JP6068478B2 - 光信号処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は光信号処理装置に関するものである。
近年、光通信の分野では、１つの波長に１つの光信号を対応させ、波長多重して伝送するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術により、一本の光ファイバにより大容量の光伝送を行うことが実現されている。このような光通信技術の発展に伴って、光信号を電気信号等に変換することなく経路を切り替える光スイッチが脚光を浴びている。なかでも、数十もの波長から任意の波長を選択して複数の出力ファイバのうちの何れかへ出力可能な波長選択スイッチ（例えば、特許文献１参照）が提案されている。この波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）の一例を図１に示す。
図１に示す波長選択スイッチは、ファイバアレイ００１と、マイクロレンズアレイ００２と、集光レンズ００３、シリンドリカルレンズ００４、第一主レンズ００５、回折格子００６、第二主レンズ００７、ＭＥＭＳミラーアレイ００８を備えており、これらがこの順番でｚ方向に沿って配列した構成を有する。
ファイバアレイ００１は、複数の光ファイバをｙ方向に配列して構成され、入力光を出射する入力ポートと、出力光を受光する出力ポートとに分けられる。図１の例においては、１つの入力ポート００１１と、４つの出力ポート００１２とが設けられている。マイクロレンズアレイ００２は、ファイバアレイ００１と同じくｙ方向に配列され、ファイバアレイ００１の入力ポートの出力側及び出力ポートの入力側に、各マイクロレンズが対応するファイバアレイ００１の各光ファイバと対向するように配置される。マイクロレンズアレイ００２の各マイクロレンズは、ファイバアレイ００１の各光ファイバの対応する入出力ポートから出射したビーム形状を整形し、コリメート光に変換する。
集光レンズ００３は、各ファイバから出射した光をある一点００９（以下Ａ点）にて主光線を交差させるものである。集光レンズ００３と、Ａ点００９との距離は、集光レンズ００３の焦点距離と同一である。シリンドリカルレンズ００４は、Ａ点００９におけるビーム形状を、楕円ビームに形成するものである。
第一主レンズ００５と、第二主レンズ００７と、回折格子００６とは、４ｆ光学系を構成する。Ａ点と第一主レンズとの間の距離は、第一主レンズの焦点距離ｆ１と同一であり、第二主レンズとＭＥＭＳミラーとの間の距離は、第二主レンズの焦点距離ｆ２と同一である。４ｆ光学系を構成しているため、Ａ点００９で形成されたビーム形状が、ＭＥＭＳミラー００８上に投影される。このときのＭＥＭＳミラー００８上に投影されたビーム径は、Ａ点におけるビーム径に対し、焦点距離比ｆ２／ｆ１倍に拡大又は縮小される。回折格子００６は波長多重された信号光を、波長ごとに分離するものである。波長ごとに分離された信号光は、第２主レンズ００７を介して、対応するＭＥＭＳミラーに照射される。
ＭＥＭＳミラー００８は、複数のミラー素子を備え、ＭＥＭＳミラー００８の各ミラー素子の中心を通る直線がｘ軸方向に沿うように配列される。このようなＭＥＭＳミラー００８は、各ミラー素子の主表面を、第２主レンズに対向させた状態で、第２主レンズの焦点位置に配設される。ＭＥＭＳミラー００８は、照射された各信号光の主光線を、角度θｘに変えて反射させ、入射する出力ポートを選択するものである。ＭＥＭＳミラー００８の各ミラー素子は、波長分離軸ｚ軸に直交するｘ軸周りに回転するため、回転により出射角度を変更することで、Ａ点００９での入射角度を変更する。これにより、波長選択スイッチは、主光線が入射する出力ポート００１２を、選択することができる。
上記波長選択スイッチは、信号光ごと割り当てられたＭＥＭＳミラーの出射角度を変えることで、波長ごとに出力ポートを切り替えることができる。
波長選択スイッチは、光ネットワークを構成するノード２００内に複数個同時に実装される。図２は、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）を、１ノードに２つ実装した場合の波長選択スイッチ部を記載した構成図である。ノード２００に入ってきた光信号を波長選択スイッチ２０１にて分波し、次の波長選択スイッチ２０２に流れる信号と受信機２０３−１、２０３−２に流れる信号とに分ける。次の波長選択スイッチ２０２では、前段の波長選択スイッチ２０１から流れて来た信号と、送信機２０４−１、２０４−２からの信号光とを合波させ、ノード２００から信号光を出力する。
このようにして各ノードにて受信、送信及び通過させる信号を、波長選択スイッチによって分波、合波することができる。ノードは、一般的に波長選択スイッチのほかに光モニタ、光アンプ及び光カプラ等の光部品が実装され、故障検知や光品質補償、光品質劣化検知等の機能も有している。
図３に、方路数が４のときのノード構成を示す。各信号波長を任意の方路に切り替えることができるノード構成である。このとき波長選択スイッチは８個実装されている。方路数が４のときの説明をしているが、方路数は任意の数で良く、方路数が増えるにしたがって、使用される波長選択スイッチの個数は増加する。
ノード内に複数個の波長選択スイッチや光部品を実装すると、ノードのサイズが大きくなり、ノードのコストが波長選択スイッチ等の個数分だけ増えてしまう。そのため、複数個の波長選択スイッチ間等にて共通の部品は共通化し、機能集積できる部品は１部品にて作製することができれば、ノード内のそれぞれの装置のサイズを小さくし、またコストを下げることができる。
本発明では、複数個の波長選択スイッチの一部の光部品等を共通化する際に必要な入出力ポートの配置と光学系配置とを提供する。また、複数個の波長選択スイッチを実装することによって増える入出力ポートを、精度よく実装できる入出力ポート作製手段を提供する。更にノード内装置を小さくするための、波長選択スイッチの入出力ポートにノード機能を集積する手段を提供する。
特開２００９−１２２４９２号公報
本発明の波長選択スイッチアレイは、光を入力する少なくとも一つの入力ポートと、前記入力ポートからの光を受光する少なくとも一つの出力ポートと、前記入力ポートから入射した光のビーム形状を変化させる少なくとも一つの集光素子と、前記入力ポートから入射した光を波長ごとに分散させる少なくとも一つの分散素子と、前記分散素子において分散された前記波長ごとの光を、波長ごとに前記出力ポートに対して反射させる少なくとも一つの波面制御素子と、を有する波長選択スイッチを同一基板上にｎ個備えた波長選択スイッチアレイであって、前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子のうち少なくとも一つを前記ｎ個の波長選択スイッチ間で共用し、前記入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される光の波長ごとの主光線は、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上の１点で交差し、異なる前記波長選択スイッチ間では前記波面制御素子上で交わらない。
また、本発明のｎ個の波長選択スイッチは、前記少なくとも一つの分散素子および前記少なくとも一つの波面制御素子のうち少なくとも一つを共用する。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートが、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上の１点を中心として円弧上に配置され、異なる前記波長選択スイッチ間では前記波面制御素子上の異なる点を中心とした異なる円弧上に配置されることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される主光線の角度が、異なる前記波長選択スイッチ間では異なることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートが、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が平行になるよう配置され、異なる前記波長選択スイッチ間では主光線の入出射角度が非平行になるよう配置されることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される光の波長ごとの主光線が、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上外の１点で交差し、前記波面制御素子上外の１点は、異なる前記波長選択スイッチ間では異なることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートが、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が異なる角度になるよう配置されることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポートが、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が平行になるよう配置され、少なくとも１つのレンズによって前記主光線が１点で交わり、異なる前記波長選択スイッチ間では主光線の入出射角度が非平行になるよう配置されることができる。
