波長選択スイッチ
【課題】ＭＥＭＳミラーを用いない波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】波長選択スイッチは、入力ポートへ入射した光信号を波長毎に分光して波長に応じた出射角度で出射するアレイ導波路回折格子（１４Ａ）と、集光レンズ（４１）と、集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる液晶スイッチと、進行方向が変化した光信号の各々を合波して２個の出力ポートのいずれかから出射する、同一基板に構成されたアレイ導波路回折格子（１４Ａ，１４Ｂ）とを含む。液晶スイッチは、集光レンズから順に配置された信号光の偏光状態に対応してアレイ導波路回折格子の基板面内で光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶（９００）、信号光の偏光状態を変化させる液晶素子（５００）、および光路を折り返すミラー（６１０）により構成される。信号光は、集光レンズから順に、複屈折結晶および液晶素子を透過し、ミラーで折り返した後、順に液晶素子および複屈折結晶を透過する。
【解決手段】波長選択スイッチは、入力ポートへ入射した光信号を波長毎に分光して波長に応じた出射角度で出射するアレイ導波路回折格子（１４Ａ）と、集光レンズ（４１）と、集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる液晶スイッチと、進行方向が変化した光信号の各々を合波して２個の出力ポートのいずれかから出射する、同一基板に構成されたアレイ導波路回折格子（１４Ａ，１４Ｂ）とを含む。液晶スイッチは、集光レンズから順に配置された信号光の偏光状態に対応してアレイ導波路回折格子の基板面内で光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶（９００）、信号光の偏光状態を変化させる液晶素子（５００）、および光路を折り返すミラー（６１０）により構成される。信号光は、集光レンズから順に、複屈折結晶および液晶素子を透過し、ミラーで折り返した後、順に液晶素子および複屈折結晶を透過する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システムに応用可能な、波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。従来はその経路切換は、伝送されてきた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光信号のまま、アド・ドロップ等を行う、ＲＯＡＤＭシステムが導入されている。具体的には、ネットワークをリング型として各ノードで光信号のアド・ドロップを行うとともに、その必要がないものは光信号のまま通過させるため、ノード装置が小型で低消費電力化するという利点がある。それらＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）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。
【０００３】
従来、ＭＥＭＳミラーアレイを用いたＷＳＳが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１は、そのようなＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーアレイを用いたＷＳＳの構成を示す図である。図１（ａ）はＷＳＳの平面図であり、図１（ｂ）は側面図である。図１に示すＷＳＳは、入力側の光ファイバに波長分割多重（ＷＤＭ）化された光信号が入力光として入力し、波長分波器（例えば、基板１０上に石英ガラス系のスラブ導波路１２およびアレイ導波路１４を備えた光導波路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）で作製されたアレイ導波路回折格子（Arrayed waveguide grating:ＡＷＧ））により互いに波長の異なるチャネル光信号ごとに分波され、分波されたチャネル光信号が、レンズ（シリンドリカルレンズ２０、主レンズ４０）により、ＭＥＭＳミラーアレイを構成するＭＥＭＳミラー６０に集光するように構成されている。ここでＭＥＭＳミラーアレイは、各々のミラー６０に各波長チャネルの光信号が各々入力するように配置されている。したがって、この各ＭＥＭＳミラーの角度を調整することにより、各波長チャネルの光信号は任意の方向にステアすることができる。例えば図１に示すＷＳＳにおいて光軸（ｚ方向）に対して左右の方向（ｘ方向）にミラーを振ることにより、各波長チャネルの光信号を同一基板上の他のＡＷＧに入力することが可能である。なお、本明細書において光回路の基板における信号光の出射端面と水平な方向をｘ、垂直な方向をｙとし、光波の進行方向すなわち光軸をｚとする。
【０００４】
図１（ｂ）に示すように、ＷＳＳは、入力側のアレイ導波路回折格子基板１０と複数の出力側のアレイ導波路回折格子基板１０’とを（ｙ方向に）スタックした構成のＷＳＳである。したがって、各ＭＥＭＳミラーの角度を光軸（ｚ方向）に対して上下の方向（ｙ方向）にさらに調整することにより、スタックされた他のＰＬＣ基板のＡＷＧに光信号を入力させることができる。
【０００５】
図１に示すＷＳＳにおいて、各波長チャネルの光信号は、出力側の各ＡＷＧにより合波され再び各出力ポートからＷＤＭ信号として出力される。図１の例では１つの入力側のアレイ導波路格子に対して、２４個のアレイ導波路格子が存在するため１入力２４出力（１×２４）のＷＳＳとして機能する。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０８８８８２号明細書
【非特許文献１】ヘクト著、ヘクト光学II，２００４年９月，ｐ８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１の波長選択スイッチは、以下のような課題が存在する。図１の波長選択スイッチでは、ＷＤＭ光信号を波長毎に回折格子で分割し、ＭＥＭＳミラーアレイに当てて処理しているため、ＭＥＭＳミラー同士の隙間をできるだけ狭くする必要がある。すなわちＭＥＭＳミラーは、図２に示すように波長ｃｈ数分のミラーが隙間なく並べられ、典型的にはその上下にヒンジ（ミラーを支えるバネ）が設けられた構造になっている。この理由は回折格子から波長毎に分けられた光がミラー面のＡ−Ａ’に入射するため、ミラー間の隙間分だけ出射光の波長スペクトルにギャップができるためである。すなわち上下右左に傾けるため、上下右左にヒンジが設けられた方が有利であるにもかかわらず、ミラー間にヒンジ（バネ）を入れることはできず上下にのみヒンジがある。
【０００８】
それにもかかわらず従来例では、上下右左にミラーを傾け、反射光を２次元方向に曲げる必要がある。これは出力ポートに対応するアレイ導波路格子の出力部が光軸の進行方向にむかって２次元的に配置していることに起因する。このように原理的には１軸方向の回転に適したヒンジ構造にも関わらず２軸方向に回転させる必要があり、ヒンジに無理な応力がかかるため信頼性等に問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＭＥＭＳミラーを用いない波長選択スイッチを提供することを目的とする。
【００１０】
本発明に係る波長選択スイッチは、入力ポートから光信号を入力し分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して、光軸を変化させることにより複数の出力ポートのうちの所望の出力ポートに対応させ、各々の出力ポートに対応する光信号は異なる波長の複数の光信号が合流して各出力ポートから出力する波長選択スイッチである。本発明に係る波長選択スイッチは、入力ポートへ入射した光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光して波長に応じた出射角度で出射する分光手段と、分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して２個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段とを含む。
【００１１】
本発明に係る波長選択スイッチの合波手段の複数の分光面は同一の面内にあり、一実施形態では、１つまたは複数のアレイ導波路回折格子を用いて構成することができる。また、本発明に係る波長選択スイッチの分光手段も、一実施形態では、アレイ導波路回折格子を用いて構成することができる。
【００１２】
本発明に係る波長選択スイッチの空間偏向手段は、集光手段側から順に配置された信号光の偏光状態に対応して合波手段の分光面内で光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶、前記信号光の偏光状態を変化させる液晶素子、および光路を折り返すミラーにより構成することができる。信号光は、集光手段から順に、複屈折結晶および液晶素子を透過し、ミラーで折り返した後、順に液晶素子および複屈折結晶を透過するように構成することができる。
