JP2013218201A - 波長クロスコネクト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低損失、フラットトップレスポンス、低クロストーク、多ポート化を実現でき、かつ、構造が簡単で低価格な波長クロスコネクト装置を提供する。
【解決手段】入力分波光学系２および出力合波光学系４は、各ポートの光の光路が、互いに平行で横方向に整列するように構成されると共に、各ポートの光が縦方向に分光または合波されるように構成され、縦横で独立した集光機能を有するレンズシステム７を備えており、波長スイッチ光学系３は、レンズシステム７の焦点位置にそれぞれ配置されると共に対向配置され、各ポートの波長毎の光に対応するよう縦横に配置された２次元の光偏向用のエレメントを有し、入力される各波長毎の光の横方向の反射角度を調整して出力する光偏向素子アレイ２０，２１と、レイリー長の焦点距離を有し横方向のみに作用するスイッチング用レンズ２２と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長クロスコネクト装置に関するものである。

従来の波長クロスコネクト装置として、図１４に示すものが知られている（特許文献１参照）。

図１４に示す波長クロスコネクト装置１４１は、入力光ファイバ１４２と、出力光ファイバ１４３と、マイクロレンズアレイ１４４と、マクロペアレンズ１４５と、グレーティング１４６と、λ／４板１４７と、光スイッチマトリクス１４８と、から構成されている。

この波長クロスコネクト装置１４１では、入力光ファイバ１４２から入力された光は、マイクロレンズアレイ１４４、マクロペアレンズ１４５を構成する一方のマクロレンズ１４５ａを通過して、グレーティング１４６で波長毎に分光される。グレーティング１４６で分光された各波長毎の光は、マクロペアレンズ１４５を構成する他方のマクロレンズ１４５ｂ、λ／４板１４７を通って光スイッチマトリクス１４８に入射する。

光スイッチマトリクス１４８は、複数のＭＥＭＳミラー１４９を対向配置して構成されており、ＭＥＭＳミラー１４９の反射角度を変えることで、波長毎のスイッチングが可能に構成されている。光スイッチマトリクス１４８から出力された光は、λ／４板１４７、マクロレンズ１４５ｂを通過した後、グレーティング１４６で合波され、マクロレンズ１４５ａ、マイクロレンズアレイ１４４を通過して、出力光ファイバ１４３から出力される。

また、波長クロスコネクト装置ではないが、単一波長の光をスイッチングする光クロスコネクト装置として、図１５に示したものがある（非特許文献１参照）。

この光クロスコネクト装置１５１では、ＭＥＭＳミラーアレイ１５２を対向配置すると共に、両ＭＥＭＳミラーアレイ１５２間に、レイリー長（Ｒａｙｌｅｉｇｈ Ｌｅｎｇｔｈ）の焦点距離を有するレンズ１５３を配置している。両ＭＥＭＳミラーアレイ１５２とレンズ１５３との距離は、レンズ１５３の焦点距離（つまりレイリー長）と等しくなるように調整される。

光クロスコネクト装置１５１では、入力側のファイバアレイ１５４から入力された光は、レンズアレイ１５５を介して一方のＭＥＭＳミラーアレイ１５２に入力され、一方のＭＥＭＳミラーアレイ１５２にて反射され、レンズ１５３を通過した後、さらに他方のＭＥＭＳミラーアレイ１５２にて反射されて、レンズアレイ１５５を介して出力側のファイバアレイ１５６から出力される。ここで、レンズ１５３は、角度を位置（オフセット）に変換するので、一方のＭＥＭＳミラーアレイ１５２で反射角度を変化させれば、他方のミラーアレイ１５２上での位置の変化として反映されることとなり、スイッチングが行われる。

また、従来の別の波長クロスコネクト装置として、図１７（ａ）に示すものが知られている。図１７（ａ）に示す波長クロスコネクト装置１７１では、入出力ファイバアレイ１７２のうち一本から入力された信号光は、偏波ダイバーシティ光学系１７３と集光レンズ１７４により整形され、集光レンズ１７４の焦点Ｃを通過したのちに、湾曲ミラー１７５によりコリメートされ、グレーティング１７６上の点Ｇにおいて波長毎に分光される。分光された信号光は湾曲ミラー１７５によりＬＣＯＳ１７７上の点Ａに集光され、その集光位置は波長に応じて図中のλ軸上の別々の位置となる。ＬＣＯＳ１７７はそれぞれの波長光に対して独立に位相変調を行う。位相変調された光は紙面奥行き方向（Ｙ軸方向）に、自由に偏向され反射される。点Ａで反射された光は湾曲ミラー１７５を通りグレーティング１７６上の点Ｇ’において合波され、湾曲ミラー１７５、焦点Ｃ、集光レンズ１７４を経由してフーリエミラー１７８に到達する。フーリエミラー１７８を反射した光は、上視面で往路と同じ光路を逆行し、入出力ファイバアレイ１７２に出力される。

上述の動作を側面（Ｙ−Ｚ軸平面）から見たものが図１７（ｂ）である（説明の簡素化のため、ＬＣＯＳ１７７とフーリエミラー１７８以外の素子は省略している）。ＬＣＯＳ１７７上の点Ａでの反射角を適切に設定することにより、フーリエミラー１７８を反射した光を、ＬＣＯＳ１７７面内の別の位置である点Ｂに到達させることができる。点Ｂでは再び位相変調を行い、入出力ファイバアレイ１７２のうちの所望の出力ファイバに結合するように光の偏向角を調整する。Ｙ軸上の点Ａおよび点Ｂの位置と、各位置での偏向角を適切に設定することで、入出力ファイバアレイ１７２のうちの任意の入力ファイバと任意の出力ファイバの組み合わせをスイッチングすることができる。すなわち波長クロスコネクト装置１７１では１回のスイッチング動作で、点Ｃ→Ｇ→Ａ→Ｇ’→Ｃ→Ｃ→Ｇ’→Ｂ→Ｇ→Ｃの順に光路をたどり、グレーティング１７１を計４回通過する。

米国特許第６２８９１４５号明細書

Ｄａｖｉｄ Ｔ． Ｎｅｉｌｓｏｎ、他１１名、「２５６×２５６ Ｐｏｒｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、２００４年４月、ｐ．１４９９−１５０９ ＮＩＣＯＬＡＳ Ｋ． ＦＯＮＴＡＩＮＥ、他２名、「ＮｘＭ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＣＲＯＳＳＣＯＮＮＥＣＴ ＷＩＴＨ ＦＬＥＸＩＢＬＥ ＰＡＳＳＢＡＮＤＳ」、ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ ＰＯＳＴＤＥＡＤＬＩＮＥ ＰＡＰＥＲＳ、ＰＤＰ５Ｂ．２、２０１２年３月

しかしながら、図１４の従来の波長クロスコネクト装置１４１では、マイクロレンズアレイ１４４やマクロペアレンズ１４５として、通常の２次元レンズを用いているため、ＭＥＭＳミラー１４９上の光分布が、入力光ファイバ１４２の出射光の拡大イメージとなり円形の光分布となってしまう。したがって、光通信システムの要求であるフラットトップレスポンス（波長通過域の平坦化）、低クロストークを実現するためには、極めて大面積のＭＥＭＳミラー１４９が必要になり、多ポート化が困難になると共に、質量増加による駆動電圧上昇やミラー平坦度などの問題が生じ、実現が極めて困難である。

また、波長クロスコネクト装置１４１では、対向配置したＭＥＭＳミラー１４９間を自由空間としているためＭＥＭＳミラー１４９上の像はビームウエイスト（像の大きさが最も小さくなる焦点）とならず、大きな像となってしまうために、さらに大面積なＭＥＭＳミラー１４９が必要となることからも、波長クロスコネクト装置１４１では、多ポート化が極めて困難である。

図１５の光クロスコネクト装置１５１では、対向するＭＥＭＳミラーアレイ１５２間に、レイリー長の焦点距離を有するレンズ１５３を備えているため、ＭＥＭＳミラー上での像がビームウエイストとなっているため、ＭＥＭＳミラーの面積を小さくすることが可能であるために集積化が容易であり、多ポート化に有利である。

しかし、光クロスコネクト装置１５１では、そもそも波長毎のスイッチングを考慮しておらず、レンズ１５３として通常の２次元レンズを用いているため、波長クロスコネクト装置へ応用することが困難である。具体的には、光クロスコネクト装置１５１で波長クロスコネクトを実現するためには、図１６に示すように、波長を合分波するために入出力のポート数と同じだけ光合分波器１６１を接続する必要があり、装置が大掛かりになるばかりでなく、コストが高くなってしまう。

