JP2011154210A

JP2011154210A - 波長ドメイン光スイッチ

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Publication number: JP2011154210A
Application number: JP2010015929A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishikawa; 石川　　浩; Hisafumi Hazama; 壽文挾間; Hitoshi Kawashima; 整河島; Masahiko Mori; 雅彦森; Kenji Kanetaka; 健二金高; Naoto Uetsuka; 尚登上塚; Hiroyuki Tsuda; 裕之津田; Keisuke Sorimoto; 啓介反本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: CN102135644A; CN102135644B; US20110182545A1; JP5200229B2; US8503836B2

Abstract

【課題】安価なレンズが使用でき、複数の導波路形分光回路の分波波長のずれを補正できる導波路形波長ドメイン光スイッチを提供する。
【解決手段】導波路形分光回路１１４が３回路以上積層された集積化素子１１０と、集積化素子１１０から出射された光を集光する第１レンズ１３０と、第１レンズ１３０からの光をＸ偏光とＹ偏光に分離して異なる角度に出射する偏光分離素子１４０と、これらＸ偏光とＹ偏光を集光する第２レンズ１５０と、集光されたＸ偏光とＹ偏光を任意角度で反射する第１反射型光位相変調器１６０と、第２レンズ１５０と第１反射型光位相変調器との間で、Ｘ偏光とＹ偏光の偏光方向を同じにする１／２波長板１７０と、第１反射型光位相変調器１６０からの光をいずれかの導波路形分光回路１１４に入射させるための第２反射型光位相変調器１８０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価なレンズが使用でき、複数の導波路形分光回路の分波波長のずれを補正でき、入射する光の偏光に対して無依存となる波長ドメイン光スイッチに関する。

図６に示されるように、特許文献１の波長ドメイン光スイッチ６００は、入出力光ファイバ６０１〜６０６、コリメートレンズアレイ６１０、水平偏光（ｙ偏光）と垂直偏光（ｘ偏光）間の特性を無依存化するための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ウォラストン（Wollaston）プリズム６１５、前記水平偏光と垂直偏光間の位相差を零にするための複屈折率板６２０、１／２波長板部分６２６と偏光に影響を与えない部分６２７とから構成されている１／２波長板ユニット６２５、凹面鏡６３０、シリンドリカルレンズ６３５、エッジプリズム６４１を有するグレーティング６４２、光を垂直に曲げるためのプリズム６４６、ＬＣＯＳＳＬＭ(Liquid crystal On Si Spatial Light Modulator)６４５から構成されている。

また、図７（ａ）、図７（ｂ）に示されるように、特許文献２の導波路形波長選択スイッチは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）マイクロミラー７０１を用いたものである。ここでは、１枚の基板７０２上に５個の導波路形分光器７０３を配置しており、さらに５枚の基板７０２を重ねた構造となっている。

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

図６の従来技術には次の問題点がある。

（１）バルク形のグレーティング６４２を使用しているため、１つで分光することができる点はメリットがあるが、バルク形のグレーティング６４２は寸法が大きくなり小型化が困難である。

（２）各入出力光ファイバ６０１〜６０６にコリメートレンズアレイ６１０を用いており、コリメートレンズアレイ６１０と入出力光ファイバ６０１〜６０６との調整が非常に厳しく、組立に多くの時間を要すると共に、コリメートレンズアレイ６１０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。

（３）複雑な光学系であるため、各光学部品の価格および組立コストが大きくなり低価格化が困難となる。

図７の従来技術には、次の問題点がある。

（１）基本的に１枚の基板７０２上に複数の導波路形分光器７０３を平面的に配置している。ＭＥＭＳマイクロミラー７０１を用いる場合は反射角度が大きくとれるため、このような構造が可能であるが、これを本発明である波長ドメイン光スイッチに適用すると、ＬＣＯＳＳＬＭの反射角度が小さいため性能が著しく劣化する。また、従来技術では、スイッチングするポート数を増加するため、平面上に配置した各導波路形分光器７０３の形成された基板７０２を数枚（本例では５枚）厚さ方向に積層しており、そ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７０４を用いている。しかし、レンズアレイ７０４と各導波路形分光器７０３との調整が非常に厳しく、組立に多くの時間を要すると共に、レンズアレイ７０４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。この困難さは、レンズアレイ７０４を小さくすればするほど顕著となり小型化が極めて困難となる。

（２）積層する基板７０２の導波路形分光器７０３の分光特性（分波波長あるいは中心波長）は、ずれが分波間隔の１％以下、例えば分波間隔１ｎｍの場合は０．０１ｎｍ以下と厳密に一致する必要があり、これを制御することは現状の微細加工精度では極めて困難であり、歩留まりが極めて悪い。

