(57)【要約】光スイッチは、複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号が入射される少なくとも１つの入射ポートと、少なくとも３つの出射ポートと、それぞれ複数の波長成分から１つの波長成分を選択する複数の波長成分選択素子とを備える。更に、光スイッチは、各波長成分選択素子に対応する光学素子を備える。各光学素子は、対応する波長成分選択素子によって選択された波長成分を少なくとも３つの出射ポートのうちの１つの出射ポートに、他の波長成分とは独立して向ける。この出射ポートは、全ての出射ポートのうちから任意に選択することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号が入射される少なくとも１つの入射ポートと、
少なくとも３つの出射ポートと、
それぞれ上記複数の波長成分から１つの波長成分を選択する複数の波長成分選択素子と、
上記波長成分選択素子に対応し、上記波長成分選択素子によって選択された波長成分を、上記少なくとも３つの出射ポートのうちの任意に選択可能な１つの出射ポートに、他の波長成分とは独立して向ける複数の光学素子とを備える光スイッチ。
【請求項２】
上記入射ポートと波長成分選択素子との間に配設された自由空間領域を備える請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
上記波長成分選択素子は、それぞれ上記複数の波長成分のうちの異なる１つの波長成分を透過させ、残りの波長成分を反射する薄膜フィルタであることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項４】
上記光学素子は、マイクロエレクトロメカニカル光学素子であることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項５】
上記マイクロエレクトロメカニカル光学素子は、マイクロエレクトロメカニカルミラーであることを特徴とする請求項４記載の光スイッチ。
【請求項６】
上記マイクロエレクトロメカニカルミラーは、複数の位置に亘って傾斜可能であり、該マイクロエレクトロメカニカルミラーの各位置は、入射した波長成分を上記少なくとも３つの出射ポートのうち異なる１つの出射ポートに反射することを特徴とする請求項５記載の光スイッチ。
【請求項７】
上記光学素子は、複数の位置に亘って選択的に傾斜可能なミラーであり、該各位置において、該ミラーは、入射した波長成分を上記少なくとも３つの出射ポートのうち異なる１つの出射ポートに反射することを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項８】
上記ミラーは、それぞれ圧電アクチュエータを備えることを特徴とする請求項７記載の光スイッチ。
【請求項９】
上記自由空間領域は、互いに平行な第１及び第２の面を有する光透過性の基板であり、上記複数の波長成分選択素子は、互いに平行な第１及び第２の面にそれぞれ配列された第１及び第２のアレーとして形成されていることを特徴とする請求項２記載の光スイッチ。
【請求項１０】
上記第１及び第２のアレーは、配列方向に沿って相対的に位置をずらして配設されていることを特徴とする請求項９記載の光スイッチ。
【請求項１１】
上記光学素子は、複数の位置に亘って傾斜可能なマイクロエレクトロメカニカルミラーであり、該マイクロエレクトロメカニカルミラーの各位置は、入射した波長成分を上記少なくとも３つの出射ポートのうち異なる１つの出射ポートに反射することを特徴とする請求項９記載の光スイッチ。
【請求項１２】
上記第１のアレー内に配設された各波長成分選択素子は、選択した波長成分を上記第２のアレー内に配設された波長成分選択素子に向けることを特徴とする請求項１１記載の光スイッチ。
【請求項１３】
上記各波長成分選択素子と、該各波長成分選択素子に対応する光学素子との間に配設された一対のコリメートレンズを備え、上記各光学素子は、対応するコリメートレンズの対の各レンズの焦点位置に配設されていることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項１４】
上記各光学素子は、複数のコリメートレンズ及び１つの傾斜ミラーを備えることを特徴とする請求項１記載の光スイッチ。
【請求項１５】
上記各光学素子は、一対のミラーを備えることを特徴とする請求項７記載の光スイッチ。
【請求項１６】
上記各光学素子は、空間的に移動可能な１つの傾斜ミラーを備えることを特徴とする請求項７記載の光スイッチ。
【請求項１７】
複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号の少なくとも第１及び第２の波長成分を入射ポートから複数の出射ポートのうちの選択された出射ポートにルーティングする波長成分ルーティング方法において、
（ａ）上記ＷＤＭ光信号から第１の波長成分を分波するステップと、
（ｂ）上記第１の波長成分を任意の出射ポートに向けるステップと、
（ｃ）上記ＷＤＭ光信号から第２の波長成分を分波し、該第２の波長成分を上記任意の出射ポートとは独立して選択された１つの出射ポートに向けるステップとを有する波長成分ルーティング方法。
【請求項１８】
上記ステップ（ｃ）は、ステップ（ａ）及びステップ（ｂ）に続いて実行されることを特徴とする請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項１９】
