WO2013038713A1 - 光スイッチ - Google Patents

Abstract

本開示は、ＷＤＭ波長全域にわたってのスイッチングが可能な多入力多出力の光スイッチを提供する。一実施形態に係る光スイッチは、少なくとも１つの入力ポートからの光信号を波長ごとに分波する光分波素子（３）と、入射した光信号を偏向する光分波素子からの波長分離された光信号を波長ごとに、その進行方向を波長分散軸方向と直交するスイッチ軸方向に偏向する第一の光偏向素子（５）と、第一の光偏向素子からの光信号を前記出力ポートのうち、少なくとも１つに出力されるようにその進行方向をスイッチ軸方向に偏向する第二の光偏向素子（８）と、第二の光偏向素子からの異なる波長の光信号を合波する光合波素子（１０）とを備える。

Description

光スイッチ

　本発明は、波長分割多重光ネットワークに用いられる光スイッチに関する。

　光通信の大容量化が進展し、伝送容量が波長分割多重（ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing））方式により増大する一方で、ノードにおける経路切換機能のスループットの増大が強く求められている。従来の波長多重チャネルの経路切換は、伝送されてきた各チャネルに対応する光信号を電気信号に変換した後に、電気スイッチにより行う方法が主流であったが、高速で広帯域であるという光信号の特徴を生かして、光スイッチ等を用いて各チャネルに対応する光信号のまま、アド・ドロップ等を行う、ＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）システムが導入されている。具体的には、リング型の光ネットワークのネットワークノードとして、各チャネルに対応する光信号のアド・ドロップを行うとともに、ドロップの必要がないものは光信号のまま通過させるノード装置が配置されている。各チャネルに対応する光信号のまま、アド・ドロップ等を行うノード装置は、小型で低消費電力化という利点を有する。それらＲＯＡＤＭシステムの将来的な展開に必要なデバイスとして、波長選択スイッチ（Wavelength selective switch:ＷＳＳ）モジュールが求められている。

　特に、複数のＲＯＡＤＭシステムを相互に接続する光スイッチとして、多入力、多出力のＷＳＳへの要求が高まりつつある。これは、ＣＤＣ（Colorless, Directionless, Contentionless）と呼ばれるＲＯＡＤＭ構成に対応し、次世代のネットワークへの適用が期待されている。このような要求に対して、ＭＥＭＳ（Mechanical-Electo Machine System）を有するＭ×Ｎの波長選択スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を有した波長選択スイッチは、波長グリッドをフレキシブルに再配置することができ、波長利用効率を高めることが可能である。

　図１８は、特許文献１に開示されている波長選択スイッチの概要である。図１８において、入力光ファイバ１０１から入射した光信号は、凸レンズ１０３により平行光に変換され、回折格子１０４により波長分波されたのち、凸レンズ１０５によりＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａ上に集光される。この光信号はＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａにより波長ごとに反射され、凸レンズ４０１を介して全反射ミラー４０２により反射される。反射された光信号は再び凸レンズ４０１を介してＭＥＭＳミラーアレイ１０６ｂに入射し、光路を変換されて、凸レンズ１０５、回折格子１０４、凸レンズ１０３を介して出力光ファイバ１０２へ出力される。図１９は、スイッチ軸方向の光線を図示したものである。図１９の構成は、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａおよび１０６ｂと全反射ミラー４０２の間は回折格子１０４の波長分散軸方向および波長分散軸方向に垂直なスイッチ軸方向ともに同じ４ｆ系（ｆは凸レンズ４０１の焦点距離）の構成である。４ｆ系とする理由は、反射ミラー４０２上で波長分散軸方向、スイッチ軸方向ともに、平行ビームとしてＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａ、１０６ｂの両方にビームウェストの位置を設定するためである。このような光学系では、２つのミラー素子１０７ａおよびｂの角度をどのように傾けても、必ずミラー素子１０７に戻るためスイッチングができない。この問題を解決するために、特許文献１に開示されている波長選択スイッチでは、図２０に示すように、反射ミラー４０２を複雑で生産性の悪いブレーズド形状１２００にする必要がある。また、図２１に示すように反射ミラー４０２を曲面形状にしてスイッチングを実現する方法も考えられるが、この方式では上述の４ｆ系を採用する利点（ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａおよび１０６ｂ上でビームウェストを形成する点）を犠牲にしてしまう。

　図１８、図１９および図２０に示した波長選択スイッチの構成では、
（１）ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａおよびｂ上にビームウェストの位置が形成されるように構成要素を設定することができ、反射効率を高めることができる
（２）ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａおよびｂを同一の面内に配置することができる
という利点がある。

　図２２は、同じく特許文献１に開示されている波長選択スイッチの概要構成を示す図である。図２２において、入力光ファイバ１０１からの光信号は、個々の入力ポートごとに設置された球レンズ６０１とシリンドリカルレンズ６０２を経由して、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａへと入射する。ＭＥＭＳミラーアレイ１０６ａにより光路変換された光信号は、図１８を参照して説明したのと同じく、凸レンズ６０３を介して全反射ミラー６０４により反射される。全反射ミラー６０４により反射された光信号は再び凸レンズ６０３、ＭＥＭSミラーアレイ１０６ｂ、シリンドリカルレンズ６０２、球レンズ６０１を経由して、出力光ファイバ１０２へと結合する。

特許第４４９３５３８号公報（図４－１，４－２，６－１）

　しかしながら、特許文献１に記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチでは以下の問題がある。
（１）図１８の光学系において、反射ミラー４０２において、波長軸方向（ｘ方向）の像が短波長波で逆転してしまうため、反射ミラーに垂直に入射する波長以外の波長成分は透過しない。
（２）図１９の光学系において、回折格子１０４にスイッチ軸方向（ｙ方向）に異なる角度で入射するため、回折格子の格子深さがポート間で異なっているように作用する。したがって、各ポートからの光信号は異なる分散特性をもつため、透過帯域の劣化につながる。
（３）図２０の光学系において、製造が困難な複雑な形状のミラーを使用する必要があり、デバイスの製造性やコストの悪化につながる。
（４）図２２に示す光学系では、すべての入力光信号が同じ角度で回折格子１０３へと入射するため、図１９の光学系における上記（２）の問題は解消される。しかしながら、十分な波長分解能を得るためにシリンドリカルレンズ６０２の焦点距離を長くとらなければならない場合、球レンズ６０１によって決められる球レンズ出射直後のビーム径ｗ１を十分に大きくする必要がある。もし、ビーム径ｗ１が十分大きくない場合は、スイッチ軸方向のビーム広がりに起因して、ＭＥＭＳミラー上のスイッチ軸方向の隣接するミラーにも光信号が入射してしまい、ポート間クロストークの性能が劣化するという問題を生じる。

　以下に、数値例を挙げる。一般的に入手可能な９４０Ｌ／ｍｍの回折格子をリトロー配置にて使用し、波長グリッドが５０ＧＨｚ間隔の光信号をスイッチングすることを想定する。

　十分な透過帯域を得るためには、図２３のように、ＭＥＭＳミラーアレイ１０６中の１つのＭＥＭＳミラー１０７の波長方向（ｘ方向）の幅ｗＭＷＬに対して、当該ＭＥＭＳミラー上での光信号のビーム径ｗ２（ビームの直径）はｗＭＷＬの１０分の１以下にするのが好ましい。例えば、ＭＥＭＳミラーの幅ｗＭＷＬとして２００μｍを想定すると、光信号のビーム径ｗ２は２０μｍ程度とするのがよい。

　ところで、２００μｍのミラー幅ｗＭＷＬがちょうど５０ＧＨｚの波長範囲に対応するので、シリンドリカルレンズ６０２の焦点距離ｆは、回折格子１０３の角度分散を考慮するとおよそ４００ｍｍとする必要がある。したがって、ｗ２＝２０μｍの場合、球レンズ６０１で形成されるガウスビーム半径はｗ１＝９．５ｍｍと巨大なものになる。

