JP2015212806A - 波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】出力される光の帯域幅が狭くなることを抑制可能な波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】
入力ポート１１ａと出力ポート１１ｂとが第１の方向に配列された入出力部１０Ａと、入力ポート１１ａからのビームを波長成分ごとに第２の方向に分光する回折格子４０と、波長成分を第１の方向に偏向する光偏向素子６０と、空間光学系ＳＯと、を備え、空間光学系ＳＯは、ビームの形状を第１の面内よりも第２の面内で相対的に小さくなるように、且つ、長軸Ｇと短軸Ｈとを有するように変換し、長軸Ｇは、第１の方向に対して傾斜しており、光偏向素子６０は、第１の方向に配列された複数の光偏向要素素子６０ｐが第２の方向に配列されてなる光偏向領域Ｒを含み、光偏向領域Ｒは、波長成分を独立に位相変調して出力ポートに向けて偏向し、光偏向領域Ｒは、ビームの形状に対応するように設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明の一側面は、波長選択スイッチに関する。

近年、通信ネットワークの高速化・大容量化に伴い、波長多重ネットワークにおける光挿入・分岐装置であるＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）が開発されている。このＲＯＡＤＭにおいて光を分波させたり合波させたりするためのデバイスとして、波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch：ＷＳＳ）が開発されている。特許文献１には、位相変調により波長成分毎に光路を独立に制御するＷＳＳが開示されている。

特許文献２には、ＷＳＳが記載されている。このＷＳＳにおいては、入力ポートから入力された光信号は、第１及び第２のグループに空間的に分離される。第１及び第２のグループの光信号は、それぞれ、回折格子において波長成分に分離される。そして、第１及び第２のグループに含まれる波長成分は、それぞれ、ＬＣＯＳ ＳＬＭ（Liquid Crystal On Silicon Spatial Light Modulator）の異なる領域に入射して偏向される。

米国特許第７７８７７２０号明細書 米国特許第７３９７９８０号明細書

位相変調素子を用いて精度良く光路を制御するためには、ビームの形状を位相変調する方向に長くし、該方向における位相変調素子の画素数を多くする必要がある。この場合、画素数の大きな位相変調素子を用いることが好ましいが、位相変調素子のサイズが大きくなるおそれがあり、波長選択スイッチが大型化してしまう。

また、ビーム形状を楕円に変換してから回折格子に入射させる場合がある。その場合、ビームの光軸が回折格子の法線に対して傾斜していると、位相変調素子でのビーム形状が、位相変調素子の画素が配列する方向に対して傾斜するおそれがある。その場合、ビームに対して画素が割り当てられない部分が生じ、出力される光信号の帯域幅（bandwidth）が制限されてしまうおそれがある。

本発明の一側面は、出力される光の帯域幅が狭くなることを抑制可能な波長選択スイッチを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る波長選択スイッチは、ビームを入力するための入力ポートと、前記ビームを出力するための出力ポートと、が第１の方向に配列された入出力部と、前記入力ポートから入力された前記ビームを、波長成分ごとに前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って分光する波長分散素子と、前記波長成分を所定の前記出力ポートに導くように、前記波長成分を前記第１の方向に偏向する光偏向素子と、前記入出力部と前記波長分散素子と前記光偏向素子とを、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する第３の方向に沿った所定の軸線上において光学的に接続する空間光学系と、を備え、前記空間光学系は、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状を、前記第１の方向と前記第３の方向とを含む第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の方向と前記第３の方向を含む第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように、且つ、前記第１の方向及び前記第２の方向によって張られる第３の面内において長軸と短軸とを有するように変換し、前記長軸は、前記第１の方向に対して傾斜しており、前記光偏向素子は、前記第３の面内に配列された複数の光偏向要素素子と、前記第１の方向に配列された複数の前記光偏向要素素子が前記第２の方向に所定数配列されて構成された光偏向領域と、を含み、前記光偏向領域は、前記波長成分のそれぞれを独立に位相変調することにより、前記波長成分のそれぞれを所定の前記出力ポートに向けて偏向し、前記光偏向領域は、前記ビームの形状に対応するように設けられている。

