光开关的制作方法

光开关的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可以对WDM波长全域进行切换的多输入多输出的光开关。一个实施方式所涉及的光开关具备：将来自至少一个输入端口的光信号按各波长按各波长分波的光分波元件(3)、将来自使入射得光信号偏转的光分波元件的进行了波长分离的光信号按各波长将该前进方向向与波长分散轴方向正交的开关轴方向偏转的第一光偏转元件(5)、将来自第一光偏转元件的光信号的前进方向向开关轴方向偏转使得该光信号被上述输出端口中的至少一个输出的第二光偏转元件(8)、以及对来自第二光偏转元件的不同波长的光信号进行合波的光合波元件(10)。
【专利说明】光开关
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在波分复用光网络中使用的光开关。
【背景技术】
[0002]光通信的大容量化在发展，传输容量通过波分复用(WDM(Wavelength DivisionMultiplexing))方式增大，另一方面，在节点的路径切换功能的吞吐量的增大的需求强烈。现有的波长复用信道的路径切换的主流方法是在将传送来的对应各信道的光信号转换为电信号后，利用电开关进行波长复用信道的路径切换，但也正在导入如下系统，即运用光信号高速、频带较宽的的特征，使用光开关等保持对应各信道的光信号不变地进行分插等的ROADM(reconfigurabIe optical add/drop multiplexer:可重构光分插复用器)系统。具体地说，作为环形的光网络的网络节点配置有节点装置，该节点装置进行对应各信道的光信号的分插并且无需分下(drop)的就使光信号保持不变地通过。维持对应各信道的光信号的状态进行分插等的节点装置具有小型、功耗低的优点。作为这些ROADM系统的将来的展开所需的设备，需要波长选择开关(Wavelength selective switch:WSS)模块。
[0003]特别是，作为使多个ROADM系统相互连接的光开关，对多输入、多输出的WSS的要求正在变高。这与称为Q)C(Colorless (波长无关)、Directionless (方向无关)、Contentionless (无波长冲突))的ROADM结构对应，其在新一代网络中的应用受到期待。对于这样的要求，已知具有MEMS (Mechanical-Electo Machine System(机械机电系统))的MXN的波长选择开关(例如,参照专利文献I)。另外,具有LCOS (Liquid Crystal onSilicon:硅基液晶)的波长选择开关能够可挠性地重新配置波长栅格，可以提高波长利用效率。
[0004]图18为专利文献I中公开的波长选择开关的概要。在图18中，从输入光纤101入射的光信号在由凸透镜103转换为平行光，由衍射光栅104进行了波长分波之后，由凸透镜105聚光于MEMS镜阵列106a。该光信号利用MEMS镜阵列106a按各波长进行反射，通过凸透镜401由全反射镜402进行反射。被反射的光信号再次通过凸透镜401入射至MEMS镜阵列106b,转换光路,通过凸透镜105、衍射光栅104、凸透镜103向输出光纤102输出。图19图示了开关轴方向的光线。图19的结构为，MEMS镜阵列106a以及106b与全反射镜402之间是在衍射光栅104的波长分散轴方向以及与波长分散轴方向垂直的开关轴方向都为相同的4f系统(f是凸透镜401的焦距)的结构。设为4f系统的理由是:为了在反射镜402上，波长分散轴方向、开关轴方向都将光束腰的位置设定在MEMS镜阵列106a、106b的两方作为平行光束。在这样的光学系统中，由于无论怎样倾斜2个镜元件107a以及b的角度，也必然返回镜元件107，所以无法进行开关。为了解决该问题，在专利文献I公开的波长选择开关中，如图20所示，需要将反射镜402设为复杂、生产性差的火焰形状1200。另外，如图21所示，也可以考虑将反射镜402设为曲面形状来实现开关的方法，但是，这种方式会牺牲采用上述4f系统的优点(在MEMS镜阵列106a以及106b上形成光束腰的点)。
[0005]如图18、图19以及图20所示的波长选择开关的结构具有如下优点:[0006](I)能够以在MEMS镜阵列106a以及b上形成光束腰的位置的方式设定构成要素，能够提高反射效率；
[0007](2)能够将MEMS镜阵列106a以及b配置在相同的面内。
[0008]图22同样是表示专利文献I公开的波长选择开关的概要结构图。在图22中，来自输入光纤101的光信号经由按各个输入端口设置的球透镜601与柱面透镜602，向MEMS镜阵列106a入射。利用MEMS镜阵列106a进行了光路转换的光信号与参照图18进行的说明相同，通过凸透镜603由全反射镜604反射。由全反射镜604反射的光信号再次经由凸透镜603、MEMS镜阵列106b、柱面透镜602、球透镜601，与输出光纤102耦合。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1:(日本)专利第4493538号公报(图4-1、4_2、6_1)

【发明内容】

[0012]发明要解决的课题
[0013]然而，专利文献I记载的MXN波长选择开关存在以下问题。
[0014](I)在图18的光学系统中，在反射镜402中，由于波长轴方向(x方向)的像因短波长波导致反转，因此，不会使垂直于反射镜入射的波长以外的波长成分透过。
[0015](2)在图19光学系统中，由于以与开关轴方向(y方向)不同角度入射衍射光栅104，因此，作用成衍射光栅的光栅深度在端口间不同。因此，由于来自各端口的光信号具有不同的色散特性，因此，会影响通带的恶化。
