｂ）に、横方向（Ｘ軸方向）から見た時の光ビームの伝播の様子を示す。
図４（ｂ）に示すように、入力ポート８の入出力端から第１レンズ４に入射した光ビームは、Ｙ軸方向に関してコリメートされ、第２レンズ５側に出射される。次に、第２レンズ５に入射した光ビームは、Ｙ軸方向に対してコリメートされることなくＸ軸方向がコリメートされて、光位相変調セル６側に出射される。
図４（ｃ）に示すように、光位相変調セル６に入射する光ビームは各波長毎に分波されているので、各波長の光ビームは光位相変調セルの異なる領域（異なるセル）に入射する（図中、Ｌ１，Ｌ２、Ｌ３）。光位相変調セル６に入射した光ビームは、光位相変調セル６内でセル毎に位相を変化され、上下方向（Ｙ軸方向）に偏光された後、入出力ポート３側に反射される。反射された光ビームは、第２レンズ５によってＸ軸方向にコリメートされ、第１レンズ４によってＹ軸方向にコリメートされた後、入出力ポート３に入射される。
入出力ポート３に戻ってくる光ビームは、光位相変調セル６で各セル毎に屈折率を制御されているので、各波長毎に所定の偏光角で反射され、波長毎に入射させる出力ポート９を選択できる。各出力ポート（導波路型分光器２）９に入射した光ビーム（光信号）は、各出力ポート９内で合波（集光）され、それぞれ波長毎に分波された光信号として出力用光ファイバ７ｂに出力される。
ここで、図５（ａ）〜図５（ｃ）に、光位相変調セル６に入射した光ビームに与える位相変化の一例を示す。
光位相変調セル６の各セル３９内に入射した光ビームを反射させるために必要な位相変化は最大で２π程度である。そのため、図５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に整列するセルにおいては、光ビームに与える位相は２πを超えず、かつ、図中破線４５で示す直線状の位相変化と等価となるような鋸歯状の分布４０とした。
また、一般的にレンズの中心部から離れた所では、理想的な集光ができず、収差が生じる。そのため、図５（ｃ）に示すように、光位相変調セル６の各セル３９に印加する電圧をそれぞれ変えることによって、第１レンズ４及び第２レンズ５での収差による集光ずれを補正することができるようパラボリック的な（図中、３５：鋸歯状の位相変化を付与しない場合には放物線状となる）位相変化を与えた。
図５（ｃ）では、Ｘ軸方向において３つの分布４１ａ、４１ｂ、４１ｃのみ示したが、この３つの分布はそれぞれ図５（ａ）の５Ａ−５Ａ線、５Ｂ−５Ｂ線及び５Ｃ−５Ｃ線上における分布であり、実際には、光位相変調セル全体において、位相変化は２次元的な分布を形成する。
光位相変調セルに図５（ｂ）に示した位相変化を付与する分布を付与することにより、各波長の光ビームのＹ軸方向の位相が変化して光変調位相セルを出射する角度が互いに異なる。つまり、図５（ｄ）に示すように、光位相変調セル６で反射した光ビームの空間伝搬中の等位相面が波長毎に異なる。これにより、所定の波長の光ビームを所望の出力ポート９に入射させることができる。
一般に、光導波路から自由空間に光ビームが出射する際、或いは自由空間から光導波路に光ビームを入射させる際には反射ロス（後方への反射戻り光）が生じる。
そこで、本実施形態では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、入力ポート８から光ビームが出射する際、及び光ビームが出力ポート９に入射する際の反射ロスを防止するために、導波路型分光器２の積層方向（Ｙ軸方向）に対して８度以上端面角度θ１を傾斜させている。端面角度をθ１とすると、光ビームは数式１により算出されるθ２の角度で出射または入射する。
Ｎｇ×ｓｉｎθ１＝Ｎｏ×ｓｉｎθ２・・・・・・（数式１）
（ただし、Ｎｇ＝導波路型分光器の群屈折率、Ｎｏ＝空気の屈折率）
よって、導波路型分光器２の積層方向に対する垂直方向（Ｚ軸方向）に対してθ２の角度をなすように導波路型分光器２を配置することによって、自由空間を伝搬する光ビームをＺ軸方向に対して平行光とすることができる。
また、本実施形態では、組み立て容易とするべく、ファイバブロック２５と接する導波路型分光器２の端面角度をθ´と定めたが、導波路型分光器２から出射される光ビームが平行光となれば問題とならないので、ファイバブロック２５の端面角度と導波路型分光器２の端面角度θ´を任意に定めることができる。
本実施形態の導波路型波長ドメイン光スイッチ１によれば、高価で複雑な光学系を必要とするＷｏｌｌａｓｔｏｎプリズムの代替として光位相変調セル（LCOS SLM）６を用いると共に、入出力ポート３を導波路型分光器２を３枚以上積層して形成するので、組み立て光部品点数を削減することができる。そのため、光スイッチを極めて単純な構成とすることができるので、大幅な部品コスト低減と、光学部品点数の削減による組み立てコストの低減が可能となる。
