JP5166380B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、波長多重光信号の合分波や方路選択等を行う波長選択スイッチに関するものである。

波長多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術の発展に伴って、多波長の光信号を効率的に扱うことができるネットワークが要求されている。これを実現すべく、トランスペアレントな光ネットワークを構築する上でのキーデバイスとして、波長多重された信号光を入力し、波長チャネル毎に個別に出力ポートを切り替えることができる波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が注目を浴びている。この波長選択スイッチの一例を図１０，図１１に示す。

図１０，図１１に示す波長選択スイッチ１００は、光ファイバアレイ１１０と、マイクロレンズアレイ１２０と、公知の凸レンズからなる第１のレンズ１３０と、シリンドリカルレンズ１４０と、公知の凸レンズからなる第２のレンズ１５０と、回折格子１６０と、公知の凸レンズからなる第３のレンズ１７０と、ミラー装置１８０とを備えており、これらをこの順番で１の方向（以下、「Ｚ軸方向」という）に沿って配列した構成を有する。なお、このような波長選択スイッチ１００を、「１次元波長選択スイッチ」という。

ここで、光ファイバアレイ１１０は、各々の光軸をＺ軸方向に沿わせた複数の光ファイバ１１１〜１１７を、Ｚ軸と直交するＹ軸方向に並設した構成を有する。光ファイバ１１１〜１１７のマイクロレンズアレイ１２０側の端部には、光入出力ポート１１１ａ〜１１７ａが形成されている。

なお、１次元波長選択スイッチとしては、ＤＲＯＰ型と呼ばれるものと、ＡＤＤ型と呼ばれるものとがある。ＤＲＯＰ型波長選択スイッチのうち、例えば、入力ポート数が１、出力ポート数がＮである１×Ｎ型波長選択スイッチは、波長多重された１つの入力光を波長分離し、波長チャネル毎に任意の出力ポートに接続するものである。一方、ＡＤＤ型波長選択スイッチのうち、入力ポート数がＮ、出力ポート数が１であるＮ×１型波長選択スイッチは、Ｎ個の入力ポートから入力された複数の異なる波長光を波長多重して１つの出力ポートに接続するものである。一般に、ＤＲＯＰ型波長選択スイッチにおける入力ポートとＡＤＤ型波長選択スイッチにおける出力ポートは、ともにＣＯＭポートと呼ばれる。同様に、ＤＲＯＰ型の出力ポートとＡＤＤ型の入力ポートは、ともにサービスポートと呼ばれる。
図１０，図１１に示す１次元波長選択スイッチ１００は、ＤＯＲＰ型波長選択スイッチであって、光入出力ポート１１１ａ〜１１７ａのうち１つの光入出力ポート１１４ａはＣＯＭポートとして機能し、残りの光入出力ポートはサービスポートとして機能する。

マイクロレンズアレイ１２０は、複数のマイクロレンズ１２１〜１２７をＹ軸方向に並設したものである。このようなマイクロレンズアレイ１２０は、図１０，図１１に示すように光ファイバアレイ１１０のＺ軸方向の正の側に、各マイクロレンズ１２１〜１２７が対応する光入出力ポート１１１ａ〜１１７ａと対向するように配設される。

ミラー装置１８０は、Ｙ軸およびＺ軸と直交するＸ軸方向に並設された複数のＭＥＭＳ（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）ミラー１８１，１８２からなる。このＭＥＭＳミラー１８１，１８２は、Ｘ軸およびＹ軸回りに回動可能に支持されている。

このようなＤＲＯＰ型の１次元波長選択スイッチ１００において、光ファイバ１１４に入力された波長多重された信号光は、光入出力ポート１１４ａから出射され、レンズアレイ１２０のマイクロレンズ１２４で平行光とされる。この平行光とされた信号光は、第１レンズ１３０によって収束され、シリンドリカルレンズ１４０によってＸ軸方向のみに収束および拡散させられる。この結果、シリンドリカルレンズ１４０を通過した信号光は、第１レンズ１３０の焦点１３０ａにおいてＹ軸方向に対してＸ軸方向の方が短い楕円形のビーム形状とされる。続いて、その信号光は、Ｘ軸方向のみが拡散され、第２レンズ１５０の入射面においてＹ軸方向に対してＸ軸方向の方が長い楕円形のビーム形状となり、第２のレンズ１５０により、そのビーム形状の平行光とされる。平行光となった信号光は、回折格子１６０により波長毎にＸ軸方向に異なる角度に回折され、多数本の特定波長の光信号に分波される。この分波された各信号光は、第３レンズ１７０により再び収束され、ミラー装置１８０の所定のミラーに向かって進行する。

このミラー装置１８０に向かって進行する信号光のうち、例えばＭＥＭＳミラー１８１に向かって進行する信号光は、そのＭＥＭＳミラー１８１により所定の方向に向かって反射され、第３レンズ１７０により平行光とされ、回折格子１６０によりＸ軸方向に先ほどと同じ角度に回折され、第２レンズ１５０で収束されたのち、シリンドリカルレンズ１４０により再び円形のビーム形状に戻される。この円形となった信号光は、第１レンズ１３０により平行光とされ、マイクロレンズアレイ１２０のレンズ１２３で収束されて、光入出力ポート１１３ａに入射される。この入射した信号光は、光ファイバ１１３を伝播してゆく。
また、ＭＥＭＳミラー１８２に向かって進行する信号光は、上述したＭＥＭＳミラー１８１に向かって進行する信号光と同様の経路を辿って、光入出力ポート１１５ａに入射し、光ファイバ１１５を伝播してゆく。

