JP5910970B2 - 波長選択スイッチ - Google Patents

Description

本発明は波長分割多重光通信の線路に導入される波長選択スイッチに関する。

波長分割多重（ＷＤＭ, Wavelength Division Multiplexing）通信路の中に設置される通信ノードでは、光信号を電気信号に変換し電気スイッチで経路切り替えすることなく、光信号のまま経路切り替えを行うことにより、通信ノードの低消費電力化、小型化を同時に実現可能なＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop multiplexer）システムの導入が進められている。そのＲＯＡＤＭには、基幹デバイスとして波長選択スイッチ（ＷＳＳ, Wavelength Selective Switch）が搭載され、様々な方式がこれまで提案されてきた。

図１に一般的な構成の波長選択スイッチの概念図を示し、その動作について説明する。一般的なＷＳＳは少なくとも１つの入力ポートとＮ個の出力ポートを有する光入出力部と、少なくとも１つのレンズと、波長分波部及び波長合波部（波長合分波部）と、光信号を所望の出力ポートへ切り替えるための光偏向部とを含んで構成される。図１は、波長選択スイッチの構成では、光入出力部１００を入出力ファイバアレイ１０１で、波長合分波部を回折格子１０５で、光偏向部を光偏向素子１０７でそれぞれ構成した例を示す。

以下では、波長選択スイッチにおいて、波長合分波部によって波長分波される方向をｘ軸、ｘ軸に直交する向きである入出力ファイバアレイ１０１のファイバが配列する方向をｙ軸、光信号がファイバから出力される際の進行方向をｚ軸と定義する。

以下では説明のために、光入出力部１００を構成する入出力ファイバアレイ１０１の本数を５本とし、その中心ファイバを入力ポート、最下部に配置されたファイバを出力ポートとして設定しているが、本数及び入出力ファイバの選択に関しては本説明に限定されるものではない。また、入力ファイバから出射された光信号が光偏向素子１０７までに通過する主光線を太実線にて、光偏向素子１０７にて反射された光信号が、出力ファイバに結合までの主光線を太破線にて表している。

入出力ファイバアレイ１０１から空間に出射された光信号は、入出力ファイバアレイ１０１によって閉じ込められていたビーム径に応じた一定の開口数(Numerical aperture，ＮＡ)にて広がりながら伝播する。この光信号は、入出力ファイバアレイ１０１の各々の光ファイバから出た光信号がそれぞれコリメート光として空間を伝播するように焦点距離及び配置位置を調整されたマイクロレンズアレイ１０２によって、ＮＡを調整され、さらに集光レンズ１０３のｙ軸方向における入射位置に応じた角度に変換される。この光信号は、レンズ１０４を介して再び角度を位置に変換された後に回折格子１０５によって、ｘ軸方向に波長分波され、さらにレンズ１０６を介して光偏向素子１０７上に集光される。光偏向素子１０７において、出力ファイバに最適に結合するように角度調整された光信号は、各レンズ、回折格子を逆にたどるように通過し、集光レンズ１０３に達する。集光レンズ１０３は、集光レンズ１０３に入射するビームのｙ軸方向の高さに比例した角度に変換する機能を有しており、この集光レンズ１０３に入射した光信号は、出力ファイバに向かってｚ軸と平行になるように位置及び角度を調整され、入出力ファイバアレイ１０１における、所望の出力ファイバに結合することでスイッチングを行うことができる。本動作は回折格子１０５にて波長分波されていることから、光偏向素子１０７の設定により波長ごとに所望の出力ポートに振り分けることが可能であり、波長選択的なスイッチングデバイスとして動作する。

光偏向部を構成する光偏向素子１０７としては、ＭＥＭＳ（Micro-electro mechanical system）技術によるマイクロミラーアレイ（たとえば、特許文献１参照）、液晶セルアレイ、ＤＭＤ（Digital mirror device）、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）など（たとえば、特許文献２参照）が代表的なものとして挙げられる。

ＷＳＳを実現する際には、上述した重要な構成要素である入出力部、波長合分波部、光偏向部のそれぞれを、どのような素子を用いて構成するかにより、基本的な動作原理はそのままに、特徴は大きく異なるものになる。

例えば、最も単純な構成としては、入出力部をファイバアレイで、波長合分波部をバルク型回折格子で、光偏向部をＬＣＯＳでそれぞれ構成したＷＳＳが知られている。この例では図１とほぼ同様に光学素子が配置される。このＷＳＳの構成例の特徴としては、入出力部に光ファイバアレイ１０１を採用していることから入出力ポートをアレイ化しやすく、出力ポート数Ｎを数１０程度と大きく設定することができる。また、バルク光学素子を多く用いていることから、比較的低損失なＷＳＳを実現可能である。

