JP6427869B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明の一側面は、波長選択スイッチに関する。

特許文献１に記載の光学装置は、ファイバ結合コリメータによって提供される複数の入力及び出力ポートと、入力ポートからの信号光を所定のビームプロファイルを有するビームへ変換するアナモルフィックなシステムと、該ビームを空間的に分離するための回折格子と、回折格子によって分離されたビームを細長いビームプロファイルを有するチャネルビームに変換するための合焦光学装置と、該チャネルビームのビームプロファイルに適合する細長い形状を有するマイクロミラーのアレイと、チャネルビームを所定の出力ポートに切り替えるためにマイクロミラーの回転を制御する制御システムと、を備えている。

特表２００８−５３６１６８号公報

特許文献１に記載の光学デバイスにおいては、マイクロミラー上において細長いビームプロファイルを提供するためのアナモルフィックなシステムの一例として、両円錐状、円筒状、又は円環状の複数のレンズ等を用いることが提案されている。しかしながら、その場合には、ビームスサイズのアスペクト比を高くするために、上述したレンズ等を多数用いる必要があり、光路長が長くなって構造が複雑になる。また、所望のアスペクト比を実現させる上で、光学設計の自由度が低下する。

本発明の一側面は、光学設計の自由度の向上可能な波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る波長選択スイッチは、信号光を入力する入力ポート及び信号光を出力する出力ポートを第１の方向に配列して構成されるポートアレイと、入力ポートから入力された信号光を第１の方向と異なる第２の方向に分光する分光素子と、分光素子で分光された信号光のそれぞれを集光する集光素子と、集光素子で集光された信号光のそれぞれを出力ポートに向けて偏向する光偏向素子と、第１の方向と信号光の光軸方向とによって張られる第１の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点に合わせる第１の光学系と、第２の方向と光軸方向とによって張られる第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点からずらす第２の光学系と、を備える。

本発明の一側面によれば、光学設計の自由度を向上可能な波長選択スイッチを提供することができる。

本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第１実施形態の構成を示す模式図である。 レンズを介して伝播するガウシアンビームを示す図である。 前側ウエスト距離と後側ウエスト距離との関係を示すグラフである。 前側ウエスト距離と後側ウエストサイズとの関係を示すグラフである。 アナモルフィック光学系とビームウエスト位置との関係を示す図である。 光軸方向ずれ量と透過率との関係を示すグラフである。 本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第２実施形態の構成を示す模式図である。 アナモルフィック光学系とビームウエスト位置との関係を示す図である。 ビームウエスト位置から集光レンズまでの距離と光偏向素子におけるビームサイズとの関係を示すグラフである。 ビームウエスト位置から集光レンズまでの距離と光偏向素子におけるビームサイズとの関係を示すグラフである。 本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第３実施形態の構成を示す模式図である。 本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第４実施形態の構成を示す模式図である。 本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第４実施形態の構成を示す模式図である。 所定の軸線の方向からみたポートアレイの構成を示す図である。 ｙ軸方向からみたポートアレイの構成を示す側面図である。 所定の軸線の方向から見た光偏向素子の正面図である。

［実施形態の説明］
まず、本発明の一側面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、信号光を入力する入力ポート及び信号光を出力する出力ポートを第１の方向に配列して構成されるポートアレイと、入力ポートから入力された信号光を第１の方向と異なる第２の方向に分光する分光素子と、分光素子で分光された信号光のそれぞれを集光する集光素子と、集光素子で集光された信号光のそれぞれを出力ポートに向けて偏向する光偏向素子と、第１の方向と信号光の光軸方向とによって張られる第１の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点に合わせる第１の光学系と、第２の方向と光軸方向とによって張られる第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点からずらす第２の光学系と、を備える。

この波長選択スイッチにおいては、入力ポートから入力された信号光は、分光素子において分光された後に、集光素子に入射する。集光素子に入射した信号光は、集光素子により集光されて光偏向素子に入射する。光偏向素子に入射した信号光は、出力ポートに向けて偏向される。ここで、この波長選択スイッチは、リレー光学系を備えている。リレー光学系は、第１の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、信号光の光軸方向について集光素子の前側焦点に合わせる。第１の面は、入力ポート及び出力ポートの配列方向である第１の方向と、信号光の光軸方向とによって張られる面である。一方、この波長選択スイッチは、ビームウエスト位置調整光学系を備えている。ビームウエスト位置調整光学系は、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、信号光の光軸方向について集光素子の前側焦点からずらす。第２の面は、分光素子における分光方向である第２の方向と、信号光の光軸方向とによって張られる面である。このように、第１の面内において信号光のビームウエスト位置を集光素子の焦点に合わせ、且つ、第２の面内において信号光のビームウエスト位置を集光素子の焦点からずらせば、所望のアスペクト比を実現するに際し、光学設計の自由度が向上する。なお、ここでのアスペクト比とは、第１の面内における光偏向素子上での信号光のビームサイズを、第２の面内における光偏向素子上での信号光のビームサイズで除した値である。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第１の光学系は、第１及び第２の面内において光パワーを有する第１の要素と、少なくとも第１の面内において光パワーを有する第２の要素と、を含んでもよい。このような第１及び第２の要素を用いてリレー光学系を構成することができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の光学系は、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点の前段に位置させてもよい。この場合、第２の面内において、信号光がビームウエスト位置から広がりながら集光素子に入射することになる。つまり、第２の光学系を、アスペクト比の向上に寄与させることができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の光学系は、第１及び第２の面のうちの第１の面内のみにおいて光パワーを有する第３の要素から構成されてもよい。この場合、上述した第２の光学系を容易に構成することができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の光学系は、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、光軸方向について集光素子の前側焦点の後段に位置させてもよい。この場合、第２の面内において、信号光の広がりが比較的に小さい段階で分光素子により信号光の分光を行うことが可能となる。このため、分光素子の小型化が可能となる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の光学系は、少なくとも一対のプリズムから構成されてもよい。この場合、上述した第２の光学系を容易に構成することができる。また、プリズムは光パワーを有していないため、配置の自由度が高い。

一実施形態に係る波長選択スイッチは、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から集光素子までの距離を拡大する第３の光学系を備えてもよい。この場合、ロスを低減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、第３の光学系は、少なくとも一対のプリズムから構成されてもよい。この場合、上述した第３の光学系を容易に構成することができる。また、プリズムは光パワーを有していないため、配置の自由度が高い。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から集光素子までの距離をＳ_１ｙとし、集光素子の焦点距離をｆ_４とし、集光素子から出射した信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_２ｙとしたとき、下記式（１）により表される第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときにビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点よりも小さくてもよい。この場合、第２の面内において、ビームサイズＤ２の変化を抑制しつつ第１の値Ｖ_１（例えば距離Ｓ_１ｙ）を変化させることが可能である。このため、光学設計の自由度が向上する。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から集光素子までの距離をＳ_１ｙとし、集光素子の焦点距離をｆ_４とし、集光素子から出射した信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_２ｙとしたとき、下記式（１）により表される第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときにビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点よりも大きくてもよい。この場合、第２の面内において、第１の値Ｖ_１（例えば距離Ｓ_１ｙ）を変化させることによって、ビームサイズＤ_２ｙを変化させる（例えば縮小させる）ことが可能となる。このため、アスペクト比を向上させ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は、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_１ｙとし、信号光の波長をλとしたとき、下記式（２）により表される第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する第４の光学系を備えてもよい。この場合、ロスを低減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、第４の光学系は、少なくとも１対のプリズムから構成されてもよい。この場合、上述した第４の光学系を容易に構成することができる。また、プリズムは光パワーを有していないため、配置の自由度が高い。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、第２の面内において、集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_１ｙとし、信号光の波長をλとし、集光素子の焦点距離をｆ_４としたとき、下記式（２）により表される第２の値Ｚ_ｒｙを用いて下記式（３）により表される第３の値Ｖ_３は４以上であってもよい。この場合、上述したビームサイズＤ_２ｙの変化を抑制しつつ第１の値Ｖ_１（例えば距離Ｓ_１ｙ）を変化させることが可能な第１の値Ｖ_１の領域が比較的大きくなる。このため、光学設計の自由度が向上する。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、光偏向素子は、集光素子から出射した信号光の第２の面内におけるビームウエスト位置に配置されてもよい。この場合、ロスを低減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は、集光素子から出射した信号光の第２の面内におけるビームウエスト位置から集光素子までの距離をＳ_２ｙとし、集光素子から出射した信号光の第１の面内におけるビームウエスト位置での信号光のビームサイズをＤ_２ｘとし、集光素子の焦点距離をｆ_４とし、信号光の波長をλとしたとき、下記式（４）を満たしてもよい。この場合、ロスを低減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、入力ポートから入力された信号光のプリズムへの入射角度は、７０°以上であってもよい。この場合、例えば、第２の面内においてプリズムにより信号光を十分に拡大することができる。したがって、アスペクト比を十分に大きくすることができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、入力ポートから入力された信号光のプリズムへの入射角度は、ブリュースター角に略等しくてもよい。この場合、信号光に含まれるＰ偏光の反射を低減することができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、プリズムの屈折率は、１．５以上であってもよい。この場合、大きな入射角度で信号光をプリズムに入射させた場合であっても、反射光を比較的少なくすることができる。このため、信号光のプリズムへの入射角度を上述したように設定することが容易となる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、プリズムの屈折率は、３．０以上であってもよい。この場合、信号光のプリズムへの入射角度を上述したものに好適に設定することができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチは、第１の光学系の前段に配置された偏波ダイバーシティモジュールを備えてもよい。この場合、偏波依存損失を低減することができる。特に、リレー光学系の前段に配置することにより、偏波ダイバーシティモジュールを小型化できる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、偏波ダイバーシティモジュールは、信号光を偏波方向に応じて第２の方向に分離する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された信号光のうちの一方の偏光方向を他方の偏光方向に合わせる偏光回転素子と、偏光ビームスプリッタで分離された信号光のうちの一方の光路長を他方の光路長に合わせる光路調整素子と、を含んでもよい。この場合、信号光が分光方向に偏光分離されるので、第１の方向における波長選択スイッチのサイズが大きくなることを抑制することができる。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、ポートアレイ、分光素子、及び、光偏向素子は、所定の軸線上に配置されており、ポートアレイは、入力ポートとしての第１の入力ポートと出力ポートとしての第１の出力ポートとを含む第１の光入出力ポートを有し、所定の軸線に対し第１の方向に傾斜した第１の光軸でもって第１の光入出力ポートの入出射を行う第１の部分と、入力ポートとしての第２の入力ポートと出力ポートとしての第２の出力ポートとを含む第２の光入出力ポートを有し、所定の軸線に対し第１の方向に傾斜した第２の光軸でもって第２の光入出力ポートの入出射を行う第２の部分と、を有し、所定の軸線を基準とする第１の光軸の傾斜角と第２の光軸の傾斜角とは、互いに異なり、分光素子は、第１及び第２の入出力ポートに対して共通に設けられており、光偏向素子は、分光素子を経た第１の入力ポートからの信号光を第１の出力ポートへ向ける第１の光偏向部と、分光素子を経た第２の入力ポートからの信号光を第２の出力ポートへ向ける第２の光偏向部と、を有してもよい。この場合、部品点数を抑え、光路長を過度に長くすることなく、より多くの波長成分を分離（若しくは結合）することが可能となる。
［実施形態の詳細］
以下、本発明の一側面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、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。なお、本発明の一側面は、以下の例示に限定されない。本発明の一側面は、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でのすべての変更が含まれることが意図される。
［第１実施形態］
図１は、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第１実施形態の構成を示す模式図である。なお、以下の図面には直交座標系Ｓを示す場合がある。図１の（ａ）は、直交座標系Ｓのｙ軸方向からみたときの図であり、ｘ軸方向（第１の方向）とｚ軸方向（信号光の光軸方向）とによって張られるｘ−ｚ平面（第１の面）におけ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の（ｂ）は、直交座標系Ｓのｘ軸方向からみたときの図であり、ｙ軸方向（第２の方向）とｚ軸方向（信号光の光軸方向）とによって張られるｙ−ｚ平面（第２の面）におけ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の（ａ），（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る波長選択スイッチ１は、入力ポート１２及び出力ポート１３をｘ軸方向に配列して構成されるポートアレイ１４と、入力ポート１２から入力された信号光Ｌ１を出力ポート１３に向けて偏向する光偏向素子１５と、を備えている。また、波長選択スイッチ１は、入力ポート１２から光偏向素子１５に向かう信号光Ｌ１の光路上（光軸上）に順に配置されたリレー光学系１６、アナモルフィック光学系１７、分光素子１８、及び集光レンズ（集光素子）１９を備えている。