また、本発明の波長選択スイッチアレイは、入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製することができる。
ノード内に実装される複数個の波長選択スイッチや光部品の構成部品を共通化、集積化することでノード装置のサイズ、コストの増加分を減らすことができる。
特許文献１に記載の従来の波長選択型スイッチの一例を示す図である。 特許文献１に記載の波長選択型スイッチを２つ実装したノードを示す図である。 特許文献１に記載の波長選択型スイッチの方路数を４としたときのノードを示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第一の実施形態の入力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、ＰＬＣに集積化した例を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第２の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第２の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第３の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第３の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第４の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第４の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第５の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第５の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第６の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第６の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第７の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第８の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第９の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１０の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１１の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１２の実施形態を示す図である。 本発明に係る波長選択スイッチの第１２の実施形態を示す図である。 図１６Ａ、１６Ｂに記載の波長選択スイッチのプレーナ光波回路の詳細を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではない。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
［実施形態１］
第１の実施形態の波長選択スイッチアレイ４１００を図４Ａ、４Ｂに示す。図４Ａ、４Ｂの波長選択スイッチアレイ４１００は、入出力ポートアレイ群４１０１、マイクロレンズアレイ群４１０２、分散素子４１０３、集光レンズ４１０４、反射型波面制御素子４１０５により構成されている。本発明の波長選択スイッチアレイは、複数の入出力ポートアレイを備えており、それぞれの入出力ポートアレイ内には複数の光入出力ポートが配備されている。
ポートが配列されている方向をポート方向とする。図４Ａがポート方向と直交している波長分散方向から見た波長選択スイッチアレイであり、図４Ｂが波長選択スイッチアレイのポート方向断面図である。
（光学系各要素）
入出力ポートアレイ群４１０１は、複数の光ファイバを一列に配列して構成され、入力光を出射する入力ポートと、出力光を受光する出力ポートとに分けられる。図４Ａ、４Ｂの例においては、第一の入出力ポートアレイ４１０１ａ及び第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂ、２つの入出力ポートアレイが設けられている。第一の入出力ポートアレイ４１０１ａには、１つの入力ポート４１０１ａ−１と、２つの出力ポート４１０１ａ−２，３とが設けられている。一方で、第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂには、１つの入力ポート４１０１ｂ−１と、２つの出力ポート４１０１ｂ−２，３とが設けられている。マイクロレンズアレイ４１０２は、入出力ポートアレイ群４１０１と同じ方向に配列され、入出力ポートアレイ４１０１群の入力ポートの出力側及び出力ポートの入力側に、各マイクロレンズが対応する入出力ポートアレイ群４１０１の各光ファイバと対向するように配置される。マイクロレンズアレイ４１０２の各マイクロレンズは、ファイバアレイの各光ファイバの対応する入出力ポート４１０１ａ−１〜４１０１ａ−３、４１０１ｂ−１〜４１０１ｂ−３から出射したビーム形状を整形し、コリメート光に変換する。
分散素子４１０３は、入出力ポートアレイ群４１０１の各入力ポート４１０１ａ−１及び４１０１ｂ−１から照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、集光レンズ４１０４を介して波面制御素子４１０５に照射する。分散素子４１０３の一例としては、回折格子があるが、これには限定されない。
集光レンズ４１０４はシリンドリカルレンズであり、波面制御素子４１０５に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。波面制御素子４１０５上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。
反射型波面制御素子４１０５は、照射された各主光線を波面制御によって出射角度を変えて反射し、主光線が入射する出力ポートを選択する。波面制御素子４１０５は、それぞれ各波長選択スイッチの入出力ポートアレイに対して波長分散方向に一列に配列されるように構成され、少なくとも１つ以上の基板上に配置される。分散素子４１０３において分波された光は波長ごとに波面制御素子４１０５の主光線の照射位置が異なるため、基板上に配列された複数の波面制御素子４１０５が、それぞれ独立して出射角度を変えることが可能であり、出射角度を変えることにより、それぞれの波長ごとに出力ポート４１０１ａ−２若しくは４１０１ａ−３、又は４１０１ｂ−２若しくは４１０１ｂ−３を選択することができる。
波面制御素子４１０５は、反射面を備え、反射面を、集光レンズに対向させた状態で配置される。反射型波面制御素子４１０５の反射面は、波長分散方向の軸に直交する方向に、すなわち波長分散方向の軸の周りに回転可能な状態に支持されている。回転により出射角度を変更することで、主光線が入射する出力ポート（４１０１ａ−２又は３、４１０１ｂ−２又は３）を、選択することができる。ここで、波面制御素子４１０５に入射される光ビームは、平行ビームに限らず、集光ビームや発散ビームであってもよい。
なお、反射型波面制御素子４０１５としては、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）、ＭＥＭＳ（Micro-Electro -Mechanical Systems）ミラー、液晶パネル、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などを利用できる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ４１０１ａの一つのポート４１０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ４１０２ａの対応するマイクロレンズ４１０２ａ−１、分散素子４１０３、集光レンズ４１０４を通り反射型波面制御素子４１０５に照射される。波面制御素子４１０５に照射された光は、波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ４１０４、分散素子４１０３を再び通過したのち、第一のマイクロレンズアレイ４１０２ａ内のマイクロレンズ４１０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ４１０１ａ内のポート４１０１ａ−２に結合する。波面制御素子４１０５を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート４１０１ａ−３に結合させることもできる。なお、結合される出力ポートは入力ポートと同じ４１０１ａ−１であってもよく、その場合には、サーキュレータを追加して出力光を分離する。