図６と図７の従来技術に共通した問題点としては、レンズアレイを用いているため、それに要求される収差は極めて厳しく、非球面形状が必要であり価格増加を招く。また、レンズアレイと光ファイバ（あるいは各導波路形分光器）との調整が非常に厳しく、量産性が極めて困難という欠点がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、安価なレンズが使用でき、複数の導波路形分光回路の分波波長のずれを補正できる導波路形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本発明は、光を入射又は出射するための１本以上の入出力導波路とその入出力導波路に接続されたスラブ導波路とそのスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路とを有する導波路形分光回路が厚さ方向に３回路以上積層され、前記アレイ導波路ごとの複数の導波路の入出射端が厚さ方向に並んだ集積化素子と、前記集積化素子の前記入出射端から距離Ｆ１の位置に配置され前記入出射端から出射された光を集光する焦点距離がＦ１である第１レンズと、前記第１レンズから距離Ｆ１の位置に配置され、前記集積化素子の前記入出射端から出射され前記第１レンズを透過してきた光を互いに直交するＸ偏光とＹ偏光に分離して出射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子から距離Ｆ２の位置に前記偏光分離素子に臨むよう配置され前記Ｘ偏光とＹ偏光をそれぞれ集光する焦点距離がＦ２である第２レンズと、前記第２レンズから出射されたＸ偏光とＹ偏光のどちらか一方の偏光のみを空間的に９０度回転させることで偏光方向を同じにする１／２波長板と、前記第２レンズから距離Ｆ２の位置に配置されると共に、前記第２レンズから出射されて前記１／２波長板を介して出射された前記一方の偏光と前記第２レンズから出射された他方の偏光とを前記第２レンズに反射する第１反射型光位相変調器と、前記第２レンズから前記偏光分離素子と同じ側で距離Ｆ２の位置に前記第２レンズに臨ませて配置され前記第１反射型光位相変調器から反射されてきた光を前記導波路形分光回路のいずれかに入射させるための第２反射型光位相変調器と、を備えたものである。

前記集積化素子は、積層された前記導波路形分光回路同士の間隔が５μｍから１００μｍの範囲であってもよい。

前記第１反射型光位相変調器は、前記各導波路形分光回路における分波波長の不一致を補正するための屈折率分布に制御されてもよい。

前記第１反射型光位相変調器は、入射してきた光ビームを所望の方向に偏光させるための鋸状の屈折率分布と前記第１レンズ及び前記第２レンズの収差を補正するための屈折率分布とを重畳させた屈折率分布に制御されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）安価なレンズが使用できる。

（２）複数の導波路形分光回路の分波波長のずれを補正できる。

本発明の一実施形態を示す波長ドメイン光スイッチの構造を説明するための図であり、（ａ）は全体の斜視イメージ図、（ｂ）は集積化素子の入出射端拡大図、（ｃ）は第１反射型光位相変調器の位相分布図、（ｄ）は第２反射型光位相変調器における入射光の光路図、（ｅ）は第２反射型光位相変調器における反射角の制御を説明する光路図である。本発明に用いる集積化素子の構造を説明するための図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は合波側入出射端面拡大図、（ｃ）は斜視図、（ｄ）は分波側入出射端面拡大図である。（ａ）〜（ｌ）は、本発明に用いる集積化素子の製造工程順を説明するための断面概略図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明に用いる反射型光位相変調器の構造と制御を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）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、（ｄ）は光位相変調セルの位相変化分布を示すグラフであり、（ｅ）は等位相面を示す光路図である。本発明の波長ドメイン光スイッチを利用した通信システムの構成図である。従来の波長ドメイン光スイッチの斜視イメージ図である。従来の導波路形波長選択スイッチの図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。本発明の波長ドメイン光スイッチを構成する各部材の配置関係を示した側面図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜図１（ｅ）に示されるように、本発明に係る波長ドメイン光スイッチ１００は、集積化素子１１０と、第１レンズ１３０と、偏光分離素子１４０と、第２レンズ１５０と、第１反射型光位相変調器１６０と、１／２波長板１７０と、第２反射型光位相変調器１８０とを備える。

集積化素子１１０は、５つの入出力ポート♯１〜♯５を有し、各入出力ポート♯１〜♯５に入出力用の光ファイバ１０１を接続することができる。いずれの入出力ポート♯１〜♯５も、入力ポートとして用いたり、出力ポートとして用いたりすることができる。この実施形態では、波長ドメイン光スイッチ１００は、１つの入力ポートと４つの出力ポートを有する１×４光スイッチとする。

集積化素子１１０の構造を図２（ａ）〜図２（ｄ）により詳述する。

集積化素子１１０は、基板１１１上に、屈折率の高いコア１１２がそれよりも屈折率の低いクラッド１１３で埋め込まれた構造の５つの導波路形分光回路１１４が積層して形成されている。導波路形分光回路１１４は、５本の入出力導波路１１５と、その入出力導波路１１５に接続された厚さ方向のみに閉じ込め構造のあるスラブ導波路１１６と、そのスラブ導波路１１６に接続された複数の一定長だけ長さが順次異なった導波路１１７からなるアレイ導波路１１８とを有する。

