JP2014035377A

JP2014035377A - 波長選択スイッチ

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Publication number: JP2014035377A
Application number: JP2012175366A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Senoo; 和則妹尾; Masaya Suzuki; 賢哉鈴木; Naoki Oba; 直樹大庭; Toshio Watanabe; 俊夫渡辺; Masayuki Ito; 雅之伊東; Tadashi Sakamoto; 匡阪本; Tetsuo Takahashi; 哲夫高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: JP5759430B2

Abstract

【課題】波長選択スイッチにおいて、光偏向手段にて任意の角度にて反射された光について、位置に関するオフセットをかけずに、角度のオフセットのみかかった入射光として光導波路基板に再結合し、光導波路基板内で光導波路基板への入射角度に応じた任意の入出力導波路に信号光を出力させる。
【解決手段】入力導波路401、出力導波路402、スラブ導波路403、およびアレイ導波路404からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板301と、アレイ導波路から出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段304と、レンズと、前記レンズにより集光された前記波長分離された光信号に独立に位相シフトを与え、当該位相シフトが与えられた光信号がレンズおよび分光手段304を介してアレイ導波路に再結合するように反射する光偏向手段306とを備え、入力導波路および出力導波路の各々から信号光を入力したときに、当該信号光の主光線の各々が光導波路基板における同一の位置から出力されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、波長選択スイッチに関する。

近年急速な進展を見せる大容量の光通信ネットワーク構築に伴い、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信技術が注目を集めるとともに設備の普及が進んでいるが、ＷＤＭノードにおいては光信号を直接制御せずに、一度電気信号に変換したのちに経路のスイッチングを行う方式が一般的である。しかしながら、上記の方式ではノードにおける処理能力の高負荷化、通信速度律速、高消費電力化が課題として危惧されている。このため、電気スイッチングを介さず光信号のまま経路スイッチングを行うデバイス、すなわち波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）等の開発が求められている。

一般的な波長選択スイッチの動作原理は以下の通りである。入力光ファイバから入力されたＷＤＭ信号は、コリメータにてコリメート光として空間を伝播し、複数のレンズおよび波長分波するための回折格子を通過したのち、再びレンズを介して集光される。光信号を所望の出力ポートへ切り替えるための光偏向素子が集光位置に配置される。この光偏向素子としてはＭＥＭＳ（Micro-electro mechanical system）技術によるマイクロミラーアレイ、液晶セルアレイ、ＤＭＤ（Digital mirror device）、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）などが代表的なものとして挙げられ、これらによって目的とする出力ポートに最適化された角度に各光信号を反射する。反射された各光信号は、レンズを介して回折格子へと入射し波長合波された後、レンズを介して出力ファイバに結合する。

特開２００９−２５８４３８号公報

Paul F. McManamon et al., "A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems," Proceedings of the IEEE, Vol. 97, No. 6, June 2009, 1078-1096.

図１に一般的な構成の波長選択スイッチの概念図を示し、より詳細な波長選択スイッチの動作について説明する。以下では、波長選択スイッチにおいて、ＷＤＭ信号が回折格子によって波長分波される方向をＸ軸、Ｘ軸に直交する方向であり入出力ファイバアレイ１０１のファイバが配列された方向をＹ軸、光信号がファイバから出力される際の進行方向をＺ軸と定義する。また、説明のために入出力ファイバアレイ１０１の本数を５本とし、その中心ファイバを入力ポート、最下部に配置されたファイバを出力ポートとして設定しているが、本数および入出力ファイバの選択に関しては本説明に限定されるものではない。また、入力ファイバから出射された光信号が光偏向素子１０７までに通過する主光線を太実線で表し、光偏向素子１０７にて反射された光信号が、出力ファイバに結合までの主光線を太破線で表している。

