JP4495071B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムにおいて用いられる波長が異なる複数の光信号を多重化した波長多重光信号から、任意の波長をもつ任意の数の光信号の組を一つまたは複数組抽出し、この抽出した光信号を組毎に合波して一つの波長の光信号または波長多重光信号として任意の出力ポートに出力できる波長選択スイッチに関するものである。

近年の光通信システムの発展には目覚ましいものがある。信号の伝送媒体として波長１ミクロン程度の光が用いられるようになってきたのは、周波数の高さ故に信号帯域の拡大や一度に搬送可能な信号数を大幅に拡大できる利点があったためである。最近では、このような光通信の特徴に加え、信号光の波長を一定間隔に変えた複数の光信号を多重化する波長多重技術（Wavelength Division Multiplexing、以下、ＷＤＭとする）が実現され、一つの伝送路において送ることができる情報量は極めて多くなっている。ところで、このＷＤＭ技術は、通信に用いられる素子あるいはシステムの管理を極限まで徹底することにより光信号の波長変動を徹底的に抑制し、極めて狭い波長間隔で数１０から数１００以上の光信号をまとめたＤｅｎｓｅ ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）技術として基幹回線を中心に導入されている。光信号は光信号として処理するのが効率的ではあるが、従来用いられてきた電気信号の処理技術ほど安価かつ簡便に処理できるまでには至っていないのが現状である。

光通信システムの特に重要な装置としていわゆる光スイッチを挙げることができる。光スイッチは、多重化された光信号を分波して任意の出力ポートに光信号を仕分ける動作を行う。その動作から明らかなように、光スイッチは多重化された光信号の分波および合波を行う回折格子をその主要な構成要素としている。波長毎に決まったポートに光信号を仕向ける装置は光アド・ドロップ・モジュール（Optical Add-Drop Module、以下、ＯＡＤＭとする）と一般的に呼ばれている。ＯＡＤＭが仕向ける光信号の波長とポートの関係は静的に固定されているが、これを動的に変更可能にしたモジュールがＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add-Drop Module）である。ＲＯＡＤＭは、ネットワークの状況により、ある光信号を仕向けるポートを任意に調整可能であるため、柔軟かつ安価にネットワークの構成を可能とする光通信用の装置として近年注目を集めている。

ＲＯＡＤＭは、別にＷＳＳ（Wavelength Selective Switch、以下、波長選択スイッチとする）とも呼ばれている。波長選択スイッチは、非特許文献１で報告されているように、概略、光信号入力ポート、レンズ、回折格子、マイクロミラーアレイおよび出力ポートから構成されている。
また、特許文献１には、直角プリズムの直角をなす２辺を利用して互いに直交する２つの４５度ミラーを構成して光路中に配置することにより、通過帯域を拡大することができる光分波器が提案されている。この光分波器は、上述のＯＡＤＭよりも基本的な光フィルタとして動作し、多重化された光信号を入力として回折格子により分波された複数の光信号を決められたポートに出力する。

特公昭６１−６０４０２号公報 Joseph E.Ford et al.，「Wavelength Add-Drop Switching Using Tiltng Micromirrors」，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.17，NO.5，p.904-911，1999

