JP2013011718A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】光入出力部の数が増加した場合であっても、分散素子の小型化を実現できる波長選択スイッチを提供すること。
【解決手段】本発明にかかる波長選択スイッチは、波長多重された光を入力または出力可能な複数のポートを備え、ポートによりそれぞれ構成される複数のポート群からなる光入出力部と、複数のポート群からの光を所定面近傍において少なくとも一部重複させる第１の光学系と、所定面の近傍に配置され、光入出力部から入力された波長多重された光をそれぞれの信号波長に分離する光分散手段と、信号波長に分離された光を集光させる集光要素と、集光要素により集光された光のスポットが同一軸上に配列するように、集光要素により集光されたそれぞれの信号波長光を偏向可能な第１の偏向部材と、第１の偏向部材により偏向された信号波長光を波長ごとに所望の方向に偏向可能な第２の偏向部材とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長選択スイッチに関するものである。

本発明は光通信網のノードにおいて周波数ごとの経路切り替えに用いられる波長選択スイッチに関する。波長選択スイッチの構成としては、例えば、特許文献１に示すようなＭＥＭＳプロセスにより作製されるミラーアレイ（ＭＥＭＳミラーアレイ）により周波数ごとの光信号を任意の出力部へと切り替えるものがある。

また、波長選択スイッチの構成として、１つの波長選択スイッチで切り替えることが可能な経路の数（ポート数）を有していることが挙げられる。近年、この経路の数が例えば２０を超えるような大きい（多ポート）波長選択スイッチが市場に出始めている。

波長選択スイッチは、波長多重された光を入出力することができる光入出力部を備えている。そして、光入出力部は、複数のポートにより構成されている。

特開２００８−３１０２４４号公報

従来の波長選択スイッチの構成では、ポート数に比例して光入出力部の並ぶ方向に高さが増加する。その結果、波長選択スイッチを構成する光学素子も大型化する。
ここで、波長選択スイッチを構成する光学素子のうち、特に回折格子のような分散素子は大型化に伴うコスト増に大きな影響を与える。

本発明は、光入出力部の数が増加した場合であっても、分散素子の小型化を実現できる波長選択スイッチを提供する事を目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の波長選択スイッチは、波長多重された光を入力または出力可能な複数のポートを備え、ポートによりそれぞれ構成される複数のポート群からなる光入出力部と、
複数のポート群からの光を所定面近傍において少なくとも一部重複させる第１の光学系と、
所定面の近傍に配置され、光入出力部から入力された波長多重された光をそれぞれの信号波長に分離する光分散手段と、
信号波長に分離された光を集光させる集光要素と、
集光要素により集光された光のスポットが同一軸上に配列するように、集光要素により集光されたそれぞれの信号波長光を偏向可能な第１の偏向部材と、
第１の偏向部材により偏向された信号波長光を波長ごとに所望の方向に偏向可能な第２の偏向部材と、
を有することを特徴とする。

本発明にかかる波長選択スイッチは、分散素子（光分散手段）の高さで規定されている装置の大きさを小さくできるという効果を奏する。

第１実施形態の波長選択スイッチにおける構成と光線を示す側面図である。 第１実施形態の波長選択スイッチにおける構成と光線を示す上面図である。 （ａ）は第１実施形態の波長選択スイッチにおける光路を詳細に説明する側面図である。（ｂ）は分散素子近傍を拡大して示す図である。 第１実施形態の波長選択スイッチにおける構成の斜視図である。 第１実施形態の波長選択スイッチにおけるＭＥＭＳミラー上の光スポットの形状を示す図である。 第２実施形態の波長選択スイッチにおける構成と光線を示す側面図である。 第２実施形態の波長選択スイッチにおける構成と光線を示す上面図である。 従来の波長選択スイッチにおける構成と光線を示す側面図である。

以下に、波長選択スイッチの実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の波長選択スイッチ１００を側面からみた構成を示している。図２は、波長選択スイッチ１００を上面からみた構成を示している。

本実施形態の波長選択スイッチ１００は入力部および出力部としての複数の入出力ポート１０と、分散素子１５と、分散された波長ごとに光を集光する集光要素としての集光レンズ１６と、光路結合部としての光路結合素子１７と、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材としてのＭＥＭＳミラーアレイ１８とを有している。