【００１３】
本発明に係る波長選択スイッチの空間偏向手段は、空間偏向手段により進行方向を変化させた光信号および進行方向を変化させない光信号が、集光レンズへ入射する前に互いに平行となるよう当該光信号の進行方向を変化させる手段をさらに備えることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＥＭＳミラーを用いない、かつ複数のＡＷＧを含むＰＬＣ基板を用いた波長選択スイッチを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記のように、本発明の波長選択スイッチは、ＡＷＧを含むＰＬＣ基板と、液晶スイッチとを備え、液晶スイッチが入力側のＡＷＧにより波長分離された所望の波長チャネルの光をステアして出力側のＡＷＧの方向（ｘ方向）に結合する（所望の波長チャネルの光を他の波長チャネルの光から分光する）スイッチとして機能する。本発明の波長選択スイッチは、反射型として実施することができる。以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本明細書において、同一または類似の要素は、同一または類似の符号によって参照される。
【００１６】
図３は、ＭＥＭＳミラーを用いずに、液晶の光偏波スイッチを用いた波長選択スイッチの構成例を示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。
【００１７】
図３に示す波長選択スイッチは、入力ポートまたは出力ポート側から順に、（ｙ方向に）スタックされたＡＷＧを含むＰＬＣ（入力側ＡＷＧ１０および出力側ＡＷＧ１０’）と、シリンドリカルレンズ ２０と、偏波分離部（たとえば、偏波ビームディスプレーサ）３０、主レンズ（たとえば、シリンドリカルレンズ、球面レンズ）４０と、液晶可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）５００と、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００と、反射ミラー６１０とを備える。
【００１８】
図３に示すＷＳＳでは、ＰＬＣ１０（１０’）がＡＷＧを含み、ＡＷＧは光導波路１１、スラブ導波路１２、アレイ導波路１４から構成されている。
【００１９】
第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００は、液晶スイッチ部を構成する。第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００は、それぞれ液晶素子５５０と、液晶素子５５０を透過した光を入射する偏波分離結晶（または、ウェッジ型の複屈折結晶）９００とを備え、液晶スイッチ部において入力側ＡＷＧから出射した光を上下方向（ＰＬＣのスタック方向：ｙ方向）にステアする機能を担う。
【００２０】
図３に示すＷＳＳでは、入力側のＡＷＧ１０からの出力光は、波長により水平面内に異なる角度に出射する。入力側ＰＬＣ１０の端面から出射した光ビームは上下方向の広がりを防ぐため、シリンドリカルレンズ２０を透過する。
【００２１】
次いで、液晶ＶＯＡ５００、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００を構成する液晶素子が偏光依存性を持つため、偏波分離部３０でシリンドリカルレンズ２０を透過した光を、例えば水平方向の偏光成分のみにする。偏波分離部３０から出力された各光は図のように主レンズ４０を透過する。主レンズ４０の前後の焦点はＰＬＣの出射端面および反射ミラー６１０の反射面になるようにしている。そのため、図３（ａ）のように水平面内で波長により出射角度が異なっていた光は全て中心光軸が平行な光となる。主レンズ４０を透過した光は、液晶ＶＯＡ５００へ入射し強度が制御される。
【００２２】
液晶スイッチ７００，８００は、図４に示す構造を有し、液晶素子５５０において透明導電膜のＩＴＯ電極５０６に所望の電圧を加えることにより、光信号の偏光面を光軸に垂直面上に０〜９０度まで回転できる。つまり、ＩＴＯ電極５０６の印加電圧を制御することにより、液晶素子５５０は偏光面の回転角度０、９０度で制御できる。したがって液晶素子５５０と偏波分離結晶８４０とを用いると、図４に示すような光を分離する１×２スイッチを構成できる。最終的にその各々の光路の出力側に各々ＰＬＣを設置することによりＷＳＳを構成できる。図３に示すＷＳＳでは液晶光偏波スイッチ部における上下方向（ｙ方向）の光軸の分離（シフト）は、図５に示すウェッジ型の複屈折結晶９００による水平・垂直方向の偏光の屈折角度の違いによっても引き起こすことができる。
【００２３】
図５は、図３の液晶スイッチの一部を構成するウェッジ型の偏波分離結晶を説明するための図である。ここで偏波分離結晶の例として、複屈折結晶ＹＶＯ４を用いる。ここでは、複屈折結晶ＹＶＯ４の水平方向の屈折率がｎ（//）＝１．９４４７、垂直方向の屈折率がｎ＝２．１４８６とする。そして複屈折結晶ＹＶＯ４の光が入射する入射面が光路に対して垂直であり、図示のように出力する出力面が入射面に対して傾いていると、スネルの法則により入力偏光の向きにより出力角度がシフトする。したがって、複屈折結晶ＹＶＯ４の出射面のオフセット角度を調整することにより各偏光の屈折角を所望の値に変化させることができ、その垂直方向の光と水平方向の光との屈折角度差も一様に増加させることができる。したがって、複屈折結晶の前段に配置された液晶素子５５０において、複屈折結晶に入射する光の偏光の方向を０か９０度に制御することにより出射角度を変化させる１×２の光スイッチとして第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００を機能させることができる。
【００２４】
図３に示すＷＳＳは、液晶スイッチ７００，８００をカスケードに配置して、１×４スイッチを実現する例を示している。ここで垂直方向へのシフト量の組み合わせは偏波分離結晶のオフセット角度によって調整することが可能である。
【００２５】
一方、水平方向（ＰＬＣのスタック方向に対して垂直な面内の方向：ｘ方向）については、図３（ａ）に示すように各波長ｃｈの信号がＡＷＧ１０により波長分離されている。従って液晶スイッチ７００，８００を構成する液晶素子５５０も、ＩＴＯ電極を分光軸方向（図３に示すＷＳＳではｘ方向）にパターン化し、所望の波長ｃｈの信号光ごとに１ピクセルのＩＴＯ電極に当たるようにしておくことにより、各波長ｃｈごとに出力ポートの切り替えをすることが可能である。そして、ＡＷＧ１０’を出力信号の集光位置に並べることにより、所望のＡＷＧ１０’に戻すことができる。各ＡＷＧ１０’に戻された光は合波されてＰＬＣ基板の左側の各ポートから出力する。
【００２６】
図３の構成において、１つの液晶スイッチに着目すると、光は、液晶素子、複屈折結晶ウェッジ、ミラー、複屈折結晶ウェッジ、液晶素子の順に透過する。偏波回転後に２回複屈折結晶ウェッジを通る事で、２倍の分離角度を得る事ができる。図５から分るように一般に大きな分離角度を得る為には厚い結晶が必要でありコスト高となる。本発明の液晶スイッチの構成によると、薄い結晶を用いることが可能となりコストメリットが得られる。
【００２７】
図３に示す波長選択スイッチＷＳＳでは、各々アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含む複数のＰＬＣ基板（１０，１０’）を用いるため、コストが増大するという問題がある。また、図３に示す波長選択スイッチＷＳＳでは、複数のＰＬＣ基板（１０，１０’）をスイッチ軸方向（ｙ方向）に高精度にスタックする必要があるため、組立工程が複雑になり歩留まりが低下し、コストが増大するという問題、および光学モジュールが厚くなるという問題がある。一方で、図３と同じ構成の液晶スイッチを用いてｘ方向に光をステアすると次の問題が生じる。
【００２８】
図６は、図３に示したＷＳＳの液晶スイッチ（７００，８００）と同様に構成した場合に、液晶スイッチへ入射した光の光路を説明するための図である。
【００２９】
図６に示す液晶素子は、液晶素子５５０、ウェッジ型の複屈折結晶９００、ミラー６１０の順に配列されている。液晶素子５５０は、ＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）に配列された、ＰＬＣ基板面に垂直な方向（ｙ方向）に長いＩＴＯ電極５０６を備え、各ＩＴＯ電極５０６のピクセルが、光の波長ｃｈに対応する。
【００３０】
図６に示すように、液晶スイッチへ入射光路から入射した光は、液晶素子５５０において偏光面の回転角度が０または９０度に制御された後に複屈折結晶ウェッジ９００へ入射される。複屈折結晶ウェッジ９００へ入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射し、ミラー６１０で反射されて再び複屈折結晶ウェッジ９００および液晶５５０を透過する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へ出射光路ＡまたはＢをスイッチするようにステアされる。ここで、図６に示すように、出射光路Ｂへスイッチした場合は、液晶素子５５０における光の入射位置と出射位置はｘ方向において異なるため、液晶素子５５０のピクセルに入射した光が異なるピクセルを透過して出力される場合が生じる。異なるピクセルを透過した光は、意図されていない偏光面の光として出力されるため、光のステアの精度が低下し、ＷＳＳにおける波長分解能が低下する。