波長クロスコネクト装置１７１では、上述のようにグレーティング１７６を計４回通過する光学系を採用している。しかし、グレーティング１７６は不要次数の回折光励起などの原理的な損失を持つため１回あたりの反射率が悪く、これを４回も通過させると、波長クロスコネクト装置１７１の挿入損失を著しく悪化させてしまう。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、低損失、フラットトップレスポンス、低クロストーク、多ポート化を実現でき、かつ、構造が簡単で低価格な波長クロスコネクト装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、複数の入力ポートから入力された光をそれぞれ波長毎に分光して出力する入力分波光学系と、該入力分波光学系から入力された各波長毎の光を、それぞれ所望のポートにスイッチングして出力する波長スイッチ光学系と、該波長スイッチ光学系から入力された各波長毎の光をポート毎に合波し、対応する出力ポートから出力する出力合波光学系と、を備えた波長クロスコネクト装置において、前記入力分波光学系および前記出力合波光学系は、各ポートの光の光路が、互いに平行で横方向に整列するように構成されると共に、各ポートの光が縦方向に分光または合波されるように構成され、縦横で独立した集光機能を有し、前記波長スイッチ光学系に出力される各波長毎の光の焦点を横長の楕円形状とするか、あるいは前記波長スイッチ光学系から入力される横長の楕円形状の焦点とされた各波長毎の光を前記出力ポートの像と同形状の焦点に戻すレンズシステムを備えており、前記波長スイッチ光学系は、前記入力分波光学系と前記出力合波光学系の前記レンズシステムの焦点位置にそれぞれ配置されると共に対向配置され、各ポートの波長毎の光に対応するよう縦横に配置された２次元の光偏向用のエレメントを有し、入力される各波長毎の光の横方向の反射角度を調整して出力する２つの光偏向素子アレイと、レイリー長の焦点距離を有し横方向のみに作用するレンズからなり、前記両光偏向素子アレイ間に当該両光偏向素子アレイからの距離が共に焦点距離と等しくなるように配置され、一方の前記光偏向素子アレイで調整された各波長毎の光の横方向の角度を、他方の前記光偏向素子アレイ上での横方向の位置に変換することで、スイッチングを行うスイッチング用レンズと、を備えている波長クロスコネクト装置である。

前記波長スイッチ光学系は、縦方向のみに作用するフーリエ光学系のレンズを多段に備え、当該多段のレンズにより、縦方向の角度を縦方向の位置に変換し、その後、再び縦方向の位置を縦方向の角度に変換するように構成されていてもよい。

前記入力分波光学系および前記出力合波光学系は、平らな基板上に形成され、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覆った構造からなる複数のチャネル導波路をモノリシックに集積してなり、前記各チャネル導波路の一方の入出射口が前記入力ポートまたは前記出力ポートとして用いられ、他方の入出射口が横方向に一直線状に整列するように形成された導波路アレイと、前記導波路アレイの他方の入出射口から出射された各ポートの光を波長毎に縦方向に分光して前記波長スイッチ光学系に出力する、あるいは、前記波長スイッチ光学系から入力された波長毎の光を合波して前記導波路アレイの他方の入出射口に入射する分光素子と、を備え、前記レンズシステムは、縦方向のみに作用するレンズからなり、前記導波路アレイの他方の入出射口から出射された光をコリメートして前記分光素子に出力する、あるいは、前記分光素子から入力された光を集光して前記導波路アレイの他方の入出射口に入射する第１レンズと、縦方向のみに作用するレンズからなり、前記分光素子で分光された各波長毎の光を集光して前記波長スイッチ光学系に出力する、あるいは、前記波長スイッチ光学系から入力された各波長毎の光を集光して前記分光素子に出力する第２レンズと、横方向のみに作用するレンズからなり、前記導波路アレイの他方の入出射口にそれぞれ個別に設けられる第３レンズと、からなってもよい。

前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを上面視で前記他方の入出射口に向けてテーパ導波路またはスラブ導波路を用いて拡大した導波路拡大部が形成され、前記第３レンズは、前記導波路拡大部の出射口近傍に設けられたバルク型のシリンドリカルレンズアレイからなっていてもよい。

前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを上面視で前記他方の入出射口に向けてテーパ導波路またはスラブ導波路を用いて拡大した導波路拡大部が形成され、前記第３レンズは、前記各チャネル導波路の前記導波路拡大部により拡大されたコア上または前記拡大されたコア近傍のクラッド上に形成された導波路型レンズからなってもよい。

前記導波路型レンズは、前記各チャネル導波路のコア上に、縦方向に掘られた複数のトレンチを形成すると共に、当該複数のトレンチに前記コアよりも低い屈折率のクラッド材もしくは樹脂を充填してなり、前記複数のトレンチは、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凹型のレンズ状、または凹型のフレネルレンズ状となるように形成されてもよい。

前記コアよりも低い屈折率の樹脂として、前記クラッドよりも低い屈折率の樹脂を用いてもよい。

前記導波路型レンズは、前記各チャネル導波路のコア上に、縦方向に掘られた複数のトレンチを形成すると共に、当該複数のトレンチに前記コアよりも高い屈折率の樹脂を充填してなり、前記複数のトレンチは、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凸型のレンズ状、または凸型のフレネルレンズ状となるように形成されてもよい。

前記複数のトレンチは、その光の伝搬方向における配置間隔が不等間隔となるように形成されていてもよい。

前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを屈曲させた曲げ部が形成されてもよい。

前記導波路アレイの一方の入出射口には、複数の光ファイバをアレイ状に配置した光ファイバアレイが接続されてもよい。

前記分光素子は、横方向に刻線が形成されたグレーティングからなってもよい。

前記グレーティングが、反射型のブレーズドグレーティング、または反射型のエシェルグレーティング、またはグレーティングの表面をプリズムで覆ったグリズムからなってもよい。

前記光偏向素子アレイは、複数のＭＥＭＳミラーを縦方向に一次元に配列した短冊状の複数の一次元ＭＥＭＳミラー群を、各ポートに対応するように横方向にアレイ状に配置して構成されてもよい。

前記各ＭＥＭＳミラーは、その配列方向の間隔が１２．５ＧＨｚ以下の粒度の信号周波数間隔と対応するように設定され、隣り合う前記ＭＥＭＳミラー間の隙間は入力される光のスポットサイズ以下に設定されてもよい。

前記一次元ＭＥＭＳミラー群は、複数の前記ＭＥＭＳミラーをグループ化し、当該グループ化したＭＥＭＳミラーを同じ角度となるように制御されてもよい。

前記光偏向素子アレイは、複数のＬＣＯＳチップを、各ポートに対応するように横方向にアレイ状に配置して構成されてもよい。

前記光偏向素子アレイは、１台のＬＣＯＳチップからなり、各ポートから出力される全ての使用波長に対応する前記楕円形状の焦点群が前記ＬＣＯＳチップの有効径内に収まるよう構成されてもよい。

前記ＬＣＯＳチップは、その液晶層と反射膜との間に、１／４波長層が形成されていてもよい。

本発明によれば、低損失、フラットトップレスポンス、低クロストーク、多ポート化を実現でき、かつ、構造が簡単で低価格な波長クロスコネクト装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る波長クロスコネクト装置の斜視図である。 図１の波長クロスコネクト装置の入力分波光学系を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図１の波長クロスコネクト装置で用いる導波路型レンズを説明する図であり、（ｇ）はシリンドリカルレンズアレイを説明する図である。 図１の波長クロスコネクト装置の出力合波光学系を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 図１の波長クロスコネクト装置の波長スイッチ光学系を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 図１の波長クロスコネクト装置で用いるＭＥＭＳミラーアレイを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一次元ＭＥＭＳミラー群の斜視図、（ｃ）は一次元ＭＥＭＳミラー群において、複数のＭＥＭＳミラーをグループ化する場合の斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の波長クロスコネクト装置において、各ポートの光のスイッチング動作を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る波長クロスコネクト装置の斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る波長クロスコネクト装置の斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る波長クロスコネクト装置の斜視図である。 本発明で用いるＬＣＯＳチップアレイを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＬＣＯＳチップの平面図、（ｃ）はＬＣＯＳチップの断面図、（ｄ）はＬＣＯＳチップ上の屈折率分布の一例を示す図、（ｅ）は１台のＬＣＯＳチップを用いる場合の斜視図である。 本発明において、ＬＣＯＳチップアレイを用いた場合のマルチキャスト動作を説明する図である。 （ａ）は、本発明の波長クロスコネクト装置を用いたノード装置の概略構成図であり、（ｂ）は従来の波長クロスコネクト装置を用いたノード装置の概略構成図である。 従来の波長クロスコネクト装置の概略構成図である。 従来の光クロスコネクト装置の概略構成図である。 図１５の従来の光クロスコネクト装置を波長クロスコネクト装置として用いた場合の斜視図である。 従来の波長クロスコネクト装置の概略構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る波長クロスコネクト装置の斜視図である。

