JP5056664B2

JP5056664B2 - 波長選択光スイッチ

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Publication number: JP5056664B2
Application number: JP2008205044A
Authority: JP
Inventors: 伸二小宮
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-08-08
Also published as: JP2010039406A; US20100034498A1; US8200053B2

Description

本発明は、波長選択光スイッチに関する。特に、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いた波長選択光スイッチに関する。

波長分割多重光通信システム(Wavelength Division Multiplex System：以下WDMと略記する)において、光パスを切り替えるために、波長選択を行う光スイッチが用いられる。

かかる波長選択を行う光スイッチ(以下単に、波長選択光スイッチという)の一形態として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いた構成が知られている。

図１は、かかる波長選択光スイッチの一構成例を示す図である。

図１において、側面図(Ｂ）に示すように、複数の入力ポートＩＮと出力ポートＯＵＴを有する光ファイバとコリメートレンズから構成される第一の光学系１００を有する。

第一の光学系１００の入力ポートＩＮから入射するWDM信号光(波長λ1〜λm)をｍ個の波長ごとに分岐する回折格子からなる波長分岐部１０１を有する。

さらに、図１の上面図(Ａ）に示すように、第二の光学系１０２を有し、波長分岐部１０１からの分岐光を集光して、光信号処理部１０３に入射する。

光信号処理部１０３は、折返し型として、一つのマトリクス状にｍ個のMEMSミラーを並べたMEMSアレイと折返しミラーを有する構成が知られている。

MEMSアレイを構成する一つのMEMSミラーの構成例を図２に示す。MEMSミラーは、支持されるＸ軸及びＹ軸周りに角度を変えるように駆動される。例えば、MEMSミラーの背面側に電極を配置し、電極に印加する電圧で静電引力を生成してMEMSミラーをＸ軸及びＹ軸周りに角度変えるように駆動することが可能である。

したがって、上記の折返し型にあっては、一つのMEMSアレイで波長分岐部１０１から入射する分岐光を、折返しミラーの何れの方向に送るかを選択し、更に折返しミラーから戻る反射光を何れの出力ポートに出力するかを選択する。

上記のように、光信号処理部１０３のMEMSアレイにおいて、マトリクス状に配置されるMEMSミラーのＸ軸周りの角度を変えることによって、対応する波長の反射光を任意の入力ポートＩＮから任意の出力ポートＯＵＴに結合させることができる。

ここで、入力ポートＩＮが一つのみで、出力ポートＯＵＴが複数ある場合は、１つの入力ポートＩＮからの任意の波長の信号光を任意の出力ポートＯＵＴに結合させるDROP型波長選択光スイッチとして動作する。

反対に入力ポートＩＮが複数で出力ポートＯＵＴが１つのみの場合は、任意の波長信号を任意の入力ポートＩＮから１つの出力ポートＯＵＴに結合させるADD型波長選択光スイッチとして動作する。

このとき、更にMEMSミラーをＸ軸もしくはＹ軸周りに微小に回転させることにより信号光を任意の減衰率を有して入力ポートＩＮから任意の出力ポートＯＵＴに結合するように設定することができる。

すなわち、光信号処理部１０３から反射した光は、第二の光学系１０２によってコリメートされ、コリメートされた反射光は波長分岐部１０１を経由して全波長が同じ経路を辿り、第一の光学系１００の出力ポートＯＵＴに導かれる。その際、光信号処理部１０３のMEMSミラーのＸ軸あるいは、Ｙ軸周りの角度の制御により波長ごとに反射光が選択され、選択された反射光は、MEMSミラーのＸ軸もしくはＹ軸回りの角度によって与えられた減衰率をもって任意の出力ポートＯＵＴのファイバ端に結合される。

このとき、例えば入力および出力ともに１ポートのみの場合は、MEMSミラーアレイ１０ＡのMEMSミラーのＸ軸もしくはＹ軸周りの角度によって波長ごとの減衰率のみが設定される。

図３は、MEMSミラー１０の角度に対する減衰率の一例を表したグラフである。光信号処理部１０３におけるMEMSミラー１０との間の図示しない光学系を第三の光学系とし、その第三の光学系の焦点距離をＦ、MEMSミラー１０との角度をθとしたときの、Ｆ×θに対する減衰率を表す一例である。

さらに、MEMSミラー１０との角度を変えて減衰率を制御する方法とは別に、信号処理部１０３において、光信号処理部の一構成例を示す図である図４に示すように第三の光学系においてポートを選択する、複数のMEMSミラー１０により構成されるMEMSアレイ１０Ａと、個々のMEMSミラー１０に対応し、減衰率を与える液晶部で構成される液晶アレイ１１Ａにより構成することも可能である。この場合は、それぞれのMEMSミラー１０はポートを選択するためにＸ軸周りだけに回転できればよい。

