JP2012093380A - 波長選択スイッチおよびその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部材の固定後にも光学部材の調整時と同等に広い透過帯域を有する波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】波長選択スイッチ１００は、波長分割多重信号が入出力される入出力ポート１１０と、入力ポート１１０ａから射出された光を分散させて波長帯域の異なる複数の光ビームを生成する分散素子１３０と、生成された複数の光ビームを集光するとともに互いに平行に偏向する集光素子１４０と、互いに平行に偏向された複数の光ビームをそれぞれ偏向する複数の可動ミラー１６２を有するＭＥＭＳミラーアレイ１６０と、集光素子１４０とＭＥＭＳミラーアレイ１６０の間に配置された光学的に透明な平行平板１５０とを有している。平行平板１５０は、複数の光ビームの中心を複数の可動ミラー１６２の中心に合わせるように、集光素子１４０の光軸１４２に対する傾きが調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長選択スイッチに関する。

光ファイバ通信業界では、通信データ量の増大に対応するために波長分割多重（ＷＤＭ）技術が利用されている。ＷＤＭ技術を用いた大容量光通信システムを構築するための光デバイスの一つとして波長選択スイッチ（ＷＳＳ）がある。波長選択スイッチは、入力されたＷＤＭ信号から任意の波長を選択して任意の出力に振り分けることができるデバイスである。

波長選択スイッチは、基本的に、ＷＤＭ信号が入出力される入出力部と、ＷＤＭ信号を分波および合波する分散素子と、分波により生成された複数の光ビームを集光する集光素子と、出力を切り替えるために複数の光ビームをそれぞれ偏向する複数の光偏向素子を備えた光偏向デバイスとを有している。

波長選択スイッチを通した信号がエラーデータとならないように信号を伝送するためには、ＩＴＵグリッドなる規格化された波長を中心に透過帯域幅の広いフィルタ特性が波長選択スイッチに求められている。そのためには、複数の光ビームがそれぞれ複数の光偏向素子に適切に入射することが必要である。具体的には、複数の光ビームのスポットの中心がそれぞれ複数の光偏向素子の中心に一致することが望ましい。そうでない場合、透過帯域の劣化（帯域幅の減少）が生じる。

特願２００５−２８８５８６号公報は波長選択スイッチのひとつを開示している。波長選択スイッチは、集光素子が複数のレンズからなり、少なくともひとつのレンズが光軸に沿って移動可能となっている。レンズを光軸に沿って移動させることによって、その他の光学部品の実装精度および調整精度により生じる光ビームのピッチと光偏向素子のピッチとの不一致を補償している。

特開２００７−１０１６７０号公報

波長選択スイッチの組み立ての際、光学部品と光偏向デバイスは、一般に、位置調整後に接着剤を使用して固定される。接着剤硬化時の応力などの影響により、光学部品と光偏向デバイスの固定後の位置が調整時の位置からずれる事態が少なからず生じる。特に光ビームに対する光偏向デバイスの位置ずれは、透過帯域の劣化に直接的に影響する。

前述の先行技術の波長選択スイッチは、このような光偏向デバイスの位置ずれは考慮していない。したがって、光ビームのピッチと光偏向素子のピッチとの不一致は補償できるものの、複数の光ビームの全体と複数の光偏向素子の全体との相対的な位置ずれは補償できない。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、光学部品と光偏向デバイスの固定後にも光学部品と光偏向デバイスの調整時と同等に広い透過帯域を有する波長選択スイッチを提供することである。

本発明による波長選択スイッチは、波長分割多重信号が入出力される入出力部と、前記波長分割多重信号を分散させて波長帯域の異な複数の光ビームを生成するための分散素子と、前記複数の光ビームを集光するとともに互いに略平行にするための集光素子と、互いに略平行にされた前記複数の光ビームをそれぞれ偏向するための複数の光偏向素子を有する光偏向デバイスと、前記集光素子と前記光偏向デバイスの間に配置された光学的に透明な平行平板とを備えている。前記平行平板は、前記複数の光ビームの中心を前記複数の偏向素子の中心に合わせるように、前記集光素子の光軸に対する傾きが調整されている。