図１に示すように、波長クロスコネクト装置１は、複数の入力ポート５から入力された光をそれぞれ波長毎に分光して出力する入力分波光学系２と、入力分波光学系２から入力された各波長毎の光を、それぞれ所望のポートにスイッチングして出力する波長スイッチ光学系３と、波長スイッチ光学系３から入力された各波長毎の光をポート毎に合波し、対応する出力ポート６から出力する出力合波光学系４と、を備えている。

波長スイッチ光学系３は、入力分波光学系２と出力合波光学系４の２つの光学系を光学的に結合し、かつ、各ポートの波長毎の光をそれぞれ所望のポートにスイッチングする役割を果たすものである。

図１では、入力ポート５と出力ポート６を５つ備えた５入力５出力（５×５）の波長クロスコネクト装置１を示しているが、入出力の数はこれに限定されるものではない。また、図１では、１つのポートで波長の異なる５つの光信号を伝送する場合を説明するが、１ポートあたりに用いる波長の数もこれに限定されるものではない。

以下、入力分波光学系２、出力合波光学系４、波長スイッチ光学系３の順に詳細に説明する。

［入力分波光学系］
まず、入力分波光学系２について説明する。

図１および図２に示すように、入力分波光学系２は、各ポートの光の光路が、互いに平行で横方向（Ｘ軸方向）に整列するように構成されると共に、各ポートの光が縦方向（Ｙ軸方向）に分光されるように構成され、縦横で独立した集光機能を有し、波長スイッチ光学系３に出力される各波長毎の光の焦点を横長の楕円形状とするレンズシステム７を備えている。

より具体的には、入力分波光学系２は、導波路アレイ８と、分光素子としてのグレーティング１０と、上述のレンズシステム７とから構成される。

導波路アレイ８は、図示しない平らな基板上に形成され、屈折率の高いコア８ａをそれよりも屈折率の低いクラッド８ｂで覆った構造からなる複数のチャネル導波路９をモノリシックに集積してなる。各チャネル導波路９の一方の入出射口９ａは入力ポート５として用いられ、一方の入出射口９ａと他方の入出射口９ｂは、共に横方向（Ｘ軸方向）に一直線状に整列するように形成される。

導波路アレイ８の各チャネル導波路９には、コア８ａを上面視で他方の入出射口９ｂに向けてテーパ導波路またはスラブ導波路を用いて拡大した導波路拡大部１１が形成される。また、各チャネル導波路９の導波路拡大部１１よりも一方の入出射口９ａ側（入力ポート５側）には、コア８ａを上面視で屈曲させたクラッドモード除去用の曲げ部１２が形成される。また、曲げ部１２よりも一方の入出射口９ａ側（入力ポート５側）には、曲げ部１２と入力ポート５とを光学的に接続する入力部１３が形成される。

各チャネル導波路９は、横方向（Ｘ軸方向）に整列するように形成される。導波路アレイ８の入力ポート５、すなわち各チャネル導波路９の一方の入出射口９ａには、複数の光ファイバ（光ファイバポート）１４ａをアレイ状に配置した入力用の光ファイバアレイ１４が接続される。上述の曲げ部１２は、光ファイバアレイ１４を入力ポート５に結合したときに生じるクラッドモードを除去し、クロストークを抑制するためのものである。

グレーティング１０としては、横方向（Ｘ軸方向）に刻線（凹凸の刻線）が形成されたものを用い、縦方向（Ｙ軸方向）に分光を行うようにする。グレーティング１０の刻線方向と、チャネル導波路９の配列方向は同じ方向となる。グレーティング１０としては、回折効率が大きく波長毎の反射角度の差が大きい（アンギュラーディスパージョンが大きい）ものを用いることが望ましく、ブレーズドグレーティングやグリズムを用いることが望ましい。なお、ブレーズドグレーティングとは、通常のホログラフィックグレーティングにブレーズド処理を行い、表面に鋸歯状の突起を形成したものであり、グリズムとはグレーティング表面を屈折率の高いプリズムで覆い、光路を調整したグレーティングである。ブレーズドグレーティングを光路に対して斜めに配置することで、回折効率をより大きくすることが可能である。また、刻線ピッチのより小さなブレーズドグレーティングや、回折次数のより大きなグレーティング（反射型のエシェルグレーティング）を用いることでアンギュラーディスパージョンを大きくすることが可能である。本実施の形態では、グレーティング１０として透過型のブレーズドグレーティングを用い、グレーティング１０をＸ−Ｙ軸平面に対して傾斜して配置した。なお、グレーティング１０を通過した後の光路は、グレーティング１０の配置角や設計中心波長の値によっては折り曲がって進むことがあるが、ここでは説明の簡単化のため、グレーティング１０通過前後で中心波長の光線がＺ軸に沿って折れ曲がらずに進むように図示してある。また以後の図面において、グレーティング１０は薄肉の理想分光素子として描いており、ブレーズの方向や配置角は厳密なものではない。

レンズシステム７は、縦方向（Ｙ軸方向）のみに作用する蒲鉾型の第１レンズ１５および第２レンズ１６と、横方向（Ｘ軸方向）のみに作用する第３レンズとからなる。

第１レンズ１５は、縦方向（Ｙ軸方向）のみに作用する蒲鉾型のレンズからなり、導波路アレイ８とグレーティング１０との間に配置され、導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂから出射された光をコリメートしてグレーティング１０に出力するように構成される。導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂと第１レンズ１５間の距離は、第１レンズ１５の焦点距離Ｆｙと等しい距離とされる。

第２レンズ１６は、第１レンズ１５と同様に縦方向（Ｙ軸方向）のみに作用する蒲鉾型のレンズからなり、グレーティング１０と波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２０）との間に配置され、グレーティング１０で分光された各波長毎の光を集光して波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２０）に出力するように構成される。グレーティング１０と第２レンズ１６間の距離、および第２レンズ１６と光偏向素子アレイ２０間の距離は、第２レンズ１６の焦点距離ｆｙと等しい距離とされる。

なお、ここでは、説明の簡単化のため、第１レンズ１５と第２レンズ１６が単レンズ（蒲鉾型のレンズ）である場合を示しているが、第１レンズ１５と第２レンズ１６は、収差等の影響を小さくするために複合したレンズであってもよい。後述する第３レンズ、スイッチング用レンズ２２、第４レンズ２４、第５レンズ２５についても同様である。

第３レンズは、横方向のみに作用するレンズからなり、導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂにそれぞれ個別に設けられる。ここで、導波路拡大部１１の実効的な伝搬長をＬ１、導波路拡大部１１の実効的な屈折率をｎ１、第３レンズと光偏向素子アレイ２０間の距離をＬ２とおくと、第３レンズとしては、その焦点距離が１／（ｎ１／Ｌ１＋１／Ｌ２）で表されるレンズを用いる。一般的にＬ２のほうがＬ１よりもはるかに長いので、第３レンズの焦点距離は近似的にＬ１／ｎ１となる。このような配置をとることで、第３レンズを通過した光は、光偏向素子アレイ２０の上に焦点を結ぶ。第３レンズとしては、図３（ｇ）に示す導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂの近傍の自由空間中に設置されたバルク型のシリンドリカルレンズアレイ１７’を用いても良いし、図３（ａ）〜（ｆ）に示す導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂの近傍の導波路内部に設けられた導波路型レンズ１７を用いてもよい。本実施の形態では、第３レンズとして導波路型レンズ１７を用いた。

導波路型レンズ１７は、各チャネル導波路９の他方の入出射口９ｂの近傍に形成され、導波路拡大部１１により拡大されたコア８ａに形成される。導波路拡大部１１は図３（ａ）のようにテーパ導波路１１ａによって形成されていてもよいし、図３（ｃ）のようにスラブ導波路１１ｂによって形成されていてもよい。導波路拡大部１１としてテーパ導波路１１ａを用いた場合、テーパ側壁の影響でビームの拡散角が抑制されるため、ビームが十分に拡大されるまでの実効的な伝搬距離Ｌ１は長くなる。一方で、導波路拡大部１１としてスラブ導波路１１ｂを用いた場合、ビームの拡散角が大きく、テーパ導波路１１ａの場合と比べて実効的な伝搬距離Ｌ１は短くなる。なお、実効的な伝搬距離Ｌ１は、導波路型レンズ１７に入射する直前の波面の曲率半径に等しく、導波路拡大部１１としてスラブ導波路１１ｂを用いた場合は、Ｌ１はスラブ導波路１１ｂの長さとおおむね一致する。

