(57)【要約】【課題】小型、かつ、環境温度の変化に対しても、良好な透過特性が得られる波長選択デバイスを提供する。【解決手段】入出力ポート１０、コリメータ１１、拡大光学系１２、分光素子１３、集光光学系１４、ＭＥＭＳミラーアレイ１５からなる波長選択デバイスのプラットフォームとして、これらを、側面から支持する筐体２０を設ける。上記光学部材の支持が側面のみからであるので、熱膨張による影響が、光学部材の高さ方向と光軸方向に限定される。これにより、一般に３次元的な熱膨張による影響を２次元的に限定して、熱膨張の影響に対する対策を設計することができる。また、側面からの支持がデッドスペースを作らないので、波長選択デバイスを小型化することができる。【選択図】図１
2007183370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポートと、
光ポートからの入力光を分光する分光素子と、
分光された光を集光する集光光学系と、
集光された光を受ける光素子と、
該光ポートと、該分光素子と、該集光光学系と、該光素子とを、該分光素子の分光面に対して略直角な面で支持する筐体と、
を備えることを特徴とする波長選択デバイス。
【請求項２】
前記光素子は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項３】
前記光ポートは、入力用ポートと、複数の出力用ポートからなり、
前記光素子は、ＭＥＭＳミラーアレイであり、
該ＭＥＭＳミラーアレイは、該入力用ファイバから入力され、分光された光を反射し、波長ごとに異なる出力用ファイバに入力することを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項４】
前記光ポートは、複数の入力用ポートと、複数の出力用ポートからなり、
前記光素子は、ＭＥＭＳミラーアレイであり、
該ＭＥＭＳミラーアレイは、波長ごとに選択された入力用ポートから入力される光を反射し、出力用ポートに入力することを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項５】
前記集光光学系はレンズからなり、
該レンズの前後に光路を偏向するミラーを備え、
前記筐体が矩形形状となって、前記光ポート、前記分光素子、前記集光光学系、前記光素子を内側に固定することを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項６】
前記レンズは、環境温度の変化により回転し、前記筐体に固定された光学部材が形成する光路の環境温度によるずれを補正することを特徴とする請求項５に記載の波長選択デバイス。
【請求項７】
前記光ポートと、前記分光素子の間に、光ビームの幅を拡張する拡大光学系を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項８】
前記分光素子は、角分散方向が加算されるように配置された複数の回折格子からなることを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項９】
前記光素子は、光を通過させる窓を有するパッケージに格納され、該窓は、光路に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【請求項１０】
前記分光素子は、１以上の回折格子からなり、
光路上に、光のＰ偏光とＳ偏光を入れ替える波長板を更に備え、
光が、Ｐ偏光とＳ偏光が入れ替わった状態で、該回折格子を通過するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長選択デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長多重を利用した光伝送システムに用いられる、一つ以上の光入出力を有し、多重化された光波長を選択的に操作するデバイスに関し、特に、モジュール高さが低く、かつ環境温度の変化に対する特性変化が少ない実装構造及び、当該構造を用いたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光伝送システムにおいて、過去、波長多重はチャネル数の増大による伝送容量の拡大が主な目的であった。近年では、波長の違いを利用したサービスメニューの拡大や、柔軟な帯域利用により、伝送システムの付加価値向上、運用コストの低減など効果が期待されている。
