JP5040842B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）光を分光素子で波長毎に分離した後に可動の反射ミラー上に集光して反射させることにより各波長の光の経路の切り替えを行う波長選択スイッチに関する。

現在、激増するインターネット・トラフィックを収容すべく、ＷＤＭ通信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ことは周知の事実である。現在のＷＤＭネットワークは、主にポイント・トゥ・ポイント（point-to-point）の形態であるが、近い将来にはリング型ネットワークまたはメッシュ状ネットワークへと発展することが想定される。このようなネットワークを構成する各ノードでは、任意波長の光信号の分岐／挿入や、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光パスの設定／解除が行われるものと考えられる。

図１３は、上記のようなネットワークのノードに配置可能な従来の波長選択スイッチの構成例を示す斜視図である。また、図１４および図１５は、図１３の波長選択スイッチの上面図および側面図である。この従来の波長選択スイッチは、入出力光学系１１０、分光素子１２０、集光光学系１３０、ミラー部１４０および制御部（ＣＯＮＴ）１５０を備えている。

入出力光学系１１０は、複数本の光ファイバ１１１および該各光ファイバ１１１の一端近傍に配置されたマイクロレンズ１１２が一方向に並べられており、ここでは１つの入力ポートＰｉｎと複数の出力ポートＰｏｕｔを構成している。入力ポートＰｉｎに与えられたＷＤＭ光は、光ファイバ１１１の一端から出射されマイクロレンズ１１２で平行光とされた後、分光素子１２０により波長に応じて異なる角度方向に分離され、各波長の光が集光光学系１３０により異なる位置に集光される。各波長の光の集光位置には、波長数に対応した複数個の反射ミラー１４１を有するミラー部１４０が配置されている。各反射ミラー１４１は、例えばマイクロマシン（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）技術を用いて形成され、反射面の角度が駆動信号に応じて制御可能な微小ミラーである。

ミラー部１４０に到達した各波長の光は、対応する反射ミラー１４１でそれぞれ反射され、各々の反射面の角度に応じた方向に折り返される。このとき、各反射ミラー１４１の反射面が、入力される光の出力先に設定されたいずれか１つの出力ポートＰｏｕｔの位置に対応した所定の角度になるように制御部１５０によって制御されることにより、各々の反射ミラー１４１で折り返された各波長の光は、集光光学系１３０および分光素子１２０を順に通って、目的の出力ポートＰｏｕｔにそれぞれ導かれる。なお、ここでは分光素子１２０で各波長の光が角度分散される方向をＸ方向、入出力ポートが配列された方向をＹ方向、Ｘ−Ｙ平面に垂直な光軸方向をＺ方向としている。

このような従来の波長選択スイッチは、入力されるＷＤＭ光に含まれる複数の波長の光について、各反射ミラー１４１の反射面の角度を制御することにより、任意の波長の光を選択して目的の出力ポートＰｏｕｔに導くことのできる波長選択機能を有している。また、図１６の側面図に示すように入力と出力の関係を逆にすることで、複数の入力ポートＰｉｎに与えられる光を波長に応じて選択して１つの出力ポートＰｏｕｔに導くことも可能である。

さらに、上記従来の波長選択スイッチは、反射ミラー１４１の角度を最適結合状態からずらして設定することにより、出力ポートから出力される光の強度を任意に減衰させることのできる可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）としての機能も有している。具体的には、図１７に示すように反射ミラー１４１の角度をＹ方向（ポート配列方向）に変化させることで、出力ポート端部に配置されているマイクロレンズ１１２上に到達する光の位置が変化する。この光の到達位置の変化により、図１８の拡大図に示すようにマイクロレンズ１１２を通って光ファイバ１１１の端面に入射する光の角度が変わるため、光ファイバ１１１への光の結合効率が変化し、最終的には出力ポートＰｏｕｔから出力される光の強度が変化する。

図１９は、ある出力ポートＰｏｕｔの光ファイバ１１１への光の結合効率が最大となる反射ミラー１４１の角度を０°とし、その０°からの反射ミラー１４１の角度変化θを横軸にして、出力光強度の変化を縦軸に表した一例である。出力光強度の変化は、光ファイバ１１１への光の結合効率の変化に対応するので、図１９のグラフは当該出力ポートの結合効率関数を表している。このグラフより、反射ミラー１４１の角度変化θの絶対値が大きくなるほど、結合効率が低下していくことが分かる。

このような結合効率関数は、主に、マイクロレンズ１１２上の光ビームの大きさおよび形状、マイクロレンズ１１２の焦点距離、集光光学系１３０に用いられるレンズの焦点距離、光ファイバ１１１およびマイクロレンズ１１２の間の距離、マイクロレンズ１１２および集光光学系１３０の間の距離、並びに、集光光学系１３０および反射ミラー１４１の間の距離等により決定される関数である。上記の結合効率関数は、簡単な光学系では理論計算によりを求めることもできるが、光学系が複雑になり、レンズ系の収差などの影響も含めて結合効率関数を正確に導出する場合には、光学設計シミュレーションを用いることが一般的である。

なお、上記の例では反射ミラー１４１の角度をＹ方向（ポート配列方向）に変化させた場合について説明したが、例えば図２０に示すように反射ミラー１４１の角度をＸ方向（各波長光の角度分散方向）に変化させるようにしても、ＶＯＡ機能を実現することは可能である。しかし、反射ミラー１４１の角度をＸ方向に変化させてＶＯＡ機能を実現した場合には、出力光強度の波長（周波数）依存性に関して、次のような問題が生じることが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