本発明によれば、出力される光の帯域幅が狭くなることを抑制可能な波長選択スイッチを提供することができる。

図１は、本発明の一側面の第一実施形態として、波長選択スイッチの構成を概略的に示す平面図である。 図２は、図１に示された波長選択スイッチのII−II線に沿った側断面図である。 図３は、位相変調素子の具体的な構成例として、ＬＣＯＳの構成を示す断面図である。 図４は、回折格子状の位相変調パターンが変調面に呈示されたときの、スイッチング方向における実質的な位相変化を示すグラフである。 図５は、光偏向素子とビーム形状との関係を説明する図である。 図６は、光偏向素子とビーム形状との関係の比較例を説明する図である。 図７は、本発明の一側面の第一実施形態の変形例を説明する図である。 図８は、Ｚ方向からみたときの光偏向素子の一例を示す正面図である。 図９（ａ）、図９（ｂ）、及び図９（ｃ）は、波動光学的に広がりのあるビームが回折格子に入射する様子を示す図である。 図１０は、ＸＺ平面における回折格子へのビームの入射角と、光偏向素子に入射するビームの歪み量と、の関係を示す図である。 図１１は、本発明の一側面の第二実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す模式図である。 図１２は、本発明の一側面の第二実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す模式図である。 図１３は、Ｚ方向からみたときの入出力部の構成を示す図である。 図１４は、Ｙ方向からみたときの入出力部の構成を示す側面図である。 図１５は、Ｚ方向からみたときの光偏向素子の一例を示す正面図である。 図１６は、本実施形態に係る波長選択スイッチにおける出力光のスペクトルと、比較例に係る出力光のスペクトルとを示すグラフである。 図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、本発明の一側面の第二実施形態の変形例を示す図である。

［実施形態の説明］
まず、本発明の一側面に係る波長選択スイッチの一実施形態を列記して説明する。

一実施形態に係る波長選択スイッチは、ビームを入力するための入力ポートと、前記ビームを出力するための出力ポートと、が第１の方向に配列された入出力部と、前記入力ポートから入力された前記ビームを、波長成分ごとに前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って分光する波長分散素子と、前記波長成分を所定の前記出力ポートに導くように、前記波長成分を前記第１の方向に偏向する光偏向素子と、前記入出力部と前記波長分散素子と前記光偏向素子とを、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する第３の方向に沿った所定の軸線上において光学的に接続する空間光学系と、を備え、前記空間光学系は、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状を、前記第１の方向と前記第３の方向とを含む第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の方向と前記第３の方向を含む第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように、且つ、前記第１の方向及び前記第２の方向によって張られる第３の面内において長軸と短軸とを有するように変換し、前記長軸は、前記第１の方向に対して傾斜しており、前記光偏向素子は、前記第３の面内に配列された複数の光偏向要素素子と、前記第１の方向に配列された複数の前記光偏向要素素子が前記第２の方向に所定数配列されて構成された光偏向領域と、を含み、前記光偏向領域は、前記波長成分のそれぞれを独立に位相変調することにより、前記波長成分のそれぞれを所定の前記出力ポートに向けて偏向し、前記光偏向領域は、前記ビームの形状に対応するように設けられている。