【００３１】
そこで、本発明では、分光軸方向にステアする液晶スイッチ部のみ、偏光分離する複屈折結晶ウェッジを出力ＰＬＣ側に配置する事とした。この配置の動作を図７を用いて説明する。図７に示す液晶素子は、ウェッジ型の複屈折結晶９００、液晶素子５５０、ミラー６１０の順に配列されている。液晶素子５５０は、光が２回透過したときに当該光の偏光面の回転角度が０または９０度に制御されるように構成されている。
【００３２】
図７に示す液晶スイッチへ入射した光は、先ずウェッジ型の複屈折結晶９００を透過し、液晶素子５５０において偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へステアされる。
【００３３】
ここで、図７に示すように、液晶素子５５０における光の入射位置と出射位置はｘ方向において一致する。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、光は元の光路と逆向きの光路に精度よく出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合（液晶素子５５０の制御量が９０度の場合）、光は元の光路とは異なる光路に出力される。図７に示すような分光軸方向にステアする液晶スイッチ部を、光が出射光路ＡまたはＢに分離された後に他の液晶スイッチ部を透過しないように配置する事で、出射光路ＡとＢとの間の光路位置差による波長分解能の低下を防ぐことができ、これにより精度の高い光のステア機能を実現することができる。
【００３４】
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。
【実施例１】
【００３５】
図８は、第１の実施例のＷＳＳの構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図８に示すＷＳＳは、２つのＡＷＧを含むＰＬＣ基板１０と、図７を参照して説明した液晶スイッチとを備える。
【００３６】
ＰＬＣ基板１０は、石英系ガラスのコアとクラッドがＳｉ基板上に形成されたものであり、光導波路１１Ａとスラブ導波路１２Ａとアレイ導波路１４ＡからなるＡＷＧ Ａ、および光導波路１１Ｂとスラブ導波路１２Ｂとアレイ導波路１４ＢからなるＡＷＧ Ｂを構成している。ＡＷＧ Ａは、入力用ＡＷＧおよび出力用ＡＷＧの兼用として備えられている。したがって光導波路１１Ａにはサーキュレータ１５が接続されている。ＡＷＧ Ｂは、出力用ＡＷＧとして備えられている。
【００３７】
ＡＷＧ ＡおよびＢの分光器としての角度分散値は等しく設定されている。ＡＷＧ ＡおよびＢの自由透過帯域ＦＳＲは、光導波路１１Ａから入力される波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅以上に構成されている。
【００３８】
液晶スイッチは、ＰＬＣ基板１０側から順に配列された、ウェッジ型の複屈折結晶９００、液晶素子５５０およびミラー６１０を備える。
【００３９】
液晶素子５５０は、ＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）に配列された、ＰＬＣ基板面に垂直な方向（ｙ方向）に長いピクセル列にパターン化されたＩＴＯ電極５０６を備える。また、液晶素子５５０は、ＩＴＯ電極５０６への印加電圧を制御することで、光が２回透過したときに当該光の偏光面の回転角度が０または９０度に制御されるように構成されている。
【００４０】
ウェッジ型の複屈折結晶９００は、水平方向の偏光成分（ｘ偏光）に対する屈折角が小さく、垂直方向の偏光成分（ｙ偏光）に対する屈折角が大きくなるように、結晶軸方向を設定しておく。
【００４１】
ミラー６１０は、液晶素子５５０の制御量が０度の場合に光が元の光路と逆向きの光路、すなわちＡＷＧ Ａに結合される光路に出力されるように調整された角度で配置されている。
【００４２】
ＡＷＧ Ａのアレイ導波路側１４Ａ側およびＡＷＧ Ｂのアレイ導波路側１４Ｂ側には、それぞれシリンドリカルレンズ（図示しない）が配置されている。また、各シリンドリカルレンズの先には、偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａ、および偏波分離結晶３０Ｂと１／２波長板３１Ｂがそれぞれ配置されている。１／２波長板３１Ａは、偏波分離結晶３０Ａで分離されたｙ偏光の光路（ｙ偏光光路）に挿入し、ｘ偏光に変換して液晶スイッチ側に出射している。よって偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａからなる偏波分離部より液晶スイッチ側の光線は、すべてｘ偏光になる。光の相反性により、ＡＷＧ Ａは、液晶スイッチから偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａとからなる偏波分離部までの光路のｘ偏光の光を受光できる。１／２波長板３１Ｂは、偏波分離結晶３０Ｂのｘ偏光光路に挿入し、液晶スイッチ側からのｙ偏光光線をｘ偏光に変換して偏波分離結晶３０Ｂに入射させる。よってＡＷＧ Ｂは、液晶スイッチから偏波分離結晶３０Ｂと１／２波長板３１Ｂとからなる偏波分離部までの光路のｙ偏光の光を受光できる。
【００４３】
さらに、１／２波長板３１Ａおよび３１Ｂと液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には集光レンズ４１が配置されている。
【００４４】
図８(ｂ)に示すように、集光レンズ４１の作用により、ｙ方向に分離した２つの光路は反射ミラー６１０上で互いに光軸が一致して結合する。よってＡＷＧ内のＴＥモード光およびＴＭモード光は、それぞれｘ偏光およびｙ偏光として出射され後、交換されてＡＷＧに受光され、偏波ダイバーシティ構成が成り立っている。
【００４５】
ここで光信号の伝搬の順に従って本実施例のＷＳＳの構造と機能を説明する。
ＡＷＧは透過型の回折格子であるから入力側のＡＷＧ Ａからの出力光は、波長によりＰＬＣ基板面（ｘｚ面）内で異なる角度に出射する。すなわち、波長分離される。波長分離された光軸を含む面を分光面と呼ぶ。
【００４６】
入力側ＰＬＣ１０の端面から出射した各波長チャネルの光は上下方向の広がりを防ぐため、シリンドリカルレンズを透過する。次いで、液晶スイッチを構成する液晶素子５５０および複屈折結晶９００が偏光依存性を持つため、偏波分離部（偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａ）において、シリンドリカルレンズ ２０を透過した光を、例えば水平方向の偏光成分のみにする。これらの光は、平行光として出力される。この隣接した２つのビームの挙動は全く同一のため、以下の説明や図面では省略する。
【００４７】
偏波分離部から出力された各波長チャネルの光は集光レンズ４１を透過する。
【００４８】
集光レンズ４１を透過した各波長チャネルの光は、液晶素子５５０の異なるピクセル（パターン化されたＩＴＯ電極）に入射し、偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。
【００４９】
再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へステアされる。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、光は元の光路と逆向きの光路、すなわちＡＷＧ Ａに結合される光路に出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合、光は元の光路とは異なる光路、すなわちＡＷＧ Ｂに結合される光路に出力される。
【００５０】
なお、光スイッチのクロストークを十分低くする為には、ＡＷＧ Ａに結合される光路とＡＷＧ Ｂに結合される光路とが重ならない必要がある。この条件は、アレイ導波路１４Ａと結合される光のガウスビーム半径をｗ、集光レンズ４１の焦点距離をｆ、ウェッジ型の複屈折結晶９００の複屈折量および頂角をそれぞれΔn、α、とすると、
【００５１】
【数１】
【００５２】
で表される。複屈折結晶をＹＶＯ４（Δｎ＝０．２）、アレイ導波路１４Ａと結合される光のガウスビーム半径をｗを２ｍｍ、集光レンズ４１として焦点距離ｆが１００ｍｍの集光レンズを用いると、ウェッジ型の複屈折結晶９００の頂角αは、
【００５３】
【数２】
【００５４】
となる。
【００５５】
このようにして、１×２のＷＳＳを実現することができる。なお本実施例では説明の都合上１×２の波長選択スイッチの例を示したが、光の進行方向を逆にして、入出力の方向も逆にすれば２入力１出力（２×１）の波長選択スイッチとして動作させることが可能である。
【実施例２】
【００５６】
図９は、第２の実施例のＷＳＳの構成図である。図９に示すＷＳＳは、１つのＡＷＧを含むＰＬＣ基板１０と、図７を参照して説明した液晶スイッチとを備える。