更に波長選択スイッチ１００は、レンズアレイ１１と、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂと、第３レンズ１３と、第４レンズ１４とを有している。

入出力ポート１０は、ファイバアレイで構成されている。波長多重された光を入力または出力可能な複数のポート、例えば１０個のポート１０ａ〜１０ｊを備えている。複数のポートは、光入出力部に対応する。
第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂは、複数のポート１０ａ〜１０ｊからの光を所定面近傍において少なくとも一部重複させる。第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂは、第１の光学系に対応する。
分散素子１５は、所定面の近傍に配置され、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂから入力された波長多重された光をそれぞれの信号波長に分離する。分散素子１５は、光分散手段に対応する。
集光レンズ１６は、信号波長に分離された光を集光させる。集光レンズ１６は、集光要素に対応する。
光路結合素子１７は、集光レンズ１６により集光された光のスポットが同一軸上に配列するように、集光レンズ１６により集光されたそれぞれの信号波長光を偏向可能である。光路結合素子１７は、第１の偏向部材に対応する。
光路結合素子１７としては、例えば、プリズムを用いることができる。さらに、光線を屈折する素子であればプリズムに限られず、その他の光学素子を用いることができる。
ここで、光のスポットが同一軸上配列することが望ましい。しかしながら、実用上は、同一軸上に限られず、ある程度の許容幅の範囲に入っていれば良い。
そして、ＭＥＭＳミラーアレイ１８は、光路結合素子１７により偏向された信号波長光を波長ごとに所望の方向に偏向可能である。ＭＥＭＳミラーアレイ１８は、第２の偏向部材に対応する。

さらに、詳細な説明を以下に続ける。本実施形態における入出力ポート１０は、例えば１０ａ〜１０ｊの第１方向に等間隔に並んだ１０のポートより構成されている。そして、９つの入力ポート１０ａ〜１０ｉと１本の出力ポート１０ｊとして機能する。

入出力ポート１０のポート数、入力ポートと出力ポートの並び等はこの状態で限定されるものではない。特に入出力ポート１０のポート数に関しては、説明のために少数のものを意図的に示している。

多ポートの波長選択スイッチ１００としてのポート数としては、例えばＣバンド（ＩＴＵで規定される）帯域で１００ＧＨｚの周波数間隔を用いるものではチャネル数に応じた数量から５０個程度までである。また、ポート数は、５０ＧＨｚの周波数間隔を用いるものではチャネル数に応じた数量から１００個程度までの需要が考えられる。

入出力ポート１０の第１方向に対するピッチＰを、Ｐ=１２５ （μｍ）とすると、ポート１０ａとポート１０ｊの中心間隔は、（式１）より、１２５×（１０−１）÷２×２＝１１２５ （μｍ）となる。ここで、Ｎは入出力ポートの総数を意味する。

集光レンズ１６は、その光軸ＡＸ１６が第１方向におけるポート１０ａとポート１０ｊの中心近傍を通るように配置されているとする。入出力ポート１０における光軸ＡＸ１６からの光学系高さＹ_１は５６２．５（μｍ）となる。また、入出力ポート１０のうち、入力ポート１０ａ〜１０ｅは第１のグループを構成し、入力ポート１０ｆ〜１０ｉ及び出力ポート１０ｊは第２のグループを構成している。
なお、このような入出力ポート１０のグループ分けは、本実施形態のような２つのグループに限定されない。例えば、入出力ポート１０を、３つ以上のグループに分けた構成でも良い。

本実施形態のように、複数のポート群は、２つのポート群からなることが望ましい。これにより、波長選択スイッチ１００の構成をシンプルにしつつ製造しやすい構成とすることができる。

本実施形態における波長選択スイッチ１００の動作を、入力ポート１０ａから入力され、光学系に出射される波長多重された光の振る舞いを用いて以下に説明する。なお、図１では、入力ポート１０ａのみに対して、光が入力されている様子を簡略化して示している。しかしながら、実際はこれに限られず、複数の入力ポートに、波長多重された光が入力されても良い。

入力ポート１０ａから入力された光は、レンズアレイ１１へ入射する。
レンズアレイ１１は、複数のファイバアレイで構成されている入出力ポート１０のそれぞれのポートに対応したレンズを有している。レンズアレイ１１は、入射した光を、コリメート光へ変換する。コリメートされた光は、第１レンズ１２ａに入射する。

