波長選択スイッチ
【課題】小型化可能であり、且つ、チャネルごとの透過帯域の幅が一定な波長選択スイッチを提供すること。
【解決手段】本発明に係る波長選択スイッチは、入出力ファイバアレイと、合分波用回折格子と、集光レンズと、複数のＭＥＭＳミラーから成るＭＥＭＳミラーアレイとを備える。前記ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、隣接するＭＥＭＳミラー間の各ミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加する。前記波長選択スイッチにおいて、前記複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのＣＨに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る波長選択スイッチは、入出力ファイバアレイと、合分波用回折格子と、集光レンズと、複数のＭＥＭＳミラーから成るＭＥＭＳミラーアレイとを備える。前記ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、隣接するＭＥＭＳミラー間の各ミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加する。前記波長選択スイッチにおいて、前記複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのＣＨに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光学系を利用した波長選択スイッチに関し、具体的には、小型化可能であり且つチャネルごとの透過帯域の幅が一定な波長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、分散素子、および、偏光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、回折格子などの分散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に示す波長選択スイッチ４００は、入力ポートおよび出力ポートが所定の方向に配列された入出力ポートアレイ４１０と、入出力ポートに光信号を入出力するために偏向光を平行光に変換するｆθレンズ４２０と、ｆθレンズ４２０からの光信号のビーム断面を楕円形状にする円筒レンズ４３０と、第１のレンズ４４１、光信号を合分波する回折格子４４２、および第２のレンズ４４３からなり、円筒レンズ４３０を通して集光された断面が楕円形状の光信号をミラーアレイ４５０に等倍で投影する４ｆ光学系４４０と、複数のＭＥＭＳミラー４５１が所定の方向に沿って一列に配列されたミラーアレイ４５０とを備えており、これらがこの順番で図１中のｚ軸に沿って一列に配列されている。入出力ポートは、ｙ軸に沿った方向に配列されている。複数のＭＥＭＳミラーは、ｘ軸に沿った方向に配列されている。
【０００５】
ここで、入出力ポートアレイ４１０は、一般的に、入力ポート用の光ファイバと出力ポート用の光ファイバとが同一のブロック（固定具）に一次元的に配列されて固定されたファイバコリメータから構成されている。なお、ファイバコリメータアレイは、ファイバアレイとレンズアレイを組み合わせた構成、または、ファイバとレンズが一体化されたレンズドファイバをアレイ化した構成の何れであってもよい。
【０００６】
図１の各ＭＥＭＳミラー４５１は、図２に示すように、ｚ軸に対して直交するｘ軸およびこのｘ軸に対して直交するｙ軸回りに回動可能である。ＭＥＭＳミラー４５１は、分波された各波長の光信号を偏向させ目的のポートに任意の結合状態で結合させるための偏向素子であり、波長分散方向（θｙ方向）と、波長分散方向に垂直な方向（θｘ方向）の二方向にビームを偏向する能力を有する。波長分散方向に垂直な方向にビームを偏向するＭＥＭＳミラーの角度θｘは、ｘ軸回りの回動であって、主に結合する光ポートを選択するための角度である。一方、波長分散方向にビームを偏向する角度θｙは、ｙ軸回りの回動であって、主に結合状態を任意にする、即ち、波長選択スイッチの減衰率（ＡＴＴ:attenuation）を調整するための角度である。
【０００７】
図３に従来の波長選択スイッチの別の一例を示す（例えば、特許文献２を参照）。波長選択スイッチ１は、基板１０上に、入出力光学系を構成するコリメータアレイ１１と、入力ＷＤＭ光を波長ごとに分光するための分光光学系を構成する分光器１２と、集光光学系を構成する集光レンズ１３と、スイッチング素子であるＭＥＭＳミラーアレイユニット１４とを備える。
【０００８】
コリメータアレイ１１は、例えば、ガラス基板の一方の面に複数のコリメートレンズが形成、配列されるとともに、他方の面の複数のコリメートレンズの各々に対応する部分に光軸、即ち、コリメートレンズ中心とファイバコア中心とが一致した状態で接着や融着等によりそれぞれ接続された複数の光ファイバを備えて、構成される。コリメータアレイ１１は、入力光ファイバ１１−１からコリメートレンズへ入射した光をコリメート光に変換して分光器１２へ出力し、逆に、分光器１２からコリメートレンズへ入射したコリメート光を出力ファイバ１１−２，１１−３，１１−４のコアに集光する機能を有している。図３中のコリメータアレイ１１は、入力ポートに対応する１本の入力ファイバ１１−１と出力ポートに対応する３本の出力ファイバ１１−２，１１−３，１１−４との計４本のファイバを備え、１入力３出力のコリメータアレイとして構成されている。
【０００９】
分光器１２は、入射光を波長によって異なる方向（角度）へ反射する。分光器として一般的には回折格子が用いられる。図４は、一般的な回折格子の構成を示す拡大部分断面図である。回折格子は、ガラス基板１２０上に、平行な多数の溝を周期的に刻んだ光学素子であり、光の回折現象を利用して、一定の角度（α）で入射される複数の波長成分に対して、波長毎に異なる出射角度（β）を与えるものである。この作用により、入力ＷＤＭ光を波長ごとに分離することが可能となる。
【００１０】
ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、入力ファイバ１１−１からの入射光を出力ファイバ（１１−２，１１−３，１１−４）のいずれかへ反射させてポート切り替えを行なうためのスイッチング素子として機能する。ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、ＭＥＭＳミラーがアレイ状に配置されて構成される。ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、分光器１２により分離された１波長に対して１つのＭＥＭＳミラーが配置されるように構成される。
【００１１】
集光レンズ１３は、分光器１２により分離された１波長の光を所定のＭＥＭＳミラーに集光する。その後、集光レンズ１３は、いずれかのＭＥＭＳミラーで反射されてくる光を集光して分光器１２経由でコリメータアレイ１１へ出力する。
【００１２】
このような従来の波長選択スイッチ１において、コリメータアレイ１１の入力ファイバ１１−１を通じて入力されたＷＤＭ光は、コリメート光に変換された後、分光器１２に入射する。次いで、分光器１２に入射した光は、分光器１２にて波長毎に異なる角度で出射されて集光レンズ１３に入射する。次いで、集光レンズ１３に入射した光は、集光レンズ１３によりＭＥＭＳミラーアレイユニット１４のうちの対応するＭＥＭＳミラーに集光される。ＭＥＭＳミラーに入射して反射された光は、往路とは異なる光路で、再び集光レンズ１３および分光器１２を経由して、コリメータアレイ１１のいずれかの出力ファイバ（１１−２，１１−３，１１−４）に入射する。反射光の結合先である出力ファイバを変更する際には、個々のＭＥＭＳミラーの傾斜角を変更する。このようにして、波長単位の出力切り替えが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−２６９３号公報
