光信号選択スイッチ
【課題】出力ポート間に生じるクロストークを抑制した光信号選択スイッチを提供すること。
【解決手段】本発明に係る光信号選択スイッチは、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、前記少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズを介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段とを備える。前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と相違することを特徴とする。
前記特徴により、ある出力ポートにおいて他の出力ポートの２次以上の高次回折光が結合されることがないため、ポート間クロストークを抑制することができる。
【解決手段】本発明に係る光信号選択スイッチは、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、前記少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズを介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段とを備える。前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と相違することを特徴とする。
前記特徴により、ある出力ポートにおいて他の出力ポートの２次以上の高次回折光が結合されることがないため、ポート間クロストークを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号選択スイッチに関する。具体的には、所望の出力ポート以外の出力ポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の光入出力ポートを有し、波長分割多重された光信号（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiple）を光のまま選択的に操作することができるデバイスが求められている。このようなデバイスの一つとして波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）がある。波長選択スイッチは、入力されたＷＤＭ光を波長ごとに異なる出力に選択的に振り分けることができるデバイスである。
【０００３】
一般的な波長選択スイッチは、合波素子、分波素子、および、偏向素子を用いた空間光学系の光通信用デバイスである。合波されて入射された光を、回折格子などの分波素子を介して波長ごとに位置に依存した光に分波し、ＭＥＭＳミラーなどの偏向素子によって出力ポートを選択することで、波長ごとのスイッチングを実現している。
【０００４】
図１に、従来の波長選択スイッチの一例を示す（例えば、特許文献１を参照）。図１は、従来の波長選択スイッチの構成を示す概略図である。図１に示すように座標軸を設定する。具体的には、光導波路基板２１０における信号光の入出射端面と水平かつ光導波路基板２１０における光波の進行方向（すなわち光軸）と垂直な方向をＸとし、光導波路基板２１０に垂直な方向をＹとし、光導波路基板２１０における光波の進行方向（すなわち光軸）をＺとする。図１はＸ軸方向から観た側面図である。
【０００５】
波長選択スイッチ２００は、光導波路基板２１０と、シリンドリカルレンズ２２０と、偏波分離部２３０と、ビームサイズ変換部２４０と、分光部２５０と、集光レンズ２６０と、光偏向部２７０とを備える。
【０００６】
図１には図示されていないが、光導波路基板２１０上には、入出力導波路と、入出力導波路に接続されたスラブ導波路と、スラブ導波路に接続されたアレイ導波路とが作製されている。
【０００７】
図１には図示されていないが、入出力導波路は、合計で２１本あり、中心にある１本の導波路を入力ポートとし、入力ポートの両側に１０本ずつ作製された導波路を出力ポートとする。ここで、入力ポートの両側に作製された導波路を入力ポートに近い順に出力ポート＃１，２，・・・，１０および＃−１，−２，・・・，−１０と呼ぶ。
【０００８】
スラブ導波路は、入力導波路の入力ポートから入力された光を分配してアレイ導波路に結合するように作用する。また、反射の場合は、スラブ導波路は、アレイ導波路から入力された光を、各アレイ導波路を伝搬する光波間の位相関係に応じて、入出力導波路の出力ポートの何れかに結合するように作用する。
【０００９】
アレイ導波路は、光路長差が０の複数の導波路の列である。アレイ導波路は、スラブ導波路からの光をシリンドルカルレンズ２２０へ入射し、シリンドリカルレンズ２２０からの光をスラブ導波路へ結合する。
【００１０】
シリンドリカルレンズ２２０は、アレイ導波路から出射された光を、Ｙ軸方向に拡がることなく、ビームサイズ変換部２４０へ入射するように作用する。
【００１１】
偏波分離部２３０は、シリンドリカルレンズ２２０から入射した光を直交する２つの偏波成分（水平成分、垂直成分）に分離する。偏波分離部２３０は、偏波分離した２つの光をそれぞれＹ軸方向における異なる部分から出射する。偏波分離部２３０から出射した光はビームサイズ変換部２４０へ入射する。
【００１２】
ビームサイズ変換部２４０は、偏波分離部２３０から入射した光をＹ軸方向へ広げるように作用する。図１は、２つのシリンドリカルレンズ２４２および２４４を、Ｘ軸を含む面に平行に配置してビームサイズ変換部２４０を構成する例を示す。
【００１３】
分光部２５０は、ビームサイズ変換部２４０から入射する光を回折させ、波長分離されるように作用する。図１は、透過型のバルク回折格子２５２を用いて分光部２５０を構成する例を示す。分光部２５０による回折の結果、波長分離された各光信号が、光偏向部２７０の対応する位相格子上に干渉縞を形成する。
【００１４】
集光レンズ２６０は分光部２５０を透過した光を光偏向部２７０に集光するように作用する。図１は、集光レンズ２６０としてシリンドリカルレンズを用いる例を示す。
【００１５】
光偏向部２７０は、波長分離された各光信号にそれぞれ対応する位相格子により、入射光を偏向しつつ反射し、集光レンズ２６０を介してバルク回折格子２５２へ結合する位相制御素子を備える。光偏向部２７０は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれる空間位相変調器を用いて構成することができる。ＬＣＯＳは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）の表面に液晶素子（ピクセル）を配列した反射型のデバイスである。液晶素子は、位相制御素子として入射した光信号に位相差を与え、位相格子を構成し、光路を反転するように作用する。
【００１６】
図２は、図１に示した波長選択スイッチの光偏向部２７０における光の入射面の概略を示す図である。図２に示すように、光偏向部（ＬＣＯＳ）２７０における光の入射面（Ｘ−Ｚ平面）には複数のピクセル２７２が格子上に配列されている。各ピクセルは独立して制御することが可能であり、各ピクセルにおいて光に付与する位相量を制御することができる。分光部２５０において波長分離された各光信号は、集光レンズ２６０によって、Ｚ軸上の対応するピクセル群にそれぞれ集光される。つまり、入出力導波路の入力ポートから入射した光は、光偏向部２７０においてＺ軸方向に波長分離される。
【００１７】
図３は、光偏向部２７０のＺ軸方向のあるピクセルの配列によって、ある波長λの光に位相シフトを付与する様子を示す図である。図３において、１つ位相格子のピッチをｄ、各ピクセルの一辺の長さをｐとすると、ｄ＝ｎ×ｐ（ｎは整数であり、１つの位相格子を構成するピクセル数）である。この場合、位相格子における光の偏向角θdは、ｓｉｎθd＝λ／ｄと表すことができる。位相格子のピッチｄが大きくなると（すなわちｎが大きくなると）偏向角度の画素分割数依存性が線形となるが、偏向角が小さくなる。反対に、位相格子のピッチｄが小さくなると偏向角度は大きくなるが、偏向角度の画素分割数依存性が非線形となる。
【００１８】
図３に示すように、ＬＣＯＳを用いた波長選択スイッチにおいては、ＬＣＯＳにより入力光に対し空間的に鋸歯状の位相変調（セロダイン変調）が加えられる。
【００１９】