入出力ファイバアレイ１０１から空間に出射された光信号は、入出力ファイバアレイ１０１によって閉じ込められていたビーム径に応じた一定の開口数（ＮＡ：Numerical aperture）にて広がりながら伝播する。この光信号は、入出力ファイバアレイ１０１の各々の光ファイバから出た光信号がそれぞれコリメート光として空間を伝播するように焦点距離および配置位置を調整されたマイクロレンズアレイ１０２によって、ＮＡを調整され、さらに集光レンズ１０３のＹ軸方向における入射位置に応じた角度に変換される。この光信号は、レンズ１０４を介して再び角度を位置に変換された後に、回折格子１０５によって、Ｘ軸方向に波長分波される。すなわち、光信号は、レンズ１０４において入射する角度に応じた位置から回折格子１０５に向けて出射されて、回折格子１０５において波長分波される。さらに、光信号は、レンズ１０６を介して光偏向素子１０７上に集光される。光偏向素子１０７において、出力ファイバに最適に結合するように角度調整された光信号は、各レンズ、回折格子を逆にたどるように通過し、集光レンズ１０３に達する。集光レンズ１０３は、集光レンズ１０３に入射するビームのＹ軸方向の高さに比例した角度に変換する機能（入射位置が中心からY軸方向に離れる程、大きな角度が付与されて出射されるように作用し、また入射する角度が大きい程、中心からY軸方向に離れた位置から出射されるように作用する機能）を有しており、この集光レンズ１０３に入射した光信号は、出力ファイバに向かってＺ軸と平行になるように位置および角度を調整され、入出力ファイバアレイ１０１における、所望の出力ファイバに結合することでスイッチングを行うことができる。本動作は、ＷＤＭ信号が回折格子１０５にて波長分波されていることから、光偏向素子１０７の設定により各波長ごとに所望の出力ポートに振り分けることが可能であり、波長選択的なスイッチングデバイスとして動作する。

こうした一連の素子群の中で、入出力ファイバアレイ１０１、マイクロレンズアレイ１０２、集光レンズ１０３については、非常に小型かつ微細な構造であり、これらの光学素子の作製精度および配置精度は高い技術レベルが要求される。例えば入出力ファイバアレイ１０１においては、ファイバ端面の状態は出力される光信号のビームプロファイルの乱れに直結し、各ファイバの配置精度は隣接するファイバからの漏れ光が結合することによるポート間クロストークの劣化に直結する。マイクロレンズアレイ１０２については一般的に極短焦点距離のものが用いられるため、レンズの曲率半径が小さく、高精度な作製技術が求められる。さらにファイバアレイ１０１およびマイクロレンズアレイ１０２のアライメントについてはミクロン以下の精度が要求されるため、このような光学系を構築する上では高精度なバルク光学部品による作製コストとアライメントを達成するための高い配置技術と実装負荷が大きな問題となる。集光レンズ１０３についても、入出力ファイバアレイ１０１およびマイクロレンズアレイ１０２と同程度のスケールであるレンズが必要とされるため、集光レンズ１０３に対しても前記と同様のコスト的負荷、作業的負荷が懸念される。

この点を鑑みて、入出力ファイバアレイ１０１、マイクロレンズアレイ１０２を石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）に集積して、前述のコスト的負荷、作業的負荷を軽減させるデバイスが提案されている(例えば、特許文献１参照)。

図２に、入出力ファイバ１０１、マイクロレンズアレイ１０２をＰＬＣに集積したＷＳＳの概略構成図を示す。このＷＳＳは、信号光の入出力部がＰＬＣ（図２中では光導波路基板２１０）として構成されている。光導波路基板２１０は入出力導波路２１２と、入出力導波路２１２に接続されたスラブ導波路２１４と、スラブ導波路２１４に接続されたアレイ導波路２１６が含まれており、アレイ導波路２１６の光路長はそれぞれ等しく設計されている。図２において、入出力導波路２１２が配列された方向をＸ軸、光信号が光導波路基板２１０を進行する方向をＺ軸、およびＸ軸とＺ軸に垂直な方向をＹ軸と定義している。