このように、１次元波長選択スイッチ１００において、入出力ポート１１４ａから入射された信号光は、レンズアレイ１２０等の光学系を経て、ミラー装置１８０の何れかのミラーの反射面上に結像される。このとき、「フラットトップ特性」と呼ばれる広く平坦な通過帯域を実現するには、信号光の大部分が、ミラーの反射面上に照射される必要がある。これには、信号光のビーム幅をミラー装置１８０のミラーの配列ピッチよりも小さくすることが有効である。そこで、１次元波長選択スイッチ１００では、上述したようにシリンドリカルレンズ１４０を用いることにより、信号光のビーム形状を楕円形に変換してＸ軸方向の幅を縮小し、信号光の大部分が反射面に照射されるようにしている。
なお、図１０，図１１に示す１次元波長選択スイッチ１００の場合、信号光の楕円形状の楕円率（＝長軸／短軸）は、第１レンズ１３０とシリンドリカルレンズ１４０の焦点距離の比によって適宜自由に設定することができる。

ところで、近年では、ネットワークの大規模化により、波長選択スイッチには、高い通過帯域特性とともに入出力ポート数の増大も要求されている。ところが、上述したような１次元波長選択スイッチ１００では、入出力ポートの数量を増やすには、ＭＥＭＳミラーの構造の工夫してＸ軸回りの回転角を増大するしかなく、大幅に入出力ポートの数量を増やすことが困難であった。そこで、入出力ポートが２次元的に配列された波長選択スイッチ（以下、「２次元波長選択スイッチ」という）が提案されている。この一例を図１２に示す。

図１２に示す２次元波長選択スイッチ２００は、複数の光ファイバが２次元的に配列されることにより入出力ポートが２次元的に配列された光ファイバアレイ２１０と、回折格子２２０と、レンズ２３０と、２軸回りに回動可能なＭＥＭＳミラーを複数備えたミラー装置２４０とを備えている。

ここで、ミラー装置２４０は、複数のＭＥＭＳミラー２４１〜２４３を１の方向（以下、「Ｘ軸方向」という）に並設した構成を有する。このＭＥＭＳミラー２４１〜２４３は、Ｘ軸およびこのＸ軸と直交するＹ軸回りに回動可能に支持されている。

このような２次元波長選択スイッチ２００において、光ファイバアレイ２１０の光ファイバから出射された信号光は、回折格子２２０で波長分離されたのち、レンズ２３０によってそれぞれ対応するＭＥＭＳミラー２４１〜２４３上に集光される。このとき、ＭＥＭＳミラー２４１〜２４３に入射する光信号のビーム形状は円形となっている。

ＭＥＭＳミラー２４１〜２４３上に集光された光信号は、そのＭＥＭＳミラー２４１〜２４３により所定の方向に反射され、レンズ２３０および回折格子２２０を経て、所定の入出力ポートに入射され、対応する光ファイバを伝播してゆく。

ここで、ＭＥＭＳミラー２４１〜２４３は、上述したようにＸ軸回りとＹ軸回りの回動が可能な構造を有しているので、Ｘ軸回りに回動することによって縦方向（Ｙ軸上）に並ぶ入出力ポートを、Ｙ軸回りに回動することによって横方向（Ｘ軸上）に並ぶ入出力ポートを選択することができる。また、Ｘ軸およびＹ軸の両軸回りに回動させることによって、２次元配列された入出力ポートの中から任意の入出力ポートを選択することができる。

このような２次元波長選択スイッチにおいて、入出力ポートの数量を増やすためには、ＭＥＭＳミラーの回動角度の拡大と、光ファイバの稠密配列化が有効であり、現時点において１×３２ポートの波長選択スイッチを実現できることが報告されている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。

特開２００９−９０７３号公報 米国特許２００６／０２９１７７３明細書

Jui-che Tsai, Ming C. Wu, "A High Port-Count Wavelength-Selective Switch Using a Large Scan-Angle, High Fill-Factor, Two-Axis ＭＥＭＳ Scanner Array," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 18, no. 13, Jul., 2006, pp. 1439-1441.

しかしながら、上述したような２次元波長選択スイッチでは、光ファイバを２次元的に配列することにより１次元波長選択スイッチよりも入出力ポートの数量を増やすことはできるが、良好な光学特性、特に、広い通過帯域を実現することが困難であった。

すなわち、通過帯域を広げるには、ＭＥＭＳミラー上に照射される光信号のビーム幅を、ＭＥＭＳミラーのピッチに対して十分小さくする必要がある。

ところが、上述したように光信号のビーム形状が円形であるため、光信号のビーム幅を小さくするには、そのビーム形状そのものを小さくしなければならない。これを実現するには、回折格子とミラー装置との間に設けられたレンズの焦点距離を短くする必要がある。しかしながら、レンズの焦点距離は、回折格子の分散能とＭＥＭＳミラーのピッチによって決定されるので、任意に短くすることができない。