[0016](3)在图20的光学系统中，需要使用制造困难的复杂形状的镜，可能会影响设备的制造性或增加成本。
[0017](4)在图22所示的光学系统中，由于全部的输入光信号以相同的角度向衍射光栅103入射，因此，在图19的光学系统中的上述问题(2)被克服。然而，在为了得到足够的波长分辨率，而不得不将柱面透镜602的焦距设地较长的情况下，需要将由球透镜601确定的球透镜出射之后的光束径wl设地足够大。在光束径wl不够大的情况下，由于开关轴方向的光束扩大，导致在在MEMS镜上的开关轴方向上相邻的镜也会入射光信号，产生端口间串扰(Crosstalk)的性能恶化这样的问题。
[0018]以下举出数值例。假定在利特罗配置中使用通常能够获得的940L / mm的衍射光栅，对波长栅格为50GHz间隔的光信号进行开关。
[0019]为了得到足够的通带，如图23所示，对于MEMS镜阵列106中的一个MEMS镜107的波长方向(X方向)的宽度wMWL，优选在该MEMS镜上的光信号的光束径w2(光束的直径)优选设为wMWL的十分之一以下。例如，假定MEMS镜的宽度wMWL为200 μ m时，光信号的光束径w2为20 μ m左右即可。
[0020]另外，由于200 μ m的镜宽度wMWL正好对应于50GHz的波长范围，因此，考虑到衍射光栅103的角度分散，柱面透镜602的焦距f大约需要设为400mm。因此，在w2 = 20 μ m的情况下，当由球透镜601形成的高斯光束半径为巨大的wl = 9.5mm。
[0021]在开关轴方向，该光束径保持原样地传输，并且，用于充分接受半径为wl = 9.5mm的高斯光束的MEMS镜的尺寸需要是其3倍左右，因此，需要200 μ mX 28mm的纵横比非常大的MEMS镜。并且，需要在28mm的方向上使镜转动。显然这样巨大的镜是不现实的。
[0022]此外，存在将球透镜601单独安装在纤维前端会使安装难度极度提高的问题。
[0023]用于解决课题的方案
[0024]本发明为了达到这样的目的，本发明的第一侧面是一种具备至少一个输入端口以及至少一个输出端口的光开关，其特征在于，具备:光分波元件，其对来自上述至少一个输入端口的光信号按各波长进行分波；至少一个第一光偏转元件，其将来自上述光分波元件的进行了波长分离的光信号按各波长对其行进方向进行偏转；第二光偏转元件，其将来自上述第一光偏转元件的光信号进行偏转使得将该光信号输出到上述输出端口中的至少一个；以及光合波元件，其对来自上述第二光偏转元件的不同波长的光信号进行合波，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件使入射的光信号向与上述光分波元件以及上述光合波元件的波长分散轴方向正交的开关轴方向偏转。
[0025]本发明的第二侧面的特征在于，在第一侧面的光开关中，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件中至少一方是具有多个微小的相位调制元件的空间相位调制元件。
[0026]本发明的第三侧面的特征在于，在第一或第二侧面的光开关中，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是液晶元件，在上述开关轴方向具有呈曲面的相位分布，在上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件的中间存在光信号的光束腰。
[0027]本发明的第四侧面的特征在于，在第一或第二侧面的光开关中，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是反射输入光的液晶元件，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件的反射面在上述开关轴方向具有呈曲面的相位分布，在上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转兀件的中间存在光信号的光束腰。
[0028]本发明的第五侧面的特征在于，在第一或第二侧面的光开关中，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是使各个镜在开关轴方向具有曲率的MEMS镜阵列，在上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件的中间存在光信号的光束腰。
[0029]本发明的第六侧面的特征在于，在第一至第四的任一个侧面的光开关中，具备:至少一个第一光学元件，其将来自上述至少一个输入端口的全部光信号在上述波长分散轴方向转换为平行光；至少一个第二光学元件，其对来自上述至少一个输入端口的全部光信号转换光束形状使得该全部光信号在上述开关轴方向为平行光；至少一个第三光学元件，其将来自上述光分波元件的光信号在上述波长分散轴方向成为会聚光，在上述第一光偏转元件上形成上述波长分散轴方向的光束腰；至少一个第四光学元件，其使来自上述第一光偏转元件的光信号在上述波长分散轴方向成为平行光；至少一个第五光学元件，其使来自上述第四光学元件的光信号在上述波长分散轴方向成为会聚光，在上述第二光偏转元件上形成上述波长分散轴方向的光束腰；至少一个第六光学元件，其使来自上述第二光偏转元件的光信号在上述波长分散轴方向成为平行光；至少一个第七光学元件，其将来自上述光合波元件的全部光信号在上述波长分散轴方向转换为会聚光，转换光束形状使得与上述输出端口的至少一个耦合；以及至少一个第八光学元件，其将来自上述光合波元件的全部光信号转换为其主光线会聚在上述开关轴方向，进行光路转换使得与上述输出端口的至少一个耦合。
