特許 6031457 角度多重化光学系を用いた波長スイッチ・システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6031457

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】角度多重化光学系を用いた波長スイッチ・システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/35 20060101AFI20161114BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/35

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-558061(P2013-558061)

(86)(22)【出願日】2012年3月8日

(65)【公表番号】特表2014-518570(P2014-518570A)

(43)【公表日】2014年7月31日

(86)【国際出願番号】US2012028189

(87)【国際公開番号】WO2012125390

(87)【国際公開日】20120920

【審査請求日】2015年3月6日

(31)【優先権主張番号】13/048,773

(32)【優先日】2011年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503342328

【氏名又は名称】カペラ フォトニクス インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ヤン、ロン

(72)【発明者】

【氏名】アーリック、ジェフリー

(72)【発明者】

【氏名】マルティネリ、マッシモ

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１０６６３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２１７７３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２８４７４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／３５

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

Ｈ０４Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる波長のスペクトルチャネルを有するマルチチャネル光信号の動的スイッチング用波長スイッチ・システムであって、
前記スペクトルチャネルのうちの１つ以上を有する光信号に対する複数のコリメータ要素であって、各コリメータ要素は一度に２つ以上の対応する独立した光信号を送受信するように構成された光学ポートに対する２つ以上の別々の光路を有し、各コリメータ要素は２つ以上の光学ポートを収容し、２つ以上の対応する異なる組の光学ポートを含む複数のポートが設けられる、前記複数のコリメータ要素と、
前記複数のポートのうちの任意のポートから対応する組の構成スペクトルチャネルに、マルチチャネル光信号を分離するように構成された波長分離器と、
前記複数のコリメータ要素と前記波長分離器との間に光学的に結合されたリレー光学系であって、前記リレー光学系は、任意のコリメータ要素内の異なるポートから生じる光信号を、異なる角度で波長分離器上の共通点へ案内するように構成される、前記リレー光学系と、
前記波長分離器に光学的に結合されたチャネル偏向要素の２つ以上の独立したアレイであって、チャネル偏向要素の各アレイは、２つ以上の異なる組の光学ポートのうちの任意の組における任意のポートから生じる前記２つ以上の光信号のうちの１つに対応する組のスペクトルチャネルを、前記任意の組の光学ポートのうちの異なる１つ以上の選択されたポートへ選択的に案内するように構成される、前記チャネル偏向要素の２つ以上の独立したアレイとを備える、波長スイッチ・システム。

【請求項2】

前記波長分離器上に異なる角度で入射する光信号がチャネル偏向要素のそれぞれ異なるアレイと結合することに対応するために、チャネル偏向要素の前記アレイのうちの２つ以上を互いに対して任意の角度に配向する、請求項１に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項3】

前記複数のコリメータ要素の各コリメータ要素が、２つ以上の導波路と、前記２つ以上の導波路に光学的に結合された単一のレンズとを含み、前記２つ以上の導波路を一定のオフセットだけ離している、請求項１に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項4】

前記２つ以上の導波路が互いに実質的に平行である、請求項３に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項5】

前記一定のオフセットが前記導波路の幅の約２倍である、請求項４に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項6】

前記波長分離器が、干渉フィルタ、偏光フィルタ、アレイ導波路格子、プリズム、または回折格子を含む、請求項１に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項7】

前記２つ以上のアレイの前記チャネル偏向要素が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置、双安定液晶、ＵＶ硬化性光媒体、または光屈折ホログラフィック格子を含む、請求項１に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項8】

チャネル偏向要素の前記２つ以上のアレイのうちの１つから発する組のスペクトルチャネルを受け取るように構成され、前記組のスペクトルチャネルの方向を、チャネル偏向要素の前記２つ以上のアレイのうちの他の１つへ変更するように構成された方向変換光学系をさらに含む、請求項１に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項9】

前記方向変換光学系が、１つ以上の方向変換鏡に結合された２つの円柱レンズを含む、請求項８に記載の波長スイッチ・システム。

【請求項10】

前記波長分離器と、チャネル偏向要素の前記アレイの間と、チャネル偏向要素の前記アレイと、前記方向変換光学系の間とに光学的に結合された集束光学系をさらに含み、前記２つの円柱レンズと集束光学系とは４ｆ光学系を形成するように構成されている、請求項９に記載の波長スイッチ・システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の実施形態は、角度多重化光学系を使用する光スイッチング・システムに関する。

【背景技術】

【0002】

インターネット帯域幅に対する需要の実質成長とともに、インターネット・トラフィックに関する要求は、完全に予測不可能になってきている。この課題に適応するため、多くのネットワークにおいて、リングおよび網形回線網内のノードに再構成可能な光挿入分岐モジュール(reconfigurable optical add drop module : ROADM)を使用するように発展してきた。これらのネットワークは、波長スイッチ・システム（wavelength switch system : ＷＳＳ）の使用を必要とする。点Ａから点Ｂへのトラフィックのルートは、これらのネットワークの使用を通じて動的に決めることができる。柔軟なルーティングを可能にするために、これらのシステムは、多くの使用可能な波長およびチャネルを用いる。必要に応じて、帯域幅要求の増加に呼応して新しいチャネルを配置でき、あるいは、ネットワークの一部分の混雑または混乱に呼応してチャネルを切り離すことができる。これらの増大する必要性に呼応したＷＳＳの発展は、カラードＷＳＳ（colored WSS）およびカラーレスＷＳＳ（colorless WSS）の２つの基本アーキテクチャを含んでいる。