以下では、入力ポート１２から光偏向素子１５に向かう信号光Ｌ１の光路上における入力ポート１２側を前段（或いは前側）と称する。また、入力ポート１２から光偏向素子１５に向かう信号光Ｌ１の光路上における光偏向素子１５側を後段（或いは後側）と称する。

ポートアレイ１４は、例えば、１つの入力ポート１２と複数の出力ポート１３とを含む。入力ポート１２は、例えば、光ファイバ１２ａと、光ファイバ１２ａに光学的に接続されたコリメートレンズ１２ｂとを含む。入力ポート１２は、例えば波長多重光である信号光Ｌ１を入力する。出力ポート１３は、例えば、光ファイバ１３ａと、光ファイバ１３ａに光学的に接続されたコリメートレンズ１３ｂとを含む。出力ポート１３は、例えば、光偏向素子１５によって偏向された各波長成分の信号光を出力する。

リレー光学系１６は、コリメートレンズ１２ｂ，１３ｂ及び集光レンズ１９に光学的に接続されている。リレー光学系１６は、第１のレンズ１６ａと第２のレンズ１６ｂとを含む。第１のレンズ１６ａは、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有する。第１のレンズ１６ａは、例えば凸状の球面レンズといった回転対称レンズである。第１のレンズ１６ａは、第２のレンズ１６ｂよりも前段に配置されている。第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側焦点がコリメートレンズ１２ｂ，１３ｂの後側焦点と略一致するように配置されている。つまり、第１のレンズ１６ａは、コリメートレンズ１２ｂ，１３ｂの焦点距離ｆ_１及び第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ_２の分だけコリメートレンズ１２ｂ，１３ｂから離れた位置に配置されている。

第２のレンズ１６ｂは、少なくともｘ−ｚ平面内において光パワーを有する。ここでは、第２のレンズ１６ｂは、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光パワーを有する。第２のレンズ１６ｂは、例えば、ｘ−ｚ平面内のみにおいて光パワーを有するシリンドリカルレンズである。第２のレンズ１６ｂは、ｘ−ｚ平面内における第２のレンズ１６ｂの前側焦点が第１のレンズ１６ａの後側焦点と略一致するように配置されている。また、第２のレンズ１６ｂは、ｘ−ｚ平面内における第２のレンズ１６ｂの後側焦点が集光レンズ１９の前側焦点と略一致するように配置されている。つまり、第２のレンズ１６ｂは、第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ_２及び第２のレンズ１６ｂの焦点距離ｆ_３の分だけ第１のレンズ１６ａから離れた位置であって、第２のレンズ１６ｂの焦点距離ｆ_３及び集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４の分だけ集光レンズ１９から離れた位置に配置されている。

なお、リレー光学系１６の第１及び第２の要素は、上記のような光パワーを有するものであれば、レンズのような透過型の要素の他、ミラーのような反射型の要素が適用され得る。ここで、光パワーは、焦点距離の逆数として定義される。

アナモルフィック光学系１７は、リレー光学系１６の前段又は後段に配置される。ここでは、アナモルフィック光学系１７は、リレー光学系１６の後段に配置されている。アナモルフィック光学系１７は、リレー光学系１６（第２のレンズ１６ｂ）から出射された信号光Ｌ１を入射する。そして、アナモルフィック光学系１７は、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面のうちのｙ−ｚ平面内のみにおいて、信号光Ｌ１のビームサイズを拡大する。すなわち、アナモルフィック光学系１７は、入力されたビームのアスペクト比を変換して出力する機能を有するものである。アナモルフィック光学系１７は、プリズムペア、シリンドリカルレンズ、及びシリンドリカルミラー等を、単独で又は組み合わせて構成され得る。ここでは、アナモルフィック光学系１７は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。

入力ポート１２から入力された信号光Ｌ１の前段側のプリズム１７ａへの入射角度は、例えば７０°以上とすることができる。この場合には、ｙ−ｚ平面内において信号光Ｌ１のビームサイズを十分に拡大することができる。また、入力ポート１２から入力された信号光Ｌ１のプリズム１７ａへの入射角度は、例えばブリュースター角に略等しくすることができる。この場合には、信号光Ｌ１の偏光依存による反射光を低減させることができる。すなわち、信号光Ｌ１に含まれるＰ偏光の反射を低減させることができる。

プリズム１７ａ，１７ｂの屈折率は、例えば１．５以上とすることができる。また、プリズム１７ａ，１７ｂの屈折率は、例えば３以上とすることができる。これらの場合、信号光Ｌ１を大きな入射角度でプリズム１７ａ，１７ｂに入射させた場合であっても、反射光を比較的少なくすることができる。このため、信号光Ｌ１のプリズム１７ａ，１７ｂへの入射角度を、上述したように設定することが容易である。特に、プリズム１７ａ，１７ｂの屈折率を３以上とすれば、信号光Ｌ１のプリズム１７ａ，１７ｂへの入射角度７０°以上で且つブリュースター角と略等しくなるように設定することが可能となる。

分光素子１８は、入力ポート１２から入力されてリレー光学系１６及びアナモルフィック光学系１７を通過した信号光を入射する。分光素子１８は、入射した信号光Ｌ１を、その波長に応じてｙ軸方向に（すなわち、ｙ−ｚ平面内において）分光して出射する。分光素子１８においては、分光素子１８に入射した信号光Ｌ１が波長ごとに複数の信号光Ｌ１に分光される場合があるが、ここでは、単一の信号光Ｌ１のみを図示する。

分光素子１８は、集光レンズ１９の前側焦点に配置されている。より具体的には、分光素子１８は、ｘ−ｚ平面内における第２のレンズ１６ｂの焦点距離ｆ_３だけ第２のレンズ１６ｂから離れた位置であって、集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４だけ集光レンズ１９から離れた位置に配置されている。分光素子１８としては、例えば、回折格子を用いることができる。

集光レンズ１９は、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有している。集光レンズ１９は、分光素子１８によって分光された信号光Ｌ１を、ｘ−ｚ平面内において例えばコリメートしつつ光偏向素子１５に向けて出射する。集光レンズ１９は、分光素子１８によって分光された信号光Ｌ１をｙ−ｚ平面内において集光する。集光レンズ１９は、例えば、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有する凸状の球面レンズといった回転対称レンズとすることができる。

光偏向素子１５は、集光レンズ１９から出射した信号光Ｌ１のｙ−ｚ平面内におけるビームウエスト位置に配置されている。したがって、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において、光偏向素子１５の配置位置が、集光レンズ１９の後側焦点に一致しない場合がある。光偏向素子１５は、集光レンズ１９で集光された信号光Ｌ１を、その波長に応じた所定の出力ポート１３に向けて偏向する。そのために、光偏向素子１５は、ｘ軸方向に沿って配列された複数の光偏向要素素子を有している。そして、光偏向素子１５は、その光偏向要素素子によって、分光素子１８で分光された信号光Ｌ１のそれぞれを独立して位相変調することにより、出力ポート１３に向けて偏向する。

そのような光偏向素子１５としては、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Cristal On Silicon）を用いることができる。その場合には、ｘ軸及びｙ軸に沿って２次元アレイ状に配列された複数の画素のうち、ｘ軸方向に配列された複数の画素の単位が信号光Ｌ１の偏向に寄与する光偏向要素素子として機能する。なお、光偏向素子１５として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子を用いてもよい。

光偏向素子１５によって偏向された信号光Ｌ１は、集光レンズ１９、分光素子１８、アナモルフィック光学系１７、及び、リレー光学系１６を介して、所定の出力ポート１３に入射して出力される。