【特許文献２】特許第４４４５３７３号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Marom et al. "Wavelength-Selective 1×K Switches Using Free-Space Optics and ＭＥＭＳ Micromirrors:Theory, Design, and Implementation" IEEE Journal of Lightwave Technology, Volume 23, No.4, April 2005 pp. 1620-1630
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
波長選択スイッチの性能指標の一つに透過帯域がある。波長選択スイッチの透過帯域が広いほどビットレートの上限が向上する。波長選択スイッチの透過帯域は、ミラー幅に対するビーム径の比率で決まり、ミラー幅が大きくビーム径が小さいほど透過帯域は広くなる。
【００１６】
このため、広い透過帯域を確保するためには、個々のＭＥＭＳミラーに当たる波長のビーム径をミラー幅（Ｗとする）に対してできるだけ小さくすることが必要である。また、ビームがＭＥＭＳミラーのできるだけ中央に当たるようにすることが必要である。
【００１７】
図５に、図３に示した波長選択スイッチの一部を示す。分光光学系１１２として、図４に示した回折格子を使用する。上述したように、波長選択スイッチは、回折格子により、ＷＤＭ光を波長ごとに分離した後、集光レンズ１１３で各波長の光を平行にして対応する個々のＭＥＭＳミラー１４０に当てる構造を有する。ＷＤＭ光の波長間隔をΔλ、回折格子によるＷＤＭ光の分解角度をβとすると、分光光学系１１２の波長分解能力は、ｄβ／ｄλで表され、分解角度βはβ＝Δλ・（ｄβ／ｄλ）で表される。このとき、分光光学系１１２−集光光学系１１３間の距離Ｌと、ミラーピッチ（隣接するＭＥＭＳミラー中心間の距離）Ｐとの間には、
【００１８】
【数１】
【００１９】
という関係が成立することが知られている。
【００２０】
またこのとき、異なる波長（波長間隔Δλ）が集光レンズ１１３を通過した後に出射面上で形成する空間距離（ビーム間隔）をｄｙとすると、ｄｙと波長間隔Δλとの間には、
【００２１】
【数２】
【００２２】
という関係が成立することが知られている。ここで、ｆLは集光レンズ１１３の焦点距離を、Ｎは（回折格子の溝本数）/mmを、ｍは回折次数を夫々表す。
【００２３】
（式２）から、ビーム間隔（即ち、入射光線の位置変化）ｄｙと、波長間隔（即ち、チャネルあたりの波長変化）Δλとの関係は、分散角度（β）に依存することがわかる。
【００２４】
図６に、使用波長範囲をＣバンド（1528.77〜1563.05ｎｍ）、波長間隔（Δλ）を１００ＧＨｚ、波長数を４４波長、回折格子の溝本数（Ｎ）を１２００本／ｍｍ、回折次数（ｍ）を１、入射角αを６８度、ミラーピッチ（Ｐ）を２５０μｍとした場合の計算例を示す。図６において、実線６２がチャンネル番号（波長）に対するＭＥＭＳミラーの位置（ｍｍ）を示し、破線６４がチャンネル番号に対するビーム位置（ｍｍ）を示し、一本鎖線６６がチャンネル番号に対する隣接チャンネル間ピッチ（μｍ）を示している。
【００２５】
図６からは、回折格子出射後の各波長のビーム中心位置（破線６４）が、等間隔に並ぶＭＥＭＳミラーの位置（実線６２）に対して、ずれてゆく様子が分かる。即ち、回折格子出射後、チャンネル番号＝１，２間のビーム間隔が２５０μｍとなるよう、集光レンズ１１３の焦点距離ｆLを定めた場合、チャンネル番号＝４３，４４間のビーム間隔は３４３μｍ程度まで広がることがわかる。
【００２６】
従って、図７に示すように、短波側でチャネル間ピッチが狭く、長波側でチャネル間ピッチが広くなるようにＭＥＭＳミラーアレイは設計される。図７に示すＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＭＥＭＳミラーは、分光方向に沿って配置される。ＭＥＭＳミラーアレイの構成について、短波側から長波側に進むにつれて、Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi且つＷa＜Ｗb＜Ｗc＜・・・＜Ｗiとなり、ミラーピッチ（Ｐ）、ミラー幅（Ｗ）共に広くなっていくことがわかる。
【００２７】
しかしながら、従来の波長選択スイッチの構成では、波長選択スイッチを小型化する際に、以下のような問題があった。
【００２８】
図８は、従来の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８（ａ）に示すように、波長選択スイッチの光学系は、ビームウェスト（ＢＷ）がＭＥＭＳミラー１４０上に配置されるように設計される。ここで、図８（ａ）の光学系を小型化することを検討する。さらなる小型化のために、分散能力がより向上した分光光学系（分光器）１１２、焦点距離がより短い集光レンズ１１３を使用する場合、レンズの軸外収差が大きくなり像面湾曲が発生してしまい、ビームウェストを全てのＭＥＭＳミラー１４０上に配置することができない。このため、従来の波長選択スイッチには、小型化の際、チャネルごとの透過帯域の幅が一定にならないという課題があった。
【００２９】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、小型化可能であり、且つ、チャネルごとの透過帯域の幅が一定な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】
【００３０】
本発明は、単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、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複数のチャネルで構成される光信号を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイであって、反射された光信号は、集光レンズおよび分光手段を介して出力ポートに結合するＭＥＭＳミラーアレイとを備えた波長選択スイッチであって、複数のＭＥＭＳミラーのうちの隣接するＭＥＭＳミラー間のミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加し、複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのチャネルに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする。
【００３１】
本発明の一実施形態において、複数のＭＥＭＳミラーは、ミラー幅のミラーピッチに対する比率が、短波側チャネルよりも長波側チャネルにおいて増大することを特徴とする。
【００３２】
本発明の一実施形態において、複数のＭＥＭＳミラーは、隣接するＭＥＭＳミラーとの間隙が等しくなるようなミラー幅とミラーピッチを有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の一実施形態において、集光レンズの光軸を基準としたとき、入力または出力ポート端から入力または出力ポートからの光が集光レンズに入射する位置までの距離と、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーからＭＥＭＳミラーからの光が集光レンズに入射する位置までの距離とは、該同一となることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
小型化可能であり、且つ、チャネルごとの透過帯域の幅が一定な、波長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】
【００３５】
【図１】従来の波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーの動作を説明するための図である。