【0003】

カラードＷＳＳは、特定の波長を、関連する出力用光ファイバに切り替える。カラードＷＳＳは、アレイ導波路格子（arrayed waveguide gratings : ＡＷＧ）を用いて波長マルチプレクサ／デマルチプレクサ要素として開発された。カラードＷＳＳの欠点は、カラードＷＳＳが柔軟性を提供できないことであり、その理由は、切り替え処理が行われるには、たとえ波長可変レーザが広く利用できても、固定された波長または特定の波長が必要となるためである。波長は、波長と特定の出力用光ファイバとの間の物理的結合により固定されている。これは挿入または分岐モジュールの機能を果たすカラードＷＳＳの能力を制限することになり、その理由は、挿入または分岐機能を実行するには、固定された波長または特定の波長が必要となるためである。カラードＷＳＳを使用することで、柔軟性のないＲＯＡＤＭおよびネットワークが生成される。ＷＳＳを取り付けると、波長提供またはルーティング決定が行われるが、これは動的操作ではなく手動操作である。

【0004】

一方、カラーレスＷＳＳは、カラーレスＷＳＳに波長可変レーザが結合すれば、任意の波長伝送を動的に選択する自由を提供する。しかしながら、それぞれの波長可変レーザは、ＷＳＳの１つのチャネルだけを通じてデータを送信できる。より多くの波長をノードから必要とする場合には、より多くの波長可変レーザをＷＳＳに結合する必要がある。より多くの波長可変レーザをＷＳＳに接続するには、より多くのＷＳＳポートが必要である。このため、より多くのポート数を備えたＷＳＳを有すること、または既存のポート数を用いてより多くのマルチチャネル光信号を送信するように構成された光学的構成を有することが望ましい。

【0005】

その設計態様の大部分を保持しながら、波長スイッチ・システムの柔軟性を高めることができる、光スイッチ構成に対する光スイッチングが技術的に必要とされている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1A】先行技術の波長スイッチ・システムの実施例を示す平面図の模式図である。

【図1B】先行技術の波長スイッチ・システムの実施例を示す横断面図の模式図である。

【図2A】光学構造の基本的原理を示す模式図である。

【図2B】光学構造の他の基本的原理を示す模式図である。

【図3A】本発明の実施形態の、角度多重化を使用する波長スイッチ・システムの実施例を示す平面図の模式図である。

【図3B】本発明の実施形態の、角度多重化を使用する波長スイッチ・システムの実施例を示す横断面図の模式図である。

【図4A】本発明の実施形態の、角度多重化用に構成された入力ポートを示す側面図の模式図である。

【図4B】本発明の実施形態の、角度多重化用に構成された入力ポートを示す軸方向図の模式図である。

【図4C】本発明の実施形態の、角度多重化用に構成されたポートのアレイを示す側面図の模式図である。

【図4D】本発明の実施形態の、角度多重化用に構成されたポートのアレイを示す軸方向図の模式図である。

【図5A】本発明の実施形態の、角度多重化および角度交換を使用する波長スイッチ・システムを示す平面図の模式図である。

【図5B】本発明の実施形態の、角度多重化および角度交換を使用する波長スイッチ・システムを示す横断面図の模式図である。

【図5C】本発明の他の実施形態の、角度多重化および角度交換を使用する波長スイッチ・システムを示す横断面図の模式図である。

【図6A】本発明の実施形態の、角度多重化および角度交換を使用するファイバ・スイッチを示す平面図の模式図である。

【図6B】本発明の実施形態の、角度多重化および角度交換を使用するファイバ・スイッチを示す横断面図の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明の実施形態は、その設計態様の大部分を保持しながら、波長スイッチ・システムの柔軟性を高めることができる光学的構成を利用する。
はじめに
発明性がある波長選択スイッチ（ＷＳＳ）構成の利点を明らかにするには、従来のＷＳＳの詳細を理解することが役立つ。図１Ａ〜図１Ｂは、先行技術の波長スイッチ・システム（ＷＳＳ）の実施例を示している。図１ＡはＷＳＳの平面図を示しており、一方、図１ＢはＷＳＳの横断面図を示している。ＷＳＳ１００は、ファイバ・コリメータ・アレイ１０３と、一連のリレー光学系（set of relay optics）１０５の集合と、波長分離器（wavelength separator）１０７と、集束光学系１０９と、チャネル偏向要素のアレイ１１１（array of channel deflective elements）とを含む。ＷＳＳ１００は、１つ以上のマルチチャネル光信号１０１を受け取り、マルチチャネル光信号１０１の構成チャネルを、対応する出力ポート１０６に案内するように構成されている。各マルチチャネル光信号１０１は、さまざまな波長を単一の高速信号に多重化することにより生成される。