波長選択スイッチにおいてＶＯＡ機能を実現する場合、波長の異なる複数の光の出力強度を波長毎に個別に減衰させることができるため、出力光強度の波長依存性を表す透過帯域特性が重要な特性の一つとなる。図２１および図２２に示すグラフは、ＶＯＡ機能を実現した従来の波長選択スイッチについて、ＷＤＭ光の隣接するチャネルの間隔を基準として周波数を規格化したパラメータを横軸にとり、ある１つのチャネルの出力光強度の変化を縦軸にとって透過帯域特性を表した一例である。図２１は、反射ミラーの角度をＹ方向（ポート配列方向）に変化させた場合を示し、図２２は反射ミラーの角度をＸ方向（各波長光の角度分散方向）に変化させた場合を示している。

図２１のように、反射ミラー１４１の角度をＹ方向に変化させてＶＯＡ機能を実現した場合、反射ミラー１４１の角度を最適結合状態からずらして出力光強度を減衰させても、該減衰時の透過帯域特性（図中の丸印および三角印のグラフ）は、最適結合時の透過帯域特性（図中の四角印のグラフ）と同様な台形状となる。一方、図２２のように、反射ミラーの角度をＸ方向に変化させてＶＯＡ機能を実現した場合には、出力光強度を減衰させるに従って透過帯域の両端部分に凸状の盛り上がりのある特性となる。

このような透過帯域特性の凸状の盛り上がりは、反射ミラー１４１に入射する光ビームが反射ミラー１４１のＸ方向の端部にかかって蹴られることによる回折現象に起因する。このような凸状の盛り上がりが生じると、当該波長選択スイッチの後段に光アンプが配置されている場合には、上記凸状の盛り上がり部分に該当する光成分も他の光成分と同時に増幅してしまうため、各チャネルのＳ／Ｎ比を劣化させる。よって、波長選択スイッチを利用してＶＯＡ機能を実現する場合、反射ミラー１４１の角度をポート配列方向に変化させるようにするのが望ましい制御方式となる。
特開２００６−１２６６７８号公報 特開２００６−１８４４７２号公報

しかしながら、上記のように反射ミラー１４１の角度をポート配列方向に変化させることで波長選択スイッチにおけるＶＯＡ機能を実現する場合でも、次に述べるような２つの問題点がある。第１の問題点は、反射ミラー１４１の角度変動時に、出力側の光ファイバ１１１への光の結合効率が変動してしまうことである。ＭＥＭＳミラー等を用いた反射ミラー１４１は、所望の角度で反射面を固定制御しようとしても、外界からの振動や周囲温度の変化などにより、ある程度の角度変動は発生してしまう。このような反射ミラー１４１の角度変動が生じると、出力ポートのマイクロレンズ１１２上に到達する光の位置も変動するので、結果として、出力側の光ファイバ１１１への光の結合効率も変動してしまう。

このとき、図２３に示すように、反射ミラー１４１の角度変動ｂに伴う出力光強度（結合効率）の変動δは、最適結合設定時（θ０)に比べて、減衰設定時（θａ)に顕著となる。また、図２４に示すように、結合効率関数の傾斜が緩い場合には、上記と同様な反射ミラーの角度変動ｂがあっても、結合効率の変動δは図２３のときと比べて小さくなる。つまり、反射ミラー１４１の角度変動時における出力側の光ファイバ１１１への光の結合効率の変動という観点からは、結合効率関数の傾斜は相対的に緩い場合の方が有利ということになる。

第２の問題点は、隣接する出力ポートへのクロストークである。波長選択スイッチでは、サイズ等の制約からポート配列方向のスペースが限られ、各ポートの間隔が制限されてしまう場合がある。ここで、光の出力先のポートを信号ポート、該信号ポートに隣接するポートを隣接ポートと呼ぶことにすると、信号ポートおよび隣接ポートの間隔が狭ければ、信号ポートに導かれる光の一部が隣接ポートにも漏れこむようになり、クロストークが発生する。

図２５および図２６は、結合効率関数を用いて上記隣接ポートへのクロストークを説明した図である。図２５の例において、信号ポートの出力光強度が最適結合設定時に対して−１５ｄＢとなるように反射ミラー１４１の角度が減衰設定されている場合を考えると、図中の太矢印線に示すように当該光が隣接ポートへ−３２ｄＢ程度漏れ込むことになる。また、図２６の例は、図２５の場合に比べて結合効率関数の傾斜が急な場合を示しており、この場合には、上記と同じく−１５ｄＢに減衰設定で、かつ、ポート間隔が同じだとしても、隣接ポートへのクロストーク量は−５０ｄＢ以下となる。つまり、隣接ポートへのクロストークという観点からは、結合効率関数の傾斜は急な場合の方が有利ということになる。

上記のように従来の波長選択スイッチでは、反射ミラー１４１の角度変動時における出力側のファイバ１１１への光の結合効率変動と隣接ポートへのクロストークの発生という２つの問題が、結合効率関数の傾斜の緩急に対してトレードオフの関係にあるために、これらを同時に低減することができないという課題がある。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、反射ミラーの角度変動時における出力側のファイバへの光の結合効率変動を低減すると同時に、隣接ポートへのクロストークも低減することが可能な波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本波長選択スイッチの一態様は、少なくとも１つの入力ポートおよび複数の出力ポートが第１方向に配列された入出力光学系と、前記入出力光学系の入力ポートから出力される光を波長に応じて前記第１方向とは異なる第２方向に角度分散させる分光素子と、前記分光素子から出力された光を集光させる集光光学系と、前記集光光学系で集光された各波長の光の集光位置に角度可変の反射面が配置された複数の反射ミラーを有するミラー部と、前記ミラー部の各反射ミラーで反射された各波長の光が、前記集光光学系および前記分光素子を介して、前記入出力光学系の出力先に設定された出力ポートに結合されるように、前記各反射ミラーの角度を制御すると共に、該各反射ミラーの角度を最適結合状態からずらすことにより、当該出力光の強度を予め設定した減衰量の可変範囲に従って調整可能にする制御部と、を備える。また、前記入出力光学系の各出力ポートは、前記反射ミラーから前記集光光学系および前記分光素子を介して入力される反射光を光ファイバの端面に結合させるレンズをそれぞれ有し、前記各レンズは、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲内に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第１領域の焦点距離に対し、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲外に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第２領域の焦点距離が異なる構造を持つ。