【図３】従来の波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【図４】一般的な回折格子の構成を示す拡大断面図である。
【図５】従来の波長選択スイッチの、分光光学系−集光レンズ間の距離ＬとミラーピッチＰとの関係を説明するための図である。
【図６】従来の波長選択スイッチにおける各チャネルに対するＭＥＭＳミラーの中央からのビーム位置ずれ量の計算値の一例を示すグラフである。
【図７】図５に示すＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に示す図である。
【図８】従来の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９】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチにおけるＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチにおけるＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例に係る波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態に係る波長選択スイッチは、単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、入力ポートから出射された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を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイとを備える。ＭＥＭＳミラーで反射された光信号は、集光レンズおよび分光手段を介して出力ポートに結合する。
【００３８】
ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、複数のＭＥＭＳミラーは、分光手段によって分光される方向に沿って一列に配列される。図９は、本実施形態に係る波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーアレイの概略図である。ＭＥＭＳミラーアレイの構成について、短波側から長波側に進むにつれて、Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi且つＷa＜Ｗb＜Ｗc＜・・・＜Ｗiとなり、ミラーピッチ（Ｐ）、ミラー幅（Ｗ）共に広くなっていくことについては、従来の波長選択スイッチと同様である。
【００３９】
本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、図９に示すように、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有する光信号が入射することを特徴とする。
【００４０】
図９に示すように、本実施形態に係る波長選択スイッチにおいて、楕円ビームがＭＥＭＳミラーに入射している。楕円ビームの短径をＤとすると、短波側から長波側に進むにつれて、各ＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに入射する各楕円ビームの短径Ｄa，Ｄb，Ｄc，・・・，Ｄiにおいて、Ｄa＜Ｄb＜Ｄc＜・・・＜Ｄiという関係が成立している。このような関係は、波長選択スイッチの、ＭＥＭＳミラーアレイ以外の構成要素を調整することで達成される。これについては、後述する。
【００４１】
透過帯域の幅（Ｂ）とは、透過スペクトルのフラット領域を便宜的に指す用語であり、具体的に定量化するには、「０．５ｄＢ透過帯域」，「３ｄＢ透過帯域」など、基準となる透過率の低下量を示す必要がある。また、その単位は、ＣＨ間隔（例えば、１００ＧＨｚ）に対する透過帯域幅（例えば、７０ＧＨｚ）の比率を示すため、無次元量である。
【００４２】
また、ビーム径（Ｄ）とは、ＭＥＭＳミラー上に入射する信号光のビームサイズ直径を便宜的に指す用語である。なお、一般的にガウシアンビームのサイズはビーム強度がビーム中心の１３．５％に低下する地点で定義される。
【００４３】
ＭＥＭＳ波長選択スイッチの透過帯域の幅をＢとすると、Ｂ，Ｗ，Ｄの間に
【００４４】
【数３】
【００４５】
という関係が成立することが知られている（非特許文献１を参照）。ここで、Ｗはミラー幅を、Ｐは隣接ミラー間ピッチを、ＤはＭＥＭＳミラー上に照射されるビームの直径を、ηは透過帯域基準値（ｄＢ）を、夫々表す。
【００４６】
（式３）より、透過帯域の幅（Ｂ）は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるビーム径（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｐ）が小さくなるほど、またミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど、広がることがわかる。
【００４７】
図９を再び参照する。上述したように、本実施形態に係る波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＭＥＭＳミラーのミラーピッチ（Ｐ）は短波側から長波側に進むにつれて増加し（Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi）、各ＭＥＭＳミラーに入射する信号光の径（Ｄ）も短波側から長波側に進むにつれて増加する（Ｄa＜Ｄb＜Ｄc＜・・・＜Ｄi）。
【００４８】
まず、短波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。短波側のビーム径（Ｄa）はとりうるビーム径の中で最小値であり、短波側のミラーピッチ（Ｐa）もとりうるミラーピッチのなかで最小値であるため、短波側におけるビーム径比率（Ｄa／Ｐa）を考えると、分子も分母も最小値である。次に、長波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。長波側のビーム径（Ｄi）はとりうるビーム径の中で最大値であり、長波側のミラーピッチ（Ｐi）もとりうるミラーピッチのなかで最大値であるため、長波側におけるビーム径比率（Ｄi／Ｐi）を考えると、分子も分母も最大値である。
【００４９】
したがって、短波側ＣＨのビーム径比率（Ｄa／Ｐa）に比較して、長波側ＣＨのビーム径比率（Ｄi／Ｐi）が、極端に増大したり減少したりすることなく、ビーム径比率のチャネル間ばらつきを最小化できる。これは、透過帯域幅（Ｂ）が極端に減少してしまうＣＨを発生させない効果を意味している。
【００５０】
ここで比較のために、図１０に示すように、本実施形態とは異なり、最も長波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有する光信号が入射する場合を検討する。各ＭＥＭＳミラーのミラーピッチ（Ｐ）は短波側から長波側に進むにつれて増加する一方（Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi）、各ＭＥＭＳミラーに入射するビームのビーム径（Ｄ）は短波側から長波側に進むにつれて減少する（Ｄa＞Ｄb＞Ｄc＞・・・＞Ｄi）。
【００５１】
まず、短波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。短波側のビーム径（Ｄa）はとりうるビーム径の中で最大値であるが、短波側のミラーピッチ（Ｐa）はとりうるミラーピッチのなかで最小値であるため、短波側におけるビーム径比率（Ｄa／Ｐa）を考えると、とりうるビーム径比率の中で最大値となってしまう。次に、長波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。長波側のビーム径（Ｄi）はとりうるビーム径の中で最小値であるが、長波側のミラーピッチ（Ｐi）はとりうるミラーピッチのなかで最大値であるため、長波側におけるビーム径比率（Ｄi／Ｐi）を考えると、とりうるビーム径比率の中で最小値となってしまう。
