JP4662960B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は波長選択スイッチに関し、特に光スイッチングを行う波長選択スイッチに関する。

激増するインターネットトラフィックを収容するため、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。

現在のＷＤＭは、主にpoint to pointのネットワーク形態であるが、近い将来にはリング型ネットワーク、メッシュ状ネットワークへと発展し、ネットワークを構成する各ノードにおいても、任意波長の挿入／分岐（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ）や、電気への変換を介さない全光クロスコネクト（Optical Cross Connect：ＯＸＣ）等の処理が可能となり、波長情報を基にしたダイナミックなパスの設定／解除が行われると考えられる。

このような光ネットワークを実現するために、近年では、任意の波長を任意の方向に切り替え可能とする波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が注目されている。

図６、図７はＷＳＳの概念を示す図である。図６は分光素子により出力された光ビームの角度分散方向（上面）から見たＷＳＳの図であり、図７はポート切り替え方向（側面）から見た図である。ＷＳＳ５は、分光素子５１、集光レンズ５２および分光素子５１により出力された光ビームの角度分散方向に配列された複数のミラー５３、入力ポート５４、出力ポート５５から構成される。

入力ポート５４から入力した複数波長が多重されたＷＤＭ光は、分光素子５１で分光され、集光レンズ５２によってそれぞれ波長毎に対応したミラー５３に集光される。そして、ミラー５３の傾き（角度）を変えることにより、反射光は任意の出力ポート５５から出力される。なお、ミラー５３は、分光素子５１により波長に応じた角度分散を受けたビームが広がった方向に配列され、ビームが広がった方向とは異なる方向に可動する。

分光素子５１には、一般的に回折格子が用いられる。回折格子は、ガラス基板上に、平行な多数の溝を周期的に刻んだ光学素子であり、光の回折現象を利用して、一定の角度で入射される複数の波長成分に対して、波長毎に異なる出射角度を与えて波長分離を行う。

また、ミラー５３は、一般的にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成され、分光素子５１により分離された１波長に対して、１ミラーが配置される。ＭＥＭＳミラーは、傾斜角度が可変な構成となっており、傾斜角度に応じて各波長成分の出力ポートが定まる。

ここで、ＷＳＳの性能を示す指標の１つに透過帯域がある。図８はＷＳＳの透過帯域を示す図である。グラフの縦軸は光スペクトル値、横軸は波長である。ＷＳＳ５の初期運用時において、集光レンズ５２からの出射ビームが、ミラー５３の所望位置（ミラー５３の中心）に照射されている場合の透過帯域特性を示している。

フラット区間である透過帯域幅の中心位置に、透過すべきチャネルの中心波長が位置しており、透過率が最も良好な状態になっている（透過帯域幅が例えば、５０ＧＨｚであり、その中心位置に透過すべきチャネルｃｈの中心波長が位置しているとき、チャネルｃｈは透過帯域５０ＧＨｚを有しているという）。

ここで、ＷＳＳ５の透過帯域は、集光レンズ５２から出射したビームのビーム径よりも、ミラー５３の幅（面積）が大きく、また中心波長のずれが小さいほど広くなる。
すなわち、ミラー幅が広く、ミラー上のビーム径が小さく、そして、各チャネルに対応して配置されたミラーに対して、ＩＴＵ−Ｔグリッドによって指定された該当チャネルの中心波長がミラーの中心に一致しているほど透過帯域は広くなる（ＷＤＭ通信では、ＩＴＵ−Ｔグリッドの勧告によって、波長多重されるチャネルに対して、チャネル間隔や指定波長が決められている）。

透過帯域（透過帯域幅）が広いと、対応可能なビットレートの上限を上げることが可能になる。なぜなら、高ビットレートの光はスペクトル幅が広がるが、透過帯域が広ければ、広がった分のスペクトル幅も透過帯域幅内に収まるからである。

また、透過帯域が広いと、ＷＳＳを多段に接続した場合でも、帯域ずれの蓄積量が小さいので、ＷＳＳの多段接続数を増やすことが可能になる。このように、ＷＳＳの透過帯域を広くすることで、良好な伝送特性を確保することが可能である。