導波路形分光回路１１４は、基板１１１の厚さ方向に、例えば２５μｍ間隔（間隔とは、図３（ｌ）において、下側に位置する導波路形分光回路１１４中のコア１１２の上端と、上側に位置する導波路形分光回路１１４中のコア１１２の下端との間の距離のことである。）で近接して５回路積層されている。重なり合うコア１１２同士にはクラッド１１３が介在される。これにより、集積化素子１１０の一側には、アレイ導波路１１８の各導波路１１７の入出射端１１９が基板１１１の厚さ方向（積層方向）に並んだ分波側入出射端面１２０が形成される。また、集積化素子１１０の一側には、各層の複数の入出力導波路１１５の入出射端１２１が基板１１１の厚さ方向に並んだ合波側入出射端面１２２が形成される。

このように、集積化素子１１０は、平らな１枚の基板１１１上に導波路形分光回路１１４を積層集積化して形成したものである。図２（ｂ）のように、合波側入出射端面１２２には、５層の導波路形分光回路１１４ごとにそれぞれ５本の入出力導波路１１５の入出射端１２１が並ぶことになる。これらの入出射端１２１のうち、入出力ポート♯１〜♯５として用いるものに対し５本の光ファイバ１０１が接続される。５本の光ファイバ１０１を複数本の平行なＶ溝に嵌め込んだ光ファイバアレイ１２３を形成し、この光ファイバアレイ１２３を集積化素子１１０の上面に対して傾斜させて合波側入出射端面１２２に取り付ける。

一般にこのタイプの導波路形分光回路では、入出力ポートを変えると、分波波長も変化することが知られている。しかし、本発明では第１反射型光位相変調器１６０を用いることで、変化した分波波長も補正できる。なお、アライメントマーク１２４は、後述する製造方法において、各導波路形分光回路１１４を高精度に積層するマスク合わせのために使用される。

集積化素子１１０の製造方法を図３により説明する。なお図３においては、導波路形分光回路１１４中のコア１１２の数を２個に省略して図示している。

図３（ａ）に示されるように、先ず第１層目の導波路形分光回路１１４を形成するにあたり、石英ガラスからなる基板１１１上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの方法でコア膜からなるコアガラス３０１を形成する。このコアガラス３０１の屈折率は基板１１１の石英ガラスより０．２〜３％程度高く設定されている。

図３（ｂ）に示されるように、コアガラス３０１を矩形の断面形状にエッチングするためコアガラス３０１上に金属膜３０２をスパッタ法などにより形成する。

図３（ｃ）に示されるように、レジスト膜３０３を塗布し、アライメントマークパターン３０４を持つフォトマスク３０５を通してレジスト膜３０３を露光し、フォトレジストを形成する。そして、このフォトレジストを現像してレジストパターンを形成してから金属膜３０２をエッチングする。アライメントマークパターン３０４により、第１層目の導波路形分光回路１１４とアライメントマーク１２４（図２（ａ）参照）を同時に形成することができ、この後に形成する第２層目、第３層目・・・の光回路を高精度に積層できることになる。

図３（ｄ）に示されるように、金属膜３０２をマスクにしてコアガラス３０１をエッチングし、基板１１１上に第１層目の導波路形分光回路１１４のコア１１２とアライメントマーク（図示せず）が残る状態とする。

図３（ｅ）に示されるように、コア１１２を覆うクラッド膜３０６を塗布により形成する。クラッド膜３０６は石英ガラスであるため屈折率の高いコア１１２の周囲は屈折率の低い石英ガラスで囲まれることになる。クラッド膜３０６の上面は矩形の断面形状を有するコア１１２に対応した凹凸となる。

図３（ｆ）に示されるように、クラッド膜３０６の上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの研磨により平坦化させ、クラッド１１３を形成する。

図３（ｇ）〜図３（ｌ）に示されるように、クラッド１１３上に第２層目の導波路形分光回路１１４を第１層目と同様に形成させる。このとき第１層目のアライメントマークにフォトマスク３０５のアライメントマークパターン３０４を位置合わせする。以下、同様な工程を繰り返すことで、導波路形分光回路１１４が複数層に積層集積化された集積化素子１１０が製造される。

前述の集積化素子１１０の製造方法によれば、図３（ｆ）のように基板１１１に１層の導波路形分光回路１１４が形成されたものを光学接着剤で接着して積層して集積化素子を形成する方法と比較して、光学接着剤が不要となる分、積層方向のコンパクト化を実現できる。

図１の波長ドメイン光スイッチ１００の説明に戻る。

図１（ａ）及び図８に示されるように、第１レンズ１３０の中心は、集積化素子１１０の入出射端１２０から距離Ｆ１の位置に配置される。第１レンズ１３０は、集積化素子１１０の導波路形分光回路１１４の入出射端１１９から出射された光を集光するもので、集積化素子１１０における導波路形分光回路１１４の積層方向及び幅方向にコリメートする機能を有する。第１レンズ１３０としては、球面レンズ、円筒レンズなどがある。第１レンズ１３０の焦点距離は、両側ともＦ１である。