【００５２】
したがって、短波側ＣＨのビーム径比率（Ｄa／Ｐa）は最大化され、長波側ＣＨのビーム径比率（Ｄi／Ｐi）は最小化されるため、長波側のＣＨでは透過帯域幅（Ｂi）を拡大できるものの、短波側のＣＨで透過帯域幅（Ｂa）が極端に減少してしまう課題を有する。
【００５３】
また、本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が、長波側ＣＨにおいて大きくなることを、別の特徴とする。上述したように、透過帯域の幅は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるビーム径（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｐ）が小さくなるほど、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど拡大できる。一般的な波長選択スイッチにおいては、ビーム径比率（Ｄ／Ｐ）はＣＨによってほとんど変化しないため、ミラー幅比率（Ｗ／Ｐ）もＣＨによって変化しないように設計される。ところが、本実施形態に係る波長選択スイッチでは、ビーム径比率（Ｄ／Ｐ）が短波側ＣＨから長波側ＣＨに向かい微増する場合が多くなる。その場合、長波側ＣＨで帯域が微減してしまうため、その帯域減少分を補うように、長波側でミラー径比率（Ｗ／Ｐ）を大きくし、全ＣＨ領域で透過帯域が減少しないようにすることが望ましい。
【００５４】
上記の具体例として、本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＣＨのミラー間ギャップ（間隙）（Ｐ−Ｗ）が一定であることを特徴とする。上述したように、透過帯域の幅（Ｂ）は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど拡大できるが、ミラー幅はミラーピッチを超えて広げることはできない。したがって、ミラー幅比率を最大化するためには、各ＣＨのミラー間ギャップ（Ｐ−Ｗ）を最小化し、ＣＨによらず一定化することが望ましい。最小化可能なギャップ量はミラーの製造方法によって異なるが、ミラー間ギャップを一定にすることは、ミラー作製時の開口部の大きさを一定にできるため、ミラー寸法精度を向上させる効果およびミラー形成時に発生する異物を低減させる効果を有し、ならびに、ミラー製造歩留まりを向上させる効果も有している。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５６】
図１１に示すように、本実施例に係る波長選択スイッチ５００は、入出力光学系５０１と、集光レンズ５０２と、反射型の分光光学系５０３と、ＭＥＭＳミラーアレイ５０４とを備える。
【００５７】
入出力光学系５０１は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートとから構成される。
【００５８】
集光レンズ５０２は、入出力光学系５０１からの信号光を屈折させ、反射型の分光光学系５０３に到達させる。また、集光レンズ５０２は、反射型の分光光学系５０３で波長分離された光信号を集光する。集光レンズとして、ダブレットレンズ、トリプレットレンズを使用することができる。
【００５９】
反射型の分光光学系５０３は、集光レンズ５０２から入射した信号光を回折し、反射する。反射型の分光光学系５０３として、透過型回折格子と反射ミラーとの組み合わせを使用することができる。
【００６０】
ＭＥＭＳミラーアレイ５０４は、複数のＭＥＭＳミラーが一列に配列されて構成される。ＭＥＭＳミラーアレイ５０４の各ＭＥＭＳミラーは、分離された１波長の光を所定の出力ポートに結合するように反射する。図１１に示すように、本実施例に係る波長選択スイッチにおいて、入出力光学系５０１は、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーより、長波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーにより近くなるように配置される。
【００６１】
本実施例に係る波長選択スイッチ５００は、図１１に示すような構成を備えることにより、入出力光線の光路と分波された光線のうち短波側の光路とは、光線群の外縁部に配置されることとなる。即ち、集光レンズ５０２の光軸を基準としたとき、入出力ポートから集光レンズ５０２までの光路は、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーから集光レンズ５０２までの光路と対称の位置にある。よって、集光レンズ５０２の光軸を基準としたとき、入出力ポートからの光路が集光レンズ５０２に入射する位置までの距離と、最も短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーからの光路が集光レンズ５０２に入射する位置までの距離とは、該同一となる。
【００６２】
このような波長選択スイッチの構成により、入出力光線と分波された光線のうち短波側の光線は、集光レンズから受ける球面収差が同程度となり、入出力光線と短波側の分波光線との収差は小さくなる。従って、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有するビームを配置しやすくなる。
【００６３】
また本実施例の応用例として、集光レンズやＭＥＭＳミラーアレイを傾斜配置させることにより、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーへの入射光線の光路差を小さくし、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有するビームを配置することもできる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 波長選択スイッチ
１０ 基板
１１ コリメータアレイ（入出力光学系）
１１−１ 入力ファイバ
１１−２，１１−３，１１−４ 出力ファイバ
１２ 分光器〔分光素子（回折格子）；分光光学系〕
１３ 集光レンズ（集光光学系）
１４ ＭＥＭＳミラーアレイユニット（スイッチング素子）
１１２ 分光器
１１３ 集光レンズ
１２０ ガラス基板
１４０ ＭＥＭＳミラー
４００ 波長選択スイッチ
４１０ 入出力ポートアレイ
４２０ ｆθレンズ
４３０ 円筒レンズ
４４０ ４ｆ光学系
４４１ 第１のレンズ
４４２ 回折格子
４４３ 第２のレンズ
４５０ ミラーアレイ
４５１ ＭＥＭＳミラー
５００ 波長選択スイッチ
５０１ 入出力光学系
５０２ 集光レンズ
５０３ 反射分光光学系
５０４ ＭＥＭＳミラーアレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光学系を利用した波長選択スイッチに関し、具体的には、小型化可能であり且つチャネルごとの透過帯域の幅が一定な波長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、分散素子、および、偏光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、回折格子などの分散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に示す波長選択スイッチ４００は、入力ポートおよび出力ポートが所定の方向に配列された入出力ポートアレイ４１０と、入出力ポートに光信号を入出力するために偏向光を平行光に変換するｆθレンズ４２０と、ｆθレンズ４２０からの光信号のビーム断面を楕円形状にする円筒レンズ４３０と、第１のレンズ４４１、光信号を合分波する回折格子４４２、および第２のレンズ４４３からなり、円筒レンズ４３０を通して集光された断面が楕円形状の光信号をミラーアレイ４５０に等倍で投影する４ｆ光学系４４０と、複数のＭＥＭＳミラー４５１が所定の方向に沿って一列に配列されたミラーアレイ４５０とを備えており、これらがこの順番で図１中のｚ軸に沿って一列に配列されている。入出力ポートは、ｙ軸に沿った方向に配列されている。複数のＭＥＭＳミラーは、ｘ軸に沿った方向に配列されている。
