JP5184637B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents
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Description
ω1=ωo・fl/fo (1)
ωm=ωo・f1/fo (1’)
ωg=λ・f2/(π・ω1) (ガウシアンビームの公式)
ωg=λ・f2・fo/(π・f1・ωo) (2)
ここで、f2:第二レンズ104及び第三レンズ104’の焦点距離である。
ミラーアレイ106で反射された光はマイクロミラー106cの傾斜角度θmに対し、2θmの角度となって図1では第二レンズ104に入射し、図2では第三レンズ104’に入射する。この光はコリメート光に変換され図1では分光素子105で反射され再び第二レンズ104に入射し、図2では分光素子105を透過して第二レンズ104に入射する。図1では光が同じ第二レンズ104を透過しているため、また、図2では第二レンズ104と第三レンズ104は同じレンズであり焦点距離が同じであるため、光が第一結像位置Aに向かう角度も2θmとなる。更に第一レンズ103に向かう角度も2θmとなる。マイクロミラー106cの傾斜角度θmで隣接ポートヘ切り替えようとした場合、ファイバアレイ140及びレンズアレイ102のピッチPfは数式3となる。
Pf=tan(2θm)・f1 (3)
ここで、XZ面から見た波長選択スイッチ200’を図2(a)に示す。分光素子105に所定の角度で入射した入力光(一点鎖線)は回折され、各波長間隔dλに分波され、それぞれ所定の回折角度で第三レンズ104’に入射し、ミラーアレイ106上で結像する。図2(a)では出力光を省略している。中心波長をλo、波長間隔をdλとすれば、隣接波長はλo+dλ、λo−dλと表現できる。ミラーアレイ106のマイクロミラー106cのピッチPmは、λoとλo−dλの回折角度差dβとし、第三レンズ104’の焦点距離f2とした場合、数式4で表すことができる。
Pm=tan(dβ)・f2 (4)
g(sinα+sinβ)=m・λ (回折格子方程式)
ここで、g:格子ピッチ、m:回折次数、α:入射角、β:回折角である。
第一レンズ103の焦点距離f1を短くすると第一結像位置A及びミラーアレイ106でのビームスポットサイズが大きくなる。このため、マイクロミラーの面積を拡大しなければならず、ミラーアレイ106が大きくなり、波長選択スイッチを小型化することが困難という課題もある。また第二レンズ104の焦点距離f2を縮小すると、数式2より分光素子105上を照射するビームサイズが縮小する。これにより波長分解能が低下するため、波長選択スイッチを小型化することが困難という課題もあった。更に、第一結像位置Aのビームスポットサイズω1を変えずに第二レンズ104の焦点距離f2を縮小すると、ミラーアレイ106上の線分散は比例して縮小する。このため、隣接波長間隔を維持するためにミラーアレイ106の間隔を比例して縮小する必要があった。一方で、ミラーアレイ106上のビームスポットサイズωmは第一結像位置Aのビームスポットサイズω1と同じなので、ミラーアレイ106の間隔が縮小した場合、通過帯域特性及び遮断特性急峻度が劣化するという問題があり、波長選択スイッチを小型化することが困難であるという課題があった。
Pn=tan(2θm)・f1 (4’)
図3に、第一実施形態の波長選択スイッチ301の概略構成図を示す。図3(a)は、x−z面での波長選択スイッチ301を示し、図3(b)は、y−z面での波長選択スイッチ301を示している。また、以下の説明で、入出力ポート11とは、入出力端10にある全ての入出力ポート(図3及び図4では入出力ポート11a〜11c)を示すものとする。また、導波路14とは、ファイバアレイ140にある全ての導波路(図3及び図4では導波路14a〜14c)を示すものとする。なお、本実施例では、入出力ポート11のうち、11a及び11cを入力光が入力される入力ポートとし、入出力ポート11bを出力光が出力される出力ポートとして説明する。
光路調整用光学部品90が光路調整用第一レンズ91及び光路調整用第二レンズ92で構成される場合、光路調整用光学部品90の像倍率Mは数式5となる。
M=f4/f3 (5)
ここで、f3:光路調整用第一レンズ91の焦点距離、f4:光路調整用第二レンズ92の焦点距離である。
共焦点光学系Iのレンズアレイ20の焦点距離をfo、第一レンズの焦点距離をf1/Mとした場合、共焦点光学系Iの像倍率M1は、M1=f1/(M・fo)となる。ファイバのモードフィールド径をωoとすると、第一結像位置Aでのビームスポットサイズω1は数式6となる。
