JP2012168290A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークの発生を低減した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１は、少なくとも一つの入力ポート１０ａおよび少なくとも一つの出力ポート１０ｂ〜１０ｅを含む入出力部１０の入力ポート１０ａから波長多重された入力光を入射させ、分散素子１５により波長毎の光に分散させ、それぞれの波長毎の光をレンズ１６により偏向素子１８に集光して反射させ、出力ポート１０ｂ〜１０ｅに出射させる。入出力部１０と分散部１５との間には、偏向素子１５に集光する波長毎の光のスポット２０を楕円形状にするシリンドリカルレンズ１３を配置する。このシリンドリカルレンズ１３は、少なくとも入力光が通過する２つの面１３ａ，１３ｂを有し、この２つの面１３ａ，１３ｂのそれぞれにより入力光の一部が反射され、出力ポートの波長毎の光を出射させる出射面の位置において出射面より径の広い光束を形成する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、異なる波長の光を分岐させまたは結合させることが可能な波長選択スイッチに関する。

光波長多重通信に用いられる波長選択スイッチでは、より波長分解能が高い装置が求められている。このため、直線状に配列された入力ポートおよび出力ポートと、入力ポートから入力された一以上の波長を含む光を一次集光点に収束させるためのレンズと、該レンズと一次集光点との間に設けられレンズを通過した光を入力ポートおよび出力ポートの配列方向と直交する方向により大きな収束度で収束させるシリンドリカル凸レンズとを有する波長選択スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような波長選択スイッチは、シリンドリカル凸レンズによって、分散方向により収束した、すなわち分散方向によりスポット幅の小さい楕円形のスポットを、一次集光点に収束させる。一次集光点を通過した光は、レンズにより平行光に変換され、ポートの配列方向と直交する方向に光を分散させる分散素子により分散され、集光レンズにより波長毎に対応して配列された複数のマイクロミラーに再び楕円形のスポットとして集光される。マイクロミラーで反射された波長毎に分離された光は、往路と逆の経路を通って所定の出力ポートに出力される。

この波長選択スイッチは、マイクロミラー上に分散方向の幅が狭い楕円形のスポットを形成することによって、回折格子の分解能が高く、波長透過帯特性に優れている。

特開２００９−００９０７３号明細書

ところで、入力ポートから入力された光を、分散素子の分散方向により大きな収束度で収束させるため、上述のような波長選択スイッチではシリンドリカルレンズを使用している。一般に、シリンドリカルレンズは、円筒形の屈折面とこの屈折面の裏面側に設けられた平面とを有する。このため、入力ポートから入力された光は、屈折面と平面との双方を透過するが、その際に一部の光がシリンドリカルレンズの平面により反射され、迷光となって入力ポートおよび出力ポートに戻ることがある。

図５は、従来例による波長選択スイッチの入力ポートおよび出力ポートから、一次集光点までの構成を示す側面図である。入力用の光ファイバ１０１ａから入力された光は、マイクロレンズアレイ１０２の対応するマイクロレンズにより平行光に変換され、レンズ１０３およびシリンドリカルレンズ１０４により一次集光点１０５に集光されている。シリンドリカルレンズ１０４は、この場合入力光の出射側にシリンドリカル面１０４ａを有して配置されている。このような配置において、入力光が略平面の波面を有し、その一部の光がシリンドリカルレンズ１０４の入射側の平面１０４ｂにより反射されると、この平面１０４ｂで反射された反射光はレンズ１０３およびマイクロレンズアレイ１０２の対応するマイクロレンズを通り、例えば出力用の光ファイバ１０１ｃに結合し得る。このような場合、光ファイバ１０１ｃには、本来信号光として入射すべき波長分離された光（正規光）に加えて、波長毎の光に分離されていない反射光が加わりクロストーク（迷光による混信）を発生させることが懸念される。

