JP5705887B2 - 光操作装置 - Google Patents

Description

本発明は、光操作装置に関するものである。

近年の光通信システムは、その形態がｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｏｉｎｔ型から、リング型またはメッシュ型のネットワークへと発展しつつある。このような形態のネットワークのノードには、任意の信号光を任意のポートに入出力させて、信号光の経路を任意に変更するための光スイッチ装置が必要とされる。

特に、互いに異なる波長の信号光が波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing）されたＷＤＭ信号光を用いる場合は、任意の波長の信号光に対して任意に経路を変更できる波長選択光スイッチ装置が必要とされる。

特許文献１に記載の波長選択光スイッチ装置では、信号光が入力される入力ポートと回折格子との間にアナモルフィックプリズムが配置されている。このアナモルフィックプリズムは、回折格子に到達する前での信号光のビーム径を、回折格子が光を分散する方向（分散方向）に拡大し、分散方向を長径方向とする楕円形とする。すなわち、分散方向と、アナモルフィックプリズムがビーム径を拡大する方向は略同一である。その後、分散された信号光は、集光レンズによって反射素子に集光される。その際、集光レンズに入射する光のビーム径が大きいと集光された光のビーム径は小さく、集光レンズに入射する光のビーム径が小さいと集光された光のビーム径は大きくなる。従って、集光された信号光のビーム径は、光の分散方向と垂直の方向（光スイッチ方向）を長径方向とする楕円形となる。

米国特許第８，２４３，３７２号明細書

図８、９は、光スイッチ装置における素子の配置の設計の一例を示す図である。図８は、光スイッチ装置１０００を、光分散方向（アナモルフィックプリズムペアのビーム径拡大方向、方向Ｄ１００１で示す）と垂直の方向から見た図である。図９は、光スイッチ装置１０００を、光スイッチ方向（方向Ｄ１００２で示す）と垂直の方向から見た図である。

光スイッチ装置１０００は、光スイッチ方向に沿って光ファイバポートが配列した光入出力ポート１０１０と、コリメータレンズアレイ１０２０と、アナモルフィックプリズムペア１０３０と、回折格子１０４０と、集光レンズ１０５０と、光スイッチ素子１０６０とがこの順番に配置されて構成されている。

なお、実際には回折格子１０４０において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア１０３０から光スイッチ素子１０６０までの各素子は回折格子１０４０の前後で角度を持って配置される。また、アナモルフィックプリズムペア１０３０において光路が方向Ｄ１００１の方向にシフトすることがあるが、図８、９においては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。

また、図９では、コリメータレンズアレイ１０２０としては、光入出力ポート１０１０を構成する光ファイバポート１０１１に対応するコリメータレンズ１０２１だけ図示してあるが、コリメータレンズアレイ１０２０の各コリメータレンズは、光入出力ポート１０１０を構成する各光ファイバポート１０１１に対応して設けられている。

また、後述する、信号光Ｌ１０００、Ｌ１００２はガウシアンビームであるとする。図８、図９では信号光Ｌ１０００、Ｌ１００２のガウシアンビームのスポットサイズ（光強度が１／ｅ^２となるビーム半径）の軌跡を模式的矢線で示している。

光スイッチ装置１０００の動作を説明する。まず、光ファイバポート１０１１が、外部から入力された或る波長の信号光Ｌ１０００を出力すると、コリメータレンズアレイ１００２のうちの対応するコリメータレンズ１０２１が、入力された信号光Ｌ１０００を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。アナモルフィックプリズムペア１０３０は、略平行光にされた信号光Ｌ１０００のビーム形状をビーム径拡大方向に拡大し、楕円形にする。回折格子１０４０は、楕円形にされた信号光Ｌ１０００をその波長に応じた所定の回折角で回折する。集光レンズ１０５０は、回折された信号光Ｌ１０００を光スイッチ素子１０６０に集光させる。光スイッチ素子１０６０は、たとえば反射素子であり、回転角度が調整されて、集光された信号光Ｌ１０００を所定の反射角で反射させ、信号光Ｌ２０００とする。なお、図８、９では、説明の簡略化のために反射角は０度としている。集光レンズ１０５０は、反射された信号光Ｌ２０００を略平行光にする。回折格子１０４０は、信号光Ｌ２０００を所定の回折角で回折する。