従来の光スイッチ技術として、ＷＤＭ光に含まれる各単波長光の成分毎に経路切り替えをし、分光光学系に設けられた波長分波素子を共用して、部品点数を減少させる技術が特許文献１に提案されている。
特開２００５−２８３９３２号公報

上記のように、ＷＳＳで充分な透過帯域特性を得るためには、ＩＴＵ−Ｔグリッドに対応した波長のビームと、各ＩＴＵ−Ｔグリッド波長に対応するミラーの中心とが一致していることが必要である。

しかし、ＷＳＳを構成する各素子は、温度特性を有しており、初期設定時にビームをミラーの中心に集光するように一致させていたとしても、使用環境等によって温度が変化すると、ビームがミラーの位置から変動して中心からずれてしまうので、透過帯域を減少させてしまうといった問題があった。

図９は温度変化時にビームの集光位置が変動している様子を示す図である。温度変化が生じると、回折格子５１から出射するビームの出射角が変化する。これによって、図では集光位置がミラー５３の中心から下側へずれている様子を示している。

透過帯域特性のグラフでこのことを見ると、ビームの中心波長が右側に、例えば周波数が１０ＧＨｚずれていることになり、この場合、チャネルｃｈは透過帯域が４０ＧＨｚになって、元の５０ＧＨｚの透過帯域から減少していることになる。

温度変化時の透過帯域変動要因としては、（１）回折格子、集光レンズおよびミラーを固定する際の固定部材の線膨張係数によるビーム角度変化、位置変化、（２）回折格子の素子自体の温度特性（線膨張係数、屈折率温度係数）によるビーム角度変化、位置変化が挙げられる。

このうち（１）の要因については、固定部材をインバーなどの低線膨張係数材料を用いることで、比較的容易に透過帯域特性に影響が少ないレベルまで抑えることができる。
図１０はビームの集光位置のずれを示す図である。集光レンズ５２を固定する固定部材５７の膨張によって生じるビームの集光位置のずれを示している。集光レンズ５２が線膨張係数の低いインバーのような固定部材５７で固定されており、集光レンズ５２の焦点距離を２００ｍｍ、短波長端および長波長端のビーム回折格子出射角度を５°としたとき、温度変化によって固定部材５７が膨張したとしても、固定部材５７の膨張によって生じるビームの集光位置のずれΔＸは０．０１μｍ程度である。

図１１はビームの集光位置のずれを示す図である。ミラー５３を固定する固定部材５６の膨張によって生じるビームの集光位置のずれを示している。ミラー５３が線膨張係数の低いインバーのような固定部材５６で固定されており、各ミラーの中心距離が１０ｍｍで、温度変化ΔＴ＝８０℃とすれば、インバーの線膨張係数は１×１０^-6／℃程度なので、固定部材５６の膨張によって生じるビームの集光位置のずれΔＸは０．８μｍ程度である。

通常、ビームの集光位置のずれが５μｍ程度で１ＧＨｚの周波数ずれに対応し、１ＧＨｚ変動すると透過帯域特性の劣化と見なせるが、上記のように１μｍ以下の変動であれば、固定部材の膨張によって生じるビームの集光位置変動は、透過帯域特性に大きな影響を与えるものではないといえる。

一方、（２）の要因では、回折格子を固定する固定部材による膨張の影響が少なくても、回折格子自身に刻まれた溝の間隔が温度変化によって変化して、これが出射ビーム角度を変化させてしまうので、透過帯域特性の劣化に大きな影響を与えることになる。

回折格子の材質に低線膨張係数を持つ石英とした場合であっても、回折格子ピッチ間隔１／１０００ｍｍにおけるビームの集光位置変動量は約２０μｍにもなる。１チャネルあたりの回折格子ピッチ間隔を５００μｍと設定した場合、３０μｍのビームの集光位置変動量は６ＧＨｚの帯域減少である。

このように分光素子５１として使用される回折格子の温度特性は、ビームの集光位置変動に与える影響が他の要素に比べて大きく、またＷＳＳでは、回折格子を複数枚使用したり、他にも温度特性がある素子を使用する場合があるため、全体のビーム位置の変動量は上述した値よりも大きな値になる。

従来、回折格子の温度特性によるビームの集光位置変動を抑える方法として、回折格子の材質に温度特性が小さいものを選んだり、またはヒータやペルチエ素子等を用いて、一定の温度状態となるように温度一定制御を行うなどして、ビームの集光位置変動を抑制していた。