また、本実施形態の光位相変調セル６は、液晶層３４と反射膜３８との間に１／４波長板３６を挿入することによって、水平偏光（Ｘ軸偏光）を垂直偏光（Ｙ軸偏光）に、他方、垂直偏光を水平偏光に変換させ互いにキャンセルさせることで偏光による特性変化をなくすことができる。そのため、Ｗｏｌｌａｓｔｏｎプリズムを用いなくとも偏光依存損失を低減することができ、大幅な小型化、低価格化を可能とする光スイッチシステムを実現することができる。
図９に本実施形態の導波路型波長ドメイン光スイッチを用いたシステムの一例を示す。
図９に示すように、導波路型波長ドメイン光スイッチ１（図中、ＷＳＳ（波長選択スイッチ））は、光ネットワークシステム５０（例えば、波長アクセスネットワークシステム）の各ノード５１において使用される。
ＷＳＳ１を備えるノード５１に伝送された多重化光信号は、ＷＳＳ１にて所定の波長の光信号を通過させ、他のノードに伝送される。他方、他の波長の光信号は分岐させて受信機５２で受信し、ルータ５３にて信号の経路を切り替え、他のネットワークや機器に伝送される。
本実施形態の導波路型波長ドメイン光スイッチ１は、光信号の分岐・挿入（光Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ）システムのほか、光クロスコネクトシステムへの応用も可能である。現在では、導波路型波長ドメイン光スイッチは幹線系あるいはメトロコアのような比較的大規模システムに用いられているが、本実施形態によれば、大幅なコスト低減が可能になるので、メトロエッジやアクセス系などのシステムにも導入が進み、光ネットワークの革新的な発展に繋げることができる。
本実施形態では、光位相変調セル６を導波路型分光器２の入出射端面に対して斜めに配置したが、入出射端面に無反射コーティングを形成し、光ビームが垂直に入射するように光位相変調セル６を配置してもよい。
本実施形態では、導波路型分光器２を５個（入力ポート１個、出力ポート４個）積層して入出力ポート３を構成したが、導波路型分光器２は少なくとも３個（例えば、入力ポート１個と、入力ポートの上下に設けた出力ポート２個）あれば良く、導波路型波長ドメイン光スイッチ１が組み込まれる光システムの要求性能に応じて導波路型分光器２の数の増減を行ってよい。
本実施形態では、積層された導波路型分光器２のうち、中央の導波路型分光器２ｃを入力ポート８としたが、入力ポート８を入出力ポート３の上部側或いは下部側の導波路型分光器２で構成してもよい。ただし、光位相変調セル６の回折角（偏光角）には制限があるため、多数の導波路型分光器２を積層し、多数の波長の光信号をスイッチングする際には、中央の導波路型分光器２ｃを入力ポート８とするのが好ましい。
本実施形態では１つの入力ポート８と、複数の出力ポート９とで入出力ポート３を構成し、波長多重された光信号を分波して他の導波路型分光器に出力するｄｒｏｐポートについて説明したが、複数の入力ポートと１つの出力ポートで入出力ポートからなり、多数の波長の光を多重化して導波路型分光器に入力するａｄｄポートを構成してもよい。さらに、入出力ポートを複数の入力ポートと複数の出力ポートとでａｄｄ／ｄｒｏｐポートを構成してもよい。
次に、第２の実施形態について説明する。
図７は本発明に係る導波路型波長ドメイン光スイッチの第２の実施形態を示す概略図である。
図７に示すように、本実施形態の導波路型波長ドメイン光スイッチ９０の基本的な構成部分は、上述した図１の導波路型波長ドメイン光スイッチ１とほぼ同様であるが、図１の入出力ポート３の最上部の導波路型分光器２ａを導波路型光カップラ回路９３で置換した点において異なる。ただし、図示されない光ファイバは導波路型分光器２のみに接続されている。
導波路型光カップラ回路９３は、基板上に、スラブ導波路９１と、スラブ導波路９１に接続され分波波長数以上の数の出力用導波路９２とが形成されてなる。スラブ導波路９１は、第１レンズ４側の基板端面に入射端が形成されている。換言すれば、スラブ導波路９１の入射端は、導波路分光器２のアレイ導波路２４の入出射端面上方に形成されている。出力用導波路９２は、スラブ導波路９１の入射端とは反対側の基板端面に出力端が形成され、その出力端側には、出力導波路９１から出射された光ビームを受光する受光素子９５と、光ビームを受光素子９５に集光する集光レンズ９４とが配置されている。
本実施形態の導波路型波長ドメイン光スイッチ９０は、入力ポート８に入力された波長多重化光信号を分波し、分波された各波長の光信号を所定の出力ポートから出力する点においては前実施形態と同じ作用を有する。
ただし、本実施形態では、光位相変調セル６に付与する位相変化が前実施形態とは異なる。