引き続いて、波長選択スイッチ１における信号光Ｌ１のビームウエストの制御について説明する。この説明に際し、簡略化のため、次のように呼称を定義して適宜用いることとする。すなわち、所定のレンズに入射する光のビームウエスト位置を「前側ウエスト位置」という。所定のレンズに入射する光のビームウエスト位置から所定のレンズまでの距離を「前側ウエスト距離」という。所定のレンズに入射する光のビームウエスト位置における光のビームサイズを「前側ウエストサイズ」という。

所定のレンズから出射した光のビームウエスト位置を「後側ウエスト位置」という。所定のレンズから出射した光のビームウエスト位置から所定のレンズまでの距離を「後側ウエスト距離」という。所定のレンズから出射した光のビームウエスト位置における光のビームサイズを「後側ウエストサイズ」という。なお、ここでの所定のレンズとは、例えば、波長選択スイッチ１〜１Ｃにおける各種レンズ、及び後述するレンズＡ等である。また、ここでの光とは、信号光Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ２１及び後述する光Ｌ２等である。

まず、一般的な知見について説明する。図２に示されるように、レンズＡを介して伝播するガウシアンビームである光Ｌ２について、以下のような関係が知られている（例えば「Sidney A. Self, “Focusing of spherical Gaussian beams” Applied Optics, vol.22, No.5, pp.658 (1983)」等参照）。

ここで、ｆ_ＡはレンズＡの焦点距離であり、λ_Ａは光Ｌ２の波長である。また、Ｓ_１Ａは、レンズＡに入射する光Ｌ２のビームウエスト位置Ａ_１からレンズＡまでの距離（すなわちレンズＡの前側ウエスト距離）であり、Ｄ_１Ａは、ビームウエスト位置Ａ_１における光Ｌ２のビームサイズ（すなわちレンズＡの前側ウエストサイズ）である。また、Ｓ_２Ａは、レンズＡから出射した光Ｌ２のビームウエスト位置Ａ_２からレンズＡまでの距離（すなわちレンズＡの後側ウエスト距離）であり、Ｄ_２Ａは、ビームウエスト位置Ａ_２における光Ｌ２のビームサイズ（すなわち、レンズＡの後側ウエストサイズ）である。

図２及び上記式（５），（６）によれば、後側ウエスト距離Ｓ_２Ａは、前側ウエスト距離Ｓ_１Ａ及び前側ウエストサイズＤ_１Ａの少なくとも一方を調整することによって調整することができる。特に、前側ウエスト距離Ｓ_１Ａを焦点距離ｆ_Ａと等しくすれば、後側ウエスト距離Ｓ_２Ａも焦点距離ｆ_Ａと等しくなる。つまり、レンズＡに入射する光Ｌ２のビームウエスト位置Ａ_１をレンズＡの前側焦点に一致させれば、レンズＡから出射した光Ｌ２のビームウエスト位置Ａ_２をレンズＡの後側焦点に一致させることができる。

また、上記式（５），（７）によれば、後側ウエストサイズＤ_２Ａも、前側ウエスト距離Ｓ_１Ａ及び前側ウエストサイズＤ_１Ａを調整することによって調整することができる。概略的には、前側ウエストサイズＤ_１Ａを大きくすると後側ウエストサイズＤ_２Ａは小さくなる。また、概略的には、前側ウエスト距離Ｓ_１Ａを十分に大きくすると、後側ウエストサイズＤ_２Ａは小さくなる。

本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、以上の知見を考慮することにより、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内のそれぞれにおいて独立して信号光Ｌ１のビームウエストを制御する。図１の（ａ）に示されるように、ｘ−ｚ平面内においては、リレー光学系１６の第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側ウエスト位置Ｐ_ｘが第１のレンズ１６ａの前側焦点に一致するように配置されている。したがって、第１のレンズ１６ａの後側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第１のレンズ１６ａの後側焦点に一致している。

また、第１のレンズ１６ａの後側焦点は第２のレンズ１６ｂの前側焦点に一致している。つまり、第２のレンズ１６ｂの前側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第２のレンズ１６ｂの前側焦点に一致している。したがって、第２のレンズ１６ｂの後側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第２のレンズ１６ｂの後側焦点に一致する。また、第２のレンズ１６ｂの後側焦点は集光レンズ１９の前側焦点に一致している。つまり、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｘは、集光レンズ１９の前側焦点に一致している。このように、リレー光学系１６は、ｘ−ｚ面内において、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｘを集光レンズ１９の前側焦点に一致させる。

換言すれば、リレー光学系１６は、ｘ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｘを、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点に合わせる第１の光学系２１として機能する。その第１の光学系２１は、上述したように、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有する第１の要素としての第１のレンズ１６ａと、ｘ−ｚ平面及びｙ−ｚ平面のうちのｘ−ｚ平面内においてのみ光パワーを有する第２の要素としての第２のレンズ１６ｂとを含む。

一方、図１の（ｂ）に示されるように、ｙ−ｚ平面内においても、リレー光学系１６の第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側ウエスト位置Ｐ_ｙが第１のレンズ１６ａの前側焦点に一致するように配置されている。したがって、第１のレンズ１６ａの後側ウエスト位置Ｐ_ｙは、第１のレンズ１６ａの後側焦点に一致している。

しかしながら、第２のレンズ１６ｂは、ｙ−ｚ平面内において光パワーを有していない。このため、ｙ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９の前側ウエスト位置は、第２のレンズ１６ｂの有無に関わらず、第１のレンズ１６ａの後側ウエスト位置Ｐ_ｙとなる。つまり、ｙ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙは、集光レンズ１９の前側焦点に一致していない。より具体的には、ｙ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙは、集光レンズ１９の前側焦点の前段に位置している。

換言すれば、リレー光学系１６の第２のレンズ１６ｂは、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｙを、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点からずらす第２の光学系２２として機能する。そして、その第２の光学系２２は、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光パワーを有する第３の要素としての第２のレンズ１６ｂから構成される。なお、第１の光学系２１とは、ｘ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ _ｘ を、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点に合わせる機能を有する要素の名称であって、波長選択スイッチ１においてはリレー光学系１６であり、後述の波長選択スイッチ１Ａにおいてはリレー光学系１６Ａである。また、第２の光学系２２は、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ _ｙ を、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点からずらす機能を有する要素の名称であって、波長選択スイッチ１においてはリレー光学系１６の第２のレンズ１６ｂであり、後述の波長選択スイッチ１Ａにおいてはアナモルフィック光学系１７である。

ここで、光偏向素子１５上において、信号光Ｌ１のビームサイズに所望のアスペクト比を実現させるためには、例えば、ｘ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズを一定としたとき、ｙ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズを調整すればよい。ｙ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズは、集光レンズ１９から出射した信号光Ｌ１のｙ−ｚ平面内におけるビームサイズである。つまり、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９から出射した信号光Ｌ１のビームサイズを調整すれば、所望のアスペクト比を実現することが可能となる。

そこで、図２及び上記式（５）〜（７）に示される知見を、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９及び信号光Ｌ１に対して適用することを検討する。ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の前側ウエストサイズＤ_１ｙは、上記式（７）における前側ウエストサイズＤ_１Ａに相当する。ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の前側ウエスト距離Ｓ_１ｙは、上記式（７）における前側ウエスト距離Ｓ_１Ａに相当する。ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエストサイズＤ_２ｙは、上記式（７）中の後側ウエストサイズＤ_２Ａに相当する。

したがって、光偏向素子１５上において所望のアスペクト比を実現すべく後側ウエストサイズＤ_２ｙを調整するには、上記式（５），（７）に示されるように、前側ウエストサイズＤ_１ｙ及び前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの少なくとも一方を調整すればよい。これに対して、波長選択スイッチ１においては、上述したように、第２の光学系２２が、ｙ−ｚ平面内において前側ウエスト位置Ｐ_ｙを集光レンズ１９の前側焦点からずらしている。すなわち、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙが、集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４に限定されない。

つまり、波長選択スイッチ１においては、所望のアスペクト比を実現するうえで、ｙ−ｚ平面内において、前側ウエストサイズＤ_１ｙ及び前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの両方を調整可能である。このため、波長選択スイッチ１によれば、光学設計の自由度が向上する。これに対して、例えば、ｙ−ｚ平面内においても、集光レンズ１９の前側ウエスト位置を集光レンズ１９の前側焦点に一致させた場合には、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙが集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４に限定される。つまり、所望のアスペクト比を実現するうえで、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを調整する自由度が失われる。

なお、波長選択スイッチ１においては、ｙ−ｚ平面内において、第２の光学系２２によって集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙが、集光レンズ１９の前側焦点より前段に位置させられる。このため、ｙ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１が、広がりながら集光レンズ１９に入射する。つまり、波長選択スイッチ１においては、第２の光学系２２をアスペクト比の向上に寄与させることができる。

ここで、上述したように、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙを集光レンズ１９の前側焦点からずらすと、集光レンズ１９の後側ウエスト位置が集光レンズ１９の後側焦点からずれる。つまり、集光レンズ１９の後側ウエスト距離Ｓ_２ｙ（上記式（６）の後側ウエスト距離Ｓ_２Ａに相当する）が集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４から乖離する。このことに起因して、例えば集光レンズ１９の後側焦点に光偏向素子１５を配置した場合には、ロスが発生するおそれがある。そこで、引き続いて、ロスの低減について検討する。

図３は、前側ウエスト距離と後側ウエスト距離との関係を示すグラフである。図３の横軸は、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４で除したものである。したがって、横軸の「１」は、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙと焦点距離ｆ_４とが一致している状態を示す。このように、横軸の値は、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙと焦点距離ｆ_４との乖離の度合い（以下、「前側乖離度」という）を示す。
図３の縦軸は、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙを集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４で除したものである。したがって、縦軸の「１」は、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと焦点距離ｆ_４とが一致している状態を示す。つまり、縦軸の値は、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと焦点距離ｆ_４との乖離の度合い（以下、「後側乖離度」という）を示す。

また、図３における各グラフは、下記式（２）で表される第２の値Ｚ_ｒｙを下記式（３）に示されるように集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４で除した第３の値Ｖ_３を変化させた場合のバリエーションである。なお、第２の値Ｚ_ｒｙは、上記式（５）のＺ_ｒＡを、ｙ−ｚ平面内において集光レンズ１９及び信号光Ｌ１に適用したものに相当する。