本発明によれば、光学部材の固定後にも光学部材の調整時と同等に広い透過帯域を有する波長選択スイッチが提供される。

本発明の第１の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す斜視図である。 図１に示された波長選択スイッチの平面図である。 図１に示された平行平板１５０を拡大して示している。 図１と図２に示された波長選択スイッチの組立手順に示している。 ＭＥＭＳミラーアレイの位置ずれに起因するフィルタ特性の変化を示している。 フィルタ特性の中心のＩＴＵグリッドからのずれに起因する透過帯域幅の減少を示している。 本発明の第２の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示している。 本発明の第３の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係る波長選択スイッチを図１と図２に示す。

まず、波長選択スイッチ１００の構成について説明する。

波長選択スイッチ１００は、入出力ポート１１０と、コリメータ１２０と、分散素子１３０と、集光素子１４０と、光学的に透明な平行平板１５０と、光偏向デバイスであるＭＥＭＳミラーアレイ１６０とを有している。これらの光学素子は相対位置が調整されて基板１７０に固定されている。

入出力ポート１１０は、波長分割多重信号が入出力される入出力部である。ここで、波長分割多重信号は、波長分割多重された光の信号であり、複数の波長帯域の光または一つの波長帯域の光からなる。波長選択スイッチ１００は、１入力Ｎ出力の波長選択スイッチであり、入出力ポート１１０は一つの入力ポート１１０ａと複数の出力ポート１１０ｂとを有している。入力ポート１１０ａは、波長選択スイッチ１００の外部からそこに波長分割多重信号である光が入力されるポートであり、出力ポート１１０ｂは、そこから波長選択スイッチ１００の外部に波長分割多重信号である光が出力されるポートである。入力ポート１１０ａと出力ポート１１０ｂは一列に整列して配置されている。以下の説明では、便宜上、入力ポート１１０ａと出力ポート１１０ｂの整列方向を縦方向と呼ぶ。入力ポート１１０ａと出力ポート１１０ｂはこれに限らないが、たとえばファイバアレイで構成され得る。図１には五つの出力ポート１１０ｂが描かれているが、これは単なる例示であって、この個数に何ら限定されるものではない。

コリメータ１２０は、一つの入力用コリメータ１２０ａと複数の出力用コリメータ１２０ｂとを有している。入力用コリメータ１２０ａは、入力ポート１１０ａの端面に対向して配置されており、入力ポート１１０ａから射出される光を平行光に変えるためものである。出力用コリメータ１２０ｂは、出力ポート１１０ｂの端面に対向して配置されており、これに入射する光を集光して出力ポート１１０ｂに入射させるためのものである。

分散素子１３０は、入力ポート１１０ａから射出された光を分散させて波長帯域の異なる複数の光ビームを生成するためのものである。すなわち、分散素子１３０は、入射してくる複数の波長成分を含む光ビームを、波長帯域の異なる複数の光ビームに分割するとともに、それらを波長帯域に応じて異なる方向に偏向する機能を有している。つまり、分散素子１３０は分波する機能を有している。分散方向は、入力ポート１１０ａと出力ポート１１０ｂの整列方向に直交している。分散素子１３０はまた、これとは反対に、分波された際の偏向角に等しい入射角をもって入射してくる複数の光ビームを一つの方向に偏向する機能を有している。つまり、分散素子１３０は合波する機能を有している。分散素子１３０は、これに限らないが、たとえば回折格子で構成され得る。

