JP6349980B2 - 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。

特許文献１には、波長選択スイッチが記載されている。この波長選択スイッチは、光入出力部としての複数のコリメータと、ビームエクスパンダと、２枚の回折格子と、レンズと、ＭＥＭＳミラーアレイと、を備えている。ビームエクスパンダは、コリメータからの入力光の横方向のビームサイズを拡大する。回折格子は、ビームエクスパンダを介して入力された光を、波長ごとに異なる角度を有する波長成分光に分光する。レンズは、回折格子で分光された各波長成分光について、光軸を整列すると共に集光する。ＭＥＭＳミラーアレイは、レンズを透過した各波長成分光のそれぞれを互いに異なるＭＥＭＳミラーで反射する。

特許第４５００７２０号

ところで、上記のような波長選択スイッチにおいては、以下のような問題が生じ得る。すなわち、一枚目の回折格子により分光された波長成分光は、二枚目の回折格子をさらに透過することにより、分散能力が倍増させられる。このとき、一枚目の回折格子において波長成分光のそれぞれが互いに異なる角度で出射されるので、二枚目の回折格子に入射するまでの各波長成分の光路長が相互に異なり、且つ、二枚目の回折格子への各波長成分光の入射角度が相互に異なる。

このため、二枚目の回折格子から出射される各波長成分の光線を掃引した形成される各波長成分光の軌跡が、レンズの焦点において互いに交わらない。これにより、二枚目の回折格子から出射された各波長成分光は、レンズを透過させたとしても、ＭＥＭＳミラーアレイに対して、波長に応じて傾斜して入射することとなる。その結果、ＭＥＭＳミラーアレイからの反射光が出力部に向かう光路から外れ、出力部への結合効率が低下する。

そのような問題を解決するためには、例えば、ＭＥＭＳミラーアレイの各ＭＥＭＳミラーを各波長成分光の傾斜に応じた角度で傾斜させることが考えられる。しかしながら、この場合には、ＭＥＭＳミラーアレイの制御が複雑になる。また、ＭＥＭＳミラーアレイに代えて、ＬＣＯＳにより構成される光偏向素子を用いた場合にも、波長に応じて傾斜する各波長成分に対応するためには、複雑な位相変調パターンを光偏向素子上で呈示する必要があり、制御が複雑になる。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、光偏向素子に周波数成分が入射する際に周波数成分が傾斜することを抑制し、光偏向素子の複雑な制御を避けることが可能な波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一側面に係る波長選択スイッチは、複数の周波数成分のそれぞれを周波数に応じて分散して出射する分散光学系と、分散光学系から出射された複数の周波数成分を集光する集光素子と、集光素子により集光された複数の周波数成分を偏向する光偏向素子と、分散光学系及び集光素子に光学的に結合されたプリズム光学系と、を備え、分散光学系は、複数の分散素子を含み、複数の分散素子は、各々の分散面が互いに略一致するように縦列接続されており、プリズム光学系は、集光素子に入射する複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分の光路を制御し、集光素子は、集光素子の焦点が交差点に略一致するように配置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、光偏向素子に周波数成分が入射する際に周波数成分が傾斜することを抑制し、光偏向素子の複雑な制御を避けることが可能な波長選択スイッチを提供することができる。

本実施形態に係る波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。 分散線形化の概略を示す図である。 分散位置ずれの概略を示す図である。 変形例に係る波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。 変形例に係る波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。

［実施形態の説明］
まず、本発明に係る波長選択スイッチの一実施形態を列記して説明する。

一実施形態に係る波長選択スイッチは、複数の周波数成分のそれぞれを周波数に応じて分散して出射する分散光学系と、分散光学系から出射された複数の周波数成分を集光する集光素子と、集光素子により集光された複数の周波数成分を偏向する光偏向素子と、分散光学系及び集光素子に光学的に結合されたプリズム光学系と、を備え、分散光学系は、複数の分散素子を含み、複数の分散素子は、各々の分散面が互いに略一致するように縦列接続されており、プリズム光学系は、集光素子に入射する複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分の光路を制御し、集光素子は、集光素子の焦点が交差点に略一致するように配置される、ことを特徴とする。

