JP4787188B2

JP4787188B2 - 波長選択スイッチ

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Publication number: JP4787188B2
Application number: JP2007042788A
Authority: JP
Inventors: 和則妹尾; 賢哉鈴木; 直樹大庭; 孝一郎中村; 和夫藤浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP2008203775A

Description

本発明は、波長選択スイッチに関し、より詳細には、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチに関する。

近年急速な進展を見せる大容量光通信ネットワークの構築に伴い、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信技術が注目を集めるとともにそのための設備の普及が進んでいる。ＷＤＭノードにおいては、光信号を直接制御せずに、一度電気信号に変換したのちに経路のスイッチングを行う方式が一般的である。しかしながら上記の方式では、ノードにおける処理能力の高負荷化・通信速度律速および高消費電力化が課題として危惧されている。このため、電気スイッチングを介さず光信号のまま経路スイッチングを行うデバイス、すなわち波長選択スイッチ（ＷＳＳ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈ）等の開発が求められている。

一般的な波長選択スイッチの動作原理は以下の通りである。入力光ファイバから入力されたＷＤＭ信号が、レンズを介して回折格子へと入射されて波長分波され、波長分波された各光信号が、再びレンズを介して集光される。集光位置にはマイクロミラーアレイおよびシャッタアレイが設置されている。マイクロミラーアレイは、入射光の反射角度を調整することができる構成をとっており、目的とする出力ポートに最適化された角度に各光信号を反射する。反射された各光信号は、レンズを介して回折格子へと入射し波長合波された後、レンズを介して出力ファイバに結合する。

上述のように、光偏向素子としては光マイクロマシン（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）によるマイクロミラーアレイを用いるのが一般的である。たとえば、非特許文献１にマイクロミラーアレイに関して記載がある。出力ポートに光を完全に結合もしくは故意に不完全結合させるようにマイクロミラーアレイを制御することで、出力される光の強度を調整することもできる。

このように、波長選択スイッチの機能としては、ＷＤＭ信号の各波長の光信号をそれぞれ任意の出力ポートに振り分けることと、各波長の光信号の光強度を調整することがある。

J. S. Tsai, et al., Proc. MEMS, 2004, pp. 101-104 Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 131115

ところで、上述したＭＥＭＳに代表される従来の光偏向素子の偏向角は高々１０度程度であるため、光信号を導くことが可能な位置範囲が狭い。したがって、このような光偏向素子を用いた波長選択スイッチの場合、光偏向素子の偏向角に応じた設計を行わねばならず、現状では出力ポート数が４ポートから９ポートに制限されている。

また、ＭＥＭＳは、光反射面を機械的に変位させることを基本的な原理とした光偏向方式であるため、反復使用や衝撃等に起因する故障が起きやすく、高い信頼性の確保が難しい。

また、ＭＥＭＳにおいては駆動時間が１ミリ秒と遅く、今後展開が期待される光バーストスイッチシステムや光バケットスイッチシステム等の高速動作を要するシステムへの対応が困難である。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多出力ポート・高信頼性および高速スイッチングを実現する波長選択スイッチを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、複数のセルが２次元のパネル状に配置されているパネル型電極であり、前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする。
また、本発明の第２の態様は、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、短冊のような光信号の経路方向に細長い長方形状の複数のセルが、並列に配置されている短冊型電極であり、前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記電気光学結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記電気光学結晶と前記波長合波手段との間に介在する反射ミラーをさらに備え、前記入力ポートと前記出力ポートは、前記電気光学結晶の前記各光信号の入射面に対して同一の側に配置されており、前記第１の集光素子と前記第２の集光素子とは同一の部材であることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記入力ポートと前記出力ポートは、前記電気光学結晶の前記各光信号の入射面に対して、前記電気光学結晶を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記波長分波手段および前記波長合波手段は、それぞれアレイ導波路格子を備えることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記波長分波手段および前記波長合波手段は、それぞれバルク型回折格子を備えることを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記電気光学結晶の前段に、直交する２つの偏波成分に前記各光信号を分離する偏波分離素子と、一方の偏波成分を９０度回転させる第１の半波長板とをさらに備え、前記電気光学結晶の後段に、前記第１の半波長板により偏波方向を回転されていない偏波成分を９０度回転させる第２の半波長板群と、直交する２つの偏波成分を合成する偏波合成素子とをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第９の態様は、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子が集光した各信号光が通過する光減衰器と、前記光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子と、前記第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、前記光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断し、前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、複数のセルが２次元のパネル状に配置されているパネル型電極であり、前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする。
また、本発明の第１０の態様は、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子が集光した各信号光が通過する光減衰器と、前記光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子と、前記第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、前記光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断し、前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、短冊のような光信号の経路方向に細長い長方形状の複数のセルが、並列に配置されている短冊型電極であり、前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする。

また、本発明の第１１の態様は、第９又は第１０の態様において、前記電気光学結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。

本発明によれば、最大偏向角の大きい電気光学結晶を光偏向素子として用いることで、多出力ポート・高信頼性および高速スイッチングを実現する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。全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。

（実施形態１）
図１は、本発明による波長選択スイッチの第１の実施形態１００の構成を示している。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は側面図である。波長選択スイッチ１００は、入力側に少なくとも１つの光ファイバが接続された第１のアレイ導波路格子（ＡＷＧ）１０１と、焦点距離がｆＹである第１のＹシリンドリカルレンズ１０２と、焦点距離がｆＸである第１のＸシリンドリカルレンズ１０３と、光偏向素子であるＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）結晶（以下、ＫＴＮ結晶と呼ぶ。）１０４と、焦点距離がｆＸである第２のＸシリンドリカルレンズ１０５と、焦点距離がｆＸである第３のＸシリンドリカルレンズ１０６と、液晶光減衰器１０７と、焦点距離がｆＸである第４のＸシリンドリカルレンズ１０８と、焦点距離がｆＹである第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９と、第２のアレイ導波路格子群１１０とを備え、これらがこの順に配置されている。ここで、光信号の進行方向をＺ軸とし、第１のアレイ導波路格子１０１および第２のアレイ導波路格子群１１０の基板と水平な方向をＸ軸、垂直な方向をＹ軸とする。