このような波長選択スイッチでは、入出力光学系の入力ポートから出力される光が分光素子で波長に応じて第２方向に角度分散された後に、各波長の光が集光光学系を通過することでミラー部の対応する反射ミラー上に集光される。各反射ミラーは入射光の出力先に設定された出力ポートの位置および出力光に与える減衰量に応じて反射面の角度が制御されており、該反射ミラーで反射された光が、集光光学系および分光素子を介して入出力光学系の該当する出力ポートに入力され、レンズを介して光ファイバの端面に結合される。このとき、反射ミラーの角度が減衰量の可変範囲内に設定される場合、反射光はレンズの第１領域に入力され、該第１領域の焦点距離に従って光ファイバの端面に結合される。一方、反射ミラーの角度が減衰量の可変範囲外に設定される場合には、反射光はレンズの第２領域に入力され、該第２領域の焦点距離に従って集光されるが、その集光位置は、第２領域の焦点距離が第１領域の焦点距離とは異なっているので、光ファイバの端面からずれた位置となる。

上記のような本波長選択スイッチによれば、反射ミラーの角度変化に対する出力光強度（結合効率）の変化が、減衰量の可変範囲内では相対的に緩やかで、可変範囲外では相対的に急なものとなるため、反射ミラーの角度変動時における出力側のファイバへの光の結合効率変動と、隣接ポートへのクロストークとを同時に低減することが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による波長選択スイッチの一実施形態における全体構成を示す斜視図である。また、図２は、図１の出力ポート付近を拡大して示した図である。

図１および図２において、本実施形態の波長選択スイッチは、例えば、１つの入力ポートＰｉｎおよび複数の出力ポートＰｏｕｔが第１方向に配列された入出力光学系１０と、該入出力光学系１０の入力ポートＰｉｎから出力される光を、波長に応じて分離して第１の方向とは異なる第２方向に角度分散させる分光素子２０と、分光素子２０で角度分散された各波長の光を集光する集光光学系３０と、該集光光学系３０で集光された各波長の光の集光位置に対応させて複数の反射ミラー４１が配置されたミラー部４０と、各反射ミラー４１の反射面の角度を制御する制御部（ＣＯＮＴ）５０と、を備える。なお、ここでも前述した図１３の場合と同様に、分光素子２０で各波長の光が角度分散される方向をＸ方向、入出力ポートが配列された方向をＹ方向、Ｘ−Ｙ平面に垂直な光軸方向をＺ方向としている。

この波長選択スイッチの構成が図１３の従来構成と相違している点は、入出力光学系１０の各出力ポートＰｏｕｔに対応したマイクロレンズ１２について、レンズの光軸Ｏを中心とした第１領域（図２に示すＲＥＧ１）の焦点距離Ｆ１に対し、レンズの周縁部に位置する第２領域（図２に示すＲＥＧ２）の焦点距離Ｆ２が異なるように設計されている点である。前記レンズの光軸Ｏは、マイクロレンズ１２の透過光が端面に結合される光ファイバ１１の中心軸に一致している。なお、上記マイクロレンズ１２以外の他の部分の構成は、従来の波長選択スイッチの構成と基本的に同様である。

上記の第１領域ＲＥＧ１は、本波長選択スイッチによりＶＯＡ機能を実現する際に仕様等に応じて予め設定される出力光に対する減衰量の可変範囲内となる時の光の入射位置に対応している。すなわち、前述したように反射ミラー４１の角度を最適結合状態からＹ方向（入出力ポートの配列方向）にずらして設定することで波長選択スイッチのＶＯＡ機能を実現する場合、減衰量（絶対値）が最小になる最適結合時にマイクロレンズ１２に入射される光Ｅ０の光軸を中心として、減衰量（絶対値）が前記可変範囲の上限（最大値）となる時の光の入射位置までに亘る範囲が第１領域ＲＥＧ１となる。図２では、Ｙ方向について、光Ｅ０の光軸の位置をｙ０とし、最大減衰時における光の入射位置をｙ０±ｙ１で表している。前記第２領域ＲＥＧ２は、減衰量が可変範囲外となる時の光の入射位置に対応しており、第１領域ＲＥＧ１の境界（ｙ０±ｙ１）からレンズ面の周縁（ｙ０±ｙ２）までに亘る範囲が第２領域ＲＥＧ２となる。

なお、入出力光学系１０の入力ポートＰｉｎに対応したマイクロレンズ１２’としては、光ファイバ１１から出射される光をコリメートすることのできる任意のレンズを使用することが可能である。図１の例では、入力側のマイクロレンズ１２’として従来と同様の単焦点レンズを用いた構成を示しているが、入力側にも出力側と同じ二重焦点レンズを適用しても構わない。また、ここでは入力ポートＰｉｎが１つだけの構成例を示したが、入力ポートを複数設け、各入力ポートに与えられる光を波長に応じて選択して所望の出力ポートに導くようにした構成とすることも可能である。