同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ４１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子４１０５上において、同一の点４１０６ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。すなわち、第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂの一つのポート４１０１ｂ−１から出射された光が、第二のマイクロレンズアレイ４１０２ｂの対応するマイクロレンズ４１０２ｂ−１、分散素子４１０３、集光レンズ４１０４を通り、波面制御素子４１０５に照射される。波面制御素子４１０５に照射された光は、波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ４１０４、分散素子４１０３を再び通過したのち、第二のマイクロレンズアレイ４１０２ｂ内のマイクロレンズ４１０２ｂ−２を通り、第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂ内のポート４１０１ｂ−２に結合する。波面制御素子４１０５を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート４１０１ｂ−３に結合させることもできる。第一の入出力ポートアレイの場合と同様、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子４１０５上において、同一の点４１０６ｂで交差するように光学系が設計される。
ここで、第二の入出力ポートアレイ４１０１ｂに関する集光点４１０６ｂは、第一の入出力ポートアレイ４１０１ａに関する集光点４１０６ａとは異なる場所にある。そのようにするために、本実施形態では、第一の入出力ポートアレイ４１０１ａに接続されるファイバは点４１０６ａを中心とした円弧上に配置され、第二の入出力ポートアレイ４１０１ａに接続されるファイバは、４１０６ｂを中心とした円弧上に配置される。
このとき、波面制御素子４１０５面上での入力ポートから出射された光のビーム電界プロファイルをＥ0、任意の出力ポートから出射されたと仮定した光のビーム電界プロファイルをＥ1、波面制御素子によって補正する位相をＨとしたとき、結合効率ηは
Figure 0006068478
で表せる。ここでｓは波面制御素子４１０５面上の面積である。入出力ポートアレイ群４１０１の各入出力ポートから出射された光のビーム電界プロファイルは同一のガウシアン形状である。入出力ポートから出射されたビームプロファイルの強度分布が波面制御素子４１０５上にて近接しており、かつ、入出力ポートから出射された光のビームプロファイルの位相を波面制御素子の位相Ｈによって一致させることができれば結合効率は高くなる。そのため接続したい同一の波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームプロファイルの強度分布を近接させ、かつ、波面制御素子によって任意の出力ポートと入力ポートのビームプロファイルの位相を一致できるように設計することで、波面制御素子によって選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームプロファイルの強度分布が近接しないように設計することでクロストークを抑えることができる。
（ＰＬＣ入出力ポート）
本発明に係る波長選択スイッチアレイを備えたノードは、複数の波長選択スイッチ（本実施形態は２個）を含む構成であるため、少なくとも、複数の入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイが存在する。従って、コンパクトに実装するためには、高密度な配置が必要となり、高い実装精度が求められる。そこで、図５に示すように、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置が実現をできる。図５は入出力ポートアレイ群４２０１、マイクロレンズアレイ群４２０２によって構成されている。入出力ポートアレイ群４２０１が図５の入出力ポートアレイ群４１０１に、マイクロレンズアレイ群４２０２がマイクロレンズアレイ群４１０２に対応する。第一の入出力ポートアレイ４２０１ａの一つのポート４２０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ４２０２ａの対応するマイクロレンズ４２０２ａ−１を通り、図４Ａ、４Ｂに示す分散素子４１０３以降の光学系に出射される。分散素子４１０３から戻ってきた光は第一のマイクロレンズアレイ４２０２ａ内のマイクロレンズ４２０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ４２０１ａ内のポート４２０１ａ−２に結合する。図４Ａ、４Ｂと同様に波面制御素子４１０５を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート４２０１ａ−３に結合させることもできる。また、第二の入出力ポートアレイ４２０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。図４Ａ、４Ｂと同様に、図５では入出力ポートアレイ群４２０１とマイクロレンズアレイ群４２０２をＰＬＣにより作製した構成の説明をしたが、入出力ポートアレイ群（４１０１ａと４１０１ｂ）のみをＰＬＣで作製してもよいし、波面制御素子４１０５以外の光学部品の一部をＰＬＣに集積化することも可能である。
また、それぞれの入出力ポートアレイごとに分けて、入出力ポートとマイクロレンズアレイをＰＬＣに集積化し、波長選択スイッチの数だけＰＬＣを用意することもできる。それぞれの波長選択スイッチに対応したＰＬＣ基板は、互いに平行に配置され、あるいは、互いに適切な角度をなして配置されてもよい。そのような３次元配置構成とすることにより、ポート密度を高めて、コンパクトにポート数を増やすことが容易になる。
さらに、上記ＰＬＣには、光分岐、光合流、スイッチ、受光素子、グレーティングなどの機能素子を集積化することもできる。これによって、波長選択光スイッチへの機能追加が可能となり、例えば、光タップ（分岐）と光モニタ（グレーティング、受光素子）を集積することによって、波長選択スイッチの故障検知機能を付加することができる。
この光学系では入出力ポートアレイ群４１０１の波長選択スイッチごとの主光線集光位置を変えて、その集光位置を中心に円弧上にポートを配置することで、簡易な構成にてスイッチ群を複数構成できる。また、分散素子４１０３を加えることで、波長選択スイッチを複数構成できる。またプレーナ光波回路によってポートを作製することで実装誤差を低減でき、加えて付加機能を容易に実装することができる。
本実施形態では、ポートはファイバを示したが、ファイバとマイクロレンズアレイを組み合わせてポートとしても良い。
［実施形態２］
第２の実施形態である波長選択スイッチアレイ６１００を図６Ａ、６Ｂに示す。図６Ａ、６Ｂは入出力ポートアレイ群６１０１、マイクロレンズアレイ群６１０２、集光レンズ６１０３、分散素子６１０４、シリンドリカルレンズ６１０５、反射型波面制御素子４１０６にて構成されている。本発明の波長選択スイッチは、複数の入出力ポートアレイを備えており、それぞれの入出力ポートアレイ内には複数の光入出力ポートが配備されている。本実施形態の波長選択スイッチアレイ６１００では、２個の波長選択スイッチを同一基板上に構成している。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図６Ａがポート方向と直交している波長分散方向から見た波長選択スイッチアレイであり、図６Ｂが波長選択スイッチアレイのポート方向断面図である。
（光学系各要素）
入出力ポートアレイ群６１０１は、図４Ａ、４Ｂに示した第一の実施形態の入出力ポートアレイ群４１０１と、マイクロレンズアレイ群６１０２は、マイクロレンズアレイ群４１０２と、配列方法以外は、同一である。また、反射型波面制御素子６１０６は、反射型波面制御素子４１０５と同一である。
分散素子６１０４は、入出力ポートアレイ群６１０１の各入力ポート６１０１ａ−１及び６１０１ｂ−１から照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、シリンドリカルレンズ６１０５を介して波面制御素子６１０６に照射する。
