JP2014199296A - 光操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化に適する光操作装置を提供すること。
【解決手段】光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズと、光入出力ポートのいずれかのポートからの光をいずれかのポートに向けて出力する光操作素子と、光入出力ポートと光操作素子との間に配置され、これらを光学的に結合させる集光レンズ系と、光入出力ポートと集光レンズ系との間に配置され、光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系とを備え、集光レンズ系の主面から光操作素子までの距離が集光レンズ系の焦点距離より長く、コリメータレンズによるビームウエスト半径ω_０１は、ビームウエスト半径ω_０１と光スイッチ素子上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる値よりも小さい値に設定されている光操作装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光操作装置に関するものである。

近年の光通信システムは、その形態がｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ型から、リング型またはメッシュ型のネットワークへと発展しつつある。このような形態のネットワークのノードには、任意の信号光を任意のポートに入出力させて、信号光の経路を任意に変更するための光操作装置である光スイッチ装置が必要とされる。

特に、互いに異なる波長の信号光が波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）されたＷＤＭ信号光を用いる場合は、任意の波長の信号光に対して任意に経路を変更できる波長選択光スイッチ装置が必要とされる。

特許文献１に記載の波長選択光スイッチ装置では、信号光が入出力される入出力ポートと回折格子との間にアナモルフィックプリズムが配置されている。このアナモルフィックプリズムは、回折格子に到達する前での信号光のビーム径を、回折格子が光を分散する方向（分散方向）に拡大し、分散方向を長径方向とする楕円形とする。すなわち、分散方向と、アナモルフィックプリズムがビーム径を拡大する方向は略同一である。その後、分散された信号光は、集光レンズによって光スイッチ素子に集光される。その際、集光レンズに入射する光のビーム径が大きいと集光された光のビーム径は小さく、集光レンズに入射する光のビーム径が小さいと集光された光のビーム径は大きくなる。従って、集光された信号光のビーム径は、光の分散方向と垂直の方向（光スイッチ方向）を長径方向とする楕円形となる。

米国特許第８，２４３，３７２号明細書

ところで、光スイッチ装置のスペクトル特性を良好なものとするには、光スイッチ素子に集光される信号光のビーム径を、分散方向でできるだけ小さくすることが好ましい。しかしながら、分散方向での信号光のビーム径を小さくするためには、アナモルフィックプリズムの倍率を大きくしなければならないため、アナモルフィックプリズムが大型し、光スイッチ装置の大型化を招くという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化に適する光操作装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光操作装置は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも一つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられた少なくとも一つのコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する光操作素子と、前記光入出力ポートと前記光操作素子との間に配置され、前記光入出力ポートと前記光操作素子とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、を備え、前記集光レンズ系の主面から前記光操作素子までの距離が前記集光レンズ系の焦点距離より長く、前記光の前記コリメータレンズによるビームウエスト半径ω_０１は、前記ビームウエスト半径ω_０１と前記光スイッチ素子上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、前記ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記コリメータレンズの焦点距離は、前記焦点距離と前記ビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、前記ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、下記式が成り立つことを特徴とする。
ω_２２＜（λ・ｆ_１）／（π・ｍ・ω_０１）
ここで、λは前記光の波長、ｆ_１は前記集光レンズ系の焦点距離、ｍは前記アナモルフィック光学系の拡大倍率を示す。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記ビームウエスト半径ω_０１は９５μｍより小さいことを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記コリメータレンズの焦点距離は１ｍｍより小さいことを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向と垂直な方向においてレンズ効果を有するように構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向と垂直な方向においてフレネルレンズ状の屈折率分布を形成するように制御されることができる複数の位相変調素子が配列して構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光操作素子は、ＬＣＯＳで構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記集光レンズ系は、前記ビーム径拡大方向における第１焦点距離と前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における第２焦点距離とが互いに異なることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記第２焦点距離は前記第１焦点距離よりも長いことを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記集光レンズ系は、前記第１焦点距離を有する第１シリンドリカルレンズと前記第２焦点距離を有する第２シリンドリカルレンズとを有することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記集光レンズ系は、前記第２焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第１焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、または、前記第１焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第２焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、を有することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた光分散素子を備え、波長選択光スイッチとして機能することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記光分散素子よりも該コリメータレンズ側に位置することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光分散素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、小型化に適する光操作装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図２は、実施の形態１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図３は、実施の形態１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図４は、実施の形態１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図５は、ビームウエストまでの距離とビーム半径との関係を示す図である。 図６は、２つのビームウエストまでの距離の関係を示す図である。 図７は、コリメータレンズによるビームウエスト半径と光スイッチ素子上での分散方向のビーム半径との関係の一例の計算結果を示す図である。 図８は、コリメータレンズの焦点距離と光スイッチ素子上での分散方向のビーム半径との関係の一例の計算結果を示す図である。 図９は、コリメータレンズによるビームウエスト半径と光スイッチ素子上での分散方向のビーム半径との関係の一例の計算結果を示す図である。 図１０は、コリメータレンズの焦点距離と光スイッチ素子上での分散方向のビーム半径との関係の一例の計算結果を示す図である。 図１１は、実施の形態２に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１２は、実施の形態２に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１３は、実施の形態１の変形例１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１４は、実施の形態１の変形例２に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１５は、実施の形態１の変形例３に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１６は、波長ブロッカーと光サーキュレータとを組み合わせた構成を示す図である。 図１７は、比較形態の光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図１８は、比較形態の光スイッチ装置の模式的な構成図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光操作装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１〜４は、本発明の実施の形態１に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。この光スイッチ装置１００は、光の経路をスイッチング操作する光操作装置である。図１、３は、光スイッチ装置１００を、光分散方向（アナモルフィックプリズムペアのビーム径拡大方向、方向Ｄ１で示す）と垂直の方向から見た図である。図２、４（ａ）は、光スイッチ装置１００を、光スイッチ方向（方向Ｄ２で示す）と垂直の方向から見た図である。図４（ｂ）については後に詳述する。また、図１、２は、入力される光を光線で示した図であり、図３、４は、入力されるガウシアンビームの光を、ガウシアンビームのスポットサイズ（光強度が１／ｅ^２となるビーム半径）の軌跡で示した図である。後述する、信号光Ｌ１、Ｌ２はガウシアンビームであるとする。