図５は液晶部の印加電圧(横軸)に対する減衰率(縦軸)の一例を表した図である。MEMSアレイ１０Ａの個々のMEMSミラー１０に対応する液晶部に対する印加電圧を制御することにより減衰率を制御することができる。

図６はさらに波長ごとの出力モニタ機構が追加された構成をADD型の波長選択光スイッチで示した図である。

出力ポートＯＵＴのWDM信号光の一部をカプラ１００Ａで分岐させて波長モニタ部２０に入射する構成を有する。

波長モニタ部２０は一例として図６に示すように、第三の光学系２００、回折格子からなる波長分岐部２０１およびＰＤ（光検出部）アレイ２０３から構成されている。ＰＤアレイ２０３の各素子はWDM信号の各波長に対応し、WDM信号光の波長ごとの光強度を検出することができる。

ＰＤアレイ２０３で検出された情報は必要に応じてMEMSミラー１０Ａの角度補正等を目的としてフィードバック制御に用いられる。

特許文献１に記載の発明は、入力ポートに入力した光に対して波長に応じた処理をして、処理した後の光を出力ポートから出力する光信号処理器が開示されている。

さらに、波長に応じた処理した後の光を出力ポートから出力する際に、光の一部を取り出して受光し、その受光した光をモニタするモニタ部を有することが開示されている。
特開２００５−３０１１２３号公報

上記に説明した波長選択光スイッチの構成にあっては、MEMSアレイ１０Ａを構成するMEMSミラー１０の角度の変化によって減衰率が設定される。

MEMSミラー１０は通常は印加する電圧によって角度が変化し、その角度によって図３に示したように減衰率が与えられる。そのためMEMSミラー１０に印加する電圧と減衰率とをあらかじめ数値テーブルの形で装置内に組み込んでおき、実際の使用時には必要な減衰率を持たせるための必要な電圧値をテーブルから求めることが必要である。

ここで、必要となるMEMSミラー１０の角度は非常に微小であり、印加する電圧に対する減衰率は精度が低く、更に、たとえば温度等によっても変動する。また、図２において説明したように、MEMSミラーの背面側に電極を配置し、電極に印加する電圧で静電引力を生成してMEMSミラーをＸ軸及びＹ軸周りに角度変えるように駆動する場合に、MEMSミラー１０特有の問題として電荷がミラー部分に蓄積されてしまい電圧に対する角度の特性が徐々に変動するという問題がある。

そのため例えばADD型波長選択光スイッチの場合では図６に示したように、出力ポートＯＵＴの光の一部をカプラ１００Ａで分岐させ、ＰＤアレイ２０３等からなるアレイ型の検出部で各波長成分の信号強度をモニタし、必要な減衰率が得られるようにMEMSミラー１０をフィードバック制御している。

しかしながら、たとえば装置の起動時や、光信号がファイバ切断等の障害等何らかの原因で切断されている場合においては、波長選択光スイッチへの光信号入力がないため出力ポートＯＵＴの光をモニタすることはできない。

たとえば、何らかの原因で光信号がまったく来ていない状況を考えてみる。このような場合は、あらかじめ設定されていた電圧-減衰率のテーブルを使用して固定の減衰率を設定して待機せざるを得ない。

この状態で例えば、減衰率が必要な設定値よりも実際には大きかった場合は、仮に光信号が復旧しても必要以上の減衰させる設定が、先に与えられているので、図６における波長モニタ部２０では十分な光信号強度が来ていないと判断してしまうという問題がある。

逆に、減衰率が必要な設定値よりも実際には小さかった場合は、仮に光信号が復旧した場合に十分減衰されておらず出力ポートＯＵＴから過大な強度の信号が出力されてしまい、後段の光伝送装置へ物理的な破壊などの影響を及ぼす懸念がある。

したがって、本発明の目的は、かかる波長モニタ部２０における光信号の復旧の前後での制御の遅れによる影響を回避できる波長選択光スイッチを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明に従う波長選択光スイッチは、波長多重分割信号光が入力される複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、前記複数の入力ポートに入力した波長多重分割信号光に対して各波長の光に分岐する第１の波長分岐部と、前記分岐される各波長が所定の減衰率で前記複数の入力ポートのいずれから前記複数の出力ポートのいずれに結合されるかを経路選択制御する光信号処理部を有する。

