JP2016138989A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】回折素子に回折起点を複数有することに起因する損失の波長依存性を補正可能な、小型・低背・低コスト・低損失を並立できるＬＣＯＳ型の波長選択スイッチを提供すること。【解決手段】波長選択スイッチの光学系は、ポートアレイ８０１、ＤＰ面第１円筒レンズ８０２、台形型偏波ビームスプリッタ８０３、λ／２波長板８０４、透過型回折格子８０５、プリズム８０６、ＳＷ面円筒レンズ８０７、ＤＰ面第２円筒レンズ８０８、ＬＣＯＳ８０９から構成されており、ポートアレイ８０１が入力ポートおよび出力ポート、透過型回折格子８０５が回折素子、ＤＰ面第２円筒レンズ８０８が集光素子、ＬＣＯＳ８０９が偏向素子に相当している。また、透過型回折格子８０５とＤＰ面第２円筒レンズ８０８の間にプリズム８０６が配置されており、光路Ａと光路Ｂの光軸間距離の波長依存性を低減するように設計されていることが特徴である。【選択図】図８

Description

本発明は、レンズや回折格子などの光学部品を利用した空間光学系を有する波長選択スイッチに関する。

波長多重（ＷＤＭ）技術は、その発展にともない、２地点間の伝送容量を増やす用途だけでなく、リング型ネットワークにおいて任意のノード間に波長パスを張る用途にも使われるようになってきた。とくに、波長パスを柔軟に再構成できるＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）リングネットワーク（以下、ＲＯＡＤＭリングと呼ぶ）は、ネットワークの保守・管理コストを劇的に削減し、波長パスを有効利用できるため、近年、急激に普及している。

ＲＯＡＤＭリングの各ノードには、任意の波長信号を任意のポートに接続する機能が必要であるが、そのための装置として、空間光学系に回折素子と偏向素子を組み込んだ波長選択スイッチ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ：ＷＳＳ）が挙げられる。ＷＳＳで利用される偏向素子は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を基盤とする鏡面反射型と、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）技術に代表される位相変調型に大別される。特にＬＣＯＳ型ＷＳＳは、ピクセル単位で液晶位相を制御することにより、各波長チャネルの透過帯域をフレキシブルに制御できるという特徴を有しているため、最近注目されている。

図１２に、一般的なＷＳＳ光学系の構成例を示す。便宜上、波長分散動作面をＤＰ面、ポートスイッチング（切替）動作面をＳＷ面と呼称する。また、本例のレンズはすべて円筒レンズとし、ＤＰ面、ＳＷ面の一方のみで集光作用を及ぼすものとする。

図１２（ａ）ではＤＰ面の動作を説明する。ＤＰ面ではファイバ１２１１、ＤＰ面コリメートレンズ１２１３、回折素子１２１４、ＤＰ面主レンズ１２１６、偏向素子１２１７の順に部材が配置されており、回折素子１２１４とＤＰ面主レンズ１２１６との距離、ＤＰ面主レンズ１２１６と偏向素子１２１７との距離がＤＰ面主レンズ１２１６の焦点距離と一致している。なお、ＳＷ面コリメートレンズ１２１２とＳＷ面主レンズ１２１５は、ＤＰ面においては単なる平板とみなされる。

まず、入力ポートに相当するファイバ１２１１から出射された拡散ビームが、ＤＰ面コリメートレンズ１２１３により平行ビームとなる。その平行ビームは、回折素子１２１４に入射後、各波長信号に対応した別々の回折角で伝搬する。各波長信号の平行ビームは、ＤＰ面主レンズ１２１６により収束ビームとなり、偏向素子１２１７の別々の領域に入射する。

ここで、偏向素子１２１７とＤＰ面主レンズ１２１６との間の距離を、ＤＰ面主レンズ１２１６の焦点距離と一致させることで、偏向素子１２１７上にビームウェスト（ＢＷ）を形成できる。偏向素子１２１７上にＢＷを形成するのはＷＳＳの透過帯域を広帯域化する上で必須の条件となる。また、回折素子１２１４とＤＰ面主レンズ１２１６の間の距離も、ＤＰ面主レンズ１２１６の焦点距離と一致させることで、ＤＰ面主レンズ１２１６通過後の各波長信号のビーム光軸が互いに平行となるように伝搬させることができる。

次に、図１２（ｂ）ではＳＷ面の動作を説明する。ＳＷ面では、ファイバ１２２１、ＳＷ面コリメートレンズ１２２２、ＳＷ面主レンズ１２２４、偏向素子１２２６の順に部材が配置されており、ＳＷ面主レンズ１２２４と偏向素子１２２６の間の距離がＳＷ面主レンズ１２２４の焦点距離と一致している。なお、ＤＰ面コリメートレンズ１２２３とＤＰ面主レンズ１２２５は、ＳＷ面においては単なる平板とみなされる。

まず、入力ポートに相当するファイバ１２２１から出射された拡散ビームが、ＳＷ面コリメートレンズ１２２２により平行ビームとなる。ＳＷ面主レンズ１２２４に到達したビームは、伝搬方向が変換され、入力ポートに依存せず偏向素子１２２６上の一点に入射する。