ここで、ある波長の光が入射する位相格子を構成する各ピクセル（すなわち、Ｘ軸方向に配列されたピクセル）の位相設定について、隣り合うピクセルに設定される位相設定量の差をε（図３）とすると、所望の偏向角θdと位相設定量差εとの関係は、各種レンズ、光導波路基板２１０の配置などを考慮して、既知の計算式を用いて予め算出しておくことが可能である（非特許文献１参照）。図３では、３つのピクセルが、光偏向部２７０が光を偏向する方向に周期構造を有する位相格子を構成する場合を例示しているが、３つ以上のピクセルで周期構造を有する位相格子を構成してもよい。
【００２０】
図１に示した波長選択スイッチ２００において、複数の波長の光信号が多重されたＷＤＭ光信号が入力ポートから入射すると、ＷＤＭ光信号はスラブ導波路を導波して、各々がアレイ導波路を構成する導波路に結合される。
【００２１】
アレイ導波路から出射されたＷＤＭ光信号は、シリンドリカルレンズ２２０を介してコリメート光に変換された後、偏波分離部２３０へ入射して水平偏波成分と垂直偏波成分に分離された後、同一の偏波成分の２つのＷＤＭ光信号として出力される。
【００２２】
偏波分離部２３０から出射された２つのＷＤＭ光信号は各々、分光部２５０において波長分離される。
【００２３】
分光部２５０において波長分離された各光信号は集光レンズ２６０により光偏向部２７０の対応する位相格子に集光する。図１においてＺ軸が波長軸となるように光信号は位相格子に入射する。偏波分離部２３０から分光部２５０へ入射した２つのＷＤＭ光信号から波長分離された同一波長の光信号は、同一の位相格子に集光する。
【００２４】
光偏向部２７０の各位相格子において、光信号は波長ごとに独立に偏向されて、焦点レンズ２６０を介して分光部２５０へ入射するように反射される。波長ごとの光信号の偏向角は、位相格子の周期および位相シフト量に応じて決まる。換言すると、各ＷＤＭ信号に対応する位相格子の周期および位相シフト量を制御することで、偏向角を波長ごとに独立に制御することができる。
【００２５】
分光部２５０へ再び入射した各波長の光信号は合波され、再びビームサイズ変換部２４０、偏波分離部２３０、およびシリンドリカルレンズ２２０を介してアレイ導波路へ結合される。
【００２６】
アレイ導波路を導波した光信号は、スラブ導波路を導波して出力導波路のいずれかに結合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００９−２５８４３８号公報
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】ヘクト著、ヘクト光学II，２００４年９月，ｐ８８，ｐ２４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来の波長選択スイッチの構成では、以下のような問題があった。図４は、従来技術に係る波長選択スイッチの課題を説明するための概念図である。図４（ａ）に示すように、光偏向部を構成するＬＣＯＳに入射する入射光は、偏向され反射される。ここで、出力ポートを＃１に設定するときのセロダイン波形の周期をＮとする。図４（ａ）では、０次、±１次、±２次の回折光の発生が例示されている。
【００３０】
ここで、出力ポートを＃２に設定するときのセロダイン波形の周期がＮ／２となるように出力ポートが配置されたとする。図４（ｂ）に示すセロダイン波形の周期は、図４（ａ）に示すセロダイン波形の周期の半分である。図４（ｂ）では、０次、±１次の回折光の発生が例示されている。
【００３１】
図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光の回折角は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光の回折角と等しい。従って、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光と重なり、ポート間のクロストークが劣化する。
【００３２】
このように、理想的なセロダイン波形であっても、高次回折光が発生し、所望の出力ポート以外の出力ポートに信号光が偏向・反射されるためポート間クロストークの劣化を引き起こすという課題があった。
【００３３】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、所望の出力ポート以外のポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、位相シフトが与えられた光信号が集光レンズを介して出力ポートに結合するように光信号を反射する偏向手段とを備えた非波長選択スイッチであって、偏向手段による任意の出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なることを特徴とする。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る非波長選択スイッチおいて、偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする。
【００３６】
本発明は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、入力ポートから出射される波長多重光信号を波長分離する分光手段と、分光手段で波長分離された光信号を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、位相シフトが与えられた光信号が集光レンズ、分光手段を介して出力ポートに結合するように光信号を反射する偏向手段とを備えた波長選択スイッチであって、偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なることを特徴とする。
【００３７】
本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチおいて、偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする。
【００３８】
本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチおいて、偏向手段によるある出力ポートに対応する反射光の高次光の成分と、偏向手段による他の出力ポートにおける反射光の主信号とのなす角に対して、高次光の成分と、主信号との間の光結合が十分無視できるほど小さくなるように、偏向手段におけるビームサイズを大きくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明により、所望の出力ポート以外のポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術に係る波長選択スイッチの構成を示す概略図である。
【図２】従来技術に係る波長選択スイッチの光偏向部におけるピクセルの配列を示す図である。
【図３】従来技術に係る波長選択スイッチの光偏向部においてピクセルの配列によってある波長λの光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図４】従来技術に係る波長選択スイッチの課題を説明するための概念図である。
【図５】本発明に係る波長選択スイッチにおいて従来からの課題を解決するための手段を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＬＣＯＳ素子を用いた場合の、回折光の回折角（ｄｅｇ）と透過率（ｄＢ）との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＬＣＯＳ素子を用いた場合の、ピクセルの配列によって光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図８】クロストーク量の、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチの概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチを構成する光ファイバブロックの上面図である。