図６Ａは、図５の波長選択スイッチの入力光の光束を示す上面図であり、破線は入力光の波面を示している。この図において、入力光の波面を破線で示している。この図では、入力光が、レンズ１０３およびシリンドリカルレンズ１０４で屈折されて、一次集光点１０５に集光する様子を示している。一方、図６Ｂは、入射側の平面１０４ｂで一部の入力光が反射された反射光の光路を示している。図６Ｂのように、入力光の波面とシリンドリカルレンズ１０４の平面１０４ｂとは、ほぼ同等の形状となっているので、平面１０４ｂで反射された光は、レンズ１０３を介して出力ポートの近傍で集光され、出力用の光ファイバ１０１ｃに結像する。この場合、光ファイバ１０１ｃに入射した反射光はクロストークを発生させる。

なお、シリンドリカルレンズ１０４の向きを変えて、入出力ポート側にシリンドリカル面、一次集光点側に平面を向けて配置した場合も、出射側の平面に反射された入力光が光ファイバに結像して、クロストークを発生させるおそれがある。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、クロストークの発生を低減した波長選択スイッチを提供することにある。

上記目的を達成する波長選択スイッチの発明は、
少なくとも一つの入力ポートおよび少なくとも一つの出力ポートを含む入出力部と、
前記入力ポートから入射される波長多重された入力光を、波長毎の光に分散する分散部と、
該分散部により分散される前記波長毎の光を集光する集光素子と、
該集光素子により集光される前記波長毎の光をそれぞれ偏向して、前記出力ポートに出射させる偏向部と、
前記入出力部と前記分散部との間に配置され、前記偏向部に集光する前記波長毎の光のスポットを楕円形状にする楕円化素子と、
を備え、
前記楕円化素子は、少なくとも前記入力光が通過する２つの面を有し、該２つの面のそれぞれにより反射される前記入力光の一部が、前記出力ポートの前記波長毎の光を出射させる出射面の位置において該出射面より径の広い光束を形成するものである。

好ましくは、前記入力ポートは、前記波長多重された光を平行光として入射させ、前記楕円化素子の前記２つの面は、何れも曲面である。

また、前記楕円化素子の前記２つの面は、シリンドリカル面である。さらに、それらのシリンドリカル面は、共通の中心軸線を有することが好ましい。

本発明によれば、楕円化素子の２つの面のそれぞれにより反射された入力光の一部が、出力ポートの波長毎の光を出射させる出射面の位置において出射面より径の広い光束を形成するようにしたので、クロストークの発生を低減することができる。

本発明の第１実施の形態に係る波長選択スイッチの構成を示す側面図である。 本発明の第１実施の形態に係る波長選択スイッチの構成を示す上面図である。 図１の波長選択スイッチの入出力ポートから一次集光点までの入力光の光束を示す上面図である。 シリンドリカルレンズの入射側の面で反射された反射光の光束を示す上面図である。 シリンドリカルレンズの出射側の面で反射された反射光の光束を示す上面図である。 シリンドリカルレンズの形状を説明する図である。 シリンドリカルレンズの他の例を説明する図である。 従来例による波長選択スイッチの入力ポートおよび出力ポートから、一次集光点までの構成を示す側面図である。 図５の波長選択スイッチの入力光の光束を示す上面図である。 図５の波長選択スイッチのシリンドリカルレンズ入射側の平面による入力光の反射光の光路を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ本発明の実施の形態に係る波長選択スイッチ１の構成を示す側面図および上面図である。

波長選択スイッチ１は、入出力部１０、レンズ１２、シリンドリカルレンズ１３、レンズ１４、分散部を構成する分散素子１５、集光素子であるレンズ１６、偏向部を構成する偏向器１７を含んで構成されている。