光導波路基板２１０における入出力導波路２１２に結合した信号光は、スラブ導波路２１４内を基板面内方向に広がりながら進行し、アレイ導波路２１６の各々に再結合する。このアレイ導波路２１６は各々の光路長差が０であることから、アレイ導波路２１６の終端部分、すなわち光導波路基板２１０の端面においてアレイ導波路２１６からの光源が光軸に対して垂直な方向に沿って一定の間隔で十分な数が配置されている場合、それぞれから出射した光の位相が等しいため、多光束干渉の結果としてシリンドリカルレンズ２２０によって光導波路基盤２１０の基板厚み方向、すなわちＹ軸方向に関するコリメート光に変換され、空間を伝播する。その後、ビームサイズ変換部２４０と、分光部２５０と、集光レンズ２６０を通過し、光偏向部２７０に入射する。信号光は光偏向部２７０にて、光導波路基板２１０における信号光の入出射端面と水平かつ光導波路基板２１０に垂直な方向、すなわちＸ軸方向に関する任意の角度で反射される。

ここで、特許文献１においては、光導波路基板２１０から出射した光に関するレンズのうち、Ｘ軸方向に関してパワーを有するレンズは用いられていない。このため、光偏向部２７０にて所望のポートにスイッチされるよう反射角度を制御された光信号は、光導波路基板２１０に対して、上記のとおり光偏向部２７０による角度のオフセットの他、出射時の位置からX軸方向に関する位置のオフセットがかけられて、再結合をする構成である。このような構造を採用している背景としては、集光レンズの配置数を極力低減させることで光学設計を容易にするとともに、部材数低減によるコスト削減などが主な理由として挙げられる。

しかし、図２の構成では空間光学上の設計が容易になる反面、各種光学素子にて発生する波面の歪み、収差などといったものは全てＰＬＣの設計において補償しなければ十分な特性を得られず、さらにＸ軸方向に関する位置のオフセットが発生することから光導波路基板２１０のアレイ導波路２１６の本数はオフセット量を十分に考慮した本数を配置しておく必要があり、結果として光導波路基板２１０のＸ軸方向（光導波路基板における光信号の進行方向に垂直な方向、本明細書において光導波路基板の幅ともいう。）の長さが増大するため、デバイスの低背化にあたっては光導波路基板２１０の幅が制限要因となる問題が存在していた。

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、入出力導波路とスラブ導波路とアレイ導波路から構成される光導波路基板、光導波路基板における光信号の進行方向に垂直な方向に関するパワーを有する少なくとも１枚の集光レンズ、分光手段、光偏向手段を基本構成要素とし、光偏向手段にて任意の角度にて反射された光について、位置に関するオフセットをかけずに、角度のオフセットのみかかった入射光として光導波路基板に再結合し、光導波路基板内で光導波路基板への入射角度に応じた任意の入出力導波路に信号光を出力させることができる波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長選択スイッチであって、少なくとも１つの入力導波路、少なくとも１つの出力導波路、前記入力導波路および出力導波路と同一の終端部で接続されたスラブ導波路、および前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板と、前記アレイ導波路から出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段と、レンズと、前記レンズにより集光された前記波長分離された光信号に独立に位相シフトを与え、当該位相シフトが与えられた光信号が前記レンズおよび前記分光手段を介して前記アレイ導波路に再結合するように反射する光偏向手段とを備え、前記入力導波路および前記出力導波路の各々から信号光を入力したときに、当該信号光の主光線の各々が前記光導波路基板における同一の位置から出力されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長選択スイッチであって、前記アレイ導波路は、前記スラブ導波路側の間隔が前記分光手段側の間隔よりも小さく、かつ前記アレイ導波路に前記光偏向手段側から入射する光信号の入射角度θ_１、空気の屈折率ｎ_ａｉｒおよび前記信号光の波長λを用いて、以下に掲げる式を満たすことを特徴とする特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長選択スイッチであって、前記スラブ導波路の前記終端部分において、前記入力導波路および前記出力導波路におけるそれぞれの配置距離がすべて同一ではないことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路基板における光信号の進行方向に垂直な方向に関する位置のオフセットが存在しないことから低背化が可能であり、かつＰＬＣの設計方針が単純になり、レイアウトが容易に実現可能となる。

