JP2017009871A - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】光スイッチにおいて使用される光学素子の数を減少して、小型かつ設計が容易な光スイッチを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の光スイッチは、少なくとも１つの入力ポート、少なくとも１つの出力ポート、入力コモンポート及び入力コモンポートに接続された出力コモンポートと、入力ポートからの波長多重光信号を、波長毎に分光する分光手段と、波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、集光された光信号の各々を光変調する空間光変調手段と、空間光変調手段からの光信号を合波する光合波手段とを備え、空間光変調手段は、集光された光信号が選択的に入力コモンポートに入射されるように進行方向を偏向し、分光手段は、出力コモンポートからの波長多重光信号を波長毎に分光し、空間光変調手段は、出力コモンポートからの波長多重光信号から波長毎に分光され集光された光信号が選択的に出力ポートに入射されるように進行方向を偏向する。【選択図】図３

Description

本発明は、光スイッチに関し、より詳細には、実装が簡便であり、低コストの光スイッチに関する。

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。ここで、ＷＤＭノードにおいては、経路切替機能のスループットの増大が強く求められている。従来、ＷＤＭの経路切替については、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った。しかしながら、電気信号への変換を行って経路のスイッチングを行う方式は、ＷＤＭ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た。このため、電気信号におけるスイッチングを介さず、光信号のまま信号処理を行う、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）に代表されるようなトランスペアレントなネットワークシステムが重要度が増している。ＲＯＡＤＭシステムは、ネットワークをリング型として各ノードで光信号のアド・ドロップを行うとともに、その必要がないものは光信号のまま通過させるため、ノード装置を小型でき、低消費電力化するという利点がある。したがって、ＲＯＡＤＭを構成する光デバイス、例えば波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ）等のスイッチングデバイス開発は精力的に進められている。

ＷＳＳの光信号処理デバイスにおける一般的な構成と動作原理を説明する。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離するための回折格子を通過し、再びレンズを介して集光装置に集光される。集光位置には、光信号を所望の位相変化を与えるための空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が配置される。このＳＬＭの代表的な例として、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）等がある。これらのＳＬＭによって、各光信号は所望の位相変化を与えられ、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ポートに結合する。ＷＳＳのようなスイッチングデバイスを構成する際には、少なくとも一本の入力ポートの他、出力ポートを複数本配置し、ＳＬＭにて信号光を所望の角度に偏向することで反射された信号光が結合する出力ポートを選択し、スイッチングを行うことができる。

ＷＤＭノードにおいては、上述のようなＷＳＳを複数個同時に実装する形態が一般的である。図１は、ＷＳＳを複数個実装したＷＤＭノード１００の構成図である。ＷＤＭノード１００は、波長クロスコネクト機能部（ＷＸＣ）１０７と、ＷＸＣ１０７内に配置されたＷＳＳ群１０１及び１０６とを備える。また、ＷＤＭノード１００は、ＷＳＳ群１０１のそれぞれの出力のうちの１つにそれぞれが接続された波長分波機能部群１０２と、波長分波機能部群１０２のそれぞれの出力に接続された受信機群１０３とを備える。また、ＷＤＭノード１００は、ＷＳＳ群１０６のそれぞれの入力のうちの１つにそれぞれが接続された波長合波機能部群１０５と、波長合波機能部群１０５のそれぞれの入力に接続された送信機群１０４とを備える。

ここで、ＷＸＣ１０７内のＷＳＳ群１０１の各ＷＳＳは、１入力多出力のＷＳＳであり、ＷＳＳ群１０６の各ＷＳＳは、多入力１出力のＷＳＳである。ＷＳＳ群１０１の各ＷＳＳの出力は、ＷＳＳ群１０６のそれぞれのＷＳＳのうちのいくつかの入力及び波長分割機能部群１０２のうちのひとつに接続されている。

光ノードに入射した光信号はＷＳＳ群１０１によって波長選択的にドロップもしくはスルーの経路を設定される。ＷＳＳ群１０１にてドロップされた光信号は、波長分波機能部群１０２によって波長に応じて経路が決定され、受信機群１０３のうちの所望の受信機に到達する。一方で、この光ノードにおける送信機群１０４のうちのいくつかから送信された光信号は、波長合波機能部群１０５を経て、ＷＳＳ群１０６によって隣接するノードに向けて光信号は伝送される。

ＷＤＭノード１００は、ＷＤＭノード１００へと入力する、又はＷＤＭノード１００から出力するポートの位置によって波長と方路が決定される（Ｃｏｌｏｒｅｄ／Ｄｉｒｅｃｔｅｄ）。このため、より柔軟な機能を持たせるために波長分波機能部群１０２および波長合波機能部群１０５をＷＳＳ群に置き換えることで任意の波長の信号を送受信できるようにする方式（Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ）、波長分波機能部群１０２と受信機群１０３、送信機群１０４と波長合波機能部群１０５のそれぞれ間にマトリックススイッチ群を挿入することで、任意の方路からの信号を送受信できるようにする方式（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ）など、様々な形態が提案されている。ここで、図１に示したＷＤＭノード１００のＷＸＣ１０７は、アド用とドロップ用に複数の入力方路および複数の出力方路が存在するため、多入力多出力波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を採用することにより回路構成を簡単にできる。多入力多出力ＷＳＳの機能自体は１入力多出力ＷＳＳをカスケードに接続することで実現はできる。しかし、そのために準備および制御するデバイス数が複数必要となり、回路構成が複雑となる。このために、１入力多出力ＷＳＳを使用せずに多入力多出力ＷＳＳデバイスが実現できれば、初期導入費用の抑制、消費電力の低減、制御システムの負荷低減といった多くのメリットから非常に魅力的である。