つぎに、アナモルフィックプリズムペア１０３０は、その光相反性によって、信号光Ｌ２０００のビーム形状をビーム拡大方向に縮小して略円形に戻す。その後、信号光Ｌ２０００はコリメータレンズアレイ１０２０のうち、光スイッチ素子１００６の反射角に対応するコリメータレンズ（ここではコリメータレンズ１０２１）に入力する。コリメータレンズ１０２１は、信号光Ｌ２０００を集光し、光ファイバポート１０１１に結合させる。光ファイバポート１０１１は結合された光を外部に出力する。

また、光ファイバポート１０１１から入力された信号光の経路を他の光ファイバポート１０１２、１０１３、１０１４、１０１５にそれぞれ切り換える場合には、光スイッチ装置１０００は上記の動作において、光スイッチ素子１０６０がその回転角度が調整されて、信号光Ｌ１０００をファイバ１０１２、１０１３、１０１４、１０１５のいずれかに結合するように反射させることによって、所望の経路の切り換えを実現することができる。

ここで、一般的な設計としては、コリメータレンズ１０２１から出力される信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００１の位置に回折格子１０４０を配置し、回折格子１０４０および光スイッチ素子１０６０は、集光レンズ１０５０の焦点距離Ｆ１００１の位置に配置する設計とすることが好ましい。これによって、集光レンズ１０５０を通過した信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００２の位置が光スイッチ素子１０６０の位置となり、光分散方向と垂直方向（方向Ｄ１００２）から見たときに、回折格子１０４０により分散された信号光Ｌ１０００が光スイッチ素子１０６０に垂直に入射し、かつ、光入出力ポート１０１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２０００が集光する。ここで、ガウシアンビームのビームウエストとは、ガウシアンビームの波面がフラットになり、ビーム径が最も小さくなる場所である。

しかしながら、光スイッチ装置１０００のように、コリメータレンズアレイ１０２０と回折格子１０４０の間にアナモルフィックプリズムペア１０３０を配置する構成の場合は、アナモルフィックプリズムペア１０３０を配置するための空間が必要となるため、コリメータレンズ１０２１から出力される信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００１の位置に回折格子１０４０を配置することが困難になる。その結果、集光レンズ１０５０を通過した信号光Ｌ１０００のビームウエストＷ１００２の位置が光スイッチ素子１０６０の位置からずれる場合がある。

アナモルフィックプリズムペア１０３０によってビーム径拡大方向Ｄ１００１に拡大された光はビーム径が大きい。そのため、集光レンズ１０５０に入射する光のビームウエスト位置（回折格子１０４０よりもコリメータレンズアレイ１０２０側）から集光レンズ１０５０までの距離と、集光レンズ１０５０の焦点距離Ｆ１００１とのずれに対するトレランスが大きい。その結果、ずれがあっても、凡そ集光レンズ１０５０から焦点距離Ｆ１００１離れた焦点位置Ｗ１００２で集光する。従って、反射された信号光である信号光Ｌ２０００の、コリメータレンズ１０２１による集光位置も、光ファイバポート１０１１の端面と一致する。図８において信号光Ｌ１０００と信号光Ｌ２０００とでスポットサイズの軌跡を示す矢線を一致させて示しているのは、信号光Ｌ１０００と信号光Ｌ２０００とでスポットサイズの軌跡が略一致することを意味している。

一方、光スイッチ方向Ｄ１００２では、ビームウエストＷ１００１が小さいままである。そのため、ビームウエストＷ１００１から集光レンズ１０５０までの距離と、集光レンズ１０５０の焦点距離とのずれに対するトレランスが小さい。そのため、図９に示すように、ビームウエストＷ１００３の位置の、光スイッチ素子１０６０の位置からのずれが顕著になり、ビームウエストは光スイッチ素子１０６０よりも遠方の位置に形成される。その結果、反射された信号光である信号光Ｌ２０００の、コリメータレンズ１０２１による集光位置も、光ファイバポート１０１１の端面からずれてしまう。これによって、信号光Ｌ２０００と光ファイバポート１０１１との結合効率が低下し、光損失が発生する。