一般的な構成の波長選択スイッチの概念図である。入出力ファイバ、マイクロレンズアレイをＰＬＣに集積した波長選択スイッチの概略構成図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の一実施形態にかかる波長選択スイッチの構成図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。本発明の一実施形態にかかる波長選択スイッチの光導波路基板を説明するための図である。本発明の一実施形態にかかる波長選択スイッチの光導波路基板の特性を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、全図を通して同一の符合は同一または相当部分を示すものとする。

図３は、本発明による波長選択スイッチの実施形態の構成を示す図である。図３（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。

図３に示すように、本実施形態に関る波長選択スイッチは、光導波路基板３０１、シリンドリカルレンズ３０２、レンズ３０３、回折格子３０４、レンズ３０５および光偏向素子３０６を備える。なお、本実施形態の説明において、光導波路基板３０１の基板厚さ方向をＸ軸、光導波路基板３０１から出射される信号光の光軸方向をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な方向（光導波路基板における信号光の進行方向に垂直な方向）をＹ軸とする。図３において、波長分波するために回折格子３０４を透過した信号光の主光線は、回折によってＸ−Ｚ平面内で通常９０°程度の角度変換が発生するが、本明細書の中では説明の簡略化のため、信号光の光軸方向を常にＺ軸として説明する。

シリンドリカルレンズ３０２は、Ｘ軸に関してパワーを有し信号光に対してＸ軸方向に作用するが、Ｙ軸には作用しない。シリンドリカルレンズ３０２は、光導波路基板３０１から出射される信号光がＸ軸方向に広がらないように作用する。

レンズ３０３は、Ｘ軸とＹ軸の両軸に関するパワーを有しており、両軸に対してレンズ作用、すなわち信号光の角度と位置を変換するように作用する。レンズ３０３は、シリンドリカルレンズ３０２を透過した信号光に対して、より大きな入射角でレンズ３０３に入射した信号光が中心位置からより離れた位置から出射するように作用する。また、レンズ３０３は、回折格子３０４を透過した信号光に対して、中心位置からより離れた位置に入射した信号光がより大きな出射角度で出射するように作用する。

回折格子３０４は、レンズ３０３を透過した信号光を波長毎に分波するように作用する。回折格子３０４による波長分散軸はＸ軸方向と一致している。回折格子３０４を透過した信号光はレンズ３０５を透過して波長毎に光偏向素子３０６に集光する。

レンズ３０５は、レンズ３０３と同様にＸ軸とＹ軸の両軸に関するパワーを有する。レンズ３０５は、回折格子３０４を透過した信号光に対して、入射位置に応じた角度で出射して光偏光子３０６に集光するように作用する。また、レンズ３０５は、光偏光子により反射された信号光に対して、入射角度に応じた出射位置から回折格子３０４へ向けて出射するように作用する。

光偏向素子３０６は、各波長の光信号に対して、所望の出力ポートに最適に結合するような角度で反射するように作用する。光偏向素子３０６は、ＭＥＭＳ技術によるマイクロミラーアレイ、液晶セルアレイ、ＤＭＤ、ＬＣＯＳなどとすることができ、これらによって目的とする出力ポートに最適化された角度で各波長の信号光を反射する。

なお、本実施形態における説明ではレンズ系としてシリンドリカルレンズ３０２ならびにレンズ３０３および３０５をこの順番に用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。また回折格子３０４に関して、入射光と回折光の光路が比較的近い配置となる構成をとった場合は、レンズ３０３およびレンズ３０５を同一のレンズとすることも可能である。

図４は、光導波路基板３０１の詳細を示す。図４に示すように、光導波路基板３０１は、入力導波路４０１と、少なくとも一つの出力導波路４０２と、入力導波路４０１および出力導波路４０２が接続されたスラブ導波路４０３と、スラブ導波路４０３に接続されたアレイ導波路４０４とを備える。

ここで、本実施形態においては、入力導波路４０１は１本、出力導波路４０２はＮ本（Ｎは整数）として説明しているが、光の相反性の原理から、入力導波路４０１はＮ本、出力導波路４０２は１本というような構成で波長選択スイッチを用いても全く問題ない。入力導波路と出力導波路の差分は物理的には存在せず、どの導波路から光を入射させ、どの導波路から出力させるか、という設定のみの違いである点に留意されたい。