この波長選択スイッチにおいては、分散光学系が、複数の分散素子を含む。これに対して、この波長選択スイッチにおいては、プリズム光学系は、集光素子に入射する複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分の光路を制御する（以下、この機能を「分散位置ずれ補償」と称する場合がある）。そして、集光レンズが、その焦点が当該交差点に略一致するように配置される。このため、集光レンズを介して光偏向素子に周波数成分が入射する際に、周波数成分が周波数に応じて傾斜することが抑制される。したがって、各周波数成分の偏向に際して、光偏向素子の複雑な制御を避けることが可能となる。なお、分散面は、分散素子において複数の周波数成分が分散される方向を含む面である。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、プリズム光学系は、周波数成分が入射する第１の面と、周波数成分が出射する第２の面とを有すると共に、第１の面に対する周波数成分の入射角、第２の面に対する周波数成分の入射角、及び屈折率によって、集光素子に入射する複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分の光路を制御してもよい。このように、プリズム光学系においては、第１の面への周波数成分の入射角、第２の面への周波数成分の入射角、及び屈折率によって、分散位置ずれ補償を行うことができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、プリズム光学系は、複数のプリズムを含んでもよい。この場合、プリズム光学系に対して、分散位置ずれ補償以外の機能を付加することが可能となる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、プリズム光学系は、第１及び第２のプリズムを含み、第２のプリズムは、集光素子に入射する複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように、第１のプリズムにおいて生じる周波数成分間の光路長の差異を補償してもよい。この場合、第１のプリズムを設けても、第２のプリズムによって第１のプリズムにおいて生じる周波数成分間の光路長の差異を補償することにより、分散位置ずれ補償を行うことができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、分散光学系においては、複数の周波数成分のそれぞれに周波数依存性が非線形である分散角が付与され、第１のプリズムは、複数の周波数成分の分散角の周波数依存性を線形化し、分散角の周波数依存性が線形化された複数の周波数成分を集光素子に入射させることによって、光偏向素子に入射する周波数成分の空間的な位置が周波数に対して線形に変化するようにしてもよい。この場合、光偏向素子の高コスト化及び制御の複雑化を避けつつ、非線形な周波数依存性を有する分散角の影響を低減可能である。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第１のプリズムと第２のプリズムとは、互いに逆向きに配置されていてもよい。このような構成によって、第１のプリズムにおいて生じる周波数成分間の光路長の差異を補償してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２のプリズムは、分散光学系から集光素子に向かう周波数成分の光路上において第１のプリズムの後段に配置されており、第２のプリズムの頂角は、第１のプリズムの頂角よりも小さくてもよい。

或いは、一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２のプリズムは、分散光学系から集光素子に向かう周波数成分の光路上において第１のプリズムの後段に配置されており、第２のプリズムにおける周波数成分の入射角は、第１のプリズムにおける周波数成分の入射角よりも小さくてもよい。これらの場合、第１のプリズムにおいて生じる周波数成分間の光路長の差異の補償が容易である。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、分散素子は、透過型回折格子であってもよい。この場合、分散光学系への入射光とプリズム光学系との干渉を避けることができる。
［実施形態の詳細］

以下、本発明に係る波長選択スイッチの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図面の説明においては、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内におけるすべての変更が含まれることが意図される。

なお、光の周波数ｆと波長λとは、一般に知られているように、ｃ＝λ・ｆなる関係に基づいて互いに変換可能である（ｃは光速）。したがって、以下では、上述した「周波数」を「波長」に置き換えて記述する場合や、「周波数」と「波長」とを互いに相当する用途で併用する場合がある。

図１は、本実施形態に係る波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図１には、直交座標系Ｓが示されている。図１に示されるように、波長選択スイッチ１は、入出力光学系１０と、分散光学系２０と、プリズム光学系３０と、集光素子４０と、光偏向素子５０と、を備えている。入出力光学系１０は、波長選択スイッチ１の外部から波長多重光Ｌ１を入力し、当該波長多重光Ｌ１を分散光学系２０に入射させる。また、入出力光学系１０は、分散光学系２０からの周波数成分Ｌ２を受け、当該周波数成分Ｌ２を波長選択スイッチ１の外部に出力する。

入出力光学系１０は、入出力部１１と、リレー光学系１２と、アナモルフィック光学系１３と、を有している。入出力部１１は、例えば、波長選択スイッチ１への波長多重光Ｌ１の入力、及び、波長選択スイッチ１からの周波数成分Ｌ２の出力を行う。そのために、入出力部１１は、例えば、光ファイバと光ファイバに光学的に結合されたコリメートレンズ等から構成される複数のポートを含む。複数のポートは、一例として、直交座標系Ｓのｘ軸方向に沿って配列されている。

リレー光学系１２は、入出力部１１とアナモルフィック光学系１３とを光学的に結合する。リレー光学系１２は、例えば、第１のレンズ１２ａと第２のレンズ１２ｂとを含む。第１のレンズ１２ａは、入出力部１１から入力された波長多重光Ｌ１を受ける。第１のレンズ１２ａは、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面内において、波長多重光Ｌ１をコリメートして出射する。第１のレンズ１２ａは、例えば、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面内において屈折力を有する凸状の球面レンズである。