光スイッチ装置１００は、光入出力ポート１１０と、コリメータレンズアレイ１２０と、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペア１３０と、光分散素子である回折格子１４０と、集光レンズ１５０と、光操作素子である光スイッチ素子１６０とがこの順番に配置されて構成されている。

なお、実際には回折格子１４０において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア１３０から光スイッチ素子１６０までの各素子は回折格子１４０の前後で角度を持って配置される。また、アナモルフィックプリズムペア１３０において光路が方向Ｄ１の方向にシフトすることがあるが、図１〜４においては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。

光入出力ポート１１０は、光ファイバからなる光ファイバポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を備えている。光ファイバポート１１１〜１１５は、所定の配列方向（光スイッチ方向である方向Ｄ２）に沿って、略等間隔でアレイ状に配列されている。光ファイバポート１１１〜１１５は、外部から光が入力される、または外部に光を出力するものである。なお、光スイッチ装置１００に入力または出力される光は特に限定されないが、たとえば波長１５２０〜１６２０ｎｍの光通信用の信号光である。

コリメータレンズアレイ１２０は、複数のコリメータレンズからなる。図２、４では、コリメータレンズアレイ１２０としては、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポート１１１、１１２に対応するコリメータレンズ１２１、１２２だけ図示してあるが、コリメータレンズアレイ１２０の各コリメータレンズは、光入出力ポート１１０を構成する各光ファイバポート１１１に対応して設けられている。コリメータレンズアレイ１２０は、各光ファイバポート１１１〜１１５から出力した光を平行光にする、または、入力された平行光を各光ファイバポート１１１〜１１５に集光して結合させる機能を有する。

光スイッチ素子１６０は、たとえばＳＬＭ（Spatial Light Modulator）である。ＳＬＭは、１次元もしく２次元的に配列された複数の位相変調素子の画素から構成され、その各画素の位相を制御することで光を操作する空間位相変調素子である。本実施の形態１では、光スイッチ素子１６０は、ＳＬＭの一種であるLiquid Crystal On Silicon（ＬＣＯＳ）であるとする。

光スイッチ素子１６０は、光入出力ポート１１０のいずれかの光ファイバポートから入力した光を反射して光路を切り換え、光入出力ポート１１０の他のいずれかの光ファイバポートに向けて出力する機能を有する。

集光レンズ１５０は、点対称レンズであって、光入出力ポート１１０と光スイッチ素子１６０との間に配置されている。この集光レンズ１５０は、光入出力ポート１１０と光スイッチ素子１６０とを光学的に結合するものである。なお、図４に示すように、回折格子１４０は集光レンズ１５０から焦点距離ｆ_１だけ離間した位置に配置されている。以下、焦点距離とは、レンズまたはレンズ系の主面から焦点までの距離とする。

アナモルフィックプリズムペア１３０は、２つのプリズム１３１、１３２から構成されており、光入出力ポート１１０と集光レンズ１５０との間に配置されている。アナモルフィックプリズムペア１３０は、光入出力ポート１１０側から入力された光のビーム形状をビーム径拡大方向である方向Ｄ１に拡大する機能を有する。また、アナモルフィックプリズムペア１３０は、光相反性を有するため、光スイッチ素子１６０側から入力された光のビーム形状を方向Ｄ１に縮小する機能を有する。なお、アナモルフィックプリズムペア１３０は、たとえばシリンドリカルレンズ系などの他のアナモルフィック光学系に置き換えてもよい。また、ビーム径を拡大する方法としてアナモルフィックプリズムペアとしたが、本発明はこれに限らず、アナモルフィックプリズムを用いても良い。

この光スイッチ装置１００では、集光レンズ１５０の光軸と一致するように配置された光ファイバポート１１１が、外部から光が入力される共通の光ファイバポート（Ｃｏｍポート）として設定されており、その他の４つの光ファイバポート１１２、１１３、１１４、１１５が、外部に光を出力する光ファイバポートとして設定されている。すなわち、この光スイッチ装置１００は１×４の光スイッチとして機能する。

つぎに、この光スイッチ装置１００の動作について、図１、２を用いて説明する。まず、光ファイバポート１１１に、外部から或る信号光Ｌ１が入力される。信号光Ｌ１はＷＤＭ信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃを含むとする。

光ファイバポート１１１は、入力された信号光Ｌ１をコリメータレンズ１２１へ出力する。コリメータレンズ１２１は、信号光Ｌ１を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。アナモルフィックプリズムペア１３０は、略平行光にされた信号光Ｌ１のビーム形状を方向Ｄ１に拡大し、楕円形にする。回折格子１４０は、楕円形にされた信号光Ｌ１をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、信号光Ｌ１は、信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃに分離する。

集光レンズ１５０は、回折された信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃを光スイッチ素子１６０に集光させる。光スイッチ素子１６０は、信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃが集光された部分の画素の位相が制御されて、各信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ａ、Ｌ１ｃを、各信号光の波長に応じた所定の角度で反射させる。