第１レンズ１３０側に位置する偏光分離素子１４０の一方の端面は、第１レンズ１３０の中心から距離Ｆ１の位置に配置される。偏光分離素子１４０は、ウォラストンプリズムからなり、互いに直交するＸ偏光とＹ偏光を前記集積化素子の積層方向に分離するものである。

第２レンズ１５０の中心は、偏光分離素子１４０の中心から距離Ｆ２の位置に、第２レンズ１５０の上半分が偏光分離素子１４０に臨むよう配置される。第２レンズ１５０は、Ｘ偏光とＹ偏光をそれぞれ集光するもので、集積化素子１１０における基板１１１と平行な方向にコリメートする機能を有する。第２レンズ１５０としては、球面レンズ、円筒レンズなどがある。第２レンズ１５０の焦点距離は、両側ともＦ２である。

通常のＬＣＯＳＳＬＭ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ず、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偏光の位相のみを変化させることしかできない。しかし、一般に光は、Ｘ偏光とＹ偏光の成分を有しており、またそれらの比率は時間と共に変化する。そのため、Ｘ偏光及びＹ偏光を同様に位相制御する必要がある。そこで、１／２波長板１７０は、第２レンズ１５０から出射されたＸ偏光とＹ偏光のどちらか一方の偏光のみを空間的に９０度回転させることで偏光方向を同じにするためのもので、第２レンズ１５０と第１反射型光位相変調器１６０との間に、一つの偏光のみをカバーするよう、Ｘ偏光の光路またはＹ偏光の光路のいずれかのみに配置される。

第２レンズ１５０側に位置する第１反射型光位相変調器１６０の反射膜４０４は、第２レンズ１５０の中心から距離Ｆ２の位置に配置される。但し、距離Ｆ２はセンチメートルオーダであり、第１反射型光位相変調器１６０を構成する各膜４０３〜４０８は数ミクロンオーダであるため、第２レンズ１５０側に位置する第１反射型光位相変調器１６０の端面が、第２レンズ１５０の中心から距離Ｆ２の位置に配置されても実質的に問題は無い。第１反射型光位相変調器１６０は、第２レンズ１５０で集光されたＹ偏光と、第２レンズ１５０で集光されたＸ偏光を１／２波長板１７０で変換して得られるＹ偏光とをセルごとに任意の角度で反射するためのもので、複数のセルからなり、セルごとに屈折率が可変に構成されている。図示しない制御回路により第１反射型光位相変調器１６０の屈折率分布を制御することで、セルごとに反射光の位相変化を与えることができる。

第２反射型光位相変調器１８０は、第１反射型光位相変調器１６０と同様に複数のセルからなり、セルごとに屈折率が可変に構成されている。図示しない制御回路により第２反射型光位相変調器１８０の屈折率分布を制御することで、セルごとに反射光の位相変化を与えることができる。第２反射型光位相変調器１８０は、第１反射型光位相変調器１６０から反射され、第２レンズ１５０でコリメートされた光をセルごとに任意の角度で反射して複数の導波路形分光回路１１４のいずれかに入射させるためのものである。第２レンズ１５０側に位置する第２反射型光位相変調器１８０の反射膜４０４は、第２レンズ１５０の中心から偏光分離素子１４０と同じ側で距離Ｆ２の位置に第２レンズ１５０の下半分に臨ませて配置される。但し、第１反射型光位相変調器１６０と同様の理由により、第２レンズ１５０側に位置する第２反射型光位相変調器１８０の端面と第２レンズ１５０の中心との間隔を距離Ｆ２としても実質的に問題は無い。これにより、第２反射型光位相変調器１８０は、偏光分離素子１４０と略並行して配置されていることになる。

第１反射型光位相変調器１６０と第２反射型光位相変調器１８０は、同じ構成の反射型光位相変調器を用いる必要はないが、ここでは説明を簡単にするため、同じ構成の反射型光位相変調器を用いるものとする。反射型光位相変調器について図４により詳述する。

図４（ａ）に示すように、反射型光位相変調器４０１は、電子回路が形成されたＳｉ基板４０２上に、電極（例えばＩＴＯ）４０３、反射膜４０４、ＳｉＯ₂膜４０５、配向膜４０６、液晶層４０７、ＳｉＯ₂膜４０５、電極４０３、及び薄膜状のガラス基板４０８が順次積層されている。

図４（ｂ）に示すように、反射型光位相変調器４０１は、縦横複数に配列されたセル４０９を備え、各セル４０９の屈折率を独立に制御可能である。具体的には、各セル４０９毎に電圧を印加することにより液晶層４０７の配向方向（複屈折率）を制御し、これにより反射型光位相変調器４０１の上面で入反射する光ビームの位相を各セル４０９毎に変調させることができる。

