JP2009168840A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳミラーを用いない、レイアウトが容易な、信頼性及び安定性の高い波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】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Ｍ個（Ｍは２以上の整数）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入力Ｍ出力の波長選択スイッチにおいて、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ＡＷＧと、波長毎に分光された光信号を各々に集光するレンズ４０と、集光された光信号の各々に対し位相差を与え進行方向を変化させる反射型の液晶位相変調素子２００とを含む。
【選択図】図５

Description

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。

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。

従来、ＭＥＭＳミラーアレイを用いたＷＳＳが知られている。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において光軸に対して左右の方向にミラーを振ることにより、同一基板上の他のＡＷＧに入力することが可能である。

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に対して上下の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。

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。

また、従来、バルク回折格子と液晶装置を用いたＷＳＳが知られている。図３及び４は、そのようなバルク回折格子と液晶装置を用いたＷＳＳの構成を示す図である。図３はＷＳＳの斜視図であり、図４はＷＳＳの断面図である。入出力ファイバアレイ１０１〜１１０からの光は、球面鏡１１２で反されコリメートされて、回折格子１４へ入射する。回折格子１１４へ入射した光は、波長に応じた出射角度で反射され、レンズ１１３及び球面鏡１１２を介して反射型の液晶装置１１５へ入射する。液晶装置１１５は回折格子として機能して、液晶装置１１５へ入射した光の反射後の進行方向を変化させる。液晶装置１１５により反射された光は、球面鏡１１２、レンズ１１３及び回折格子１１４を介して、入出力ファイバアレイ１０１〜１１０へ戻る。したがって、液晶装置１１５の回折次数を制御することにより、光を所望の入出力ファイバアレイへ入射することができるＷＳＳとして機能する。

ヘクト著、ヘクト光学II，２００４年９月，ｐ８８，ｐ２４７

しかしながら、従来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。

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。

また、図３の波長選択スイッチでは、入出力ファイバアレイを精度よく３次元的にレイアウトすることが困難であるという問題があった。

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。また、レイアウトが容易な波長選択スイッチを提供することを目的とする。また、信頼性及び安定性の高い波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明の波長選択スイッチは上記の課題を解決するために、ＭＥＭＳミラーを用いずに、作製プロセスにおけるマスク精度で正確にレイアウトされたＡＷＧと反射型の液晶位相変調素子とを用いて構成される。

本発明に係る波長選択スイッチは、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Ｍ個（Ｍは２以上の整数）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Ｍ個の出力ポートを有する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入力アレイ導波路回折格子と、前記入力アレイ導波路回折格子により波長毎に分光された光信号を各々に集光するレンズと、前記レンズにより集光された光信号の各々に対し位相差を与えて前記所望の出力ポートに対応させるように進行方向を変化させる液晶位相変調素子とを含む。

一実施形態では、液晶位相変調素子は、基板の上に液晶駆動回路、反射ミラー及び液晶が順次積層された素子とすることができる。

また、一実施形態では、波長選択スイッチは、入力アレイ導波路回折格子が配置された基板と同一基板上に、異なる波長の複数の光信号を合流して前記出力ポートから出力する出力アレイ導波路回折格子を複数配置し、液晶位相変調手段が光信号の各々に対し位相差を与え当該平面に水平な面内の方向に進行方向を変化させるように構成することができる。

さらに、一実施形態では、波長選択スイッチは、入力アレイ導波路回折格子が配置された基板と互いに平行に重ねられた基板上に、各々が異なる波長の複数の光信号を合流して出力ポートから出力する出力アレイ導波路回折格子を複数配置し、液晶位相変調手段が光信号の各々に対し位相差を与え当該平面に水平な面内の方向および／または平面に垂直な面内の方向に進行方向を変化させるように構成することができる。

上記のように、本発明によれば、作製プロセスにおけるマスク精度で正確にレイアウトされたＡＷＧと反射型の液晶位相変調素子とを用いることで、ＭＥＭＳミラーを用いない、レイアウトが容易な、信頼性及び安定性の高い波長選択スイッチを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図５は、本発明の、第１の実施形態の波長選択スイッチＷＳＳの概略構成を説明するための図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。

本実施形態の波長選択スイッチは、各々が入力ポートまたは出力ポートとなり得る光導波路を有する複数のＡＷＧが配置されたＰＬＣ１０と、シリンドリカルレンズ２０と、図示しない複屈折結晶（偏波分離結晶）を含む偏光分離部と、シリンドリカルレンズ（主レンズ）４０と、液晶位相変調素子２００とを備える。