以下、反射された信号光のうち、信号光Ｌ１ａの反射光を代表して信号光Ｌ２として説明する。集光レンズ１５０は、反射された信号光Ｌ２を略平行光にする。

アナモルフィックプリズムペア１３０は、光相反性によって、信号光Ｌ２のビーム形状を方向Ｄ１の方向に縮小して略円形に戻す。その後、信号光Ｌ２は光ファイバポート１１２に対応するコリメータレンズ１２２に入力する。コリメータレンズ１２２は、信号光Ｌ２を集光し、光ファイバポート１１２に結合させる。光ファイバポート１１２は結合された光を外部に出力する。以上のようにして、この光スイッチ装置１００は、Ｃｏｍポートである光ファイバポート１１１から入力された信号光の経路を光ファイバポート１１２に切り換えることができる。

また、他の波長の信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃについても同様に、その経路が、光ファイバポート１１２以外の光ファイバポート、たとえば光ファイバポート１１３，１１４にそれぞれ切り換られる。これによって、信号光の波長毎の所望の経路の切り換えを実現することができる。

各素子の配置の具体例を説明する。図１に示すように、回折格子１４０と集光レンズ１５０と集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１だけ離して配置する設計が好ましい。これによって、光分散方向と垂直方向（方向Ｄ２）から見たときに、回折格子１４０により分散された信号光が光スイッチ素子１６０に垂直に入射する。

ここで、図３、４に示すように、方向Ｄ２において、コリメータレンズ１２１によりコリメートされた信号光Ｌ１のビームウエストＷ１は、例えば、回折格子１４０よりもコリメータレンズ１２１側にある。ガウシアンビームのビームウエストとは、ガウシアンビームの波面がフラットになり、ビーム径が最も小さくなる場所である。なお、距離ｄ_３は回折格子１４０とビームウエストＷ１との距離である。また、距離ｄ_４はコリメータレンズ１２１の主面とビームウエストＷ１との距離である。また、集光レンズ１５０で集光された信号光Ｌ１のビームウエストＷ２は光スイッチ素子１６０の位置から少しずれた位置にある。これに対して、方向Ｄ１においては、コリメータレンズ１２１のビームウエストＷ３の位置は、アナモルフィックプリズムペア１３０のビーム拡大作用の影響によって、見かけ上、コリメータレンズ１２１によるビームウエストＷ１を挟んで集光レンズ１５０とは反対側に移動する。そして、集光レンズ１５０で集光された信号光Ｌ１のビームウエストＷ２２は光スイッチ素子１６０の位置にある。

光スイッチ装置１００において、アナモルフィックプリズムペア１３０が存在しない構成を考えると、以下の式（１）が成り立つ。
ω_２１＝（λ・ｆ_１）／（π・ω_０１） ・・・ （１）
ここで、ω_２１は集光レンズ１５０による集光後のビームウエストの半径（図４のビームウエストＷ２における半径に対応）を示し、λは光の波長を示し、ｆ_１は集光レンズ１５０の焦点距離を示し、ω_０１はコリメータレンズ１２１によるビームウエストの半径（図４のビームウエストＷ１における半径に対応）を示す。

一方、光スイッチ装置１００のようにアナモルフィックプリズムペア１３０が存在する構成の場合、式（１）にアナモルフィックプリズムペア１３０の拡大倍率ｍを単に適用すると、アナモルフィックプリズムペア１３０によるビーム拡大方向（方向Ｄ１）においては、式（２）のようになると考えられていた。ここで、アナモルフィックプリズムペア１３０の拡大倍率ｍは、たとえば１５〜２５である。
ω_２２＝（λ・ｆ_１）／（π・ｍ・ω_０１） ・・・ （２）
ここで、ω_２２は集光レンズ１５０による集光後のビームウエストの半径を示す。

しかしながら、本発明者らが見出したところによれば、アナモルフィックプリズム１３０の影響によって、図３に示すように、コリメータレンズ１２１のビームウエストＷ３の位置が見かけ上移動する。

また、図５は、集光レンズ１５０の主面からビームウエストＷ３までの距離ｄ_１（図３参照）とビームウエスト半径ω_２２との関係を示す図である。ここで、ｆは、集光レンズ１５０の焦点距離であり、ここではｆ_１である。図５に示すように、距離ｄ_１をｆから大きくする程、ビームウエスト半径ω_２は単純に小さくなる。また、図６は、集光レンズ１５０の主面からビームウエストＷ３までの距離ｄ_１と集光レンズ１５０の主面からビームウエストＷ２までの距離ｄ_２との距離の関係を示す図である。図６に示すように、距離ｄ_１をｆから大きくすると、距離ｄ_２はｆから一旦増加してから減少する。

本発明者らは、以上の考察の結果、以下の式（３）に示す関係が成り立つようにできることを見出した。
ω_２２＜（λ・ｆ_１）／（π・ｍ・ω_０１） ・・・ （３）

本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００では、図３に示すように、集光レンズ１５０の主面からビームウエストＷ３までの距離ｄ_１、および、集光レンズ１５０の主面からビームウエストＷ２までの距離ｄ_２を、集光レンズ１５０の焦点距離よりも長くしている。すなわち、ｆ_１＜ｄ_１かつｆ_１＜ｄ_２として、式（３）が成り立つ条件のうえで、ビームウエスト半径ω_２２が小さくなるようにしている。

図７は、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１と光スイッチ素子１６０上での分散方向のビームウエスト半径ω_２２との関係の一例の計算結果を示す図である。ここで、計算に用いた集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１の値は１００ｍｍである。また、アナモルフィックプリズムペア１３０の拡大倍率は１５〜２５倍程度としている。