【０００５】
ここで、入出力ポートアレイ４１０は、一般的に、入力ポート用の光ファイバと出力ポート用の光ファイバとが同一のブロック（固定具）に一次元的に配列されて固定されたファイバコリメータから構成されている。なお、ファイバコリメータアレイは、ファイバアレイとレンズアレイを組み合わせた構成、または、ファイバとレンズが一体化されたレンズドファイバをアレイ化した構成の何れであってもよい。
【０００６】
図１の各ＭＥＭＳミラー４５１は、図２に示すように、ｚ軸に対して直交するｘ軸およびこのｘ軸に対して直交するｙ軸回りに回動可能である。ＭＥＭＳミラー４５１は、分波された各波長の光信号を偏向させ目的のポートに任意の結合状態で結合させるための偏向素子であり、波長分散方向（θｙ方向）と、波長分散方向に垂直な方向（θｘ方向）の二方向にビームを偏向する能力を有する。波長分散方向に垂直な方向にビームを偏向するＭＥＭＳミラーの角度θｘは、ｘ軸回りの回動であって、主に結合する光ポートを選択するための角度である。一方、波長分散方向にビームを偏向する角度θｙは、ｙ軸回りの回動であって、主に結合状態を任意にする、即ち、波長選択スイッチの減衰率（ＡＴＴ:attenuation）を調整するための角度である。
【０００７】
図３に従来の波長選択スイッチの別の一例を示す（例えば、特許文献２を参照）。波長選択スイッチ１は、基板１０上に、入出力光学系を構成するコリメータアレイ１１と、入力ＷＤＭ光を波長ごとに分光するための分光光学系を構成する分光器１２と、集光光学系を構成する集光レンズ１３と、スイッチング素子であるＭＥＭＳミラーアレイユニット１４とを備える。
【０００８】
コリメータアレイ１１は、例えば、ガラス基板の一方の面に複数のコリメートレンズが形成、配列されるとともに、他方の面の複数のコリメートレンズの各々に対応する部分に光軸、即ち、コリメートレンズ中心とファイバコア中心とが一致した状態で接着や融着等によりそれぞれ接続された複数の光ファイバを備えて、構成される。コリメータアレイ１１は、入力光ファイバ１１−１からコリメートレンズへ入射した光をコリメート光に変換して分光器１２へ出力し、逆に、分光器１２からコリメートレンズへ入射したコリメート光を出力ファイバ１１−２，１１−３，１１−４のコアに集光する機能を有している。図３中のコリメータアレイ１１は、入力ポートに対応する１本の入力ファイバ１１−１と出力ポートに対応する３本の出力ファイバ１１−２，１１−３，１１−４との計４本のファイバを備え、１入力３出力のコリメータアレイとして構成されている。
【０００９】
分光器１２は、入射光を波長によって異なる方向（角度）へ反射する。分光器として一般的には回折格子が用いられる。図４は、一般的な回折格子の構成を示す拡大部分断面図である。回折格子は、ガラス基板１２０上に、平行な多数の溝を周期的に刻んだ光学素子であり、光の回折現象を利用して、一定の角度（α）で入射される複数の波長成分に対して、波長毎に異なる出射角度（β）を与えるものである。この作用により、入力ＷＤＭ光を波長ごとに分離することが可能となる。
【００１０】
ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、入力ファイバ１１−１からの入射光を出力ファイバ（１１−２，１１−３，１１−４）のいずれかへ反射させてポート切り替えを行なうためのスイッチング素子として機能する。ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、ＭＥＭＳミラーがアレイ状に配置されて構成される。ＭＥＭＳミラーアレイユニット１４は、分光器１２により分離された１波長に対して１つのＭＥＭＳミラーが配置されるように構成される。
【００１１】
集光レンズ１３は、分光器１２により分離された１波長の光を所定のＭＥＭＳミラーに集光する。その後、集光レンズ１３は、いずれかのＭＥＭＳミラーで反射されてくる光を集光して分光器１２経由でコリメータアレイ１１へ出力する。
【００１２】
このような従来の波長選択スイッチ１において、コリメータアレイ１１の入力ファイバ１１−１を通じて入力されたＷＤＭ光は、コリメート光に変換された後、分光器１２に入射する。次いで、分光器１２に入射した光は、分光器１２にて波長毎に異なる角度で出射されて集光レンズ１３に入射する。次いで、集光レンズ１３に入射した光は、集光レンズ１３によりＭＥＭＳミラーアレイユニット１４のうちの対応するＭＥＭＳミラーに集光される。ＭＥＭＳミラーに入射して反射された光は、往路とは異なる光路で、再び集光レンズ１３および分光器１２を経由して、コリメータアレイ１１のいずれかの出力ファイバ（１１−２，１１−３，１１−４）に入射する。反射光の結合先である出力ファイバを変更する際には、個々のＭＥＭＳミラーの傾斜角を変更する。このようにして、波長単位の出力切り替えが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−２６９３号公報
【特許文献２】特許第４４４５３７３号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Marom et al. "Wavelength-Selective 1×K Switches Using Free-Space Optics and ＭＥＭＳ Micromirrors:Theory, Design, and Implementation" IEEE Journal of Lightwave Technology, Volume 23, No.4, April 2005 pp. 1620-1630
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
波長選択スイッチの性能指標の一つに透過帯域がある。波長選択スイッチの透過帯域が広いほどビットレートの上限が向上する。波長選択スイッチの透過帯域は、ミラー幅に対するビーム径の比率で決まり、ミラー幅が大きくビーム径が小さいほど透過帯域は広くなる。
【００１６】
このため、広い透過帯域を確保するためには、個々のＭＥＭＳミラーに当たる波長のビーム径をミラー幅（Ｗとする）に対してできるだけ小さくすることが必要である。また、ビームがＭＥＭＳミラーのできるだけ中央に当たるようにすることが必要である。
【００１７】
図５に、図３に示した波長選択スイッチの一部を示す。分光光学系１１２として、図４に示した回折格子を使用する。上述したように、波長選択スイッチは、回折格子により、ＷＤＭ光を波長ごとに分離した後、集光レンズ１１３で各波長の光を平行にして対応する個々のＭＥＭＳミラー１４０に当てる構造を有する。ＷＤＭ光の波長間隔をΔλ、回折格子によるＷＤＭ光の分解角度をβとすると、分光光学系１１２の波長分解能力は、ｄβ／ｄλで表され、分解角度βはβ＝Δλ・（ｄβ／ｄλ）で表される。このとき、分光光学系１１２−集光光学系１１３間の距離Ｌと、ミラーピッチ（隣接するＭＥＭＳミラー中心間の距離）Ｐとの間には、
【００１８】
【数１】
【００１９】
という関係が成立することが知られている。
【００２０】
またこのとき、異なる波長（波長間隔Δλ）が集光レンズ１１３を通過した後に出射面上で形成する空間距離（ビーム間隔）をｄｙとすると、ｄｙと波長間隔Δλとの間には、
【００２１】
【数２】
【００２２】
という関係が成立することが知られている。ここで、ｆLは集光レンズ１１３の焦点距離を、Ｎは（回折格子の溝本数）/mmを、ｍは回折次数を夫々表す。
【００２３】
（式２）から、ビーム間隔（即ち、入射光線の位置変化）ｄｙと、波長間隔（即ち、チャネルあたりの波長変化）Δλとの関係は、分散角度（β）に依存することがわかる。
【００２４】
