JP5899998B2

JP5899998B2 - 波長選択光スイッチ

Info

Publication number: JP5899998B2
Application number: JP2012030925A
Authority: JP
Inventors: 塩▲崎▼　学; 学塩▲崎▼; 英久田澤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013167760A

Description

本発明は、波長選択光スイッチに関する。

従来から、波長分割多重（Wavelength DivisionMultiplexing：ＷＤＭ）光を波長毎の光に分離し経路の切り替えを行う波長選択光スイッチにおいて、光の強度を減衰させる可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）の機能をも備える構成が知られている。例えば、特許文献１では、入出力光学系の出力ポートにおいて焦点距離が互いに異なる２つの領域を備えたレンズを用いることで、レンズを透過した光の一部のみを出力ポートから光ファイバに入射させることにより、光の強度を減衰させる構成が示されている。

特開２０１０−２６４２７号公報

しかしながら、特許文献１記載の波長選択光スイッチを小型化した場合に、ＶＯＡとしての機能が不十分となる。具体的には、波長選択光スイッチの小型化のためには、隣接する出力ポート間の距離を小さくするためにレンズの小型化をした場合、レンズ径に対するビーム径の比が大きくなる。ここで、レンズ径に対するビーム径比が大きくなると、レンズの２つの領域を跨いだ領域にビームが照射することになり、光の強度の減衰を十分に達成することができず、ＶＯＡとしての機能を果たすことが困難となる。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、可変光減衰機能を有し、且つ小型化が可能な波長選択光スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る波長選択光スイッチは、１以上の入力ポートと複数の出力ポートとから構成される入出力光学系と、入力ポートから出力される光を波長に応じて分光させる分光手段と、分光手段により分光された光を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された各波長の光の光路を変更する光路変更手段と、を備え、入出力光学系の出力ポートは、出力用光導波路と、当該出力用光導波路の端面に対応して設けられて光路変更手段により光路が変更された後に集光光学系及び分光手段を経た各波長の光を出力用光導波路の端面に入力するためのレンズと、を有し、レンズは、透過後の光の位相が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを備え、第１の領域の径は、光路変更手段により光路が変更された光のビーム径よりも大きいことを特徴とする。

上記の波長選択光スイッチによれば、光路変更手段によって光路が変更された光は、分光手段を経て、出力ポートのレンズに入力される。ここで、レンズにおいて、透過光の位相が互いに異なる第１の領域と第２の領域との双方に光が入射すると、第１の領域を透過した光と第２の領域を透過した光とがその位相差によって互いに打ち消しあい、レンズを透過した光の強度が低下される。低下される量は、第１の領域と第２の領域とを透過する光の割合によって変動することから、レンズに対する入射光の位置を調整することにより、レンズの透過した光の強度を調整することが可能であるため、光の減衰量を調整することができる。また、従来のレンズと比較して、光の中心とレンズの中心との位置関係の変更を小さくした場合でも、光の減衰を達成することができるため、装置全体の小型化を達成することができる。

ここで、レンズにおける第１の領域及び第２の領域の焦点が一致する態様であることが好ましい。このように、第１の領域と第２の領域との焦点が一致することで本発明の作用を効果的に奏することができる。

また、レンズは、第１の領域及び前記第２の領域とは異なる第３の領域を備え、第３の領域を透過した光の位相は、隣接する他の領域の透過後の光とは異なる態様とすることもできる。第３の領域を備えることにより、２つの領域のみを備えるレンズと比較して、透過光の強度の調整をさらに細かくすることができる。

本発明によれば、可変光減衰機能を有し、且つ小型化が可能な波長選択光スイッチが提供される。

本実施形態に係る波長選択光スイッチの構成を模式的に示す図である。波長選択光スイッチにおける出力ポートに設けられるレンズを拡大した図である。レンズに対して、分光手段側からビーム光を照射した場合について説明する図である。ビーム光の位置を変更して２領域位相レンズに光を照射した場合に、レンズを透過した後の出力光の強度の変化を示す図である。３つの領域から構成されるレンズの一例を示す図である。ビーム光の位置を変更して３領域位相レンズに光を照射した場合に、レンズを透過した後の出力光の強度の変化を示す図である。レンズの形状の変形例について説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る波長選択光スイッチの構成を模式的に示す図である。また、図２は、波長選択光スイッチにおける出力ポートに設けられるレンズを拡大した図である。