上述した式（１）では、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１と光スイッチ素子１６０上での光スイッチ方向のビームウエスト半径ω_２１とは単純な反比例の半径にある。しかしながら、図７に示すように、方向Ｄ１では、あるビームウエスト半径ω_０１の値までは、ω_０１が減少するとビームウエスト半径ω_２２が増加するが、ある値ω_０１でω_２２は極大値をとり、これよりω_０１が減少すると半径ω_２２は減少し始める。図７ではω_２２が極大値をとるω_０１は約９５μｍであり、このときの極大値は約２１μｍである。

このように、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１と光スイッチ素子１６０上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとるω_０１の値よりも小さい値にω_０１を設定すると、アナモルフィックプリズムペア１３０を大型化しなくても、ビーム拡大方向においてビームウエスト半径ω_２２をより小さくできる。本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００は、このようにビームウエスト半径ω_２２が極大値をとるω_０１の値よりも小さい値にω_０１が設定されているものなので、小型化に適するものである。

図８は、コリメータレンズ１２１の焦点距離と光スイッチ素子１６０上での分散方向のビームウエスト半径ω_２２との関係の一例の計算結果を示す図である。なお、図８でのコリメータレンズ１２１の焦点距離は、図７の横軸に示すコリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１を実現する値となっている。たとえば、図７において横軸の値が約１９０μｍのデータ点は、図８において焦点距離が２ｍｍの場合のデータ点に対応している。

図８に示すように、方向Ｄ１では、ある焦点距離の値までは、焦点距離が減少するとビームウエスト半径ω_２２が増加するが、ある焦点距離でω_２２は極大値をとり、これより焦点距離が減少すると半径ω_２２は減少し始める。図８ではω_２２が極大値をとる焦点距離は１ｍｍであり、このときの極大値は約２１μｍである。

このように、コリメータレンズ１２１の焦点距離と光スイッチ素子１６０上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる焦点距離よりも小さい値に焦点距離を設定すると、アナモルフィックプリズムペア１３０を大型化しなくても、ビーム拡大方向においてビームウエスト半径ω_２２をより小さくできる。本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００は、このようにビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる焦点距離よりも小さい値に焦点距離が設定されているものなので、小型化に適するものである。

つぎに、集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１の値を１００ｍｍから２００ｍｍに変更して、同様の計算を行った。図９は、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１と光スイッチ素子１６０上での分散方向のビームウエスト半径ω_２２との関係の一例の計算結果を示す図である。図１０は、コリメータレンズ１２１の焦点距離と光スイッチ素子１６０上での分散方向のビームウエスト半径ω_２２との関係の一例の計算結果を示す図である。図９、１０では、計算に用いた集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１の値は２００ｍｍである。

図９、１０のように、集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１の値が２００ｍｍの場合も、図７、８の場合と同様に、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１、またはコリメータレンズ１２１の焦点距離と、光スイッチ素子１６０上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとるω_０１または焦点距離の値よりも小さい値にω_０１または焦点距離を設定すると、アナモルフィックプリズムペア１３０を大型化しなくても、ビーム拡大方向においてビームウエスト半径ω_２２をより小さくできる。

また、図９、１０において、ω_２２が極大値である４２．５μｍをとるω_０１は、図７と同様に約９５μｍであり、焦点距離は図８と同様に１ｍｍであった。このように、集光レンズ１５０の焦点距離ｆ_１の値を少なくとも１００ｍｍ〜２００ｍｍの範囲で変更しても、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとるω_０１または焦点距離の値はほとんど変動しないことが確認された。

また、図８、１０に例示すように、本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００は、コリメータレンズ１２１を含むコリメータレンズアレイ１２０を構成するレンズとして、焦点距離が１ｍｍより小さい小型のレンズを使用している。その結果、コリメータレンズアレイ１２０を小型化できるとともに、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５間の距離を狭くすることができるので、光スイッチ装置１００は、さらに小型化なものとできる。また、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポートの距離を近接させることにより、光スイッチ素子１６０に要求されるスイッチ角を小さくすることができるという効果もある。さらに、集光レンズ１５０の光軸に近い場所を通るので、集光レンズ１５０の収差を抑制する効果もある。

ところで、本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００では、光スイッチ素子１６０によって、アナモルフィックプリズムペア１３０の影響による方向Ｄ１、Ｄ２におけるビームウエストの位置の違いを補正している。

以下、具体的に説明する。
図１７、１８は、比較形態の光スイッチ装置の模式的な構成図である。図１７は、光スイッチ装置１０００を、光分散方向（アナモルフィックプリズムペアのビーム径拡大方向、方向Ｄ１００１で示す）と垂直の方向から見た図である。図１８は、光スイッチ装置１０００を、光スイッチ方向（方向Ｄ１００２で示す）と垂直の方向から見た図である。

また、信号光Ｌ１０００、Ｌ１００２はガウシアンビームであるとする。図１７、図１８では信号光Ｌ１０００、Ｌ１００２のガウシアンビームのスポットサイズの軌跡を模式的矢線で示している。

光スイッチ装置１０００の光ファイバポート１０１１、コリメータレンズアレイ１００２、アナモルフィックプリズムペア１０３０、回折格子１０４０、および集光レンズ１０５０は、図１〜４に示す本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００の対応する要素と同一のものである。また、光スイッチ素子１０６０については、たとえばＬＣＯＳであり、集光された信号光Ｌ１０００を所定の反射角で反射させ、信号光Ｌ２０００とする。なお、図１７、１８では、説明の簡略化のために反射角は０度としている。