以上、ＤＰ面とＳＷ面の動作を総合して考えると、各波長信号に対応した偏向素子領域のビーム偏向角を、各波長信号に応じて制御することにより、任意の波長信号ビームを任意の出力ポートに伝搬・結合させることができる。

次は、図１３に、回折素子として透過型回折格子を１枚用いる場合のＤＰ面の部材配置例を示す。図１２（ａ）は、図１２（ｂ）と比較するための模式図であるため、回折素子への入射光が垂直入射で表現されているが、特定の回折次数の回折効率を高めるには、回折格子に光線を斜め入射させる必要があり、入射角と回折角がほぼ一致する角度で利用するのが望ましい。

例えば、図１３に示すように、中心波長における入射角と回折角が４５°で設計されている場合、中心波長光線の光軸をＤＰ面主レンズ１３０４の光軸と一致させるには、回折素子１３０３をＤＰ面主レンズ１３０４に対して４５°傾斜させて配置し、入力ポート１３０１およびＤＰ面コリメートレンズ１３０２はＤＰ面主レンズ１３０４に対して９０°傾斜させて配置する必要がある。

しかし、この場合、ＤＰ面主レンズ１３０４と回折素子１３０３との距離が物理的に定義できなくなるため、波長多重光線の光軸と回折素子１３０３との交点を「回折起点」と定義する。この回折起点からＤＰ面主レンズ１３０４までの距離を、ＤＰ面主レンズ１３０４の焦点距離と一致させることで、ＤＰ面主レンズ１３０４通過後の各波長信号のビーム光軸が互いに平行となるように伝搬させることが可能である。よって、すべての波長信号ビームを偏向素子１３０５に垂直入射および垂直反射させることができるため、入力ポート１３０１から偏向素子１３０５までの光路（以下、「往路」）と、偏向素子１３０５から出力ポート１３０１までの光路（以下、「復路」）を、ＤＰ面上で完全に同一光路とすることができる。

ところで、図１３で示したＤＰ面の部材配置は、ＭＥＭＳミラーなど偏波依存性のない偏向素子を用いる場合の一般的な構成であったが、ＬＣＯＳなど偏波依存性のある偏向素子を用いる場合、偏波ダイバーシティ機能部を追加配置する必要がある。特許文献１の図１Ｃ・図１Ｄにはキューブ型の偏波分離素子と４５°プリズムを張り合わせた偏波ダイバーシティ機能部を有する波長選択光スイッチが開示されている。

一般的なＷＳＳモジュールは、ＳＷ面の部材配置が厚み方向の制約となっているため、ＳＷ面に部材を追加配置するのは低背化の観点で不利である。また、波長多重光線が分波されている領域に偏波ダイバーシティ機能部を配置すると、部材サイズ・コストの観点で不利である。したがって、低背化・サイズ・コストの観点を優先すると、偏波ダイバーシティ機能部はＤＰ面において、入力（出力）ポートと回折素子との間に配置するのが望ましい。

図１４に、上記の観点から偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの構成を示す。図１３との部材上の違いは、ＤＰ面コリメートレンズ１４０２と回折素子１４０６との間に、偏波分離素子１４０３、折曲ミラー１４０４、λ／２波長板１４０５から構成された偏波ダイバーシティ機能部が配置されている点である。入力ポート１４０１から出射された波長多重光線はＤＰ面コリメートレンズ１４０２を透過し、偏波分離素子１４０３で２つに分岐され、一方はλ／２波長板１４０５を通過し、他方はそれを通過せず、両方とも回折素子１４０６に向かって伝搬する。

また、図１３で示した例では回折起点が１つであったが、図１４で示す例では回折起点が２つとなる。また、回折素子１４０６がＤＰ面主レンズ１４０７に対して傾斜しているため、それぞれの回折起点からＤＰ面主レンズ１４０７までの距離を同一化することができない。したがって、それらの距離の少なくとも一方は、ＤＰ面主レンズ１４０７の焦点距離からずれているため、ＤＰ面主レンズ１４０７通過後の各波長信号のビーム光軸が互いに平行にならない。よって、ほぼ全ての波長信号ビームを、偏向素子に斜めに入射および反射させる必要があり、往路と復路がＤＰ面上でも分離されてしまう。

通常、偏波分離素子で分岐された２つの光線の光軸は、互いに平行となるように折曲ミラーを配置する。その理由は、偏波分離素子から回折素子までの距離が設計値から多少ずれても、２つの回折起点間の距離は設計値からずれないというトレランス上の利点があるためである。

ここで、図１４で示した偏波ダイバーシティ機能部の動作原理について、図１５および図１６を用いて説明する。図１５および図１６では偏向素子１５０８、１６０８は水平偏波のみで動作するＬＣＯＳ、偏波分離素子１５０３、１６０３は垂直偏波を透過させ、水平偏波を反射させると仮定する。なお、以下の図面では、特に断りのない場合、光路図はビームの光軸（主光線）のみを記載する。

