JP5567212B2 - 多ポート波長選択スイッチ用ポートアレイトポロジ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、光スイッチシステムに関し、特に、ビーム偏向要素の角度範囲が制限された状態で最大ポート数を実現するファイバ・コリメータ・アレイ、即ち、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）のポートに関する。

多チャネル光信号には、通常、複数のスペクトルチャネルが含まれ、各々固有の中心波長及び対応する帯域幅を有する。隣接チャネルの中心波長は、所定の波長又は周波数間隔で離間され、複数のスペクトルチャネルが、波長分割多重化されて、光ネットワークの複合多チャネル信号を形成し得る。各スペクトルチャネルは、別個の独立した情報を搬送できる。光ネットワークにおける様々な位置即ちノードでは、例えば、再構成可能な光学アド・ドロップ多重化装置（ＲＯＡＤＭ）を用いることなどによって、１つ又は複数のスペクトルチャネルを複合多チャネル光信号から削除したり、それに付加したりできる。再構成可能な光学アド・ドロップアーキテクチャは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，５４９，６９９号、第６，６２５，３４６号、第６，６６１，９４８号、第６，６８７，４３１号、及び第６，７６０，５１１号に開示されており、その開示内容は、本明細書に引用し参照する。

光切換えノードには、アド及び／又はドロップ・モジュールとして構成された１つ又は複数の波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を含み得る。参照した特許は、波長選択スイッチ装置及び方法を開示するが、これには、光信号の入出力ポートとして機能するアレイ状のファイバ結合コリメータと、回折格子等の波長分離器と、ビーム合焦器と、各スペクトルチャネルに対して１つのビーム偏向要素であるアレイ状のチャネルビーム偏向要素と、が含まれる。動作時、入力ポートからの複合多波長光信号（本明細書では、「多チャネル光信号」とも称する）が、波長分離器に供給される。波長分離器は、自由空間多波長光信号を構成成分スペクトルチャネルの角スペクトルに空間的に分離又は多重分離し、ビーム合焦器は、スペクトルチャネルをチャネルビーム偏向要素の対応する要素に合焦する。限定ではなく一例として、チャネルビーム偏向要素は、マイクロミラーの形態で実現し得る。チャネルビーム偏向要素は、各チャネルビーム偏向要素が、分離されたスペクトルチャネルビームの内の割り当てられたものを受信するように配置される。ビーム偏向要素は、スペクトルチャネルビームを選択された出力ポートに反射するように、個別に制御可能であり、また、連続的に旋回（又は回転）可能である。これによって、各チャネルビーム偏向要素は、その対応するスペクトルチャネルを任意の可能な出力ポートに導くことができ、これによって、スペクトルチャネルを任意の所望の出力ポートに切り換えることができる。各出力ポートは、反射されまたそのように導かれたスペクトルチャネルを受信しなくてもよく、１つ、又は、複数のものを受信してもよい。スペクトルチャネルは、チャネルを異なる出力ポートに切り換えることによって、多チャネル信号から選択的に削除して、新しい入力チャネルを選択的に追加又は元のチャネルと組み合わせて異なる多波長複合信号を形成してよい。

また、様々な理由で、多波長光信号の個々のスペクトルチャネルにおけるパワーを監視し制御できることが望ましい。これには、特定のスペクトルチャネルに含まれるパワーを完全にブロックする能力が含まれる。チャネルにおけるパワーを制御する１つの理由は、チャネルビーム偏向要素の再位置決め時、好ましくないクロストークを最小にする「無瞬断（ｈｉｔｌｅｓｓ）」切換えを行なって、入力スペクトルチャネルビームを所望の出力ポートに向ける（「切り換える」）ことである。再位置決め時、チャネルビーム偏向要素は、入力スペクトルチャネルビームを中間ポート全体に向け直す、即ち、中間ポートに当たり、これにより、望ましくない光が中間ポートに結合され、そして、クロストークが生じる。従って、望ましくない光結合が回避されるように、切換え時、ビームのパワーを完全にブロックするか又は大幅に減衰するかのいずれかが望ましい。チャネルの光パワーの監視及び制御の他の用途は、そのチャネルの減衰を所定の何らかのレベルまで行うことである。

インターネット帯域幅に対する需要の大幅な伸びにつれて、インターネットトラフィック要求は、ほとんど予測できなくなった。この課題に直面して、ネットワークは、進化して、リング又はメッシュネットワークのノードにおいて、再構成可能な光学アド・ドロップモジュール（ＲＯＡＤＭ）を用いるようになった。これらのネットワークは、専用の波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を必要とする。図１に示すように、点Ａから点Ｂへのトラフィックは、動的にルーティングし得る。ルーティングの柔軟性を可能にするために、システムは、多くの利用可能な波長又はチャネルを有すると思われる。必要に応じて、新しいチャネルが、特定のノードの帯域幅要求の増加に応じて配備されたり、又は、ネットワークの一部の輻輳・分断から要求されたりする。ＷＳＳの進化は、波長依存（ｃｏｌｏｒｅｄ）又は波長無依存（ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ）の２つの基本的なアーキテクチャを伴う。前者は、特定の波長をその対応する出力ファイバに切り換える。後者は、特定の波長を任意の出力ファイバに切換えることができる。波長依存ＷＳＳは、通常、波長多重／多重分離要素として、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）を用いる。切換えは、ファイバ又は導波路間で実施される。調整可能なレーザが広く利用可能であるが、固定又は指定されたレーザの波長がアドモジュールには必要であることから、波長依存ＷＳＳは、柔軟ではない。波長は、波長とファイバとの間の物理的な関連付けにより固定される。一旦ファイバがレーザに接続されると、波長が決定される。従って、ＡＷＧベースの波長依存ＷＳＳを使用することは、ＲＯＡＤＭ及びそのネットワークの柔軟性を無くしてしまう。これは、レーザが据え付けられる際、波長付与又はルーティングが行われることを意味するが、これは手動の動作である。