本実施形態では、図８（ａ）に示すように、破線で囲った領域６ｂのセルに対して、導波路型光カップラ回路９３の端面に入射させることができるような位相の傾きを決定の上、所定の電圧を領域６ｂのセルに印加する。これにより、図８（ｂ）に示すように、領域６ｂのセルに入射した光ビームには同一の位相変化を与えることができる。例えば、分波された全ての波長の光ビームにおいて、光位相変調セル６に入射する光パワーの約１０％が導波路型光カップラ回路９３の端面に入射するように、破線で囲まれた領域６ｂのセルの印加電圧を設定する。
図８（ｃ）に示すように、領域６ｂで反射された光は第２レンズ５、第１レンズ４を伝搬して、導波路型光カップラ回路９３に入射する。
導波路型光カップラ回路９３のスラブ導波路９１に入射された光信号は、各波長毎に出力用導波路９２から出射する。各々出力用導波路９２から出射された光は、集光レンズ９４を通して受光素子アレイ９５で受光される。これにより、分波される波長とパワーをモニターすることができる。
また、破線で囲まれた領域６ｂ以外のセル３９は、前実施形態と同様に出力ポート９に入射させるべく位相変化が付与される波長スイッチ用として利用される。
本実施形態では、図１の導波路型波長ドメイン光スイッチ１の出力ポート９の一部である導波路型分光器２ａを導波路型光カップラ回路９３に置換することにより、波長スイッチング機能を有すると共に、各波長毎に光信号のパワーを検出するモニタリング機能を有する。すなわち、波長ドメイン光スイッチのフレキシビリティーを大幅に向上させることができる。
図９で説明した光ネットワークにおいては、各ノードで、どの波長及びどの程度のパワーが伝送されているかなどをモニターする機能が必要である。本実施形態によれば、積層された導波路型分光器２上に導波路型光カップラ回路９３を積層させることで、波長とパワーをモニターできる導波路型波長ドメイン光スイッチ９６を実現できる。
また、本実施形態に限られず、光分配など種々の自由度のある機能をも持たせることができる。
以上、本発明によれば、低コスト化、小型化、高性能およびフレキシビリティーを有する導波路型波長ドメイン光スイッチの実現が可能となる。
本発明に係る導波路型波長ドメイン光スイッチの好適な第１の実施形態を示す斜視図である。 図２（ａ）は図１の導波路型分光器を示す上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図である。 図３（ａ）は図１の光位相変調セルを示す断面図であり、図３（ｂ）は図１の光位相変調セルを示す正面図である。 図１の導波路型波長ドメイン光スイッチの作用を説明する図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）の４Ｂ−４Ｂ線矢視図である。 図５（ａ）は図４（ｂ）の４Ｂ−４Ｂ線矢視図であり、図５（ｂ）は光位相変調セルのＸ軸方向の位相変化分布を示すグラフであり、図５（ｃ）は光位相変調セルの位相変化分布を示すグラフであり、図５（ｄ）は導波路型波長ドメイン光スイッチを示す側面図である。 図６（ａ）は図１の入出力ポートを示す断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の要部拡大図である。 本発明に係る導波路型波長ドメイン光スイッチの好適な第２の実施形態を示す斜視図である。 図８（ａ）は図７の光位相変調セルを示す正面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の位相変調セルの位相変化分布を示すグラフであり、図８（ｃ）は図７の導波路型波長ドメイン光スイッチを示す側面図である。 本発明の導波路型波長ドメイン光スイッチを用いた光システムを示す模式図である。 従来の波長ドメイン光スイッチを示す斜視図である。 従来の導波路型波長ドメイン光スイッチを示す図であり、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）はその断面図である。
符号の説明
１ 導波路型波長ドメイン光スイッチ
２ 導波路型分光器
３ 入出力ポート
４ 第１レンズ
５ 第２レンズ
６ 光位相変調セル
８ 入力ポート
９ 出力ポート
２１ 入出力用導波路
２２ スラブ導波路
２４ アレイ導波路
９１ スラブ導波路
９２ 出力用導波路
９３ 導波路型光カップラ回路
９５ 受光素子

Claims (15)