国際公開第２０１３／０３８７１３号

妹尾和則、鈴木賢哉、大庭直樹、渡辺俊夫、伊藤雅之、坂本匡、高橋哲夫、「石英系平面光波回路に集積した波長選択スイッチ用空間ビーム変換器」（電子部品・材料研究会12年8月期研究会、東北大学、信学技報vol.112, no.182, CPM2012-78） pp.127-132.

多入力多出力の波長選択スイッチデバイスについては、いくつかの例がある（例えば、特許文献１参照）。図２は、特許文献１に記載の従来の多入力多出力波長選択スイッチ２００の構成を示す図である。図２においては、フロントエンド光学素子１から全反射ミラー３１までを入力側光学系、全反射ミラー３１からフロントエンド光学素子１２までを出力側光学系と呼称する。フロントエンド光学素子１から空間に出射された光信号は、コリメータレンズ２およびコリメータレンズ１３を介して回折光学素子３に入射し、波長分波する。波長分波された光信号は、集光レンズ４を介して光偏向素子５へと入射し、ｘ軸方向に関して所望の反射角が得られるように制御されて、全反射ミラー３１に入射する。出力側光学系についても基本動作は同様であり、全反射ミラー３１によって反射された光信号は、入力光学系と同様の光学素子群を通過し、最終的にフロントエンド光学素子１２へと導かれる。このとき、図２のｘ軸方向に関して光偏向素子５によって反射角を制御された光信号は、集光レンズ６を介しているため、その反射角に応じて集光位置が全反射ミラー３１上でｘ軸方向に対して変動する。このとき、出力側光学系に配置された光偏向素子８でも同様にｘ軸方向に関して偏向角度を制御されているため、入力側光学系とは独立に、全反射ミラー３１上に集光する光信号のｘ軸方向に関する位置を制御できる。このような光学系では、全反射ミラー３１の反射面上に集光する、入力側光学系から導かれた光信号と、出力側光学系から導かれた光信号のｘ軸方向の位置が一致する場合に、これらの光路に関わるポートが結合する。こうして、二つの光偏向素子５および光偏向素子８の制御によって、多入力多出力のスイッチングが可能である。さらに、本スイッチング機構は回折光学素子３にて波長分波されていることから、各波長に対して独立に光偏向素子5および光偏向素子８を制御することで波長選択動作を実現することが可能である。

しかし、上記のような多入力多出力の波長選択スイッチを実現する上では、図２のような構成とすると、全反射ミラー３１を挟んで入力光学系と出力光学系とを構築しなければならない。１入力多出力ＷＳＳにおいては、フロントエンド光学素子１から光偏向素子５までの部材および光学系で成立できるため、図２に記載の多入力多出力ＷＳＳ２００と１入力多出力ＷＳＳとを比較すると、多入力多出力ＷＳＳ２００の光学素子数は二倍となる。したがって、多入力多出力ＷＳＳ２００は、当然部材コストも少なくとも二倍となる。さらに、部材が二倍になることでフットプリントについても二倍必要となり、小型化に難がある。加えて、アライメントが必要な部材数も二倍となるということでもあり、その分だけ最終的な波長選択スイッチとしての光学特性も劣化するということになる。すなわち、光学設計通りの光学特性を実現するためには、非常に精度の高いアライメント、及び実装技術が必要とされ、デバイス実現のためにはいくつも技術的な障壁が存在する。

以上から、多入力多出力ＷＳＳに、入力側のフロントエンド光学素子１および出力側のフロントエンド光学素子１２のそれぞれから出射される光信号を結合するための全反射ミラー３１を採用した時点で、部材のコスト増、アライメントの難易度増、といった技術的に不利な点が生じることとなる。その結果、小型化、低コスト化を達成しうる多入力多出力波長選択スイッチ構成方法が切望されている。