ここで、一般的な設計としては、コリメータレンズアレイ１００２を構成している、たとえばコリメータレンズ１０２１から出力される信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００１の位置に回折格子１０４０を配置し、回折格子１０４０および光スイッチ素子１０６０は、集光レンズ１０５０の焦点距離Ｆ１００１の位置に配置する設計とすることが好ましい。これによって、集光レンズ１０５０を通過した信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００２の位置が光スイッチ素子１０６０の位置となり、光分散方向と垂直方向（方向Ｄ１００２）から見たときに、回折格子１０４０により分散された信号光Ｌ１０００が光スイッチ素子１０６０に垂直に入射し、かつ、光入出力ポート１０１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２０００が集光する。

しかしながら、光スイッチ装置１０００のように、コリメータレンズアレイ１０２０と回折格子１０４０の間にアナモルフィックプリズムペア１０３０を配置する構成の場合は、アナモルフィックプリズムペア１０３０を配置するための空間が必要となるため、コリメータレンズ１０２１から出力される信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００１の位置に回折格子１０４０を配置することが困難になる。その結果、方向Ｄ１００２においては、集光レンズ１０５０を通過した信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００２の位置が集光レンズ１０５０の焦点距離の位置からずれる場合がある。一方、方向Ｄ１００１においては、コリメータレンズ１２１のビームウエストの位置は、アナモルフィックプリズムペア１０３０のビーム拡大作用の影響によって、見かけ上、コリメータレンズ１２１を挟んで集光レンズ１０５０とは反対側に移動する。そして、集光レンズ１０５０で集光された信号光Ｌ１のビームウエストＷ１００３は集光レンズ１５０からＦ１００１離れた位置にある。集光レンズ１０５０に入射する方向Ｄ１００１のビームウエスト位置と、集光レンズ１０５０に入射する方向Ｄ１００２のビームウエスト位置が異なるため、ビームウエスト位置Ｗ１００２とＷ１００３の位置が異なる。そのため、光スイッチ素子１０６０の位置を決める際に両方向の結合効率を両立させることができない。例えば、光スイッチ１０６０をＷ１００２に配置すると、方向Ｄ１００２のＬ２０００は光入出力ポート１０１０の各光ファイバポートの端面に集光しなくなり、結合効率が劣化する。

これに対して、本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００では、光スイッチ素子１６０は、光スイッチ方向である方向Ｄ２において、レンズ状の屈折率分布を形成するように位相変調素子が制御され、レンズ効果を有している。ただし、光スイッチ素子１６０で制御できる位相範囲の制約がある場合、図４（ｂ）に示すようにフレネルレンズ状の屈折率分布を形成するように位相変調素子を制御してもよい。これによって、光スイッチ素子１６０は、方向Ｄ２においては凸面鏡のように作用し、光を拡散しながら反射させる。ここで、レンズの曲率は、方向Ｄ２において、光入出力ポート１１０の各光ファイバポートの端面に、光スイッチ素子１６０によって反射された所定波長の信号光Ｌ２が集光するように設定する。なお、図３、４のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズを示す矢線を一致させて示しているのは、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズの軌跡が略一致することを意味している。ここで、光スイッチ素子１６０を方向Ｄ２のビームウエスト位置Ｗ２に配置するよりも、方向Ｄ１のビームウエスト位置Ｗ２２に配置するほうがよい。ビームウエスト位置Ｗ２２に配置することで、分散方向のビーム径が最も小さい位置でスイッチすることができ、各信号光の出力のスペクトルの形状が良好になる。

なお、各信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ａ、Ｌ１ｃを所定の方向に反射させて所定の光ファイバポートに集光させるために、光スイッチ素子１６０は、各信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ａ、Ｌ１ｃが入力される位置において、それぞれ異なるレンズの曲率となるように、入力される位置にある位相変調素子が制御される。

このように光スイッチ素子１６０を構成する位相変調素子によってレンズ状の屈折率分布を形成することによって、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても、信号光Ｌ２と光ファイバポート１１１との結合効率の低下が抑制されるので、光損失の発生も抑制される。

たとえば、コリメータレンズによるビームウエストの半径を２５μｍ、アナモルフィックプリズムペアの倍率を１５〜２５倍程度の値、集光レンズの焦点距離を２００ｍｍとすると、図１７、１８に示す構成の場合、経路を切り換えられた信号光と光ファイバポートとの結合効率は２．０％であり、ビーム拡大方向において光スイッチ素子上でのビームウエスト半径は６７μｍであった。なお、このとき光スイッチ素子の位置は、分散方向における結合効率が最大になるように最適化した。

これに対して、図１〜４に示す本実施の形態１の構成の場合、経路を切り換えられた信号光と光ファイバポートとの結合効率は約１００％であり、ビーム拡大方向において光スイッチ素子上でのビームウエスト半径は１５．８μｍであった。なお、このとき光スイッチ素子の位置は、分散方向における結合効率が最大になるように最適化し、かつ集光レンズの主面と光スイッチ素子との距離は２０６．９ｍｍ（＞２００ｍｍ）とし、光スイッチ素子ではフレネルレンズ状の屈折率分布を形成するように位相変調素子を制御し、分散方向においては凸面鏡のように作用させるようにした。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光スイッチ装置１００は、小型化であり、かつアナモルフィックプリズムペア１３０の影響による光損失の発生も抑制されたものである。

（実施の形態２）
図１１、１２は、本発明の実施の形態２に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。図１１、１２に示すように、本実施の形態２に係る光スイッチ装置２００は、図１〜４に示す光スイッチ装置１００の構成において、集光レンズ１５０を集光レンズ系２５０に置き換えた構成を有する。

集光レンズ系２５０は、ビーム径拡大方向である方向Ｄ１において第１焦点距離ｆ_２を有し、光スイッチ方向である方向Ｄ２においては焦点を有さないシリンドリカルレンズ２５１と、方向Ｄ２において第２焦点距離ｆ_３を有し、方向Ｄ１においては焦点を有さないシリンドリカルレンズ２５２とで構成されている。ここで、第１焦点距離ｆ_２と第２焦点距離ｆ_３とは互いに異なる。