【図１１】鋸波の周期がピクセル数−１１のときのＬＣＯＳによる位相シフトを付与する様子を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＭＥＭＳ素子を用いた場合の、ピクセルの配列によって光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図１４】セロダイン周期がピクセル数の整数倍のときの鋸波の波形と、セロダイン周期がピクセル数の非整数倍のときの鋸波の波形とを示す。
【図１５】本発明の実施例に係る波長選択スイッチの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施形態を説明する。図５は、本発明に係る波長選択スイッチにおいて従来からの課題を解決する手段を説明するための概念図である。図５では、出力ポート数が２の場合を示している。図５（ａ）に示すように、光偏向部を構成するＬＣＯＳに入射する入射光は、偏向され反射される。ここで、出力ポートを＃１に設定するときのセロダイン波形の周期をＮとする。図５（ａ）では、０次、±１次、±２次の回折光の発生が例示されている。
【００４２】
本発明の実施形態においては、図５（ｂ）に示すように、出力ポートを＃２に設定するときのセロダイン波形の周期が、Ｎ／２ではなく、Ｎ／３となるように出力ポートが配置される。図５（ｂ）では、０次、±１次の回折光の発生が例示されている。
【００４３】
図５（ａ），図５（ｂ）に示すように、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光の回折角は、セロダイン波形の周期がＮを非整数で割った値のときの１次回折光の回折角と相違する。従って、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光と重ならない。よって、ポート間のクロストークが劣化しない。
【００４４】
より詳細に説明する。セロダイン波形の基本周期は、簡単のためＬＣＯＳのピクセルピッチの整数倍とする。ここで、ｉを回折光の次数とし（ｉ＝１の回折光は、所望の出力ポートへの出力を意図された回折光である）、ｊ番目のポートに出力設定する場合のセロダイン周期をＮjとする。このとき、出力ポートｋに対応するセロダイン波形の周期Ｎkが、
【００４５】
【数１】
【００４６】
となるように出力ポートを配置する。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００４８】
（第１の実施例）
図６は、光偏向部としてピクセルピッチが２０ｕｍ、セロダイン波形の空間周期が３８０ｕｍ（２０ｕｍ×１９ピクセル）であるＬＣＯＳを用いた場合の、回折光の回折角（ｄｅｇ）とＬＣＯＳからの反射光の空間的強度分布（ｄＢ）との関係を示すグラフである。入力光の波長は１５９０ｎｍとし、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径が４．２ｍｍとなるようにした。
【００４９】
本実施形態では、図６に示すような回折光が発生するが、これはセロダイン波形が理想的に２πで折り返されずにバックラッシュを持つことに起因する（図７を参照）。
【００５０】
図７は、本実施の形態のＬＣＯＳに設定されるセロダイン波形の概略を示すものである。実際の位相設定では、位相が２π近傍となるピクセルと、位相がゼロ近傍となるピクセルが隣接する箇所が存在するが、その境界ではディジタル的に位相が不連続に変化することは無く、図７に示すように、急峻ではあるがセロダイン波形と逆のスロープをもって２π近傍からゼロまで変化する。この逆スロープの位相変化が高次回折光を発生する。
【００５１】
本実施例では、セロダイン周期が互いに素となるように（即ち、（式１）を満たすように）、セロダイン周期をＮ＝６，７，８，９，１０，１１，１３，１７，１９の９個として選択し、出力ポートを配置した。夫々のセロダイン周期に対応する１次の回折光は以下の表１のｉ＝１の列に示すとおりである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
例として、Ｎ＝１９の場合を検討する。Ｎ＝１９のセロダイン波形が作る高次回折光の回折角は、２次回折光が０．４８ｄｅｇであり、３次回折光が０．７２ｄｅｇであり、４次回折光が０．９６ｄｅｇであり、５次回折光が１．２０ｄｅｇであり、６次回折光が１．４４ｄｅｇであり、７次回折光が１．６８ｄｅｇである。表１に示すように、これらの高次回折光は、他のセロダイン波形（即ち、Ｎ＝６，７，８，９，１０，１１，１３，１７）の１次回折光の位置に存在しない。よって、クロストークの劣化は生じない。
【００５４】
ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径は、２次以上の高次回折光と、主信号（１次回折光）とが十分分離できる程度に広ければ良い。
【００５５】
本実施例における高次回折光と主信号（１次回折光）とのなす角度のうち、最も小さいものは、Ｎ＝１０の主信号（１次回折光）とＮ＝１９の２次回折光との間に成立する０．０２ｄｅｇである。
【００５６】
この角度０．０２ｄｅｇに対する、Ｎ＝１９のときの２次回折光がＮ＝１０のときの主信号（１次回折光）へ結合する結合率（ｄＢ）と、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径（ｕｍ）との関係を、図８に示す。
【００５７】
図８に示すように、クロストーク量は、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径に依存する。理想的なクロストーク量を−５０ｄＢ以下とするとき、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径は、約５０００ｕｍ以上であれば良い。
【００５８】
（第２の実施例）
図９に、本発明の実施例に係る１入力４出力の非波長選択スイッチを示す。図９は、本実施例に係る非波長選択スイッチの概略構成図である。非波長選択スイッチ９００は、１本の入力光ファイバ（９０３）及び４本の出力光ファイバ（９０１，９０２，９０４，９０５）を配置するための光ファイバブロック（９１０）と、５個のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイ（９１２）と、集光レンズ（９１４）と、ＬＣＯＳ素子（９１６）とを備える。
【００５９】
入力光ファイバ９０３から入射した光信号は、マイクロレンズを介して平行光に変換される。マイクロレンズを介して平行光に変換された光信号は、集光レンズ９１４によって集光される。集光レンズ９１４によって集光された光信号は、ＬＣＯＳ素子９１６によって偏向・反射される。集光レンズ９１４を介して集光された光信号のビームウェストの位置がＬＣＯＳ素子上になるように、ＬＣＯＳ素子９１６の位置を設定する。ＬＣＯＳ素子９１６によって偏向・反射された光信号は、集光レンズ９１４、マイクロレンズを経由して、何れかの出力ファイバ（即ち、９０１，９０２，９０４，９０５の何れか）において結合される。
【００６０】
光ファイバブロック９１０は、基板上に５本の光ファイバを保持するための５本のＶ溝を有する。Ｖ溝は、その伸長方向が光信号の進行方向に沿って形成される。
【００６１】
図１０は、光ファイバブロック９１０の上面図である。光ファイバ９０１と光ファイバ９０２との間隔が０．３９１ｍｍ、光ファイバ９０２と光ファイバ９０３との間隔が１．７６１ｍｍ、光ファイバ９０３と光ファイバ９０４との間隔が１．４９０ｍｍ、光ファイバ９０４と光ファイバ９０５との間隔が０．４４７ｍｍとなるように、光ファイバブロック上のＶ溝を形成した。
【００６２】
上記のようなＶ溝を形成することにより、ＬＣＯＳの鋸波の周期が以下の表に示す関係を満たすようになる。
【００６３】
【表２】
【００６４】
表２は、ＬＣＯＳの鋸波の周期を１周期辺りのピクセル数で表している。ここで、ピクセル数の符号は、正の場合は鋸波の傾きが左上がりであることを示し、負の場合は鋸波の傾きが右上がりであることを示す。
【００６５】
入力光の波長を１．５５ｕｍ、ＬＣＯＳのピクセルピッチを８ｕｍとし、レンズの焦点距離が１００ｍｍの集光レンズを使用した。
【００６６】
ＬＣＯＳ上に入射する信号光のビーム半径は、各々の出力ポート間のクロストークが十分小さくなるように、大きくする必要がある。本実施例では、ビーム半径を３ｍｍとした。
【００６７】