そこで本発明では、多入力多出力ＷＳＳにおいて使用される光学素子の数を減少して、小型かつ設計が容易な多入力多出力ＷＳＳを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、少なくとも１つの入力ポート、少なくとも１つの出力ポート、入力コモンポート及び前記入力コモンポートに接続された出力コモンポートと、入力ポートからの波長多重光信号を、波長毎に分光する分光手段と、波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、集光された光信号の各々を光変調する空間光変調手段と、前記空間光変調手段からの光信号を合波する光合波手段とを備え、前記空間光変調手段は、前記集光された光信号が選択的に前記入力コモンポートに入射されるように進行方向を偏向し、前記分光手段は、前記出力コモンポートからの波長多重光信号を波長毎に分光し、前記空間光変調手段は、前記出力コモンポートからの波長多重光信号から波長毎に分光され集光された光信号が選択的に前記出力ポートに入射されるように進行方向を偏向する、ことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光スイッチであって、前記少なくとも１つの入力ポートと、前記少なくとも１つの出力ポートと、前記入力コモンポートと、前記出力コモンポートとが平面光波回路上に形成されることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第２の態様の光スイッチであって、前記平面光波回路上に、前記平面光波回路から空間に出射される光の開口数を制御する開口数制御機構が形成されることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様の光スイッチであって、前記開口数制御機構は、前記平面光波回路の導波路幅が連続的に変化するテーパ構造に形成されることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第３の態様の光スイッチであって、前記開口数制御機構は、スラブ導波路と、前記スラブ導波路内の光信号が透過するレンズ機構とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第３の態様の光スイッチであって、前記開口数制御機構は、前記平面光波回路の導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続するアレイ導波路とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第３乃至第６のいずれか１つの態様の光スイッチであって、前記開口数制御機構の総計がＮ＋Ｍよりも少ないことを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第２乃至第７のいずれか１つの態様の光スイッチであって、前記少なくとも１つの入力ポートと、前記少なくとも１つの出力ポートとからそれぞれ出射する光の主光線又は主光線の延長線が、ある一点で交差することを特徴とする。

入力ポート群および出力ポート群のそれぞれ１つずつのポートを相互に接続した構成にことにより、小型かつ設計が容易な多入力多出力ＷＳＳを提供する。さらに、信号光の入出力部にＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）を採用することで、光学部材の削減によるコスト削減とアライメントの簡略化を達成し、さらなる効果を期待することができる。

ＷＳＳを複数個実装したＷＤＭノードの構成図である。 特許文献１に記載の従来の多入力多出力ＷＳＳの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳの構成を示す図であり、（ａ）は、波長分散軸方向から見た多入力多出力ＷＳＳの構成図であり、（ｂ）は、入出力ポート配列方向から見た多入力多出力ＷＳＳの構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳの構成を示す図である。 図４の光導波路基板の構成を示す図である。 空間を伝搬する光信号の開口数を調整するための、入出力導波路とスラブ導波路との境界領域の構成例を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれの構成例である。 本発明の第３の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳの構成を示す図である。 図７の光導波路基板の構成を示す図である。 図７の光導波路基板の第１のスラブ導波路の動作を説明するための図である。

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。

［第１の実施形態］
図３は、本発明の第１の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳ３００の構成を示す図であり、図３（ａ）は、波長分散軸方向（回折格子により波長が分波される方向）から見た多入力多出力ＷＳＳ３００の構成図であり、図３（ｂ）は、入出力ポート配列方向から見た多入力多出力ＷＳＳ３００の構成図である。多入力多出力ＷＳＳ３００は、複数の入力ポートが平行に配置された入力ポート群３０１と、複数の出力ポートが入力ポート群３０１の各入力ポートと同一面上に平行に配置された出力ポート群３０９とを備える。また、多入力多出力ＷＳＳ３００は、入力ポート群３０１に隣接して、入力ポート群３０１と同一平面上に平行に配置された入力コモンポート３０６と、出力ポート群３０９に隣接して、出力ポート群３０９と同一面上に平行に配置された出力コモンポート３０８と、入力コモンポート３０６と出力コモンポート３０８とを光学的に接続する入出力光学系接続部３０７とを備える。また、多入力多出力ＷＳＳ３００は、入力ポート群３０１の各入力ポートの光出射面及び出力ポート群３０９の各出力ポートの光入射面に対向して設けられた空間変調素子３０５と、空間変調素子３０５と入力ポート群３０１及び出力ポート群３０９との間に設けられた回折格子３０５とを備える。また、多入力多出力ＷＳＳ３００は、空間変調素子３０５と回折格子３０５との間に設けられたレンズ３０４−１及び３０４−２と、入力ポート群３０１の各入力ポートの光出射面側及び出力ポート群３０９の各出力ポートの光入射面側に設けられたマイクロレンズアレイ３０２とを備える。

ここで、図３においては、波長分波される方向をｘ軸方向、入力ポート群３０１の各入力ポートから光信号が出射される際の光の進行方向及び出力ポート群３０９の各出力ポートに光信号が入射される際の光の進行方向をｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に直交する向きをｙ軸方向（入出力ポートが配列される方向）と定義する。また、入力ポート群の各入力ポートから入力コモンポートまでの光信号の主光線を、入力光学系として実線にて、出力コモンポートから出力ポート群の各出力ポートまでの光信号の主光線を出力光学系として破線にてそれぞれ表している。