この光スイッチ装置２００においても、方向Ｄ１においては、コリメータレンズ１２１のビームウエストＷ５の位置は、アナモルフィックプリズムペア１３０のビーム拡大作用の影響によって、見かけ上、コリメータレンズ１２１を挟んで集光レンズ系２５０とは反対側に移動する。そして、集光レンズ系２５０のシリンドリカルレンズ２５１の主面からビームウエストＷ５までの距離ｄ_５と、シリンドリカルレンズ２５１の主面からビームウエストＷ４までの距離ｄ_６との距離に関して、図５、６の関係に基づき、図１１に示すように、ｆ_２＜ｄ_５かつｆ_２＜ｄ_６として、式（３）が成り立つ条件のうえで、ビームウエストＷ４におけるビームウエスト半径ω_２２が小さくなるようにしている。

さらに、図７〜１０の場合と同様に、コリメータレンズ１２１によるビームウエスト半径ω_０１、またはコリメータレンズ１２１の焦点距離と、光スイッチ素子１６０上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとるω_０１または焦点距離の値よりも小さい値にω_０１または焦点距離を設定している。これによって、光スイッチ装置２００は、アナモルフィックプリズムペア１３０を大型化しなくても、ビーム拡大方向においてビームウエスト半径ω_２２をより小さくできる。

さらに、光スイッチ装置２００においても、コリメータレンズ１２１を含むコリメータレンズアレイ１２０を構成するレンズとして、焦点距離が１ｍｍより小さい小型のレンズを使用している。その結果、コリメータレンズアレイ１２０を小型化できるとともに、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５間の距離を狭くすることができるので、光スイッチ装置２００は、さらに小型化なものとできる。また、光スイッチ装置１００の場合と同様に、光スイッチ素子１６０に要求されるスイッチ角を小さくすることができ、集光レンズ１５０の収差を抑制できる。

さらに、光スイッチ装置２００では、集光レンズ系２５０は、方向Ｄ１において第１焦点距離ｆ_２を有し、方向Ｄ２においては、第１焦点距離とは異なる第２焦点距離ｆ_３を有する。その結果、集光レンズ系２５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ４の位置を、方向Ｄ１、方向Ｄ２のいずれにおいても、光スイッチ素子１６０に対して適切な位置とすることができる。なお、この場合は、光スイッチ素子１６０はフレネルレンズ状の屈折率分布を形成しなくてもよく、単に反射素子となるように位相変調素子を制御すれば良い。

各素子の配置の具体例を説明する。図１１に示すように、回折格子１４０とシリンドリカルレンズ２５１とをシリンドリカルレンズ２５１の焦点距離ｆ_２だけ離して配置する設計が好ましい。これによって、光分散方向と垂直方向（方向Ｄ２）から見たときに、回折格子１４０により分散された信号光が光スイッチ素子１６０に垂直に入射する。また、シリンドリカルレンズ２５１と光スイッチ素子１６０をシリンドリカルレンズ２５１の焦点距離ｆ_２だけ離して配置する設計とすることが好ましい。これによって、方向Ｄ１において、集光レンズ系２５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ２の位置が、光スイッチ素子１６０の位置となり、かつ、方向Ｄ１において、光入出力ポート１１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２が集光する。

また、同時に、光スイッチ素子１６０の位置、および、コリメータレンズ１２１から出力される信号光Ｌ１のビームウエストＷ１の位置を、シリンドリカルレンズ２５２の焦点距離ｆ_３の位置に配置する設計とすることが好ましい。これによって、方向Ｄ２においても、集光レンズ系２５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ４の位置が光スイッチ素子１６０の位置となり、かつ、光入出力ポート１１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２が集光する。

図１１、１２のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズを示す矢線を一致させて示しているのは、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズの軌跡が略一致することを意味している。

したがって、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても、信号光Ｌ２と光ファイバポート１１１との結合効率の低下が抑制されるので、光損失の発生も抑制される。

集光レンズ系２５０の第１焦点距離ｆ_２と第２焦点距離ｆ_３の組み合わせについては、たとえば（ｆ_２、ｆ_３）＝（８０ｍｍ、１００ｍｍ）、（１００ｍｍ、１２０ｍｍ）、または（２００ｍｍ、２２０ｍｍ）とすることができる。このように、第２焦点距離は第１焦点距離よりも長い、すなわちｆ_３＞ｆ_２であることが好ましい。

このとき、回折格子１４０とビームウエストＷ１との距離をｄ_７とすると、２×（ｆ_３−ｆ_２）≒ｄ_７＝４０ｍｍである。また、コリメータレンズ１２１の主面とビームウエストＷ１との距離ｄ_８が１１ｍｍのように短いコリメータレンズ１２１を用いても、ｄ_７＋ｄ_８＝５１ｍｍとなり、アナモルフィックプリズムペア等の光学系を配置するための距離を確保することができる。この場合、ビームウエストＷ１は、回折格子１４０よりもコリメータレンズ１２１側に位置することとなるが、光損失の発生は抑制される。

なお、本実施の形態２の場合、光スイッチ素子１６０ではフレネルレンズ状の屈折率分布を形成する必要は無いので、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた反射ミラーを備えるものを利用できる。

以上説明したように、本実施の形態２に係る光スイッチ装置２００は、小型化であり、かつアナモルフィックプリズムペア１３０の影響による光損失の発生も抑制されたものである。

（変形例）
上述した実施の形態１に係る光スイッチ装置１００では、光スイッチ素子１６０としてＬＣＯＳを使用している。ＬＣＯＳは偏波依存特性を有するため、以下の変形例１〜３のように、その偏波依存性を解消する構成としてもよい。