入力導波路４０１および出力導波路４０２については、各々の導波路から信号光が出射され、スラブ導波路４０３内を伝播する際の主光線が、スラブ導波路４０３の終端におけるある一点にて交わるように、入力導波路４０１および出力導波路４０２の設置角度が決められる。これは、任意の出力導波路からスラブ導波路４０３へ入射された信号光の主光線と、入力導波路からスラブ導波路４０３へ入射された信号光の主光線とが、スラブ導波路４０３の終端の一点で交わりアレイ導波路４０４中の同一の導波路を伝搬して光導波路基板３０１における同一の位置から出力されること、あるいは入力導波路および出力導波路の各々から延長した直線がスラブ導波路４０３の反対側の端面で一点に交わりアレイ導波路４０４中の同一の導波路を伝搬して光導波路基板３０１における同一の位置から出力されるように、入力導波路および出力導波路が作製されているということを意味する。この構造により、光導波路基板３０１の出射端においてはあらゆる角度からの光が重畳され、Ｙ軸方向における位置のオフセットが発生しなくなるため、光導波路基板３０１の小型化が可能になる。

本発明の波長選択スイッチの動作は以下のとおりである。まず入力導波路４０１に入力された信号光（波長多重光信号）は、スラブ導波路４０３において、Ｘ軸方向には閉じ込められたまま、光導波路基板３０１の面内で広がるように導波路を伝播する。この広がる信号光の波面は伝播距離に応じた曲率を有するため、スラブ導波路４０３の終端はこの波面の曲率と一致するような形状で構成される。スラブ導波路４０３の終端には各々の長さが等しいアレイ導波路４０４が接続されている。ここで、光導波路基板３０１の端面のうち、アレイ導波路４０４が接続している端面はＹ軸と一致している。この構成をとるとき、アレイ導波路４０４から空間に出力された光信号は、Ｙ軸方向に位相が揃った平面波として出力されるため、Ｙ軸方向に関してコリメートされたビームとして空間を伝播する。ここで、この空間に出力されたビームは光導波路基板３０１の基板厚さ方向、すなわちＸ軸方向に関しては大きなＮＡを有する発散光として振舞うため、Ｘ軸方向に関してコリメートするよう、シリンドリカルレンズ３０２によってビームの発散を抑制することが望ましい。シリンドリカルレンズ３０２を通過した光信号は、レンズ３０３を通過し、回折格子３０４上に集光される。回折格子３０４で波長ごとに角度分波された各信号光は、さらにレンズ３０５を通過することで、それぞれの波長ごとに角度位置変換されて光偏向素子３０６に対して垂直に入射して光偏向素子３０６上に集光する。信号光はそれぞれ波長ごとに光偏向素子３０６によって任意の角度にて反射され、再びレンズ３０５、回折格子３０４、レンズ３０３、シリンドリカルレンズ３０２を介して光導波路基板３０１に再結合する。ここで、入力ポートから出射されスラブ導波路４０３を導波した信号光の主光線と、光偏向素子３０６によって偏向された反射光が光導波路基板３０１に入射する際の主光線とのなす角をθ_１、光導波路基板３０１の端面におけるアレイ導波路４０４のピッチをｄ_１、スラブ導波路４０３に接続するアレイ導波路４０４のピッチをｄ_２、スラブ導波路４０３の長さをｆ_ｓｌａｂ、入力導波路４０１とスラブ導波路４０３の接続点から、出力導波路４０２とスラブ導波路４０３の接続点までの距離をｄ_３、さらにスラブ導波路４０３の屈折率をｎ_ｓとすると、スラブ導波路４０３内において、入力ポート（入力導波路４０１）から出射された信号光の主光線と、光偏向素子３０６によって偏向された反射光が光導波路基板３０１に入射する際の主光線とのなす角をθ_２は以下の式１のように表すことができる。

式１から明らかなとおり、角度θ_１にて光導波路基板３０１に再結合した光は、入力導波路４０１とスラブ導波路４０３の接続点から距離ｄ_３だけ離れ、かつθ_２の角度を有するようにスラブ導波路４０３に接続された出力導波路４０２のみに導かれるため、スイッチング動作が可能となる。