[0030]本发明的第七侧面的特征在于，在第六侧面的光开关中，上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是反射输入光的光偏转元件，上述第三光学元件与上述第四光学元件共用，上述第五光学元件与上述第六光学元件共用。
[0031]本发明的第八侧面的特征在于，在第七侧面的光开关中，在与上述第四光学元件共用的上述第三光学元件和与上述第六光学元件共用的上述第五光学元件之间具有使光信号的像向上述波长轴方向反转并反射的第九光学元件，与上述第四光学元件共用的上述第三光学元件也与上述第五光学元件以及上述第六光学元件共用。
[0032]本发明的第九侧面的特征在于，在第八侧面的光开关中，上述第三光学元件、上述第四光学元件、上述第五光学元件以及上述第六光学元件是对输入光信号进行反射的相同的光学兀件。
[0033]本发明的第十侧面的特征在于，在第六至九的任一个侧面的光开关中，上述第一光学元件以及上述第二光学元件使从上述至少一个输入端口入射的光信号分别以相同的角度入射到上述光分波元件。
[0034]本发明的第十一侧面的特征在于，在第六至十的任一个侧面的光开关中，上述第一光学元件、上述第二光学元件、第三光学元件、第四光学元件、第五光学元件以及第六光学兀件将向上述至少一个输出端口出射的光信号，针对其各自为相同的波长，以相同的角度入射到上述光合波 元件。
[0035]本发明的第十二侧面的特征在于，在第一至十一的任一个侧面的光开关中，上述至少一个输入端口以及上述至少一个输出端口分别与由形成于基板上的光波导构成的光束成形器连接，上述光束成形器具备:连接波导，其数量为上述输入端口的数量或者上述输出端口的数量；第一平板波导，其与上述连接波导连接；阵列波导，其与具有信号波长频带中的干扰特性小到能忽略的程度的光程差的上述第一平板波导连接；以及第二平板波导，其与上述阵列波导连接，其中，上述基板的表面设置为与上述开关轴平行的朝向，上述第二平板波导的光轴方向的长度设定为从上述光波导的输出端起至一定位置。
[0036]本发明的第十三侧面的特征在于，在第一至十一的任一个侧面的光开关中，上述至少一个输入端口以及上述至少一个输出端口分别与由形成于基板上的光波导构成的光束成形器连接，上述光束成形器具备:连接波导，其数量为上述输入端口的数量或者上述输出端口的数量；第一平板波导，与上述连接波导连接；阵列波导，与具有信号波长频带中的干扰特性小到能忽略的程度的光程差的上述第一平板波导连接；以及第二平板波导，与上述阵列波导连接，其中，上述基板的表面设置为与上述开关轴平行的朝向，上述阵列波导与上述第二平板波导的边界为曲面。
[0037]本发明的第十四侧面的特征在于，在第十二或第十三侧面的光开关中，上述连接波导与上述第一平板波导的连接点列在输入光束成形器与输出光束成形器之间不同，该输入光束成形器为连接有上述输入端口的上述光束成形器，该输出光束成形器为连接有上述输出端口的上述光束成形器，在构成上述输入光束成形器中的连接点列的点与点的中间位置配置有构成上述输出光束成形器中的连接点列的点。
[0038]发明效果
[0039]如以上说明那样，通过本发明，实现了多输入多输出的波长选择光开关，有助于新一代网络的实现。在至今为止公开的波长选择开关中，如“发明要解决的课题”的(I)所示，仅能够对特定的波长(中心波长)进行开关，而利用本发明的结构的波长选择开关能够对WDM波长全域进行开关。[0040]另外，如“发明要解决的课题”的(2)所示，利用本发明的结构的波长选择开关能够将衍射光栅的输入角设为与全部来自输入端口的光信号相等，因此，对于全部输入光信号，能够得到完全等效的分光特性。
[0041]此外，如“发明要解决的课题”的(3)所示，利用本发明的结构的波长选择开关无需使用不可能实现大小的光偏转元件(MEMS镜阵列)。
[0042]另外，利用本发明的结构的波长选择开关在实现当使用LCOS时不可或缺的偏平光束时，通过应用波导型的前端光学系统，光学系统的设计自由度增加，另外还能够避免由LCOS的零次光引起的串扰的恶化。
【专利附图】

【附图说明】
[0043]图1是表示本发明所涉及的一实施方式的光开关的波长轴方向的光学系统的概要的图。
[0044]图2是表不本发明所涉及的一实施方式的光开关的开关轴方向的光学系统的概要的图。
[0045]图3是用于说明在使用LCOS作为光偏转元件的情况下的LCOS上的光束的配置的图。
[0046]图4是表示利用一实施方式的光开关实现的各信道的透射谱特性的图。
[0047]图5是用于说明在使用LCOS作为光偏转兀件的情况下设定于LCOS的相位分布的图。
[0048]图6是用于说明光束腰的设定位置的图。
[0049]图7是用于说明在使用LCOS作为光偏转元件的情况下设定于LCOS的相位分布的图。
[0050]图8是用于说明一实施方式的光开关的结构的图。
[0051]图9A是用于说明一实施方式的光开关的结构的图。
[0052]图9B是用于说明在图9A的光开关中的开关轴的图。
[0053]图1OA是用于说明使用全反射镜构成的现有的波长选择开关的光学系统的图。
[0054]图1OB是用于说明在图1OA的波长选择开关中的开关轴的图。
[0055]图1lA是用于说明一实施方式的光开关的结构的图。
[0056]图1lB是用于说明一实施方式的光开关中的开关轴的图。
[0057]图12是用于说明使用了石英光波导的前端光学系统的图。
[0058]图13是表示在一实施方式的光开关中的开关轴方向的光束腰的位置关系的图。
[0059]图14是表示从前端光学元件到光束腰的距离s与从衍射光学元件到光束腰之间的距离的关系的图。
[0060]图15是用于说明在一实施方式的光开关中的前端光学元件的图。
[0061]图16是用于说明在一实施方式的光开关中的前端光学元件的图。
[0062]图17是用于说明输入侧的前端光学元件与输出侧前端光学元件的关系的图。
[0063]图18是表示专利文献I所公开的波长选择开关的结构的概要的图。