この波長選択スイッチにおいては、ビームの形状に対応するように、光偏向領域が設けられている。このため、ビームに対して、光偏向要素素子が割り当てられない部分が生じることが抑制され、出力される波長成分の帯域幅が狭くなることが抑制される。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記光偏向領域は、所定の位相変調パターンを形成する前記第１の方向に配列された複数の前記光偏向要素素子が、前記第２の方向に複数配置されて構成され、前記光偏向領域は、前記所定の位相変調パターンを構成する光偏向要素素子が、前記第２の方向にシフトして配置されることにより、前記ビームの形状に対応するように設けられてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記光偏向領域において、前記第２の方向に隣接する前記光偏向要素素子の位相変調量は、実質的に等しくてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記長軸は、互いに異なる角度で前記第１の方向に対して傾斜する第１の長軸と第２の長軸とを含んでもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記第１の長軸と前記第２の長軸は、前記第１の方向を基準にして、前記第２の方向の同じ側に傾斜していてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状は歪み部を含み、前記歪み部は、前記短軸の端を前記第１の方向に延長した領域から外側にはみ出している領域であってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記波長分散素子に入射するビームの光軸は、前記第１の面内において前記波長分散素子の法線に対して傾斜していてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記入出力部は、第１の光軸を有する第１のビームと第２の光軸を有する第２のビームとを、入射及び出射するように構成されており、前記第１の光軸および前記第２の光軸は、前記第３の方向に対して、互いに異なる角度で前記第１の方向に傾斜しており、前記波長分散素子は、前記第１のビーム及び第２のビームに共通に設けられており、前記光偏向素子は、第１の光偏向部と第２の光偏向部とを含み、前記第１の光偏向部は、複数の前記光偏向領域を含み、前記第１のビームを前記出力ポートに向けて偏向し、前記第２の光偏向部は、複数の前記光偏向領域を含み、前記第２のビームを前記出力ポートに向けて偏向してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記入出力部は、前記第１のビームを入射する第１の入力ポートと、前記第１のビームを出射する第１の出力ポートと、を含む第１の入出力ポートと、前記第２のビームを入射する第２の入力ポートと、前記第２のビームを出射する第２の出力ポートと、を含む第２の入出力ポートと、を有し、前記第１の光偏向部は、前記第１のビームを前記第１の出力ポートに向けて偏向し、前記第２の光偏向部は、前記第２のビームを前記第２の出力ポートに向けて偏向してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記入出力部は、前記入力ポートから入力された前記ビームを受け、互いに異なる偏波成分である前記第１のビームと前記第２のビームとに分離して出射する偏波分離素子を有してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記第１の光偏向部と前記第２の光偏向部とは、互いに同一の波長成分であり、かつ、互いに異なる偏波成分である前記第１のビームと前記第２のビームとを、共通の前記出力ポートに向けて偏向してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記第１の光軸の前記波長分散素子の法線に対する傾斜角の正負符号と、前記第２の光軸の前記波長分散素子の法線に対する傾斜角の正負符号とは、互いに異なってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記第１の光軸の前記法線に対する傾斜角の絶対値と、前記第２の光軸の前記法線に対する傾斜角の絶対値とは、実質的に等しくてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記空間光学系は、前記入力ポートから入力された前記ビームの形状を変換するアナモルフィック光学系と、前記波長成分を前記光偏向素子に集光する集光素子と、を有し、前記アナモルフィック光学系は、前記ビームの形状を、前記第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の面内に延びるサイズが相対的に大きくなるように変換し、前記集光素子は、前記光偏向素子に入射するビームの形状を、前記第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように変換してもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記長軸の傾斜角の絶対値は、０°よりも大きく、且つ、５°以下であってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記波長分散素子に入射する前記ビームの光軸の前記波長分散素子の法線に対する傾斜角の絶対値は、０°よりも大きく、且つ、５°以下であってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記波長分散素子に入射するビームの前記第３の面内におけるアスペクト比は、１０以上であってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記アスペクト比は、４０以上であってもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記波長分散素子に入射する前記ビームの前記第１の面内におけるビームウエスト位置を、前記第３の方向における前記波長分散素子の設置位置に合わせる第１の光学系と、前記波長分散素子に入射するビームの前記第２の面内におけるビームウエスト位置を、前記第３の方向における前記波長分散素子の設置位置からずらす第２の光学系と、をさらに備えてもよい。

一実施形態に係る波長選択スイッチは、ビームを入力するための入力ポートと、前記ビームを出力するための出力ポートと、が第１の方向に配列された入出力部と、前記入力ポートから入力されたビームを、波長成分ごとに前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って分光する波長分散素子と、前記波長成分を所定の前記出力ポートに導くように、前記波長成分を前記第１の方向に偏向する光偏向素子と、前記入出力部と前記波長分散素子と前記光偏向素子とを、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する第３の方向に沿った所定の軸線上において光学的に接続する空間光学系と、を備え、前記空間光学系は、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状を、前記第１の方向と前記第３の方向を含む第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の方向と前記第３の方向を含む第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように、かつ、前記第１の方向及び前記第２の方向によって張られる前記第３の面内において長軸と短軸を有するように変換し、前記長軸は前記第１の方向に対して傾斜している。

一実施形態に係る波長選択スイッチにおいては、前記長軸は、互いに異なる角度で前記第１の方向に対して傾斜する第１の長軸と第２の長軸とを含んでもよい。

［実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明の一側面は、以下の例示に限定されない。本発明の一側面は、各請求項によって示され、各請求項と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
（第一実施形態）

図１及び図２は、本発明の第一実施形態として、波長選択スイッチ１Ａの構成を示す。図１及び図２にはＸＹＺ直交座標系Ｓが示されている。図１は波長選択スイッチ１ＡをＸ方向から見た図であり、ＹＺ面（第２の面）における波長選択スイッチ１Ａの構成を示す図である。図２は波長選択スイッチ１ＡをＹ方向から見た図であり、ＸＺ面（第１の面）における波長選択スイッチ１Ａの構成を示す図である。