【０００３】
しかし、従来行っていた光信号から電気信号への変換後に電気的に操作し、再び電気信号から光信号へ変換する方法では、速度や、コスト低減に十分な効果が得られない。
そのため、複数の光入出力を有し、波長多重された信号を、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。
【０００４】
このような光デバイスの一つとして波長選択スイッチがある。波長選択スイッチは入力された波長多重信号を、波長毎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。
【０００５】
図９は、従来の波長選択スイッチの基本構成例を示す図である。
図９の波長選択スイッチは、波長多重された光信号を分光するための分光素子（回折格子）１３、入出力ポート等を有する入出力光学系（入力光学系および出力光学系、図９では、ポートｃｏｍ、＃１〜＃４のポート１０、コリメータ１１、拡大光学系１２からなっている）、集光光学系（焦点レンズ）１４、波長に対応して配置される可動反射体（ＭＥＭＳミラーアレイ）１５を最小の構成要素としている。なお、波長選択スイッチの場合に用いられるＭＥＭＳミラーアレイ１５の代わりに、フォトダイオードアレイを用いると、波長ごとに光信号を受信する波長選択受光器が得られる。なお、拡大光学系１２は、図９に示されるように、一方向についてのみ光ビームを拡大する。この拡大された光ビームを、分光後、集光光学系で集光すると、焦点での光ビームの断面形状は、拡大光学系１２によって幅が広げられた方向により幅が狭い、細長い形状となる。すなわち、図９では、方向ａとは直交する方向に幅が狭い形状の光点として、光ビームは、ＭＥＭＳミラーアレイ１５上に集光する。これは、一般に、光ビームの幅が広いほど、焦点での光の集光の度合いが良いという性質として知られている。
【０００６】
図９の分光素子１３は、透過型の回折格子を用いた例であり、この分光素子１３は、入力された光に含まれる波長成分を波長毎に異なる方向に分散して出力する。可動反射体（ＭＥＭＳミラーアレイ）１５は、波長の分散方向に沿って各波長に応じる位置に配置される。この可動反射体１５の角度をポートの配列方向に沿って変化させることにより、入力ポートＣＯＭから入力された波長を任意の出力ポート（ＣＯＭ以外の＃１〜＃４のポート１０）のいずれか一つに振り分けることができる。なお、分光素子１３は、プリズムなどを使用しても良い。
【０００７】
この構造では、微小な可動反射体上でのビーム集光状態が帯域、挿入損失等に関する波長選択スイッチの透過特性の主要な決定要因となっている。そのため、良好な透過特性を安定して得るためには、各構成要素の実装位置が周囲温度などの環境の変化に対して安定していることが必要である。
【０００８】
このような環境温度の変化に強い波長選択スイッチの構造として、非特許文献１、特許文献１等が開示されている。これらの構造では円筒構造の筐体に波長選択スイッチの構成部品を、円筒中心を基準に実装している。そのため可動反射体の集光位置が、円筒面内にあり、熱膨張に対してずれを発生しにくい構造となっている。すなわち、可動反射体の集光位置が円筒内の中心軸付近にあり、熱膨張によって円筒は中心軸から外側に対称的に膨張するので、中心軸付近では熱膨張の影響を受けにくい構成となっている。
【非特許文献１】Optical MEMS 2003 P.43
【特許文献１】米国特許第６３０７６５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
波長選択スイッチにおいて、出力ポート数の拡張は波長の振り分けの柔軟性を向上させる上で重要である。図９の通り、ポート数の拡張方向（ポート＃１〜＃４のポート１０の数をもっと増やし、縦に配列する方向）と、波長分離方向が直交しているため、ポート数の拡張はモジュール高さが増える構造をしている。ここで、モジュールの高さとは、図９の方向ａのモジュールの大きさのことであり、方向ａは、出力ポートの数を増やす場合の、増加した出力ポートの配列方向である。
【００１０】
一方、光通信システムにおいては、標準化されたボードサイズのボードにデバイスが搭載される。そのため、標準ボードにデバイスを搭載するためには、モジュール高さ、面積に制限があり、より多くのポート数を確保しつつ、波長選択スイッチのモジュール高さを抑える必要がある。