集光レンズ６１０３、シリンドリカルレンズ６１０５は、波面制御素子に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。波面制御素子上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。また、ポート切り替え方向にてビーム形状を大きくすることでスイッチングに必要な出射角度を小さくすることができる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ６１０１ａの一つのポート６１０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ６１０２ａの対応するマイクロレンズ６１０２ａ−１、集光レンズ６１０３、分散素子６１０４、シリンドリカルレンズ６１０５を通り波面制御素子６１０６に照射される。波面制御素子６１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、シリンドリカルレンズ６１０５、分散素子６１０４、集光レンズ６１０３を再び通過したのち、第一のマイクロレンズアレイ６１０２ａ内のマイクロレンズ６１０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ６１０１ａ内のポート６１０１ａ−２に結合する。波面制御素子６１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート６１０１ａ−３に結合させることもできる。集光レンズ６１０３は波面制御素子上同一の点６１０７ａで交差する任意角度の光を入出力ポート面上にて平行にする作用を有しており、同一群内のポートは平行に配置されている。なお、結合される出力ポートは入力ポートと同じ６１０１ａ−１であってもよく、その場合には、サーキュレータを追加して出力光を分離する。同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ６１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子６１０６上において、同一の点６１０７ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ６１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。すなわち、第二の入出力ポート群６１０１ｂの一つのポート６１０１ｂ−１から出射された光が第二のマイクロレンズアレイ６１０２ｂの対応するマイクロレンズ６１０２ｂ−１、集光レンズ６１０３、分散素子６１０４、シリンドリカルレンズ６１０５を通り、波面制御素子６１０６に照射される。波面制御素子６１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、シリンドリカルレンズ６１０５、分散素子６１０４、集光レンズ６１０３を再び通過したのち、第二のマイクロレンズアレイ６１０２ｂ内のマイクロレンズ６１０２ｂ−２を通り、第二の入出力ポートアレイ６１０１ｂ内のポート６１０１ｂ−２に結合する。波面制御素子６１０５を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート６１０１ｂ−３に結合させることもできる。第一の入出力ポート群の場合と同様、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ６１０１ｂから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子６１０６上において、同一の点６１０７ｂで交差するように光学系が設計される。
本実施形態においても、結合効率は入力と出力のビームの重なりが大きく、かつ、位相がそろえば高くなる。すなわち接続したい同一の群に属するポートへの結合に関しては、ビームが重なり、かつ位相をそろえるように設計して選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる群に属するポートへの結合に関しては、ビームが重ならないように設計して、クロストークを抑えることができる。
更に、本実施形態においても、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光波回路に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置が実現をできる。
この光学系では入出力ポートアレイ群６１０１の波長選択スイッチごとの主光線入出射角度を変えて、各波長選択スイッチの入出力ポートに接続されるファイバを平行に配置することで、簡易な構成にて波長選択スイッチを複数構成できる。また、分散素子６１０４を加えることで波長選択スイッチを複数構成できる。またプレーナ光波回路によってポートを作製することで実装誤差を低減でき、加えて付加機能を容易に実装することができる。
［実施形態３］
第３の実施形態の波長選択スイッチアレイ７１００を図７Ａ、７Ｂに示す。図７Ａ、７Ｂは入出力ポートアレイ群７１０１、マイクロレンズアレイ群７１０２、集光レンズ７１０３、分散素子７１０４、シリンドリカルレンズ７１０５、反射型波面制御素子７１０６にて構成されている。本発明の波長選択スイッチアレイは、複数の入出力ポートアレイを備えており、それぞれの入出力ポートアレイ内には複数の光入出力ポートが配備されている。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図７Ａがポート方向と直交している波長分散方向であり、図７Ｂがポート方向断面図である。
（光学系各要素）
入出力ポートアレイ群７１０１は、図４Ａ、４Ｂに示した第一の実施形態の入出力ポートアレイ群４１０１と、マイクロレンズアレイ群７１０２は、マイクロレンズアレイ群４１０２と、配列方法以外は、同一である。反射型波面制御素子７１０６は、反射型波面制御素子４１０５と同一である。
分散素子７１０４は、入出力ポートアレイ群７１０１の各入力ポート７１０１ａ−１及び７１０１ｂ−１から集光レンズ７１０３を介して照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、シリンドリカルレンズ７１０５を介して波面制御素子７１０６に照射する。
集光レンズ７１０３、シリンドリカルレンズ７１０５は、波面制御素子７１０６に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。波面制御素子７１０６上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。また、ポート切り替え方向にてビーム形状を大きくすることでスイッチングに必要な出射角度を小さくすることができる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ７１０１ａの一つのポート７１０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ７１０２ａの対応するマイクロレンズ７１０２ａ−１、集光レンズ７１０３、分散素子７１０４、シリンドリカルレンズ７１０５を通り波面制御素子７１０６に照射される。波面制御素子７１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、シリンドリカルレンズ７１０５、分散素子７１０４、集光レンズ７１０３を再び通過したのち、第一のマイクロレンズアレイ７１０２ａ内のマイクロレンズ７１０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ７１０１ａ内のポート７１０１ａ−２に結合する。波面制御素子７１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート７１０１ａ−３に結合させることもできる。集光レンズ７１０３は波面制御素子上同一の点７１０８ａで交差する任意角度の光を波面制御素子以外の面上の１点７１０７ａにて交差させる作用を有しており、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ７１０１ａ入出力ポート７１０１ａは７１０７ａを中心とした円弧上に配置されている。上記１点７１０７ａは主光線の延長上にある仮想点によって実現してもよい。同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ７１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子７１０６上において、同一の点７１０６ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ７１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。すなわち、第二の入出力ポートアレイ７１０１ｂの一つのポート７１０１ｂ−１から出射された光が第二のマイクロレンズアレイ７１０２ｂの対応するマイクロレンズ７１０２ｂ−１、集光レンズ７１０３分散素子７１０４、シリンドリカルレンズ７１０５を通り、波面制御素子７１０６に照射される。波面制御素子７１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、シリンドリカルレンズ７１０５、分散素子７１０４、集光レンズ７１０３を再び通過したのち、第二のマイクロレンズアレイ７１０２ｂ内のマイクロレンズ７１０２ｂ−２を通り、第二の入出力ポートアレイ７１０１ｂ内のポート７１０１ｂ−２に結合する。波面制御素子７１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート７１０１ｂ−３に結合させることもできる。第一の入出力ポートアレイの場合と同様、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第二の入出力ポートアレイ７１０１ｂから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子７１０６上において、同一の点７１０８ｂで交差し、波面制御素子外の面上において同一点７１０７ｂで交差するように光学系が設計される。