第２のレンズ１２ｂは、第１のレンズ１２ａから出射された波長多重光Ｌ１を受ける。第２のレンズ１２ｂは、ｘ−ｚ平面内において波長多重光Ｌ１を集光しつつ出射する。第２のレンズ１２ｂは、ｙ−ｚ平面内において波長多重光Ｌ１の進行状態を維持しつつ出射する。第２のレンズ１２ｂは、例えば、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面のうちのｘ−ｚ平面内のみにおいて屈折力を有するシリンドリカルレンズである。

アナモルフィック光学系１３は、リレー光学系１２から出射された波長多重光Ｌ１を受ける。アナモルフィック光学系１３は、波長多重光Ｌ１のビーム形状を変換して出射する。一例として、アナモルフィック光学系１３は、ｙ−ｚ平面内において波長多重光Ｌ１のビームサイズを拡大することにより、波長多重光Ｌ１のビーム形状を扁平状に変換する。その拡大率を高めるために、アナモルフィック光学系１３は、第１のアナモルフィックプリズム１３ａと第２のアナモルフィックプリズム１３ｂとを含む。アナモルフィック光学系１３から出射された波長多重光Ｌ１は、分散光学系２０に入射する。

以上のように構成される入出力光学系１０によって、分散光学系２０には、少なくともｙ−ｚ平面内においてほぼコリメートされた波長多重光Ｌ１が入射される。

分散光学系２０は、入出力光学系１０から出射された波長多重光Ｌ１を受ける。分散光学系２０は、ポートの配列方向に交差する面内（例えばｙ−ｚ平面内）において、波長多重光Ｌ１に含まれる複数の周波数成分（波長成分）Ｌ２のそれぞれを周波数（波長）に応じて分散して出射する。換言すれば、分散光学系２０は、ｙ−ｚ平面内において、複数の周波数成分Ｌ２に対して周波数に応じた分散角を付与し、分散角が付与された複数の周波数成分Ｌ２を出射する。ここでは、３つの周波数成分Ｌ２（周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３）を代表的に図示する。

分散光学系２０は、複数の分散素子を含む。一例として、分散光学系２０は、第１の分散素子２１と第２の分散素子２２とを含む。第１の分散素子２１は、入出力光学系１０から光偏向素子５０に向かう光の光路上において、第２の分散素子２２の前段に配置されている。第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２は、各々の分散面が略一致するように互いに縦列接続されている。なお、分散面は、分散素子において複数の周波数成分が分散される方向を含む面である。

第１の分散素子２１の分散面と第２の分散素子２２の分散面とが略一致するとは、第１の分散素子２１の分散面と第２の分散素子２２の分散面との両方が、略同一の平面（ここではｙ−ｚ平面）となるように配置されていることを意味する。また、第１の分散素子２１と第２の分散素子２２とが互いに縦列接続されているとは、第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２が、入出力光学系１０から光偏向素子５０に向かう光の光路上に順に配列され、互いに光学的に結合されていることを意味する。

第１の分散素子２１は、入出力光学系１０からの波長多重光Ｌ１を受ける。第１の分散素子２１は、波長多重光Ｌ１に含まれる複数の周波数成分（波長成分）Ｌ２に対して周波数（波長）に応じた分散角を付与し、分散角が付与された複数の周波数成分Ｌ２を出射する。第２の分散素子２２は、第１の分散素子２１において分散角が付与された複数の周波数成分Ｌ２を受ける。第２の分散素子２２は、複数の周波数成分Ｌ２に対して周波数に応じた分散角をさらに付与し、分散角が拡大された複数の周波数成分Ｌ２を出射する。第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２は、例えば、透過型回折格子である。

プリズム光学系３０は、分散光学系２０と集光素子４０との間において、分散光学系２０及び集光素子４０に光学的に結合されている。プリズム光学系３０は、複数のプリズムを含む。一例として、プリズム光学系３０は、第１のプリズム３１と第２のプリズム３２とを含む。第２のプリズム３２は、分散光学系２０から光偏向素子５０に向かう周波数成分Ｌ２の光路上において、第１のプリズム３１の後段に配置されている。プリズム光学系３０は、波長選択スイッチ１において特徴的な機能を有するが、当該機能については後述する。

集光素子４０は、プリズム光学系３０から出射された周波数成分Ｌ２を受ける。集光素子４０は、複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれを集光する。より具体的には、集光素子４０は、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面内において、複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれを集光する。集光素子４０は、例えば、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面内において屈折力を有する凸状の球面レンズである。