ω1=ωo・f1/(M・fo) (6)
ωm=M・ωo・f1/(M・fo)=ωo・f1/fo (7)
第一結像位置Aでのビームスポットサイズは数式6であり、前述のガウシアンビームの公式により分光素子上のビームサイズωgは数式8となる。
ωg=λ・fo・M・f2/(π・f1・ωo・M)
=λ・fo・f2/(π・f1・ωo) (8)
図3(b)のように、反射光を出力するポートを切り替えるときのミラーアレイ80のマイクロミラーの傾斜角度θmとする。反射光の光軸は入射光の光軸に対して2θmの角度を持つ。反射光は光路調整用第二レンズ92でコリメート光に変換される。光路調整用第二レンズ92で入射光の光軸から反射光の光軸までのY軸方向距離をdY、光路調整用第二レンズ92の焦点距離をf4とすると、Y軸方向距離dYは数式9のようになる。
dY=tan(2θm)・f4 (9)
Pf=tanθ1・(f1/M)
θ1=arctan(Pf・M/f1) (10)
θ3=arctan(Pf・M/f1) (10’)
dY=tan{arctan(Pf・M/f1)}・f3 (11)
数式9及び数式11より
tan{arctan(Pf・M/f1)}・f3=tan(2θm)・f4
Pf=tan(2θm)・f1・f4/(f3・M) (12)
数式12に数式5を代入するとピッチPfは次式となる。
Pf=tan(2θm)・f1 (13)
図3(a)のように、分光素子60に所定の角度で入射した入力光は回折され、波長間隔dλに分波され所定の回折角度となり第二レンズ50に入射し第二結像位置Bに結像する。この第二結像位置Bは共焦点光学系IIIによりミラーアレイ80が映し出される実像位置である。
Pm’=tan(dβ)・f2/M (14)
一方、ミラーアレイ80のピッチPmは共焦点光学系IIIによりM倍に変換されるため、数式15のようになる。
Pm=M・Pm’=tan(dβ)・f2 (15)
図4に、第2実施形態の波長選択スイッチ302の概略構成図を示す。図4(a)は、x−z面での波長選択スイッチ302を示し、図4(b)は、y−z面での波長選択スイッチ302を示している。図4において図3と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。なお、本実施例では、入出力ポート11のうち、11a及び11cを入力光が入力される入力ポートとし、入出力ポート11bを出力光が出力される出力ポートとして説明する。
図5に第3実施形態の波長選択スイッチ303の概略構成図を示す。図4の波長選択スイッチ302との違いは、光路調整用第一レンズ91の代替として光路調整用第一レンズ96を用いている点である。そのため全体構成の詳細と全体動作の説明は省略し光路調整用光学部品90の構成と動作について説明する。
M=f4/|f3| (16)
ここでf3:光路調整用第一レンズ96の焦点距離(凹レンズのため負値)、f4:光路調整用第二レンズ92の焦点距離である。
従来の波長選択スイッチと第2実施形態で説明した波長選択スイッチ302とを比較する。従来の波長選択光スイッチは、レンズアレイ焦点距離fo=1mm、第一レンズ焦点距離f1=10mm、第二レンズ焦点距離f2=150mmとした場合、ファイバアレイ入出射端からミラーアレイまでの光路長L=622mmとなる。それに対し、波長選択光スイッチ302は、共焦点光学系IIIの光路調整用第一レンズ91の焦点距離f3=5mm、光路調整用第二レンズ92の焦点距離f4=10mm、すなわち像倍率M=2倍とした場合、第一レンズ30及び第二レンズ50焦点距離が1/2に縮小されるので、第一レンズ30の焦点距離f1’=5mm、第二レンズ50の焦点距離f2’=75mmとなり、ファイバアレイ140の入出射端10からミラーアレイ80までの光路長L’=342mmとなる。よって、光路長を45%短縮することができ、波長選択光スイッチを小型化することができた。
図6に、第4実施形態の波長選択スイッチ304の概略構成図を示す。図6(a)は、x−z面での波長選択スイッチ304を示し、図6(b)は、y−z面での波長選択スイッチ304を示している。図6において図3及び図4と同じ符号のものは相互に同じものであるため、その部分の説明は省略する。波長選択スイッチ304と図4の波長選択スイッチ302との違いは、波長選択スイッチ304が入出力端10、レンズアレイ20、及び第一レンズ30の代替として入出力端15、レンズアレイ25、及び第一レンズ35を備えている点である。