[0064]图19是图示出专利文献I所公开的波长选择开关中的光线的图(Y轴方向=开关轴方向)。[0065]图20是用于对专利文献I所公开的波长选择开关的反射镜的结构与光学系统进行说明的图。
[0066]图21是用于对专利文献I所公开的波长选择开关的反射镜的结构与光学系统进行说明的图。
[0067]图22是表示专利文献I所公开的波长选择开关的结构的概要的图。
[0068]图23是例示了专利文献I所公开的波长选择开关的结构中的MEMS镜107与光信号的光束径《2的关系的图。
【具体实施方式】
[0069]根据本发明，提供一种能够对WDM波长全域进行开关的多输入多输出的光开关。下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。对相同的组件以相同的附图标记记述。
[0070](实施方式I)
[0071]参照图1以及2，说明本发明所涉及的光开关的一实施方式。图1以及2是表示本实施方式的光开关的光学系统的概要的图。
[0072]图1表示本实施方式的光开关的波长轴方向的概要的图。在图1中，将波长不同3个的光信号以3种线(粗实线、虚线、点划线)表示。在以下的说明中，仅着重说明粗实线。
[0073]从前端光学元件I输出的光信号通过准直透镜2转换为平行光，向衍射光学元件3入射，进行波长分离。在衍射光学元件3中，被衍射的输入光信号按各波长向不同方向衍射(分波成粗实线、虚线、点划线3种)。衍射的光信号通过聚光透镜4成为会聚光，向光偏转元件5入射(按各光信号向不同的位置入射)。如后述那样，光偏转元件5能够使输入光向与波长分散轴方向(也简称为波长轴。)垂直的方向偏转。此外，与波长轴垂直的方向在光偏转兀件5中称为X方向。光偏转兀件5能够设为在反射中偏转输入光的反射型或在透射中偏转输入光的透射型，但是，在此，光偏转元件5采用偏转为透射光的透射型来说明本实施方式。显然，即使使用反射型的光偏转元件5也能够发挥相同的功能。
[0074]通过了光偏转元件5的光信号通过准直透镜6被转换为平行光，再次通过聚光透镜7转换为会聚光。优选在准直透镜6与聚光透镜7之间,光信号被转换为对于在两者间传输足够粗的平行光。通过聚光透镜7成为会聚光的光信号按各波长聚光于光偏转兀件8上(粗实线、虚线、点划线)。聚光于光偏转兀件8上的光信号按各波长向与波长轴方向(y方向)垂直的方向(X方向)偏转。在此，与光偏转兀件5的情况相同，设为透射兀件进行说明但不失一般性。透射过光偏转元件8的光信号作为发散光传输，再次由准直透镜9转换为平行光。转换为平行光的光信号按各波长以不同的角度向衍射光学元件10入射，其结果为进行合并波长，并向相同方向输出。
[0075]在此，如图1所示，衍射光学元件3以及10设置为:与它们的光栅方向有关的旋转方向为对由衍射光学元件3进行了波长分波的光信号利用衍射光学元件10进行波长合波的方向。
[0076]从衍射光学元件10出射的光信号通过聚光透镜11成为会聚光，最终入射到前端光学元件2。表示上述光信号的波长方向的流向的图中的粗线的光路表示作为从前端光学系统I输出的高斯光束的发散、会聚或平行光的传输。另外，准直透镜2、6、9以及聚光透镜
4、7、11是仅在波长轴方向具有折射力(对波长轴方向的成分进行聚光，对开关轴方向的成分没有影响，具有折射力)的柱面透镜。
[0077]图2是本实施方式的光开关的开关轴方向的光学系统的概要。此外，开关轴方向在光偏转元件5中称为X方向。请注意:在图1中示意性地示出了柱面透镜2、4、6、7、9、11、以及衍射光学元件3、10、光偏转元件5、8，但是，为了仅简洁地说明与开关轴有关的动作，衍射光学元件3、10的设置方向与图1的状态不同。
[0078]图2所不的光线在本开关轴方向，表不与各输入输出端口相关的光线的主光线，在此，示出了 5个输入、5个输出的情况。特别是，图2中的粗线是从输入端口 I入射的光信号，表不向输出端口 2 f禹合的情况。
[0079]从前端光学兀件I输出的光信号依赖于其入射端口，从前端光学兀件I向不同的方向输出。从前端光学系统I输出的光信号利用设置在衍射光学元件3的前段的准直透镜13光路转换为对应于各入射端口的光线平行。因此，全部的光线以相同的角度向衍射光学元件3入射。在衍射光学元件3中按各波长进行了光路转换的各光线经由聚光透镜4，向光偏转兀件5入射。在光偏转兀件5中,将输入光线按各波长向不同的方向偏转(X方向)。被光偏转元件5偏转了的光波，例如，如粗线所示，向任意方向传输，通过准直透镜6以及聚光透镜7，向光偏转元件8入射。入射到光偏转元件8的信号向与所希望的输出端口对应的方向(例如，粗线的方向)偏转，通过准直透镜9，向衍射光学元件10入射。至衍射光学元件10的光线不依据输入输出端口地全部以相同的角度入射，这与衍射光学元件5的情况相同。经由衍射光学元件10的光波通过聚光透镜14变换角度，通过聚光透镜11，向前端光学元件12入射。
[0080]可知若在上述内容中将粗线从前端光学元件I向12进行追踪，则会从输入I切换到输出2。
[0081]在此，准直透镜13以及聚光透镜14是仅对开关轴方向(X方向)具有光学能力(折射力)的柱面透镜。示出了在准直透镜2的后段配置准直透镜13的例，但是，也可以在准直透镜13的后段配置准直透镜2。同样，也可以在聚光透镜11的后段配置聚光透镜14来代替在聚光透镜14的后段配置聚光透镜11。
[0082]上述的光学系统在近轴上满足以下3个限制条件。即，
[0083](I)光信号呈平行光向衍射光学元件3以及10入射。
[0084](2)全部与输入输出端口对应的光信号以相同的角度向衍射光学元件3以及10入射。
[0085](3)衍射光学元件3以及10的设置方向为在前者进行波长分波而得的光信号在后者进行波长合波的方向。