図６に、使用波長範囲をＣバンド（1528.77〜1563.05ｎｍ）、波長間隔（Δλ）を１００ＧＨｚ、波長数を４４波長、回折格子の溝本数（Ｎ）を１２００本／ｍｍ、回折次数（ｍ）を１、入射角αを６８度、ミラーピッチ（Ｐ）を２５０μｍとした場合の計算例を示す。図６において、実線６２がチャンネル番号（波長）に対するＭＥＭＳミラーの位置（ｍｍ）を示し、破線６４がチャンネル番号に対するビーム位置（ｍｍ）を示し、一本鎖線６６がチャンネル番号に対する隣接チャンネル間ピッチ（μｍ）を示している。
【００２５】
図６からは、回折格子出射後の各波長のビーム中心位置（破線６４）が、等間隔に並ぶＭＥＭＳミラーの位置（実線６２）に対して、ずれてゆく様子が分かる。即ち、回折格子出射後、チャンネル番号＝１，２間のビーム間隔が２５０μｍとなるよう、集光レンズ１１３の焦点距離ｆLを定めた場合、チャンネル番号＝４３，４４間のビーム間隔は３４３μｍ程度まで広がることがわかる。
【００２６】
従って、図７に示すように、短波側でチャネル間ピッチが狭く、長波側でチャネル間ピッチが広くなるようにＭＥＭＳミラーアレイは設計される。図７に示すＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＭＥＭＳミラーは、分光方向に沿って配置される。ＭＥＭＳミラーアレイの構成について、短波側から長波側に進むにつれて、Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi且つＷa＜Ｗb＜Ｗc＜・・・＜Ｗiとなり、ミラーピッチ（Ｐ）、ミラー幅（Ｗ）共に広くなっていくことがわかる。
【００２７】
しかしながら、従来の波長選択スイッチの構成では、波長選択スイッチを小型化する際に、以下のような問題があった。
【００２８】
図８は、従来の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８（ａ）に示すように、波長選択スイッチの光学系は、ビームウェスト（ＢＷ）がＭＥＭＳミラー１４０上に配置されるように設計される。ここで、図８（ａ）の光学系を小型化することを検討する。さらなる小型化のために、分散能力がより向上した分光光学系（分光器）１１２、焦点距離がより短い集光レンズ１１３を使用する場合、レンズの軸外収差が大きくなり像面湾曲が発生してしまい、ビームウェストを全てのＭＥＭＳミラー１４０上に配置することができない。このため、従来の波長選択スイッチには、小型化の際、チャネルごとの透過帯域の幅が一定にならないという課題があった。
【００２９】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、小型化可能であり、且つ、チャネルごとの透過帯域の幅が一定な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】
【００３０】
本発明は、単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、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複数のチャネルで構成される光信号を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイであって、反射された光信号は、集光レンズおよび分光手段を介して出力ポートに結合するＭＥＭＳミラーアレイとを備えた波長選択スイッチであって、複数のＭＥＭＳミラーのうちの隣接するＭＥＭＳミラー間のミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加し、複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのチャネルに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする。
【００３１】
本発明の一実施形態において、複数のＭＥＭＳミラーは、ミラー幅のミラーピッチに対する比率が、短波側チャネルよりも長波側チャネルにおいて増大することを特徴とする。
【００３２】
本発明の一実施形態において、複数のＭＥＭＳミラーは、隣接するＭＥＭＳミラーとの間隙が等しくなるようなミラー幅とミラーピッチを有することを特徴とする。
【００３３】
本発明の一実施形態において、集光レンズの光軸を基準としたとき、入力または出力ポート端から入力または出力ポートからの光が集光レンズに入射する位置までの距離と、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーからＭＥＭＳミラーからの光が集光レンズに入射する位置までの距離とは、該同一となることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
小型化可能であり、且つ、チャネルごとの透過帯域の幅が一定な、波長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】
【００３５】
【図１】従来の波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーの動作を説明するための図である。
【図３】従来の波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【図４】一般的な回折格子の構成を示す拡大断面図である。
【図５】従来の波長選択スイッチの、分光光学系−集光レンズ間の距離ＬとミラーピッチＰとの関係を説明するための図である。
【図６】従来の波長選択スイッチにおける各チャネルに対するＭＥＭＳミラーの中央からのビーム位置ずれ量の計算値の一例を示すグラフである。
【図７】図５に示すＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に示す図である。
【図８】従来の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９】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチにおけるＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る波長選択スイッチにおけるＭＥＭＳミラーアレイの配置例を模式的に説明するための図である。
【図１１】本発明の実施例に係る波長選択スイッチの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態に係る波長選択スイッチは、単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、入力ポートから出射された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を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイとを備える。ＭＥＭＳミラーで反射された光信号は、集光レンズおよび分光手段を介して出力ポートに結合する。
【００３８】
ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、複数のＭＥＭＳミラーは、分光手段によって分光される方向に沿って一列に配列される。図９は、本実施形態に係る波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーアレイの概略図である。ＭＥＭＳミラーアレイの構成について、短波側から長波側に進むにつれて、Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi且つＷa＜Ｗb＜Ｗc＜・・・＜Ｗiとなり、ミラーピッチ（Ｐ）、ミラー幅（Ｗ）共に広くなっていくことについては、従来の波長選択スイッチと同様である。
【００３９】
本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、図９に示すように、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有する光信号が入射することを特徴とする。
【００４０】