本実施形態に係る波長選択光スイッチ１は、１つの入力ポートＰｉｎ及び複数の出力ポートＰｏｕｔが一方向（図示Ｙ軸方向）に配列された入出力光学系１０と、入出力光学系１０の入力ポートＰｉｎから出力された光を、波長毎に図示Ｘ軸方向に分光する分光手段２０と、分光手段２０により分光された各波長の光を集光するための集光光学系３０と、集光光学系３０で集光された各波長の光の集光位置にそれぞれ設けられる複数の反射ミラー４１を含んで構成される光路変更手段４０と、複数の反射ミラー４１の反射面の制御を行う制御手段５０と、を含んで構成される。

入出力光学系１０の入力ポートＰｉｎは入力用光導波路１１とレンズ１２とから構成されている。また、複数の出力ポートＰｏｕｔは、それぞれ出力用光導波路１３とレンズ１４とから構成されている。入力ポートＰｉｎでは、入力用光導波路１１の端面から出力された光がレンズ１２によりコリメートされた後に、分光手段２０へ入射する。また、出力ポートＰｏｕｔでは、分光手段２０からの光が、レンズ１４により集光されて、出力用光導波路１３へ入力する。本実施形態に係る波長選択光スイッチ１では、出力ポートＰｏｕｔに設けられたレンズ１４が透過光の位相が互いに異なる第１領域及び第２領域から形成されることを特徴とするが、この点については後述する。

分光手段２０は、入力ポートＰｉｎの入力用光導波路１１を経てレンズ１２から出力される平行光を入力し、波長に応じてＸ軸方向に角度分散させる機能を有する。分光手段２０としては、例えばガラス基板上に平行な溝が多数設けられている回折格子が好適に用いられる。図１の波長選択型光スイッチでは、透過型の回折格子を分光手段２０の一例として示している。

集光光学系３０は、分光手段２０により角度分散された各波長の光を、光路変更手段４０の反射ミラー４１に集光させる機能を有する。また、この集光光学系３０は、光路変更手段４０の反射ミラー４１により光路が変更された光を分光手段２０に集光させる機能を有する。

光路変更手段４０は、複数の反射ミラー４１を備え、分光手段２０により角度分散された各波長の光を、所定の出力ポートＰｏｕｔへ出力するための機能を有する。反射ミラー４１は、Ｘ軸方向に沿って、波長選択光スイッチで用いられる波長の種類の数に応じて複数個設けられ、各々が可動式となっている。光路変更手段４０としては、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子や、ＬＣＯＳ（Liquidcrystal on silicon）等が好適に用いられる。

制御手段５０は、反射ミラー４１で反射した光の角度を制御する機能を有する。制御手段５０は、例えば光路変更手段４０がＭＥＭＳ素子の場合、反射ミラー４１により反射される各波長の光をどの出力ポートＰｏｕｔから出力するかに応じて反射ミラー４１の角度を制御すると同時に、出力ポートＰｏｕｔに設けられたレンズ１４と反射光との位置関係を反射ミラー４１により調整することにより、出力ポートＰｏｕｔから出力される光の強度を調整する所謂ＶＯＡ機能を備える。

上記の波長選択光スイッチ１では、入力ポートＰｉｎの入力用光導波路１１から出力された光は、レンズ１２により平行光とされた後に、分光手段２０へ入射し、分光手段２０により、波長毎に角度分散される。各波長の光は、それぞれ、集光光学系３０により光路変更手段４０の反射ミラー４１の反射面で集光される。各波長の光は、それぞれ反射ミラー４１により反射された後、集光光学系３０、分光手段２０を経て、出力ポートＰｏｕｔのレンズ１４に入射し、出力用光導波路１３の端面から出力用光導波路１３内に入射する。

ここで、出力ポートＰｏｕｔに設けられたレンズ１４について、図２を用いてさらに詳細に説明する。図２（Ａ）は、Ｚ軸方向に沿って分光手段２０側からレンズ１４を見た図であり、図２（Ｂ）は、レンズ１４の光軸０に沿った断面図である。図２に示すように、レンズ１４は、２つの領域Ｒ１，Ｒ２を含んで構成される。領域Ｒ１は、レンズ１４の光軸０を中心とした円状であり、領域Ｒ１の外側、レンズ１４の周縁部に領域Ｒ２が設けられている。また、領域Ｒ１の大きさは、光路変更手段４０から、集光光学系３０、分光手段２０を経て、出力されるビーム光の大きさ（強度がピーク強度の１／ｅ^２倍以上となるビーム径で定義される１／ｅ^２径）よりも大きい。これにより、ビーム光の大部分が領域Ｒ１のみを通過する構成とすることもできる。