波長無依存ＷＳＳは、調整可能なレーザがアドモジュールに接続されていれば、動的に任意の波長を選択する自由を提供する。しかしながら、各調整可能なレーザは、１つのＷＤＭチャネルのみを介してデータを送信し得る。ノードからもっと多くの波長が必要とされる場合、もっと多くの調整可能なレーザをＷＳＳに接続する必要がある。この場合、もっと多くのＷＳＳポートが必要とされる。ローカルアドに必要なポートが多くなればなるほど、ノード間に用い得るポートは少なくなる。この理由により、ポート数の多いＷＳＳを有することが望ましい。

米国特許第６５４９６９９号明細書 米国特許第６６２５３４６号明細書 米国特許第６６６１９４８号明細書 米国特許第６６８７４３１号明細書 米国特許第６７６０５１１号明細書

しかしながら、ＷＳＳにおけるポートの数を制限する多くの制約条件がある。無瞬断切換えの要件は、ＷＳＳ設計にトポロジの課題を設定する。現在、自由空間光ＷＳＳのポート数は、マイクロミラー又は光変調器が傾斜できる最大角度によって制限される。マイクロミラー及び光変調器は、双方共、一種のビーム偏向要素（ＢＤＥ）と見なされる。角度範囲の配分は、幾つかの要因によって決定される。例えば、ポートの実装密度は、分解可能なスポットの数によって制限される。後者は、ポート間のクロストークに対する性能制約条件及び無瞬断再構成によって制御される。更に、ＢＤＥにおける光ビームのウェストは、通常、一方の方向では小さくなり、通過帯域幅が増大し、これによって、直交する方向と比較して、その方向における分解可能なスポットの数も減少する。それらの理由により、ＷＳＳは、通常、入力ファイバコリメータにおいて、１ｘＮのポート構成で設計される。

ＷＳＳのポート数が、波長チャネルの数の２５％より大きい場合、ネットワークは、良好な柔軟性で設計し得る。ＷＳＳのポート数の数が波長チャネルの数に等しい場合、ネットワークは、１つのノードにおいて全てのチャネルを削除し、また、全てのチャネルを追加して戻す完全な柔軟性を有する。しかしながら、最先端技術では、ポートの数は、通常、約１０％である。従って、ＷＳＳのポート数を２乃至１０倍増やすことが望ましい。

本発明の実施形態が生じることは、この文脈内である。

従来技術の高ポート数の高次数（ｈｉｇｈ−ｄｅｇｒｅｅ）ノード波長無依存ＲＯＡＤＭを示す図。 ２つの同様なビームを角度Δθだけ分離して分解可能なスポットを生成し得る回動鏡にガウスビームを合焦するレンズの図。 本発明の実施形態に用い得るタイプのＭＥＭＳマイクロミラーの断面の例を示す図。 自由空間におけるガウスビームの伝搬を示す図。 図５Ａは、自由空間波長選択スイッチへのファイバの例の上面図を示す図であり、図５Ｂは、自由空間波長選択スイッチへのファイバの例の側面図を示す図である。 本発明の実施形態に基づく二軸チャネルビーム反射要素の典型的な構造を示す図。 自由空間波長選択スイッチにおいて、マイクロミラーの傾斜により反射された光ビームの対応する動きを示す１ｘＮコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図。 図７Ａは、図６に示すタイプのコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図であり、図７Ｂと図７Ｃは、自由空間ＷＳＳ用の２ｘＮファイバコリメータ又はポートアレイの他の構成の正面図を示す図である。 図８Ａは、本発明の一実施形態に基づく新しいトポロジによる１ｘＮコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図であり、図８Ｂと図８Ｃは、本発明の一実施形態に基づく新しいトポロジによる他の２ｘＮコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図である。 図９Ａは本発明の一実施形態に基づく３ｘＮポート実装トポロジを有するコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図であり、図９Ｂは、本発明の一実施形態に基づく４ｘＮポート実装トポロジを有するコリメータ又はポートアレイの正面図を示す図である。 図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の実施形態に基づく自由空間波長選択スイッチへのファイバの例の上面図及び側面図をそれぞれ示す図である。

本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を理解し添付図面を参照すると明らかになる。
以下の詳細な説明は、説明の目的のために多くの特定の詳細を含むが、当業者は、以下の詳細に対する多くの変種及び変更が本発明の範囲内にあることを誰でも認識されるであろう。従って、後述する本発明の代表的な実施形態は、請求項される発明に対して、一般性を損なうことなく、また、制限を課すことなく記載される。