また、光信号のビーム幅をＭＥＭＳミラーのピッチに対して十分小さくする別の方法としては、入出力ポートの配列ピッチを大きくすることが考えられる。ところが、入出力ポートの配列ピッチを大きくすると、ＭＥＭＳミラーの回動角をより大きくしなければならず、仮に大きくできたとしても、入出力ポートの配列ピッチも大きくなるために、波長選択スイッチ自体のサイズが大きくなってしまう。したがって、サイズの巨大化を抑えようとすると、ビーム径を十分に小さくできず、通過帯域が狭くなり、フラットトップ特性を得ることができなくなってしまう。

そこで、上述した１次元波長選択スイッチのように、シリンドリカルレンズによって光信号のビーム形状を、その光信号の進行方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な１の方向（Ｘ軸方向）のみに収縮または拡散した楕円形にすることも考えられる。ところが、シリンドリカルレンズを用いた場合には、ＭＥＭＳミラーをＹ軸回りに回動させたときに反射光の光軸を光ファイバの光軸（Ｚ軸）と平行にできないので、入出力ポートをＸ軸方向に配列させることができない。

例えば、上述した図１０，図１１に示す１次元波長選択スイッチ１００の場合、ミラー装置１８０のミラーをＹ軸回りに回動させたときの反射光は、シリンドリカルレンズ１４０と第１レンズ１３０を通過する際に、光ファイバアレイ１１０の光ファイバの光軸に対して傾いてしまうので、その光軸が光ファイバの光軸（Ｚ軸）と平行にならない。このため、マイクロレンズアレイ１２０のレンズを通過し、光ファイバアレイ１１０の入出力ポートに到達した信号光は、光ファイバの光軸に対して角度ずれと位置ずれの両方が生じるので、結合損失が発生してしまう。このような現象が生じるのは、マイクロレンズアレイ１２０のレンズの焦点面と第１レンズ１３０の焦点面とが、図１１に示すようにＹ軸方向には第１のレンズ１３０が２ｆ光学系を構成する位置に配置されているので共焦点の関係になる一方、図１０に示すようにＸ軸方向にはシリンドリカルレンズ１４０が第１のレンズ１３０およびマイクロレンズアレイ１２０と２ｆ光学系を構成するように配置できず共焦点の関係にならないからである。

そこで、本願発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、通過帯域を狭くすることなく入出力ポートが２次元的に配列された波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る波長選択スイッチは、２次元的に配列され、信号光が入出力される複数の入出力ポートと、この入出力ポートから出力された信号光を平行光とする複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイと、マイクロレンズから出力された信号光のビーム径を、当該信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小して出力するプリズムと、このプリズムから出力された信号光を、所定の波長毎に分散する分散素子と、この分散素子によって分散された信号光を波長毎に集光する少なくとも１つのレンズと、入射光を所定の方向に反射させる複数の偏向素子を備え、この偏向素子を信号光の各波長に対応した位置に配列した偏向素子アレイとを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る他の波長選択スイッチは、２次元的に配列され、信号光が入出力される入出力ポートを備えた複数の光ファイバと、入出力ポートそれぞれに対向配置され、入力された信号光を平行光とする複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイとを備えたファイバコリメータアレイと、マイクロレンズから出力された信号光のビーム径を、当該信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小するプリズムと、このプリズムから出力された信号光を、所定の波長毎に分散する分散素子と、この分散素子によって分散された信号光を波長毎に集光する少なくとも１つのレンズと、入射光を所定の方向に反射させる複数の偏向素子を備え、この偏向素子を信号光の各波長に対応した位置に配列した偏向素子アレイとを備えたことを特徴とするものである。

上記波長選択スイッチにおいて、レンズは、１つのレンズから構成されるようにしてもよい。

上記波長選択スイッチにおいて、偏向素子は、レンズの焦点面上に配置されるようにしてもよい。

上記波長選択スイッチにおいて、分散素子は、信号光の分散方向が、光信号のビーム径の長軸方向と一致するように配設されるようにしてもよい。

上記波長選択スイッチにおいて、プリズムは、アナモルフィックプリズムペアから構成されるようにしてもよい。

上記波長選択スイッチにおいて、偏向素子は、直交する２つの回動軸回りに回動可能なミラーからなるようにしてもよい。
ここで、ミラーの配列ピッチＰ_mと、光入出力ポートのうち、ミラーの配列方向と直交する方向に並設された光入出力ポートを選択するのに必要なミラーの回動角の差分Δθ_xと、プリズムによる拡大比βとの積が、３．６μｍ以上１７．２μｍ以下の範囲内であるようにしてもよい。

本発明によれば、プリズムを設けることにより、マイクロレンズから入力された信号光のビーム径を、この信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小させ、かつ、その信号光の偏向素子による反射光の光軸が光ファイバの光軸と平行にさせることができるので、入出力ポートが２次元的に配列された波長選択スイッチにおいても、信号光のビーム径を偏向素子の配列ピッチに対して十分小さくすることが可能となり、結果として通過帯域が狭くなるのを防ぐことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る波長選択スイッチの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る波長選択スイッチの具体例を示すＸＺ平面における図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る波長選択スイッチの具体例を示すＹＺ平面における図である。 図４は、ファイバコリメータアレイの光入出力ポートの配置を模式的に示す図である。 図５は、ＭＥＭＳミラーアレイの構成を模式的に示す図である。 図６は、波長選択スイッチの一動作例を示すＸＺ平面における図である。 図７は、波長選択スイッチの一動作例を示すＹＺ平面における図である。 図８は、波長選択スイッチの一動作例を示すＸＺ平面における図である。 図９は、波長選択スイッチの一動作例を示すＹＺ平面における図である。 図１０は、従来の入出力ポートを１次元的に配列した波長選択スイッチのＸＺ平面における構成を模式的に示す図である。 図１１は、従来の入出力ポートを１次元的に配列した波長選択スイッチのＹＺ平面における構成を模式的に示す図である。 図１２は、従来の入出力ポートを２次元的に配列した波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