このように、アナモルフィック光学系を備えた光スイッチ装置では、アナモルフィック光学系に起因する光学特性の低下が発生する場合があるので、より光学設計の自由度を高めることが好ましい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光学設計の自由度を高めた光操作装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光操作装置は、外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも一つのポートを有する光入出力ポートと、前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズを有するコリメータレンズと、前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する光操作素子と、前記光入出力ポートと前記光操作素子との間に配置され、前記光入出力ポートと前記光操作素子とを光学的に結合させる集光レンズ系と、前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、を備え、前記集光レンズ系は、前記ビーム径拡大方向における第１焦点距離と前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における第２焦点距離とが互いに異なることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記第２焦点距離は前記第１焦点距離よりも長いことを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における前記集光レンズ系の結像位置に形成されることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた光分散素子を備え、波長選択光スイッチとして機能することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記光分散素子よりも該コリメータレンズ側に位置することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記光分散素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記集光レンズ系は、前記第１焦点距離を有する第１シリンドリカルレンズと前記第２焦点距離を有する第２シリンドリカルレンズとを有することを特徴とする。

本発明に係る光操作装置は、上記発明において、前記集光レンズ系は、前記第２焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第１焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、または、前記第１焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第２焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、を有することを特徴とする。

本発明によれば、光損失の発生が抑制された光操作装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図２は、実施の形態に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図３は、実施の形態に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図４は、実施の形態に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。 図５は、集光レンズ系の構成の別の態様を示す図である。 図６は、集光レンズ系の構成の別の態様を示す図である。 図７は、波長ブロッカーと光サーキュレータとを組み合わせた構成を示す図である。 図８は、光スイッチ装置における素子の配置の設計の一例を示す図である。 図９は、光スイッチ装置における素子の配置の設計の一例を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光操作装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態）
図１〜４は、実施の形態に係る光スイッチ装置の模式的な構成図である。この光スイッチング装置１００は、光の経路をスイッチング操作する光操作装置である。図１、３は、光スイッチ装置１００を、光分散方向（アナモルフィックプリズムペアのビーム径拡大方向、方向Ｄ１で示す）と垂直の方向から見た図である。図２、４は、光スイッチ装置１００を、光スイッチ方向（方向Ｄ２で示す）と垂直の方向から見た図である。また、図１、２は、入力される光を光線で示した図であり、図３、４は、入力される光をガウシアンビームのスポットサイズの軌跡で示した図である。

光スイッチ装置１００は、光入出力ポート１１０と、コリメータレンズアレイ１２０と、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペア１３０と、光分散素子である回折格子１４０と、集光レンズ系１５０と、光スイッチ素子１６０とがこの順番に配置されて構成されている。

なお、実際には回折格子１４０において光路は曲げられるので、アナモルフィックプリズムペア１３０から光スイッチ素子１６０までの各素子は回折格子１４０の前後で角度を持って配置される。また、アナモルフィックプリズムペア１３０において光路が方向Ｄ１の方向にシフトすることがあるが、図１〜４においては、説明の簡略化のために各素子を直列に配置して示している。

光入出力ポート１１０は、光ファイバからなる光ファイバポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を備えている。光ファイバポート１１１〜１１５は、所定の配列方向（光スイッチ方向である方向Ｄ２）に沿って、略等間隔でアレイ状に配列されている。光ファイバポート１１１〜１１５は、外部から光が入力される、または外部に光を出力するものである。なお、光スイッチ装置１００に入力または出力される光は特に限定されないが、たとえば波長１５２０〜１６２０ｎｍの光通信用の信号光である。