はじめに
１．現在の設計問題の説明
図２は、図中の曲線で示すガウスビームが入射するビーム偏向要素（ＢＤＥ）としての可動鏡２００を備えたＷＳＳの概略図である。鏡２００が角度Δθ／２だけ回転すると、ビームは、角度Δθだけ偏向される。ビームの角偏向により、いずれかの焦点面ｆにおいて、ビームの空間的変位が生じる。その焦点面において偏向されたビームの許容可能な空間的分離を生成するのに必要な何らかの最小偏向角Δθ_ｍｉｎが存在する。後述するように、最小偏向角Δθ_ｍｉｎは、ビーム発散θ_０から決定し得るが、これは、ビーム中の光の波長λと、焦点面ｆにおけるビームウェストω_０とに、下式で表すように関係する。

θ_０＝λ／πω_０
更に、鏡の何らかの最大回転角度範囲が存在し、従って、ビームの偏向のための何らかの最大角度範囲が存在する。最大角度範囲が既知である場合、システムの分解可能なスポットの数は、最小角度によって除算することができる。ＷＳＳでは、「分解可能なスポット」は、コリメータ・ファイバアレイに入射し、その各々がＷＳＳのポートである。明らかに、分解可能なスポットの数が多ければ多いほど、ポート数は多くなり、従って、分解可能なスポットの数は、ＷＳＳの基本的な良さの指数である。

合計偏向角度に対する現実的な制約条件があることから、分解可能なスポットの数即ちポートの総数には限界がある。従って、ポートの最大数を実現するには、実装密度を最適化しなければならない。本発明の実施形態において、ポート用の提案された新しいトポロジは、これらの制限に対処し、ＷＳＳの構成要素及び仕様の性能制約条件に基づき、ポートの実装密度を改善する。これらの制約条件には、１）ＢＤＥの偏向制限、２）ＷＳＳの通過帯域を最大にするためのスポットサイズ要求、３）ＷＳＳのポート間クロストーク仕様、及び４）ＷＳＳの無瞬断再構成要求、が含まれる。
２．ＢＤＥの偏向制限
図３は、ＢＤＥの例として与えられたＭＥＭＳマイクロミラー要素３００の端面図である。ＢＤＥの他の可能性には、これらに制限するものではないが、ＬＣＯＳ（液晶・オン・シリコン）又はＬＣＡ（液晶アレイ）が含まれる。これらのＢＤＥには、それらの動作原理によって支配されるそれら自体の偏向制限がある。本例において、鏡要素には、ねじり梁３０３によってジンバル付きのフレーム３０６に搭載される長さＬの鏡が含まれる。鏡３０２を傾斜させるために、鏡の一方の端部を、静電アクチュエータによって設定された限定量だけ下方に移動しなければならない。例えば、異なる電圧が、鏡３０２の下に配置された電極３０４に印加される場合、静電気力によって、鏡３０２は、ねじり梁３０３からのばね力が静電気力を完全に打ち消すまで動く。ばね力は、可傾角度につれて線形的に増加する。静電アクチュエータの場合、力は、電界の２乗に比例する。初期の間隙Ｄが大きければ大きい程、鏡３０２を動かすのに必要な電圧は高くなる。鏡が傾斜すると、鏡と電極３０４との間の間隙ｄは、小さくなり、力が大きくなる。静電気力が、ばね力によって打ち消すことができない場合、鏡は、パタンと動き電極に接触する。このパタンという動きを回避するために、通常、最大動きを初期の間隙の約４４％に制限する。

従って、鏡が回転し得る最大角度は、以下の式によって近似し得る。

上式において、αは、共振周波数や利用可能な電圧等の或る機械的な要求を実現するＭＥＭＳの構造によって決定される。一般的に、Ｄの値が大きい場合、より大きなＶ_ｍａｘの値が要求される。Ｌは、鏡３０２の長さであり、鏡表面に入射する光エネルギの９９％超（＞９９％）を網羅する４ω_０なるように任意に選択してよい。

式（１）から、分解可能なスポットの数は、最小角度で割ったＢＤＥの角度範囲の比であるが、下式で表わすことができる。

上記解析は、鏡のサイズと鏡の傾斜との間の制約のために、分解可能なスポットの数が、原則として、光学系ではなくＭＥＭＳ設計によってのみ制限されることを示す。分解可能なスポットの数は、ＷＳＳに用いられる１つの列のポートアレイにおけるポートの数に対する有効な上限と見なすことができる。しかしながら、上記解析は、所謂「無瞬断」切換えの要求事項の現実的な考慮を含まない。
３．ポート間のクロストーク、及び分解可能なスポットの数（又はポート）に対する無瞬断再構成制限
図４は、光学系を示し、ここでは、発散角θ_０のガウスビームφ（ｘ）のウェスト（ω_０）がビーム偏向要素（ＢＤＥ）にある。

ＢＤＥによって導かれた光ビームは、図４に示すように、他の偏向されたビームから角度的に、隣接ポートクロストーク及び無瞬断再構成に対するＷＳＳ性能要求によって決定された程度に分離されなければならない。このことは、分解可能なスポットの数を決定することと等価である。分解可能なスポットの許容可能な数を決定するには、ビームの角度分離に依存する２つの偏向されたビーム間のクロストークを決定しなければならない。２つのそのような偏向されたガウスビーム間の結合効率ηは、角度Δθだけ異なるが、下式から算出することができる。

上式において、θ_０は、ウェストω_０のガウスビームの発散角である。ポート（又はビーム）間のクロストークに対して最大値−４０ｄＢ（η＝１０^−４）を、また、無瞬断再構成の場合のクロストークに対して−３０ｄＢ（η＝１０^−３）の値を指定することは、極めて当たり前のことである。式（３）を用いて、−４０ｄＢより小さい（＜−４０ｄＢ）クロストークに必要な角度は、下式で表わされる。

また、−３０ｄＢより小さい（＜−３０ｄＢ）クロストークに必要な角度は、下式で表わされる。

製造の許容誤差を確保するために、デザインルールの例として、例えば、ポート間のクロストークに対して４θ_０（＝θ_ｍｉｎ）を、また、無瞬断再構成に対して３θ_０を用いることができる。当業者は、自分の実際の要求に基づき、システムを設計することができる。分解可能なスポットの数（この場合、ポートクロストークによって制約される）は、下式の通り、単にＢＤＥ（２θ_ｍａｘ）の角度範囲と最小許容角度（Δθ＝θ_ｍｉｎ）との比である。

上式において、θ_ｍａｘは、鏡が各方向に回転し得る最大角度である。追加の係数２が、操作ビームの角度を説明するが、これが、鏡の回転角度の２倍であることに留意されたい。式（６）は、ポートクロストークに対してポートによって課された分解可能なスポットの追加の制約を示す。光ビームは、ポートアレイ全体に渡って動いている場合、ポート間のクロストーク及び無瞬断要求を同時に満足する必要がある。このことは、ポートアレイの密度が低減される。
４．ＷＳＳの通過帯域を最大化するためのスポットサイズ要求
ＭＥＭＳベースの自由空間ＷＳＳの通過帯域は、鏡幅での分散方向におけるスポットサイズの畳み込みによって決定される。チャネル鏡におけるスポットサイズ又はウェストω_０が小さければ小さいほど、通過帯域は広くなる。しかしながら、上述したように、ウェストω_０が小さくなることは、分解可能なスポットの数が少なくなることを意味する。

図５Ａ−５Ｂは、本発明の実施形態と共に用い得る自由空間ＷＳＳ用の１つの設計のための簡略光学系又はＷＳＳ５００のそれぞれ上面図及び側面図である。光は、光ファイバを通してＷＳＳ５００との間で入出力される。１つ又は複数のファイバからの光は、ポートアレイ５０２のコリメータ（又はポート）によって自由空間ビームに変換される。ファイバ・コリメータ・アレイ５０２には、複数の個別のファイバ結合されたコリメータを含み得るが、図示するように、１つが各光ファイバに接続されている。光ビーム拡大器・中継システム５０４は、ポートアレイからの自由空間ビームを拡大し、光学的にそれらを波長分離器５０６、例えば、回折格子に結合し、これは、自由空間ビームをそれらの構成成分波長又はチャネルに分離する（又は多重分離する）。一例として、本発明の範囲を制限することなく、波長分離器５０６は、市販されている幾つかのタイプの自由空間ビーム分離器のいずれであってもよい。好適には、波長分離器５０６は、回折格子であるが、本発明の実施形態は、そのような格子に制限されない。適切なタイプの回折格子としては、反射に制限するものではないが、例えば、ホログラフィにより形成された高空間周波数格子、線織格子であるエシェル格子等の低空間周波数格子、及び様々なポリマにホログラフィ形成し得る透過格子が挙げられる。回折格子が好適であるが、他の波長分離器、例えば、他の選択肢としてプレーナ光回路も回折格子の代わりに波長分離器５０６として用い得る。

ビーム合焦光学系５０８は、図５Ａに示すように光学的に構成された波長分離器５０６からのスペクトルチャネルをチャネルビーム反射要素５１２のアレイ５１０に結合する。与えられた波長の各スペクトルチャネルは、アレイ５１０の特定の対応する鏡に合焦される。限定としてでなく一例として、λ_ｉ，λ_ｊ及びλ_ｋと示した中心波長を有する３つのそのようなスペクトルチャネルは、図５Ａに示すが、アレイ５１０の異なる対応するチャネルビーム反射要素に合焦される。

その対応するチャネルビーム反射要素からの反射の後、各チャネルは、合焦光学系５０８、波長分離５０６、及びビーム拡大器・中継光学系５０４を通して、ポートアレイ５０２に再結合し得る。ＷＳＳ５００には、オプションとして、波長分離器とポートアレイ５０２のポートとの間の光ビームの結合を円滑化するポート鏡アレイ（図示せず）を含み得る。アレイ５１０のチャネル鏡が、その切換え軸を中心に傾斜する場合、反射されたスペクトルチャネルは、図５Ｂの側面図に示すように、ポートアレイ５０２に沿ってアレイの選択されたポートにスペクトルチャネルを選択的に結合することができる。

アレイ５０２の各ポートは、ビーム反射要素アレイ５１０から任意の数の反射されたスペクトルチャネルを受光し得る。従って、スペクトルチャネルは、１つ又は複数の「削除」出力ポートにチャネルを切換えることによって、ポート（入力ポートとして示された）の内の１つにおいて受光された複合多チャネル信号から選択的に削除してよく、また、残りのチャネルを含む多チャネル信号は、「通過」ポートから出力してよい。更に、新しい入力チャネルは、選択的に追加して又は出力ポートにおいて元のスペクトルチャネルの一部と組み合わせて、異なる多チャネル複合信号を形成してよい。多チャネル光信号からチャネルを削除するＷＳＳドロップ・モジュール及び多チャネル光信号にチャネルを挿入又は追加するＷＳＳアドモジュールは、双方共、後述するような図５Ａ−５Ｂに示すものと同様なアーキテクチャを用いてよい。