しかし、上述した回折格子ピッチ間隔の値は、一般的なガラス材質のなかでも線膨張係数が小さな石英を用いた場合の値であり、石英よりもさらに線膨張係数の低いガラス材質の適用は、コスト面、透過率などの他の光学特性の理由から、制約上使用することが困難である。また、ヒータやペルチエ素子等で温度一定制御を行う場合は、新たな制御系統が増えてしまい、消費電力も増加するといった問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高温変化時に生じる透過帯域特性の劣化を効果的に抑制する波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える分光素子１１と、分光素子１１により出力された光を集光する集光レンズ１２と、分光素子１１により角度分散された方向に配列された複数のミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎを含み、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度を分光素子１１からの光ビームの集光位置変動を補償するように変化させ、集光レンズ１２からの光を反射する可動反射部１３と、を備え、集光レンズ１２は、温度特性による分光素子１１により出力された光ビームの高温変化時の変動方向側の端部が固定され、固定されていない方向へ熱膨張することにより、集光レンズ１２からの光ビームの角度を、分光素子１１の光ビームの角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による分光素子１１の光ビームのミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎ上の集光位置変動を補正する、ことを特徴とする波長選択スイッチ（ＷＳＳ）１０が提供される。

ここで、波長選択スイッチ１０は、入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える分光素子１１と、分光素子１１により出力された光を集光する集光レンズ１２と、分光素子１１により角度分散された方向に配列された複数のミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎを含み、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度を分光素子１１からの光ビームの集光位置変動を補償するように変化させ、集光レンズ１２からの光を反射する可動反射部１３と、を備える。集光レンズ１２は、温度特性による分光素子１１により出力された光ビームの高温変化時の変動方向側の端部が固定され、固定されていない方向へ熱膨張することにより、集光レンズ１２からの光ビームの角度を、分光素子１１の光ビームの角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による分光素子１１の光ビームのミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎ上の集光位置変動が補正される。

本発明の波長選択スイッチは、分光素子と、集光レンズと、ミラーの角度を分光素子からの光ビームの集光位置変動を補償するように変化させ、集光レンズからの光を反射する可動反射部と、を備えた波長選択スイッチを有し、集光レンズは、温度特性による分光素子により出力された光ビームの高温変化時の変動方向側の端部が固定され、固定されていない方向へ熱膨張することにより、集光レンズからの光ビームの角度を、分光素子の光ビームの角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による分光素子の光ビームのミラー上の集光位置変動を補正する構成とした。これにより、高温変化時に分光素子によるビーム出射角に変動が生じた場合に、集光レンズは、固定されていない方向へ熱膨張して、分光素子の出射ビーム角度の変動方向に対して、逆方向へビームを出射してビームの集光位置変動の補正を行うので、透過帯域特性の劣化を抑制することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は波長選択スイッチの原理図である。波長選択スイッチ１０は、分光素子１１、集光レンズ１２、可動反射部１３を備える（以下、波長選択スイッチはＷＳＳと呼ぶ）。

また、集光レンズ１２には、温度モニタ１４が設けられている。なお、図中、分光素子１１へ光を入力するための入力ポートと、可動反射部１３からの反射光を出力するための出力ポートの図示は省略している。

分光素子１１は、入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える。集光レンズ１２は、分光素子１１により出力された光を集光する。
可動反射部１３は、分光素子１１により角度分散された方向に配列された複数のミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎを備えており、分光素子１１により波長に応じた角度分散を受けてビームが広がった光は、集光レンズ１２を通じて、対応する波長毎に配置された複数のミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎによって集光される。

また、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度を角度分散された方向とは異なる方向に変化させて（ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎは、ビームが広がった方向とは異なる方向に可動する）、集光レンズ１２からの光を反射する。

このようなＷＳＳ１０に対して、集光レンズ１２は、分光素子１１により出力された光ビームの角度分散方向に対して一端のみが固定される。ここで、回折格子のような分光素子１１は、温度特性を有するので、温度変化時（高温変化時）には、分光素子１１からの出射ビーム角度は変動する。集光レンズ１２の一端を固定する際には、温度特性による分光素子１１の出射ビーム角度の変動方向側の端部を固定する。