［概要］
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る波長選択スイッチの概要について説明する。

＜波長選択スイッチの構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る波長選択スイッチ（波長選択スイッチ）１は、複数の光ファイバ１１ａ〜１１ｎが２次元的に配列された入出力ポートアレイ１１と、この入出力ポートアレイ１１の各入出力ポートと１対１に対応して２次元的に配列された複数のレンズ１２ａ〜１２ｎからなるマイクロレンズアレイ１２と、このマイクロレンズアレイ１２のレンズ１２ａ〜１２ｎからの光を分散、屈折、全反射または複屈折させるプリズム１３と、入射光を波長毎に分散させ多数本の特定波長の光信号に分波する機能を有する分散素子１４と、凸レンズ等の公知のレンズからなり、分散素子１４からの光を集光するレンズ１５と、レンズ１５からの光を所定の方向に偏向させる複数のビーム偏向素子１６ａ〜１６ｍが所定の方向に配列されたビーム偏向素子アレイ１６とを備えている。

ここで、プリズム１３は、この信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小する光学素子から構成される。このようなプリズム１３は、シリンドリカルレンズ等のレンズと異なり、その１の方向以外の方向には入射光に対する屈折力を有さない。したがって、プリズム１３は、入射光の光軸が平行なままその信号光のビーム形状を変えることができる。
また、分散素子１４は、後述するように、信号光の分散方向がその信号光のビーム形状における長軸方向と一致するように配置されている。

＜波長選択スイッチの動作＞
このような波長選択スイッチ１において、光ファイバ１１ａ〜１１ｎに入力された波長多重された信号光は、その光ファイバ１１ａ〜１１ｎに対応する光入出力ポートから出射され、マイクロレンズアレイ１２のレンズ１２ａ〜１２ｎによって平行光とされる。この平行光とされた信号光は、プリズム１３により、そのビーム径が光軸に直交する１の方向に拡大または縮小された楕円形のビーム形状とされる。この楕円形のビーム形状とされた信号光は、分散素子１４により分散させられ、波長毎に異なる角度に進行してゆく。

分散素子１４により所定の波長毎に分散させられた信号光は、レンズ１５により集光され、各波長に対応する位置に配設されたビーム偏向素子アレイ１６のビーム偏向素子１６ａ〜１６ｎのうちの何れかに入射する。ビーム偏向素子１６ａ〜１６ｎに入射した信号光は、所定の方向に反射される。この反射光は、レンズ１５、分散素子１４を通過し、プリズム１３に入射する。このプリズム１３は、上述したように反射光の光軸に直交する１の方向以外に対して屈折力を有さない。したがって、プリズム１３に入射した反射光は、この入射したときの光軸に対して平行な状態で、プリズム１３から出射する。このプリズム１３からの反射光は、その光軸が光ファイバの光軸に対して角度ずれや位置ずれが生じていないので、結合損失が発生せずに、所定の光ファイバ１１ａ〜１１ｎの入出力ポートのうちの何れかに入射する。

このように、本実施の形態によれば、プリズム１３を設けることにより、マイクロレンズアレイ１２のレンズ１２ａ〜１２ｎから入力された信号光のビーム径を、この信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小させ、かつ、その信号光の偏向素子による反射光の光軸が光ファイバ１１ａ〜１１ｎの光軸と平行にさせることができるので、入出力ポートが２次元的に配列された波長選択スイッチにおいても、小型化を阻害せずに、フラットトップな通過帯域特性を維持したまま結合損失を抑えることができる。

なお、本実施の形態においては、光入出力ポート１１とマイクロレンズアレイ１２とを備えた場合を例に説明したが、これらの代わりに、１つ以上の波長を含む信号光を入出力する光ファイバと、この光ファイバに対向して形成されたマイクロレンズからなるファイバコリメータが、２次元に配列された光入出力ポートアレイを設けるようにしてもよい。この場合、マイクロレンズアレイが不要となるので、装置の低コスト化が可能となり、マイクロレンズアレイからの反射損失を低減させることができる。

［具体例］
次に、本実施の形態に係る波長選択スイッチの具体例について説明する。

＜波長選択スイッチの構成＞
図２，図３に示すように、波長選択スイッチ２は、ファイバコリメータアレイ２１と、このファイバコリメータアレイ２１からの信号光が入射する第１のプリズム２２と、この第１のプリズム２２を透過した信号光が入射する第２のプリズム２３と、この第２のプリズムを透過した信号光を所定の波長毎に異なる角度に回折させる透過型回折格子２４と、この透過型回折格子２４により回折された信号光を集光するレンズ２５と、このレンズ２５により入射された信号光を所定の方向に偏向させる複数のＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎを所定の方向に配列したミラーアレイ２６とを備えており、これらをこの順番で１の方向（以下、「Ｚ軸方向」という）に沿って配列した構成を有する。