反射型光位相変調器４０１の各セル４０９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４（ｃ）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４１０で示す直線状の位相分布と等価となるような鋸歯状の位相分布４１１とする。

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４（ｄ）に示すように、Ｙ軸方向に整列するセルにおいて、反射型光位相変調器４０１の各セル４０９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１３０及び第２レンズ１５０での収差による集光ずれを補正することができるよう放物線状の位相分布４１２を与える。この放物線状の位相分布４１２にＸ軸の位相分布４１１と同様の鋸歯状の位相分布を重畳した位相分布４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃを与えることになる。

図４（ｄ）では、Ｘ軸方向において３つの位相分布４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃのみ示したが、この３つの分布はそれぞれ図４（ｂ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線上における分布であり、実際には、反射型光位相変調器４０１全体において、位相変化は２次元的な分布を形成する。Ａ−Ａ線上における分布が例えば入出力ポート＃２に対応し、Ｂ−Ｂ線上における分布が例えば入出力ポート＃３に対応するというように、導波路形分光回路１１４の積層位置に応じてＸ軸方向の位置が異なる。位相分布４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃは、対応する導波路形分光回路１１４の分波特性を補正する鋸歯状の位相分布と放物線状の位相分布４１２とを重畳したものとなる。

反射型光位相変調器４０１に、図４（ｄ）に示した位相分布をもたらす屈折率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反射型光位相変調器４０１を出射する角度が互いに異なる。つまり、図４（ｅ）に示すように、反射型光位相変調器４０１で反射した光ビームの空間伝搬中の等位相面Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が波長毎に異なる。これにより、入力ポートを有する導波路形分光回路１１４からの光ビームのうち、所定の波長の光ビームを、出力ポートを有する所望の導波路形分光回路１１４に入射させることができる。

なお、第１反射型光位相変調器１６０と第２反射型光位相変調器１８０に用いる反射型光位相変調器４０１は、ヒータあるいはペルチェ素子によって一定の温度となるように温度制御されているのが好ましい。

次に、本発明の波長ドメイン光スイッチ１００における光信号の伝わり方と機能について説明する。

光ファイバ１０１より入力された種々の波長の光（波長多重化光信号）は、集積化素子１１０の積層方向真中にある導波路形分光回路１１４に入射すると、分波側入出射端面１２０に並んだ各導波路１１７の入出射端１１９から、各波長毎に異なった方向に光が出射する。これらの光が第１レンズ１３０を通過すると、各波長の光は、互いにオフセットした平行ビームとして偏光分離素子１４０に入射する。偏光分離素子１４０を通過した光は、Ｘ偏光のグループとＹ偏光のグループとの２つに分離され、それぞれ、第２レンズ１５０の上半分に入射する。第２レンズ１５０を通過した２つの偏光グループ（Ｘ偏光のグループ及びＹ偏光のグループ）は、それぞれ平行ビームとなり第１反射型光位相変調器１６０に入射する。このとき、２つに分離した内の一方の偏光グループであるＸ偏光のグループは、第１反射型光位相変調器１６０に入射する前に、１／２波長板１７０を通過し、偏光方向が空間的に９０°回転してＹ偏光となり、それから第１反射型光位相変調器１６０に入射することになる。

このように、Ｘ偏光の偏光グループは１／２波長板１７０を通過し、Ｙ偏光の偏光グループは１／２波長板１７０を通過せず第１反射型光位相変調器１６０に入射する構成にした理由は、反射型光位相変調器４０１が一つの偏光（ここではＹ偏光）のみに作用する（反射光の方向を制御する）ためである。反射型光位相変調器４０１がＸ偏光のみに作用する場合はＹ偏光が１／２波長板１７０を通過するように構成するとよい。

今、仮に集積化素子１１０の入出力ポート♯１〜♯５のすべてに光が入射された場合を考える。分波側入出射端面１２０の各入出射端１１９から各波長毎に方向が異なった光が出射されるので、第１反射型光位相変調器１６０の上半分には、偏光分離素子１４０で分離され、さらに１／２波長板１７０で偏光方向が空間的に９０°回転したＸ偏光の偏光グループの５つのビームの像＃１ＢＵ〜＃５ＢＵが投影される。第１反射型光位相変調器１６０の下半分には、偏光分離素子１４０で分離されたＹ偏光の偏光グループの５つのビームの像＃１ＢＬ〜＃５ＢＬが投影される。

合計１０個のビーム像＃１ＢＵ〜＃５ＢＵ、＃１ＢＬ〜＃５ＢＬは、集積化素子１１０の各導波路形分光回路１１４から出射される光分布と相似形をしており、その配置は上下に逆転する。ビーム像と光分布が相似形となる理由は、ビーム像が２つのレンズ、すなわち第１レンズ１３０と第２レンズ１５０による２回のフーリエ変換の関係の結果だからである。その相似形の像倍率Ｂは、Ｂ＝Ｆ２／Ｆ１で与えられる。このように、第１反射型光位相変調器１６０に投影される光分布の位相分布は各導波路形分光回路１１４のものと同一である。このため、各ビームが投影された部分の液晶セルの位相分布を相補的な分布に変化させてやることで、これまで各ビーム間でばらついていた中心波長を補正できる。以下これを図１（ｃ）を用いて説明する。

