波長選択スイッチ
【課題】集光レンズの温度変化による屈折率変化を用いて、集光レンズの焦点距離を変化させ、温度が変化した際に変化する分散量を補正できる波長選択スイッチを提供すること。
【解決手段】波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、光を波長ごとに分散させる分散素子と、波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素からの分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化が生じた場合、分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正する。
【解決手段】波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、光を波長ごとに分散させる分散素子と、波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素からの分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化が生じた場合、分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、激増するインターネットトラフィックを収容するため、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。そして、任意の波長を任意の方向に切り替え可能とする波長選択スイッチが注目されている。
【０００３】
図２２、図２３は、それぞれ波長選択スイッチ１００の概略構成を示す図である。図２２は、入出力ポートアレイ１１０を側面から見た図である。図２３は、波長選択スイッチ１００を上面から見た図である。
【０００４】
波長選択スイッチ１００は、入出力ポートアレイ１１０、レンズアレイ１２０、分散素子１３０、集光レンズ１４０、偏向素子１５０から構成される。入出力ポートアレイ１１０は、複数のポートにより構成される。そして、各ポートは、入力ポートまたは出力ポートとして機能する。
【０００５】
入力ポートから出射した光は、分散素子１３０により波長毎に分散される。そして、集光レンズ１４０によって、偏向素子１５０上に集光される。偏向素子１５０は、一般的に複数のＭＥＭＳミラーで構成されている。ＭＥＭＳミラーを傾ける事によって、入力ポートから出射された光は、出力ポートに入射する。ＭＥＭＳミラーに関しては、例えば、光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合、約４０個のＭＥＭＳミラーを配列する。また、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合、約８０個のＭＥＭＳミラーを配列する。
【０００６】
波長選択スイッチの性能を示す指標の１つとして、透過帯域がある。透過帯域は、各波長に対応したＭＥＭＳミラーに集光する光のビームスポット径ωと、ＭＥＭＳミラーの幅Ｗの比率（Ｗ/ω）が大きいほど、広くなる。また、透過帯域は、ＭＥＭＳミラーの位置に対するビームスポットのずれが小さいほど広くなる。
【０００７】
透過帯域（透過帯域幅）が広いと、対応可能なビットレートの上限を引き上げることが可能になる。なぜなら、高ビットレートの光はスペクトル幅が広がるが、透過帯域が広ければ、広がった分のスペクトル幅も透過帯域幅内に収まるからである。
【０００８】
また、透過帯域が広いと、波長選択スイッチを多段に接続した場合でも、帯域ずれの蓄積量が小さい。このため、波長選択スイッチの多段接続数を増やすことが可能になる。このように、波長選択スイッチの透過帯域を広くすることで、良好な伝送特性を確保することが可能である。
【０００９】
また、波長選択スイッチを構成する各要素は、温度特性を有している。初期設定時にＭＥＭＳミラー上での集光位置を、ＭＥＭＳミラー中心に集光するように一致させたとしても、使用環境等によって温度が変化すると、集光位置がＭＥＭＳミラー中心位置から変動してしまう。これにより、透過帯域幅が狭くなってしまうという問題がある。
【００１０】
使用環境等の温度変化によって、集光位置が各ＭＥＭＳミラーの中心位置から変動する現象は、波長選択スイッチを構成する部材の膨張などに起因する。部材の中でも、温度変化により最も特性の変動量が大きいのは分散素子１３０である。
【００１１】
分散素子１３０は、一般的に回折格子で構成されている。回折格子の基材は、温度によって伸縮する。そして、回折格子の溝のピッチが変化する事により生じる集光位置の変動が最も大きい。
【００１２】
図２４は、温度変化が発生し、回折格子の溝のピッチが変化し、これにより、集光位置が変動する様子を実線（通常時の光）で示す光路と破線（温度変化が発生した時の光）で示す光路と、それぞれ示している。
【００１３】
図２５は、回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成した時、溝のピッチが１ミクロン、集光レンズの焦点距離が２００ｍｍである場合の、各波長の集光位置の変動量を示している（横軸：温度、縦軸：集光位置の変動量）。
【００１４】
温度が２５℃〜７５℃に変化した場合、集光位置が１３．５〜１５．５ミクロン程度変動する事となる。ここで、集光位置のずれを補正する構成として、例えば特許文献１に示されるような、集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、その固定部材の伸縮によって、変動量を補正する構成がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２４９７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、変動量を補正したとしても、完全に補正できるのは、１つのＭＥＭＳミラーに集光する変動量のみである。
【００１７】
このため、図２５からも分かるように、集光位置の変動量は波長によって異なる。このため、全ての波長域において、集光位置のずれ（変動量）を完全に補正する事はできないという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集光レンズの温度変化による屈折率変化を用いて、集光レンズの焦点距離を変化させ、温度が変化した際に変化する分散量を補正できる波長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】
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のある態様に係る波長選択スイッチは、
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
入力部からの光を受光し、光を波長ごとに分散させる分散素子と、
波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
集光要素からの分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化が生じた場合、分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、集光レンズの温度変化による屈折率変化を用いて、集光レンズの焦点距離の変化により、温度が変化した際に変化する分散量を補正できる波長選択スイッチを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】波長選択スイッチにおける温度変化の影響を説明するための概略構成を示す側面図である。
【図２】その上面から見た構成を示す上面図である。
【図３】分散素子及び集光レンズを拡大して示す図である。
【図４】ミラーアレイの斜視構成を示す図である。
【図５】Ｘ軸方向に並んだ３つのミラー素子１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３を正面から見た図である。
【図６】周波数（横軸）と出力（縦軸）との関係を示す図である。
【図７】波長選択スイッチの常温状態における光路を示す図である。
【図８】波長選択スイッチの高温状態における光路を示す図である。
【図９】波長選択スイッチの高温状態における光路を示す他の図である。
【図１０】温度変化時に硝材により焦点距離の変化が異なる様子を示す図である。
【図１１】波長λcの光の温度変化による集光位置のずれ量を弾性部材によって補正した時、波長１５２５ｎｍの光に関する諸元値を掲げる図である。
【図１２】第１実施形態に係る波長選択スイッチにおいて、基準となる波長λcを温度変化時に補正する構成を示す図である。
【図１３】光学素子の温度変化における屈折率の変化を示す図である。
【図１４】光学素子の温度変化における屈折率の変化を示す他の図である。
【図１５】常温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１６】高温状態においてミラーアレイのミラー素子近傍に光が集光する様子の拡大図である。
【図１７】第２実施形態の常温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１８】第２実施形態の高温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１９】波長１５５０ｎｍの光に関して、第２レンズを温度変化による焦点距離の変化特性ｄｆ１／ｄｔを有する硝材で構成した場合のΔＺの値及び式（１８）の値を示す図である。
【図２０】第３実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す図である。
【図２１】第３実施形態に係る波長選択スイッチの変形例を示す図である。
【図２２】従来の波長選択スイッチの概略構成を示す図である。
【図２３】従来の波長選択スイッチ１００の概略構成を示す図である。
【図２４】温度変化が発生し、回折格子の溝のピッチが変化し、集光位置が変動する様子を示す図である。
【図２５】回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成した場合の、各波長の集光位置の変動量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明のある態様にかかる波長選択スイッチの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、特許請求の範囲に記載された本発明が限定されるものではない。すなわち、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２３】
（第１実施形態）
まず、最初に、波長選択スイッチを構成する部材の温度変化による光路変化を補正する構成について説明する。これは、本実施形態の説明の前提となる構成である。その後に、本実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。
【００２４】
図１は、波長選択スイッチ１０の概略構成を示す側面図である。図２は、その上面から見た構成を示す上面図である。
【００２５】
波長選択スイッチ１０は、複数の入出力ポート１１とレンズアレイ１２、第１レンズ１３、第２レンズ１４、分散素子１５、集光レンズ１６、ミラーアレイ１７を有している。
【００２６】
図３は、図２と同様に上面から見た構成において、分散素子１５及び集光レンズ１６を拡大して示す図である。
【００２７】
まず、常温状態の波長選択スイッチ１０の形態について説明する。例えば、入出力ポート１１を構成する４つの入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、１本の出力ポート１１ｅが、出力ポート１１ｅを中心に、図１において矢印（紙面縦方向）で示す第１方向に等間隔で並んだ状態で構成されている。ここで、入出力ポート１１の本数、入力ポートと出力ポートの並び等はこの状態で限定されるものではない。
【００２８】
なお、図１では、簡略化のため、入力ポート１１ａのみ、光が入力されている様子を簡略化して示している。実際は、複数の入力ポートから、波長多重された光が入力されている。