入出力部１０には光ファイバアレイ５の光ファイバの端部がアレイ状に（直列に）配列され、これに対応した複数のマイクロレンズがアレイ状に配置されたマイクロレンズアレイ１１が設けられている。一組の光ファイバとマイクロレンズとは、入力ポート１０ａおよび出力ポート１０ｂ〜１０ｅのうちの一つのポートを構成する。この入力ポート１０ａおよび出力ポート１０ｂ〜１０ｅは、それぞれ、波長選択スイッチ１の外部からの波長多重された信号光を入力させ、また、外部へ信号光を出力させるものである。以下、説明の便宜上、入力ポート１０ａおよび出力ポート１０ｂ〜１０ｅを、適宜、入出力ポート１０ａ〜１０ｅとまとめて表記する。入出力ポートの数は例えば１０以上とし、出力ポートの数を入力ポートの数よりも多数設けることができるが、図１Ａにおいては、説明の都合から、入出力ポート１０ｃを中心とする５つの入出力ポート１０ａ〜１０ｅのみを図示している。

入出力用の光ファイバアレイ５の他端は、波長選択スイッチ１の外部と接続されている。マイクロレンズアレイ１１のマイクロレンズは、光ファイバから入射する光を平行光束に変換し、また、波長選択スイッチ１内で各入出力ポート１０ｂ〜１０ｅに向けて出力される平行光束を光ファイバアレイ５の対応する光ファイバに結合させる。このように、入出力ポート１０ａから波長選択スイッチ１内に入射する入力光、および、波長選択スイッチ１内で各入出力ポート１０ｂ〜１０ｅに向かう出力光は、平行な光束となる。

以下において、入出力ポート１０ａから入力された平行光の進行方向を光軸方向（ｚ方向）とする。この光軸方向は、レンズ１２およびレンズ１４を含む光学系の光軸方向でもある。また、入出力ポート１０ａ〜１０ｅの配列された方向を第１の方向（ｙ方向）とする。光軸方向と第１の方向とは、互いに直交する。さらに、光軸方向および第１の方向（ｙ方向）のそれぞれに直交する方向を第２の方向（ｘ方向）と呼ぶ。なお、現実の波長選択スイッチの光路中に、図示しないミラー、プリズム等の偏向部材が光路を折り曲げるために配置されている場合には、ｘ方向及びｙ方向との説明は、このような偏向部材が無いものとした仮想的な光学系を前提として用いられることとする。

シリンドリカルレンズ１３は、入射側と出射側の双方にシリンドリカル面を有し、第２の方向（ｘ方向）に光束を縮める、すなわち、第２の方向（ｘ方向）にのみ屈折力を有するレンズである。シリンドリカルレンズ１３は、第１の方向（ｙ方向）についてはレンズ１２からの収束光をそのまま収束させ、第２の方向（ｘ方向）についてはより大きな収束度で収束させる。このためレンズ１２およびシリンドリカルレンズ１３を透過した入力光は、レンズ１２の焦点近傍の一次集光点２０で第２の方向（ｘ方向）により狭い楕円形のスポットを形成する。すなわち、本実施の形態では、シリンドリカルレンズ１３は、光束を楕円化させる楕円化素子である。

レンズ１４とレンズ１６とは、例えば、焦点距離ｆの等しいレンズであり、レンズ１４、分散素子１５、レンズ１６および偏向器１７は、一次集光点２０、レンズ１４、分散素子１５の分散面、レンズ１６、および、偏向器１７の偏向素子（ミラー）１８の形成する偏向素子面との距離がそれぞれ焦点距離ｆに等しくなるように配置される。これによって、一次集光点２０を通った光束は、レンズ１４で平行光となり、レンズ１６により偏向器１７の偏向素子１８に集光される。なお、レンズ１４とレンズ１６の焦点距離は、異ならせる構成も可能である。