上記第１及び第２の波長成分を方向付けるステップは、該第１及び第２の波長成分を自由空間領域を介して方向付けるステップを有することを特徴とする請求項１８記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２０】
上記第１の波長成分は、該第１の波長成分に対応する通過波長域を有する薄膜フィルタによって分波されることを特徴とする請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２１】
上記第１の波長成分は、傾斜ミラーによって自由空間領域を介して方向付けられることを特徴とする請求項１９記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２２】
上記傾斜ミラーは、マイクロエレクトロメカニカルミラーであることを特徴とする請求項２１記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２３】
上記傾斜ミラーは、一対の傾斜ミラーを備えることを特徴とする請求項２１記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２４】
上記第１の波長成分は、空間的に移動可能なミラーによって方向付けられることを特徴とする請求項１９記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２５】
上記傾斜ミラーは、圧電アクチュエータを備えることを特徴とする請求項２１記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２６】
上記第１の波長を上記傾斜ミラーにコリメートするステップを有する請求項２１記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２７】
上記分波及び方向付けは、複数の狭波長域自由空間スイッチによって実行されることを特徴とする請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２８】
上記分波及び方向付けは、複数の調整可能な波長選択カプラによって実行されることを特徴とする請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項２９】
上記複数の出射ポートは、Ｎ個の出射ポートを含み、上記分波及び方向付けは、分波器と、Ｎ個の合波器と、Ｍ＞１として、該分波器を該Ｎ個の合波器に接続する複数の１×Ｍスイッチとによって実行されることを特徴とする請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【請求項３０】
複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号が入射される少なくとも１つの入射ポートと、
複数の出射ポートと、
上記複数の波長成分から少なくとも１つの波長成分を選択し、該選択された波長成分を上記複数の出射ポートのうちの任意に選択可能な１つの出射ポートに、他の波長成分とは独立して向ける波長成分選択／方向付け手段とを備える光スイッチ。
【請求項３１】
上記波長成分選択／方向付け手段は、複数の狭波長域自由空間スイッチを備えることを特徴とする請求項３０記載の光スイッチ。
【請求項３２】
上記狭波長域自由空間スイッチは、薄膜フィルタと、傾斜光学素子とを備えることを特徴とする請求項３１記載の光スイッチ。
【請求項３３】
上記狭波長域自由空間スイッチは、薄膜フィルタと、一対の傾斜ミラーとを備えることを特徴とする請求項３１記載の光スイッチ。
【請求項３４】
上記狭波長域自由空間スイッチは、薄膜フィルタと、空間的に移動可能な傾斜ミラーとを備えることを特徴とする請求項３１記載の光スイッチ。
【請求項３５】
上記選択／方向付け手段は、複数の調整可能な波長選択カプラを備えることを特徴とする請求項３０記載の光スイッチ。
【請求項３６】
上記調整可能な波長選択カプラは、音波ヌルカプラであることを特徴とする請求項３５記載の光スイッチ。
【請求項３７】
複数の出射ポートは、Ｎ個の出射ポートを備え、上記選択／方向付け手段は、分波器と、Ｎ個の合波器と、Ｍ＞１として、該分波器を該Ｎ個の合波器に接続する複数の１×Ｍスイッチとを備えることを特徴とする請求項３０記載の光スイッチ。
【請求項３８】
上記各波長成分選択素子に対応し、該各波長成分選択素子を通過する波長成分をモニタする検出手段を備える請求項３記載の光スイッチ。
【請求項３９】
上記各狭波長域自由空間スイッチに対応する検出手段を備える請求項３１記載の光スイッチ。
【請求項４０】
上記分波を行うステップの後、上記第１の波長成分をモニタするステップを有する請求項１７記載の波長成分ルーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに関し、詳しくは、波長選択可能に光を柔軟にルーティングする光スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ：以下、ＷＤＭという。）システムと呼ばれる多波長通信システム（ｍｕｌｔｉ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ）が注目されている。これらのシステムは、情報の異なるストリームを搬送する異なる波長成分からなるＷＤＭ光信号を使用する。ＷＤＭシステムは、当初は、２点間において１本のファイバで伝送することができる情報容量を増加させるために開発されたものであるが、近年の光フィルタの技術の発展により、特にスイッチング素子が進歩したことにより、波長毎に異なる経路を有する複雑なネットワークが構築できるようになった。更に、所定の波長を所定の経路にルーティングする波長依存型のスイッチング素子に加えて、再構成可能光素子（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）も実現されている。再構成可能光素子は、所定の波長がルーティングされる経路を動的に変化させることができ、これにより、ネットワークのトポロジを必要に応じて効率的に変化させ、要求される帯域幅の変化に対応し、又はネットワーク障害時時にサービスを復旧することができるようになった。