【００２９】
レンズアレイ１２は、入出力ポート１１を構成する複数のポートにそれぞれ対応した複数のレンズを有している。それぞれの入力ポートから出射した光は、レンズアレイ１２のレンズによって、コリメートされた光となる。コリメートされた光は、第１レンズ１３に入射し、第１レンズ１３によって集光される。第１レンズ１３によって集光される光の集光位置に、複数の入力ポートからの光が交わることとなる。
【００３０】
集光された光は、集光位置を通過すると、発散して拡がりを持ったビームとなる。拡がったビームは、第２レンズ１４に入射する。第２レンズ１４の焦点距離はｆ1である。第１レンズ１３によって集光された光の集光位置と、第２レンズ１４の位置（主点位置）とは距離ｆ1だけ離れている。これにより、第２レンズ１４によって光は、ほぼコリメートされる。
【００３１】
第２レンズ１４によってコリメートされた光は、分散素子１５の方向に出射される。そして、出射した光は、分散素子１５に対して、図２において矢印で示す第２方向に、角度α1だけ傾いて入射する。
【００３２】
分散素子１５は、第２レンズ１４でコリメートされた光を、第１方向とは異なる第２方向に、波長に応じて異なる角度に分散させる。つまり、分散素子１５に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向に且つ異なった角度α２ａ〜α２ｅの角度範囲の間で進行する。なお、図２において、α２ａ・・とは、α２ａ〜α２ｅを意味している。
その角度は次式（１）で表される。
【００３３】
【数１】
【００３４】
ここで、
ｍは回折次数、
ｄは分散素子１５を構成する回折格子のピッチ、
ｎ１は分散素子１５の屈折率、
γは分散素子１５の頂角、
λは波長、をそれぞれ示している。
【００３５】
図２は、簡略化して５つの波長のみに関して、光が分散される様子を図示している。また、分散素子１５は、図１では透過型のイマージョングレーティングを例にあげて分散素子を示しているが、これに限定されるものではない。また、イマージョングレーティングである分散素子１５は、透過型および反射型グレーティングのどちらを用いても良い。
【００３６】
集光レンズ１６の焦点距離は、ｆ2である。これにより、分散素子１５により分散された各波長の光は、集光レンズ１６によって、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ（ここで、ｍ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ・・・・）上にそれぞれ集光される。
【００３７】
分散素子１５と集光レンズ１６との間隔は、焦点距離ｆ２だけ離れている事が望ましい。分散素子１５と集光レンズ１６との間隔が焦点距離ｆ２とは異なる位置に配置されると、集光レンズ１６から出射する光の角度が波長ごとに異なる。これに対して、分散素子１５と集光レンズ１６との間隔が焦点距離ｆ2と同一に設定されている場合、集光レンズ１６から出射した光は、波長ごとに一致した方向にミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍに向かって進行する。
【００３８】
そして、分散素子１５により分散された各波長の光は、ミラーアレイ１７の各波長に対応したミラー素子１８ｍ上にそれぞれ集光する。集光位置は、複数の入力ポートからの光が交わる位置である。
【００３９】
ミラーアレイ１７は、図２内において矢印で示す紙面縦方向である第２方向に、複数のミラー素子１８ｍ（図２では、ｍ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの５枚のミラー素子）を有している。各ミラー素子１８ｍは少なくとも波長多重された波長の数量分だけ、第２方向に配列されている。
【００４０】
仮に、波長の数がλａ〜λｒの１８個であるとする。ミラー素子１８ｍは第２方向に１８個並んで配置される。そして、各波長のビームの第２方向の中心位置と、その波長に対応したミラー素子１８ｍの第２方向の中心が一致するように設置される。
集光レンズ１６によって集光される光の集光位置の第２方向に沿った座標軸をＸ軸とおくと、Ｘ軸は式（２）で表される。
【００４１】
【数２】
【００４２】
図４は、ミラーアレイ１７の斜視構成を示す図である。角度θは、集光レンズ１６の光軸と、分散素子１５の回折面側の法線と、のなす角である。
図４に示すように、各ミラー素子１８ｍは、それぞれのミラー素子を、Ｘθ軸まわりと、Ｙθ軸まわりとの２方向に回転できる。Ｘθ軸は、ミラー素子をＸ軸を中心に回転する軸である。Ｙθ軸は、ミラー素子をＹ軸を中心に回転する軸である。Ｘ軸は第２方向、Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する第１方向に対応している。
【００４３】
各ミラー素子１８ｍ上に集光された光は、各ミラー素子１８ｍの反射面に対して斜めに入射する。そして、各入射した光は、ミラー素子１８ｍによって入射方向とは異なった方向に反射される。
【００４４】
図２に示すように、ミラーアレイ１７は、支柱１９と弾性部材２０を介して一端のみ固定されている。支柱１９は、ミラーアレイ１７以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、もしくは温度変化が起きても伸縮が起きない部材を介して固定されている構成である。
【００４５】
ミラーアレイ１７は、弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は長さＬ１０である。弾性部材２０の長手方向（長さＬ１０）の方向と、ミラーアレイ１７の各ミラー素子の中心位置を結んだ線とは、平行である。
【００４６】
ミラーアレイ１７の各ミラー素子１８ｍによって反射された光は、拡がりを有するビーム形状で集光レンズ１６に入射する。集光レンズ１６に入射した各波長の光は、コリメート光に変換される。変換された光は、集光レンズ１６から分散素子１５に向かって進む。各ミラー素子１８ｍの回転角が同じなので、各波長の光は分散素子１５上で一点に集まる。
【００４７】
分散素子１５によって波長多重された光は、コリメート状態を保ったまま第２レンズ１４に入射し、第２レンズ1４によって集光される。集光された光は、第１レンズ１３によって、コリメートされる。コリメートされた光は、出力ポート１１ｅに対応したレンズアレイ１２のレンズに入射し、出力ポート１１ｅに集光される。
【００４８】
図５は、Ｘ軸方向に並んだ３つのミラー素子１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３を正面から見た図である。
図５を用いて、波長選択スイッチのミラー素子と透過帯域の関係を説明する。
【００４９】
図５において、ビームスポット１６ａは、分散素子１５によって分散される。次に、集光レンズ１６によりミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ２上に集光される。
【００５０】
ビームスポット１６ａに関してみると、中央のミラー素子１８ｍ２上において、各々の波長に応じて集光位置が、ビームスポット１６ｂ、１６ｃのように、例えば図面において右方向へ変化する。
一般に、ミラー素子１８ｍ２の中心にはＩＴＵグリッド（ＩＴＵ（国際電気通信連合によって定められたグリッド規格）の波長に一致する波長のビームが集光するように構成する。
【００５１】
つまり、ビームスポット１６ａの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れるに従って、ビームスポット１６ａは、ミラー素子１８ｍ２の中心ｍｃから離れた位置に集光することになる。
【００５２】
ミラー素子を用いた波長選択スイッチの場合、分散された各波長の光がミラー素子上に集光したときに、ミラー素子端部に入射するビームスポットの一部がミラー素子からはみ出すことによって、透過率が減少する。
【００５３】
図６は、周波数（横軸）と出力（縦軸）との関係を示す図である。透過帯域をＩＴＵグリッドに対する透過率が±０．５ｄＢとなる周波数領域とすると、従来の波長選択スイッチの場合の透過帯域は、ミラー素子両端で０．５ｄＢ分のビームはみ出しが許容制限となる。
【００５４】
この場合、図５に示すように、ミラー素子幅Ｗ、分散方向のビームスポット径２ω、及び隣接するミラー素子とのミラー素子中心間隔Ｄ、のそれぞれのパラメータが決まれば透過帯域は一義的に決まることになる。
【００５５】
一般的に、波長選択スイッチ１０は、通常の常温状態において組み立てられる。ここで、上述したように、ミラー素子の中心位置に、ＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するように組み立て時の設計・調整が行われる。
【００５６】
さて、ここまでは、常温状態の波長選択スイッチ１０の形態について説明した。
ここで、波長選択スイッチは常温状態のみにおいて使用されるのではない。例えば、常温状態よりも温度の高い高温状態の環境(適宜、「高温時」という）、または常温状態よりも温度の低い低温状態の環境（適宜、「低温時」という）において使用される可能性がある。そして、温度が変化した場合であっても、ミラー素子の中心にはＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームスポットがミラー素子に集光するようにしなければならない。
次に、温度が変化した場合の波長選択スイッチについて述べる。
【００５７】
まずは、常温状態において、角度α２＝θとなる波長に着目する。仮に図７のように常温状態に角度α２=θとなる波長をλＣとする。常温状態の波長λＣの光の集光位置Ｘ２０は、次式（３）のように表すことができる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
分散素子１５は、回折格子を用いて構成されている。図８、図９は、それぞれ高温時における光路の変化を示す図である。分散素子１５は、高温になると回折格子の基材が伸びる。これにより、回折格子の溝のピッチが変化する。さらに分散素子１５の屈折率が変化する。このため、角度α２ｃが変化する。このため、図８、図９のように高温時に角度α２ｃ’≠θとなる。
【００６０】
また、集光レンズ１６は、高温になると膨張する。これによって集光レンズ１６の形状が変化し、かつ、集光レンズ１６の材質の屈折率も変化する。このため、焦点距離ｆ２からｆ２’へと変化する。このため、高温状態の波長λＣにおける光の集光位置Ｘ７０は次式（４）のようになる。
【００６１】
【数４】
【００６２】
また、常温状態に対する高温状態の集光位置のずれ量は次式（５）で表される。
【００６３】
【数５】
【００６４】
この時、ミラーアレイ１７と接している弾性部材２０の長さが、常温状態における長さＬ１０のまま変化がなければ、つまり同じ長さであれば、図８に示すように、集光位置と、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｃとは、距離Ｘ70だけずれてしまう。
【００６５】
ここで、実際には、弾性部材２０の長さは、高温状態において長さＬ１０’に変化する。弾性部材２０の材質は、次式を満たすような線膨張係数Ｑ１０の特性を持った材質を選定している。このため、図９のように、集光位置はミラー素子１８ｃに対してずれることがない。
【００６６】
【数６】
【００６７】
式（６）において、ΔＴは、常温状態に対する高温状態との温度差を示している。式（３）〜式（６）は、常温状態に対する高温状態の場合を説明している。これに限られず、常温状態に対する低温状態においても同様な特性を示す。
【００６８】
このように、角度α２＝θとなる波長λＣに着目した場合、式（６）を満たすことで、光の集光位置は、ミラー素子１８ｃに対してずれることはない。
【００６９】
次に、角度α２＝θとなる波長λＣ以外の波長にも着目する。
図２５は、上述したように、回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成し、溝のピッチが１ミクロン、集光レンズ１６の焦点距離が２００ｍｍである場合の各波長の光の集光位置の変動量を示している。
【００７０】