その他のＷＳＳの構成例としては、入出力部及び波長合分波部の双方を平面光波回路（ＰＬＣ，Planer Lightwave Circuit）技術によるアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ，Arrayed-Waveguide Grating）に集積して構成し、光偏向部を主に液晶スイッチで構成したＷＳＳ（たとえば、特許文献１参照）が知られている。このＷＳＳでは入力ポート及び出力ポートがそれぞれ一つのＡＷＧに対応する。入力ポートに接続されたＡＷＧから空間に出力された信号光は、波長毎に異なる同位相面を備えていることにより、波長毎に伝搬する方向が異なる。よって、ＡＷＧは波長毎に出射角度が異なる角度分散特性を備えた分光器として作用する。したがって、ＡＷＧを伝搬した信号光は、レンズにより、ｘ軸方向に対して波長毎に異なった位置に集光される。この焦点位置に液晶スイッチを配置し、さらに任意の角度に偏向されるように液晶スイッチを動作させる。この空間偏向機能により、信号光を任意の合波用ＡＷＧへとレンズを介して光結合させることが可能となる。以上より、上記の光学系全体が波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の機能を果たすことになる。このとき、合波用ＡＷＧの数をＮ個とすると、１入力Ｎ出力の機能を有する１×Ｎ−ＷＳＳが得られる。本構成は、ＷＳＳにおける主だった機能部である入出力部、波長合分波部及び光偏向部のうちの入出力部と波長合分波部をＰＬＣに集積することにより、光学素子のアライメントに由来する実装負荷が低減される特徴を持つ。さらに、ＡＷＧはバルクの回折格子と比較して高次数での回折が可能であることから分散能が高く、より短焦点距離のレンズを用いることが可能であるため、光学系の小型化が期待できる。

特許第４９４９３５５号明細書（段落０００３〜０００５，００１６〜００１９、図１，３） 特許第４９６０２９４号明細書（段落００２９〜００３０，００５６、図４，５，８）

しかしながら、波長合分波部を波長分散素子であるバルク型回折格子で構成したＷＳＳでは、バルク回折格子の分散能の限界から、光学系を小型化することは難しい。バルク型回折格子の角度分散(単位波長あたりの回折角変化量)は以下の（１）式にて表すことができる。

（１）式において、Ｎは１ｍｍあたりの溝本数、ｍは回折次数、θは回折角を意味する。一般的な回折格子の例として、Ｎ＝９４０、ｍ＝１、θ＝π／４の値を代入すると、角度分散は１．３ｒａｄ／ｕｍ程度と算出される。一方で、ＷＳＳの波長合分波部として用いることのできるＡＷＧの角度分散は以下の（２）式にて表すことができる。

（２）式において、Ｎは有効屈折率、ΔＬは隣接する出射点間の光路長差、ｐは隣接する出射点間のピッチを意味する。一般的なＡＷＧの例として、ｎ＝１．５、ΔＬ＝２００ｕｍ、ｐ＝１０ｕｍ、λ＝１．５５ｕｍを代入すると、角度分散は１９ｒａｄ／ｕｍ程度と算出され、バルク型回折格子の実に１０倍もの分散能を有することとなる。一般に用いられるバルク型回折格子とＡＷＧとでは分散能に明らかな違いが存在する。この大きな違いを発生させるためには、（２）式におけるΔＬを大きくしつつ、同時にｐを小さく設計することが重要である。ＡＷＧでは導波路レイアウトを制御することでｐはそのままにΔＬを非常に大きく設定することができるため、桁違いの角度分散を発生させることができる。一方で、バルク型回折格子においては、作製方法がエッチング、レプリカいずれであろうともΔＬ及びｐは同じ桁でしか作製できない。これが現状の技術で角度分散を大きく設定できない理由であり、バルク型回折格子を使う限りは光学系の短尺化は困難である。

入出力部及び波長合分波部をＡＷＧに集積したＷＳＳについては、上記のとおり小型な光学系が実現できるが、反面入出力ポート数の増加が難しいという課題がある。

図２に入出力部及び波長合分波部をＡＷＧに集積した波長選択スイッチの概念図を示し、その動作について説明する。以下では、波長選択スイッチにおいて、ＡＷＧによって波長分波される方向をｘ軸、ｘ軸に直交する向きであるＡＷＧ２０１の基板厚み方向をｙ軸、光信号がＡＷＧから出力される際の進行方向をｚ軸と定義する。本方式においては、一つのＡＷＧが図１の入出力ファイバ１本分に相当するため、入出力ポート数は搭載するＡＷＧの個数に等しい。

以下では説明のために、一枚のＰＬＣチップに搭載されるＡＷＧの数を３つ、このＰＬＣチップをｙ軸方向に２枚並べて配置しているが、枚数及び１枚のＰＬＣに搭載されるＡＷＧの個数は本説明に限定されるものではない。