さらに、前記複数の入力ポートの波長多重分割信号光のそれぞれの波長に対して１/Ｎ（Ｎは２以上の整数)の帯域の波長を持つモニタ光の光源と、前記モニタ光の光源からのモニタ光を前記入力ポートに入力する信号光に重畳する入力側カプラと、前記出力ポートにおいて前記光信号処理部により経路選択された前記信号光とモニタ光を分離する出力側カプラと、前記出力側カプラで分離したモニタ光を各波長の光に分岐する第２の波長分岐部と、前記第２の波長分岐部で各波長に分岐したモニタ光の強度を検出するモニタ光検出部を有する。

そして、前記モニタ光検出部におけるモニタ光の減衰率を検出することで、前記信号光の減衰率をモニタする波長選択光スイッチである。

上記のとおり、本発明においては、波長多重分割信号光（WDM）信号(波長λ1〜λm)に対し、１/Ｎ (Ｎは２以上の整数)の波長からなるモニタ光λ1/N〜λm/Nを重畳する。

たとえば、波長λ1の信号光に対しては、波長λ１/Ｎのモニタ光は回折格子からなる波長分岐部の特性からλ1とまったく同一の経路を辿り、λ1に対応するＭＥＭＳミラーによってλ1の光と同様ポートの選択および減衰が行われる。

同様にλ2〜λmの信号光に対しても、λ2/N〜λm/Nのモニタ光は同一の経路を辿りポートの選択と減衰が行われる。

そして、これらモニタ光による減衰率の検出はWDM信号光にはまったく影響を与えずに常時モニタすることが可能である。よって、たとえば装置の起動時やWDM信号光が何らかの原因で切断されている場合においてもWDM信号光に対する減衰率を常時モニタすることが可能である。

これによって切断等の障害等何らかの原因で切断されている場合においては、波長選択光スイッチへの光信号入力がないため出力ポートＯＵＴの光をモニタすることはできないという問題を解決できる。

以下に図面に従い、実施例構成について説明する。

図７は、第１の実施例構成を示すブロック図である。ｍ個の入力対ｎ個の出力の対応が可能であるが、図７においては、実施例として、２入力１出力のADD型波長選択光スイッチ例を示す。

波長λ1〜λmのWDM信号光の入力される第１、第２の入力ポートＩＮ１、ＩＮ２と、WDM信号光の波長λ1〜λmに対して、それぞれ少なくとも波長多重されたλ1/2〜λm/2の成分として持つモニタ光源Ｍ１とＭ２を有する。

さらに、モニタ光源Ｍ１とＭ２からのモニタ光を入力するカプラ１００Ｂ，１００Ｃを有する。

カプラ１００Ｂ，１００Ｃは、出力ポートＯＵＴのモニタ光を分岐するためのカプラ１００Ａと同様に、二本の光ファイバを溶融結合して得られる融着カプラ(光カプラ)などが用いられる。

図８は、モニタ光源Ｍ１、Ｍ２の波長スペクトラムを説明する図である。モニタ光源Ｍ１、Ｍ２は広帯域の白色光源である。一般的にλ1〜λmは1.5μm帯の波長が用いられるが、その場合は、モニタ光源Ｍ１、Ｍ２の波長帯は750nm帯となる。

入力側のカプラ１００Ｂ、１００Ｃによりモニタ光源Ｍ１の光を入力ポートＩＮ１から入射されるWDM信号光に、モニタ光源Ｍ２の光を入力ポートＩＮ２から入射されるWDM信号光にそれぞれ少ない損失で結合重畳させる。

ついで、モニタ光と重畳されたWDM信号光はそれぞれ第一の光学系１００によってコリメートされる。

コリメートされた光は回折格子からなる波長分岐部１０１によってｍ個の波長ごとに分岐され第二の光学系によって集光され、光信号処理部１０３に入射する。光信号処理部１０３において、波長ごとのMEMSアレイ１０Ａのｍ個のMEMSミラー１０に入射する。

そして、光信号処理部１０３では、MEMSミラー１０のＸ軸周りの角度を変えることによって、対応する波長について、入力ポートＩＮ１と入力ポートＩＮ２のいずれか一方の入力信号を出力ポートＯＵＴに結合させる選択が行われる。

さらにＸ軸もしくはＹ軸周りに微小に回転させることにより任意の減衰率で結合するよう設定することができる。

光信号処理部１０３から反射した信号光は第二の光学系１０２によってコリメートされる。コリメートされた光波長分岐部１０１によって反射される全波長λ1〜λmは、図７の上面図（Ａ）において同じ経路を戻る。