図２５からも分かるように、集光位置の変動量は、波長によって異なる。このため、波長λcの集光位置と、ミラー素子１８ｃの中心位置と、を合わせたとしても、波長λＣ以外の波長の光に関しては、集光位置と中心位置とを完全にあわせることはできない。
【００７１】
これは、分散素子１５の温度変化によって、回折格子の溝のピッチおよび屈折率が変化して、出射角α２ｃが変化したと同時に分散角Ψも変化する為である。例えば波長λａの分散素子１５から出る光の出射角をα２ａ、波長λＣの光の出射角をα２ｃとすると、波長λＣの光に対する波長λａの光の分散角Ψは次式（７）で表される。
【００７２】
【数７】
【００７３】
分散角Ψが温度変化によって、一定であれば、すなわち変化しなければ、波長λＣの集光位置と、ミラー素子１８ｃの中心位置とを合わせると、波長λＣに限らず、波長λａの光の集光位置と、ミラー素子１８ａの中心位置とも同時に合わせる事が可能である。
【００７４】
しかしながら、実際には、分散角Ψは温度によって変化してしまう。その際、仮に、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２の温度による変化がないと考えると、波長λＣの光の集光位置をミラー素子１８ｃの中心位置に合せても、波長λａの光の集光位置はそれに対応するミラー素子１８ａの中心位置からずれてしまう。波長λａと波長λＣとのミラー素子１８ｃ上での集光位置の間隔をＷとすると、間隔Ｗは次式（８）で表される。
【００７５】
【数８】
【００７６】
このように、波長λａの集光位置と、それに対応するミラー素子１８ａの中心位置とが異なってしまうのは、分散角Ψが温度によって変化するにもかかわらず、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２の温度による変化がないと仮定したからである。
【００７７】
実際には、集光レンズ１６は、温度変化によって、膨張による形状変化および、材質の屈折率の変化によって焦点距離ｆ２は変化する特性を持っている。式（９）を満たすような集光レンズ１６の材質を選定する事で、分散角Ψが変化しても、任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００７８】
図１０は、集光レンズ１６の焦点距離が２００ｍｍの場合、集光レンズ１６の材質によって、温度変化時の焦点距離の変化が異なる様子を示す図である。ここでは、図内右側に掲げる９種類の硝材について、変化の様子を示している。
【００７９】
材質によっては温度が上昇すると、焦点距離が増加すること、または減少することがある。このような材質の温度による焦点距離の変化を利用して、分散角Ψが変化した事による波長λａの光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。波長λａは任意の波長である。このため、その他の波長においても、式（９）を満たすような集光レンズ１６を用いることで、いずれの波長においても、光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００８０】
【数９】
【００８１】
次に、図１１について説明する。まず、以下のようにパラメータを定義する。
分散素子１５の温度変化前の分散角をΨ、
分散素子１５の温度変化後の分散角をΨ’、
Ｗ１＝ｆ２ｓｉｎΨ[ｍｍ]、
Ｗ２＝ｆ２’ｓｉｎΨ’[ｍｍ]、
Ｗ３＝ｆ２ｓｉｎΨ’[ｍｍ]
【００８２】
ここで、温度変化に基づく分散角Ψの変化による、ミラーアレイ１７上での、ビームスポット位置のずれ量は、｜Ｗ１−Ｗ２｜[ｍｍ]と表すことができる。
【００８３】
また、仮に、温度の変化によって、集光レンズ１６の焦点距離が、ｆ２のまま変化せず、分散角Ψのみ変化すると考えた場合、温度変化に基づく分散角Ψの変化による、ミラーアレイ１７上での、ビームスポット位置のずれ量は、｜Ｗ１−Ｗ３｜[ｍｍ]と表すことができる。
【００８４】
ここで、分散素子１５について以下の条件で構成されている場合を考える。
（１）材質：シリカ（二酸化ケイ素（SiO2）、）、
（２）形成された回折格子のピッチ：１／１０００[ｍｍ]、
（３）分散素子１５の頂角：４１度
（４）分散素子１５に入射する光の入射角α１：１７度
（５）温度の変化：２０℃から７０℃に変化する。
【００８５】
この場合、波長１５２５ｎｍと波長１５５５ｎｍとにおける分散角Ψは、それぞれ０．７５２６度から０．７５３０度に変化する。すなわち、温度の変化により、分散角Ψは、約０．０００４度変化する。
【００８６】
このとき、分散角Ψの変化によって発生するビームスポットのずれ量｜Ｗ１−Ｗ３｜は、１．５ミクロンとなる。
しかしながら、実際には、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２が２００ｍｍで材質がＮ−ＦＫ５である場合、温度が２０℃から７０℃に変化すると、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２’は、２００．１４７ｍｍに変化する。
【００８７】
従って、温度の変化に対する、実際のビームスポットのずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は、図１１に示すように、集光レンズ１６を構成する材質よって異なる。例えば、集光レンズ１６の材質がＮ−ＦＫ５である場合では、ビームスポットずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は３．４ミクロンとなり、｜Ｗ１−Ｗ３｜よりも大きくなる。
【００８８】
これに対して、集光レンズ１６の材質がＮ−ＺＫ７である場合、ビームスポットずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は０．７ミクロンとなり、｜Ｗ１−Ｗ３｜よりも小さくなる。このように適切に集光レンズ１６の硝材を選定する事により、分散角の変化によって発生するビームスポットのずれ量を、集光レンズ１６の温度による焦点距離の変化によって小さくする事が可能となる。
【００８９】
次に、基準となる波長λｃを温度変化時に補正する他の構成について説明する。なお、波長λｃを基準としたのは、常温状態において、角度α２＝θとなる波長だからである。
【００９０】
上記では、ミラーアレイ１７上に弾性部材２０と支柱１９を設置する構成としている。これに限られず、集光レンズ１６上に弾性部材と支柱とを設置する構成とすることができる。
【００９１】
集光レンズ１６は、支柱１９と弾性部材２０とを介して一端のみ固定されている。支柱１９は、集光レンズ１６以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、または温度が変化しても伸縮しない部材を介して固定されている構成である。
【００９２】
集光レンズ１６は弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は長さＬ２０を有している。弾性部材２０の長手方向（長さＬ２０に沿う方向）は、集光レンズ１６の光軸とほぼ垂直である。
【００９３】
かかる構成によっても、基準となる波長λcに関して、温度変化時に、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用できる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００９４】
次に、基準となる波長λcを温度変化時に補正する他の構成を説明する。ミラーアレイ１７上に弾性部材２０と支柱１９を設置する構成の代わりに、分散素子１５上に弾性部材２０と支柱１９を設置することができる。
【００９５】
分散素子１５は、支柱１９と弾性部材２０を介して一端のみ当て付いている。また、分散素子１５が弾性部材２０と当て付いている面とは反対側の面から分散素子１５と弾性部材２０が常に当接するように付勢部材、例えば、ばね材を押し当てる。ばね材と支柱１９とは、ばね材の分散素子１５に押し当てている側と反対側で固定されている。
【００９６】
分散素子１５は、温度変化による弾性部材２０の伸縮により、分散素子１５が回転できるような形状の円柱である回転ガイドに固定されている。そして、回転ガイドは支柱１９の穴部に係合され、分散素子１５が回転ガイドの中心および、支柱１９の穴部の中心を軸に回転できるように構成されている。
【００９７】
支柱は分散素子１５以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、または温度変化が起きても伸縮が起きない部材を介して固定されている構成である。分散素子１５は、弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は、長さＬ３０を有している。弾性部材２０の長手方向（長さＬ３０の方向）は、分散素子１５の回折面とほぼ垂直である。高温になると弾性部材２０が伸び量ΔＬだけ伸びる。伸び量ΔＬは次式（１０）で表される。
【００９８】
【数１０】
【００９９】
弾性部材が伸び量ΔＬだけ伸びると、分散素子１５は回転ガイド４４を中心に角度φだけ回転する。その回転量φは次式（１１）で表される。
【０１００】
【数１１】
【０１０１】
長さＬ４０は、回転ガイドの中心位置から分散素子１５と弾性部材２０の当て付き箇所までの距離を示している。また、基準となる波長λcの高温状態の分散素子１５からの出射角α３ｃ’は次式（１２）で表される。
【０１０２】
【数１２】
【０１０３】
分散素子１５の高温状態の入射角は、常温状態の入射角α１より、回転量φだけ小さい角度となる。従って、基準となる波長λcの高温状態の集光位置Ｘ７０は次式（１３）を満足する。ここでは、常温状態の集光位置Ｘ２０との位置ずれをなくす為に、Ｘ７０＝０となるように、最適なφの値を選定している。
【０１０４】
【数１３】
【０１０５】
基準となる波長λcを温度変化時に補正するために、このような構成を採用したときでも、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用することができる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【０１０６】
次に、基準となる波長λcを温度変化時に補正する他の構成を説明する。
図１２は、基準となる波長λcを温度変化時に補正する概略構成を示す図である。すなわち、ミラーアレイ１７上に弾性部材と支柱を設置する構成に代えて、第２レンズ１４と分散素子１５の間に補正プリズム５０を配置している。補正プリズム５０に入射する光の入射角を角度α４とし、補正プリズム５０の頂角をε、屈折率をｎ２とする。補正プリズム５０から出射する光の出射角α5は次式（１４）で表される。
【０１０７】
【数１４】
【０１０８】
従って、分散素子１５に入射する光の入射角α６は、次式（１５）のように入射角α5に回転角ηを加えた値である。
【０１０９】
【数１５】
【０１１０】
補正プリズム５０の屈折率が温度変化によって高温時にｎ２’と変化する。このため、補正プリズム５０の出射角α５は高温状態でα５’に変化する。これにより、分散素子１５の入射角α６も入射角α６’へと変化する。
【０１１１】
図１３、図１４は、光学素子の温度変化における屈折率の変化を示した図である。図から明らかなように、補正プリズム５０を構成する硝材は、その種類によって、ｄｎ／ｄｔの値が正である場合、またはｄｎ／ｄｔの値が負である場合と、様々なｄｎ／ｄｔの値を示すことがわかる。
【０１１２】
ここで、「ｄｎ／ｄｔ」は、単位温度あたりの屈折率の変化量を示すものである。温度が上昇することで、屈折率が大きくなる硝材は、ｄｎ／ｄｔは正の値をとる。温度が下降することで、屈折率が大きくなる硝材は、ｄｎ／ｄｔは負の値をとる。
【０１１３】
このように様々な補正プリズムのｄｎ／ｄｔの値を示す硝材と頂角εを選定する事で、温度によって変化する分散素子１５の入射角α6’の値を自由に変える事が可能となる。
【０１１４】
基準となる波長λｃの高温状態の集光位置Ｘ７０は、次式（１６）で示すことができる。そして、常温状態における集光位置Ｘ２０との位置ずれをなくす為に、高温状態においてもＸ７０＝0となるように、最適な入射角α６ｃ’の値を選定している。
【０１１５】
【数１６】