　スイッチ軸方向には、このビーム径がそのまま伝搬するうえ、ｗ１＝９．５ｍｍの半径のガウスビームを十分に受けるためのＭＥＭSミラーのサイズはその３倍程度は必要であるので、２００μｍ×２８ｍｍとアスペクト比の非常に大きなＭＥＭＳミラーが必要となる。しかも、２８ｍｍの方向にミラーを回転させる必要がある。このような巨大なミラーは現実的ではないことは明らかである。

　加えて、球レンズ６０１をファイバ先端に個別に実装するのは、実装の難易度が極端に上がるという問題がある。

　本発明は、このような目的を達成するために、本発明の第１の側面は、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを備えた光スイッチであって、前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号を波長ごとに分波する光分波素子と、前記光分波素子からの波長分離された光信号を波長ごとにその進行方向を偏向する少なくとも１つの第一の光偏向素子と、前記第一の光偏向素子からの光信号を前記出力ポートのうち、少なくとも１つに出力されるように偏向する第二の光偏向素子と、前記第二の光偏向素子からの異なる波長の光信号を合波する光合波素子と、を備え、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は、前記光分波素子および前記光合波素子の波長分散軸方向と直交するスイッチ軸方向に、入射した光信号を偏向することを特徴とする。

　本発明の第２の側面は、第１の側面の光スイッチにおいて、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子のうち少なくとも一方は、微小な位相変調素子を複数個有する空間位相変調素子であることを特徴とする。

　本発明の第３の側面は、第１又は２の側面の光スイッチにおいて、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は液晶素子であり、前記スイッチ軸方向に曲面となる位相分布を有し、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする。

　本発明の第４の側面は、第１又は２の側面の光スイッチにおいて、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は入力光を反射する液晶素子であって、
　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の反射面は前記スイッチ軸方向に曲面となる位相分布を有し、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする。

　本発明の第５の側面は、第１又は２の側面の光スイッチにおいて、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は各々のミラーにスイッチ軸方向に曲率を持たせたＭＥＭＳミラーアレイであって、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする。

　本発明の第６の側面は、第１乃至４のいずれかの側面の光スイッチにおいて、前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号のすべてを前記波長分散軸方向に平行光に変換する少なくともひとつの第一の光学素子と、前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号のすべてを、前記スイッチ軸方向に平行光となるようにビーム形状を変換する少なくともひとつの第二の光学素子と、前記光分波素子からの光信号を、前記波長分散軸方向に収束光とし、前記第一の光偏向素子上に前記波長分散軸方向のビームウェストを形成する少なくともひとつの第三の光学素子と、前記第一の光偏向素子からの光信号を前記波長分散軸方向に平行光とする少なくともひとつの第四の光学素子と、前記第四の光学素子からの光信号を、前記波長分散軸方向に収束光とし、前記第二の光偏向素子上に前記波長分散軸方向のビームウェストを形成する少なくともひとつの第五の光学素子と、前記第二の光偏向素子からの光信号を前記波長分散軸方向に平行光とする少なくともひとつの第六の光学素子と、前記光合波素子からの光信号のすべてを前記波長分散軸方向に収束光に変換し、前記出力ポートの少なくともひとつに結合するようにビーム形状を変換する、少なくともひとつの第七光学素子と、前記光合波素子からの光信号のすべてを、その主光線が前記スイッチ軸方向に収束するように変換し、前記出力ポートの少なくともひとつに結合するように光路変換する、少なくともひとつの第八光学素子とを備えたことを特徴とする。

　本発明の第７の側面は、第６の側面の光スイッチにおいて、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は、入力光を反射する光偏向素子であって、前記第三の光学素子は前記第四の光学素子と共用され、前記第五の光学素子は前記第六の光学素子と共用されることを特徴とする。

　本発明の第８の側面は、第７の側面の光スイッチにおいて、前記第四の光学素子と共用される前記第三の光学素子と前記第六の光学素子と共用される前記第五の光学素子との間に、前記波長軸方向に光信号の像を反転させて反射する第九の光学素子を有し、
　前記第四の光学素子と共用される前記第三の光学素子は、前記第五の光学素子および前記第六の光学素子とも共用されることを特徴とする。

　本発明の第９の側面は、第８の側面の光スイッチにおいて、前記第三の光学素子、前記第四の光学素子、前記第五の光学素子、および前記第六の光学素子は、入力光信号を反射する同一の光学素子であることを特徴とする。

　本発明の第１０の側面は、第６乃至９のいずれかの側面の光スイッチにおいて、前記第一の光学素子および前記第二の光学素子は、前記少なくとも1つの入力ポートから入射した光信号の各々を前記光分波素子に同じ角度で入射することを特徴とする。

　本発明の第１１の側面は、第６乃至１０のいずれかの側面の光スイッチにおいて、前記第一の光学素子、前記第二の光学素子、第三の光学素子、第四の光学素子、第五の光学素子および第六の光学素子は、前記少なくとも1つの出力ポートへ出射する光信号を、その各々が同一の波長については、前記光合波素子に同じ角度で入射することを特徴とする。

　本発明の第１２の側面は、第１乃至１１のいずれかの側面の光スイッチにおいて、前記少なくとも１つの入力ポートおよび前記少なくとも１つの出力ポートは、それぞれ基板上に形成された光導波路で構成された光ビーム成形器に接続され、前記光ビーム成形器は、前記入力ポートの数または前記出力ポートの数の接続導波路と、前記接続導波路に接続された第一のスラブ導波路と、信号波長帯域での干渉特性が無視できるほど小さな光路差を有する前記第一のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続された第二のスラブ導波路と、を備え、前記基板の面が前記スイッチ軸と平行な向きに設置され、前記第二のスラブ導波路の光軸方向の長さは、前記光導波路の出力端から一定の位置に設定されることを特徴とする。

　本発明の第１３の側面は、第１乃至１１のいずれかの側面の光スイッチにおいて、前記少なくとも１つの入力ポートおよび前記少なくとも１つの出力ポートは、それぞれ基板上に形成された光導波路で構成された光ビーム成形器に接続され、前記光ビーム成形器は、前記入力ポートの数または前記出力ポートの数の接続導波路と、前記接続導波路に接続された第一のスラブ導波路と、信号波長帯域での干渉特性が無視できるほど小さな光路差を有する前記第一のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続された第二のスラブ導波路と、を備え、前記基板の面が前記スイッチ軸と平行な向きに設置され、前記アレイ導波路と前記第二のスラブ導波路の境界は曲面であることを特徴とする。

　本発明の第１４の側面は、第１２又は１３の側面の光スイッチにおいて、前記接続導波路と前記第一のスラブ導波路との接続点列は、前記入力ポートが接続される前記光ビーム成形器である入力光ビーム成形器と前記出力ポートが接続される前記光ビーム成形器である出力光ビーム成形器との間で異なり、前記入力光ビーム成形器における接続点列を構成する点と点の中間位置に、前記出力光ビーム成形器における接続点列を構成する点が配置されることを特徴とする。

　以上説明したように、本発明により、多入力多出力の波長選択光スイッチが実現され、次世代のネットワークの実現に寄与する。これまでに開示されている波長選択スイッチでは、「発明が解決しようとする課題」の（１）に示したように、特定の波長（中心波長）のみのスイッチングが可能であったが、本発明の構成による波長選択スイッチはＷＤＭ波長全域にわたってのスイッチングを可能とする。

　また、「発明が解決しようとする課題」の（２）に示したように、本発明の構成による波長選択スイッチは、回折格子への入力角をすべての入力ポートからの光信号について等しくすることを可能とするので、すべて入力光信号について、全く等価な分光特性を得ることを可能とする。

　加えて、「発明が解決しようとする課題」の（３）に示したように、本発明の構成による波長選択スイッチは、実現不可能な大きさの光偏向素子（ＭＥＭＳミラーアレイ）を使う必要を無くす。