図では、ΔＴの温度変化時に、分光素子１１の出射ビームがΔθ下方へ変動しているので、集光レンズ１２の下端部に対して、インバー等の固定部材１５で固定することになる。

なお、温度変化の状態に応じて、分光素子１１からの出射ビームが、下方へ変動したり上方へ変動したりというように、ランダムに変動するといったことは生じない。温度変化に対して分光素子１１からの出射ビームの変動方向は常に一定である。したがって、集光レンズ１２の一端を固定する場合も、どちらの端部を固定するかはあらかじめ決めることができる。

温度特性による分光素子１１の出射ビーム角度の変動方向側にある、集光レンズ１２の端部を固定すると、温度変化時に、集光レンズ１２は、固定されていない方向へ熱膨張する。

分光素子１１からのビームは、Δθ下方へ変動して出射しているが、熱膨張によって上方向のみへ伸張した集光レンズ１２に対して、この分光素子１１からの出射ビームが照射することで、集光レンズ１２からは変動方向とは逆の上方向（図では、Δφだけ上方向）へビームが出射されることになる。

このように、温度特性による分光素子１１の出射ビーム角度の変動方向側にある、集光レンズ１２の一端のみを固定することで、分光素子１１の出射ビーム角度の変動方向とは逆方向へ屈折させて、温度特性による分光素子１１のビームのミラー上の集光位置変動を補正する。

一方、温度モニタ１４は、集光レンズ１２に設けられており、温度変化を検出すると、可動反射部１３内のミラー駆動制御部１３ｂへ検出結果を通知する。ミラー駆動制御部１３ｂは、温度変化と、集光レンズ１２の出射ビームの変動角度とを対応させたデータ（テーブル）をあらかじめ有しており、通知された温度変化に応じて、集光レンズ１２の出射ビームの変動角度を認識する。

ここの例では、温度変化ΔＴに対して、集光レンズ１２の出射ビームの変動角度はΔφであることが認識される。すると、ミラー駆動制御部１３ｂは、温度モニタ１４によって検出されたΔＴの温度変化に対して、Δφの角度変化を持つ集光レンズ１２からの出射ビームによる透過損失が最小となるように、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度設定を自動補正する。

すなわち、初期設定時には、温度変化がない状態で、最適な透過帯域特性が得られるように、集光レンズ１２からの出射ビームに対して、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度が設定されるが、ΔＴの温度変化時には、Δφの角度変化を持つ集光レンズ１２からの出射ビームに対して、最適な透過帯域特性が得られるように、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎの角度を自動的に駆動設定するものである（ミラー角度をΔφ可動させれば、初期設定時のときのビーム集光位置に、集光レンズ１２からの出射ビームを集光させることができる）。

以上説明したようなＷＳＳ１０の構成により、温度変化時に分光素子１１によるビーム出射角に変動が生じた場合に、集光レンズ１２は、固定されていない方向へ熱膨張して、分光素子１１の出射ビーム角度の変動方向に対して、逆方向へビームを出射し、可動反射部１３は、その集光レンズ１２からの出射ビームに追従してミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎを可動し、分光素子１１の温度特性によるビームの集光位置変動を補償する構成とした。

これにより、ペルチエ、ヒータ等の温度一定制御機構を設ける必要がなく、温度変化による透過帯域特性の減少を効果的に抑制して、高精度で信頼性の高い光スイッチ処理を行うことが可能になる。

次にＷＳＳ１０の各構成部における光学設計上のパラメータ設定について説明する。なお、分光素子１１を回折格子１１ａとし、ミラー１３ａ−１〜１３ａ−ｎを総称する場合はミラー１３ａとする。

図２は集光レンズ１２の両端を固定した場合のビームの集光位置変動を示す図である。集光レンズ１２の焦点距離をＦとし、回折格子１１ａ〜集光レンズ１２間の距離および集光レンズ１２〜ミラー１３ａ間の距離はともにＦであるとする。また、集光レンズ１２の収差はないものと仮定する。