まず、図１５では入力（出力）ポート１５０１から出射された波長多重光線のうち、偏波分離素子１５０３を透過する垂直偏波成分に注目する。その垂直偏波光線は偏波分離素子１５０３直後に配置されたλ／２波長板１５０５により水平偏波成分に変換され、回折素子１５０６、ＤＰ面主レンズ１５０７を経由して各波長光線に対応したＬＣＯＳ１５０８の別々の領域に到達する。ＬＣＯＳ１５０８に到達した各波長光線は、ＳＷ面内においては、ＬＣＯＳ１５０８の位相制御により目的の出力ポートに伝搬させるための偏向角を付与され、ＤＰ面内においては入射角に対応する反射角で折り返される。その後、ＤＰ面主レンズ１５０７、回折素子１５０６、折曲ミラー１５０４を経て、再度偏波分離素子１５０３に入射するが、復路では水平偏波成分に変換されているため、偏波分離素子で反射され、ＤＰ面内において同一位置に配置された入力（出力）ポート１５０１に結合する。

次に、図１６では入力（出力）ポート１６０１から出射された波長多重光線のうち、偏波分離素子１６０３で反射される水平偏波成分に注目する。その水平偏波光線は折曲ミラー１６０４により、偏波分離素子１６０３入射前と同一の伝搬方向に修正され、回折素子１６０６、ＤＰ面主レンズ１６０７を経由して各波長光線に対応したＬＣＯＳ１６０８の別々の領域に到達する。ＬＣＯＳ１６０８に到達した各波長光線は、ＳＷ面内においては、ＬＣＯＳ１６０８の位相制御により目的の出力ポートに伝搬させるための偏向角を付与され、ＤＰ面内においては入射角に対応する反射角で折り返される。その後、ＤＰ面主レンズ１６０７、回折素子１６０６、を経て、λ／２波長板１６０５に入射する。λ／２波長板１６０５により垂直偏波成分に変換された波長多重光線は、偏波分離素子１６０３を透過することができ、ＤＰ面内において同一位置に配置された入力（出力）ポート１６０１に結合する。

このように、入力ポートから出射されたすべての偏波成分は、一度水平偏波成分と垂直偏波成分に分離され、往路はそれぞれ別の光路でＬＣＯＳまで到達し、復路は他偏波成分の往路となっていた光路を経由して、出力ポートまで到達する。

特許第４３６５６８０号公報 米国特許第６７６０５０１号明細書

ところで、図１４〜１６で示した偏波ダイバーシティＷＳＳ光学系には、挿入損失の波長依存性が大きくなり、使用波長範囲の全体で低損失性を維持できないという課題があった。図１７〜１９でその原理を順に説明する。

図１７は、回折素子で分波された各波長信号の光路の相対関係を示したものである。先に述べたように、偏波分離素子で分岐された２つの光線は、それぞれ回折素子１７０１の別の位置に入射するため、回折起点が２つ存在する。便宜上、この２つの回折起点のうち、ＤＰ面主レンズ１７０２から遠い方を「回折起点Ａ」、ＤＰ面主レンズ１７０２に近い方を「回折起点Ｂ」と定義する。また、入力ポートからＬＣＯＳ１７０３までの光路のうち回折起点Ａを含む方を「光路Ａ」、回折起点Ｂを含む方を「光路Ｂ」と定義する。すなわち、直交する２つの偏波成分のうち、一方の成分は光路Ａが往路で光路Ｂが復路となり、他方の成分は光路Ｂが往路で光路Ａが復路となる。また、図１４の説明でも述べたように、回折素子１７０１に入射する直前の光路Ａと光路Ｂの光軸は互いに平行な関係にある。

次に、回折素子１７０１で分波された後の任意の波長光線に注目する。光路Ａも光路Ｂも、波長および回折素子１７０１への入射角が同一であるため回折角も同一となり、光路Ａと光路Ｂの光軸は、分波後も互いに平行な関係が維持される。したがって、ＤＰ面主レンズ１７０２の焦点距離にＬＣＯＳ１７０３の反射面を配置すれば、光路Ａと光路Ｂの同一波長光線の光軸は、ＤＰ面主レンズ１７０２を通過した後、ＬＣＯＳ１７０３の反射面上の一点で交差する。

便宜上、この光路Ａと光路Ｂの交差点を「折返点」、光路ＡがＤＰ面主レンズ１７０２に入射する点を「入射点Ａ」、光路ＢがＤＰ面主レンズ１７０２に入射する点を「入射点Ｂ」と呼び、折返点、入射点Ａ、入射点Ｂからなる三角形に注目する。ＤＰ面主レンズ１７０２から折返点までの距離は波長によらず一定なので、ＤＰ面主レンズ１７０２からＬＣＯＳ１７０３の反射面までの光路長（すなわち入射点Ａ／Ｂから折返点までの距離）は、入射点Ａと入射点Ｂとの距離が伸びれば長くなり、縮まれば短くなる。

ここで、回折素子１７０１とＤＰ面主レンズ１７０２の間を伝搬する光路Ａと光路Ｂの光軸間距離に注目すると、長波側の光線は回折角が大きくなるため光軸間距離が短くなり、入射点Ａと入射点Ｂの距離も短くなる。逆に、短波側の光線は回折角が小さくなるため光軸間距離が長くなり、入射点Ａと入射点Ｂの距離も長くなる。