このような構成において、実施形態１に係る波長選択スイッチ１００は、次のように動作する。まず、ＷＤＭ信号が、第１のアレイ導波路格子１０１に入力ポートから入力される。入力されたＷＤＭ信号が、第１のアレイ導波路格子１０１において波長分波され、第１のアレイ導波路格子１０１の基板より出力される。出力された各光信号は、出力直後には基板垂直方向に発散するが、図１（ｂ）に示すように、第１のアレイ導波路格子１０１の端面からｆＹの位置に配置された第１のＹシリンドリカルレンズ１０２により、Ｚ軸方向に平行な平行光に変換される。平行光に変換された各光信号が、第１のアレイ導波路格子１０１の端面からｆＸの位置に配置された第１のＸシリンドリカルレンズ１０３を通過して、それぞれ第１のアレイ導波路格子１０１の端面から２ｆＸの位置に集光される。第１のアレイ導波路格子１０１の端面から２ｆＸの位置に配置されているＫＴＮ結晶１０４は、各光信号の波長に対応した個別の電極を有し、集光された各光信号をＹ軸方向に偏向する。偏向された各光信号が、第１のアレイ導波路格子１０１の端面から３ｆＸの位置に配置された第２のＸシリンドリカルレンズ１０５および４ｆＸの位置に配置された第３のＸシリンドリカルレンズ１０６により構成されるリレーレンズ系を介して、５ｆＸの位置に配置された液晶光減衰器１０７の位置にそれぞれ集光される。各光信号が、最後に、第４のＸシリンドリカルレンズ１０８と第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９のうちの１つとを介して、ＫＴＮ結晶１０４により選択された出力ポートに接続される、第２のアレイ導波路格子群１１０のうちの１つのアレイ導波路格子へと結合され、波長合波されて出力ポートに出力される。ここで、第４のＸシリンドリカルレンズ１０８および第２のアレイ導波路格子群１１０は、第３のＸシリンドリカルレンズ１０６から、それぞれＺ軸方向に２ｆＸおよび３ｆＸの位置に配置されており、第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９は、第２のアレイ導波路格子群１１０からｆＹの位置に配置されている。

本実施形態に係る波長選択スイッチ１００は、光偏向素子として、電極を有するＫＴＮ結晶１０４を用いることを特徴とする。ＫＴＮ結晶１０４は、後述するように、電極に対する印加電圧に応じて、光を偏向することができ、かつ最大偏向角が従来の光偏向素子に比して大きい。また、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うこともできる。したがって、従来の波長選択スイッチよりも多くの出力ポートを備え、かつ高速なスイッチング動作が可能な波長選択スイッチを実現することができる。さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ１００は、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず、また、後述するように高透過率が得られ、信頼性も高い。以下、より詳細に説明する。

図２は、第１のアレイ導波路格子１０１を示している。第１のアレイ導波路格子１０１は、入力ポートに接続された第１のスラブ導波路２０１と、第１のスラブ導波路２０１に接続されたアレイ導波路２０２と、アレイ導波路２０２に接続された第２のスラブ導波路２０３とを備える。第２のスラブ導波路２０３は備えていても、備えていなくともよい。入力ポートから入力されたＷＤＭ信号は、第１のスラブ導波路２０１、アレイ導波路２０２および第２のスラブ導波路２０３を通過して波長分波される。アレイ導波路格子１０１および第１のＹシリンドリカルレンズ１０２は、ＷＤＭ信号を波長分波して、波長分波された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換するための波長分波手段を構成するものであり、波長分波手段の例示的構成である。実施形態３で、本実施形態とは異なる構成の波長分波手段を説明する。

第１のＸシリンドリカルレンズ１０３は、波長分波された各光信号を集光する第１の集光素子を構成するものである。第１の集光素子は、単一のレンズであることは必ずしも必要ではなく、各光信号を集光することができればよいことに留意されたい。

図３は、ＫＴＮ結晶１０４の有する電極の詳細を示している。ＫＴＮ結晶１０４のＺ軸方向に平行な面の一方の上に、光信号の経路と直交する方向に少なくとも１つの電極が設けられている。各電極は、長方形型とすることができる。図中のＷは電極幅であり、Ｇは電極間隔であり、ｔはＫＴＮ結晶１０４の厚さである。ＫＴＮ結晶１０４のＺ軸方向に平行な面の他方には、グランドに接続された一枚の電極が設けられているが、そのような形状に限らず、上述の長方形型の電極に対応する位置のＫＴＮ結晶１０４に電圧を印加することができればよい。

この形状の電極を用いてＫＴＮ結晶１０４に電圧を印加した場合、ＫＴＮ結晶１０４内においてカソードに近くなるほど屈折率が傾斜的に上昇し、カソード電極に近づく方向に光信号を偏向することができる。偏向角は、電極に印加する電圧に応じて設定可能である。したがって、各出力ポートに接続されるアレイ導波路格子をＹ軸方向に積層配置した第２のアレイ導波路格子群１１０を設けることで、ＫＴＮ結晶１０４による光の偏向効果を利用して、波長分波された各光信号に対する出力ポートの選択が可能になる。

電極材料としてはチタン（Ｔｉ）を用いることができるが、電極として適した材料はチタンＴｉに限定されない。また、用いるＫＴＮ結晶１０４は立法晶であって、動作温度は立方晶から正方晶の相転移温度が望ましい。このような場合に最大偏向角が最大になる。なお、本実施形態では光偏向素子としてチタンなどの電極を有するＫＴＮ結晶を用いているが、上述したような屈折率の傾斜的分布が生ずる電極および電気光学結晶であれば、同様の効果を奏することができることに留意されたい。たとえばそのような電気光学結晶として、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｒ）Ｏ₃、Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉｌＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＫＴｉＯＰＯ₄、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、Ｂａ_1-xＳｒ_xＴｉＯ₃（０＜ｘ＜１）、Ｂａ_1-xＳｒ_xＮｂ₂Ｏ₆（０＜ｘ＜１）、Ｓｒ_0.75Ｂａ_0.25Ｎｂ₂Ｏ₆、Ｐｂ_1-yＬａ_yＴｉ_1-xＺｒ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＤ₂ＰＯ₄、（ＮＨ₄）Ｈ₂ＰＯ₄、ＢａＢ₂Ｏ₄、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＯなどが考えられる。

第２のＸシリンドリカルレンズ１０５および第３のＸシリンドリカルレンズ１０６により構成されるリレーレンズ系は、ＫＴＮ結晶１０４により偏向された各光信号を集光する第２の集光素子である。第２の集光素子は、このようなリレーレンズ系であることは必ずしも必要ではなく、各光信号を集光することができればよいことに留意されたい。

液晶光減衰器１０７は、２枚の偏光子で挟まれたツイストネマティック型液晶であり、出力ポートを切り替える際に一時的に光の経路を遮断して、切り替え完了後に再び光を通過させる。光の遮断は、液晶光減衰器１０７の光の入射面および入射面に対向する面に設けられている電極に電圧を印加することで行われる。本実施形態に係る波長選択スイッチは、第２のアレイ導波路格子１１０を構成するアレイ導波路格子の積層方向、すなわちＹ軸方向のみに関して波長分波された各光信号を偏向することが可能であるため、あるポートから２つ以上離れたポートに出力ポートを切り替える場合、それらのポート間に介在するがポートの切り替えに関与しないポートを光が通過してしまい、他のポートへの漏れ光が発生する。この現象を「ヒット」と呼ぶ。液晶光減衰器１０７は、この回避策もしくは低減策、すなわち「ヒットレス」を実現する。液晶光減衰器１０７は、上述のように液晶を備える構造とすることができるが、同等の機能を持つ素子であればどのような原理の液晶を用いても構わず、また液晶以外の光減衰器を用いてもよいことに留意されたい。また、液晶光減衰器１０７は、光信号の経路上において第２の集光素子の次に設ける必要はなく、ＫＴＮ結晶１０４と第２のアレイ導波路格子群１１０との間に設けられていればよいことに留意されたい。