【００１１】
図１０は、従来の波長選択スイッチの構成図である。
図１０において、図９と同じ構成には同じ参照符号を付している。図９と同じ参照符号を付された構成要素は、図９と同じ機能を有している。
【００１２】
従来技術においては、図１０に示すように、モジュールが円筒構造のため、光ビームの使用エリア外のデッドスペースが発生する（斜線で示された部分）。したがって、モジュール高さの抑制という観点では不利である。
【００１３】
したがって、モジュール高さを抑制するためには、デッドスペースの発生しない、非円筒構造において、小型・薄型を実現する必要があるが、非円筒構造のため、前述の環境温度の変化に対する可動反射体１５上でのビーム集光位置変動が発生し易い。
【００１４】
本発明の課題は、小型、かつ、環境温度の変化に対しても、良好な透過特性が得られる波長選択デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の波長選択デバイスは、光ポートと、光ポートからの入力光を分光する分光素子と、分光された光を集光する集光光学系と、集光された光を受ける光素子と、該光ポートと、該分光素子と、該集光光学系と、該光素子とを、該分光素子の分光面に対して略直角な面で支持する筐体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる波長選択デバイスによれば、モジュール高さを抑えつつ、環境温度変動によるビーム集光状態の変化を低減することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態では、波長選択デバイスを構成する光学部品を、ポート拡張方向である部品高さ方向に見てデバイスがほぼ対称となる位置を基準に、部品の相対位置を決定する筐体の側面から固定する。
【００１８】
以上の構成によれば、環境温度の変化による各光部品の熱膨張の方向が、高さ方向の中心から見て対称になり、底面からの部品固定に比べ、高さ方向の相対位置変動を抑制することができる。これにより、３次元的な熱膨張による光学部品の相対位置変動をほぼ２次元に抑制することができる。すなわち、熱膨張の影響を３方向とも考慮する必要はなく、２方向についてのみ熱膨張を考慮に入れた設計をすればよいことになる。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態の概念図である。
図１において、図９、及び、図１０と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。
図１では、各光学部材を側面のみから筐体２０で支持している。この筐体２０は、図１に図示される分光面１６に略垂直となっている。またこの筐体２０は、図示される分光面１６に略直角となっているともいえる。分光面１６は、分光素子１３が光を分光する方向を含む面である。これにより、図１０の構成において発生していた全ての光学部材のデッドスペースを削除し、さらに底板を省くことにより、モジュール高さを小さくしている。このとき、温度変化による光学部材の膨張の影響は、筐体２０を基準に上下方向の1次元方向と、ＭＥＭＳミラーアレイ１５での分光方向の位置変動のみになっている。すなわち、熱膨張により、筐体２０が膨張するが、その影響は、光学部材の方向ｂと方向ｃに現れる。更に、方向ｃの変動により、分光素子１３とＭＥＭＳミラーアレイ１５との間の距離が変化するが、これは、分光された光のＭＥＭＳミラーアレイ１５に当たる位置の横方向の変化として現れる。したがって、ＭＥＭＳミラーアレイ１５の各ミラーは、その反射面を横方向に大きめにしておけば、熱膨張の影響を吸収することができる。
【００２０】
なお、図１において、ポート１０として、入力ポートｃｏｍと、複数の出力ポート＃１〜＃４が示されている。しかし、ポート１０の構成としては、これに限定されない。たとえば、入力ポートｃｏｍは１つである必要はなく、複数個あってもかまわない。また、出力ポートも図１では、複数個示されているが、１つであってもかまわない。この点については、以下のいずれの実施形態の説明においても同様である。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態である波長選択スイッチの具体的構成例を示した図である。