≪ファイバコリメータアレイの構成≫
ファイバコリメータアレイ２１は、図４に示すように、光ファイバがＺ軸方向に直交するＹ軸方向にＫ本、Ｙ軸およびＺ軸方向に直交するＸ軸方向にＬ本並んだＫ行Ｌ列の２次元光ファイバアレイと、マイクロレンズをＫ行Ｌ列で配列してそれぞれの光ファイバの光入出力ポートと１対１に対応する光入出力ポートと対向配置させたマイクロレンズアレイとから構成される。このようなファイバコリメータアレイ２１において、それぞれの光ファイバから出射される光ビームは、それぞれ対応するマイクロレンズによって平行光に変換され、互いに平行にＺ方向に伝搬する。

ここで、マイクロレンズから出射される平行光のビームウェスト半径をω_C［mm］、光ファイバアレイの光ファイバの配列ピッチをＰ_F［mm］とすると、光ファイバの配列ピッチＰ_Fに対するビームウェスト半径ω_Cの比ｋ_Fは、下式（１）により表すことができる。

ｋ_F＝Ｐ_F／ω_C ・・・（１）

上式（１）において、ｋ_Fは、隣接する入出力ポートへの光の漏れ込み量、すなわちポート間クロストークの度合いを表す無次元量のパラメータであり、ｋ_Fが大きいほどクロストーク特性に優れることを意味している。便宜上、光ファイバアレイのピッチは、Ｘ軸方向とＹ軸方向で同一の場合について以下に説明するが、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで配列ピッチが異なっていてもよいことは言うまでもない。また、以下において、図４に示すＫ行Ｌ列の２次元光ファイバアレイの光入出力ポートのうち、中央に位置する１つの光入出力ポートをＣＯＭポート、このＣＯＭポートの周囲の光入出力ポートをサービスポートとしたＤＲＯＰ型波長選択スイッチについて説明する。なお、ＡＤＤ型波長選択スイッチの場合であっても、ＤＲＯＰ型波長選択スイッチと光線の伝搬方向が反対となるだけで同様に機能するので、その説明について適宜省略する。

≪第１，第２のプリズムの構成≫
第１のプリズム２２と第２のプリズム２３とは、三角柱の公知のプリズムから構成され、入出射面がＸＺ平面に対して垂直になるように配設される。第１のプリズム２２および第２のプリズム２３のプリズム頂角は、図２，図３に示すように、第１のプリズム２２の入射面（ファイバコリメータアレイ２１側の面）が光信号の光軸（Ｚ軸）に対して斜めになるように配置され、かつ、第２のプリズム２３の出射面（透過型回折格子２４側の面）が光信号の光軸に対して垂直になるように設定される。このような第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の配置は、一般的にアナモルフィックプリズムペアとして知られ、通過する光信号を入射方向と平行に出力できるとともに、その光信号のビーム形状を光軸に対して垂直な１の方向（Ｘ軸方向）に拡大または縮小させることができる。このときのビーム拡大率をβ倍とすれば、第２のプリズム２２を通過した後の光信号のビーム径は、下式（２）で表される。

ω_Dx＝β・ω_C
ω_Dy＝ω_C ・・・（２）

上式（２）において、ω_DxはＸ軸方向のビーム径、ω_DyはＹ軸方向のビーム径を表している。なお、第１のプリズム２２へ入射する信号光の光軸と、第２のプリズム２３からの出射する信号光の光軸とは、Ｘ軸方向にオフセットはされているものの、互いに平行であり、Ｚ軸に沿っている。

≪透過型回折格子の構成≫
透過型回折格子２４は、表面にそれぞれ平行な複数の溝が形成された公知の透過型回折格子から構成される。このような透過型回折格子２４は、その溝の延在方向がＹ軸方向と平行になるように配設される。このとき、透過型回折格子２４の分散方向はＸ軸方向となる。透過型回折格子２４に入射された波長多重された信号光は、波長チャネル毎に分離されて出射する。以下において、透過型回折格子２４の角分散をｄθ／ｄλで表す。

≪レンズの構成≫
レンズ２５は、公知の凸レンズから構成され、レンズ２５の前側焦点位置に透過型回折格子２５が位置するように、信号光の光軸上に配設される。このようなレンズ２５は、透過型回折格子２４により波長チャネル毎に分離された光信号群を、それぞれが光軸に平行になるように角度変換する。

≪ＭＥＭＳミラーアレイの構成≫
ＭＥＭＳミラーアレイ２６は、図５に示すように、Ｘ軸およびＹ軸回りに回動可能に支持された平面視略矩形の複数のＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎを備え、これらをＸ軸方向に配列した構成を有する。このようなＭＥＭＳミラーアレイ２６のＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎは、レンズ２５の後側焦点面に配設される。すなわち、透過型回折格子２４からＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎまでは、レンズ２５を用いた２ｆ光学系となっている。透過型回折格子２４で波長分離された光信号群は、それぞれ対応するＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎ上に結像し、ビームウェストを形成する。なお、以下において、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎにおけるＸ軸回りの回動角をθ_x、Ｙ軸回りの回動角をθ_yとして表す。

このようなＭＥＭＳミラーアレイ２６において、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの配列ピッチＰ_mは、透過型回折格子２４の角分散ｄθ／ｄλ、レンズ２５の焦点距離ｆ、および、波長多重された信号光の波長間隔Δλから下式（３）により求められる。