また式１から、光導波路基板３０１の端面におけるアレイ導波路４０４のピッチｄ_１、およびスラブ導波路４０３に接続するアレイ導波路４０４のピッチｄ_２の比に応じてθ_２はエンハンスされることが分かる。すなわち、光偏向素子３０６によって偏向される角度θ_２が小さくても、スラブ導波路４０３内で大きな角度変化を付けることができ、出力ポート数の向上が実現できる。ただし、ピッチｄ_１を広く、ピッチｄ_２を狭く設計することで角度エンハンス効果が生じるが、一方でピッチｄ_１に依存するＦＳＲ（free spectral range）の問題が表れる。アレイ導波路４０４の終端において、各導波路からの光の干渉条件は以下の式２にて表すことができる。

式中におけるｎ_ａｉｒは空気の屈折率、ｍは回折次数、λは信号光の波長を表す。波長λ＝１．５９μｍ、屈折率ｎ_ａｉｒ＝１、ピッチｄ_１＝１０μｍとすると、次数ｍ＝１のときに取りうる最大のθ_１、すなわちＦＳＲは９．１４９ｄｅｇ（±４．５７４ｄｅｇ）と算出される。従って、これ以上大きなθ_１を設定しても高次回折が発生することになり、所望の出力導波路に信号光が結合しないことが明確である。そこで、前術の角度エンハンス構成を用いる際には、式２における次数ｍ＝１として、下記の式３を満たすようにθ_１を設定することが望ましい。

光導波路基板３０１上に形成した出射角度の精度について、設計したθ_１および測定したθ_１の特性例を図５に示す。本特性例においては、入力導波路と出力導波路の総数は１０本であり、９番の導波路を入力導波路と設定し、出力導波路にはそれ以外の９本を割り当てた。このときの入力導波路からの出射角を基準とし、角出力導波路に結合する角度の測定値を黒実線にて、同じく設計値を灰破線にて、また両者の差分を黒破線にて示している。この特性例においては、ＰＬＣのレイアウトを調整したのみで、全てのポートに対して誤差が０．００５ｄｅｇ以内と非常に高精度な光学特性を、アライメントフリーで実現している。同様の特性を図１に示すような入出力ファイバアレイ１０１、マイクロレンズアレイ１０２、集光レンズ１０３の組み合わせで実現するためには、それぞれにμｍオーダーのアライメント調整機構の配備、また高い光学素子作製技術が要求されることになり、実現は容易ではない。

また、通常の工程で作製される入出力ファイバアレイ１０１は、隣接するポート間距離が一定の構造をとる形態が一般的である。これは不規則なポート間距離を有する入出力ファイバアレイ１０１およびマイクロレンズアレイ１０２の作製が技術的に困難であることに起因している。しかし、現実にはこのポート間距離は光偏向素子３０６によって生じる不要な高次回折光の回避、また各出力導波路からの信号強度が一定になるように任意の強度減衰を与えるために設置するダミーの出力導波路等の配置を考慮して、不規則なポート配置を望む場合も多い。

上記のような、不規則なポート配置を必要とする現象の説明は、例えば非特許文献１に記載がある。光偏向素子３０６として実際に考えられるデバイスには、ＭＥＭＳミラーアレイや、液晶セルによるものなどが従来よく用いられてきた。近年では周波数リソースの有効活用という観点から検討が進められているフレキシブルグリッド技術に対応可能であり、任意の位相変化を自在に設定できる利点からＬＣＯＳと呼ばれる素子が最も有望な光偏向素子として注目を集めている。ＬＣＯＳは微細な二次元配置されたピクセル群から構成される、液晶をベースとした位相変調セルアレイである。各ピクセルに対して、それぞれ独立した位相変調量を自由に設定できる点を利用して、一次関数的な位相変調を行うことで光信号を偏向させることができる。ここで注意すべき点として、ＬＣＯＳの位相変調手段としては液晶を用いていることから、あまりにも大きな位相変調量を設定することはできず、一般的にその上限は２π程度とされる。この制限から、ＬＣＯＳを光偏向素子として用いる場合には、非特許文献１のＦｉｇ．１のように、２πごとに位相を折り返す設定を行って、マクロ的に見た際の位相の傾きが所望のものになるよう、調整することが一般的に行われている。