温度が１℃変化したときの回折格子１１ａからの出射ビームの角度変化をｄθ／ｄＴとすると、温度がΔＴ変化したときの出射ビーム角度変化Δθは、
Δθ＝ΔＴ×ｄθ／ｄＴ ・・・（１）
となる。集光レンズ１２を回折格子１１ａにより出力された光ビームの角度分散方向の両側ともに固定すると、集光レンズ１２はどちら側にも熱膨張できず、温度変化による出射ビームの角度変化は生じない。このときのミラー１３ａの中心とビームの集光位置のずれ量ΔＸは、Δθを用いて以下の式（２）で表せる。ΔＸによって透過帯域特性の減少が生じることとなる。

ΔＸ＝Ｆ×ｔａｎ（Δθ） ・・・（２）
図３は集光レンズ１２の一端を固定した場合のビームの集光位置変動を示す図である。ＷＳＳ１０の構成を示しており、温度特性による回折格子１１ａの出射ビーム角度の変動方向側の端部のみが固定部材１５により固定されている。

この場合には、両端を固定していたときとは異なり、集光レンズ１２は固定していない方向に向けて熱膨張する。すると、集光レンズ１２の熱膨張によって、集光レンズ１２からの出射後のビーム角度は、レンズの熱膨張方向に向けて変化するので、回折格子１１ａの温度特性によるビームの集光位置変動方向と逆方向にビームを出射することになり、この結果、回折格子１１ａの温度特性によるビームの集光位置変動を補正することができる。

一方、集光レンズ１２の熱膨張による焦点距離の変化と、固定部材１５の熱膨張による回折格子１１ａ〜集光レンズ１２間の距離と、集光レンズ１２〜ミラー１３ａ間の距離の変動とを無視できるとして、集光レンズ１２の線膨張係数をα、集光レンズ１２の固定端から曲率中心までの長さをＬ／２（曲率中心からレンズ両端までが対称ならば、レンズ全長はＬ）とした場合に、集光レンズ１２の中心位置の伸び量は、ΔＴ×α×Ｌ／２であるので、温度がΔＴ変化したときの集光レンズ１２から出射するビームの角度変化Δφは、以下の式（３）となる。

Δφ＝ａｒｃｔａｎ（（ΔＴ×α×Ｌ）／（２×Ｆ）） ・・・（３）
このΔφによるミラー１３ａ上のビーム移動量をΔＹとすると、ΔＹは、式（４）で表せる（集光レンズ１２の中心位置の伸び量と同じ）。

ΔＹ＝Ｆ×ｔａｎ（Δφ）＝ΔＴ×α×Ｌ／２ ・・・（４）
ここで、ΔＹが大きすぎると、集光レンズ１２からの出射ビームがミラー１３ａから外れて、該当のミラー１３ａに対して集光できなくなる。このため集光レンズ１２からの出射ビームが少なくともミラー１３ａに集光するためには（当たるためには）、以下の条件を満たすことが必要である。

０＜ΔＹ＜２×ΔＸ ・・・（５）
角度変化は微小なためｔａｎ（θ）＝θの近似を使って、式（５）を式（１）、（２）、（４）を用いて変形すると式（６）となる。

０＜α×Ｌ＜４×Ｆ×ｄθ／ｄＴ ・・・（６）
したがって、ビーム角度変化Δφを持つ集光レンズ１２の出射ビームが、ミラー１３ａに少なくとも集光するためには、回折格子１１ａの出射ビーム角度変化ｄθ／ｄＴに対して、式（６）の条件式を満たすように、焦点距離Ｆ、線膨張係数α、集光レンズ１２の固定端と曲率中心までの距離Ｌ／２の各パラメータを設定することになる。

一方、ビーム角度変化Δφを持つ集光レンズ１２の出射ビームが、ミラー１３ａの中心位置に集光するためには（すなわち、初期設定時の透過帯域特性が最も良好となるビーム集光位置となるには）、式（７）となればよい。

ΔＹ＝ΔＸ ・・・（７）
角度変化は微小なためｔａｎ（θ）＝θの近似を使って、式（７）を式（１）、（２）、（４）を用いて上記と同様の式変形を行うと式（８）となる。