【０１１６】
このような、基準となる波長λcを温度変化時に補正する構成の場合でも、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用して、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【０１１７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。上述した第１実施形態の構成では、温度変化による分散角Ψの変化によるビームスポット位置のズレを、温度変化による集光レンズ１６の焦点距離の変化により補正している。
【０１１８】
これに対して、本実施形態では、後述するように第２レンズ１４焦点距離を変化させる事によって生じる集光位置の光の進行方向のずれを第２レンズ１４の温度による屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化を用いて補正する例である。
【０１１９】
上述したように、本実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１２０】
図１５、図１６は、それぞれ図１に示す構成と同様に、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍに光が集光する様子の拡大図を示している。図１５は常温状態、図１６は高温状態を、それぞれ示している。
ここで、それぞれの図には、常温状態に入射角α2=θとなる波長である波長λcの波長のみ示し、他の波長は省略して示している。
【０１２１】
図１６のように、高温状態において集光レンズ１６の焦点距離がｆ２からｆ２’へ増加する（ｆ２＜ｆ２’）。集光レンズ１６とミラーアレイ１７は、常温状態で組み立てられている。集光レンズ１６とミラーアレイ１７の間隔は常温状態の焦点距離ｆ2である。このため、高温状態においては、集光位置とミラー素子１８ｃの位置との、光の進行方向に対する間隔（光軸に沿った距離）であるΔＺだけ光の進行方向に移動する。
【０１２２】
集光位置がミラー素子からΔＺだけ移動すると、図５に示すビームスポット１６ａの径が大きくなってしまい、透過帯域の幅が小さくなってしまうという問題が起こる。
【０１２３】
図１７、図１８は、本実施形態のミラーアレイ１７に光が集光する様子の拡大図を示している。図１７は常温状態、図１８は高温状態を、それぞれ示している。それぞれの図には入射角α２＝θとなる波長であるλcの波長の光のみ示し、他の波長は省略して示している。
本実施形態では、第１実施形態と同様に、常温状態において組み立てられている。このため、本実施形態において、常温状態では第１実施形態で説明した場合と同様に光が振舞う。
【０１２４】
次に、本実施形態にかかる波長選択スイッチの高温状態おける動作説明を行う。集光レンズ１６を構成する硝材は、図１１に示す硝材のうち、温度が上昇すると焦点距離が長くなる材質を選定している。このため、本実施形態では、第２レンズ１４に関しては、温度が上昇すると、焦点距離が低下する材質を選定している。
【０１２５】
第１レンズ１３（図１７では不図示）によって集光された光は、集光位置を過ぎると光は拡がりを持ったビームとなり、第２レンズ１４に入射する。第２レンズ１４の焦点距離はｆ１である。常温状態では、光は、第２レンズ１４によって、コリメートされる。これに対して、高温状態では第２レンズ１４の焦点距離が短くなり、ｆ１’へと変化する。
【０１２６】
ここで、第１レンズ１３によって集光された光の集光位置と、第２レンズ１４の位置とは、常温状態と同様に距離ｆ１だけ離れている。このため、第２レンズ１４によってコリメートされる光は、ほんの僅かではあるが収束された光となる。高温状態では、この収束された状態を保ったままの光は、分散素子１５の方向に出射される。そして、分散素子１５に第２方向に角度α１だけ傾いて入射する。
【０１２７】
分散素子１５は、第２方向（図１７において紙面左右方向）に、波長に応じて入射光を角度分散させる。図では常温状態に入射角α2=θとなる波長であるλcの波長のみ示し、他の波長は省略して示している。しかしながら、本来、様々は波長の光が分散素子１５からそれぞれ違った角度で出射され、角度分散される。
【０１２８】
分散素子１５によって角度分散された光は、集光レンズ１６に入射する。そして、集光レンズ１６によって、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ上にそれぞれ集光される。常温状態の焦点距離と比較して、高温状態では集光レンズ１６の焦点距離がｆ2’に長くなっている。
【０１２９】
仮に、集光レンズ１６に入射する光が、完全にコリメートされた光の場合を考える。ここで、高温状態では、集光レンズ１６の焦点距離はｆ２’に変化する。このため、常温状態においてはミラー素子１８ｃ上に集光していた光は、高温状態ではミラー素子１８ｃよりも光の進行方向に進んだ位置に集光する。この理由は、集光レンズ１６とミラーアレイ１７との間の距離がｆ２’より短いｆ２である為である。
【０１３０】
実際には、高温状態において集光レンズ１６に入射する光は、完全にコリメートされてはおらず、ほんの僅か収束している。このため、集光レンズ１６へ入射した光は、焦点距離ｆ２’位置ではなく、焦点距離ｆ２’よりも、手前（集光レンズ１６側）の位置に集光する。
【０１３１】
ここで、第２レンズ１４に関して、高温状態において焦点距離が短くなるｆ１’の値を以下の式（１７）を満足するように第２レンズ１４の材質を選定する。これにより、高温状態において、集光レンズ１６へ入射した光は、およそミラー素子１８ｃ上の位置に集光する。
【０１３２】
【数１７】
【０１３３】
式（１７）は、常温状態に対する高温状態の場合を説明している。これに限られず、常温状態に比較して低温な状態とも同様な特性を示す。
式（１７）を展開すると、式（１８）が得られる。第２レンズ１４の材質として、式（１８）に示す条件を満足するように選定すると、温度変化時において、集光レンズ１６から出射する光は、およそミラー素子上の位置に集光する。
【０１３４】
【数１８】
ここで、
ｆ１は第２レンズ１４の焦点距離、
ｄｆ１／ｄｔは、第２レンズ１４を構成する硝材に関して、温度変化に対する屈折率変化の割合、
ｆ２は集光レンズ１６の焦点距離、
ｄｆ２／ｄｔは集光レンズ１６を構成する硝材に関して温度変化に対する屈折率変化の割合、である。
【０１３５】
また、以下の例を挙げる。
（１）集光レンズ１６を構成する硝材：Ｎ−ＦＫ５
（２）集光レンズ１６の焦点距離ｆ２＝２００ｍｍ
（３）仮に第２レンズ１４の温度変化による焦点距離の変化は無いとする：ｄｆ１／ｄｔ＝0
【０１３６】
このとき、波長１５５０ｎｍの光は、集光位置とミラー素子１８ｃの位置との、光の進行方向に対する間隔（光軸に沿った距離）であるΔＺは１４７ｎｍである。。ここで、ｄｆ１／ｄｔとは、第２レンズ１４の温度変化による焦点距離の変化を意味する。
【０１３７】
この結果を、図１９の最右端の欄に示す。
さらに、図１９は、同様に波長１５５０ｎｍの光に関して、第２レンズ１４が特性ｄｆ１／ｄｔが異なる材質により構成した場合のΔＺの値および、式（１８）の値を示している。
【０１３８】
図１９から明らかなように、式（１８）の式を満満足する特性ｄｆ１／ｄｔを有する材質および、その適切な焦点距離を選定する事により、ΔＺの値を容易に小さくできる。
【０１３９】
以上説明したように、第２レンズ１４の硝材を、所定の条件に対して最適な材料を選定する。これにより、光の集光位置に関して、ミラーアレイ１７を構成する複数のミラー素子上において、光の進行方向に対してのずれ量を無くすことができる。この結果、ミラー素子、例えばミラー素子１８ｃ上でのビームスポットを小さくできる。したがって、透過帯域の幅を大きくできる。
【０１４０】
（第３実施形態）
次に、第３の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。
図２０は、第３の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する図である。本実施形態では、上述した第１実施形態の構成、及び第２実施形態の構成を基本としている。そして、分散素子１５を図２０のような反射型のイマージョングレーティング３５で構成している点が上記第１、第２の実施形態と異なっている。
【０１４１】
第１実施形態で説明したように、分散素子１５を図１のような透過型のイマージョングレーティングで構成した場合、分散角の温度変化は、分散素子１５の回折格子のピッチが回折格子の基材が温度変化によって伸縮すること、及び／または、イマージョングレーティング１５の材質の温度による屈折率が変化することにより発生する。
【０１４２】
一方、図２０のように、分散素子を反射型のイマージョングレーティング３５で構成した場合においても同様に、温度による回折格子のピッチ変化および、イマージョングレーティング３５の材質の温度による屈折率変化の影響を受ける。特にイマージョングレーティング３５の材質がシリコンやＺＥＯＮＥＸ（登録商標）の場合、温度による屈折率変化が他のガラスなどの光学素子よりも大きい為、温度による分散角の変化も大きくなる。
【０１４３】
このように、温度によって、分散素子から出射する光の分散角Ψが大きく変化する場合においても、集光レンズ１６の温度による焦点距離の変化を利用できる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量ΔＺを略ゼロ、または小さくできる。
特に、集光レンズ１６の硝材として、温度による屈折率変化が大きいシリコンやＺＥＯＮＥＸ(登録商標）を用いる事も可能であること、また、図２１に示すように、集光レンズ３６を複数枚のレンズを用いて構成できることがずれ量ΔＺを小さくできることに大きく寄与している。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
以上のように、本発明は、使用温度に関わりなく、安定した特性を有する波長選択スイッチに適している。
【符号の説明】
【０１４５】
９ａ、９ｂ、９ｃ ビームスポット
１０ 波長選択スイッチ
１１ 入出力ポート
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 入力ポート
１１ｅ 出力ポート
１２ レンズアレイ
１３ 第１レンズ
１４ 第２レンズ
１５ 分散素子
１６ 集光レンズ
１７ ミラーアレイ
１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ ミラー素子
１９ 支柱
２０ 弾性部材
３５ イマージョングレーティング
５０ 補正プリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、激増するインターネットトラフィックを収容するため、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。そして、任意の波長を任意の方向に切り替え可能とする波長選択スイッチが注目されている。
【０００３】
図２２、図２３は、それぞれ波長選択スイッチ１００の概略構成を示す図である。図２２は、入出力ポートアレイ１１０を側面から見た図である。図２３は、波長選択スイッチ１００を上面から見た図である。
【０００４】
波長選択スイッチ１００は、入出力ポートアレイ１１０、レンズアレイ１２０、分散素子１３０、集光レンズ１４０、偏向素子１５０から構成される。入出力ポートアレイ１１０は、複数のポートにより構成される。そして、各ポートは、入力ポートまたは出力ポートとして機能する。
【０００５】
入力ポートから出射した光は、分散素子１３０により波長毎に分散される。そして、集光レンズ１４０によって、偏向素子１５０上に集光される。偏向素子１５０は、一般的に複数のＭＥＭＳミラーで構成されている。ＭＥＭＳミラーを傾ける事によって、入力ポートから出射された光は、出力ポートに入射する。ＭＥＭＳミラーに関しては、例えば、光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合、約４０個のＭＥＭＳミラーを配列する。また、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合、約８０個のＭＥＭＳミラーを配列する。