また、液晶光減衰器１０７を備えることで「ヒットレス」を実現すると、出力ポート切り替え時の漏れ光を回避し、波長選択スイッチ１００の信頼性をさらに向上することができるが、液晶光減衰器１０７を備えなくとも、ＫＴＮ結晶１０４を用いた本実施形態に係る波長選択スイッチは、光偏向素子としてＭＥＭＳを用いる波長選択スイッチとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず信頼性が高いことに留意されたい。図４は、液晶光減衰器１０７を備えない波長選択スイッチ４００を示している。このような波長選択スイッチ４００では、ＫＴＮ結晶１０４により偏向された各光信号が、第２のＸシリンドリカルレンズ１０５および第３のＸシリンドリカルレンズ１０６により構成されるリレーレンズ系と第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９のうちの１つとを介して、ＫＴＮ結晶１０４により選択された出力ポートに接続される、第２のアレイ導波路格子群１１０のうちの１つのアレイ導波路格子へと結合され、波長合波されて出力ポートに出力される。

第４のＸシリンドリカルレンズ１０８は、液晶光減衰器１０７を通過した各光信号を集光する第３の集光素子である。第３の集光素子は、単一のレンズであることは必ずしも必要ではなく、各光信号を集光することができればよいことに留意されたい。なお、上述した液晶光減衰器１０７を備えない形態の波長選択スイッチ４００においては、第３の集光素子を備える必要がない。

第２のアレイ導波路格子群１１０は、複数のアレイ導波路格子をＹ軸方向に積層したものである。各アレイ導波路格子は、第１のアレイ導波路格子１０１と同様に、スラブ導波路とアレイ導波路が接続された構造とすることができる。第３の集光素子により集光された各光信号（液晶光減衰器１０７を備えない実施形態４００においては、第２の集光素子により集光された各光信号）は、第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９のうちの１つにより、Ｚ軸方向に平行な平行光に変換される。そして、ＫＴＮ結晶１０４により選択された出力ポートに接続される、第２のアレイ導波路格子群１１０のうちの１つのアレイ導波路格子へと結合され、波長合波される。第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９および第２の第２のアレイ導波路格子群１１０は、ＫＴＮ結晶１０４により選択された出力ポートに向けて偏向された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換して、波長合波するための波長合波手段を構成するものであり、波長合波手段の例示的構成である。実施形態３および５で、本実施形態とは異なる波長合波手段を説明する。

実施例
以下に、具体的実施例の構成および実験結果を示す。第１のアレイ導波路格子１０１、および第２のアレイ導波路格子群１１０を構成する各アレイ導波路格子は、シリコン基板上に石英系ガラスを母材として作製した。第２のアレイ導波路格子群１１０は、アレイ導波路格子を１６枚積層し、出力ポート数を１６とした。ＫＴＮ結晶１０４は、電極幅Ｗを２００μｍ、電極間隔Ｇを１００μｍとし、厚みｔを１００μｍとした。液晶光減衰器１０７の電極幅および電極間隔もそれぞれ２００μｍ、１００μｍとした。また、ｆＸ＝５０ｍｍ、ｆＹ＝６ｍｍとして各レンズを配置した。本設計では、ＫＴＮ結晶１０４による偏向角は最大で１５度であり、この値は、光偏向素子としてＫＴＮを用いてはじめて実現可能となるものである。なお、以下に説明する本実施例に係る波長選択スイッチの性能は、本実施例と同程度のパラメータを用いれば同様に得られるものであり、本実施例と同一のパラメータに限定する必要はない。

図５は、本実施例に係る波長選択スイッチの特性を示している。このグラフは、４１チャネルのＷＤＭ信号を１６チャネルごとに異なる出力ポートに出力した実験結果である。本実施例では、各出力ポートに対して最大透過率−５ｄＢが実現されており、高い性能が確認された。

図６は、本実施例に係る波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示している。このグラフは、出力ポート１から出力ポート２へ光信号の経路を変更した場合の光強度の変化の実験結果である。出力ポート１におけるスイッチング前の光強度を１として、出力ポート１の光強度が０．９になった時から、出力ポート２における光強度が０．９になった時までを切替時間とすると、切替時間はわずか５μｓであり、高速なスイッチング動作が実現されている。ＭＥＭＳにおいては、駆動時間が１ミリ秒程度であることと比較されたい。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチは、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、第１の集光素子により集光された各光信号を、各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、第２の集光素子が通過する光減衰器と、光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子と、第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断することを特徴とする。

また、液晶光減衰器を備えない形態においては、本実施形態に係る波長選択スイッチは、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、第１の集光素子により集光された各光信号を、各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備えることを特徴とする。

光偏向素子として、電極を有するＫＴＮ結晶などの電気光学結晶を用いることにより、電極に対する印加電圧に応じて光を偏向することができ、かつ最大偏向角を従来の光偏向素子に比して大きくすることができる。さらに、電気光学結晶は、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うことができる。また、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まないことに加えて高透過率が得られるので、信頼性も高い。したがって、本実施形態によれば、多ポート・高信頼性および高速スイッチングを実現する波長選択スイッチを提供することができる。

さらに、光減衰器を備える実施形態では、出力ポート切り替え時の漏れ光を回避し、波長選択スイッチの信頼性をさらに向上することができる。

また、波長分波手段および波長合波手段としてアレイ導波路格子を用いることで、バルク型回折格子を用いて実現される波長選択スイッチにおいて必要な入出力ファイバ直近に設置されるコリメートレンズを省略することができ、波長選択スイッチの実装の簡便化および低コスト化が可能になる。バルク型回折格子を用いて実現される波長選択スイッチについては、実施形態３で説明する。

なお、本実施形態では、図１の左側を入力ポート、右側を出力ポートとしたが、光の入力ポート、出力ポートを逆にして、右側の出力ポート側から光を入力と左側から出力してももちろんよい。

（実施形態２）
図７は、本発明による波長選択スイッチの第２の実施形態７００の構成を示している。図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。波長選択スイッチ７００は、少なくとも１つの入力ポートと少なくとも１つの出力ポートとに接続されたアレイ導波路格子群７０１と、焦点距離がｆＹであるＹシリンドリカルレンズ群７０２と、焦点距離がｆＸである第１のＸシリンドリカルレンズ７０３と、液晶光減衰器７０４と、焦点距離がｆＸである第２のＸシリンドリカルレンズ７０５と、焦点距離がｆＸである第３のＸシリンドリカルレンズ７０６と、光偏向素子であるＫＴＮ結晶７０７と、反射ミラー７０８とを備え、これらがこの順に配置されている。ここで、光信号の進行方向をＺ軸とし、アレイ導波路格子群７０１の基板と水平な方向をＸ軸、垂直な方向をＹ軸とする。実施形態１と大きく異なる点は、波長分割多重信号がＫＴＮ結晶７０７を通過した後に反射ミラー７０８が挿入されており、このミラーによって反射されて出力ポートへ導かれる点である。