光偏向素子５０は、集光素子４０から出射された複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれを受ける。光偏向素子５０は、複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれを、互いに独立して偏向する。光偏向素子５０により偏向された周波数成分Ｌ２のそれぞれは、上述した光学要素を逆にたどりつつ、入出力部１１の互いに異なるポートに結合され、波長選択スイッチ１の外部に出力される。光偏向素子５０は、例えば、複数のＭＥＭＳミラーを配列して構成されるものであってもよいし、ＬＣＯＳを用いて構成されるものであってもよい。

引き続いて、プリズム光学系３０の特徴的な機能について説明する。上述したように、分散光学系２０においては、複数の周波数成分Ｌ２に対して周波数に応じた分散角が付与される。より具体的には、図２の（ａ）に示されるように、周波数成分Ｌ２には、まず、回折格子である第１の分散素子２１において、波長多重光Ｌ１の入射角θ２１_ｉｎを用いて下記式（１）により規定される分散角（出射角）θ２１_ｏｕｔが付与される。

上記式（１）において、ｎ_０は第１の分散素子２１の周囲の媒質の屈折率であり、ｍ２１_ｇは回折次数であり、Λ２１_ｇは回折格子の溝周期であり、λは周波数成分Ｌ２の波長である。また、図２の（ａ）においては、矢印が反時計回りの場合に正の角度とされる。第１の分散素子２１において分散角θ２１_ｏｕｔが付与された周波数成分Ｌ２には、第２の分散素子２２において、上記式（１）と同様にして規定される分散角（出射角）がさらに付与される。このため、分散光学系２０において周波数成分Ｌ２に付与される分散角は、周波数に対して非線形の関係を有する。換言すれば、分散光学系２０において周波数成分Ｌ２に付与される分散角の周波数依存性は非線形である。

一方、例えばプリズム光学系３０が設けられていない場合、分散光学系２０から出射されて集光素子４０を介して光偏向素子５０に入射する周波数成分Ｌ２間の空間的な間隔（チャネル間ピッチＰ）は、下記式（２）のように表される。なお、ここでのチャネル間ピッチＰは、ｙ−ｚ平面内（すなわち、分散光学系２０における周波数成分Ｌ２の分散方向を含む面内）における周波数成分Ｌ２間の空間的な間隔である。

上記式（２）において、△ｆは周波数成分Ｌ２間の周波数間隔であり、ｆは周波数成分Ｌ２の周波数であり、θ２２_ｏｕｔは第２の分散素子２２からの周波数成分Ｌ２の出射角（すなわち、分散光学系２０において付与される分散角）であり、Ｆは集光素子４０の焦点距離である。分散角θ２２_ｏｕｔは、上記式（１）と同様にして非線形な周波数依存性を有する。したがって、プリズム光学系３０を介在させない場合には、光偏向素子５０に入射する周波数成分Ｌ２のチャネル間ピッチＰは、図２の（ｂ）の破線で示されるように、一様ではない。すなわち、光偏向素子５０に入射する周波数成分の空間的な位置は非線形な波長依存性（周波数依存性）を有する。この場合、光偏向素子５０側において、そのように周波数依存性を有するチャネル間ピッチＰに対応しようとすると、光偏向素子５０の高コスト化や制御の複雑化が生じる。

これに対して、波長選択スイッチ１においては、分散光学系２０と集光素子４０との間にプリズム光学系３０が設けられている。プリズム光学系３０は、複数の周波数成分Ｌ２の実効的な分散角の周波数依存性を線形化する（以下、この機能を「分散線形化」と称する場合がある）。より具体的には、図２の（ｃ）に示されるように、第１のプリズム３１は、第１の面３１ａと第２の面３１ｂとを有している。第１の面３１ａと第２の面３１ｂとは、第１のプリズム３１の頂角θ３１_ｐを規定する面である。

分散光学系２０において分散角θ２２_ｏｕｔが付与された周波数成分Ｌ２は、第１のプリズム３１の第１の面３１ａに入射し、第２の面３１ｂから出射される。第１の面３１ａに対する周波数成分Ｌ２の入射角をθ３１_ｉｎとし、第１の面３１ａに対する周波数成分Ｌ２の出射角をθ´３１_ｉｎとし、第２の面３１ｂに対する周波数成分Ｌ２の入射角をθ´３１_ｏｕｔとすると、第１のプリズム３１からの（第２の面３１ｂからの）周波数成分Ｌ２の出射角θ３１_ｏｕｔは、下記式（３）〜（５）により規定される。

上記式（３）〜（５）において、ｎ_０は第１のプリズム３１の周囲の媒質の屈折率であり、ｎ３１_ｐは第１のプリズム３１の屈折率である。上記式（３）〜（５）に示されるように、第１のプリズム３１からの周波数成分Ｌ２の出射角θ３１_ｏｕｔは、第１の面３１ａに対する周波数成分Ｌ２の入射角θ３１_ｉｎ、第２の面３１ｂに対する周波数成分Ｌ２の及び、入射角θ´３１_ｏｕｔ（及び、屈折率ｎ３１_ｐ，頂角θ３１_ｐ）を適宜調整することにより、設定することができる。