例えば、ビーム像＃１ＢＵとビーム像＃１ＢＬは、ポート＃１に対応している導波路形分光回路１１４から出射される光分布の変換像であるため、互いに集光位置は異なるが、振幅、位相は同一である。その位相分布は、製造プロセス偏差により図中に示すように所望の位相分布（破線）に対して偏差をもっている。これに、反転した位相分布を第１反射型光位相変調器１６０に印加することで、ほぼ所望の位相分布に一致させることができ、これまでばらついていた各導波路形分光回路１１４の位相分布をほぼ完全に一致させるよう補正することができる。すなわち、５つの導波路形分光回路１１４の分波波長（位相分布の傾きで決定される）を一致するように補正することができる。

第１反射型光位相変調器１６０で反射された光は、第２レンズ１５０の下半分を透過し、第２反射型光位相変調器１８０に投影される。ここでは、投影されるビーム像が第１反射型光位相変調器１６０からの光分布（集積化素子１１０の各導波路形分光回路１１４からの光分布と相似）のフーリエ変換像となるため、第１反射型光位相変調器１６０に投影されたビーム像がＸ軸を長軸とする楕円ガウス分布であれば、第２反射型光位相変調器１８０に投影されたビーム像は９０°回転したＹ軸を長軸とする楕円分布となり、各波長の光はＹ軸上の各波長に応じた場所に投影される。第１反射型光位相変調器１６０で各導波路形分光回路１１４の分波波長はすべて一致するように位相補正されているため、各波長毎に見ると合計で１０個（偏光まで含め）の光分布は、１つの光分布となり、第２反射型光位相変調器１８０に投影されることになる。

図１（ｄ）には、各１０個のビームが第２反射型光位相変調器１８０に入射する様子を示している。偏光分離素子１４０で２つに分離された偏光グループの内、１つの偏光グループ（ビーム像＃１ＢＵ〜＃５ＢＵに対応する光ビーム＃１ＤＵ〜＃５ＤＵ）は、上から下への斜め方向で第２反射型光位相変調器１８０に入射し、もう１つの偏光グループ（ビーム像＃１ＢＬ〜＃５ＢＬに対応する光ビーム＃１ＤＬ〜＃５ＤＬ）は、下から上への斜め方向で第２反射型光位相変調器１８０に入射する。それぞれの偏光グループ内では、各光ビーム間の入射角度差は、各導波路形分光回路１１４の積層された間隔に応じて決定され、等間隔で積層されていれば入射角度差は同じ角度αとなる。なお、図１（ｄ）中に示すように、２つに分離された偏光グループ間の角度をθとする。

第２反射型光位相変調器１８０は、複数の液晶セルから構成されており、各セルの屈折率を変化させることで、仮想的なミラーを実現できる。図１（ｅ）に示されるように、この仮想的なミラーのミラー面の角度φを垂直面から角度α下方に傾ける（φ＝αの場合）と、光ビーム（＃１ＤＬ）は光ビーム（＃２ＤＵ）の角度に反射され、光ビーム＃１ＤＵは光ビーム（＃２ＤＬ）となって反射する。すなわち、図１（ｅ）に実線で示した光ビーム（＃１ＤＬ、＃１ＤＵ）が破線で示した光ビーム（＃２ＤＵ、＃２ＤＬ）へスイッチングされることになる。

ここで再び、波長ドメイン光スイッチ１００における光信号の伝わり方の説明にもどる。ここでは、波長ドメイン光スイッチ１００は１×４光スイッチであり、真中の入出力ポート＃１を入力ポートとして用い、残りの入出力ポート＃２〜＃５は出力ポートとする。またここでは、導波路形分光回路１１４で分光された一つの波長に着目して説明する。

光ファイバ１０１から入力ポートである真中の入出力ポート＃１に入射された光は、導波路形分光回路１１４で分光される。そのうちの一つの波長の光は、第１レンズ１３０を経て偏光分離素子１４０を通過して２つに分離される。この２つの光の一方は第２レンズ１５０と１／２波長板１７０を通過し、もう一方は第２レンズ１５０のみを通過して同一偏光になった後、第１反射型光位相変調器１６０に投影される(ビーム像＃１ＢＵ、＃１ＢＬ)。この投影された２つの光は位相補正を受けた後、反射され、再度、第２レンズ１５０を通過して、それぞれ異なった角度で第２反射型光位相変調器１８０に入射する（光ビーム＃１ＤＵ、＃１ＤＬ）。２つの光は、第２反射型光位相変調器１８０上では１つの光分布として投影される。