図２の構成においては、光は、矢印のように進む。すなわち、コリメータアレイ２１から入射した光は、ビームエキスパンダ２２を通り、透過型回折格子対２３によって分光される。透過型回折格子対２３は、２枚の回折格子を、それぞれの光の角分散が加算されるように、配列したものである。分光された光は、第１折り返しミラー２４によって反射され、焦点レンズ２５によって集光されながら、第２折り返しミラー２６によって反射される。第２折り返しミラー２６によって反射された光は、一般的にパッケージ構成となっているＭＥＭＳミラーアレイ２７に当たる。第１と第２の折り返しミラー２４、２６の傾斜角は、約４５度である。
【００２２】
この構成ではモジュール長さの主要因となる分光素子（透過型回折格子対２３）、可動体反射鏡（ＭＥＭＳミラーアレイ２７）間を折り返すことにより、モジュールをコンパクトにしている。図２においては、図１と同様に、光学部材を筐体２８によって側面からのみ支持しているので、熱膨張による影響は、方向ｄと方向ｅのみになる。ここで、方向ｄへの影響は、光学部材の回転を引き起こさないので、各光学部材単体で対応すればよい、モジュールの周囲方向である方向ｅへの影響は、光学部材の回転を引き起こし、光路のずれを引き起こす。これについては、後に述べる。また、直線状に長い光学系では、外部からの振動が加わった場合、その中間付近の振動の振幅が大きく、光学特性に影響を与えやすいが、このようにコンパクトにすることにより、振動の振幅を抑える効果が期待できる。
【００２３】
図３は、図２の構成での環境温度変動による光学部材の変化の概略を示す図である。
なお、図３において、図２と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。図３では、図２での方向ｅへの熱膨張の影響その他で、細線で示された光学部材が太線で示されるように変化している。これによると、第１及び第２の折り返しミラー２４、２６が回転することが判る。この回転は、光路のずれを意味するが、この回転による光路のずれを積極的に利用することで、図２構成のみでは補正しきれなかった、方向ｅへの熱膨張の影響その他による可動反射体（透過型回折格子対２３）での分光方向の集光位置のずれを補正することができる。
【００２４】
図４は、温度変化により角度が変化するミラーホルダの構成例を示す図である。
図４では、図３の第１及び第２の折り返しミラー２４、２６の回転を積極的に利用する方法を説明する。ミラーの回転を制御するために、図４（ａ）では、ミラーとホルダを強力な接着剤等を使い、強固に接着する。そして、ミラー材とホルダ材料間の膨張率の違いを利用し、バイメタル素子と同じ原理でミラー面を回転する。図４（ｄ）に示すように、ミラー面の回転量、すなわち、ビーム位置変化量は、ホルダ（もしくは、ミラー）の材料を選定することで調整することができる。図４（ｂ）と図４（ｃ）は、膨張率の違いにより、ミラー面を押出す方式の例である。これらでは、ミラー面の傾きを可変な構造としておき、ミラーを支える金属材料を膨張率の大きなものとする。金属材料の膨張率を適切に選ぶことにより、適切なミラー回転量を設計することができる。
【００２５】
ミラーやホルダの材料選定方法としては、図４（ｄ）のほかに、図４（ｅ）のような、各材料とその線膨張率の表を使って、設計者が材料を選定すればよい。
図５は、波長選択デバイスにおいて回折格子を２枚使用することの利点の説明図である。
【００２６】
図５においては、図１と同じ構成要素には、同じ参照符号を付して、説明を省略する。
図５（ａ）に示されるように、回折格子１３ａの角分散量が十分でない場合には、ＭＥＭＳミラーアレイ１５の各ミラー間隔に、分光された光の集光位置が適合するように、回折格子１３ａとＭＥＭＳミラーアレイ１５の距離を長くしなければならない。このような場合、図５（ｂ）のように、２枚の回折格子１３ｂ、１３ｃを設け、光に、刻線がほぼ平行な回折格子を２回通過させる構成を適用することにより、角分散量を増大させることができる。これにより、回折格子１３ｂ、１３ｃとＭＥＭＳミラーアレイ１５との間の距離を短くすることができる。すなわち、モジュール長さの主要因となる分光素子１３ｂ、１３ｃ、可動体反射鏡１５間の距離を削減し、モジュールを小型化する効果がある。ここでは、２枚の回折格子を配置する構成について述べたが、一般に、何枚並べても良い。
【００２７】
図６は、ゴースト光に関する説明図である。