本実施形態のＷＳＳでは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含むＰＬＣ１０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１１、スラブ導波路１２、アレイ導波路１４からなるＡＷＧを複数構成している。この基板をＰＬＣ基板と呼ぶ。このＡＷＧについては、アレイ導波路１４の右側の基板端にスラブ導波路を含んでも含まなくともよい。そしてＰＬＣ基板のアレイ導波路側（図の右側）にシリンドリカルレンズ２０が配置され、さらにその先にシリンドリカルレンズ（主レンズ）４０および反射型の液晶位相変調素子２００が配置されている。

液晶位相変調素子２００は、ＡＷＧから出射した光に位相差を与え左右方向（ＰＬＣ基板面に水平な面内の方向）にデジタルにステアする機能を担う。液晶位相変調素子は、シリコン基板の上に、配線などの液晶駆動回路、反射ミラー及び液晶が積層された反射型の液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）を用いて構成することができる。

ここで光信号の伝搬の順に従って本実施形態のＷＳＳの構造と機能を説明する。なお、本実施形態では、ＰＬＣ基板に含まれた複数（５つ）のＡＷＧのうち中心に配置されたＡＷＧの光導波路１１にはサーキュレータ（図示せず）が接続され、これを入力ポートおよび出力ポートとし（このＡＷＧを入力用ＡＷＧという。）、残りの４つのＡＷＧの光導波路１１を出力ポートとする（このＡＷＧを出力用ＡＷＧという。）ものとして説明する。

図５（ａ）に示すように、ＡＷＧは透過型の回折格子であるから入力用ＡＷＧ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。ここでは例えば光信号の波長チャネル（Ｃｈ）は、約１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの１００ＧＨｚ間隔で存在し、波長チャネル数は４０波長とすることができる。

入力用ＡＷＧ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。

次いで、液晶位相変調素子２００を構成する液晶素子が偏光依存性を持つため、偏光分離部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。この偏光分離部の構成と原理を図８に示す。図８は、偏光分離部を構成する偏波ビームディスプレーサの概略構成を示す。偏波ビームディスプレーサは、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（偏波分離結晶）８４０と、１／２波長板８５０とを備える。

偏波ビームディスプレーサの複屈折結晶８４０に入射された光は、水平方向の偏光成分が複屈折結晶８４０の出力端面の上部に、垂直方向の偏光成分が複屈折結晶８４０の出力端面の下部にそれぞれ出射される。ここで図８のように１／２波長板８５０を、光軸に垂直な面内で、主軸が水平方向から４５度の方向になるように設けると、複屈折結晶８４０から出射された垂直方向の偏光成分は水平方向の偏光成分に変換されて出力される。したがって偏波ビームディスプレーサに入射した光は全て水平方向の成分の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。

次いで、偏光分離部を透過した光は、偏波分離結晶により偏波成分が分離され、シリンドリカルレンズ（主レンズ）４０を透過する。本実施形態において、主レンズ４０の焦点は液晶位相変調素子２００のピクセル（図６）になるようにしている。そのため、図５（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り液晶位相変調素子２００へ入射し、位相変調され反射角度が制御される。

図６は、液晶位相変調素子２００における光の入射面の概略を示す図である。図示のように、液晶位相変調素子２００における光の入射面には複数のピクセルが櫛状に配列されている。各ピクセルは独立して制御することが可能であり、各ピクセルにおいて光に付与する位相量を制御することができる。

ここで、液晶位相変調素子２００がＡＷＧから出射した光に位相差を与え進行方向をデジタルにステアする原理を説明する。

図６において、各ピクセルの幅は１５μｍとする。また、主レンズ４０によって集光された光は、ピクセルに対して垂直に入射し、光の径はピクセルの位置において９０μｍとする。すなわち、液晶位相変調素子２００及び主レンズ４０は、光が隣り合う６つのピクセル上に集光され垂直に入射する位置に調整され配置されているものとする。

ここで、中心波長の光が集光され入射する液晶位相変調素子２００の略中心に位置する隣り合う６つのピクセルについて、隣り合うピクセル間で付与される位相差をεとし隣り合う６つのピクセルにおけるＰＬＣ基板面に水平な面内の回折角をθとした場合の位相差εと折角θとの関係の一例を表１に示す。なお、このような位相差εと折角θとの関係は、主レンズ、液晶位相変調素子、ＡＷＧの配置を考慮して、既知の計算式を用いて予め算出しておくことが可能である（非特許文献１参照）。