集光素子１４０は、分散素子１３０によって生成された複数の光ビームを集光するとともに、複数の光ビームを入射角度に応じた屈折により互いが略平行にする機能を有している。ここで略平行とは、設計上実質的に平行と見なせる状態を含み得るものである。集光素子１４０はまた、複数の光ビームが入射する縦方向の位置に応じて、縦方向に内側に偏向する機能も有している。集光素子１４０は、これに限らないが、たとえば集光レンズで構成され得る。

ＭＥＭＳミラーアレイ１６０は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）によって作製されたＭＥＭＳデバイスのひとつである。ＭＥＭＳミラーアレイ１６０は、集光素子１４０によって互いに平行に偏向された複数の光ビームをそれぞれ偏向するための複数の光偏向素子である可動ミラー１６２を有している。各可動ミラー１６２は、少なくとも分散方向に延びる軸の周りに傾斜可能であり、好ましくは二次元的に傾斜可能である。複数の可動ミラー１６２は、分散方向に一列に整列して配置されている。各可動ミラー１６２は、これに入射する光ビームを縦方向に偏向することによって、複数の出力ポート１１０ｂのいずれか一つに選択的に結合させる機能を有している。

平行平板１５０は、集光素子１４０とＭＥＭＳミラーアレイ１６０の間に配置されている。平行平板１５０は、複数の光ビームの中心を複数の可動ミラー１６２の中心に合わせるように、集光素子１４０の光軸１４２に対する傾きが調整されている。平行平板１５０は、分散素子１３０による波長分割多重信号の光の分散方向と集光素子１４０の光軸１４２との両方に垂直な軸の周りの回転角度が調整されている。平行平板１５０は、光ビームが通過する二つの平面１５２が一般的に平行と見なされ得る平行度を有していればよい。

次に、波長選択スイッチ１００の動作について説明する。

波長選択スイッチ１００において、入力ポート１１０ａから射出された波長分割多重信号の光ビームは、入力用コリメータ１２０ａを通過して平行ビームとなって分散素子１３０に入射し、分散素子１３０によって波長帯域の異なる複数の光ビームに分割されるとともに波長帯域に応じた方向に偏向される。複数の光ビームは、集光素子１４０によって互いに平行に偏向され、平行平板１５０を通過し、それぞれ、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の可動ミラー１６２に入射する。各光ビームは、対応する可動ミラー１６２によって反射される。

出力ポート１１０ｂに結合される光ビームは、可動ミラー１６２による反射によって、結合される出力ポート１１０ｂに応じて縦方向に偏向される。その後、光ビームは、平行平板１５０を通過し、集光素子１４０によって偏向されて分波時の偏向角に等しい入射角で分散素子１３０に入射し、分散素子１３０によって偏向され、出力用コリメータ１２０ｂを通って出力ポート１１０ｂに結合する。光ビームが結合する出力ポート１１０ｂは、分散方向に延びる軸の周りの可動ミラー１６２の傾斜を調整することによって切り替えられる。

続いて、波長選択スイッチ１００の組立手順について図４を用いて説明する。

最初に、入出力ポート１１０とコリメータ１２０と集光素子１４０と分散素子１３０を順番に位置調整して基板１７０に固定する。

次に、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０を位置調整して基板１７０に固定する。

続いて、平行平板１５０を傾き調整して基板１７０に固定する。

これら光学部材の固定は接着剤を使用しておこなう。接着剤は硬化時に収縮するため、接着剤硬化時の応力などの影響により、固定後の光学部材には、光学部材の調整時の位置に比べて少なからず位置ずれが生じる。

図５に示すように、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０は、通常、可動ミラー１６２の中心が、それぞれ、ＩＴＵグリッドの入力光ビームのスポットの中心と一致するように設計されている。ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の固定の際に、集光素子１４０の光軸１４２を横切る方向にＭＥＭＳミラーアレイ１６０がずれると、フィルタ特性の中心がＩＴＵグリッドからずれる。フィルタ特性の中心がＩＴＵグリッドからずれると、図６に示すように、透過帯域幅が減少する。その結果、信号光は図中の円内部分が削られ、信号品質が低下する。これは、エラーデータが発生する原因となる。

