JP2015212798A - 波長分散素子 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向素子アレイを備えた波長選択スイッチにおいて用いられたときに、偏向素子間のチャネル境界の波長領域の分離を容易にする離散的な波長分散を実現する波長分散素子を提供すること。【解決手段】入出力ポートアレイ１０１、マイクロレンズアレイ１０２、波長分散の方向が後述の回折格子１０４とは反対であり回折格子１０４よりも短い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を持つ波長分散素子１０３、回折格子１０４、回折格子からの出射光を集光するレンズ１０５、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６がこの順に配置されている。尚、波長分散素子１０３と回折格子１０４との分散軸は一致している。波長分散素子１０３に入射した光は、波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて、回折格子１０４に入射する。この時、波長分散素子１０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子１０４での波長分散が周期的に相殺される。【選択図】図１

Description

本発明は、波長多重（WDM）信号を分光する通信等に利用可能な波長分散素子に関する。

入射光を波長毎に異なる方角に分波させる波長分散素子は広く用いられており、特に光通信においては、光信号を波長ごとに多重化する波長分割多重通信（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）において各波長信号（チャネル）の合分波素子として利用されている。通信用光デバイスではチャネル毎のモニタやスイッチングなどの機能を実現するため、ＭＥＭＳミラー、空間光変調器、フォトディテクターなどのＭＥＭＳミラーアレイを配置し、波長分散素子により空間的に分波されたチャネルを素子で分離し、処理している。

代表的な波長分散素子として回折格子がある。回折格子での回折角の変化は波長に対して連続的である。そのため、素子の境界領域にも光が入射し、この境界領域に入射されるチャネル境界の波長の光は、透過帯域の狭窄など種々の特性劣化の要因となる。

一方、回折次数を高くして短い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を持ち、周波数に対して回折角が周期的に変化することで回折角の変化が不連続になる波長分散素子も存在する。その代表例がＡｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）とＶｉｒｔｕａｌｌｙ Ｉｍａｇｅｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ（ＶＩＰＡ）である。両者ともに数十ＧＨｚという短いＦＳＲを実現することが可能であり、回折角はＦＳＲの周期で周期的に変化する。

特開２０１０−１７５６４６号公報 特開２０１０−１６０３５１号公報

H. Takahashi et al., "Arrayed-waveguide grating for wavelength division multi/demultiplexer with nanometre resolution", Electronics Letters, Vol 26, Issue: 2 pp.87-88 M. Shirasaki et al., "Dispersion Compensation Using The Virtually Imaged Phased Array", APCC/OECC'99, pp.1367-1370 D. M. Marom et al., "Nonlinear Spatial Dispersion Generation with a MZI-AWG for hybrid PLC-FSO Wavelength-Selective Switches and Wavelength Blockers", ECOC 2006, pp.1-2 John E. Greivenkamp 著、「フィールドガイド 幾何光学」、オプトロニクス出版社、Ｐ．４６

しかしながら、これらの波長分散素子はチャネル内の分散補償などの用途に使われている例はあるが、前述のチャネル境界の波長領域での特性劣化の課題を解決するものではない。そのため、従来の波長分散素子では回折角が波長に対して連続的に変化することから、チャネル境界の分離が困難となり隣接チャネルとの境界領域に入射した光の成分を制御できず、損失や迷光となってしまうため、透過帯域特性などの種々の特性が劣化してしまう課題がある。

また、非線形な回折特性を持つ波長分散素子として、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）とＡＷＧを組み合わせた物が報告されている。しかし、この例ではＭＺＩの透過帯域幅が狭いため、透過帯域幅を広く確保しようとすると透過帯域の平坦性が劣化する傾向にあり、透過帯域特性の０．５ｄＢ帯域幅は４５％が限界となっており、広い透過帯域を確保することができないという課題がある。