図３に示されるように、例えば第３の値Ｖ_３が１以下である場合、後側乖離度（Ｓ_２ｙ／ｆ_４）は、前側乖離度（Ｓ_１ｙ／ｆ_４）が０から１まで間の領域にピークを有し、前側乖離度がそのピークから負方向に大きくなるにつれて減少する。また、同様の場合、後側乖離度は、前側乖離度が１から２までの間の領域にピークを有し、前側乖離度がそのピークから正方向に大きくなるにつれて減少する。

したがって、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４との乖離に起因したロス（すなわち、集光レンズ１９の後側ウエスト位置が集光レンズ１９の後側焦点からずれることに起因したロス）を低減するためには、前側乖離度の絶対値を大きくすればよい。そのためには、一例として、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの絶対値を大きくすればよい。本実施形態に係る波長選択スイッチ１においては、アナモルフィック光学系１７が、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｙから集光レンズ１９までの距離Ｓ_１ｙを拡大する第３の光学系２３として機能する。第３の光学系２３は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。

より具体的には、図１の（ｂ）に示されるように、リレー光学系１６の第１のレンズ１６ａから出射した信号光Ｌ１は、ｙ−ｚ平面内において、第２のレンズ１６ｂとの間にビームウエストを形成し、そのビームウエストから広がりながら第２のレンズ１６ｂを通過して第３の光学系（アナモルフィック光学系１７）２３に入射する。第３の光学系２３に入射した信号光Ｌ１は、ｙ−ｚ平面内においてビームサイズが拡大されて第３の光学系２３から出射される。このため、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙは、実質的に、第１のレンズ１６ａにより形成されるビームウエストよりもさらに前段の位置Ｐに移される。つまり、第３の光学系２３は、ｙ−ｚ平面内において前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを拡大する。

このように、波長選択スイッチ１においては、第３の光学系２３が前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを拡大するので、後側乖離度が相対的に小さくなる。このため、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４との乖離に起因したロスが低減される。なお、ここでは、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙは、集光レンズ１９の前段に位置する場合に正の値となり、集光レンズ１９の後段に位置する場合に負の値となるものとする。

一方、図３に示されるように、第３の値Ｖ_３が大きくなると、後側乖離度が小さくなる傾向がある。第３の値Ｖ_３は、上記式（２），（３）に表されるように、第２の値Ｚ_ｒｙを大きくすることにより大きくすることができる。波長選択スイッチ１においては、アナモルフィック光学系１７が、前側ウエストサイズＤ_１ｙを拡大することにより、第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する。つまり、波長選択スイッチ１においては、アナモルフィック光学系１７は、ｙ−ｚ平面内において第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する第４の光学系２４として機能する。第４の光学系２４は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。このように、波長選択スイッチ１においては、第４の光学系２４が第３の値Ｖ_３（すなわち第２の値Ｚ_ｒｙ）を拡大することにより後側乖離度を小さくする。このため、さらにロスが低減される。

引き続いて、光学設計の自由度の向上についてさらに検討する。図４は、前側ウエスト距離と後側ウエストサイズとの関係を示すグラフである。図４の横軸は、下記式（１）により表される第１の値Ｖ_１を示している。第１の値Ｖ_１は、上記の前側乖離度の絶対値をとったものである。また、図４の縦軸は、後側ウエストサイズＤ_２ｙを前側ウエストサイズＤ_１ｙで除した値（以下、「ウエストサイズ比」という）を示している。また、図４の各グラフは、上記式（３）に表される第３の値Ｖ_３を変化させた場合のバリエーションである。図４は、両対数グラフである。

図４に示されるように、第３の値Ｖ_３が４以上である場合には、ウエストサイズ比は、第１の値Ｖ_１が小さい側から所定の値に至るまでの間において一定であり、第１の値Ｖ_１がその所定の値以上になると変化（減少）する。ウエストサイズ比の変化は、前側ウエストサイズＤ_１ｙを一定とすれば、後側ウエストサイズＤ_２ｙの変化である。すなわち、第３の値Ｖ_３が４以上である場合には、第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときに後側ウエストサイズＤ_２ｙが変化する変化点Ｍを有している。換言すれば、波長選択スイッチ１においては、変化点Ｍよりも小さい領域においては、ウエストサイズ比（後側ウエストサイズＤ_２ｙ）を変化させずに第１の値Ｖ_１を変更可能である。

上記式（１）に示されるように、第１の値Ｖ_１は、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを焦点距離ｆ_４で除して絶対値をとったものである。したがって、このことは、後側ウエストサイズＤ_２ｙを変化させずに前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを変更可能であることを意味する。後側ウエストサイズＤ_２ｙは、光偏向素子１５上における信号光Ｌ１のアスペクト比を規定する。したがって、波長選択スイッチ１においては、アスペクト比を変化させずに前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを変更する自由度が与えられる。

このような観点から、波長選択スイッチ１においては、第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときに集光レンズ１９から出射した信号光Ｌ１のビームウエスト位置におけるビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点Ｍよりも小さい。これにより、上述したとおり光学設計の自由度を向上させることができる。特に、波長選択スイッチ１においては、第３の値Ｖ_３を４以上とする。これにより、第１の値Ｖ_１を変化させたときに後側ウエストサイズＤ_２ｙが変化しない第１の値Ｖ_１の領域が大きくなり、自由度がさらに向上する。なお、変化点Ｍは、一例として、第３の値Ｖ_３が４の場合には５程度であり、第３の値Ｖ_３が７３０の場合には２３０程度である。

なお、図１の（ｂ）及び図５に示されるように、第１のレンズ１６ａによって形成されるビームウエスト位置（前側ウエスト位置）Ｐ_ｙからアナモルフィック光学系１７（例えばプリズム１７ａの設置位置）までの距離は、第２のレンズ１６ｂの（ｘ−ｚ平面内における）焦点距離ｆ_３と、第２のレンズ１６ｂからアナモルフィック光学系１７までの距離ｄとを用いて、ｆ_３＋ｄとを表される。さらに、アナモルフィック光学系１７から実質的なビームウエスト位置Ｐまでの距離は、アナモルフィック光学系１７の拡大倍率をｍとすると、（ｆ_３＋ｄ）×ｍ^２と表される。つまり、上述したように前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを変更する自由度が得られることは、焦点距離ｆ_３、距離ｄ、及び倍率ｍを変更する自由度が得られることに相当する。

引き続いて、ロスのさらなる低減について検討する。光偏向素子１５においてロスの発生を抑制するためには、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内の両方において、集光レンズ１９の後側ウエスト位置に光偏向素子１５を配置することが望ましい。しかしながら、上述したように、ｘ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９の後側ウエスト位置と集光レンズ１９の後側焦点とが一致しているが、ｙ−ｚ平面内においては、集光レンズ１９の後側ウエスト位置と集光レンズ１９の後側焦点とが一致していない。

つまり、ｘ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置と、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置とは一致していない。このため、波長選択スイッチ１においては、ｘ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置とｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置との両方に合わせて光偏向素子１５を配置することが困難である。

そこで、波長選択スイッチ１においては、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置に合わせて光偏向素子１５を配置する。つまり、光偏向素子１５は、ｘ−ｚ平面内においては、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置と集光レンズ１９の後側焦点とのずれ（以下、「光軸方向ずれ」という）の分だけ、集光レンズ１９の後側ウエスト位置及び後側焦点からずれている。このｘ−ｚ平面内における光軸方向ずれ量は、│Ｓ_２ｙ−ｆ_４│である。

図６は、光軸方向ずれ量と透過率との関係を示すグラフである。図６の横軸は、光軸方向ずれ量を下記式（８）で表される第４の値Ｚ_ｒｘで除した値を示している。図６の縦軸は、透過率（ロス）を示している。下記式（８）におけるＤ_２ｘは、集光レンズ１９の後側ウエストサイズである。図６に示されるように、光軸方向ずれ量（│Ｓ２_ｙ−ｆ_４│）を第４の値Ｚ_ｒｘで除した値が１．０程度であると、透過率が−１．０ｄＢ程度となる。したがって、透過率を−１．０ｄＢよりも０に近づけるためには、光軸方向ずれ量を第４の値Ｚ_ｒｘ以下に抑えることが必要である。換言すれば、第４の値Ｚ_ｒｘを相対的に大きくすれば、ロスが１．０ｄＢを越えにくくなる。第４の値Ｚ_ｒｘは、例えばＤ_２ｘを大きくすれば大きくなる。

一方、波長選択スイッチ１においては、ｙ−ｚ平面内において、アナモルフィック光学系１７によって拡大された信号光Ｌ１が集光レンズ１９に入射する。一方、ｘ−ｚ平面内においては、信号光Ｌ１が、アナモルフィック光学系１７によって拡大されずに集光レンズ１９に入射する。このため、ｘ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエストサイズＤ_２ｘは、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエストサイズＤ_２ｙよりも大きい。

したがって、ｘ−ｚ平面内において後側ウエストサイズＤ_２ｘにより規定される第４の値Ｚ_ｒｘは、ｙ−ｚ平面内において後側ウエストサイズＤ_２ｙにより同様に規定される値に比べて相対的に大きい。つまり、波長選択スイッチ１においては、相対的に小さい後側ウエストサイズＤ_２ｙとなるｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９の後側ウエスト位置に光偏向素子１５を配置して光軸方向ずれを避け、相対的に大きい後側ウエストサイズＤ_２ｘとなるｘ−ｚ平面内において光軸方向ずれを許容する。これにより、波長選択スイッチ１においては、ロスが増加しにくくなる（ロスを低減可能である）。特に、波長選択スイッチ１においては、下記式（４）を満たすようにすることにより、ロスを１．０ｄＢ以下に抑えることが可能となる。

以上のように、波長選択スイッチ１によれば、所望のアスペクト比を実現するうえで、ロスを低減しつつ光学設計の自由度を向上させることが可能となる。さらに、自由度の向上により、ロスを低減するための光学系をさらに導入することも可能となる。
［第２実施形態］
図７は、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第２実施形態の構成を示す模式図である。図７の（ａ）は、ｙ軸方向からみたときの図であり、ｘ−ｚ平面における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図７の（ｂ）は、ｘ軸方向からみたときの図であり、ｙ−ｚ平面における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図７の（ａ），（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る波長選択スイッチ１Ａは、上記波長選択スイッチ１と比較して、リレー光学系１６に代えてリレー光学系１６Ａを備える点で相違している。