[0086]上述I是利用衍射光学元件对波长进行合分波时的条件。当会聚光或扩散光向衍射光栅入射时，从构成该光束的光线角度考虑时，入射到衍射光学兀件的入射角按各光线而不同。因此，由于衍射方向按各光线而发生变化，在光偏转元件5、8上的波长选择性，即通带宽度以及损失恶化。
[0087]另外，上述限制条件2也关系到光开关的波长选择性。例如，在来自不同输入端口的光信号以不同角度向开关轴方向入射的情况下，衍射光栅的光栅深度不同。因此，通过按各输入端口设置波长分散性不同的衍射光栅，在衍射光学元件上进行波长分波时，分波而得的光信号分别聚光于不同的位置。其结果是，在光偏转元件5中将输入光向开关轴方向偏转的情况下，当被偏转的光再次聚光于光偏转兀件8上时,聚光于与光偏转兀件5上聚光的位置相对不同的位置。即，由于这种情形直接关系到光对衍射光学元件10的光的入射角度不同，因此，在衍射光学元件10的波长合成没有恰当地发挥功能。
[0088]第三限制条件是实现将进行了波分复用的输入信号选择波长地进行开关的基本功能所必须的。在专利文献I的图4-1、图6-1所示的结构(本申请的图18、20)中，不满足该要件。
[0089]可以使用根据LCOS的光偏转元件，根据MEMS的光偏转元件等作为光偏转元件5、
8。另外，可以使用透射式或反射型的刻线式衍射光栅或体全息衍射光栅等作为衍射光栅。
[0090]另外，在本实施方式中，示出了在柱面透镜2与衍射光学元件3之间设置有柱面透镜13的例，但是，柱面透镜13只要比衍射光学元件3更靠近输入侧即可，也可以设置在前端光学元件I与柱面透镜2之间。
[0091]同样，如果柱面透镜14设置在衍射光学元件10与柱面透镜11之间，但是，柱面透镜14只要比衍射光学元件10更靠近输出侧即可，也可以设置在柱面透镜11与前端光学元件12之间。
[0092]下面，示出本实施方式的光开关的数值例。在本实施方式中，示出了如下例:使用透射式的刻线衍射光栅作为衍射光学元件，使用根据LCOS(Liquid Crystal on Silicon)衍射光学元件作为光偏转元件。另外，信号光的波长是从1530nm至1565nm的C带。在本数值例中，示出了 5个输入、5个输出的例。
[0093]作为上述光学部件，采用:
[0094].柱面透镜2、11的焦距:34mm
[0095].柱面透镜4、6、7、8的焦距:143mm`[0096].柱面透镜13、14的焦距:50mm
[0097]?衍射光学兀件3、10的光栅常量:940Lines / mm。
[0098]另外，LCOS适用像素间距为11 μ m的宽度WX高度H=1024X 768像素。
[0099]图3是表示在LCOS上的光束的配置的图。在此，LCOS的短边设置在相当于波长轴(X轴)的方向。在上述设定中，光频率的IOOGHz大约相当于16像素。
[0100]图4是利用本参数实现的重复书写各信道的透射频谱特性。通过使用LCOS元件，能够设定任意的波长间隔，在此，假定88ch的50GHz间隔的WDM光信号。在专利文献I所示的例中仅能够透射特定的波长，而在本实施方式的光开关中可知，对于88ch全部的信号，能够在0.5dB频带得到20GHz以上的频带。
[0101](实施方式2)
[0102]在本实施方式2中，关于实施方式I所示的光开关，对开关轴方向的设定列举数值例进行说明。光学系统的结构与实施方式I相同，在本实施方式中仅说明特征的部分。
[0103]如图3所不，对于开关轴方向，设为LCOS的长边的朝向。这时，需要在输入侧LCOS (光偏转兀件5)上均等地分配5个输入的光信号的各个,在输出侧LCOS (光偏转兀件8)上均等地分配5个输出的光信号的各个。当在5个输入输出光束中将1024像素均等地分割时，每一个输入输出光束占205像素(宽度为wch = 205X 11 μΜ = 2253 μΜ)。此外，各个像素为微小的相调制元件，由多个像素组合构成空间相位调制元件。
[0104]使用LCOS的光信号的偏转以图5所示的方式进行。即，使用LCOS上的各像素，设置具有锯齿波(serrodyne wave)状的相位分布的空间波形，由此,能够使输入光的波面倾斜。锯齿波波形是将相位将从O到2 的锯波(sawtooth wave)以阶梯状的波形等效实现的，能够根据该锯齿波的斜率，改变入射的光信号反射的朝向。在图3中图示的、在与各个输入输出端口对应的LCOS上的区域中，在开关轴方向设定图5的相位分布。在光偏转元件5中的锯齿波波形的斜率只要设定为入射的光信号朝向与所希望的输出对应的光偏转元件8上的位置前进即可，光偏转元件8上的锯齿波波形的斜率只要设定为向其入射的光信号向朝向所希望的输出端口的方向变更即可。
[0105]例如，在上述数值例中，在从输入端口 I向输出端口 3输出的情况下，开关轴方向的光束的主光线的位置偏移为2253 X (3-1) = 4506 μ m。由于光偏转元件5与8间的距离为143_X4 = 572_，所以开关必要的偏转角为atan(4.506 / 572) = 0.45度。由此，例如，为了开闭1.55 μ m的光信号，只要将锯齿波波形的周期period设定为:
[0106]0.45° = atan(1.55 / period)
[0107]period = 197 μ m
[0108]即可。S卩，由于像素尺寸为11 μ m，因此，只要设置以每197 / 11 = 17.9像素为周期的锯齿波波形即可。
[0109]然而，在与图3所示在各个输入输出对应的LCOS上的区域中，需要内含足够的与来自各输入输出的光信号对应的高斯光束。在内含不足够的情况下，光会漏入相邻的端口，关系到相邻串扰的恶化。在此，高斯光束的末端为充分小的宽度，将高斯光束宽度wSW设定为wSW = wch / α = wch / 3.5 = 644 μ m。在此系数α ( = 3.5)由所要求的端口间串扰的值决定。