図３（ａ）に示すように、導波路型レンズ１７は、各チャネル導波路９のコア８ａ内に、縦方向（Ｙ軸方向）に掘られた複数のトレンチ１８を形成すると共に、当該複数のトレンチ１８にコア８ａよりも低い屈折率のクラッド材または樹脂（光学樹脂）を充填してなっていてもよい。複数のトレンチ１８は、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凹型のレンズ状となるように形成される。ここでは、複数のトレンチ１８に充填する媒質として、クラッド８ｂを用い、最も簡易な構成で導波路型レンズ１７を実現している。

光の位相速度ν_pは、真空中の光の速度をｃ、屈折率をｎとすると、近似的に次式（１）
ν_p＝ｃ／ｎ ・・・（１）
で与えられる。コア８ａの屈折率はクラッド８ｂより大きいため、コア８ａではクラッド８ｂよりも光の位相の進む速度が小さくなる。このため、トレンチ１８が多くクラッド８ｂの割合が大きいコア８ａの外側（周縁部）では光の位相の進む速度が速くなり、コア８ａの中心部ほど光の位相の進む速度が遅くなる。よって、導波路型レンズ１７を通過した光は、上面視で凹型の波面分布となる（電界分布は上面視で凸型となる）。光はこの等位面すなわち波面に垂直な方向に進むため、導波路アレイ８を出射した光は集光しながら伝搬することになる。

図３（ａ）に示したような分割した構造のトレンチ１８により導波路型レンズ１７を形成した理由は、トレンチ１８を分割しないとコア８ａの厚さ方向（Ｙ軸方向）の閉じ込め効果が小さくなり、大きな光損失が発生してしまうためである。トレンチ１８の幅と分割数を適切とすることにより、９０％以上の効率でレンズ機能を持たせることが可能である。

なお、本実施の形態では、トレンチ１８に充填する媒質としてクラッド８ｂを用いたが、この場合、コア８ａとクラッド８ｂの屈折率の差がわずかであるため、レンズとして動作させるためにトレンチ１８の数（分割数）を多くする必要があり、トレンチ１８の影響による光損失が大きくなってしまう。しかし、トレンチ１８により低い屈折率のものを充填するようにすれば、トレンチ１８の数を減らし、光損失をより低減させることが可能である。つまり、トレンチ１８に充填する媒質としては、クラッド８ｂよりも低い屈折率をもつ樹脂を用いることが望ましい。

本実施の形態では、コア８ａ内に形成したトレンチ１８にコア８ａよりも低い屈折率のクラッドまたは樹脂を充填し、周縁部の光の位相速度を早くする場合について説明したが、逆に、コア８ａの中央部に形成したトレンチ１８にコア８ａよりも高い屈折率の樹脂を充填し、中心部の光の位相速度を遅くするように導波路型レンズ１７を構成することも勿論可能である。

この場合、図３（ｂ）に示すように、各チャネル導波路９のコア８ａ内に、縦方向に掘られた複数のトレンチ１８を形成すると共に、当該複数のトレンチ１８にコア８ａよりも高い屈折率の樹脂を充填するようにし、複数のトレンチ１８を、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凸型のレンズ状となるように形成すればよい。

図３（ａ）、（ｂ）では、導波路型レンズ１７を形成する複数のトレンチ１８の形状が、棒状であるように描いたが、図３（ｄ）のように曲面状の凹または凸レンズ型となっていても良い（図３（ｄ）では凸型として図示している）。この場合も光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凹または凸型のレンズ状となっているので、棒状トレンチで形成した導波路型レンズ１７と同様の集光機能が得られる。

ここまで、導波路型レンズ１７として、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が凹レンズまたは凸レンズ状となる例について説明したが、図３（ｅ）に示すようにトレンチ１８の形状は凹または凸型のフレネルレンズ型となっていても良い（図３（ｅ）では凸型として図示している）。フレネルレンズ型トレンチ１８は凹または凸のレンズを横方向（Ｘ軸方向）に分割した形状をとり、分割境界左右での位相差が使用波長域においておおむね２πの整数倍となるよう設計されているのがよい。このように位相を設計することで、トレンチ通過後の波面はなめらかな凹型となり、集光動作をする。また導波路型レンズ１７をフレネルレンズ型とすることで、光の伝搬方向に見たトレンチ幅を薄くすることが出来るので、Ｙ軸方向への光散乱による損失を小さくすることができる。

図３（ｆ）に示すように、フレネルレンズ型トレンチ１８からなる導波路型レンズ１７は、コア８ａ内ではなく、コア８ａの出射口側近傍のクラッド８ｂ内に存在していてもよい。これは、フレネルレンズ型導波路型レンズ１７のトレンチ幅が薄いため、縦方向の散乱損失の影響が無視でき、コア８ａによる光閉じ込め効果を必要としないからである。

図３（ａ）〜（ｄ）にあるような、光の伝搬方向（Ｚ軸方向）に多段化された複数のトレンチ１８の配置間隔は、不等間隔となっていても良い。これは、トレンチ１８の段数が特に多い場合、周期的な導波路構造に由来するブラッグ回折などの発生を抑制するためである。

次に、図２を用いて入力分波光学系２の動作を説明する。以下、光信号が分光されるＹ−Ｚ軸平面を分散面、光ファイバアレイ１４が配列されているＸ−Ｚ軸平面をスイッチング面という。波長クロスコネクト装置１では、分散面とスイッチング面で光の振る舞いが大きく異なるため、図２（ａ）の側面図（分散面に対応）、図２（ｂ）の上面図（スイッチング面に対応）を用いてそれぞれ個別に説明する。

図２（ａ）に示すように、分散面においては、光ファイバアレイ１４に種々の波長信号からなる光を入射すると、入射光は、導波路アレイ８を通過し他方の入出射口９ｂから出射され、回折により縦方向（Ｙ軸方向）に広げられて第１レンズ１５に入射し、第１レンズ１５によりコリメートされた後、グレーティング１０に入射する。グレーティング１０は、その凹凸の刻線がＸ軸と平行となるように配置されているため、グレーティング１０に入射した光は、縦方向（Ｙ軸方向）すなわち分散面内で波長毎に分光されて第２レンズ１６に入射し、第２レンズ１６により集光されて波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２０）に出力される。

なお、第２レンズ１６と光偏向素子アレイ２０間の距離を、第２レンズ１６の焦点距離ｆｙと等しくすることにより、フーリエ光学の配置を実現でき、グレーティング１０を通過した各波長毎の光は、第２レンズ１６を通過した後、Ｙ軸方向の異なる位置で平行に進みながら集光し、光偏向素子アレイ２０上に像を結ぶことになる。

他方、図２（ｂ）に示すように、スイッチング面では、光ファイバアレイ１４から入射された入射光は、チャネル導波路９の導波路拡大部１１により横方向（Ｘ軸方向）に広げられた後、導波路型レンズ１７により集光され、集光されながら伝搬して波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２０）に出力される。なお、図２（ｂ）では、図２（ａ）にハッチングで示した波長の光のみを抜き出して示している。スイッチング面では、第１レンズ１５、第２レンズ１６、グレーティング１０は実質的に影響を与えない。

なお、導波路型レンズ１７と光偏向素子アレイ２０間の距離を、導波路型レンズ１７を通過した光が焦点を結ぶ位置となるように設定しているため、光偏向素子アレイ２０上に結像される光ビームは、スポット径が最も小さくなるビームウエイストとなる。また、導波路型レンズ１７から焦点までの距離は長いため横方向（Ｘ軸方向）のスポット径はある程度大きくなるが、第２レンズ１６はそれよりも焦点までの距離が短くかつ第２レンズ１６に入射される光のスポット径が大きいため、第２レンズ１６の焦点距離ｆｙでの縦方向（Ｙ軸方向）のスポット径は小さくなり、光偏向素子アレイ２０上に結像される光ビームのスポット形状は横長の楕円形状となる。

［出力合波光学系］
次に、出力合波光学系４について説明する。

図１および図４に示すように、出力合波光学系４は、上述の入力分波光学系２とほぼ同じ構成であり、その入出力を逆にしたものである。

つまり、出力合波光学系４は、波長スイッチ光学系３側から順に、第２レンズ１６、グレーティング１０、第１レンズ１５、導波路アレイ８を順次配置して構成される。

出力合波光学系４では、グレーティング１０は、波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２１）から入力された波長毎の光を再度合波して導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂに入射する役割を果たすことになる。詳細は後述するが、波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２１）から出力される光は分散面において波長の並びが上下逆転しているため、入力分波光学系２と出力合波光学系４とでは、グレーティング１０も上下逆転して配置される。

また、出力合波光学系４では、レンズシステム７は、波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２１）から入力される横長の楕円形状の焦点とされた各波長毎の光を出力ポートの像と同形状の焦点に戻す役割を果たすことになる。第２レンズ１６は、波長スイッチ光学系３（光偏向素子アレイ２１）から入力された各波長毎の光を集光してグレーティング１０に出力する役割を果たし、第１レンズ１５は、グレーティング１０から入力された光を集光して導波路アレイ８の他方の入出射口９ｂに入射する役割を果たす。