【０００３】
再構成可能光素子としては、光挿入／分岐多重装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ：以下、ＯＡＤＭという。）及び光クロスコネクト装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｎｎｅｃｔｓ：以下、ＯＸＣという。）等がある。ＯＡＤＭは、ＷＤＭ信号から１つ以上の波長成分を分離（ｓｅｐａｒａｔｅ）又は分岐（ｄｒｏｐ）し、この成分を別の経路にルーティングするために使用されるものである。分岐された波長成分は、共通のファイバ経路にルーティングされることもあり、分岐された各波長成分がそれぞれの別のファイバ経路にルーティングされることもある。ＯＸＣは、ＯＡＤＭより柔軟性が高いデバイスであり、仮想的には、任意の構成の複数の入力ＷＤＭ信号の成分を任意の数の出力経路に再分配することができる。
【０００４】
上述した再構成可能光素子の機能は、様々な異なるデバイスによって実現することができる。例えば、一対の合分波器（ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ／ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ）間に任意の数の異なる広波長域スイッチング機構を挿入するという手法が広く採用されている。ＯＡＤＭ素子の例は、米国特許第５５０４８２７号、第５６１２８０５号、第５９５９７４９号に開示されており、一般的なＯＸＣスイッチングアーキテクチャは、ティー・コーチ（Ｔ．Ｋｏｃｈ）及びアイ・カミノウ（Ｉ．Ｋａｍｉｎｏｗ）編、イー・マーフィ（Ｅ．Ｍｕｒｐｈｙ）著、光ファイバ通信ＩＩＩＢ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＩＩＩＢ）第１０章に開示されている。これらの文献に開示されている手法は、波長を順次分離し、必要な切換を行った後に波長を多重化するものであり、ここで、従来のＯＸＣは、スイッチング機構として比較的複雑なＭ×Ｍデバイスを用いているため、ＯＸＣは、与えられた波長を如何なる出力端子にルーティングすることもできるが、ＯＡＤＭは、２×２のアレーの光スイッチを用いているため柔軟性に乏しく、波長を２つの出力端子のうちの何れか１つにルーティングすることしかできない。ＯＡＤＭを用いた代替的な２つの手法では、デバイス間に効果的に挿入され、波長分離及び多重を同時に実行するスイッチング可能なミラーを採用している。第１の手法（例えば、米国特許第５９７４２０７号）では、波長の２倍の厚さの薄膜誘電体合分波器（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ／ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）を使用し、第２の手法（米国特許第５９６０１３３号）では、バルク回析グレーティング（ｂｕｌｋ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）からの分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）を利用して、波長チャンネルを分波（分離）した後、波長チャンネルを傾斜ミラーアレー（ａｒｒａｙ ｏｆ ｔｉｌｔａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）に反射させる。ＯＡＤＭ技術の他の手法では、再構成可能な方式で多波長を単一のファイバ出力端子に分離する４ポートデバイスを採用し、このため、受信機においてチャンネルを広波長域光電子変換する必要がある場合、分波器を追加する必要がある。このような動作を実現する第１の手法では、上述した２ポートの回析グレーティング分波器及び傾斜ミラーアレーに光ファイバサーキュレータを追加する（ＩＥＥＥレーザ及びエレクトロオプティックソサイエティ（ＩＥＥＥ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ）フォード（Ｆｏｒｄ）他著、ポストデッドラインペーパーＬＥＯＳ’９７（Ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ ｐａｐｅｒｓ ＬＥＯＳ’９７））。第２の手法では、熱光学移相器（ｔｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒ）を用いた集積シリカ導波路技術（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）（例：Ｄｏｅｒｒ， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ． Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔ’９８）により、各波長毎に挿入状態及び分岐状態を切り換える。