ここで、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａと、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６との第１方向に沿った距離Ｙ_２は、第１のグループに属する入出力ポートの数をｎとしたとき、（式２）を満足することが望ましい。

同様に、第２レンズ１２ｂの光軸ＡＸ１２ｂと、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６との第１方向に沿った距離をＹ_２ｂとする。距離Ｙ_２ｂは（式３）を満足することが望ましい。

第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａと、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６との第１方向に沿った距離Ｙ_２は、（式２）より１２５×（１０−５）÷２ ＝３１２．５ （μｍ）となっている。

また、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂとは、それぞれ等しい焦点距離を有している。さらに、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂとは、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６に対し、第１方向について光軸ＡＸ１６から距離Ｙ_２だけ離れている対称な位置に配されている。

次に、入力ポート１０ａ〜１０ｉ、及び出力ポート１０ｊから光を入射した場合を考える。上述した第１のグループに属するポートから出射した光は、各々のポートに対応して配置されているマイクロレンズ１１を通過する。透過した光は、第１レンズ１２ａの光学的作用を受ける。また、第２のグループに属するポートから出射した光は、各々のポートに対応して配置されているレンズアレイ１１を通過する。透過した光は、第２レンズ１２ｂの光学的作用を受ける。

図１において、さらに説明を続ける。入力ポート１０ａを出射した光の説明に戻る。第１レンズ１２ａに入射した光は、第１レンズ１２ａと第３レンズ１３によって集光される。第１レンズ１２ａは、焦点距離ｆ１を有する。第３レンズ１３は焦点距離ｆ３を有する。

第３レンズ１３は、図２において矢印で示す第２方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズである。集光位置での光のビーム形状は、第３レンズ１３を配置することで、図４に示すような、第２方向の径よりも第１方向の径が大きい楕円のビーム形状となる。この時の第１方向のビームの幅をＳ_１１、第２方向のビームの幅をＳ_２１としている。

図１に戻って説明を続ける。第１レンズ１２ａと第３レンズ１３による集光位置は、第１のグループに属するポートのそれぞれから光を出射した際に、各々のポートからの光が交わる位置に略一致する。集光位置での入力ポート１０ａの光が進む方向と、第１レンズ１２ａの光軸とのなす角度はβ_１ａで表される。

入力ポート１０ａの中心位置と第１レンズ１２ａの光軸との第１方向に関する距離をＹ_３とする。距離Ｙ_３が大きくなればなるほど、その入射角度β_１ａは大きくなる。距離Ｙ_３、入射角度β_１ａは、それぞれ（式４）、（式５）で表される。

第１レンズ１２ａと第３レンズ１３とにより集光された光は、集光位置を通過すると発散光となる。発散光は、第４レンズ１４に入射する。第４レンズ１４は、焦点距離ｆ４を有している。光が第４レンズ１４に入射する位置は、第１レンズ１２ａの光軸から第１方向に沿って距離Ｙ_４だけ離れた位置である（図３（ａ）参照）。距離Ｙ_４は（式６）より求められる。

ここで、第４レンズ１４の第１方向の有効径を考える。
第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａと、入出力ポートの第１のグループの各々のポートの中心座標の範囲の中央とは、一致しているとする。入力ポート１０ａと入力ポート１０ｅから入力された光は、第４レンズ１４上において、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａからの距離が等しく（距離Ｙ_４）なる位置に入射する。

図３（ａ）からも容易に分かるように、第４レンズ１４へ、これら２つの光線が入射する位置は、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａからの距離は等しく、入射位置の方向は第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａに対してそれぞれ逆となる。

入出力ポート１０のうちの第１のグループの入力ポート１０ａ〜１０ｅに入力された光のうち、図の第１方向の正の方向に対して最も大きな値（角度）で入射するのは入力ポート１０ｅに入力された光となる。

入力ポート１０ｅから出射した光の第４レンズ１４への入射位置と、第４レンズ１４の光軸との第１方向の距離をＹ_５とすると、距離Ｙ_５は（式７）で与えられる。

従って、第４レンズ１４の第１方向の正側に関する有効径ＣＡ_１４は、（式８）で与えられる。

ここで、図８に示すような従来の波長選択スイッチの構成を用いた場合、入出力ポートに入力された光のうち、第１方向の負の方向（図８の紙面において下側に向かう方向）に対して最も大きな値で入射する位置Ｙ_{５_nor}と、第４レンズ１４の第１方向の負側に関する有効径ＣＡ_{１４_nor}とは、それぞれ、（式９）、（式１０）で与えられる。ここでＳ_１４は第４レンズ１４上における第１方向の光の直径である。