ここで、主レンズの焦点距離ｆが２００ｍｍ、ＡＷＧ同士のピッチｄ_AWGが７ｍｍとなるように配置した場合、位相差ε＝０となるように制御された各ピクセルへ入射した光は、液晶位相変調素子２００において主レンズ４０を介して入力用ＡＷＧへ入射されるように反射される。同様に位相差ε＝±６０°となるように制御された各ピクセルへ入射した光は、液晶位相変調素子２００において主レンズ４０を介して入力用ＡＷＧの隣り合う出力用ＡＷＧへ入射されるように反射され、また、位相差ε＝±１２０°となるように制御された各ピクセルへ入射した光は、液晶位相変調素子２００において主レンズ４０を介して入力用ＡＷＧの隣の次の出力用ＡＷＧへ入射されるように反射される。

同様に、各チャネルの光が集光され入射する６つのピクセルの各々において付与される位相量を制御することで、１×５（１入力５出力）の波長選択スイッチを構成することができる。

なお本実施例では説明の都合上１×５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５入力１出力（５×１）の波長選択スイッチとして動作させることも可能である。さらに一部ポートを省略することにより１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）、あるいはＮ×１の波長選択スイッチを構成することができる。

なお本実施形態はあくまで典型的な１例を示しており、同様の構成で同様の機能ブロックを持つものなら本実施形態のみに限るものではない。

なお本実施形態では、液晶位相変調素子の例としてＬＣＯＳを掲げたが、通常の液晶素子、例えば図９（ａ）に示す液晶素子（液晶ＶＯＡ５００の構成要素のうちの偏光子５０２を除く構成要素）で入射する光の位相を制御するように構成されたものに、なんらかの反射面を形成した素子とすること可能である。この反射面は、光の入射面から遠い方のＩＴＯ電極（図９（ａ）ではグランドとして示されたＩＴＯ電極）を金電極で形成したものであってもよいし、あるいは、液晶素子を一旦透過した光を反射するように液晶素子の外部に設けられた外部ミラーであってもよい。他の実施形態の例でもこの点は同様である。

但し、一般にＬＣＯＳ型のものの方が、Ｓｉの微細加工プロセスを用いるため、ギャップ幅を小さくできるという特徴がある。これは、（１）液晶ピクセルのピッチが小さいほど、回折角度を大きくすることができる、（２）ギャップによる光損失を低減できる、という利点がある。したがってＬＣＯＳを用いた方がより特性の優れたＷＳＳを小型に作製することが可能である。

また図１２のような２次元のＬＣＯＳでは、上記の通常の液晶素子を用いる場合に比べてより大きな効果が得られる。上記の通常の液晶素子では電極を外部に取り出すために、ギャップをなお大きくする必要が生じ、一層特性が劣化する可能性があるからである。

（実施形態２）
図７は、実施形態２の波長選択スイッチＷＳＳの概略構成を説明するための図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は側面図である。

本実施形態の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スタックされた複数の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、偏波ビームディスプレーサ（図示せず）と、主レンズ４０と、主レンズ４０を透過した光が透過する液晶可変光減衰器（Variable Optical Attenuator：ＶＯＡ）５００、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００と、第２液晶スイッチ８００を透過した光に位相差を与え左右方向（ＰＬＣ基板面に水平な方向）にデジタルにステアする反射型の液晶位相変調素子２００および固定ミラー６０２とを備える。

本実施形態のＷＳＳでは、ＡＷＧを含むＰＬＣは、入力信号が入射する１つのＡＷＧを含むＰＬＣ基板（入力側ＡＷＧ）１０と、その上に平行に所定の間隔でスタックされた各々５つのＡＷＧを含む４枚のＰＬＣ基板（出力側ＡＷＧ）１０’とで構成されている。そしてその各ＰＬＣ基板のアレイ導波路側（図の右側）にシリンドリカルレンズ２０が配置されて、さらにその先に主レンズ４０が固定されている。

第１液晶スイッチ７００、第２液晶スイッチ８００および液晶位相変調素子であるＬＣＯＳ２００は、空間光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（本明細書において、液晶偏波スイッチ部ともいう。）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９００とを備え、空間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）にステアする機能を担いう。また液晶位相変調素子２００は、空間スイッチ部において入力側ＡＷＧから出射した光に位相差を与え波長方向（左右方向（ＰＬＣのスタック方向に対して垂直な面内の方向））にのみステアする機能を担う。

ここで光信号の伝搬に従ってこのＷＳＳの機能と構造を説明する。
図７（ａ）に示すように、入力側のＡＷＧ１０は、入射した光を異なる波長の光に分波し、波長により異なる角度で出射する。ここでは、１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの１００ＧＨｚ間隔の４０波長に対応するチャネルを想定している。図７（ａ）では、そのうちの最小波長λ₁、中心波長λ₂₀および最大波長λ₄₀のビームのみを示した。

入力側のＡＷＧ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。

次いで、液晶ＶＯＡ５００、第１液晶スイッチ７００、第２液晶スイッチ８００および液晶位相変調素子２００を構成する液晶素子が偏光依存性を持つため、偏光分離部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。この偏光分離部の構成と原理については、上記実施形態１で説明したので説明を省略する。

再び図７を参照すると、偏光分離部から出力された光は図のように主レンズ４０を透過する。本実施形態において、アレイ導波路１４の出力端（図面の右側）と主レンズ４０との距離、および主レンズ４０と液晶位相変調素子２００の反射面との距離は、各々主レンズ４０の焦点に等しくしている。そのため、図７（ａ）のように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り液晶ＶＯＡ５００へ入射し強度が制御される。

尚、波長選択スイッチでは、各波長チャネルの光強度の調整も要求されることが多いため、本実施形態においても光強度を調整する液晶ＶＯＡ５００を含む波長選択スイッチを例示している。

図９は、液晶ＶＯＡ５００の概略構成を示す図であり、図９（ａ）は、液晶ＶＯＡ５００の拡大した側面図であり、図９（ｂ）は、液晶ＶＯＡ５００の拡大した正面図である。液晶ＶＯＡ５００は、液晶素子５５０を、２つの偏光素子５０２により挟んだ構造である。また、液晶素子５５０は、液晶５１０を、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide、インジウムスズ酸化物）電極５０６および配向膜５０８が形成された２つのガラス基板５０４により挟んだ構造である。

上述のように入力側ＡＷＧ１０によって光信号は水平方向に各波長の光信号に分離される。その各波長の光信号が各々入射する場所が図９（ｂ）のＩＴＯ電極の各ピクセルの場所に対応する。

ここで、本実施形態の液晶ＶＯＡ５００が各波長の光信号に対して可変光減衰器として働く原理を説明する。本実施形態の液晶ＶＯＡ５００は、液晶素子５５０が、ツイストネマティック型の液晶素子であり、当該液晶素子５５０が水平方向の偏光のみを透過する偏光子５０２により前後を挟まれている。この液晶ＶＯＡ５００は、各ピクセルに水平方向の偏光を入射した時に、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。そして出力側にも偏光子５０２があるので可変光減衰器として作用する。具体的には、例えば液晶５１０への印加電圧１Ｖから５Ｖへ増加することにより、入射光の回転角は９０度から０度まで変化することから、この電圧を調整することにより、各波長の光信号について個別に透過光強度を制御できる。このようにして、液晶ＶＯＡ５００は、各波長の光信号の減衰を変化可能な可変光減衰器のアレイとして機能することがきる。なお、本実施形態では、液晶ＶＯＡ５００を光路上の第１液晶ＳＷ７００の前段に配置しているが、第２液晶ＳＷ８００の前段、液晶位相変調素子２００の前段または後段に配置してもよい。

その後に波長ｃｈ毎に光ビームを上下方向に分離するための液晶光偏波スイッチ部に入射する。

図１０を参照して、液晶偏波スイッチ部で角度を変える原理を説明する。図１０（ａ）は、第１液晶スイッチ７００および第２液晶スイッチ８００の一部を構成する偏波分離結晶９００を示す図である。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。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の複屈折結晶ＹＶＯ４の出射面のオフセット角度に対する、光軸の各偏光（水平、垂直）の屈折角度を計算したグラフである。このように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（図１０（ｂ）において点線で示す。）も一様に増加する。本実施形態ではこの液晶光偏波スイッチ部により光軸に角度を与える。ここで液晶位相変調素子２００のピクセルは焦点位置にあるため、反射角度にかかわらず主レンズ４０において入射光に対して平行な光が戻る。すなわち液晶光偏波スイッチ部による反射角度の変化は、主レンズ４０における中心軸からのシフト量に対応する。したがって液晶位相変調素子において付与する位相差を調整することにより、スイッチングした光を入射光と平行に、シフト量を調節して任意のＡＷＧに戻すことができるため光スイッチとして機能できる。

ここで複屈折結晶ＹＶＯ４の入射面は入射する光の光路に対して完全に垂直ではなく所望の特性が得られるように傾けて配置される。そして水平方向においてはＡＷＧにより各波長ｃｈに光信号は分離しているため、その各波長ｃｈに合わせて液晶素子のＩＴＯ電極５０６を分離して配置すれば、第１液晶ＳＷ７００および第２液晶ＳＷ８００はそれぞれ、各波長に対して１×２スイッチとして機能ができる。

例えばこれをカスケードに組み合わせることにより１×４の光スイッチを構成できる。なおこの出射角度の変化分は出射面の傾きに依存する。したがって第１液晶スイッチ７００のスイッチング角度と、第２液晶スイッチ８００のスイッチング角度とを変えることにより１×４のスイッチを構成できる。例えば、第１液晶スイッチ７００で大きなスイッチング角度を与え、第２液晶スイッチ８００でより小さなスイッチング角度を与えるようにすることで、１×４のスイッチを構成できる。なお光軸の角度を変化させてもミラー面がレンズの焦点となっていることから、主レンズにより平行光となり、液晶偏波スイッチ部で付与された角度変化は、右から左に進行して主レンズ４０を透過した後に、上下方向のシフト量に対応する。

この１×４の光スイッチにおいては複屈折結晶のオフセット角度のみで屈折角が決定され、結晶の厚さには依存しない。したがって可能な範囲で結晶を薄くすることが可能であり、液晶素子５５０と液晶位相変調素子２００との距離を近くすることができるという長所がある。これは液晶素子における焦点ボケが少なく、特性としては各波長の光信号の透過帯域が広いことに対応する。

この本実施形態では、出力側のＡＷＧが各基板面内に並んでいるため水平方向に光を±数度の角度で光軸をステアする必要がある。このためさらに液晶位相変調素子２００を上記実施形態１と同様の方法で用いる。主レンズの焦点距離ｆが２００ｍｍ、ＡＷＧ同士のピッチｄ_AWGが７ｍｍとなるように配置した場合、本実施形態の液晶位相変調素子２００は、第１の実施形態において表１を参照して説明したのと同様に、各ピクセル間の位相差εを制御することで、ＰＬＣ基板面に水平な方向に光の進行方向をステアすることができる。

本実施形態では、液晶位相変調素子２００で角度を振られた各波長の光は、固定ミラー６０２、主レンズ４０を通過して、４枚重ねられている出力用の５アレイＡＷＧの任意の出力に入射することができる。そして各ＡＷＧでは全ての波長が合波され出力する。その結果、より少ないＰＬＣスタック数で１×２０のＷＳＳを実現できる。

本実施形態では、主レンズ４０として１枚の球面レンズを用いた例を示したが、収差等を考慮して他のレンズ、非球面レンズやベストフォ−カスレンズ、あるいは２枚以上のレンズの組合せ、例えばアロマティックレンズ等を用いてもよい。

なおここでは１×２０のＷＳＳの構成例を示したが、光の進行方向を逆にした２０×１ＷＳＳの構成をもちろん可能である。

また１×２０のＷＳＳの例を示したが、１つのＰＬＣ中のＡＷＧのアレイ数や、上下方向のＰＬＣのスタック数を増やせばさらに大規模なＷＳＳを構成できる。

なお本実施形態はあくまで典型的な１例を示しており、同様の構成で同様の機能ブロックを持つものなら本実施形態のみに限るものではない。

（実施形態３）
図１１は、本発明の、第３の実施形態の波長選択スイッチＷＳＳの概略構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は側面図である。

本実施形態の波長選択スイッチは、各々が入力ポートまたは出力ポートとなり得る光導波路を有する複数のＡＷＧが配置されスタックされたＰＬＣ（入力側ＡＷＧ１０および出力側ＡＷＧ１０’）と、図示しない複屈折結晶（偏波分離結晶）を含む偏波分離部と、シリンドリカルレンズ２０と、シリンドリカルレンズ（主レンズ）４０と、液晶位相変調素子２０１とを備える。

本実施形態のＷＳＳでは、複数のＡＷＧを含むＰＬＣ基板が５枚重ね合う形で接着固定されている（接着のためのスペーサなど細かい構造は省略した）。そしてその各ＰＬＣ基板のアレイ導波路側（図の右側）にシリンドリカルレンズ２０が各々配置され、さらにその先にシリンドリカルレンズ（主レンズ）４０が配置されている。

本実施形態において、液晶位相変調素子２０１は、ＡＷＧから出射した光に位相差を与え左右方向および／または上下方向（ＰＬＣ基板面に水平な面内の方向および／またはＰＬＣ基板面に垂直な面内の方向）にデジタルにステアする機能を担う。液晶位相変調素子は、反射型の液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon）を用いて構成することができる。

ここで光信号の伝搬の順に従って本実施形態のＷＳＳの構造と機能を説明する。なお、本実施形態では、スタックされた５枚のＰＬＣ基板のうちの３枚目のＰＬＣ基板に含まれた複数（５つ）のＡＷＧのうち中心に配置されたＡＷＧが入出力ポートを兼ねており、当該ＡＷＧの光導波路１１にはサーキュレータ（図示せず）が接続され、これを入力ポートおよび出力ポート（このＡＷＧを入力用ＡＷＧという。）とするものとして説明する。なお、このポートを入力専用のポートとしてもよいことは言うまでもない。そして、残りの２４個のＡＷＧの光導波路１１を出力ポートとする（このＡＷＧを出力用ＡＷＧという。）ものとして説明する。

図１１（ａ）に示すように、ＡＷＧは透過型の回折格子であるから入力側の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。ここでは例えば光信号の波長チャネル（Ｃｈ）は、約１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの１００ＧＨｚ間隔で存在し、波長チャネル数は４０波長とすることができる。

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。

次いで、シリンドリカルレンズ２０を透過した光は、偏波分離結晶により偏波成分が分離され、シリンドリカルレンズ（主レンズ）４０を透過する。本実施形態において、主レンズ４０の焦点は液晶位相変調素子２０１のピクセル（図１２）になるようにしている。そのため、図１１（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り液晶位相変調素子２０１へ入射し、位相変調され反射角度が制御される。

図１２は、本実施形態における液晶位相変調素子２０１における光の入射面の概略を示す図である。図示のように、液晶位相変調素子２０１における光の入射面には複数のピクセルが格子上に配列されている。各ピクセルは独立して制御することが可能であり、各ピクセルにおいて光に付与する位相量を制御することができる。

ここで、液晶位相変調素子２０１がＡＷＧから出射した光に位相差を与え進行方向をデジタルにステアする原理を説明する。

図１２において、各ピクセルの一辺は１５μｍとする。また、主レンズ４０によって集光された光は、ピクセルに対して垂直に入射し、光の径はピクセルの位置において９０μｍとする。すなわち、液晶位相変調素子２０１及び主レンズ４０は、光が上下左右に６つずつ隣り合う合計３６個のピクセル上に集光され垂直に入射する位置に調整され配置されているものとする。また、主レンズの焦点距離ｆが２００ｍｍ、ＡＷＧ同士のピッチｄ_AWGが７ｍｍ、ＰＬＣ同士のピッチｄ_PLCが２ｍｍとなるように配置されているものとする。

ここで、上下（Ａ−Ａ’に垂直な方向、ＰＬＣのスタック方向）に隣り合うピクセル間で付与される位相差ε’と隣り合う６つのピクセルにおけるＰＬＣ基板面に垂直な面内の回折角θ’との関係は、位相差ε’＝０°のとき回折角θ’＝０°、位相差ε’＝±３６°のとき回折角θ’＝±０．５７°、位相差ε’＝±７２°のとき回折角θ’＝±１．１４°となる。

したがって、中心波長の光が集光され入射する液晶位相変調素子２０１の略中心に位置する隣り合う３６個のピクセルついて、左右（Ａ−Ａ’方向）に隣り合うピクセル間で付与される位相差εを、表１を参照して説明した位相差εと回折角θの関係を満たすように制御する。同時に、上下（Ａ−Ａ’に垂直な方向、ＰＬＣのスタック方向）に隣り合うピクセル間で付与される位相差ε’を上記位相差ε’と回折角θ’との関係を満たすように制御する。

このように、３６個のピクセルの各々において付与される位相量を制御することで、入力側のＡＷＧ２０から入射した光を２５個のＡＷＧのいずれかに入射させるように反射させることができる。同様に他の波長チャネルの光が入射する３６個のピクセルの各々において付与される位相量をも制御することで、１×２５（１入力２５出力）の波長選択スイッチを構成することができる。

なお本実施例では説明の都合上１×２５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２５入力１出力（２５×１）の波長選択スイッチとして動作させることも可能である。さらに一部ポートまたはＰＣＬを省略することにより１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）、あるいはＮ×１の波長選択スイッチを構成することができる。

なお本実施形態はあくまで典型的な１例を示しており、同様の構成で同様の機能ブロックを持つものなら本実施形態のみに限るものではない。

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。 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。 従来の波長選択スイッチの概略構成を説明するため斜視図である。 従来の波長選択スイッチの概略構成を説明するため断面図である。 本発明の実施形態１に係る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。 本発明の実施形態１および２に係る液晶位相変調素子における光の入射面の概略を示す図である。 本発明の実施形態２に係る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。 本発明の各実施形態に係る波長選択スイッチに用いる偏光分離部の動作原理を説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る波長選択スイッチに用いる液晶光可変減衰器（液晶ＶＯＡ）の概略構成を説明するための図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の実施形態２に係る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り、（ａ）は、液晶スイッチの一部を構成する偏波分離結晶で偏波により光の出力方向が変わることを説明するための図であり、（ｂ）は、偏波分離結晶として複屈折結晶ＹＶＯ４を用いた場合の出射面のオフセット角度に対する、光軸の各偏光（水平、垂直）の屈折角度の変化を計算したグラフである。 本発明の実施形態３に係る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。 本発明の実施形態３に係る液晶位相変調素子における光の入射面の概略を示す図である。

符号の説明

１０，１０’ 光導波路基板
２０ シリンドリカルレンズ
４０ 主レンズ
６０ ＭＥＭＳミラー
２００，２０１ 液晶位相変調素子，ＬＣＯＳ
５００ 液晶ＶＯＡ
６０２ 固定ミラー
７００，８００ 液晶スイッチ

Claims (6)

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Ｍ個（Ｍは２以上の整数）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Ｍ個の出力ポートを有する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入力アレイ導波路回折格子と、
   前記入力アレイ導波路回折格子により波長毎に分光された光信号を各々に集光するレンズと、
   前記レンズにより集光された光信号の各々に対し位相差を与えて前記所望の出力ポートに対応させるように進行方向を変化させる液晶位相変調素子と
   を含むことを特徴とする波長選択スイッチ。
2. 前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板と同一基板上に配置された、異なる波長の複数の光信号を合流して前記出力ポートから出力する出力アレイ導波路回折格子をさらに備え、
   前記液晶位相変調素子は、前記レンズにより集光された光信号の各々の進行方向を、前記入力アレイ導波路回折格子および前記出力アレイ導波路回折格子が配置された基板面に水平な面内で変化させ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。
3. 前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板と互いに平行に重ねられた基板上に複数配置され、各々が異なる波長の複数の光信号を合流して前記出力ポートから出力する出力アレイ導波路回折格子と、
   前記レンズにより集光された光信号の各々の進行方向を、前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板面に垂直な面内で変化させる空間光スイッチ手段と
   をさらに備え、
   前記液晶位相変調素子は、前記空間光スイッチ手段により進行方向を変化させられた光信号の各々の進行方向を、前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板面に水平な面内で変化させ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。
4. 前記空間光スイッチ手段は、前記レンズにより集光された光信号の各々が透過する、可変光減衰器のアレイおよび／または１つまたは複数の１入力２出力の液晶スイッチを備えたことを特徴とする請求項３に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板と同一基板上および当該基板と互いに平行に重ねられた基板上に複数配置され、各々が異なる波長の複数の光信号を合流して前記出力ポートから出力する出力アレイ導波路回折格子をさらに備え、
   前記液晶位相変調素子は、前記レンズにより集光された光信号の各々の進行方向を、前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板面に水平な面内および前記入力アレイ導波路回折格子が配置された基板面に垂直な面内で変化させ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。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の波長選択スイッチにおいて、前記光信号の入力と出力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Ｍ個の入力ポートと１個の出力ポートとを有した波長選択スイッチ。

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