図９に示すように、本実施形態に係る波長選択スイッチにおいて、楕円ビームがＭＥＭＳミラーに入射している。楕円ビームの短径をＤとすると、短波側から長波側に進むにつれて、各ＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに入射する各楕円ビームの短径Ｄa，Ｄb，Ｄc，・・・，Ｄiにおいて、Ｄa＜Ｄb＜Ｄc＜・・・＜Ｄiという関係が成立している。このような関係は、波長選択スイッチの、ＭＥＭＳミラーアレイ以外の構成要素を調整することで達成される。これについては、後述する。
【００４１】
透過帯域の幅（Ｂ）とは、透過スペクトルのフラット領域を便宜的に指す用語であり、具体的に定量化するには、「０．５ｄＢ透過帯域」，「３ｄＢ透過帯域」など、基準となる透過率の低下量を示す必要がある。また、その単位は、ＣＨ間隔（例えば、１００ＧＨｚ）に対する透過帯域幅（例えば、７０ＧＨｚ）の比率を示すため、無次元量である。
【００４２】
また、ビーム径（Ｄ）とは、ＭＥＭＳミラー上に入射する信号光のビームサイズ直径を便宜的に指す用語である。なお、一般的にガウシアンビームのサイズはビーム強度がビーム中心の１３．５％に低下する地点で定義される。
【００４３】
ＭＥＭＳ波長選択スイッチの透過帯域の幅をＢとすると、Ｂ，Ｗ，Ｄの間に
【００４４】
【数３】
【００４５】
という関係が成立することが知られている（非特許文献１を参照）。ここで、Ｗはミラー幅を、Ｐは隣接ミラー間ピッチを、ＤはＭＥＭＳミラー上に照射されるビームの直径を、ηは透過帯域基準値（ｄＢ）を、夫々表す。
【００４６】
（式３）より、透過帯域の幅（Ｂ）は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるビーム径（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｐ）が小さくなるほど、またミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど、広がることがわかる。
【００４７】
図９を再び参照する。上述したように、本実施形態に係る波長選択スイッチのＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＭＥＭＳミラーのミラーピッチ（Ｐ）は短波側から長波側に進むにつれて増加し（Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi）、各ＭＥＭＳミラーに入射する信号光の径（Ｄ）も短波側から長波側に進むにつれて増加する（Ｄa＜Ｄb＜Ｄc＜・・・＜Ｄi）。
【００４８】
まず、短波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。短波側のビーム径（Ｄa）はとりうるビーム径の中で最小値であり、短波側のミラーピッチ（Ｐa）もとりうるミラーピッチのなかで最小値であるため、短波側におけるビーム径比率（Ｄa／Ｐa）を考えると、分子も分母も最小値である。次に、長波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。長波側のビーム径（Ｄi）はとりうるビーム径の中で最大値であり、長波側のミラーピッチ（Ｐi）もとりうるミラーピッチのなかで最大値であるため、長波側におけるビーム径比率（Ｄi／Ｐi）を考えると、分子も分母も最大値である。
【００４９】
したがって、短波側ＣＨのビーム径比率（Ｄa／Ｐa）に比較して、長波側ＣＨのビーム径比率（Ｄi／Ｐi）が、極端に増大したり減少したりすることなく、ビーム径比率のチャネル間ばらつきを最小化できる。これは、透過帯域幅（Ｂ）が極端に減少してしまうＣＨを発生させない効果を意味している。
【００５０】
ここで比較のために、図１０に示すように、本実施形態とは異なり、最も長波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有する光信号が入射する場合を検討する。各ＭＥＭＳミラーのミラーピッチ（Ｐ）は短波側から長波側に進むにつれて増加する一方（Ｐa＜Ｐb＜Ｐc＜・・・＜Ｐi）、各ＭＥＭＳミラーに入射するビームのビーム径（Ｄ）は短波側から長波側に進むにつれて減少する（Ｄa＞Ｄb＞Ｄc＞・・・＞Ｄi）。
【００５１】
まず、短波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。短波側のビーム径（Ｄa）はとりうるビーム径の中で最大値であるが、短波側のミラーピッチ（Ｐa）はとりうるミラーピッチのなかで最小値であるため、短波側におけるビーム径比率（Ｄa／Ｐa）を考えると、とりうるビーム径比率の中で最大値となってしまう。次に、長波側ＣＨのビーム径とミラーピッチについて注目する。長波側のビーム径（Ｄi）はとりうるビーム径の中で最小値であるが、長波側のミラーピッチ（Ｐi）はとりうるミラーピッチのなかで最大値であるため、長波側におけるビーム径比率（Ｄi／Ｐi）を考えると、とりうるビーム径比率の中で最小値となってしまう。
【００５２】
したがって、短波側ＣＨのビーム径比率（Ｄa／Ｐa）は最大化され、長波側ＣＨのビーム径比率（Ｄi／Ｐi）は最小化されるため、長波側のＣＨでは透過帯域幅（Ｂi）を拡大できるものの、短波側のＣＨで透過帯域幅（Ｂa）が極端に減少してしまう課題を有する。
【００５３】
また、本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が、長波側ＣＨにおいて大きくなることを、別の特徴とする。上述したように、透過帯域の幅は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるビーム径（Ｄ）の比率（Ｄ／Ｐ）が小さくなるほど、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど拡大できる。一般的な波長選択スイッチにおいては、ビーム径比率（Ｄ／Ｐ）はＣＨによってほとんど変化しないため、ミラー幅比率（Ｗ／Ｐ）もＣＨによって変化しないように設計される。ところが、本実施形態に係る波長選択スイッチでは、ビーム径比率（Ｄ／Ｐ）が短波側ＣＨから長波側ＣＨに向かい微増する場合が多くなる。その場合、長波側ＣＨで帯域が微減してしまうため、その帯域減少分を補うように、長波側でミラー径比率（Ｗ／Ｐ）を大きくし、全ＣＨ領域で透過帯域が減少しないようにすることが望ましい。
【００５４】
上記の具体例として、本実施形態に係る波長選択スイッチは、ＭＥＭＳミラーアレイにおいて、各ＣＨのミラー間ギャップ（間隙）（Ｐ−Ｗ）が一定であることを特徴とする。上述したように、透過帯域の幅（Ｂ）は、ミラーピッチ（Ｐ）に占めるミラー幅（Ｗ）の比率（Ｗ／Ｐ）が大きくなるほど拡大できるが、ミラー幅はミラーピッチを超えて広げることはできない。したがって、ミラー幅比率を最大化するためには、各ＣＨのミラー間ギャップ（Ｐ−Ｗ）を最小化し、ＣＨによらず一定化することが望ましい。最小化可能なギャップ量はミラーの製造方法によって異なるが、ミラー間ギャップを一定にすることは、ミラー作製時の開口部の大きさを一定にできるため、ミラー寸法精度を向上させる効果およびミラー形成時に発生する異物を低減させる効果を有し、ならびに、ミラー製造歩留まりを向上させる効果も有している。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５６】
図１１に示すように、本実施例に係る波長選択スイッチ５００は、入出力光学系５０１と、集光レンズ５０２と、反射型の分光光学系５０３と、ＭＥＭＳミラーアレイ５０４とを備える。
【００５７】
入出力光学系５０１は、少なくとも１つの入力ポートと、複数の出力ポートとから構成される。
【００５８】
集光レンズ５０２は、入出力光学系５０１からの信号光を屈折させ、反射型の分光光学系５０３に到達させる。また、集光レンズ５０２は、反射型の分光光学系５０３で波長分離された光信号を集光する。集光レンズとして、ダブレットレンズ、トリプレットレンズを使用することができる。
【００５９】