[0110]然而，在光偏转元件5以及8之间，没有设置在开关轴方向(X方向)具有光学能力的光元件。由此，例如，当在光偏转元件5上保持原样传输具有光束腰的光信号时，通过光偏转元件5的光信号将其直径扩大并进行传输。例如，如上述那样，在光偏转元件5上，在wSW = 644 μ m的光束具有束腰的情况下，由于该光束扩大，在光偏转元件8上扩大为774 μ m。这是由于在光偏转元件8上产生端口间串扰，因此并不优选。
[0111]在本发明中，通过在图6所示的BW的位置设定光束腰，来克服上述问题。图6是摘录光偏转兀件5与8之间的光学系统而得的图。虚线表不从输入3向输出3传输的光束的形状。如图6所示，光偏转元件5以及8之间的距离设定为柱面透镜4、6、7、9的焦距的4倍。这是根据波长轴的条件唯一地确定的。因此，在本数值例中，BW与光偏转元件5、8之间的距离为143X2 = 286mm。在这种情况下，将光束腰的位置设定在BW，将其尺寸设为wBW=598 μ m，由此，光能够在偏转元件5、8上得到wSW = 644 μ m的光束。
[0112]特别是，在使用LCOS作为光偏转元件的情况下，关于开关轴方向只要将wch中包含的像素的相位设为如图7所示的曲面即可。在图7中，横轴表示在LCOS上的开关轴方向的位置，纵轴表示对各像素设定的相位。在光偏转元件5结合光束腰的光信号入射了的情况下，只要在LCOS设定与曲率半径143_的凹面相当的相位分布，就能够在光偏转元件5与8的中心BW的位置连结新的光束腰。在图7中所示的曲面的相位分布只要设定与图5所示与锯齿波波形重叠地设定，就能够保持开关功能并且将光束腰设定在BW的位置。该重叠只要在将图5所示的锯齿波波形的斜率设为β，将图7所示的曲面近似二维曲线近似，并将其二维系数设为α时，为[0113]φ = a X2+ β X
[0114]即可。X是LCOS上的开关轴方向的位置。
[0115]在本实施方式中，示出了设定光偏转元件5与8的正好中点BW光束腰的位置的例，但是，很明显，只要是能够将光偏转元件5、8上的开关轴方向的光束径设定得小到能够足以降低端口间串扰即可，而不限于该位置。
[0116]另外，显然，即使在使用MEMS镜阵列等光偏转元件的情况下，只要以在光偏转元件5与8之间设定光束腰的位置的方式，使在各个镜中在开关轴方向具有曲率即可。
[0117]另外，在本实施方式中，假定在光偏转元件5与8上也存在光束，但是，只要wSW是满足要求的端口间串扰的宽度，则在光偏转元件5以及8上也可以没有光束腰。
[0118]另外，存在如下情况:在具有许多个的输入端口或者输出端口的光开关中，根据光偏转元件的偏转量增大，难以将具有开关所需的像素数的LCOS形成在一个基板上。在这样的情况下，能够利用并列配置的多个LCOS实现光偏转元件。同样，透镜1、4、6、7、9、11、13、14也还能够并列多个同种透镜来实现一个光学元件。
[0119](实施方式3)
[0120]在本实施方式3中，使用图8说明将在实施方式I以及2所示的光学系统的实际结构。在图8中，从前端光学元件I入射的光信号通过在波长轴方向(z方向)具有光学能力(折射力)的准直透镜2，在开关轴方向(X方向)具有光学能力(折射力)的准直透镜13，向透射式的衍射光学元件3入射。由衍射光学元件3按各波长不同方向输出的光信号通过在波长轴方向(y方向)具有光学能力的聚光透镜4，向光偏转元件5入射。入射到光偏转元件5的光信号基于实施方式2说明的原理而偏转，朝向与所希望的输出对应的光偏转元件8上的区域传输。由光偏转元件5反射的光信号通过在波长轴方向(y方向)具有光学能力的准直透镜6，在波长轴方向(y方向)转换为平行光，但是，能够通过透射上述聚光透镜4的其它部分来共享两者，能够实现减少构件数量。另外，聚光、准直透镜4、6设置在到衍射光学元件3、光偏转元件5的距离与其焦距相等的位置。通过这样配置，能够在波长轴方向(y方向)在光偏转元件5上设定光束腰的位置，并且保持远心(telecentric)条件。由于在光偏转元件5上设定光束腰的位置，能够实现具有高的波长选择性的开关是。
[0121]接下来，透射过准直透镜6的光信号被全反射镜31反射，通过在波长轴方向(y方向)具有光学能力的聚光透镜7向光偏转兀件8传输。在光偏转兀件8中,基于实施方式2所示的原理偏转，向所希望的输出端口的方向反射光信号。由光偏转元件8反射的光信号通过在波长轴方向(y方向)具有光学能力的准直透镜9转换为平行光，与聚光、准直透镜4、6的情况相同，能够通过透射聚光透镜7的一部分来实现两者的共享。另外，聚光、准直透镜7、9设置在到光偏转元件8、后述的衍射光学元件10的距离与其焦距相等的位置。
[0122]此外，全反射镜31也配置在到聚光准直透镜4、6以及7、9的距离与其焦距相等的位置。
[0123]最后，光信号通过衍射光学元件10进行波长合波，通过在开关轴方向(X方向)具有光学能力的聚光透镜、在波长轴方向具有光学能力的聚光透镜，与前端光学系统12耦
八
口 ο
[0124]通过如本实施例那样使用全反射镜31，能够将光学系统整体折回配置，能够实现装置的小型化。[0125](实施方式4)
[0126]在本实施方式4中，示出了将实施方式3所示的光学系统进一步小型化的结构。图9A以及9B是说明本实施方式4的图。
[0127]在图9A中，从前端光学兀件I输出的光信号通过在波长轴方向(z方向)具有光学能力的准直透镜2、在开关轴方向(X方向)具有光学能力的准直透镜13转换为平行光，通过衍射光学元件3进行波长分波(y方向)。与在实施方式3中进行的说明相同，进行了波长分波的信号在光偏转元件5上聚光、偏转，但是，与向光偏转元件5的输入输出有关的聚光准直透镜4共用一个透镜。
[0128]透射过聚光准直透镜4的光信号通过回复反射器41反射。回复反射器41将入射光向与入射角度完全相同的方向反转像并反射。通过回复反射器41反射的光信号再次通过聚光准直透镜4向光偏转兀件8入射。
[0129]在此，如关于图9B的开关轴的说明图所示，优选光偏转元件5向开关轴方向(X方向)倾斜设置。对于光偏转元件8也相同。通过这样设置，能够将聚光准直透镜4共用于与光偏转元件5以及8有关的输入输出，能够实现减少构件数量、装置的小型化。
[0130]与图9B开关轴有关的说明图仅示出了从衍射光学元件3至回复反射器41的光学系统。
[0131]在现有技术所示的专利文献I中示出了类似的结构，但是，接下来的两点明确显示了本质上的不同。
[0132]第一，在专利文献I记载的光学系统(例如专利文献I的图4-1)中，如图1OA以及B所示，公开了设置全反射镜42 (在专利文献I的图4-1中为402)来代替回复反射器41的方法。在该光学系统中，中心波长(以虚线图示)以外的光信号在返回输出侧的前端光学系统时，例如向光路43传输。在此,中心波长指与全反射镜42垂直地入射的波长的光信号。因此，中心波长的光信号与输出耦合，但是其以外的波长的光信号作为损失而出现。
[0133]第二，在专利文献I所示的光学系统中，如专利文献I的图4-2所示，公开了在开关轴方向也通过具有光学能力的透镜401而输入到全反射镜402。然而，在该光学系统中如以下说明那样，妨碍开关动作。通过MEMS镜偏转的光信号与偏转的角度对应地通过透镜401在全反射镜402上转换为位置，向全反射镜的入射角根据MEMS镜107的位置唯一地确定。在全反射镜402的反射角根据向镜的入射角确定，但是，这也根据输入侧的MEMS镜107的位置唯一地确定。通过全反射镜402反射的光信号通过透镜401入射至输出侧的MEMS镜106B，但是，在该入射位置根据在全反射镜402的反射角确定。由于如上述那样来自全反射镜402的反射角根据入射侧的MEMS镜107的位置唯一地确定，因此，入射侧的镜107的位置与输出侧的镜位置常常呈一一对应的关系。
[0134]因此，不论MEMS镜的角度，输入输出端口的关系常常为一一对应的，不能实现开关动作。
[0135]另一方面，在本实施方式4的光开关中的光学系统使用回复反射器41作为反射光学元件，另外，由于使用仅在波长轴方向具有光学能力的柱面透镜，因此，能够解决在专利文献I公开的方法中产生的上述第一问题。
[0136]另外，在本实施方式4的光开关中的光学系统中，将2个光偏转元件间的光学系统，对于光束整形利用LCOS的相位调制效应形成凹面镜在开关轴方向作为2f系统，对于光束偏转作为仅有光偏转元件的偏转功能的光学系统，因此，能够解决专利文献I公开的方法所产生的上述第二问题。
[0137](实施方式5)
[0138]在本实施方式5中，示出了将实施方式4所示的光学系统进一步小型化的结构。图1lA以及IlB是说明本实施方式5的图。
[0139]图1lA以及IlB所示的光开关与图9A以及9B的光开关比较，在如下点不同:聚光准直透镜4被置换为仅在波长轴方向(y方向)具有光学能力的凹面镜51。在图9A以及9B光学系统中，由于在聚光准直透镜4的两侧在距离其焦距f的位置配置衍射光栅3与光偏转元件5、8，因此，需要2f的宽度，但是，在图1lA以及IlB的结构中只要有f的宽度就足够了，有助于装置的小型化。
[0140](实施方式6)
[0141]在本实施方式6中，对前端光学元件进行说明。
[0142]前端光学系统I以及12能够使用石英类光波导(以下，PLC:pLanar LightwaveCircuit)实现。
[0143]如在实施方式I以及2所不,来自前端光学系统I的输出光与作为光开关的输入端口对应地以不同角度输出。在本实施方式6中，示出使用石英类平面光波电路(PLC)，实现该光学系统的方法。在本实施方式6中，使用石英类的波导对本发明的方式进行了说明，但是，显然，即使使用S1、Si0N、SiN、LiNb03、PLZT或化合物半导体等的波导也能够得到相同的效果。另外，不使用波导而利用使用了光纤阵列(fiber array)的体光学(bulk optics)能够实现相同的光学系统。
[0144]图12是使用该石英光波导实现的前端光学系统的概要。前端光学系统通过利用火焰堆积法与反应性离子蚀刻等的一般的光波导的制造方法制作，如以下进行动作。在此，作为入射侧的前端光学系统(在实施方式I中对应前端光学系统I)进行了说明，但是，如果逆转光波的行进方向，则也能够作为输出侧的前端光学系统(在实施方式I中对应前端光学系统12)进行动作。即，输入光纤组I的至少I个与输入端口或者输出端口对应。
[0145]从输入光纤组61输入的光信号通过形成在石英类光波导60的输入波导62向平板波导63入射。在平板波导63中传输的光信号通过阵列波导64向输出平板波导65入射，从石英类光波导60的端面67输出到自由空间。
[0146]在平板波导63中,在基板水平方向,光信号的光束径W根据其传输距离z,
[0147]以[式1]
【权利要求】
1.一种具备至少一个输入端口以及至少一个输出端口的光开关，其特征在于，具备: 光分波元件，其对来自上述至少一个输入端口的光信号按各波长进行分波； 至少一个第一光偏转元件，其将来自上述光分波元件的进行了波长分离的光信号按各波长对其行进方向进行偏转； 第二光偏转元件，其将来自上述第一光偏转元件的光信号进行偏转使得将该光信号输出到上述输出端口中的至少一个；以及 光合波元件，其对来自上述第二光偏转元件的不同波长的光信号进行合波， 上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件使入射的光信号向与上述光分波元件以及上述光合波元件的波长分散轴方向正交的开关轴方向偏转。
2.根据权利要求1所述的光开关，其特征在于， 上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件中至少一方是具有多个微小的相位调制元件的空间相位调制元件。
3.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于， 上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是液晶元件，在上述开关轴方向具有呈曲面的相位分布，在上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件的中间存在光信号的光束腰。
4.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于， 上述第一光偏转兀件以及上述第二光偏转兀件是反射输入光的液晶兀件， 上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件的反射面在上述开关轴方向具有呈曲面的相位分布，在上述第一光偏转元`件以及上述第二光偏转元件的中间存在光信号的光束腰。
5.根据权利要求1或2所述的光开关，其特征在于， 上述第一光偏转元件以及上述第二光偏转元件是使各个镜在开关轴方向具有曲率的MEMS镜阵列，在上述第一光偏转兀件以及上述第二光偏转兀件的中间存在光信号的光束腰。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的光开关，其特征在于，具备: 至少一个第一光学元件，其将来自上述至少一个输入端口的全部光信号在上述波长分散轴方向转换为平行光； 至少一个第二光学元件，其对来自上述至少一个输入端口的全部光信号转换光束形状使得该全部光信号在上述开关轴方向为平行光； 至少一个第三光学元件，其使来自上述光分波元件的光信号在上述波长分散轴方向成为会聚光，在上述第一光偏转兀件上形成光束腰； 至少一个第四光学元件，其使来自上述第一光偏转元件的光信号在上述波长分散轴方向成为平行光； 至少一个第五光学元件，其使来自上述第四光学元件的光信号在上述波长分散轴方向成为会聚光，在上述第二光偏转兀件上形成光束腰； 至少一个第六光学元件，其使来自上述第二光偏转元件的光信号在上述波长分散轴方向成为平行光； 至少一个第七光学元件，其将来自上述光合波元件的全部光信号在上述波长分散轴方向转换为会聚光，转换光束形状使得与上述输出端口的至少一个I禹合；以及 至少一个第八光学元件，其将来自上述光合波元件的全部光信号转换为其主光线会聚在上述开关轴方向，进行光路转换使得与上述输出端口的至少一个耦合。
7.根据权利要求6所述的光开关，其特征在于， 上述第一光偏转兀件以及上述第二光偏转兀件是反射输入光的光偏转兀件， 上述第三光学元件与上述第四光学元件共用， 上述第五光学元件与上述第六光学元件共用。
8.根据权利要求7所述的光开关，其特征在于， 在与上述第四光学元件共用的上述第三光学元件和与上述第六光学元件共用的上述第五光学元件之间，具有使光信号的像向上述波长轴方向反转并反射的第九光学元件，与上述第四光学元件共用的上述第三光学元件也与上述第五光学元件以及上述第六光学元件共用。
9.根据权利要求8所述的光开关，其特征在于， 上述第三光学元件、上述第四光学元件、上述第五光学元件以及上述第六光学元件是对输入光信号进行反射的相同的光学元件。
10.根据权利要求6至9的任一项所述的光开关，其特征在于， 上述第一光学元件以及上述第二光学元件使从上述至少一个输入端口入射的光信号分别以相同的角度入射到上述光分波元件。
11.根据权利要求6至10的任一项所述的光开关，其特征在于， 上述第一光学元件、上述第二光学元件、第三光学元件、第四光学元件、第五光学元件以及第六光学元件将向上述至少一个输出端口出射的光信号，针对其各自为相同的波长，以相同的角度入射到上述光合波元件。
12.根据权利要求1至11的任一项所述的光开关，其特征在于， 上述至少一个输入端口以及上述至少一个输出端口分别与由形成于基板上的光波导构成的光束成形器连接， 上述光束成形器具备: 连接波导，其数量为上述输入端口的数量或者上述输出端口的数量； 第一平板波导，其与上述连接波导连接； 阵列波导，其与具有信号波长频带中的干扰特性小到能忽略的程度的光程差的上述第一平板波导连接；以及 第二平板波导，其与上述阵列波导连接， 上述基板的表面设置为与上述开关轴平行的朝向， 上述第二平板波导的光轴方向的长度设定为从上述光波导的输出端起至一定位置。
13.根据权利要求1至11的任一项所述的光开关，其特征在于， 上述至少一个输入端口以及上述至少一个输出端口分别与由形成于基板上的光波导构成的光束成形器连接， 上述光束成形器具备: 连接波导，其数量为上述输入端口的数量或者上述输出端口的数量； 第一平板波导，其与上述连接波导连接；阵列波导，其与具有信号波长频带中的干扰特性小到能忽略的程度的光程差的上述第一平板波导连接；以及 第二平板波导，其与上述阵列波导连接， 上述基板的表面设置为与上述开关轴平行的朝向， 上述阵列波导与上述第二平板波导的边界为曲面。
14.根据权利要求12或13所述的光开关，其特征在于， 上述连接波导与上述第一平板波导的连接点列在输入光束成形器与输出光束成形器之间不同，该输入光束成形器为连接有上述输入端口的上述光束成形器，该输出光束成形器为连接有上述输出端口的上述光束成形器， 在构成上述输入光束成形器中的连接点列的点与点的中间位置，配置有构成上述输出光束成形器中的连接点列的点 。
【文档编号】G02B6/30GK103748511SQ201280040930
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2011年9月16日
【发明者】铃木贤哉, 妹尾和则, 大庭直树, 渡辺俊夫, 高桥哲夫 申请人:日本电信电话株式会社