図6(b)よりマイクロミラーの最大傾斜角度をθmとすると、ミラーアレイ80での反射角度(出力光の出射角度)は2θmとなる。更に光路調整用第二レンズ92でコリメート光に変換される出力光のY方向の位置をdY、光路調整用第二レンズ92の焦点距離をf4とすると、以下の関係式になる。
dY=tan(2θm)・f4 (17)
dY=tan(θ3)・f3 (18)
tan(2θm)・f4=tan(θ3)・f3
θ3=2θm・f4/f3 (19)
数式19及び数式5から
θ3=2θm・M (20)
を導くことができる。光線画角θ1、θ2、θ2’、θ3は同位角なので数式20は以下のようになる。
θ1=2θm・M (21)
Pn=tan(2θm・M)・f1 (22)
数式22と数式4’とを比較すると、マイクロミラーの最大傾斜角度が同じでも、ポート切替可能な最外郭出力ポート距離PnがおよそM倍増す。従って、波長選択スイッチ304は第2実施形態の波長選択スイッチ302と比べてポートピッチやマイクロミラーの最大傾斜角度を変更せずに多ポート化が可能となる。
共焦点光学系Iのレンズアレイ21の焦点距離をfo・M、第1レンズ35の焦点距離をf1とした場合、共焦点光学系Iの像倍率M1は、M1=f1/(fo・M)となる。また、導波路14のモードフィールド径をωoとすると、第一結像位置Aでのビームスポットサイズω1は次式となる。
ω1=ωo・f1/(fo・M) (23)
更に、共焦点光学系IIは同じレンズの構成のため像倍率は1倍なので、第二結像位置Bでのビームスポットサイズω2は第一結像位置Aでのビームスポットサイズω1と同じになる。
ωm=M・ωo・f1/(fo・M)=ωo・f1/fo (24)
よって、数式24は数式1’と等価となる。これは、像倍率M倍の光路調整用光学部品90を共焦点光学系IIとミラーアレイ80の間に配置し、レンズアレイ25の焦点距離を図4のレンズアレイ20の焦点距離のM倍に、第一レンズ35の焦点距離を図4の第一レンズ30の焦点距離のM倍にしてもミラーアレイ上のビームスポットサイズは変化しないことを意味する。従って、波長選択スイッチ304は、ミラーアレイ80のマイクロミラーを大きくする必要がなく、第2実施形態の波長選択スイッチ302の大きさを維持したまま入出力ポートを増やすことができる。
第一結像位置Aでのビームスポットサイズである数式23と第二レンズ50の焦点距離f2/Mをガウシアンビームの公式に代入すると、分光素子60上のビームサイズωgは次式となる。
ωg=λ・f2・fo・M/(π・ωo・f1・M)
=λ・fo・f2/(π・ωo・f1) (25)
図6(a)のように、分光素子60に所定の角度で入射した入力光は回折され、波長間隔dλに分波され所定の回折角度となり第二レンズ50に入射し第二焦点位置Bに結像する。この第二焦点位置Bは共焦点光学系IIIによりミラーアレイ80が映し出される実像位置である。
Pm’=tan(dβ)・f2/M (26)
また、ミラーアレイ80のピッチPmは共焦点光学系IIIによりM倍に変換されるため、次式で表すことができる。
Pm=M・Pm’=tan(dβ)・f2 (27)
従来の波長選択スイッチと第4実施形態で説明した波長選択スイッチ304とを比較する。従来の波長選択光スイッチは、レンズアレイ焦点距離fo=0.5mm、第一レンズ焦点距離f1=25mm、第二レンズ焦点距離f2=150mm、ミラーアレイのマイクロミラーの最大傾斜角度±1.5degとした場合、ファイバアレイ入出射端からミラーアレイまでの光路長L=651mmとなる。また、中心の入力ポートから、最外郭出力ポート配置可能な位置までの距離Pn=1.31mmである。例えば、ポート間隔を0.25mmピッチとした場合、10の出力ポートを配置することができる。
10、100:入出力端
20、102:レンズアレイ
30、103:第一レンズ
50、104:第二レンズ
60、65、105、105’:分光素子
62、67:格子面
70、104’:第三レンズ
80、106:ミラーアレイ
80’:実像のミラーアレイ
80a〜80c、80h〜80p、106a〜106c:マイクロミラー
90:光路調整用光学部品
91、96:光路調整用第一レンズ
92:光路調整用第二レンズ
101、101a〜101g:入出力ポート
11、11a〜11c、11h〜11p:入出力ポート
140:ファイバアレイ
14、14a〜14e、14h〜14p:導波路
A:第一結像位置
B:第二結像位置
I、II、III:共焦点光学系
Claims (6)
- 一以上の波長を含む入力光が入力される複数の入力ポート及び出力光が出力される少なくとも一つの出力ポートが横並び直線状に設けられた入出力端と、
前記入出力端に対向して配置され、前記入力ポートからのそれぞれの入力光を平行光にし、出力光を前記出力ポートに結合させるレンズアレイと、