波長選択スイッチ１Ａは、入出力部１０Ａと、空間光学系ＳＯと、回折格子（波長分散素子）４０と、光偏向素子６０と、を含む。空間光学系ＳＯは、アナモルフィック光学系３０と、集光素子５０と、を含む。空間光学系ＳＯは、入出力部１０Ａと回折格子４０と光偏向素子６０とを、Ｚ方向に沿った所定の軸線Ｃ上において、光学的に接続する。本実施形態では、Ｚ軸は入出力部１０Ａから入力されるビームの進行方向に対応する方向であり、以降Ｚ方向を光軸方向と称することがある。図１及び図２では光軸方向は一方向に描かれているが、例えば反射鏡等が配置されることにより、光軸方向は屈曲していてもよい。波長選択スイッチ１Ａは、さらに光偏向素子６０を制御する制御部６０ｂを備えている。

入出力部１０Ａは、入力ポート１１aと複数の出力ポート１１ｂと、コリメータレンズ１１ｄと、を含む。入力ポート１１ａ及び出力ポート１１ｂは、Ｘ軸方向（第１の方向）に沿って配置されている。入力ポート１１ａ及び出力ポート１１ｂは、例えば光ファイバといった光導波部材を含む。入力ポート１１ａから、複数の波長成分を含む波長多重信号Ｌ１１が入力される。出力ポート１１ｂのいずれかから、各波長成分が任意に選択して出力される。図１及び図２では、波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃが例示されている。各波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃはＸ方向に光路が変更されるから、出力ポートが配列するＸ方向はスイッチング方向として定義される。

コリメータレンズ１１ｄは、入力ポート１１ａ及び出力ポート１１ｂと光学的に接続されている。コリメータレンズ１１ｄは、入力ポート１１ａから入力されたビームＬ１１をコリメートする。また、各ビームＬ１２ａ〜１２ｃを、各々に対応する出力ポート１１ｂに向けて集光する。

アナモルフィック光学系３０は、ビームＬ１１の形状を、Ｘ方向及びＺ方向と直交するＹ方向（第２の方向）に長軸を有する楕円に変換する。アナモルフィック光学系３０は、例えばプリズム３１ａ，３１ｂを含む。

アナモルフィック光学系３０は、ビームの形状をＹ方向に扁平な楕円形状に変換するものであれば良い。ビームをＹ方向に拡大するように構成しても良いし、Ｘ方向に縮小しても良い。このようなアナモルフィック光学系３０は、一対のプリズムを含む光学系の他、Ｘ方向又はＹ方向に光パワーを有する光学部品（例えば、シリンドリカルレンズやシリンドリカルミラー）を、単独もしくは複数個組み合わせることによって構成してもよい。

回折格子４０は、波長多重信号Ｌ１１を、各波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃに分散する波長分散素子である。波長分散素子としては、例えば表面に回折格子が形成された板状部材である。各波長成分Ｌ１２ａ〜Ｌ１２ｃは、波長に応じてＹ方向の異なる方向に進む。Ｙ方向は、分散方向として定義される。

集光素子５０は、回折格子４０と光偏向素子６０とを光学的に接続する。集光素子５０は、例えば集光レンズや凹面鏡である。集光素子５０は、各波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃを、光偏向素子６０の変調面６０ａに集光する。ビームＬ１１がアナモルフィック光学系３０においてＹ方向に所定倍率で拡大された場合には、集光素子５０においては当該倍率でＹ方向に縮小される。また、ビームＬ１１がアナモルフィック光学系３０においてＸ方向に所定倍率で縮小された場合には、集光素子５０においては当該倍率でＸ方向に拡大される。これにより、光偏向素子６０において、Ｘ方向に長軸を有するビームを形成する。

光偏向素子６０は、ＸＹ面（第３の面）に二次元配列された複数の光偏向要素素子６０ｐを含む。図１に示されるように、波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃは、光偏向素子６０におけるＹ方向の異なる領域に入射する。そして、図３に示すように、Ｘ方向に配列された複数の光偏向要素素子６０ｐにより、各領域において、波長成分であるビームＬ１２ａ〜１２ｃを独立して位相変調する。光偏向素子６０は、回折格子状の位相変調パターンＰをスイッチング方向（Ｘ方向：第１の方向）に呈示することにより、ビームＬ１２ａ〜１２ｃの光路をＸ方向に偏向する。偏向角は、各ビームＬ１２ａ〜１２ｃが所望の出力ポート１１ｂに入射するように設定される。