【００５７】
ＰＬＣ基板１０は、石英系ガラスのコアとクラッドがＳｉ基板上に形成されたものであり、光導波路１１Ａ、１１Ｂとスラブ導波路１２とアレイ導波路１４からなるＡＷＧを構成している。
【００５８】
ＡＷＧの自由透過帯域ＦＳＲは、光導波路１１Ａから入力される波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅の２倍以上に構成されている。
【００５９】
光導波路１１Ａは、入力用および出力用の兼用として備えられている。したがって光導波路１１Ａにはサーキュレータ１５が接続されている。光導波路１１Ｂは、出力用ＡＷＧとして備えられている。また、光導波路１１Ａと１１Ｂとは、波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅相当以上の間隔を有して、スラブ導波路１２に接続されている。
【００６０】
実施例１と同様に、ＡＷＧのアレイ導波路側１４側には、シリンドリカルレンズ（図示しない）が配置されている。また、各シリンドリカルレンズの先には、偏波分離部（図示しない）が配置されている。また、偏波分離部と液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には集光レンズ４１が配置されている。
【００６１】
さらに、本実施例のＷＳＳは、集光レンズ４１と液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には、液晶スイッチで偏光面が９０度回転された光が順に透過する、光学ガラス製ウェッジ９０および１／２波長板が配置されている。光学ガラス製ウェッジ９０は、複屈折を有さないウェッジである。
【００６２】
ここで光信号の伝搬の順に従って本実施例のＷＳＳの構造と機能を説明する。
実施例１と同様に、ＡＷＧからの出力光は、波長によりＰＬＣ基板１０の基板面（ｘｚ面）内で異なる角度に出射し、シリンドリカルレンズを透過する。次いで、偏波分離部に入射し、ｘ偏光の、互いに平行な２つの光信号として出力される。
【００６３】
偏波分離部から出力された各波長チャネルの光は集光レンズ４１を透過する。
【００６４】
集光レンズ４１を透過した各波長チャネルの光は、液晶素子５５０の異なるピクセル（パターン化されたＩＴＯ電極）に入射し、偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。
【００６５】
再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、分光軸方向（ｘ方向）へステアされる。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、水平方向の偏光成分の光（ｘ偏光：ａビーム）は元の光路と逆向きの光路に出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合、垂直方向の偏光成分の光（ｙ偏光：ｂビーム）は元の光路とは異なる光路、すなわち光学ガラス製ウェッジ９０および１／２波長板９１を透過してＡＷＧに結合される光路に出力される。
【００６６】
ｙ偏光の光（ｂビーム）は、ガラス製ウェッジ９０においてＡＷＧに再結合する方向に偏向され、１／２波長板においてｘ偏光の光に変換される（即ち、ａビームとｂビームの偏光が一致する）。
【００６７】
ここで、ａビームおよびｂビームは、ＡＷＧへの入射角が互いにことなるので、スラブ導波路１２の異なる位置に集光する。光導波路１１Ａおよび１１Ｂは、それぞれａビームおよびｂビームが集光するスラブ導波路１２の位置において接続されている。ただし、aビームの隣接回折次数の回折光が光導波路１１Ｂの位置にかかるとクロストークとなるので、ＡＷＧのＦＳＲは通常の値（使用する波長の帯域幅＋マージン）の２倍に設定するのが望ましい。
【００６８】
このようにして、１×２のＷＳＳを実現することができる。なお本実施例では説明の都合上１×２の波長選択スイッチの例を示したが、光の進行方向を逆にして、入出力の方向も逆にすれば２入力１出力（２×１）の波長選択スイッチとして動作させることが可能である。
【実施例３】
【００６９】
図１０は、第３の実施例のＷＳＳの構成図である。図１０に示すＷＳＳは、図９を参照して説明した第２の実施例のＷＳＳの変形例である。本実施例のＷＳＳは、第２の実施例の液晶スイッチを、ウェッジ型の複屈折結晶９００ではなく偏波ディスプレーサ９１０で構成している。
【００７０】
偏波ディスプレーサ９１０は、複屈折結晶により作製することができ（例えば、非特許文献１参照）、複屈折結晶と１／２波長板とを備える。偏波ディスプレーサ９１０は、２つの偏光光を平行に分離するので、第２の実施例のＷＳＳで用いた光学ガラス製ウェッジ９０を配置する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来の波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】従来の波長選択スイッチに用いられるＭＥＭＳミラーの概略構成を説明するための図である。
【図３】波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチに用いる液晶偏波スイッチの基本原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施例に係る反射型の１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，１０’ 光導波路基板
２０ シリンドリカルレンズ
３０ 偏波分離部
４１ 集光レンズ
５５０ 液晶素子
６１０ ミラー
９００複屈折結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信システムに応用可能な、波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。従来はその経路切換は、伝送されてきた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光信号のまま、アド・ドロップ等を行う、ＲＯＡＤＭシステムが導入されている。具体的には、ネットワークをリング型として各ノードで光信号のアド・ドロップを行うとともに、その必要がないものは光信号のまま通過させるため、ノード装置が小型で低消費電力化するという利点がある。それらＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）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。
【０００３】
従来、ＭＥＭＳミラーアレイを用いたＷＳＳが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１は、そのようなＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーアレイを用いたＷＳＳの構成を示す図である。図１（ａ）はＷＳＳの平面図であり、図１（ｂ）は側面図である。図１に示すＷＳＳは、入力側の光ファイバに波長分割多重（ＷＤＭ）化された光信号が入力光として入力し、波長分波器（例えば、基板１０上に石英ガラス系のスラブ導波路１２およびアレイ導波路１４を備えた光導波路（Planar lightwave circuit：ＰＬＣ）で作製されたアレイ導波路回折格子（Arrayed waveguide grating:ＡＷＧ））により互いに波長の異なるチャネル光信号ごとに分波され、分波されたチャネル光信号が、レンズ（シリンドリカルレンズ２０、主レンズ４０）により、ＭＥＭＳミラーアレイを構成するＭＥＭＳミラー６０に集光するように構成されている。ここでＭＥＭＳミラーアレイは、各々のミラー６０に各波長チャネルの光信号が各々入力するように配置されている。したがって、この各ＭＥＭＳミラーの角度を調整することにより、各波長チャネルの光信号は任意の方向にステアすることができる。例えば図１に示すＷＳＳにおいて光軸（ｚ方向）に対して左右の方向（ｘ方向）にミラーを振ることにより、各波長チャネルの光信号を同一基板上の他のＡＷＧに入力することが可能である。なお、本明細書において光回路の基板における信号光の出射端面と水平な方向をｘ、垂直な方向をｙとし、光波の進行方向すなわち光軸をｚとする。
【０００４】
図１（ｂ）に示すように、ＷＳＳは、入力側のアレイ導波路回折格子基板１０と複数の出力側のアレイ導波路回折格子基板１０’とを（ｙ方向に）スタックした構成のＷＳＳである。したがって、各ＭＥＭＳミラーの角度を光軸（ｚ方向）に対して上下の方向（ｙ方向）にさらに調整することにより、スタックされた他のＰＬＣ基板のＡＷＧに光信号を入力させることができる。
【０００５】
図１に示すＷＳＳにおいて、各波長チャネルの光信号は、出力側の各ＡＷＧにより合波され再び各出力ポートからＷＤＭ信号として出力される。図１の例では１つの入力側のアレイ導波路格子に対して、２４個のアレイ導波路格子が存在するため１入力２４出力（１×２４）のＷＳＳとして機能する。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０８８８８２号明細書