アレイの各マイクロミラーは、アレイに平行な又はアレイに垂直な軸を中心にして傾斜するように構成し得る。図５Ｃは、本発明の実施形態に基づく二軸チャネルビーム反射要素の典型的な構造を示す。図は、アレイ５１０の複数のビーム反射要素の内、一対の隣接する二軸ＭＥＭＳチャネルビーム反射要素５３０、５３１だけを示す。図によって提案されるように、アレイの残りのビーム反射要素は、（図において）水平に切換え軸Ｘに沿って、横方向のビーム反射要素間の間隔が同じ状態で延在する。アレイの全てのビーム反射要素は、同じ構造を有してよい。各チャネルビーム反射要素は、（図５Ｃにおいて）水平の「切換え」軸Ｙを中心とした回転のための内部ジンバル付きフレーム５３４に旋回可能に支持された平面の反射面５３２の組立を損なうことがある。ジンバル付きフレーム５３４は、直交する「減衰」軸Ｘを中心とした回転のための外部フレーム５３６上に旋回可能に支持し得る。直交する軸を中心とした反射鏡面５３２の旋回運動は、連続的に可変であり、電圧を反対側の対の制御電極（図示せず）に公知の方法で印加することによって、静電気的に作動される。

図５Ｃに示すように、チャネルビーム反射要素の反射鏡面５３２は、細長い形状、好適には、矩形の形状を有し、それらの狭い寸法、例えば、幅を水平切換え軸Ｘ（分散軸としても知られている）に沿って、また、それらの長い寸法、例えば、長さを垂直減衰軸Ｙに沿って向けられる。直交する軸に対するこの特定のビーム反射要素プロファイル及び方位には多くの理由がある。この設計は、低質量、高共振周波数、及び低空力相互作用のビーム反射要素を提供することによって最適な機械的性能をもたらし、高通過帯域等の光学性能を最適化し、後述するように、正確な減衰制御を提供する。図５Ａを再度参照すると、アレイ５１０のチャネルビーム反射要素の切換え軸Ｘは、図５Ａの水平面に平行であり、一方、減衰軸Ｙは、図５Ａの面に対し垂直に延在する。

ビーム反射要素に合焦されるスペクトルチャネルビームのプロファイルもビーム反射要素の形状及びサイズにほぼ一致するように伸長され向けられることが望ましい。更に、ビーム反射要素サイズを基準として対応するビーム反射要素に合焦されるチャネルビームのスポットサイズ及び位置を制御して、望ましくないパワー損失を最小にし、通過帯域を最大にすることが望ましい。

広通過帯域を実現するために、光ビーム拡大器・中継システム５０４は、波長分離器５０６における格子線の垂直な方向（分散軸）にポートアレイ５０２からのビームをアナモルフィックに拡大させ得るが、これによって、光がマイクロミラーアレイに合焦される時、ビームウェストが狭くなる。（アナモルフィックな拡大は、格子にも起こり得るが、この場合、入射角は、反射角よりかなり大きい。）ビーム拡大器・中継システム５０４には、一連のレンズ、例えば、双円錐で円柱状又は環状のレンズ、又はアナモルフィックな特性をシステムに提供する他の光学素子を含み得る。好適には、ビームは、図６に示すように、ほぼ楕円形状を有する。

上述したように、チャネル鏡が、減衰軸（図の面に鉛直）に沿って傾斜する場合、反射光は、ポートアレイ５０２のコリメータの左側、右側、又はそれから外れて動き、これにより、ファイバに結合される光の量を減衰する。これらの動きも図６に示すが、この図は、コリメータアレイ６０２の正面図と、対応するＭＥＭＳマイクロミラー回転に対する関連ビームの動きを示す。

鏡６０４における合焦光ビーム６０６は、楕円状であり、また、図６に示すように、鏡形状は、アスペクト比が大きいほぼ矩形状である。ＷＳＳ光学系のアナモルフィックな特徴により、また、ＭＥＭＳ鏡の角度範囲が両軸において同様な状態で、チャネル鏡のその切換え軸を中心とした回転によってビームをポートの上下に動かすことは、チャネル鏡のその減衰軸を中心とした回転によってビームをポートの左右に動かすことより有効である。更に、上述したように、減衰軸を中心とした回転のための追加の角度範囲は、スペクトルチャネルの無瞬断再構成のための左右の動きに用いられる。これらの理由により、コリメータアレイは、通常、Ｎが１より大きい１ｘＮ構成に配列されるが、チャネルビーム反射要素が、切換え及び減衰軸双方を中心とした充分な角度範囲を有する場合、Ｍが１より大きいＭｘＮ構成が可能である。しかしながら、このことは、チャネル鏡のアスペクト比が大きいと、通常、１つの回転軸に他のより大きな角度範囲が与えられることから、非現実的な場合がある。

ポートの数を最大にするための他の重要な考慮は、光学設計である。一般的に、光学系が大きければ大きいほど、設計及び製造が困難である。光学系は、エタンデュとして知られている特性によって特徴付けられることが多いが、これは、面積及び角度の点で光がどれだけ「広がっているか」を特徴付ける。システムエタンデュが増大すると、光学収差も大きくなる。従って、光学系のサイズを、例えば、適切な光学系の表面領域の観点で低減することも重要である。図６において、光学系の適切な表面領域を、コリメータアレイを囲む面積Ａの矩形として示す。無瞬断動作の場合、光は、光学系によって全体的に取り込まれる必要がない（従って、レンズによるクリッピングが許容される）。しかし、全ての切換え動作の場合、光は、光学系によって効率的に取り込まれなければならない。

実施形態
上記技術的考慮が与えられれば、本発明は、分解可能なスポットの数に対する考慮を性能制約条件によって許容した状態で、マイクロミラーの与えられた角度範囲に対するポートの実装密度を最大にするファイバ・コリメータ・アレイの特有のトポロジ又は構成を定める。ＢＤＥによって決定されるコリメータアレイにおけるビーム位置を図７Ａ−７Ｃに示す。破線の円は、反射光ビームを示す。図示した「ドロップ」構成において、ドットが中心にある中央コリメータは、多波長ビーム用の入力ポートであり、他の円は、コリメータ又はポートを表し、この場合、スペクトルチャネルを搬送するビームが外部結合のために導かれる。矢印線は、与えられたチャネルの外部結合が、１つのポートから異なるポートに再構成される際、ＭＥＭＳマイクロミラーの角回転によるビームの軌道を示す。

図７Ａは、図６と同様であるが、これは、アレイ中１ｘＮ構成のコリメータを有するコリメータアレイ７００における無瞬断再構成を示す。図７Ａでは、チャネルビーム反射要素によって反射されたスペクトルチャネルの軌道は、ビームが、定められたポートに近づく前に無瞬断位置に行くことを示す。図７Ａに示すポート構成は、減衰軸（Ｙ軸）を中心としたビーム反射要素の角回転の範囲に何らかの要求θ_ｙを課す。図７Ａは、ビームの減衰が、コリメータを基準にしてビームを適切に位置決めすることによって実現し得ることも示す。第２の１ｘＮアレイがシステムに追加される図７Ａの１ｘＮアレイの拡張の例を図７Ｂ及び図７Ｃに示す。図７Ｂにおいて、ポートアレイ７２０は、無瞬断切換えに対応するために２つの列のポート間に大きな間隙を有する。間隙の幅は、図７Ａの１ｘＮアレイの幅にほぼ等しい。この間隙によって、図７Ｂに示すポート構成は、ポートアレイ５０２とチャネルビーム反射要素アレイ５１０との間の光学系の面積が、３から３Ａ倍に増大する必要があるが、ここで、Ａは、図７Ａのポートアレイを用いるＷＳＳにおける光学系の面積である。２ｘＮアレイの長さ（即ち、行の数Ｎ）が、図７Ａの１ｘＮアレイの場合と同じであると仮定すると、光学系の面積は、光学系の幅を３倍にすることによって、３Ａに増大することができる。更に、この間隙により、Ｙ軸を基準にしたチャネルビーム反射要素の必要な角度範囲が３θｙに増大する。

図７Ｃは、２つの列のポート間に間隙がない２ｘＮアレイ７４０を示す。図７Ｃの構成は、もっと小型であり、従って、マイクロミラーの角回転の範囲がより小さくてよいことから更に好ましい。具体的には、図７Ｃの２ｘＮポートアレイは、光学系の面積（又は幅）を２倍にして２Ａにする必要があり、また、角度範囲を２．２θ_ｙに増大する必要があり、この追加の角度範囲０．２θ_ｙは、無瞬断要求から生じたものである。スペクトルチャネルのポートへの光学的結合は、２ｘＮアレイのいずれかの側にある無瞬断経路に沿って再構成し得る。しかしながら、これらの改善は、光ビームを一方の無瞬断経路から他方に横断させるための入力ポート７１１の隣の１つのポート７１２の損失を代償にして成立する。

本発明の実施形態によれば、波長選択スイッチにおけるファイバ・コリメータ・アレイの構成の新しい概念は、図８Ａ−８Ｃに示すように、光学系及びマイクロミラーに対する要求を低減する。この新しい概念は、ポートアレイの列のポート内におけるポートのクラスタ間に間隙を配置することである。これらの間隙によって、１ｘＮ構成に対して角度範囲θ_ｙのわずかな増加だけで無瞬断切換えが可能になり、従って、ＭｘＮ構成が可能になるが、この場合、Ｍは、２以上である。実際、指定されたコリメータ間に間隙が戦略的に置かれたポートアレイ構成は、ポートの実装密度を増大させることができ、これによって、スイッチのポートの数が増える。無瞬断切換えの要件により、最適な設計は、図７Ａ−７Ｃに示す従来の知識とかなり異なったものになる。

図８Ａに示すように、垂直方向（即ち、列のポートに沿う方向）にビームと受光コリメータの心ずれによって減衰を実現できるように、小さい間隙ｇを１ｘＮアレイに導入することができる。一例として、チャネルビーム反射要素が、入力ポート８１１で受光されたスペクトルチャネルを間隙ｇの隣のポート８１２に結合するものとする。垂直の心ずれは、チャネルビーム反射要素のその切換え軸を中心とした適切な回転によって実現することができる。ビーム反射要素を切換え軸を中心として回転することによって光を減衰する利点は、減衰時、サイドローブの無い通過帯域を実現するのに望ましいことが多い。減衰時、チャネルビーム反射要素をその切換え軸を中心として回転することによるサイドローブ低減については、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，２５３，９２７号、第７，３６２，９３０号、第７，３４６，２３４号、及び第７，５３９，３７１号に詳細に述べられているが、その全ての全内容は、本明細書に引用・参照する。１ｘＮポートアレイの密度は、通過帯域性能改善のトレードオフとして間隙を導入することによって減少することがある。