従って、（式８）及び（式１０）の両辺の差分を算出すると、従来構成との有効径が比較できる（（式１１）を参照）。

（式１１）からｆ_４＞ｆ_１の条件においては、（式１１）は正の値をとる。このため、本実施形態の構成における第４レンズ１４の有効径は、従来の波長選択スイッチにおいて対応するレンズの有効径よりも、小さくすることが出来ることが分かる。

第４レンズ１４に入射した光は、第１方向と第２方向とにおいて、それぞれ異なる径を有する平行光としてコリメートされ、分散素子１５の方向に出射される。
図３（ａ）に示すように、第４レンズ１４を出射した光は、分散素子１５に対して、第１方向に角度ε_１１、第２方向に角度α_１（図２参照）だけそれぞれ傾いて入射する。

入出力ポート１０の第１のグループ、第２のグループに属するポートからの光は、それぞれのグループごとに第１方向に略同一の角度で分散素子１５に入射することになる。これは、第４レンズ１４が前述の第３レンズ１３を通過後の集光位置から焦点距離ｆ_４だけ離れた位置に配されていることによる。

第１のグループに属する入力ポート、例えばポート１０ａからの光と、第２のグループに属する入力ポート、例えばポート１０ｆからの光とは、第１方向に関して、それぞれ異なる方向から分散素子１５に入射する。この場合、それぞれの光線が集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６と第１方向に成す角度を角度ε_１１、角度ε_１２とする。このとき、ε_１１＝ε_１２となり、角度の大きさは略等しくなっている。ここで、例えば、各角度ε_１１、ε_１２の大きさは、光軸ＡＸ１６に平行な軸を基準として、その大きさを定義する。

このように、複数のポート群を構成する各ポート群から出射される光の分散素子１５（光分散手段）への入射角度は、それぞれ等しい。

ここで、「角度が等しい」とは、略等しい状態を含んでいる。
どの程度、厳密に等しいかは、ユーザが求めるスペックに依存する。すなわち、仮に角度εが等しくないとき、ミラーアレイ上のスポット位置が、ミラー中心位置から第２方向にずれてしまう。この結果、透過帯域幅が狭くなる。
このため、ユーザが必要とするスペック（透過帯域幅）がそれほど高くなければ、両角度が多少等しくなくても許容される。

分散素子１５は、第４レンズ１４でコリメートされた光を、第１方向とは異なる第２方向に波長に応じて角度分散する。つまり、分散素子１５に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向に拡がる領域で、且つ異なった角度α_２ａ〜α_２ｅの角度範囲の間で進行する。分散素子１５として回折格子を考えた場合、その角度は（式１２）で表される。

ここで、ｍは回折次数、ｄは分散素子１５を構成する回折格子のピッチ、λは波長を示している。上述したように角度ε_１１＝ε_１２の関係が略成立することから、第１のグループに属する入出力ポート１０からの光と、第２のグループに属する入出力ポート１０からの光とに関して、同一波長成分は同一方向に分散される。

角度ε１１≠ε１２の場合、（式１２）からも分かるように、第１のグループに属する入出力ポート１０からの光と、第２のグループに属する入出力ポート１０からの光とは、同一波長成分は同一方向に分散されない。そして、ＭＥＭＳミラーアレイ１８上で第２方向に沿って異なる位置に入射することになる。

一般に、波長選択スイッチにおいては、ＩＴＵにより定められる周波数を中心として周波数（波長）方向に広く均一な透過特性が求められる。ＭＥＭＳミラーを用いた波長選択スイッチにおいては、波長によって第２方向に沿って異なる位置に集光することで、波長によって各ＭＥＭＳミラーからの光ビームのスポットのけられ量が異なる。この結果、波長選択スイッチの透過特性が不均一となる。