したがって、ＤＰ面主レンズ１７０２からＬＣＯＳ１７０３の反射面までの光路長は、中心波長に対し、長波側で短く、短波側で長くなる傾向を有しており、これが挿入損失の波長依存性を増大させる要因となっている。

以上、図１７の説明で述べた内容を、図１８に示す具体的な数値例を用いて説明する。透過型回折格子１８０１の溝本数は１１３０本／ｍｍ、設計中心波長を１５５０ｎｍ、長波長を１５８０ｎｍ、短波長を１５２０ｎｍとして考える。この場合、設計中心波長において、入射角と回折角を一致させるには、入射角を６１．１°に設定すればよい。この時、回折後の光路Ａと光路Ｂの光軸間距離は、長波長で０．８６倍に短くなり、短波長で１．１２倍に長くなる。次に、設計中心波長での光路Ａと光路Ｂの光軸間距離を１０ｍｍ、ＤＰ面主レンズ１７０２（理想薄肉レンズとする）の焦点距離を１００ｍｍとすれば、ＤＰ面主レンズ１７０２からＬＣＯＳ１７０３の反射面までの光路長は、長波長で１００．０９２ｍｍ、設計中心波長で１００．１２５ｍｍ、短波長で１００．１５７ｍｍとなる。したがって、設計中心波長を基準とすると、長波長から短波長にかけて±０．０３ｍｍ程度の光路長差が発生することになる。

次に、図１８で例示した±０．０３ｍｍ程度の光路長差が、損失の波長依存性に与える影響を見積もるため、図１９に示すモデルを考える。図１９は、光路Ａと光路Ｂを波長ごとに一本の直線に展開して考え、ＤＰ面主レンズ１９０２、１９０４（往路、復路）、ＬＣＯＳ１９０３の反射面などをその直線上に配置したものである。ＤＰ面主レンズは、光路Ａと光路Ｂで各波長光線に２度ずつ通過されることになるが、長波長と短波長の光路では、光路Ａと光路Ｂのどちらか一方でレンズ周縁部を通過することになる。そこで、レンズ周縁部を通過する際の焦点距離は、球面収差の影響をうけ、理想よりもδｍｍだけ短くなると仮定している。

したがって、ＤＰ面主レンズの焦点距離が１００．１ｍｍ、δが０．５ｍｍの場合、長波長（１５８０ｎｍ）の光路は、焦点距離１００．１ｍｍのレンズと焦点距離９９．６ｍｍのレンズが２００．１８４ｍｍの離間距離で配置されており、設計中心波長（１５５０ｎｍ）の光路は、焦点距離１００．１ｍｍの２つのレンズが２００．２５０ｍｍの離間距離で配置されており、短波長（１５２０ｎｍ）の光路は、焦点距離９９．６ｍｍのレンズと焦点距離１００．１ｍｍのレンズが２００．３１４ｍｍの離間距離で配置されているモデルに相当する。

ここで、スポットサイズ２．５ｍｍのビームウェストが光路Ａに形成されており、そのビームが上記の２つのＤＰ面主レンズ１９０２、１９０４を通過した後、スポットサイズ２．５ｍｍのビームウェストと再結合する場合の結合損失の計算結果を表１に示す。尚、それぞれのビームウェストとレンズまでの距離は５０ｍｍと仮定し、参考までに光路長のばらつきが無いと仮定した場合の結果も示す。

この結果から、光路長のばらつきが無い場合の最大損失は０．１７ｄＢにとどまっているが、光路長のばらつきがある場合の最大損失は０．６５ｄＢに増大していることがわかる。すなわち、偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳ光学系では、挿入損失の波長依存性が大きくなり、使用波長範囲の全体で低損失性を維持できないという課題がある。

なお、この波長毎の光路長差に起因する損失の波長依存性を低減する手法として、ＷＳＳ光学系にプリズムを挿入する、すなわち、ＤＰ面主レンズと偏向素子の間にプリズムを挿入する手法が開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、この場合は、ＤＰ面主レンズから偏向素子上の折返点までの距離に波長依存性が発生してしまうため、折返点を偏向素子上に配置するには、ＤＰ面主レンズに対して偏向素子全体を傾斜させなくてはならない。すると、各波長によって偏向素子上の入射角と反射角が同一でなくなるため、ＤＰ面内でもビーム偏向角を制御する必要が発生し、コスト増加などの課題を引き起こしてしまう。