この他の４ポートＯＡＤＭでは、光ファイバサーキュレータ及びオプションとして調整可能なファイバグレーティングリフレクタを用いて、分岐されたチャンネルをルーティングする（例：Ｃ．Ｒ．Ｇｉｌｅｓ， ＩＯＯＣ’９５， ＪＤＳ ２０００ ｃａｔａｌｏｇ）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、従来の全ての光スイッチング技術が有する問題について述べる。これらのデバイスは、短所の観点から２つのクラスに分類できる。すなわち、柔軟性が高いが、コストが高く光損失が大きいデバイスと、安価で光損失が小さいが柔軟性が低いデバイスの２つである。最も柔軟性が高いＯＸＣデバイスは、多数の波長の経路をそれぞれのファイバ（例えば、スイッチを有する合分波器）に切り換えるようにプログラミングできるが、これらのデバイスの挿入損失は、最大で２０ｄＢもあり、したがって、挿入損失を補償するための光増幅器を設ける必要がある。このため、それ自体高価なデバイスに加えて、コストが実質的に高くなってしまう。これらのデバイスは、高コストであるため、例えばファイバグレーティング及び薄膜フィルタ等の柔軟性が低いデバイスが代用される場合が多い。これらのデバイスは、安価で挿入損失も小さい（２〜５ｄＢ／ノード）が、これらのデバイスは、通常、再構成不可能な波長固定のＯＡＤＭとして実現されるため、柔軟性に乏しい。更に、これらのデバイスによってより多くの波長を分岐させようとすると、これらのデバイスの損失、コスト、サイズ及び／又は複雑性が増大し、より柔軟なＯＸＣデバイスを用いた方が有利となってしまうという点でも、これらのデバイスの柔軟性は低い。近年、米国特許第５４７９０８２号に開示されているように、これらの低コストのＯＡＤＭデバイスに柔軟性を付加し、ＯＡＤＭデバイスによって、設計段階で固定された波長の所定のサブセット（ｓｕｂｓｅｔ）を選択的に分岐又は通過させることができるようになった。また、上述の再構成可能なＯＡＤＭデバイスでは、柔軟性がある程度高められているが、この代償として、（分波／切換のための）挿入損失が大きくなり、（バルクグレーティングに対して）波長解像度が制限され、及び／又は４ポートデバイスに接続して使用する合分波器を追加しなければならず、コストが高くなってしまう。
【０００６】
光切換を行う前に入力信号を分波する従来のＯＸＣ及びＯＡＤＭ法における顕著な制約は、各出射ポートには、特定の固定された波長のみしか分岐できず、この波長は変更できないという点にある。この構成では、各スイッチには、分波器から予め選択された波長成分のみが入射され、したがって特定の波長のみしか出射することができない。また、これらのデバイスでは、後段で光切換を行わない限り、必要に応じて所定の波長をある出射ポートから他の出射ポートに変え（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）、又は複数の波長を１つの出射ポートに変えることができないため、これらのデバイスの柔軟性は制限されている。このような問題は、ＷＤＭスイッチのみではなく、例えば米国特許５６２１８２９に開示されている１×Ｍ広波長域スイッチを含む広波長域スイッチについても同様に生じる。上述のような動作は、ネットワーク内のある要素が特定のポートによってのみアクセス可能であり、（ａ）そのポートに向けられた波長チャンネルを変更し、又は（ｂ）そのポートを介してアクセスされる特定のファイバに、新たな波長を向けることが望ましい場合に必要とされる。このような動作が必要となる状況としては、代替的な波長を用いてリンクを復旧する必要がある場合、又は同一のファイバに新たなＷＤＭ波長を追加することによって特定のポートに向けられた情報容量を増加させる必要がある場合の２つの状況がある。
【０００７】
光切換の柔軟性の重要性及び光通信ネットワークの価値に鑑み、上述したような従来のデバイスの問題点を克服したスイッチング素子の実現が望まれている。
【０００８】
更に、安価で、光信号に対する損失が少なく、全ての各波長成分を任意の入射ポートから任意の出射ポートに互いに独立して自由にルーティングできる光スイッチング素子の実現が望まれている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光スイッチは、複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号が入射される少なくとも１つの入射ポートと、少なくとも３つの出射ポートと、それぞれ複数の波長成分から１つの波長成分を選択する複数の波長成分選択素子とを備える。更に、本発明に係る光スイッチは、各波長成分選択素子に対応する光学素子を備える。各光学素子は、対応する波長成分選択素子によって選択された波長成分を少なくとも３つの出射ポートのうちの１つの出射ポートに、他の波長成分とは独立して向ける。この出射ポートは、全ての出射ポートのうちから任意に選択することができる。
【００１０】
本発明の一具体例においては、光スイッチは、入射ポートと波長成分選択素子との間に配設された自由空間領域を備える。
【００１１】
本発明の一具体例においては、波長成分選択素子は、それぞれ複数の波長成分のうちの異なる１つの波長成分を透過させ、残りの波長成分を反射する薄膜フィルタである。
【００１２】
また、本発明の一具体例においては、光学素子は、複数の位置に亘って傾斜可能な傾斜ミラーであり、各位置は、入射した波長成分を少なくとも３つの出射ポートのうち異なる１つの出射ポートに反射する。傾斜ミラーは、例えばマイクロエレクトロメカニカル（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ：ＭＥＭ）システム又は圧電システムによって駆動してもよい。