図１１に、鋸波の周期がピクセル数−１１のときのＬＣＯＳにおける位相設定の概略を示す。図１１において、横軸はピクセル番号を示し、縦軸は付与される位相の値（ｒａｄ）を示す。図１１には、傾きが右上がりであり、セロダイン周期がピクセル数−１１の鋸波を確認することができる。鋸波のセロダイン周期がピクセル数−１１以外の場合も同様に設定することができる。
【００６８】
図１２に、本実施例に係る１入力４出力の非波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示す。図１２において、横軸は出力ポート番号を示し、縦軸は透過率（ｄＢ）を示す。
例として、出力ポートをポート１としたときの、各ポートへの光信号を光信号の透過率を検討すると、−５０ｄＢ以上のポート間のクロストークが確保されていることがわかる。
【００６９】
このように、鋸波の周期が互いに素となるように（即ち、（式１）を満たすように）、出力ポート間の間隔を設定することにより、鋸波の周期性に起因する高次回折光を抑圧することができる。
【００７０】
鋸波の周期が互いに素となるような範囲は、出力ポートが存在する範囲に高次回折光が出現する領域まで検討すれば良い。すなわち、１００次のような高次回折光は、出力ポートが存在する領域の範囲外にあるため考慮する必要はない。
【００７１】
（ＭＥＭＳ素子を使用した非波長選択スイッチ）
本実施例では、偏向素子としてＬＣＯＳ素子を使用したが、複数のＭＥＭＳミラーから構成されるＭＥＭＳ素子を使用することができる。図９に示した非波長選択スイッチにおいて、ＬＣＯＳ素子７の位置にＬＣＯＳ素子７の代わりにＭＥＭＳ素子を設置する。
【００７２】
図１３は、ＭＥＭＳ素子のピクセルの配列によって、光に位相シフトを付与する様子を示す図である。図１３に示すように、ＭＥＭＳ素子を用いて鋸波波形の位相シフトが付与される。図１３（ａ）はセロダイン周期がピクセル数４のときの波形を示し、図１３（ｂ）はセロダイン周期がピクセル数３のときの波形を示す。最低段のＭＥＭＳミラーと最高段のＭＥＭＳミラーとの段差は、それらによって生じる光の位相差が２πとなるように設定する。
【００７３】
ＭＥＭＳ素子を用いて、セロダイン周期が、ピクセル数３およびピクセル数４となる場合を示した。なお、先の例で示したセロダイン周期（すなわち、セロダイン周期がピクセル数−９，−１０，１１，１３）についてもＭＥＭＳ素子を用いて設定することができる。
【００７４】
上述の例では、セロダイン周期がピクセル数の整数倍である場合を示したが、セロダイン周期はピクセル数の非整数倍であってもよい。
【００７５】
図１４に、セロダイン周期がピクセル数の整数倍のときの鋸波の波形と、セロダイン周期がピクセル数の非整数倍のときの鋸波の波形とを示す。実線はセロダイン周期がピクセル数の整数倍の鋸波を示し、破線はセロダイン周期がピクセル数の非整数倍の鋸波を示す。セロダイン周期がピクセル数の非整数倍の鋸波は、鋸の歯ごとにそれを構成するピクセル数は変化するが、入力光には等価的に鋸波の傾きの位相面の変化として見えるので、実用上問題はない。
【００７６】
（ビーム半径に関する要請）
ＬＣＯＳ上に入射するビームのビーム半径が小さい場合、高次回折光は出力ポート以外のポートに対してクロストークを発生させる恐れがある。
【００７７】
よって本実施例では、ＬＣＯＳ上に入射するビームのビーム半径をｗ、入力光の波長をλとしたとき、所望のクロストークＸＴ（ｄＢ）に対して
【００７８】
【数２】
【００７９】
となるようにｗを設定した。ここで、Δθはのこぎり波の位相設定によって、光信号が回折される際の１次回折光の回折角度（出力信号に対応する）とそれらの高次回折光の回折角度とのなす角のうち最小のものである。
【００８０】
１次回折光の回折角度は、
【００８１】
【数３】
【００８２】
と表すことができる。NSawはのこぎり波の一つの波を構成するＬＣＯＳ素子のピクセル数を表し（NSawは、整数または非整数でよい）、PitchはＬＣＯＳ素子のピッチを表す。
【００８３】
この場合、スイッチングに必要なNSawの集合をNPortとすると（上述の実施例においては、NPort={−９，１０，−１１，１３}となる）
【００８４】
【数４】
【００８５】
である。ｋは高次回折光の次数（整数）である。ｋに関しては、高次回折光が出力ポートが存在する領域に出現するような範囲のｋのみを考えればよい。
【００８６】
本実施例の場合を検討する。各ポートに出力する光信号の回折角は
【００８７】
【表３】
【００８８】
である。この場合、最小角度差Δθは、ポート４へ出力される１次回折光の回折角とポート２へ出力される−１次回折光の回折角との間で成立し、0.018rad（=0.0194rad-0.0176rad）である。
【００８９】
入力光の波長λを１．５５ｕｍとし、高次回折光の次数としてｋ=-１，２の場合を検討すると、（式２）より、５０ｄＢのクロストークを確保するためには、ビーム半径は９５０ｕｍ以上であればよいことが導かれる。
【００９０】
（第３の実施例）
図１５に、本発明の一実施例に係る１入力４出力の波長選択スイッチ１５００を示す。図１５は、本実施例に係る波長選択スイッチ１５００の概略構成図である。波長選択スイッチ１５００は、１本の入力光ファイバ及び４本の出力光ファイバを配置するための光ファイバブロック１５０２と、回折格子１５０４と、集光レンズ１５０６と、ＬＣＯＳ素子１５０８とを備える。
【００９１】
入力光ファイバから入射した光信号は、回折格子１５０４により波長ごとに分光される。回折格子１５０４により分光された光信号は、集光レンズ１５０６によって集光される。集光レンズ１５０６によって集光された光信号は、ＬＣＯＳ１５０８によって偏向・反射される。集光レンズ１５０６を介して集光された光信号のビームウェストの位置がＬＣＯＳ上になるように、ＬＣＯＳ素子１５０８の位置を設定する。ＬＣＯＳ１５０８によって偏向・反射された光信号は、集光レンズ１５０６、回折格子１５０４を経由して、波長合波され、何れかの出力ファイバにおいて結合される。
【００９２】
本実施例における各パラメータについては、回折格子に関するパラメータを除き第１の実施例と同様の設定とした。
【符号の説明】
【００９３】
２００ 波長選択スイッチ
２１０ 光導波路基板
２２０ シリンドリカルレンズ
２３０ 偏波分離部
２４０ ビームサイズ変換部
２４２，２４４ シリンドリカルレンズ
２５０ 分光部
２５２ バルク回折格子
２６０ 集光レンズ
２７０ 光偏向部，ＬＣＯＳ
２７２ ピクセル
９０１，９０２，９０３，９０４，９０５ 出力光ファイバ
９０３ 入力光ファイバ
９１０ 光ファイバブロック
９１２ マイクロレンズアレイ
９１４ 集光レンズ
９１６ ＬＣＯＳ素子
１５００ 波長選択スイッチ
１５０２ 光ファイバブロック
１５０４ 回折格子
１５０６ 集光レンズ
１５０８ ＬＣＯＳ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号選択スイッチに関する。具体的には、所望の出力ポート以外の出力ポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の光入出力ポートを有し、波長分割多重された光信号（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiple）を光のまま選択的に操作することができるデバイスが求められている。このようなデバイスの一つとして波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）がある。波長選択スイッチは、入力されたＷＤＭ光を波長ごとに異なる出力に選択的に振り分けることができるデバイスである。
【０００３】
一般的な波長選択スイッチは、合波素子、分波素子、および、偏向素子を用いた空間光学系の光通信用デバイスである。合波されて入射された光を、回折格子などの分波素子を介して波長ごとに位置に依存した光に分波し、ＭＥＭＳミラーなどの偏向素子によって出力ポートを選択することで、波長ごとのスイッチングを実現している。
【０００４】
図１に、従来の波長選択スイッチの一例を示す（例えば、特許文献１を参照）。図１は、従来の波長選択スイッチの構成を示す概略図である。図１に示すように座標軸を設定する。具体的には、光導波路基板２１０における信号光の入出射端面と水平かつ光導波路基板２１０における光波の進行方向（すなわち光軸）と垂直な方向をＸとし、光導波路基板２１０に垂直な方向をＹとし、光導波路基板２１０における光波の進行方向（すなわち光軸）をＺとする。図１はＸ軸方向から観た側面図である。