出力合波光学系４の導波路アレイ８の一方の入出射口９ａは出力ポート６として用いられ、出力用の光ファイバアレイ１４が接続される。

［波長スイッチ光学系］
次に、波長スイッチ光学系３について説明する。

図１および図５に示すように、波長スイッチ光学系３は、２つの光偏向素子アレイ２０，２１と、レイリー長の焦点距離を有し横方向（Ｘ軸方向）のみに作用するスイッチング用レンズ２２と、縦方向（Ｙ軸方向）のみに作用する複数のフーリエ光学系のレンズ２３と、を備えている。

２つの光偏向素子アレイ２０，２１は、入力分波光学系２と出力合波光学系４のレンズシステム７の焦点位置（第２レンズ１６の焦点位置でかつ導波路型レンズ１７の焦点位置）にそれぞれ配置されると共に対向配置される。光偏向素子アレイ２０，２１は、各ポートの波長毎の光に対応するよう縦横に配置された２次元の光偏向用のエレメントを有し、入力される各波長毎の光の横方向の反射角度を調整して出力するように構成されている。

本実施の形態では、光偏向素子アレイ２０，２１として、光偏向用のエレメントであるＭＥＭＳミラー３１を二次元に配置したＭＥＭＳミラーアレイ３０を用いた。

図１、図５、および図６（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳミラーアレイ３０は、複数のＭＥＭＳミラー３１を縦方向に一次元に配列した短冊状の複数の一次元ＭＥＭＳミラー群３２を光偏向素子とし、これを各ポートに対応するように横方向（Ｘ軸方向）にアレイ状に配置して構成される。一次元ＭＥＭＳミラー群３２の配列方向と、グレーティング１０の刻線方向と、チャネル導波路９の配列方向は同じ方向となる。なお、図６では、簡単化のため各ＭＥＭＳミラー３１がＸ−Ｙ軸平面上に配置されているように示しているが、実際には、図１や図５に示すように、ＭＥＭＳミラーアレイ３０は、そのＭＥＭＳミラー３１がＸ−Ｙ軸平面に対して傾斜するように配置される。

各一次元ＭＥＭＳミラー群３２は、ほぼ同一の構造であり、ＭＥＭＳミラー３１とそれを駆動するアクチュエータ３３とからなる基本構造を、縦方向（Ｙ軸方向）に配列したものである。アクチュエータ３３に印加する電圧を変えることで、各ＭＥＭＳミラー３１を回転させ、光ビームを自由に偏向させることができる。

従来一般に用いられている波長多重通信では、信号周波数間隔（波長の逆数の値での間隔）が１００ＧＨｚあるいは５０ＧＨｚに固定されているので、一般的な波長多重通信に適用する場合、ＭＥＭＳミラー３１のピッチ（配列方向の間隔）Ｗはこれに対応した幅に形成すればよい。

ただし、近年では、光の位相と振幅をそれぞれ制御し、同じスペクトルでも大きな情報量を送信する技術が開発されてきており、このような場合は、送信するデータにより時々刻々とスペクトル幅が変化することとなるため、上述のようにＭＥＭＳミラー３１のピッチＷを５０ＧＨｚや１００ＧＨｚの周波数間隔で一定としたＭＥＭＳミラーアレイ３０では対応ができない。

これに対応するために、本実施の形態では、複数のＭＥＭＳミラー３１をグループ化し、当該グループ化したＭＥＭＳミラー３１を同じ角度となるように制御可能とし、スイッチする周波数間隔をアダプティブに可変にできるように各一次元ＭＥＭＳミラー群３２を構成した。各ＭＥＭＳミラー３１は、そのピッチＷが１２．５ＧＨｚ以下の周波数間隔と対応するように設定され、隣り合うＭＥＭＳミラー３１間の隙間は入力される光のスポットサイズ以下に設定されることが望ましい。

例えば、各ＭＥＭＳミラー３１のピッチＷを１２．５ＧＨｚの周波数間隔と対応するように設定した場合、図６（ｃ）に示すように、３枚のＭＥＭＳミラー３１をグループ化すれば３７．５ＧＨｚの広がった信号スペクトルを扱うことができ、２枚のＭＥＭＳミラー３１をグループ化すれば２５ＧＨｚの広がった信号スペクトルを扱うことが可能になる。同様に、４枚のＭＥＭＳミラー３１を同時に動作する場合は５０ＧＨｚの周波数間隔となり、８枚のＭＥＭＳミラー３１を同時に動作させる場合は１００ＧＨｚの周波数間隔となり、１２．５ＧＨｚ間隔の粒度で自由に周波数間隔を変化させることができる。

このように、複数のＭＥＭＳミラー３１をグループ化し、同じ角度で平行に光を反射させるようにすれば１枚のミラーのようにみなすことができる。この場合、極めて正確な平行度が必要になるが、この平行度はアクチュエータ３３に印加する電圧で制御できるため微細な調整が可能であり問題無い。また、各ＭＥＭＳミラー３１間の隙間が入力される光のスポットサイズ以下であるため、その隙間の影響も無視できる程度となる。

図１および図５に戻り、波長スイッチ光学系３のレンズシステムについて説明する。

波長スイッチ光学系３では、横方向（Ｘ軸方向）のみに作用するスイッチング用レンズ２２と、縦方向（Ｙ軸方向）のみに作用する複数のフーリエ光学系のレンズ２３とからなる縦横で独立した集光機能を有するレンズシステムを用い、入力分波光学系２と出力合波光学系４とを結合している。

スイッチング用レンズ２２は、レイリー長の焦点距離ｆｘを有し横方向のみに作用する柱状（上面視では凸型レンズ状）のレンズからなり、両光偏向素子アレイ２０，２１間に当該両光偏向素子アレイ２０，２１からの距離が共に焦点距離（つまりレイリー長）ｆｘと等しくなるように配置される。スイッチング用レンズ２２は、一方の光偏向素子アレイ２０で調整された各波長毎の光の横方向の角度を、他方の光偏向素子アレイ２１上での横方向の位置（オフセット）に変換することで、スイッチングを行うものである。

スイッチング用レンズ２２の焦点距離（レイリー長）ｆｘは、下式（２）
ｆｘ＝πω₀ ²／λ ・・・（２）
但し、ω₀ ：光偏向素子上のＸ軸方向のスポット半径
ｆｘ：焦点距離（レイリー長）
λ ：光の波長
で表される。

一般に、レンズの焦点距離と同じ距離から入射した光ビームは、レンズを通過して焦点距離伝搬した後では、フーリエ変換され、位置シフトは角度シフトに、角度シフトは位置シフトに変換され、出力スポット径は入力スポット径に反比例したサイズに変換されることが知られている。しかし、上述の式（２）を満たす焦点距離ｆｘのレンズにおいては、その前後のｆｘの距離にある入出力ビームのスポット径は同一のω₀となる。

フーリエ光学系のレンズ２３は、縦方向のみに作用し、多段に備えられて、縦方向の角度を縦方向の位置に変換し、その後、再び縦方向の位置を縦方向の角度に変換するように構成される。

本実施の形態では、このフーリエ光学系のレンズ２３として第４レンズ２４と第５レンズ２５の２つの蒲鉾型のレンズを用い、光偏向素子アレイ２０とスイッチング用レンズ２２との間に第４レンズ２４を、スイッチング用レンズ２２と光偏向素子アレイ２１との間に第５レンズ２５を配置した。第４レンズ２４は、縦方向の角度を縦方向の位置に変換する役割を果たし、第５レンズ２５は、縦方向の位置を再び縦方向の角度に変換する役割を果たす。

第４レンズ２４と第５レンズ２５は共に焦点距離ｆｙのレンズからなり、第４レンズ２４と光偏向素子アレイ２０間の距離、第４レンズ２４とスイッチング用レンズ２２間の距離、スイッチング用レンズ２２と第５レンズ２５間の距離、第５レンズ２５と光偏向素子アレイ２１間の距離は、いずれも焦点距離ｆｙと等しくされる。この配置例では、分散面とスイッチング面の両方で２つの対向した光偏向素子アレイ２０，２１上に光のスポットを結像させるためには、下式（３）
２・ｆｙ＝ｆｘ ・・・（３）
の条件を満足する必要がある。

なお、光偏向素子アレイ２０，２１間を対応させるレンズ群（第４レンズ２４、第５レンズ２５、スイッチング用レンズ２２）として、複数のレンズを組み合わせた複合レンズを用い、Ｘ軸およびＹ軸方向の等価的な焦点距離がそれぞれｆｘ、ｆｙとなるよう設計した場合には、（３）の条件を満足しないことがある。