分光素子２０は、入力ポートＰｉｎの光ファイバ１１から出射されマイクロレンズ１２’でコリメートされた光を波長に応じてＸ方向に角度分散させるものであり、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、所要の角度で入射される複数の波長成分を含んだ光に対して、波長毎に異なる出射角度を与える。この回折格子の分光機能により、ＷＤＭ光の波長分離が可能になると共に、上記の入出力の関係を逆にすることで、波長毎に異なる入射角度で与えられる光を波長多重して所要の角度で出射することも可能である。なお、図１には、分光素子２０として透過型の回折格子を用いる一例を示したが、反射型の回折格子を使用してもよい。

集光光学系３０は、分光素子２０で角度分散された各波長の光をミラー部４０の対応する反射ミラー４１上に集光させると共に、各反射ミラー４０で反射された光を分光素子２０に集光させるものであり、一般的に透過型または反射型の集光レンズが用いられる。

ミラー部４０は、波長選択スイッチに入力され得る光の最大波長数に対応した複数の反射ミラー４１がＸ方向に配置されている。各反射ミラー４１は、例えばマイクロマシン（ＭＥＭＳ）技術を用いて形成され、反射面の角度が少なくともＸ方向の軸を中心に制御可能な微小ミラーである。

制御部５０は、各反射ミラー４１の反射面の角度を制御することにより、各々の反射光が、集光光学系３０および分光素子２０を介して、入出力光学系１０の出力先に設定された出力ポートに導かれるようにする。また、該各反射面の角度を最適結合状態からずらすことにより、出力光の強度を減衰量の可変範囲に従って調整可能にしてＶＯＡ機能を実現する。

次に、本実施形態の波長選択スイッチの動作について説明する。
まず、前述した従来の波長選択スイッチにおける第１および第２の問題点が発生する原因について詳しく説明する。従来の波長選択スイッチでは、図３に示すように、出力ポートのマイクロレンズ１１２は通常の球面レンズであり、出力光に対する減衰量の可変範囲内に対応した第１領域ＲＥＧ１の焦点距離Ｆ１に対し、可変範囲外に対応した第２領域ＲＥＧ２の焦点距離Ｆ２は一致している。

ここで、出力光に対する減衰量の可変範囲について具体的な一例を挙げておくと、波長選択スイッチにおけるＶＯＡ機能として求められる最大の減衰量（絶対値）が１５ｄＢに設定される場合、減衰量を負のデシベル値で表したときの可変範囲内は、０ｄＢ（最適結合設定時）から−１５ｄＢ（最大減衰設定時）に亘る範囲となり、可変範囲外は、減衰量の値が−１５ｄＢよりも小さくなる範囲となる。ただし、本発明における減衰量の可変範囲は上記の一例に限定されない。

上記のような通常の球面レンズを用いた従来の構成では、反射ミラーの角度を変化させて、出力ポートのマイクロレンズ１１２上における光の入射位置を変化させた場合、マイクロレンズ１１２に収差がなければ、光ファイバ１１１の端面に集光される光は、その入射角度のみが反射ミラーの角度設定に応じて変化し、光ファイバ１１１への光の結合効率に変化が生じる。この従来構成における結合効率の変化は、前述の図１９に示したような２次関数に近い形状を有する関数に従う。つまり、従来構成での結合効率関数は、反射ミラーの角度変化に対する結合効率の変化率（グラフの傾斜）が、減衰量の可変範囲内で緩やかであるならば、可変範囲外でも比較的緩やかなものとなる。このため、前述したような課題、すなわち、反射ミラーの角度変動時における出力側の光ファイバ１１１への光の結合効率変動と隣接ポートへのクロストークとを同時に低減することが困難になっている。

そこで、本実施形態の波長選択スイッチでは、各出力ポートに対応したマイクロレンズ１２に工夫を施し、減衰量の可変範囲内に対応した第１領域ＲＥＧ１の焦点距離Ｆ１に対し、可変範囲外に対応した第２領域ＲＥＧ２の焦点距離Ｆ２が異なる二重焦点構造を適用することにより、上記の課題を解決している。

このような二重焦点構造のマイクロレンズ１２が各出力ポートに適用された構成では、反射ミラー４１の角度が最適結合状態からθ変化した時の出力光強度の変化を表す結合効率関数Ｓ（θ）は、例えば図４に示すように、角度変化θが減衰量の可変範囲内（第１領域ＲＥＧ１）に対応した値であるか、可変範囲外（第２領域ＲＥＧ２）に対応した値であるかによって、異なる関数形状を持つことになる。すなわち、本波長選択スイッチにおける各出力ポートの結合効率関数Ｓ（θ）は、形状の異なる２つの関数Ｓ１（θ），Ｓ２（θ）を用いて次の（１）式で表すことができる。
θがＲＥＧ１に対応した値の場合；Ｓ（θ）＝Ｓ１（θ）
θがＲＥＧ２に対応した値の場合；Ｓ（θ）＝Ｓ２（θ） …（１）

上記（１）式の結合効率関数Ｓ（θ）は、本波長選択スイッチが適用される光システムの使用条件等に従い、反射ミラーの角度変動時における出力光強度（結合効率）の変動許容量Ｄ（上限値）と隣接ポートへのクロストーク許容量Ｅ（上限値）とが設定されることにより、次の（２）式の関係を同時に満たすようなＳ１（θ），Ｓ２（θ）を定めることができる。
Ｓ１（Ｂ＋ｂ）−Ｓ１（Ｂ）≦Ｄ
Ｓ２（Ａ−Ｂ−ｂ）≦Ｅ …（２）