【0008】

ファイバ・コリメータ・アレイ１０３は、複数の入力ポート１０４と複数の出力ポート１０６とを含む。各入力ポート１０４は、単一のマルチチャネル光信号１０１を受け取り、マルチチャネル光信号１０１をリレー光学系の集合１０５へ案内するように構成されている。説明のために、単一のマルチチャネル光信号１０１だけがＷＳＳ１００を通過するが、利用できる入出力ポートの個数に応じて、いくつかのマルチチャネル光信号の方向を同時に変えるようにＷＳＳ１００を構成してもよいことに注目することが重要である。

【0009】

リレー光学系１０５は、マルチチャネル光信号１０１をスペクトルビームに変換して、そのスペクトルビームを波長分離器１０７へ案内するように構成されている。リレー光学系１０５は、アナモルフィック・ビーム・エキスパンダ（anamorphic beam expander）を用いて実現してもよい。その後、波長分離器１０７は、マルチチャネル光信号１０１に対応するスペクトルビームを、その構成スペクトルチャネル（すなわち、波長）に分離して、それらのスペクトルチャネルを集束光学系の集合１０９へ向かうように構成されている。限定するためではなく、一例として、波長分離器１０７は、干渉フィルタ、偏光フィルタ、アレイ導波路格子、プリズムなどを用いて実現してもよい。

【0010】

集束光学系１０９は、個々のスペクトルチャネルを受け取り、個々のスペクトルチャネルを、チャネル偏向要素のアレイ１１１へ案内するように構成してもよい。各スペクトルチャネルを、ＷＳＳ１００の構成に応じて、対応するチャネル偏向要素１１３へ案内する。関連するスイッチングの特徴に応じて、アレイ１１１内の各チャネル偏向要素１１３は、異なるスペクトルチャネルを、異なる出力ポート１０６へ案内するように配置してもよい。偏向要素１１３をそのように機能するように設定すれば、２つの異なるスペクトルチャネルを同じ出力ポート１０６に案内することができることに注目することが重要である。チャネル偏向要素１１３は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡、双安定液晶、ＵＶ硬化性光媒体、光屈折ホログラフィック格子などを用いて実現してもよい。

【0011】

図１Ａ〜図１Ｂに示す種類のスイッチ内のチャネルの個数が、コリメータ・アレイ１０３内のポートの個数に依存することが分かる。本明細書で使用する場合、用語「ポート」は、光信号を光スイッチに結合するか、または光信号を光スイッチから切り離すように構成された光路を指している。図１Ａ〜図１Ｂに示すような従来の構成のＷＳＳでは、コリメータ当たり１つのポート、例えば、１つの光路などがある。したがって、図１Ａ〜図１Ｂに示す種類のスイッチ内のポートの個数が増加すると、アレイ内のコリメータの個数の増加が必要となる。これは、さらに、コリメータ・アレイ１０３、リレー光学系１０５、波長分離器１０７の大きさの増加、および偏向要素１１１の角度範囲の増加が必要となる。

【0012】

本発明の任意の実施形態について説明する前に、光学構造のいくつかの基本的原理を説明しておく必要がある。図２に示すように、２つの焦点の間で、レンズ２０３が、前焦点面および後焦点面における角度および位置の空間においてフーリエ変換を行うと言われている。図２Ａおよび図２Ｂを参照して、この概念をより詳しく説明する。図２Ａでは、レンズ２０３の左側から伝搬する２本の平行光線が、レンズの右側の焦点面２０１’の同じ点を通る。同様に、図２Ｂでは、レンズの左側の焦点面２０１の同じ点から伝搬する２本の光線が、２本の光線の最初の角度方向にかかわらず、レンズの右側の同じ方向に伝播する。

【0013】

このように、光スイッチングを行うには、所与の光学構造では、その光学部品と、その関連する空間とを整合させる必要がある。図１Ａ〜図１Ｂでは、波長分離器により、マルチチャネル光信号を、異なる角度の構成チャネル（すなわち、波長）に分散される。したがって、チャネルは、異なる位置において集束光学系に到達して、その後、この集束光学系はチャネルを異なる偏向要素に案内する。偏向要素を異なる位置に向けて、構成チャネルについて角度変調を行い、この角度変調はチャネルが波長分離器に到達する位置を変更して、任意のチャネルを、どの出力ポートへ案内するかを最終的に決定する。

【0014】

リレー光学系、格子、およびレンズを含む光学部品の費用のほかに、光学系の位置合わせに関連する費用も非常に高額である。したがって、光学構造の能力を最大にすることが非常に望ましい。図１Ａ〜図１Ｂに示すスイッチの構成は、所与のＷＳＳ内のスイッチングに対して許容されるマルチチャネル光信号の個数を増加させるには、ポートの個数を増加させる必要があることを示す。これは、単一のマルチチャネル光信号だけを送受信するように各ポートが構成されるためである。ポート数の増加は、垂直方向または水平方向での光学部品の増加を必然的にもたらすことになる。