【０００５】
波長選択スイッチ２００は、光導波路基板２１０と、シリンドリカルレンズ２２０と、偏波分離部２３０と、ビームサイズ変換部２４０と、分光部２５０と、集光レンズ２６０と、光偏向部２７０とを備える。
【０００６】
図１には図示されていないが、光導波路基板２１０上には、入出力導波路と、入出力導波路に接続されたスラブ導波路と、スラブ導波路に接続されたアレイ導波路とが作製されている。
【０００７】
図１には図示されていないが、入出力導波路は、合計で２１本あり、中心にある１本の導波路を入力ポートとし、入力ポートの両側に１０本ずつ作製された導波路を出力ポートとする。ここで、入力ポートの両側に作製された導波路を入力ポートに近い順に出力ポート＃１，２，・・・，１０および＃−１，−２，・・・，−１０と呼ぶ。
【０００８】
スラブ導波路は、入力導波路の入力ポートから入力された光を分配してアレイ導波路に結合するように作用する。また、反射の場合は、スラブ導波路は、アレイ導波路から入力された光を、各アレイ導波路を伝搬する光波間の位相関係に応じて、入出力導波路の出力ポートの何れかに結合するように作用する。
【０００９】
アレイ導波路は、光路長差が０の複数の導波路の列である。アレイ導波路は、スラブ導波路からの光をシリンドルカルレンズ２２０へ入射し、シリンドリカルレンズ２２０からの光をスラブ導波路へ結合する。
【００１０】
シリンドリカルレンズ２２０は、アレイ導波路から出射された光を、Ｙ軸方向に拡がることなく、ビームサイズ変換部２４０へ入射するように作用する。
【００１１】
偏波分離部２３０は、シリンドリカルレンズ２２０から入射した光を直交する２つの偏波成分（水平成分、垂直成分）に分離する。偏波分離部２３０は、偏波分離した２つの光をそれぞれＹ軸方向における異なる部分から出射する。偏波分離部２３０から出射した光はビームサイズ変換部２４０へ入射する。
【００１２】
ビームサイズ変換部２４０は、偏波分離部２３０から入射した光をＹ軸方向へ広げるように作用する。図１は、２つのシリンドリカルレンズ２４２および２４４を、Ｘ軸を含む面に平行に配置してビームサイズ変換部２４０を構成する例を示す。
【００１３】
分光部２５０は、ビームサイズ変換部２４０から入射する光を回折させ、波長分離されるように作用する。図１は、透過型のバルク回折格子２５２を用いて分光部２５０を構成する例を示す。分光部２５０による回折の結果、波長分離された各光信号が、光偏向部２７０の対応する位相格子上に干渉縞を形成する。
【００１４】
集光レンズ２６０は分光部２５０を透過した光を光偏向部２７０に集光するように作用する。図１は、集光レンズ２６０としてシリンドリカルレンズを用いる例を示す。
【００１５】
光偏向部２７０は、波長分離された各光信号にそれぞれ対応する位相格子により、入射光を偏向しつつ反射し、集光レンズ２６０を介してバルク回折格子２５２へ結合する位相制御素子を備える。光偏向部２７０は、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれる空間位相変調器を用いて構成することができる。ＬＣＯＳは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）の表面に液晶素子（ピクセル）を配列した反射型のデバイスである。液晶素子は、位相制御素子として入射した光信号に位相差を与え、位相格子を構成し、光路を反転するように作用する。
【００１６】
図２は、図１に示した波長選択スイッチの光偏向部２７０における光の入射面の概略を示す図である。図２に示すように、光偏向部（ＬＣＯＳ）２７０における光の入射面（Ｘ−Ｚ平面）には複数のピクセル２７２が格子上に配列されている。各ピクセルは独立して制御することが可能であり、各ピクセルにおいて光に付与する位相量を制御することができる。分光部２５０において波長分離された各光信号は、集光レンズ２６０によって、Ｚ軸上の対応するピクセル群にそれぞれ集光される。つまり、入出力導波路の入力ポートから入射した光は、光偏向部２７０においてＺ軸方向に波長分離される。
【００１７】
図３は、光偏向部２７０のＺ軸方向のあるピクセルの配列によって、ある波長λの光に位相シフトを付与する様子を示す図である。図３において、１つ位相格子のピッチをｄ、各ピクセルの一辺の長さをｐとすると、ｄ＝ｎ×ｐ（ｎは整数であり、１つの位相格子を構成するピクセル数）である。この場合、位相格子における光の偏向角θdは、ｓｉｎθd＝λ／ｄと表すことができる。位相格子のピッチｄが大きくなると（すなわちｎが大きくなると）偏向角度の画素分割数依存性が線形となるが、偏向角が小さくなる。反対に、位相格子のピッチｄが小さくなると偏向角度は大きくなるが、偏向角度の画素分割数依存性が非線形となる。
【００１８】
図３に示すように、ＬＣＯＳを用いた波長選択スイッチにおいては、ＬＣＯＳにより入力光に対し空間的に鋸歯状の位相変調（セロダイン変調）が加えられる。
【００１９】
ここで、ある波長の光が入射する位相格子を構成する各ピクセル（すなわち、Ｘ軸方向に配列されたピクセル）の位相設定について、隣り合うピクセルに設定される位相設定量の差をε（図３）とすると、所望の偏向角θdと位相設定量差εとの関係は、各種レンズ、光導波路基板２１０の配置などを考慮して、既知の計算式を用いて予め算出しておくことが可能である（非特許文献１参照）。図３では、３つのピクセルが、光偏向部２７０が光を偏向する方向に周期構造を有する位相格子を構成する場合を例示しているが、３つ以上のピクセルで周期構造を有する位相格子を構成してもよい。
【００２０】
図１に示した波長選択スイッチ２００において、複数の波長の光信号が多重されたＷＤＭ光信号が入力ポートから入射すると、ＷＤＭ光信号はスラブ導波路を導波して、各々がアレイ導波路を構成する導波路に結合される。
【００２１】
アレイ導波路から出射されたＷＤＭ光信号は、シリンドリカルレンズ２２０を介してコリメート光に変換された後、偏波分離部２３０へ入射して水平偏波成分と垂直偏波成分に分離された後、同一の偏波成分の２つのＷＤＭ光信号として出力される。
【００２２】
偏波分離部２３０から出射された２つのＷＤＭ光信号は各々、分光部２５０において波長分離される。
【００２３】
分光部２５０において波長分離された各光信号は集光レンズ２６０により光偏向部２７０の対応する位相格子に集光する。図１においてＺ軸が波長軸となるように光信号は位相格子に入射する。偏波分離部２３０から分光部２５０へ入射した２つのＷＤＭ光信号から波長分離された同一波長の光信号は、同一の位相格子に集光する。
【００２４】
光偏向部２７０の各位相格子において、光信号は波長ごとに独立に偏向されて、焦点レンズ２６０を介して分光部２５０へ入射するように反射される。波長ごとの光信号の偏向角は、位相格子の周期および位相シフト量に応じて決まる。換言すると、各ＷＤＭ信号に対応する位相格子の周期および位相シフト量を制御することで、偏向角を波長ごとに独立に制御することができる。
【００２５】
分光部２５０へ再び入射した各波長の光信号は合波され、再びビームサイズ変換部２４０、偏波分離部２３０、およびシリンドリカルレンズ２２０を介してアレイ導波路へ結合される。
【００２６】
アレイ導波路を導波した光信号は、スラブ導波路を導波して出力導波路のいずれかに結合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００９−２５８４３８号公報
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】ヘクト著、ヘクト光学II，２００４年９月，ｐ８８，ｐ２４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来の波長選択スイッチの構成では、以下のような問題があった。図４は、従来技術に係る波長選択スイッチの課題を説明するための概念図である。図４（ａ）に示すように、光偏向部を構成するＬＣＯＳに入射する入射光は、偏向され反射される。ここで、出力ポートを＃１に設定するときのセロダイン波形の周期をＮとする。図４（ａ）では、０次、±１次、±２次の回折光の発生が例示されている。
【００３０】