【０００６】
波長選択スイッチの性能を示す指標の１つとして、透過帯域がある。透過帯域は、各波長に対応したＭＥＭＳミラーに集光する光のビームスポット径ωと、ＭＥＭＳミラーの幅Ｗの比率（Ｗ/ω）が大きいほど、広くなる。また、透過帯域は、ＭＥＭＳミラーの位置に対するビームスポットのずれが小さいほど広くなる。
【０００７】
透過帯域（透過帯域幅）が広いと、対応可能なビットレートの上限を引き上げることが可能になる。なぜなら、高ビットレートの光はスペクトル幅が広がるが、透過帯域が広ければ、広がった分のスペクトル幅も透過帯域幅内に収まるからである。
【０００８】
また、透過帯域が広いと、波長選択スイッチを多段に接続した場合でも、帯域ずれの蓄積量が小さい。このため、波長選択スイッチの多段接続数を増やすことが可能になる。このように、波長選択スイッチの透過帯域を広くすることで、良好な伝送特性を確保することが可能である。
【０００９】
また、波長選択スイッチを構成する各要素は、温度特性を有している。初期設定時にＭＥＭＳミラー上での集光位置を、ＭＥＭＳミラー中心に集光するように一致させたとしても、使用環境等によって温度が変化すると、集光位置がＭＥＭＳミラー中心位置から変動してしまう。これにより、透過帯域幅が狭くなってしまうという問題がある。
【００１０】
使用環境等の温度変化によって、集光位置が各ＭＥＭＳミラーの中心位置から変動する現象は、波長選択スイッチを構成する部材の膨張などに起因する。部材の中でも、温度変化により最も特性の変動量が大きいのは分散素子１３０である。
【００１１】
分散素子１３０は、一般的に回折格子で構成されている。回折格子の基材は、温度によって伸縮する。そして、回折格子の溝のピッチが変化する事により生じる集光位置の変動が最も大きい。
【００１２】
図２４は、温度変化が発生し、回折格子の溝のピッチが変化し、これにより、集光位置が変動する様子を実線（通常時の光）で示す光路と破線（温度変化が発生した時の光）で示す光路と、それぞれ示している。
【００１３】
図２５は、回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成した時、溝のピッチが１ミクロン、集光レンズの焦点距離が２００ｍｍである場合の、各波長の集光位置の変動量を示している（横軸：温度、縦軸：集光位置の変動量）。
【００１４】
温度が２５℃〜７５℃に変化した場合、集光位置が１３．５〜１５．５ミクロン程度変動する事となる。ここで、集光位置のずれを補正する構成として、例えば特許文献１に示されるような、集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、その固定部材の伸縮によって、変動量を補正する構成がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２４９７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、変動量を補正したとしても、完全に補正できるのは、１つのＭＥＭＳミラーに集光する変動量のみである。
【００１７】
このため、図２５からも分かるように、集光位置の変動量は波長によって異なる。このため、全ての波長域において、集光位置のずれ（変動量）を完全に補正する事はできないという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集光レンズの温度変化による屈折率変化を用いて、集光レンズの焦点距離を変化させ、温度が変化した際に変化する分散量を補正できる波長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】
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のある態様に係る波長選択スイッチは、
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
入力部からの光を受光し、光を波長ごとに分散させる分散素子と、
波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
集光要素からの分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化が生じた場合、分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、集光レンズの温度変化による屈折率変化を用いて、集光レンズの焦点距離の変化により、温度が変化した際に変化する分散量を補正できる波長選択スイッチを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】波長選択スイッチにおける温度変化の影響を説明するための概略構成を示す側面図である。
【図２】その上面から見た構成を示す上面図である。
【図３】分散素子及び集光レンズを拡大して示す図である。
【図４】ミラーアレイの斜視構成を示す図である。
【図５】Ｘ軸方向に並んだ３つのミラー素子１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３を正面から見た図である。
【図６】周波数（横軸）と出力（縦軸）との関係を示す図である。
【図７】波長選択スイッチの常温状態における光路を示す図である。
【図８】波長選択スイッチの高温状態における光路を示す図である。
【図９】波長選択スイッチの高温状態における光路を示す他の図である。
【図１０】温度変化時に硝材により焦点距離の変化が異なる様子を示す図である。
【図１１】波長λcの光の温度変化による集光位置のずれ量を弾性部材によって補正した時、波長１５２５ｎｍの光に関する諸元値を掲げる図である。
【図１２】第１実施形態に係る波長選択スイッチにおいて、基準となる波長λcを温度変化時に補正する構成を示す図である。
【図１３】光学素子の温度変化における屈折率の変化を示す図である。
【図１４】光学素子の温度変化における屈折率の変化を示す他の図である。
【図１５】常温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１６】高温状態においてミラーアレイのミラー素子近傍に光が集光する様子の拡大図である。
【図１７】第２実施形態の常温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１８】第２実施形態の高温状態においてミラーアレイのミラー素子に光が集光する様子の拡大図である。
【図１９】波長１５５０ｎｍの光に関して、第２レンズを温度変化による焦点距離の変化特性ｄｆ１／ｄｔを有する硝材で構成した場合のΔＺの値及び式（１８）の値を示す図である。
【図２０】第３実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す図である。
【図２１】第３実施形態に係る波長選択スイッチの変形例を示す図である。
【図２２】従来の波長選択スイッチの概略構成を示す図である。
【図２３】従来の波長選択スイッチ１００の概略構成を示す図である。
【図２４】温度変化が発生し、回折格子の溝のピッチが変化し、集光位置が変動する様子を示す図である。
【図２５】回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成した場合の、各波長の集光位置の変動量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明のある態様にかかる波長選択スイッチの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態により、特許請求の範囲に記載された本発明が限定されるものではない。すなわち、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２３】
（第１実施形態）
まず、最初に、波長選択スイッチを構成する部材の温度変化による光路変化を補正する構成について説明する。これは、本実施形態の説明の前提となる構成である。その後に、本実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。
【００２４】
図１は、波長選択スイッチ１０の概略構成を示す側面図である。図２は、その上面から見た構成を示す上面図である。
【００２５】
波長選択スイッチ１０は、複数の入出力ポート１１とレンズアレイ１２、第１レンズ１３、第２レンズ１４、分散素子１５、集光レンズ１６、ミラーアレイ１７を有している。
【００２６】
図３は、図２と同様に上面から見た構成において、分散素子１５及び集光レンズ１６を拡大して示す図である。
【００２７】
まず、常温状態の波長選択スイッチ１０の形態について説明する。例えば、入出力ポート１１を構成する４つの入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、１本の出力ポート１１ｅが、出力ポート１１ｅを中心に、図１において矢印（紙面縦方向）で示す第１方向に等間隔で並んだ状態で構成されている。ここで、入出力ポート１１の本数、入力ポートと出力ポートの並び等はこの状態で限定されるものではない。
【００２８】
なお、図１では、簡略化のため、入力ポート１１ａのみ、光が入力されている様子を簡略化して示している。実際は、複数の入力ポートから、波長多重された光が入力されている。
【００２９】
レンズアレイ１２は、入出力ポート１１を構成する複数のポートにそれぞれ対応した複数のレンズを有している。それぞれの入力ポートから出射した光は、レンズアレイ１２のレンズによって、コリメートされた光となる。コリメートされた光は、第１レンズ１３に入射し、第１レンズ１３によって集光される。第１レンズ１３によって集光される光の集光位置に、複数の入力ポートからの光が交わることとなる。
【００３０】
集光された光は、集光位置を通過すると、発散して拡がりを持ったビームとなる。拡がったビームは、第２レンズ１４に入射する。第２レンズ１４の焦点距離はｆ1である。第１レンズ１３によって集光された光の集光位置と、第２レンズ１４の位置（主点位置）とは距離ｆ1だけ離れている。これにより、第２レンズ１４によって光は、ほぼコリメートされる。
【００３１】
第２レンズ１４によってコリメートされた光は、分散素子１５の方向に出射される。そして、出射した光は、分散素子１５に対して、図２において矢印で示す第２方向に、角度α1だけ傾いて入射する。
【００３２】
分散素子１５は、第２レンズ１４でコリメートされた光を、第１方向とは異なる第２方向に、波長に応じて異なる角度に分散させる。つまり、分散素子１５に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向に且つ異なった角度α２ａ〜α２ｅの角度範囲の間で進行する。なお、図２において、α２ａ・・とは、α２ａ〜α２ｅを意味している。
その角度は次式（１）で表される。
【００３３】
【数１】
【００３４】
ここで、
ｍは回折次数、
ｄは分散素子１５を構成する回折格子のピッチ、
ｎ１は分散素子１５の屈折率、
γは分散素子１５の頂角、
λは波長、をそれぞれ示している。
【００３５】
図２は、簡略化して５つの波長のみに関して、光が分散される様子を図示している。また、分散素子１５は、図１では透過型のイマージョングレーティングを例にあげて分散素子を示しているが、これに限定されるものではない。また、イマージョングレーティングである分散素子１５は、透過型および反射型グレーティングのどちらを用いても良い。
【００３６】
集光レンズ１６の焦点距離は、ｆ2である。これにより、分散素子１５により分散された各波長の光は、集光レンズ１６によって、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ（ここで、ｍ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ・・・・）上にそれぞれ集光される。
【００３７】