【0015】

垂直方向寸法では、ファイバ・コリメータ・アレイの大きさが、ポート数の増加を補償するように増大する。その結果、光学系全体（例えば、リレー光学系、波長分離器、集束光学など）の高さの増加につながり、これは費用に大きな影響を与えることになる。さらにまた、垂直方向寸法の増加は、個々のチャネル偏向要素の角度範囲の増加に対する必要性を生み出すことになるが、この必要性は容易には実現できない可能性がある。

【0016】

水平方向寸法では、ポート数の増加を補償するために、コリメータ・アレイを２ｘＮまたはＭｘＮの大きさまで拡大される。これは、ファイバ・コリメータ・アレイに関連するレンズ系の大きさおよび開口数（ＮＡ）の大幅な増加を必要とすることになるが、低挿入損失に対して低収差を達成しようとしているときに、これを実現するのはかなり困難である。さらに、リレー光学系、波長分離器、および集束光学系の表面積を増加させる必要があるが、それはＷＳＳの全費用および大きさを増大させることになる。

【0017】

角度多重化ＷＳＳ
切り替えられるマルチチャネル光信号の個数を増加させることに関連する費用を最小にするために、本発明の実施形態は、ポートの個数を増加させたときにも、光学系の大きさの増大を防ごうとする。コリメータの個数を増加させて、かつ垂直方向または水平方向に光学系を拡大するという手段ではなく、本発明の実施形態は、一度に２つ以上のマルチチャネル光信号を送受信するように各コリメータを再構成することにより、切り替えられるマルチチャネル光信号の許容数を増加させる。実際には、各コリメータが２つ以上の異なるポートを収容するように構成できる。これは、上述の光学構造の基本的原理（例えば、格子に対して同じ点に異なる角度で入射する２つの光信号など）を適用することにより、同一のリレー光学系、波長分離器、および集束レンズを用いて行うことができる。

【0018】

図３Ａ〜図３Ｂは、本発明の実施形態の、角度多重化光学系を用いる波長スイッチ・システムを示す模式図である。図３ＡはＷＳＳの平面図を示しており、一方、図３Ｂは同じＷＳＳの横断面図を提供している。ＷＳＳ３００は、コリメータ・アレイ３０３と、リレー光学系３０５と、波長分離器３０７と、集束光学系３０９と、２つの偏向器アレイ３１１、３１２とを含む。複数のコリメータ要素３０４でコリメータ・アレイ３０３を構成してもよい。同時に２つ以上の異なるポートに対応する異なる光路を介して２つ以上のマルチチャネル光信号３０１、３０２を送受信するようにコリメータ・アレイ３０３内の各コリメータ要素３０４を構成してもよい。例えば、光ファイバまたは光導波路などを用いて、異なる光路を実現してもよい。説明のために、我々の実施例では、ＷＳＳ３００は２つのマルチチャネル光信号３０１、３０２の全てだけを切り替えている。同時に３つ以上のマルチチャネル光信号を送受信するようにそれぞれの入出力コリメータを構成してもよいことに注目することが重要である。

【0019】

限定するためではなく、一例として、各コリメータ要素３０４はレンズを含んでいてもよい。レンズが異なる角度で光信号を偏向させるように形成された異なる光路により、インバウンド（inbound）のマルチチャネル光信号をレンズに案内することができる。レンズの光学的動作が可逆的である場合には、コリメータ要素３０４は、異なる角度でレンズ上に入射するアウトバウンド（outbound）の光信号を、異なる光路に同様に結合できる。

【0020】

図３Ｂを参照すると、コリメータ３０４は、２つのインバウンドのマルチチャネル光信号３０１、３０２を受け取る。コリメータ３０４は、これらの２つのマルチチャネル光信号３０１、３０２をリレー光学系３０５へ異なる角度で案内するように構成されている。これらの２つのマルチチャネル光信号３０１、３０２が入力ポート３０４を出る角度は、ＷＳＳ３００の全体的な目的に依存することができ、ＷＳＳごとに変化してもよい。その後、リレー光学系３０５は各マルチチャネル光信号３０１、３０２を取り込み、それらを対応するスペクトルビームに変換するとともに、同時に、各信号がコリメータ３０４を出る異なる角度を、各ビームが波長分離器３０７上に入射する異なる角度に変換する。マルチチャネル光信号に対応する各スペクトルビームが、異なる角度ではあるが同じ点Ｐで波長分離器３０７に到達することになる。波長分離器３０７が集束光学系３０９の焦点面に位置する場合、２本のスペクトルビームは上述の光学構造の基本的原理に基づいて動くことになる（すなわち、２本のスペクトルビームは平行に集束光学系を出る）。

【0021】

集束光学系３０９は、実線で表した第１のマルチチャネル光信号３０１をチャネル偏向要素のアレイ３１２へ導き、このチャネル偏向要素のアレイ３１２は、以下、偏向器アレイＢと呼ぶ。集束光学系３０９は、点線で表した第２のマルチチャネル光信号３０２をチャネル偏向要素３１１の第２アレイへ導き、このチャネル偏向要素のアレイ３１１は、以下、偏向器アレイＡと呼ぶ。その後、偏向器アレイ３１１、３１２は、ＷＳＳ３００の要求に応じて、構成チャネルの方向を、異なるコリメータ要素３０６内の出力ポートへ変えることができる。限定するためではなく、一例として、偏向器アレイ内の偏向器要素は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）鏡であってもよい。しかしながら、本発明の実施形態はＭＥＭＳ鏡を利用する実施態様に限らず、あるいは、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）装置などの他の種類の偏向器要素を使用してもよい。波長分離器３０７上の第１および第２の光信号３０１、３０２の異なる入射角に起因するため、偏向器アレイ３１１、３１２は互いに対して任意の角度に向け、アレイ上の第１および第２の光信号３０１、３０２の異なる入射角に対応することができる。

【0022】

各偏向器アレイ３１１、３１２は、ＷＳＳ３００の中でのそれらの垂直配置のため、もう一方の偏向器アレイに影響を与えずに独立的に機能できることが明らかでなくてはならない。したがって、いくつかの光信号（さらに、いくつかの光スイッチング・システム）は、互いに影響を与えずに同じ物理的空間を占有することができる。具体的には、限定するためではなく、一例として、本発明の実施形態は、２つ以上の独立した１ＸＮ波長選択スイッチを、１つの１ＸＮ波長選択スイッチと同じ形状因子で作ることを可能にする実施態様を含む。先行技術ではコリメータの個数を増加する必要があり、したがって、光学部品の大きさの増加を必要としたが、本発明の実施形態では既存の光スイッチ構成を利用できる。本発明の実施形態は、各コリメータが２つ以上のマルチチャネル光信号を送受信できるようにすることにより、各コリメータをより経済的に使用できる。言い換えれば、各コリメータは２つ以上のポートに対応できる。これにより、光学系内の光学部品の大部分（すなわち、リレー光学系、波長分離器、および集束光学系）に変更を加えることなく、より多くの信号の切り替えに関連して発生する費用を最小限になる。本発明の実施形態は、それぞれの追加のマルチチャネル光信号を単一のコリメータ要素により送信するために、追加の偏向器アレイを必要とするが、切り替え処理に使用される光学部品の大部分、例えば、リレー光学系、波長分離器、および集束光学系などが、従来のスイッチ内と同じであるという理由から、追加のマルチチャネル光信号の切り替えの費用全体を削減できる。

【0023】

この種類の角度多重化ＷＳＳに関連する懸念は、２つ以上のマルチチャネル光信号間でクロストーク（またはアイソレイション）が発生する可能性があることである。しかしながら、マルチチャネル光信号が波長分離器に到達するときにマルチチャネル光信号間の角度分離を制御することにより、クロストークを容易に４０ｄＢよりも低く保つことができる。

【0024】

図４Ａ〜図４Ｂは、異なる光路を介して２つ以上のマルチチャネル光信号を送受信するために単一の入力コリメータをどのように構成できるか実施例を示している。図４Ａはマルチポート・コリメータ４００の横断面図を示しており、他方、図４Ｂはコリメータ４００の軸方向図を示している。限定するためではなく、一例として、単一のレンズ４０５の前に２つの別々の導波路４０３Ａ、４０３Ｂを配置することにより、単一のコリメータ要素を２つのマルチチャネル光信号４０１、４０２を送受信するように構成される。この実施例では、導波路経路４０３Ａ、４０３Ｂは互いに平行であり、かつレンズ４０５の光軸に平行であってもよい。この実施例では、２つの導波路経路４０３Ａ、４０３Ｂは互いにオフセット（offset）している。導波路経路４０３Ａ、４０３Ｂのそれぞれは、それの対応する入力マルチチャネル光信号４０１、４０２を、平行な方向であるが、レンズ４０５上の異なる点の方へ案内する。２つの導波路経路の間のオフセット距離が十分大きい場合には、２つの信号４０１、４０３の間のクロストークを約４０ｄＢより低く保つことができる。限定するためではなく、一例として、同じレンズを共有する２つの導波路が、導波路の幅の約２倍の分離距離だけオフセットしている。例えば、典型的な導波路幅は約８μｍである。この場合、２つの導波路の中心間距離は１６μｍ以上でなくてはならない。出力ポートもまた同じような方法で２つ以上のマルチチャネル光信号を送受信するように構成されてもよいことに注目することが重要である。本発明の実施形態は、単一のコリメータ要素が光信号に対する３つ以上のポートに対応できる実施態様を含んでいることが分かる。したがって、本発明の実施形態内のコリメータ要素は、図４Ａ〜図４Ｄに示す構成に限定されない。

【0025】

他の実施形態では、導波路経路４０３Ａ、４０３Ｂのそれぞれが、それの対応する入力マルチチャネル光信号を、レンズ４０５の同じ点の方へ異なる角度で案内する。他の実施形態では、導波路経路４０３Ａ、４０３Ｂが、光信号４０１、４０２を、レンズ４０５上の異なる点へ異なる角度で案内する。

【0026】

図４Ａおよび図４Ｂは単一の入力ポートの構成を示しているが、図４Ｃ〜図４Ｄに示すように、同様の設定を用いて複数の入力ポートおよび複数の出力ポートを構成してもよい。図４Ｃは、各ポートが２つのマルチチャネル光信号を送受信するように構成された入力ポートおよび出力ポートのアレイの横断面図を提供している。図４Ｄは、その同じアレイの軸方向図を提供している。レンズアレイ４０９の前に導波路アレイ４０７を設置して、それにより、２つ以上の導波路４０３が、それらのマルチチャネル光信号を同じレンズ４０５へ案内するように構成されてもよい。図４Ａおよび図４Ｂに示す実施形態では、導波路４０３の各対が単一のレンズ４０５を共有できる。導波路アレイ（ＷＧＡ）４０７は、フォトリソグラフィで規定する規則的で反復可能なパターンを形成するためにウェハ処理技術を利用する平面光波回路（ＰＬＣ）技術を用いて実現されてもよい。リソグラフィを用いることで、導波路対同士の間隔と、レンズアレイ４０９の間隔とを正確に一致させることができる。レンズアレイ４０９の焦点距離を極めて高い精度で作ることができるので、コリメータを出る２つ以上の組の光の間の角度差もまた非常に正確に制御できる。

【0027】

図３Ｂは、２つのマルチチャネル光信号を、異なる出力ポートに切り替える実施例を示した。しかしながら、２つの異なるマルチチャネル光信号を同じ出力ポートに結合（すなわち、クロスカップリング）する必要がある場合もある。２つのマルチチャネル光信号をクロスカップリングするために図３Ｂに提供された２つの偏向器アレイ３１１、３１２だけを使用することは、それほど簡単ではないため、このプロセスを促進するために追加の光学部品を導入する必要がある可能性がある。

【0028】

アレイ３０３内の各コリメータに対する異なる導波路経路を２つの異なる組の光学ポートに属すと考えることができることが分かる。例えば、各コリメータ要素内の上部ポートを１つのポートの組に属すと考えてもよく、各コリメータ要素内の下部ポートを異なるポートの組に属すと考えてもよい。図３Ａ〜図３Ｂに示すスイッチ構成では、１つのポートの組のうちのポートからの信号を、対応する偏向器アレイを通じて、同じポートの組のうちの他の任意のポートと結合できる。異なるポートの組の間の光信号のクロスカップリングに対応するように、図３Ａ〜図３Ｂのスイッチを変更してもよい。

【0029】

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施形態の、角度多重化およびクロスカップリングを使用するＷＳＳを示す模式図である。本明細書で使用する場合、用語「クロスカップリング」は、２つの異なる入力ポートからの信号を同じ出力ポートに結合することを指している。図５Ａは発明の他の実施形態のＷＳＳ５００の平面図を示しており、他方、図５Ｂは同じＷＳＳの横断面図を示している。各マルチチャネル光信号を、出力ポートの異なる集合に案内するのではなく、この実施形態は角度交換を用いてマルチチャネル光信号をクロスカップリングするように構成されている。実施例の目的上、どのように単一のマルチチャネル光信号５０１の出射先を偏向器アレイＢ５１２から偏向器アレイＡ５１１に変更するかを示す。マルチチャネル光信号５０１の出射先を偏向器アレイＡ５１１に変更すると、その後、そのマルチチャネル光信号５０１は、まず、偏向器アレイＡ（説明の目的上、図示せず）へ案内されたマルチチャネル光信号と結合する。

【0030】

ＷＳＳ５００は、コリメータ要素５０４のアレイ５０３と、一連のリレー光学系５０５と、波長分離器５０７と、集束光学系５０９と、チャネル偏向要素５１１、５１２の２つのアレイとを含む。これらの光学部品は、図３Ａ〜図３Ｂについて上述したのと同様の方法で、１つ以上のマルチチャネル光信号を、それらの各出力ポートに切り替えるように構成されている。また先述の説明の光学部品に加えて、ＷＳＳ５００は、クロスカップリングを促進するために追加の一次元（１−Ｄ）反射器５１５を含む。１−Ｄ反射器５１５は、波長分離器５０７と集束光学系５１５の間の光路に沿って挿入される。１−Ｄ反射器５１５は、１つの鏡５１９と、２つの円柱レンズ５２１、５２３と、を含む。２つの円柱レンズ５２１、５２３は、図５Ｂの図面の面に対して垂直な方向に集束するように構成されており、図５Ｂの垂直方向には集束しない。便宜上、集束光学系にもっとも近い円柱レンズを本明細書では第１の円柱レンズ５２３と呼ぶ。鏡５１９と第１の円柱レンズ５２３との間に位置する円柱レンズを本明細書では第２の円柱レンズ５２１と呼ぶ。

【0031】

第１の円柱レンズ５２３は、集束光学系５０９と組み合わせて１つの効果的なレンズを形成する。この効果的なレンズと第２の円柱レンズ５２１とを光学的に結合して、４ｆ光学系（4f optical system）を形成する。周知のように、典型的な４ｆ光学系では、等しい焦点距離ｆの２つのレンズが距離２ｆだけ互いに分離されている。入力面がレンズの一方から距離ｆのところにあり、出力面が反対側のもう一方のレンズから距離ｆのところにある。図５Ｂでは、入力面が偏向器アレイＡ５１１または偏向器アレイＢ５１２にあり、出力面が１−Ｄ反射器の鏡５１９にある。光信号の可逆性の理由から、入力面および出力面を逆にできることが分かる。この実施例では、第１の円柱レンズ５２３と集束光学系とは有効焦点距離ｆを有しており、第２の円柱レンズ５２１は焦点距離ｆを有している。厳密に言えば、４ｆシステムは２つのレンズの焦点距離が等しいことを必要としない。２つのレンズ５２１、５２３が異なる焦点距離ｆ１およびｆ２を有する場合には、レンズ間の距離がｆ１＋ｆ２であり、かつ入力面および出力面がそれぞれｆ１およびｆ２のところにあるようにレンズが構成されている場合に、４ｆ光学系を実現してもよい。

【0032】

平面図から、偏向器アレイＢ５１２が光を光軸に沿って後方へ反射する場合、４ｆシステムは、その光を同じ位置に戻すことになる。しかしながら、図５Ｂの側面図から、偏向器アレイＢ５１２は実際には下方に向いていることが分かる。図５Ｂの図面の垂直方向では、円柱レンズ５２１、５２３を通る光に対する光学的な集束効果がないため、光が偏向器アレイＢ５１２により反射すると、角度が変化する。集束光学５０９が引き起こす角度位置変換の結果、角度の変化は、光を１−Ｄ反射器の鏡５１９へ案内して、その後、光を偏向器アレイＡ５１１に集束させることになる。偏向器アレイＢ５１２により反射したすべての光は、初めに偏向器アレイ５１１に案内された光の任意の組と結合されることになる。このように、１−Ｄ後方反射器５１５は角度交換（ＡＥ）のための機構を提供する。

【0033】

この角度交換の概念は、１つのコリメータ要素５０４当たり３つ以上のマルチチャネル光信号を送受信するように構成されたシステムに拡張できる。これは図５Ｃに示され、図５Ｃでは、偏向要素５１１、５１２、５１７の３つのアレイを用いてＷＳＳ５００’が１つの入力コリメータ要素５０４当たり３つのマルチチャネル光信号を切り替えるように構成されている。本明細書で偏向器アレイＣ５１７と呼ぶ第３の偏向器アレイ５１７を導入して、入力ポートに関連する第３のマルチチャネル光信号の切り替えを促進している。説明のために、１つのマルチチャネル光信号５０１だけを示して、３つの偏向器アレイ５１１、５１２、５１７の間の角度交換を説明している。１−Ｄ後方反射器５１５’内に追加の鏡５２０を設置して、偏向器アレイＢ５１２と偏向器アレイＣ５１７の間の光の角度交換を促進している。１−Ｄ後方反射器５１５’は、偏向器アレイＡ５１１および偏向器アレイＢ５１２により偏向されたクロスカップリング光に関して上述したのと同じように動く。偏向器アレイＢ５１２から反射された光と、初めに偏向器アレイＣ５１７に案内された光の任意の組とのクロスカップリングを促進するために、追加の鏡５２０は鏡５１９に対して傾けられている。

【0034】

発明のいくつかの実施形態では、偏向器アレイＡ５１１と偏向器アレイＣ５１７の間のクロスカップリングを可能にさせるようにＷＳＳ５００を構成してもよい。光信号５０１が鏡５１９または追加の鏡５２０のどちらに当たるかの選択は、偏向器アレイＢ５１２の角度に依存している。偏向器アレイＢ５１２の角度をわずかに調節する場合には、光は戻りの光の角度を変えるように鏡５１９に当たって、意図的に光信号が偏向器アレイＡ５１１に戻るようにできる。

【0035】

図５Ａ〜図５Ｃに示す角度交換のこの概念は、任意の個数のマルチチャネル光信号と、チャネル偏向要素の任意の個数のアレイとに適合させてもよいことに注目することが重要である。

【0036】

また、偏向器アレイ間のクロスカップリングが望ましくないときには、これを防ぐようにＷＳＳ５００を構成できることが分かる。例えば、１Ｄ反射器５１９、５２０が従来の１ｘＮのＷＳＳ機能を変化させないスペースを占める場合には、望ましくないクロスカップリングを防ぐことができる。１Ｄ反射器５１９、５２０に、もとの光路の間の１つのチャネル・スペースを位置付けられるか、またはもとのＷＳＳ設計と比較してポートの個数を１つだけ減らす。このようにして、光信号５０１を、それ自身の偏向器アレイ内にとどまらせる可能性があり、または戻りビームを１Ｄ反射器に移動させて、異なる偏向器アレイにチャネルが変化するようにさせる。各鏡５１９、５２０は、偏向器アレイＢ５１２から偏向器アレイＣ５１７への信号の一種類の交換を引き起こすように構成できる。追加のスペースにより、偏向器アレイＢ５１２と偏向器アレイＡ５１１の間の交換を提供するための他の鏡（異なる角度で傾いた）を可能にさせる。

【0037】

角度多重化および角度交換は、ＷＳＳに対して、光スイッチング能力およびクロスカップリングの領域で先行技術よりも優れた利点を与える。角度多重化および角度交換は、数個のマルチチャネル光信号が光学部品を共有することを可能にして、付加的な光学部品の製造に関連する費用を削減する。また、角度多重化および角度交換は、数個のマルチチャネル光信号が同じ物理的な空間を共有することを可能にすることで、ＷＳＳの外形寸法を抑えるとともに、拡張に関連する費用を削減する。さらに、ＷＳＳの部品数を減らす能力は、より高い全体的信頼性につながる。

【0038】

角度多重化光学系および角度交換の主な応用は波長スイッチ・システムを含むが、これらの概念は、図６Ａ〜図６Ｂに示すようにファイバ・スイッチにもまた同様に応用できる。図６Ａは、角度多重化および角度交換を使用するファイバ・スイッチの平面図を示している。図６Ｂは、同じ光スイッチの横断面図を示している。スイッチ６００は、コリメータ・アレイ６０３と、１−Ｄ後方反射器６１５と、集束光学系６０９と、３つの偏向器６１１、６１２、６１７とを含む。これらの３つの偏向器を本明細書では偏向器Ａ６１１、偏向器Ｂ６１２、および偏向器Ｃ６１７と呼ぶ。限定するためではなく、一例として、偏向器６１１、６１２、６１７は、コリメータ・アレイ６０３内の任意のポートの組のうちの異なるポート間で望ましい光結合を提供するために、可動鏡、例えば、１つ以上の軸のまわりに旋回できるＭＥＭＳ鏡などを含んでもよい。

【0039】

コリメータ・アレイ６０３は、光信号を送受信するように構成された複数のコリメータ要素６０４、６０６を含む。各コリメータ要素６０４、６０６は、上述のように、異なるポートを通じて２つ以上の光信号を受信するように構成されてもよい。図６に示す実施例では、所与の時間に３つの光信号を送受信するように各コリメータ要素６０４、６０６を構成している。しかしながら、説明のために、ファイバ・スイッチ６００を通る単一の光信号６０１だけを示している。第１のコリメータ要素６０４内の入力ポートが光信号６０１を受け取ると、入力ポートは、その光信号６０１を集束光学系６０９の集合へ案内する。

【0040】

その後、集束光学系６０９は、スイッチ６００の構成に応じて、光信号６０１を偏向器へ案内する。図６Ｂで説明する実施例に示すように、集束光学系６０９は、光信号６０１を偏向器Ｂ６１２へ案内するように構成できる。ＷＳＳは各マルチチャネル光信号の個々のチャネル（すなわち、波長）の方向を変えるために偏向器アレイを使用するが、光信号を最初にそれの構成チャネルに分けずにマルチチャネル光信号全体の方向を変えるために、個々の偏向器要素を用いてファイバ・スイッチ６００を実現できる。偏向器Ｂ６１２は、光信号６０１を１−Ｄ後方反射器６１５へ案内するように方向付けることができる。１−Ｄ後方反射器６１５は、２つの円柱レンズと１つの鏡とを含み、上述のように振る舞う（すなわち、１−Ｄ後方反射器６１５は、その上に入射する光の方向を他の鏡の方へ変えてクロスカップリングを行う）。２つの円柱レンズおよび集束光学系６０９は、例えば、上述のように、４ｆ光学系を形成するように構成できる。我々の実施例では、１−Ｄ後方反射器６１５が光信号の方向を偏向器Ｂ６１２から偏向器Ｃ６１７へ変えるようにファイバ・スイッチ６００を配置している。この角度交換の効果は、鏡Ｂ６１２で反射した光信号と、初めに、偏向器Ｃ６１７上に入射した任意の光信号とをクロスカップリングすることである。偏向器アレイの任意の個数の組み合わせの間で角度交換を実現する可能性があることに注目することが重要である。

【0041】

上述の記載は本発明の好ましい実施形態の完全な説明であるが、さまざまな代替、修正、および均等物を使用できる。したがって、本発明の範囲は上述の説明に基づいて決定すべきではなく、その代わりに、特許請求の範囲に加えて、特許請求の範囲の均等物の完全な範囲に基づいて決定すべきである。好ましいか否かにかかわらず本明細書に記載の任意の特徴は、好ましいか否かにかかわらず本明細書に記載の他の任意の特徴と組み合わせてもよい。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】