第１のプリズム３１からの周波数成分Ｌ２の出射角θ３１_ｏｕｔは、第２のプリズム３２を無視すれば、上記式（１）で示されるチャネル間ピッチｐを規定する実効的な分散角である。つまり、第１のプリズム３１によれば、第１の面３１ａに対する周波数成分Ｌ２の入射角θ３１_ｉｎ、及び、第２の面３１ｂに対する周波数成分Ｌ２の入射角θ´３１_ｏｕｔ（及び、屈折率ｎ３１_ｐ，頂角θ３１_ｐ）によって、周波数成分Ｌ２の実効的な分散角の周波数依存性を線形化することができる。

そして、第１のプリズム３１は、実効的な分散角の周波数依存性が線形化された複数の周波数成分Ｌ２を集光素子４０に入射させる。これにより、第１のプリズム３１は、図２の（ｂ）において実線で示されるように、光偏向素子５０に入射する周波数成分Ｌ２の空間的な位置が周波数に対して線形に変化するようにし、チャネル間ピッチＰが略一定となるようにする。以上のように、第１のプリズム３１（プリズム光学系３０）は、分散線形化の機能を有する。

ここで、第１のプリズム３１は、複数の周波数成分Ｌ２の実質的な分散位置のずれ（分散位置ずれ）を顕在化させる。このことについて、以下に説明する。ここでは、説明の容易化のため、分散光学系２０が第１の分散素子２１のみからなるものとする。すなわち、図３の（ａ）に示されるように、第１の分散素子２１に相当する分散位置Ｄｐから分散された複数の周波数成分Ｌ２（ここでは３つの周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３）は、分散線形化のための第１のプリズム３１に入射する。第１のプリズム３１に入射した３つの周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３は、それぞれ第１のプリズム３１中を伝播する。このとき、第１のプリズム３１において、３つの周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３の光路長の間に差異が生じる。

その状態において、第１のプリズム３１から出射した周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３のそれぞれの光軸を、それぞれの出射位置から周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３の進行方向（集光素子４０に向かう方向）と逆方向に延長して仮想線Ｌ３１〜３３を画くと、それらの仮想線Ｌ３１〜３３が同一の点で交差しない場合がある。ここでは、周波数成分Ｌ２１に対応する仮想線Ｌ３１と周波数成分Ｌ２２に対応する仮想線Ｌ３２とが、第１の交差点Ｃ１で交差する。一方、周波数成分Ｌ２３に対応する仮想線Ｌ３３と仮想線Ｌ３１とが、第２の交差点Ｃ２で交差する。これらの第１の交差点Ｃ１及び第２の交差点Ｃ２は、周波数成分Ｌ２の実質的な分散位置に相当する。

つまり、周波数成分Ｌ２１〜２３は、第１のプリズム３１を通過することにより、それぞれの間に光路長の差異が生じる結果、その実質的な分散位置がずれる（分散位置ずれＧが生じる）。このように、プリズム（第１のプリズム３１）は、分散位置ずれを生じさせる性質がある。分散位置ずれＧが生じている状態では、周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３の共通の実質的な分散位置に焦点を一致させるように集光素子４０を配置することが困難である。このため、周波数成分Ｌ２１〜２３が、集光素子４０を介して光偏向素子５０に入射する際に、周波数に応じて傾斜することになる。そして、光偏向素子５０側においてこの傾斜に対応しようとすると、光偏向素子５０の制御が複雑化する。

しかしながら、上述したように、プリズムに実質的な分散位置をずれさせる性質があることから、別のプリズム（ここでは第２のプリズム３２）をさらに設けることにより、第１のプリズム３１による分散位置ずれＧをキャンセルすることが可能である。より具体的には、第１のプリズム３１による分散位置ずれＧと逆符号で同一の大きさの分散位置ずれを第２のプリズム３２により生じさせれば、第１のプリズム３１における周波数成分Ｌ２１〜２３の光路長差を補償して互いの分散位置ずれをキャンセルすることができる。

なお、第１のプリズム３１による分散位置ずれＧと逆符号の分散位置ずれを第２のプリズム３２において生じさせるためには、第１のプリズム３１と第２のプリズム３２とを互いに逆向きに配置すればよい。第１のプリズム３１と第２のプリズム３２とを互いに逆向きに配置するとは、分散光学系２０から集光素子４０に向かう周波数成分Ｌ２の光路に対して、第１のプリズム３１の頂角と第２のプリズム３２の頂角とが互いに逆側に位置するように、第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２を配置することを意味する。