コリメータレンズアレイ１２０は、複数のコリメータレンズからなる。図２、４では、コリメータレンズアレイ１２０としては、光入出力ポート１１０を構成する光ファイバポート１１１、１１２に対応するコリメータレンズ１２１、１２２だけ図示してあるが、コリメータレンズアレイ１２０の各コリメータレンズは、光入出力ポート１１０を構成する各光ファイバポート１１１に対応して設けられている。コリメータレンズアレイ１２０は、各光ファイバポート１１１〜１１５から出力した光を平行光にする、または、入力された平行光を各光ファイバポート１１１〜１１５に集光して結合させる機能を有する。

光スイッチ素子１６０は、反射素子１６１、１６２、１６３がそれぞれ方向Ｄ１に平行な各回転軸の周りに所定の角度だけ回転するように構成されている。光スイッチ素子１６０は、光入出力ポート１１０のいずれかの光ファイバポートから入力した光を反射して光路を切り換え、光入出力ポート１１０の他のいずれかの光ファイバポートに向けて出力する機能を有する。光スイッチ素子１６０としてはたとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたものを利用できる。

集光レンズ系１５０は、光入出力ポート１１０と光スイッチ素子１６０との間に配置されている。この集光レンズ系１５０は、光入出力ポート１１０と光スイッチ素子１６０とを光学的に結合するものである。

集光レンズ系１５０は、ビーム径拡大方向である方向Ｄ１において第１焦点距離を有し、光スイッチ方向である方向Ｄ２においては焦点を有さないシリンドリカルレンズ１５１と、方向Ｄ２において第２焦点距離を有し、方向Ｄ１においては焦点を有さないシリンドリカルレンズ１５２とで構成されている。ここで、第１焦点距離と第２焦点距離とは互いに異なる。

アナモルフィックプリズムペア１３０は、２つのプリズム１３１、１３２から構成されており、光入出力ポート１１０と集光レンズ系１５０との間に配置されている。アナモルフィックプリズムペア１３０は、光入出力ポート１１０側から入力された光のビーム形状をビーム径拡大方向である方向Ｄ１に拡大する機能を有する。また、アナモルフィックプリズムペア１３０は、光相反性を有するため、光スイッチ素子１６０側から入力された光のビーム形状を方向Ｄ１に縮小する機能を有する。なお、アナモルフィックプリズムペア１３０は、たとえばシリンドリカルレンズ系などの他のアナモルフィック光学系に置き換えてもよい。また、ビーム径を拡大する方法としてアナモルフィックプリズムペアとしたが、本発明はこれに限らず、アナモルフィックプリズムを用いても良い。

この光スイッチ装置１００では、集光レンズ系１５０の光軸と一致するように配置された光ファイバポート１１１が、外部から光が入力される共通の光ファイバポート（Ｃｏｍポート）として設定されており、その他の４つの光ファイバポート１１２、１１３、１１４、１１５が、外部に光を出力する光ファイバポートとして設定されている。すなわち、この光スイッチ装置１００は１×４の光スイッチとして機能する。

つぎに、この光スイッチ装置１００の動作について、図１、２を用いて説明する。まず、光ファイバポート１１１に、外部から或る信号光Ｌ１が入力される。信号光Ｌ１はＷＤＭ信号光であり、互いに異なる波長を有する信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃを含むとする。

光ファイバポート１１１は、入力された信号光Ｌ１をコリメータレンズ１２１へ出力する。コリメータレンズ１２１は、信号光Ｌ１を、ビーム形状が略円形の略平行光にする。アナモルフィックプリズムペア１３０は、略平行光にされた信号光Ｌ１のビーム形状を方向Ｄ１に拡大し、楕円形にする。回折格子１０４０は、楕円形にされた信号光Ｌ１をその波長に応じた所定の回折角で回折する。その結果、信号光Ｌ１は、信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃに分離する。

集光レンズ系１５０は、回折された信号光Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃを光スイッチ素子１６０の対応する反射素子１６１、１６２、１６３に集光させる。光スイッチ素子１０６０は、反射素子１６１、１６２、１６３のそれぞれが別個に回転角度を調整されて、集光された各信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ａ、Ｌ１ｃを、各信号光の波長に応じた所定の反射角で反射させる。