また、導波路を用いた上記以外の非線形化の手法として光モード合成カプラを用いる手法等が報告されている。しかしながら、導波路を用いて多ポートからの入射光に対して波長分離を行うには、通常個別の導波路を用いる必要があり、集積化することが困難である。導波路を用いた際には他にも、誘電体中を伝搬させるために挿入損失が大きいこと、導波路の基板に対して垂直方向と平行方向で作製時に発生する応力が異なることから偏波依存性が発生することなどが課題となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、偏向素子アレイを備えた波長選択スイッチにおいて用いられたときに、偏向素子間のチャネル境界の波長領域の分離を容易にする離散的な波長分散を実現する波長分散素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波長分散素子であって、第１の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する第１の波長分散部と、前記第１のＦＳＲよりも短い第２のＦＳＲを有し、分散軸が前記第１の波長分散部と同一であり、前記第１の波長分散部に対して波長分散方向が逆である第２の波長分散部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長分散素子において、前記第１および第２の波長分散部は、前記第２のＦＳＲ単位で前記第１および第２の波長分散部を透過した光の出射角が一定となる分散能を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長分散素子において、前記第２の波長分散部は、ＡＷＧを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の波長分散素子において、前記第２の波長分散部は、ＶＩＰＡを含むことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の波長分散素子において、２以上の入出力ポートが前記ＶＩＰＡに光学的に接続されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の波長分散素子において、前記ＶＩＰＡへの入射光を整形するビーム整形素子をさらに備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の波長分散素子において、前記第１の波長分散部と前記第２の波長分散部との間に設けられた分散角を拡大又は縮小する光学系をさらに備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の波長分散素子において、前記第２のＦＳＲが入射されるＷＤＭ信号のグリッド間隔と一致していることを特徴とする。

本発明は、偏向素子アレイを備えた波長選択スイッチにおいて用いられたとき、チャネル境界の波長領域の分離を容易にし、偏向素子間の境界領域に光が入射することによる特性劣化を防ぐ効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 （ａ）は、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子の分散特性を示す図であり、図２（ｂ）に、ＦＳＲが短い波長分散素子の分散特性を示す図であり、（ｃ）、（ｄ）は、これら２種類の波長分散素子による波長分散が逆方向となるように設置したときの分散特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 本発明の実施形態４に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 本発明の実施形態５に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す図である。 ＶＩＰＡの原理を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は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。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態では、入出力ポート１１１−１、、、１１１−ｎを含む入出力ポートアレイ１０１、マイクロレンズアレイ１０２、波長分散の方向が後述の回折格子１０４とは反対であり回折格子１０４よりも短い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を持つ波長分散素子１０３、回折格子１０４、回折格子からの出射光を集光するレンズ１０５、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６がこの順に配置されている。尚、波長分散素子１０３と回折格子１０４との分散軸は一致している。

まず、入出力ポートアレイ１０１に入力された光信号は、マイクロレンズアレイ１０２を経てコリメート光として空間に出射され、波長分散素子１０３に入射する。波長分散素子１０３に入射した光は、波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて、回折格子１０４に入射する。この時、波長分散素子１０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子１０４での波長分散が周期的に相殺される。回折格子１０４からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺により波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ１０５で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。ＭＥＭＳミラーアレイ１０６により反射角が変化した光は再びレンズ１０５、回折格子１０４、波長分散素子１０３、マイクロレンズアレイ１０２を通過して、入出力ポートアレイ１０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

本実施形態ではＦＳＲが短い波長分散素子１０３を回折格子１０４の前段に配置したが、波長分散素子１０３と回折格子１０４の配置が逆でも本発明の効果に変わりはない。

図２（ａ）に、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子の分散特性を示し、図２（ｂ）に、ＦＳＲが短い波長分散素子の分散特性を示す。回折格子１０４は通常、数ＴＨｚから数百ＴＨｚオーダのＦＳＲを持ち、光の周波数に対して連続的に回折角が変化する（図２（ａ））。それに対し、ＦＳＲが短い波長分散素子１０３では、そのＦＳＲの周期で、周波数に対して周期的に回折角が変化する（図２（ｂ））。