リレー光学系１６Ａは、第２のレンズ１６ｂに代えて第２のレンズ１６ｃを含む。第２のレンズ１６ｃは、少なくともｘ−ｚ平面内において光パワーを有する。ここでは、第２のレンズ１６ｃは、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有する。第２のレンズ１６ｃは、例えば凸状の球面レンズといった回転対称レンズである。

第２のレンズ１６ｃは、第２のレンズ１６ｃの前側焦点が第１のレンズ１６ａの後側焦点と略一致するように配置されている。また、第２のレンズ１６ｃは、第２のレンズ１６ｃの後側焦点が集光レンズ１９の前側焦点と略一致するように配置されている。つまり、第２のレンズ１６ｃは、第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ_２及び第２のレンズ１６ｃの焦点距離ｆ_３の分だけ第１のレンズ１６ａから離れた位置であって、第２のレンズ１６ｃの焦点距離ｆ_３及び集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４の分だけ集光レンズ１９から離れた位置に配置されている。

引き続いて、波長選択スイッチ１Ａにおける信号光Ｌ１のビームウエストの制御について説明する。本実施形態に係る波長選択スイッチ１Ａにおいては、図７の（ａ）に示されるように、ｘ−ｚ平面内においては、リレー光学系１６Ａの第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側ウエスト位置Ｐ_ｘが第１のレンズ１６ａの前側焦点に一致するように配置されている。したがって、第１のレンズ１６ａの後側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第１のレンズ１６ａの後側焦点に一致している。

また、第１のレンズ１６ａの後側焦点は第２のレンズ１６ｃの前側焦点に一致している。つまり、第２のレンズ１６ｃの前側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第２のレンズ１６ｃの前側焦点に一致している。したがって、第２のレンズ１６ｃの後側ウエスト位置Ｐ_ｘは、第２のレンズ１６ｃの後側焦点に一致する。また、第２のレンズ１６ｃの後側焦点は集光レンズ１９の前側焦点に一致している。つまり、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｘは、集光レンズ１９の前側焦点に一致している。このように、リレー光学系１６Ａは、ｘ−ｚ面内において、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｘを集光レンズ１９の前側焦点に一致させる。

換言すれば、リレー光学系１６Ａは、ｘ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｘを、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点に合わせる第１の光学系２１として機能する。その第１の光学系２１は、上述したように、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内において光パワーを有する第１の要素としての第１のレンズ１６ａと、ｘ−ｚ平面内及びｙ−ｚ平面内平面内において光パワーを有する第２の要素としての第２のレンズ１６ｃとを含む。

同様に、図７の（ｂ）に示されるように、ｙ−ｚ平面内においても、第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側ウエスト位置Ｐ_ｙが第１のレンズ１６ａの前側焦点に一致するように配置されている。したがって、第１のレンズ１６ａの後側ウエスト位置Ｐ_ｙは、第１のレンズ１６ａの後側焦点に一致している。また、第１のレンズ１６ａの後側焦点は第２のレンズ１６ｃの前側焦点に一致している。つまり、第２のレンズ１６ｃの前側ウエスト位置Ｐ_ｙは、第２のレンズ１６ｃの前側焦点に一致している。しかしながら、後述するように、第２のレンズ１６ｃの後側ウエスト位置は、アナモルフィック光学系１７によってずらされるので、第２のレンズ１６ｃの後側焦点に一致しない。

より具体的には、第２のレンズ１６ｃから出射した信号光Ｌ１は、第２のレンズ１６ｃによって集光され、そのビームサイズが縮小しながらアナモルフィック光学系１７に入射する。そして、アナモルフィック光学系１７に入射した信号光Ｌ１は、アナモルフィック光学系１７によって、ビームサイズの縮小の度合いが低下させられる。したがって、第２のレンズ１６ｃから出射した信号光Ｌ１のビームウエストは、アナモルフィック光学系１７がない場合の第２のレンズ１６ｃの後側ウエスト位置Ｐ_ｙよりも後段（後述する位置Ｐ）に位置させられる。

つまり、第２のレンズ１６ｃの後側ウエスト位置Ｐ_ｙは、アナモルフィック光学系１７によって、第２のレンズ１６ｃの後側焦点からずらされる。換言すれば、アナモルフィック光学系１７は、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｙを、ｚ軸方向について集光レンズ１９の前側焦点からずらす第２の光学系２２として機能する。そして、その第２の光学系２２は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。

このように、波長選択スイッチ１Ａにおいても、第２の光学系２２が、ｙ−ｚ平面内において前側ウエスト位置Ｐ_ｙを集光レンズ１９の前側焦点からずらす。すなわち、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙが、集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４に限定されない。したがって、波長選択スイッチ１においては、所望のアスペクト比を実現するうえで、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９の前側ウエストサイズＤ_１ｙ及び前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの両方を調整可能である。このため、波長選択スイッチ１Ａによれば、光学設計の自由度が向上する。

なお、波長選択スイッチ１Ａにおいては、ｙ−ｚ平面内において、第２の光学系２２によって、集光レンズ１９の前側ウエスト位置Ｐ_ｙが集光レンズ１９の前側焦点より後段に位置させられる。このため、ｙ−ｚ平面内において、信号光の広がりが比較的に小さい段階で分光素子１８により信号光Ｌ１の分光を行うことが可能となる。このため、分光素子１８の小型化が可能となる。

ここで、上述したように、波長選択スイッチ１Ａにおいても、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９の後側ウエスト距離Ｓ_２ｙが集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４から乖離する。このことに起因して、例えば集光レンズ１９の後側焦点に光偏向素子１５を配置した場合には、ロスが発生するおそれがある。そこで、波長選択スイッチ１Ａにおいても、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４との乖離に起因したロスを低減するためには、前側乖離度の絶対値を大きくする。

そのために、前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの絶対値を大きくする。本実施形態に係る波長選択スイッチ１Ａにおいても、アナモルフィック光学系１７が、ｙ−ｚ平面内において、集光レンズ１９に入射する信号光Ｌ１のビームウエスト位置Ｐ_ｙから集光レンズ１９までの距離Ｓ_１ｙを拡大する第３の光学系２３として機能する。第３の光学系２３は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。

より具体的には、図７の（ｂ）に示されるように、ｙ−ｚ平面内おいては、リレー光学系１６の第２のレンズ１６ｃに入射した信号光Ｌ１は、第２のレンズ１６ｃによって集光される。したがって、信号光Ｌ１は、そのビームサイズを縮小しながら第３の光学系（アナモルフィック光学系１７）２３に入射する。そして、信号光Ｌ１は、第３の光学系２３によって、そのビームサイズの縮小の度合いが低減される。このため、集光レンズ１９の前側ウエスト位置は、実質的に、第３の光学系２３がない場合の前側ウエスト位置Ｐ_ｙよりも後段の位置Ｐに移される。

つまり、第３の光学系２３は、ｙ−ｚ平面内において前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを拡大する。このように、波長選択スイッチ１Ａにおいても、第３の光学系２３が前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを拡大するので、後側乖離度が相対的に小さくなる（図３等参照）。このため、後側ウエスト距離Ｓ_２ｙと集光レンズ１９の焦点距離ｆ_４との乖離に起因したロスが低減される。

一方、波長選択スイッチ１Ａにおいても、アナモルフィック光学系１７が、前側ウエストサイズＤ_１ｙを拡大することにより、上記式（２）に示される第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する。つまり、波長選択スイッチ１Ａにおいても、アナモルフィック光学系１７は、ｙ−ｚ平面内において第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する第４の光学系２４として機能する。第４の光学系２４は、一対のプリズム１７ａ，１７ｂから構成される。このように、波長選択スイッチ１においては、第４の光学系２４が第３の値Ｖ_３（すなわち第２の値Ｚ_ｒｙ）を拡大することにより後側乖離度を小さくする。このため、ロスを低減することが可能である。

ここで、上述したように、上記式（３）に示される第３の値Ｖ_３が４以上である場合には、ウエストサイズ比が、上記式（１）に示される第１の値Ｖ_１が小さい側から所定の値に至るまでの間において一定であり、第１の値Ｖ_１がその所定の値以上になると変化（減少）する（図４参照）。すなわち、上述したように、第３の値Ｖ_３が４以上である場合には、第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときに後側ウエストサイズＤ_２ｙが変化する変化点Ｍを有している。換言すれば、波長選択スイッチ１Ａにおいては、第１の値Ｖ_１を変化点Ｍよりも大きくすることにより、後側ウエストサイズＤ_２ｙを小さくすることが可能である。

後側ウエストサイズＤ_２ｙは、光偏向素子１５上における信号光Ｌ１のアスペクト比を規定する。したがって、波長選択スイッチ１Ａにおいては、アスペクト比を向上させることが可能である。このような観点から、波長選択スイッチ１Ａにおいては、第１の値Ｖ_１は、第１の値Ｖ_１を変化させたときに集光レンズ１９から出射した信号光Ｌ１のビームウエスト位置におけるビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点Ｍよりも大きい。これにより、上述したとおりアスペクト比を向上させることができる。

第１の値Ｖ_１は、上記式（１）に示されるように、集光レンズ１９の前側ウエスト距離Ｓ_１ｙによって規定される。また、アスペクト比は、ｘ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズを一定とすれば、ｙ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズにより規定される。そこで、集光レンズ１９の前側ウエスト距離Ｓ_１ｙと、ｙ−ｚ平面内における光偏向素子１５上の信号光Ｌ１のビームサイズとの関係について、計算結果の一例を図９，１０に示す。