分散素子１５と集光レンズ１６との間隔は、焦点距離ｆ２だけ離れている事が望ましい。分散素子１５と集光レンズ１６との間隔が焦点距離ｆ２とは異なる位置に配置されると、集光レンズ１６から出射する光の角度が波長ごとに異なる。これに対して、分散素子１５と集光レンズ１６との間隔が焦点距離ｆ2と同一に設定されている場合、集光レンズ１６から出射した光は、波長ごとに一致した方向にミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍに向かって進行する。
【００３８】
そして、分散素子１５により分散された各波長の光は、ミラーアレイ１７の各波長に対応したミラー素子１８ｍ上にそれぞれ集光する。集光位置は、複数の入力ポートからの光が交わる位置である。
【００３９】
ミラーアレイ１７は、図２内において矢印で示す紙面縦方向である第２方向に、複数のミラー素子１８ｍ（図２では、ｍ＝ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの５枚のミラー素子）を有している。各ミラー素子１８ｍは少なくとも波長多重された波長の数量分だけ、第２方向に配列されている。
【００４０】
仮に、波長の数がλａ〜λｒの１８個であるとする。ミラー素子１８ｍは第２方向に１８個並んで配置される。そして、各波長のビームの第２方向の中心位置と、その波長に対応したミラー素子１８ｍの第２方向の中心が一致するように設置される。
集光レンズ１６によって集光される光の集光位置の第２方向に沿った座標軸をＸ軸とおくと、Ｘ軸は式（２）で表される。
【００４１】
【数２】
【００４２】
図４は、ミラーアレイ１７の斜視構成を示す図である。角度θは、集光レンズ１６の光軸と、分散素子１５の回折面側の法線と、のなす角である。
図４に示すように、各ミラー素子１８ｍは、それぞれのミラー素子を、Ｘθ軸まわりと、Ｙθ軸まわりとの２方向に回転できる。Ｘθ軸は、ミラー素子をＸ軸を中心に回転する軸である。Ｙθ軸は、ミラー素子をＹ軸を中心に回転する軸である。Ｘ軸は第２方向、Ｙ軸は、Ｘ軸に直交する第１方向に対応している。
【００４３】
各ミラー素子１８ｍ上に集光された光は、各ミラー素子１８ｍの反射面に対して斜めに入射する。そして、各入射した光は、ミラー素子１８ｍによって入射方向とは異なった方向に反射される。
【００４４】
図２に示すように、ミラーアレイ１７は、支柱１９と弾性部材２０を介して一端のみ固定されている。支柱１９は、ミラーアレイ１７以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、もしくは温度変化が起きても伸縮が起きない部材を介して固定されている構成である。
【００４５】
ミラーアレイ１７は、弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は長さＬ１０である。弾性部材２０の長手方向（長さＬ１０）の方向と、ミラーアレイ１７の各ミラー素子の中心位置を結んだ線とは、平行である。
【００４６】
ミラーアレイ１７の各ミラー素子１８ｍによって反射された光は、拡がりを有するビーム形状で集光レンズ１６に入射する。集光レンズ１６に入射した各波長の光は、コリメート光に変換される。変換された光は、集光レンズ１６から分散素子１５に向かって進む。各ミラー素子１８ｍの回転角が同じなので、各波長の光は分散素子１５上で一点に集まる。
【００４７】
分散素子１５によって波長多重された光は、コリメート状態を保ったまま第２レンズ１４に入射し、第２レンズ1４によって集光される。集光された光は、第１レンズ１３によって、コリメートされる。コリメートされた光は、出力ポート１１ｅに対応したレンズアレイ１２のレンズに入射し、出力ポート１１ｅに集光される。
【００４８】
図５は、Ｘ軸方向に並んだ３つのミラー素子１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３を正面から見た図である。
図５を用いて、波長選択スイッチのミラー素子と透過帯域の関係を説明する。
【００４９】
図５において、ビームスポット１６ａは、分散素子１５によって分散される。次に、集光レンズ１６によりミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ２上に集光される。
【００５０】
ビームスポット１６ａに関してみると、中央のミラー素子１８ｍ２上において、各々の波長に応じて集光位置が、ビームスポット１６ｂ、１６ｃのように、例えば図面において右方向へ変化する。
一般に、ミラー素子１８ｍ２の中心にはＩＴＵグリッド（ＩＴＵ（国際電気通信連合によって定められたグリッド規格）の波長に一致する波長のビームが集光するように構成する。
【００５１】
つまり、ビームスポット１６ａの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れるに従って、ビームスポット１６ａは、ミラー素子１８ｍ２の中心ｍｃから離れた位置に集光することになる。
【００５２】
ミラー素子を用いた波長選択スイッチの場合、分散された各波長の光がミラー素子上に集光したときに、ミラー素子端部に入射するビームスポットの一部がミラー素子からはみ出すことによって、透過率が減少する。
【００５３】
図６は、周波数（横軸）と出力（縦軸）との関係を示す図である。透過帯域をＩＴＵグリッドに対する透過率が±０．５ｄＢとなる周波数領域とすると、従来の波長選択スイッチの場合の透過帯域は、ミラー素子両端で０．５ｄＢ分のビームはみ出しが許容制限となる。
【００５４】
この場合、図５に示すように、ミラー素子幅Ｗ、分散方向のビームスポット径２ω、及び隣接するミラー素子とのミラー素子中心間隔Ｄ、のそれぞれのパラメータが決まれば透過帯域は一義的に決まることになる。
【００５５】
一般的に、波長選択スイッチ１０は、通常の常温状態において組み立てられる。ここで、上述したように、ミラー素子の中心位置に、ＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するように組み立て時の設計・調整が行われる。
【００５６】
さて、ここまでは、常温状態の波長選択スイッチ１０の形態について説明した。
ここで、波長選択スイッチは常温状態のみにおいて使用されるのではない。例えば、常温状態よりも温度の高い高温状態の環境(適宜、「高温時」という）、または常温状態よりも温度の低い低温状態の環境（適宜、「低温時」という）において使用される可能性がある。そして、温度が変化した場合であっても、ミラー素子の中心にはＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームスポットがミラー素子に集光するようにしなければならない。
次に、温度が変化した場合の波長選択スイッチについて述べる。
【００５７】
まずは、常温状態において、角度α２＝θとなる波長に着目する。仮に図７のように常温状態に角度α２=θとなる波長をλＣとする。常温状態の波長λＣの光の集光位置Ｘ２０は、次式（３）のように表すことができる。
【００５８】
【数３】
【００５９】
分散素子１５は、回折格子を用いて構成されている。図８、図９は、それぞれ高温時における光路の変化を示す図である。分散素子１５は、高温になると回折格子の基材が伸びる。これにより、回折格子の溝のピッチが変化する。さらに分散素子１５の屈折率が変化する。このため、角度α２ｃが変化する。このため、図８、図９のように高温時に角度α２ｃ’≠θとなる。
【００６０】
また、集光レンズ１６は、高温になると膨張する。これによって集光レンズ１６の形状が変化し、かつ、集光レンズ１６の材質の屈折率も変化する。このため、焦点距離ｆ２からｆ２’へと変化する。このため、高温状態の波長λＣにおける光の集光位置Ｘ７０は次式（４）のようになる。
【００６１】
【数４】
【００６２】
また、常温状態に対する高温状態の集光位置のずれ量は次式（５）で表される。
【００６３】
【数５】
【００６４】
この時、ミラーアレイ１７と接している弾性部材２０の長さが、常温状態における長さＬ１０のまま変化がなければ、つまり同じ長さであれば、図８に示すように、集光位置と、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｃとは、距離Ｘ70だけずれてしまう。
【００６５】
ここで、実際には、弾性部材２０の長さは、高温状態において長さＬ１０’に変化する。弾性部材２０の材質は、次式を満たすような線膨張係数Ｑ１０の特性を持った材質を選定している。このため、図９のように、集光位置はミラー素子１８ｃに対してずれることがない。
【００６６】
【数６】
【００６７】
式（６）において、ΔＴは、常温状態に対する高温状態との温度差を示している。式（３）〜式（６）は、常温状態に対する高温状態の場合を説明している。これに限られず、常温状態に対する低温状態においても同様な特性を示す。
【００６８】
このように、角度α２＝θとなる波長λＣに着目した場合、式（６）を満たすことで、光の集光位置は、ミラー素子１８ｃに対してずれることはない。
【００６９】
次に、角度α２＝θとなる波長λＣ以外の波長にも着目する。
図２５は、上述したように、回折格子の基材を線膨張係数の小さい材質である石英で構成し、溝のピッチが１ミクロン、集光レンズ１６の焦点距離が２００ｍｍである場合の各波長の光の集光位置の変動量を示している。
【００７０】
図２５からも分かるように、集光位置の変動量は、波長によって異なる。このため、波長λcの集光位置と、ミラー素子１８ｃの中心位置と、を合わせたとしても、波長λＣ以外の波長の光に関しては、集光位置と中心位置とを完全にあわせることはできない。
【００７１】
これは、分散素子１５の温度変化によって、回折格子の溝のピッチおよび屈折率が変化して、出射角α２ｃが変化したと同時に分散角Ψも変化する為である。例えば波長λａの分散素子１５から出る光の出射角をα２ａ、波長λＣの光の出射角をα２ｃとすると、波長λＣの光に対する波長λａの光の分散角Ψは次式（７）で表される。
【００７２】
【数７】
【００７３】
分散角Ψが温度変化によって、一定であれば、すなわち変化しなければ、波長λＣの集光位置と、ミラー素子１８ｃの中心位置とを合わせると、波長λＣに限らず、波長λａの光の集光位置と、ミラー素子１８ａの中心位置とも同時に合わせる事が可能である。
【００７４】
しかしながら、実際には、分散角Ψは温度によって変化してしまう。その際、仮に、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２の温度による変化がないと考えると、波長λＣの光の集光位置をミラー素子１８ｃの中心位置に合せても、波長λａの光の集光位置はそれに対応するミラー素子１８ａの中心位置からずれてしまう。波長λａと波長λＣとのミラー素子１８ｃ上での集光位置の間隔をＷとすると、間隔Ｗは次式（８）で表される。
【００７５】
【数８】
【００７６】
このように、波長λａの集光位置と、それに対応するミラー素子１８ａの中心位置とが異なってしまうのは、分散角Ψが温度によって変化するにもかかわらず、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２の温度による変化がないと仮定したからである。
【００７７】
実際には、集光レンズ１６は、温度変化によって、膨張による形状変化および、材質の屈折率の変化によって焦点距離ｆ２は変化する特性を持っている。式（９）を満たすような集光レンズ１６の材質を選定する事で、分散角Ψが変化しても、任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００７８】
図１０は、集光レンズ１６の焦点距離が２００ｍｍの場合、集光レンズ１６の材質によって、温度変化時の焦点距離の変化が異なる様子を示す図である。ここでは、図内右側に掲げる９種類の硝材について、変化の様子を示している。
【００７９】
材質によっては温度が上昇すると、焦点距離が増加すること、または減少することがある。このような材質の温度による焦点距離の変化を利用して、分散角Ψが変化した事による波長λａの光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。波長λａは任意の波長である。このため、その他の波長においても、式（９）を満たすような集光レンズ１６を用いることで、いずれの波長においても、光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００８０】