　また、本発明の構成による波長選択スイッチは、ＬＣＯＳを使う際に不可欠となる偏平ビームを実現する際に、導波路型のフロントエンド光学系を適用することにより、光学系の設計自由度が増し、またＬＣＯＳのゼロ次光に起因するクロストークの劣化を避けることも可能としている。

本発明に係る一実施形態の光スイッチの波長軸方向の光学系の概要を示す図である。 本発明に係る一実施形態の光スイッチのスイッチ軸方向の光学系の概要を示す図である。 ＬＣＯＳを光偏向素子として用いた場合のＬＣＯＳ上におけるビームの配置を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチにより実現される各チャネルの透過スペクトル特性を示す図である。 ＬＣＯＳを光偏向素子として用いた場合にＬＣＯＳに設定する位相分布を説明するための図である。 ビームウェストの設定位置を説明するための図である。 ＬＣＯＳを光偏向素子として用いた場合にＬＣＯＳに設定する位相分布を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチの構成を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチの構成を説明するための図である。 図９Ａの光スイッチにおけるスイッチ軸を説明するための図である。 全反射ミラーを用いて構成された従来の波長選択スイッチの光学系を説明するための図である。 図１０Ａの波長選択スイッチにおけるスイッチ軸を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチの構成を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチにおけるスイッチ軸を説明するための図である。 石英系光導波路を用いたフロントエンド光学系を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチにおけるスイッチ軸方向のビームウェストの位置関係を示す図である。 フロントエンド光学素子からビームウェストまでの距離ｓと、回折光学素子からビームウェストの間の距離との関係を示す図である。 一実施形態の光スイッチにおけるフロントエンド光学素子を説明するための図である。 一実施形態の光スイッチにおけるフロントエンド光学素子を説明するための図である。 入力側のフロントエンド光学素子と出力側フロントエンド光学素子の関係を説明するための図である。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチの構成の概要を示す図である。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチにおける光線を図示したものである（Ｙ軸方向＝スイッチ軸方向）。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチの反射ミラーの構成と光学系を説明するための図である。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチの反射ミラーの構成と光学系を説明するための図である。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチの構成の概要を示す図である。 特許文献１に開示されている波長選択スイッチの構成におけるＭＥＭＳミラー１０７と光信号のビーム径ｗ２との関係を例示する図である。

　本発明によれば、ＷＤＭ波長全域にわたってのスイッチングが可能な多入力多出力の光スイッチが提供される。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号をもって記述する。

（実施の形態１）
　図１および２を参照して、本発明に係る光スイッチの一実施形態を説明する。図１および２は本実施の形態の光スイッチの光学系の概要を示すものである。

　図１は、本実施の形態の光スイッチの波長軸方向の概略を示すものである。図１では、波長の異なる３つの光信号を３つの線（太実線、点線、一点鎖線）で示してある。以下の説明においては、太実線のみに着目して説明する。

　フロントエンド光学素子１から出力された光信号は、コリメートレンズ２を介して平行光に変換され、回折光学素子３へと入射し、波長分離される。回折光学素子３において、回折された入力光信号は波長ごとに異なる方向へ回折される（太実線、点線、一点鎖線の３つに分波される）。回折された光信号は、集光レンズ４により収束光となり、光偏向素子５へと入射する（光信号ごとに異なる位置へ入射する）。後述するように、光偏向素子５は波長分散軸方向（単に、波長軸ともいう。）とは垂直方向に入力光を偏向することができる。なお、波長軸に垂直な方向とは光偏向素子５においてｘ方向をいう。光偏向素子５は、反射にて入力光を偏向する反射型もしくは透過にて入力光を偏向する透過型とすることができるが、ここでは光偏向素子５は透過光として偏向する透過型であるとして本実施の形態を説明する。反射型の光偏向素子５を用いても同様の機能を発揮することは明らかである。

　光偏向素子５を通過した光信号は、コリメートレンズ６を介して平行光へ変換され、再び集光レンズ７にて収束光へ変換される。コリメートレンズ６と集光レンズ７の間においては、光信号は両者の間を伝搬するのに十分太い平行光に変換されるのが好ましい。集光レンズ７によって収束光となった光信号は光偏向素子８上に、波長ごとに集光する（太実線、点線、一点鎖線）。光偏向素子８上に集光した光信号は、波長ごとに、波長軸方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）へ偏向される。ここでは、光偏向素子５の場合と同様に、透過素子として説明するが一般性は失われない。光偏向素子８を透過した光信号は、発散光として伝搬するが、再びコリメートレンズ９により平行光に変換される。平行光に変換された光信号は、波長ごとに異なる角度で回折光学素子１０へ入射し、結果として波長合波されて、同一方向へ出力される。

　ここで、回折光学素子３および１０は、それらの格子方向に関する回転方向が、図１に示すように、回折光学素子３により波長分波された光信号が、回折光学素子１０で波長合波される方向となるように設置される。

　回折光学素子１０より出射した光信号は、集光レンズ１１を介して収束光となり、最終的にフロントエンド光学素子２に入射する。上記の光信号の波長方向の流れを示した図中の太線の光路は、フロントエンド光学系１から出力されるガウスビームの発散、収束もしくは平行光としての伝搬を示す。また、コリメートレンズ２、６、９および集光レンズ４、７、１１は波長軸方向にのみパワーをもつ（波長軸方向の成分を集光し、スイッチ軸方向の成分には影響を与えない、屈折力をもつ）シリンドリカルレンズである。

　図２は、本実施の形態の光スイッチのスイッチ軸方向の光学系の概略である。なお、スイッチ軸方向とは光偏向素子５においてｘ方向をいう。図１に示したシリンドリカルレンズ２，４，６，７，９，１１、および、回折光学素子３，１０、光偏向素子５、８も模式的に示してあるが、スイッチ軸に関する動作のみを簡潔に説明するため、回折光学素子３，１０の設置方向は図１の状態とは異なることに留意されたい。

　図２に示される光線は、本スイッチ軸方向においては、各入出力ポートに関係する光線の主光線を示すものであり、ここでは、５入力、５出力の場合を示す。特に、図２中の太線は入力ポート１から入射した光信号であり、出力ポート２へ結合する場合を示すものである。

　フロントエンド光学素子１から出力された光信号は、その入射ポートに依存して、フロントエンド光学素子１から異なる方向に出力される。フロントエンド光学系１から出力された光信号は、回折光学素子３の前段に設置されたコリメータレンズ１３により、各入射ポートに対応する光線が平行となるように光路変換される。したがって、回折光学素子３へは、すべての光線は同じ角度で入射する。回折光学素子３において波長ごとに光路変換された各光線は、集光レンズ４を経由して、光偏向素子５へ入射する。光偏向素子５では、入力光線を波長ごとに異なる方向へ偏向する（ｘ方向）。光偏向素子５により偏向された光波は、たとえば、太線で示されるように、任意の方向へ伝搬し、コリメートレンズ６および集光レンズ７を介して、光偏向素子８へ入射する。光偏向素子８に入射した信号は、所望の出力ポートに対応する方向（たとえば、太線の方向）に偏向され、コリメートレンズ９を介して、回折光学素子１０へ入射する。回折光学素子１０への光線は、入出力ポートによらず、すべて同じ角度で入射することは、回折光学素子５に対する状況と同じである。回折光学素子１０を経由した光波は、集光レンズ１４により角度変換され、集光レンズ１１を介して、フロントエンド光学素子１２へ入射する。

　上記で太線をフロントエンド光学素子１から１２へトレースすれば、入力１から出力２へとスイッチングされていることがわかる。

　ここで、コリメートレンズ１３および集光レンズ１４はスイッチ軸方向（ｘ方向）についてのみパワー（屈折力）をもつシリンドリカルレンズである。コリメートレンズ２の後段にコリメートレンズ１３を配置する例を示したが、コリメートレンズ１３の後段にコリメートレンズ２を配置してもよい。同様に、集光レンズ１４の後段に集光レンズ１１を配置する代わりに、集光レンズ１１の後段に集光レンズ１４を配置してもよい。

　上記の光学系は近軸的には、以下の３つの制約条件を満たしている。すなわち、
（１）回折光学素子３および１０へは、光信号は平行光として入射する。
（２）回折光学素子３および１０へは、すべての入出力ポートに対応する光信号は同一の角度で入射する。
（３）回折光学素子３および１０の設置方向は、前者で波長分波された光信号が後者で波長合波される方向になっている。

　上記１は、回折光学素子により波長を合分波する際の条件である。回折格子へ収束光もしくは発散光が入射すると、そのビームを構成する光線で考えたときに、回折光学素子への入射角が光線ごとに異なることになる。したがって、光線ごとに回折方向が変化するため、光偏向素子５，８上での波長選択性、すなわち透過帯域幅および損失が劣化する。

　また、上記２の制約条件も光スイッチの波長選択性にかかるものである。たとえば、異なる入力ポートからの光信号が、スイッチ軸方向に異なる角度で入射した場合、回折格子の格子深さが異なる。したがって、入力ポートごとに波長分散能が異なる回折格子が設置されることになり、回折光学素子上に波長分波される際に、分波された光信号はそれぞれ異なる位置に集光する。この結果、光偏向素子５にて入力光をスイッチ軸方向に偏向した場合、偏向された光が再び光偏向素子８上に集光する場合、光偏向素子５上で集光した位置と相対的に異なる位置に集光することになる。このことは、すなわち、回折光学素子１０に対する光の入射角度が異なることに直結するので、回折光学素子１０での波長合成は適切に機能しないことになる。

　第３の制約条件は、波長多重された入力信号を波長選択的にスイッチングする基本機能を実現するために必須である。特許文献１の図４－１、図６－１に示された構成（本願の図１８、２０）では、この要件は満たされていない。

　光偏向素子５、８としてはＬＣＯＳによる光偏向素子、ＭＥＭＳによる光偏向素子などを用いることができる。また、回折格子としては、透過型もしくは反射型の刻線回折格子や体積ホログラフィック回折格子などを用いることができる。

　また、本実施の形態では、シリンドリカルレンズ２と回折光学素子３の間にシリンドリカルレンズ１３が設置される例を示しているが、シリンドリカルレンズ１３は回折光学素子３よりも入力側であれば良く、フロントエンド光学素子１とシリンドリカルレンズ２の間に設置されてもよい。

　同様に、シリンドリカルレンズ１４は、回折光学素子１０とシリンドリカルレンズ１１の間に設置されているが、回折光学素子１０よりも出力側であれば良く、シリンドリカルレンズ１１とフロントエンド光学素子１２の間に設置されてもよい。

　以下に、本実施の形態の光スイッチの数値例を示す。本実施の形態では、回折光学素子として透過型の刻線回折格子を用い、光偏向素子としてＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）による回折光学素子を用いる例を示す。また、信号光の波長は１５３０ｎｍから１５６５ｎｍのＣバンドである。本数値例では、５入力、５出力の例について示す。

　上述の光学部品として、
・シリンドリカルレンズ２，１１の焦点距離：３４ｍｍ
・シリンドリカルレンズ４，６，７，８の焦点距離：１４３mm
・シリンドリカルレンズ１３，１４の焦点距離：５０ｍｍ
・回折光学素子３，１０の格子定数：９４０Ｌｉｎｅｓ／ｍｍ
とした。また、ＬＣＯＳはピクセルピッチが１１μｍの幅Ｗ×高さＨ=１０２４×７６８ピクセルのものを適用した。

　図３はＬＣＯＳ上におけるビームの配置を示すものである。
ここでは、ＬＣＯＳの短辺が波長軸（ｘ軸）に相当する方向に設置した。上記の設定では、光周波数の１００ＧＨｚがおよそ１６ピクセルに相当する。

　図４は本パラメータにより実現される各チャネルの透過スペクトル特性を重ね書きしたものである。ＬＣＯＳ素子を用いることで、任意の波長間隔の設定が可能になるが、ここでは、８８ｃｈの５０ＧＨｚ間隔のＷＤＭ光信号を想定した。特許文献１に示された例では特定の波長のみを透過することが可能であったが、本実施の形態の光スイッチでは、８８ｃｈすべての信号に対して、０．５ｄＢ帯域で２０ＧＨｚ以上の帯域が得られることがわかる。

（実施の形態２）
　本実施の形態２では、実施の形態１で示した光スイッチに関して、スイッチ軸方向の設定について数値例を挙げて説明する。光学系の構成は、実施の形態１と同様であり、本実施の形態に特徴的な部分のみを説明する。

　図３に示すように、スイッチ軸方向については、ＬＣＯＳの長辺の向きに設置する。この際、入力側ＬＣＯＳ（光偏向素子５）上で５入力の光信号の各々が、出力側ＬＣＯＳ（光偏向素子８）上では５出力の光信号の各々が、均等に振り分けられる必要がある。５つの入出力ビームにて１０２４ピクセルを均等に分割すると、ひとつの入出力ビームあたり２０５ピクセル（幅はｗｃｈ＝２０５×１１μｍ＝２２５３μｍ）を占める。なお、個々のピクセルは微細な相変調素子であり、複数のピクセルにより集約的に空間位相変調素子が構成される。

　ＬＣＯＳを用いた光信号の偏向は図５に示す方式でなされる。すなわち、ＬＣＯＳ上の各ピクセルを用いて、セロダイン波状の位相分布を持つ空間波形を設置することで、入力光の波面を傾けることができる。セロダイン波形は、位相が０から２πまでののこぎり波を階段状の波形で等価的に実現したものであり、そのセロダインの傾きに応じて、入射した光信号が反射する向きを変えることができる。図３に図示した、各々の入出力ポートに対応するＬＣＯＳ上の領域において、スイッチ軸方向に図５の位相分布を設定する。光偏向素子５におけるセロダイン波形の傾きは、入射した光信号が、所望の出力に対応する光偏向素子８上の位置に向かって進むように設定すればよく、光偏向素子８上のセロダイン波形の傾きは、それに入射する光信号が所望の出力ポートへ向かう方向に変更されるように設定すればよい。

　たとえば、上述の数値例において、入力ポート１から出力ポート３へ出力する場合には、スイッチ軸方向のビームの主光線の位置シフトとしては、２２５３×（３－１）＝４５０６μｍである。光偏向素子５と８の間の距離は１４３ｍｍ×４＝５７２ｍｍであるから、スイッチングに必要な偏向角はａｔａｎ（４．５０６／５７２）＝０．４５度である。したがって、たとえば、１．５５μｍの光信号をスイッチングさせるためには、セロダイン波形の周期ｐｅｒｉｏｄを、
０．４５°＝ａｔａｎ（１．５５／ｐｅｒｉｏｄ）
ｐｅｒｉｏｄ＝１９７μｍ
となるように、設定すればよい。すなわち、ピクセルサイズは１１μｍであるので、１９７／１１＝１７．９ピクセルごとの周期のセロダイン波形を設定すればよい。

　ところで、図３に示した各々の入出力に対応するＬＣＯＳ上の領域の中に、各入出力からの光信号に対応するガウスビームが十分内包される必要がある。もし、十分に内包されない場合、隣接するポートに光が漏れこむことになり、隣接クロストークの劣化につながる。ここでは、ガウスビームの裾が十分小さくなる幅として、ガウスビーム幅ｗＳＷをｗＳＷ＝ｗｃｈ／α＝ｗｃｈ／３．５＝６４４μｍとなるように設定した。ここで係数α（＝３．５）は、要求されるポート間クロストークの値から決定される。

　ところで、光偏向素子５および８の間には、スイッチ軸方向（ｘ方向）にパワーをもつ光素子は設置されない。したがって、たとえば、光偏向素子５上にビームウェストを有する光信号がそのまま伝搬すると、光偏向素子５を通過した光信号はその径を広げながら伝搬することになる。たとえば、上述のように、光偏向素子５上で、ｗＳＷ＝６４４μｍのビームがウェストを持っている場合、そのビーム広がりにより光偏向素子８上では、７７４μｍに広がる。これは、光偏向素子８上でポート間クロストークを発生させることになるため、好ましくない。

　本発明では、図６に示すＢＷの位置にビームウェストを設定することで、上記の問題を解消する。図６は光偏向素子５と８の間の光学系を抜粋したものである。点線は、入力３から出力３へ伝搬するビームの形状を示したものである。図６に示すように、光偏向素子５および８間の距離は、シリンドリカルレンズ４，６，７，９の焦点距離の４倍に設定される。これは、波長軸の条件から一意に決まるものである。したがって、本数値例では、ＢＷと光偏向素子５，８までの距離は、１４３×２＝２８６ｍｍである。この場合、ＢＷにビームウェストの位置を設定し、そのサイズをｗＢＷ＝５９８μｍとすることで、光偏向素子５，８上でｗＳＷ＝６４４μｍのビームを得ることができる。

　特に、光偏向素子としてＬＣＯＳを用いる場合、スイッチ軸方向に関してｗｃｈに含まれるピクセルの位相を図７に示すような曲面にすればよい。図７において、横軸はＬＣＯＳ上のスイッチ軸方向における位置を示しており、縦軸は各ピクセルに設定される位相を示している。光偏向素子５でビームウェストを結ぶ光信号が入射した場合、ＬＣＯＳに曲率半径１４３ｍｍの凹面に相当する位相分布を設定すれば、光偏向素子５と８の中心ＢＷの位置に新たなビームウェストを結ぶことができる。図７に示す曲面の位相分布は、図５に示すセロダイン波形と重ね合わせて設定すれば、スイッチング機能を保ちつつビームウェストをＢＷの位置に設定できる。この重ね合わせは、図５に示したセロダイン波形の傾きをβ、図７に示した曲面を２次曲線で近似して、その２次の係数をαとするときに、
φ＝αｘ²+βｘ
とすればよい。ｘはＬＣＯＳ上のスイッチ軸方向の位置である。

　本実施の形態では、光偏向素子５と８のちょうど中点ＢＷビームウェストの位置を設定する例を示したが、光偏向素子５、８上のスイッチ軸方向のビーム径が十分にポート間クロストークを低減できるほど小さく設定できるのであれば、この位置に限らないことは明らかである。

　また、ＭＥＭＳミラーアレイなどの光偏向素子を用いた場合においても、光偏向素子５と８の間にビームウェストの位置を設定するように、各々のミラーにスイッチ軸方向に曲率を持たせればよいことは明らかである。

　また、本実施の形態では、光偏向素子５と８上にもビームウェストが存在すると想定したが、ｗＳＷが要求されるポート間クロストークを満たす幅であれば、光偏向素子５および８上にビームウェストはなくても構わない。

　また、多数の入力ポートまたは出力ポートを有する光スイッチでは、光偏向素子による偏向量が増大し、スイッチングに必要なピクセル数を有したＬＣＯＳを１つの基板上に形成すること困難となる場合がある。このような場合には、並べて配置した複数のＬＣＯＳにより光偏向素子を実現することができる。同様にレンズ１，４，６，７，９，１１，１３，１４もまた、同種のレンズを複数個並べて１つの光学素子を実現することができる。

（実施の形態３）
　本実施の形態３では、実施の形態１および２で示した光学系の実際の構成を図８を用いて説明する。図８において、フロントエンド光学素子１から入射した光信号は、波長軸方向（ｚ方向）にパワー（屈折力）を持つコリメータレンズ２、スイッチ軸方向（ｘ方向）にパワー（屈折力）をもつコリメータレンズ１３を介して、透過型の回折光学素子３へと入射する。回折光学素子３で波長ごとに異なる方向に出力された光信号は、波長軸方向（ｙ方向）にパワーをもつ集光レンズ４を介して、光偏向素子５へと入射する。光偏向素子５に入射した光信号は、実施の形態２で説明した原理に基づいて偏向され、所望の出力に対応する光偏向素子８上の領域に向かって伝搬する。光偏向素子５により反射された光信号は、波長軸方向（ｙ方向）にパワーを持つコリメータレンズ６により波長軸方向（ｙ方向）に平行光に変換されるが、前述の集光レンズ４の別の部分を透過させることで両者を共有することができ、部材点数の低減を図ることができる。また、集光、コリメータレンズ４，６は、回折光学素子３と光偏向素子５からの距離が、その焦点距離に等しい位置に設置される。このように配置することで、波長軸方向（ｙ方向）には光偏向素子５上にビームウェストの位置が設定され、かつテレセントリック条件を保つことができる。光偏向素子５上にビームウェストの位置が設定されるため、高い波長選択性を有したスイッチングが可能になる。

　次に、コリメータレンズ６を透過した光信号は、全反射ミラー３１により反射され、波長軸方向（ｙ方向）にパワーをもつ集光レンズ７を介して光偏向素子８へと伝搬する。光偏向素子８では、実施の形態２に示した原理に基づいて偏向され、所望の出力ポートの方向へ光信号を反射する。光偏向素子８により反射された光信号は、波長軸方向（ｙ方向）にパワーをもつコリメータレンズ９により平行光に変換されるが、集光、コリメータレンズ４，６の場合と同様に、集光レンズ７の一部を透過させることで両者の共有を図ることができる。また、集光、コリメータレンズ７，９は光偏向素子８、後述の回折光学素子１０からの距離が、その焦点距離に等しい位置に設置される。

　加えて、全反射ミラー３１も集光コリメータレンズ４，６および７，９からの距離が、それらの焦点距離の位置に配置される。

　最後に、光信号は回折光学素子１０により波長合波されて、スイッチ軸方向（ｘ方向）にパワーをもつ集光レンズ、波長軸方向にパワーをもつ集光レンズを介して、フロントエンド光学系１２へと結合する。

　本実施例のように全反射ミラー３１を用いることで、光学系全体を折り返して配置することができ、装置の小型化を図ることができる。

（実施の形態４）
　本実施の形態４では、実施の形態３に示した光学系をさらに小型化する構成を示す。図９Ａおよび９Ｂは本実施の形態４を説明する図である。

　図９Ａにおいて、フロントエンド光学素子１から出力された光信号は、波長軸方向（ｚ方向）にパワーをもつコリメータレンズ、スイッチ軸方向（ｘ方向）にパワーをもつコリメータレンズ１３を介して平行光に変換され、回折光学素子３によって波長分波される（ｙ方向）。実施の形態３で説明したのと同様に、波長分波された信号は光偏向素子５上に集光され、偏向されるが、光偏向素子５への入出力に関する集光コリメータレンズ４はひとつのレンズで共有される。

　集光コリメータレンズ４を透過した光信号は、レトロリフレクタ４１により反射される。レトロリフレクタ４１は、入射光を入射角度とまったく同じ方向へ像を反転して反射する。レトロリフレクタ４１により反射された光信号は、再び集光コリメータレンズ４を介して光偏向素子８へと入射する。

　ここで、図９Ｂのスイッチ軸に関する説明図に示すように、光偏向素子５はスイッチ軸方向（ｘ方向）に傾けて設置するのが好ましい。光偏向素子８についても同様である。このように設置することで、集光コリメータレンズ４を光偏向素子５および８に関する入出力について共有することができ、部材点数の低減、装置の小型化を図ることが可能である。

　図９Ｂのスイッチ軸に関する説明図は、回折光学素子３からレトロリフレクタ４１までの光学系のみを示した。

　従来技術で示した特許文献１には類似の構成が示されているが、次の２点で本質的に異なることを明示する。

　第一に、特許文献１に記載の光学系（たとえば特許文献１の図４－１）では、図１０ＡおよびＢに示すように、レトロリフレクタ４１の代わりに、全反射ミラー４２（特許文献１の図４－１では４０２）を設置する方法が開示されている。この光学系では、中心波長（点線で図示）以外の光信号は、出力側のフロントエンド光学系へ戻る際に、たとえば光路４３へと伝搬する。ここでは、中心波長は全反射ミラー４２に垂直に入射する波長の光信号を指す。したがって、中心波長の光信号は出力へと結合するが、それ以外の波長の光信号は損失となって現れる。

　第二に、特許文献１に示されている光学系では、特許文献１の図４－２に示されているように、スイッチ軸方向にもパワーを持つレンズ４０１を介して全反射ミラー４０２に入力するように開示されている。しかしながら、この光学系では以下に説明するように、スイッチング動作を妨げる。ＭＥＭＳミラーにより偏向された光信号は、偏向された角度に対応してレンズ４０１により全反射ミラー４０２上で位置に変換されるが、全反射ミラーへの入射角はＭＥＭＳミラー１０７の位置により一意に決まる。全反射ミラー４０２での反射角はミラーへの入射角により決定されるが、これも入力側のＭＥＭＳミラー１０７の位置により一意に決定される。全反射ミラー４０２により反射された光信号はレンズ４０１により、出力側のＭＥＭＳミラー１０６ｂに入射するが、その入射位置は全反射ミラー４０２での反射角により決定される。前述のように全反射ミラー４０２からの反射角は入射側のＭＥＭＳミラー１０７の位置により一意に決まるため、入射側のミラー１０７の位置と出力側のミラー位置は常に一対一の関係になる。

　したがって、ＭＥＭＳミラーの角度によらず、常に入出力ポートの関係は一対一となり、スイッチング動作が実現されない。

　他方、本実施の形態４の光スイッチにおける光学系は、反射光学素子としてレトロリフレクタ４１を使用し、また、波長軸方向のみにパワーをもつシリンドリカルレンズを用いるため、特許文献１に開示された方法で生じる上記第一の問題を解決することができる。

　また、本実施の形態４の光スイッチにおける光学系では、２つの光偏向素子間の光学系を、ビーム整形についてはＬＣＯＳの位相変調効果を利用して凹面鏡を形成してスイッチ軸方向に２ｆ系として、ビーム偏向については光偏向素子の偏向機能のみの光学系としているため、特許文献１に開示された方法で生じる上記第二の問題を解決することができる。

（実施の形態５）
　本実施の形態５では、実施の形態４に示した光学系をさらに小型にする構成を示す。図１１Ａおよび１１Ｂは本実施の形態５を説明する図である。

　図１１Ａおよび１１Ｂに示す光スイッチは、図９Ａおよび９Ｂの光スイッチと比較して、集光コリメータレンズ４が波長軸方向（ｙ方向）にみにパワーをもつ凹面ミラー５１に置き換えられている点で異なる。図９Ａおよび９Ｂの光学系では、集光コリメータレンズ４の両側にその焦点距離ｆだけ離れた位置に回折格子３と光偏向素子５，８が配置されるため、２ｆの幅を必要とするが、図１１Ａおよび１１Ｂの構成ではｆの幅のみで十分であり、装置の小型化に寄与する。

（実施の形態６）
　本実施の形態６では、フロントエンド光学素子について説明する。

　フロントエンド光学系１および１２は、石英系光導波路（以下、ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を使って実現できる。

　実施の形態１および２で示したように、フロントエンド光学系１からの出力光は、光スイッチとしての入力ポートに対応して異なる角度で出力される。本実施の形態６では、石英系平面光波回路（ＰＬＣ)を用いて、この光学系を実現する方法を示す。本実施の形態６では、石英系の導波路を用いて本発明の形態を説明するが、Ｓｉ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴや化合物半導体などの導波路を用いても同様の効果を得ることができることは明らかである。また、導波路を用いず光ファイバアレイとレンズを使ったバルク光学系でも同様の光学系を実現することも可能である。

　図１２はこの石英系光導波路を用いて実現したフロントエンド光学系の概要である。フロントエンド光学系は、火炎堆積法と反応性イオンエッチングなどによる一般的な光導波路の製造方法により作製され、以下の通り動作する。ここでは、入射側のフロントエンド光学系（実施の形態１ではフロントエンド光学系１に対応する）として、説明するが、光波の進行方向を逆転すれば、出力側のフロントエンド光学系（実施の形態１ではフロントエンド光学系１２に対応する）としての動作も可能である。すなわち、入力光ファイバ群１の少なくとも１が入力ポートまたは出力ポートに対応する。

　入力光ファイバ群６１から入力した光信号は石英系光導波路６０上に形成された入力導波路６２を介してスラブ導波路６３へと入射する。スラブ導波路６３を伝搬した光信号はアレイ導波路６４を介して出力スラブ導波路６５へと入射し、石英系光導波路６０の端面６７から自由空間に出力される。

　スラブ導波路６３では、基板水平方向には、光信号のビーム径Wはその伝搬距離zに応じて、

で表される。ここで、wは入力導波路６２の基底モードのモード径、λは光信号の波長、ｎ_sはスラブ導波路の屈折率である。したがって、アレイ導波路６４における空間的な強度分布は式（１）に従う。さらに、アレイ導波路６４を構成する各々の光導波路の長さを等しく設定すれば、アレイ導波路出力界面６６ではスラブ導波路６３とアレイ導波路６４での位相分布を保持することができる。

　このように設定することで、石英系光導波路６０からの出力光はその入力ポートに対応して出力角度が異なるガウスビームの光信号群とすることができる。たとえば、入力ポート６２ｂから入力した光信号は、スラブ導波路６３へは中心（入力ポート６２ａから入力した光信号が入射する位置）からずれた位置から入射する。したがって、アレイ導波路６４では、アレイ導波路ごとに一定の位相差を有するように入射する。これはすなわち、アレイ導波路出力界面６６では波面が傾くことに相当するため、波面６８に示すように入力ポートに依存して出力光の波面の向き、すなわち出射方向が傾くことになる。

　実施の形態１で示した光学系においては、図１２の石英系光導波路６０の基板方向（ｘ方向）がスイッチ軸方向に設定され、垂直方向（ｚ方向）が波長軸方向に設定される。

　導波路を用いたフロントエンド光学系の動作は上述の通りであるが、この光学系には以下の利点がある。
（１）フォトリソグラフィによる光路の位置決めができるため、アライメント作業が不要であり、環境変動にロバストな光学系を実現できる。
（２）基板水平方向のビームウェストサイズは任意に設定できる。
（３）ビームウェスト位置を基板垂直方向、基板水平方向で任意に設定できる。（後述）

　通常の光学系でこのフロントエンドを構成する場合、ファイバアレイや複数のレンズをアクティブ調芯する必要があり、製造コストの増大につながるが、本実施の形態のようにフロントエンド光学系を導波路を用いて実現することで、量産性に優れた半導体プロセスを利用できるため、製造スループットを改善できる。

　また、式（１）に示したように、本実施の形態６のフロントエンド光学系では、スラブ導波路６３の長さｚを適宜変更することにより、任意の大きさのビーム径を簡便に実現できる。この特徴は、光偏向素子としてＬＣＯＳを用いるときに有効に作用する。なぜならば、ＬＣＯＳのような回折光学効果に基づく光偏向素子では、偏向角度を大きくとることが難しい。したがって、ポート間のクロストークを確保するためには、スイッチ軸方向のビーム径を大きく設定する必要がある。これは、ＬＣＯＳ上でのビームのＮＡを下げると言い換えても良い。一方で、波長軸方向にはビーム径は小さいほうが好ましく、ＬＣＯS上でのビームは非常に偏平なものになる。すなわち、光導波路をフロントエンド光学系に用いることにより、波長軸方向（基板垂直方向、ｚ方向）には導波路の基底モードで決まるビーム径が形成されるのに対し、スイッチ軸方向（ｘ方向）にはｚを調整することにより、任意のビーム径を実現することができるため、このような偏平なビームを形成しやすい。例えば、比屈折率差が０．７５％の石英系光導波路では、基板垂直方向のビーム径は４μｍ程度で一定あるが、ｚを２０ｍｍとすることで基板水平方向には１．６ｍｍのビームを実現できる。このビームの出力端でのアスペクト比は１：４００にも及ぶ。このような偏平なビームを通常のバルクの光学素子を使って実現するのは困難である。

　加えて、出力スラブ導波路６５の長さを適宜変更することにより、基板垂直方向と水平方向のビームウェストの位置を任意に設定できる。なぜならば、基板垂直方向のビームウェストは、石英系光導波路６０の出力端６７に存在するが、基板水平方向のビームウェストはアレイ導波路の出力端６６に存在するからである。

　フロントエンド光学素子出力直後のビームウェストの位置を基板垂直水平方向で任意に設定できる点は、空間光学系（実施の形態１ではレンズ２以降）の設計自由度を高めることができる。以下にこの利点について説明する。

　実施の形態１および２で示した例では、
・図６のＢＷの位置にビームウェストを設定する、
・回折光学素子３および１０においては、ビームウェストとするのが好ましい点について述べた。第２の事項については、回折光学素子へは平行光として入射することと等価である。

　このような状態に光学系を設定するには、以下の通りにすればよい。すなわち、フロントエンド光学素子１の出力端でのビーム形状を
・スイッチ軸方向には、ビームウェストを光導波路出力端６７から１３．７ｍｍ位置にサイズ４２μｍとし
・波長軸方向には、ビームウェストを光導波路出力端６７の位置に、サイズ４μｍとし
て設定するのが良い。スイッチ軸方向のビームウェストは、レンズの焦点距離などの光学系のパラメータが変更になるたびに、最適化が必要になる。この状態に設定するときに、回折光学素子の位置にスイッチ軸方向にビームウェストを設定できる。図１３にスイッチ軸方向のビームウェストの位置関係を示す。図１３において、フロントエンド光学素子１および１２からの距離ｓがｓ＝１３．７ｍｍの位置ＢＷｉｎ１、ＢＷｏｕｔ１にビームサイズ４２μｍのビームウェストが存在し、回折光学素子３および１０の位置ＢＷｉｎ２、ＢＷｏｕｔ２と、光偏向素子５と８の中点ＢＷの位置に、ビームサイズ５９８μｍのビームウェストが存在する。

　このように、波長軸とスイッチ軸でビームに対する要求が異なるのは、ＬＣＯＳ上のビームが、波長軸方向についてはサイズが小さいのでフラウンホーファ領域の回折現象として近似できるが、スイッチ軸方向については比較的大きくフレネル領域として考慮する必要があることに起因する。ＬＣＯＳ上でスイッチ軸方向のビーム径を大きくする必要があるのは、ＬＣＯＳによるビーム偏向角が大きく取れないため、ポート間クロストークを確保するためにはＬＣＯＳ上でのビームのＮＡを小さくする必要があるからである。

　これまでの例では、ポート数を５入力、５出力として、ピクセルサイズが１１μｍ、ピクセル数が１０２４×７６８のＬＣＯＳを例に挙げて説明した。この例ではＬＣＯＳ上のビームサイズは６４４μｍであったが、異なるパラメータでは、ＢＷｉｎ１、ＢＷｉｎ２の位置に関する要請は異なり、光導波路の内部にＢＷｉｎ１、ＢＷｉｎ２が存在するのが良い場合がある。図１２に示したフロントエンド光学素子では、ＢＷｉｎ１、ＢＷｉｎ２はアレイ出力端６６に存在するため、このような要件を満たすのに適している。

　図１４はフロントエンド光学素子１および２からビームウェストＢＷｉｎ１、ＢＷｏｕｔ１までの距離ｓと、回折光学素子３および１０とＢＷｉｎ２、ＢＷｏｕｔ２の間の距離の関係をプロットしたものである。前述したように、ＢＷｉｎ２とＢＷｏｕｔ２は回折格子上に設定すべきものであり、プロットの縦軸がゼロとなるように設定されるのが好ましい。しかしながら、図に示すように、ｓがわずかに変わるだけでも回折光学素子３および１０とＢＷｉｎ２、ＢＷｏｕｔ２の間の距離は大きく変動する。光導波路によるフロントエンド光学素子は、フォトリソグラフィにより精度良くウェスト位置ＢＷｉｎ１、ＢＷｏｕｔ１を設定できるため、このようにトレランスの厳しい光学系に適している。

（実施の形態７）
　本実施の形態７では、実施の形態６で示したＢＷｉｎ１、ＢＷｉｎ２の位置にビームウェストを形成するのに適した光導波路によるフロントエンド光学素子の実現例を説明する。

　図１５は本実施の形態７のフロントエンド光学素子の概略である。実施の形態６で説明した部分については、本実施の形態７では省略する。図１５において、アレイ導波路６４と出力スラブ導波路６５の境界は円弧７１の形状となっている。円弧７１は入力導波路６２側に対して凸面となる形状である。このときアレイ導波路６６の各々は凸面円弧７１と垂直に交差する。また、アレイ導波路６４はすべて等長であるのは実施の形態６と同様である。

　この場合、フロントエンド光学系６０からの出力光は、スイッチ軸方向にも収束光と設定でき、そのビームウェスト位置は、フロントエンド光学素子６０の端面６７からｓだけ離れた位置７８に設定できる。

　上述の数値例では、ビームウェスト位置７８におけるスイッチ軸方向のビーム径は、ｗＳＷ＝４２μｍとするのが好ましい。ｓ＝１３．７ｍｍであった。このようなビームは、アレイ導波路出力端６６におけるビーム径を１６６μｍとし、円弧７１の曲率を１３．７ｍｍとすることで実現される。このときアレイ導波路６４のピッチは入力側スラブ６３との境界と出力側スラブ６５との境界で等しく設定すれば、入力スラブ導波路の長さは１９７０μｍとすればよい。なお、図１５において、フロントエンド光学系６０の導波路の厚みで決まる端面６７における垂直方向（波長軸方向）のビームウェストサイズｗＷＬも示している。

（実施の形態８）
　実施の形態７では、ビームウェストがフロントエンド光学系の後方（光信号の伝搬方向）にある場合について説明した。本実施の形態８では、仮想的なビームウェストをフロントエンド光学系の前方に設定する例について説明する。図１６は本実施の形態８のフロントエンド光学素子の概略である。実施の形態６では、ＰＬＣの内部にビームウェストが存在する場合の例を挙げたが、ビームウェストまでの距離が長く、通常のウエハプロセスで作製できない程度に長くなる可能性がある。このような場合、図１６に示すように、アレイ導波路６４と出力スラブ導波路６５の境界を入力導波路６２側に対して凹面の円弧７２となるように設定すればよい。このとき、アレイ導波路６６の各々は凹面円弧７２と垂直に交差する。図１６では、光導波路基板の手前側（入力側）の外部（位置８８）にビームウェストを実現する例を示した。なお、図１６において、フロントエンド光学系６０の導波路の厚みで決まる端面６７における垂直方向（波長軸方向）のビームウェストサイズｗＷＬも示している。

　以上、実施の形態７、８に示したように、導波路を使ったフロントエンド光学系では、ビームサイズと出力端の曲率を独立に設計できるため、任意の位置にビームウェストをもつ、任意の大きさのビームを容易に実現することができる。

（実施の形態９）
　本実施の形態９は、フロントエンド光学素子１と１２の最適な関係について説明するものである。

　ＬＣＯＳなどの回折効果をつかった光偏向素子は、回折に起因する高次光やゼロ次光が発生する。特にゼロ次光は、一般に強度も大きく、ポート間のクロストークとして光スイッチの特性を劣化させる。

　図１７は本実施の形態９にかかる、入力側のフロントエンド光学素子と出力側フロントエンド光学素子の関係を示したものである。図１７において、入力側フロントエンド光学素子と、出力側フロンエンド光学素子は、入出力の接続導波路６２と９２と、スラブ導波路６３と９３との接続部の位置関係を除いて、線分Ｌに対して線対称な形状である。出力側フロントエンドでは、接続導波路９２（実線で表示）は、入力側フロントエンドにおける接続導波路６２ｄ（点線で表示）とは異なる位置でスラブ導波路９３と接続される。すなわち、本実施の形態では、出力側フロントエンドでは、入力側フロントエンドにおける接続導波路６２ｄ（点線）がスラブ導波路に接続される位置の中間位置で、出力側フロントエンドにおける接続導波路（実線）がスラブ導波路に接続される。

　前述の回折効果をつかった光偏向素子によるゼロ次光は、入力側フロントエンド光学素子の接続導波路位置６２ｄに伝搬するため、このように出力側の接続導波路９３の位置をずらして配置することで、クロストークの発生を抑圧できる。

　本実施の形態９の出力側フロントエンド光学素子を用いる際は、同一番号の入出力間にパスを形成する際にも、ＬＣＯＳ素子にセロダイン波形の位相分布を設定する。

　１　フロントエンド光学素子
　２，４，６，７，９，１１，１３，１４　集光レンズ
　３，１０　回折光学素子
　５，８　光偏向素子、ＬＣＯＳ、ＭＥＭＳミラーアレイ
　４１　レトロリフレクタ
　４２　全反射ミラー
　５１　凹面ミラー
　６０　石英系光導波路
　６１　光ファイバ
　６２，６２ａ，６２ｂ　入出力接続導波路
　６３，９３　スラブ導波路
　６４　アレイ導波路
　６５　出力スラブ導波路
　１０１　入力光ファイバ
　１０２　出力光ファイバ
　１０３，１０５，４０１，６０３　凸レンズ
　１０４　回折格子
　１０６ａ，１０６ｂ　ＭＥＭＳミラーアレイ
　４０２，６０４　全反射ミラー
　６０１　球レンズ
　６０２　シリンドリカルレンズ

Claims (14)

1. 　少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを備えた光スイッチであって、
   　前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号を波長ごとに分波する光分波素子と、
   　前記光分波素子からの波長分離された光信号を波長ごとにその進行方向を偏向する少なくとも１つの第一の光偏向素子と、
   　前記第一の光偏向素子からの光信号を前記出力ポートのうち、少なくとも１つに出力されるように偏向する第二の光偏向素子と、
   　前記第二の光偏向素子からの異なる波長の光信号を合波する光合波素子と、
   を備え、
   　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は、前記光分波素子および前記光合波素子の波長分散軸方向と直交するスイッチ軸方向に、入射した光信号を偏向する
   ことを特徴とする光スイッチ。
2. 　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子のうち少なくとも一方は、微小な位相変調素子を複数個有する空間位相変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
3. 　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は液晶素子であり、前記スイッチ軸方向に曲面となる位相分布を有し、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
4. 　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は入力光を反射する液晶素子であって、
   　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の反射面は前記スイッチ軸方向に曲面となる位相分布を有し、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
5. 　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は各々のミラーにスイッチ軸方向に曲率を持たせたＭＥＭＳミラーアレイであって、前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子の中間に光信号のビームウェストが存在することを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
6. 　前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号のすべてを前記波長分散軸方向に平行光に変換する少なくともひとつの第一の光学素子と、
   　前記少なくとも１つの入力ポートからの光信号のすべてを、前記スイッチ軸方向に平行光となるようにビーム形状を変換する少なくともひとつの第二の光学素子と、
   　前記光分波素子からの光信号を、前記波長分散軸方向に収束光とし、前記第一の光偏向素子上にビームウェストを形成する少なくともひとつの第三の光学素子と、
   　前記第一の光偏向素子からの光信号を前記波長分散軸方向に平行光とする少なくともひとつの第四の光学素子と、
   　前記第四の光学素子からの光信号を、前記波長分散軸方向に収束光とし、前記第二の光偏向素子上にビームウェストを形成する少なくともひとつの第五の光学素子と、
   　前記第二の光偏向素子からの光信号を前記波長分散軸方向に平行光とする少なくともひとつの第六の光学素子と、
   　前記光合波素子からの光信号のすべてを前記波長分散軸方向に収束光に変換し、前記出力ポートの少なくともひとつに結合するようにビーム形状を変換する、少なくともひとつの第七光学素子と、
   　前記光合波素子からの光信号のすべてを、その主光線が前記スイッチ軸方向に収束するように変換し、前記出力ポートの少なくともひとつに結合するように光路変換する、少なくともひとつの第八光学素子と
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光スイッチ。
7. 　前記第一の光偏向素子および前記第二の光偏向素子は、入力光を反射する光偏向素子であって、
   　前記第三の光学素子は前記第四の光学素子と共用され、
   　前記第五の光学素子は前記第六の光学素子と共用されることを特徴とする請求項６に記載の光スイッチ。
8. 　前記第四の光学素子と共用される前記第三の光学素子と前記第六の光学素子と共用される前記第五の光学素子との間に、前記波長軸方向に光信号の像を反転させて反射する第九の光学素子を有し、
   　前記第四の光学素子と共用される前記第三の光学素子は、前記第五の光学素子および前記第六の光学素子とも共用されることを特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
9. 　前記第三の光学素子、前記第四の光学素子、前記第五の光学素子、および前記第六の光学素子は、入力光信号を反射する同一の光学素子であることを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ。
10. 　前記第一の光学素子および前記第二の光学素子は、前記少なくとも1つの入力ポートから入射した光信号の各々を前記光分波素子に同じ角度で入射することを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の光スイッチ。
11. 　前記第一の光学素子、前記第二の光学素子、第三の光学素子、第四の光学素子、第五の光学素子および第六の光学素子は、前記少なくとも1つの出力ポートへ出射する光信号を、その各々が同一の波長については、前記光合波素子に同じ角度で入射することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の光スイッチ。
12. 　前記少なくとも１つの入力ポートおよび前記少なくとも１つの出力ポートは、それぞれ基板上に形成された光導波路で構成された光ビーム成形器に接続され、
    　前記光ビーム成形器は、
    　前記入力ポートの数または前記出力ポートの数の接続導波路と、
    　前記接続導波路に接続された第一のスラブ導波路と、
    　信号波長帯域での干渉特性が無視できるほど小さな光路差を有する前記第一のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路と、
    　前記アレイ導波路に接続された第二のスラブ導波路と、
    を備え、
    　前記基板の面が前記スイッチ軸と平行な向きに設置され、
    　前記第二のスラブ導波路の光軸方向の長さは、前記光導波路の出力端から一定の位置に設定されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光スイッチ。
13. 　前記少なくとも１つの入力ポートおよび前記少なくとも１つの出力ポートは、それぞれ基板上に形成された光導波路で構成された光ビーム成形器に接続され、
    　前記光ビーム成形器は、
    　前記入力ポートの数または前記出力ポートの数の接続導波路と、
    　前記接続導波路に接続された第一のスラブ導波路と、
    　信号波長帯域での干渉特性が無視できるほど小さな光路差を有する前記第一のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路と、
    　前記アレイ導波路に接続された第二のスラブ導波路と、
    を備え、
    　前記基板の面が前記スイッチ軸と平行な向きに設置され、
    　前記アレイ導波路と前記第二のスラブ導波路の境界は曲面であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光スイッチ。
14. 　前記接続導波路と前記第一のスラブ導波路との接続点列は、前記入力ポートが接続される前記光ビーム成形器である入力光ビーム成形器と前記出力ポートが接続される前記光ビーム成形器である出力光ビーム成形器との間で異なり、
    　前記入力光ビーム成形器における接続点列を構成する点と点の中間位置に、前記出力光ビーム成形器における接続点列を構成する点が配置されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光スイッチ。

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