入力ポート群３０１の任意の入力ポートに入力された信号光は、スイッチングされ、波長ごとに出力ポート群３０９の選択された出力ポートから出力される。回折格子３０３は、入力ポート群３０１の各入力ポートからの信号光及び出力コモンポート３０８からの信号光を波長分波し、入力コモンポート３０６への信号光及び出力ポート群３０９の各出力ポートへの信号光を合波する。レンズ３０４−１は、入力ポート群３０１の各入力ポートからの信号光を集光（ｙ−ｚ平面）及びコリメート（ｘ−ｚ平面）し、入力コモンポート３０６への信号光をコリメート（ｙ−ｚ平面）及び集光（ｘ−ｚ平面）する。レンズ３０４−２は、出力コモンポート３０８からの信号光を集光（ｙ−ｚ平面）及びコリメート（ｘ−ｚ平面）し、出力ポート群３０９の各出力ポートへの信号光をコリメート（ｙ−ｚ平面）及び集光（ｘ−ｚ平面）する。マイクロレンズアレイ３０２の各レンズは、入力ポート群３０１の各入力ポート及び出力コモンポート３０８からの出射光をコリメートし、入力コモンポート３０６及び出力ポート群３０９の各出力ポートへの入射光を集光する。

本実施形態の多入力多出力ＷＳＳ３００の動作は、以下のとおりである。まず入力ポート群３０１の任意の入力ポート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る。空間を伝搬する信号光は回折格子３０３によってｘ−ｚ平面内において波長分波され、レンズ３０４−１によって集光され（ｘ−ｙ平面）コリメートされる（ｘ−ｚ平面）。図３（ｂ）において明らかなように、空間光変調器３０５の反射面において、レンズ３０４−１によって集光され（ｘ−ｙ平面）コリメートされた（ｘ−ｚ平面）光信号は、波長ごとにｘ軸方向について異なる位置に集光する。したがって、空間光変調器３０５がｘ軸方向にも自由な位相設定を与えることが可能な場合は、信号光を波長ごとに任意の偏向角を設定できるため、信号光に波長選択性を持たせることができる。空間光変調器３０５にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、その位相設定に応じてｙ−ｚ平面内において所望の角度に偏向され、さらにレンズ３０４−１を再び通過して入力コモンポート３０６の入射面に結合され入射される。

入力コモンポート３０６に入射した信号は入出力光学系接続部３０７を介して出力コモンポート３０８に導かれる。出力コモンポート３０８から空間に出射された光信号は、入力光学系と同様に、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る。空間を伝搬する信号光は回折格子３０３によってｘ−ｚ平面内において波長分波され、レンズ３０４−２によって集光され（ｙ−ｚ平面）コリメートされ（ｘ−ｚ平面）、空間光変調器３０５の入力側光学系が集光される部分と別の部分に集光することになる。空間光変調器３０５にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、ｙ−ｚ平面内にて所望の角度に偏向され、さらにレンズ３０４−２を再び通過して出力ポート群３０９のいずれかの出力ポートに光結合され入射され、スイッチング動作が完了する。入出力それぞれのコモンポートを直接接続することで、光学系への制約を排除し、小型の多入力多出力波長選択スイッチが実現できる。

本実施形態においては、多入力多出力ＷＳＳの入力側光学系と出力側光学系を接続する手段として、空間光学系内にミラー等の接続手段を配置せず、入出力ポートの一部を接続している。レンズやミラーを含め、自由空間内に光学素子を配置することは、ビームのケラレや配置形態を考慮しなければならない。このような配置形態では、光学設計をする上で、ビームスポット径やアライメントにおけるマージン配分を精密に計算しなければ迷光や損失増といった悪影響を生じさせる。したがって、多入力多出力ＷＳＳにおいては、できる限り光学素子を減じて設計できることが重要なメリットとなり得る。合わせて、部材を低減することにより、部材費の削減および実装やアライメントに関わる製造コスト分の削減が可能となり、多入力多出力ＷＳＳの低コスト化に大きく寄与する。さらに、図２の従来例における光偏向素子５から、全反射ミラー３１を経由し光偏向素子８までの光路を、フロントエンド光学素子１と光偏向素子５及び光偏向素子８からフロントエンド光学素子１２までの光路と平行にすることができ、これにより波長選択スイッチデバイスのフットプリントや厚みまで含めて多入力多出力ＷＳＳの小型化を実現できる。よって、本実施形態は、低コストでありながらも設計が容易であり、フレキシビリティの高い多入力多出力ＷＳＳが実現できる。

なお、本実施形態において、入力光学系にレンズ３０４−１を１つ配置し、出力光学系にレンズ３０４−２を１つ配置しているが、同様の光学特性を有する構成であれば入力光学系及び出力光学系にそれぞれ複数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。光学系設計によっては、マイクロレンズアレイ３０２と回折格子３０３との間にレンズ３０４−１（３０４−２）を配置する構成も可能である。また、収差の低減や光学系の短尺化を目的として、レンズ３０４−１（３０４−２）の機能を各二枚の新たなレンズで構成し、回折格子３０３を挟むような構造を採ることもできる。

また、本実施形態においては、説明を簡単にするために入力ポートを３本、出力ポートを３本としたいわゆる３×３構成としているが、入出力ポートの本数および構成に関しては本実施形態に限定されるものではなく、入出力ポートをそれぞれ１本とした１入力１出力光スイッチとしてもよい。また、入力コモンポート３０６と出力コモンポートが隣接するように配置されているが、両者が最も離れるように構成としても、また入力ポート群３０１の間および出力ポート群３０９の各入出力ポートの間に入力コモンポート３０６又は出力コモンポート３０８が配置されるような構成を用いても問題はない。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳ４００の構成を示す図である。図４は、波長分散軸方向から見た多入力多出力ＷＳＳ４００の構成図である。多入力多出力ＷＳＳ４００は、光導波路基板４０１と、光導波路基板４０１の一方の光入射及び光出射面に対向して設けられた空間変調素子４０４と、空間変調素子４０４と光導波路基板４０１との間に設けられた回折格子４０２とを備える。また、多入力多出力ＷＳＳ４００は、空間変調素子４０４と回折格子４０２との間に設けられたレンズ４０３−１及び４０３−２を備える。

図５は、光導波路基板４０１の構成を示す図である。光導波路基板４０１の基板上には、複数の入力導波路が平行に配置された入力ポート群５０１と、複数の出力導波路が入力ポート群５０１の各入力導波路と平行に配置された出力ポート群５０５とが形成される。また、光導波路基板４０１の基板上には、入力ポート群５０１に隣接して、入力ポート群５０１と平行に配置された入力コモンポート導波路５０２と、出力ポート群５０５に隣接して、出力ポート群５０５の各出力導波路と平行に配置された出力コモンポート導波路５０４と、入力コモンポート導波路５０２と出力コモンポート導波路５０４とを光学的に接続する入出力光学系接続導波路５０３とが形成される。さらに光導波路基板４０１の基板上には、入力ポート群５０１の空間への光信号出射側及び出力ポート群５０５の空間からの光信号入射側の端面にスラブ導波路５０６が形成される。

光導波路基板４０１から空間に出射されるビームは、一般的に高い開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）であることが特徴である。したがって、ＮＡを調整するための機能として、スラブ導波路５０６を光導波路基板４０１に形成している。ここで、スラブ導波路５０６は、光導波路基板４０１の空間側出射端面を研磨する必要が生じたとき、光学設計の要求に応じてｘ軸およびｙ軸に焦点位置を故意にずらす、いわゆる非点収差を発生させることができることから、本実施形態では一定の光路長を有するように設置されている。なお、本実施形態においては、スラブ導波路５０６と入力ポート群５０１及び出力ポート群５０５とが接する境界領域は直角であるものとして図示しているが、この境界領域を曲線として設計することもできる。

ただし、光学系や端面処理の要求によってはスラブ導波路５０６を省略することもできる。また、マイクロレンズ等を光導波路基板４０１近傍に配置することで空間に出射されたビームのＮＡを調整する手段を採ることもできる。

ここで、図４及び５においては、波長分波される方向をｘ軸方向、入力ポート群５０１の各入力導波路から光信号が出射される際の光の進行方向及び出力ポート群５０５の各出力導波路に光信号が入射される際の光の進行方向をｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に直交する向きをｙ軸方向と定義する。また、入力ポート群５０１の各入力導波路から入力コモンポート５０２までの光信号の主光線を、入力光学系として実線にて、出力コモンポート５０４から出力ポート群５０５の各出力導波路までの光信号の主光線を出力光学系として破線にてそれぞれ表している。

本実施形態の多入力多出力ＷＳＳ４００の動作は、以下のとおりである。まず入力ポート群５０１に入力された光信号は、お互いに適切な角度や位置で空間に出射されるよう、導波路の長さや角度を調整された後、スラブ導波路５０６を経て光導波路基板４０１から空間に出射される。空間に出射した信号光は、回折格子４０２によって波長分波され、レンズ４０３−１によって集光され、空間光変調器４０４のｙ軸方向に対して図４垂直方向に集光する。空間光変調器４０４にて所望の位相変調を与えられて反射された光は、その位相設定に応じてｙ−ｚ平面内にて所望の角度に偏向され、さらにレンズ４０３−１を再び通過することで任意のポートから出力される光信号が入力コモンポート５０２の入射面に結合され入射される。入力コモンポート５０２に入射された光信号は、入出力光学系接続部５０３を介して出力コモンポート５０４に導かれ、再び空間に出射される。そして入力光学系と同様に空間光変調器４０４に集光した光信号は出力ポート群５０５の任意の出力導波路の入射面に結合され入射されることで、スイッチングは完了する。

ここで、空間を伝搬する光信号のＮＡについては、光学設計上極めて重要な情報であり、光学系全体の高さや光学長、収差の設計、さらには部材の大きさに関わることからコストにまで、多大な影響を与える。従って、光導波路基板４０１において、入出力導波路とスラブ導波路の境界領域においてＮＡ、すなわちビームスポット径を調整するための開口数制御機構を備えることが望ましい。

図６は、空間を伝搬する光信号のＮＡを調整するための、入出力導波路とスラブ導波路との境界領域に配置される開口数制御機構の構成例を示す図であり、図６（ａ）〜（ｄ）は、それぞれの構成例を示している。

図６（ａ）は、図５に記載の入出力導波路とスラブ導波路との境界領域の構成であり、入出力導波路に相当する直線導波路６０１と、スラブ導波路６０２とが接続されている。非常に閉じ込めが強く細い直線導波路６０１によって、スラブ導波路６０２から伝搬する光信号は大きなＮＡを有するため、ビームが拡散し、多モード化の原因となる。ここで、以下の図６（ｂ）〜（ｄ）のように入出力導波路とスラブ導波路との境界領域を構成すると、ビームスポット径を大きくしてＮＡを小さくすることができる。

図６（ｂ）は、直線導波路６０１とスラブ導波路６０２の間に、直線導波路６０１の導波路幅から徐々に幅が太くなるテーパ構造導波路６０３を配置した例である。テーパ構造導波路によって断熱伝搬した光は、ビームの直進性をできるだけ維持した状態でビームスポット径を大きくする機能を有するため、ビームの拡散が抑えられ、簡易な設計にてＮＡを小さくすることが可能である。

図６（ｃ）は、スラブ導波路の中に凸レンズの機能を有するレンズ機能部６０４を組み込んだ例である。スラブ導波路６０２により図６（ａ）の機構と同様にビームが拡散するが、レンズ機能部を組み込むことで、光導波路基板６０１内を伝搬させながらビームをコリメートさせ、ビームを直進に近い状態に調整することができる。この場合、レンズ機能部によってビームスポット径を大きく変換することで、ビームの拡散を抑える（すなわちＮＡを小さくする）ことができる。レンズ機能部の実現方法には、導波路の屈折率とは異なる屈折率を有する物質、例えば樹脂や空気などを適切な形で配置する。

図６（ｄ）は、直線導波路６０１に第１のスラブ導波路６０５を接続し、第１のスラブ導波路６０５にアレイ導波路６０６を接続し、アレイ導波路６０６に図６（ａ）のスラブ導波路６０２に相当する第２のスラブ導波路６０７を接続したものである。図６（ｄ）の構成は、一般的に波長合分波器として用いられるＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）に近い構造を持っている。ここで、分波機能をバルクの回折格子４０２に譲ることを考えると、隣接するアレイ導波路の光路長差が等しい（すなわちΔＬ＝０）である構造をとることが望ましい。図６（ｄ）の構成では、第１のスラブ導波路６０５が自由空間伝搬によるビーム拡大機能、またレンズ機能を有しており、さらにアレイ導波路６０６が各導波路の位相補正機能を有していることから、第２のスラブ導波路６０７から出射されるビームをｙ軸方向に十分太い平面波として形成することが可能である。そのため、ビームスポット径を大きくして、ビームの拡散を押さえる（すなわちＮＡを小さくする）ことができる。以上に代表されるように、図５における入出力ポート群とスラブ導波路の境界領域において回路レイアウトを変更することにより、追加コストを発生させることなくビームスポット径、すなわちＮＡの調整が可能となる。

もちろん開口数制御機構は光導波路基板４０１の入力ポート群５０１の各入力導波路、出力ポート群５０５の各出力導波路、入力コモンポート導波路５０２及び出力コモンポート導波路５０４のすべてに設けなくとも良い。また、開口数制御機構は図６（ａ）〜（ｄ）に挙げた方式のみに留まらず、複数の方式を組み合わせた回路設計でもよいし、また全く別の構成を用いても問題はない。

本実施形態においては、図３における入力ポート群３０１と、入力コモンポート３０６と、入出力光学系接続部３０７と、出力コモンポート３０８と、出力ポート群３０９と、マイクロレンズアレイ３０２とを光導波路基板４０１上にすべて集積する形となる。これにより、一般的に用いられるファイバアレイやマイクロレンズアレイ等を個別に準備、アライメントを行う必要がなく、また入出力ポート群を個別に調整しなければならないといった実装負荷を、回路レイアウトの調整のみで解決することができる。したがって、第１の実施形態において示した多大なメリットはそのままに、さらなる低コストかつアライメント負荷を大きく低減できる構成となる。

［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態を示す多入力多出力ＷＳＳ７００の構成を示す図である。図７は、波長分散軸方向から見た多入力多出力ＷＳＳ７００の構成図である。多入力多出力ＷＳＳ７００は、光導波路基板７０１と、光導波路基板７０１の一方の光入射及び出射面に対向して設けられた空間変調素子７０４と、空間変調素子７０４と光導波路基板７０１との間に設けられた回折格子７０２とを備える。また、多入力多出力ＷＳＳ７００は、空間変調素子７０４と回折格子７０２との間に設けられたレンズ７０３を備える。

図８は、光導波路基板７０１の構成を示す図である。光導波路基板７０１の基板上には、入力ポート（入力導波路）８０１−１〜８０１−３と、出力ポート（出力導波路）８０８−１〜８０８−３とが交互に形成される。また、光導波路基板７０１の基板上には、入力ポート８０１−１〜８０１−３及び出力ポート８０８−１〜８０８−３の外側に、入力コモンポート（入力コモンポート導波路）８０７及び出力コモンポート（出力ポートコモン導波路）８０５とが形成され、また、入力コモンポート８０７と出力コモンポート８０５とを光学的に接続する入出力光学系接続部（入出力光学系接続導波路）８０６とが形成される。また、光導波路基板７０１の基板上には、第１のスラブ導波路８０２−１〜８０２−４が形成され、また、第１のスラブ導波路８０２−１〜８０２−４にそれぞれが接続されたアレイ導波路８０３−１〜８０３−４が形成される。ここで、第１のスラブ導波路８１０−１には出力コモンポート８０５と入力ポート８０１−１とが、第１のスラブ導波路８１０−２には出力ポート８０８−１と入力ポート８０１−２とが、第１のスラブ導波路８１０−３には出力ポート８０８−２と入力ポート８０１−３とが、第１のスラブ導波路８１０−４には出力ポート８０８−３と入力コモンポート８０７とが接続される。また、光導波路基板７０１の基板上には、アレイ導波路８０３−１〜８０３−４に接続された第２のスラブ導波路８０４が形成される。

入力ポート８０１−１〜８０１−３、出力ポート８０８−１〜８０８−３、入力コモンポート８０７及び出力コモンポート８０５については、各々の導波路から信号光が出射され、第１のスラブ導波路８０２−１〜８０２−４内を伝播する際の主光線が、スラブ導波路８０２の終端におけるある一点にて交わるように、接続の設置角度が決められる。

本実施形態の多入力多出力ＷＳＳ７００の動作は、以下のとおりである。まず入力ポート群８０１−１〜８０１〜３のうちの一つから入力された信号光は、第１のスラブ導波路８０２−１〜８０１−４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７０１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、第１のスラブ導波路８０２−１〜８０２〜４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。第１のスラブ導波路８０２−１〜８０２〜４の終端には各々の長さが等しいアレイ導波路８０３−１〜８０３〜４がそれぞれ接続されている。ここで、アレイ導波路８０３−１〜８０３〜４が第２のスラブ導波路８０４と接続している端面はｙ軸と一致している。この場合、アレイ導波路８０３−１〜８０３〜４からスラブ導波路８０４を介して空間に出力された光信号は、ｙ−ｚ平面に関して位相が揃った平面波として出力される。したがって、光信号は、ｙ−ｚ平面内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。光導波路基板７０１を通過した光信号は、回折格子７０２で波長ごとにｘ−ｚ平面内で角度分波され、さらにレンズ７０３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空間光変調器７０４に入射する。光信号は空間光変調器７０４によってそれぞれ波長ごとに任意の角度にて反射され、再びレンズ７０４及び回折格子７０３を介して、光導波路基板７０１の入力コモンポート８０７に再結合して入射する。さらに入出力光学系接続部８０６を介して出力コモンポート８０５に導かれ、再び空間に出射された後、同じく空間光変調器７０４によって出力ポート群８０８のいずれか一つのポートに結合して入射することによりスイッチング動作が完了する。

図９は、光導波路基板７０１の第１のスラブ導波路の動作を説明するための図である。第１のスラブ導波路９０３の第１の入出力ポート９０１（又は第２の入出力ポート９０２）から第１のスラブ導波路９０３の中心線までの距離をｘ、第１のスラブ導波路９０３内において、第１の入出力ポート９０１（又は第２の入出力ポート９０２）から出射される信号光の主光線と、ｚ軸とのなす角を

第１のスラブ導波路９０２のｙ軸方向の長さをｆ_slab、第１のスラブ導波路９０２の屈折率をｎ_s、第１のスラブ導波路９０２に接続するアレイ導波路９０４のピッチをｄ₂、光導波路基板７０１の端面におけるアレイ導波路９０４のピッチをｄ₁、さらにアレイ導波路９０４から出射される信号光の主光線とｚ軸とのなす角（光導波路基板７０１から出射される光信号の伝搬角度）を

とする。そうすると、上述の各パラメータは、以下の関係式に従う（非特許文献１参照）。

第１の入出力ポート９０１及び第２の入出力ポート９０２のいずれから光信号を入射したとしても、光信号が光導波路基板７０１から空間に出射する位置は同一である。しかし、第１の入出力ポート９０１および第２の入出力ポート９０２はそれぞれｚ軸とのなす角

、もしくは第１のスラブ導波路９０３の中心線までの距離ｘが異なるようにすることができるため、各ＷＳＳ機能部に異なった角度で空間を出射させることができる。したがって、入力ポート８０１−１〜８０１−３のうちの少なくとも１つ及び出力ポート８０８−１〜８０８−３のうちの少なくとも１つそれぞれから出射する光の主光線又は主光線の延長線が、ある一点で交差することができる。また、これまで説明した実施形態における多入力多出力波長選択ＷＳＳの特徴を有しながら、さらにＮＡや出射角度の調整を行うことができる。図８においては入力コモンポート８０７と出力コモンポート８０５が最も離れた位置に配置されているが、このような構成においてはいくつかの部分で導波路の交差が発生し、損失を増やす原因となり得る。この場合、両コモンポートは隣接する導波路に設定することで、交差が全く存在しない回路レイアウトにすることも可能である。

本実施形態においては、第２の実施形態におけるメリットをそのまま有しながら、さらに追加の部材を全く配置することなく、光導波路基板内に設置するＮＡ調整回路の個数を半分にすることができるため、ＰＬＣチップのｙ軸方向高さが１／２になり、同時に複雑な回路数も半分となる。したがって、ＰＬＣ作製時の歩留まりが高くなるという重要なアドバンテージを有する。