分散素子１５は、例えば、分散面上に第１の方向（ｙ方向）に平行な格子が形成された回折格子である。分散素子としては、波長毎の光の分解性能が高くより分散角が大きいものが望ましい。図１Ｂに示すように、レンズ１４を透過した入力光は、略平行光となって分散素子１５に入射し、分散素子１５の分散面上で第２の方向（ｘ方向）に波長毎に異なる角度で分散される。すなわち、分散素子１５は入力光を入力光に含まれる波長毎の光に分離する。なお、分散素子１５には入力光を第２の方向（ｘ方向）に斜めに入射させて回折させるが、図１Ａおよび図１Ｂでは、簡単のために、入力部１０から偏向器１７に至る光路を、ｚ方向に直線的に示している。

図１Ｂに示すように、分散素子１５で分散された波長毎の光は、レンズ１６により互いに平行な光束となって、各波長に対応した偏向素子１８に第２の方向（ｘ方向）に略垂直に入射する。また、側面から見た場合には、図１Ａに示すように、一次集光点を通過した入力光は、分散素子１５で分散された後、ｙｚ平面内でレンズ１６の光軸と偏向素子１８の偏向素子面とが交わる高さ位置に集光する。

偏向器１７は、例えば、ＭＥＭＳミラーアレイであり、偏向素子１８は、ＭＥＭＳミラーアレイを構成する複数の第１の方向（ｙ方向）に長い矩形状のマイクロミラーである。偏向素子１８は、分離されるそれぞれの波長の光に対応して、上述のレンズ１６の光軸の高さ位置に、第２の方向（ｘ方向）に並列に配置される。この偏向器１７は、それぞれの偏向素子１８を独立に制御して傾きを変えることができる。特に、図１Ａにおけるｙｚ平面内での傾きを変えることにより、入射した波長毎の光を入射方向とは異なる高さ方向へ反射する。なお、偏向器１７は、ＭＥＭＳミラーアレイに限られず、液晶素子や光学結晶を用いて構成することもできる。また、図１Ｂにおいて、偏向素子１８は、９つのみ図示されているが、偏向素子１８の数は、９つに限定されない。

各偏向素子１８により反射された波長毎の光は、それぞれレンズ１６を通り分散素子１５で回折され、入力光と反対方向の光路を経て、入出力部１０のうち入力用に用いられた以外のいずれかの入出力ポート１０ｂ〜１０ｅまたは図示しない他の入出力ポートに正規光として出力される。

なお、何れの入出力ポート１０ａ〜１０ｅを入力用または出力用として用いるかは、適宜設計することが可能である。図１Ａおよび図１Ｂでは、入出力ポート１０ａが入力ポートであり、入出力ポート１０ｂ〜１０ｅが出力ポートである場合において、入出力ポート１０ａから波長多重された入力光が入力され、特定の波長の出力光が入出力ポート１０ｃから出力される場合を図示している。

ここで、複数の偏向素子１８に入射した光のうち、少なくとも１つの波長の光を入出力ポート１０ｃから出力する場合は、対応する偏向素子１８の偏向方向を制御して、図１Ａに破線で示すように、所定の方向に特定の波長の光を反射させる。偏向素子１８によって反射された特定波長の光は、レンズ１６を通り、分散素子１５、レンズ１４、シリンドリカルレンズ１３、レンズ１２を経て、入出力ポート１０ｃから出力される。同じ入出力ポート１０ｃに出力する波長の光が複数ある場合は、それら複数の波長の光が分散素子１５で合波される。

次に、シリンドリカルレンズ１３による入力光の反射について説明する。図２Ａは、図１の波長選択スイッチ１の入出力ポート１０ａから一次集光点２０までの入力光の光束を示す上面図である。この図では、入力光が、レンズ１２およびシリンドリカルレンズ１３で収束されて、一次集光点２０に集光する様子を示している。また、入出力部１０の光ファイバアレイ５とマイクロレンズアレイ１１との間、マイクロレンズアレイ１１とレンズ１２との間、および、レンズ１２とシリンドリカルレンズ１３との間のそれぞれについて、入力光の波面Ｓａ，ＳｂおよびＳｃを示している。