反射型の分光光学系５０３は、集光レンズ５０２から入射した信号光を回折し、反射する。反射型の分光光学系５０３として、透過型回折格子と反射ミラーとの組み合わせを使用することができる。
【００６０】
ＭＥＭＳミラーアレイ５０４は、複数のＭＥＭＳミラーが一列に配列されて構成される。ＭＥＭＳミラーアレイ５０４の各ＭＥＭＳミラーは、分離された１波長の光を所定の出力ポートに結合するように反射する。図１１に示すように、本実施例に係る波長選択スイッチにおいて、入出力光学系５０１は、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーより、長波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーにより近くなるように配置される。
【００６１】
本実施例に係る波長選択スイッチ５００は、図１１に示すような構成を備えることにより、入出力光線の光路と分波された光線のうち短波側の光路とは、光線群の外縁部に配置されることとなる。即ち、集光レンズ５０２の光軸を基準としたとき、入出力ポートから集光レンズ５０２までの光路は、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーから集光レンズ５０２までの光路と対称の位置にある。よって、集光レンズ５０２の光軸を基準としたとき、入出力ポートからの光路が集光レンズ５０２に入射する位置までの距離と、最も短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーからの光路が集光レンズ５０２に入射する位置までの距離とは、該同一となる。
【００６２】
このような波長選択スイッチの構成により、入出力光線と分波された光線のうち短波側の光線は、集光レンズから受ける球面収差が同程度となり、入出力光線と短波側の分波光線との収差は小さくなる。従って、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有するビームを配置しやすくなる。
【００６３】
また本実施例の応用例として、集光レンズやＭＥＭＳミラーアレイを傾斜配置させることにより、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーへの入射光線の光路差を小さくし、短波側のＣＨに対応するＭＥＭＳミラーに最も狭いビーム径を有するビームを配置することもできる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 波長選択スイッチ
１０ 基板
１１ コリメータアレイ（入出力光学系）
１１−１ 入力ファイバ
１１−２，１１−３，１１−４ 出力ファイバ
１２ 分光器〔分光素子（回折格子）；分光光学系〕
１３ 集光レンズ（集光光学系）
１４ ＭＥＭＳミラーアレイユニット（スイッチング素子）
１１２ 分光器
１１３ 集光レンズ
１２０ ガラス基板
１４０ ＭＥＭＳミラー
４００ 波長選択スイッチ
４１０ 入出力ポートアレイ
４２０ ｆθレンズ
４３０ 円筒レンズ
４４０ ４ｆ光学系
４４１ 第１のレンズ
４４２ 回折格子
４４３ 第２のレンズ
４５０ ミラーアレイ
４５１ ＭＥＭＳミラー
５００ 波長選択スイッチ
５０１ 入出力光学系
５０２ 集光レンズ
５０３ 反射分光光学系
５０４ ＭＥＭＳミラーアレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、
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複数のチャネルで構成される光信号を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイであって、反射された光信号は、前記集光レンズおよび前記分光手段を介して前記出力ポートに結合するＭＥＭＳミラーアレイと
を備えた波長選択スイッチであって、
前記複数のＭＥＭＳミラーのうちの隣接するＭＥＭＳミラー間のミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加し、
前記複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのチャネルに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記複数のＭＥＭＳミラーは、ミラー幅のミラーピッチに対する比率が、短波側チャネルよりも長波側チャネルにおいて増大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】
前記複数のＭＥＭＳミラーは、隣接するＭＥＭＳミラーとの間隙が等しくなるようなミラー幅とミラーピッチを有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４】
前記集光レンズの光軸を基準としたとき、前記入力または出力ポート端から当該入力または出力ポートからの光が前記集光レンズに入射する位置までの距離と、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーから当該ＭＥＭＳミラーからの光が前記集光レンズに入射する位置までの距離とは、該同一となることを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【請求項１】
単一入力ポートおよび複数の出力ポートまたは単一出力ポートおよび複数の入力ポートと、
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複数のチャネルで構成される光信号を反射する複数のＭＥＭＳミラーから構成されたＭＥＭＳミラーアレイであって、反射された光信号は、前記集光レンズおよび前記分光手段を介して前記出力ポートに結合するＭＥＭＳミラーアレイと
を備えた波長選択スイッチであって、
前記複数のＭＥＭＳミラーのうちの隣接するＭＥＭＳミラー間のミラーピッチは、波長分散方向に沿って短波側から長波側へ進むにつれて増加し、
前記複数のＭＥＭＳミラーのうち最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径は、他の全てのチャネルに対応する複数のＭＥＭＳミラー上に入射した信号光の径より小さいことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記複数のＭＥＭＳミラーは、ミラー幅のミラーピッチに対する比率が、短波側チャネルよりも長波側チャネルにおいて増大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】
前記複数のＭＥＭＳミラーは、隣接するＭＥＭＳミラーとの間隙が等しくなるようなミラー幅とミラーピッチを有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４】
前記集光レンズの光軸を基準としたとき、前記入力または出力ポート端から当該入力または出力ポートからの光が前記集光レンズに入射する位置までの距離と、最も短波側のチャネルに対応するＭＥＭＳミラーから当該ＭＥＭＳミラーからの光が前記集光レンズに入射する位置までの距離とは、該同一となることを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−８８６１８（Ｐ２０１３−８８６１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９０６８（Ｐ２０１１−２２９０６８）
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【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５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１８日（２０１１．１０．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]