ＡＷＧ２０１から空間に出射された信号光は、ＡＷＧそのものが波長分波機能を有しているため、ｘ軸方向に波長分波され、レンズ２０２を介して光偏向素子２０３上に集光される。光偏向素子２０３において、ｘ軸またはｙ軸に関して所望の角度で偏向された光は,８つのＡＷＧのうち、１つのＡＷＧに結合することでスイッチングを行うことができる。この際、ＡＷＧがある程度のチップ面積を必要とするため、１枚のＰＬＣに搭載できるＡＷＧの数は光偏向素子２０３に偏向能力で律され、通常３〜５枚程度しか配置できない。また、ｙ軸方向にＡＷＧを並べるにはＰＬＣチップを一枚ずつ精密にアライメントする、もしくは積層導波路を形成する、のいずれかの手段を採用することになるが、技術的に困難であり多くとも４〜５層程度しか実現されない。

したがって、入出力部及び波長合分波部をＡＷＧに集積したＷＳＳでは入出力ポート数を増加するには光偏向素子２０３の基礎特性を劇的に改善させるかあるいは実装負荷を非常に大きくするかの二択となり、ポート数増加は困難である。

また、ＷＳＳの波長合分波部を、ＡＷＧと同様に高分散能な素子であるＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）で構成することが考えられる。ＶＩＰＡは、反射率の異なる鏡面を有する対向する平行平面ガラス板を備え、一方の鏡面の反射率をほぼ１００％とし、他方の鏡面の反射率を１００％より低く（例えば、９５〜９８％）とすることで、入射した光信号が鏡面間を多重反射し、反射率が１００％より低い鏡面を透過して出射する素子である。ＶＩＰＡは、入力された波長多重光信号を波長毎に分波する素子として知られている。

ＶＩＰＡの角度分散もまた、上記（２）式にて表現することができ、ＡＷＧの角度分散と同程度の値となるので、一般に用いられるバルク型回折格子とＶＩＰＡとでは分散能に明らかな違いが存在する。この大きな違いを発生させるためには、ＡＷＧと同様に、ＶＩＰＡでも、設置角度や基板厚みを制御することでｐはそのままにΔＬを非常に大きく設定することができるため、桁違いの角度分散を発生させることができる。

以下、ＷＳＳの波長合分波部を、反射率の異なる鏡面を有する対向する平行平面ガラス板を備えたＶＩＰＡで構成する場合を検討する。

図３に、ＶＩＰＡを用いたＷＳＳの概念図を示す。図３に示すＷＳＳは、入出力部を構成する入出力ファイバアレイ３０１、マイクロレンズアレイ３０２、波長合分波部を構成するＶＩＰＡ３０３、レンズ３０４、及び光偏向部を構成する光偏向素子３０５がこの順番に配置される構造である。ＶＩＰＡ３０３を構成する対向する２枚のガラス板のうち入出力ファイバアレイ３０１側のガラス板には反射率がほぼ１００％の鏡面が形成され、レンズ３０４側のガラス板には反射率が１００％より低い鏡面が形成されている。図３に示すＷＳＳの基本的な動作原理は図２のＡＷＧを用いたＷＳＳの動作原理と同様である。

図３に示すＷＳＳは、ｙ軸方向に入出力ファイバを複数本配置することで、ＡＷＧと同様に光学系の短尺化が期待できる。一方、ＶＩＰＡにより複数の波長合分波部を高精度にレイアウトする実装負荷は高くなる。また、ＶＩＰＡ特有の問題として、出射ビームの強度プロファイルがｘ軸に対して非対称なモードになる点が挙げられる。ｘ軸に対して非対称な強度分布を有する場合、レンズ３０４を介して集光され、光偏向素子３０５にて反射され、レンズ３０４で再び並行光に戻された際にＶＩＰＡからの出射ビームの強度プロファイルとの不整合が発生するため、原理的な結合損失が発生する。また、入出力ファイバアレイ３０１から出射した光は、マイクロレンズアレイ３０２によってＮＡを調整され、ＶＩＰＡ３０３に入射するが、ビームは空間を伝搬するうちに発散していく。従って、ＶＩＰＡ３０３にて複数回反射した後のビーム径はｘ軸及びｙ軸の両軸に対して、ＶＩＰＡ３０３に入射した直後のビーム径と比べて大径化している。このことから上記の強度プロファイルの不整合はｙ軸に対しても発生する。ゆえに、ＶＩＰＡを用いた場合はｘ軸方向の多重反射による指数関数状の強度プロファイルであること、さらには多重反射によって長距離空間を伝搬したビームの発散によるビーム大径化、この二種類の原理損失が問題となる。

以上に述べたように、これまで提案されていたＷＳＳは、波長選択スイッチの特性が波長合分波部の特性に大きく左右されるものである。さらに具体的には光学系の小型化、多ポート化、低損失化といったメリットのいずれかに特化した構成となっており、上記のメリットを同時に具現化する構成は実現が困難であった。