【非特許文献１】ヘクト著、ヘクト光学II，２００４年９月，ｐ８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１の波長選択スイッチは、以下のような課題が存在する。図１の波長選択スイッチでは、ＷＤＭ光信号を波長毎に回折格子で分割し、ＭＥＭＳミラーアレイに当てて処理しているため、ＭＥＭＳミラー同士の隙間をできるだけ狭くする必要がある。すなわちＭＥＭＳミラーは、図２に示すように波長ｃｈ数分のミラーが隙間なく並べられ、典型的にはその上下にヒンジ（ミラーを支えるバネ）が設けられた構造になっている。この理由は回折格子から波長毎に分けられた光がミラー面のＡ−Ａ’に入射するため、ミラー間の隙間分だけ出射光の波長スペクトルにギャップができるためである。すなわち上下右左に傾けるため、上下右左にヒンジが設けられた方が有利であるにもかかわらず、ミラー間にヒンジ（バネ）を入れることはできず上下にのみヒンジがある。
【０００８】
それにもかかわらず従来例では、上下右左にミラーを傾け、反射光を２次元方向に曲げる必要がある。これは出力ポートに対応するアレイ導波路格子の出力部が光軸の進行方向にむかって２次元的に配置していることに起因する。このように原理的には１軸方向の回転に適したヒンジ構造にも関わらず２軸方向に回転させる必要があり、ヒンジに無理な応力がかかるため信頼性等に問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＭＥＭＳミラーを用いない波長選択スイッチを提供することを目的とする。
【００１０】
本発明に係る波長選択スイッチは、入力ポートから光信号を入力し分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して、光軸を変化させることにより複数の出力ポートのうちの所望の出力ポートに対応させ、各々の出力ポートに対応する光信号は異なる波長の複数の光信号が合流して各出力ポートから出力する波長選択スイッチである。本発明に係る波長選択スイッチは、入力ポートへ入射した光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光して波長に応じた出射角度で出射する分光手段と、分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して２個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段とを含む。
【００１１】
本発明に係る波長選択スイッチの合波手段の複数の分光面は同一の面内にあり、一実施形態では、１つまたは複数のアレイ導波路回折格子を用いて構成することができる。また、本発明に係る波長選択スイッチの分光手段も、一実施形態では、アレイ導波路回折格子を用いて構成することができる。
【００１２】
本発明に係る波長選択スイッチの空間偏向手段は、集光手段側から順に配置された信号光の偏光状態に対応して合波手段の分光面内で光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶、前記信号光の偏光状態を変化させる液晶素子、および光路を折り返すミラーにより構成することができる。信号光は、集光手段から順に、複屈折結晶および液晶素子を透過し、ミラーで折り返した後、順に液晶素子および複屈折結晶を透過するように構成することができる。
【００１３】
本発明に係る波長選択スイッチの空間偏向手段は、空間偏向手段により進行方向を変化させた光信号および進行方向を変化させない光信号が、集光レンズへ入射する前に互いに平行となるよう当該光信号の進行方向を変化させる手段をさらに備えることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＥＭＳミラーを用いない、かつ複数のＡＷＧを含むＰＬＣ基板を用いた波長選択スイッチを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記のように、本発明の波長選択スイッチは、ＡＷＧを含むＰＬＣ基板と、液晶スイッチとを備え、液晶スイッチが入力側のＡＷＧにより波長分離された所望の波長チャネルの光をステアして出力側のＡＷＧの方向（ｘ方向）に結合する（所望の波長チャネルの光を他の波長チャネルの光から分光する）スイッチとして機能する。本発明の波長選択スイッチは、反射型として実施することができる。以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本明細書において、同一または類似の要素は、同一または類似の符号によって参照される。
【００１６】
図３は、ＭＥＭＳミラーを用いずに、液晶の光偏波スイッチを用いた波長選択スイッチの構成例を示す図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。
【００１７】
図３に示す波長選択スイッチは、入力ポートまたは出力ポート側から順に、（ｙ方向に）スタックされたＡＷＧを含むＰＬＣ（入力側ＡＷＧ１０および出力側ＡＷＧ１０’）と、シリンドリカルレンズ ２０と、偏波分離部（たとえば、偏波ビームディスプレーサ）３０、主レンズ（たとえば、シリンドリカルレンズ、球面レンズ）４０と、液晶可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）５００と、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００と、反射ミラー６１０とを備える。
【００１８】
図３に示すＷＳＳでは、ＰＬＣ１０（１０’）がＡＷＧを含み、ＡＷＧは光導波路１１、スラブ導波路１２、アレイ導波路１４から構成されている。
【００１９】
第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００は、液晶スイッチ部を構成する。第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００は、それぞれ液晶素子５５０と、液晶素子５５０を透過した光を入射する偏波分離結晶（または、ウェッジ型の複屈折結晶）９００とを備え、液晶スイッチ部において入力側ＡＷＧから出射した光を上下方向（ＰＬＣのスタック方向：ｙ方向）にステアする機能を担う。
【００２０】
図３に示すＷＳＳでは、入力側のＡＷＧ１０からの出力光は、波長により水平面内に異なる角度に出射する。入力側ＰＬＣ１０の端面から出射した光ビームは上下方向の広がりを防ぐため、シリンドリカルレンズ２０を透過する。
【００２１】
次いで、液晶ＶＯＡ５００、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００を構成する液晶素子が偏光依存性を持つため、偏波分離部３０でシリンドリカルレンズ２０を透過した光を、例えば水平方向の偏光成分のみにする。偏波分離部３０から出力された各光は図のように主レンズ４０を透過する。主レンズ４０の前後の焦点はＰＬＣの出射端面および反射ミラー６１０の反射面になるようにしている。そのため、図３（ａ）のように水平面内で波長により出射角度が異なっていた光は全て中心光軸が平行な光となる。主レンズ４０を透過した光は、液晶ＶＯＡ５００へ入射し強度が制御される。
【００２２】
液晶スイッチ７００，８００は、図４に示す構造を有し、液晶素子５５０において透明導電膜のＩＴＯ電極５０６に所望の電圧を加えることにより、光信号の偏光面を光軸に垂直面上に０〜９０度まで回転できる。つまり、ＩＴＯ電極５０６の印加電圧を制御することにより、液晶素子５５０は偏光面の回転角度０、９０度で制御できる。したがって液晶素子５５０と偏波分離結晶８４０とを用いると、図４に示すような光を分離する１×２スイッチを構成できる。最終的にその各々の光路の出力側に各々ＰＬＣを設置することによりＷＳＳを構成できる。図３に示すＷＳＳでは液晶光偏波スイッチ部における上下方向（ｙ方向）の光軸の分離（シフト）は、図５に示すウェッジ型の複屈折結晶９００による水平・垂直方向の偏光の屈折角度の違いによっても引き起こすことができる。
【００２３】
図５は、図３の液晶スイッチの一部を構成するウェッジ型の偏波分離結晶を説明するための図である。ここで偏波分離結晶の例として、複屈折結晶ＹＶＯ４を用いる。ここでは、複屈折結晶ＹＶＯ４の水平方向の屈折率がｎ（//）＝１．９４４７、垂直方向の屈折率がｎ＝２．１４８６とする。そして複屈折結晶ＹＶＯ４の光が入射する入射面が光路に対して垂直であり、図示のように出力する出力面が入射面に対して傾いていると、スネルの法則により入力偏光の向きにより出力角度がシフトする。したがって、複屈折結晶ＹＶＯ４の出射面のオフセット角度を調整することにより各偏光の屈折角を所望の値に変化させることができ、その垂直方向の光と水平方向の光との屈折角度差も一様に増加させることができる。したがって、複屈折結晶の前段に配置された液晶素子５５０において、複屈折結晶に入射する光の偏光の方向を０か９０度に制御することにより出射角度を変化させる１×２の光スイッチとして第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００を機能させることができる。