現実的な事として、１ｘ２アレイは間隙無しで実現し得ることから、間隙が利点を提供するＮ（即ち、列のポートの数）の最小値は３である。
本例及び後続の例において、間隙は、列の端部にある最後の２つのポートを列の残りのポートから分離する。しかしながら、間隙の他の位置は、可能であり、また、本発明の実施形態の範囲内にある。

そのような間隙を導入することの反直観的な結果は、間隙は、１ｘＮアレイではポート密度を低減する効果を有するが、２ｘＮアレイ（又はＭｘＮ）ではポート密度を実際に増加させることである。これは、無瞬断クロストークは、列内のポート間の垂直の間隙によって吸収できることによる。結果として、光学系の面積は、２Ａに増大するが、図８Ｂに示すポート構成の列における間隙は、図７Ｂに示す列間のアクセス経路の必要性を無くし、これによって、許容可能な実装密度が増加する。図７Ｂに示す第２のアクセス経路の必要性を無くすと、θ_ｙの必要な範囲が、３θ_ｙから１．３３θ_ｙに低減される。従って、図８Ｂに示す構成は、ＭＥＭＳ鏡の角度範囲の必要な改善を２００％の改善から３３％の改善に低減する。

尚、本明細書に示した例において、間隙は、各列の端部にある最後の２つのポートを残りのポートから分離するものとして示した。しかしながら、このことは、本発明のいずれの実施形態についても制限として解釈すべきではない。原則としては、間隙は、アレイ中のどこにでも配置し得る。しかしながら、間隙は隣接するポートと共有し得る（一方が下に動けば、他方は上に動く）ことから、２つの行に対して１つの間隙を有することによって空間を更に節約することができる。このように、列のいずれかの端部にある末端の行は、専用の間隙を必要としない。

ＭＥＭＳ角度の制限が更に厳しい場合、列を千鳥状に配置して、図８Ｃに示すようにコリメータの実装を増やすことによって、その要求を低減することができる。列を千鳥状に配置すると、ポート間の中心から中心までの距離を図８Ｂに示す構成の場合と同じに維持できるが、ビームの必要な横方向の動きは、千鳥状に配列されているポート列が「六方最密構造」とも称するポート実装構成であれば、ｃｏｓ３０°分の一に低減することができる。切換え時、低クロストークを維持するために、ファイバコリメータのクラスタ間の間隙は、約２４％増大すべきである。これにより列中のポートの密度を更に低減し得るが、列間の水平距離が減少したため、ポートの全体的な密度が増加する。正味ポート密度は、わずかに、例えば、約７％増加する。このことにより、ｙ軸を中心とした必要なマイクロミラー回転が小さくなり、また、必要な光学系面積が小さくなることから、２ｘＮ構成が可能になる。一例として、図８Ｃに示す千鳥状配置列２ｘＮポートアレイは、光学系面積が１．５倍だけ増加し、また、ビーム反射要素の必要な角度範囲がわずか１．１６θ_ｙであるように構成し得る。

尚、間隙によって、Ｘ軸を中心とする回転により間隙のいずれかの側におけるポートへの結合が減衰される。列の端部にあるポートへの結合は、同じ方法で減衰することができる。

間隙が、ポートアレイのファイバコリメータのクラスタ間に配置される本発明の実施形態は、ＭｘＮポート構成に拡張できる。制限ではなく、一例として、３ｘＮ及び４ｘＮポート実装トポロジをそれぞれ図９Ａ−９Ｂに示す。図９Ａに示す３ｘＮ構成は、図７Ａに示す１ｘＮ構成光と比較して、光学系の幅の３倍の増加と、角度範囲θ_ｙの２．３３倍の増加と、を必要とする。図９Ｂに示す４ｘＮ構成は、１ｘＮ構成と比較して、光学系の幅の４倍の増加と、角度範囲θ_ｙの２．３３倍の増加と、を必要とする。間隙によって、ある程度列に平行な方向へのスペクトルチャネルの動きによって、例えば、適切なチャネルビーム反射要素をそのＸ軸（切換え軸）を中心として回転することによって、間隙のいずれかの側におけるポートの減衰が実現されることに留意されたい。

尚、図６、７Ａ−７Ｃ、８Ａ−８Ｃ、９Ａ、及び９Ｂにおいて、黒いドット又は白抜きの円のポートは、無瞬断ポートとして用いることができない。光は、黒いドットのポートに供給され、白抜きの円のものに画像形成される。光学軸は、これら２つのポート間にある。