ここでは、第４レンズ２４と第５レンズ２５として、第２レンズ１６と同じ焦点距離のレンズを用いているが、第２レンズ１６と異なる焦点距離のものを用いてもよい。ただし、第４レンズ２４と第５レンズ２５は同じ焦点距離とする必要がある。

波長スイッチ光学系３は、入力分波光学系２や出力合波光学系４に対して側面視で斜めに配置される（つまりＸ−Ｚ軸平面に対して傾斜して配置される）。このため、一方の光偏向素子アレイ２０は、Ｚ軸方向から（入力分波光学系２から）入力された各波長毎の光を斜め下方に反射するように配置され、他方の光偏向素子アレイ２１は、斜め上方より入力された光をＺ軸方向に（出力合波光学系４に）反射するように配置される。両光偏向素子アレイ２０，２１はＸ軸まわりに１８０度回転対称の配置となっており、煽り角度が反対になっている。波長スイッチ光学系３の入力分波光学系２や出力合波光学系４に対する傾斜角度は、波長スイッチ光学系３と入力分波光学系２や出力合波光学系４との間で干渉が生じない程度に適宜設定すればよい。

次に、図５を用いて波長スイッチ光学系３の動作を説明する。なお、図５では、入力分波光学系２、出力合波光学系４も併せて示してある。

図５（ａ）に示すように、分散面においては、入力分波光学系２のグレーティング１０により分光された光が光偏向素子アレイ２０に入力される。このとき、各一次元ＭＥＭＳミラー群３２の第１層目のＭＥＭＳミラー３１には、同じ波長λ１の光信号群、第２層目のＭＥＭＳミラー３１には波長λ２の光信号群が結像することとなり、同じ波長の光が横方向に整列することになる。

入力分波光学系２から入力された各波長毎の光は、光偏向素子アレイ２０で反射され、第４レンズ２４でフーリエ変換される。その後、第５レンズ２５で再度フーリエ変換され、光偏向素子アレイ２１で反射されて、出力合波光学系４に出力される。

分散面では、第４レンズ２４と第５レンズ２５の作用により、入力したものと比べ波長に応じた焦点位置の並びが上下逆転するものの、入力側の光偏向素子アレイ２０でのスポット径と同じスポット径を出力側の光偏向素子アレイ２１上に再現できることになる。なお、スイッチング用レンズ２２は分散面においては基本的に何の影響も与えない。また、両光偏向素子アレイ２０，２１は、横方向（Ｘ軸方向）の反射方向のみを調整する（一次元のみで動作する）ので、分散面においては基本的に何の影響も与えない。

他方、図５（ｂ）に示すように、スイッチング面においては、同じ波長の光同士でスイッチングが行われる。なお、図５（ｂ）では、図５（ａ）にハッチングで示した波長の光のみを抜き出して示している。また、図５（ｂ）では、入力分波光学系２の図示一番上のポートから入力された光ビームのみを抜き出し示している。なお、スイッチング面では、第４レンズ２４、第５レンズ２５は実質的に影響を与えない。

入力分波光学系２から入力された各波長毎の光は、所望のスイッチング先のポートに応じて、光偏向素子アレイ２０で横方向（Ｘ軸方向）の反射角度が適宜調整され、反射される。反射角度は、対応するＭＥＭＳミラー３１のアクチュエータ３３に印加する電圧により制御する。光偏向素子アレイ２０で反射された各波長毎の光は、スイッチング用レンズ２２を通過して光偏向素子アレイ２１に出力される。このとき、スイッチング用レンズ２２では、角度シフトが位置シフトに変換されるため、スイッチング用レンズ２２を通過した後の各波長毎の光は、反射角度に応じて位置が異なる平行なビーム群に変換されることになり、一方の光偏向素子アレイ２０で調整された各波長毎の光の横方向の角度は、他方の光偏向素子アレイ２１上での横方向の位置に変換される。

すなわち、光偏向素子アレイ２０の印加電圧を変えることで、入力側と出力側で同じビームスポット径（Ｘ軸方向のスポット半径）ω₀を保ったまま、図５（ｂ）に破線で示すように各波長毎の光を光偏向素子アレイ２１上にスイッチングできることになる。なお、スポット径ω₀は、上述の式（２）を変形すれば、下式（４）
ω₀＝（ｆｘ・λ／π）^1/2 ・・・（４）
で表される。

また、出力側の光偏向素子アレイ２１の偏向角度を適切に傾けることで、各波長毎の光を水平方向（Ｚ軸方向）に反射させ、出力合波光学系４に出力することができる。出力合波光学系４では、ポート毎に各波長毎の光が合波され、その合波された光が出力ポート６から光ファイバアレイ１４の各光ファイバ１４ａに出力されることになる。

このように、波長スイッチ光学系３では、両光偏向素子アレイ２０，２１に印加する電圧を変化させることで、入力ポート５から入力された光を、波長毎にスイッチングして、任意の出力ポート６から出力することが可能である。

図５（ｂ）では、図示一番上のポートから入力された光ビームのスイッチング動作のみを示したが、図示上から２〜５番目の各ポートのスイッチング動作は、図７（ａ）〜（ｄ）に示す通りとなり、図示一番上のポートと同様のスイッチング動作が行われる。

波長スイッチ光学系３では、各ポートの光は互いに影響を与えることなく、それぞれ独立にスイッチ可能であり、さらに、波長毎にそれぞれ独立にスイッチ可能である。したがって、任意の入力ポート５に入力された光信号のうち、任意の波長の光信号のみを、任意の出力ポート６に独立にスイッチすることが可能であり、極めて自由度の高いＭ×Ｎ波長クロスコネクト装置１を実現できる。

［本実施の形態の作用］
本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る波長クロスコネクト装置１では、入力分波光学系２および出力合波光学系４に、縦横で独立した集光機能を有するレンズシステム７を備え、光偏向素子アレイ２０，２１上でのスポット形状を横長の楕円形状としている。

縦横で独立した集光機能を有するレンズシステム７を備えることにより、光偏向素子アレイ２０，２１上の光分布の楕円率を制御することが可能となり、縦方向（分光する方向）のスポット径が小さく、かつ、横方向（スイッチングする方向）のスポット径がやや大きい横長の楕円形状とすることが可能になる。

フラットトップレスポンスを良好とするためには、分光方向（縦方向）の焦点をできるだけ小さくする必要があるが、スイッチング時に光ビームを偏向する方向（横方向）では、焦点をある程度大きくする必要がある。本実施の形態では、縦横で独立した集光機能を有するレンズシステム７により横長の楕円形状の焦点とすることで、これらの要求を満足している。その結果、小面積のＭＥＭＳミラー３１でもフラットトップレスポンス、低クロストークを実現可能となり、多ポート化が容易となる。

また、波長クロスコネクト装置１では、対向配置した２つの光偏向素子アレイ２０，２１間にレイリー長の焦点距離を有し横方向のみに作用するスイッチング用レンズ２２を備え、スイッチング用レンズ２２により角度シフトを位置シフトに変換してスイッチングを行っているため、ＭＥＭＳミラー３１上の像はビームウエイストとなりスポットサイズが小さく、スイッチ方向のミラー面積も小さくて良くなるので、集積化・多ポート化が容易である。

さらに、波長クロスコネクト装置１では、スイッチング用レンズ２２として横方向のみに作用するものを用いており、各波長毎の光を独立してスイッチング可能としているため、極めて自由度の高い波長クロスコネクト装置１を実現でき、従来技術のように、波長を合分波するために入出力のポート数と同じだけ光合分波器を接続する必要がないため、構造が簡単で低価格である。

さらにまた、波長クロスコネクト装置１では、第３のレンズとして導波路型レンズ１７を用いている。第３のレンズとしては、例えば、各チャネル導波路９の他方の入出射口９ｂに対応するように、横方向のみに作用するシリンドリカルレンズアレイを用いることも可能であるが、このようなレンズアレイは作製が困難で高価となってしまう。導波路型レンズ１７はこのようなレンズアレイと比較して安価であり、容易に作製可能である。

また、本実施の形態では、複数のＭＥＭＳミラー３１をグループ化し、当該グループ化したＭＥＭＳミラー３１を同じ角度となるように制御している。

従来の波長クロスコネクト装置では、１つのＭＥＭＳミラーに１つの波長を対応させているため、光システムで用いられる波長多重通信の波長が固定されている場合は問題ないが、波長の割り当てが時間的に変化する場合には用いることができなかった。近年の光通信では、光信号の変調方式により波長を柔軟に変化させることが重要になってきているが、本実施の形態のように複数のＭＥＭＳミラー３１をグループ化することで、波長の割り当てが時間的に変化する場合にも対応可能となる。