第１のグループ及び第２のグループに属する入出力ポート１０からの光が、分散素子１５から異なる角度で分散するということは、このような透過特性の均一性を維持できる波長域を狭めることになる。すなわち、波長選択スイッチとしての特性の劣化を意味する。これに対して、本実施形態においては、角度ε_１１＝ε_１２となる構成をとることにより、このような特性劣化を低減できる。

図２において、分散光が伝播する様子は、簡略化して５つの波長のみ図示している。分散素子１５に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向に沿って異なった角度で進行する。

本実施形態では、分散素子１５としては、図１のような透過型の分散素子を示しているが、反射型の分散素子や回折格子以外の分散素子でもよい。例えば反射型回折格子、イマージョングレーティング、プリズム等を用いても良い。また、分散素子１５は１つの分散素子で構成されている必要はなく、２つ以上の分散素子を組み合わせて分散素子１５として機能させても良い。

次に、分散素子１５の第１方向に沿った有効径について説明する。図３（ａ）において、入力ポート１０ａから出射した光の分散素子１５への入射位置と、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａと、の第１方向に沿った距離（大きさ）をＹ_６で表す。また、入力ポート１０ａから出射した光の分散素子１５への入射位置と、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６と、の第１方向に沿った距離をＹ_７で表す。このとき、Ｙ_６とＹ_７は、それぞれ（式１３）、（式１４）で与えられる。

入力ポート１０ｅから入力された光は、上述のように、第４レンズ１４上において、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａからの距離が、入力ポート１０ａから入力された光の場合と等しく（距離Ｙ_４）なる位置に入射する。

また、入力ポート１０ｅから出射された光は、第４レンズ１４から出射した後、入力ポート１０ａからの光と平行に進行する。このため、入力ポート１０ｅから出射された光に関しては、分散素子１５上での第１方向の入射位置と、第４レンズ１４の光軸との距離も、入力ポート１０ａからの光のそれと等しく、距離Ｙ_７となる（ただし、当該光軸からの方向と、角度の方向はそれぞれ逆である）。

換言すると、第４レンズ１４（第２の光学系）は、第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂ（第１の光学系）と分散素子１５（光分散手段）との間の光路内に配置されている。そして、第４レンズ１４は、複数のポート群を構成する各ポート群からの光の主光線をそれぞれ平行にする。さらに、分散素子１５（光分散手段）は、第４レンズ１４（第２の光学系）からの光をそれぞれの信号波長に分離する。

この構成により、入出力ポート１０の各グループからの光は、効率的に重畳して分散素子１５へ入射する。
ここで、「平行」とは、厳密な平行状態に加えて、略平行の状態でも良い。厳密に平行である程度、すなわち平行度の許容範囲は、ユーザが求めるスペックに依存する。すなわち、仮に平行でない場合、ミラーアレイ上のスポット位置が、ミラー中心位置からずれてしまう。このため、透過帯域幅が狭くなってしまう。
このため、ユーザが必要とするスペック（透過帯域幅）がそれほど高くなければ、平高度が多少等しくなくても許容される。

第２のグループに属する入出力ポートについても同様の説明、考え方を適用できる。本実施形態の場合は、第１のグループ属する入出力ポートの数と第２のグループに属する入出力ポートの数が等しい。このため、結局、分散素子１５の第１方向の負側に関する有効径ＣＡ_１５は、（式１５）で与えられる。ここでＳ_１５は分散素子１５上における第１方向の光の直径である。
図３（ｂ）は、分散素子１５近傍を拡大して示している。

従来の波長選択スイッチの構成を用いた場合、分散素子１５の第１方向の負側に関する有効径ＣＡ_１５norは、（式１６）で与えられる（図８参照）。

（式１５）、（式１６）および距離Ｙ_１が距離Ｙ_２より大きいことから、（式１６）は常に正の値をとり、本実施形態の構成における分散素子１５の大きさは従来の構成に比べ小さく出来ることがわかる。

このように、本実施形態では、分散素子１５の領域ＣＯＭで光束が重畳される。このため、分散素子１５を小型化できる。この結果、分散素子１５の高さを小さくできる。

さらに、図３（ａ）に示すように、第１のグループに属する入出力ポートからの光と、第２のグループに属する入出力ポートからの光とは、第４レンズ１４の位置における領域ＣＯＭ、及び集光レンズ１６の位置における領域ＣＯＭにおいても一部の光束が重複している。
このため、第４レンズ１４、集光レンズ１６の小型化も図ることができる。この結果、波長選択スイッチ１００の大きさを小さくできる。