図９に示される計算には、以下の条件を用いている。
［プリズム（アナモルフィック光学系１７）］
倍率８倍（プリズム２個（プリズム１７ａ，１７ｂ））、硝材はＳｉ
［レンズ］
コリメートレンズ１２ｂの焦点距離ｆ１：１．４ｍｍ
第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ２：６５ｍｍ
第２のレンズ１６ｃの焦点距離ｆ３：６５ｍｍ
集光レンズ１９の焦点距離ｆ４：１００ｍｍ
ビームウエスト直径：０．２６５４ｍｍ
［波長］
信号光Ｌ１の波長：０．００１５４８ｍｍ
図９に示されるように、集光レンズ１９の前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの絶対値が４５０ｍｍ付近でビームサイズが徐々に小さくなり始めている。つまり、上記変化点Ｍを規定する前側ウエスト距離Ｓ_１ｙは、ここでは４５０ｍｍ程度である。また、前側ウエスト距離Ｓ１ｙを３０００ｍｍ程度としたときに、光偏向素子１５におけるアスペクト比を３０程度とすることができる。

図１０に示される計算には、以下の条件を用いている。
［プリズム（アナモルフィック光学系１７）］
倍率８倍（プリズム２個（プリズム１７ａ，１７ｂ））、硝材はＳｉ
［レンズ］
コリメートレンズ１２ｂの焦点距離ｆ１：０．７ｍｍ
第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ２：６５ｍｍ
第２のレンズ１６ｃの焦点距離ｆ３：６５ｍｍ
集光レンズ１９の焦点距離ｆ４：１００ｍｍ
集光レンズ１９の前側ウエストサイズＤ１ｙ：０．１３３ｍｍ
［波長］
信号光Ｌ１の波長：０．００１５４８ｍｍ
図１０に示されるように、集光レンズ１９の前側ウエスト距離Ｓ_１ｙの絶対値が１８０ｍｍ付近でビームサイズが徐々に小さくなり始めている。つまり、上記変化点Ｍを規定する前側ウエスト距離Ｓ_１ｙは、ここでは１８０ｍｍ程度である。また、前側ウエスト距離Ｓ１ｙを１９００ｍｍ程度としたときに、光偏向素子１５におけるアスペクト比を３０程度とすることができる。

なお、図７の（ｂ）及び図８に示されるように、アナモルフィック光学系１７がない場合の第２のレンズ１６ｃの後側ウエスト位置Ｐ_ｙからアナモルフィック光学系１７までの距離は、第２のレンズ１６ｃの焦点距離ｆ_３と、第２のレンズ１６ｃからアナモルフィック光学系１７までの距離ｄとを用いて、ｆ_３−ｄとを表される。さらに、アナモルフィック光学系１７から実質的なビームウエスト位置Ｐまでの距離は、アナモルフィック光学系１７の拡大倍率をｍとすると、（ｆ_３−ｄ）×ｍ^２と表される。つまり、上述したように前側ウエスト距離Ｓ_１ｙを変更する自由度が得られることは、焦点距離ｆ_３、距離ｄ、及び倍率ｍを変更する自由度が得られることである。

ここで、波長選択スイッチ１Ａにおいても、波長選択スイッチ１と同様に、ｙ−ｚ平面内における集光レンズ１９の後側ウエスト位置に合わせて光偏向素子１５を配置する。さらに、波長選択スイッチ１Ａにおいても、上記式（４）を満たすようにする。これにより、ロスを１．０ｄＢ以下に抑えることが可能となる。
［第３実施形態］
図１１は、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第３実施形態の構成を示す模式図である。特に、図１１は、ｘ軸方向からみたときの図であり、ｙ−ｚ平面内における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図１１に示されるように、本実施形態に係る波長選択スイッチ１Ｂは、上記波長選択スイッチ１Ａと比較して、偏波ダイバーシティモジュール３０をさらに備える点で相違している。偏波ダイバーシティモジュール３０は、リレー光学系１６Ａの前段に配置されている。

偏波ダイバーシティモジュール３０は、偏光ビームスプリッタ３１、波長板（偏光回転素子）３２、及び光路調整素子３３を含む。偏光ビームスプリッタ３１は、信号光Ｌ１を偏光方向（ｓ／ｐ偏光）に応じてｙ軸方向に分離する。波長板３２は、偏光ビームスプリッタ３１で分離された信号光ＤＬ１，ＤＬ２のうちの一方の信号光ＤＬ２の偏光方向を他方の信号光ＤＬ１の偏光方向に合わせる。光路調整素子３３は、偏光ビームスプリッタ３１で分離された信号光ＤＬ１，ＤＬ２のうちの一方の信号光ＤＬ１の光路長を他方の信号光ＤＬ２光路長に合わせる。

なお、偏波ダイバーシティモジュール３０においては、偏光ビームスプリッタ３１で分離された信号光ＤＬ２は、ミラー３４で反射された後に波長板３２に入射する。このように、波長選択スイッチ１Ｃは、偏波ダイバーシティモジュール３０を備えることにより、偏波依存損失を低減することができる。特に、リレー光学系１６Ａの前段に配置することで、偏波ダイバーシティモジュール３０を小型化できる。

ここで、このような偏波ダイバーシティモジュール３０を備える波長選択スイッチ１Ｃにおいては、信号光ＤＬ１と信号光ＤＬ２とが別々の経路をたどる。信号光ＤＬ１，ＤＬ２の通る経路は、往路及び復路において逆になる。例えば、図示上側の経路で光偏向素子１５に向かう信号光ＤＬ１は、光偏向素子１５から戻る際には図示下側の経路を通る。このとき、波長選択スイッチ１Ｃにおいては、リレー光学系１６Ａ及びアナモルフィック光学系１７の上述した機能が重要となるので、信号光ＤＬ１，ＤＬ２の往路及び復路における光路長を揃える必要がある。このため、例えばシリンドリカルレンズやプリズムアセンブリで構成される光路調整素子３３を配置することがより有効である。
［第４実施形態］
図１２及び図１３は、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの第４実施形態の構成を示す模式図である。特に、図１２は、ｙ軸方向からみたときの図であり、ｘ−ｚ平面における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図１３は、ｘ軸方向からみたときの図であり、ｙ−ｚ平面における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図１２，１３に示されるように、本実施形態に係る波長選択スイッチ１Ｃは、上記波長選択スイッチ１と比較して、ポートアレイ１４に代えてポートアレイ１４Ｃを備える点、及び、光偏向素子１５に代えて光偏向素子１５Ｃを備える点で相違している。

ポートアレイ１４Ｃ、リレー光学系１６、アナモルフィック光学系１７、分光素子１８、集光レンズ１９、及び光偏向素子１５Ｃは、所定の軸線Ｃ上に並んで配置されている。所定の軸線Ｃは、例えばｚ軸方向に延びる軸線である。なお、図１２及び図１３においては、所定の軸線Ｃが一直線状に描かれているが、例えば反射鏡等が中途に配置されることにより所定の軸線Ｃが屈曲していてもよい。

図１４は、所定の軸線Ｃの方向（ｚ軸方向）からみたポートアレイ１４Ｃの構成を示す図である。また、図１５は、ｙ軸方向からみたポートアレイ１４Ｃの構成を示す側面図である。図１４及び図１５に示されるように、ポートアレイ１４Ｃは、第１の部分４０ａと第２の部分４０ｂとを有している。第１の部分４０ａと第２の部分４０ｂとは、図１２及び図１３に示された所定の軸線Ｃと交差する第１の方向（本実施形態では、ｘ軸方向）に並んで配置されている。

第１の部分４０ａは、３個以上の第１の光入出力ポート４１を含む。本実施形態では、これらの光入出力ポート４１はｘ軸方向に整列されている。これらの光入出力ポート４１には、一又は複数の入力ポート１２としての第１の入力ポート４１ａと、一又は複数の出力ポート１３としての第１の出力ポート４１ｂとが含まれている。例示として、図１４及び図１５には、一つの入力ポート４１ａと、複数の出力ポート４１ｂとが示されている。この場合、入力ポート４１ａは、例えば波長多重光である信号光Ｌ１１を波長選択スイッチ１Ｃの内部へ出射する。出力ポート４１ｂは、例えば、光偏向素子１５Ｃによって偏向された波長成分Ｌ１２を受ける。

図１５に示されるように、この第１の部分４０ａでは、所定の軸線Ｃに対し所定の軸線Ｃと交差する第１の方向（本実施形態では、ｘ軸方向）に傾斜した光軸でもって光入出力ポート４１の入出射（すなわち、入力ポート４１ａからの信号光Ｌ１１の出射および出力ポート４１ｂへの波長成分Ｌ１２の入射）が行われる。所定の軸線Ｃを基準とする光入出力ポート４１の入出射角θ_１の角度範囲は、所定の軸線Ｃを０°としたとき例えば０°＜θ_１＜５°であり、更に好適には０°＜θ_１＜３°である。

第２の部分４０ｂは、３個以上の第２の光入出力ポート４２を含む。本実施形態では、これらの光入出力ポート４２はｘ軸方向に整列されている。これらの光入出力ポート４２には、一又は複数の入力ポート１２としての第２の入力ポート４２ａと、一又は複数の第２の出力ポート１３としての出力ポート４２ｂとが含まれている。例示として、図１４及び図１５には、一つの入力ポート４２ａと、複数の出力ポート４２ｂとが示されている。この場合、光入力ポート４２ａは、例えば波長多重光である信号光Ｌ２１を波長選択スイッチ１Ｃの内部へ出射する。出力ポート４２ｂは、例えば、光偏向素子１５Ｃによって偏向された波長成分Ｌ２２を受ける。

図１５に示されるように、この第２の部分４０ｂでは、ｘ軸方向に傾斜した光軸でもって光入出力ポート４２の入出射（すなわち、入力ポート４２ａからの信号光Ｌ２１の出射および出力ポート４２ｂへの波長成分Ｌ２２の入射）が行われる。所定の軸線Ｃを基準とする光入出力ポート４２の入出射角は、光入出力ポート４１の入出射角θ_１とは異なっており、例えば−θ_１である。

各光入出力ポート４１は、光ファイバ４１ｃ及び集光素子（集光レンズ）４１ｄを含んで構成されている。各集光素子４１ｄは、各光ファイバ４１ｃに対して一対一で設けられ、対応する光ファイバ４１ｃの端面に光結合されている。同様に、各光入出力ポート４２は、光ファイバ４２ｃ及び集光素子（集光レンズ）４２ｄを含んで構成されている。各集光素子４２ｄは、各光ファイバ４２ｃに対して一対一で設けられ、対応する光ファイバ４２ｃの端面に光結合されている。