図３の（ｂ）は、分散位置Ｄｐから第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２までの距離と、第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２による分散位置ずれ（絶対値）との関係を示すグラフである。ここでは、分散位置Ｄｐから第１のプリズム３１までの距離とは、例えば、３つの周波数成分Ｌ２１〜Ｌ２３のうちの中心波長の周波数成分Ｌ２２の第１のプリズム３１への入射位置Ｉｐと分散位置Ｄｐとの距離である。第２のプリズム３２についても同様に、第１のプリズム３１がない場合における分散位置Ｄｐからの距離と分散位置ずれとの関係が示されている。図３の（ｂ）に示されるように、分散位置Ｄｐから第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２までの距離が大きくなると、光路長差の拡大に伴って、分散位置ずれも大きくなる。

図３の（ｂ）において実線で示されるように、例えば、分散位置Ｄｐから第１のプリズム３１までの距離が１０ｍｍ程度となるように第１のプリズム３１を配置したときには、第１のプリズム３１による分散位置ずれＧは、３ｍｍ程度となる。したがって、この場合には、第２のプリズム３２による分散位置ずれＨが−３ｍｍ程度となるように、第２のプリズム３２への入射光を逆方向に延長した際の分散位置から２５ｍｍ程度の位置に第２のプリズム３２を配置すれば、互いの分散位置ずれがキャンセルされる。

なお、ここでは、第１のプリズム３１として、頂角が５９°、入射角が６０°、屈折率が１．７５となるものを用い、第２のプリズム３２として、頂角が２１．５°、入射角が４０°、屈折率１．７５となるものを用いている。第２のプリズム３２の頂角は、第１のプリズム３１の頂角よりも小さくされている。また、第２のプリズム３２における周波数成分Ｌ２の入射角は、第１のプリズム３１における周波数成分Ｌ２の入射角よりも小さくされている。

このように、波長選択スイッチ１においては、分散線形化のための第１のプリズム３１を配置したことにより顕在化される（生じる）分散位置ずれＧを、さらに第２のプリズム３２を設けることにより逆符号の分散位置ずれＨを生じさせてキャンセルしている。一例として、第２のプリズム３２（プリズム光学系３０）は、周波数成分Ｌ２が入射する第１の面と、周波数成分Ｌ２が出射する第２の面とを有すると共に、第１の面に対する周波数成分Ｌ２の入射角、第２の面に対する周波数成分Ｌ２の入射角、及び屈折率によって、集光素子４０に入射する複数の周波数成分Ｌ２が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分Ｌ２の光路を制御する。このため、波長選択スイッチ１においては、複数の周波数成分Ｌ２１〜２３（周波数成分Ｌ２１〜２３に対応する仮想線Ｌ３１〜Ｌ３３）が、略同一の交差点において互いに交差する（すなわち実質的な分散位置が一致する）。

つまり、第２のプリズム３２（プリズム光学系３０）は、集光素子４０に入射する複数の周波数成分Ｌ２（その仮想線Ｌ３１〜Ｌ３３）が略同一の交差点において互いに交差するように、第１のプリズム３１において生じる周波数成分Ｌ２間の光路長の差異を補償する。そして、波長選択スイッチ１においては、その交差点（実施的な分散位置）に焦点が略一致するように、集光素子４０が配置される。したがって、複数の周波数成分Ｌ２が、集光素子４０を介して光偏向素子５０に入射する際に、周波数に応じて傾斜することが抑制される。

なお、実際には、第２のプリズム３２をさらに設けることにより、わずかながら、第１のプリズム３１で実現されていた分散線形化が損なわれる。また、分散光学系２０が複数の分散素子（第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２）を含むことにも起因して、分散位置ずれが生じる。したがって、第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２を規定する各値は、それらの分散線形化の損失及び分散位置ずれを補償可能なように設定されている。

分散光学系２０及びプリズム光学系３０の設定値の一例と、その際の分散線形化及び分散位置ずれ補償の様子を示す表を以下に示す。以下の表に示されるように、一例としてこのような分散光学系２０及びプリズム光学系３０を用いることにより、波長選択スイッチ１において、実際に分散線形化及び分散位置ずれ補償の両方を実現可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、分散光学系２０において、複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれが、周波数に応じて分散される。このとき、複数の周波数成分Ｌ２のそれぞれに付与される分散角θ２２_ｏｕｔの周波数依存性は非線形である。これに対して、この波長選択スイッチ１は、分散光学系２０に光学的に結合されたプリズム光学系３０を備えている。プリズム光学系３０（主に第１のプリズム３１）は、複数の周波数成分Ｌ２の実効的な分散角（例えばθ３１_ｏｕｔ）の周波数依存性を線形化する。