上記（２）式において反射ミラーの角度変化θに関して定義されているＡ，Ｂ，ｂの各パラメータは、後述するシミュレーション結果を示す図７および図８に併記したような関係にある。すなわち、パラメータＡは、所望の波長の光の出力先ポートである信号ポートと該信号ポートの隣に位置する隣接ポートとの間の距離を、各々のポートに対する最適結合時の反射ミラーの角度設定を基準にして角度換算した値を示している。また、パラメータＢは、信号ポートに対する最適結合時の反射ミラーの角度を０°として、該信号ポートへの出力光に対し可変範囲内の最大減衰量を与える時の反射ミラーの角度を示している。さらに、パラメータｂは、外界からの振動や周囲温度の変化などにより発生する反射ミラーの角度変動量を示している。

したがって、反射ミラーの角度変動時における信号ポートへの出力光強度（結合効率）の変動量はδ＝Ｓ１（Ｂ＋ｂ）−Ｓ１（Ｂ）で表すことができ、該変動量δが許容量Ｄ以下の条件を満足するように、Ｓ１（θ）が定められる。また、隣接ポートへのクロストークの発生量はＸＴ＝Ｓ２（Ａ−Ｂ−ｂ）で表すことができ、該クロストーク発生量ＸＴが許容量Ｅ以下の条件を満足するように、Ｓ２（θ）が定められる。そして、これらＳ１（θ）およびＳ２（θ）を基にして、マイクロレンズ１２の第１領域ＲＥＧ１の焦点距離Ｆ１および第２領域ＲＥＧ２の焦点距離Ｆ２がそれぞれ求められ、マイクロレンズ１２の構造が決定される。

上記のような二重焦点構造のマイクロレンズ１２が各出力ポートＰｏｕｔに適用されることにより、減衰量の可変範囲内では、従来構成と同様にしてマイクロレンズ１２から光ファイバ１１に入射される光の入射角度の変化に依存して、出力光強度（結合効率）が変化する。一方、減衰量の可変範囲外では、マイクロレンズ１２の第２領域ＲＥＧ２の焦点距離Ｆ２が第１領域ＲＥＧ１の焦点距離Ｆ１とは相違しているために、光の入射角度の変化だけではなく入射位置のずれも発生して出力光強度の変化が大きくなる。つまり、結合効率関数Ｓ（θ）の傾斜が、減衰量の可変範囲内では相対的に緩やかで、可変範囲外では相対的に急なものとなる。

上記のような二重焦点構造のマイクロレンズ１２を実現するための１つの手段として、本実施形態では、レンズ面上の第１領域ＲＥＧ１に対応する曲率半径Ｒ１と、第２領域ＲＥＧ２に対応する曲率半径Ｒ２とを異ならせている（図２参照）。以下に、マイクロレンズの具体的な実施例を挙げ、そのシミュレーションでの計算結果を用いて本波長選択スイッチの作用効果を説明する。

ここでは、入力ポートＰｉｎのマイクロレンズ１２’として、例えば図５に示すような通常の半球レンズが使用されるものとし、該半球レンズの曲率半径をＲｉ、レンズの材質を合成石英とする。また、光ファイバ１１とマイクロレンズ１２’は合成石英のスペーサー１３を介して固定され、該スペーサー１３の厚さをＬｉとする。このとき、光ファイバ１１から出射された光がマイクロレンズ１２’を通って平行光となるための条件として、Ｌｉ＝２．２６Ｒｉが成り立つものとする。

上記のような入力側のマイクロレンズ１２’に対して、出力ポートＰoｕｔのマイクロレンズ１２は、例えば図６に示すように、第１領域ＲＥＧ１の曲率半径Ｒ１が０．８６Ｒｉであり、第２領域ＲＥＧ２の曲率半径Ｒ２がＲｉである二重焦点レンズが使用されるものとする。このマイクロレンズ１２における第１，２領域ＲＥＧ1，ＲＥＧ２の境界は、レンズ中心からの距離ｔが０．２９Ｒｉに位置する。また、光ファイバ１１とマイクロレンズ１２の間のスペーサー１３の厚さＬ１は１．８Ｒｉであり、マイクロレンズ１２およびスペーサー１２の材質は共に合成石英としている。

図７は、上記のマイクロレンズ１２，１２’を使用した場合の結合効率関数Ｓ（θ）の計算結果である。ここでは、前述した（２）式における各パラメータの値として、Ａ＝０．３８°、Ｂ＝０．１５°、ｂ＝０．０１°、Ｄ＝０．４ｄＢおよびＥ＝−４０ｄＢを用いて計算を行っている。また、図８は、従来の構成との比較として、出力側のマイクロレンズの構造パラメータを、図５に示した入力側のマイクロレンズ１２’のものと一致させた場合における同様の計算結果を示している。

まず、図８の計算結果において、従来の構成では、反射ミラーの角度変化θがパラメータＢ（＝０．１５°）に設定された状態、すなわち、信号ポートへの出力光に対して可変範囲内の最大減衰量が与えられように反射ミラーの角度が設定された状態で、該反射ミラーの角度にパラメータｂ（＝０．０１°）相当の変動が発生した場合、該反射ミラーの角度変動による出力光強度の変動量δは０．３１ｄＢとなり、許容量Ｄ（＝０．４ｄＢ）以下となっている。しかしながら、この状態での隣接ポートへのクロストークの発生量ＸＴは−３０となり、許容量Ｅ（＝−４０ｄＢ）を超えてしまっている。