【００２４】
図３に示すＷＳＳは、液晶スイッチ７００，８００をカスケードに配置して、１×４スイッチを実現する例を示している。ここで垂直方向へのシフト量の組み合わせは偏波分離結晶のオフセット角度によって調整することが可能である。
【００２５】
一方、水平方向（ＰＬＣのスタック方向に対して垂直な面内の方向：ｘ方向）については、図３（ａ）に示すように各波長ｃｈの信号がＡＷＧ１０により波長分離されている。従って液晶スイッチ７００，８００を構成する液晶素子５５０も、ＩＴＯ電極を分光軸方向（図３に示すＷＳＳではｘ方向）にパターン化し、所望の波長ｃｈの信号光ごとに１ピクセルのＩＴＯ電極に当たるようにしておくことにより、各波長ｃｈごとに出力ポートの切り替えをすることが可能である。そして、ＡＷＧ１０’を出力信号の集光位置に並べることにより、所望のＡＷＧ１０’に戻すことができる。各ＡＷＧ１０’に戻された光は合波されてＰＬＣ基板の左側の各ポートから出力する。
【００２６】
図３の構成において、１つの液晶スイッチに着目すると、光は、液晶素子、複屈折結晶ウェッジ、ミラー、複屈折結晶ウェッジ、液晶素子の順に透過する。偏波回転後に２回複屈折結晶ウェッジを通る事で、２倍の分離角度を得る事ができる。図５から分るように一般に大きな分離角度を得る為には厚い結晶が必要でありコスト高となる。本発明の液晶スイッチの構成によると、薄い結晶を用いることが可能となりコストメリットが得られる。
【００２７】
図３に示す波長選択スイッチＷＳＳでは、各々アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含む複数のＰＬＣ基板（１０，１０’）を用いるため、コストが増大するという問題がある。また、図３に示す波長選択スイッチＷＳＳでは、複数のＰＬＣ基板（１０，１０’）をスイッチ軸方向（ｙ方向）に高精度にスタックする必要があるため、組立工程が複雑になり歩留まりが低下し、コストが増大するという問題、および光学モジュールが厚くなるという問題がある。一方で、図３と同じ構成の液晶スイッチを用いてｘ方向に光をステアすると次の問題が生じる。
【００２８】
図６は、図３に示したＷＳＳの液晶スイッチ（７００，８００）と同様に構成した場合に、液晶スイッチへ入射した光の光路を説明するための図である。
【００２９】
図６に示す液晶素子は、液晶素子５５０、ウェッジ型の複屈折結晶９００、ミラー６１０の順に配列されている。液晶素子５５０は、ＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）に配列された、ＰＬＣ基板面に垂直な方向（ｙ方向）に長いＩＴＯ電極５０６を備え、各ＩＴＯ電極５０６のピクセルが、光の波長ｃｈに対応する。
【００３０】
図６に示すように、液晶スイッチへ入射光路から入射した光は、液晶素子５５０において偏光面の回転角度が０または９０度に制御された後に複屈折結晶ウェッジ９００へ入射される。複屈折結晶ウェッジ９００へ入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射し、ミラー６１０で反射されて再び複屈折結晶ウェッジ９００および液晶５５０を透過する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へ出射光路ＡまたはＢをスイッチするようにステアされる。ここで、図６に示すように、出射光路Ｂへスイッチした場合は、液晶素子５５０における光の入射位置と出射位置はｘ方向において異なるため、液晶素子５５０のピクセルに入射した光が異なるピクセルを透過して出力される場合が生じる。異なるピクセルを透過した光は、意図されていない偏光面の光として出力されるため、光のステアの精度が低下し、ＷＳＳにおける波長分解能が低下する。
【００３１】
そこで、本発明では、分光軸方向にステアする液晶スイッチ部のみ、偏光分離する複屈折結晶ウェッジを出力ＰＬＣ側に配置する事とした。この配置の動作を図７を用いて説明する。図７に示す液晶素子は、ウェッジ型の複屈折結晶９００、液晶素子５５０、ミラー６１０の順に配列されている。液晶素子５５０は、光が２回透過したときに当該光の偏光面の回転角度が０または９０度に制御されるように構成されている。
【００３２】
図７に示す液晶スイッチへ入射した光は、先ずウェッジ型の複屈折結晶９００を透過し、液晶素子５５０において偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へステアされる。
【００３３】
ここで、図７に示すように、液晶素子５５０における光の入射位置と出射位置はｘ方向において一致する。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、光は元の光路と逆向きの光路に精度よく出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合（液晶素子５５０の制御量が９０度の場合）、光は元の光路とは異なる光路に出力される。図７に示すような分光軸方向にステアする液晶スイッチ部を、光が出射光路ＡまたはＢに分離された後に他の液晶スイッチ部を透過しないように配置する事で、出射光路ＡとＢとの間の光路位置差による波長分解能の低下を防ぐことができ、これにより精度の高い光のステア機能を実現することができる。
【００３４】
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。
【実施例１】
【００３５】
図８は、第１の実施例のＷＳＳの構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図８に示すＷＳＳは、２つのＡＷＧを含むＰＬＣ基板１０と、図７を参照して説明した液晶スイッチとを備える。
【００３６】
ＰＬＣ基板１０は、石英系ガラスのコアとクラッドがＳｉ基板上に形成されたものであり、光導波路１１Ａとスラブ導波路１２Ａとアレイ導波路１４ＡからなるＡＷＧ Ａ、および光導波路１１Ｂとスラブ導波路１２Ｂとアレイ導波路１４ＢからなるＡＷＧ Ｂを構成している。ＡＷＧ Ａは、入力用ＡＷＧおよび出力用ＡＷＧの兼用として備えられている。したがって光導波路１１Ａにはサーキュレータ１５が接続されている。ＡＷＧ Ｂは、出力用ＡＷＧとして備えられている。
【００３７】
ＡＷＧ ＡおよびＢの分光器としての角度分散値は等しく設定されている。ＡＷＧ ＡおよびＢの自由透過帯域ＦＳＲは、光導波路１１Ａから入力される波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅以上に構成されている。
【００３８】
液晶スイッチは、ＰＬＣ基板１０側から順に配列された、ウェッジ型の複屈折結晶９００、液晶素子５５０およびミラー６１０を備える。
【００３９】
液晶素子５５０は、ＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）に配列された、ＰＬＣ基板面に垂直な方向（ｙ方向）に長いピクセル列にパターン化されたＩＴＯ電極５０６を備える。また、液晶素子５５０は、ＩＴＯ電極５０６への印加電圧を制御することで、光が２回透過したときに当該光の偏光面の回転角度が０または９０度に制御されるように構成されている。
【００４０】
ウェッジ型の複屈折結晶９００は、水平方向の偏光成分（ｘ偏光）に対する屈折角が小さく、垂直方向の偏光成分（ｙ偏光）に対する屈折角が大きくなるように、結晶軸方向を設定しておく。
【００４１】
ミラー６１０は、液晶素子５５０の制御量が０度の場合に光が元の光路と逆向きの光路、すなわちＡＷＧ Ａに結合される光路に出力されるように調整された角度で配置されている。
【００４２】
ＡＷＧ Ａのアレイ導波路側１４Ａ側およびＡＷＧ Ｂのアレイ導波路側１４Ｂ側には、それぞれシリンドリカルレンズ（図示しない）が配置されている。また、各シリンドリカルレンズの先には、偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａ、および偏波分離結晶３０Ｂと１／２波長板３１Ｂがそれぞれ配置されている。１／２波長板３１Ａは、偏波分離結晶３０Ａで分離されたｙ偏光の光路（ｙ偏光光路）に挿入し、ｘ偏光に変換して液晶スイッチ側に出射している。よって偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａからなる偏波分離部より液晶スイッチ側の光線は、すべてｘ偏光になる。光の相反性により、ＡＷＧ Ａは、液晶スイッチから偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａとからなる偏波分離部までの光路のｘ偏光の光を受光できる。１／２波長板３１Ｂは、偏波分離結晶３０Ｂのｘ偏光光路に挿入し、液晶スイッチ側からのｙ偏光光線をｘ偏光に変換して偏波分離結晶３０Ｂに入射させる。よってＡＷＧ Ｂは、液晶スイッチから偏波分離結晶３０Ｂと１／２波長板３１Ｂとからなる偏波分離部までの光路のｙ偏光の光を受光できる。
【００４３】