α×Ｌ＝２×Ｆ×ｄθ／ｄＴ ・・・（８）
したがって、ビーム角度変化Δφを持つ集光レンズ１２の出射ビームが、ミラー１３ａの中心位置に当たるためには、回折格子１１ａの出射ビーム角度変化ｄθ／ｄＴに対して、式（８）の条件式を満たすように、焦点距離Ｆ、線膨張係数α、集光レンズ１２の固定端と曲率中心までの距離Ｌ／２の各パラメータを設定することになる。

次にＷＳＳ１０の構成の変形例について説明する。図４は２枚構成の回折格子の図である。分光素子１１は、２枚の回折格子１１ａ−１、１１ａ−２から構成される。
１枚の回折格子だけで波長分散した場合、各波長のビームの間隔が狭く、この狭い間隔に対応して、波長毎にＭＥＭＳミラーを機構的に配列させることは難しい。このため、回折格子を２枚構成とすることで、波長分散能力を２倍にすることで、ミラーのピッチ間隔を大きく設定できるようにする。

また、この場合、温度特性による回折格子１１ａ−１、１１ａ−２の出射ビーム角度変動も２倍になるが（回折格子１１ａ−１の出射ビーム角度がΔθであり、回折格子１１ａ−２の出射ビーム角度は２×Δθとなる）、図１〜図３で上述したようなビームの集光位置変動補償制御を行うことにより、２枚構成の回折格子による分光素子であっても、高温変化による透過帯域特性の減少を効果的に抑制することが可能になる。なお、上記では２枚構成の回折格子としたが、２枚に限らず多段に配置された回折格子に対しても、図１〜図３で上述したビームの集光位置変動補償制御を適用することが可能である。

次に拡大光学系と回折格子からなる分光素子１１について説明する。図５はアナモルフィックプリズム対を示す図である。分光素子１１は、アナモルフィックプリズム対１１ｂなどの拡大光学系と回折格子１１ａから構成される。

拡大光学系は、入力ポートから出射されたビーム径を、回折格子１１ａにより出力された光ビームの角度分散方向に拡大する光学系であり、拡大光学系の代表的なものにアナモルフィックプリズム対がある。アナモルフィックプリズム対１１ｂによって、回折格子１１ａにより出力された光ビームの角度分散方向にのみビーム径を拡大しようとした場合には、プリズム材質の屈折率温度変化によりビーム出射角に変化が生じるが、図１〜図３で上述したようなビームの集光位置変動補償制御を行うことにより、アナモルフィックプリズム対１１ｂのような光学系の温度特性の補正にも有効である。

したがって、本発明の制御により、アナモルフィックプリズム対１１ｂおよび回折格子１１ａからなる分光素子１１であっても、温度変化による透過帯域特性の減少を効果的に抑制することが可能になる。

次に入出力光学系（入出力ポート）から集光レンズ１２の間に、複数の分光素子が配列する場合について説明する。分光素子が例えば、ｎ個の回折格子で構成される場合、それぞれの回折格子の１℃あたりの出射ビーム角度変化をｄθ１／ｄＴ、ｄθ２／ｄＴ、・・・、ｄθｎ／ｄＴとした場合に、
ｄθｔ／ｄＴ＝ｄθ１／ｄＴ＋ｄθ２／ｄＴ＋・・・＋ｄθｎ／ｄＴ ・・・（９）
で表せるｄθｔ/ｄＴを求める。そして、ｄθｔ／ｄＴの角度変化方向に対して、上述の条件式（６）または条件式（８）を満たすように、焦点距離Ｆ、線膨張係数α、集光レンズ１２の固定端と曲率中心までの距離Ｌ／２の各パラメータを設定する。これにより、複数の分光素子が配列する場合でも、本発明の制御により、温度変化による透過帯域特性の減少を効果的に抑制することが可能になる。

次に集光レンズ１２について説明する。ＷＳＳ１０では、ＭＥＭＳミラー１３ａ上での各ポートからのビーム位置のばらつきを抑えるため、集光レンズ１２は球面収差が小さいレンズであることが望ましいので、グラディウムレンズを使用することが適している。

グラディウムレンズは、非球面加工することなしに単体で球面収差が補正されたレンズであり、線膨張係数が９×１０^-6／℃程度とガラス材質のなかでは大きめなので、レンズサイズが小さく、単体でコストも安くなるというメリットがある。

（付記１）
入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える分光素子と、
前記分光素子により出力された光を集光する集光レンズと、
前記分光素子により角度分散された方向に配列された複数のミラーを含み、前記ミラーの角度を前記角度分散された方向とは異なる方向に変化させ、集光レンズからの光を反射する可動反射部と、
を備え、
前記集光レンズは、前記分光素子により出力された光ビームの角度分散方向に対して一端のみが固定される、
ことを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記２） 前記集光レンズは、温度特性による前記分光素子の出射ビーム角度の高温変化時の変動方向側の端部が固定されることを特徴とする付記１記載の波長選択スイッチ。

（付記３） 前記集光レンズは、温度変化時には、固定されていない方向へ熱膨張することにより、前記集光レンズからの出射ビームの角度を、前記分光素子の出射ビーム角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による前記分光素子のビームの前記ミラー上の集光位置変動を補正することを特徴とする付記２記載の波長選択スイッチ。

（付記４） 前記可動反射部は、前記集光レンズの焦点距離をＦ、前記集光レンズの線膨張係数をα、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離をＬ／２として、温度がΔＴ変化したときに、前記集光レンズから出射するビーム角度変化がΔφである場合に、
Δφ＝ａｒｃｔａｎ（（ΔＴ×α×Ｌ）／（２×Ｆ））
となる角度変化を持つ前記集光レンズの出射ビームを、前記ミラーで集光することを特徴とする付記３記載の波長選択スイッチ。

（付記５） 温度モニタをさらに有し、前記可動反射部は、前記温度モニタによって検出されたΔＴの温度変化に対して、Δφの角度変化を持つ前記集光レンズからの出射ビームによる透過損失が最小となるように、前記ミラーの角度設定を自動制御することを特徴とする付記４記載の波長選択スイッチ。

（付記６） 前記集光レンズの焦点距離をＦ、前記集光レンズの線膨張係数をα、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離をＬ／２、前記分光素子の温度変化に対する出射ビーム角度変化をｄθ／ｄＴとした場合に、前記ビーム角度変化Δφを持つ前記集光レンズの出射ビームが、前記ミラーに少なくとも集光するためには、
０＜α×Ｌ＜４×Ｆ×ｄθ／ｄＴ
となる条件式を満たすように、前記焦点距離、前記線膨張係数、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離の各パラメータが設定されることを特徴とする付記３記載の波長選択スイッチ。

（付記７） 前記分光素子は、ｎ個の分光素子で構成され、それぞれの分光素子の温度変化に対する出射ビーム角度変化をｄθ１／ｄＴ、ｄθ２／ｄＴ、・・・、ｄθｎ／ｄＴとした場合に、
ｄθｔ／ｄＴ＝ｄθ１／ｄＴ＋ｄθ２／ｄＴ＋・・・＋ｄθｎ／ｄＴ
で表せるｄθｔ／ｄＴの角度変化方向に対して、前記条件式を満たすように、前記焦点距離、前記線膨張係数、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離の各パラメータが設定されることを特徴とする付記６記載の波長選択スイッチ。

（付記８） 前記集光レンズの焦点距離をＦ、前記集光レンズの線膨張係数をα、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離をＬ／２、前記分光素子の温度変化に対する出射ビーム角度変化をｄθ／ｄＴとした場合に、前記ビーム角度変化Δφを持つ前記集光レンズの出射ビームが、前記ミラーの中心位置に集光するためには、
α×Ｌ＝２×Ｆ×ｄθ／ｄＴ
となる条件式を満たすように、前記焦点距離、前記線膨張係数、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離の各パラメータが設定されることを特徴とする付記３記載の波長選択スイッチ。

（付記９） 前記分光素子は、ｎ個の分光素子で構成され、それぞれの分光素子の温度変化に対する出射ビーム角度変化をｄθ１／ｄＴ、ｄθ２／ｄＴ、・・・、ｄθｎ／ｄＴとした場合に、
ｄθｔ／ｄＴ＝ｄθ１／ｄＴ＋ｄθ２／ｄＴ＋・・・＋ｄθｎ／ｄＴ
で表せるｄθｔ／ｄＴの角度変化方向に対して、前記条件式を満たすように、前記焦点距離、前記線膨張係数、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離の各パラメータが設定されることを特徴とする付記８記載の波長選択スイッチ。

（付記１０） 前記集光レンズには、球面収差が小さなグラディウムレンズを使用することを特徴とする付記１記載の波長選択スイッチ。
（付記１１） 前記分光素子は、回折格子で構成され、前記ミラーのピッチ間隔を大きく設定できるように、複数個の前記回折格子を多段に配置して、出射ビーム角度を大きくすることを特徴とする付記１記載の波長選択スイッチ。

（付記１２） 前記分光素子は、拡大光学系のアナモルフィックプリズム対と、前記アナモルフィックプリズム対の後段に配置した回折格子と、から構成されることを特徴とする付記１記載の波長選択スイッチ。

波長選択スイッチの原理図である。 集光レンズの両端を固定した場合のビームの集光位置変動を示す図である。 集光レンズの一端を固定した場合のビームの集光位置変動を示す図である。 ２枚構成の回折格子の図である。 アナモルフィックプリズム対を示す図である。 ＷＳＳの概念を示す図である。 ＷＳＳの概念を示す図である。 ＷＳＳの透過帯域を示す図である。 温度変化時にビームの集光位置が変動している様子を示す図である。 ビームの集光位置のずれを示す図である。 ビームの集光位置のずれを示す図である。

符号の説明

１０ 波長選択スイッチ（ＷＳＳ）
１１ 分光素子
１２ 集光レンズ
１３ａ−１〜１３ａ−ｎ ミラー
１３ｂ ミラー駆動制御部
１３ 可動反射部
１４ 温度モニタ
１５ 固定部材

Claims (3)

1. 入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える分光素子と、
   前記分光素子により出力された光を集光する集光レンズと、
   前記分光素子により角度分散された方向に配列された複数のミラーを含み、前記ミラーの角度を前記分光素子からの光ビームの集光位置変動を補償するように変化させ、集光レンズからの光を反射する可動反射部と、
   を備え、
   前記集光レンズは、温度特性による前記分光素子により出力された光ビームの高温変化時の変動方向側の端部が固定され、固定されていない方向へ熱膨張することにより、前記集光レンズからの光ビームの角度を、前記分光素子の光ビームの角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による前記分光素子の光ビームの前記ミラー上の集光位置変動を補正する、
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 前記可動反射部は、前記集光レンズの焦点距離をＦ、前記集光レンズの線膨張係数をα、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離をＬ／２として、温度がΔＴ変化したときに、前記集光レンズにより出力された光ビームの角度変化がΔφである場合に、
   Δφ＝ａｒｃｔａｎ（（ΔＴ×α×Ｌ）／（２×Ｆ））
   となる角度変化を持つ前記集光レンズの光ビームを、前記ミラーで集光することを特徴とする請求項１記載の波長選択スイッチ。
3. 入力光を分光し、波長に応じた角度分散を与える分光素子と、
   前記分光素子により出力された光を集光する集光レンズと、
   前記分光素子により角度分散された方向に配列された複数のミラーを含み、前記ミラーの角度を前記角度分散された方向とは異なる方向に変化させ、集光レンズからの光を反射する可動反射部と、
   温度モニタと、
   を備え、
   前記集光レンズは、温度特性による前記分光素子により出力された光ビームの高温変化時の変動方向側の端部が固定され、固定されていない方向へ熱膨張することにより、前記集光レンズからの光ビームの角度を、前記分光素子の光ビームの角度の変動方向に対して逆方向へ変化させて、温度特性による前記分光素子の光ビームの前記ミラー上の集光位置変動を補正し、
   前記可動反射部は、前記集光レンズの焦点距離をＦ、前記集光レンズの線膨張係数をα、前記集光レンズの固定端と曲率中心までの距離をＬ／２として、温度がΔＴ変化したときに、前記集光レンズにより出力された光ビームの角度変化がΔφである場合に、
   Δφ＝ａｒｃｔａｎ（（ΔＴ×α×Ｌ）／（２×Ｆ））
   となる角度変化を持つ前記集光レンズの光ビームを、前記ミラーで集光し、前記温度モニタによって検出されたΔＴの温度変化に対して、Δφの角度変化を持つ前記集光レンズからの光ビームによる透過損失が最小となるように、前記ミラーの角度設定を自動制御する、
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。

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