レンズ１４において、領域Ｒ１と領域Ｒ２との焦点が一致し、図２（Ｂ）に示す点ｆが焦点となるように設定されている。波長選択光スイッチ１においてこのレンズ１４を用いる場合、焦点ｆが出力用光導波路１３の端面と一致して、レンズ１４を透過した光が出力用光導波路１３の端面で結合するように設けられる。また、領域Ｒ１と領域Ｒ２とは、各領域の透過光の位相が互いに異なるように設定される。位相を変える方法としては、例えば、図２（Ｂ）に示すように、領域Ｒ１と領域Ｒ２との間でレンズ厚みを変える方法が挙げられるが、他の方法を用いてもよい。また、領域Ｒ１を透過した光と領域Ｒ２を透過した光との位相差は、１８０°±４５°であることが好ましい。

このレンズ１４に対して、分光手段２０側から光を照射した場合の例を図３に示す。分光手段２０側からレンズ１４に入射する光が図３のＢ１のビーム径で照射される場合、図３に示すように、ビーム光Ｂ１のうち、光ｒ１は、レンズ１４の領域Ｒ１に入射すると共に、光ｒ２は、レンズ１４の領域Ｒ２に入射する。ここで、領域Ｒ１を透過した光と領域Ｒ２を透過した光との間に位相差がある場合、位相差がある２種類の光が焦点ｆに集光されることで互いに打ち消され、結果的に焦点ｆにおける光の強度は小さくなる。焦点ｆに集光される光の強度は、領域Ｒ１を透過する光と領域Ｒ２を透過する光との割合によって決まるため、ビーム光Ｂ１の位置によって変動する。ビーム光Ｂ１の位置は、実際には、光路変更手段４０の反射ミラー４１により制御される。

ビーム光Ｂ１の位置を変更した場合に、レンズ１４を透過した後の光の強度の変化を図４に示す。図４では、直径（有効径）が１０００μｍであり、領域Ｒ１の径が７００μｍであり、２つの領域における透過光の位相差が１８０°であるレンズ１４を用いて、１／ｅ^２径が６００μｍのビーム光Ｂ１をレンズ１４に対して照射した場合の透過光の強度の測定結果を示す。横軸のビーム中心とレンズ中心の距離とは、レンズ１４の光軸０とビームの中心との距離を示し、縦軸の光出力の変化とは、焦点ｆに集光し出力用導波路に結合した光の強度を示す。また、図４では、比較対象として、通常のレンズと２領域焦点レンズを用いた場合についても、レンズを透過し、出力ポートから出力される光の強度を測定した結果を示している。２領域焦点レンズとは、レンズ１４と同様に２つの領域から構成され、２つの領域間で互いに焦点位置が異なるレンズである。

この結果、図４に示すように、通常レンズ及び２領域焦点レンズを用いた場合と比較して、本実施形態に係るレンズ１４（２領域位相レンズ）を用いた場合、ビーム中心とレンズ中心の距離が離れるにしたがって透過後の光の強度の低下が急峻となり、通常レンズ及び２領域焦点レンズを用いた場合と比較してビーム中心とレンズ中心の距離が短い位置で、−５０ｄＢとなる（距離７００μｍ）。このように、ビーム中心とレンズ中心との距離が短い位置で光の強度を減衰させる可変光減衰器（ＶＯＡ）としての機能を果たすことから、本実施形態に係る波長選択光スイッチ１のように、出力ポートＰｏｕｔが複数設けられる場合に、隣接する出力ポートとの距離をより小さくすることができる。したがって、波長選択光スイッチ１の小型化を達成することが可能となる。

また、図４では、本実施形態に係る２領域位相レンズでは、ビーム中心とレンズ中心の距離が７５０μｍ〜１０００μｍとなる領域においても光強度が大きくなることが示されている。そこで、レンズにおいて透過光の位相が互いに異なる領域を２つではなく３つとして、この領域におけるピークを除去することも可能となる。

図５は、３つの領域から構成されるレンズの一例を示す図である。図５（Ａ）は、Ｚ軸方向に沿って分光手段２０側からレンズ１４Ａを見た図であり、図５（Ｂ）は、レンズ１４Ａの光軸０に沿った断面図である。図５に示すように、レンズ１４Ａは、３つの領域Ｒ１〜Ｒ３を含んで構成される。領域Ｒ１は、レンズ１４Ａの光軸０を中心とした円状であり、領域Ｒ１の外側に領域Ｒ２が設けられていて、さらにその外側に領域Ｒ３が設けられている。