図１５に示されるように、各光ファイバ４１ｃと、各光ファイバ４１ｃそれぞれに対応する各集光素子４１ｄとの光軸は互いにずれている。具体的には、集光素子４１ｄの光軸は光ファイバ４１ｃの光軸に対してΔα（＞０）だけずれており、また、そのずれ量Δαは、３個以上の光入出力ポート４１において互いに等しい。これによって、３個以上の光入出力ポート４１に均一な正の入出射角θ_１が付与されている。なお、本実施形態では、３個以上の光ファイバ４１ｃは間隔αでもって互いに等間隔に配置されており、これらに対応する３個以上の集光素子４１ｄもまた、間隔αでもって互いに等間隔に配置されている。

一方、各光ファイバ４２ｃと、各光ファイバ４２ｃそれぞれに対応する各集光素子４２ｄとの光軸もまた、ｘ軸方向に互いにずれている。但し、そのずれ量は集光素子４１ｄのずれ量とは異なっており、例えば−Δαである。また、そのずれ量−Δαは、３個以上の光入出力ポート４２において互いに等しい。これによって、３個以上の光入出力ポート４２に均一な負の入出射角−θ_１が付与されている。また、本実施形態では、３個以上の光ファイバ４２ｃは間隔αでもって互いに等間隔に配置されており、これらに対応する３個以上の集光素子４２ｄもまた、間隔αでもって互いに等間隔に配置されている。

また、本実施形態では、光入出力部４０が、光入出力ポート４１，４２とは別に、調芯用ポート４３を更に有している。調芯用ポート４３は、所定の軸線Ｃに沿った光軸でもって調芯用の光Ｌ３の入出射を行うためのポートである。この調芯用ポート４３もまた、光ファイバ４３ｃと、光ファイバ４３ｃの端面に光結合された集光素子４３ｄとを含んでいる。但し、光ファイバ４３ｃの光軸と集光素子４３ｄの光軸とは、互いに一致している。従って、調芯用ポート４３において入出射される光Ｌ３は、所定の軸線Ｃに沿って伝搬する。

このような調芯用ポート４３は、図１４及び図１５に示されるように第１の部分４０ａ及び第２の部分４０ｂに対して共通に設けられてもよく、或いは、第１の部分４０ａ及び第２の部分４０ｂそれぞれに少なくとも一つずつ設けられていてもよい。本実施形態では、第１の部分４０ａと第２の部分４０ｂとの間に一つの調芯用ポート４３が配置されている。

光ファイバ４３ｃに隣り合う光ファイバ４１ｃ及び４２ｃと光ファイバ４３ｃとは、互いに間隔αをあけて配置されている。一方、集光素子４３ｄに隣り合う集光素子４１ｄ及び４２ｄと集光素子４３ｄとは、互いに間隔α＋Δαをあけて配置されている。このような構成によって、前述した光ファイバ４１ｃと集光素子４１ｄとの光軸のずれ量Δα、及び光ファイバ４２ｃと集光素子４２ｄとの光軸のずれ量−Δαが実現されている。換言すれば、本実施形態では、光ファイバ４１ｃ、４２ｃ及び４３ｃが互いに等ピッチで配列され、集光素子４１ｄ、４２ｄ及び４３ｄが互いに不等ピッチで配列されている。そして、集光素子４１ｄの位置が、光ファイバ４１ｃに対して配列方向の一方の側（ｘ軸の正側）にずれており、集光素子４２ｄの位置が、光ファイバ４２ｃに対して配列方向の他方の側（ｘ軸の負側）にずれている。

再び図１２及び図１３を参照する。波長選択スイッチ１Ｃにおいては、リレー光学系１６の第１のレンズ１６ａ及び第２のレンズ１６ｂは、光入出力ポート１１，１２に対して共通に設けられている。第１のレンズ１６ａは、第１のレンズ１６ａの前側焦点が集光素子４１ｄ〜４３ｄ（図４を参照）の後側焦点と略一致するように配置されている。つまり、第１のレンズ１６ａは、ポートアレイ１４Ｃが有する集光素子４１ｄ〜４３ｄの焦点距離ｆ１及び第１のレンズ１６ａの焦点距離ｆ２の分だけ集光素子４１ｄ，４２ｄから離れた位置に配置されている。

アナモルフィック光学系１７（プリズム１７ａ，１７ｂ）は、光入出力ポート４１，４２に対して共通に設けられている。アナモルフィック光学系１７は、リレー光学系１６の第２のレンズ１６ｂから出射された信号光Ｌ１１，Ｌ２１を入射すると共に、その信号光Ｌ１１，Ｌ２１のビームサイズをｙ軸方向に拡大して出射する。

分光素子１８は、光入出力ポート４１，４２に対して共通に設けられている。分光素子１８は、光入出力ポート４１，４２の入出射光の光軸を、所定の軸線Ｃおよびｘ軸方向と交差する方向、例えばｙ軸方向へ波長に応じた角度で変化させる。分光素子１８は、入力ポート４１ａ，４２ａからの信号光Ｌ１１，Ｌ２１が波長多重光である場合には、信号光Ｌ１１，Ｌ２１を複数の波長成分に分光する。図１２及び図１３では、理解の容易のため、複数の波長成分のうちの或る波長成分Ｌ１２，Ｌ２２のみを代表して図示する。

集光レンズ１９は、光入出力ポート４１，４２に対して共通に設けられている。集光レンズ１９は、分光素子１８によって分光されて出射された波長成分Ｌ１２，Ｌ２２を入射し、光偏向素子１５Ｃ上に結合する。

光偏向素子１５Ｃは、集光レンズ１９によって集光された波長成分Ｌ１２を受け、その波長に応じた所定の光出力ポート４１ｂに向けて波長成分Ｌ１２を偏向する。同様に、光偏向素子１５Ｃは、集光レンズ１９によって集光された波長成分Ｌ２１を受け、その波長に応じた所定の出力ポート４２ｂに向けて波長成分Ｌ２２を偏向する。そのために、光偏向素子１５Ｃは、所定の軸線Ｃと交差する平面内にて二次元状に配列された複数の光偏向領域（光偏向要素素子）を有している。光偏向素子１５Ｃは、各光偏向領域において対応する波長成分Ｌ２１，Ｌ２２を受け、波長成分Ｌ１２，Ｌ２２のそれぞれを独立して光出力ポート４１ｂ，４２ｂに向けて偏向する。

図１６は、所定の軸線の方向から見た光偏向素子の正面図である。図１６に示されるように、光偏向素子１５Ｃは、ｘ軸方向に並ぶ第１の光偏向部５１および第２の光偏向部５２を有している。第１の光偏向部５１は、ｙ軸方向（分光方向）に並ぶ複数の光偏向領域５１ａを含んでおり、分光素子１８を経た入力ポート４１ａからの各波長成分を対応する光偏向領域５１ａにおいて受け、これらの波長成分を光出力ポート４１ｂへ向ける。また、第２の光偏向部５２は、ｙ軸方向（分光方向）に並ぶ複数の光偏向領域５２ａを含んでおり、分光素子１８を経た光入力ポート４２ａからの各波長成分を対応する光偏向領域５２ａにおいて受け、これらの波長成分を出力ポート４２ｂへ向ける。

光偏向素子１５Ｃとしては、例えばＬＣＯＳといった位相変調素子が好適に用いられる。このような位相変調素子は、位相変調を行う複数の画素を有し、回折格子状の位相変調パターンを呈示することにより入射光の光路を偏向する。なお、光偏向素子１５Ｃとしては、位相変調素子以外にも、例えばＭＥＭＳ素子といった種々の素子を用いることができる。

光偏向素子１５ＣとしてＬＣＯＳ型の位相変調素子が用いられる場合、所定の軸線Ｃおよびｘ軸方向を含む面内（すなわちｘ−ｚ平面内）において、入力ポート４１ａ，４２ａから到達する波長成分Ｌ１２，Ｌ２２の光軸が位相変調素子の変調面に対して直交するとよい。これにより、更に精緻な偏向制御が可能となる。このような形態は、例えば、ｘ−ｚ平面内において波長成分Ｌ１２，Ｌ２２の光軸が変調面に対して直交するように、所定の軸線Ｃに対する光入出力ポート４１，４２の入出射角θ_１，−θ_１が設定されることにより好適に実現され得る。この場合、前段光学系（リレー光学系１６及びアナモルフィック光学系１７）及び集光レンズ１９は、ｘ−ｚ平面内において波長成分Ｌ１２，Ｌ２２の光軸が変調面に対して直交するように、光入出力ポート４１，４２からの光の光路を変更するとよい。

また、この場合、ｘ軸方向における前段光学系（リレー光学系１６及びアナモルフィック光学系１７）並びに集光レンズ１９の中心光軸が、互いに一致していると更に好適である。また、この場合、光入出力ポート４１の入出射光Ｌ１１，Ｌ１２の光軸と、光入出力ポート４２の入出射光Ｌ２１，Ｌ２２の光軸とは、所定の軸線Ｃに対して互いに対称であるとよい。なお、所定の軸線Ｃは、仮に該所定の軸線Ｃに沿って出射された光が位相変調素子の変調面に到達した場合に、所定の軸線Ｃおよびｘ軸方向を含む面内（ｘ−ｚ平面内）において、該光の光軸が位相変調素子の変調面に対して直交するような軸線である。

光偏向素子１５Ｃによって偏向された波長成分Ｌ１２，Ｌ２２は、集光レンズ１９、分光素子１８、アナモルフィック光学系１７、及びリレー光学系１６を介して所定の出力ポート４１ｂ，４２ｂに到達し、波長選択スイッチ１Ｃの外部へ出力される。

以上の構成を備える本実施形態の波長選択スイッチ１Ｃによって得られる効果について説明する。例えば、特開２０１１−２４８０００号公報に記載された波長選択スイッチでは、光入出力部の二以上のグループそれぞれに対応するレンズが配置され、このレンズによって、入出射光の光軸に対して各グループ毎に異なる角度が付与されている。しかしながら、このような構成では部品点数が多くなり、また、上記レンズの分だけ光路長が長くなってしまい波長選択スイッチの小型化を妨げる一因となる。