前記レンズアレイを間にして前記入出力端の反対側に配置され、前記レンズアレイからのそれぞれの入力光を焦点に収束させて拡散し、出力光を平行光にして前記レンズアレイに結合する第一レンズと、
前記第一レンズを間にして前記レンズアレイの反対側に配置され、前記第一レンズからのそれぞれの入力光を平行光にし、出力光を焦点に収束させた後に拡散して前記第一レンズに結合する第二レンズと、
前記第二レンズを間にして前記第一レンズの反対側に配置され、入力光を受ける面上に前記入出力端の前記入力ポート及び前記出力ポートの配列方向に平行な複数の格子が形成された格子面でそれぞれの入力光を波長ごと異なる角度で反射回折させて再び前記第二レンズに結合し、出力光を入力光と同様に波長ごとに異なる角度で反射回折させて前記第二レンズに結合する分光素子と、
前記第二レンズを間にして前記分光素子の反対側であり、前記第一レンズと前記第二レンズとを結ぶ中心軸を外して配置され、前記分光素子で反射されて前記第二レンズで波長毎に収束された入力光が波長毎に入射し、それぞれの入力光が共用する波長毎のマイクロミラーを有しており、所望の入力光の所望の波長の光を出力光として反射し、前記第二レンズ、前記分光素子、再度前記第二レンズ、前記第一レンズ、前記レンズアレイの順で経由させて前記出力ポートへ結合させるミラーアレイと、
前記第二レンズから前記ミラーアレイへの入力光及び前記ミラーアレイから前記第二レンズへの出力光の共通の光路に配置され、前記第一レンズ及び前記第二レンズの焦点距離を短縮する光路調整用光学部品と、
を備える波長選択スイッチ。 - 一以上の波長を含む入力光が入力される複数の入力ポート及び出力光が出力される少なくとも一つの出力ポートが横並び直線状に設けられた入出力端と、
前記入出力端に対向して配置され、前記入力ポートからのそれぞれの入力光を平行光にし、出力光を前記出力ポートに結合させるレンズアレイと、
前記レンズアレイを間にして前記入出力端の反対側に配置され、前記レンズアレイからのそれぞれの入力光を焦点に収束させて拡散し、出力光を平行光にして前記レンズアレイに結合する第一レンズと、
前記第一レンズを間にして前記レンズアレイの反対側に配置され、前記第一レンズからのそれぞれの入力光を平行光にし、出力光を焦点に収束させた後に拡散して前記第一レンズに結合する第二レンズと、
前記第二レンズを間にして前記第一レンズの反対側に配置され、入力光を受ける面上に前記入出力端の前記入力ポート及び前記出力ポートの配列方向に平行な複数の格子が形成された格子面でそれぞれの入力光を波長ごとに異なる角度で透過回折させ、出力光を入力光と同様に波長ごと異なる角度で透過回折させて前記第二レンズに結合する分光素子と、
前記分光素子を間にして前記第二レンズの反対側に配置され、波長毎に分離された前記分光素子からのそれぞれの入力光を波長毎に収束させ、出力光を平行光にして前記分光素子へ結合する第三レンズと、
前記第三レンズを間にして前記分光素子の反対側に配置され、前記第三レンズで収束された入力光が波長毎に入射し、それぞれの入力光が共用する波長毎のマイクロミラーを有しており、所望の入力光の所望の波長の光を出力光として反射し、前記第三レンズ、前記分光素子、前記第二レンズ、前記第一レンズ、前記レンズアレイの順で経由させて前記出力ポートへ結合させるミラーアレイと、
前記第三レンズから前記ミラーアレイへの入力光及び前記ミラーアレイから前記第三レンズへの出力光の共通の光路に配置され、前記第一レンズ及び前記第二レンズの焦点距離を短縮する光路調整用光学部品と、
を備える波長選択スイッチ。 - 前記光路調整用光学部品は、前記入力光が入射する側から順に光路調整用第一レンズ及び光路調整用第二レンズを有しており、前記光路調整用第一レンズ及び前記光路調整用第二レンズで共焦点光学系を構成していることを特徴とする請求項1又は2に記載の波長選択スイッチ。
- 前記光路調整用第二レンズは、前記光路調整用第一レンズより長焦点であることを特徴とする請求項3に記載の波長選択スイッチ。
- 前記光路調整用第一レンズは凸レンズまたは凹レンズであることを特徴とする請求項4に記載の波長選択スイッチ。
- 前記光路調整用光学部品の像倍率をMとしたとき、
前記レンズアレイ及び前記第一レンズのそれぞれの焦点距離が、請求項1から5のいずれかに記載の前記レンズアレイ及び前記第一レンズの焦点距離のM倍であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
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