非特許文献１に開示された波長選択スイッチの構成では、入力ポートから射出される光信号の光軸と出力ポートに入射する光信号の光軸が直交、すなわち入力ポートと出力ポートが直交しており、波長選択スイッチの設置上の不便が生じ易いという問題点があった。また、回折格子に対して光信号が斜めに入射する構成となっているため、光軸の調整が困難であるという問題点があった。
また、特許文献１に開示された光分波器は、各チャネルにおける通過帯域を拡大できる特長を有しているが、ＯＡＤＭのような光信号の追加あるいは除去といった機能はなく、またＲＯＡＤＭあるいは波長選択スイッチとしての機能も有していなかった。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、設置の柔軟性を高めることができ、かつ光軸調整を容易にす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、波長が異なる複数の光信号が多重化された波長多重光信号を一つまたは複数の入力ポートから取り込み、一つの波長の光信号または波長が異なる複数の光信号から構成される光信号の組を一つまたは複数組抽出し、この抽出した光信号を組毎に合波して一つの波長の光信号または波長多重光信号として一つまたは複数の出力ポートから出力する波長選択スイッチにおいて、一つまたは複数の前記入力ポートと、この入力ポートから平行化して射出される波長多重光信号を集光する集光レンズと、この集光レンズを通過した波長多重光信号を波長が異なる複数の光信号に分波する回折格子と、前記入力ポートから射出される波長多重光信号の光軸に対して４５度の傾きで配置され、前記回折格子によって分波された後に前記集光レンズを通過した全ての光信号を反射する固定ミラーと、前記光軸に対して４５度の傾きを有し、かつ前記固定ミラーと直交するように配置され、前記固定ミラーで反射された全ての光信号を前記光軸の方向を中心とする任意の方向に反射して前記回折格子に入射させる複数のマイクロ可動ミラーからなるマイクロミラーアレイと、このマイクロミラーアレイからの光束を平行化する平行化レンズと、この平行化レンズから前記回折格子に入射した光信号の反射光束を受ける一つまたは複数の前記出力ポートとを有し、前記入力ポートおよび出力ポートと前記回折格子とを前記集光レンズを挟んで異なる側に配置するとき、前記入力ポートおよび出力ポートの側から２回、前記回折格子の側から２回、光信号の光束が前記集光レンズを通過するものである。

また、本発明の波長選択スイッチの１構成例は、前記入力ポートと前記出力ポートを等間隔で配置するものである。
また、本発明の波長選択スイッチの１構成例において、任意の距離をｐとするとき、前記入力ポートと前記出力ポートのうち基準となるポートと他のポートとは距離ｋｐ（ｋは自然数）だけ離れている。

本発明によれば、固定ミラーとマイクロミラーアレイとを設けることにより、波長多重光信号から分波された全ての光信号の伝搬方向を固定ミラーによって略９０度変化させ、さらに固定ミラーで反射された全ての光信号の伝搬方向をマイクロミラーアレイによって９０度を中心とする任意の方向に変化させることができるので、入力ポートから射出された光信号の伝搬方向を略１８０度変化させて出力ポートに戻すことができ、入力ポートから射出される光信号の光軸と出力ポートに入射する光信号の光軸を略平行にし、また各光信号の光束間も互いに略平行となるようにして、これらの光軸と平行に入力ポートと出力ポートを配置することができる。その結果、本発明では、波長選択スイッチの設置の柔軟性を高めることができ、また光軸調整を容易にすることができる。

また、本発明では、集光レンズと回折格子と固定ミラーとマイクロミラーアレイとを設けることにより、入力ポートから射出される光信号の光軸と出力ポートに入射する光信号の光軸を略平行にし、また各光信号の光束間も互いに略平行となるようにして、さらにこれらの光軸を集光レンズの軸に対して略平行にすることができる。その結果、本発明では、波長選択スイッチの設置の柔軟性を高めることができ、また光軸調整を容易にすることができる。

また、マイクロミラーアレイの後段に、マイクロミラーアレイからの光束を平行化する平行化レンズを設けることにより、光軸調整をさらに容易にすることができる。

また、第１の円筒レンズと第２の円筒レンズと第３の円筒レンズと第４の円筒レンズと第５の円筒レンズと第６の円筒レンズとを設けることにより、出力ポートに入射する各光束の断面形状を円形に近づけることができ、波長選択スイッチにおける光損失を低減することができる。

また、入力ポートと出力ポートを等間隔で配置することにより、波長選択スイッチの入力ポートと出力ポートの箇所の作製を容易にすることができる。

また、入力ポートと出力ポートのうち基準となるポートと他のポートとを距離ｋｐ（ｋは自然数）だけ離して配置することにより、ポートを固定するためのガイド孔が一定間隔ｐで設けられた光コネクタを用いる際に、ガイド孔を規則的に飛ばして使用することで、入力ポートと出力ポートを光コネクタに固定することができる。

［参考例］
以下、本発明の参考例について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の参考例に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図である。図１において、１は入力ポート、４は集光レンズ、５は全反射ミラー、６は回折格子、８は固定ミラー、９はマイクロミラーアレイ、１３は出力ポートである。なお、図１では、光の経路を見易くするために、回折格子６で反射してからマイクロミラーアレイ９に入射するまでの光を破線で示している。