このような構成において、実施形態２に係る波長選択スイッチ７００は、次のように動作する。まず、ＷＤＭ信号が、アレイ導波路格子群７０１に入力ポートから入力される。入力されたＷＤＭ信号は、アレイ導波路格子群７０１において波長分波され、アレイ導波路格子群７０１の基板より出力される。出力された各光信号は、出力直後には基板垂直方向に発散するが、図７（ｂ）に示すように、アレイ導波路格子群７０１の端面からｆＹの位置に配置されたＹシリンドリカルレンズ群７０２のうちの１つにより、Ｚ軸方向に平行な平行光に変換される。平行光に変換された各光信号が、アレイ導波路格子群７０１の端面からｆＸの位置に配置された第１のＸシリンドリカルレンズ７０３を通過して、アレイ導波路格子群７０１の端面から２ｆＸの位置に配置された液晶光減衰器７０４の位置にそれぞれ集光される。液晶光減衰器７０４を通過した各光信号が、アレイ導波路格子群７０１の端面から３ｆＸの位置に配置された第２のＸシリンドリカルレンズ７０５および４ｆＸの位置に配置された第３のＸシリンドリカルレンズ７０６により構成されるリレーレンズ系を介して、５ｆＸの位置に集光される。アレイ導波路格子群７０１の端面から５ｆＸの位置に配置されているＫＴＮ結晶７０７は、各光信号の波長に対応した個別の電極を有し、集光された各光信号をＹ軸方向に偏向する。偏向された各光信号が、ＫＴＮ結晶７０７に隣接して設けられた反射ミラー７０８により折り返され、再度ＫＴＮ結晶７０７に入射する。再度ＫＴＮ結晶７０７を通過した各光信号が、第２のＸシリンドリカルレンズ７０５および第３のＸシリンドリカルレンズ７０６により構成されるリレーレンズ系、液晶光減衰器７０４、および第１のＸシリンドリカルレンズ７０３を順に再び通過する。次いで、各光信号が、Ｙシリンドリカルレンズ群７０２のうちの１つを介して、ＫＴＮ結晶７０７により選択された出力ポートに接続される、アレイ導波路格子群７０１のうちの１つのアレイ導波路格子に結合され、波長合波される。

本実施形態に係る波長選択スイッチ７００は、光偏向素子として、電極を有するＫＴＮ結晶７０７を用いることを特徴とする。ＫＴＮ結晶７０７は、実施形態１において説明したように、電極に対する印加電圧に応じて、光を偏向することができ、かつ最大偏向角が従来の光偏向素子に比して大きい。また、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うこともできる。したがって、従来の波長選択スイッチよりも多くの出力ポートを備え、かつ高速なスイッチング動作が可能な波長選択スイッチを実現することができる。さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ７００は、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず、また、実施形態１の実施例において説明したように高透過率が得られ、信頼性も高い。加えて、本実施形態に係る波長選択スイッチ７００は、反射ミラー７０８を備えることによりＫＴＮ結晶７０７を２回透過するので、ＫＴＮ結晶７０７の最大偏向角の２倍である３０度の偏向角を可能にし、さらなる多ポート化を実現することができる。たとえば、実施形態１に係る波長選択スイッチと同様のアレイ導波路格子を使用した場合は、出力ポート数を３２ポートと２倍にすることができるが、平面光回路（ＰＬＣ）基板の厚さが１ｍｍで、基板間距離が０．５ｍｍの構成でアレイ導波路格子の積層を行った場合は、出力ポート数を１００ポートにすることができ、非常に拡張性の高い波長選択スイッチが実現される。

また、入力された光信号は、液晶光減衰器７０４も２回透過するので、入力光信号に対する出力光信号の消光比を大きく設定することが可能となる。これにより、ヒットレス動作時に、出力ポートの切り替えに関与しない出力ポートへの漏れ光によるクロストークをさらに低減することができ、波長選択スイッチとしての信頼性が向上する。

さらに、入力ポートと出力ポートがＫＴＮ結晶７０７の各光信号の入射面に対して同一の側に配置されているので、Ｘシリンドリカルレンズ、Ｙシリンドリカルレンズ、光減衰器およびアレイ導波路格子の共通化を図ることができ、部材コストの削減や光軸調芯に関する簡便性の向上に大きく寄与する。図７では、部材の共通化を図った波長選択スイッチ７００を示したが、共通化を行わなくともよい。以下に、各構成要素について説明する。

アレイ導波路格子群７０１は、複数のアレイ導波路格子をＹ軸方向に積層したものである。各アレイ導波路格子は、実施形態１の第１のアレイ導波路格子１０１と同様に、スラブ導波路とアレイ導波路が接続された構造とすることができる。第２のスラブ導波路２０３は備えていても、備えていなくともよい。入力ポートから入力されたＷＤＭ信号は、スラブ導波路とアレイ導波路を通過して波長分波される。アレイ導波路格子群７０１のうちの入力ポートに接続されたアレイ導波路格子、およびＹシリンドリカルレンズ群７０２のうちのそのようなアレイ導波路格子に対応するＹシリンドリカルレンズは、ＷＤＭ信号を波長分波して、波長分波された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換するための波長分波手段を構成するものであり、波長分波手段の例示的構成である。また、アレイ導波路格子群７０１のうちの出力ポートに接続されたアレイ導波路格子、およびＹシリンドリカルレンズ群７０２のうちのそのようなアレイ導波路格子に対応するＹシリンドリカルレンズは、ＫＴＮ結晶７０７により選択された出力ポートに向けて偏向された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換して、波長合波するための波長合波手段を構成するものであり、波長合波手段の例示的構成である。

集光素子である第１のＸシリンドリカルレンズ７０３、第２のＸシリンドリカルレンズ７０５および第３のＸシリンドリカルレンズ７０６は、これらに限定されず、実施形態１でも述べたように、集光するという機能を果たすものであればよい。

電気光学結晶である、電極を有するＫＴＮ結晶７０７は、実施形態１で説明したＫＴＮ結晶１０４と同一の構成とすることができ、同一の原理で動作して偏向角を切り替えることができる。実施形態１で説明したように、電気光学結晶には、ＫＴＮ結晶以外のものも含まれることに留意されたい。

光減衰器である液晶光減衰器７０４は、実施形態１で説明した液晶光減衰器１０７と同一の構成とすることができ、同一の原理で動作して「ヒットレス」動作を可能にする。液晶光減衰器７０４を備えない実施形態も、実施形態１に説明したように可能であることに留意されたい。

反射ミラー７０８は、本実施形態ではＫＴＮ結晶７０７に隣接して設けられているが、電気光学結晶であるＫＴＮ結晶７０７と波長合波手段との間に設けられていれば、最大偏向角を増大させることができることに留意されたい。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチは、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、第１の集光素子により集光された各光信号を、各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を選択した出力ポートに出力する波長合波手段と、前記電気光学結晶と前記波長合波手段との間に介在する反射ミラーとを備え、前記入力ポートと前記出力ポートは、前記電気光学結晶の各光信号の入射面に対して同一の側に配置されていることを特徴とする。

（実施形態３）
図８は、本発明による波長選択スイッチの第３の実施形態８００の構成を示している。波長選択スイッチ８００は、入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子（Ｘシリンドリカルレンズ８０３）と、第１の集光素子により集光された各光信号を、各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶（ＫＴＮ結晶８０４）と、電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子（Ｘシリンドリカルレンズ８０５および８０６）と、第２の集光素子が通過する光減衰器（液晶光減衰器８０７）と、光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子（Ｘシリンドリカルレンズ８０８）と、第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を選択した出力ポートに出力する波長合波手段とを備え、光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断することを特徴とする点で、実施形態１と同一である。括弧内の素子等は、本実施形態において各構成要素を構成する素子等である。本実施形態では、波長分波手段および波長合波手段としてバルク型回折格子を備える点が、実施形態１に係る波長選択スイッチ１００と異なる。

このような構成において、実施形態３に係る波長選択スイッチ８００は、次のように動作する。まず、ＷＤＭ信号が、入力光ファイバ直近に設置されたコリメートレンズ８０１によってコリメート光として、第１のバルク型回折格子８０２に入力ポートから入力される。入力されたＷＤＭ信号が、第１のバルク型回折格子８０２において、波長ごとに異なる角度で反射され、波長分波される。波長分波された各光信号が、第１のＸシリンドリカルレンズ８０３を通過して、それぞれ第１のＸシリンドリカルレンズ８０３からｆＸの位置に集光される。第１のＸシリンドリカルレンズ８０３からｆＸの位置に配置されているＫＴＮ結晶８０４は、各光信号の波長に対応した個別の電極を有し、集光された各光信号をＹ軸方向に偏向する。偏向された各光信号が、第１のＸシリンドリカルレンズ８０３から２ｆＸの位置に配置された第２のＸシリンドリカルレンズ８０５および３ｆＸの位置に配置された第３のＸシリンドリカルレンズ８０６により構成されるリレーレンズ系を介して、４ｆＸの位置に配置された液晶光減衰器８０７の位置にそれぞれ集光される。各光信号が、最後に、第４のＸシリンドリカルレンズ８０８を介して、第２のバルク型回折格子８０９に入射される。第２のバルク型回折格子８０９において波長に応じた角度で反射され、最終的に集光レンズ８１０で集光されて、光ファイバアレイ８１２で構成された出力ポートに結合される。

本実施形態に係る波長選択スイッチ８００は、光偏向素子として、電極を有するＫＴＮ結晶８０４を用いることを特徴とする。ＫＴＮ結晶８０４は、実施形態１で説明したように、電極に対する印加電圧に応じて、光を偏向することができ、かつ最大偏向角が従来の光偏向素子に比して大きい。また、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うこともできる。したがって、従来の波長選択スイッチよりも多くの出力ポートを備え、かつ高速なスイッチング動作が可能な波長選択スイッチを実現することができる。さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ８００は、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず、また、実施形態１の実施例で説明したように高透過率が得られ、信頼性も高い。加えて、本実施形態に係る波長選択スイッチ８００は、波長分波手段をコリメートレンズ８０１および第１のバルク型回折格子８０２で構成し、波長合波手段を第２のバルク型回折格子８０９および集光レンズ８１２で構成し、出力ポートとして光ファイバアレイ８１２を用いるので、出力ポートの間隔を小さくとることが可能であり、波長選択スイッチの小型化に大きく寄与するとともに、アレイ型導波路格子を備える波長分波手段および波長合波手段を用いた場合に比べて更なる多ポート化が可能である。

バルク型回折格子としては、図８に示すような鋸歯状溝を持つブレーズド回折格子の他に、正弦波状溝を持つホログラフィック回折格子、矩形状溝を持つラミナー回折格子など、同様の機能を備えているものであればどのようなバルク型回折格子を用いてもよいことに留意されたい。特にホログラフィック回折格子を用いる場合は、回折効率が高いため、より挿入損失の少ない波長選択スイッチの実現が可能である。

なお、実施形態１と同様に、液晶光減衰器８０７を備えない実施形態も可能であることに留意されたい。

（実施形態４）
図９は、本発明による波長選択スイッチの第４の実施形態９００の構成を示している。図９（ａ）は平面図であり、図９（ｂ）は側面図である。波長選択スイッチ９００は、入力側に少なくとも１つの光ファイバが接続された第１のアレイ導波路格子（ＡＷＧ）１０１と、焦点距離がｆＹである第１のＹシリンドリカルレンズ１０２と、焦点距離がｆＸである第１のＸシリンドリカルレンズ１０３と、光偏向素子であるＫＴＮ結晶１０４と、焦点距離がｆＸである第２のＸシリンドリカルレンズ１０５と、焦点距離がｆＸである第３のＸシリンドリカルレンズ１０６と、液晶光減衰器１０７と、焦点距離がｆＸである第４のＸシリンドリカルレンズ１０８と、焦点距離がｆＹである第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９と、第２のアレイ導波路格子群１１０とを備え、これらがこの順に配置されている。そして、偏波分離素子９０１が、第１のＹシリンドリカルレンズ１０２と第１のＸシリンドリカルレンズ１０３との間に、第１の半波長板９０２が、第１のＸシリンドリカルレンズ１０３とＫＴＮ結晶１０４との間に、第２の半波長板群９０３が、液晶光減衰器１０７と第４のＸシリンドリカルレンズ１０８との間に、偏波合成素子９０４が、第４のＸシリンドリカルレンズ１０８と第２のＹシリンドリカルレンズ１０９との間に挿入されている。ここで、光信号の進行方向をＺ軸とし、第１のアレイ導波路格子１０１および第２のアレイ導波路格子群１１０の基板と水平な方向をＸ軸、垂直な方向をＹ軸とする。

このような構成において、実施形態４に係る波長選択スイッチ９００は、次のように動作する。まず、ＷＤＭ信号が、第１のアレイ導波路格子１０１に入力ポートから入力される。入力されたＷＤＭ信号は、第１のアレイ導波路格子１０１において波長分波され、第１のアレイ導波路格子１０１の基板より出力される。出力された各光信号は、出力直後には基板垂直方向に発散するが、第１のアレイ導波路格子１０１の端面からｆＹの位置に配置された第１のＹシリンドリカルレンズ１０２により、Ｚ軸方向に平行な平行光に変換される。平行光に変換された各光信号が、偏波分離素子９０１にてＴＥ波およびＴＭ波に分離される。分離された各ＴＥ波および各ＴＭ波のうちの各ＴＭ波が、第１のアレイ導波路格子１０１の端面からｆＸの位置に配置された第１のＸシリンドリカルレンズ１０３を通過して、それぞれ第１のアレイ導波路格子１０１の端面から２ｆＸの位置に集光される。第１のアレイ導波路格子１０１の端面から２ｆＸの位置に配置されているＫＴＮ結晶１０４は、各光信号の波長に対応した個別の電極を有し、集光された各ＴＭ波をＹ軸方向に偏向する。偏向された各ＴＭ波が、第１のアレイ導波路格子１０１の端面から３ｆＸの位置に配置された第２のＸシリンドリカルレンズ１０５および４ｆＸの位置に配置された第３のＸシリンドリカルレンズ１０６により構成されるリレーレンズ系を介して、５ｆＸの位置に配置された液晶光減衰器１０７の位置にそれぞれ集光される。次いで、各ＴＭ波が、液晶光減衰器１０７と第４のＸシリンドリカルレンズ１０８との間に挿入された第２の半波長板群９０３のうちの１つを通過することで偏波方向が９０度回転されて、第４のＸシリンドリカルレンズ１０８と第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９との間に挿入された偏波合成素子９０４を通過する。最後に、第２のＹシリンドリカルレンズ群１０９のうちの１つを介して、ＫＴＮ結晶１０４により選択された出力ポートに接続される、第２のアレイ導波路格子群１１０のうちの１つのアレイ導波路格子へと結合され、波長合波されて出力ポートに出力される。ここで、第４のＸシリンドリカルレンズ１０８および第２のアレイ導波路格子群１１０は、第３のＸシリンドリカルレンズ１０６から、それぞれＺ軸方向に２ｆＸおよび３ｆＸの位置に配置されており、第２のＹシリンドリカルレンズ１０９は、第２のアレイ導波路格子群１１０からｆＹの位置に配置されている。

一方で、偏波分離素子にて分離された各ＴＥ波は、第１の半波長板９０２において偏波方向を９０度回転され、ＴＭ偏波と平行な偏向成分に変換される。この偏波成分が、ＫＴＮ結晶１０４、第２のＸシリンドリカルレンズ１０５、第３のＸシリンドリカルレンズ１０６、液晶光減衰器１０７および第４のＸシリンドリカルレンズ１０８を順次通過する。そして、偏波合成素子９０４においてもう１つの偏波と合波され、同様に出力ポートへ導かれる。

本実施形態に係る波長選択スイッチ９００は、光偏向素子として、電極を有するＫＴＮ結晶１０４を用いることを特徴とする。ＫＴＮ結晶は、実施形態１で説明したように、電極に対する印加電圧に応じて、光を偏向することができ、かつ最大偏向角が従来の光偏向素子に比して大きい。また、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うこともできる。したがって、従来の波長選択スイッチよりも多くの出力ポートを備え、かつ高速なスイッチング動作が可能な波長選択スイッチを実現することができる。さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ９００は、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず、また、実施形態１の実施例において説明したように高透過率が得られ、信頼性も高い。加えて、本実施形態に係る波長選択スイッチ９００は、電気光学結晶であるＫＴＮ結晶１０４の前段に、直交する２つの偏波成分に光信号を分離する偏波分離素子９０１と、一方の偏波成分を９０度回転させる第１の半波長板９０２とを備え、電気光学結晶の後段に、第１の半波長板により偏波方向を回転されていない偏波成分を９０度回転させる第２の半波長板群９０３と、直交する２つの偏波成分を合成する偏波合成素子９０４とを備えることにより、ＫＴＮ結晶など偏波依存性を有する電気光学結晶を光信号が通過する時に、偏波方向を一方の偏波方向に揃え（偏波ダイバーシティ構成）、偏波依存性の影響を解消もしくは軽減することができる。

偏波分離素子９０１としては、ルチル型ＴｉＯ₂結晶を用いることができ、また、同様の機能を持つ素子、例えばＹＶＯ₄結晶などを用いてもよい。

なお、実施形態１と同様に、液晶光減衰器１０７を備えない実施形態も可能であることに留意されたい。

（実施形態５）
図１０は、本発明による波長選択スイッチの第５の実施形態１０００の構成を示している。図１０（ａ）は平面図であり、図１０（ｂ）は側面図である。波長選択スイッチ１０００は、入力側に少なくとも１つの光ファイバが接続された第１のアレイ導波路格子（ＡＷＧ）１００１と、焦点距離がｆＹである第１のＹシリンドリカルレンズ１００２と、焦点距離がｆＸである第１のＸシリンドリカルレンズ１００３と、光偏向素子であるＫＴＮ結晶１００４と、焦点距離がｆＸである第２のＸシリンドリカルレンズ１００５と、焦点距離がｆＹである第２のＹシリンドリカルレンズ群１００６と、第２のアレイ導波路格子群１００７とを備え、これらがこの順に配置されている。ここで、光信号の進行方向をＺ軸とし、第１のアレイ導波路格子１００１および第２のアレイ導波路格子群１００７の基板と水平な方向をＸ軸、垂直な方向をＹ軸とする。本実施形態において、実施形態１に係る波長選択スイッチ１００と大きく異なるのは、ＫＴＮ結晶１００４の電極として長方形型を用いるのではなく、パネル型を用いる点である。短冊型および形状複合型の電極を用いた電極に関しては、実施形態６および７で後述する。

このような構成において、実施形態１に係る波長選択スイッチ１０００は、次のように動作する。まず、ＷＤＭ信号が、第１のアレイ導波路格子１００１に入力ポートから入力される。入力されたＷＤＭ信号が、第１のアレイ導波路格子１００１において波長分波され、第１のアレイ導波路格子１００１の基板より出力される。出力された各光信号は、出力直後には基板垂直方向に発散するが、図１０（ｂ）に示すように、第１のアレイ導波路格子１００１の端面からｆＹの位置に配置された第１のＹシリンドリカルレンズ１００２により、Ｚ軸方向に平行な平行光に変換される。平行光に変換された各光信号が、第１のアレイ導波路格子１００１の端面からｆＸの位置に配置された第１のＸシリンドリカルレンズ１００３を通過して、それぞれ第１のアレイ導波路格子１０１の端面から２ｆＸの位置に集光される。第１のアレイ導波路格子１００１の端面から２ｆＸの位置に配置されているＫＴＮ結晶１００４は、パネル型の電極を有し、集光された各光信号をＸ軸方向およびＹ軸方向に偏向する。偏向された各光信号が、第１のアレイ導波路格子１００１の端面から３ｆＸの位置に配置された第２のＸシリンドリカルレンズ１００５と第２のＹシリンドリカルレンズ群１００６のうちの１つとを介して、ＫＴＮ結晶１００４により選択された出力ポートに接続される、第２のアレイ導波路格子群１００７のうちの１つのアレイ導波路格子へと結合され、波長合波されて出力ポートに出力される。ここで、第２のアレイ導波路格子群１００７は、第２のＸシリンドリカルレンズ１００５から、Ｚ軸方向にｆＸの位置に配置されており、第２のＹシリンドリカルレンズ１００６は、第２のアレイ導波路格子群１００７からｆＹの位置に配置されている。

本実施形態に係る波長選択スイッチ１０００は、光偏向素子として、パネル型の電極を有するＫＴＮ結晶１００４を用いることを特徴とする。ＫＴＮ結晶１００４は、実施形態１で説明したように、電極に対する印加電圧に応じて、光を偏向することができ、かつ最大偏向角が従来の光偏向素子に比して大きい。また、印加電圧に応じた偏向角の切り替えを高速に行うこともできる。したがって、従来の波長選択スイッチよりも多くの出力ポートを備え、かつ高速なスイッチング動作が可能な波長選択スイッチを実現することができる。さらに、本実施形態に係る波長選択スイッチ１０００は、ＭＥＭＳとは異なり光の偏向の際に機械的動作を含まず、また、実施形態１の実施例で説明したように高透過率が得られ、信頼性も高い。加えて、本実施形態に係る波長選択スイッチ１０００は、ＫＴＮ結晶１００４の電極としてパネル型を用いることで、Ｙ軸方向のみならずＸ軸方向へも光信号を偏向して、二次元的な出力ポート配列を可能とする。それにより、波長選択スイッチの小型化に大きく寄与するとともに、更なる多ポート化が可能である。また、二次元的に光信号を偏向することができるので、光減衰器を設けることなく、出力ポートの切り替え時の、切り替えに関与しない出力ポートへの漏れ光を回避もしくは軽減するように光信号の経路を設定し、部材費の低減や調芯技術の容易化による最終的なコストの削減を可能にする。以下、より詳細に説明する。

第１のアレイ導波路格子群１００１は、実施形態１の第１のアレイ導波路格子１０１と同様に、スラブ導波路とアレイ導波路が接続された構造とすることができる。第２のスラブ導波路２０３は備えていても、備えていなくともよい。第１のアレイ導波路格子１００１および第１のＹシリンドリカルレンズ１００２は、ＷＤＭ信号を波長分波して、波長分波された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換するための波長分波手段を構成するものであり、波長分波手段の例示的構成である。

集光素子である第１のＸシリンドリカルレンズ１００３は、単一のレンズであることは必ずしも必要ではなく、各光信号を集光することができればよいことに留意されたい。

図１１は、複数の基板が積層された第２のアレイ導波路格子群１００７のうちの１つ基板を示している。各基板上には、複数のアレイ導波路格子がＸ軸方向に配置されている。各アレイ導波路格子は、第１のスラブ導波路１１０１と、第１のスラブ導波路１１０２に接続されたアレイ導波路１１０２と、アレイ導波路１１０２と接続された第２のスラブ導波路１１０３とを備える。第１のスラブ導波路１１０１は備えていても、備えていなくともよい。第２のＸシリンドリカルレンズ１００５、第２のＹシリンドリカルレンズ群１１０６および第２のアレイ導波路格子群１１０７は、ＫＴＮ結晶１１０４により選択された出力ポートに向けてＸ軸方向およびＹ軸方向に偏向された各光信号をＺ軸方向に平行な光信号に変換して、波長合波するための波長合波手段を構成するものであり、波長合波手段の例示的構成である。第２のＸシリンドリカルレンズ１００５は、電気光学結晶であるＫＴＮ結晶１００４により偏向された各光信号を集光する集光素子としても機能することができる。

図１２は、電気光学結晶であるＫＴＮ結晶１００４の有する電極の詳細を示している。ＫＴＮ結晶１００４のＺ軸方向に平行な面の一方の上に、光信号の経路と直交する方向に少なくとも１つの電極が設けられている。各電極は、パネル型にすることができる。図中のＷは電極幅であり、Ｇは電極間隔であり、ｔはＫＴＮ結晶１００４の厚さである。ＫＴＮ結晶１００４のＺ軸方向に平行な面の他方には、グランドに接続された一枚の電極が設けられているが、そのような形状に限らず、上述の長方形型の電極に対応する位置のＫＴＮ結晶１００４に電圧を印加することができればよい。ＫＴＮ結晶１００４の動作は、実施形態において説明したように、電極に電圧を印加するとＫＴＮ結晶１００４内においてカソードに近くなるほど屈折率が傾斜的に上昇し、カソード電極に近づく方向に対して光信号を偏向する。

図１３は、パネル型の電極を有するＫＴＮ結晶１００４の動作を示している。各電極は、複数のセルが２次元のパネル状に配置されており、各セルを個別に電圧制御することができる。Ｙ軸方向のみに光信号を偏向する場合は、図１３（ａ）に示すようにすべてのセルに一様に電圧を印加する。そうすると、ＫＴＮ結晶１００４による空間電荷制御モードＥＯ効果によって光信号が偏向される。Ｘ軸方向に偏向する場合には、図１３（ｂ）に示すように三角形に近似できる領域に相当するセルに対して一様に電圧を印加する。そうすると、Ｙ軸方向に光を偏向しつつ、ＫＴＮ結晶１００４内において空間電荷制御モードＥＯ効果に起因する屈折率変化が生じ、スネルの法則を介して、Ｘ軸方向へも光が偏向される。Ｘ軸方向に関する偏向角は、三角形に近似される電圧印加領域の斜辺の角度と、印加電圧の大きさに依存する。

ここで、Ｙ軸方向の偏向角は、印加電圧量と電圧印加領域内における光路長に依存する。したがって、三角形状に電圧を印加した場合、光路長が図１３（ａ）のような全面電圧印加時と比較して短くなり、Ｙ軸方向に対して十分な偏向角を得ることができなくなる場合がある。この対策として、三角形状に電圧を印加する場合は、全面電圧印加時より高電圧を印加すればよい。より高い電圧を印加することにより、アノード・カソード間の屈折率の差がより大きくなり、Ｙ軸方向の偏向角を大きく設定できる。すなわち、近似する三角形の形状と印加電圧の最適化を行うことで、Ｙ軸方向に対する光の偏向角は維持しつつ、Ｘ軸方向に関する光の偏向角を調整することが可能である。

また、厚さ１００μｍのＫＴＮの上部にパネル型電極を配置し、斜辺が４５度となるような三角形に近似できる領域に２５０Ｖの電圧を印加した場合のＸ軸方向偏向角を求める。非特許文献２によると、２５０Ｖの電圧印加時の偏向角はおよそ１５度であることから、結晶の中心、すなわちｙ＝ｔ／２においては電圧印加領域と非印加領域との間の屈折率の差Δｎ＝０．０７５が算出される。この値を元に、スネルの法則を用いると偏光角度として約４．２度が求められ、電圧印加領域が近似できる三角形の斜辺の角度を±４５度にすることで最大８．４度もの広角な偏向が可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチは、電気光学結晶の有する電極として、複数のセルが２次元のパネル状に配置されているパネル型電極を用い、各セルへの印加電圧を個別に制御することで、電気光学結晶を透過する光信号を二次元的に偏向することを特徴とする。

（実施形態６）
図１４は、短冊型の電極を有するＫＴＮ結晶の動作を示している。実施形態５では、パネル型の電極を有するＫＴＮ結晶を用いて光信号を二次元的に偏向することができたが、電極を短冊型としても同様に二次元的に偏向することができる。各電極は、短冊のようなＺ軸方向に細長い長方形状の複数のセルがＸ軸方向に並列に配置されており、各セルを個別に電圧制御することができる。本実施形態では、ＫＴＮ結晶内での単色の光信号のビームスポットＷｏを短冊の幅Ｗに比べて十分大きく、たとえばＷ₀＞１０Ｗとするのが望ましい。

Ｙ軸方向のみに光信号を偏向する場合は、図１３（ａ）に示すようにすべてのセルに一様に電圧を印加する。Ｘ軸方向に偏向する場合には、図１３（ｂ）に示すように光の偏向方向に向かって徐々に印加電圧量を増加させる。そうすると、Ｘ軸方向にも屈折率変化が段階的に形成され、光信号をＸ軸方向に偏向することができる。この電極形状の特徴としては、ＫＴＮによって偏向させられた光の波面歪みが生じにくいという点が挙げられる。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチは、電気光学結晶の有する電極として、短冊のような光信号の経路方向に細長い長方形状の複数のセルが、並列に配置されている短冊型電極を用い、各セルへの印加電圧を個別に制御することで、電気光学結晶を透過する光信号を二次元的に偏向することを特徴とする。