図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、９Ａ、及び９Ｂに示したタイプのポートアレイは、既存のスイッチ設計の比較的単純明快な変更で図５Ａ−５Ｂに示したタイプの波長選択スイッチに組み込み得る。具体的には、図１０Ａ−１０Ｂに示すように、波長選択スイッチ１０００には、ポートアレイ１００２、ビーム拡大器・中継光学系１００４、波長分離器１００６、合焦光学系１００８、及び複数のチャネルビーム反射要素１０１２を有するビーム反射要素アレイ１０１０を含み得る。ポートアレイ１００２は、図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、９Ａ、及び９Ｂに示すように、また、上述したように構成し得る。具体的には、図１０Ｂにおいて分かるように、ポートアレイ１００２には、上述したように、無瞬断切換えに対応するようにポートのクラスタ間に間隙ｇを含み得る。ビーム拡大器・中継光学系１００４、波長分離器１００６、合焦光学系１００８、及びビーム反射要素アレイ１０１０は、図５Ａ−５Ｂを参照してほぼ上述したように構成し得る。ＭｘＮポートアレイを収容するために、この場合、Ｍは１より大きいが、ビーム拡大器・中継光学系１００４、波長分離器１００６、及び合焦光学系１００８は、図５Ａにおける対応する構成要素と比較してＭ倍広い。

上記は、本発明の好適な実施形態の完全な説明であるが、様々な他の選択肢、変更、等価物を用いることが可能である。従って、本発明の範囲は、上記説明を参照して決定すべきではなく、その代わり、添付された請求項を参照して、それらの等価物の完全な範囲と共に決定すべきである。あらゆる特徴は、好適かどうかに拘わらず、いずれか他の特徴と好適かどうかに拘わらず組み合わせ得る。

Claims (12)

1. 異なる波長のスペクトルチャネルを有する多チャネル光信号を切換えするための光学装置において、
   前記スペクトルチャネルの１つ又は複数を有する光信号用のＭｘＮアレイのポートであって、Ｍは、前記アレイの列の数であり、Ｎは、前記アレイの行の数である前記ＭｘＮアレイのポートと、
   前記アレイのポートに光学的に結合された波長分離器であって、前記アレイのポートの内の１つからのスペクトルビームを１つ又は複数の構成成分スペクトルチャネルに空間的に分離するように構成された前記波長分離器と、
   前記波長分離器に光学的に結合されたアレイのチャネルビーム偏向要素であって、複数のチャネルビーム偏向要素が含まれ、各チャネルビーム偏向要素は、前記構成成分スペクトルチャネルの内の対応する１つを受信するように配置され、各ビーム偏向要素は、２つの非平行軸を中心にして傾斜して、前記ポートアレイ全体に渡って前記対応するスペクトルチャネルを動かすように構成された前記アレイのチャネルビーム偏向要素と、を備え、
   前記アレイのポートは、ポートの各列内においてポートの２つの行間に配置された間隙が存在するように構成され、前記間隙は、無瞬断ビーム切換え軌道が、ポートの前記２つの行間を前記アレイのポートの一方側から反対側に通過するのを許容するに充分な幅を有し、前記アレイのポートは、各列が４つのまたは５つ以上の隣接する行を、無瞬断ビーム切換え軌道が該４つのまたは５つ以上の隣接する行の２つの行間を通過するのを許容するに充分な幅の間隔を有することなく、含むように構成されている、光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置であって、Ｍは、１よりも大きく、２つの隣接する列間には、無瞬断ビーム切換え軌道が該２つの隣接する列間を通過するのを許容するに充分な幅を有する間隙は存在していない、光学装置。
3. 請求項２に記載の光学装置であって、２つ以上の列が、互いに対して千鳥状に配列されている光学装置。
4. 請求項３に記載の光学装置であって、前記１つ又は複数の列は、六方最密構造で千鳥状に配列されている光学装置。
5. 請求項１に記載の光学装置であって、前記間隙は、列の最後の２つのポートを前記列の残りのポートから分離する光学装置。
6. 請求項１に記載の光学装置であって、Ｎは、５以上である光学装置。
7. 波長選択スイッチ用の光ポートアレイにおいて、
   ＭｘＮアレイのファイバ・コリメータ・ポートであって、Ｍは、前記アレイの列の数であり、Ｎは、前記アレイの行の数である前記ＭｘＮアレイのファイバ・コリメータ・ポートが含まれる前記光ポートアレイであって、
   前記アレイのポートは、ポートの各列内においてポートの２つの行間に配置された間隙が存在するように構成され、前記間隙は、無瞬断ビーム切換え軌道が、ポートの前記２つの行間を前記アレイのポートの一方側から反対側に前記２つの行のポート間を通過するのを許容するに充分な幅を有し、前記アレイのポートは、各列が４つのまたは５つ以上の隣接する行を、無瞬断ビーム切換え軌道が該４つのまたは５つ以上の隣接する行の２つの行間を通過するのを許容するに充分な幅の間隙を有することなく、含むように構成されている、光ポートアレイ。
8. 請求項７に記載の光ポートアレイであって、Ｍは、１よりも大きく、２つの隣接する列間には、無瞬断ビーム切換え軌道が該２つの隣接する列間を通過するのを許容するに充分な幅を有する間隙は存在していない、光ポートアレイ。
9. 請求項８に記載の光ポートアレイであって、２つ以上の列が、互いに千鳥状に配列されている光ポートアレイ。
10. 請求項９に記載の光ポートアレイであって、１つ又は複数の列が、六方最密構造で千鳥状に配列されている光ポートアレイ。
11. 請求項７に記載の光ポートアレイであって、前記間隙は、前記列の最後の２つのポートを前記列の残りのポートから分離する光ポートアレイ。
12. 請求項７に記載の光ポートアレイであって、Ｎは、５以上である光ポートアレイ。