図２（ｃ）、（ｄ）に、これら２種類の波長分散素子による波長分散が逆方向となるように設置したときの分散特性を示す。ＦＳＲが短い波長分散素子１０３と回折格子１０４を波長分散が逆方向となるよう配置することで、回折格子１０４による波長分散を周期的に打ち消し、波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で回折角が波長に対して離散化する。この回折角が離散化する波長を、チャネル境界に合わせることで、チャネルごとに回折角を分離することが可能となり、レンズ１０５により集光した際にはチャネルごとに分離した回折角に応じた位置に集光される。

各チャネルを分離する際、ＭＥＭＳミラー、空間光変調器、フォトディテクターなど空間的に配置された素子アレイが用いられる。離散化された回折角により生じる空間的な変動の範囲がアレイ内の素子サイズ以下であれば、その透過帯域特性は素子間に対応する波長成分の減衰が無くなり、透過帯域が波長に対して変化しない矩形のフィルター形状を持つことが可能となる。

図２（ｄ）は２種類の波長分散素子の分散能が一致し、相殺された場合の分散特性の例である。組み合わされた波長分散素子からの出射光は回折角がチャネル毎に一定値で離散化されるため、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６を適切に配置すればミラー間の境界領域に光が入射することによる損失が無くなるため、特性劣化を防ぐことができる。

このような効果は図２（ｃ）のように２種類の分散能が一致していない場合でも同様であるが、特に、２種類の波長分散素子の分散能が完全に相殺される場合には、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６の設置トレランスの拡大や、素子サイズの縮小などの効果がさらに期待できる。

また２種類の波長分散素子は、それぞれ複数の回折の組合せでも良く、たとえば回折格子１０４は２枚の回折格子を組み合わせた構成でもよい。その場合、組み合わせた最終的な回折角が離散的になるように各波長分散素子を設定すればよい。

上記のように、バルクの波長分散素子と、それとは逆方向の波長分散を持った波長分散素子を組み合わせることにより、波長分散素子のＦＳＲの周期で離散的な波長分散を得ると同時に、導波路構造の際に問題となる挿入損失や偏波依存性を抑制することが可能となる。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態では、入出力ポート３１１−１、、、３１１−ｎを含む入出力ポートアレイ３０１、マイクロレンズアレイ３０２、波長分散の方向が後述の回折格子３０６とは反対であり回折格子３０６よりも短いＦＳＲを持つ波長分散素子３０３、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ３０４、３０５、回折格子３０６、回折格子からの出射光を集光するレンズ３０７、ＭＥＭＳミラーアレイ３０８がこの順に配置されている。尚、波長分散素子３０３と回折格子３０６との分散軸は一致している。

まず入出力ポートアレイ３０１に入力された光信号は、マイクロレンズアレイ３０２を経てコリメート光として空間に出射され、波長分散素子３０３に入射する。波長分散素子３０３に入射した光は、波長分散素子３０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ３０４、３０５によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子３０６に入射する。この時、波長分散素子３０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子３０６での波長分散が周期的に相殺される。回折格子３０６からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺により波長分散素子３０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ３０７で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ３０８上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。ＭＥＭＳミラーアレイ３０８により反射角が変化した光は再びレンズ３０７、回折格子３０６、レンズ３０５、３０４、波長分散素子３０３、マイクロレンズアレイ３０２を通過して、入出力ポートアレイ３０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

本実施形態ではＦＳＲが短い波長分散素子３０３を先に配置したが、回折格子３０６との順番が反対でも本発明の効果に変わりはない。

２種類の波長分散素子、波長分散素子３０３および回折格子３０６は、それぞれ複数の回折の組合せでも良く、たとえば回折格子３０６は回折格子を２枚組み合わせた構成でもよい。その場合、組み合わせた最終的な回折角が離散的になるように各波長分散素子を設定すればよい。