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、容易に小型化、多ポート化を達成できる波長選択スイッチを提供することにある。さらに、本願発明は、波長分散素子から空間に出射されるビームの強度プロファイルを制御することができる波長選択スイッチを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｍ×Ｎ波長選択スイッチであって、少なくともＭ個（Ｍは１以上の整数）の入力ポート、少なくともＮ個（Ｎは１以上の整数）の出力ポート及び前記入力ポートから出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段と、前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、前記集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、前記空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して前記Ｎ個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段とを含み、前記分光手段および前記合波手段はそれぞれ、導波路基板に形成された、光導波路の長手方向の一対の反射鏡であり前記光導波路の垂直上下で光信号の波長程度の間隔を有して対向し非対称の反射率を有する一対の反射鏡を備え、前記分光手段は、前記入力ポートから入力される光信号が前記一対の反射鏡の間を多重反射しながら前記光導波路の長手方向へ伝搬し、複数の反射点で、光信号の波長で決定される所定の屈折率角で前記導波路基板の外部へと出射し、これによって波長ごとに異なる屈折角によって分光し、前記合波手段は、前記反射鏡を透過して入射する光信号の各々が前記一対の反射鏡の間を多重反射しながら前記光導波路の長手方向へ伝搬し、合波されて前記出力ポートから外部へと出力することを特徴とするＭ入力Ｎ出力の機能を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、前記光導波路は利得媒体を含み、前記導波路基板は前記利得媒体に外部からエネルギーを注入する電極を備え、前記光信号が前記反射鏡間で多重反射する際に光強度を増幅するように構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、前記分光手段から出射する光信号の強度分布と、前記空間偏向手段により進行方向が変化し前記集光手段を透過し前記合波手段へ出射する光信号の強度分布とが一致するように構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、前記分光手段から出射される光信号の光強度分布及び前記空間偏向手段により進行方向が変化し前記集光手段を透過し前記合波手段へ出射される光信号の光強度分布が、前記空間偏向手段における前記分光手段から出射される光信号が集光する点を含む法線を中心に対称となり一致するように構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、前記分光手段から出射される光信号の強度分布が前記光導波路の長手方向についてガウス関数状となるように構成されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、前記分光手段と前記合波手段とは同一の導波路基板に形成され、前記分光手段と前記合波手段との間に前記光導波路の長手方向の分離溝を有することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチであって、Ｍが１であることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、光導波路の長手方向に対して垂直上下方向に非対称の反射率を有する２枚の反射鏡を備えかつ互いの反射鏡の間隔が波長程度に設計された高い角度分散を有する分散素子と、少なくとも１枚のレンズと、光偏向素子とを用いた構成の波長選択スイッチ(ＷＳＳ)であり、高分散な波長分波手段を用いることで、焦点距離が短いレンズの導入が可能であり装置の小型化が容易に実現可能になる。また、複数の分散素子を半導体基板上にモノリシック集積して一括で作製することで、実装負荷を増大させることなく容易に多ポート化を達成できる。さらに、分散素子から空間に出射されるビームの強度プロファイルを調整することで、多重反射による分散素子の課題であった原理損失の増大を避けることができ、低損失な波長選択スイッチを実現可能である。

波長選択スイッチの概念図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 ＡＷＧを用いた波長選択スイッチの概念図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 ＶＩＰＡを用いて波長合分波部を構成した波長選択スイッチの概念図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの概念図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの波長合分波部を構成する導波路基板の概略構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの概念図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの波長合分波部を構成する導波路基板の概略構成図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチにおける挿入損失の発生要因を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの波長合分波部を構成する導波路基板の概略構成図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチにおける原理損失の低減を説明するための図であり、（ａ）はトップハット型のプロファイルの場合を、（ｂ）はガウシアン型のプロファイルの場合を示す図である。 本発明の実施形態にかかる波長選択スイッチの波長合分波部を構成する導波路基板の概略構成図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。

本発明は、少なくともＭ個（Ｍは１以上の整数）の入力ポート、少なくともＮ個（Ｎは１以上の整数）の出力ポート及び入力ポートから出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段と、分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して出力ポートのいずれかから出射する合波手段とを備えたＭ×Ｎ波長選択スイッチとして実施することができる。なお、Ｍ＝１、Ｎ＝１として本発明を実施する場合には、１×１波長選択スイッチは、光信号の強度を変調できる機能を有するデバイス（例えば、波長ブロッカー）と等価である。

一実施形態では、分光手段は、導波路基板に形成されており、光導波路の長手方向に対して垂直上下方向に非対称の反射率を備えた上下一対の反射鏡を具備し、且つ反射鏡の間隔が光信号の波長程度に調整されたラムダ垂直共振器の構造を有する。導波路基板に形成された分光手段は、光入力ポートから入力される光信号は一対の反射鏡間を幾何光学的にジグザグに複数反射を繰り返しながら（多重反射しながら）光導波路の長手方向へ伝搬し、複数の反射点毎で、スネルの法則に従って光信号の波長で決定される所定の屈折率角で光導波路外部へと出射し、これによって波長ごとに異なる屈折角によって分光する。