Ｐ_m＝ｆ・ｔａｎ｛（ｄθ／ｄλ）・Δλ｝ ・・・（３）

また、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎ上に形成されたビームウェストのＸ軸方向のビーム半径ω_MxおよびＹ軸方向のビーム半径ω_Myは、下式（４）により求められる。

ω_Mx＝（ｆ・λ／π・ω_Dx）＝（１／β）・（ｆ・λ／π・ω_C）
ω_My＝（ｆ・λ／π・ω_Dy）＝（ｆ・λ／π・ω_C） ・・・（４）

上式（４）において、λは使用する波長である。上式（４）から下式（５）の関係が導かれる。

ω_Mx＝（１／β）ω_My ・・・（５）

上式（５）からわかるように、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の効果によって、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの面上におけるビーム形状は、楕円率βの楕円形状となる。
ここで、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎ面上における、光信号のビームサイズとミラーのサイズとの関係を、下式（６）、（７）に定義する２つのパラメータを用いて表す。なお、下式（６）、（７）において、Ｌ_mはＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎのＹ軸方向の長さであり、Ｐ_mは上述したようにミラーの配列ピッチである。

ｋ_Mx＝Ｐ_m／ω_Mx ・・・（６）
ｋ_My＝Ｌ_m／ω_My ・・・（７）

上式（６）に示すｋ_Mxは、配列ピッチＰ_mに対するＸ軸方向の光信号のビーム半径ω_Mxの比であり、波長分散方向についてのビーム閉じ込めの程度を表す無次元量である。波長選択スイッチの通過帯域幅に関係し、ｋ_Mxの値が大きいほど、フラットトップな通過特性が得られることを意味している。

一方、上式（７）に示すｋ_Myは、ミラーの長さＬ_mに対するＹ軸方向の光信号のビーム半径ω_Myの比であり、クロストークに関係する無次元量である。

＜波長選択スイッチの動作＞
次に、このような波長選択スイッチ２の動作について、図６，図７を参照して説明する。以下においては、図４に示す光入出力ポートのうち、ＣＯＭポート（［Ｋ，Ｌ］＝［０，０］）から入力した信号光を、ＣＯＭポートのＹ軸方向の正の側に隣接するサービスポート（［Ｋ，Ｌ］＝［１，０］）から出力する場合を例に説明する。

ＣＯＭポートから入力された信号光は、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３により、Ｘ軸方向のビーム径が拡大または縮小され、楕円形のビーム形状とされる。この楕円形のビーム形状とされた信号光は、透過型回折格子２４により、波長毎に分離されてそれぞれ異なる角度で進行してゆく。この所定の波長毎に分散させられた信号光は、レンズ２５により集光され、各波長に対応する位置に配設されたＭＥＭＳミラーアレイ２６のＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの何れかに入射する。

何れかのＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎに入射した信号光は、そのＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの傾きによって、出射する入出力ポートに応じた所定の角度に反射される。ここで、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎは、初期状態において反射面が信号光の入射光軸に対して垂直になるように配設されているものとする。また、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎを所定の角度に傾けることによりＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎに入射した信号光を出力させる入出力ポートを選択する、いわゆるポート選択動作に必要なＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎのＸ軸回りの回動角をΔθ_x、Ｙ軸回りの回動角をΔθ_yとする。

ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎにより反射された信号光は、レンズ２５および透過型回折格子２４を通過し、第２のプリズム２３に到達する。この第２のプリズム２３に到達した信号光は、第２のプリズム２３，第１のプリズム２２により、ビーム径が拡大または縮小された後、マイクロレンズを通って所定の出力ポート（サービスポート）に入射することとなる。このとき、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３は、屈折力を有さないので、第２のプリズム２３に到達した信号は、第２のプリズム２３に入射したときの光軸に対して平行な状態で、第１のプリズム２２から出射する。これにより、第１のプリズム２２から出射した信号光は、その光軸が光ファイバの光軸に対して角度ずれや位置ずれが生じていないので、結合損失が発生せずに所定の出力ポートに入射することとなる。

このように動作する波長選択スイッチ２において、信号光のＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎへの入射角度と反射角度の差分で定義されるビーム偏向角は２×Δθ_xであるから、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎからの反射光が透過型回折格子２４面上で通過する光信号の位置（ΔＸ_D，ΔＹ_D）は、下式（８）により表される。

ΔＸ_D＝０
ΔＹ_D＝ｆ・ｔａｎ（２Δθ_x）≒ｆ・２Δθ_x ・・・（８）

図６，図７に示す光学系ではΔＹ_D＝Ｐ_Fである。したがって、ＣＯＭポートのＹ軸方向の正の側に隣接するサービスポート（［Ｋ，Ｌ］＝［１，０］）を選択するのに必要なＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの回動角は、下式（９）から求めることができる。

Δθ_x＝Ｐ_F／２ｆ ・・・（９）

なお、ＣＯＭポートのＸ軸方向の正の側に隣接するサービスポート（［Ｋ，Ｌ］＝［０，１］）を選択する際に、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎからの反射光が透過型回折格子２４面上で通過する光信号の位置（ΔＸ_D，ΔＹ_D）は、図８，図９からもわかるように、下式（１０）から求めることができる。

ΔＸ_D＝ｆ・ｔａｎ（２Δθ_y）≒ｆ・２Δθ_y
ΔＹ_D＝０ ・・・（１０）

この場合、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３により、信号光のビーム径が拡大または縮小するので、ΔＸ_D＝β×Ｐ_Fとなるため、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの回動角は下式（１１）から求めることができる。