これに対し、本実施形態の波長選択スイッチ１Ｃでは、そのようなレンズを利用せずに、光入出力部４０の第１の光入出力ポート４１および第２の光入出力ポート４２のそれぞれにおいて入出射光の光軸に所定の角度を付与している。したがって、本実施形態の波長選択スイッチ１Ｃによれば、部品点数を抑え、光路長を過度に長くすることなく、より多くの波長成分を分離（若しくは結合）することが可能となる。

また、本実施形態のように、光入出力ポート４１，４２は、光ファイバ４１ｃ，４２ｃと、光ファイバ４１ｃ，４２ｃに対して一対一で設けられ、該光ファイバ４１ｃ，４２ｃの端面に光結合された集光素子４１ｄ，４２ｄとを含んでもよい。この場合、光ファイバ４１ｃ，４２ｃの光軸と集光素子４１ｄ，４２ｄの光軸とを互いにずらすことによって、光入出力ポート４１，４２における入出射角θ_１，−θ_１を簡素な構成でもって容易に設定することができる。また、このような形態により、光入出力ポート４１，４２が十分な有効径を確保できるので、波長選択スイッチ１Ｃが小型化された場合であっても入出射角θ_１，−θ_１の絶対値を十分に大きくすることが可能となる。

また、本実施形態のように、ポートアレイ１４Ｃは、光入出力ポート４１，４２とは別に、所定の軸線Ｃに沿った光軸でもって調芯用の光Ｌ３の入出射を行う調芯用ポート４３を更に有してもよい。光入出力ポート４１，４２は入出射光が傾斜しているため調芯に使用し難いが、このような調芯用ポート４３を別に用意しておくことによって、調芯作業を容易に行うことができる。

以上の実施形態は、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの一実施形態を説明したものである。したがって、本発明の一側面に係る波長選択スイッチは、上記の波長選択スイッチ１〜１Ｃに限定されない。本発明の一側面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、上記の波長選択スイッチ１〜１Ｃを任意に変更したものとすることができる。

例えば、上記実施形態においては、波長選択スイッチ１Ａに対して偏波ダイバーシティモジュール３０を設けた波長選択スイッチ１Ｂについて説明した。しかしながら、波長選択スイッチ１，１Ｃに対して偏波ダイバーシティモジュール３０を設けてもよい。

また、上記実施形態においては、波長選択スイッチ１に対してポートアレイ１４Ｃ及び光偏向素子１５Ｃを適用した波長選択スイッチ１Ｃについて説明した。しかしながら、波長選択スイッチ１Ａ，１Ｂに対して、ポートアレイ１４Ｃ及び光偏向素子１５Ｃを適用してもよい。

また、上記実施形態においては、波長選択スイッチ１〜１Ｂを、入力ポート１２から波長多重光を入力し、出力ポート１３から分光後の各波長成分の光を出力する場合に適用する例ついて説明したが、波長選択スイッチ１〜１Ｂは、複数の入力ポート１２から各波長成分の光を入力し、出力ポート１３から合波後の波長多重光を出力する場合に適用してもよい。

さらに、上記実施形態においては、ポートアレイ１４の各ポート１２，１３が、光ファイバ１２ａ，１３ａとコリメートレンズ１２ｂ，１３ｂとを含んで構成されるものとしたが、ポートアレイ１４の態様はこれに限定されない

本発明の一側面によれば、光学設計の自由度を向上可能な波長選択スイッチを提供することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…波長選択スイッチ、１２…入力ポート、１３…出力ポート、１４，１４Ｃ…ポートアレイ、１５，１５Ｃ…光偏向素子、１６…リレー光学系、１６Ａ…リレー光学系、１６ａ…第１のレンズ（第１の要素）、１６ｂ…第２のレンズ（第２の要素、第３の要素）、１６ｃ…第２のレンズ（第２の要素）、１７…アナモルフィック光学系、２１…第１の光学系、２２…第２の光学系、２３…第３の光学系、２４…第４の光学系、３０…偏波ダイバーシティモジュール、３１…偏光ビームスプリッタ、３２…波長板（偏光回転素子）、３３…光路調整素子、４０ａ…第１の部分、４０ｂ…第２の部分、４１…第１の光入出力ポート、４１ａ…第１の入力ポート、４１ｂ…第１の出力ポート、４２…第２の光入出力ポート、４２ａ…第２の入力ポート、４２ｂ…第２の出力ポート。

Claims (22)

1. 信号光を入力する入力ポート及び信号光を出力する出力ポートを第１の方向に配列して構成されるポートアレイと、
   前記入力ポートから入力された信号光を前記第１の方向と異なる第２の方向に分光する分光素子と、
   前記分光素子で分光された信号光のそれぞれを集光する集光素子と、
   前記集光素子で集光された信号光のそれぞれを前記出力ポートに向けて偏向する光偏向素子と、
   前記第１の方向と信号光の光軸方向とによって張られる第１の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、前記光軸方向について前記集光素子の前側焦点に合わせる第１の光学系と、
   前記第２の方向と前記光軸方向とによって張られる第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、前記光軸方向について前記前側焦点からずらす第２の光学系と、
   を備える波長選択スイッチ。
2. 前記第１の光学系は、前記第１及び第２の面内において光パワーを有する第１の要素と、少なくとも前記第１の面内において光パワーを有する第２の要素と、を含む請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記第２の光学系は、前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、前記光軸方向について前記前側焦点の前段に位置させる、請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記第２の光学系は、前記第１及び第２の面のうちの前記第１の面内のみにおいて光パワーを有する第３の要素から構成される、請求項３に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記第２の光学系は、前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置を、前記光軸方向について前記前側焦点の後段に位置させる、請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
6. 前記第２の光学系は、少なくとも一対のプリズムから構成される、請求項５に記載の波長選択スイッチ。
7. 前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から前記集光素子までの距離を拡大する第３の光学系を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
8. 前記第３の光学系は、少なくとも一対のプリズムから構成される、請求項７に記載の波長選択スイッチ。
9. 前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から前記集光素子までの距離をＳ_１ｙとし、前記集光素子の焦点距離をｆ_４とし、前記集光素子から出射した信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_２ｙとしたとき、下記式（１）により表される第１の値Ｖ_１は、前記第１の値Ｖ_１を変化させたときに前記ビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点よりも小さい、請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
   
10. 前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置から前記集光素子までの距離をＳ_１ｙとし、前記集光素子の焦点距離をｆ_４とし、前記集光素子から出射した信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_２ｙとしたとき、下記式（１）により表される第１の値Ｖ_１は、前記第１の値Ｖ_１を変化させたときに前記ビームサイズＤ_２ｙが変化する変化点よりも大きい、請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
    
11. 前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_１ｙとし、信号光の波長をλとしたとき、下記式（２）により表される第２の値Ｚ_ｒｙを拡大する第４の光学系を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
    
12. 前記第４の光学系は、少なくとも１対のプリズムから構成される、請求項１１に記載の波長選択スイッチ。
13. 前記第２の面内において、前記集光素子に入射する信号光のビームウエスト位置におけるビームサイズをＤ_１ｙとし、信号光の波長をλとし、前記集光素子の焦点距離をｆ_４としたとき、下記式（２）により表される第２の値Ｚ_ｒｙを用いて下記式（３）により表される第３の値Ｖ_３は４以上である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
    
    
14. 前記光偏向素子は、前記集光素子から出射した信号光の前記第２の面内におけるビームウエスト位置に配置される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
15. 前記集光素子から出射した信号光の第２の面内におけるビームウエスト位置から前記集光素子までの距離をＳ_２ｙとし、前記集光素子から出射した信号光の前記第１の面内におけるビームウエスト位置での信号光のビームサイズをＤ_２ｘとし、前記集光素子の焦点距離をｆ_４とし、信号光の波長をλとしたとき、下記式（４）を満たす、請求項１４に記載の波長選択スイッチ。
    
16. 前記入力ポートから入力された信号光の前記プリズムへの入射角度は、７０°以上である請求項６，８，１２のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
17. 前記入力ポートから入力された信号光の前記プリズムへの入射角度は、ブリュースター角に略等しい、請求項６，８，１２，１６のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
18. 前記プリズムの屈折率は、１．５以上である、請求項１６又は１７に記載の波長選択スイッチ。
19. 前記プリズムの屈折率は、３．０以上である、請求項１８に記載の波長選択スイッチ。
20. 前記第１の光学系の前段に配置された偏波ダイバーシティモジュールを備える、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。
21. 前記偏波ダイバーシティモジュールは、信号光を偏波方向に応じて前記第２の方向に分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで分離された信号光のうちの一方の偏光方向を他方の偏光方向に合わせる偏光回転素子と、前記偏光ビームスプリッタで分離された信号光のうちの一方の光路長を他方の光路長に合わせる光路調整素子と、を含む請求項２０に記載の波長選択スイッチ。
22. 前記ポートアレイ、前記分光素子、及び、前記光偏向素子は、所定の軸線上に配置されており、
    前記ポートアレイは、
    前記入力ポートとしての第１の入力ポートと前記出力ポートとしての第１の出力ポートとを含む第１の光入出力ポートを有し、前記所定の軸線に対し前記第１の方向に傾斜した第１の光軸でもって前記第１の光入出力ポートの入出射を行う第１の部分と、
    前記入力ポートとしての第２の入力ポートと前記出力ポートとしての第２の出力ポートとを含む第２の光入出力ポートを有し、前記所定の軸線に対し前記第１の方向に傾斜した第２の光軸でもって前記第２の光入出力ポートの入出射を行う第２の部分と、
    を有し、
    前記所定の軸線を基準とする前記第１の光軸の傾斜角と前記第２の光軸の傾斜角とは、互いに異なり、
    前記分光素子は、前記第１及び第２の入出力ポートに対して共通に設けられており、
    前記光偏向素子は、
    前記分光素子を経た前記第１の入力ポートからの信号光を前記第１の出力ポートへ向ける第１の光偏向部と、
    前記分光素子を経た前記第２の入力ポートからの信号光を前記第２の出力ポートへ向ける第２の光偏向部と、
    を有する、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の波長選択スイッチ。