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、回折素子に回折起点を複数有することに起因する損失の波長依存性を補正可能な、小型・低背・低コスト・低損失を並立できるＬＣＯＳ型の波長選択スイッチ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、波長選択スイッチであって、波長多重光線が出射される入力ポートと、前記波長多重光線を分波光線に分波する回折素子と、前記分波光線の伝搬方向を入射角に応じて変換するプリズムであって、前記プリズムへの入射角θとプリズムからの出射角φについて、前記分波光線の長波側光線ではθ＞φ、短波側光線ではθ＜φの関係が成り立つ、プリズムと、前記プリズムを透過した前記分波光線を収束光に変換する集光素子と、前記集光素子を透過した前記分波光線を反射する偏向素子と、前記偏向素子で反射された前記分波光線が、前記集光素子、前記プリズム、および前記回折素子を透過して入射する出力ポートと、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、波長選択スイッチであって、波長多重光線が出射される入力ポートと、前記波長多重光線を偏波方向が直交する２つの偏波光線に分離し、前記２つの偏波光線の光軸が互いに平行となるよう出射する偏波ダイバーシティ機能部と、前記２つの偏波光線が、それぞれ第１および第２の回折起点で別々の分波光線に分波される回折素子と、前記分波光線の伝搬方向を入射角に応じて変換するプリズムであって、前記プリズムへの入射角θとプリズムからの出射角φについて、前記分波光線の長波側光線ではθ＞φ、短波側光線ではθ＜φの関係が成り立つ、プリズムと、前記プリズムを透過した前記分波光線を収束光に変換する集光素子と、前記集光素子を透過した前記分波光線を反射する偏向素子と、波長多重光線を受光する出力ポートと、を備え、前記偏向素子で反射された前記分波光線が、前記集光素子、前記プリズム、前記回折素子の前記第１および第２の回折起点のいずれか一方、および前記偏波ダイバーシティ機能部を透過して前記出力ポートに入射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に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光素子と前記偏向素子との離間距離が、前記集光素子の焦点距離と一致していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記プリズムは、前記回折素子で分波された分波光線のうち、分波波長範囲の中心波長に相当する分波光線で、前記プリズムへの入射角と前記プリズムからの出射角が等しくなるように設計されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記回折素子は透過型であり、複数の回折格子から構成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５に記載の波長選択スイッチにおいて、前記回折素子は、前記複数の回折格子で挟まれた高屈折率材を含むことを特徴とする。

本発明は、波長分散面で水平偏波と垂直偏波に光線を分岐させる偏波ダイバーシティ機能部を有するＬＣＯＳ型波長選択スイッチ光学系において、回折素子に回折起点を複数有することに起因する損失の波長依存性を低減し、小型・低背・低コスト・低損失を並立可能とする効果を奏する。

本発明の原理の概略を説明する図である。 プリズムの動作を説明する図である。 式２で示した光軸距離変化率のθ依存性を表すグラフである。 プリズムの入射角θに対する入射角θと出射角φとの和（θ＋φ）を表すグラフである。 頂角αが５０°の場合について図４のグラフを拡大表示した図である。 図１８に示した回折格子の直後に配置して利用することを想定した、光軸間距離の波長依存性を補正するプリズムの具体例を示す図である。 （ａ）は、偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの構成を示す図であり、（ｂ）は回折素子からＤＰ面主レンズまでの空間に挿入されるプリズムを示す図であり、（ｃ）はＤＰ面主レンズから偏向素子までの空間に挿入されるプリズムを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図である。 本発明の第２の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＭＥＭＳミラーアレイを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図である。 本発明の第３の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図である。 本発明の第４の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図である。 （ａ）は、一般的な波長分散動作面を有するＷＳＳ光学系の構成例を示す図であり、（ｂ）は、一般的なポートスイッチング（切替）動作面を有するＷＳＳ光学系の構成例を示す図である。 回折素子として透過型回折格子を１枚用いる場合のＤＰ面の部材配置例を示す図である。 偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの構成を示す図である。 偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの動作原理を説明する図である。 偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの動作原理を説明する図である。 回折素子で分波された各波長信号の光路の相対関係を示す図である。 回折素子で分波された各波長信号の光路の相対関係を示す図である。 光路Ａと光路Ｂを波長ごとに一本の直線に展開した図である。

図１に、本発明の原理の概略を説明する図を示す。そもそも、挿入損失の波長依存性は、回折格子通過後の光路Ａと光路Ｂの「光軸間距離」に波長依存性が発生することが原因であった。そこで、この光軸間距離の波長依存性を補正するために、回折素子１０１直後にプリズム１０２を配置した。このプリズムにより、光軸間距離の長かった短波光路では光軸間距離が縮小され、逆に、光軸間距離の短かった長波光路では光軸間距離が拡大される。この関係を適切に利用すれば、光軸間距離の波長依存性を低減することが可能となる。

以下、図２〜５を用いて本発明の原理の詳細を述べる。

図２に、プリズムの動作を説明する図を示す。屈折率ｎ、頂角αのプリズムにおいて、光線の入射角をθ、出射角をφとすると、φは式１のように表される。

また、プリズム入射時の光軸間距離をＬ_IN、プリズム出射時の光軸間距離をＬ_OUTとすると、その比率（以下、「光軸距離変化率」と呼ぶ）は式２のように表される。

ここで、波長多重通信で用いられる１５５０ｎｍ付近の数十ナノメートルの波長範囲では屈折率ｎは一定とみなせる。また、すべての波長光線は単一のプリズムに入射するため頂角αも一定である。

図３に、式２で示した光軸距離変化率のθ依存性を表すグラフを示す。ただし、屈折率ｎは１．５とし、頂角αは２０°から７０°の範囲で６水準プロットした。この図３から言えることは、θの範囲を適切に選べば光軸距離変化率を１未満から１以上に変化させる、すなわち、光軸間距離を縮小および拡大できる設計が成り立つという点である。たとえば、頂角αが５０°の場合、入射角θが約３９°で光軸距離変化率が１となり、それよりも小さな入射角で利用すれば光軸間距離が縮小され、それよりも大きな入射角で利用すれば光軸間距離が拡大される。尚、光軸距離変化率が１となるのはθ＝φの場合である。