【００１３】
また、本発明に係る波長成分ルーティング方法は、複数の波長成分を含むＷＤＭ光信号の少なくとも第１及び第２の波長成分を入射ポートから複数の出射ポートのうちの選択された出射ポートにルーティングする。この波長成分ルーティング方法では、先ず、ＷＤＭ光信号から第１の波長成分を分波する。次に、第１の波長成分は、任意の出射ポートに向けられる。更に、ＷＤＭ光信号から第２の波長成分が分波され、第２の波長成分は、任意の出射ポートとは独立して選択された１つの出射ポートに向けられる。
【００１４】
本発明の一具体例においては、第２の波長成分を分波し、方向付けるステップは、第１の波長成分を分波し、方向付けるステップの後に実行される。
【００１５】
また、本発明の一具体例においては、第１及び第２の波長成分を方向付けるステップは、第１及び第２の波長成分を自由空間領域を介して方向付けるステップを有する。
【００１６】
更に、本発明の一具体例においては、第１の波長成分は、第１の波長成分に対応する通過波長域を有する薄膜フィルタによって分波される。
【００１７】
更に、本発明の一具体例においては、第１の波長成分は、傾斜ミラーによって自由空間領域を介して方向付けられる。
【００１８】
本発明の一具体例においては、分波及び方向付けは、複数の狭波長域自由空間スイッチによって実行される。或いは、これに代えて、分波及び方向付けは、複数の調整可能な波長選択カプラによって実行してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に基づいて構成された光スイッチング機構（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆａｂｒｉｃ）により実現される機能を示している。入射ポート１０には、波長分割多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ：以下、ＷＤＭという。）信号が入射される。更に、この他のＷＤＭ信号を入射するための追加的な入射ポートを設けてもよい。光スイッチング機構１２は、ＷＤＭ信号の個々の波長成分の出射ポートとして、出射ポート１４１，１４２，・・・，１４ｎのうちの１つを選択するよう設計されている。すなわち、光スイッチング機構１２によれば、任意の波長成分を他の波長成分のルーティングとは独立して、任意の入射ポートから任意の出射ポートに選択的にルーティングすることができる。
【００２０】
なお、光スイッチング機構１２は、対称的（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍａｎｎｅｒ）に動作し、どの出射ポートに向けられた如何なる波長成分も、代わりに任意の入射ポートに向けることができる。したがって、当業者に理解されるように、切換経路は、相対的であり、ここで使用する入射又は出射という用語は、スイッチング機構に対して単一の方向にＷＤＭ信号又は波長成分を伝搬する要素に限定されるものではない。換言すれば、いわゆる出射ポートからデバイスに光が入射した場合、この出射ポートは入射ポートとして機能し、同様に、いわゆる入射ポートは、出射ポートとしても機能することができる。
【００２１】
後述するように、本発明によれば、図１に示す機能を様々な異なる手法で実現することができる。本発明に基づく様々な構成は、大きく２つのカテゴリに分類される。第１のカテゴリでは、透過及び反射波長域が固定されたフィルタを使用し、波長成分を異なる光経路に個別にルーティングするものである。一方、第２のカテゴリでは、調整可能なフィルタを使用し、波長成分を固定経路にルーティングする。
【００２２】
図２は、本発明に基づく光スイッチング素子の第１の実施の形態を示している。図２に示す光スイッチング素子３００は、光透過性を有する基板３０８と、複数の誘電体薄膜フィルタ３０１，３０２，３０３，３０４と、複数のコリメートレンズ対３２１１・３２１２，３２２１・３２２２，３２３１・３２３２，３２４１・３２４２と、複数の傾斜ミラー（ｔｉｌｔａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）３１５，３１６，３１７，３１８と、複数の出射ポート３４０１，３４０２，・・・，３４０ｎとを備える。基板３０８は、互いに平行平坦な表面３０９，３１０を有し、表面３０９，３１０上には、それぞれ第１のフィルタアレーと第２のフィルタアレーが形成されている。第１のフィルタアレーは、薄膜フィルタ３０１，３０３から構成され、第２のフィルタアレーは、薄膜フィルタ３０２，３０４から構成されている。コリメートレンズ対３２１〜３２４及び傾斜ミラー３１５〜３１８は、それぞれ各薄膜フィルタ３０１〜３０４に対応している。後述するように、各薄膜フィルタ３０１〜３０４と、対応するコリメートレンズ対３２１〜３２４及び傾斜ミラー３１５〜３１８は、狭波長域自由空間スイッチ（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｆｒｅｅ ｓｐａｃｅ）、すなわち個々の波長成分を異なる経路にルーティングするスイッチを構成する。光スイッチング素子３００の物理的寸法は、ＷＤＭ信号のビームの直径に基づいて決定される。
【００２３】
薄膜フィルタ３０１〜３０４は、誘電体多層膜構造（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を有する周知の部品である（例えば、米国特許５５８３６８３号に記載されている）。薄膜フィルタ３０１〜３０４は、波長に依存する特性を有し、すなわち薄膜フィルタ３０１〜３０４の反射率及び透過率は、光の波長に依存している。詳しくは、薄膜フィルタ３１０１は、薄膜フィルタ３０１に入射されたＷＤＭ光信号の波長成分のうちの波長λ１を有する成分のみを透過する。薄膜フィルタ３０１は、この他の全ての波長成分を反射する。同様に、薄膜フィルタ３０２は、波長λ２を有する成分のみを透過し、他の全ての波長成分を反射する。一方、薄膜フィルタ３０３，３０４は、それぞれ波長λ３，λ４を有する成分のみを透過し、他の全ての波長成分を反射する。このようにして、本発明に基づく光スイッチング素子３００は、異なる通過波長域を有する複数の薄膜フィルタ３０１〜３０４で波長を分離する。
【００２４】
傾斜ミラー３１５〜３１８は、２つの軸を中心に精密に傾斜可能なミラーであり、例えば小型で信頼性が高いミラーである。傾斜ミラー３１５〜３１８は、例えばマイクロエレクトロメカニカルシステム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）を採用した１つ以上の屈曲アーム（ｆｌｅｘｕｒｅ ａｒｍ）によって支持されている。屈曲アームを駆動することにより傾斜ミラー３１５〜３１８の表面が傾斜し、これにより入射光ビームの伝搬の方向が変えられる。超小型電気機械ミラーの具体例については、米国特許第６０２８６８９号及びその参考文献に開示されている。勿論、例えば圧電素子アクチュエータ等の他の機構を用いてミラーの位置を制御してもよい。
【００２５】
動作時には、異なる波長成分λ１，λ２，λ３，λ４を含むＷＤＭ信号が光入射ポート３１２からコリメートレンズ３１４に向けて入射される。ＷＤＭ信号は、基板３０８を透過して薄膜フィルタ３０１に入射される。ここで、薄膜フィルタ３０１の特性により、波長成分λ１は薄膜フィルタ３０１を透過し、他の波長成分は、薄膜フィルタ３０１で反射され、基板３０８を介して薄膜フィルタ３０２に向けられる。薄膜フィルタ３０１を透過した波長λ１の成分は、コリメートレンズ３２１１によって、傾斜ミラー３１５に集束される。傾斜ミラー３１５は、適切に傾斜されており、波長成分λ１を反射し、反射された波長成分λ１は、それぞれ波長成分λ１を反射する薄膜フィルタ３０２〜３０４を介して出射ポート３４０１〜３４０ｎのうちの選択された１つの出射ポートに入射される。波長成分λ１が入射される特定の出射ポートは、傾斜ミラー３１５の向きによって選択される。
【００２６】
上述のように、残りの波長成分λ２，λ３，λ４は、薄膜フィルタ３０１で反射され、コリメートレンズ３２１２を介して基板３０８に戻され、薄膜フィルタ３０２に向けられる。波長成分λ２は、薄膜フィルタ３０２及びコリメートレンズ３２２１を透過し、傾斜ミラー３１６により、波長成分λ２を反射する薄膜フィルタ３０３，３０４を介して、選択された出射ポートに入射される方向に向けられる。同様に、他の全ての波長成分は、薄膜フィルタ３０３，３０４によって順次分離され、傾斜ミラー３１７，３１８によって、選択された出射ポートに向けられる。このように、傾斜ミラー３１５〜３１８を適切に駆動することにより、各波長成分は、他の全ての波長成分から独立して、選択された出射ポートに向けられる。どの傾斜ミラーによっても方向付けされなかった波長は、光バイパスポート、すなわちファイバ３４３に入射される。なお、図２では、４つの波長を選択的に切り換える実施の形態を示しているが、本発明は、適切な数の狭波長域自由空間スイッチを設けることにより、如何なる数の波長をも選択的に切り換えることができる。
【００２７】
図２に示す本発明の実施の形態は、多くの重要な利点を有する。例えば、自由空間切換を採用することにより、光接続（ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）の数が最小に維持され、デバイスの挿入損失、複雑性及びコストが抑制される。この利点は、図２に示す実施の形態に必要な光接続の数と、後述する図４に示す本発明の実施の形態に必要な光接続の数とを比較することにより、より明瞭となる。
【００２８】
以下では、図２に示す実施の形態の特定の具体例について、例示的に説明する。この具体例では、基板３０８は、厚さ１０ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ９０ｍｍの直方体シリカブロックとして形成されている。入力ファイバに光を向ける単一のコリメートレンズは、ブロックに対し、ブロックの垂直線に対し５．７°の角度を形成する位置に固定されている。このコリメートレンズの焦点距離は、コーニングＳＭＦ−２８（Ｃｏｍｉｎｇ ＳＭＦ−２８：商標）ファイバから出射され、レンズを通過した光が１ｍｍの幅にコリメートされた光ビームとなるように選択される。出射側には、コリメートレンズのアレーが設けられ、これらのうちの各コリメートレンズは、出力アレー内のそれぞれ対応する１つのファイバに光を入射する。ファイバ端は、平坦に研磨され、無反射コーティングされている。また、入力ファイバに入射された後、どの薄膜フィルタも透過しなかった波長成分を集める新たなバイパスポート又はファイバを設けてもよい。バイパスファイバは、元のデバイスでは共振しない（ｎｏｔ ｒｅｓｏｎａｎｔ）更なる波長を使用する将来のアップグレード用の出力端子として設けられる。これに代えて、コスト又は損失の制約に鑑みて適切であれば、このポートを用いて入力波長全体のサブセットを切り換え、残りの（切り換えられていない）波長がスイッチング機構をバイパスするようにしてもよい。