そして、プリズム光学系３０は、分散線形化を行った後に、複数の周波数成分Ｌ２を集光素子４０に入射させることにより、光偏向素子５０に入射する周波数成分Ｌ２の空間的な位置が周波数に対して線形に変化するようにし、チャネル間ピッチＰが一様になるようにする。このため、この波長選択スイッチ１においては、分散光学系２０において複数の周波数成分Ｌ２に周波数依存性が非線形な分散角θ２２_ｏｕｔが付与されていても、光偏向素子５０の構成や制御をそれに応じて変更する必要がない。したがって、この波長選択スイッチ１によれば、光偏向素子５０の高コスト化及び制御の複雑化を避けつつ、非線形な周波数依存性を有する分散角θ２２_ｏｕｔの影響を低減可能である。

また、本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、分散光学系２０が、複数の分散素子（第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２）を含む。また、上述したように、波長選択スイッチ１においては、プリズム光学系３０が、分散線形化のための第１のプリズム３１を含む。これに対して、この波長選択スイッチ１においては、プリズム光学系３０が第２のプリズム３２を含む。プリズム光学系３０（主に第２のプリズム３２）は、集光素子４０に入射する複数の周波数成分Ｌ２（その仮想線Ｌ３１〜Ｌ３３）が略同一の交差点において互いに交差するように複数の周波数成分Ｌ２の光路を制御する。

すなわち、波長選択スイッチ１においては、プリズム光学系３０（主に第２のプリズム３２）が、分散光学系２０が複数の分散素子（第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２）を含むこと、及び、プリズム光学系３０が分散線形化のための第１のプリズム３１を含むことに起因した分散位置ずれの補償を行う。一例として、主に第２のプリズム３２が、集光素子４０に入射する複数の周波数成分Ｌ２が略同一の交差点（実質的な分散位置）において互いに交差するように、第１のプリズム３１において生じる周波数成分Ｌ２間の光路長の差異を補償する。

そして、集光素子４０が、位置ずれが補償された実質的な分散位置に焦点が略一致するように配置される。このため、集光素子４０を介して光偏向素子５０に周波数成分Ｌ２が入射する際に、複数の周波数成分Ｌ２が周波数に応じて傾斜することが抑制される。したがって、光偏向素子５０での周波数成分Ｌ２の偏向に際して、光偏向素子５０の複雑な制御を避けることが可能となる。

また、本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、第１のプリズム３１と第２のプリズム３２とが、互いに逆向きに配置されている。これにより、プリズム光学系３０における分散線形化と分散位置ずれ補償とを両立することが可能となる。

また、本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、第２のプリズム３２の頂角は、第１のプリズム３１の頂角よりも小さくされている。さらに、第２のプリズムにおける周波数成分Ｌ２の入射角は、第１のプリズム３１における周波数成分Ｌ２の入射角よりも小さくされている。これらの構成によれば、第１のプリズム３１で生じる分散位置ずれを第２のプリズム３２でキャンセルしやすくなる。

さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、分散光学系２０の第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２として、例えば透過型回折格子を用いる。これにより、分散光学系２０への入射光（波長多重光Ｌ１）と、プリズム光学系３０との干渉を避けることが可能となる。

以上の実施形態は、本発明に係る波長選択スイッチの一例を説明したものである。したがって、本発明に係る波長選択スイッチは、上述した波長選択スイッチ１に限定されない。本発明に係る波長選択スイッチは、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した波長選択スイッチ１を任意に変更したものとすることができる。

例えば、波長選択スイッチ１は、図４に示されるように、分散光学系２０が複数の分散素子（ここでは第１の分散素子２１及び第２の分散素子２２）を含み、プリズム光学系３０が単一のプリズム（ここでは第１のプリズム３１）のみからなるように構成されてもよい。この場合、例えば、プリズム光学系３０を、上述した複数の分散素子に起因した分散位置ずれを補償するための機能を有するように構成することができる。

さらに、波長選択スイッチ１は、図５に示されるように、分散光学系２０が単一の分散素子（ここでは第１の分散素子２１）のみからなり、プリズム光学系３０が複数のプリズム（ここでは第１のプリズム３１及び第２のプリズム３２）を含むように構成されてもよい。この場合、プリズム光学系３０を、上述した分散線形化の機能を有するように、及び、第１のプリズム３１に起因した分散位置ずれを補償するための機能を有するように構成することができる。