入力ポート１は、波長が異なる複数の光信号が多重化された波長多重光信号を集光レンズ４の軸と平行な方向（図１のＺ軸方向）に射出する。集光レンズ４を通過した波長多重光信号は、全反射ミラー５で反射され、回折格子６に入射する。回折格子６に入射した波長多重光信号は、回折格子６で反射され、波長が異なる複数の光信号に分波される。分波された各光信号は、全反射ミラー５で反射され、再び集光レンズ４を通って固定ミラー８に入射する。固定ミラー８は、集光レンズ４の軸に対して４５度の傾きで設置されている。したがって、固定ミラー８に入射した各光信号は、固定ミラー８で反射されることにより、伝搬方向が略９０度変化する。

図２はマイクロミラーアレイ９の構成例を示す斜視図である。マイクロミラーアレイ９は、集光レンズ４の軸に対して４５度の傾きを有し、かつ固定ミラー８のミラー面と直交するように配置されている。図２に示すように、マイクロミラーアレイ９は、一次元的あるいは二次元的に配列された複数のマイクロ可動ミラー９０を備えている。各マイクロ可動ミラー９０は、集光レンズ４の軸に対して４５度の方向を中心として任意の方向に向きを変えることが可能であり、入射光信号をその傾斜角に応じた所望の方向に反射させることができる。

回折格子６で分波された各光信号は、固定ミラー８で反射されることにより、それぞれ所定のマイクロ可動ミラー９０に入射する。各光信号は、それぞれ対応するマイクロ可動ミラー９０で反射された後、全反射ミラー５で反射されて、回折格子６に入射する。そして、各光信号は、回折格子６で反射された後、全反射ミラー５で反射され、再び集光レンズ４を通って複数の出力ポート１３のうちの所定の出力ポートに入射する。

このように、固定ミラー８およびマイクロミラーアレイ９を配置することにより、図１の左側、すなわち入出力ポート側から２回、また図１の右側、すなわち回折格子側から２回、光信号が集光レンズ４に入射することが分かる。
そして、入力ポート１からの波長多重光信号を回折格子６に入射させて複数の光信号に分波した後、分波した各光信号を対応するマイクロ可動ミラー９０に入射させ、このときに各マイクロ可動ミラー９０の向きを図示しない制御手段によって適宜制御することで、一つの波長の光信号あるいは波長が異なる複数の光信号から構成される光信号の組を一つあるいは複数組抽出して、各組毎に合波して所定の出力ポート１３に入射させることができる。

以上のように、本参考例では、固定ミラー８と複数のマイクロ可動ミラー９０からなるマイクロミラーアレイ９を光学系の光路中に配置することにより、集光レンズ４の軸と平行で、かつ固定ミラー８のミラー面に対して４５度の傾きの光軸を有する入射光信号を与えると共に、この光束が固定ミラー８に向けて集光レンズ４から出射する点とは異なる位置に、マイクロミラーアレイ９から集光レンズ４への入射点を形成するよう入射位置を変位させることができる。本参考例では、回折格子６に対して光信号が斜めに入射する点は従来の波長選択スイッチと同様であるが、集光レンズ４に入射する光束が互いに略平行、かつ集光レンズ４の軸に対して略平行な入射角を有するため、光学系作製時の光軸調整が行いやすくなる。

［第１の実施の形態］
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。図３は本発明の第１の実施の形態に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、参考例に対して平行化レンズ１０を追加したものである。

参考例では、マイクロミラーアレイ９で反射した各光信号は、マイクロミラーアレイ９で反射した他の光信号および集光レンズ４の軸に対して厳密には平行にはなっていない。これに対して、本実施の形態では、平行化レンズ１０を追加することにより、マイクロミラーアレイ９で反射した各光信号がマイクロミラーアレイ９で反射した他の光信号および集光レンズ４の軸に対して平行になるように、各光信号を平行化することができる。

以上のように、本実施の形態では、平行化レンズ１０を光路中に挿入することによって、マイクロミラーアレイ９により図３の紙面内には収まらない方向に反射された光信号についても、その光軸は紙面外に存在するが、紙面内に存在する他の光信号の光軸と平行となり、その光信号の光軸に垂直に交わる仮想的な平面に対し、いずれの光信号の光軸も垂直に入射する平行化された反射光束を形成することができ、参考例に比べて光軸調整をさらに容易にすることができる。マイクロミラーアレイ９による反射光束はその反射角度に依存して集光レンズ４のレンズ面に入射する位置が異なるため、マイクロミラーアレイ９の各マイクロ可動ミラー９０の向きを制御することにより、出力ポート１３の任意の個別ポートと結合するよう光信号を仕向けることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態は、参考例に対して、第１の円筒レンズ２、第２の円筒レンズ３、第３の円筒レンズ７、第４の円筒レンズ１０ａ、第５の円筒レンズ１１、および第６の円筒レンズ１２を追加したものである。