本実施の形態で用いた光学系では、比較的損失の大きな素子であるグレーティング１０を２回しか通過しないので、従来例のように何度もグレーティングで合波／分波を繰り返す必要がなく、低損失な波長クロスコネクト装置１が実現可能となる。

［他の実施の形態］
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図８に示す波長クロスコネクト装置８１は、基本的に図１の波長クロスコネクト装置１と同じ構成であり、波長スイッチ光学系３のフーリエ光学系のレンズ２３を２つの蒲鉾型レンズ８２と１つの柱状レンズ８３で構成すると共に、スイッチング用レンズ２２を２分割構成として２つの蒲鉾型レンズ８４で構成し、さらに、第２レンズ１６を省いて構成したものである。

蒲鉾型レンズ８２は、光偏向素子アレイ２０，２１の近傍に配置され、グレーティング１０と光偏向素子アレイ２０，２１間を伝搬する光、および両光偏向素子アレイ２０，２１間を伝搬する光の両方に作用するように構成される。柱状レンズ８３は両光偏向素子アレイ２０，２１の中間に配置され、スイッチング用レンズ２２となる２つの蒲鉾型レンズ８４は柱状レンズ８３を両側から挟み込むように配置される。また、図１の波長クロスコネクト装置１において第２レンズ１６が担っていた集光機能は、導波路出射口９ｂと第１レンズ１５との間の距離を、第１レンズ１５の焦点距離Ｆｙよりもわずかに長い距離Ｆｙ＋ΔＦとしておいたことにより、実現している。

波長クロスコネクト装置８１と図１の波長クロスコネクト装置１とでは使用するレンズの数が同じであり、各レンズの配置を異ならせたものということができる。このように構成することで、上述の波長クロスコネクト装置１と同様の効果が得られるのは勿論、さらなる小型化が可能となる。

図９に示す波長クロスコネクト装置９１は、図８の波長クロスコネクト装置８１において、グレーティング１０として反射型のブレーズドグレーティングを用いたものである。反射型のグレーティング１０は、透過型のものと比較してアンギュラーディスパージョンを大きくすることができるので、光信号の波長間隔が狭く透過型のグレーティングでは対応が困難であるときには、反射型を用いるとよい。また、波長クロスコネクト装置９１によれば、一層の小型化が実現できる。

図１０の波長クロスコネクト装置１０１は、図９の波長クロスコネクト装置９１において、さらに、波長スイッチ光学系３の中央部にミラー１０２を配置し、波長スイッチ光学系３を中央部で折り返す構造としたものである。この場合、柱状レンズ８３を蒲鉾型レンズ１０３とし、スイッチング用レンズ２２として蒲鉾型レンズ８４を１つ用いるように構成すればよい。波長クロスコネクト装置１０１によれば、より一層の小型化が実現でき、図１の波長クロスコネクト装置１と比較して約１／４以下の小型化が可能となる。

また、上記実施の形態では、光偏向素子アレイ２０，２１としてＭＥＭＳミラーアレイ３０を用いたが、これに限らず、光偏向素子アレイ２０，２１として、図１１（ａ）に示すようなＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）チップアレイ１１１を用いるようにしてもよい。

図１１（ａ）に示すように、ＬＣＯＳチップアレイ１１１は、複数のＬＣＯＳチップ１１２を光偏向素子とし、これを各ポートに対応するように横方向（Ｘ軸方向）にアレイ状に配置して構成される。ＬＣＯＳチップ１１２を各ポートと１対１に対応させるため、チャネル導波路９の配列方向とＬＣＯＳチップ１１２の配列方向は同じ方向とする必要がある。

光偏向素子アレイ２０，２１としてＬＣＯＳチップアレイ１１１を用いた場合においても、上述のＭＥＭＳミラーアレイ３０を用いた場合と同様に、各ＬＣＯＳチップ１１２の縦方向（Ｙ軸方向）の同じ位置には、同じ波長の光信号群が結像することとなり、同じ波長の光が横方向（Ｘ軸方向）に整列することになる。

図１１（ｂ），（ｃ）に示すように、ＬＣＯＳチップ１１２は、平面内に複数のピクセル（セル）１１３をマトリクス状に配置したものである。ＬＣＯＳチップ１１２は、シリコンＩＣ（シリコン基板）１１４上に、電極１１５、反射膜（誘電体反射膜）１１６、１／４波長層（１／４波長膜）１１７、液晶層１１８、透明電極１１９、カバーガラス１２０を順次積層して構成される。

つまり、ＬＣＯＳチップ１１２としては、通常のＬＣＯＳチップとは異なり、液晶層１１８と反射膜１１６との間に、１／４波長層１１７が形成されたものを用いる。ＬＣＯＳチップ１１２の液晶層１１８では、一軸方向に振動する偏光成分に対してのみしか屈折率を変化させることができないが、１／４波長層１１７を形成することにより、入射されたＳ偏光は反射膜１１６で反射された後Ｐ偏光に変換され、同様にＰ偏光は反射後Ｓ偏光に変換されることになるため、液晶層１１８での屈折率の変化を両偏光に対して作用させることが可能となり、偏光無依存化を実現できる。

ＬＣＯＳチップ１１２では、ＬＣＯＳチップ１１２を構成する各ピクセル１１３に電圧を印加するとピクセル１１３の液晶層１１８の屈折率を変化できる。例えば、各ピクセル１１３に印加する電圧を調整して液晶層１１８の屈折率分布を図１１（ｄ）に示すような０〜２πの周期で繰り返す鋸状の屈折率分布とし、その傾きを変化させることで、光ビームを自由に偏向することが可能である。さらに、ＬＣＯＳチップ１１２においては、図１１（ｄ）のような鋸状の屈折率分布をＬＣＯＳチップ１１２上の任意の領域で自由に設定できるため、例えば２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚなど変調信号に依存した種々のスペクトルの広がりに容易に対応することが可能である。

また、図１１（ｅ）のように、光偏向素子アレイ２０または２１が、１台のＬＣＯＳチップ１１２からなり、各ポートから出力される全ての使用波長に対応する楕円形状の焦点群がＬＣＯＳチップ１１２の有効径内に収まるように構成してもよい。この場合、大面積なＬＣＯＳチップ１１２が必要であるが、部品点数が少なくなり組み立てが容易となる他、制御が簡単になるという利点がある。

また、光偏向素子アレイ２０，２１としてＬＣＯＳチップを用いた場合、ＭＥＭＳミラーアレイ３０では実現できないマルチキャスト（分岐出力）も実現可能である。例えば、図１２に示すような矩形のバイナリー的な屈折率分布（所定の周期でハイレベルとローレベルの屈折率を交互に繰り返す屈折率分布）をＬＣＯＳチップ１１２に与えることで、２つの次数の回折光が主に励起されるため、入力された光ビームを２方向に分割して出力することできる。屈折率分布をバイナリー状に限らず、他の形状とすることで、各次数の回折光の励振バランスを調整することができ、これにより、１つの光信号を多くの出力ポート６にマルチキャストすることができる。

図１３（ａ）に示すように、本発明の波長クロスコネクト装置は、例えば、次世代光通信システム１３１のノード装置１３２に用いられる。図１３（ａ）では、３つのノードに向かってペア光ファイバ１３３ａがそれぞれ敷設されたノード装置１３２を示している。

ノード装置１３２は、３つのノードに対応した３つのネットワークインターフェイス（ＮＷインターフェイス）１３４を備えており、各ペア光ファイバ１３３は、それぞれ対応するネットワークインターフェイス１３４に接続される。また、ノード装置１３２は、波長可変光受信機（λ−ＲＸ）１３５ａと波長可変光送信機（λ−ＴＸ）１３５ｂをそれぞれ複数備えたＴＸ／ＲＸバンク１３７を備えている。

このノード装置１３２では、３つのネットワークインターフェイス１３４が、それぞれペア光ファイバ１３３ｂを介して本発明の波長クロスコネクト装置１３０に接続され、ＴＸ／ＲＸバンク１３７のＤｒｏｐポート１３６ａとＡｄｄポート１３６ｂが本発明の波長クロスコネクト装置１３０に接続された構成となっている。なお、バックアップ用のＴＸ／ＲＸバンクをさらに備える場合も、そのバックアップ用のＴＸ／ＲＸバンクのＤｒｏｐポートとＡｄｄポートを波長クロスコネクト装置１３０に接続するだけでよい。

これに対して、従来用いられている１×Ｎ波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を用いた場合のシステム構成は、図１３（ｂ）のようになる。図１３（ｂ）に示すように、この場合、多くの１×Ｎ波長選択スイッチ１３９や光スプリッタ（ＳＰ）１４０を備える必要があり、システム構成が非常に複雑となってしまう。