さらに、１／２波長板３１Ａおよび３１Ｂと液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には集光レンズ４１が配置されている。
【００４４】
図８(ｂ)に示すように、集光レンズ４１の作用により、ｙ方向に分離した２つの光路は反射ミラー６１０上で互いに光軸が一致して結合する。よってＡＷＧ内のＴＥモード光およびＴＭモード光は、それぞれｘ偏光およびｙ偏光として出射され後、交換されてＡＷＧに受光され、偏波ダイバーシティ構成が成り立っている。
【００４５】
ここで光信号の伝搬の順に従って本実施例のＷＳＳの構造と機能を説明する。
ＡＷＧは透過型の回折格子であるから入力側のＡＷＧ Ａからの出力光は、波長によりＰＬＣ基板面（ｘｚ面）内で異なる角度に出射する。すなわち、波長分離される。波長分離された光軸を含む面を分光面と呼ぶ。
【００４６】
入力側ＰＬＣ１０の端面から出射した各波長チャネルの光は上下方向の広がりを防ぐため、シリンドリカルレンズを透過する。次いで、液晶スイッチを構成する液晶素子５５０および複屈折結晶９００が偏光依存性を持つため、偏波分離部（偏波分離結晶３０Ａと１／２波長板３１Ａ）において、シリンドリカルレンズ ２０を透過した光を、例えば水平方向の偏光成分のみにする。これらの光は、平行光として出力される。この隣接した２つのビームの挙動は全く同一のため、以下の説明や図面では省略する。
【００４７】
偏波分離部から出力された各波長チャネルの光は集光レンズ４１を透過する。
【００４８】
集光レンズ４１を透過した各波長チャネルの光は、液晶素子５５０の異なるピクセル（パターン化されたＩＴＯ電極）に入射し、偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。
【００４９】
再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、光はＰＬＣ基板におけるＡＷＧの配列方向（ｘ方向）へステアされる。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、光は元の光路と逆向きの光路、すなわちＡＷＧ Ａに結合される光路に出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合、光は元の光路とは異なる光路、すなわちＡＷＧ Ｂに結合される光路に出力される。
【００５０】
なお、光スイッチのクロストークを十分低くする為には、ＡＷＧ Ａに結合される光路とＡＷＧ Ｂに結合される光路とが重ならない必要がある。この条件は、アレイ導波路１４Ａと結合される光のガウスビーム半径をｗ、集光レンズ４１の焦点距離をｆ、ウェッジ型の複屈折結晶９００の複屈折量および頂角をそれぞれΔn、α、とすると、
【００５１】
【数１】
【００５２】
で表される。複屈折結晶をＹＶＯ４（Δｎ＝０．２）、アレイ導波路１４Ａと結合される光のガウスビーム半径をｗを２ｍｍ、集光レンズ４１として焦点距離ｆが１００ｍｍの集光レンズを用いると、ウェッジ型の複屈折結晶９００の頂角αは、
【００５３】
【数２】
【００５４】
となる。
【００５５】
このようにして、１×２のＷＳＳを実現することができる。なお本実施例では説明の都合上１×２の波長選択スイッチの例を示したが、光の進行方向を逆にして、入出力の方向も逆にすれば２入力１出力（２×１）の波長選択スイッチとして動作させることが可能である。
【実施例２】
【００５６】
図９は、第２の実施例のＷＳＳの構成図である。図９に示すＷＳＳは、１つのＡＷＧを含むＰＬＣ基板１０と、図７を参照して説明した液晶スイッチとを備える。
【００５７】
ＰＬＣ基板１０は、石英系ガラスのコアとクラッドがＳｉ基板上に形成されたものであり、光導波路１１Ａ、１１Ｂとスラブ導波路１２とアレイ導波路１４からなるＡＷＧを構成している。
【００５８】
ＡＷＧの自由透過帯域ＦＳＲは、光導波路１１Ａから入力される波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅の２倍以上に構成されている。
【００５９】
光導波路１１Ａは、入力用および出力用の兼用として備えられている。したがって光導波路１１Ａにはサーキュレータ１５が接続されている。光導波路１１Ｂは、出力用ＡＷＧとして備えられている。また、光導波路１１Ａと１１Ｂとは、波長多重光信号（ＷＤＭ光信号）の波長帯域幅相当以上の間隔を有して、スラブ導波路１２に接続されている。
【００６０】
実施例１と同様に、ＡＷＧのアレイ導波路側１４側には、シリンドリカルレンズ（図示しない）が配置されている。また、各シリンドリカルレンズの先には、偏波分離部（図示しない）が配置されている。また、偏波分離部と液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には集光レンズ４１が配置されている。
【００６１】
さらに、本実施例のＷＳＳは、集光レンズ４１と液晶スイッチのウェッジ型の複屈折結晶９００との間には、液晶スイッチで偏光面が９０度回転された光が順に透過する、光学ガラス製ウェッジ９０および１／２波長板が配置されている。光学ガラス製ウェッジ９０は、複屈折を有さないウェッジである。
【００６２】
ここで光信号の伝搬の順に従って本実施例のＷＳＳの構造と機能を説明する。
実施例１と同様に、ＡＷＧからの出力光は、波長によりＰＬＣ基板１０の基板面（ｘｚ面）内で異なる角度に出射し、シリンドリカルレンズを透過する。次いで、偏波分離部に入射し、ｘ偏光の、互いに平行な２つの光信号として出力される。
【００６３】
偏波分離部から出力された各波長チャネルの光は集光レンズ４１を透過する。
【００６４】
集光レンズ４１を透過した各波長チャネルの光は、液晶素子５５０の異なるピクセル（パターン化されたＩＴＯ電極）に入射し、偏光面の回転角度が制御され、ミラー６１０で反射されて再び液晶素子５５０で偏光面の回転角度が制御され、ウェッジ型の複屈折結晶９００に入射する。
【００６５】
再びウェッジ型の複屈折結晶９００に入射した光は、偏光面の回転角度に応じた屈折角度で出射する。このようにして、分光軸方向（ｘ方向）へステアされる。液晶素子５５０において、偏光面が回転されない場合（液晶素子５５０の制御量が０度の場合）、水平方向の偏光成分の光（ｘ偏光：ａビーム）は元の光路と逆向きの光路に出力される。また、液晶素子５５０において、偏光面が９０度回転された場合、垂直方向の偏光成分の光（ｙ偏光：ｂビーム）は元の光路とは異なる光路、すなわち光学ガラス製ウェッジ９０および１／２波長板９１を透過してＡＷＧに結合される光路に出力される。
【００６６】
ｙ偏光の光（ｂビーム）は、ガラス製ウェッジ９０においてＡＷＧに再結合する方向に偏向され、１／２波長板においてｘ偏光の光に変換される（即ち、ａビームとｂビームの偏光が一致する）。
【００６７】
ここで、ａビームおよびｂビームは、ＡＷＧへの入射角が互いにことなるので、スラブ導波路１２の異なる位置に集光する。光導波路１１Ａおよび１１Ｂは、それぞれａビームおよびｂビームが集光するスラブ導波路１２の位置において接続されている。ただし、aビームの隣接回折次数の回折光が光導波路１１Ｂの位置にかかるとクロストークとなるので、ＡＷＧのＦＳＲは通常の値（使用する波長の帯域幅＋マージン）の２倍に設定するのが望ましい。
【００６８】
このようにして、１×２のＷＳＳを実現することができる。なお本実施例では説明の都合上１×２の波長選択スイッチの例を示したが、光の進行方向を逆にして、入出力の方向も逆にすれば２入力１出力（２×１）の波長選択スイッチとして動作させることが可能である。
【実施例３】
【００６９】
図１０は、第３の実施例のＷＳＳの構成図である。図１０に示すＷＳＳは、図９を参照して説明した第２の実施例のＷＳＳの変形例である。本実施例のＷＳＳは、第２の実施例の液晶スイッチを、ウェッジ型の複屈折結晶９００ではなく偏波ディスプレーサ９１０で構成している。
【００７０】
偏波ディスプレーサ９１０は、複屈折結晶により作製することができ（例えば、非特許文献１参照）、複屈折結晶と１／２波長板とを備える。偏波ディスプレーサ９１０は、２つの偏光光を平行に分離するので、第２の実施例のＷＳＳで用いた光学ガラス製ウェッジ９０を配置する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来の波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】従来の波長選択スイッチに用いられるＭＥＭＳミラーの概略構成を説明するための図である。
【図３】波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチに用いる液晶偏波スイッチの基本原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施例に係る反射型の１×２波長選択スイッチに用いる液晶スイッチの動作原理を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る１×２波長選択スイッチの概略構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，１０’ 光導波路基板
２０ シリンドリカルレンズ
３０ 偏波分離部