（実施形態７）
図１５は、複合形状型の電極を有するＫＴＮ結晶の動作を示している。各電極は、Ｙ軸方向に光信号を偏向するための長方形型電極１５０１と、Ｘ軸方向に光信号を偏向するための三角形型電極１５０２とを備える。長方形型電極１５０１の材質として例えばチタンを用いると、電極部で空間電荷制御モードＥＯ効果が発現されるため、Ｙ軸方向に屈折率の分布を形成することができ、同方向に光を偏向することが可能である。また、三角形状電極１５０２の材質として例えば白金を用いると、通常の電気光学効果すなわちカー効果を発現させることが可能である。カー効果においては結晶内の屈折率変化はＹ軸方向に一様であるため、単純なプリズム効果によりＸ軸方向に光を偏向することが可能である。どちらの電極においても、高電圧を印加するほど大きな偏向角度を得ることができる。本実施形態においては、カー効果を発現させる三角形電極１５０２の斜辺に対応する頂点の向きに一元的に偏向が起こる。このため、実施形態７においてはＸ軸方向の偏向角が実施形態５および実施形態６と比較して狭くなるが、この複合形状型の電極を用いた場合は非常に単純な構造で、しかも縦横を独立に制御可能という点で大きな利点を有する。

以上説明したように、本実施形態に係る波長選択スイッチは、電気光学結晶の有する電極として、ＫＴＮ結晶に対して空間電荷制御モードＥＯ効果をもたらす材料を使用して形成される長方形の電極と、カー効果をもたらす材料を使用して形成される三角形の電極とを光信号の経路方向に縦列に配置した複合形状型電極を用いることを特徴とする。

本発明による波長選択スイッチの第１の実施形態を示す図である。実施形態１に係る第１のアレイ導波路格子を示す図である。実施形態１に係るＫＴＮ結晶の有する電極の詳細を示す図である。実施形態１において液晶光減衰器を備えない形態の波長選択スイッチを示す図である。実施形態１に係る実施例の波長選択スイッチの特性を示す図である。実施形態１に係る実施例の波長選択スイッチのスイッチング動作特性を示す図である。本発明による波長選択スイッチの第２の実施形態を示す図である。本発明による波長選択スイッチの第３の実施形態を示す図である。本発明による波長選択スイッチの第４の実施形態を示す図である。本発明による波長選択スイッチの第５の実施形態を示す図である。実施形態５に係る第２のアレイ導波路格子群のうちの１つ基板を示す図である。実施形態５に係るＫＴＮ結晶の有する電極の詳細を示す図である。実施形態５に係る、パネル型の電極を有するＫＴＮ結晶の動作を示す図である。実施形態６に係る、短冊型の電極を有するＫＴＮ結晶の動作を示す図である。実施形態７に係る、複合形状型の電極を有するＫＴＮ結晶の動作を示す図である。

符号の説明

１０１、１００１第１のアレイ導波路格子
１０２、１００２第１のＹシリンドリカルレンズ
１０３、７０３、８０３、１００３第１のＸシリンドリカルレンズ
１０４、７０７、８０４、１００４ＫＴＮ結晶
１０５、７０５、８０５、１００５第２のＸシリンドリカルレンズ
１０６、７０６、８０６第３のＸシリンドリカルレンズ
１０７、７０４、８０７液晶光減衰器
１０８、８０８第４のＸシリンドリカルレンズ
１０９、１００６第２のＹシリンドリカルレンズ群
１１０、１００７第２のアレイ導波路格子群
２０１第１のスラブ回路
２０２アレイ導波路
２０３第２のスラブ回路
７０１アレイ導波路格子群
７０２Ｙシリンドリカルレンズ群
７０８反射ミラー
８０１コリメートレンズ
８０２第１のバルク型回折格子
８０９第２のバルク型回折格子
８１０集光レンズ
８１１光ファイバ
８１２光ファイバアレイ
９０１偏波分離素子
９０２第１の半波長板
９０３第２の半波長板群
９０４偏波合成素子
１１０１第１のスラブ回路
１１０２アレイ導波路
１１０３第２のスラブ回路
１３０１、１４０１セル
１５０１長方形型電極
１５０２三角形型電極

Claims

入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、
前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、
前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、
前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、
前記第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段と
を備え、
前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、
前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、複数のセルが２次元のパネル状に配置されているパネル型電極であり、
前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする波長選択スイッチ。
入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、
前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、
前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、
前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、
前記第２の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段と
を備え、
前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、
前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、短冊のような光信号の経路方向に細長い長方形状の複数のセルが、並列に配置されている短冊型電極であり、
前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする波長選択スイッチ。
前記電気光学結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択スイッチ。
前記電気光学結晶と前記波長合波手段との間に介在する反射ミラーをさらに備え、前記入力ポートと前記出力ポートは、前記電気光学結晶の前記各光信号の入射面に対して同一の側に配置されており、前記第１の集光素子と前記第２の集光素子とは同一の部材であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記入力ポートと前記出力ポートは、前記電気光学結晶の前記各光信号の入射面に対して、前記電気光学結晶を挟んで対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記波長分波手段および前記波長合波手段は、それぞれアレイ導波路格子を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記波長分波手段および前記波長合波手段は、それぞれバルク型回折格子を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
前記電気光学結晶の前段に、
直交する２つの偏波成分に前記各光信号を分離する偏波分離素子と、
一方の偏波成分を９０度回転させる第１の半波長板と
をさらに備え、前記電気光学結晶の後段に、
前記第１の半波長板により偏波方向を回転されていない偏波成分を９０度回転させる第２の半波長板群と、
直交する２つの偏波成分を合成する偏波合成素子と
をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波長選択スイッチ。
入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、
前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、
前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、
前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子が集光した各信号光が通過する光減衰器と、
前記光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子と、
前記第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段と
を備え、前記光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断し、
前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、
前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、複数のセルが２次元のパネル状に配置されているパネル型電極であり、
前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする波長選択スイッチ。
入力ポートから入力された波長分割多重信号のうちの選択した波長の光信号を、選択した出力ポートに出力する波長選択スイッチであって、
前記入力ポートから入力された波長分割多重信号を波長分波する波長分波手段と、
前記波長分波手段により波長分波された各光信号を、それぞれ集光する第１の集光素子と、
前記第１の集光素子により集光された各光信号を、前記各光信号に対して選択した出力ポートに向けてそれぞれ偏向する、前記各光信号の経路と直交する方向に並列に設けられた少なくとも１つの電極を有する電気光学結晶と、
前記電気光学結晶により偏向された各光信号を、それぞれ集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子が集光した各信号光が通過する光減衰器と、
前記光減衰器を通過した各光信号をそれぞれ集光する第３の集光素子と、
前記第３の集光素子により集光された各光信号を波長合波して、波長合波された光信号を前記選択した出力ポートに出力する波長合波手段と
を備え、前記光減衰器は、出力ポートを第１の出力ポートから第２の出力ポートに切り替える時に、切り替えに関与しない出力ポートへの光の経路を遮断し、
前記波長分波手段は、二次元に配列された出力ポートに接続されており、
前記少なくとも１つの電極のそれぞれは、短冊のような光信号の経路方向に細長い長方形状の複数のセルが、並列に配置されている短冊型電極であり、
前記複数のセルのそれぞれへの印加電圧は、個別に制御可能であることを特徴とする波長選択スイッチ。
前記電気光学結晶は、ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の波長選択スイッチ。