以下、図４乃至１１を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。
なお、以下の実施例において、波長分波部及び波長合波部（波長合分波部）の基板材料をＧａＡｓ、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）をＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡、そして活性領域（利得媒体）をＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸として図示しているが、決してこれに限ることはない。（１／４）波長厚みで、高屈折率膜、低屈折率膜を交互に積層可能な構成であれば良い。さらに、外部から電流注入し光増幅が可能な半導体材料による構成であれば良い。たとえば、基板材料をＩｎＰ、ＤＢＲをＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体多層膜反射鏡、活性領域をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸においても適用可能であることはいうまでもない。また、波長多重数を実施例１では２、実施例２では３としているが、本発明においては、決してこれに限ることがないことは言うまでもない。

（第１の実施例）
図４乃至７を参照して第１の実施例を説明する。以下では、本発明の波長選択スイッチにおいて、波長合分波手段が形成された導波路基板４０３の基板面と平行であり波長合分波手段にて波長分波する方向をｘ軸、導波路基板４０３と平行でありｘ軸に直交する方向をｙ軸、導波路基板４０３の厚み方向をｚ軸と定義する。

図４は、本実施例の波長選択スイッチ（ＷＳＳ, Wavelength Selective Switch）の構成図である。本実施例のＷＳＳは、入力用光ファイバアレイ４０１、マイクロレンズアレイ４０２、導波路基板４０３、レンズ４０４、光偏向素子４０５から主に構成されている。以下では説明のために、入出力ファイバアレイ４０１の本数は５本とし、その中心ファイバを入力ポート、最下部に配置されたファイバを出力ポートとして設定しているが、本数及び入出力ファイバの選択に関しては本説明に限定されるものではない。さらに、同様の機能を実現するものであれば、用いるレンズの個数は制限されない。また、入力ファイバから出射された光信号が光偏向素子４０５までに通過する主光線を太実線にて、光偏向素子４０５にて反射された光信号が、出力ファイバに結合までの主光線を太破線にて表している。

図５に、導波路基板４０３の詳細を示す。図５によれば導波路基板４０３は、ファイバアレイ４０１及びマイクロレンズアレイ４０２から空間に出射された信号光を導波路基板４０３に結合させるための導波路入力ポート５０１、基板垂直方向に備えられた上部反射鏡５０２、下部反射鏡５０３、及び導波層５０４を有する。上部反射鏡５０２、下部反射鏡５０３、及び導波層５０４は、波長合分波手段を構成する。導波路入力ポート５０１から基板に結合した信号光は、上部反射鏡５０４及び下部反射鏡５０３の間で幾何光学的にジグザグに多重反射を繰り返す。両反射鏡における垂直方向の互いの間隔は波長程度、すなわち１μｍ程度である。このとき、上部反射鏡の反射率は下部反射鏡反射率よりも低く設計されているため、ジグザグに導波路内を伝搬する際、低い反射率を備える反射鏡から一部の光が空間へと出射される。出射に際しては、スネルの法則に従って波長ごとに異なる屈折角を伴うため、入力するＷＤＭ光信号の波長ごとに、異なる角度で空間へと出射される。導波路基板の波長分波機能部から出射した光信号は、空間における多光束干渉の結果として、波長毎に分波される。すなわち、本構成における導波路基板４０３は波長分波素子として動作する。よって、導波路基板４０３上に構成された各機能部を合わせて、波長分波機能部５００とする。本実施例においては、入出力ファイバアレイ４０１の総数を５本として説明しているため、各波長分波機能部はこの本数に対応した５個としてｙ軸方向に一列に並ぶように配置されている。各波長分波機能部は光学的に独立している。このため隣接した波長分波機能部のクロストークを低減するためには、各波長分波機能部間に光遮断層を設けることが望ましい。例えば、エッチングによる溝形成が手段の一つとして考えられるが、同様の機能を実現するものであれば、どのような形態であっても問題はない。

このときの上部反射鏡への入射角をθ_i、空間への出射角をθ、分波角度分散器を構成する導波路の等価屈折率をｎ_wg、空気の屈折率をｎ_air（＝１）としたとき、スネルの法則によりｎ_air×ｓｉｎθ＝ｎ_wg×ｓｉｎθ_iが得られ、さらに導波路のカットオフ波長をλ_c、使用波長をλとしたとき、屈折角は以下の関係式によって表される。

よって、本波長分波素子では、設計したカットオフ波長λ_cが進行する角度θを信号光の基本的な進行方向とみなすことができ、波長λ_cの光はこの角度に進行するように振る舞う。