図２Ｂは、シリンドリカルレンズ１３の入射側の面（入射面）１３ａで反射された反射光の光束を示す上面図である。図２Ｂに示すように、入射面１３ａは入射側に凸に湾曲した曲面であるのに対して、この入射面１３ａに入射する直前の入力光の波面Ｓｃは略平面に近い形状をしている。このため、入射面１３ａで入力光の一部が反射されると、その反射光は入出力ポート１０ａ〜１０ｅに向けて第１の方向（ｘ方向）に径の広がった光束となる。そのため、この反射光は、入出力ポート１０ｃの出射面すなわち、マイクロレンズアレイ１１の位置で、この出射面の径よりも広い光束を形成する。また、マイクロレンズアレイ１１に入射する反射光は、マイクロレンズアレイ１１を構成するマイクロレンズの径に制限されるため、その広い光束の一部しかマイクロレンズに入射しない。このため、光ファイバアレイ５を構成する光ファイバに入射する、入射面１３ａにより反射された光の反射光の光量は小さくなる。さらに、進行方向に径の広がる反射光は、その反射光の一部がマイクロレンズアレイ１１を通過しても光ファイバ５の端面に結像しないので、光ファイバ内にもほとんど入射しない。従って、この反射光によって生じるクロストークの大きさを低減することができる。

また、図２Ｃは、入力光がシリンドリカルレンズ１３の出射側の面（出射面）１３ｂで反射された反射光の光束を示す上面図である。この場合、出射面１３ｂは入射側に凹に湾曲した曲面であるのに対して、この出射面１３ｂに入射する直前の入力光の波面Ｓｄは入射面１３ａで屈折を受けて、進行方向に凹面形状となっている。このため、出射面１３ｂで入力光の一部が反射されると、その反射光は入出力ポート１０ａ〜１０ｅに向けて第１の方向（ｘ方向）に径を狭める方向の光束となる。この反射光は、第１の方向（ｘ方向）に一旦収束した後発散し、入出力ポート１０ｃの出射面すなわち、マイクロレンズアレイ１１の対応するマイクロレンズのレンズ面の位置で、このレンズの径よりも広い光束を形成する。したがって、図２Ｂの場合と同様に、マイクロレンズに入射する反射光の光量は小さくなる。また、図２Ｂの場合と同様に、この反射光によって生じるクロストークの大きさを低減することができる。

図３は、図１Ａおよび図１Ｂのシリンドリカルレンズの形状の一例を説明する上面図である。シリンドリカルレンズ１３は、共通の中心軸線（図３において中心Ｃを通り紙面に垂直な直線）を有して対向する２つの曲率半径Ｒのシリンドリカル面を有するように構成される。すなわち、このシリンドリカルレンズ１３は、一つの円柱状のガラス等の透明部材から、切り出して作成することができる。

図４は、本実施の形態の変形例としての、シリンドリカルレンズの他の形状を説明する上面図である。この図のシリンドリカルレンズ２３は、入射側の面２３ａが凸面のシリンドリカル面であり、出射側の面２３ｂが、入射側のシリンドリカル面よりも曲率半径が大きい、すなわち、曲率の小さい凹面のシリンドリカル面である。このようなレンズを用いると、入射側の面２３ａの屈折力と出射側の面２３ｂの屈折力とを合成した屈折力は正の屈折力を有するシリンドリカルレンズと同等となる。さらに、入射側の面２３aと出射側の面２３ｂとは、双方ともに曲面により形成されているので、シリンドリカルレンズ１３を用いた場合と同様に反射光によるクロストークの発生を抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、波長選択スイッチ１において楕円形状のスポットを形成するために配置されるシリンドリカルレンズ１３を、入力光が通過する入射側と出射側の双方にシリンドリカル面を有するように構成したので、これら入射側の面１３ａと出射側の面１３ｂとのいずれで反射された入力光の反射光も、出力ポートの出射面の位置において径の広がった光束となるので、クロストークの発生を抑制することができる。