図１３は、実施の形態１の変形例１に係る光スイッチ装置１００Ａの模式的な構成図である。この光スイッチ装置１００Ａは、実施の形態１に係る光スイッチ装置１００の構成において、コリメータレンズアレイとアナモルフィックプリズムペア１３０との間に偏波分離素子としてのウォーラストンプリズム１７０Ａを配置し、かつ集光レンズ１５０と光スイッチ素子１６０との間に１／２波長板１８０を配置したものである。

光ファイバポート１１１から入力された信号光は、光スイッチ方向である方向Ｄ２において、ウォーラストンプリズム１７０Ａによって、互いに直交する偏波状態を有する常光Ｌ１１Ａと異常光Ｌ１２Ａとに分離される。ここで、ウォーラストンプリズム１７０Ａの出射面から出力される常光Ｌ１１Ａと異常光Ｌ１２Ａは異なる出射角を持って出射される。異常光Ｌ１２Ａの光路に１／２波長板１８０が配置されており、異常光Ｌ１２Ａはその偏波方向が９０度回転されて、常光Ｌ１１Ａの偏波方向と揃えられる。これによって、常光Ｌ１１Ａと異常光Ｌ１２Ａとは、いずれも光スイッチ素子１６０の特性が良好な方の偏波状態で光スイッチ素子１６０に入力される。

図１４は、実施の形態１の変形例２に係る光スイッチ装置１００Ｂの模式的な構成図である。この光スイッチ装置１００Ｂは、実施の形態１に係る光スイッチ装置１００の構成において、集光レンズ１５０と光スイッチ素子１６０との間に偏波分離素子としてのサバール板１７０Ｂを配置し、さらにサバール板１７０Ｂと光スイッチ素子１６０との間に１／２波長板１８０を配置したものである。

光ファイバポート１１１から入力された信号光Ｌ１は、光スイッチ方向である方向Ｄ２において、サバール板１７０Ｂによって互いに直交する偏波状態を有する常光Ｌ１１Ｂと異常光Ｌ１２Ｂとに分離される。異常光Ｌ１２Ｂの光路に１／２波長板１８０が配置されており、異常光Ｌ１２Ｂはその偏波方向が９０度回転されて、常光Ｌ１１Ｂの偏波方向と揃えられる。これによって、常光Ｌ１１Ｂと異常光Ｌ１２Ｂとは、いずれも光スイッチ素子１６０の特性が良好な方の偏波状態で光スイッチ素子１６０に入力される。

図１５は、実施の形態１の変形例３に係る光スイッチ装置１００Ｃの模式的な構成図である。この光スイッチ装置１００Ｃは、実施の形態１に係る光スイッチ装置１００の構成において、コリメータレンズアレイ１２０とアナモルフィックプリズムペア１３０との間に偏波分離素子としてのサバール板１７０Ｃを配置し、さらにサバール板１７０Ｃとアナモルフィックプリズムペア１３０との間に１／２波長板１８０を配置したものである。

光ファイバポート１１１から入力された信号光１は、光分散方向である方向Ｄ１において、サバール板１７０Ｃによって互いに直交する偏波状態を有する常光Ｌ１１Ｃと異常光Ｌ１２Ｃとに分離される。異常光Ｌ１２Ｃの光路に１／２波長板１８０が配置されており、異常光Ｌ１２Ｃはその偏波方向が９０度回転されて、常光Ｌ１１Ｃの偏波方向と揃えられる。これによって、常光Ｌ１１Ｃと異常光Ｌ１２Ｃとは、いずれも光スイッチ素子１６０の特性が良好な方の偏波状態で光スイッチ素子１６０に入力される。

なお、上記実施の形態２では、集光レンズ系２５０は、２つのシリンドリカルレンズから構成されているが、使用される集光レンズ系の構成としては、ビーム径拡大方向と光スイッチ方向とで、互いに異なる第１焦点距離と第２焦点距離とを有するものであれば、特に限定はされない。

たとえば、集光レンズ系としては、第１焦点距離（または第２焦点距離）を有する点対称レンズおよび点対称レンズとの合成焦点距離が第２焦点距離（または第１焦点距離）である焦点距離を有するシリンドリカルレンズを有する構成としてもよい。また、集光レンズ系は単レンズで構成されてもよい。

また、上記実施の形態では回折格子を透過型としたが、本発明はこれに限らず、反射型の回折格子を用いても良い。また、回折格子の代わりにたとえば分散プリズムなどの他の光分散素子を用いても良い。また、本発明に係る光スイッチ装置は、光分散素子を用いずに、非波長選択型の光スイッチ装置として構成してもよい。

また、偏波分離素子としては、ウォーラストンプリズムやサバール板だけでなく、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）等の他の偏波分離素子を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、光スイッチ装置１００は１×４光スイッチであるが、本発明では光が入出力するポートの数は特に限定されず、Ｎ×Ｍ光スイッチ（Ｎ、Ｍは任意の整数）であればよい。また、たとえば光スイッチ装置１００の構成において、光ファイバポート１１２、１１３、１１４、１１５のいずれかから信号光を入力させて、Ｃｏｍポートである光ファイバポート１１１から出力させるように光スイッチ装置１００を動作させてもよい。これによって、光スイッチ装置１００を４×１光スイッチとして使用することができる。

また、上記実施の形態では、光スイッチ装置として説明してきたが、光操作素子としての光スイッチ素子を他の光操作機能を有する光操作素子に置き換えることで、例えば波長ブロッカーや波形整形器等の光操作装置としても利用することができる。