入力ポート１と集光レンズ４との間に配置された第１の円筒レンズ２は、集光レンズ４の軸方向（図４のＺ方向）と垂直に交わる任意の向きに設定された一つの軸方向（例えば図４のＸ方向）において、入力ポート１からの波長多重光信号を集光する集光作用を有する。
同じく入力ポート１と集光レンズ４との間に配置された第２の円筒レンズ３は、第１の円筒レンズ２が集光作用を有する軸方向と垂直、かつ集光レンズ４の軸方向とも垂直な方向（例えば図４のＹ方向、すなわち図４の紙面に垂直な方向）において、入力ポート１からの波長多重光信号を集光する集光作用を有する。

集光レンズ４と固定ミラー８との間に配置された第３の円筒レンズ７は、第２の円筒レンズ３と同じＹ方向において、集光レンズ４からの光信号を集光する集光作用を有する。
マイクロミラーアレイ９と集光レンズ４との間に配置された第４の円筒レンズ１０は、第２の円筒レンズ３と同じＹ方向において、マイクロミラーアレイ９からの光信号を集光する集光作用を有する。

集光レンズ４と出力ポート１３との間に配置された第５の円筒レンズ１１は、第１の円筒レンズ２と同じＸ方向において、集光レンズ４からの光信号を集光する集光作用を有する。
同じく集光レンズ４と出力ポート１３との間に配置された第６の円筒レンズ１２は、第１の円筒レンズ２と同じＸ方向において、集光レンズ４からの光信号を集光する集光作用を有する。

参考例では、集光作用を有する構成要素が集光レンズ４以外にないため、出力ポート１３に入射する各光束の断面形状は円形ではなく、出力ポート１３に光束が入射する際に損失が発生する。これに対して、本実施の形態では、円筒レンズ２，３，７，１０ａ，１１，１２を設けることにより、出力ポート１３に入射する各光束の断面形状を円形に近づけることができ、波長選択スイッチにおける光損失を低減することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は本発明の第３の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポート１および出力ポート１３を模式的に拡大して示した図である。本実施の形態は、参考例および第１〜第２の実施の形態において、入力ポート１および各出力ポート１３−１〜１３−ｍを等しいピッチで１列に配置したものである。図５に示すように、入力ポート１と各出力ポート１３−１〜１３−ｍ（ｍは出力ポート１３の個数）は、全て間隔ｐで仮想的に設定されたグリッドライン上に配置されている。

こうして、本実施の形態では、入力ポート１と各出力ポート１３−１〜１３−ｍを等間隔で配置することにより、波長選択スイッチの入力ポート１と出力ポート１３−１〜１３−ｍの箇所の作製を容易にすることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図６は本発明の第４の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポート１および出力ポート１３を模式的に拡大して示した図である。本実施の形態では、参考例および第１〜第２の実施の形態において、入力ポート１および各出力ポート１３−１〜１３−ｍを全て間隔ｐで仮想的に設定されたグリッドライン上に配置しているが、基準となるポートと他のポートとが距離ｋｐ（ｋは自然数）だけ離れていることを特徴としている。

例えば入力ポート１を基準ポートとし、入力ポート１の番号をｎ（ｎ＞ｍ）としたとき、ｎ番目の入力ポート１とｍ番目の出力ポート１３−ｍとは（ｎ−ｍ）ｐだけ離れている。同様に、入力ポート１と２番目の出力ポート１３−２とは（ｎ−２）ｐだけ離れている。また、出力ポート１３−ｍと１３−２とは（ｍ−２）ｐだけ離れている。