狭波長域自由空間スイッチの第１及び第２のアレーは、それぞれ８個の薄膜フィルタを備える。薄膜フィルタは、それぞれ表面寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍの３空洞共振薄膜フィルタ（ｔｈｒｅｅ−ｃａｖｉｔｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｆｉｌｔｅｒ）である。第１のアレーにおいて、基板の端部から１０ｍｍの位置に配設されている第１の薄膜フィルタは、光学的に優れた屈折率整合エポキシ（ｏｐｔｉｃａｌ−ｑｕａｌｉｔｙ， ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｅｐｏｘｙ）によって基板に接着されており、中心波長が１９４．０ＴＨｚ（１５４５．３２ｎｍ）の通過波長域を有する。光学的通過波長域は、通常、ピークから−０．５ｄＢ下がったレベルにおいて０．４ｎｍの幅を有し、中心波長から１００ＧＨｚ離れた波長において減衰率が−２２ｄＢよりも良い波長域である。薄膜フィルタには、焦点距離が５ｍｍのコリメートレンズが取り付けられている。このコリメートレンズの焦点には、市販されているマイクロエレクトロメカニカル（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ：ＭＥＭ）傾斜ミラーが設けられている。傾斜ミラーに電圧を印加することにより、２つの軸を中心として、傾斜ミラーの傾斜角を変更することができる。傾斜ミラーの調整角度は、通常、３０°を超えることはない。
【００２９】
更に、第１のアレーは、第２の狭波長域自由空間スイッチを含み、第２の狭波長域自由空間スイッチは、第１の自由空間スイッチから１０ｍｍ離れた位置に設けられている。この第２の狭波長域自由空間スイッチにおいて採用されている薄膜フィルタは、１９３．８ＴＨｚ（１５４６．９２ｎｍ）の中心光波長を有する。更に、基板に沿って、６個の狭波長域自由空間スイッチが設けられており、それぞれの中心波長は、１５４８．５２ｎｍ、１５５０．１２ｎｍ、１５５１．７２ｎｍ、１５５３．３２ｎｍ、１５５４．９２ｎｍ、１５５６．５２ｎｍである。隣接する各狭波長域自由空間スイッチの中心から中心までの距離は、１０ｍｍである。
【００３０】
狭波長域自由空間スイッチの第２のアレーは、狭波長域自由空間スイッチの第１のアレーが設けられている基板表面とは反対側の基板表面に設けられている。第２のスイッチのアレーの各スイッチは、それぞれが第１のスイッチのアレーのスイッチの中間となる位置に対応するように、横方向に半分シフトされ、互いに１０ｍｍ離間して設けられている。第２のスイッチのアレーは、それぞれ１５４４．５２ｎｍ、１５４６．１２ｎｍ、１５４７．７２ｎｍ、１５４９．３２ｎｍ、１５５０．９２ｎｍ、１５５２．５２ｎｍ、１５５４．１２ｎｍ、１５５５．７２ｎｍの中心通過波長域波長を有する８つの薄膜フィルタによって構成されている。
【００３１】
各傾斜ミラーは、ミラーを駆動するための電圧が印加される電子回路を備える。傾斜ミラーによって特定の出力ファイバに向けて波長成分を反射させるように傾斜ミラーを駆動するために必要な電圧は、傾斜ミラー毎に異なる。傾斜ミラーを駆動するための駆動電圧（−２０〜＋２０ボルトの範囲）は、出力ファイバに入射される光パワーが最大となるように選択される。
【００３２】
図２に示す各狭波長域自由空間スイッチは、必ずしも２つのレンズと１つのミラーを用いるものであるとは限らないということは、当業者にとって明かである。すなわち、波長成分を適切に方向付けるために、この他の光学素子を組み合わせて使用してもよい。例えば、レンズを用いることなく、２つの傾斜ミラーを用いても所望の機能を実現することができる。また、これに代えて、２つの軸を中心とする傾斜に加えて空間的に移動できる単一のミラーを用いてもよい。
【００３３】
図２に示す狭波長域自由空間スイッチによって受光される個々の波長成分の有無及び強度をモニタすることが重要である場合が多い。特に、ＷＤＭ信号が多数の波長成分を含んでいる場合、従来のファイバモニタリングタップ（ｆｉｂｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔａｐ）を用いてこのようなモニタを行うことは困難である。一方、本発明では、各傾斜ミラーには単一の波長成分のみが入射されるため、この問題が容易に克服される。すなわち、各波長成分は、ミラーの背後に設けられ、ミラーを通過した波長成分のパワーの極一部を検出する検出器によってモニタすることができる。この情報と従来のタップモニタリングタップによる情報とを組み合わせることにより、狭波長域自由空間スイッチを介してルーティングされる光の実体（ｐｉｃｔｕｒｅ）をより完全にモニタしてネットワーク制御及び管理を行うことができる。
【００３４】
更に、様々な角度の傾斜ミラーと、入力及び出力ファイバとの間の位置関係を精密に維持することにより、出力ファイバに傾斜ミラーから入射されるパワーを最適化することも重要である。この制御は、従来のファイバモニタリングタップを用いて、ファイバに入射されるパワーをモニタしながら傾斜ミラーを低速で調整することにより行うことができる。しかしながら、この手法は、ファイバ上に多くの他の波長が存在すると複雑となり、この場合、傾斜ミラーの位置を調整する際に、固有のＲＦ周波数による微小な振幅変調により各波長成分をエンコード（ｅｎｃｏｄｅ）することによって、各出力ファイバにおいて検出される各波長成分の検出精度を向上させることが望ましい。このＲＦ変調（ＲＦ ｔｏｎｅ）は、送信機において、各波長成分に対して固有の変調によりエンコードしてもよく、これに代えて、ＲＦ振幅変調は、ミラー調整中にミラーの傾きを僅かに振動させ、ファイバへのカップリング効率を僅かに変化させることによって、一時的に行ってもよい。ミラーを振動させる手法は、エンコードされた変調を測定する際、ネットワーク全体をトラック（ｔｒａｃｋ）する必要がなく、更に、調整する必要がある場合にのみ、変調をエンコードすればよいという点で優れている。