波長ブロッカーは、入力されたＷＤＭ信号光のなかの特定の波長成分を有する信号光のみを出力し、その他の波長成分を有する信号光を遮断する機能を持つ光操作装置である。波長ブロッカーは、光スイッチ装置１００の光スイッチ素子１６０を、光操作素子を有する波長ブロック部に置き換えることで実現できる。波長ブロック部はたとえばＳＬＭで構成できる。したがって、波長ブロッカーは、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペアと、光分散素子である回折格子と、集光レンズ系と、波長ブロック部とがこの順番に配置されて構成されることができる。波長ブロッカーの機能は、光入力ポートから入力されたＷＤＭ信号光が回折格子によって分光され、波長ブロック部に集光された信号光のうち、出力したい波長成分を有する信号光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分を有する信号光を光出力ポートに結合しないように制御することで実現される。上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、１つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図１６に示すように、波長ブロッカー３００の１つの光入出力ポート３１０の手前に光サーキュレータ３２０を配置する構成とすることが好ましい。この構成によって、光サーキュレータ３２０を介して、ＷＤＭ信号光Ｌ１を波長ブロッカー３００の１つの光入出力ポート３１０に入力して、出力したい信号光Ｌ１ａを取り出すことができる。

波形整形器は、入力された光の各波長成分の強度や位相を制御することでスペクトルの形状や光パルスの時間波形を制御する機能を持つ光操作装置である。波形整形器は、光スイッチ装置１００の光スイッチ素子１６０を、光操作素子を有する波形整形部に置き換えることで実現できる。波形整形部はたとえば光操作素子としてのＳＬＭで構成できる。したがって、波形整形器は、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペアと、光分散素子である回折格子と、集光レンズ系と、波形整形部とがこの順番に配置されて構成されることができる。波形整形器の機能は、光入力ポートから入力された光が回折格子によって分光され、波形整形部に集光された各波長成分の光のうち、出力したい波長成分の光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分の光を出力ポートに結合しないように制御することで実現され、これによってたとえばスペクトルの形状を制御することが可能である。更に、波形整形器において、各波長に該当するＳＬＭの画素の位相のオフセット量を制御することで、各波長の位相も制御することが可能である。波形整形器の場合も、波長ブロッカーと同様に、上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、１つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図１６と同様に、光入出力ポートの手前に光サーキュレータを配置することで出力光を取り出すことができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００,２００ 光スイッチ装置
１１０，３１０ 光入出力ポート
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５ 光ファイバポート
１２０ コリメータレンズアレイ
１２１，１２２ コリメータレンズ
１３０ アナモルフィックプリズムペア
１３１,１３２ プリズム
１４０ 回折格子
１５０ 集光レンズ
１６０ 光スイッチ素子
１７０Ａ ウォーラストンプリズム
１７０Ｂ,１７０Ｃ サバール板
１８０ １／２波長板
２５０ 集光レンズ系
２５１，２５２ シリンドリカルレンズ
３００ 波長ブロッカー
３２０ 光サーキュレータ
Ｄ１，Ｄ２ 方向
Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ２ 信号光
Ｗ１，Ｗ２,Ｗ２２，Ｗ３,Ｗ４,Ｗ５ ビームウエスト

Claims (15)

1. 外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも一つのポートを有する光入出力ポートと、
   前記光入出力ポートのポートに対応して設けられた少なくとも一つのコリメータレンズと、
   前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する光操作素子と、
   前記光入出力ポートと前記光操作素子との間に配置され、前記光入出力ポートと前記光操作素子とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
   前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、
   を備え、
   前記集光レンズ系の主面から前記光操作素子までの距離が前記集光レンズ系の焦点距離より長く、
   前記光の前記コリメータレンズによるビームウエスト半径ω_０１は、前記ビームウエスト半径ω_０１と前記光スイッチ素子上でのビーム拡大方向のビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、前記ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする光操作装置。
2. 前記コリメータレンズの焦点距離は、前記焦点距離と前記ビームウエスト半径ω_２２との関係を示す曲線において、前記ビームウエスト半径ω_２２が極大値をとる値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光操作装置。
3. 下記式が成り立つことを特徴とする請求項１または２に記載の光操作装置。
   ω_２２＜（λ・ｆ_１）／（π・ｍ・ω_０１）
   ここで、λは前記光の波長、ｆ_１は前記集光レンズ系の焦点距離、ｍは前記アナモルフィック光学系の拡大倍率を示す。
4. 前記ビームウエスト半径ω_０１は９５μｍより小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光操作装置。
5. 前記コリメータレンズの焦点距離は１ｍｍより小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光操作装置。
6. 前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向と垂直な方向においてレンズ効果を有するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光操作装置。
7. 前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向と垂直な方向においてフレネルレンズ状の屈折率分布を形成するように制御されることができる複数の位相変調素子が配列して構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光操作装置。
8. 前記光操作素子は、ＬＣＯＳで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光操作装置。
9. 前記集光レンズ系は、前記ビーム径拡大方向における第１焦点距離と前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における第２焦点距離とが互いに異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光操作装置。
10. 前記第２焦点距離は前記第１焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項９に記載の光操作装置。
11. 前記集光レンズ系は、前記第１焦点距離を有する第１シリンドリカルレンズと前記第２焦点距離を有する第２シリンドリカルレンズとを有することを特徴とする請求項９または１０に記載の光操作装置。
12. 前記集光レンズ系は、前記第２焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第１焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、または、前記第１焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第２焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の光操作装置。
13. 前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた光分散素子を備え、波長選択光スイッチとして機能することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載の光操作装置。
14. 前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記光分散素子よりも該コリメータレンズ側に位置することを特徴とする請求項１３に記載の光操作装置。
15. 前記光分散素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の光操作装置。