前述のようにMEMSミラーのＸ軸周りの角度によって入力ポートＩＮ１もしくは入力ポート２のいずれかが出力ポートＯＵＴに結合される。

出力ポートＯＵＴに入射した光は、カプラ１００ＡによってWDM信号光とモニタ光に分波される。カプラ１００Ａは1.5μm帯の光と750nm帯の光を少ない損失で分離する。

たとえば先に説明した様に、カプラ１００Ａとして融着カプラなどが用いられる。モニタ光はモニタ光検出部２０に導入され、第四の光学系によってコリメートされた後、回折格子からなる波長分岐部２００によって波長ごとに分岐されて、第五の光学系により集光されてＰＤ（フォトダイオード）などのアレイ型の光検出素子２０１に入射する。

ＰＤアレイ２０３はλ1/2〜λm/2のm個の波長に対応したセルをもち、波長ごとにパワーをモニタすることができる。

このとき、波長λ1の信号光に対して、モニタ光のλ1/2の成分は回折格子の特性上まったく同じ経路をたどる。

なぜならば、例えば、波長λ1の信号光は波長分岐部１０１及び２００において、回折格子の特性について説明する図である図９に示すように回折格子の格子間隔に対してλ1の整数倍となる角度の方向に強度の強い回折光が生じるが、λ1と同じ角度の方向に対してはλ1/2の波長も同様に整数倍となり、強い回折光を生じるためである。

波長λ1の信号光と波長λ1/2のモニタ光はまったく同じ経路をたどるため、波長λ1/2のモニタ光は信号光λ1に対応するＭＥＭＳミラーによって信号光λ1と同様ポートの選択および減衰が行われる。同様にλ2〜λmの信号光に対しても、λ2/2〜λm/2のモニタ光は同一の経路をたどりポートの選択と減衰が行われる。

モニタ光が最も損失が少なく出力ポートＯＵＴに結合する場合の光強度(あらかじめ記録しておく)と、MEMSミラー１０の角度変化によるモニタ光の光強度から、モニタ光の減衰率を求めることができる。

MEMSミラー１０の角度に対するモニタ光の減衰率は、WDM信号光と同様に一例として図３に示したような特性を持つ。図３では、第三の光学系の焦点距離をＦ、 MEMSミラー１０の角度をθとしたときの、Ｆ×θに対する減衰率を表している。

この実施例では２入力１出力の場合で説明したが、それ以外の入力ポート数および出力ポート数の場合も同様である。

１個以上の入力ポートに対し全ての入力ポートにモニタ光を用意してカプラで重畳すればよく、また、１個以上の出力ポートＯＵＴに対しては全ての出力ポートからカプラによりモニタ光を分岐させて、それぞれも似た光検出部波長モニタ部２０に導くようにすればよい。

また、本実施例ではWDM信号光(波長λ1〜λm)に対してλ1/2〜λm/2の成分を持つ光を合波してモニタ光としているが、モニタ光の波長はWDM信号光に対して1/N(Nは２以上の整数)であればよい。すなわち、λ1に対してはλ1/Nの光は回折格子の特性上まったく同じ経路をたどるため、λ1/2の波長を用いたときと同様にモニタ光として利用できる。

すなわち、モニタ光としてλ1/N〜λm/Nの成分を持つ光源をモニタ光としてもよい。

信号処理部１０３は、従来例と同様MEMSアレイにおけるMEMSミラーの角度により、あるいは、MEMSアレイと液晶素子との組み合わせを用いて液晶素子により光を減衰させても良い。

また、本実施例では波長分岐部１０１，２００として反射型の回折格子を用いているが、透過型の回折格子を用いることもできる。

次に第２の実施例について説明する。

図１０は、第２の実施例構成のブロック図であり、図７に示した実施例と同様に、２入力１出力のADD型波長選択光スイッチである。

WDM信号光の波長λ1〜λmに対して、モニタ光源Ｍ１はλ1/2〜λm/2の単一波長を成分として持つ光をカプラ１００Ｄにより合波した光源である。図示省略しているが、モニタ光源Ｍ２も同様構成であり、λ1/2〜λm/2の単一波長を成分として持つ光をカプラ１００Ｄにより合波した光源である。

カプラ１００Ｄは、融着カプラや多層膜型などが用いられる。図１１に、各々のモニタ光源のスペクトルを示す図である。

入力ポートＮ１、Ｎ２から入射したWDM信号光に対して、カプラ１００Ｂ，１００Ｃによりモニタ光源Ｍ１の光を入力ポートＮ１のWDM信号光に、モニタ光源Ｍ２の光を入力ポートＮ２のWDM信号光にそれぞれ重畳させる。