レンズ１４と同様に、３領域からなるレンズ１４Ａにおいても、領域Ｒ１、領域Ｒ２及び領域Ｒ３の焦点が一致し、図５（Ｂ）に示す焦点ｆに設定されている。図１に示す波長選択光スイッチ１においてレンズ１４に代えてこのレンズ１４Ａを用いる場合であっても、焦点ｆが出力用光導波路１３の端面と一致して、レンズ１４Ａを透過した光が出力用光導波路１３の端面で結合するように設けられる。また、領域Ｒ１と領域Ｒ２、領域Ｒ２と領域Ｒ３は、それぞれ各領域の透過光の位相が互いに異なるように設定される。また、領域Ｒ１を透過した光と領域Ｒ２を透過した光との位相差は、１８０°±４５°であることが好ましく、領域Ｒ２を透過した光と領域Ｒ３を透過した光との位相差は、１８０°±４５°であることが好ましい。

上記の３領域からなるレンズ１４Ａを透過した後の光の強度の変化を図６に示す。図６で用いたレンズ１４Ａは、直径（有効径）が１０００μｍであり、領域Ｒ１の径を７００μｍであり、領域Ｒ２の径が９５０μｍであって、領域Ｒ１と領域Ｒ２とにおける透過光の位相差が１８０°であり、領域Ｒ２と領域Ｒ３とにおける透過光の位相差が１８０°である。このレンズ１４Ａを用いて、１／ｅ^２径が６００μｍのビーム光を照射した場合の透過光の強度の測定結果を示す。図６では、比較対象として、図４でも示したレンズ１４を用いた場合に透過光の強度を測定した結果を「２領域位相レンズ」として示している。

図６に示すように、２領域位相レンズであるレンズ１４を用いた場合と比較して、３領域位相レンズであるレンズ１４Ａを用いた場合、ビーム中心とレンズ中心の距離に応じた透過後の光の強度の低下については多少緩やかになるものの、距離７５０μｍ〜１０００μｍで発生した第２の光出力強度のピークがなくなる。このように、隣接する領域における透過光の位相が互いに異なる３つの領域からなるレンズを用いた場合であっても、ビーム中心とレンズ中心との距離が短い条件で光の強度を減衰させる可変光減衰器（ＶＯＡ）としての機能を果たすため、隣接する出力ポートとの距離をより小さくすることができ、波長選択光スイッチ１の小型化を達成することが可能となる。また、３領域位相レンズを用いることで、第２の光出力の強度のピークの発生を回避することができる。

以上、本実施形態に係る波長選択光スイッチについて説明したが、本発明に係る波長選択光スイッチは上記形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。

例えば、透過光の位相が互いに異なる２つの領域からなるレンズの、各領域の配置は適宜変更することができる。その例を図７に示す。図７（Ａ）〜（Ｄ）では、領域Ｒ１と領域Ｒ２との配置を変更した例を示している。図７（Ａ）は、円形のレンズの上部と下部のみに弓形の領域Ｒ２が設けられている。図７（Ｂ）は、領域Ｒ１が長方形であって、その周縁部に領域Ｒ２が設けられている。図７（Ｃ）は、領域Ｒ１が楕円形であり、その一方に三日月形の領域Ｒ２が設けられることで円形のレンズが形成されている。図７（Ｄ）は、図７（Ａ）のレンズと比較して弓形の領域Ｒ２が１つとなっているレンズである。このように、領域Ｒ１と領域Ｒ２との配置は、適宜変更することができ、ＭＥＭＳ等から構成される光路変更手段による光の光路の移動経路等に応じて設定することができる。

また、３つの領域からなるレンズであっても領域Ｒ１〜Ｒ３の配置や形状は適宜変更することができる。

１…波長選択光スイッチ、１０…入出力光学系、１１，１３…光導波路、１２，１４，１４Ａ…レンズ、２０…分光手段、３０…集光光学系、４０…光路変更手段、５０…制御手段。

Claims

１以上の入力ポートと複数の出力ポートとから構成される入出力光学系と、
前記入力ポートから出力される光を波長に応じて分光させる分光手段と、
前記分光手段により分光された光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系により集光された各波長の光の光路を変更する光路変更手段と、
を備え、
前記入出力光学系の出力ポートは、出力用光導波路と、当該出力用光導波路の端面に対応して設けられて前記光路変更手段により光路が変更された後に前記集光光学系及び前記分光手段を経た各波長の光を前記出力用光導波路の端面に入力するためのレンズと、を有し、
前記レンズは、透過後の光の位相が互いに異なる第１の領域と第２の領域とを備え、
前記第１の領域の径は、前記光路変更手段により光路が変更された光のビーム径よりも大きい
ことを特徴とする波長選択光スイッチ。
前記レンズにおける前記第１の領域及び前記第２の領域の焦点が一致することを特徴とする請求項１記載の波長選択光スイッチ。
前記レンズは、前記第１の領域及び前記第２の領域とは異なる第３の領域を備え、
前記第３の領域を透過した光の位相は、隣接する他の領域の透過後の光とは異なる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ。