(57)【要約】【課題】広い透過帯域を保ちながら入出力ポートを増加させる。【解決手段】波長選択スイッチ１００は入出力ユニット１０１と分散部１０５と集光光学系１０４と偏向部１０６とを有する。入出力ユニット１０１は入出力ポートを有する。分散部１０５は入出力ポートから入射される信号光を分散する。集光光学系１０４は分散部１０５により分散された複数の信号光それぞれを集光する。偏向部１０４は複数の偏向素子１０６ａ〜１０６ｅを有する。偏向素子１０６ａ〜１０６ｅは集光光学系１０４に集光された信号光を第２の方向に沿って偏向する。集光光学系１０４において入射する信号光の第２の方向の高さが一定の入射位置における、集光光学系の光軸と入出力部から集光光学系に入射する信号光とのなす角にかかわらすサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一致する。【選択図】図１
2013152414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２０の入出力ポートを有する入出力部と、
前記入出力ポートから入射される波長多重された信号光を分散する分散部と、
前記分散部により分散された複数の信号光それぞれを集光する集光光学系と、
前記集光光学系により集光された複数の信号光を、いずれかの前記入出力ポートに入射可能なように、前記分散部の分散方向に垂直な第２の方向に沿って偏向する複数の偏向素子を有する偏向部とを備え
前記集光光学系において、入射する前記信号光の前記第２の方向の高さが一定の入射位置における、前記集光光学系の光軸と前記入出力部から前記集光光学系に入射する前記信号光とのなす角にかかわらすサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一致する
ことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光光学系は前記分散方向に非球面形状である曲面を有することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項３】
請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光光学系は自由曲面である曲面を有することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項４】
請求項２に記載の波長選択スイッチにおいて、
前記曲面は反射面であって、
Ｚａｓｐ（ｈ）は前記非球面形状のサグ量であり、ｃを曲率、ｋをコーニック係数、およびＡｉ（ｉは２以上の整数）を２ｉ次の非球面係数として（１）式により定められ、
【数１】
2013152414.tif 000007
Ｚｓｐ（ｈ）は前記非球面形状の近軸的な球面形状のサグ量であり、（２）式により定められ、
【数２】
2013152414.tif 000008
ｆは前記集光光学系の焦点距離であり、Ｈは前記集光光学系を通る前記信号光の前記第２の方向に対する前記集光光学系の光軸との距離であり、ωは前記集光光学系を通る光と前記集光光学系の光軸との前記分散方向のなす角である場合に、（３）式
【数３】
2013152414.tif 000009
の最大値が０．０２未満である
ことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項５】
請求項２に記載の波長選択スイッチにおいて、
前記曲面は透過面であって、
Ｚａｓｐ（ｈ）は前記非球面形状のサグ量であり、ｃを曲率、ｋをコーニック係数、およびＡｉ（ｉは２以上の整数）を２ｉ次の非球面係数として（４）式により定められ、
【数４】
2013152414.tif 000010
Ｚｓｐ（ｈ）は前記非球面形状の近軸的な球面形状のサグ量であり、（５）式により定められ、
【数５】
2013152414.tif 000011
ｆは前記集光光学系の焦点距離であり、Ｈは前記集光光学系を通る前記信号光の前記第２の方向に対する前記集光光学系の光軸との距離であり、ωは前記集光光学系を通る光と前記集光光学系の光軸との前記分散方向のなす角である場合に、（６）式
【数６】
2013152414.tif 000012
の最大値が０．２未満である
ことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項６】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光光学系は前記曲面を有するミラーを含むことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項７】
請求項２または請求項５のいずれか１項に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光光学系は前記曲面を有するレンズを光学素子として含むことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項８】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の波長選択スイッチにおいて、
前記集光光学系は、前記信号光の入射する入射面と前記入射面に入射した前記信号光を反射する曲面とを有し、前記入射面から前記反射面に伝達する前記信号光を屈折させる光学素子を含むことを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の波長選択スイッチにおいて、前記曲面を有する前記光学素子は屈折率が２．８以上で、前記信号光を透過する媒質であることを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１０】
請求項９に記載の波長選択スイッチにおいて、前記光学素子の媒質がシリコン、ガリウム砒素、ヒ化アルミニウム、リン化ガリウム、およびアンチモン化アルミニウムの何れかであることを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１１】
請求項７または請求項８に記載の波長選択スイッチにおいて、前記曲面を有する前記光学素子はＧｒｉｎレンズであることを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１２】
請求項７または請求項８に記載の波長選択スイッチにおいて、前記曲面を有する前記光学素子はフレネル形状に形成された面を有することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１３】
請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、前記集光光学系は前記第２の方向に対して不連続である曲面を有することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項１４】
請求項１に記載の波長選択スイッチにおいて、
前記２０の入出力ポートを通る光の中で、前記分散方向に垂直な第２の方向において前記分散部の両端を通る光の通過位置を結んだ距離Ｄを大きさとする絞りを前記集光光学系の前側焦点位置に配置されていると仮定し、
前記分散部の波長域に対する全分散角をγとして、最大画角ωが以下の（７）式で表され、
【数７】
2013152414.tif 000013
ω１は最小画角であり、ω２．．ｍは最大画角ωからω１の範囲における任意の画角であり、α１は画角がω１であった場合の前記絞りの位置で前記分散方向の前記絞りの中心を通る光線の前記偏向素子上の前記分散方向に対する入射角度であり、β１は画角がω１であった場合の前記絞りの位置で前記分散方向において前記絞りの大きさＤの範囲内である任意の高さHを通る光線の前記偏向素子上の前記分散方向に対する入射角度であり、α２．．ｍは画角がω２．．ｍであった場合の前記絞りの位置で前記分散方向の前記絞りの中心を通る光線の前記偏向素子上の前記分散方向に対する入射角度であり、β２．．ｍは画角がω２．．ｍであった場合の前記絞りの位置で前記分散方向において前記高さHを通る光線の前記偏向素子上の前記分散方向に対する入射角度であり、前記偏向素子の周波数間隔はＷＧｈｚであり、Ｎは前記入出力ポートの総数であり、ｕは前記偏向素子の前記第２の方向の光強度の最大値を１とした場合における光強度が１／ｅ２になるスポット半径の大きさである場合に、（８）式または（９）式
【数８】
2013152414.tif 000014
を満たす
ことを特徴とする波長選択スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる波長の光を分岐可能な波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の入出力光ポートを有する波長選択スイッチを光波長多重通信に用いることが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７６３０５９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
波長選択スイッチ１００’の性能を示す指標である透過帯域は、所望の広さを有することが求められる。近年のネットワークの大規模化に対して、広い透過帯域を有し、入出力ポートの数を増加することが求められている。しかし、従来の波長選択スイッチにおいては、良好な透過帯域を維持するために、入出力ポートを１１以上に増やすことが困難であった。
【０００５】
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、良好な透過帯域を備えさせながら入出力ポートの数を従来より増加させ得る波長選択スイッチの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した諸課題を解決すべく、本発明による波長選択スイッチは、
少なくとも２０の入出力ポートを有する入出力部と、
入出力ポートから入射される波長多重された信号光を分散する分散部と、
分散部により分散された複数の信号光それぞれを集光する集光光学系と、
集光光学系により集光された複数の信号光を、いずれかの入出力ポートに入射可能なように、分散部の分散方向に垂直な第２の方向に沿って偏向する複数の偏向素子を有する偏向部とを備え
集光光学系において、入射する信号光の第２の方向の高さが一定の入射位置における、集光光学系の光軸と入出力部から集光光学系に入射する信号光とのなす角にかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一致する
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成された本発明に係る波長選択スイッチによれば、２０以上の入出力ポートに対しても偏向素子における集光位置の位置ズレを低減化し、良好な透過帯域を備えた波長選択スイッチを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図２】図１を側面から見た光路の展開図である。
【図３】分散部により分散され第２の集光光学系に入射する光と光軸とのなす角と、第２の集光レンズから出射した光と光軸とのなす角を説明するための図である。
【図４】サジタルコマ収差のメリジオナル成分を説明するスポットダイアグラムである。
【図５】第２の集光レンズに球面レンズを用いた波長選択スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図６】図５を側面から見た光路の展開図である。
【図７】第１の実施形態において球面レンズを第２の集光レンズの代わりに用いた場合の球面レンズによるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図８】第２の集光レンズを通過する光のｘ方向の高さを説明するための図である。
【図９】第２の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図１０】図９を側面から見た光路の展開図である。
【図１１】第３の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す平面図である。
【図１２】凹面ミラーの光軸を説明するための第１の図である。
【図１３】凹面ミラーの光軸を説明するための第２の図である。
【図１４】第５の実施形態において用いられる第２の凹面ミラーの外観図である。
【図１５】第５の実施形態において、第２の凹面ミラーの代わりに球面形状の凹面ミラーを用いた場合の凹面ミラーによるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図１６】第５の実施形態における第２の凹面ミラーによるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図１７】第２の実施形態における第２の凹面ミラーの代わりに、球面形状を有する様々な凹面ミラーを用いた場合の（１）式左辺と比（Ｓ／Ｗ）の関係を示すグラフである。
【図１８】第２の実施形態において、レンズ特性の異なる様々な第２の凹面ミラーを用いた場合の（１）式左辺と比（Ｓ／Ｗ）の関係を示すグラフである。
【図１９】第３の実施形態において、レンズ特性の異なる様々なマンギンミラーを用いた場合の（１）式左辺と比（Ｓ／Ｗ）の関係を示すグラフである。
【図２０】実施例１におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２１】実施例２におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２２】実施例３におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２３】実施例４におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２４】実施例５におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２５】実施例６におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２６】実施例７におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２７】比較例１におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２８】比較例２におけるサジタルコマ収差の横収差図である。
【図２９】実施例１の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３０】実施例２の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３１】実施例３の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３２】実施例４の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３３】実施例５の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３４】比較例１の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３５】比較例２の波長選択スイッチにおけるミラー番号と、比（Ｓ／Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図３６】第３の実施形態に適用可能な様々なマンギンミラーの例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を適用したある態様に係る波長選択スイッチの実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る波長選択スイッチの概略構成を示す平面図である。図２は、図１を側面から見た光路の展開図である。
【００１０】
波長選択スイッチ１００は、入出力ユニット１０１、マイクロレンズアレイ１０２、第１の集光レンズ１０３、第２の集光レンズ１０４（集光光学系）、分散部１０５、および偏向部１０６などを含んで構成される。
【００１１】
入出力ユニット１０１には、少なくとも２０の入出力ポートが設けられる。ただし、図２においては、説明の都合から、５の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのみを図示している。
【００１２】
複数の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅは互いに光軸が平行となるように並べられる。入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅは、例えば光ファイバであり、波長選択スイッチ１００の外部からの波長多重された信号光を入力させ、また、信号光を外部に出力させる。各光ファイバの一端は波長選択スイッチ１００内にあり、他端は波長選択スイッチ１００の外部と接続される。少なくともいずれか一つの入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに信号光が入力される。
【００１３】
各入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅとマイクロレンズアレイ１０２に設けられる各マイクロレンズは対となるように、入出力ユニット１０１とマイクロレンズアレイ１０２は配置される。各マイクロレンズは、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅから入力される光を平行光束に変換し、また、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに向けて出力される平行光束を光ファイバに入射させる。
【００１４】
以下の説明において、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅおよびマイクロレンズアレイ１０２を透過した平行光束の進行方向を光軸方向（ｚ方向）とする。この光軸方向は、第１の集光レンズ１０３および第２の集光レンズ１０４の光軸方向でもある。また、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅおよびマイクロレンズの配列された方向を第１の方向（ｘ方向）とする。光軸方向と第１の方向とは、互いに直交する。さらに、光軸方向および第１の方向（ｘ方向）のそれぞれに直交する方向を第２の方向（ｙ方向）とする。
【００１５】
なお、現実の波長選択スイッチの光路中に、図示しないミラー、プリズム等の偏向部材が光路を折り曲げるために配置されている場合には、ｘ方向およびｙ方向との説明は、このような偏向部材が無いものとした仮想的な光学系を前提として用いられることとする。
【００１６】
第１の集光レンズ１０３は、いずれかの入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅから入力された信号光をｘ方向において一次集光点ＰＣＰに集光させる（図２参照）。第２の集光レンズ１０４は、一次集光点ＰＣＰから第２の集光レンズ１０４までの距離が第２の集光レンズ１０４の焦点距離に等しくなるように配置される。したがって、一次集光点ＰＣＰを通過し、第２の集光レンズ１０４から出た信号光は、第２の集光レンズ１０４によってｘ方向において第２の集光レンズ１０４の光軸に平行となる。
【００１７】
分散部１０５は、第２の集光レンズ１０４から分散部１０５までの距離が第２の集光レンズ１０４の焦点距離に等しくなるように配置される。分散部１０５は、例えば、分散面上にｘ方向に平行な格子が形成された回折格子である。分散部１０５としては、波長毎の光の分解性能が高くより分散角が大きいものが望ましい。
【００１８】
図１、図２に示すように、一次集光点ＰＣＰから第２の集光レンズ１０４を透過した信号光は、略平行光束となって分散部１０５に入射し、分散部１０５の分散面上でｙ方向に波長毎に異なる角度で回折される。すなわち、分散部１０５は信号光を信号光に含まれる波長毎の光に分離する。なお、簡単のために、図１、図２では入出力ユニット１０１から偏向部１０６に至るｚ方向の光路を、直線的に示している。
【００１９】
なお、一次集光点ＰＣＰを通過した信号光の第２の集光レンズ１０４における入射位置よりも、分散部１０５により分散された信号光の第２の集光レンズ１０４における入射位置がｙ方向において第２の集光レンズ１０４の光軸に近くなるように、分散部１０５は設計され、配置される。また、分散部１０５により分散された複数の信号光の中で、一つの信号光はｙ方向において第２の集光レンズ１０４の光軸に重なるように、分散部１０５は設計され、配置される。
【００２０】
偏向部１０６は、第２の集光レンズ１０４から偏向部１０６の入射面までの距離が第２の集光レンズ１０４の焦点距離に等しくなるように配置される。このような構成により、分散部１０５によって分散された波長毎の信号光は、第２の集光レンズ１０４により互いに平行な収斂光束となって、偏向部１０６の入射面のｙ方向において略垂直に入射する。
【００２１】
また、図２に示すように、一次集光点ＰＣＰを通過した信号光は、分散部１０５で分散された後、ｙｚ平面内で第２の集光レンズ１０４の光軸と偏向部１０６に設けられる偏向素子１０６ａ〜１０６ｅとが交わる高さ位置（ｘ方向の位置）に集光する。したがって、いずれの入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅから入力された信号光も、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅに集光される。
【００２２】
偏向部１０６は、例えば、ＭＥＭＳミラーアレイであり、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅは、ＭＥＭＳミラーアレイを構成するマイクロミラーである。偏向素子１０６ａ〜１０６ｅは、分離される波長に対応して、第２の集光レンズ１０４の光軸を通るｙｚ平面において、ｙ方向に並列に配置される。
【００２３】
偏向素子１０６ａ〜１０６ｅは、それぞれのミラーを独立に制御して傾きを変えることができる。特に、ｘｚ平面に対する傾きを変えることにより（図２参照）、入射した波長毎の光を入射方向とは異なる高さ方向へ反射する。
【００２４】
各偏向素子１０６ａ〜１０６ｅにより反射された波長毎の光は、それぞれ第２の集光レンズ１０４を通り分散部１０５で回折され、入力された信号光と反対方向の光路を経て、入出力ユニット１０１の中で入力用に用いられた以外の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに出力される。図１、２において、実線は入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅから偏向素子１０６ａ〜１０６ｅに向かう信号光であり、点線は偏向素子１０６ａ〜１０６ｅから入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに向かう信号光である。
【００２５】
図３に示すように、分散部１０５により分散され、第２の集光レンズ１０４に入射する光と第２の集光レンズ１０４の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角をωとし、この光が第２の集光レンズ１０４を通過し、第２の集光レンズ１０４から出る光と第２の集光レンズ１０４の光軸とのｙ方向のなす角をεとする。
【００２６】
第２の集光レンズ１０４の少なくとも一方の面は、第２の集光レンズ１０４に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ω（図３参照）にかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が、実質的に一定にさせるように、非球面状に形成される。なお、サジタルコマ収差のメリジオナル成分とは、図４に示すように、像面における光軸から離れた位置に生じるサジタルコマフレアＣＦの放射線方向成分である。
【００２７】
なお、第２の集光レンズ１０４に形成された非球面の透過面が、以下の（１）式
【数１】
2013152414.tif 000003
の最大値が０．２未満となるような非球面形状であれば、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を実質的に一定にさせることが可能である。
【００２８】
（１）式において、
ｆは第２の集光レンズ１０４の焦点距離であり、
Ｈは第２の集光レンズ１０４を通過する光のｘ方向の高さであり、
Ｚａｓｐ（ｈ）は（２）式により定められる非球面のｚ方向に平行な面のサグ量であり、
Ｚｓｐ（ｈ）は（３）式により定められる球面のｚ方向に平行な面のサグ量であり、
ｈは第２の集光レンズ１０４を通過する光のｙ方向の高さである。
【００２９】
【数２】
2013152414.tif 000004
【００３０】
（２）式および（３）式において、
ｃは曲率であり、
ｋはコーニック係数であり、
Ａｉ（ｉは２以上の整数）は、２ｉ次の非球面係数である。
【００３１】
本実施形態では、図３に示すように、角度εは略ゼロであるため、サジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が光の入射位置によらず一定なので、いずれの入出力ポートから信号光を入力した場合でもあっても、第２の集光レンズ１０４におけるサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量は一定である。また、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定である。
【００３２】
以上のような構成の第１の実施形態の波長選択スイッチ１００によれば、良好な透過帯域を有しながら、入出力ポートの数を２０以上設けることを同時に実現させることが可能である。このような効果について、以下に詳細に説明する。
【００３３】
前述のように透過帯域は、所望の広さを有することが求められる。透過帯域は、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅに入射する信号光の収斂位置および偏向素子１０６ａ〜１０６ｅのｙ方向に沿った中心の位置ズレＳと、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅのｙ方向における幅Ｗとによって変動する。
【００３４】
幅Ｗに対する位置ズレＳの比（Ｓ／Ｗ）が小さくなるほど、透過帯域は大きくなる。したがって、所望の広さの透過帯域を得るために、幅Ｗに対する位置ズレＳの比（Ｓ／Ｗ）には上限値、例えば０．０７が存在する。比を小さくするには、位置ズレＳを小さくすることが求められる。
【００３５】
ところで、第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４と異なる集光レンズを用いる場合には、入出力ポートの数により位置ズレＳが増大することがある。位置ズレＳの増大について説明する。
【００３６】
図５、６に第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４と異なる集光レンズを用いた波長選択スイッチ１００’を示す。波長選択スイッチ１００’の第２の集光レンズ１０４’以外の構成は、すべて第１の実施形態の波長選択スイッチ１００と同じである。
【００３７】
第２の集光レンズ１０４’は、第１の実施形態と異なり、第２の集光レンズ１０４’に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらず、サジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一致するようには設計されていない。例えば、第２の集光レンズ１０４’は両面が球面状に形成される。第２の集光レンズ１０４’は、単に分散部１０５’によって分散された信号光を互いに平行な収斂光束にして偏向部１０６’の入射面のｙ方向において略垂直に入射させるように、設計され、配置される。
【００３８】
この場合、入力光を入力する入出力ポート１０１ａ’〜１０１ｅ’がｘ方向において第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れるほど、位置ズレＳが大きくなる。それゆえ、入出力ポートを増やすと、光軸から離れた入出力ポートでは幅Ｗに対する位置ズレＳの比が上限を超えることが起こり得る。
【００３９】
そこで、波長選択スイッチ１００’では、波長選択スイッチ１００’に設ける入出力ポートの数を、例えば１０に制限することにより、幅Ｗに対する位置ズレＳの比（Ｓ／Ｗ）が上限値以下になるように維持していた。
【００４０】
本願発明者は、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅに入射する信号光の収斂位置および偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの中心のｙ方向に沿った位置ズレＳと、第２の集光レンズ１０４によって生じるサジタルコマ収差のメリジオナル成分とが高い相関性を有することを見出した。相関性について以下に説明する。
【００４１】
波長選択スイッチ１００’においては、第２の集光レンズ１０４’によって生じるサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量は、第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れた位置を通る程、大きくなる。
【００４２】
それゆえ、分散部１０５’に分散された光の第２の集光レンズ１０４’へのｙ方向における入射位置が第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れるほど（図５参照）、収差量は大きくなる。ｙ方向における入射位置が第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れるということは同時に第２の集光レンズ１０４’の光軸と分散された光のｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωの値も大きくなり、収差量も大きくなる。
【００４３】
また、信号光が入力される入出力ポートがｘ方向において第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れるほど第２の集光レンズ１０４’への入射位置がｘ方向において第２の集光レンズ１０４’の光軸から離れ（図６参照）、収差量が大きくなる。
【００４４】
例えば、第２の集光レンズ１０４’の光軸と分散された光のｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωを画角に、第２の集光レンズ１０４’を透過する入出力ポート１０１’ａ〜１０１’ｅの信号光の中でｘ方向に沿った両端の信号光の間隔Ｄ（図６参照）とする絞りを第２の集光レンズ１０４’の前側焦点位置に配置した場合のサジタルコマ収差は、図７のように求められる。
【００４５】
図７では、Ｆｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔのゼロから左側に画角別のサジタルコマ収差のメリジオナル成分が示され、ゼロから右側に画角別のサジタルコマ収差のサジタル成分が示される。図７に示すように、サジタルコマ収差のメリジオナル成分は画角によって異なる曲線を描き、異なる画角に対するメリジオナル成分の収差量の差分はＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔが高くなる程大きくなっている。
【００４６】
したがって、分散部１０５’から第２の集光レンズ１０４’に入射する光の像におけるサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量は、第２の集光レンズ１０４’の光軸と分散された光のｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωによって異なり、かつ、その収差量の差分は、図８に示すように、第２の集光レンズ１０４’を通過する光のｘ方向の高さＨ（Ｆｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔ）が高くなる程大きくなる。
【００４７】
第２の集光レンズ１０４’によって生じるサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が、入射する光の画角（ω）によって異なっている場合に、信号光を入力する入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのｘ方向における第２の集光レンズ１０４の光軸からの高さ（Ｈ）に応じた位置ズレＳが生じる。さらに、収差量の差分が大きくなる程、位置ズレＳは大きくなる。
【００４８】
発明者によって見出されたこのような事象に対して、本実施形態においては、第２の集光レンズ１０４に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定となるように、第２の集光レンズ１０４は形成される。それゆえ、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのｘ方向における第２の集光レンズ１０４の光軸からの距離が大きくなっても、位置ズレＳは大きく増加することはない。
【００４９】
したがって、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅがｘ方向において第２の集光レンズ１０４の光軸から離れても、位置ズレＳの増加量が低下するので、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比の上限値に達するまで入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを増加させることが可能である。すなわち、少なくとも２０以上の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを有しながら、所望の広さの透過帯域である波長選択スイッチ１００を提供することが可能となる。
【００５０】
次に、第２の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第２の実施形態では第１の集光レンズおよび第２の集光レンズがミラーである点において第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図９、１０に示すように、波長選択スイッチ１０００は、入出力ユニット１０１０、マイクロレンズアレイ１０２、第１の凹面ミラー１０７０、第２の凹面ミラー１０８０（集光光学系）、分散部１０５、偏向プリズム１０９０、および偏向部１０６などを含んで構成される。
【００５２】
第１の実施形態と同様に、入出力ユニット１０１０には、少なくとも２０の入出力ポートが設けられる。ただし、図１０においては、説明の都合から、５の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのみを図示している。入出力ユニット１０１０に対するマイクロレンズアレイ１０２の配置も第１の実施形態と同じである。
【００５３】
第１の凹面ミラー１０７０は、ｚ方向に平行な入射光線を反射して、一次集光点ＰＣＰに集光する（図１０参照）。したがって、いずれかの入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに入射した光は、第１の凹面ミラー１０７０により一次集光点ＰＣＰに集光する。また、第１の凹面ミラー１０７０は後述するように設計され、サジタルコマ収差を発生させる。
【００５４】
第２の凹面ミラー１０８０は、一次集光点ＰＣＰから第２の凹面ミラー１０８０までの距離が第２の凹面ミラー１０８０の焦点距離ｆとなるように、配置される（図１０参照）。また、第２の凹面ミラー１０８０は、第１の凹面ミラー１０７０と第２の凹面ミラー１０８０との光軸を含む平面がｙｚ平面に平行になるように、配置される。このような構成により、第２の凹面ミラー１０８０は一次集光点ＰＣＰを通過した光をｙｚ平面に平行な方向に偏向する（図１０参照）。
【００５５】
分散部１０５により分散され、第２の凹面ミラー１０８０に入射する信号光と第２の凹面ミラー１０８０の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角をωとし、第２の凹面ミラー１０８０は、第２の凹面ミラー１０８０に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定になるように、非球面状に形成される。なお、第１の凹面ミラー１０７０は、第２の凹面ミラー１０８０において任意の画角の信号光のサジタルコマ収差をキャンセルさせるサジタルコマ収差を第１の凹面ミラー１０７０で発生させるように設計される。
【００５６】
なお、第２の凹面ミラー１０８０の反射面が、（１）式の最大値が０．０２未満となる非球面形状であれば、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を実質的に一定にさせることが可能である。
【００５７】
分散部１０５は、第２の凹面ミラー１０８０から分散部１０５までの距離が第２の凹面ミラー１０８０の焦点距離ｆに等しくなるように配置される。したがって、図９に示すように、一次集光点ＰＣＰから偏向プリズム１０９０および第２の凹面ミラー１０８０に反射された信号光は、略平行光束となって分散部１０５に入射する。第１の実施形態と同様に、分散部１０５は信号光を信号光に含まれる波長毎の光に分離する。