次に、θ＋φに注目する。θ＋φが一定とみなせる範囲の入射角でプリズムを利用すれば、回折格子で得られた波長分解能を維持することができる。その理由は、回折格子から出射された長波光線と短波光線のなす角は、プリズムに入射する長波光線と短波光線のなす角（｜θ_長波−θ_短波｜）と一致しており、そのなす角が、プリズムから出射される長波光線と短波光線のなす角（｜φ_長波−φ_短波｜）と等しくなるためである。

図４に、プリズムの入射角θに対する入射角θと出射角φとの和（θ＋φ）を表すグラフを示す。図３と同様、屈折率ｎは１．５とし、頂角αは２０°から７０°の範囲で６水準変化させた。破線がθ＝φの直線であり、この図から言えることは、θ＋φはθ＝φとなるθの近傍において一定とみなせるという点である。具体的には、頂角αが５０°の時は入射角θが４０°付近、頂角αが４０°の時は入射角θが３１°付近、頂角αが３０°の時は入射θが２３°付近でプリズムを利用すれば、θ＋φがほぼ一定とみなせることがわかる。

図５に、頂角αが５０°の場合について図４のグラフを拡大表示したものを示す。入射角θが３４°から４５°まで変化しても、θ＋φの変化は０．５°以内に収まっている。また、θ＋φの変化率が極小となるのは、入射角θがθ＝φとなる３９°から４０°であることがわかる。

以上、図２〜５で述べたことを整理すると、θ＜φとなるθ領域で光軸間距離が縮小され、θ＞φとなるθ領域で光軸間距離が拡大され、θ＝φ近傍のθ領域でθ＋φが一定、すなわち波長分散能が維持される。したがって、（１）中心波長でθ＝φ、（２）光軸間距離の短かった長波長光路で光軸距離を拡大するためθ＞φ、（３）光軸間距離の長かった短波光路で光軸距離を縮小するためθ＜φとなるように、プリズムの硝材、頂角、回折格子との相対設置角を設計すれば、波長分解能を維持しつつ、光軸間距離の波長依存性を低減できる。

図６に、回折格子の直後に配置して利用することを想定した、光軸間距離の波長依存性を補正するプリズムの具体例を示す。プリズムの硝材はＢＫ７、頂角は６１．８°、短波長の１５２０ｎｍでの入射角は４６°、長波長の１５８０ｎｍでの入射角は５４．１２°とした。短波長と長波長の光軸相対角は、プリズム入射時で回折格子出射時と同じ８．１２°であり、プリズム出射時で８．３２°であるため、波長分解能も維持できている。

図１８では、短波長の１５２０ｎｍの光路において、回折格子で光軸間距離が１．１２倍に拡大されていたが、このプリズムを通過すると光軸間距離は０．８６倍に縮小される。一方、長波長の１５８０ｎｍの光路において、回折格子で光軸間距離が０．８６倍に縮小されていたが、このプリズムを通過すると１．１２倍に拡大される。したがって、最終的にプリズムを通過すると、短波長でも長波長でも回折格子入射前の光軸間距離の０．９６倍となり、光軸間距離の波長依存性を大幅に低減することができる。

ところで、ＷＳＳ光学系にプリズムを挿入することで波長毎の光路長差を低減する手法としては、ＤＰ面主レンズと偏向素子の間にプリズムを挿入する手法が開示されている（特許文献２参照）。

一方、本発明では、回折素子とＤＰ面主レンズの間にプリズムを挿入する点を特徴としており、これら構成の差異から生じる作用効果の差異について図７を用いて説明する。便宜上、入力（出力）ポート７０１から回折素子７０６までの空間を「空間１」、回折素子７０６からＤＰ面主レンズ７０７までの空間を「空間２」、ＤＰ面主レンズ７０７から偏向素子７０８までの空間を「空間３」と定義する。

図７（ａ）に、偏波ダイバーシティ機能部をＤＰ面に配置したＷＳＳの構成を示す。このように、（１）空間１において、光路Ａと光路Ｂの光軸が互いに平行であれば、（２）空間２においても、同一波長であれば光路Ａと光路Ｂの光軸は互いに平行である。したがって、（３）空間３において、ＤＰ面主レンズ７０７から「折返点」（光路Ａと光路Ｂの交差点）までの距離は、全ての波長光線で同一となるため、（４）ＤＰ面主レンズ７０７に対して偏向素子７０８全体を傾斜させる必要は無かった。

ところが、空間３に図７（ｃ）に示すプリズムを挿入すると、上記（３）（４）の関係が維持されなくなり、光学素子に要求される機能に変化が現れる。具体的には、空間３において、ＤＰ面主レンズ７０７から折返点までの距離に波長依存性が発生するため、ＤＰ面主レンズ７０７に対して偏向素子７０８全体を傾斜させなくてはならない。すると、各波長によって偏向素子７０８上の入射角と反射角が同一でなくなるため、偏向素子７０８に、ＤＰ面内でもビーム偏向角を制御する機能が必要になる。これは、偏向素子７０８がＬＣＯＳである場合、ピクセルサイズを小さくする、あるいは、ＬＣＯＳ上のＤＰ面ビームサイズを大きくするなどの仕様変更が必要になり、コスト増加や透過帯域縮小などの課題を引き起こしてしまう。