以下、反射された信号光のうち、信号光Ｌ１ａの反射光を代表して信号光Ｌ２として説明する。集光レンズ系１５０は、反射された信号光Ｌ２を略平行光にする。

アナモルフィックプリズムペア１３０は、光相反性によって、信号光Ｌ２のビーム形状を方向Ｄ１の方向に縮小して略円形に戻す。その後、信号光Ｌ２は光ファイバポート１１２に対応するコリメータレンズ１２２に入力する。コリメータレンズ１２２は、信号光Ｌ２を集光し、光ファイバポート１１１に結合させる。光ファイバポート１１２は結合された光を外部に出力する。以上のようにして、この光スイッチ装置１００は、Ｃｏｍポートである光ファイバポート１１１から入力された信号光の経路を光ファイバポート１１２に切り換えることができる。

また、他の波長の信号光Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃについては、反射素子１６１、１６３の回転角度が調整されて、その経路が、光ファイバポート１１２以外の光ファイバポート、たとえば光ファイバポート１１３，１１４にそれぞれ切り換られる。これによって、信号光の波長毎の所望の経路の切り換えを実現することができる。

つぎに、光スイッチ装置１００について、図３、４を用いて、図８、９と対比させて説明する。

光スイッチ装置１００においても、図８、９の場合と同様に、コリメータレンズアレイ１２０と回折格子１４０との間にアナモルフィックプリズムペア１３０を配置する構成である。そのため、コリメータレンズ１２１から出力される信号光Ｌ１のビームウエストＷ１の位置に回折格子１４０を配置することが困難である。

しかしながら、この光スイッチ装置１００では、集光レンズ系１５０は、方向Ｄ１において第１焦点距離を有し、方向Ｄ２においては、第１焦点距離とは異なる第２焦点距離を有する。その結果、集光レンズ系１５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ２の位置を、方向Ｄ１、方向Ｄのいずれにおいても、光スイッチ素子１０６０に対して適切な位置とすることができる。

各素子の配置の具体例を説明する。図３に示すように、回折格子１４０とシリンドリカルレンズ１５１とをシリンドリカルレンズ１５１の焦点距離Ｆ１（第１焦点距離）だけ離して配置する設計が好ましい。これによって、図１に示すように、光分散方向と垂直方向（方向Ｄ２）から見たときに、回折格子１４０により分散された信号光Ｌ１a〜Ｌ１ｃが光スイッチ素子１６０に垂直に入射する。そのため、光スイッチ素子１６０を方向Ｄ２に平行な各回転軸の周りに回転する必要がなくなる。また、シリンドリカルレンズ１５１と光スイッチ素子１６０をシリンドリカルレンズ１５１の焦点距離Ｆ１（第１焦点距離）離して配置する設計とすることが好ましい。これによって、方向Ｄ１において、集光レンズ系１５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ２の位置が、光スイッチ素子１６０の位置となり、かつ、方向Ｄ１において、光入出力ポート１１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２が集光する。

また、同時に、光スイッチ素子１６０の位置、および、コリメータレンズ１２１から出力される信号光Ｌ１のビームウエストＷ１の位置を、シリンドリカルレンズ１５２の焦点距離Ｆ２（第２焦点距離）の位置に配置する設計とすることが好ましい。これによって、方向Ｄ２においても、集光レンズ系１５０を通過した信号光Ｌ１のビームウエストＷ２の位置が光スイッチ素子１６０の位置となり、かつ、光入出力ポート１１０の各光ファイバポートの端面に信号光Ｌ２が集光する。

図３、４のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズを示す矢線を一致させて示しているのは、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても信号光Ｌ１と信号光Ｌ２とでスポットサイズの軌跡が略一致することを意味している。

したがって、方向Ｄ１、Ｄ２のいずれにおいても、信号光Ｌ２と光ファイバポート１１１との結合効率の低下が抑制されるので、光損失の発生も抑制される。

集光レンズ系１５０の第１焦点距離と第２焦点距離の値をｆ１、ｆ２とすると、その組み合わせについては、たとえば（ｆ１、ｆ２）＝（８０ｍｍ、１００ｍｍ）、（１００ｍｍ、１２０ｍｍ）、または（２００ｍｍ、２２０ｍｍ）とすることができる。このように、第２焦点距離は第１焦点距離よりも長い、すなわちｆ２＞ｆ１であることが好ましい。