ここで、ＬＣＯＳを用いて２π折り返し位相設定を行った場合には、非特許文献１におけるＦｉｇ．８に記載されたように、位相が隣接するピクセル同士を平滑化して結ぶように、なだらかな位相変調領域が発生する。これは各ピクセルに配置された電極にて生じる電界が隣接する電極へ相互作用をもたらすことで生じる現象である。この相互作用が本来意図する偏向方向以外へ光を回折させる成分を発生させる、すなわち高次回折光を生じさせる原因である。高次回折光は本来光信号が出射されるべき出力ポート以外へ結合してしまう懸念、すなわちポート間のクロストーク劣化を防ぐ必要がある。このため、不要な高次回折光からの干渉を防ぐため、ポート間距離を一定に保たず、不規則なポート配置を行うことも有効である。

前述のファイバアレイ１０１およびマイクロレンズアレイ１０２の組み合わせでは、隣接する各ポート間の角度差について非線形となる、複雑な構造に対応することは困難である。その点、本特性例においては、光導波路基板設計時に出力導波路４０２のパラメータを変更するのみで、非常に複雑な構造でも追加部材を全く必要とせず実現することが可能という利点も有している。

本実施形態の波長選択スイッチにおけるスイッチング動作は、回折格子３０４、レンズ３０５によって光偏向素子３０６上に各波長の光が異なる位置に集光されていることから、光偏向素子３０６としては波長ごとに所望の偏向角にて信号光を反射させることができる構造することで波長選択的なポート切り替えが可能となる。このような機能を実現する光偏向素子３０６の例としては、ＭＥＭＳ技術によるマイクロミラーアレイ、液晶セルアレイ、ＤＭＤ、ＬＣＯＳなどが代表的なものとして挙げられる。特にＭＥＭＳアレイでは偏向角を大きくとることができるため、出力ポート数の増加が期待できる。またＬＣＯＳやＤＭＤなど、多数の微細な画素が二次元的に配列されている偏向素子を用いた際には、素子の設定偏向のみで波長間隔を自在に調整することが可能であり、波長リソースの利用効率向上が可能である。

なお、通常、デバイス内では、波長選択スイッチは立てて用いられるため、光導波路基板２１０のＹ軸方向の幅を小さくすること（デバイスの低背化）が課題となる。本実施形態の波長選択スイッチによれば、上述したようにＹ軸方向の幅を抑制することが可能となり、デバイスの低背化が可能となる。

３０１光導波路基板
３０２シリンドリカルレンズ
３０３，３０５レンズ
３０４回折格子
３０６光偏向素子
４０１入力導波路
４０２出力導波路
４０３スラブ導波路
４０４アレイ導波路

Claims

少なくとも１つの入力導波路、少なくとも１つの出力導波路、前記入力導波路および出力導波路と同一の終端部で接続されたスラブ導波路、および前記スラブ導波路に接続されたアレイ導波路からなるアレイ導波路格子を含む光導波路基板と、
前記アレイ導波路から出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段と、
レンズと、
前記レンズにより集光された前記波長分離された光信号に独立に位相シフトを与え、当該位相シフトが与えられた光信号が前記レンズおよび前記分光手段を介して前記アレイ導波路に再結合するように反射する光偏向手段と
を備え、
前記入力導波路および前記出力導波路の各々から信号光を入力したときに、当該信号光の主光線の各々が前記光導波路基板における同一の位置から出力されることを特徴とする波長選択スイッチ。
前記アレイ導波路は、
前記スラブ導波路側の間隔が前記分光手段側の間隔よりも小さく、かつ
前記アレイ導波路に前記光偏向手段側から入射する光信号の入射角度θ_１、空気の屈折率ｎ_ａｉｒおよび前記信号光の波長λを用いて、以下に掲げる式
を満たすことを特徴とする特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
前記スラブ導波路の前記終端部分において、前記入力導波路および前記出力導波路におけるそれぞれの配置距離がすべて同一ではないことを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。