本実施例における波長選択スイッチは以下のとおり動作する。入出力ファイバアレイ４０１から空間に出射された光信号は、コリメート光として空間を伝播するように焦点距離及び配置位置を調整されたマイクロレンズアレイ４０２によって、ＮＡを調整され、導波路基板４０３に形成された波長分波機能部５００−３に結合する。導波路基板は波長分波機能を有しているため、波長分波機能部５００−３に結合した光信号は、ｘ軸方向に波長分波され、さらにレンズ４０４を介して光偏向素子４０５上に集光される。光偏向素子４０５上に集光された各波長の光信号は、光偏向素子４０５において出力ファイバに最適に結合するように角度調整され、再びレンズ４０４に入射する。レンズ４０４は入射するビームのｙ軸方向の高さに比例した角度に変換する機能を有しているため、光偏向素子４０５により角度調整された光信号は、集光レンズ４０４により、波長分波機能部５００−３から集光レンズ４０４へ向かう光信号と方向と平行になるように位置及び角度を調整され、波長分波機能部５００−５に結合し、合波される。そして、波長分波機能部５００−５における導波路入力ポートから空間に出射され、マイクロレンズアレイ４０２を介して入出力ファイバアレイ４０１における、所望の出力ファイバに結合することでスイッチングを行うことができる。

本実施例における導波路基板４０３は、上述のような動作原理から、高い角度分散を有しているため、光学系全体の短尺化を図ることができ、結果としてデバイス全体の小型化というメリットを有している。加えて、フォトリソグラフィ工程によって複数の波長分波機能部を高精度に同一基板上に一括作製される。この波長分波機能部の同時作製数は基板の大きさのみによって制限されるため、２０以上の波長分波機能部を容易に配列可能である。このことから、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を複数使用する形態のＷＳＳで見られたＰＬＣチップごとの個別アライメントが全く不要となる。さらにＡＷＧを用いる形態ではスタック実装や積層導波路の実現が多ポート化には必須であり、非常に大規模なポート数の実現は困難であったが、本実施例では複数の波長分波機能部を一括で作製できるため多ポート化も容易に実現できる。以上のように、小型化と多ポート化という二つのメリットを同時に実現するＷＳＳを提供可能である。また、各波長分波機能部は光学的に独立していることから導波路内でのｙ軸方向に関する発散を抑えることが可能であり、従来のＶＩＰＡを用いたＷＳＳと比較して低損失なＷＳＳを構築可能である。

さらに本実施例においては、光偏向素子４０５にｘ軸方向、ｙ軸方向のいずれにも自由に偏向可能な二次元光偏向素子を適用することで、さらなる多ポート化が可能である。この場合の構成例を図６に示す。図６では、入出力ファイバアレイ６０１、マイクロレンズアレイ６０２及び導波路基板６０２を２組用いることで、出力ポート数を２倍にした構成である。説明図である図６では導波路基板は６０３−１及び６０３−２の２枚を別々に配置しているが、両者は一枚の導波路基板にて実現してもよい。この場合には図７のように、導波路基板６０３−１に対応する波長分波機能部７０１、導波路基板６０３−２に対応する波長分波機能部７０２を２次元的に１枚の基板上に配置することにより、追加の部材準備や実装におけるアライメントと必要としないまま、さらなる実装負荷の低減が可能である。

（第２の実施例）
図８及び９を参照して第２の実施例を説明する。前述した第１の実施例においては、導波路基板４０３内は基板内を伝搬する光信号の多重反射により、空間における多光束干渉の結果として波長分波機能を有することが説明されており、この機能を用いた波長選択スイッチの構成例が示された。また、第１の実施例においては、各波長分波機能部が光学的に独立しておりｙ軸方向に関するビーム広がりを抑えることができるため、従来のＶＩＰＡを用いたＷＳＳと比較しても低損失なＷＳＳを構築できる。ただし、波長分波機能部から出射するビームのｘ軸方向に関する強度プロファイルによって、原理的に損失が発生することが知られている。この現象を説明した図が図８である。

図８においては、波長分波機能部に入射後、一回目の反射により空間へ出力された光の軌跡を太線にて、最後に反射され、空間に出力された光の軌跡を破線にて示している。光の強度としては、太線の軌跡が最も強く、破線の軌跡が最も弱いことになる。また波長分波機能部内を伝搬する距離という観点では太線は最も短く、破線は最も長い距離を伝搬してから空間に出射されることとなる。このようにして光路長差を与えられた光源群が干渉して波長分波することになるが、同じ波長分波機能部にて光を合波するためには、それぞれの光の光路長差をキャンセルするように光路を設定しなければならない。すなわち、太線を辿る光が再び波長分波機能部に結合する際、破線の出射点位置に結合することで波長分波機能部内で最も長い距離を伝搬させ、破線を辿る光が再び波長分波機能部に結合する際は、太線の出射点位置に結合することで波長分波機能部内で最も長い距離を伝搬させることが必要となる。こうした場合は両者の位相が整合し、波長合波が可能となる。しかし、このままでは出射時の強度プロファイルと反射後の強度プロファイルが整合しないため、ここに起因する原理的な損失が発生する。実施例１におけるＷＳＳではこの原理損失を含んでいても十分低損失にできる構成であるが、損失に非常に敏感なノードにおいては、できるだけ低損失することが求められる場合がある。