ここで、出力ポートを＃２に設定するときのセロダイン波形の周期がＮ／２となるように出力ポートが配置されたとする。図４（ｂ）に示すセロダイン波形の周期は、図４（ａ）に示すセロダイン波形の周期の半分である。図４（ｂ）では、０次、±１次の回折光の発生が例示されている。
【００３１】
図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光の回折角は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光の回折角と等しい。従って、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光と重なり、ポート間のクロストークが劣化する。
【００３２】
このように、理想的なセロダイン波形であっても、高次回折光が発生し、所望の出力ポート以外の出力ポートに信号光が偏向・反射されるためポート間クロストークの劣化を引き起こすという課題があった。
【００３３】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、所望の出力ポート以外のポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、位相シフトが与えられた光信号が集光レンズを介して出力ポートに結合するように光信号を反射する偏向手段とを備えた非波長選択スイッチであって、偏向手段による任意の出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なることを特徴とする。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る非波長選択スイッチおいて、偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする。
【００３６】
本発明は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートと、入力ポートから出射される波長多重光信号を波長分離する分光手段と、分光手段で波長分離された光信号を集光する集光レンズと、集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、位相シフトが与えられた光信号が集光レンズ、分光手段を介して出力ポートに結合するように光信号を反射する偏向手段とを備えた波長選択スイッチであって、偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なることを特徴とする。
【００３７】
本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチおいて、偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする。
【００３８】
本発明の一実施形態に係る波長選択スイッチおいて、偏向手段によるある出力ポートに対応する反射光の高次光の成分と、偏向手段による他の出力ポートにおける反射光の主信号とのなす角に対して、高次光の成分と、主信号との間の光結合が十分無視できるほど小さくなるように、偏向手段におけるビームサイズを大きくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明により、所望の出力ポート以外のポートに高次回折光が入射しないような光信号選択スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術に係る波長選択スイッチの構成を示す概略図である。
【図２】従来技術に係る波長選択スイッチの光偏向部におけるピクセルの配列を示す図である。
【図３】従来技術に係る波長選択スイッチの光偏向部においてピクセルの配列によってある波長λの光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図４】従来技術に係る波長選択スイッチの課題を説明するための概念図である。
【図５】本発明に係る波長選択スイッチにおいて従来からの課題を解決するための手段を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＬＣＯＳ素子を用いた場合の、回折光の回折角（ｄｅｇ）と透過率（ｄＢ）との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＬＣＯＳ素子を用いた場合の、ピクセルの配列によって光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図８】クロストーク量の、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチの概略構成図である。
【図１０】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチを構成する光ファイバブロックの上面図である。
【図１１】鋸波の周期がピクセル数−１１のときのＬＣＯＳによる位相シフトを付与する様子を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施例に係る非波長選択スイッチにおいて、光偏向部にＭＥＭＳ素子を用いた場合の、ピクセルの配列によって光に位相シフトを付与する様子を説明するための図である。
【図１４】セロダイン周期がピクセル数の整数倍のときの鋸波の波形と、セロダイン周期がピクセル数の非整数倍のときの鋸波の波形とを示す。
【図１５】本発明の実施例に係る波長選択スイッチの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施形態を説明する。図５は、本発明に係る波長選択スイッチにおいて従来からの課題を解決する手段を説明するための概念図である。図５では、出力ポート数が２の場合を示している。図５（ａ）に示すように、光偏向部を構成するＬＣＯＳに入射する入射光は、偏向され反射される。ここで、出力ポートを＃１に設定するときのセロダイン波形の周期をＮとする。図５（ａ）では、０次、±１次、±２次の回折光の発生が例示されている。
【００４２】
本発明の実施形態においては、図５（ｂ）に示すように、出力ポートを＃２に設定するときのセロダイン波形の周期が、Ｎ／２ではなく、Ｎ／３となるように出力ポートが配置される。図５（ｂ）では、０次、±１次の回折光の発生が例示されている。
【００４３】
図５（ａ），図５（ｂ）に示すように、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光の回折角は、セロダイン波形の周期がＮを非整数で割った値のときの１次回折光の回折角と相違する。従って、セロダイン波形の周期がＮのときの２次回折光は、セロダイン波形の周期がＮ／２のときの１次回折光と重ならない。よって、ポート間のクロストークが劣化しない。
【００４４】
より詳細に説明する。セロダイン波形の基本周期は、簡単のためＬＣＯＳのピクセルピッチの整数倍とする。ここで、ｉを回折光の次数とし（ｉ＝１の回折光は、所望の出力ポートへの出力を意図された回折光である）、ｊ番目のポートに出力設定する場合のセロダイン周期をＮjとする。このとき、出力ポートｋに対応するセロダイン波形の周期Ｎkが、
【００４５】
【数１】
【００４６】
となるように出力ポートを配置する。
【実施例】
【００４７】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００４８】
（第１の実施例）
図６は、光偏向部としてピクセルピッチが２０ｕｍ、セロダイン波形の空間周期が３８０ｕｍ（２０ｕｍ×１９ピクセル）であるＬＣＯＳを用いた場合の、回折光の回折角（ｄｅｇ）とＬＣＯＳからの反射光の空間的強度分布（ｄＢ）との関係を示すグラフである。入力光の波長は１５９０ｎｍとし、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径が４．２ｍｍとなるようにした。
【００４９】
本実施形態では、図６に示すような回折光が発生するが、これはセロダイン波形が理想的に２πで折り返されずにバックラッシュを持つことに起因する（図７を参照）。
【００５０】