本実施形態では、第一の入出力ポートアレイ７１０１ａに接続されるファイバは点７１０７ａを中心とした円弧上に配置され、第二の入出力ポートアレイ７１０１ｂに接続されるファイバは、７１０７ｂを中心とした円弧上に配置して、集光点７１０７ａも集光点７１０７ｂとを異なる場所に配置する。これにより、接続したい同一の波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重なり、かつ位相をそろえるように設計して選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重ならないように設計して、クロストークを抑えることができる。
更に、本実施形態においても、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光波回路に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置が実現をできる。
この光学系では入出力ポートアレイ群７１０１の波長選択スイッチごとの主光線集光位置を変えて、その集光位置７１０７を中心に円弧上にポートを配置し、集光レンズによって点７１０７を波面制御素子７１０６上に投影することで、簡易な構成にてスイッチ群を複数構成できる。また、分散素子７１０４を加えることで波長選択スイッチを複数構成できる。またプレーナ光波回路によってポートを作製することで実装誤差を低減でき、加えて付加機能を容易に実装することができる。
［実施形態４］
第４実施形態の波長選択スイッチアレイ８１００を図８Ａ、８Ｂに示す。図８Ａ、８Ｂは入出力ポートアレイ群８１０１、マイクロレンズアレイ群８１０２、シリンドリカルレンズ８１０３、分散素子８１０４、集光レンズ８１０５、反射型波面制御素子８１０６にて構成されている。それぞれの群内には、複数の光入出力ポートが配備されており、本例ではそれぞれに３本の光入出力ポートが図示されている。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図８Ａがポート方向と直交している波長分散方向であり、図８Ｂがポート方向断面図である。
（光学系各要素）
入出力ポートアレイ群８１０１は、図４Ａ、４Ｂに示した第一の実施形態の入出力ポートアレイ群４１０１と、マイクロレンズアレイ群８１０２は、マイクロレンズアレイ群４１０２と、配列方法以外は、同一である。反射型波面制御素子８１０６は、反射型波面制御素子４１０５と同一である。
分散素子８１０４は、入出力ポートアレイ群８１０１の各入力ポート８１０１ａ−１及び８１０１ｂ−１からシリンドリカルレンズ８１０３を介して照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、集光レンズ８１０５を介して波面制御素子８１０６に照射する。
シリンドリカルレンズ８１０３、集光レンズ８１０５は波面制御素子８１０６に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。波面制御素子上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。また、ポート切り替え方向にてビーム形状を大きくすることでスイッチングに必要な出射角度を小さくすることができる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ８１０１ａの一つのポート８１０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ８１０２ａの対応するマイクロレンズ８１０２ａ−１、シリンドリカルレンズ８１０３、分散素子８１０４、集光レンズ８１０５を通り波面制御素子８１０６に照射される。波面制御素子８１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ８１０５、分散素子８１０４、シリンドリカルレンズ８１０３を再び通過したのち、第一のマイクロレンズアレイ８１０２ａ内のマイクロレンズ８１０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ８１０１ａ内のポート８１０１ａ−２に結合する。波面制御素子８１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート８１０１ａ−３に結合させることもできる。シリンドリカルレンズ８１０３と集光レンズ８１０５は波面制御素子上同一の点８１０８ａで交差する任意角度の光を波面制御素子以外の面上の１点８１０７ａにて交差させる作用を有しており、同一波長選択スイッチ内の入出力ポートアレイ８１０１ａは点８１０７ａを中心とした円弧上に配置されている。上記１点８１０７ａは主光線の延長上にある仮想点によって実現してもよい。同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ８１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子８１０６上において、同一の点８１０６ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ８１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。すなわち、第二の入出力ポートアレイ８１０１ｂの一つのポート８１０１ｂ−１から出射された光が第二のマイクロレンズアレイ８１０２ｂの対応するマイクロレンズ８１０２ｂ−１、シリンドリカルレンズ８１０３分散素子８１０４、集光レンズ８１０５を通り、波面制御素子８１０６に照射される。波面制御素子８１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ８１０５、分散素子８１０４、シリンドリカルレンズ８１０３を再び通過したのち、第二のマイクロレンズアレイ８１０２ｂ内のマイクロレンズ８１０２ｂ−２を通り、第二の入出力ポートアレイ８１０１ｂ内のポート８１０１ｂ−２に結合する。波面制御素子８１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート８１０１ｂ−３に結合させることもできる。第一の入出力ポートアレイ８１０１ａの場合と同様、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第一の入出力ポートアレイ８１０１ｂから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子８１０６上において、同一の点８１０８ｂで交差し、波面制御素子外の面上において同一点８１０７ｂで交差するように光学系が設計される。
本実施形態では、第一の入出力ポートアレイ８１０１ａに接続されるファイバは点８１０７ａを中心とした円弧上に配置され、第二の入出力ポートアレイ８１０１ｂに接続されるファイバは、点８１０７ｂを中心とした円弧上に配置して、集光点８１０７ａも集光点８１０７ｂと異なる場所に配置する。これにより、接続したい同一の群に属するポートへの結合に関しては、ビームが重なり、かつ位相をそろえるように設計して選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる群に属するポートへの結合に関しては、ビームが重ならないように設計して、クロストークを抑えることができる。
更に、本実施形態においても、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光波回路に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置が実現をできる。
この光学系では入出力ポートアレイ群８１０１の波長選択スイッチごとの主光線集光位置を変えて、その集光位置８１０７を中心に円弧上にポートを配置し、集光レンズによって点８１０７を波面制御素子８１０６上に投影することで、簡易な構成にてスイッチ群を複数構成できる。また、分散素子８１０４を加えることで波長選択スイッチを複数構成できる。またプレーナ光波回路によってポートを作製することで実装誤差を低減でき、加えて付加機能を容易に実装することができる。
［実施形態５］
第５の実施形態の波長選択スイッチアレイ９１００を図９Ａ、９Ｂに示す。図９Ａ、９Ｂは入出力ポートアレイ群９１０１、マイクロレンズアレイ群９１０２、シリンドリカルレンズ９１０３、シリンドリカルレンズ９１０４、集光レンズ９１０５、分散素子９１０６、集光レンズ９１０７、反射型波面制御素子９１０８にて構成されている。それぞれの波長選択スイッチ内には、複数の光入出力ポートが配備されており、本例ではそれぞれに３本の光入出力ポートが図示されている。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図９Ａがポート方向と直交している波長分散方向であり、図９Ｂがポート方向断面図である。