ここで、図１（ｅ）に示すように第２反射型光位相変調器１８０に適切な傾きの位相分布を与えることで、例えば、光ビーム＃１ＤＬは光ビーム＃２ＤＵとなり、反射され、図１に示した光路を逆行することになる。すなわち、光ビーム＃２ＤＵとなり反射された光は、第１反射型光位相変調器１６０上のビーム像＃２ＢＵとなり、反射される。

このビーム像＃２ＢＵとなり反射された光は、１／２波長板１７０で偏光が９０°回転された後、第２レンズ１５０、偏光分離素子１４０を通過した後、入出力ポート＃２に繋がる導波路形分光回路１１４に入射し、入出力ポート＃２より出力される。

一方、第２反射型光位相変調器１８０において、光ビーム＃１ＤＵは、光ビーム＃２ＤＬとなり、反射され、図１に示した光路を逆行することになる。すなわち、光ビーム＃２ＤＬとなり反射された光は、第１反射型光位相変調器１６０上のビーム像＃２ＢＬとなり、反射される。

このビーム像＃２ＢＬとなり反射された光は、第２レンズ１５０、偏光分離素子１４０を通過した後、入出力ポート＃２に繋がる導波路形分光回路１１４に入射し、入出力ポート＃２より出力される。

以上により、入出力ポート＃１に入射した光をＸ偏光、Ｙ偏光ともに入出力ポート＃２から出射するスイッチングが完了する。このように、入力する偏光に依存せずにスイッチングが可能となる。

ここでは、入出力ポート＃１から入出力ポート＃２へのスイッチングを説明したが、第２反射型光位相変調器１８０に与える位相分布の傾きを変化させることで、入出力ポート＃１から入出力ポート＃３、＃４、＃５へのスイッチングも可能となる。

すなわち、仮想的なミラー面の角度をφ、各光ビームの入射角度差をα、偏光グループ間の角度をθとしたとき、
φ＝０のとき、光ビーム＃１ＤＵは角度θ＋４αで反射して光ビーム＃１ＤＬとなり、光ビーム＃１ＤＬは角度θ＋４αで反射して光ビーム＃１ＤＵとなり、入出力ポート＃１からの光は入出力ポート＃１に戻る。これはスイッチングしないことに相当する。

φ＝α／２のとき、光ビーム＃１ＤＵは角度θ＋５αで反射して光ビーム＃３ＤＬとなり、光ビーム＃１ＤＬは角度θ＋３αで反射して光ビーム＃３ＤＵとなり、入出力ポート＃１からの光は入出力ポート＃３に戻る。つまり入出力ポート＃１から入出力ポート＃３へのスイッチングとなる。

φ＝αのときは、前述した通り、光ビーム＃１ＤＵは角度θ＋６αで反射して光ビーム＃２ＤＬとなり、光ビーム＃１ＤＬは角度θ＋２αで反射して光ビーム＃２ＤＵとなり、入出力ポート＃１からの光は入出力ポート＃２に戻る。つまり入出力ポート＃１から入出力ポート＃２へのスイッチングとなる。

φ＝−α／２のとき、光ビーム＃１ＤＵは角度θ＋３αで反射して光ビーム＃４ＤＬとなり、光ビーム＃１ＤＬは角度θ＋５αで反射して光ビーム＃４ＤＵとなり、入出力ポート＃１からの光は入出力ポート＃４に戻る。つまり入出力ポート＃１から入出力ポート＃４へのスイッチングとなる。

φ＝−αのとき、光ビーム＃１ＤＵは角度θ＋２αで反射して光ビーム＃５ＤＬとなり、光ビーム＃１ＤＬは角度θ＋６αで反射して光ビーム＃５ＤＵとなり、入出力ポート＃１からの光は入出力ポート＃５に戻る。つまり入出力ポート＃１から入出力ポート＃５へのスイッチングとなる。

また、第２反射型光位相変調器１８０には、多くの波長の光が投影されており、投影された各波長の領域のセル群を独立に位相分布を制御することで、各波長の光を独立にスイッチングできる。

以上説明したように、本発明によれば、積層された複数の導波路形分光回路１１４からの集光に、従来技術の欠点である高価な非球面形状のレンズアレイを使用せず、安価な１つの第１レンズ１３０を使用するので、低コストになる。これを可能にしたのは、積層された導波路形分光回路１１４同士の間隔が５μｍ〜１００μｍと極めて近接して積層集積化した集積化素子１１０を用いたことである。このような積層間隔は、フォトリソグラフィー、ドライエッチングなどの半導体ＬＳＩと同じような微細加工技術によってのみ実現可能である。従来のように、複数の光ファイバアレイを重ねると積層間隔は百μｍであり、複数の導波路を張り合わせると導波路間の間隔は数千μｍであるため、実用的な寸法におさめるためにはレンズアレイの使用が不可欠となる。