４１ 集光レンズ
５５０ 液晶素子
６１０ ミラー
９００複屈折結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個の入力ポートから光信号を入力し分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して、光軸を変化させることにより２個の所望の出力ポートに対応させ、各々の出力ポートに対応する光信号は異なる波長の複数の光信号が合流して各出力ポートから出力する、１個の入力ポートおよび２個の出力ポートを有する１×２波長選択スイッチであって、
前記入力ポートへ入射した光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光して波長に応じた出射角度で出射する分光手段と、
前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、
前記空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して前記２個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段と
を含み、
前記合波手段の２つの分光面は、同一の面内にあり、
前記空間偏向手段は、前記集光手段側から順に配置された信号光の偏光状態に対応して前記同一の面内で前記光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶、前記信号光の偏光状態を変化させる液晶素子、および光路を折り返すミラーにより構成され、
前記信号光が、前記集光手段から順に、前記複屈折結晶および前記液晶素子を透過し、前記ミラーで折り返した後、順に前記液晶素子および前記複屈折結晶を透過することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記分光手段および前記合波手段はアレイ導波路回折格子を用いて構成され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。
【請求項３】
前記合波手段は、各々が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続された２つのアレイ導波路回折格子を用いて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記合波手段は、２つの出力導波路と、１つのスラブ導波路と、１組のアレイ導波路とにより構成された１つのアレイ導波路格子であり、
前記２つの出力導波路は、一端が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続され、他端が前記スラブ導波路に信号光の波長帯域幅相当以上の間隔を有した異なる位置で接続され、
前記空間偏向手段により進行方向を変化させた光信号および進行方向を変化させない光信号が、前記合波手段で合波されるよう、前記集光レンズへ入射する前に当該光信号の進行方向を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記合波手段は、２つの出力導波路と、１つのスラブ導波路と、１組のアレイ導波路とにより構成された１つのアレイ導波路格子であり、
前記２つの出力導波路は、一端が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続され、他端が前記スラブ導波路に信号光の波長帯域幅相当以上の間隔を有した異なる位置で接続され、
前記複屈折結晶は、異なる偏向成分を平行に分離する偏波ディスプレーサであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記液晶素子は、２回透過した光信号の偏光面を０度または９０度回転する機能をもつように構成され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波長選択スイッチ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記光信号の進行の向きを逆向きにし、前記出力ポートから光を入力し、前記光入力ポートから光を出力することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１】
１個の入力ポートから光信号を入力し分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して、光軸を変化させることにより２個の所望の出力ポートに対応させ、各々の出力ポートに対応する光信号は異なる波長の複数の光信号が合流して各出力ポートから出力する、１個の入力ポートおよび２個の出力ポートを有する１×２波長選択スイッチであって、
前記入力ポートへ入射した光信号を異なる波長を有する複数の光信号に分光して波長に応じた出射角度で出射する分光手段と、
前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、
前記空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して前記２個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段と
を含み、
前記合波手段の２つの分光面は、同一の面内にあり、
前記空間偏向手段は、前記集光手段側から順に配置された信号光の偏光状態に対応して前記同一の面内で前記光信号の各々の進行方向を変化させる複屈折結晶、前記信号光の偏光状態を変化させる液晶素子、および光路を折り返すミラーにより構成され、
前記信号光が、前記集光手段から順に、前記複屈折結晶および前記液晶素子を透過し、前記ミラーで折り返した後、順に前記液晶素子および前記複屈折結晶を透過することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記分光手段および前記合波手段はアレイ導波路回折格子を用いて構成され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。
【請求項３】
前記合波手段は、各々が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続された２つのアレイ導波路回折格子を用いて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記合波手段は、２つの出力導波路と、１つのスラブ導波路と、１組のアレイ導波路とにより構成された１つのアレイ導波路格子であり、
前記２つの出力導波路は、一端が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続され、他端が前記スラブ導波路に信号光の波長帯域幅相当以上の間隔を有した異なる位置で接続され、
前記空間偏向手段により進行方向を変化させた光信号および進行方向を変化させない光信号が、前記合波手段で合波されるよう、前記集光レンズへ入射する前に当該光信号の進行方向を変化させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記合波手段は、２つの出力導波路と、１つのスラブ導波路と、１組のアレイ導波路とにより構成された１つのアレイ導波路格子であり、
前記２つの出力導波路は、一端が前記２個の出力ポートのうちの互いに異なる出力ポートに接続され、他端が前記スラブ導波路に信号光の波長帯域幅相当以上の間隔を有した異なる位置で接続され、
前記複屈折結晶は、異なる偏向成分を平行に分離する偏波ディスプレーサであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記液晶素子は、２回透過した光信号の偏光面を０度または９０度回転する機能をもつように構成され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波長選択スイッチ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記光信号の進行の向きを逆向きにし、前記出力ポートから光を入力し、前記光入力ポートから光を出力することを特徴とする波長選択スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１１７５６４（Ｐ２０１０−１１７５６４Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９０８８５（Ｐ２００８−２９０８８５）
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【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２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【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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