ＭＥＭＳミラーアレイ、もしくは、フォトダイオードアレイ３１は、製造性を考慮すると個別のパッケージとして構成されていることが望ましい。しかしながら、本発明の実施形態の波長選択デバイスでは入力光がほぼ、パッケージ窓３０に垂直に近い角度で入射する場合があり、パッケージ窓での反射減衰量が有限であることからゴースト光を出力ポートに発生する。
【００２８】
そこで、ＭＥＭＳミラーアレイ、もしくは、フォトダイオードアレイ３１を個別パッケージとする場合には、図６に示すように、パッケージ窓３０を傾斜させることで、パッケージ窓３０における反射光を全く別の方向に向けて、ゴースト光の発生を抑えることができる。なお、パッケージ窓３０の傾斜角は、経験的に５度以上が良いことが分かっている。
【００２９】
図７は、波長選択デバイスの偏光依存性改善のための方法の説明図である。
波長選択デバイスでの偏光依存性は主に回折格子で発生する。回折格子単独での回折効率は、図７に実線で示されているように、Ｐ偏光とＳ偏光で異なった特性を示す。そこで、Ｐ偏光とＳ偏光の特性の差異を平均化するために、波長板を用いて、回折格子を偶数回（典型的には２回）通過するときに偏光状態を反転させる。すると、図７の点線で示された特性のように、偏光依存性を相殺することができる。
【００３０】
図８は、波長板の配置方法を説明する図である。
図８において、図２と同じ構成要素には、図２と同じ参照符号を付している。
透過型回折格子対２３の回折効率の偏光依存性を相殺するための波長板は、透過型回折格子対２３の回折格子間、あるいは、ＭＥＭＳミラーアレイ２７の前の部分に設けることができる。いずれの場合も、Ｐ偏光とＳ偏光を入れ替える必要があることから、双方の偏光状態の光の位相を、光が入力されてから出力されるまでの合計で１／２波長分ずらすように設ける。透過型回折格子対２３の回折格子間に波長板を設ける場合には、１／２波長板３５を配置するようにする。また、ＭＥＭＳミラーアレイ２７の前面に波長板を設ける場合には、１／４波長板３６を設置するようにする。
【００３１】
以上、説明したように、本発明の実施形態の波長選択デバイスプラットフォームにより構成された波長選択デバイスは、コンパクトで、かつ、良好な透過特性を示すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態の概念図である。
【図２】本発明の実施形態である波長選択スイッチの具体的構成例を示した図である。
【図３】図２の構成での環境温度変動による光学部材の変化の概略を示す図である。
【図４】温度変化により角度が変化するミラーホルダの構成例を示す図である。
【図５】波長選択デバイスにおいて回折格子を２枚使用することの利点の説明図である。
【図６】ゴースト光に関する説明図である。
【図７】波長選択デバイスの偏光依存性改善のための方法の説明図である。
【図８】波長板の配置方法を説明する図である。
【図９】従来の波長選択スイッチの基本構成例を示す図である。
【図１０】従来の波長選択スイッチの構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０      ポート
１１      コリメータ
１２      拡大光学系
１３      分光素子
１４      集光光学系
１５      ＭＥＭＳミラーアレイ
１６      分光面
２０      筐体
２１      コリメータアレイ
２２      ビームエキスパンダ
２３      透過型回折格子対
２４      第１折り返しミラー
２５      焦点レンズ
２６      第２折り返しミラー
２７      ＭＥＭＳミラーアレイ
２８      筐体
３０      パッケージ窓
３１      ＭＥＭＳミラーアレイ、あるいは、フォトダイオード
３５      １／２波長板
３６      １／４波長板
【図５】
2007183370.tif 000003
【図７】
2007183370.tif 000004
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007183370.tif 000008
【図６】
2007183370.tif 000009
【図８】
2007183370.tif 000010
【図９】
2007183370.tif 000011
【図１０】
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