また、ＬＳＩと同じような微細加工技術によって製作された集積化素子１１０では、積層した各導波路形分光回路１１４の分波波長（中心波長）を厳密に一致せることが重要であり（分波間隔の１％以下）、一致しない場合は、極めて大きな損失となる。従来の微細加工精度では極めて困難であり、集積化素子１１０を製作した後、何らかの方法で補正する技術が必要となる。本発明では、第１反射型光位相変調器１６０を用いて、積層した各導波路形分光回路１１４から出射した光をそれぞれ同じ分波波長となるように、波面補正を行っている。これにより、微細加工技術によって製作された集積化素子１１０を用いることが初めて可能となる。

本発明によれば、低価格、小型、高性能、フレキシビリティーのある波長ドメイン光スイッチが実現できるため、今後の光システム、光ネットワークを大幅にレベルアップできる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

導波路形分光回路１１４からの出射光は、楕円形状の光分布であるため、その楕円率が大きい場合は、第１レンズ１３０に蒲鉾型の円柱レンズを使用してもよい。また、蒲鉾型の円柱レンズを組み合わせたものでも良い。

図１に示した波長ドメイン光スイッチ１００においては、２枚の３次元レンズ（第１レンズ１３０と第２レンズ１５０）を用いたが、それぞれ、蒲鉾型の２次元レンズを組合せて実現してもよい。

また、安価なレンズは収差を含みやすい。このため、前述の実施形態のように第２反射型光位相変調器１８０の各セルに収差を補正する位相分布を持たせることで、レンズの収差を補正するとよい。

前述の実施形態では、集積化素子１１０には導波路形分光回路１１４を５層積層したが、３層積層すれば１入力２出力の光スイッチが形成でき、３層以上であれば何層でも積層してよく、１入力２以上出力の光スイッチが形成できる。

次に、本発明の波長ドメイン光スイッチ１００の使用方法を示す。図５に示されるように、波長ドメイン光スイッチ１００は、メトロコア５０１の各ノードにおいて使用され、通常の光信号の分岐・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。なお、従来の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、本発明により大幅なコスト低減が可能になると、メトロエッジ、アクセス系への広範囲なシステムの導入が可能になり、光ネットワークの革新的な発展に繋がる。

１００波長ドメイン光スイッチ
１０１光ファイバ
１１０集積化素子
１１１基板
１１２コア
１１３クラッド
１１４導波路形分光回路
１１５入出力導波路
１１６スラブ導波路
１１８アレイ導波路
１３０第１レンズ
１４０偏光分離素子
１５０第２レンズ
１６０第１反射型光位相変調器
１７０１／２波長板
１８０第２反射型光位相変調器

Claims

光を入射又は出射するための１本以上の入出力導波路とその入出力導波路に接続されたスラブ導波路とそのスラブ導波路に接続された複数の導波路からなるアレイ導波路とを有する導波路形分光回路が厚さ方向に３回路以上積層され、前記アレイ導波路ごとの複数の導波路の入出射端が厚さ方向に並んだ集積化素子と、
前記集積化素子の前記入出射端から距離Ｆ１の位置に配置され前記入出射端から出射された光を集光する焦点距離がＦ１である第１レンズと、
前記第１レンズから距離Ｆ１の位置に配置され、前記集積化素子の前記入出射端から出射され前記第１レンズを透過してきた光を互いに直交するＸ偏光とＹ偏光に分離して出射する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子から距離Ｆ２の位置に前記偏光分離素子に臨むよう配置され前記Ｘ偏光とＹ偏光をそれぞれ集光する焦点距離がＦ２である第２レンズと、
前記第２レンズから出射されたＸ偏光とＹ偏光のどちらか一方の偏光のみを空間的に９０度回転させることで偏光方向を同じにする１／２波長板と、
前記第２レンズから距離Ｆ２の位置に配置されると共に、前記第２レンズから出射されて前記１／２波長板を介して出射された前記一方の偏光と前記第２レンズから出射された他方の偏光とを前記第２レンズに反射する第１反射型光位相変調器と、
前記第２レンズから前記偏光分離素子と同じ側で距離Ｆ２の位置に前記第２レンズに臨ませて配置され前記第１反射型光位相変調器から反射されてきた光を前記導波路形分光回路のいずれかに入射させるための第２反射型光位相変調器と、
を備えたことを特徴とする波長ドメイン光スイッチ。
前記集積化素子は、積層された前記導波路形分光回路同士の間隔が５μｍから１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の波長ドメイン光スイッチ。
前記第１反射型光位相変調器は、前記各導波路形分光回路における分波波長の不一致を補正するための屈折率分布に制御されることを特徴とする請求項１又は２記載の波長ドメイン光スイッチ。
前記第１反射型光位相変調器は、入射してきた光ビームを所望の方向に偏光させるための鋸状の屈折率分布と前記第１レンズ及び前記第２レンズの収差を補正するための屈折率分布とを重畳させた屈折率分布に制御されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の波長ドメイン光スイッチ。