波長選択スイッチ１００では、集光素子１４０の光軸１４２に対する平行平板１５０の傾きを調整することによって、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の位置ずれに起因するＩＴＵグリッドからのフィルタ特性の中心のずれを補償する。このため、平行平板１５０は、光ビームの中心を可動ミラー１６２の中心に合わせるように、集光素子１４０の光軸１４２に対する傾きを調整して固定する。

傾きを論じるため、図２において、集光素子１４０の光軸１４２と分散方向すなわち可動ミラー１６２の整列方向との両方に垂直な軸の周りの平行平板１５０の回転角度をθｙとする。また回転角度θｙは、図３に示すように、平行平板１５０の平面１５２に立てた法線と集光素子１４０の光軸１４２とがなす角度とする。平行平板１５０の回転角度θｙが０である場合、平行平板１５０からＭＥＭＳミラーアレイ１６０へ進行する光ビームの主光線は図中の破線上を通る。一方、平行平板１５０の回転角度θｙが０でない場合には、平行平板１５０からＭＥＭＳミラーアレイ１６０へ進行する光ビームの主光線は、図中の破線から可動ミラー１６２の整列方向にシフト平行移動した実線上を通る。つまり、平行平板１５０を傾けることによって、すべての光ビームのスポットの中心が可動ミラー１６２の整列方向に等しく平行移動される。その移動量は、平行平板１５０の回転角度θｙに依存する。つまり、平行平板１５０を調整することによって、可動ミラー１６２に対する光ビームのスポットの中心を調節することができる。

さらに平行平板１５０の回転角度に対する可動ミラー１６２上のスポットの中心の移動量の感度は他の光学部材の位置調整精度と比較して鈍い。例えば図３に示すように、平行平板１５０の厚さｄ＝０．９ｍｍ、分散方向（長軸方向）の長さＬ＝２０ｍｍ、材質を石英として屈折率を１．４５、平行平板１５０の回転角度をθｙ＝１度としたとき、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０での各光ビームのスポットの中心の移動量Δｔは、平行平板１５０の回転角度θｙ＝０度（光軸１４２に対して垂直な位置）と比較してΔｔ≒５μｍである。ここでθｙ＝１度とするための平行平板１５０の実装位置変化量Ｘ≒３５０μｍである。つまり、平行平板１５０を３５０μｍ動かしても各光ビームのスポットの中心は５μｍしか移動しない。従って、平行平板１５０の傾き調整に対する光ビームのスポットの中心の移動量の感度は、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の位置調整精度と比較して鈍いことがわかる。

一般的にＭＥＭＳミラーアレイ１６０の位置調整精度はミクロンオーダーが必要とされる。しかし、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の固定後にも調整位置をミクロンオーダーで維持することは非常に困難である。

従って、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０を固定する際にＭＥＭＳミラーアレイ１６０に生じた位置ずれによって各波長帯域の光ビームのスポットの中心と各波長帯域に対応した可動ミラー１６２の中心との相対位置が分散方向にずれた場合であっても、平行平板１５０の傾き調整して固定することによって、可動ミラー１６２に対する光ビームのスポットの中心の位置を再調整することが可能である。さらに平行平板１５０の固定時に同様な位置ずれが平行平板１５０に生じても平行平板１５０の位置ずれによる光ビームのスポットの中心の移動量は非常に少ない。

従って、各波長帯域の光ビームのスポットの中心と各波長帯域に対応した可動ミラー１６２の中心との相対位置が、光学部材の固定後においても、光学部材の調整時と同等に維持される。このため、波長選択スイッチ１００は、光学部材の固定後にも光学部材の調整時と同等に広い透過帯域幅を有する。