Δθ_y＝β・Ｐ_F／２ｆ ・・・（１１）

この式（１１）および上述した式（９）から、下式（１２）が導出される。

Δθ_x＝Δθ_y／β ・・・（１２）

この式（１２）から、Ｘ軸方向に並ぶ入出力ポートを選択する場合は、Ｙ軸方向に並ぶ入出力ポートを選択する場合よりもβ倍大きな回動角が必要になることがわかる。

ここで、Ｘ軸回りの回動は、Ｙ軸回りの回動よりも大きな回動角が必要になるものの、上述した光学系では、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎのθ_y方向の回動によって、Ｘ軸方向に並ぶ入出力ポートを選択することができる。これは、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３が、レンズとは異なって屈折力をもたないので、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎからの反射光が、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの回動角（θ_x，θ_y）によらず常に光軸に対して平行になるからである。このような構成を採り、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎのＸ軸およびＹ軸という２つの軸回りの回動をともに入出力ポートの選択に用いることにより、入出力ポートの数量を増加させることができる。また、θ_x方向の回動により選択される入出力ポートの数量は、従来と同程度とすることができるので、θ_x方向の回動角をいたずらに大きくしなくて良いので、波長選択スイッチの小型化を阻害しない。

なお、実現可能な入出力ポートの数量については、例えば、ＭＥＭＳミラー２６ａ〜２６ｎの回動可能な範囲がＸ軸回りにθ_xmax、Ｙ軸回りにθ_ymaxとすると、それぞれの方向の数量は下式（１３）、（１４）により算出される。

Ｋ＝θ_xmax／Δθ_x ・・・（１３）
Ｌ＝θ_ymax／Δθ_y ・・・（１４）

この式（１３）、（１４）から、本実施の形態によれば、（Ｋ×Ｌ）個の入出力ポートを配置でき、サービスポートについては（Ｋ×Ｌ−１）個設られることを表している。従来では、サービスポートを（Ｋ−１）個しか設けることができなかったので、本実施の形態によれば、サービスポートの数量を従来よりもほぼＬ倍に増加させることができる。

また、本実施の形態によれば、上述した構成を採ることにより、波長選択スイッチの光学特性を良好に保つことができる。この理由について以下に説明する。

上式（１）および上式（３）〜（７）から、下式（１５）を導くことができる。

Ｐ_m・β・Δθ_x＝（λ／２π）・ｋ_Mx・ｋ_F ・・・（１５）

上式（１５）の左辺は、上述した本光学系を構成する光学部品のパラメータ、右辺は本その光学系で実現される波長選択スイッチの光学特性を表すパラメータを示している。したがって、上式（１５）を用いることにより、波長選択スイッチに要求する光学特性から、この光学特性を実現するために必要な各光学部品の各種仕様を導き出すことができる。

例えば、上式（１５）におけるｋ_Mxは、上述した通り通過帯域の程度を表すパラメータであるが、より正確には下式（１６）により通過帯域ＢＷ（η）が決定される。

ＢＷ（η）＝１−（２^1/2／ｋ_Mx）・ｅｒｆ^-1｛（４×η）^1/2−１｝ ・・・（１６）

上式（１６）において、ηは結合効率の評価値、ＢＷ（η）は波長チャネル間隔に占める結合効率η以上の帯域の割合、ｅｒｆ^-1は逆誤差関数をそれぞれ示している。波長選択スイッチにおいては、一般的に０．５ｄＢ帯域（η＝０．８９）として、少なくとも４０ＧＨｚ以上、望ましくは５０ＧＨｚ以上（１００ＧＨｚ間隔の場合）が必要とされる。すなわち、ｋ_Mxは４．２以上とすることが望ましい。

一方、ｋ_Fについては、ポート間クロストークを決定するパラメータであり、正確には下式（１７）で求められるクロストーク量ＸＴ［ｄＢ］から算出される。

ＸＴ＝−１０ｌｏｇ［ｅｘｐ｛（−１／２）ｋ_F ²｝］ ・・・（１７）

上式（１７）から、クロストークを−３０ｄＢ以下にするためには、ｋ_F＞３．５とするのが望ましい。しかし、ｋ_Fを大きくすると、光学系全体のサイズも大きくなってしまうので、８以下にするのが望ましい。

以上の光学特性の検討および上式（１５）から、下式（１８）を満足するとき良好な光学特性を有する波長選択スイッチを実現することができる。

Ｐ_m・β・Δθ_x＝３．６〜１７．２［μｍ］ ・・・（１８）

例えば、ｋ_Mx＝６、ｋ_F＝５の場合には、通信波長λ＝１．５５×１０^-3mmとすると、下式（１９）を満足するとき良好な光学特性を有する波長選択スイッチを実現することができる。

Ｐ_m・β・Δθ_x＝７．４［μｍ］ ・・・（１９）

このとき、波長チャネル間隔の６０％以上の広い通過帯域と、−４０ｄＢ以下のポート間クロストーク特性を両立させることができ、優れた波長選択スイッチ特性を実現することができる。