このように、入力ポート１と各出力ポート１３−１〜１３−ｍを間隔ｐの整数倍で配置することにより、ポートを固定するためのガイド孔が一定間隔ｐで設けられた光コネクタを用いる際に、ガイド孔を規則的に飛ばして使用することで、入力ポート１と各出力ポート１３−１〜１３−ｍを光コネクタに固定することができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図７は本発明の第５の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポート１および出力ポート１３を模式的に拡大して示した図である。本実施の形態では、基準となるポートと他のポートとが距離ｋｐだけ離れていることは第４の実施の形態と同じであるが、入力ポート１と出力ポート１３−１〜１３−ｍの端面位置がｄだけ離れている点が第４の実施の形態と異なる。

入力ポート１と出力ポート１３−１〜１３−ｍで端面位置が異なるのは、入力ポート１からの光信号の出射の最適位置と出力ポート１３−１〜１３−ｍへの光信号の入射の最適位置が異なるからである。こうして、ポートの端面位置を変えることで、入力ポート１からの光信号の出射と出力ポート１３−１〜１３−ｍへの光信号の入射のそれぞれの状況に応じた最適配置を実現することができる。

なお、参考例および第１〜第５の実施の形態において、全反射ミラー５は波長選択スイッチ全体の長さを抑えるために配置したものであり、波長選択スイッチの動作そのものには直接関係しない。すなわち、本発明の波長選択スイッチにとって全反射ミラー５は必須の構成ではない。
また、参考例および第１〜第５の実施の形態では、入力ポート１を単数としているが、入力ポート１を複数設けてもよい。この場合は、複数の入力ポート１のそれぞれから波長多重光信号が入力されることになる。

本発明は、光通信システムに適用することができる。

本発明の参考例に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図である。 図１の波長選択スイッチにおけるマイクロミラーアレイの構成例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波長選択スイッチの光学系の概要を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポートおよび出力ポートを模式的に拡大して示した図である。 本発明の第４の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポートおよび出力ポートを模式的に拡大して示した図である。 本発明の第５の実施の形態に係る波長選択スイッチにおける入力ポートおよび出力ポートを模式的に拡大して示した図である。

符号の説明

１…入力ポート、２，３，７，１０ａ，１１，１２…円筒レンズ、４…集光レンズ、５…全反射ミラー、６…回折格子、８…固定ミラー、９…マイクロミラーアレイ、１０…平行化レンズ、１３…出力ポート。

Claims (3)

1. 波長が異なる複数の光信号が多重化された波長多重光信号を一つまたは複数の入力ポートから取り込み、一つの波長の光信号または波長が異なる複数の光信号から構成される光信号の組を一つまたは複数組抽出し、この抽出した光信号を組毎に合波して一つの波長の光信号または波長多重光信号として一つまたは複数の出力ポートから出力する波長選択スイッチにおいて、
   一つまたは複数の前記入力ポートと、
   この入力ポートから平行化して射出される波長多重光信号を集光する集光レンズと、
   この集光レンズを通過した波長多重光信号を波長が異なる複数の光信号に分波する回折格子と、
   前記入力ポートから射出される波長多重光信号の光軸に対して４５度の傾きで配置され、前記回折格子によって分波された後に前記集光レンズを通過した全ての光信号を反射する固定ミラーと、
   前記光軸に対して４５度の傾きを有し、かつ前記固定ミラーと直交するように配置され、前記固定ミラーで反射された全ての光信号を前記光軸の方向を中心とする任意の方向に反射して前記回折格子に入射させる複数のマイクロ可動ミラーからなるマイクロミラーアレイと、
   このマイクロミラーアレイからの光束を平行化する平行化レンズと、
   この平行化レンズから前記回折格子に入射した光信号の反射光束を受ける一つまたは複数の前記出力ポートとを有し、
   前記入力ポートおよび出力ポートと前記回折格子とを前記集光レンズを挟んで異なる側に配置するとき、前記入力ポートおよび出力ポートの側から２回、前記回折格子の側から２回、光信号の光束が前記集光レンズを通過することを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 請求項１記載の波長選択スイッチにおいて、
   前記入力ポートと前記出力ポートを等間隔で配置することを特徴とする波長選択スイッチ。
3. 請求項１記載の波長選択スイッチにおいて、
   任意の距離をｐとするとき、前記入力ポートと前記出力ポートのうち基準となるポートと他のポートとが距離ｋｐ（ｋは自然数）だけ離れていることを特徴とする波長選択スイッチ。

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