さらに本実施形態においては、入力光学系および出力光学系のそれぞれについて、光導波路基板７０１から空間に出射される角度を平行ではなくある有限の値とすることによって、レンズ３０４をｙ軸方向に複数分割配置させる必要がなくなるという点が特徴である。レンズはフーリエ変換素子であり、入射する光の位置と角度を相互に変換させる機能を有している。従って、各ＷＳＳ機能部に、空間光変調器３０５上で異なった位置に光を集光させるためには、レンズの前段においてお互いの角度を変えておく必要がある。しかし、一般的に用いられているファイバアレイはファイバがそれぞれ平行に配置されているために、一枚のレンズを用いただけでは空間光変調器３０５上の同じ位置にそれぞれの入射角度が異なって集光されることになり、独立した制御を行うことは不可能である。従って、通常のファイバアレイを用いる限りは図２の多入力多出力ＷＳＳ２００のような形態を採らざるを得ず、ｙ軸方向に分割配置されたレンズ形状が必要不可欠である。さらに、図２の多入力多出力ＷＳＳ２００の構成では、回折格子３、１０を通過する光は、ｙ軸方向に広く分布しているため、ケラレを発生させないための、十分面積の広い回折格子を準備する必要がある。数ある光学素子の中でも回折格子は高価な部類に属し、かつその価格は面積に比例する。この点を鑑みると、本実施形態においては、レンズの焦点位置に回折格子を配置する構成を採ることで、回折格子の面積を従来の半分程度まで抑制することができ、さらなるコストカットが可能である。以上から本実施形態は上述の課題を解決し、低コストでありながらも実装性のよい波長選択スイッチが実現できる。

１、１２ フロントエンド光学素子
２、４、６、７、９、１１、１２、１３、１４、３０４−１、３０４−２、４０３−１、４０３−２、７０３ レンズ
３、１０、３０３、４０２、７０２ 回折格子
５、８、３０５、４０４、７０４ 空間変調素子
３１ 全反射ミラー
１００ ＷＤＭノード
１０１、１０６ ＷＳＳ群
１０２ 波長分割機能群
１０３ 受信機群
１０４ 送信機群
１０５ 波長合波機能群
１０７ 波長クロスコネクト機能部
２００、３００、４００、７００ 多入力多出力波ＷＳＳ
３０１、５０１ 入力ポート群
３０２ マイクロレンズアレイ
３０６、５０２、８０７ 入力コモンポート
３０７、５０３、８０６ 入出力光学系接続部
３０８、５０４、８０５ 出力コモンポート
３０９、５０５ 出力ポート群
４０１、７０１ 光導波路基板
５０５、６０２、８０２−２〜８０２−４、８０４、９０３ スラブ導波路
６０１ 直線導波路
６０３ テーパ構造導波路
６０４ レンズ機能部
６０６、８０３−１〜８０３−４、９０４ アレイ導波路
８０１−１〜８０１−３ 入力ポート
８０８−１〜８０８−３ 出力ポート
９０１、９０２ 入出力ポート

Claims (8)

1. 少なくとも１つの入力ポート、少なくとも１つの出力ポート、入力コモンポート及び前記入力コモンポートに接続された出力コモンポートと、
   入力ポートからの波長多重光信号を、波長毎に分光する分光手段と、
   波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、
   集光された光信号の各々を光変調する空間光変調手段と、
   前記空間光変調手段からの光信号を合波する光合波手段と
   を備え、
   前記空間光変調手段は、前記集光された光信号が選択的に前記入力コモンポートに入射されるように進行方向を偏向し、
   前記分光手段は、前記出力コモンポートからの波長多重光信号を波長毎に分光し、
   前記空間光変調手段は、前記出力コモンポートからの波長多重光信号から波長毎に分光され集光された光信号が選択的に前記出力ポートに入射されるように進行方向を偏向する、ことを特徴とする光スイッチ。
2. 前記少なくとも１つの入力ポートと、前記少なくとも１つの出力ポートと、前記入力コモンポートと、前記出力コモンポートとが平面光波回路上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
3. 前記平面光波回路上に、前記平面光波回路から空間に出射される光の開口数を制御する開口数制御機構が形成されることを特徴とする請求項２に記載の光スイッチ。
4. 前記開口数制御機構は、前記平面光波回路の導波路幅が連続的に変化するテーパ構造に形成されることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
5. 前記開口数制御機構は、
   スラブ導波路と、
   前記スラブ導波路内の光信号が透過するレンズ機構と
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
6. 前記開口数制御機構は、
   前記平面光波回路の導波路に接続された第１のスラブ導波路と、
   前記第１のスラブ導波路に接続するアレイ導波路と
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。
7. 前記開口数制御機構の総計がＮ＋Ｍよりも少ないことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の光スイッチ。
8. 前記少なくとも１つの入力ポートと、前記少なくとも１つの出力ポートとからそれぞれ出射する光信号の主光線又は主光線の延長線が、ある一点で交差することを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の光スイッチ。