このとき、回折格子１４０とビームウエストＷ１との距離Ｄ３の値をｄ３とすると、２×（ｆ２−ｆ１）≒ｄ３＝４０ｍｍである。また、コリメータレンズ１２１とビームウエストＷ１との距離Ｄ４の値ｄ４が１１ｍｍのように短いコリメータレンズ１２１を用いても、ｄ３＋ｄ４＝５１ｍｍとなり、アナモルフィックプリズムペア等の光学系を配置するための距離を確保することができる。この場合、ビームウエストＷ１は、回折格子１４０よりもコリメータレンズ１２１側に位置することとなるが、光損失の発生は抑制される。

なお、たとえば、コリメータレンズ１２１の焦点距離が１．５ｍｍのとき、ガウシアンビームのビームウエストが最も遠くになるように設計したときの距離は２２ｍｍ程度であるから、コリメータレンズ１２１としては１．５ｍｍ以下の短焦点距離のものを使用することができる。他のコリメータレンズについても同様である。

また、光スイッチ装置１００では、アナモルフィックプリズムペア１３０の光伝搬方向における長さが、コリメータレンズ１２１とビームウエストＷ２との距離Ｄ４よりも長い場合でも、上記光損失の発生は抑制される。したがって、アナモルフィックプリズムペア１３０の大きさの設計の自由度も高くなる。

この光スイッチ装置１００では、ビームウエストＷ１を、回折格子１４０よりもコリメータレンズ１２１側に位置させてもよいので、コリメータレンズ１２１を含め、コリメータレンズアレイ１２０を構成するコリメータレンズとして、焦点距離が短いレンズを使用することができる。これによって、コリメータレンズアレイ１２０と光入出力ポート１１０との距離、および光ファイバポート１１１、１１２、１１３、１１４、１１５間の間隔を小さくすることができる。その結果、光スイッチ装置１００での信号光の経路切り換え角度を小さくすることができるので、経路切り換えに伴う負荷（たとえば、光スイッチ素子１６０を回転させるために印加する電力）が軽減される。

なお、光スイッチ素子１６０は、方向Ｄ１、Ｄ２におけるそれぞれの集光レンズ系１５０の焦点距離Ｆ１、Ｆ２の位置にあることが好ましいが、集光レンズ系１５０によって光（たとえば信号光Ｌ１）が結像する位置であれば、焦点距離Ｆ１、Ｆ２から許容範囲内でずれた位置にあってもよい。同様に、コリメータレンズアレイ１２０の各コリメータレンズによるビームウエスト（たとえばビームウエストＷ１）は、方向Ｄ２における集光レンズ系１５０の焦点位置Ｆ２の位置にあることが好ましいが、集光レンズ系１５０によって光（たとえば信号光Ｌ２）が結像する位置であれば、焦点距離Ｆ２から許容範囲内でずれた位置にあってもよい。ここで許容範囲は、たとえばビームウエスト径に依存する結像のトレランスに応じて設定される値である。

上記実施の形態では、集光レンズ系１５０は、２つのシリンドリカルレンズから構成されているが、使用される集光レンズ系の構成としては、ビーム径拡大方向と光スイッチ方向とで、互いに異なる第１焦点距離と第２焦点距離とを有するものであれば、特に限定はされない。

図５、図６は、集光レンズ系の構成の別の態様を示す図である。図５は、集光レンズ系２５０を光スイッチ方向である方向Ｄ２と垂直の方向から見た図であり、図６は、集光レンズ系２５０をビーム径拡大方向である方向Ｄ１と垂直の方向から見た図である。

集光レンズ系２５０は、点対称レンズ２５１と、シリンドリカルレンズ２５２とを有する。点対称レンズ２５１は第２焦点距離を有する。一方、シリンドリカルレンズ２５２は、方向Ｄ１において、点対称レンズ２５１との合成焦点距離が第１焦点距離となるような焦点距離を有する。これによって、集光レンズ系２５０は、方向Ｄ１において第１焦点距離を有し、方向Ｄ２において第２焦点距離を有するものとなる。