一方、本発明のように、空間２に図７（ｂ）に示すプリズムを挿入する場合、光路の伝搬方向は変化するものの、上記（２）の特徴は維持されるため、上記（３）（４）の関係も維持され、各光学素子に要求される機能はプリズム挿入前後で変化しない。

以下に、本発明による実施形態について、図を参照しながら説明するが、本発明はここで示す実施例の具体的な構成に限定されるものではない。

（実施形態１）
図８に、本発明の第１の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図を示す。本実施形態の光学系は、ポートアレイ８０１、ＤＰ面第１円筒レンズ８０２、台形型偏波ビームスプリッタ８０３、λ／２波長板８０４、透過型回折格子８０５、プリズム８０６、ＳＷ面円筒レンズ８０７、ＤＰ面第２円筒レンズ８０８、ＬＣＯＳ８０９から構成されており、ポートアレイ８０１が入力ポートおよび出力ポート、透過型回折格子８０５が回折素子、ＤＰ面第２円筒レンズ８０８が集光素子、ＬＣＯＳ８０９が偏向素子に相当している。また、透過型回折格子８０５とＤＰ面第２円筒レンズ８０８の間にプリズム８０６が配置されており、光路Ａと光路Ｂの光軸間距離の波長依存性を低減するように設計されていることが特徴である。

ＬＣＯＳ型ＷＳＳとしての基本的な動作原理は図１２〜１６の説明で述べた内容と一致するので省略する。

尚、ポートアレイ８０１としては、ＳＷ面とＤＰ面に異なるＮＡのビームを出射する必要があるため、具体的な構成としては、ファイバアレイと円筒レンズアレイの組み合わせや、ＰＬＣ技術を利用した導波路アレイチップなどが考えられる。後者の場合、部品数を削減できるなどの利点が得られる。

λ／２波長板８０４は、台形型偏波ビームスプリッタの光路Ａと光路Ｂのどちらに配置することもできるが、光路Ａも光路ＢもＬＣＯＳ８０９が動作する偏波方向に揃うように選択・配置する必要がある。

ＤＰ面第２円筒レンズ８０８は、有効径の大きな高性能レンズが必要となるため、ダブレットやトリプレットレンズを使用しても良い。

また、本実施形態において、ＬＣＯＳ８０９は、反射面が紙面と直交するよう配置されているが、一般的には紙面垂直方向はモジュール高さ方向であり、ＬＣＯＳ面積がモジュール低背化の制約となってしまう。そこで、ＬＣＯＳ８０９の反射面を紙面と平行に配置して、ＬＣＯＳ８０９直前に４５°の傾斜ミラーを配置し、光路を９０°変換すればＬＣＯＳ面積がモジュール低背化の制約にならないようにできる。

（実施形態２）
図９に、本発明の第２の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＭＥＭＳミラーアレイを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図を示す。第１の実施形態との違いは、（１）偏向素子がＬＣＯＳではなくＭＥＭＳミラーアレイ９０９であるため、偏波ダイバーシティが不要であること、（２）ポートアレイがＤＰ面において２列化されており、第１のポートアレイ９０１と第２のポートアレイ９０３に分かれている。尚、第１および第２のポートアレイ９０１、９０３に対し、それぞれ第１のＤＰ面第１円筒レンズ９０２、第２のＤＰ面第１円筒レンズ９０４が配置されている。

本実施形態では、偏向素子としてＭＥＭＳミラーアレイ９０９を利用しているため、ＳＷ面とＤＰ面の２次元的なビーム偏向も比較的容易に可能である。したがって、往路・復路とも光路Ａのみ、もしくは、光路Ｂのみというポート切り替えも可能となる。よって、例えば、第１のポートアレイ９０１に１１ポート、第２のポートアレイ９０３に１１ポート配置されているとして、第１のポートアレイ９０１の１つのポートを入力ポート、その他のすべてのポートを出力ポートとして利用すれば、１入力×２１出力の大規模ＷＳＳ光学系を構成することができる。ここで、ポートアレイは２列に限定される必要は無く、３列以上でもよい。

（実施形態３）
図１０に、本発明の第３の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図を示す。第１の実施形態との違いは、ＬＣＯＳ１０１０直前に円筒メニスカスレンズ１００９が配置されている点であり、これによりＬＣＯＳ１０１０の反射面に結像するビームスポットの像面湾曲収差を補正することができる。

（実施形態４）
図１１に、本発明の第４の実施形態に係るＷＳＳにおける、偏向素子としてＬＣＯＳを利用した場合のＷＳＳ光学系について、ＤＰ面から見た光路図を示す。第１の実施形態との違いは、回折素子が２枚の透過型回折格子１１０５、１１０７から構成されており、その２枚の回折格子で挟まれる空間１１０６が、ガラスなどの高屈折率材で充填されている点である。別の言い方をすると、プリズムの前面と後面に別の透過型回折格子１１０５、１１０７が貼り付けられた回折素子ブロックを利用したＷＳＳ光学系となっている。