図７は、本実施の形態のＬＣＯＳに設定されるセロダイン波形の概略を示すものである。実際の位相設定では、位相が２π近傍となるピクセルと、位相がゼロ近傍となるピクセルが隣接する箇所が存在するが、その境界ではディジタル的に位相が不連続に変化することは無く、図７に示すように、急峻ではあるがセロダイン波形と逆のスロープをもって２π近傍からゼロまで変化する。この逆スロープの位相変化が高次回折光を発生する。
【００５１】
本実施例では、セロダイン周期が互いに素となるように（即ち、（式１）を満たすように）、セロダイン周期をＮ＝６，７，８，９，１０，１１，１３，１７，１９の９個として選択し、出力ポートを配置した。夫々のセロダイン周期に対応する１次の回折光は以下の表１のｉ＝１の列に示すとおりである。
【００５２】
【表１】
【００５３】
例として、Ｎ＝１９の場合を検討する。Ｎ＝１９のセロダイン波形が作る高次回折光の回折角は、２次回折光が０．４８ｄｅｇであり、３次回折光が０．７２ｄｅｇであり、４次回折光が０．９６ｄｅｇであり、５次回折光が１．２０ｄｅｇであり、６次回折光が１．４４ｄｅｇであり、７次回折光が１．６８ｄｅｇである。表１に示すように、これらの高次回折光は、他のセロダイン波形（即ち、Ｎ＝６，７，８，９，１０，１１，１３，１７）の１次回折光の位置に存在しない。よって、クロストークの劣化は生じない。
【００５４】
ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径は、２次以上の高次回折光と、主信号（１次回折光）とが十分分離できる程度に広ければ良い。
【００５５】
本実施例における高次回折光と主信号（１次回折光）とのなす角度のうち、最も小さいものは、Ｎ＝１０の主信号（１次回折光）とＮ＝１９の２次回折光との間に成立する０．０２ｄｅｇである。
【００５６】
この角度０．０２ｄｅｇに対する、Ｎ＝１９のときの２次回折光がＮ＝１０のときの主信号（１次回折光）へ結合する結合率（ｄＢ）と、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径（ｕｍ）との関係を、図８に示す。
【００５７】
図８に示すように、クロストーク量は、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径に依存する。理想的なクロストーク量を−５０ｄＢ以下とするとき、ＬＣＯＳ上に入射するガウスビームのビーム半径は、約５０００ｕｍ以上であれば良い。
【００５８】
（第２の実施例）
図９に、本発明の実施例に係る１入力４出力の非波長選択スイッチを示す。図９は、本実施例に係る非波長選択スイッチの概略構成図である。非波長選択スイッチ９００は、１本の入力光ファイバ（９０３）及び４本の出力光ファイバ（９０１，９０２，９０４，９０５）を配置するための光ファイバブロック（９１０）と、５個のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイ（９１２）と、集光レンズ（９１４）と、ＬＣＯＳ素子（９１６）とを備える。
【００５９】
入力光ファイバ９０３から入射した光信号は、マイクロレンズを介して平行光に変換される。マイクロレンズを介して平行光に変換された光信号は、集光レンズ９１４によって集光される。集光レンズ９１４によって集光された光信号は、ＬＣＯＳ素子９１６によって偏向・反射される。集光レンズ９１４を介して集光された光信号のビームウェストの位置がＬＣＯＳ素子上になるように、ＬＣＯＳ素子９１６の位置を設定する。ＬＣＯＳ素子９１６によって偏向・反射された光信号は、集光レンズ９１４、マイクロレンズを経由して、何れかの出力ファイバ（即ち、９０１，９０２，９０４，９０５の何れか）において結合される。
【００６０】
光ファイバブロック９１０は、基板上に５本の光ファイバを保持するための５本のＶ溝を有する。Ｖ溝は、その伸長方向が光信号の進行方向に沿って形成される。
【００６１】
図１０は、光ファイバブロック９１０の上面図である。光ファイバ９０１と光ファイバ９０２との間隔が０．３９１ｍｍ、光ファイバ９０２と光ファイバ９０３との間隔が１．７６１ｍｍ、光ファイバ９０３と光ファイバ９０４との間隔が１．４９０ｍｍ、光ファイバ９０４と光ファイバ９０５との間隔が０．４４７ｍｍとなるように、光ファイバブロック上のＶ溝を形成した。
【００６２】
上記のようなＶ溝を形成することにより、ＬＣＯＳの鋸波の周期が以下の表に示す関係を満たすようになる。
【００６３】
【表２】
【００６４】
表２は、ＬＣＯＳの鋸波の周期を１周期辺りのピクセル数で表している。ここで、ピクセル数の符号は、正の場合は鋸波の傾きが左上がりであることを示し、負の場合は鋸波の傾きが右上がりであることを示す。
【００６５】
入力光の波長を１．５５ｕｍ、ＬＣＯＳのピクセルピッチを８ｕｍとし、レンズの焦点距離が１００ｍｍの集光レンズを使用した。
【００６６】
ＬＣＯＳ上に入射する信号光のビーム半径は、各々の出力ポート間のクロストークが十分小さくなるように、大きくする必要がある。本実施例では、ビーム半径を３ｍｍとした。
【００６７】
図１１に、鋸波の周期がピクセル数−１１のときのＬＣＯＳにおける位相設定の概略を示す。図１１において、横軸はピクセル番号を示し、縦軸は付与される位相の値（ｒａｄ）を示す。図１１には、傾きが右上がりであり、セロダイン周期がピクセル数−１１の鋸波を確認することができる。鋸波のセロダイン周期がピクセル数−１１以外の場合も同様に設定することができる。
【００６８】
図１２に、本実施例に係る１入力４出力の非波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示す。図１２において、横軸は出力ポート番号を示し、縦軸は透過率（ｄＢ）を示す。
例として、出力ポートをポート１としたときの、各ポートへの光信号を光信号の透過率を検討すると、−５０ｄＢ以上のポート間のクロストークが確保されていることがわかる。
【００６９】
このように、鋸波の周期が互いに素となるように（即ち、（式１）を満たすように）、出力ポート間の間隔を設定することにより、鋸波の周期性に起因する高次回折光を抑圧することができる。
【００７０】
鋸波の周期が互いに素となるような範囲は、出力ポートが存在する範囲に高次回折光が出現する領域まで検討すれば良い。すなわち、１００次のような高次回折光は、出力ポートが存在する領域の範囲外にあるため考慮する必要はない。
【００７１】
（ＭＥＭＳ素子を使用した非波長選択スイッチ）
本実施例では、偏向素子としてＬＣＯＳ素子を使用したが、複数のＭＥＭＳミラーから構成されるＭＥＭＳ素子を使用することができる。図９に示した非波長選択スイッチにおいて、ＬＣＯＳ素子７の位置にＬＣＯＳ素子７の代わりにＭＥＭＳ素子を設置する。
【００７２】
図１３は、ＭＥＭＳ素子のピクセルの配列によって、光に位相シフトを付与する様子を示す図である。図１３に示すように、ＭＥＭＳ素子を用いて鋸波波形の位相シフトが付与される。図１３（ａ）はセロダイン周期がピクセル数４のときの波形を示し、図１３（ｂ）はセロダイン周期がピクセル数３のときの波形を示す。最低段のＭＥＭＳミラーと最高段のＭＥＭＳミラーとの段差は、それらによって生じる光の位相差が２πとなるように設定する。
【００７３】
ＭＥＭＳ素子を用いて、セロダイン周期が、ピクセル数３およびピクセル数４となる場合を示した。なお、先の例で示したセロダイン周期（すなわち、セロダイン周期がピクセル数−９，−１０，１１，１３）についてもＭＥＭＳ素子を用いて設定することができる。
【００７４】
上述の例では、セロダイン周期がピクセル数の整数倍である場合を示したが、セロダイン周期はピクセル数の非整数倍であってもよい。
【００７５】
図１４に、セロダイン周期がピクセル数の整数倍のときの鋸波の波形と、セロダイン周期がピクセル数の非整数倍のときの鋸波の波形とを示す。実線はセロダイン周期がピクセル数の整数倍の鋸波を示し、破線はセロダイン周期がピクセル数の非整数倍の鋸波を示す。セロダイン周期がピクセル数の非整数倍の鋸波は、鋸の歯ごとにそれを構成するピクセル数は変化するが、入力光には等価的に鋸波の傾きの位相面の変化として見えるので、実用上問題はない。
【００７６】
（ビーム半径に関する要請）
ＬＣＯＳ上に入射するビームのビーム半径が小さい場合、高次回折光は出力ポート以外のポートに対してクロストークを発生させる恐れがある。
【００７７】
よって本実施例では、ＬＣＯＳ上に入射するビームのビーム半径をｗ、入力光の波長をλとしたとき、所望のクロストークＸＴ（ｄＢ）に対して