一方、図７の計算結果において、本波長選択スイッチでは、上記と同様の条件下での反射ミラーの角度変動による出力光強度の変動量δは０．３５ｄＢで許容量Ｄ（＝０．４ｄＢ）以下の条件を満たしており、かつ、隣接ポートへのクロストークの発生量は−５０ｄＢよりも十分に小さくなって許容量Ｅ（＝−４０ｄＢ）以下の条件も同時に満たしている。よって、本波長選択スイッチによれば、反射ミラー４１の角度変動時における出力側の光ファイバ１１への光の結合効率変動と、隣接ポートへのクロストークとを同時に低減することが可能である。

なお、上記のような効果は、基本的に、各出力ポートＰｏｕｔのマイクロレンズ１２における第１領域ＲＥＧ１の焦点距離Ｆ１に対して、第２領域ＲＥＧ２の焦点距離Ｆ２を異ならせることにより得られるが、焦点距離Ｆ１に対する焦点距離Ｆ２の差が必要以上に大きくなり過ぎると、例えば図９に示すように、減衰量の可変範囲外における結合効率関数の一部に盛り上がり（結合効率の増加）が生じる場合があるので注意を要する。

このような結合効率関数の盛り上がりは、第２領域ＲＥＧ２を通過した光ビームの広がりが一因となって発生している。すなわち、焦点距離Ｆ２が焦点距離Ｆ１に対して必要以上に短くなり過ぎた場合、第２領域ＲＥＧ２を通過した光ビームは、マイクロレンズ１２と光ファイバ１１の間でフォーカスされた後に広がった状態で光ファイバ１１に到達し、その一部が光ファイバ１１の端面に結合するようになる。また、焦点距離Ｆ２が焦点距離Ｆ１に対して必要以上に長くなり過ぎた場合、第２領域ＲＥＧ２を通過した光ビームは、フォーカスされる前の広がった状態で光ファイバ１１に到達し、その一部が光ファイバ１１の端面に結合するようになる。

上記のような結合効率関数の盛り上がりは、信号ポートだけでなく、隣接ポートの結合効率関数についても同様に生じるので、隣接ポートへのクロストークの低減に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、このような状況は、マイクロレンズ１２の各焦点距離Ｆ１，Ｆ２を設計する際に、前述した（２）式の関係が満たされるようにすることで回避することができる。

次に、上述した実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態では、各出力ポートＰｏｕｔのマイクロレンズ１２を二重焦点構造にするために、第１，２領域ＲＥＧ１，ＲＥＧ２の曲率半径Ｒ１，Ｒ２を相違させるレンズ構造とする一例を示したが、例えば図１０に示すように、レンズ面の曲率半径は従来と同様に均一とし、第１領域ＲＥＧ１に対応するレンズ部分１２Ａの屈折率Ｎ１と、第２領域ＲＥＧ２に対応するレンズ部分１３Ｂの屈折率Ｎ２とを異ならせることにより、二重焦点構造のマイクロレンズ１２’’を実現するようにしてもよい。

また、例えば図１１に示すように、各出力ポートＰｏｕｔにフレネルレンズ１４を用いることも可能である。このフレネルレンズ１４は、第１領域ＲＥＧ１に対応する鋸波型溝１４Ａの形状（大きさを含む）または溝間隔と、第２領域ＲＥＧ２に対応する鋸波型溝１４Ｂの形状（大きさを含む）または溝間隔を異ならせることにより、二重焦点構造を実現している。

上記のような第１，２領域ＲＥＧ１，ＲＥＧ２の屈折率Ｎ１，Ｎ２が異なるマイクロレンズ１２’’や、第１，２領域ＲＥＧ１，ＲＥＧ２の鋸波型溝１４Ａ，１４Ｂが異なるフレネルレンズ１４を用いた波長選択スイッチについても、上述した実施形態の場合と同様の動作原理により、反射ミラー４１の角度変動時における出力側の光ファイバ１１への光の結合効率変動と、隣接ポートへのクロストークとを同時に低減することが可能である。

なお、上述した実施形態およびその変形例では、各出力ポートに二重焦点構造のレンズを適用する場合を説明したが、本波長選択スイッチは、各出力ポートのレンズについて、減衰量の可変範囲内に対応した第１領域の焦点距離に対し、可変範囲外に対応した第２領域の焦点距離が異なっていることが重要であるので、３つ以上の多重な焦点をもつ多重焦点レンズを各出力ポートに適用することも可能である。

つまり、減衰量の可変範囲内に対応した第１領域については、反射ミラーの角度調整による光の入射角度の変化を除いて、出力光を光ファイバの端面に最も効率良く結合させる必要性があるので、レンズの焦点距離を均一にすることが望まれる。一方、可変範囲外に対応した第２領域については、上記の必要性とは逆に意図的に結合効率を低下させているので、レンズの焦点を多重にしても基本的に問題は生じない。そこで、例えば図１２に示すように、第１領域の焦点距離Ｆ１とは異なることを前提にして、第２領域の焦点距離を多重化してＦ２，Ｆ２’とした多重焦点レンズ１２’’’を各出力ポートに用いるようにしても、上述した実施形態の場合と同様の作用効果を得ることが可能であり、さらに、レンズ設計の自由度を向上させることができる。

上記のような３つ以上の多重な焦点をもつ多重焦点レンズの実現手段としては、図２または図１０に示したようなマイクロレンズについて、レンズ面の曲率半径が第２領域で２回以上変化する構造（図１２参照）や、第２領域のレンズ面を自由曲面とする構造、第２領域の屈折率が２回以上または連続的に変化する構造などがある。また、図１１に示したようなフレネルレンズについて、第２領域の鋸波型溝の形状（大きさを含む）または溝間隔が２回以上若しくは連続的に変化する構造もある。

以上の各実施形態に関して、さらに以下の付記を開示する。
（付記１） 少なくとも１つの入力ポートおよび複数の出力ポートが第１方向に配列された入出力光学系と、
前記入出力光学系の入力ポートから出力される光を波長に応じて前記第１方向とは異なる第２方向に角度分散させる分光素子と、
前記分光素子から出力された光を集光させる集光光学系と、
前記集光光学系で集光された各波長の光の集光位置に角度可変の反射面が配置された複数の反射ミラーを有するミラー部と、
前記ミラー部の各反射ミラーで反射された各波長の光が、前記集光光学系および前記分光素子を介して、前記入出力光学系の出力先に設定された出力ポートに結合されるように、前記各反射ミラーの角度を制御すると共に、該各反射ミラーの角度を最適結合状態からずらすことにより、当該出力光の強度を予め設定した減衰量の可変範囲に従って調整可能にする制御部と、を備え、
前記入出力光学系の各出力ポートは、前記反射ミラーから前記集光光学系および前記分光素子を介して入力される反射光を光ファイバの端面に結合させるレンズをそれぞれ有し、
前記各レンズは、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲内に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第１領域の焦点距離に対し、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲外に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第２領域の焦点距離が異なる構造を持つことを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記２） 付記１に記載の波長選択スイッチであって、
前記反射ミラーの最適結合状態からの角度変化をθとし、該角度変化θが前記減衰量の可変範囲内に対応した値の場合に前記出力ポートに結合される出力光の強度変化を第１の結合効率関数Ｓ１（θ）で表すと共に、前記角度変化θが前記減衰量の可変範囲外に対応した値の場合に前記出力ポートに結合される出力光の強度変化を第２の結合効率関数Ｓ２（θ）で表し、また、前記入出力光学系の隣接する出力ポートの間の距離を前記反射ミラーの最適結合状態の角度設定を基準にして角度換算した値をＡとし、前記減衰量の可変範囲内で最大の減衰量を出力光に与える時の前記反射ミラーの角度変化をＢとし、外界からの影響による前記反射ミラーの角度変動量をｂとし、さらに、前記反射ミラーの角度変動時における出力光強度の変動許容量をＤとし、隣接する出力ポートへのクロストーク許容量をＥとするとき、
前記レンズは、前記第１および第２の結合効率関数Ｓ１（θ），Ｓ２（θ）が、
Ｓ１（Ｂ＋ｂ）−Ｓ１（Ｂ）≦Ｄ
Ｓ２（Ａ−Ｂ−ｂ）≦Ｅ
の関係を満たすように、前記第１領域の焦点距離および前記第２領域の焦点距離が設定されていることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記３） 付記１または２に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第１領域に対応するレンズ面の曲率半径と、前記第２領域に対応するレンズ面の曲率半径とが異なる二重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記４） 付記１または２に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第１領域に対応するレンズ部分の屈折率と、前記第２領域に対応するレンズ部分の屈折率とが異なる二重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記５） 付記１または２に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第１領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔と、前記第２領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔とが異なる二重焦点構造のフレネルレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記６） 付記１または２に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域の焦点距離が多重化されていることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記７） 付記６に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ面の曲率半径が２回以上変化する多重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記８） 付記７に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ面を自由曲面としたことを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記９） 付記６に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ部分の屈折率が２回以上変化する多重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記１０） 付記９に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ部分の屈折率が連続的に変化することを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記１１） 付記６に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔が２回以上変化する多重焦点構造のフレネルレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記１２） 付記１１に記載の波長選択スイッチであって、
前記レンズは、前記第２領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔が連続的に変化することを特徴とする波長選択スイッチ。

（付記１３） 付記１〜１２のいずれか１つに記載の波長選択スイッチであって、
前記制御部は、前記各反射ミラーの角度を最適結合状態から前記第１方向に変化させることを特徴とする波長選択スイッチ。

本波長選択スイッチの一実施形態における全体構成を示す斜視図である。 図１の出力ポート付近を拡大して示した図である。 従来の波長選択スイッチの出力ポート付近を拡大して示した図である。 本波長選択スイッチにおける結合効率関数の一例を示す図である。 本波長選択スイッチの入力側マイクロレンズの具体例を示す図である。 本波長選択スイッチの出力側マイクロレンズの具体例を示す図である。 本波長選択スイッチについて信号ポートおよび隣接ポートの結合効率関数を計算した結果を示す図である。 従来の波長選択スイッチについて信号ポートおよび隣接ポートの結合効率関数を計算した結果を示す図である。 本波長選択スイッチに関連し、第１，２領域の焦点距離の差が必要以上に大きくなった場合の結合効率関数の一例を示す図である。 本波長選択スイッチの出力側マイクロレンズの変形例を示す図である。 本波長選択スイッチの出力ポートにフレネルレンズを適用した変形例を示す図である。 本波長選択スイッチの出力ポートに第２領域の焦点距離を多重化したマイクロレンズを適用した変形例を示す図である。 従来の波長選択スイッチの構成例を示す斜視図である。 図１３の波長選択スイッチの上面図である。 図１３の波長選択スイッチの側面図である。 従来の波長選択スイッチの他の構成例を示す側面図である。 従来の波長選択スイッチにおいて反射ミラーの角度をＹ方向に変化させてＶＯＡ機能を実現した場合の側面図である。 図１７の出力ポート付近を拡大して示した図である。 従来の波長選択スイッチにおける結合効率関数の一例を示す図である。 従来の波長選択スイッチにおいて反射ミラーの角度をＸ方向に変化させてＶＯＡ機能を実現した場合の上面図である。 従来の波長選択スイッチにおいて反射ミラーの角度をＹ方向に変化させた場合の透過帯域特性の一例を示す図である。 従来の波長選択スイッチにおいて反射ミラーの角度をＸ方向に変化させた場合の透過帯域特性の一例を示す図である。 従来の波長選択スイッチにおける第１の問題点を説明する図である。 従来の波長選択スイッチにおける第１の問題点を説明する他の図である。 従来の波長選択スイッチにおける第２の問題点を説明する図である。 従来の波長選択スイッチにおける第２の問題点を説明する他の図である。

符号の説明

１０ 入出力光学系
１１ 光ファイバ
１２，１２’，１２’’，１２’’’ マイクロレンズ
１２Ａ，１２Ｂ レンズ部分
１３ スペーサー
１４ フレネルレンズ
１４Ａ，１４Ｂ 鋸波型溝
２０ 分光素子
３０ 集光光学系
４０ ミラー部
４１ 反射ミラー
５０ 制御部（ＣＯＮＴ）
ＲＥＧ１ 第１領域
ＲＥＧ２ 第２領域
Ｆ１，Ｆ２ 焦点距離
Ｒ１，Ｒ２，Ｒｉ 曲率半径
Ｎ１，Ｎ２ 屈折率
Ｌ１，Ｌｉ スペーサーの厚さ
θ 反射ミラーの角度変化
δ 出力光強度（結合効率）の変動量
ＸＴ 隣接ポートへのクロストーク発生量

Claims (10)

1. 少なくとも１つの入力ポートおよび複数の出力ポートが第１方向に配列された入出力光学系と、
   前記入出力光学系の入力ポートから出力される光を波長に応じて前記第１方向とは異なる第２方向に角度分散させる分光素子と、
   前記分光素子から出力された光を集光させる集光光学系と、
   前記集光光学系で集光された各波長の光の集光位置に角度可変の反射面が配置された複数の反射ミラーを有するミラー部と、
   前記ミラー部の各反射ミラーで反射された各波長の光が、前記集光光学系および前記分光素子を介して、前記入出力光学系の出力先に設定された出力ポートに結合されるように、前記各反射ミラーの角度を制御すると共に、該各反射ミラーの角度を最適結合状態からずらすことにより、当該出力光の強度を予め設定した減衰量の可変範囲に従って調整可能にする制御部と、を備え、
   前記入出力光学系の各出力ポートは、前記反射ミラーから前記集光光学系および前記分光素子を介して入力される反射光を光ファイバの端面に結合させるレンズをそれぞれ有し、
   前記各レンズは、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲内に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第１領域の焦点距離に対し、前記反射ミラーが前記減衰量の可変範囲外に対応した角度に制御されているときに当該反射光が入力されるレンズ面上の第２領域の焦点距離が異なる構造を持つことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 請求項１に記載の波長選択スイッチであって、
   前記反射ミラーの最適結合状態からの角度変化をθとし、該角度変化θが前記減衰量の可変範囲内に対応した値の場合に前記出力ポートに結合される出力光の強度変化を第１の結合効率関数Ｓ１（θ）で表すと共に、前記角度変化θが前記減衰量の可変範囲外に対応した値の場合に前記出力ポートに結合される出力光の強度変化を第２の結合効率関数Ｓ２（θ）で表し、また、前記入出力光学系の隣接する出力ポートの間の距離を前記反射ミラーの最適結合状態の角度設定を基準にして角度換算した値をＡとし、前記減衰量の可変範囲内で最大の減衰量を出力光に与える時の前記反射ミラーの角度変化をＢとし、外界からの影響による前記反射ミラーの角度変動量をｂとし、さらに、前記反射ミラーの角度変動時における出力光強度の変動許容量をＤとし、隣接する出力ポートへのクロストーク許容量をＥとするとき、
   前記レンズは、前記第１および第２の結合効率関数Ｓ１（θ），Ｓ２（θ）が、
   Ｓ１（Ｂ＋ｂ）−Ｓ１（Ｂ）≦Ｄ
   Ｓ２（Ａ−Ｂ−ｂ）≦Ｅ
   の関係を満たすように、前記第１領域の焦点距離および前記第２領域の焦点距離が設定されていることを特徴とする波長選択スイッチ。
3. 請求項１または２に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第１領域に対応するレンズ面の曲率半径と、前記第２領域に対応するレンズ面の曲率半径とが異なる二重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
4. 請求項１または２に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第１領域に対応するレンズ部分の屈折率と、前記第２領域に対応するレンズ部分の屈折率とが異なる二重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
5. 請求項１または２に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第１領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔と、前記第２領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔とが異なる二重焦点構造のフレネルレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
6. 請求項１または２に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第２領域の焦点距離が多重化されていることを特徴とする波長選択スイッチ。
7. 請求項６に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ面の曲率半径が２回以上変化する多重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
8. 請求項６に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第２領域に対応するレンズ部分の屈折率が２回以上変化する多重焦点構造のマイクロレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
9. 請求項６に記載の波長選択スイッチであって、
   前記レンズは、前記第２領域に対応する鋸波型溝の形状または溝間隔が２回以上変化する多重焦点構造のフレネルレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の波長選択スイッチであって、
    前記制御部は、前記各反射ミラーの角度を最適結合状態から前記第１方向に変化させることを特徴とする波長選択スイッチ。

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