また、集光レンズ系としては、第１焦点距離を有する点対称レンズおよび点対称レンズとの合成焦点距離が第２焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズを有する構成としてもよい。また、集光レンズ系は単レンズで構成されてもよい。

また、上記実施の形態では回折格子を透過型としたが、本発明はこれに限らず、反射型の回折格子を用いても良い。また、回折格子の代わりにたとえば分散プリズムなどの他の光分散素子を用いても良い。また、本発明に係る光スイッチ装置は、光分散素子を用いずに、非波長選択型の光スイッチ装置として構成してもよい。また、光スイッチ素子としてＳＬＭ（Spatial Light Modulator）等の他の光スイッチ素子を使用してもよい。ＳＬＭは１次元もしく２次元的に並んだ多数の画素から構成され、その各画素の位相を制御することで光を操作するデバイスである。代表的なものとしてＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）がある。

一般的に、ＬＣＯＳは偏波依存性を持つ。そのため、光スイッチ素子としてＬＣＯＳを用いる場合、ＬＣＯＳの位相変化を受ける偏波方向に偏波を揃える必要がある。例えば、ウォーラストンプリズムやサバール板、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）等で２つの直交する偏波に分離する。そして、２つの直交する偏波のうちの一方の偏波を、例えばλ/２波長板で９０度回転させ、２つの偏波をＬＣＯＳの位相変化を受ける偏波に揃えることが可能である。ここで、偏波を分離する素子やλ/２波長板を、コリメータレンズアレイ１２０と回折格子１４０の間に配置してもよいし、光スイッチ素子１６０の直前に配置してもよい。

また、上記実施の形態では、光スイッチ装置１００は１×４光スイッチであるが、本発明では光が入出力するポートの数は特に限定されず、Ｎ×Ｍ光スイッチ（Ｎ、Ｍは任意の整数）であればよい。また、たとえば光スイッチ装置１００の構成において、光ファイバポート１１２、１１３、１１４、１１５のいずれかから信号光を入力させて、Ｃｏｍポートである光ファイバポート１１１から出力させるように光スイッチ装置１００を動作させてもよい。これによって、光スイッチ装置１００を４×１光スイッチとして使用することができる。

また、上記実施の形態では、光スイッチ装置として説明してきたが、光操作素子としての光スイッチ素子を他の光操作機能を有する光操作素子に置き換えることで、例えば波長ブロッカーや波形整形器等の光操作装置としても利用することができる。

波長ブロッカーは、入力されたＷＤＭ信号光のなかの特定の波長成分を有する信号光のみを出力し、その他の波長成分を有する信号光を遮断する機能を持つ光操作装置である。波長ブロッカーは、光スイッチ装置１００の光スイッチ素子１６０を、光操作素子を有する波長ブロック部に置き換えることで実現できる。波長ブロック部はたとえばＳＬＭで構成できる。したがって、波長ブロッカーは、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペアと、光分散素子である回折格子と、集光レンズ系と、波長ブロック部とがこの順番に配置されて構成されることができる。波長ブロッカーの機能は、光入力ポートから入力されたＷＤＭ信号光が回折格子によって分光され、波長ブロック部に集光された信号光のうち、出力したい波長成分を有する信号光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分を有する信号光を光出力ポートに結合しないように制御することで実現される。上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、１つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図７に示すように、波長ブロッカー２００の１つの光入出力ポート２１０の手前に光サーキュレータ２２０を配置する構成とすることが好ましい。この構成によって、光サーキュレータ２２０を介して、ＷＤＭ信号光Ｌ１を波長ブロッカー２００の１つの光入出力ポート２１０に入力して、出力したい信号光Ｌ１ａを取り出すことができる。