（光学系各要素）
入出力ポートアレイ群９１０１は、図４Ａ、４Ｂに示した第一の実施形態の入出力ポートアレイ群４１０１と、マイクロレンズアレイ群９１０２は、マイクロレンズアレイ群４１０２と、配列方法以外は、同一である。反射型波面制御素子９１０８は、反射型波面制御素子４１０５と同一である。
分散素子９１０６は、入出力ポートアレイ群９１０１の各入力ポート９１０１ａ−１及び９１０１ｂ−１からシリンドリカルレンズ９１０３、９１０４及び集光レンズ９１０５を介して照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、集光レンズ９１０７を介して波面制御素子９１０８に照射する。
シリンドリカルレンズ９１０３、シリンドリカルレンズ９１０４は、交差点９１０９に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。また交差点９１０９面でのビーム形状は集光レンズ９１０５、集光レンズ９１０７によって波面制御素子９１０８上に投影される。波面制御素子上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。ポート切り替え方向にてビーム形状を大きくすることでスイッチングに必要な出射角度を小さくすることができる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ９１０１ａの一つのポート９１０１ａ−１から出射された光が第一のマイクロレンズアレイ９１０２ａの対応するマイクロレンズ９１０２ａ−１、シリンドリカルレンズ９１０３、シリンドリカルレンズ９１０４、集光レンズ９１０５、分散素子９１０６、集光レンズ９１０７を通り波面制御素子９１０８に照射される。波面制御素子９１０８に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ９１０７、分散素子９１０６、集光レンズ９１０５、シリンドリカルレンズ９１０４、シリンドリカルレンズ９１０３を再び通過したのち、第一のマイクロレンズアレイ９１０２ａ内のマイクロレンズ９１０２ａ−２を通り、第一の入出力ポートアレイ９１０１ａ内のポート９１０１ａ−２に結合する。波面制御素子９１０８を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート９１０１ａ−３に結合させることもできる。集光レンズ９１０５と集光レンズ９１０７は波面制御素子上同一の点９１１０ａで交差する任意角度の光を波面制御素子以外の面上の１点９１０９ａにて交差させる作用を有している。シリンドリカルレンズ９１０３は波面制御素子外の面上の１点９１０９ａにて交差する光任意角度の光を平行光にする作用を有しており、入出力ポート９１０２ａはそれぞれ平行に配置されている。同一の入出力ポートアレイ、すなわち第二の入出力ポートアレイ９１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子９１０８上において、同一の点９１１０ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。すなわち、第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂの一つのポート９１０１ｂ−１から出射された光が第二のマイクロレンズアレイ９１０２ｂの対応するマイクロレンズ９１０２ｂ−１、シリンドリカルレンズ９１０３、シリンドリカルレンズ９１０４、集光レンズ９１０５、分散素子９１０６、集光レンズ９１０７を通り、波面制御素子９１０８に照射される。波面制御素子９１０８に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ９１０７、分散素子９１０６、集光レンズ９１０５、シリンドリカルレンズ９１０４、シリンドリカルレンズ９１０３を再び通過したのち、第二のマイクロレンズアレイ９１０２ｂ内のマイクロレンズ９１０２ｂ−２を通り、第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂ内のポート９１０１ｂ−２に結合する。波面制御素子９１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート９１０１ｂ−３に結合させることもできる。第一の入出力ポートアレイ９１０１ａの場合と同様、同一の入出力ポートアレイ、すなわち第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子９１０８上において、同一の点９１１０ｂで交差し、波面制御素子外の面上において同一点９１０９ｂで交差するように光学系が設計される。
本実施形態では、第一の入出力ポートアレイ９１０１ａに接続されるファイバは平行に配置され、第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂに接続されるファイバは平行に配置されるが、第一の入出力ポートアレイ９１０１ａと第二の入出力ポートアレイ９１０１ｂのファイバ配置角度を変えている。異なった角度の主光線はシリンドリカルレンズ９１０３によって異なる位置に集光されるため、集光点９１０９ａと９１０９ｂを異なる位置に配置して、集光点９１０７ａも集光点９１０７ｂとを異なる場所に配置する。これにより、接続したい同一の波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重なり、かつ位相をそろえるように設計して選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重ならないように設計して、クロストークを抑えることができる。
更に、本実施形態においても、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光波回路に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置が実現をできる。
この光学系では入出力ポートアレイ群９１０１の波長選択スイッチごとの主光線出射角度を変えて、シリンドリカルレンズ９１０３による集光位置９１０９を変え、集光レンズ９１０５，９１０７によって点９１０９を波面制御素子９１０８上に投影することで、簡易な構成にてスイッチ群を複数構成できる。また、分散素子９１０６を加えることで波長選択スイッチアを複数構成できる。またプレーナ光波回路によってポートを作製することで実装誤差を低減でき、加えて付加機能を容易に実装することができる。
［実施形態６］
第６の実施形態の波長選択スイッチアレイ１０１００を図１０Ａ、１０Ｂに示す。図１０Ａ、１０Ｂは入出力ポートアレイ群１０１０１、マイクロレンズアレイ群１０１０２、シリンドリカルレンズ１０１０３、シリンドリカルレンズ１０１０４、集光レンズ１０１０５、分散素子１０１０６、集光レンズ１０１０７、波面制御素子１０１０８にて構成されている。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図１０Ａがポート方向と直交している波長分散方向であり、図１０Ｂがポート方向断面図である。
１０１００の構成にて入出力ポートアレイの数を３つにしている。上記実施形態では波長選択スイッチ数を２で記載していたが、波長選択スイッチ数は２以上であっても構わない。
［実施形態７］
第７の実施形態の波長選択スイッチアレイの入出力ポート１１１００を図１１に示す。図１１は入出力ポートアレイ群１１１０１、光機能回路１１１０２をＰＬＣにて作製した構成である。第一の入出力ポートアレイ１１１０１ａは図４Ａ、４Ｂの第一の入出力ポートアレイ４２０１ａに対応し、第二の入出力ポートアレイ１１１０１ｂは第二の入出力ポートアレイ４２０１ｂに対応する。入出力ポートアレイ群１１１０１の各入出力ポートに光接続した光機能回路１１１０２は、光分岐、光合流、スイッチ、受光素子、グレーティングなどの機能素子を集積し構成されている。機能素子を入出力ポートアレイ群に集積することで、ＲＯＡＤＭに付加される機能部品をＷＳＳに取り込むことができるため、ノード部品として小型化が期待される。光機能回路１１１０２の具体的な機能回路については実施形態８以降にて説明する。
［実施形態８］
第８の実施形態の波長選択スイッチアレイの入出力ポートの光機能回路部１２１００を図１２に示す。図１２は光導波路アレイ１２１０１ａ、１２１０１ｂ、光カプラ１２１０２ａ−１〜１２１０２ａ−３、１２１０２ｂ−１〜１２１０２ｂ−３、フォトダイオード１２１０３ａ−１〜１２１０３ａ−３、１２１０３ｂ−１〜１２１０３ｂ−３によって構成されている。これは入出力ポートに光強度モニタを実装した構成である。入力ポートは１２１０１ａ−１と１２１０１ｂ−１であり、それぞれ光カプラ１２１０２ａ−１、１２１０２ｂ−１によってＷＳＳへ向かう光とフォトダイオード１２１０３ａ−１、１２１０３ｂ−１に向かう光に分けられる。入力ポート１２１０１ａ−１からＷＳＳへ向かった光は、光学系を通って出力ポート１２１０１ａ−２もしくは１２１０１ａ−３に返ってくる。出力ポートにも入力ポートと同様に光カプラ１２１０２ａ−２、１２１０２ａ−３があり、出力光がフォトダイオード１２１０３ａ−２、１２１０３ａ−３へ向かう光と出力される光に分けられる。入力ポート１２１０１ｂ−１から入った光は１２１０１ａ−１と同様に光学系を通り出力ポート１２１０１ｂ−２もしくは１２１０１ｂ−３から出力される。光カプラによって分けられ、フォトダイオードに向かう光は受光されるため、光強度測定が可能となる。光強度測定によって、出力ポートに設定通りの光強度が出力されているかを確認できるために、故障検知が可能となる。このようにＷＳＳの故障検知用モニタをＷＳＳの入出力部に機能集積することで小型かつ故障検知可能なノード用光部品が実現できる。
本実施形態では、入力ポートが１つであるＤｒｏｐ型ＷＳＳについて説明したが、入力ポートが複数あるＡｄｄ型ＷＳＳでも同様の効果が得られる。
［実施形態９］
第９の実施形態の波長選択スイッチアレイの入出力ポートの光機能回路部１３１００を図１３に示す。図１３は光導波路アレイ１３１０１ａ、１３１０１ｂ、光カプラ１３１０２ａ、１３１０２ｂ、ＡＷＧ（Arrayed waveguide gratings）１３１０３ａ、１３１０３ｂ、フォトダイオードアレイ１３１０４ａ、１３１０４ｂによって構成されている。これは入力ポートに波長モニタを実装した構成である。入力ポートは１３１０１ａ−１と１３１０１ｂ−１であり、それぞれ光カプラ１３１０２ａ、１３１０２ｂによってＷＳＳへ向かう光とＡＷＧ１３１０３ａ、１３１０３ｂに向かう光に分けられる。入力ポート１３１０１ａ−１からＷＳＳへ向かった光は、光学系を通って出力ポート１３１０１ａ−２もしくは１３１０１ａ−３に返ってくる。入力ポート１３１０１ｂ−１から入った光は、１３１０１ａ−１と同様に光学系を通り出力ポート１３１０１ｂ−２もしくは１３１０１ｂ−３から出力される。光カプラによって分けられ、ＡＷＧに向かう光は波長ごとに分波され各波長がそれぞれのフォトダイオードにて受光される。このため、波長ごとの光強度が可能となる。各波長の光強度測定によって、ＷＳＳで各波長の出力値を制御することができる。また、出力ポート側に同じ構成の波長ごとのモニタを加えることでＷＳＳの故障を波長ごとに検知することが可能となる。このように波長モニタをＷＳＳの入出力部に機能集積することで小型かつ出力制御もしくは故障検知可能なノード用光部品が実現できる。
本実施形態についても、入力ポートが１つであるＤｒｏｐ型ＷＳＳについて説明したが、入力ポートが複数あるＡｄｄ型ＷＳＳでも同様の効果が得られる。
［実施形態１０］
第１０の実施形態の波長選択スイッチアレイの入出力ポートの光機能回路部１４１００を図１４に示す。図１４は、光導波路アレイ１４１０１ａ、１４１０１ｂ、マッハツェンダー干渉計アレイ１４１０２ａ、１４１０２ｂによって構成され、マッハツェンダー干渉計アレイ１４１０２ａ、１４１０２ｂには位相シフタ群１４１０３ａ、１４１０３ｂが取り付けられている。これは入出力ポートにＶＯＡ（variable optical attenuator）を実装した構成である。入力ポートは１４１０１ａ−１と１４１０１ｂ−１であり、マッハツェンダー干渉計を通り光学系に向かう。入力ポート１４１０１ａ−１からの光は光学系を通った後、出力ポート１４１０１ａ−２もしくは１４１０１ａ−３に返ってくる。入力ポート１４１０１ｂ−１から入った光は１４１０１ａ−１と同様に光学系を通り出力ポート１４１０１ｂ−２もしくは１４１０１ｂ−３から出力される。マッハツェンダー干渉計１４１０２ａ−１は位相シフタ１４１０３ａ−１−１、１４１０３ａ−１−２の調整によって、光学系に向かう光強度を変化させることができる。各マッハツェンダー干渉計１４１０２ａ−２、１４１０２ａ−３、１４１０２ｂ−２、１４１０２ｂ−３も同様にそれぞれの位相シフタ１４１０３ａ−２−１〜１４１０３ａ−３−２、１４１０３ｂ−２−１〜１４１０３ｂ−３−２の調整により透過する光強度を変化させることができる。ＶＯＡ機能によって入出力ポートの光強度を一括にて調整できる。このようにＶＯＡをＷＳＳの入出力部に機能集積することで小型かつ一括で光強度調整可能なノード用光部品が実現できる。
本実施形態についても入力ポートが１つであるＤｒｏｐ型ＷＳＳについて説明したが、入力ポートが複数あるＡｄｄ型ＷＳＳでも同様の効果が得られる。
［実施形態１１］
第１１の実施形態の波長選択スイッチアレイの入出力ポートの光機能回路部１５１００を図１５に示す。図１５は光導波路アレイ１５１０１ａ、１５１０１ｂ、マッハツェンダー干渉計アレイ１５１０２ａ、１５１０２ｂ、フォトダイオード１５１０４ａ、１５１０４ｂ、１５１０５ａ、１５１０５ｂによって構成され、マッハツェンダー干渉計アレイ１５１０２ａ、１５１０２ｂには位相シフタ群１５１０３ａ、１５１０３ｂが取り付けられている。これは入出力ポートに光スイッチとパワーモニタを実装した構成である。入力ポートは１５１０１ａ−１と１５１０１ｂ−１であり、マッハツェンダー干渉計を通り光学系に向かう。入力ポート１５１０１ａ−１からの光は光学系を通った後、出力ポート１５１０１ａ−２もしくは１５１０１ａ−３に返ってくる。入力ポート１５１０１ｂ−１から入った光は１５１０１ａ−１と同様に光学系を通り出力ポート１５１０１ｂ−２もしくは１５１０１ｂ−３から出力される。
マッハツェンダー干渉計１５１０２ａ−１は位相シフタ１５１０３ａ−１−１、１５１０３ａ−１−２の調整によって、光が向かう方向を光導波路１５１０１ａ−１かフォトダイオード１５１０４ａ−１に選択できる光スイッチ機能を有している。各マッハツェンダー干渉計１５１０２ａ、１５１０２ｂは同様にそれぞれの位相シフタ群１５１０３ａ、１５１０３ｂの調整によってポートに入出力される光とモニタに向かう光とを切り替えられる。
この機能によって定期的に光スイッチによって光強度をモニタすることが可能となる。このように光スイッチとモニタをＷＳＳの入出力部に機能集積することで小型かつ定期的な光強度モニタ可能なノード用光部品が実現できる。
本実施形態についても、入力ポートが1つであるＤｒｏｐ型ＷＳＳについて説明したが、入力ポートが複数あるＡｄｄ型ＷＳＳでも同様の効果が得られる。
［実施形態１２］
第１２の実施形態の波長選択スイッチアレイ１６１００を図１６Ａ、１６Ｂに示す。図１６Ａ、１６Ｂはプレーナ光波回路１６１０１、コリメートシリンドリカルレンズ１６１０２、シリンドリカルレンズ１６１０３、分散素子１６１０４、集光レンズ１６１０５、反射型波面制御素子１６１０６にて構成されている。プレーナ光波回路１６１０１の詳細を図１７に示す。図１７は光導波路アレイ１７１０１ａ、１７１０１ｂ、スラブ導波路１７１０２ａ、１７１０２ｂ、アレイ導波路１７１０３ａ、１７１０３ｂによって構成されている。アレイ導波路１７１０３ａ、１７１０３ｂについては、アレイ導波路個別の長さは全て等しく設計されており、アレイ導波路を構成する個別の導波路間で位相差が発生しない構成となっている。入力ポートは１７１０１ａ−１と１７１０１ｂ−１であり、スラブ導波路およびアレイ導波路を通り光学系に向かう。それぞれの群内には、複数の光入出力ポートが配備されており、本例ではそれぞれに３本の光入出力ポートが図示されている。
ポートが配置されている方向をポート方向とする。図１６Ａがポート方向と直交している波長分散方向であり、図１６Ｂがポート方向断面図である。
（光学系各要素）
図８Ａ、８Ｂに示した第四の実施形態の入出力ポートアレイ８１０１と、マイクロレンズアレイ８１０２がプレーナ光波回路１６１０１に集積されている点以外は、同一である。反射型波面制御素子１６１０６は、反射型波面制御素子８１０６と同一である。
分散素子１６１０４は、入出力ポートアレイ群１６１０１の各入力ポート１７１０１ａ−１及び１７１０１ｂ−１からシリンドリカルレンズ１６１０３を介して照射された光を、波長ごとに分波し、分波した光を、集光レンズ１６１０５を介して波面制御素子１６１０６に照射する。
シリンドリカルレンズ１６１０３、集光レンズ１６１０５は波面制御素子１６１０６に照射されるビーム形状を変化させる効果をもつ。波面制御素子上における波長分波方向のビーム径を小さくすることによって、信号光の透過帯域を広げることができる。また、ポート切り替え方向にてビーム形状を大きくすることでスイッチングに必要な出射角度を小さくすることができる。
（ポート切り替え）
第一の入出力ポートアレイ１７１０１ａの一つのポート１７１０１ａ−１を伝搬する光が第一のスラブ導波路１７１０２ａにて基板厚み方向に閉じ込められたままポート方向に広がりながら伝搬する。光はアレイ導波路１７１０３ａに結合する。アレイ導波路は全て同じ長さにて配置されているため、スラブ導波路１７１０２ａの位相情報を保持したままアレイ導波路１７１０３ａの終端へ向かう。アレイ導波路１７１０３ａの終端はプレーナ光波回路１６１０１の端面に接続していることから、アレイ導波路のそれぞれから出射する光の位相は端面で揃うことになり、結果的にポート方向に関する平面波として出射する。出射した光はコリメートシリンドリカルレンズ１６１０２によって波長分波軸方向に関するコリメート光に調整された後、シリンドリカルレンズ１６１０３、分散素子１６１０４、集光レンズ１６１０５を通り波面制御素子１６１０６に照射される。波面制御素子１６１０６に照射された光は波面制御によって出射角度を変えて反射され、集光レンズ１６１０５、分散素子１６１０４、シリンドリカルレンズ１６１０３、コリメートシリンドリカルレンズ１６１０２を再び通過したのち、第一のアレイ導波路１７１０３ａおよび第一のスラブ導波路１７１０２ａを通る。ここで、波面制御素子にて反射角度を変えられた光は、その傾きに応じて第一のスラブ導波路１７１０２ａ内でポート方向に傾いて伝搬し、第一の入出力ポートアレイ１７１０１ａ内のポート１７１０１ａ−２に結合する。波面制御素子１６１０６を適切に制御することによって、反射光方向を変えることができ、別のポート１７１０１ａ−３に結合させることもできる。シリンドリカルレンズ１６１０３と集光レンズ１６１０５は波面制御素子上同一の点１６１０８ａで交差する任意角度の光を波面制御素子以外の面上の１点１６１０７ａにて交差させる作用を有しており、同一の入出力ポートアレイ１７１０１ａの各入出力ポートは１７１０４ａを中心とした円弧上に配置されている。点１７１０４ａは主光線の延長上にある仮想点によって実現してもよい。同一の入出力ポートアレイ１７１０１ａから入出射されるビームの波長ごとの主光線は、波面制御素子１６１０６上において、同一の点１６１０８ａで交差するように光学系が設計されているため、高い結合効率を担保できる。
第二の入出力ポートアレイ１７１０１ｂについても、同様のポート切替動作が実現される。 本実施形態では、第四の実施形態と同様の光学系を採用するため、接続したい同一の波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重なり、かつ位相をそろえるように設計して選択的に結合効率を高めることができる。一方、異なる波長選択スイッチに属するポートへの結合に関しては、ビームが重ならないように設計して、クロストークを抑えることができる。
もちろん、本実施形態においても、入出力ポートアレイとマイクロレンズアレイを、フォトリソグラフィー技術を用いたプレーナ光導波路に集積化して作製することにより、高いマスク精度に応じた高精度な配置の実現、実装誤差の低減、付加機能の容易な実装が可能である。
更に、本実施形態においては、ビームのアスペクト比を自在に変更させることが可能である。前述のとおり、波長選択スイッチにおいて出力ポート数を増加させるためには、波面制御素子１６１０６に上に集光するビームのポート方向のビーム径を大きくする必要がある。本構成においては、波長分波軸方向のビーム径に関しては、埋め込まれた導波路層の比屈折率および厚みで決定するため、アスペクト比の調整はポート方向のビーム径を調整することで実現する。このときの、プレーナ光波回路１６１０１を出射するビームのポート方向の径ｗportは、以下の式にて表すことができる。
Figure 0006068478
数式２におけるλは信号光の波長、ｆslabはスラブ導波路の長さ、wI/Oはスラブ導波路に入射するポート方向のビーム径をそれぞれ表している。数式２によれば、スラブ導波路の長さｆslabに比例して，ポート方向のビーム径を拡大させることができる。
一般的な空間光学系でビームのアスペクト比の調整をするためには、ビームエキスパンダ、アナモルフィックプリズムペアなどを採用する構成が一般的である。しかしながら、このような構成では、新たな部材のコストおよびアライメント調整の負担が増えてしまう。この点で、アナモルフィックプリズムペアおよび偏波ダイバーシティのための光学系を、１つのプレーナ光波回路１６１０１内に集積した本実施形態の構成は、部材コストおよびアライメント調整の負担を低減するのに非常に大きな効果をもたらす。

Claims (14)

  1. 光を入力する少なくとも一つの入力ポートと、
    前記入力ポートからの光を受光する少なくとも一つの出力ポートと、
    前記入力ポートから入射した光のビーム形状を変化させる少なくとも一つの集光素子と、
    前記入力ポートから入射した光を波長ごとに分散させる少なくとも一つの分散素子と、
    前記分散素子において分散された前記波長ごとの光を、波長ごとに前記出力ポートに対して反射させる少なくとも一つの波面制御素子と、
    を有する波長選択スイッチをｎ個備えた波長選択スイッチアレイであって、前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子のうち少なくとも一つを前記ｎ個の波長選択スイッチ間で共用し、前記入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される光の波長ごとの主光線は、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上の１点で交差し、異なる前記波長選択スイッチ間では前記波面制御素子上で交わらないことを特徴とする波長選択スイッチアレイ。
  2. 前記ｎ個の波長選択スイッチは、前記少なくとも一つの分散素子および前記少なくとも一つの波面制御素子のうち少なくとも一つを共用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アレイ。
  3. 前記入力ポートおよび前記出力ポートは、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上の１点を中心として円弧上に配置され、異なる前記波長選択スイッチ間では前記波面制御素子上の異なる点を中心とした異なる円弧上に配置されてい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アレイ。
  4. 前記入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される主光線の角度は、異なる前記波長選択スイッチ間では異な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アレイ。
  5. 前記入力ポートおよび前記出力ポートは、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が平行になるよう配置されており、異なる前記波長選択スイッチ間では主光線の入出射角度が非平行になるよう配置されてい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アレイ。
  6. 前記入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される光の波長ごとの主光線は、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上外の１点で交差し、前記波面制御素子上外の１点は、異なる前記波長選択スイッチ間では異な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アレイ。
  7. 前記入力ポートおよび前記出力ポートは、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が異なる角度になるよう配置されていることを特徴とする請求項６に記載の波長選択スイッチアレイ。
  8. 前記入力ポートおよび前記出力ポートは、同一の前記波長選択スイッチ内では主光線の入出射角度が平行になるよう配置されており、少なくとも１つのレンズによって前記主光線が１点で交わり、異なる前記波長選択スイッチ間では主光線の入出射角度が非平行になるよう配置されていることを特徴とする請求項６に記載の波長選択スイッチアレイ。
  9. 前記入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製したことを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチアレイ。
  10. 前記入力ポートおよび前記出力ポートに入出射される光の波長ごとの主光線は、同一の前記波長選択スイッチ内では前記波面制御素子上の１点で交差し、異なる前記波長選択スイッチ間では前記波面制御素子上で交わらないことを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチアレイ。
  11. 前記入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製したことを特徴とする請求項３に記載の波長選択スイッチアレイ。
  12. 前記入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製したことを特徴とする請求項５に記載の波長選択スイッチアレイ。
  13. 前記入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製したことを特徴とする請求項７に記載の波長選択スイッチアレイ。
  14. 前記入力ポートおよび前記出力ポート、又は、前記入力ポートおよび前記出力ポートと前記集光素子、前記分散素子および前記波面制御素子の少なくとも１つとをプレーナ光波回路で作製したことを特徴とする請求項８に記載の波長選択スイッチアレイ。
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