【００３５】
図３は、波長に依存する音響ヌルカプラ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｎｕｌｌ ｃｏｕｐｌｅｒ）を用いて、調整可能な波長フィルタリングを実現する本発明の第２の実施の形態を示している。このようなカプラは、カップリング領域に適切な音響振動を印加することによって、第１の光ファイバから第２の光ファイバに選択された波長成分のみをクロスカップルする。適切な音響振動が印加されない場合、選択された波長は、第１の光ファイバを伝搬し続ける。音響ヌルカプラの具体例については、１９９７年ディー・オー・カルバハウス（Ｄ．Ｏ．Ｃｕｌｖｅｒｈｏｕｓｅ）他著「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，９６」及び米国特許第５９１５０５０に開示されている。
【００３６】
図３に示すように、ＷＤＭ信号が入射される入力ファイバ５０は、第１のヌルカプラ５２１の入射ポートに接続されている。第１のヌルカプラ５２１の一方の出射ポートは、出力ファイバ５４１に接続されており、出力ファイバ５４１には、１つ以上の個々の波長成分がルーティングされる。第１のヌルカプラ５２１の他方の出射ポートは、第２のヌルカプラ５２２の入射ポートに接続されている。第２のヌルカプラ５２２の出射ポートは、第１のヌルカプラ５２１の場合と同様に、一方が第２の出力ファイバ５４２に接続され、他方が第３のヌルカプラ５２３の入射ポートに接続されている。図３に示すように、上述のようにして更なるヌルカプラをカスケード接続することにより、選択された波長成分がルーティングされる出射ポートを増やすことができる。
【００３７】
動作時には、入力ファイバ５０に入射された１つ以上の波長成分は、選択された出射ポート５４１，５４２，・・・，５４Ｍの前段のヌルカプラ５２１，５２２，・・・，５２Ｍに所望の波長成分に対応する適切な音波を印加することにより、任意の出射ポート５４１，５４２，・・・，５４Ｍにルーティングすることができる。例えば、所定のｎ個の波長成分の何れかを出射ポート５４３にルーティングする場合は、ヌルカプラ５２３に音波を印加する。本発明のこの実施の形態では、波長成分は、ヌルカプラをシリアル形式で通過する必要があるが、各ヌルカプラの挿入損失は極めて小さい（０．５ｄＢ以下）ため、生じる挿入損失は、許容できる範囲内にある。図４を用いて説明する本発明に基づくシリアルで調整可能なフィルタリング処理によっても、上述の４ポート調整可能ＯＡＤＭデバイス技術を用いることにより、本発明のスイッチング機能を実現することができる。
【００３８】
図４は、従来の合分波器及び従来の１×ｍスイッチを用いた、本発明の更なる実施の形態を示し、ここでｍは、スイッチの出射ポートの数を表している。合分波器としては、例えば、薄膜フィルタを用いてもよく、導波路グレーティングを用いてもよい。図４に示すように、ｎ（ここで、ｎはｍと同数である必要はない。）個の波長成分を含むＷＤＭ信号を入射する入力ファイバ６０は、分波器６１の入射ポートに接続されている。分波器６１は、ｎ個の出射ポート６３１，６３２，・・・，６３ｎを備え、各出射ポート６３１，６３２，・・・，６３ｎは、それぞれ１×ｍスイッチ６５１，６５２，・・・，６５ｎの入射ポートに接続されている。第１のスイッチ６５１のｍ個の出射ポートは、それぞれ合波器６７１，６７２，・・・，６７ｍの第１の入射ポートに接続されている。同様に、第２のスイッチ６５２のｍ個の出射ポートは、それぞれ合波器６７１，６７２，・・・，６７ｍの第２の入射ポートに接続されている。この他のスイッチも同様に合波器に接続され、最後に、第ｎのスイッチの出射ポートが合波器６７１，６７２，・・・，６７ｍの第ｎの入射ポートに接続されている。
【００３９】
図４に示す実施の形態では、比較的多くのスイッチ及び合分波器が必要となり、したがって、比較的多くの光接続が必要となるという問題がある。特に、この実施の形態においては、波長成分の数及び出射ポートの数に応じて乗算的に増加する。例えば、１０個の出射ポートを有し、１６個の波長成分に対応する光学スイッチを構成する場合、図２に示す実施の形態では、光接続の数は１１であるが、図４に示す実施の形態では、光接続の数は３６３となる。光接続の数は、デバイスのコスト及び複雑性に直接関係するため、この観点からは、図２に示すような構造のスイッチがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づく光スイッチング機構により実現される機能を示す図である。
【図２】
本発明に基づく光スイッチング素子の構成を示す図である。
【図３】
波長に依存する音響ヌルカプラを用いた本発明の変形例を示す図である。
【図４】
合分波器を用いた本発明の他の変形例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004515798.tif 000035
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