波形整形器は、入力された光の各波長成分の強度や位相を制御することでスペクトルの形状や光パルスの時間波形を制御する機能を持つ光操作装置である。波形整形器は、光スイッチ装置１００の光スイッチ素子１６０を、光操作素子を有する波形整形部に置き換えることで実現できる。波形整形部はたとえば光操作素子としてのＳＬＭで構成できる。したがって、波形整形器は、光入力ポートと光出力ポートと、コリメータレンズアレイと、アナモルフィック光学系であるアナモルフィックプリズムペアと、光分散素子である回折格子と、集光レンズ系と、波形整形部とがこの順番に配置されて構成されることができる。波形整形器の機能は、光入力ポートから入力された光が回折格子によって分光され、波形整形部に集光された各波長成分の光のうち、出力したい波長成分の光のみを光出力ポートに結合するようにスイッチし、その他の波長成分の光を出力ポートに結合しないように制御することで実現され、これによってたとえばスペクトルの形状を制御することが可能である。更に、波形整形器において、各波長に該当するＳＬＭの画素の位相のオフセット量を制御することで、各波長の位相も制御することが可能である。波形整形器の場合も、波長ブロッカーと同様に、上記光入力ポートと光出力ポートは必ずしも、別のポートである必要はなく、１つの光入出力ポートで光入力ポートと光出力ポートを兼ねてもよい。その場合は、図７と同様に、光入出力ポートの手前に光サーキュレータを配置することで出力光を取り出すことができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００ 光スイッチ装置
１１０，２１０ 光入出力ポート
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５ 光ファイバポート
１２０ コリメータレンズアレイ
１２１，１２２ コリメータレンズ
１３０ アナモルフィックプリズムペア
１３１ プリズム
１４０ 回折格子
１５０ 集光レンズ系
１５１，１５２，２５２ シリンドリカルレンズ
１６０ 光スイッチ素子
１６１，１６２，１６３ 反射素子
２００ 波長ブロッカー
２２０ 光サーキュレータ
２５０ 集光レンズ系
２５１ 点対称レンズ
Ｄ１，Ｄ２ 方向
Ｄ３、Ｄ４ 距離
Ｆ１，Ｆ２ 焦点距離
Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃ，Ｌ２ 信号光
Ｗ１，Ｗ２ ビームウエスト

Claims (9)

1. 外部から光が入力される、または外部に光を出力する少なくとも一つのポートを有する光入出力ポートと、
   前記光入出力ポートのポートに対応して設けられたコリメータレンズを有するコリメータレンズと、
   前記光入出力ポートのいずれかのポートから入力した光を反射して前記光入出力ポートのいずれかのポートに向けて出力する光操作素子と、
   前記光入出力ポートと前記光操作素子との間に配置され、前記光入出力ポートと前記光操作素子とを光学的に結合させる集光レンズ系と、
   前記光入出力ポートと前記集光レンズ系との間に配置され、前記光入出力ポート側から入力された光のビーム径をビーム径拡大方向に拡大するアナモルフィック光学系と、
   を備え、前記集光レンズ系は、前記ビーム径拡大方向における第１焦点距離と前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における第２焦点距離とが互いに異なり、
   前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における前記集光レンズ系の結像位置に形成されることを特徴とする光操作装置。
2. 前記第２焦点距離は前記第１焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光操作装置。
3. 前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光操作装置。
4. 前記光操作素子は、前記ビーム径拡大方向に対して垂直な方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光操作装置。
5. 前記アナモルフィック光学系と前記集光レンズ系との間に設けられた光分散素子を備え、波長選択光スイッチとして機能することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光操作装置。
6. 前記コリメータレンズによるビームウエストは、前記光分散素子よりも該コリメータレンズ側に位置することを特徴とする請求項５に記載の光操作装置。
7. 前記光分散素子は、前記ビーム径拡大方向における前記集光レンズ系の結像位置に配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の光操作装置。
8. 前記集光レンズ系は、前記第１焦点距離を有する第１シリンドリカルレンズと前記第２焦点距離を有する第２シリンドリカルレンズとを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光操作装置。
9. 前記集光レンズ系は、前記第２焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第１焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、または、前記第１焦点距離を有する点対称レンズおよび前記点対称レンズとの合成焦点距離が前記第２焦点距離である焦点距離を有するシリンドリカルレンズ、を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の光操作装置。

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