  1. 波長多重された光信号を他の導波路型分光器に、或いは多数の波長の光を多重化して光伝送路となる光ファイバに入出力するための導波路型波長ドメイン光スイッチにおいて、 導波路型分光器を厚さ方向に少なくとも３枚積層してなる入出力ポートと、該入出力ポートの入力ポートから入射し出射された光を一軸方向に集光するための第１レンズと、該第１レンズの集光方向と直交する方向に上記第１レンズから出射された光を集光するための第２レンズと、該第２レンズから出射された光を上記第２レンズ、上記第１レンズを介して上記入出力ポートの出力ポートに反射させるための光位相変調セルとを順次配置したことを特徴とする導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  2. 積層された導波路型分光器は、透明な光学接着剤によって互いに接着されている請求項１記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  3. 波長多重された光信号を他の導波路型分光器に、或いは多数の波長の光を多重化して光伝送路となる光ファイバに入出力するための導波路型波長ドメイン光スイッチにおいて、 少なくとも２枚の導波路型分光器と導波路型光カップラ回路を積層してなる入出力ポートと、該入出力ポートの入力ポートから入射し出射された光を一軸方向に集光するための第１レンズと、該第１レンズの集光方向と直交する方向に上記第１レンズから出射された光を集光する第２レンズと、該第２レンズから出射された光を上記第２レンズ、上記第１レンズを介して上記入出力ポートの出力ポートに反射させるための光位相変調セルとを順次配置したことを特徴とする導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  4. 積層された導波路型分光器、及び導波路型分光器と導波路型光カップラ回路は、透明な光学接着剤によって互いに接着されている請求項３記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  5. 上記導波路型光カップラ回路は、スラブ導波路と、該スラブ導波路から分波される波長数以上の出力用導波路とからなることを特徴とする請求項３または４記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  6. 上記出力用導波路の出射端側に、出力用導波路から出射された光をモニタするための受光素子が配置されている請求項５記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  7. 上記入出力ポートは、中央部分に上記入力ポートが位置しており、該入力ポートの上下側に出力ポートが積層されている請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  8. 上記導波路型分光器は、屈折率の高いコアをそれよりも屈折率の低いクラッドで埋め込まれた少なくとも１本以上の入力導波路と、該入力導波路に接続され厚さ方向のみに閉じ込め構造を持つスラブ導波路と、該スラブ導波路に接続された多数の一定長だけ長さが順次異なるアレイ導波路とからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  9. 上記導波路型分光器の上記スラブ導波路の一部に楔形の溝が少なくとも１個形成され、該溝部には石英ガラスの屈折率温度特性と逆の温度依存性を持つ樹脂が挿入されている請求項８記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  10. 上記入出力ポートの入出力端面には無反射コーティングが形成されている請求項１〜９のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  11. 上記入出力ポートの入出力端面が、上記導波路型分光器の積層方向と同一面内で光の入出射方向に対して８°以上の角度をなすように形成されている請求項１〜１０のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  12. 上記光位相変調セルの光の入出力端面には無反射コーティングが形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  13. 上記光位相変調セルの光の入出力端面が上記導波路型分光器と同一平面内で上記第２レンズからの出射光に対して０．１〜０．５°傾けて配置されている請求項１〜１２のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  14. 上記光位相変調セルは、基板上に反射膜と液晶層が設けられ、上記反射膜と液晶層との間に１／４波長膜が挿入されてなる請求項１〜１３のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
  15. 上記第１レンズおよび第２レンズによる集光位置のずれを補正するための位相分布を上記光位相変調セルに対して付与することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の導波路型波長ドメイン光スイッチ。
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