さて、分散素子１５により角度分散された光は、分散光として、集光レンズ１６に入射する。集光レンズ１６は、焦点距離ｆ５を有する。各分散光は、集光レンズ１６から、収束光として出射される。

分散素子１５の分散起点と、集光レンズ１６の主点との間隔は、焦点距離ｆ５だけ離れている事が望ましい。ここで「分散起点」とは、分散光を逆方向に追跡したときに分散の起点となっているように見える位置を意味する。

このようなレンズ配置をすることで、集光レンズ１６から射出した各分散光は、波長ごとの第２方向の進行方向を略一致させることが出来る。また複数の分散素子を用いて分散素子１５を構成する場合、分散起点は、複数の分散素子で生じる分散を１つの分散素子で生じさせたと考えた場合の分散起点となる。つまり、最終的な各分散光の分散素子１５からの進行方向を逆にたどったときに交わる位置である。

次に、集光レンズ１６の第１方向の有効径について説明する。
集光レンズ１６に入射する光線のうち、第１方向について最も外側を通るのは図３（ａ）より、入力ポート１０ａから出射された光である。入力ポート１０ａから出射した光の集光レンズ１６への入射位置と、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６との第１方向の距離をＹ_８とする。距離Ｙ_８は（式１７）で与えられる。

従って、集光レンズ１６の第１方向の負側に関する有効径ＣＡ_１６は、（式１８）で与えられる。ここでＳ_１６は集光レンズ１６上における第１方向の分散光の直径である。

従来の波長選択スイッチの構成を用いた場合、入出力ポートに入力された光のうち、第１方向の負の方向に対して最も大きな値で入射する位置Ｙ_{８_nor}と、集光レンズ１６の第１方向の正側に関する有効径ＣＡ_{１６_nor}はそれぞれ、（式１９）、（式２０）で与えられる（図８参照）。

従って、（式１８）及び（式２０）の両辺の差分を算出すると、従来構成との有効径が比較できる（（式２１）を参照）。

このことから、本実施形態の構成における集光レンズ１６の有効径は従来の波長選択スイッチより小さくすることが出来ることが分かる。
集光レンズ１６を出射した分散光は、光路結合素子１７（光路結合部）に入射する。光路結合素子１７は入射面、出射面の少なくとも一方で、第１のグループに属する入出力ポートからの光と、第２のグループに属する入出力ポートからの光とが、通過する面が異なるように構成されている。
光路結合素子１７としては、プリズムを用いることができる。また、これに限られず、屈折作用を生ずる他の光学素子を光路結合素子１７として用いることもできる。

本実施形態においては、光路結合素子１７は出射面に、第１のグループに属する入出力ポートからの光が通る面１７ａと、第２のグループに属する入出力ポートからの光が通る面１７ｂと、を有している。

光路結合素子１７が存在しない場合、集光レンズ１６で集光された各分散光は、第１方向について、第１のグループに属する入出力ポートからの光は第２レンズ１２ｂの光軸ＡＸ１２ｂの延長線上に集光する。また、第２のグループに属する入出力ポートからの光は、第１レンズ１２ａの光軸ＡＸ１２ａの延長線上に集光する。このように、光路結合素子１７を設けない場合、第１のグループに属する入出力ポートからの光と、第２のグループに属する入出力ポートからの光とは、それぞれ別の場所に集光する。

光路結合素子１７によって、集光レンズ１６を出射した分散光は、第１のグループに属する入出力ポートからの光及び第２のグループに属する入出力ポートからの光は、共に、波長に対応したそれぞれのＭＥＭＳミラー１８ａ〜１８eにそれぞれ集光される。

図２においてＭＥＭＳミラーは５つのみ代表して示している。しかしながら、ＭＥＭＳミラーアレイ１８を構成するＭＥＭＳミラーの数量はこれに限られるものではない。ＭＥＭＳミラーの個数も伝播される信号の周波数間隔及び周波数帯域幅により決められる。

また、ＭＥＭＳミラーアレイ１８は、複数の入力ポートからの光が第１方向に略交わる位置に配置されている。ＭＥＭＳミラーアレイ１８の位置での入力ポート１０ａからの光が進む方向と、集光レンズ１６の光軸ＡＸ１６とのなす角度β_２ａ（図１参照）は理想的には（式２２）より求められる。