特に、本実施の形態では入力光は略平行光としてシリンドリカルレンズ１３に入射するので、シリンドリカルレンズ１３の入射側の面１３ａと出射側の面１３ｂとのいずれも平面ではなく曲面として形成したことにより、反射光がマイクロレンズアレイ１１により光ファイバ５の端面に結像して、光ファイバに入射してクロストークを発生させることを抑制することができる。

また、シリンドリカルレンズ１３の２つの面を、共通の中心軸線を有して対向するシリンドリカル面としたことにより、シリンドリカルレンズを一つの円柱状の部材から切り出して容易に製造することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、楕円化素子は入力光の通過する２つの面をシリンドリカル面とするシリンドリカルレンズとしたが、これに限られない。例えば、シリンドリカル面の何れか一方または双方に代えて、フレネル形状を設けてシリンドリカル面と同様の屈折面を形成してもよい。あるいは、楕円化素子は、第２の方向（ｘ方向）にのみ屈折力を有するレンズに限られず、例えば、第１の方向（ｙ方向）と第２の方向（ｘ方向）の双方に屈折力を有するが、第１の方向（ｙ方向）により大きな屈折力を有するレンズとすることもできる。

また、本実施の形態において、入出力ポートから出力された入力光の光軸方向（ｚ方向）に直交する鉛直方向を第１の方向（ｙ方向）、水平方向を第２の方向（ｘ方向）方向としたが、第１の方向（ｙ方向）は鉛直方向に限られず、第２の方向（ｘ方向）は水平方向に限られない。第１の方向（ｙ方向）および第２の方向（ｘ方向）は、入力光の進行方向に略直交し且つ互いに略直交する２方向であれば良い。また、本実施の形態において、マイクロレンズアレイ１１は、必ずしも配置されなくても構わない。この場合、出力ポートの出射面とは、入出力ポート１０のうち出力ポートとして機能するポートにおける、光ファイバの端面を指す。また、レンズ１２、レンズ１４、レンズ１７は、集光作用を奏すればよく、集光ミラーや、回折型集光素子等を用いることができる。また、分散素子１５は、分散素子と反射面とを組み合わせたリットマン−メトカルフ型の構成であってもよい。この場合、レンズ１４およびレンズ１６を共通化させることができる。また、分散素子１５は、透過型に限られず、反射型回折格子、Ｇｒｉｓｍ、スーパープリズム等を用いることもできる。

１ 波長選択スイッチ
５ 光ファイバアレイ
１０ 入出力部
１０ａ〜１０ｅ 入出力ポート
１１ マイクロレンズアレイ
１２ レンズ
１３ シリンドリカルレンズ
１４ レンズ
１５ 分散素子
１６ レンズ
１７ 偏向器
１８ 偏向素子
２０ 一次集光点

Claims (4)

1. 少なくとも一つの入力ポートおよび少なくとも一つの出力ポートを含む入出力部と、
   前記入力ポートから入射される波長多重された入力光を、波長毎の光に分散する分散部と、
   該分散部により分散される前記波長毎の光を集光する集光素子と、
   該集光素子により集光される前記波長毎の光をそれぞれ偏向して、前記出力ポートに出射させる偏向部と、
   前記入出力部と前記分散部との間に配置され、前記偏向部に集光する前記波長毎の光のスポットを楕円形状にする楕円化素子と、
   を備え、
   前記楕円化素子は、少なくとも前記入力光が通過する２つの面を有し、該２つの面のそれぞれにより反射される前記入力光の一部が、前記出力ポートの前記波長毎の光を出射させる出射面の位置において該出射面より径の広い光束を形成する波長選択スイッチ。
2. 前記入力ポートは、前記波長多重された光を平行光として入射させ、前記楕円化素子の前記２つの面は、何れも曲面である請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記楕円化素子の前記２つの面は、シリンドリカル面である請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記シリンドリカル面は、共通の中心軸線を有する請求項３に記載の波長選択スイッチ。

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