上述した損失を回避するための波長分波機能部の構成を図９に示す。図９によれば、実施例１における導波路基板４０３は、ファイバアレイ４０１及びマイクロレンズアレイ４０２から空間に出射された信号光を導波路基板４０３に結合させるための導波路入力ポート９０１と、導波路基板の垂直方向に形成された上部反射鏡９０２、下部反射鏡９０３、導波層及び活性領域９０４と、電極９０５及び９０６とを備える。導波路基板４０３は、各波長分波機能部間に光遮断層（例えば、エッチングにより形成された溝）を設けても良い。基本的な波長分波動作については実施例１と同様であるが、導波層９０４の部分に活性領域が備えられており、さらに電極９０５及び９０６が具備され、基板に電流を注入できる構造である点が異なる。

導波層９０４に活性領域を備え、半導体光増幅器の構造を持つ場合、電流を注入することによって、信号光の光増幅が可能となる。本実施例においては、電極９０５及び９０６によって電流を注入し光増幅することによって、本発明や前述したＶＩＰＡなど、多重反射型分波素子における原理的な結合損失を追加の部材なしで補償することができ、実施例１における小型化、多ポート化といったメリットを維持しつつ、低損失であるという新たなメリットを同時に実現可能である。

（第３の実施例）
図１０及び１１を参照して第３の実施例を説明する。前述した第２の実施例において、強度プロファイルの不整合に起因する原理損失を、光半導体の光増幅効果によって補償するＷＳＳの例を説明した。一方で、波長分波機能部より出射されるビームの強度プロファイルと、光偏向素子にて反射されて波長分波機能部に再結合する強度プロファイルを一致させることができれば、原理的な損失は低減できる。これを説明した図が図１０である。

図１０においては、説明の簡略化のためＷＳＳのｘ−ｚ平面のみを図示しているが、本説明においては実施例１における図４または図５のように、波長分波機能部がｙ軸方向に複数存在しており、ビームが出射する波長分波機能部と光偏向素子にて反射された後に再結合する波長分波機能部とは独立して存在していることを付記する。波長分波機能部から出射されたビームが光偏向素子上に集光する位置から伸びる、光偏向素子の反射面の法線を線Ａとして説明する。線Ａはレンズの中心を通る線として説明するが、線Ａがレンズの中心を必ずしも通る必要はなく、光偏向素子の反射面に対する法線でなくともよい。以下に説明するように、波長分波機能部における強度プロファイルが一致するような条件が成立する点が重要であり、この条件が成立する限りは線Ａをどのように光学設計しても問題はない。波長分波機能部からの出射ビームが有する強度プロファイルが線Ａに対し、波長分波軸方向に関して対称な形状、例えばトップハット型、線Ａ上に最大の強度が現れるようなガウシアン型をとる場合については太線の強度及び破線の強度が等しく、一度波長分波機能部から出射された光が再結合する際に、最大効率にて結合する。従って、波長分波機能部を出射したビームプロファイルと、光偏向素子にて反射された光のビームプロファイルが一致することで、原理損失を低減することができる。

上述した損失を回避するための波長分波機能部の構成を図１１に示す。図１１によれば、実施例３における導波路基板４０３は、ファイバアレイ４０１及びマイクロレンズアレイ４０２から空間に出射された信号光を導波路基板４０３に結合させるための導波路入力ポート１１０１と、導波路基板４０３の垂直方向に形成された上部反射鏡１１０２、下部反射鏡１１０３、導波層及び活性領域１１０４と、電極アレイ１１０５と、電極分離溝１１０６と、電極１１０７とを備える。基本的な波長分波動作については実施例１及び２と同様であるが、導波層１１０４の部分に活性領域が備えられており、さらに複数の電極が配置された電極アレイ１１０５と、電極アレイ１１０５における各々の電極の間に配置された電極分離溝１１０６と、電極１１０７とが具備されている点が異なる。