なお、上式（１９）に示した条件を満たす光学部品のパラメータとしては、例えば、以下に示すケース１，２を挙げられる。

（ケース１）
Ｐ_m＝２１２［μｍ］
β＝４
Δθ_x＝０．５［deg］
（ケース２）
Ｐ_m＝１５０［μｍ］
β＝６
Δθ_x＝０．４７［deg］

上記（ケース１）において、ＭＥＭＳミラーの回転角範囲がθ_xmax＝５［deg］、θ_ymaxy＝４［deg］とすると、上式（１３）、（１４）により実現可能な入出力ポートの数量は、下式（２０）に示す通りとなる。

Ｋ＝θ_xmax／Δθ_x＝１０（ｐｏｒｔｓ）
Ｌ＝θ_ymax／Δθ_y＝２（ｐｏｒｔｓ） ・・・（２０）

このように、入出力ポートを１０行２列（Ｋ＝１０、Ｌ＝２）に配列できる、すなわち入出力ポートを２０個設けることができるので、１×１９ポートで光学特性に優れた波長選択スイッチを実現することができる。

なお、この場合において、θ_xmax＝±５［deg］、θ_ymaxy＝±４［deg］とすると、入出力ポートを２０行４列（Ｋ＝２０、Ｌ＝４）に配列できる、すなわち入出力ポートを８０個設けることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３から構成されるアナモルフィックプリズムペアにより、マイクロレンズから入力された信号光のビーム径を、当該信号光の光軸に直交するＸ軸方向に拡大または縮小させ、かつ、その信号光のＭＥＭＳミラー素子２６ａ〜２６ｎによる反射光の光軸が光ファイバの光軸と平行にさせることができるので、入出力ポートが２次元的に配列された波長選択スイッチにおいても、信号光のビーム径を偏向素子の配列ピッチに対して十分小さくすることが可能となり、結果として通過帯域が狭くなるのを防ぐことができる。

また、本実施の形態によれば、ＭＥＭＳミラー素子２６ａ〜２６ｎのミラーに照射される信号光のビーム形状を楕円形とするので、ミラーの回動角をいたずらに大きくすることなく、一列に多くのポートを配置することができ、従来のビーム形状が円形の場合と比較して小型にすることができる。

本発明は、リングネットワークのノードに用いられる光スイッチにおける光ファイバアレイなど、複数のポートを有する光学素子に適用することができる。

１，２…波長選択スイッチ、１１…光入出力ポートアレイ、１１ａ〜１１ｎ…光ファイバ、１２…マイクロレンズアレイ、１２ａ〜１２ｎ…マイクロレンズ、１３…プリズム、１４…分散素子、１５…レンズ、１６…ビーム偏向素子アレイ、１６ａ〜１６ｍ…ビーム偏向素子、２１…ファイバコリメータアレイ、２２…第１のプリズム、２３…第２のプリズム、２４…透過型回折格子、２５…レンズ、２６…ＭＥＭＳミラーアレイ、２６ａ〜２６ｎ…ＭＥＭＳミラー素子。

Claims (6)

1. ２次元的に配列され、信号光が入出力される複数の入出力ポートと、
   この入出力ポートから出力された前記信号光を平行光とする複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズから出力された前記信号光のビーム径を、当該信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小して出力するプリズムと、
   このプリズムから出力された前記信号光を、所定の波長毎に分散する分散素子と、
   この分散素子によって分散された前記信号光を波長毎に集光する少なくとも１つのレンズと、
   入射光を所定の方向に反射させる複数の偏向素子を備え、この偏向素子を前記信号光の各波長に対応した位置に配列した偏向素子アレイと
   を備え、
   前記偏向素子は、直交する二つの回動軸回りに回動可能なミラーからなり、
   前記ミラーの配列ピッチＰ _m と、前記光入出力ポートのうち、前記ミラーの配列方向と直交する方向に並設された光入出力ポートを選択するのに必要な前記ミラーの回動角の差分Δθ _x と、前記プリズムによる拡大比βとの積が、３．６μｍ以上１７．２μｍ以下の範囲内である
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. ２次元的に配列され、信号光が入出力される入出力ポートを備えた複数の光ファイバと、前記入出力ポートそれぞれに対向配置され、当該入出力ポートから出力された前記信号光を平行光とする複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイとを備えたファイバコリメータアレイと、
   前記マイクロレンズから出力された前記信号光のビーム径を、当該信号光の光軸に直交する１の方向に拡大または縮小するプリズムと、
   このプリズムから出力された前記信号光を、所定の波長毎に分散する分散素子と、
   この分散素子によって分散された前記信号光を波長毎に集光する少なくとも１つのレンズと、
   入射光を所定の方向に反射させる複数の偏向素子を備え、この偏向素子を前記信号光の各波長に対応した位置に配列した偏向素子アレイと
   を備え、
   前記偏向素子は、直交する二つの回動軸回りに回動可能なミラーからなり、
   前記ミラーの配列ピッチＰ _m と、前記光入出力ポートのうち、前記ミラーの配列方向と直交する方向に並設された光入出力ポートを選択するのに必要な前記ミラーの回動角の差分Δθ _x と、前記プリズムによる拡大比βとの積が、３．６μｍ以上１７．２μｍ以下の範囲内である
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
3. 前記レンズは、１つのレンズから構成される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の波長選択スイッチ。
4. 前記偏向素子は、前記レンズの焦点面上に配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記分散素子は、前記信号光の分散方向が前記光信号のビーム径の長軸方向と一致するように配設される
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の波長選択スイッチ。
6. 前記プリズムは、アナモルフィックプリズムペアから構成される
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の波長選択スイッチ。

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