【００５８】
偏向部１０６は、第２の凹面ミラー１０８０から偏向部１０６の入射面までの距離が第２の凹面ミラー１０８０の焦点距離ｆに等しくなるように配置される。第１の実施形態と同様に、偏向部１０６の入射面には、ｙ方向に沿って複数の偏向素子１０６ａ〜１０６ｅが並べられる。このような構成により、分散部１０５によって分散された信号光は、第２の凹面ミラー１０８０により互いに平行な収斂光束となって、偏向部１０５の入射面に入射する。
【００５９】
偏向プリズム１０９０は、第２の凹面ミラー１０８０と、一次集光点ＰＣＰおよび偏向部１０６との間に配置される。偏向プリズム１０９０は第２の凹面ミラー１０８０から偏向部１０６に向かう各信号光を、その主光線がｙｚ平面において偏向部１０６の入射面のｙ方向に垂直になるように偏向する。
【００６０】
第1の実施形態と同様に、一次集光点ＰＣＰを通過した信号光は、分散部１０５で分散された後、ｙｚ平面内で第２の凹面ミラー１０８０の光軸と偏向素子とが交わる高さ位置（ｘ方向の位置）に集光する。したがって、第１の実施形態と同様に、いずれの入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅから入力された信号光も、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅに集光される。
【００６１】
偏向部１０６の構成は第１の実施形態と同じである。したがって、各偏向素子１０６ａ〜１０６ｅは、入射した波長毎の信号光を入射方向とは異なる高さ方向へ反射する。各偏向素子１０６ａ〜１０６ｅにより反射された波長毎の信号光は、それぞれ第２の凹面ミラー１０８０を通り分散部１０５で回折され、入力された信号光とは反対方向の光路を経て、入出力ユニット１０１０の中で入力用に用いられた入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅ以外の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅに出力される。
【００６２】
以上のような構成の第２の実施形態の波長選択スイッチ１０００によれば、良好な透過帯域を有しながら、入出力ポートの数を２０以上設けることを同時に実現させることが可能である。
【００６３】
第２の凹面ミラー１０８０は第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４と同様の集光作用を有している。それゆえ、第２の凹面ミラー１０８０に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定となるように第２の凹面ミラー１０８０は形成される。それゆえ、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのｘ方向における第２の凹面ミラー１０８０の光軸からの距離が大きくなっても、位置ズレＳは大きく増加することがない。
【００６４】
したがって、第１の実施形態と同様に、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅがｘ方向において第２の凹面ミラー１０８０の光軸から離れても、位置ズレＳの増加量が低下するので、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比の上限値に達するまで入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを増加させることが可能である。
【００６５】
また、第２の実施形態の波長選択スイッチ１０００では、第２の集光レンズ１０４の代わりに第２の凹面ミラー１０８０を用いるので、第２の凹面ミラー１０８０から、偏向部１０６側に分散部１０５を配置することが可能である。このような配置により、ｙｚ平面における波長選択スイッチ１０００の小型化を図ることが可能である。
【００６６】
次に、第３の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第３の実施形態では、第２の凹面ミラー１０８０の代わりにマンギンミラーを用いている点において第２の実施形態と異なっている。以下に、第２の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６７】
図１１に示すように、第３の実施形態の波長選択スイッチ１００１において、マンギンミラー１１０１以外の構成、機能、および配置は第２の実施形態の波長選択スイッチ１０００と同一である。第２の実施形態と同様に、マンギンミラー１１０１と、一次集光点ＰＣＰ、分散部１０５、および偏向部１０６との距離がマンギンミラー１１０１の焦点距離に等しくなるように、マンギンミラー１１０１は配置される。なお、マンギンミラー１１０１の表面は球面状に形成することが可能である。
【００６８】
一次集光点ＰＣＰを通過した信号光は、マンギンミラー１１０１の透過面１１０１ｔおよび媒質内を透過して反射面１１０１ｒに入射する。信号光は反射面１１０１ｒによって分散部１０５に反射される。
【００６９】
以上のような構成の第３の実施形態の波長選択スイッチ１００１によれば、良好な透過帯域を有しながら、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅの数を２０以上設けることを同時に実現させることが可能である。
【００７０】
マンギンミラー１１０１を用いることによる効果を説明するために、反射面が球面形状である凹面ミラーを用いることを検討する。なお、反射面が球面形状である凹面ミラーを用いる場合、凹面ミラーの形状が球面形状であるため、光軸が規定できない。したがって光軸は、図１２に示すように、凹面ミラーに例えば１つの光線のみ入射する場合において凹面ミラーの球面形状の球心位置と光線の入射位置を結んだ線とする。また、図１３に示すように、凹面ミラーに複数の光線が入射する場合、球心位置と複数の光が入射する位置の真中近傍を結んだ線を光軸とする。
【００７１】
焦点距離がマンギンミラー１１０１と同じである球面形状の凹面ミラーをマンギンミラー１１０１の代わりに用いると、信号光の光学像に生じるサジタルコマ収差は比較的大きくなる。
【００７２】
それゆえ、画角が異なる複数の信号光の光学像において球面形状の凹面ミラーを用いることによって生じるサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量の差は比較的大きい。一方、マンギンミラー１１０１では、信号光はマンギンミラー１１０１の媒質内部を透過して反射面１１０１ｒにおいて反射される構成なので、以下に説明するように、球面形状の凹面ミラーよりも曲率半径を大きくすることが可能である。
【００７３】
球面形状の凹面ミラーの曲率半径をＲとすると、球面形状の凹面ミラーの焦点距離はＲ／２である。一方、マンギンミラー１１０１の媒質の屈折率をｎ、透過面１１０１ｔの曲率半径を無限大、反射面１１０１ｒの曲率半径をＲ’とすると、マンギンミラー１１０１の焦点距離はＲ’／（２×ｎ）である。両者の焦点距離が等しいとすると、マンギンミラー１１０１の曲率半径Ｒ’はｎ×Ｒである。したがって、マンギンミラー１１０１の曲率半径は、球面形状の凹面ミラーの曲率半径に屈折率を乗じた値になる。
【００７４】
このように、マンギンミラー１１０１の反射面１１０１ｒの曲率半径を大きくすることができるので、球面形状の凹面ミラーに比べて反射面１１０１ｒの球欠量を小さくでき、マンギンミラー１１０１の形状を平板形状に近づけることができる。マンギンミラー１１０１の形状が平板形状に近寄るので、球面形状の凹面ミラーを用いる場合に比べて、全画角に対してサジタルコマ収差そのものを低減化することが可能である。したがって、第３の実施形態でも、マンギンミラー１１０１に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を実質的に一定にさせることが可能である。
【００７５】
それゆえ、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのｘ方向におけるマンギンミラー１１０１の光軸からの距離が大きくなっても、位置ズレＳは大きく増加することがない。したがって、第１の実施形態と同様に、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅがｘ方向においてマンギンミラー１１０１の光軸から離れても、位置ズレＳの増加量が低下するので、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比の上限値に達するまで入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを増加させることが可能である。
【００７６】
なお、マンギンミラー１１０１の透過面が第１の実施形態の集光レンズ１０４の非球面と同じ形状であってもよい。すなわち、マンギンミラー１１０１の透過面が、（１）式の最大値が０．２未満となる非球面形状であってもよい。また、マンギンミラー１１０１の反射面が第２の実施形態の第２の凹面ミラー１０８０の非球面と同じ形状であってもよい。すなわち、マンギンミラー１１０１の反射面が、（１）式の最大値が０．０２未満となる非球面形状であってもよい。
【００７７】
マンギンミラー１１０１の透過面および／または反射面が上述のような非球面であれば、サジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量の一定化をより向上させることが可能である。
【００７８】
次に、第４の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第４の実施形態では、マンギンミラーの構成が第３の実施形態と異なっている。以下に、第３の実施形態と異なる点を中心に第４の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００７９】
第４の実施形態では、マンギンミラー１１０１がシリコンによって形成される。シリコンの屈折率は３．４であり、マンギンミラー１１０１の形成に一般的に用いられるガラスなどの部材の屈折率より大きい。それゆえ、マンギンミラー１１０１の反射面の球欠量を小さくでき、マンギンミラー１１０１の形状を平板形状に近づけることができる。したがって、全画角に対するコマ収差そのものがさらに低減化される。
【００８０】
次に、第５の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第５の実施形態では、第２の凹面ミラーの構成が第２の実施形態と異なっている。以下に、第２の実施形態と異なる点を中心に第５の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８１】
第５の実施形態では、第２の凹面ミラー１０８２の以外の部位の構成、機能、および配置は第２の実施形態と同一である。図１４に示すように、第２の凹面ミラー１０８２は、ｘ方向にのみ不連続な球面が形成される。
【００８２】
以上のような構成の第５の実施形態の波長選択スイッチによれば、良好な透過帯域を有しながら、入出力ポートの数を２０以上設けることを同時に実現させることが可能である。
【００８３】
球面形状の凹面ミラーを用いた場合には、図１５に示すように、どの画角に対しても、光軸から離れＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔが高くなるほど、サジタルコマ収差のメリジオナル成分は増加する。一方、第２の凹面ミラー１０８２のｘ方向にのみ不連続な球面が形成されると、図１６に示すように、不連続な位置においてサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量がゼロとなる。それゆえ、画角の異なる信号光に対するサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量のそれぞれの差は、光軸から離れＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔが高くなる位置においても、球面形状である凹面ミラーに比べて小さい。
【００８４】
それゆえ、第２の凹面ミラー１０８２に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が、実質的に一定であるとみなせる。それゆえ、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅのｘ方向における第２の凹面ミラー１０８２の光軸からの距離が大きくなっても、位置ズレＳは大きく増加することはない。
【００８５】
したがって、第１の実施形態と同様に、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅがｘ方向において第２の凹面ミラー１０８２の光軸から離れても、位置ズレＳの増加量が低下するので、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比の上限値に達するまで入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを増加させることが可能である。
【００８６】
次に、第６の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第６の実施形態では、偏向素子の間隔に基づいて第２の凹面ミラーを形成する点において第２の実施形態と異なっている。以下に、第２の実施形態と異なる点を中心に第６の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８７】
第６の実施形態では、（４）式を満たすように、波長選択スイッチは形成される。
【００８８】
【数３】
2013152414.tif 000005
【００８９】
ただし、（４）式において、
ω１は、最小画角であり、
ω２．．ｍは、最大画角ωからω１の範囲における任意の画角であり、
α１は、第２の凹面ミラー１０８０の前側焦点位置に、ｘ方向に沿って配置した入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅの両端の距離Ｄを直径とする絞りを配置したと仮定して、画角がω１であった場合に絞りの位置で絞りの中心を通る光線による像面のｙ方向の法線に対する光線の角度であり、
β１は、前述の絞りを配置したと仮定して、画角がω１であった場合に絞りの位置で絞りの大きさＤの範囲内である任意の高さHを通る光線による像面のｙ方向の法線に対する光線の角度であり、
α２．．ｍは、前述の絞りを配置したと仮定して、画角がω２．．ｍであった場合に絞りの位置で絞りの中心を通る光線による像面のｙ方向の法線に対する光線の角度であり、
β２．．ｍは、前述の絞りを配置したと仮定して、画角がω２．．ｍであった場合に絞りの位置で任意の高さHを通る光線による像面のｙ方向の法線に対する光線の角度であり、
Ｗ（ＧＨｚ）は、偏向素子の間隔である。
【００９０】
以上のような構成の第６の実施形態の波長選択スイッチによれば、（４）式の左辺を０．００３未満にすることにより、以下に説明するように、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比を上限値未満に抑えることが可能である。
【００９１】
（１）式の左辺と偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比（Ｓ／Ｗ）は比例関係を有している。例えば、第２の実施形態において第２の凹面ミラー１０８０の代わりに、（４）式の左辺がそれぞれ異なるように設計した複数の球面形状を有する凹面ミラーを用いた場合において、（４）式の左辺と比（Ｓ／Ｗ）とをグラフ上にプロットすると、図１７のグラフが得られる。
【００９２】
図１７から分かるように、（４）式の左辺が０．００３未満であれば、比（Ｓ／Ｗ）を０．０７未満に抑えることが可能である。しかし、（４）式の左辺が０．００３未満となるように設計した球面レンズでは、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅの数を１１以上に増やすことが困難だった。
【００９３】
一方、第２の実施形態において、（４）式の左辺がそれぞれ異なるように設計した第２の凹面ミラー１０８０を用いた場合において、（４）式の左辺と比（Ｓ／Ｗ）とをグラフ上にプロットすると、図１８のグラフが得られる。また、第３の実施形態において、（４）式の左辺がそれぞれ異なるように設計したマンギンミラー１１０１を用いた場合において、（４）式の左辺と比（Ｓ／Ｗ）とをグラフ上にプロットすると、図１９のグラフが得られる。
【００９４】
図１８、１９に示すように、非球面である凹面ミラーやマンギンミラーを用いることにより、（４）式の左辺は０．００３に比較してはるかに小さい。それゆえ、（４）式の左辺が０．００３未満になるように設計した非球面状の凹面ミラーおよびマンギンミラーを用いれば、入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅの数を１１以上に増やすことが可能である。
【００９５】
次に、第７の実施形態に係る波長選択スイッチについて説明する。第７の実施形態では、偏向素子の間隔および入出力ポート数に基づいて第２の凹面ミラーを形成する点において第２の実施形態と異なっている。以下に、第２の実施形態と異なる点を中心に第７の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付して説明を省略する。
【００９６】
第７の実施形態では、（５）式を満たすように、波長選択スイッチは形成される。
【００９７】
【数４】
2013152414.tif 000006
【００９８】
ただし、（５）式において、
Ｎは、入出力ポートの総数であり、
ｕは、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅのｘ方向の光強度の最大値を１とした場合における光強度が１／ｅ２になるスポット半径の大きさである。
【００９９】
以上のような構成の第７の実施形態の波長選択スイッチによれば、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比を上限値未満に抑えることが可能である。したがって、少なくとも２０以上の入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅを有しながら、所望の広さの透過帯域である波長選択スイッチを提供することが可能となる。
【実施例】
【０１００】
次に、実施例を説明するが、本実施例はあくまでも本発明の一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
【０１０１】
以下の条件のデータを用いて実施例１の第２の集光レンズ１０４を設計した。第２の集光レンズ１０４の焦点距離は６９．９８である。第１面は非球面であって、曲率半径は１０３．０１７９２であり、面頂点における曲率ｃは０．００９７０７であり、コーニック係数ｋは−１．０００６９５であり、４次の非球面係数Ａ２は−４．８０７２４Ｅ―０７であって、非球面式（２）を満たす非球面であり、レンズの光軸中心厚は９である。Ｅは、１０のべき乗を示す。例えば、「Ｅ―０７」とは、１０のマイナス７乗を示す。なお、第２面は球面であって、曲率半径は−１００である。また、第２の集光レンズ１０４のガラス基材としてＳ−ＬＡＨ６６（オハラ社）を用いた。
【０１０２】
実施例１の第２の集光レンズ１０４の非球面の設計条件において算出される（１）式の最大値は０．１０５であって、０．２未満である。ただし、この最大値が算出されるのは、第２の集光レンズ１０４を通過する光のｙ方向の高さｈの範囲の最大が５であり、第２の集光レンズ１０４を通過する光のｘ方向の高さをＨの範囲の最大が５であり、第２の集光レンズ１０４に入射する光と第２の集光レンズ１０４の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωの範囲の最大が４．１度である場合である。
【０１０３】
以下の条件のデータを用いて実施例２の第２の凹面ミラー１０８０を設計した。第２の凹面ミラー１０８０の焦点距離は７０．１８４であり、凹面は非球面であって、曲率半径は−１４０．３６８であり、面頂点における曲率ｃは−０．００７１２であり、コーニック係数ｋが８．４２０７３７であり、４次の非球面係数Ａ２が３．５０Ｅ―０７であって、非球面式（２）を満たす非球面である。
【０１０４】
実施例２の第２の凹面ミラー１０８０の非球面の設計条件で算出される（１）式の最大値は、０．０００８であって、０．０２未満である。ただし、この最大値が算出されるのは、第２の凹面ミラー１０８０を通過する光のｙ方向の高さｈの範囲の最大が５であり、第２の凹面ミラー１０８０を通過する光のｘ方向の高さをＨの範囲の最大が５であり、第２の集光レンズ１０４に入射する光と第２の凹面ミラー１０８０の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωの範囲の最大が４．１度である場合である。
【０１０５】
以下の条件のデータを用いて実施例３のマンギンミラー１１０１を設計した。マンギンミラー１１０１の焦点距離は７０であり、第１面は球面であって、曲率半径Ｒ１は２２２．６５である。第２面は球面であって、曲率半径は−４５０であり、レンズの光軸中心厚は４である。また、マンギンミラー１１０１のガラス基材としてＳ−ＬＡＨ６６（オハラ社）を用いた。
【０１０６】
以下の条件のデータを用いて実施例４のマンギンミラー１１０１を設計した。マンギンミラー１１０１の焦点距離は７０であり、第１面は非球面であって、曲率半径Ｒ１は２２２．６５であり、面頂点における曲率ｃは０．００４４９であり、コーニック係数ｋはー４．７８であり、４次の非球面係数Ａ２は−１．８７３Ｅ―０８であり、 ６次の非球面係数Ａ３は―１．０６６Ｅ―1０であって、非球面式（２）を満たす非球面である。第２面は球面であって、曲率半径は−４５０であり、レンズの光軸中心厚は４である。また、マンギンミラー１１０１のガラス基材としてＳ−ＬＡＨ６６（オハラ社）を用いた。
【０１０７】
実施例４のマンギンミラー１１０１の非球面の設計条件において算出される（１）式の最大値は０．００２８であって、０．２未満である。ただし、この最大値が算出されるのは、マンギンミラー１１０１を通過する光のｙ方向の高さｈの範囲の最大が５であり、マンギンミラー１１０１を通過する光のｘ方向の高さをＨの範囲の最大が５であり、マンギンミラー１１０１に入射する光とマンギンミラー１１０１の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωの範囲の最大が４．１度である場合である。
【０１０８】
以下の条件のデータを用いて実施例５のマンギンミラー１１０１を設計した。マンギンミラー１１０１の焦点距離は７０であり、第１面は球面であって、曲率半径Ｒ１は２２２．６５である。第２面は非球面であって、曲率半径は−４５０であり、面頂点における曲率ｃは−０．００２２２２であり、コーニック係数ｋは−１７．０５２１であり、４次の非球面係数Ａ２は６．５５Ｅ―０９であって、 ６次の非球面係数Ａ３は４．６０５Ｅ―１１であって、非球面式（２）を満たす非球面であり、レンズの光軸中心厚は４である。また、マンギンミラー１１０１のガラス基材としてＳ−ＬＡＨ６６（オハラ社）を用いた。
【０１０９】
実施例５のマンギンミラー１１０１の設計条件で算出される（１）式の最大値は０．００２３であって、０．０２未満である。ただし、この最大値が算出されるのは、マンギンミラー１１０１を通過する光のｙ方向の高さｈの範囲の最大が５であり、マンギンミラー１１０１を通過する光のｘ方向の高さをＨの範囲の最大が５であり、マンギンミラー１１０１に入射する光とマンギンミラー１１０１の光軸とのｙｚ平面におけるｙ方向のなす角ωの範囲の最大が４．１度である場合である。
【０１１０】
以下の条件のデータを用いて実施例６のマンギンミラー１１０１を設計した。マンギンミラー１１０１の焦点距離は７０であり、第１面は平面であり、第２面は球面であって、曲率半径は−４６０．７２であり、レンズの光軸中心厚は４である。また、マンギンミラー１１０１のガラス基材としてシリコンを用いた。
【０１１１】
以下の条件のデータを用いて実施例７のマンギンミラー１１０１を設計した。マンギンミラー１１０１の焦点距離は７０であり、第１面は球面であって、曲率半径Ｒ１は２０００である。第２面は球面であって、曲率半径は−４３１．４であり、レンズの光軸中心厚は４である。また、マンギンミラー１１０１のガラス基材としてアンチモン化アルミニウムを用いた。
【０１１２】
以下の条件のデータを用いて比較例１のレンズを設計した。レンズの焦点距離は７０である。第１面は球面であって、曲率半径Ｒ１は７７．０３である。第２面は球面であって、曲率半径Ｒ２は−１５３．８２であり、レンズの光軸中心厚は９である。レンズのガラス基材としてＳ−ＬＡＨ６６（オハラ社）を用いた。
【０１１３】
以下の条件のデータを用いて比較例２の凹面ミラーを設計した。凹面ミラーの焦点距離は７０であって、第１面は球面であって、曲率半径Ｒ１は−１４０である。
【０１１４】
実施例１および比較例１のレンズと、実施例２および比較例２の凹面ミラーと、実施例３〜７のマンギンミラー１１０１とを設計し、サジタルコマ収差をシミュレーションによって求めた。
【０１１５】
なお、サジタルコマ収差を求めるために、Ｄ＝２×ｆ×ｓｉｎ（２×θ）を直径とする絞りを、集光素子、すなわち、レンズ、凹面ミラー、およびマンギンミラーの前側焦点に配置したと仮定した。ただし、ｆは、集光素子、すなわち、レンズ、凹面ミラー、およびマンギンミラーの焦点距離である。また、θは、偏向素子１０６ａ〜１０６ｅのｘ方向の最大振れ角度幅である。また、サジタルコマ収差を求めるために、第１の画角ω１を分散部１０５による全分散方向の真ん中の方向に分散される光線の集光素子への入射角と仮定し、第３の画角ω３を分散部１０５による全分散方向の端部の方向に分散される光線の集光素子への入射角と仮定し、第２の画角ω２を、第１の画角ω１と第３の画角ω２の平均とした。
【０１１６】
実施例１〜７のサジタルコマ収差の収差図を、図２０〜２６に示した。また、比較例１、２のサジタルコマ収差の収差図を、図２７、２８に示した。図２０〜２６および図２７、２８において、Ｆｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔがゼロから左側に画角別のサジタルコマ収差のメリジオナル成分を示し、ゼロから左側にサジタルコマ収差のサジタル成分を示した。
【０１１７】
実施例１（図２０）と比較例１（図２７）とを比較すると、一方の面に非球面を形成したレンズによって、サジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量は、画角およびＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔの大きさによらず略ゼロであって、実質的に一定であることが分かる。
【０１１８】
実施例２〜７（図２１〜２６）と比較例２（図２８）とを比較すると、反射面を非球面にしたり、集光素子としてマンギンミラーを用いたり、マンギンミラーの媒質を高屈折率部材によって形成することにより、サジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量は、画角およびＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔの大きさによらず略ゼロであって、実質的に一定であることが分かる。
【０１１９】
また、実施例３〜５（図２２〜２４）を比較すると、両面が球面であるマンギンミラーよりも、反射面または透過面を非球面にしたマンギンミラーの方が、画角およびＦｉｅｌｄ  Ｈｅｉｇｈｔに対するサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量の変化がさらに小さいことが分かる。
【０１２０】
次に、第１の実施形態の第２の集光レンズ１０４として実施例１および比較例１のレンズとを用いた波長選択スイッチと、第２の実施形態の第２の凹面ミラー１０８０として実施例２および比較例２の凹面ミラーとを用いた波長選択スイッチと、第３の実施形態のマンギンミラー１１０１として実施例３〜５のマンギンミラーを用いた波長選択スイッチを設計した。各波長選択スイッチにおける偏向素子１０６ａ〜１０６ｅの幅Ｗに対する位置ズレＳの比（Ｓ／Ｗ）を求めた。