また、ＭＥＭＳミラーアレイ１８の位置における光ビーム形状は、上述したように第２の方向の径よりも、第１方向の径のほうが大きい楕円のビーム形状である。第１方向のビーム幅をＳ_１Ｍ、第２方向のビームをＳ_２Ｍとする。それらの大きさはそれぞれ（式２３）、（式２４）で表される。

図５は、ＭＥＭＳミラー１８ａにおける光スポットの形状を正面から見た図である。

ＭＥＭＳミラーアレイ１８は、それぞれのミラーがローカルの直交するＸ軸とＹ軸の２軸周りに回転することが可能に構成されている。Ｘ軸は第２方向、Ｙ軸は第１方向にそれぞれ対応している。Ｘ軸に関する回転により、出力ポートと光結合させる入力ポートを分散光の波長ごとに選択することが可能である。以下では入力ポート１０ａからの光が出力ポート１０ｊと光結合される状態にＭＥＭＳミラーアレイ１８のそれぞれの角度が制御されているものとする。

図１に戻って説明を行う。ＭＥＭＳミラーアレイ１８の各ミラーによって反射された光は、広がりを持ったビーム形状で集光レンズ１６に入射する。
集光レンズ１６から入出力ポート１０側へ出射した分散光は、光路結合素子１７の作用により、再び第１のグループに属する入出力ポートに向かう光と、第２のグループに属する入出力ポートに向かう光と、に分けられる。

入力ポート１０ａからの光は、ＭＥＭＳミラーアレイ１８で反射された後、光路結合素子１７の面１７ｂから入射し、光路結合素子１７を出射する。光路結合素子１７を出射した光は、分散素子１５上に統合、すなわち重複され、回折後は再び多波長成分の同一光束となる。

実際には、異なる入力ポートから入力された波長多重光から成る各分散光は、出力ポートへ向かう波長多重された光の同一光束となる。このとき分散素子１５に入出射する第１方向の角度ε_１２の大きさは、角度ε_１１の大きさと略一致している。

分散素子１５によって波長多重された光は、第４レンズ１４、第３レンズ１３、第２レンズ１２ｂ、の順にレンズを透過する。そして、出力ポート１０ｊに対応したレンズアレイ１１のレンズに入射し、出力ポート１０ｊに集光される。

このように、複数の入力ポートから出射した多波長成分の光は、波長ごとにＭＥＭＳミラーアレイ１８のそれぞれのＭＥＭＳミラー１８ａ〜１８ｅの傾き角により選択的に出力ポートに入射させることができる。
以上のように、本実施形態において波長選択スイッチは、９×１のポート構成を有する波長選択スイッチとして機能する。

本実施形態の波長選択スイッチ１００は、分散素子１５については、従来構成の波長選択スイッチに比べ第１方向に小型化が可能である。また、第４レンズ１４は、（式１１）が正となる条件においては、従来構成の波長選択スイッチに比べ第１方向に小型化できる。また、集光レンズ１６は、（式２１）が正となる条件においては、従来構成の波長選択スイッチに比べ第１方向に小型化できる。

波長選択スイッチ全体の小型化を考えた場合、（式１１）、（式２１）の双方が正となるような構成をとるのが望ましい。例えばｆ１＜ｆ４≒ｆ５のように構成すると、装置全体を小型化することが出来る。また、第４レンズ１４と集光レンズ１６とを同一レンズにより構成し、ｆ４＝ｆ５となるようにしても良い。

換言すると、集光レンズ１６（集光要素）の焦点距離ｆ_５及び第４レンズ１４（第２の光学系）の焦点距離ｆ_４は、第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂ（第１の光学系）の焦点距離ｆ_１よりも長いことが望ましい。

これにより、分散素子１５の領域を有効に使用できるような第４レンズ１４（第２の光学系）の最低限の大きさ（径）を達成できる。これにより、波長選択スイッチ１００全体の高さを小さくできる。