次に、短いＦＳＲを持つ波長分散素子３０３と回折格子３０６の波長分散の大きさをレンズ３０４、３０５により調整する手法について説明する。一般的に、ＦＳＲが短い波長分散素子３０３の方が波長分散能は大きくなるため、回折格子３０６の波長分散能と組み合わせて分散角を相殺させるには設計条件が厳しくなる。そこで、ＦＳＲが短い波長分散素子と回折格子の間にレンズ３０４、３０５を追加し、分散角を拡大・縮小する機能を追加する。

ＦＳＲが短い波長分散素子３０３と、回折格子３０６の波長分散能の比から、レンズ３０４、３０５の焦点距離の比を式（１）のように設定することで、波長分散を相殺することが出来る（非特許文献４参照）。

ここで、ｆ１，ｆ２はそれぞれレンズ３０４、レンズ３０５の焦点距離、（ｄθ／ｄλ）_ｇ１はＦＳＲが短い波長分散素子３０３の波長分散能、（ｄθ／ｄλ）_ｇ２は回折格子３０６の波長分散能である。式（１）のように焦点距離の比を設定することにより、回折格子３０６がＭＥＭＳミラーアレイ３０７上で発生させる線分散をＦＳＲが短い波長分散素子３０３による線分散が周期的に打ち消すことになり、波長分散を相殺する。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態では、入出力ポート４１１−１、、、４１１−ｎを含む入出力ポートアレイ４０１と、波長分散の方向が後述の回折格子４０５とは反対であり回折格子４０５よりも短いＦＳＲを持つＡＷＧアレイ４０２、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ４０３、４０４、回折格子４０５、回折格子４０５で回折された光を集光するレンズ４０６とＭＥＭＳミラーアレイ４０７がこの順に配置されている。尚、ＡＷＧアレイ４０２と回折格子４０５との分散軸は一致している。

本実施形態における説明では、波長分散を調整するレンズにはレンズ４０３、４０４を２枚のみを用いているが、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、波長分散の大きさがＡＷＧ４０２と回折格子４０５で同じ場合には、レンズ４０３，４０４を配置する必要はない。

また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子４０５を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いてもよい。

また、ＡＷＧアレイ４０２は複数（ｎ個）のＡＷＧを積層しており、順番に、ＡＷＧ４１２−１、ＡＷＧ４１２−２、、、、ＡＷＧ４１２−ｎが積層されている。

説明のために、入力ポートをＡＷＧ４１２−１に接続された入出力ポート４１１−１とし、出力ポートをＡＷＧ４１２−２に接続された入出力ポート４１１−２、、、、ＡＷＧ４１２−ｎに接続された入出力ポート４１１−ｎとする。以下の説明では、出力ポートとしてＡＷＧ４１２−２を選択した場合の動作について説明する。

まず入力ポート４１１−１に入力された光信号は、ＡＷＧアレイ４１２−１を経てＡＷＧ４１２−１のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光信号はレンズ４０３、４０４によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子４０５に入射する。この時、ＡＷＧ４１２−１での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子４０５での波長分散が周期的に相殺される。回折格子４０５からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＡＷＧ４１２−１のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ４０６で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ４０７上での集光位置は波長に対して離散的に変化し、各チャネルに対応したＭＥＭＳミラーの中心部にのみ集光する。

ＭＥＭＳミラーアレイ４０７により反射角が変化した光は再びレンズ４０６、回折格子４０５、レンズ４０４、４０３、入力とは異なるＡＷＧ４１２−２を通過して、入出力ポートアレイ４０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

本実施形態においては、ＡＷＧ４１２を用いて周期的な波長分散を発生させることにより、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子４０５の波長分散を周期的に相殺することで、回折格子４０５での回折角を離散的にすることが可能となること、ＡＷＧ４１２と回折格子４０５の波長分散の大きさを調性するためにレンズ４０３、４０４を内包している事が特徴である。