【０１２１】
実施例１〜５の波長選択スイッチにおける、ミラー番号、すなわちｙ方向に沿って並べられる偏向素子の一端から多端の偏向素子に付けられる番号と、幅Ｗに対する位置ズレＳの比との関係を示すグラフを図２９〜３３に示した。また、比較例１、２の波長選択スイッチにおける、ミラー番号、すなわちｙ方向に沿って並べられる偏向素子の一端から他端の偏向素子に付けられる番号と、幅Ｗに対する位置ズレＳの比との関係を示すグラフを図３４、３５に示した。
【０１２２】
なお、ミラー番号と位置ズレＳの比との関係は、ｘ方向に沿った入出力ポート１０１ａ〜１０１ｅの位置によって異なる。そこで、当該関係を、ｘｚ平面において集光素子の光軸と等しい入出力ポート１０１ｃ、その一つ隣の入出力ポート１０１ｂ、および、さらに隣の入出力ポート１０１ａに対して求めた。
【０１２３】
図３４、３５に示すように、入出力ポートのｘ方向に沿った位置が集光素子の光軸から離れるほど、比（Ｓ／Ｗ）の絶対値は大きくなり、特にミラー番号が中央の番号、すなわち５０から離れるほど大きくなる。比較例１、２のいずれにおいても、比（Ｓ／Ｗ）が上限値０．０７を超える場合があり得る。
【０１２４】
一方、図２９〜３３に示すように、実施例１〜５においては、いずれにおいても、比（Ｓ／Ｗ）が上限値０．０７を超えていないことが分かる。それゆえ、比較例１、２に比べて、透過帯域に影響を与えない入出力ポートの数の上限は大きい。したがって、実施例１〜５の構成によれば、比較例１、２に比べて、透過帯域に影響を与えることなく、波長選択スイッチの入出力ポートの数を増加させることが可能であることが分かる。
【０１２５】
また、図３１と、図３２および図３３とを比較すると、両面が球面であるマンギンミラーよりも、透過面または反射面を非球面であるマンギンミラーの方が、比（Ｓ／Ｗ）が小さくなる。したがって、実施例４、５の構成によれば、実施例３に比べて、透過帯域に影響を与えることなく、波長選択スイッチの入出力ポートの数を、さらに増加させることが可能である。
【０１２６】
本発明のある態様を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【０１２７】
例えば、第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４および第２の実施形態における第２の凹面ミラー１０８０においては、（１）式を用いて非球面形状の満たすべき条件を限定する構成であるが、そのような条件式を満たさなくてもよい。集光機能を有する光学素子であり、光学素子に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定になる光学素子であれば、（１）式を用いた条件を満たさなくてもよい。
【０１２８】
また、第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４および第２の実施形態における第２の凹面ミラー１０８０は非球面形状に形成されるが、ｘ方向とｙ方向の曲率半径の異なるアナモルフィック光学素子であってもいし、自由曲面光学素子であってもよい。集光機能を有する光学素子であり、光学素子に入射する光のｘ方向の高さが一定の入射位置における、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量が実質的に一定になる光学素子であれば、いかなる光学素子を用いてもよい。
【０１２９】
また、（１）式の最大値が０．２未満であることを満たすべき非球面は、第１の実施形態における第２の集光レンズ１０４の透過面であるが、この面に限定されない。分散部１０５により分散された信号光それぞれを集光する集光光学系が透過面を有する光学素子を含み、当該光学素子の透過面が（１）式の最大値が０．２未満である非球面形状であれば、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を実質的に一定にさせることが可能である。
【０１３０】
また、（１）式の最大値が０．０２未満であることを満たすべき非球面は、第２の実施形態における第２の凹面ミラー１０８０の反射面であるが、この面に限定されない。分散部１０５により分散された信号光それぞれを集光する集光光学系が反射面を有する光学素子を含み、当該光学素子の反射面が（１）式の最大値が０．０２未満である非球面形状であれば、なす角ωにかかわらずサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を実質的に一定にさせることが可能である。
【０１３１】
また、第６の実施形態においてシリコン（屈折率３．４）を用いてマンギンミラー１１０１を形成した構成であるが、高屈折部材はシリコンに限定されない。高屈折率部材としては、ガリウムヒ素（屈折率３．４）、ヒ化アルミニウム（屈折率３．３）、リン化ガリウム（屈折率３．１）、アンチモン化アルミニウム（屈折率２．８）などを用いてもよい。また、高屈折率部材はこれらの材料に限定されない。波長選択スイッチが使用される１．５ミクロン帯域において屈折率が２．８以上の部材であれば、上述の効果を得ることが可能である。
【０１３２】
なお、第６の実施形態のマンギンミラー１１０１の一つの面の曲率半径を大きくさせることを許容する方法は、媒質に高屈折率部材を用いることに限定されない。例えば、Ｇｒｉｎレンズを用いたり、マンギンミラー１１０１の少なくとも一方の面をフレネル形状に形成することによっても曲率半径を大きくすることは可能である。
【０１３３】
また、第１の実施形態では、第２の集光レンズ１０４を形成する部材について限定していない構成であるが、第４の実施形態と同様に、高屈折率部材を用いることによって、さらにサジタルコマ収差のメリジオナル成分の収差量を低減化させることが可能である。
【０１３４】
また、第１〜第７の実施形態において、分散部１０５により分散された信号光を集光させる集光素子は、単一の集光レンズ、単一の凹面ミラー、および単一のマンギンミラーによって構成されるが、複数の光学素子を用いた集光光学系を用いてもよい。
【０１３５】
例えば、第３の実施形態におけるマンギンミラーとしては、図３６に示すように、様々な面形状を有する単一の光学素子を用いてもよいし（図３６（ａ）〜３６（ｃ）参照）、複数の光学素子を組合わせてマンギンミラーとして用いてもよい（図３６（ｄ）〜３６（ｆ）参照）。
【０１３６】
また、第１〜第７の実施形態において、入出力ポート数は少なくとも２０であるが、各実施形態における条件を満たせば、例えば３０、４０、５０以上設けることも可能である。
【符号の説明】
【０１３７】
１００、１０００、１００１、１００’  波長選択スイッチ
１０１、１０１’  入出力ユニット
１０１ａ〜１０１ｅ、１０１ａ’〜１０１ｅ’  入出力ポート
１０２、１０２’  マイクロレンズアレイ
１０３、１０３  第１の集光レンズ
１０４、１０４’  第２の集光レンズ
１０５、１０５’  分散部
１０６、１０６’  偏向部
１０６ａ〜１０６ｅ、１０６ａ’〜１０６ｅ’  偏向素子
１０７０  第１の凹面ミラー
１０８０、１０８２  第２の凹面ミラー
１０９０  偏向プリズム
１１０１  マンギンミラー
１１０１ｒ  反射面
１１０１ｔ  透過面
ＣＦ  サジタルコマフレア
ＰＣＰ  一次集光点
【図１】
2013152414.tif 000015
【図２】
2013152414.tif 000016
【図３】
2013152414.tif 000017
【図４】
2013152414.tif 000018
【図５】
2013152414.tif 000019
【図６】
2013152414.tif 000020
【図７】
2013152414.tif 000021
【図８】
2013152414.tif 000022
【図９】
2013152414.tif 000023
【図１０】
2013152414.tif 000024
【図１１】
2013152414.tif 000025
【図１２】
2013152414.tif 000026
【図１３】
2013152414.tif 000027
【図１４】
2013152414.tif 000028
【図１５】
2013152414.tif 000029
【図１６】
2013152414.tif 000030
【図１７】
2013152414.tif 000031
【図１８】
2013152414.tif 000032
【図１９】
2013152414.tif 000033
【図２０】
2013152414.tif 000034
【図２１】
2013152414.tif 000035
【図２２】
2013152414.tif 000036
【図２３】
2013152414.tif 000037
【図２４】
2013152414.tif 000038
【図２５】
2013152414.tif 000039
【図２６】
2013152414.tif 000040
【図２７】
2013152414.tif 000041
【図２８】
2013152414.tif 000042
【図２９】
2013152414.tif 000043
【図３０】
2013152414.tif 000044
【図３１】
2013152414.tif 000045
【図３２】
2013152414.tif 000046
【図３３】
2013152414.tif 000047
【図３４】
2013152414.tif 000048
【図３５】
2013152414.tif 000049
【図３６】
2013152414.tif 000050