本実施例においては、電極１１０５の各々に対して個別に電流注入を行うことが特徴である。このような構成をとる場合は、波長分波機能部内の位置に応じて異なった利得を受けることになり、強度プロファイルを自在に調節することが可能となる。例えば、図１１において、導波路入力ポート１１０１から遠くに配置されている電極ほど、大きな利得となるように電流注入量を調節すると、本来高強度で空間に出射される部分の利得が低く、反対に低強度で空間に出射される部分の利得が高くなるため、波長分波機能部１１００から出射するすべての光の強度を等しくすることができる。これはいわゆるトップハット型の強度分布を有するビームを整形することに等しい。従って、波長分波機能部より出射したビームの強度プロファイルと、光偏向素子にて反射された後に再結合するビームの強度プロファイルは一致することになり、原理的な損失を完全になくすことが可能となる。

このような効果は、何も線Ａに対して波長分波軸方向に対称なビームを整形することのみによって得られるものではなく、例えば波長分波機能部１１０３−３から出射したビームが指数関数状の歪んだプロファイルであっても、このビームが結合する別の波長分波機能部１１０３−５がその歪んだ強度プロファイルと一致するように電流注入量を調節することで原理損失を回避可能である。あくまで必要なのはビームの強度プロファイルを特定の形状に調節することが本発明の主眼ではなく、光偏向素子により反射されたビームが結合する波長分波機能部において強度プロファイルが一致する、ということが最も重要な点である。本実施形態においては、前述のように強度プロファイルの不整合による損失を原理的に改善することができる点に加え、半導体光増幅器の光増幅機能を持たせることで、デバイスのさらなる低損失化を達成できる。もちろんこのメリットは、第１の実施例及び第２の実施例と同じく、小型化と多ポート化というメリットと共存でき、これらのメリットを同時に実現するＷＳＳを提供可能である。

１００ 入出力部
１０１，３０１，４０１，６０１ 入出力ファイバアレイ
１０２，３０２，４０２，６０２ マイクロレンズアレイ
１０３ 集光レンズ
１０４，１０６，２０２，３０４，４０４，６０４ レンズ
１０５ 回折格子
１０７，２０３，３０５，４０５，６０５ 光偏向素子
２０１ アレイ導波路格子
３０３，４０３，６０３ ＶＩＰＡ
５００，１１００ 波長分波機能部
５０１，９０１，１１０１ 導波路入力ポート
５０２，９０２，１１０２ 上部反射鏡
５０３，９０３，１１０３ 下部反射鏡
５０４ 導波層
７０１，７０２ 波長分波機能部アレイ
９０４，１１０４ 導波層及び活性領域
９０５，９０６，１１０７ 電極
１１０５ 電極アレイ

Claims (7)

1. 少なくともＭ個（Ｍは１以上の整数）の入力ポート、少なくともＮ個（Ｎは１以上の整数）の出力ポート及び前記入力ポートから出射した波長多重光信号を波長分離する分光手段と、前記分光手段により波長毎に分光された光信号を各々に集光する集光手段と、前記集光手段により集光された光信号の各々に対し進行方向を変化させる空間偏向手段と、前記空間偏向手段により進行方向が変化した光信号の各々を合波して前記Ｎ個の出力ポートのいずれかから出射する合波手段とを含み、
   前記分光手段および前記合波手段はそれぞれ、導波路基板に形成された、光導波路の長手方向の一対の反射鏡であり前記光導波路の垂直上下で光信号の波長程度の間隔を有して対向し非対称の反射率を有する一対の反射鏡を備え、前記分光手段は、前記入力ポートから入力される光信号が前記一対の反射鏡の間を多重反射しながら前記光導波路の長手方向へ伝搬し、複数の反射点で、光信号の波長で決定される所定の屈折率角で前記導波路基板の外部へと出射し、これによって波長ごとに異なる屈折角によって分光し、前記合波手段は、前記反射鏡を透過して入射する光信号の各々が前記一対の反射鏡の間を多重反射しながら前記光導波路の長手方向へ伝搬し、合波されて前記出力ポートから外部へと出力することを特徴とするＭ入力Ｎ出力の機能を備えたことを特徴とするＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
2. 前記光導波路は利得媒体を含み、前記導波路基板は前記利得媒体に外部からエネルギーを注入する電極を備え、前記光信号が前記反射鏡間で多重反射する際に光強度を増幅するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
3. 前記分光手段から出射する光信号の強度分布と、前記空間偏向手段により進行方向が変化し前記集光手段を透過し前記合波手段へ出射する光信号の強度分布とが一致するように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
4. 前記分光手段から出射される光信号の光強度分布及び前記空間偏向手段により進行方向が変化し前記集光手段を透過し前記合波手段へ出射される光信号の光強度分布が、前記空間偏向手段における前記分光手段から出射される光信号が集光する点を含む法線を中心に対称となり一致するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
5. 前記分光手段から出射される光信号の強度分布が前記光導波路の長手方向についてガウス関数状となるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
6. 前記分光手段と前記合波手段とは同一の導波路基板に形成され、前記分光手段と前記合波手段との間に前記光導波路の長手方向の分離溝を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。
7. Ｍが１であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のＭ×Ｎ波長選択スイッチ。

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