波長λ1の信号光に対しては波長λ1/2のモニタ光が実施例１と同様の動作を、同様に波長λmまでの信号光に対しては波長λm/2までのモニタ光がそれぞれ第一の実施例と同様の動作をする。すなわち、モニタ光の減衰率を検出することで、WDM信号光の減衰率の検出が可能となる。

この実施例では２入力１出力の場合で説明したが、第１の実施例と同様にそれ以外の入力ポート数および出力ポート数の場合も同様に構成すればよい。

この第２の実施例ではWDM信号光(波長λ1〜λm)に対してλ1/2〜λm/2の単一波長光を合波してモニタ光としているが、第１の実施例と同様にモニタ光の波長は信号光に対して1/N(Nは2以上の整数)であればよい。

すなわち、λ1に対してはλ1/Nの光は回折格子の特性上まったく同じ経路をたどるため、λ1/2の波長を用いたときと同様にモニタ光として利用できる。すなわち、モニタ光としてλ1/N〜λm/Nの単一波長光を合波した光源をモニタ光としてもよい。

信号処理部１０３は、従来例と同様MEMSアレイ、およびMEMSアレイと液晶素子との組み合わせを用いて液晶素子により光を減衰させても良い。

また、第１の実施例と同様、波長分岐部１０１，２００として反射型の回折格子を用いて説明しているが、透過型の回折格子を用いることもできる。

波長選択光スイッチの一構成例を示す図である。 MEMSアレイを構成する一つのMEMSミラーの構成例を示す図である。 MEMSミラーの角度に対する減衰率の一例を表したグラフである。光信号処理部の一構成例を示す図である。液晶部の印加電圧(横軸)に対する減衰率(縦軸)の一例を表した図である。波長ごとの出力モニタ機構が追加された構成をADD型の波長選択光スイッチで示した図である。第１の実施例構成のブロック図であり、２入力１出力のADD型波長選択光スイッチ例を示す図である。モニタ光源Ｍ１、Ｍ２の波長スペクトラムを説明する図である。回折格子の特性について説明する図である。第２の実施例構成のブロック図である。第２の実施例構成におけるモニタ光減のスペクトルを示す図である。

符号の説明

ＩＮ１，ＩＮ１入力ポート
ＯＵＴ出力ポート
１００第一光学系
１０１，２００波長分岐部
１０２第二光学系
１０３光信号処理部
Ｍ１，Ｍ２モニタ光原
１００Ａ〜１００Ｄ融着カプラ
２０モニタ光検出部

Claims

波長多重分割信号光が入力される複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、前記複数の入力ポートに入力した波長多重分割信号光に対して各波長の光に分岐する第１の波長分岐部と、前記分岐される各波長が前記複数の入力ポートのいずれから前記複数の出力ポートのいずれに結合されるかを経路選択制御する光信号処理部を有する波長選択光スイッチであって、
前記複数の入力ポートの波長多重分割信号光のそれぞれの波長に対して１/Ｎ（Ｎは２以上の整数)の帯域の波長を持つモニタ光の光源と、
前記モニタ光の光源からのモニタ光を前記入力ポートに入力する信号光に重畳する入力側カプラと、
前記出力ポートにおいて前記光信号処理部により経路選択された前記信号光とモニタ光を分離する出力側カプラと、
前記出力側カプラで分離したモニタ光を各波長の光に分岐する第２の波長分岐部と、
前記第２の波長分岐部で各波長に分岐したモニタ光の強度を検出するモニタ光検出部を有し、
前記モニタ光検出部におけるモニタ光の減衰率を検出することで、前記信号光の減衰率をモニタする、
ことを特徴とする波長選択光スイッチ。
請求項１において、
前記モニタ光は、前記複数の入力ポートの波長多重分割信号光のそれぞれの波長に対して１/Ｎ（Ｎは２以上の整数)の帯域の波長を持つ複数の単色光からなるモニタ光であることを特徴とする波長選択光スイッチ。
請求項１または２において、
前記光信号処理部は、MEMSミラーアレイから構成され、MEMSミラーの角度によって各波長の経路および減衰率が制御されることを特徴とする波長選択光スイッチ。
請求項１または２において、
前記光信号処理部は、MEMSミラーアレイと液晶素子の組み合わせから構成され、前記MEMSミラーアレイを構成するMEMSミラーの角度によって各波長の経路が制御され、前記液晶素子によって減衰率が制御されることを特徴とする波長選択光スイッチ。
請求項１または２において、
前記波長分岐部は反射型の回折格子を用いて構成されることを特徴とする波長選択光スイッチ。
請求項１または２において、
前記波長分岐部は透過型の回折格子を用いて構成されることを特徴とする波長選択光スイッチ。