波長分散の大きさを調性する為のレンズ４０３の焦点距離ｆ１とレンズ４０４の焦点距離ｆ２の比は、ＡＷＧ４１２の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子４０５の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすように選ぶ。

ＷＤＭ信号のグリッド間隔は、一般的に数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚが用いられる。このような短いＦＳＲを実現するためには、高い次数の回折光を利用する必要がある。高い次数の回折を発生させる波長分散素子として、ＡＷＧを用いることができる。また、同様に周期的な変動があるマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を用いるよりも、透過帯域の平坦性を高く保つことができ、広い透過帯域を実現可能である。また、バルクの波長分散素子を用いることにより、すべての波長分散素子を導波路構造で作製するよりも挿入損失、偏波依存性を回避することができる。

回折格子４０５の分散能が完全に相殺される場合には、ＭＥＭＳミラーアレイ４０７の設置トレランスの拡大や、素子サイズの縮小などの効果がさらに期待できる。

ＡＷＧ４１２に代わりＶｉｒｔｕａｌ Ｉｍａｇｅｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ （ＶＩＰＡ）を用いることで、本構成と同様の効果を持ちながら、入出力ポートを多ポート化することが容易となる。次の実施形態にて詳細を説明する。

（実施形態４）
図５に、本発明の実施形態４に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態では、入出力ポートアレイ５０１と、波長分散の方向が後述の回折格子５０５とは反対であり回折格子５０５よりも短いＦＳＲを持つＶＩＰＡ５０２、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ５０３、５０４、回折格子５０５、回折格子５０５で回折された光を集光するレンズ５０６とＭＥＭＳミラーアレイ５０７がこの順に配置されている。入出力ポートアレイ５０１は、入出力ポート５１１−１、、、５１１−ｎを含む。尚、ＶＩＰＡ５０２と回折格子５０５との分散軸は一致している。

本実施形態における説明では波長分散を調整するレンズにはレンズ５０３、５０４を２枚のみを用いているが、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、波長分散の大きさがＶＩＰＡ５０２と回折格子５０５で同じ場合には、レンズ５０３、５０４を配置する必要はない。また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子５０５を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いても問題はない。

本発明の動作は、入力ポートアレイ５０１に関与する機能部を例として、以下のとおりである。まず入力ポート５０１−１に入力された光信号は、ＶＩＰＡ５０２を経てＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ５０３、５０４によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子５０５に入射する。この時、ＶＩＰＡ５０２での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子５０５での波長分散が周期的に相殺される。回折格子５０５からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ５０６で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ５０７上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。

本発明の動作は、入出力ポート５１１−１に関与する機能部を例として、以下のとおりである。まず入力ポート５１１−１に入力された光信号は、ＶＩＰＡ５０２を経てＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ５０３、５０４によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子５０５に入射する。この時、ＶＩＰＡ５０２での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子５０５での波長分散が周期的に相殺される。回折格子５０５からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ５０６で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ５０７上での集光位置は波長に対して離散的に変化し、各チャネルに対応した偏向素子の中心部にのみ集光する。

偏向素子アレイ、ここではＭＥＭＳミラーアレイ５０７により反射角が変化した光は、再びレンズ５０６、回折格子５０５、レンズ５０４、５０３、ＶＩＰＡ５０２を通過して、入出力ポートアレイ５０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

波長分散の大きさを調性する為のレンズ５０３の焦点距離ｆ１とレンズ５０４の焦点距離ｆ２の比は、ＶＩＰＡ５０２の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子５０５の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすように選ぶ。

ＶＩＰＡ５０２はＡＷＧ同様、高い次数の回折を発生させる波長分散素子である。よって、ＶＩＰＡ５０２の波長分散の方向が回折格子５０５と逆方向になるように配置することにより、ＷＤＭ信号のグリッド間隔のような短い周期での波長分散の離散化を得ることが可能である。

また、ＡＷＧ等の導波路構造を持つ波長分散素子を用いて複数のポートを構成させる場合、その導波路を基板に対して平行に並べて作製するか、垂直に重ねて作製する必要がある。しかしながら、導波路構造を基板に平行に並べる方法はデバイスが大型化してしまうため、多ポート化には不向きである。同時に、導波路構造を多層化する際には、積層などでの層ごとの特性の変化などが問題となる。

一方、ＶＩＰＡ５０２では、導波路構造を持つ波長分散素子とは異なり、光を局所的に閉じ込めることがないため、１つのＶＩＰＡ５０２に複数の入力ポート５０１を配置することが可能である。複数のポートから入射した光は波長チャネルごとに離散的に分光され、ＭＥＭＳミラーアレイ５０７中の各波長チャネルに対応した偏向素子の中心部にのみ集光される。

よって、高い次数を発生させるＶＩＰＡとバルクの波長分散素子を組み合わせることにより、波長分散を離散化すると同時に、多ポート化することが容易となる。導波路構造を利用せずに波長分散を離散化することが可能なため、挿入損失や偏波依存性を抑制することもできる。

（実施形態５）
図６に、本発明の実施形態５に係る波長分散素子を用いた波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態では、入出力ポート６１１−１、、、６１１−ｎを含む入出力ポートアレイ６０１と、後述のＶＩＰＡ６０３へ入射する光のプロファイルを整形する素子６０２、波長分散の方向が後述の回折格子６０６とは反対であり回折格子６０６よりも短いＦＳＲを持つＶＩＰＡ６０３、上記の波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ６０４、６０５、回折格子６０６と、回折格子６０６で回折された光を集光するレンズ６０７とＭＥＭＳミラーアレイ６０８がこの順に配置されている。尚、ＶＩＰＡ６０３と回折格子６０６との分散軸は一致している。

本実施形態における説明では波長分散を調整するレンズには、レンズ６０４、６０５の２枚のみを用いているが、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よい。また、波長分散の大きさがＶＩＰＡ６０３と回折格子６０６で同じ場合には、レンズ６０４、６０５を配置する必要はない。

また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子６０６を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いてもよい。

まず、入出力ポート６１１−１に入力された光信号は、ビーム整形素子６０２を経てｓｉｎｃ関数形状のビームとしてＶＩＰＡ６０３に入射される。これは、ＶＩＰＡを用いた場合、ＶＩＰＡからレンズを１枚透過した後の出射光強度の波長依存性はＶＩＰＡへの入射光形状に依存する、具体的には、ＶＩＰＡへの入射光形状をフーリエ変換した形状が、ＦＳＲ１周期内の出射光強度の波長依存性プロファイルとなるためである。

図７に、ＶＩＰＡの原理を説明する図を示す。ＶＩＰＡへの入射光形状が一般的に用いられるガウシアンビームである場合、出射光強度の波長依存性はガウス分布となる。そのため、分散角を離散化し、チャネル分離が容易になったとしても、チャネル内の強度が波長依存性を持ち、これが特性の劣化を引き起こす。波長依存性がフラットになるよう改善するためには、ＶＩＰＡ６０３への入射光形状が矩形関数の逆フーリエ変換であるｓｉｎｃ関数になるように整形することが有効である。ビーム形状の整形手法として、ビームシェイパーやホログラム技術などが挙げられる。ＶＩＰＡ６０３への入射光形状を整形するため、その前段にビームシェイパーやホログラム素子等のビーム整形素子６０２を配置し、その形状を変化させる。

本実施形態では単一の素子として光のプロファイルを整形する素子６０２を記述したが、ビームシェイパーやホログラム素子、レンズ等の組み合わせによりｓｉｎｃ関数形状のビームを作製してもよい。例えば、ガウシアンビームを矩形に変形させるビームシェイパーを用いる場合、矩形ビームを生成したのちにレンズによるフーリエ変換作用を利用し、ｓｉｎｃ関数形状の入射光を生成する。このようなＶＩＰＡ入射光形状の整形により、波長依存性が低減され、特性劣化が改善される。