【数９】
【００８１】
次に、図１１について説明する。まず、以下のようにパラメータを定義する。
分散素子１５の温度変化前の分散角をΨ、
分散素子１５の温度変化後の分散角をΨ’、
Ｗ１＝ｆ２ｓｉｎΨ[ｍｍ]、
Ｗ２＝ｆ２’ｓｉｎΨ’[ｍｍ]、
Ｗ３＝ｆ２ｓｉｎΨ’[ｍｍ]
【００８２】
ここで、温度変化に基づく分散角Ψの変化による、ミラーアレイ１７上での、ビームスポット位置のずれ量は、｜Ｗ１−Ｗ２｜[ｍｍ]と表すことができる。
【００８３】
また、仮に、温度の変化によって、集光レンズ１６の焦点距離が、ｆ２のまま変化せず、分散角Ψのみ変化すると考えた場合、温度変化に基づく分散角Ψの変化による、ミラーアレイ１７上での、ビームスポット位置のずれ量は、｜Ｗ１−Ｗ３｜[ｍｍ]と表すことができる。
【００８４】
ここで、分散素子１５について以下の条件で構成されている場合を考える。
（１）材質：シリカ（二酸化ケイ素（SiO2）、）、
（２）形成された回折格子のピッチ：１／１０００[ｍｍ]、
（３）分散素子１５の頂角：４１度
（４）分散素子１５に入射する光の入射角α１：１７度
（５）温度の変化：２０℃から７０℃に変化する。
【００８５】
この場合、波長１５２５ｎｍと波長１５５５ｎｍとにおける分散角Ψは、それぞれ０．７５２６度から０．７５３０度に変化する。すなわち、温度の変化により、分散角Ψは、約０．０００４度変化する。
【００８６】
このとき、分散角Ψの変化によって発生するビームスポットのずれ量｜Ｗ１−Ｗ３｜は、１．５ミクロンとなる。
しかしながら、実際には、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２が２００ｍｍで材質がＮ−ＦＫ５である場合、温度が２０℃から７０℃に変化すると、集光レンズ１６の焦点距離ｆ２’は、２００．１４７ｍｍに変化する。
【００８７】
従って、温度の変化に対する、実際のビームスポットのずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は、図１１に示すように、集光レンズ１６を構成する材質よって異なる。例えば、集光レンズ１６の材質がＮ−ＦＫ５である場合では、ビームスポットずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は３．４ミクロンとなり、｜Ｗ１−Ｗ３｜よりも大きくなる。
【００８８】
これに対して、集光レンズ１６の材質がＮ−ＺＫ７である場合、ビームスポットずれ量｜Ｗ１−Ｗ２｜は０．７ミクロンとなり、｜Ｗ１−Ｗ３｜よりも小さくなる。このように適切に集光レンズ１６の硝材を選定する事により、分散角の変化によって発生するビームスポットのずれ量を、集光レンズ１６の温度による焦点距離の変化によって小さくする事が可能となる。
【００８９】
次に、基準となる波長λｃを温度変化時に補正する他の構成について説明する。なお、波長λｃを基準としたのは、常温状態において、角度α２＝θとなる波長だからである。
【００９０】
上記では、ミラーアレイ１７上に弾性部材２０と支柱１９を設置する構成としている。これに限られず、集光レンズ１６上に弾性部材と支柱とを設置する構成とすることができる。
【００９１】
集光レンズ１６は、支柱１９と弾性部材２０とを介して一端のみ固定されている。支柱１９は、集光レンズ１６以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、または温度が変化しても伸縮しない部材を介して固定されている構成である。
【００９２】
集光レンズ１６は弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は長さＬ２０を有している。弾性部材２０の長手方向（長さＬ２０に沿う方向）は、集光レンズ１６の光軸とほぼ垂直である。
【００９３】
かかる構成によっても、基準となる波長λcに関して、温度変化時に、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用できる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【００９４】
次に、基準となる波長λcを温度変化時に補正する他の構成を説明する。ミラーアレイ１７上に弾性部材２０と支柱１９を設置する構成の代わりに、分散素子１５上に弾性部材２０と支柱１９を設置することができる。
【００９５】
分散素子１５は、支柱１９と弾性部材２０を介して一端のみ当て付いている。また、分散素子１５が弾性部材２０と当て付いている面とは反対側の面から分散素子１５と弾性部材２０が常に当接するように付勢部材、例えば、ばね材を押し当てる。ばね材と支柱１９とは、ばね材の分散素子１５に押し当てている側と反対側で固定されている。
【００９６】
分散素子１５は、温度変化による弾性部材２０の伸縮により、分散素子１５が回転できるような形状の円柱である回転ガイドに固定されている。そして、回転ガイドは支柱１９の穴部に係合され、分散素子１５が回転ガイドの中心および、支柱１９の穴部の中心を軸に回転できるように構成されている。
【００９７】
支柱は分散素子１５以外の他の光学素子が一般的に固定される部材と接している構成、または温度変化が起きても伸縮が起きない部材を介して固定されている構成である。分散素子１５は、弾性部材２０と支柱１９が接している面とは反対側の面と接している。弾性部材２０は、長さＬ３０を有している。弾性部材２０の長手方向（長さＬ３０の方向）は、分散素子１５の回折面とほぼ垂直である。高温になると弾性部材２０が伸び量ΔＬだけ伸びる。伸び量ΔＬは次式（１０）で表される。
【００９８】
【数１０】
【００９９】
弾性部材が伸び量ΔＬだけ伸びると、分散素子１５は回転ガイド４４を中心に角度φだけ回転する。その回転量φは次式（１１）で表される。
【０１００】
【数１１】
【０１０１】
長さＬ４０は、回転ガイドの中心位置から分散素子１５と弾性部材２０の当て付き箇所までの距離を示している。また、基準となる波長λcの高温状態の分散素子１５からの出射角α３ｃ’は次式（１２）で表される。
【０１０２】
【数１２】
【０１０３】
分散素子１５の高温状態の入射角は、常温状態の入射角α１より、回転量φだけ小さい角度となる。従って、基準となる波長λcの高温状態の集光位置Ｘ７０は次式（１３）を満足する。ここでは、常温状態の集光位置Ｘ２０との位置ずれをなくす為に、Ｘ７０＝０となるように、最適なφの値を選定している。
【０１０４】
【数１３】
【０１０５】
基準となる波長λcを温度変化時に補正するために、このような構成を採用したときでも、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用することができる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【０１０６】
次に、基準となる波長λcを温度変化時に補正する他の構成を説明する。
図１２は、基準となる波長λcを温度変化時に補正する概略構成を示す図である。すなわち、ミラーアレイ１７上に弾性部材と支柱を設置する構成に代えて、第２レンズ１４と分散素子１５の間に補正プリズム５０を配置している。補正プリズム５０に入射する光の入射角を角度α４とし、補正プリズム５０の頂角をε、屈折率をｎ２とする。補正プリズム５０から出射する光の出射角α5は次式（１４）で表される。
【０１０７】
【数１４】
【０１０８】
従って、分散素子１５に入射する光の入射角α６は、次式（１５）のように入射角α5に回転角ηを加えた値である。
【０１０９】
【数１５】
【０１１０】
補正プリズム５０の屈折率が温度変化によって高温時にｎ２’と変化する。このため、補正プリズム５０の出射角α５は高温状態でα５’に変化する。これにより、分散素子１５の入射角α６も入射角α６’へと変化する。
【０１１１】
図１３、図１４は、光学素子の温度変化における屈折率の変化を示した図である。図から明らかなように、補正プリズム５０を構成する硝材は、その種類によって、ｄｎ／ｄｔの値が正である場合、またはｄｎ／ｄｔの値が負である場合と、様々なｄｎ／ｄｔの値を示すことがわかる。
【０１１２】
ここで、「ｄｎ／ｄｔ」は、単位温度あたりの屈折率の変化量を示すものである。温度が上昇することで、屈折率が大きくなる硝材は、ｄｎ／ｄｔは正の値をとる。温度が下降することで、屈折率が大きくなる硝材は、ｄｎ／ｄｔは負の値をとる。
【０１１３】
このように様々な補正プリズムのｄｎ／ｄｔの値を示す硝材と頂角εを選定する事で、温度によって変化する分散素子１５の入射角α6’の値を自由に変える事が可能となる。
【０１１４】
基準となる波長λｃの高温状態の集光位置Ｘ７０は、次式（１６）で示すことができる。そして、常温状態における集光位置Ｘ２０との位置ずれをなくす為に、高温状態においてもＸ７０＝0となるように、最適な入射角α６ｃ’の値を選定している。
【０１１５】
【数１６】
【０１１６】
このような、基準となる波長λcを温度変化時に補正する構成の場合でも、容易に集光レンズ１６の温度変化による焦点距離の変化を利用して、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量を合わせることができる。
【０１１７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。上述した第１実施形態の構成では、温度変化による分散角Ψの変化によるビームスポット位置のズレを、温度変化による集光レンズ１６の焦点距離の変化により補正している。
【０１１８】
これに対して、本実施形態では、後述するように第２レンズ１４焦点距離を変化させる事によって生じる集光位置の光の進行方向のずれを第２レンズ１４の温度による屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化を用いて補正する例である。
【０１１９】
上述したように、本実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１２０】
図１５、図１６は、それぞれ図１に示す構成と同様に、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍに光が集光する様子の拡大図を示している。図１５は常温状態、図１６は高温状態を、それぞれ示している。
ここで、それぞれの図には、常温状態に入射角α2=θとなる波長である波長λcの波長のみ示し、他の波長は省略して示している。
【０１２１】
図１６のように、高温状態において集光レンズ１６の焦点距離がｆ２からｆ２’へ増加する（ｆ２＜ｆ２’）。集光レンズ１６とミラーアレイ１７は、常温状態で組み立てられている。集光レンズ１６とミラーアレイ１７の間隔は常温状態の焦点距離ｆ2である。このため、高温状態においては、集光位置とミラー素子１８ｃの位置との、光の進行方向に対する間隔（光軸に沿った距離）であるΔＺだけ光の進行方向に移動する。
【０１２２】
集光位置がミラー素子からΔＺだけ移動すると、図５に示すビームスポット１６ａの径が大きくなってしまい、透過帯域の幅が小さくなってしまうという問題が起こる。
【０１２３】
図１７、図１８は、本実施形態のミラーアレイ１７に光が集光する様子の拡大図を示している。図１７は常温状態、図１８は高温状態を、それぞれ示している。それぞれの図には入射角α２＝θとなる波長であるλcの波長の光のみ示し、他の波長は省略して示している。
本実施形態では、第１実施形態と同様に、常温状態において組み立てられている。このため、本実施形態において、常温状態では第１実施形態で説明した場合と同様に光が振舞う。
【０１２４】
次に、本実施形態にかかる波長選択スイッチの高温状態おける動作説明を行う。集光レンズ１６を構成する硝材は、図１１に示す硝材のうち、温度が上昇すると焦点距離が長くなる材質を選定している。このため、本実施形態では、第２レンズ１４に関しては、温度が上昇すると、焦点距離が低下する材質を選定している。
【０１２５】
第１レンズ１３（図１７では不図示）によって集光された光は、集光位置を過ぎると光は拡がりを持ったビームとなり、第２レンズ１４に入射する。第２レンズ１４の焦点距離はｆ１である。常温状態では、光は、第２レンズ１４によって、コリメートされる。これに対して、高温状態では第２レンズ１４の焦点距離が短くなり、ｆ１’へと変化する。
