JP6212456B2

JP6212456B2 - 波長選択スイッチ

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Publication number: JP6212456B2
Application number: JP2014182631A
Authority: JP
Inventors: 慶太山口; 成根本; 葉玉　恒一; 恒一葉玉; 山口　城治; 城治山口; 神　好人; 好人神
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: JP2016057407A

Description

本発明は、光通信システムのノード等に用いられる波長選択光スイッチに関する。

近年続く爆発的なネットワークトラフィックの増大を背景に、ネットワークの大容量化や低コスト化への要求が高まると同時に災害時にも通信を確保する高い信頼性を持ったネットワーク構築の重要性がより注目されている。これらの要求を満たすネットワーク構成である、ＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌａｄｄ／ｄｒｏｐｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）リングネットワークの導入が始まっている。このネットワーク下では光信号を電気信号に変換することなくパス切り替えを実現することで電力消費量の大きいＯＥＯ変換部を減らし、低コスト・低消費電力を両立しながら通信経路の冗長化を行うことが可能である。

ＲＯＡＤＭネットワーク中では光信号を波長ごとに多重化した波長分割多重通信（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘ）方式が採用され、波長ごとに方路を管理する必要がある。光ノードを構成する波長選択スイッチ（ＷＳＳ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈ）は任意の波長を任意の方路に切り替えることが可能であり、ＲＯＡＤＭネットワークのフレキシビリティ向上をもたらすキーデバイスとして注目されている。特に空間光学型ＷＳＳは多ポートの光路切り替えが可能であることから注目を集めている。

また、ネットワークの大容量化を目的として、ファイバー中の複数の伝搬モードを利用した空間多重伝送技術の研究開発も進められている。この伝送方式ではそれぞれの伝搬モードで個別の信号を伝送することにより、１つの伝搬モードのみを利用した場合や、伝搬する全ての伝搬モードで同一の信号を伝送するよりも伝送を大容量化することが可能となる。また、波長多重通信に空間多重伝送技術を適用することにより、さらなる大容量化を実現することができる。

ＲＯＡＤＭネットワーク内では、ＷＤＭ信号の光経路はＷＳＳを多段に通過していることから、個々のＷＳＳでのフィルター形状に影響を受けて光経路を透過できる波長成分は制限されるため、これが通過できるノード数を制限している。その為、個々のＷＳＳの透過帯域を広く保つことが求められている。それに加え、複数の伝搬モードを信号の伝搬に用いる空間多重伝送技術を適用する際には、複数の伝搬モード間のクロストークが問題となる。これは、伝搬モード毎に異なる信号を伝搬している場合、本来伝搬している信号に異なる信号が混入することにより信号特性を劣化させるためである。

図８に、従来の空間光学型ＷＳＳの構成を示す。図８（ａ）、図８（ｂ）は、それぞれ空間光学型ＷＳＳの側面図、上面図である。空間光学型ＷＳＳの基本的な光学系は入出力ポート群１００１、波長分散素子１００２、集光レンズ１００３、偏向素子アレイ１００４から構成されている。入射したＷＤＭ信号光は回折格子１００２で分光され、次にレンズ１００３を通して偏向素子アレイ１００４の各偏向素子に入射する。この入射した光を偏向素子により、ＷＤＭ信号のチャネルごとに偏向することで、接続ポートを切り替えている。

現在提案されている波長選択スイッチの構成では、波長分散軸にも各伝搬モード固有の光強度分布が存在し、偏向素子間に入射光がまたがった場合には一部の光が偏向できなくなり、伝搬モードの光強度分布を維持できなくなる。

上記のような理由で、伝搬モードの光強度分布が崩れると、他の伝搬モードへのモード間クロストークが発生するため、マルチモード伝搬を用いたＷＳＳでは偏向後に伝搬モードの光強度分布を維持できる領域で、各チャネルの透過帯域幅が制限される。

また、波長分散が連続である場合には、偏向素子の設置位置の変動により偏向する波長の設計値からのずれが発生する。そのため、ＷＳＳの偏向素子の設置位置の設計値からのずれや設置後の位置の変動に対するトレランスの条件が厳しくなる。

一方、回折次数を高くして短い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を持ち、周波数に対して回折角が周期的に変化することで回折角の変化が不連続になる波長分散素子も存在する。その代表例がＡｒｒａｙｅｄ−ＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）とＶｉｒｔｕａｌｌｙＩｍａｇｅｄＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙ（ＶＩＰＡ）である。両者ともに数十ＧＨｚという短いＦＳＲを実現することが可能であり、回折角はＦＳＲの周期で周期的に変化する。

これらの波長分散素子はチャネル内の分散補償などの用途に使われている例があるが、前述のチャネル境界の波長領域での特性劣化の問題を解決するものではない。

非線形な回折特性を持つ波長分散素子として、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）とＡＷＧを組み合わせた物が報告されているが、この例ではＭＺＩの透過帯域幅が狭いために広い透過帯域を確保することができないことが問題となる。

特開２０１０−１７５６４６号公報特開２０１０−１６０３５１号公報

R. Ryf et al., " Wavelength-Selective Switch for Few-Mode Fiber Transmission", ECOC 2013, paper PD1.C.4 H. Takahashi et al., "Arrayed-waveguide grating for wavelength division multi/demultiplexer with nanometre resolution", Electronics Letters, Vol 26, Issue: 2 pp.87-88 M. Shirasaki et al., "Dispersion Compensation Using The Virtually Imaged Phased Array", APCC/OECC'99, pp.1367-1370 D. M. Marom et al., "Nonlinear Spatial Dispersion Generation with a MZI-AWG for hybrid PLC-FSO Wavelength-Selective Switches and Wavelength Blockers", ECOC 2006, pp.1-2

上記のように、従来のＷＳＳでは、複数の伝搬モードを利用した空間多重技術を適用した場合、その内部の波長分散素子での回折角が波長に対して連続的に変化することから、チャネル境界の波長の光成分において、モード間クロストークが発生して信号特性の劣化が発生することで、実用に足る通信品質を保証できる波長成分が制限される。また、偏向素子の設置位置の変動により偏向できる波長が変化してしまうことから、その設置精度や位置変動トレランスが厳しくなっている。

偏向素子間領域の影響による透過帯域狭窄を抑制する方法として、波長分散を離散化する方法が挙げられる。離散的な波長分散を行う為の構成として、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）とＡＷＧを組み合わせた構成が報告されている。

しかしながら、ＭＺＩとＡＷＧによる上記の構成では波長分散素子では透過帯域特性の０．５ｄＢ帯域幅は４５％が限界となり、十分な透過帯域を確保することが出来ない。

他にも、導波路を用いた上記以外の波長分散の非線形化の手法としては、光モード合成カプラとＡＷＧや、ＡＷＧとＡＷＧ、多段のＭＺＩとＡＷＧを組み合わせる手法等（特許文献１、２参照）が報告されている。しかしながら、導波路を用いた際には、誘電体中を伝搬させるために挿入損失が大きいこと、導波路の基板に対して垂直方向と平行方向で作製時に発生する応力が異なることから偏波依存性が発生することなどが問題となる。これらは、ＷＳＳを透過するＷＤＭ信号を劣化させてしまうという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＷＳＳ内の波長分散素子の波長分散を離散的にすることで、偏向素子のチャネル境界の波長領域でのモード間クロストークおよび透過帯域の狭窄を抑制し、透過帯域の広い波長選択スイッチを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、波長選択スイッチであって、２つ以上の入出力ポートと、前記入出力ポートから入射された、高次の伝搬モードが多重化された入射光を、伝搬モード毎に波長分散する分散軸が一致した２つ以上の波長分散部と、前記２つ以上の波長分散部により離散的に波長分散された光を集光する集光素子と、前記集光素子により離散的に集光された光をそれぞれ偏向し、前記集光素子、前記２つ以上の波長分散部を介して前記入出力ポートに入射する偏向部と、を備え、前記２つ以上の波長分散部の内、少なくとも１つの第１の波長分散部は、自由スペクトル領域が他の第２の波長分散部よりも短く、波長分散が他の前記第２の波長分散部と逆方向であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記２つ以上の波長分散部は、波長の変化に対する回折角の変化が前記２つ以上の波長分散部全体として一定となる波長領域を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記偏向部は、偏向方向を個別に制御可能な２つ以上の偏向領域を含み、離散的に集光された光の集光位置の間隔と前記偏向領域の間隔とが一致することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至２のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記第１の波長分散部は、２つ以上のＡＷＧを含むことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記第１の波長分散部は、ＶＩＰＡを含むことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の波長選択スイッチにおいて、前記ＶＩＰＡへの入射光を整形するビーム整形素子をさらに備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記第１の波長分散部から出射された光の角度を調整するレンズ系をさらに備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記第１の波長分散部の自由スペクトル領域は、前記入出力ポートに入力されるＷＤＭ信号のグリッド間隔に一致することを特徴とする。

本発明は、ＷＳＳにおいて、偏向素子のチャネル境界の波長領域でのモード間クロストークおよび透過帯域の狭窄を抑制し、透過帯域を広くする効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。（ａ）は回折格子の分散特性を示す図であり、（ｂ）は周波数に対して周期的に回折角が変化する波長分散素子の分散特性を示す図であり、（ｃ）は波長分散が逆方向となるように設置された２種類の波長分散素子の分散特性を示す図であり、（ｄ）は波長分散が逆方向となるように設置され、波長分散が完全に相殺された２種類の波長分散素子の分散特性を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。本発明の第５の実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す図である。ＶＩＰＡの原理を説明する図である。（ａ）は従来の空間光学型ＷＳＳの構成を示す側面図であり、（ｂ）はその上面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、全図を通して同一の符合は同一または相当部分を示すものとする。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態に関る光学系は、入出力ポート群１０１、マイクロレンズアレイ１０２、波長分散の方向が後述の回折格子１０４とは反対であり回折格子１０４よりも短いＦＳＲを持つ波長分散素子１０３、回折格子１０４、回折格子１０４からの出射光を集光するレンズ１０５、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６がこの順に配置されている。

まず入出力ポート群１０１に入力された複数の伝搬モードを含んだ光信号は、マイクロレンズアレイ１０２を経てコリメート光として空間に出射され、波長分散素子１０３に入射する。波長分散素子１０３に入射した光は、波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて、回折格子１０４に入射する。この時、波長分散素子１０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子１０４での波長分散が周期的に相殺される。回折格子１０４からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺により波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ１０５で集光することにより、偏向素子アレイ１０６上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。ＭＥＭＳミラーアレイ１０６により反射角が変化した光は再びレンズ１０５、回折格子１０４、波長分散素子１０３、マイクロレンズアレイ１０２を通過して、入出力ポート群１０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

尚、本実施形態ではＦＳＲが短い波長分散素子１０３を先に配置したが、回折格子１０４との順番が反対でも本発明の効果に変わりはない。

ここで、本発明の波長分散部について説明する。図２（ａ）に、ＷＳＳで用いられる代表的なバルクの波長分散素子である回折格子の分散特性を示し、図２（ｂ）に、周波数に対して周期的に回折角が変化する波長分散素子の分散特性を示す。回折格子１０４は通常、数ＴＨｚから数百ＴＨｚオーダのＦＳＲを持ち、光の周波数に対して連続的に回折角が変化する（図２（ａ））。それに対し、高い次数の回折光を利用することでＦＳＲが短い波長分散素子１０３では、そのＦＳＲの周期で、周波数に対して周期的に回折角が変化する（図２（ｂ））。

これら２種類の波長分散素子を波長分散が逆方向となるように設置することで、回折格子１０４による波長分散を周期的に打ち消し、波長分散素子１０３のＦＳＲの周期で回折角が波長に対して離散化する（図２（ｃ））。この回折角が離散化する波長を、チャネル境界に合わせることで、チャネルごとに回折角を分離することが可能となり、レンズ１０５により集光した際にはチャネルごとに分離してＭＥＭＳミラーアレイ１０６の各ミラー上に集光される。

ＷＳＳの特性を改善するための、本発明のＷＳＳの波長分散部における波長分散離散化の条件は以下の３つである。

条件１．レンズ１０５で集光した光がＭＥＭＳミラーアレイ１０６のミラー間のギャップに入らないこと
条件２．離散化した集光位置の間隔がＭＥＭＳミラーアレイ１０６のミラーピッチに一致していること
条件３．波長分散素子１０３のＦＳＲがＷＤＭ信号のグリッド間隔に一致していること

条件１について説明する。前述のように回折格子１０４と回折格子１０４よりもＦＳＲが短い波長分散素子１０３を組み合わせることで、図２（ｃ）のような離散的な波長分散を得ることが出来る。さらに、離散化された際のチャネル内の集光位置の変化が、集光した光がＭＥＭＳミラーアレイ１０６のミラー間のギャップに入射しない範囲であれば、このＷＳＳがミラー間のギャップによる影響や透過帯域の制限を受けることがなくなる。

次に条件２について説明する。集光位置が離散化された際には、各チャネルに対応した波長は全て同じ位置に集光することになるため、それら光は各チャネルに対応したＭＥＭＳミラーアレイ１０６の各ミラー上に集光する必要がある。よって、離散化された集光位置の間隔は、偏向素子であるＭＥＭＳミラーアレイ１０６のミラーピッチに一致している必要がある。

最後に条件３について説明する。前述のとおり、回折格子１０４と回折格子１０４よりもＦＳＲが短い波長分散素子１０３の組み合わせにより波長分散を離散化する際には、離散化される波長間隔は波長分散素子１０３のＦＳＲに従う。ＷＳＳとして利用する際には、この離散化により各波長チャネルを分離しなければならない為、波長分散素子１０３のＦＳＲはＷＤＭ信号のグリッド間隔に一致させる必要がある。

上記の条件１〜３を満たすことにより、ＷＤＭ信号を波長チャネル毎に分離し、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６のミラー間の境界領域やミラー間ギャップの影響を受けずに方路の切り替えを行うことが可能となり、透過帯域が波長に対して変化しない矩形のフィルター形状を持つことができる。これにより、広帯域化が可能となる。

また、常に各チャネルに対応する偏向素子の中心に光が集光するため、偏向素子間の境界領域で発生する制御できない波長成分がなくなることから、偏向素子間の境界領域に由来する迷光等の特性劣化を抑制することが出来る。同時に、集光した光がそのチャネルに対応した偏向素子から出ない範囲であれば、偏向素子、ここではＭＥＭＳミラーアレイ１０６の配置位置がずれたとしても光学的な影響が発生しない。

このような効果は図２（ｃ）のように２種類の分散能が一致していない場合でも同様であるが、特に、２種類の波長分散素子の分散能が図２（ｄ）のように、チャネル毎に、対応する波長領域内において完全に相殺される場合には、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６の設置トレランスの拡大や、素子サイズの縮小などの効果がさらに期待できる。

尚、高次の伝搬モードが多重化された信号を波長分散素子でモード毎に分離した場合、レンズ焦点でのビーム径はモード毎に異なる。また、モード毎に分離された高次の伝搬モードのビームが部分的に削れるなどしてビーム形状が変わると、モード間クロストークが発生する。そのため、高次の伝搬モードが多重化された信号を入射光として利用する場合、各モードのビームが対応する各偏向素子に収まるよう注意が必要である。

また２種類の波長分散素子は、それぞれ複数の回折の組合せでも良く、たとえば波長分散素子１０３、回折格子１０４は、それぞれ２枚の波長分散素子を組み合わせた構成でも問題ない。その場合、組み合わせた最終的な回折角が離散的になるように各波長分散素子を設定すればよい。

上記のように、ＷＳＳの波長分散部としてバルクの波長分散素子と、それとは逆方向の波長分散を持った波長分散素子を組み合わせることにより、偏向素子の中心にのみ光を集光することが可能となり、偏向素子間に入射する波長成分の光による特性劣化を抑制することが出来る。また、導波路構造の際に問題となる挿入損失や偏波依存性を抑制することが可能となる。

尚、本実施形態では偏向素子として、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６を用いたが、ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの他の空間光変調器を用いた時も同様の効果を得ることが出来る。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態に関る光学系は、入出力ポート群３０１、マイクロレンズアレイ３０２、波長分散の方向が後述の回折格子３０６とは反対であり回折格子３０６よりも短いＦＳＲを持つ波長分散素子３０３、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ３０４、３０５、回折格子３０６、回折格子からの出射光を集光するレンズ３０７、ＭＥＭＳミラーアレイ３０８がこの順に配置されている。

まず入出力ポート群３０１に入力された光信号は、マイクロレンズアレイ３０２を経てコリメート光として空間に出射され、波長分散素子３０３に入射する。波長分散素子３０３に入射した光は、波長分散素子３０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ３０４、３０５によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子３０６に入射する。この時、波長分散素子３０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子３０６での波長分散が周期的に相殺される。

回折格子３０６からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺により波長分散素子３０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ３０７で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ３０８上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。ＭＥＭＳミラーアレイ３０８により反射角が変化した光は再びレンズ３０７、回折格子３０６、レンズ３０５、３０４、波長分散素子３０３、マイクロレンズアレイ３０２を通過して、入出力ポート群３０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

本実施形態ではＦＳＲが短い波長分散素子３０３を先に配置したが、回折格子３０６との順番が反対でも本発明の効果に変わりはない。

２種類の波長分散素子は、それぞれ複数の回折の組合せでも良く、たとえば波長分散素子３０３、回折格子３０６は２枚の波長分散素子を組み合わせた構成でも問題ない。その場合、組み合わせた最終的な回折角が離散的になるように各波長分散素子を設定すればよい。

次に、短いＦＳＲを持つ波長分散素子３０３と回折格子３０６の波長分散の大きさをレンズ３０４、３０５により調整する手法について説明する。一般的に、ＦＳＲが短い波長分散素子３０３の方が波長分散能は大きくなるため、回折格子３０６の波長分散能と組み合わせて分散角を相殺させるには、実施形態１で述べた条件１の設計条件が厳しくなる。

そこで、ＦＳＲが短い波長分散素子３０３と回折格子３０６の間にレンズ３０４、３０５を追加し、分散角を拡大・縮小する機能を追加する。ＦＳＲが短い波長分散素子３０３と、回折格子３０６の波長分散能の比から、レンズ３０４、３０５の焦点距離の比を式（１）のように設定することで、波長分散を相殺し、偏向素子アレイ、ここではＭＥＭＳミラーアレイ３０８中の各チャネルに対応した偏向素子の中心部にのみ光を集光させることが可能となる。

ここで、ｆ１、ｆ２はそれぞれレンズ３０４、３０５の焦点距離、（ｄθ／ｄλ）_ｇ１はＦＳＲが短い波長分散素子３０３の波長分散能、（ｄθ／ｄλ）_ｇ２は回折格子３０６の波長分散能である。

式（１）を満たすレンズ３０４、３０５を挿入する事により、波長分散離散化の条件１を満たすことができる。

尚、本実施形態では偏向素子として、ＭＥＭＳミラーアレイ３０８を用いたが、ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの他の空間光変調器を用いた時も同様の効果を得ることが出来る。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係る波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態は、入出力ポート群４０１、波長分散の方向が後述の回折格子４０５とは反対であり回折格子４０５よりも短いＦＳＲを持つ積層されたＡＷＧアレイ４０２、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ４０３、４０４、回折格子４０５、回折格子４０５で回折された光を集光するレンズ４０６とＭＥＭＳミラーアレイ４０７がこの順に配置されている。

本実施形態における説明では、波長分散を調整するレンズにはレンズ４０３、４０４を２枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。また、波長分散の大きさがＡＷＧアレイ４０２と回折格子４０５で同じ場合には、レンズ４０３、４０４を配置する必要はない。

また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子４０５を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いても問題はない。

ＡＷＧアレイ４０２は複数（ｎ個）のＡＷＧを積層しており、順番に、ＡＷＧ４１２−１、ＡＷＧ４１２−２、、、、ＡＷＧ４１２−ｎが積層されている。説明のために、入力ポートをＡＷＧ４１２−１、出力ポートはＡＷＧ４１２−２、、、、ＡＷＧ４１２−ｎとする。以下の説明では、出力ポートとしてＡＷＧ４１２−２を選択した場合の動作について説明する。

まず入出力ポートに入力された光はＡＷＧ４１２−１に入射され、ＡＷＧ４１２−１を経てＡＷＧ４０２−１のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ４０３、４０４によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子４０５に入射する。この時、ＡＷＧ４１２−１での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子４０５での波長分散が周期的に相殺される。

回折格子４０５からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＡＷＧ４１２−１のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ４０６で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ４０７上での集光位置は波長に対して離散的に変化し、各チャネルに対応したＭＥＭＳミラーの中心部にのみ集光する。

ＭＥＭＳミラーアレイ４０７により反射角が変化した光は再びレンズ４０６、回折格子４０５、レンズ４０４、５０３、入力とは異なるＡＷＧ４１２−２を通過して、入出力ポート群４０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

本実施形態においては、ＡＷＧ４１２−１を用いて周期的な波長分散を発生させることにより、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子４０５の波長分散を周期的に相殺することで、回折格子４０５での回折角が離散的になり、ＭＥＭＳミラーアレイ４０７の各ミラーの中心部にのみ光を集光させ、ミラーエッジでの透過帯域の狭窄化などを回避できる。また、ＡＷＧ４１２−１と回折格子４０５の波長分散の大きさを、レンズ４０３、４０４で調整することができる。

波長分散の大きさを調整する為のレンズ４０３の焦点距離ｆ１とレンズ４０４の焦点距離ｆ２の比は、ＡＷＧ４１２−１の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子４０５の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすよう設定する。

ＷＤＭ信号のグリッド間隔は、一般的に数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚが用いられる。このような短いＦＳＲを実現するためには、高い次数の回折光を利用する必要があるが、高い次数の回折を発生させる波長分散素子として、ＡＷＧを用いることができる。また、ＡＷＧを用いることにより、同様に周期的な変動があるマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を用いるよりも、透過帯域の平坦性を高く保つことができ、広い透過帯域を実現可能である。

また、回折格子４０５としてバルクの波長分散素子を用いることにより、すべての波長分散素子を導波路構造で作製するよりも挿入損失、偏波依存性を回避することができる。

回折格子４０５の分散能が完全に相殺される場合には、偏向素子アレイ４０７の設置トレランスの一層の拡大や、素子サイズの縮小などの効果がさらに期待できる。

ＡＷＧアレイ４０２に代わりＶｉｒｔｕａｌＩｍａｇｅｄＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙ（ＶＩＰＡ）を用いることで、本構成と同様の効果を持ちながら、入力ポートを多ポート化することが容易となる。次の実施形態４にて詳細を説明する。

また、本実施形態では偏向素子として、ＭＥＭＳミラーアレイ４０７を用いたが、ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの他の空間光変調器を用いた時も同様の効果を得ることが出来る。

（実施形態４）
図５に、本発明の実施形態４に係る波長選択スイッチの構成を示す。図５（ａ）、図５（ｂ）は、それぞれ波長選択スイッチの上面図と側面図である。本実施形態は入出力ポート群５０１と、波長分散の方向が後述の回折格子５０５とは反対であり回折格子５０５よりも短いＦＳＲを持つＶＩＰＡ５０２、波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ５０３、５０４、回折格子５０５、回折格子５０５で回折された光を集光するレンズ５０６とＭＥＭＳミラーアレイ５０７がこの順に配置されている。

本実施形態における説明では波長分散を調整するレンズにはレンズ５０３、５０４を２枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。また、波長分散の大きさがＶＩＰＡ５０２と回折格子５０５で同じ場合には、レンズ５０３、５０４を配置する必要はない。また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子５０５を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いても問題はない。

本実施形態の動作は、入出力ポート５１１−１に関与する機能部を例として、以下のとおりである。まず入力ポート５０１−１に入力された光信号は、ＶＩＰＡ５０２を経てＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ５０３、５０４によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子５０５に入射する。

この時、ＶＩＰＡ５０２での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子５０５での波長分散が周期的に相殺される。回折格子５０５からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＶＩＰＡ５０２のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ５０６で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ５０７上での集光位置は波長に対して離散的に変化し、各チャネルに対応した偏向素子の中心部にのみ集光する。

偏向素子アレイ、ここではＭＥＭＳミラーアレイ５０７により反射角が変化した光は、再びレンズ５０６、回折格子５０５、レンズ５０４、５０３、ＶＩＰＡ５０２を通過して、入出力ポート群５０１中の入力ポートとは異なるポートに結合される。

図７に、ＶＩＰＡの原理を説明する図を示す。ＶＩＰＡ７０１に入射した光は、ＶＩＰＡ７０１内で内部反射による一定の光路長差が付きながら、ＶＩＰＡ出射面から繰り返し段階的に出射する。各出射光の光路長差により、ＶＩＰＡ７０１の出射面では波長ごとに異なる角度で波面が揃うことで、波長分散素子として働く。出射光同士の光路長差はＶＩＰＡ７０１の板厚、設置角度、硝材などで制御することが可能であり、光路長差が長いほどＦＳＲが短くなる。

本実施形態においては、ＶＩＰＡ５０２を用いて周期的な波長分散を発生させ、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子５０５の波長分散を周期的に相殺することで、回折格子５０５での回折角を離散的にしてＭＥＭＳミラーアレイ５０７の各ミラーの中心部にのみ光を集光させ、ミラーエッジでの透過帯域の狭窄化などを回避できる。また、ＶＩＰＡ５０２と回折格子５０５の波長分散の大きさ、レンズ５０３、５０４で調整することができる。さらに、１つのＶＩＰＡ５０２を複数の入力ポート群５０１で共有することができる。

波長分散の大きさを調整する為のレンズ５０３の焦点距離ｆ１とレンズ５０４の焦点距離ｆ２の比は、ＶＩＰＡ５０２の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子５０５の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすように設定する。

また、ＶＩＰＡ５０２はＡＷＧ同様、高い次数の回折を発生させる波長分散素子である。よって、ＶＩＰＡ５０２の波長分散の方向が回折格子５０５と逆方向になるように配置することにより、ＷＤＭ信号のグリッド間隔のような短い周期での波長分散の離散化を得ることが可能である。

また、ＷＳＳには多くの入出力ポートを同時に処理する機能が求められており、入出力ポートには多ポート化が求められる。ＡＷＧ等の導波路構造を持つ波長分散素子を用いて複数のポートを構成させる場合には、その導波路を基板に対して平行に並べて作製するか、垂直に重ねて作製する必要がある。

しかしながら、導波路構造を基板に平行に並べる方法はデバイスの面積が巨大化してしまうため、多ポート化には不向きである。同時に、導波路構造を多層化する際には、積層などでの層ごとの特性の変化などが問題となる。

一方、導波路構造を持たないＶＩＰＡ５０２では光を局所的に閉じ込めることがないため、１つのＶＩＰＡ５０２に複数の入出力ポート５１１を配置することが可能である。複数のポートから入射した光は波長チャネル毎に離散的に分光され、ＭＥＭＳミラーアレイ５０７中の各波長チャネルに対応した偏向素子の中心部にのみ集光される。

よって、高い次数を発生させるＶＩＰＡ５０２とバルクの波長分散素子、ここでは回折格子５０５を組み合わせることにより、波長分散を離散化してＭＥＭＳミラーアレイ５０７の各ミラーの中心部にのみ集光させると同時に、多ポート化を行うことが容易となる。導波路構造を利用せずに波長分散を離散化することが可能なため、挿入損失や偏波依存性を抑制することもできる。

（実施形態５）
図６に、本発明の実施形態５に係る波長選択スイッチの構成を示す。本実施形態は、入出力ポート群６０１と、ＶＩＰＡ６０３へ入射する光のプロファイルを整形するビーム整形素子６０２、波長分散の方向が後述の回折格子６０６とは反対であり回折格子６０６よりも短いＦＳＲを持つＶＩＰＡ６０３、上記の波長分散素子間の波長分散の大きさを調整するために配置された２枚のレンズ６０４、６０５、回折格子６０６と、回折格子６０６で回折された光を集光するレンズ６０７とＭＥＭＳミラーアレイ６０８がこの順に配置されている。

本実施形態では偏向素子として、ＭＥＭＳミラーアレイ６０８を用いたが、ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ（ＬＣＯＳ）などの他の空間光変調器を用いた時も同様の効果を得ることが出来る。

本実施形態における説明では波長分散を調整するレンズには、レンズ６０４、６０５を２枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。また、波長分散の大きさがＶＩＰＡ６０３と回折格子６０６で同じ場合には、レンズ６０４、６０５を配置する必要はない。

また、本実施形態における説明ではバルクの波長分散素子として回折格子６０６を１枚のみを用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば複数のどのようなバルクの波長分散素子の組み合わせでも良く、またどのような配置を用いても問題はない。

まず入出力ポート６１１−１に入力された光信号は、ビーム整形素子６０２を経てｓｉｎｃ関数形状のビームとしてＶＩＰＡ６０３に入射される。その後、ＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で周期的な回折を受けて空間に出射される。周期的な回折を受けた光はレンズ６０４、６０５によって波長に対する回折角の変化量が拡大もしくは縮小され、回折格子６０６に入射する。この時、ＶＩＰＡ６０３での波長に対する周期的な回折角の変化により、回折格子６０６での波長分散が周期的に相殺される。回折格子６０６からの出射角は、前述の周期的な波長分散の相殺によりＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で離散化された回折角となる。この光をレンズ６０７で集光することにより、ＭＥＭＳミラーアレイ６０８上での集光位置は波長に対して離散的に変化する。

また、ＶＩＰＡ６０３への入射光のフーリエ変換が波長に対する光強度の分布形状となるため、ＶＩＰＡ６０３への入射光をｓｉｎｃ関数形状にしたことで、離散化された後の波長に対する光強度分布の形状は矩形になり、光強度の波長依存性は抑制され、平坦で広い透過帯域を獲得することが出来る。偏向素子アレイ、ここではＭＥＭＳミラーアレイ６０８により反射角が変化した光は再びレンズ６０７、回折格子６０６、レンズ６０５、６０４、ＶＩＰＡ６０３、ビーム整形素子６０２を通過して、入出力ポート群６０１中の入力ポート６１１−１とは異なるポートに結合される。

本実施形態においては、ＶＩＰＡ６０３を用いて周期的な波長分散を発生させることにより、代表的なバルクの波長分散素子である回折格子６０６の波長分散を周期的に相殺することで、回折格子６０６での回折角を離散的にし、各チャネルに対応するＭＥＭＳミラーアレイ６０８の各ミラーの中心部にのみ集光することで、ミラーエッジでの透過帯域の狭窄化などを回避できる。また、ビーム整形素子６０２により、光強度の波長依存性を低減することで、平坦で広い透過帯域事を得ることが出来る事が特徴である。

波長分散の大きさを調整する為のレンズ６０４の焦点距離ｆ１とレンズ６０５の焦点距離ｆ２の比は、ＶＩＰＡ６０３の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ１と回折格子６０６の波長分散能（ｄθ／ｄλ）_ｇ２として式（１）を満たすように選ぶ。

波長分散は、ＶＩＰＡ６０３のＦＳＲの周期で離散化される。よって、光通信で用いられるＷＤＭ信号のグリッド間隔に一致したＦＳＲを持つＶＩＰＡ６０３を利用することで、ＷＤＭ信号の波長チャネルを離散的に分離することが可能となる。

また、ＶＩＰＡ６０３を用いた場合、ＶＩＰＡ６０３からレンズを１枚透過した後の出射光強度の波長依存性はＶＩＰＡ６０３への入射光形状に依存する。具体的には、ＶＩＰＡ６０３への入射光形状をフーリエ変換した形状が、ＦＳＲ１周期内の出射光強度の波長依存性プロファイルとなる。図７に示すように、ＶＩＰＡへの入射光形状が一般的に用いられるガウシアンビームである場合、出射光強度の波長依存性はガウス分布となる。そのため、分散角を離散化し、ＭＥＭＳミラーアレイの各ミラーの中心部にのみ集光した場合でも、チャネル内の強度が波長依存性を持ち、これが特性の劣化を引き起こす。

波長依存性がフラットになるよう改善するためには、ＶＩＰＡ６０３への入射光形状が矩形関数の逆フーリエ変換であるｓｉｎｃ関数になるように整形することが有効である。ビーム形状の整形手法として、ビームシェイパーやホログラム技術などが挙げられる。本実施形態では、単一の素子として光のプロファイルを整形するビーム整形素子６０２を記述したが、ビームシェイパーやホログラム素子、レンズ等の組み合わせによりｓｉｎｃ関数形状のビームを作製してもよい。

例えば、ガウシアンビームを矩形に変形させるビームシェイパーを用いる場合、矩形ビームを生成したのちにレンズによるフーリエ変換作用を利用し、ｓｉｎｃ関数形状の入射光を生成する。このようなＶＩＰＡ入射光形状の整形により、ＭＥＭＳミラーアレイの各ミラー上に集光した光強度の波長依存性が低減され、透過帯域を広くフラットに保つことが出来る。

１０１、３０１、４０１、５０１、６０１、１００１入出力ポート群
１０２、３０２マイクロレンズアレイ
１０３、３０３、１００２波長分散素子
１０４、３０６、４０５、５０５、６０６回折格子
１０５、３０４、３０５、３０７、４０３、４０４、４０６、５０３、５０４、５０６、６０４、６０５、６０７、７０２、１００３レンズ
１０６、３０７、４０７、５０７、６０８、１００４ＭＥＭＳミラーアレイ
４０２ＡＷＧアレイ
４１２ＡＷＧ
５０２、６０３、７０１ＶＩＰＡ
５１１入出力ポート
１００４偏向素子アレイ

Claims

２つ以上の入出力ポートと、
前記入出力ポートから入射された、高次の伝搬モードが多重化された入射光を、伝搬モード毎に波長分散する分散軸が一致した２つ以上の波長分散部と、
前記２つ以上の波長分散部により離散的に波長分散された光を集光する集光素子と、
前記集光素子により離散的に集光された光をそれぞれ偏向し、前記集光素子、前記２つ以上の波長分散部を介して前記入出力ポートに入射する偏向部と、
を備え、前記２つ以上の波長分散部の内、少なくとも１つの第１の波長分散部は、自由スペクトル領域が他の第２の波長分散部よりも短く、波長分散が他の前記第２の波長分散部と逆方向であることを特徴とする波長選択スイッチ。
前記２つ以上の波長分散部は、波長の変化に対する回折角の変化が前記２つ以上の波長分散部全体として一定となる波長領域を有することを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
前記偏向部は、偏向方向を個別に制御可能な２つ以上の偏向領域を含み、離散的に集光された光の集光位置の間隔と前記偏向領域の間隔とが一致することを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
前記第１の波長分散部は、２つ以上のＡＷＧを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記第１の波長分散部は、ＶＩＰＡを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記ＶＩＰＡへの入射光を整形するビーム整形素子をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチ。
前記第１の波長分散部から出射された光の角度を調整するレンズ系をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記第１の波長分散部の自由スペクトル領域は、前記入出力ポートに入力されるＷＤＭ信号のグリッド間隔に一致することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の波長選択スイッチ。