本実施形態では平行平板１５０の回転中心を光軸上としているが、図３に示すように平行平板１５０の端面などを回転中心としても同様の効果が得られる。そのため平行平板１５０の回転中心は光軸上になくてもよい。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る波長選択スイッチを図７に示す。図７において、図１や図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第一実施形態と同様である。

第２の実施形態の波長選択スイッチ２００は、第１の実施形態の波長選択スイッチ１００の平行平板１５０を四分の一波長板２５０に置き換えた構成をしている。そのほかの構成は、第１の実施形態の波長選択スイッチ１００と同じである。

入出力ポート１１０から出力された光信号は分散素子１３０で分散される際に多少なりとも損失される。光信号はｐ偏光とｓ偏光の成分を有しており、分散素子１３０による光の損失量はｐ偏光とｓ偏光で異なる。この差分は偏波依存性損失と呼ばれる。

分散素子１３０を通過後のｐ偏光の光量を９０％、ｓ偏光の光量を８０％としたとき、他の部材による光損失がないものとして、四分の一波長板２５０の存在の有無による偏波依存性損失の違いを検討する。

四分の一波長板２５０がない場合、出力される光信号の光量は、入力される光信号を基準にして、ｐ偏光が０．９×０．９＝０．８１＝８１％であり、ｓ偏光が０．８×０．８＝０．６４＝６４％である。従って偏波依存性損失は、ｐ偏光とｓ偏光の光量の差なので８１−６４＝１７％となる。

四分の一波長板２５０がある場合、入力された光信号のｐ偏光の光量は分散素子１３０を通過することにより９０％となる。またｐ偏光は、四分の一波長板２５０を通過する際に円偏光に変換される。その後、円偏光は、可動ミラー１６２で反射されることにより光の位相が１８０度ずれ、四分の一波長板２５０を通過する際にｓ偏光に変換される。その後、ｓ偏光は分散素子１３０を通過するため、光量は０．９×０．８＝０．７２＝７２％となる。一方、入力された光信号のｓ偏光は、分散素子１３０を通過することにより光量が８０％となり、四分の一波長板２５０を二回通過することによりｐ偏光に変換されて分散素子１３０を通過するため、光量は０．８×０．９＝０．７２＝７２％となる。従って、出力ポート１１０ｂから出力される光信号のｐ偏光とｓ偏光の差分は０となる。

このように、分散素子１３０とＭＥＭＳミラーアレイ１６０の間に四分の一波長板２５０を配置することによって、偏波依存性損失を有する分散素子１３０や他の光学素子を使用した場合であっても、偏波依存性損失の少ない波長選択スイッチが提供される。

また四分の一波長板２５０への光の入射する角度の有効範囲は決まっており、この有効範囲を超えて光が入射した場合には直線偏光は円偏光でなく楕円偏光に変換されるため、上述した偏波依存性損失低減の利点が得られなくなる可能性がある。そのため、四分の一波長板２５０の光軸に対する傾き角θｙは有効範囲内である必要がある。しかし、波長選択スイッチ２００に必要とされるθｙの調整範囲は微量であるので、偏波依存性損失低減の利点が損なわれることはない。

従って、この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の波長選択スイッチ１００の利点に加えて、偏波依存性損失が少ないという利点を有する波長選択スイッチが提供される。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係る波長選択スイッチを図８に示す。図８において、図１や図２に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第一実施形態と同様である。

第３の実施形態の波長選択スイッチ３００は、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０が収容される凹部３７２を有する基板３７０をさらに備えている。平行平板３５０は、凹部３７２を覆うように基板３７０に実装されている。平行平板３５０は、ネジ３７４などの機構によって、回転角度θｙが調整可能に基板３７０取り付けられている。

平行平板３５０と基板３７０は、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０を外気から遮断するパッケージを構成している。平行平板３５０はパッケージの蓋として働いている。このため、ＭＥＭＳミラーアレイ１６０の可動ミラー１６２の表面への汚れや傷や異物などの付着が少なく抑えられ所望の反射率を維持でき、散乱を抑えることが出来る。従って、波長選択スイッチ３００は挿入損失やクロストーク等の光学特性の劣化が少ない。

従って、この第３の実施形態によれば、第１の実施形態の波長選択スイッチ１００の利点に加えて、ミラー表面の汚れなどによる光学特性の劣化が少ないという利点を有する波長選択スイッチが提供される。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。

ここでは、波長選択スイッチ１００が１入力Ｎ出力の波長選択スイッチであるとして説明したが、当業者には当然理解されることであるが、波長選択スイッチ１００は、入力ポートと出力ポートの用途を互いに置き換えることによって、Ｎ入力１出力の波長選択スイッチとすることができる。
当然ながら、その他、Ｍ入力Ｎ出力の波長選択スイッチにも適用する事ができる。

分散素子１３０は、例えば図１に描かれているように、反射型の分散素子であるが、透過型の分散素子に置き換えられてもよい。そのような構成の波長選択スイッチの光学的機能は、上述した本実施形態の波長選択スイッチと実質的に変わらない。

集光素子１４０は、例えば図１に描かれているように、透過型の集光素子であるが、凹面鏡などの反射型の集光素子に置き換えられてもよい。そのような構成の波長選択スイッチの光学的機能は、上述した実施形態の波長選択スイッチと実質的に変わらない。

上述した実施形態では光偏向デバイスがＭＥＭＳミラーアレイ１６０で構成されているが、光偏向デバイスは、光偏向機能を有する他のデバイス、例えば液晶を利用したデバイスで構成されてもよい。

１００…波長選択スイッチ、１１０…入出力ポート、１１０ａ…入力ポート、１１０ｂ…出力ポート、１２０…コリメータ、１２０ａ…入力用コリメータ、１２０ｂ…出力用コリメータ、１３０…分散素子、１４０…集光素子、１４２…光軸、１５０…平行平板、１５２…平面、１６０…ＭＥＭＳミラーアレイ、１６２…可動ミラー、１７０…基板、２００…波長選択スイッチ、２５０…四分の一波長板、３００…波長選択スイッチ、３５０…平行平板、３７０…基板、３７２…凹部、３７４…ネジ。

Claims (6)

1. 波長分割多重信号が入出力される入出力部と、
   前記波長分割多重信号を分散させて波長帯域の異なる複数の光ビームを生成するための分散素子と、
   前記複数の光ビームを集光するとともに互いに略平行にするための集光素子と、
   互いに略平行にされた前記複数の光ビームをそれぞれ偏向するための複数の光偏向素子を有する光偏向デバイスと、
   前記集光素子と前記光偏向デバイスの間に配置され、前記複数の光ビームの中心を前記複数の偏向素子の中心に合わせるように、前記集光素子の光軸に対する傾きが調整された光学的に透明な平行平板とを備えている波長選択スイッチ。
2. 前記平行平板は、前記分散素子による前記波長分割多重信号の分散方向と前記集光素子の光軸との両方に垂直な軸の周りの回転角度が調整されている請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記平行平板は、四分の一波長板で構成されている請求項１に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記光偏向デバイスが収容される凹部を有する基板をさらに備え、
   前記平行平板は、前記凹部を覆うように前記基板に実装されている請求項１に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記光偏向デバイスはＭＥＭＳミラーアレイで構成されている請求項１〜４のいずれかひとつに記載の波長選択スイッチ。
6. 請求項１に記載の波長選択スイッチの組立方法であり、
   前記入出力部と前記分散素子と前記集光素子とを位置調整して固定する第１の工程と、
   前記光偏向デバイスを位置調整して固定する第２の工程と、
   前記集光素子と前記光偏向デバイスの間に前記平行平板を、前記複数の光ビームの中心を前記複数の偏向素子の中心に合わせるように前記集光素子の光軸に対する傾きを調整して固定する第３の工程とを有している組立方法。

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