光信号がビーム整形素子６０２を経てｓｉｎｃ関数形状のビームとしてＶＩＰＡ６０３に入射された後、ＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ６０４、６０５によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子６０６に入射する。この時、ＶＩＰＡ６０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子６０６での波長分散が周期的に相殺される。回折格子６０６からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ６０７で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ６０８上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。

ＭＥＭＳミラーアレイ６０８により反射角が変化した光は、再びレンズ６０７、回折格子６０６、レンズ６０５、６０４、ＶＩＰＡ６０３、ビーム整形素子６０２を通過して、入出力ポートアレイ６０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

また、ＶＩＰＡ６０３への入射光のフーリエ変換が波長に対する光強度の分布形状となるため、ＶＩＰＡ６０３への入射光をｓｉｎｃ関数形状にしたことで、離散化された後の波長に対する高度分布の計上は矩形になり、光強度の波長依存性は抑制され、平坦で広い透過帯域を獲得することが出来る。

本実施形態においては、ＶＩＰＡ６０３を用いて周期的な波長分散を発生させることにより、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子６０６の波長分散を周期的に相殺することで、回折格子６０６での回折角を離散的にすることが可能となる。また、ビーム整形素子６０２によって光強度の波長依存性を低減することで、平坦で広い透過帯域事を得ることが出来る。

また、波長分散の大きさを調性する為のレンズ６０４の焦点距離ｆ１とレンズ６０５の焦点距離ｆ２の比は、ＶＩＰＡ６０３の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子６０６の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすように選ぶ。

波長分散は、ＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で離散化される。よって、光通信で用いられる波長多重（ＷＤＭ）信号のグリッド間隔に一致したＦＳＲを持つＶＩＰＡ６０３を利用することで、ＷＤＭ信号の波長チャネルを離散的に分離することが可能となる。

尚、実施形態１〜５では偏向素子として、ＭＥＭＳミラーを用いたが、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの他の空間光変調器を用いた時も同様の効果を得ることが出来る。

１０１、３０１、４０１、５０１、６０１ 入出力ポートアレイ
１１１、３１１、４１１、５１１、６１１ 入出力ポート
１０２、３０２ マイクロレンズアレイ
１０３、３０３ 波長分散素子
１０４、３０６、４０５、５０５、６０６ 回折格子
１０５、３０４、３０５、３０７、４０３、４０４、４０６、５０３、５０４、５０６、６０４、６０５、６０７、７０２ レンズ
１０６、３０８、４０７、５０７、６０８ ＭＥＭＳミラーアレイ
４０２ ＡＷＧアレイ
４１２ ＡＷＧ
５０２、６０３、７０１ ＶＩＰＡ
６０２ ビーム整形素子

Claims (8)

1. 第１の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する第１の波長分散部と、
   前記第１のＦＳＲよりも短い第２のＦＳＲを有し、分散軸が前記第１の波長分散部と同一であり、前記第１の波長分散部に対して波長分散方向が逆である第２の波長分散部と、
   を備えたことを特徴とする波長分散素子。
2. 前記第１および第２の波長分散部は、前記第２のＦＳＲ単位で前記第１および第２の波長分散部を透過した光の出射角が一定となる分散能を有することを特徴とする請求項１に記載の波長分散素子。
3. 前記第２の波長分散部は、ＡＷＧを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長分散素子。
4. 前記第２の波長分散部は、ＶＩＰＡを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長分散素子。
5. ２以上の入出力ポートが前記ＶＩＰＡに光学的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の波長分散素子。
6. 前記ＶＩＰＡへの入射光を整形するビーム整形素子をさらに備えたことを特徴とする請求項４又は５に記載の波長分散素子。
7. 前記第１の波長分散部と前記第２の波長分散部との間に設けられた分散角を拡大又は縮小する光学系をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長分散素子。
8. 前記第２のＦＳＲが入射されるＷＤＭ信号のグリッド間隔と一致していることを特徴とする請求項１乃至7のいずれかに記載の波長分散素子。