回折格子の通過枚数を増やすことにより波長分散能を増大させることが可能となる。したがって、透過帯域を拡大したり、ＤＰ面第２円筒レンズ１１１０の焦点距離を短縮して光学系を小型化したりする設計自由度を得ることができる。

１０１、６０１ 回折素子
１０２、６０２ プリズム
７０１ 入力（出力）ポート
７０２ ＤＰ面コリメートレンズ
７０３ 偏波分離素子
７０４ 折曲ミラー
７０５ λ／２波長板
７０６ 回折素子
７０７ ＤＰ面主レンズ
７０８ 偏向素子
８０１、１００１、１１０１ ポートアレイ
９０１ 第１のポートアレイ
９０３ 第２のポートアレイ
８０２、１００２、１１０２ ＤＰ面第１円筒レンズ
９０２ 第１のＤＰ面第１円筒レンズ
９０４ 第２のＤＰ面第１円筒レンズ
８０３、１００３、１１０３ 台形型偏波ビームスプリッタ
８０４、１００４、１１０４ λ／２波長板
８０５、９０５、１００５、１１０５、１１０７ 透過型回折格子
８０６、９０６、１００６、１１０８ プリズム
８０７、９０７、１００７、１１０９ ＳＷ面円筒レンズ
８０８、９０８、１００８、１１１０ ＤＰ面第２円筒レンズ
８０９、１０１０、１１１１ ＬＣＯＳ
９０９ ＭＥＭＳミラーアレイ
１００９ 円筒メニスカスレンズ
１１０６ 空間
１２１１、１２２１ ファイバ
１２１２、１２２２ ＳＷ面コリメートレンズ
１２１３、１２２３ ＤＰ面コリメートレンズ
１２１４ 回折格子
１２１５、１２２４ ＳＷ面主レンズ
１２２２、１３０２、１４０２、１５０２、１６０２ ＤＰ面コリメートレンズ
１２１６、１２２５ ＤＰ面主レンズ
１２１７、１２２６ 偏向素子
１３０１、１４０１、１５０１、１６０１ 入力（出力）ポート
１３０２、１４０２、１５０２、１６０２ ＤＰ面コリメートレンズ
１３０３、１４０６、１５０６、１６０６、１７０１ 回折格子
１３０４、１４０７、１５０７、１６０７、１７０２、１９０２、１９０４ ＤＰ面主レンズ
１３０５、１４０８ 偏向素子
１４０３、１５０３、１６０３ 偏波分離素子
１４０４、１５０４、１６０４ 折曲ミラー
１４０５、１５０５、１６０５ λ／２波長板
１５０８、１６０８、１７０３、１９０３ ＬＣＯＳ
１８０１ 透過型回折格子

Claims (6)

1. 波長多重光線が出射される入力ポートと、
   前記波長多重光線を分波光線に分波する回折素子と、
   前記分波光線の伝搬方向を入射角に応じて変換するプリズムであって、前記プリズムへの入射角θとプリズムからの出射角φについて、前記分波光線の長波側光線ではθ＞φ、短波側光線ではθ＜φの関係が成り立つ、プリズムと、
   前記プリズムを透過した前記分波光線を収束光に変換する集光素子と、
   前記集光素子を透過した前記分波光線を反射する偏向素子と、
   前記偏向素子で反射された前記分波光線が、前記集光素子、前記プリズム、および前記回折素子を透過して入射する出力ポートと、
   を備えたことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 波長多重光線が出射される入力ポートと、
   前記波長多重光線を偏波方向が直交する２つの偏波光線に分離し、前記２つの偏波光線の光軸が互いに平行となるよう出射する偏波ダイバーシティ機能部と、
   前記２つの偏波光線が、それぞれ第１および第２の回折起点で別々の分波光線に分波される回折素子と、
   前記分波光線の伝搬方向を入射角に応じて変換するプリズムであって、前記プリズムへの入射角θとプリズムからの出射角φについて、前記分波光線の長波側光線ではθ＞φ、短波側光線ではθ＜φの関係が成り立つ、プリズムと、
   前記プリズムを透過した前記分波光線を収束光に変換する集光素子と、
   前記集光素子を透過した前記分波光線を反射する偏向素子と、
   波長多重光線を受光する出力ポートと、
   を備え、前記偏向素子で反射された前記分波光線が、前記集光素子、前記プリズム、前記回折素子の前記第１および第２の回折起点のいずれか一方、および前記偏波ダイバーシティ機能部を透過して前記出力ポートに入射することを特徴とする波長選択スイッチ。
3. 前記集光素子と前記偏向素子との離間距離が、前記集光素子の焦点距離と一致していることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記プリズムは、前記回折素子で分波された分波光線のうち、分波波長範囲の中心波長に相当する分波光線で、前記プリズムへの入射角と前記プリズムからの出射角が等しくなるように設計されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
5. 前記回折素子は透過型であり、複数の回折格子から構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
6. 前記回折素子は、前記複数の回折格子で挟まれた高屈折率材を含むことを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチ。