JP6238361B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、波長選択スイッチに関するものである。

近年の光通信では、一つの波長に一つの光信号を対応させて波長多重するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術により、一本の光ファイバを使って大容量の光伝送が行えるようになっている。そして、このＷＤＭ技術とパス管理の技術を組み合わせることにより、超高速・大容量の伝送ネットワークを実現するＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop multiplexer）システムが注目を浴びている。このＲＯＡＤＭシステムは、ネットワークをリング型として各ノードで光信号のアド・ドロップを行うと共にその必要がないものは光信号のまま通過させるため、ノード装置の小型化と低消費電力化が実現できる。このようなＲＯＡＤＭシステムの基幹デバイスの一つに、波長選択スイッチ（ＷＳＳ（Wavelength Selective Switch））がある。

従来の波長選択スイッチの一例を図７に示す。この図７に示す波長選択スイッチ１００は、入力用のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating））１１１と出力用のＡＷＧ１１２を含む平面光回路（ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit））１１０と、ＡＷＧ１１１，１１２と対向配置された集光レンズ１２０と、この集光レンズ１２０と対向配置された液晶スイッチ１３０とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。

入力用のＡＷＧ１１１から一斉出力された光信号は、波長毎に異なる同位相面を備えているので、波長毎に伝搬する方向が異なる。よって、入力用のＡＷＧ１１１は波長毎に出射角度が異なる角度分散特性を備えた分光器として作用する。したがって、入力用のＡＷＧ１１１によって分光された光信号が集光レンズ１２０を通って液晶スイッチ１３０上に結像する位置は波長毎に異なる。そして、液晶スイッチ１３０上で集光された光信号が液晶スイッチ１３０の底面に設けられた反射板で反射され、液晶スイッチ１３０が備える複屈折機能によってその反射角度が変化する。これによって、光信号をある特定の出力用のＡＷＧ１１２へと選択的に光結合させることが可能となる。これら一連の作用によって、光信号を波長毎に任意の出力用のＡＷＧ１１２へと光結合させ、光学系全体として波長選択スイッチ（ＷＳＳ）としての機能を得ることができる。このとき、出力用のＡＷＧ１１２の数をＮ個とすると、１入力Ｎ出力の機能を有する１×Ｎ−ＷＳＳが実現できる。

特開２０１０−１１７５６４号公報

しかしながら、入力用のＡＷＧから出射される光信号の出射角度は、波長毎に異なるものその大きさに限界があった。このため、液晶スイッチ面上において波長毎に焦点位置を分離させるためには比較的焦点距離が長い集光レンズを必要とするので、結果として、光学系全体の小型化に限界があった。

また、平面光回路に集積できるＡＷＧの数量は平面光回路の基板や波長選択スイッチ本体の大きさに依存するので、光学系全体の小型化と共にポートの数量を増加することが困難であった。
さらに、集光レンズは、ＡＷＧに対応して設けられるのでＡＷＧの数が増えると大きくしなければならないが、集光レンズの屈折率の温度依存性により、レンズの大形化には限界がある。このため、実用レベルでの波長選択スイッチのポート数の拡大には限界があり、１入力Ｎ出力の機能を有する１×Ｎ−ＷＳＳにおけるＮ値は９に留まるのがこれまで一般的であった。また、ＡＷＧの代わりに多芯光ファイバとプリズムを用いた場合でも、この限界は不可避のままであった。

そこで、本発明は、小型化を実現できる波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る波長選択スイッチは、板状の第１の反射鏡と、この第１の反射鏡と所定間隔離間して対向配置され、第１の反射鏡よりも反射率が高い第２の反射鏡とを有する少なくとも一つの中空光導波路と、中空光導波路の第１の反射鏡と対向配置されている反射部と、中空光導波路の第１の反射鏡と反射部との間に配設され、焦点距離がｆ１であり、中空光導波路の第１の反射鏡と反射部とを結ぶ第１の軸に対して垂直な第２の軸の方向に集光する第１のレンズと、中空光導波路の第１の反射鏡と反射部との間に配設され、焦点距離がｆ１と異なるｆ２であり、第１の軸および第２の軸に対して垂直な第３の軸の方向に集光する第２のレンズとを備え、中空光導波路が有する第１の反射鏡の、反射部に対向する側の面には、光信号をこの光信号の波長に応じた出射角度で出射する出射部と、反射部により反射された光信号を受光する受光部とが形成され、中空導波路が有する第１の反射鏡の一側端に、外部から光信号が入力される光信号入力ポートおよび光信号を外部に出力する光信号出力ポートが形成され、出射部は、光信号入力ポートに入力された光信号をこの光信号の波長に応じた出射角度で第２の軸の方向に変化させて出射し、反射部は、出射部から入射した光信号を所定の方向に反射し、受光部は、受光した光信号を光信号出力ポートに導波させ、第１のレンズは、出射部および受光部からｆ１の位置に配設され、第２のレンズは、出射部、受光部および反射部からｆ２の位置に配設されることを特徴とするものである。

上記波長選択スイッチにおいて、出射部および受光部は、第２の軸の方向に並設されるようにしてもよい。

また、上記波長選択スイッチにおいて、中空光導波路は、内部に設けられた活性領域と、この活性領域に電流を供給する電極とをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、出射部を第１のレンズの焦点距離ｆ１と異なる位置に配置するので、出射部と第１のレンズとの距離を短くすることができ、結果として、小型化を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る波長選択スイッチの構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１の平面図である。 図３は、図１の側面図である。 図４は、反射部の構成を模式的に示す図である。 図５は、波長を多重した光信号を用いた場合の図１の側面図である。 図６は、出射部および光入力ポートの具体例を示す側面図である。 図７は、従来の波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜波長選択スイッチ１の構成＞
図１〜図３に示すように、本実施の形態に係る波長選択スイッチ１は、複数の光信号入力ポート２と、この光信号入力ポート２毎に設けられた出射部３と、この出射部３と対向配置された第１のレンズ４と、この第１のレンズ４と対向配置された第２のレンズ５と、この第２のレンズ５と対向配置された反射部６と、出射部３と並設された受光部７と、この受光部７毎に設けられた光信号出力ポート８とを備えている。
ここで、光信号入力ポート２、出射部３、第１のレンズ４、第２のレンズ５および反射部６は、図２，図３に示すように、この順番でＺ軸方向に沿って配置されている。また、光信号入力ポート２と光信号出力ポート８とは、Ｚ軸に垂直なＸ軸の方向に並設されている。同様に、出射部３と受光部７も、Ｘ軸の方向に併設されている。

光信号入力ポート２は、例えば光ファイバ等を介して外部から光信号が入力される光入力端子である。光信号入力ポート２の数量は、外部から波長選択スイッチ１に入力される光信号の数量に対応する。このような光信号入力ポート２は、外部から入力された光信号を出射部３に導波させる。

出射部３は、入射した光信号を波長に応じて出射角を変化させて出射する偏向素子である。このような出射部３は、光信号入力ポート２から導波してきた光信号を、その光信号の波長に応じてＹ軸の方向に変化させる。

第１のレンズ４は、焦点距離がｆ１であり、Ｘ軸方向のみに集光するシリンドリカルレンズからなる。この第１のレンズ４は、出射部３から焦点距離ｆ１の位置に配置される。

第２のレンズ５は、焦点距離がｆ２であり、Ｙ軸方向のみに集光するシリンドリカルレンズからなる。その焦点距離ｆ２は、第１のレンズ４の焦点距離ｆ１とは異っており、本実施の形態では焦点距離ｆ１よりも長くなっている。このような第２のレンズ５は、出射部３および受光部７と反射部６との間に、それぞれから焦点距離ｆ２の位置に配置される。

反射部６は、入射した光信号を所定の方向に反射する反射装置である。この反射部６としては、例えば、入射した光信号の位相を変調して所定の方向に反射する液晶スイッチ（例えば、特許文献１参照。）やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラーなどからなる。本実施の形態において、反射部６は、図４に示すように、Ｘ軸およびＹ軸方向に沿って２次元的に配列された複数の反射素子６１から構成されている。各反射素子６１は、入射した単一波長の信号光または所定の波長帯の光信号を、任意の方向に反射する。
ここで、反射素子６１のＸ軸（光入出力ポート軸）方向の配置は、光信号入力ポート２および光信号出力ポート８の位置に対応するように設定されてる。一方、反射素子６１のＹ軸（波長軸）方向の配置は、入射する光信号の波長に対応するように設定されている。
このような反射部６は、第１のレンズ４からこの第１のレンズ４の焦点距離ｆ１とは異なる位置であり、かつ、第２のレンズ５からこの第２のレンズ５の焦点距離ｆ２の位置に配設される。

受光部７は、光信号を受光する受光素子である。このような受光部７は、入射した光信号を対応する光信号出力ポート８へと導波させる。

光信号出力ポート８は、受光部７から導波してきた光信号を外部へと伝達する光出力端子である。

＜波長選択スイッチの動作＞
次に、本実施の形態に係る波長選択スイッチ１の動作について説明する。なお、以下においては、光信号入力ポート２および光信号出力ポート８をそれぞれ複数設け、光信号入力ポート２ａに光信号α、光信号入力ポート２ｂに光信号β、光信号入力ポート２ｃに光信号γが入力された場合を例に説明する。ここで、光信号α〜γは、それぞれ波長が異なる単一の波長の光信号である。

まず、外部から光信号入力ポート２（２ａ〜２ｃ）に入力された光信号α〜γは、光信号入力ポート２から出射部３に導波し、第１のレンズ４に向かって出射される。このとき、光信号α〜γは、図３に示すように、出射部３により波長に応じてＹ軸の方向に出射角度が変化させられる。これにより、それぞれ波長が異なる光信号α〜γは、図３に示すようにＹＺ平面においては異なる方向に偏向して進行する一方、図２に示すＸＺ平面ではＺ軸に沿って進行する。

出射部３から第１のレンズ４に入射した光信号α〜γは、第１のレンズ４が出射部３から焦点距離ｆ１の位置に配置されているので、図２に示すように第１のレンズ４によってＸＺ平面方向において平行光とされて、第１のレンズ４の反射部６側に位置する焦点に向かって第２のレンズ５へと進行する。ここで、第１のレンズ４はＸ軸方向に集光するものなので、ＹＺ平面において光信号α〜γは、第１のレンズ４によって偏向されず、出射部３から第２のレンズ５に向かって直進する。

第１のレンズ４によって平行光とされて第２のレンズ５に入射した光信号α〜γは、図３に示すように、第２のレンズ５によって集光されて反射部６に入射する。
ここで、反射部６は、第２のレンズ５から焦点距離ｆ２の位置に配置されている。したがって、光信号α〜γは、反射部６上に集光されることとなる。なお、第２のレンズ５はＹ軸方向に集光するものなので、ＸＺ平面においては、光信号α〜γは第２のレンズ５によって集光されず、第１のレンズ４から反射部６に向かって直進する。

反射部６に入射した光信号α〜βは、光信号出力ポート２と波長に基づいて特定の反射素子６１に集光し、この反射素子６１によって所定の方向に光信号α’〜γ’として反射される。

光信号が入射する反射部６の反射素子６１は、光信号の波長と光信号入力ポート２および光信号出力ポート８の位置とにより決定される。
上述したように、光信号は、出射部３により波長に応じてＹ軸の方向に偏向させられる。したがって、反射部６におけるＹ軸方向の位置は、光信号の波長に対応している。
また、光信号入力ポート２それぞれから出射された光信号は、第１のレンズ４により平行光とされるときにＸ軸の方向に偏向し、第１のレンズ４の反射部６側の焦点に向かって進行する。そして、光信号入力ポート２および光信号出力ポート８は、１つの軸（Ｘ軸）方向に併設されている。したがって、反射部６におけるＸ軸方向の位置は、光信号入力ポート２および光信号出力ポート８の位置に対応している。

したがって、反射部６の各反射素子６１には、特定の光信号入力ポート２から特定の波長の光信号が入射する。そして、各反射素子６１は、その特定の光信号入力ポート２から入射した特定の波長の光信号を、出力させる光信号出力ポート８に応じて任意のＸ軸の方向に変化させて反射させる。

反射部６で反射された光信号α’〜γ’は、第２のレンズ５、第１のレンズ４を通過してそれぞれ所定の受光部７に入射し、この受光部７を伝播して光信号出力ポート８から外部に出力される。
これにより、特定の光信号入力ポート２に入力された特定の波長の光信号は、任意の光信号出力ポート８から出力されることとなる。

本実施の形態において反射部６は、第１のレンズ４から焦点距離ｆ１よりも離れた位置に設けているが、第１のレンズ４から焦点距離ｆ１よりも近づいた位置に設けるようにしてもよいことは言うまでもない。これにより、反射部６を第１のレンズ４から焦点距離ｆ１よりも近い位置に設けることにより、第１のレンズ４と反射部６との距離を短くすることができるので、結果として、波長選択スイッチ１の小型化を実現することができる。

また、反射部６は、第２のレンズ５からこの第２のレンズ５の焦点距離ｆ２の位置に配設されており、この第２のレンズ５は出射部３および受光部７から焦点距離ｆ２の位置に配置されている。ここで、受光部７は、出射部３とＹ軸方向において同じ位置に配設されている。したがって、光信号α’〜γ’は、図３に示すように受光部７に入射することとなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、反射部６は、第１のレンズ４から焦点距離ｆ１とは異なる位置に配設することにより、波長選択スイッチ１の小型化を実現することができる。

なお、本実施の形態では、第１のレンズ４を第２のレンズ５よりも出射部３側に設ける場合を例に説明したが、第２のレンズ５を第１のレンズ４よりも出射部３側に設けるようにしてもよいことは言うまでもない。

また、本実施の形態では、単一の波長の光信号が光信号入力ポート２に入力された場合を例に説明したが、複数の波長が多重された光信号が光信号入力ポート２に入力されるようにしてもよいことは言うまでもない。この場合、光信号は、出射部３により波長毎にＹ軸の方向に偏向させられることにより、複数の光信号に分光される。例えば、３つの波長が多重された光信号が光信号入力ポート２に入力された場合、その光信号は、図５に示すように、出射部３により波長毎にＹ軸の方向に偏向させられることにより、３つの光信号δ１〜δ３に分光されることとなる。そして、この分光された各光信号は、光信号入力ポート２および波長に応じて特定の反射素子６１に入射し、この反射素子６１によって任意の方向に反射させられることにより、特定の光信号出力ポート８から出力されることとなる。

また、上述した光信号入力ポート２、出射部３、受光部７および光信号出力ポート８は、１つの中空光導波路に集積して構成することができる。この場合について、図６を参照して説明する。

図６に示すように、中空光導波路１０は、下部反射鏡１１と、この下部反射鏡１１と所定間隔離間して対向配置された上部反射鏡１２とを備えており、下部反射鏡１１と上部反射鏡１２との間に中空の導波路１３が形成されている。

下部反射鏡１１および上部反射鏡１２は、例えば、シリコンとガラスを積層した多重反射膜から構成されている。ここで、上部反射鏡１２の反射率は、下部反射鏡１１の反射率よりも低く設定されている。また、下部反射鏡１１と上部反射鏡１２との間隔は、光信号の波長程度、例えば１μｍ程度に設定される。導波路１３の長手方向の長さは、例えば約２００μｍに設定される。

このような下部反射鏡１１および上部反射鏡１２は、例えばそれらの平面方向に対して垂直な板状の壁部材をＸ軸方向に所定間隔離間して複数埋設することによって、Ｘ軸方向に複数の領域に分離されている。この分離された各領域は、出射部３または受光部７として機能する。したがって、出射部３と受光部７とは、Ｘ軸方向（図６の紙面に対して奥行き方向）に並設されることとなる。なお、図６では、出射部３として機能する１つの領域が図示されている。

また、上部反射鏡１２のＸ軸方向に沿った一側部１２ａは、他の部分よりも薄く形成されている。この部分は、光信号入力ポートまたは光信号出力ポートとして機能する。なお、図６においては、出射部３として機能する領域が表されているので、一側部１２ａに光信号入力ポート２’が形成されている。この光信号入力ポート２’には、対向配置されたマイクロレンズ２１を介して光ファイバ２２から光信号が入射する。
なお、下部反射鏡１１および上部反射鏡１２には、上述したようにＸ軸方向に出射部３または受光部７として機能する領域が並設されており、それぞれの領域における一側部１２ａには対応する光信号入力ポートまたは光信号出力ポートが形成されている。そして、光信号入力ポート２’と同様、光信号出力ポートにもマイクロレンズおよび光ファイバが対向配置されており、光信号出力ポートから出力された光信号は、マイクロレンズ２１を介して光ファイバ２２から外部へと出力される。

このように、配設可能な光信号入力ポート２’や光信号出力ポートの数量は、上部反射鏡１２の一側部１２ａの長さと、並設できるマイクロレンズ２１および光ファイバ２２の数量とに依存する。したがって、平面光回路にＡＷＧを集積する場合よりもポートの数量を容易に増加させることができる。

出射部として機能する中空光導波路１０において、光信号は、マイクロレンズ２１を介して光ファイバ２２の先端から光信号入力ポート２’に入り、導波路１３をその長手方向に伝播する際に、下部反射鏡１１と上部反射鏡１２との間でジグザグに反射を複数繰り返す。このとき、上部反射鏡１２の反射率は下部反射鏡１１の反射率よりも低いので、光信号は、ジグザグに導波路１３内を伝搬しながら、上部反射鏡１２から一部が中空光導波路１０外部へと出射され、第１のレンズ４に向かって進行する。このとき、光信号は、スネルの法則に従って波長ごとに異なる角度で中空光導波路１０の外部に出射される。ここで、光信号の上部反射鏡１２への入射角をθ_i、上部反射鏡１２から出射された光信号の空気との屈折角をθ、導波路１３の等価屈折率をｎ_wg、空気の屈折率をｎ_air（＝１）とすると、スネルの法則により下式（１）が成り立つ。

ｎ_air×ｓｉｎθ =ｎ_wg×ｓｉｎθ_i ・・・（１）

また、導波路１３のカットオフ波長をλ_c、使用波長をλとすると、屈折角θは下式（２）で表される。

θ＝ｓｉｎ^-1［ｎ_wg・｛１−（λ／λ_c）²｝^1/2］ ・・・（２）

ここで、図６に示すように、各屈折点ａの間隔ｄは、ｄ＝２×λ×ｓｉｎθ_iで表わされ、１〜数μｍ程度の値となる。他の光学的な角度分散器として、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）やＡＷＧがあげられるが、ｄに対応する値はそれぞれ１０〜２０μｍであり、中空光導波路１０よりも約１０程度大きい。これにより、第１のレンズ４や第２のレンズ５に焦点距離が短いレンズを用いることが可能となるので、波長選択スイッチの小型化を実現することができる。

また、中空光導波路１０による角度分散特性は、下式（３）で表すことができる。なお、下式（３）において、ｎ_gは中空光導波路の群屈折率、ｎ_cは中空光導波路の実行屈折率、ｍは回折時数を示している。

ｄθ／ｄλ＝−ｎ_g・｛ｍ／（ｄ・ｎ_c）｝ ・・・（３）

上式（３）に示すように、間隔ｄは分母に表れるので、中空光導波路１０によって大きな角度分散特性が得られることが分かる。また、導波路１３の垂直方向の長さが波長程度であるいわゆるλキャビティ構造であり、ＦＳＲ（Free Spectral Range）が１００ｎｍに達しているので、約１００ｎｍの波長帯域全てに渡って、角度分散が得られる。したがって、本実施の形態では、これまでにない広範な波長範囲での使用が可能である。

なお、中空光導波路１０には、活性領域１４を設けるようにしてもよい。この場合、下部反射鏡１１の下面と上部反射鏡１２の上面に電極１５を設け、活性領域１４に所望の電流を供給することにより、出射部や受光部で光増幅を行うことが可能となり、光損失を補償することができる。

また、中空光導波路１０が受光部として機能する場合は、上述した出射部と光信号の向きを逆向きにすればよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光信号入力ポート、出射部、受光部および光信号出力ポートを中空光導波路から構成することにより、光信号を大きな角度で分散させることができるので、波長選択スイッチの小型化を実現することができる。

本発明は、波長選択スイッチに適用することができる。

１…波長選択スイッチ、２，２’，２ａ〜２ｃ…光信号入力ポート、３，３’…出射部、４…第１のレンズ、５…第２のレンズ、６…反射部、７…受光部、８…光信号出力ポート、１０…中空光導波路、１１…下部反射鏡、１２…上部反射鏡、１３…導波路、１４…活性領域、１５…電極、２１…マイクロレンズ、２２…光ファイバ、６１…反射素子、α，α’，β，β’，γ，γ’，δ１〜δ３…光信号。

Claims (3)

1. 板状の第１の反射鏡と、この第１の反射鏡と所定間隔離間して対向配置され、前記第１の反射鏡よりも反射率が高い第２の反射鏡とを有する少なくとも一つの中空光導波路と、
   前記中空光導波路の前記第１の反射鏡と対向配置されている反射部と、
   前記中空光導波路の前記第１の反射鏡と前記反射部との間に配設され、焦点距離がｆ１であり、前記中空光導波路の前記第１の反射鏡と前記反射部とを結ぶ第１の軸に対して垂直な第２の軸の方向に集光する第１のレンズと、
   前記中空光導波路の前記第１の反射鏡と前記反射部との間に配設され、焦点距離が前記ｆ１と異なるｆ２であり、前記第１の軸および前記第２の軸に対して垂直な第３の軸の方向に集光する第２のレンズと
   を備え、
   前記中空光導波路が有する前記第１の反射鏡の、前記反射部に対向する側の面には、光信号をこの光信号の波長に応じた出射角度で出射する出射部と、前記反射部により反射された光信号を受光する受光部とが形成され、
   前記中空導波路が有する前記第１の反射鏡の一側端に、外部から光信号が入力される光信号入力ポートおよび光信号を外部に出力する光信号出力ポートが形成され、
   前記出射部は、前記光信号入力ポートに入力された光信号をこの光信号の波長に応じた出射角度で前記第２の軸の方向に変化させて出射し、
   前記反射部は、前記出射部から入射した光信号を所定の方向に反射し、
   前記受光部は、受光した光信号を前記光信号出力ポートに導波させ、
   前記第１のレンズは、前記出射部および前記受光部から前記ｆ１の位置に配設され、
   前記第２のレンズは、前記出射部、前記受光部および前記反射部から前記ｆ２の位置に配設される
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 請求項１記載の波長選択スイッチにおいて、
   記出射部および前記受光部は、前記第２の軸の方向に並設される
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
3. 請求項１記載の波長選択スイッチにおいて、
   前記中空光導波路は、内部に設けられた活性領域と、この活性領域に電流を供給する電極とをさらに備える
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。

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