【００７８】
【数２】
【００７９】
となるようにｗを設定した。ここで、Δθはのこぎり波の位相設定によって、光信号が回折される際の１次回折光の回折角度（出力信号に対応する）とそれらの高次回折光の回折角度とのなす角のうち最小のものである。
【００８０】
１次回折光の回折角度は、
【００８１】
【数３】
【００８２】
と表すことができる。NSawはのこぎり波の一つの波を構成するＬＣＯＳ素子のピクセル数を表し（NSawは、整数または非整数でよい）、PitchはＬＣＯＳ素子のピッチを表す。
【００８３】
この場合、スイッチングに必要なNSawの集合をNPortとすると（上述の実施例においては、NPort={−９，１０，−１１，１３}となる）
【００８４】
【数４】
【００８５】
である。ｋは高次回折光の次数（整数）である。ｋに関しては、高次回折光が出力ポートが存在する領域に出現するような範囲のｋのみを考えればよい。
【００８６】
本実施例の場合を検討する。各ポートに出力する光信号の回折角は
【００８７】
【表３】
【００８８】
である。この場合、最小角度差Δθは、ポート４へ出力される１次回折光の回折角とポート２へ出力される−１次回折光の回折角との間で成立し、0.018rad（=0.0194rad-0.0176rad）である。
【００８９】
入力光の波長λを１．５５ｕｍとし、高次回折光の次数としてｋ=-１，２の場合を検討すると、（式２）より、５０ｄＢのクロストークを確保するためには、ビーム半径は９５０ｕｍ以上であればよいことが導かれる。
【００９０】
（第３の実施例）
図１５に、本発明の一実施例に係る１入力４出力の波長選択スイッチ１５００を示す。図１５は、本実施例に係る波長選択スイッチ１５００の概略構成図である。波長選択スイッチ１５００は、１本の入力光ファイバ及び４本の出力光ファイバを配置するための光ファイバブロック１５０２と、回折格子１５０４と、集光レンズ１５０６と、ＬＣＯＳ素子１５０８とを備える。
【００９１】
入力光ファイバから入射した光信号は、回折格子１５０４により波長ごとに分光される。回折格子１５０４により分光された光信号は、集光レンズ１５０６によって集光される。集光レンズ１５０６によって集光された光信号は、ＬＣＯＳ１５０８によって偏向・反射される。集光レンズ１５０６を介して集光された光信号のビームウェストの位置がＬＣＯＳ上になるように、ＬＣＯＳ素子１５０８の位置を設定する。ＬＣＯＳ１５０８によって偏向・反射された光信号は、集光レンズ１５０６、回折格子１５０４を経由して、波長合波され、何れかの出力ファイバにおいて結合される。
【００９２】
本実施例における各パラメータについては、回折格子に関するパラメータを除き第１の実施例と同様の設定とした。
【符号の説明】
【００９３】
２００ 波長選択スイッチ
２１０ 光導波路基板
２２０ シリンドリカルレンズ
２３０ 偏波分離部
２４０ ビームサイズ変換部
２４２，２４４ シリンドリカルレンズ
２５０ 分光部
２５２ バルク回折格子
２６０ 集光レンズ
２７０ 光偏向部，ＬＣＯＳ
２７２ ピクセル
９０１，９０２，９０３，９０４，９０５ 出力光ファイバ
９０３ 入力光ファイバ
９１０ 光ファイバブロック
９１２ マイクロレンズアレイ
９１４ 集光レンズ
９１６ ＬＣＯＳ素子
１５００ 波長選択スイッチ
１５０２ 光ファイバブロック
１５０４ 回折格子
１５０６ 集光レンズ
１５０８ ＬＣＯＳ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの入力ポートと、
複数の出力ポートと、
前記少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズを介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段と
を備えた非波長選択スイッチであって、
前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なること
を特徴とする非波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項１に記載の非波長選択スイッチ。
【請求項３】
少なくとも１つの入力ポートと、
複数の出力ポートと、
前記入力ポートから出射される波長多重光信号を波長分離する分光手段と、
前記分光手段で波長分離された光信号を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズ、前記分光手段を介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段と
を備えた波長選択スイッチであって、
前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なること
を特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項３に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記偏向手段によるある出力ポートに対応する反射光の高次光の成分と、前記偏向手段による他の出力ポートにおける反射光の主信号とのなす角に対して、
前記高次光の成分と、前記主信号との間の光結合が十分無視できるほど小さくなるように、前記偏向手段におけるビームサイズを大きくすることを特徴とする請求項１乃至４に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１】
少なくとも１つの入力ポートと、
複数の出力ポートと、
前記少なくとも１つの入力ポートから出射される光信号を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズを介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段と
を備えた非波長選択スイッチであって、
前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なること
を特徴とする非波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項１に記載の非波長選択スイッチ。
【請求項３】
少なくとも１つの入力ポートと、
複数の出力ポートと、
前記入力ポートから出射される波長多重光信号を波長分離する分光手段と、
前記分光手段で波長分離された光信号を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光信号に位相シフトを与える偏向手段であって、当該位相シフトが与えられた光信号が前記集光レンズ、前記分光手段を介して前記出力ポートに結合するように該光信号を反射する偏向手段と
を備えた波長選択スイッチであって、
前記偏向手段によるある出力ポートにおける位相シフト波形の周期は、前記偏向手段による他の出力ポートにおける位相シフト波形の周期の１／ｉ倍（ｉはゼロ以外の整数）と異なること
を特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記偏向手段は、ＬＣＯＳ素子又はＭＥＭＳ素子であることを特徴とする請求項３に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記偏向手段によるある出力ポートに対応する反射光の高次光の成分と、前記偏向手段による他の出力ポートにおける反射光の主信号とのなす角に対して、
前記高次光の成分と、前記主信号との間の光結合が十分無視できるほど小さくなるように、前記偏向手段におけるビームサイズを大きくすることを特徴とする請求項１乃至４に記載の波長選択スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−７６８９１（Ｐ２０１３−７６８９１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７３５６（Ｐ２０１１−２１７３５６）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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