【０１２６】
ここで、第１レンズ１３によって集光された光の集光位置と、第２レンズ１４の位置とは、常温状態と同様に距離ｆ１だけ離れている。このため、第２レンズ１４によってコリメートされる光は、ほんの僅かではあるが収束された光となる。高温状態では、この収束された状態を保ったままの光は、分散素子１５の方向に出射される。そして、分散素子１５に第２方向に角度α１だけ傾いて入射する。
【０１２７】
分散素子１５は、第２方向（図１７において紙面左右方向）に、波長に応じて入射光を角度分散させる。図では常温状態に入射角α2=θとなる波長であるλcの波長のみ示し、他の波長は省略して示している。しかしながら、本来、様々は波長の光が分散素子１５からそれぞれ違った角度で出射され、角度分散される。
【０１２８】
分散素子１５によって角度分散された光は、集光レンズ１６に入射する。そして、集光レンズ１６によって、ミラーアレイ１７のミラー素子１８ｍ上にそれぞれ集光される。常温状態の焦点距離と比較して、高温状態では集光レンズ１６の焦点距離がｆ2’に長くなっている。
【０１２９】
仮に、集光レンズ１６に入射する光が、完全にコリメートされた光の場合を考える。ここで、高温状態では、集光レンズ１６の焦点距離はｆ２’に変化する。このため、常温状態においてはミラー素子１８ｃ上に集光していた光は、高温状態ではミラー素子１８ｃよりも光の進行方向に進んだ位置に集光する。この理由は、集光レンズ１６とミラーアレイ１７との間の距離がｆ２’より短いｆ２である為である。
【０１３０】
実際には、高温状態において集光レンズ１６に入射する光は、完全にコリメートされてはおらず、ほんの僅か収束している。このため、集光レンズ１６へ入射した光は、焦点距離ｆ２’位置ではなく、焦点距離ｆ２’よりも、手前（集光レンズ１６側）の位置に集光する。
【０１３１】
ここで、第２レンズ１４に関して、高温状態において焦点距離が短くなるｆ１’の値を以下の式（１７）を満足するように第２レンズ１４の材質を選定する。これにより、高温状態において、集光レンズ１６へ入射した光は、およそミラー素子１８ｃ上の位置に集光する。
【０１３２】
【数１７】
【０１３３】
式（１７）は、常温状態に対する高温状態の場合を説明している。これに限られず、常温状態に比較して低温な状態とも同様な特性を示す。
式（１７）を展開すると、式（１８）が得られる。第２レンズ１４の材質として、式（１８）に示す条件を満足するように選定すると、温度変化時において、集光レンズ１６から出射する光は、およそミラー素子上の位置に集光する。
【０１３４】
【数１８】
ここで、
ｆ１は第２レンズ１４の焦点距離、
ｄｆ１／ｄｔは、第２レンズ１４を構成する硝材に関して、温度変化に対する屈折率変化の割合、
ｆ２は集光レンズ１６の焦点距離、
ｄｆ２／ｄｔは集光レンズ１６を構成する硝材に関して温度変化に対する屈折率変化の割合、である。
【０１３５】
また、以下の例を挙げる。
（１）集光レンズ１６を構成する硝材：Ｎ−ＦＫ５
（２）集光レンズ１６の焦点距離ｆ２＝２００ｍｍ
（３）仮に第２レンズ１４の温度変化による焦点距離の変化は無いとする：ｄｆ１／ｄｔ＝0
【０１３６】
このとき、波長１５５０ｎｍの光は、集光位置とミラー素子１８ｃの位置との、光の進行方向に対する間隔（光軸に沿った距離）であるΔＺは１４７ｎｍである。。ここで、ｄｆ１／ｄｔとは、第２レンズ１４の温度変化による焦点距離の変化を意味する。
【０１３７】
この結果を、図１９の最右端の欄に示す。
さらに、図１９は、同様に波長１５５０ｎｍの光に関して、第２レンズ１４が特性ｄｆ１／ｄｔが異なる材質により構成した場合のΔＺの値および、式（１８）の値を示している。
【０１３８】
図１９から明らかなように、式（１８）の式を満満足する特性ｄｆ１／ｄｔを有する材質および、その適切な焦点距離を選定する事により、ΔＺの値を容易に小さくできる。
【０１３９】
以上説明したように、第２レンズ１４の硝材を、所定の条件に対して最適な材料を選定する。これにより、光の集光位置に関して、ミラーアレイ１７を構成する複数のミラー素子上において、光の進行方向に対してのずれ量を無くすことができる。この結果、ミラー素子、例えばミラー素子１８ｃ上でのビームスポットを小さくできる。したがって、透過帯域の幅を大きくできる。
【０１４０】
（第３実施形態）
次に、第３の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。
図２０は、第３の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する図である。本実施形態では、上述した第１実施形態の構成、及び第２実施形態の構成を基本としている。そして、分散素子１５を図２０のような反射型のイマージョングレーティング３５で構成している点が上記第１、第２の実施形態と異なっている。
【０１４１】
第１実施形態で説明したように、分散素子１５を図１のような透過型のイマージョングレーティングで構成した場合、分散角の温度変化は、分散素子１５の回折格子のピッチが回折格子の基材が温度変化によって伸縮すること、及び／または、イマージョングレーティング１５の材質の温度による屈折率が変化することにより発生する。
【０１４２】
一方、図２０のように、分散素子を反射型のイマージョングレーティング３５で構成した場合においても同様に、温度による回折格子のピッチ変化および、イマージョングレーティング３５の材質の温度による屈折率変化の影響を受ける。特にイマージョングレーティング３５の材質がシリコンやＺＥＯＮＥＸ（登録商標）の場合、温度による屈折率変化が他のガラスなどの光学素子よりも大きい為、温度による分散角の変化も大きくなる。
【０１４３】
このように、温度によって、分散素子から出射する光の分散角Ψが大きく変化する場合においても、集光レンズ１６の温度による焦点距離の変化を利用できる。これにより、温度によって分散角Ψが変化した事によって生じる任意の波長の光の集光位置と、ミラー素子の位置とのずれ量ΔＺを略ゼロ、または小さくできる。
特に、集光レンズ１６の硝材として、温度による屈折率変化が大きいシリコンやＺＥＯＮＥＸ(登録商標）を用いる事も可能であること、また、図２１に示すように、集光レンズ３６を複数枚のレンズを用いて構成できることがずれ量ΔＺを小さくできることに大きく寄与している。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
以上のように、本発明は、使用温度に関わりなく、安定した特性を有する波長選択スイッチに適している。
【符号の説明】
【０１４５】
９ａ、９ｂ、９ｃ ビームスポット
１０ 波長選択スイッチ
１１ 入出力ポート
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 入力ポート
１１ｅ 出力ポート
１２ レンズアレイ
１３ 第１レンズ
１４ 第２レンズ
１５ 分散素子
１６ 集光レンズ
１７ ミラーアレイ
１８ｍ１、１８ｍ２、１８ｍ３、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ ミラー素子
１９ 支柱
２０ 弾性部材
３５ イマージョングレーティング
５０ 補正プリズム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
前記入力部からの前記光を受光し、前記光を波長ごとに分散させる分散素子と、
前記波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
前記集光要素からの前記分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
前記光偏向部材によって偏向された前記分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化が生じた場合、前記分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを前記集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
温度の変化が生じた場合、前記集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって、特定波長の集光位置のずれの発生を抑制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。
【請求項３】
前記分散素子に入射する光をほぼコリメート光に変換するコリメート要素を更に備え、
温度変化が生じた場合、前記集光要素の温度変化による焦点距離の変化によって生ずる光の進行方向に沿った方向における集光位置のずれ量を、
前記コリメート要素の温度変化による焦点距離の変化によって、前記集光要素から出射した光の集光位置のずれ量を補正す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４】
以下の式を満足す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。
ここで、
ｆ１は前記コリメート要素の焦点距離、
ｄｆ１／ｄｔは、前記コリメート要素を構成する硝材に関して、温度変化に対する屈折率変化の割合、
ｆ２は前記集光要素の焦点距離、
ｄｆ２／ｄｔは前記集光要素を構成する硝材に関して温度変化に対する屈折率変化の割合、
である。
【請求項１】
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
前記入力部からの前記光を受光し、前記光を波長ごとに分散させる分散素子と、
前記波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
前記集光要素からの前記分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
前記光偏向部材によって偏向された前記分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化が生じた場合、前記分散素子が温度変化に伴って変化する分散量によって変化するビームスポット位置ずれを前記集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって補正することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
温度の変化が生じた場合、前記集光要素の温度特性による焦点距離の変化によって、特定波長の集光位置のずれの発生を抑制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。
【請求項３】
前記分散素子に入射する光をほぼコリメート光に変換するコリメート要素を更に備え、
温度変化が生じた場合、前記集光要素の温度変化による焦点距離の変化によって生ずる光の進行方向に沿った方向における集光位置のずれ量を、
前記コリメート要素の温度変化による焦点距離の変化によって、前記集光要素から出射した光の集光位置のずれ量を補正す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４】
以下の式を満足す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。
ここで、
ｆ１は前記コリメート要素の焦点距離、
ｄｆ１／ｄｔは、前記コリメート要素を構成する硝材に関して、温度変化に対する屈折率変化の割合、
ｆ２は前記集光要素の焦点距離、
ｄｆ２／ｄｔは前記集光要素を構成する硝材に関して温度変化に対する屈折率変化の割合、
である。
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−１５０３６４（Ｐ２０１２−１５０３６４Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０２７３（Ｐ２０１１−１０２７３）
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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