以上のように、本実施形態の構成により、入出力部の増加に伴う装置の高さの増加を緩やかにし、特に分散素子の小型化を実現可能な、波長選択スイッチを提供する事が出来る。

本実施形態の波長選択スイッチ１００では光学系をレンズで構成したが、図示しない反射光学系としてもよい。
また、本実施形態の波長選択スイッチは第１レンズ１２と、第２レンズ１３とにより、楕円形状の径をもつ光として光学系を伝播したが、レンズは必ずしも必要ではなく、円形状の径をもつ光のまま伝播しても、本実施形態の効果を奏することができる。
また、本実施形態の波長選択スイッチは複数の入力部に対し１つの出力部をもったＮ×１の構成を用いて説明したが、１つの入力部に対し複数の出力部をもった１×Ｎの構成であっても良い。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る波長選択スイッチ２００について説明する。
図６は、第２実施形態の波長選択スイッチ２００における構成と光線を示す側面図である。図７は、第２実施形態の波長選択スイッチ２００における構成と光線を示す上面図である。上記第１実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、波長選択スイッチ２００の構成を、より簡易にした点において、第１実施形態と異なる。
第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂの代わりに、プリズム１２’を用いている。プリズム１２’は、複数のポート群からの光を所定面近傍において少なくとも一部重複させる。本実施形態では、入出力ポート１０のうち、入力ポート１０ａ〜１０ｅは第１のグループを構成し、入力ポート１０ｆ〜１０ｉ及び出力ポート１０ｊは第２のグループを構成している。

そして、第１のグループに属するポート群からの光と、第２のグループに属するポート群からの光とは、プリズム１２’により、分散素子１５の領域ＣＯＭにおいて重複するように屈折される。

このように、本実施形態では、分散素子１５の位置ＣＯＭで光束が重畳される。このため、分散素子１５を小型化できる。この結果、分散素子１５の高さで規定されている波長選択スイッチ２００の大きさを小さくできる。

さらに、図６に示すように、第１のグループに属するポート群からの光と、第２のグループに属するポート群からの光とは、集光レンズ１６の位置における領域ＣＯＭにおいても一部の光束が重複している。
このため、集光レンズ１６の小型化も図ることができる。この結果、波長選択スイッチ２００の大きさを小さくできる。

本実施形態では、上記実施形態に比較して、さらに、簡易な構成により、分散素子１５の高さ方向の大きさを低減できる。この結果、分散素子１５で規定される波長選択スイッチ２００の大きさを小さくできる。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、様々な変形例をとることができる。

本発明にかかる波長選択スイッチは、光入出力部の数が増加した場合であっても、分散素子の小型化を実現できる波長選択スイッチであって、例えば光学系や通信の分野において有用である。

１００、２００ 波長選択スイッチ
１０ 入出力ポート
１０ａ、１０ｂ、…１０ｊ ファイバ
１１ レンズアレイ
１２ａ 第１レンズ
１２ｂ 第２レンズ
１３ 第３レンズ
１４ 第４レンズ
１５ 分散素子
１６ 集光レンズ
１７ 光路結合素子
１８ ＭＥＭＳミラーアレイ
１８ａ〜１８ｅ ＭＥＭＳミラー

Claims (5)

1. 波長多重された光を入力または出力可能な複数のポートを備え、前記ポートによりそれぞれ構成される複数のポート群からなる光入出力部と、
   前記複数のポート群からの光を所定面近傍において少なくとも一部重複させる第１の光学系と、
   前記所定面の近傍に配置され、前記光入出力部から入力された波長多重された光をそれぞれの信号波長に分離する光分散手段と、
   前記信号波長に分離された光を集光させる集光要素と、
   前記集光要素により集光された光のスポットが同一軸上に配列するように、前記集光要素により集光されたそれぞれの信号波長光を偏向可能な第１の偏向部材と、
   前記第１の偏向部材により偏向された信号波長光を波長ごとに所望の方向に偏向可能な第２の偏向部材と、
   を有することを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 前記第１の光学系と前記光分散手段との間の光路内に配置され、前記複数のポート群を構成する各ポート群からの光の主光線を平行にする第２の光学系をさらに有し、
   前記光分散手段が、前記第２の光学系からの光をそれぞれの信号波長に分離することを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記集光要素の焦点距離及び前記第２の光学系の焦点距離は、前記第１の光学系の焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記複数のポート群を構成する各ポート群から出射される光の前記光分散手段への入射角度は、それぞれ等しいことを特徴とする請求項２または３に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記複数のポート群は、２つのポート群からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
   
   

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