図１３（ａ）と図１３（ｂ）を比較すれば分かるように、本発明の波長クロスコネクト装置１３０を用いることにより、システム構成を極めて簡単にすることができる。その結果、ノード装置１３２の大幅なダウンサイジングが可能となり、大幅なコスト低減が可能になる。さらに、低コスト化により、メトロコアのネットワークからメトロエッジ、アクセス系への広範囲なネットワークへの導入も期待され、光ネットワークの革新的な発展に繋がる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１ 波長クロスコネクト装置
２ 入力分波光学系
３ 波長スイッチ光学系
４ 出力合波光学系
５ 入力ポート
６ 出力ポート
７ レンズシステム
８ 導波路アレイ
１０ グレーティング（分光素子）
１４ 光ファイバアレイ
１５ 第１レンズ
１６ 第２レンズ
２０，２１ 光偏向素子アレイ
２２ スイッチング用レンズ
２３ フーリエ光学系のレンズ
２４ 第４レンズ
２５ 第５レンズ
３０ ＭＥＭＳミラーアレイ
３１ ＭＥＭＳミラー
３２ 一次元ＭＥＭＳミラー群

Claims (19)

1. 複数の入力ポートから入力された光をそれぞれ波長毎に分光して出力する入力分波光学系と、該入力分波光学系から入力された各波長毎の光を、それぞれ所望のポートにスイッチングして出力する波長スイッチ光学系と、該波長スイッチ光学系から入力された各波長毎の光をポート毎に合波し、対応する出力ポートから出力する出力合波光学系と、を備えた波長クロスコネクト装置において、
   前記入力分波光学系および前記出力合波光学系は、
   各ポートの光の光路が、互いに平行で横方向に整列するように構成されると共に、各ポートの光が縦方向に分光または合波されるように構成され、
   縦横で独立した集光機能を有し、前記波長スイッチ光学系に出力される各波長毎の光の焦点を横長の楕円形状とするか、あるいは前記波長スイッチ光学系から入力される横長の楕円形状の焦点とされた各波長毎の光を前記出力ポートの像と同形状の焦点に戻すレンズシステムを備えており、
   前記波長スイッチ光学系は、
   前記入力分波光学系と前記出力合波光学系の前記レンズシステムの焦点位置にそれぞれ配置されると共に対向配置され、各ポートの波長毎の光に対応するよう縦横に配置された２次元の光偏向用のエレメントを有し、入力される各波長毎の光の横方向の反射角度を調整して出力する２つの光偏向素子アレイと、
   レイリー長の焦点距離を有し横方向のみに作用するレンズからなり、前記両光偏向素子アレイ間に当該両光偏向素子アレイからの距離が共に焦点距離と等しくなるように配置され、一方の前記光偏向素子アレイで調整された各波長毎の光の横方向の角度を、他方の前記光偏向素子アレイ上での横方向の位置に変換することで、スイッチングを行うスイッチング用レンズと、を備えている
   ことを特徴とする波長クロスコネクト装置。
2. 前記波長スイッチ光学系は、
   縦方向のみに作用するフーリエ光学系のレンズを多段に備え、当該多段のレンズにより、縦方向の角度を縦方向の位置に変換し、その後、再び縦方向の位置を縦方向の角度に変換するように構成されている
   請求項１記載の波長クロスコネクト装置。
3. 前記入力分波光学系および前記出力合波光学系は、
   平らな基板上に形成され、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覆った構造からなる複数のチャネル導波路をモノリシックに集積してなり、前記各チャネル導波路の一方の入出射口が前記入力ポートまたは前記出力ポートとして用いられ、他方の入出射口が横方向に一直線状に整列するように形成された導波路アレイと、
   前記導波路アレイの他方の入出射口から出射された各ポートの光を波長毎に縦方向に分光して前記波長スイッチ光学系に出力する、あるいは、前記波長スイッチ光学系から入力された波長毎の光を合波して前記導波路アレイの他方の入出射口に入射する分光素子と、を備え、
   前記レンズシステムは、
   縦方向のみに作用するレンズからなり、前記導波路アレイの他方の入出射口から出射された光をコリメートして前記分光素子に出力する、あるいは、前記分光素子から入力された光を集光して前記導波路アレイの他方の入出射口に入射する第１レンズと、
   縦方向のみに作用するレンズからなり、前記分光素子で分光された各波長毎の光を集光して前記波長スイッチ光学系に出力する、あるいは、前記波長スイッチ光学系から入力された各波長毎の光を集光して前記分光素子に出力する第２レンズと、
   横方向のみに作用するレンズからなり、前記導波路アレイの他方の入出射口にそれぞれ個別に設けられる第３レンズと、からなる
   請求項１または２記載の波長クロスコネクト装置。
4. 前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを上面視で前記他方の入出射口に向けてテーパ導波路またはスラブ導波路を用いて拡大した導波路拡大部が形成され、
   前記第３レンズは、前記導波路拡大部の出射口近傍に設けられたバルク型のシリンドリカルレンズアレイからなる
   請求項３記載の波長クロスコネクト装置。
5. 前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを上面視で前記他方の入出射口に向けてテーパ導波路またはスラブ導波路を用いて拡大した導波路拡大部が形成され、
   前記第３レンズは、前記各チャネル導波路の前記導波路拡大部により拡大されたコア上または前記拡大されたコア近傍のクラッド上に形成された導波路型レンズからなる
   請求項３記載の波長クロスコネクト装置。
6. 前記導波路型レンズは、前記各チャネル導波路のコア上に、縦方向に掘られた複数のトレンチを形成すると共に、当該複数のトレンチに前記コアよりも低い屈折率のクラッド材または樹脂を充填してなり、前記複数のトレンチは、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凹型のレンズ状、または凹型のフレネルレンズ状となるように形成される
   請求項５記載の波長クロスコネクト装置。
7. 前記コアよりも低い屈折率の樹脂として、前記クラッドよりも低い屈折率の樹脂を用いる
   請求項６記載の波長クロスコネクト装置。
8. 前記導波路型レンズは、前記各チャネル導波路のコア上に、縦方向に掘られた複数のトレンチを形成すると共に、当該複数のトレンチに前記コアよりも高い屈折率の樹脂を充填してなり、前記複数のトレンチは、光の伝搬方向についてトレンチ幅の総和をとった値が上面視で凸型のレンズ状、または凸型のフレネルレンズ状となるように形成される
   請求項５記載の波長クロスコネクト装置。
9. 前記複数のトレンチは、その光の伝搬方向における配置間隔が不等間隔となるように形成されている
   請求項６〜８いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
10. 前記導波路アレイの前記各チャネル導波路には、前記コアを屈曲させた曲げ部が形成される
    請求項３〜９いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
11. 前記導波路アレイの一方の入出射口には、複数の光ファイバをアレイ状に配置した光ファイバアレイが接続される
    請求項３〜１０いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
12. 前記分光素子は、横方向に刻線が形成されたグレーティングからなる
    請求項３〜１１いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
13. 前記グレーティングが、反射型のブレーズドグレーティング、または反射型のエシェルグレーティング、またはグレーティングの表面をプリズムで覆ったグリズムからなる
    請求項１２記載の波長クロスコネクト装置。
14. 前記光偏向素子アレイは、複数のＭＥＭＳミラーを縦方向に一次元に配列した短冊状の複数の一次元ＭＥＭＳミラー群を、各ポートに対応するように横方向にアレイ状に配置して構成される
    請求項１〜１３いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
15. 前記各ＭＥＭＳミラーは、その配列方向の間隔が１２．５ＧＨｚ以下の粒度の信号周波数間隔と対応するように設定され、隣り合う前記ＭＥＭＳミラー間の隙間は入力される光のスポットサイズ以下に設定される
    請求項１４記載の波長クロスコネクト装置。
16. 前記一次元ＭＥＭＳミラー群は、複数の前記ＭＥＭＳミラーをグループ化し、当該グループ化したＭＥＭＳミラーを同じ角度となるように制御される
    請求項１４または１５記載の波長クロスコネクト装置。
17. 前記光偏向素子アレイは、複数のＬＣＯＳチップを、各ポートに対応するように横方向にアレイ状に配置して構成される
    請求項１〜１３いずれかに記載の波長クロスコネクト装置。
18. 前記光偏向素子アレイは、１台のＬＣＯＳチップからなり、各ポートから出力される全ての使用波長に対応する前記楕円形状の焦点群が前記ＬＣＯＳチップの有効径内に収まるよう構成されている
    請求項１〜１３記載の波長クロスコネクト装置。
19. 前記ＬＣＯＳチップは、その液晶層と反射膜との間に、１／４波長層が形成されている
    請求項１７または１８記載の波長クロスコネクト装置。