ここで、図２の（ａ）に示される第１の分散素子２１に着目すると、その出射角θ２１_ｏｕｔの温度依存性は、下記式（６）により表される。下記式（６）のＴは温度である。下記式（６）におけるＭ２１_ｇは、下記式（７）により表される。また、下記式（６）におけるＤ２１_ｇは、下記式（８）により表される。

一方、図２の（ｂ）に示される第１のプリズム３１に着目すると、その出射角θ３１_ｏｕｔの温度依存性は、下記式（９）により表される。下記式（９）におけるＭ３１_ｐは、下記式（１０）により表される。

上記式（６）に示されるように、第１の分散素子２１からの周波数成分Ｌ２の出射角θ２１_ｏｕｔは、温度Ｔに対して所定の依存性を有している。したがって、第１の分散素子２１から出射されて第２の分散素子２２入射した周波数成分Ｌ２の第２の分散素子２２からの出射角θ２２_ｏｕｔも同様の温度Ｔに対する依存性を有する。

これに対して、上記式（９）に示されるように、第１のプリズム３１からの周波数成分Ｌ２の出射角θ３１_ｏｕｔも温度Ｔに対して所定の依存性を有する。特に、上記式（９）において、ｄ（ｎ３１_ｐ／ｎ_０）／ｄＴを調整すれば（例えば、第１のプリズム３１の硝材を選択して屈折率ｎ３１_ｐの温度依存性を適宜設定すれば）、出射角θ３１_ｏｕｔの温度依存性を調整可能である。第２のプリズム３２についても同様である。

つまり、波長選択スイッチ１においては、プリズム光学系３０は、周波数成分Ｌ２の光路の温度依存性が小さくなるように構成され得る。すなわち、波長選択スイッチ１においては、プリズム光学系３０に対して温度補償機能を付加することができる。

１…波長選択スイッチ、２０…分散光学系、２１…第１の分散素子、２２…第２の分散素子、３０…プリズム光学系、３１…第１のプリズム、３１ａ…第１の面、３１ｂ…第２の面、３２…第２のプリズム、４０…集光素子、５０…光偏向素子、Ｌ２，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３…周波数成分。

Claims (9)

1. 複数の周波数成分のそれぞれを周波数に応じて分散して出射する分散光学系と、
   前記分散光学系から出射された前記複数の周波数成分を集光する集光素子と、
   前記集光素子により集光された前記複数の周波数成分を偏向する光偏向素子と、
   前記分散光学系及び前記集光素子に光学的に結合されたプリズム光学系と、を備え、
   前記分散光学系は、複数の分散素子を含み、
   前記複数の分散素子は、各々の分散面が互いに略一致するように縦列接続されており、
   前記プリズム光学系は、前記集光素子に入射する前記複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように前記複数の周波数成分の光路を制御し、
   前記集光素子は、前記集光素子の焦点が前記交差点に略一致するように配置される、
   ことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 前記プリズム光学系は、前記周波数成分が入射する第１の面と、前記周波数成分が出射する第２の面とを有すると共に、前記第１の面に対する前記周波数成分の入射角、前記第２の面に対する前記周波数成分の入射角、及び屈折率によって、前記集光素子に入射する前記複数の周波数成分が略同一の交差点において互いに交差するように前記複数の周波数成分の光路を制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記プリズム光学系は、複数のプリズムを含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記プリズム光学系は、第１及び第２のプリズムを含み、
   前記第２のプリズムは、前記集光素子に入射する前記複数の周波数成分が略同一の前記交差点において互いに交差するように、前記第１のプリズムにおいて生じる前記周波数成分間の光路長の差異を補償する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記分散光学系においては、前記複数の周波数成分のそれぞれに周波数依存性が非線形である分散角が付与され、
   前記第１のプリズムは、前記複数の周波数成分の前記分散角の周波数依存性を線形化し、前記分散角の周波数依存性が線形化された前記複数の周波数成分を前記集光素子に入射させることによって、前記光偏向素子に入射する前記周波数成分の空間的な位置が周波数に対して線形に変化するようにする、
   ことを特徴とする請求項４に記載の波長選択スイッチ。
6. 前記第１のプリズムと前記第２のプリズムとは、互いに逆向きに配置されている、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の波長選択スイッチ。
7. 前記第２のプリズムは、前記分散光学系から前記集光素子に向かう前記周波数成分の光路上において前記第１のプリズムの後段に配置されており、
   前記第２のプリズムの頂角は、前記第１のプリズムの頂角よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
8. 前記第２のプリズムは、前記分散光学系から前記集光素子に向かう前記周波数成分の光路上において前記第１のプリズムの後段に配置されており、
   前記第２のプリズムにおける前記周波数成分の入射角は、前記第１のプリズムにおける前記周波数成分の入射角よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
9. 前記分散素子は、透過型回折格子である、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
   

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