図３を参照して、本実施形態における光偏向素子６０であるＬＣＯＳの構成を示す。光偏向素子６０は、シリコン基板１７１と、シリコン基板１７１の主面上に設けられた複数の画素電極１７２とを有する。画素電極１７２は、ＸＹ面に二次元状に配列されている。シリコン基板１７１上には、液晶層１７３、透明電極１７４、及びカバーガラス１７５が順に配置されている。透明電極１７４と複数の画素電極１７２との間に形成される電界の大きさに応じて、液晶層１７３に入射した波長成分Ｌ１２ａ〜１２ｃの位相が変調される。画素電極１７２に異なる大きさの電界が形成されることにより、画素ごとに異なる位相変調量が付与され得る。すなわち、画素電極１７２、液晶層１７３、透明電極１７４は、光偏向要素素子６０ｐとして機能する。光偏向要素素子６０ｐのサイズ（Ｘ方向及びＹ方向の一辺の長さ）は、例えば２０μｍ以下である。

変調面６０ａは、複数の光偏向要素素子６０ｐを含む。グラフＰは、変調面６０ａに回折格子状の位相変調パターンを呈示したときの各画素の位相変調量を概念的に示す。制御部６０ｂは、この位相変調パターンを提示するために、各画素電極１７２に印加する電圧を制御する。そして、光偏向素子６０によって偏向されるビームの偏向角γを制御する。

図４は、回折格子状の位相変調パターンが変調面６０ａに呈示されたときの、スイッチング方向における実質的な位相変化を示すグラフである。図３に示すように、変調面６０ａでは、０（ｒａｄ）から２π（ｒａｄ）にかけて位相変調量が階段的に増加し、２π（ｒａｄ）に達すると、０（ｒａｄ）に戻る。これにより、図４に示す階段状に単調増加する回折格子状の位相変調パターンが実質的に実現される。そして、ビームＬ１２ａ〜１２ｃを位相変調パターンに応じた偏向角γに偏向する。

制御部６０ｂは、変調面６０ａに入射するビームの形状に対応するように、光偏向領域を電気的に制御する。制御部６０ｂは、シリコン基板１７１を介して、複数の画素電極１７２に電気的にアクセス可能である。これにより、複数の画素電極１７２に印加する電圧を独立に設定することができ、それぞれの光偏向要素素子６０ｐに異なる位相変調量を付与できる。

光偏向素子６０に入射するビームの形状を、詳細に説明する。本実施形態で用いられるビームは、いわゆるガウシアンビームであり、ビーム中心からの距離に対する光強度の分布がガウス分布になっている。通常ガウシアンビームの直径は、ビームの強度がピーク値の１／ｅ^２（１３．５％）になる位置を外縁とすることが一般的である。そこで、本実施形態においてもビーム幅はこのような実際的な幅であるものとして説明する。なお、図５における光偏向要素素子６０ｐの色の濃淡は、位相変調量が異なることを表している。

図５は、ＸＹ面（第３の面）内における光偏向素子６０とビームＢの形状との関係を説明するための図であり、２つの波長成分に対応するビームＢの形状が例示されている。光偏向素子６０に入射するビームＢの形状は、Ｘ方向に長軸を有し、Ｙ方向に短軸を有する楕円を歪ませた形状である。ビームＢの長軸Ｇは、Ｘ方向を基準にして、Ｙ方向に傾斜している。

長軸Ｇは、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２とを含む。本実施形態では、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２は、互いに連なっている。そして、ビームＢの中心Ｏで、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２と短軸Ｈが、互いに交わる。また、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２は、Ｘ方向に対して、Ｙ方向の同じ側に向かって傾斜している。すなわち、Ｘ方向に対するＹ方向への傾斜角の正負符号は互いに異なる。一方、Ｘ方向に対するＹ方向への傾斜角の絶対値は、実質的に等しい。

また、回折格子４０は、ＸＺ面において軸線Ｃに対して対称に配置されている。そのため、光軸の上方から入射するビームの成分と、下方から入射するビームの成分とで、光軸のＺ方向（本実施形態では、回折格子４０の法線に一致）に対する傾斜角の正負符号が互いに異なり、傾斜角の絶対値の分布が等しくなる。これにより、ビームＢは中心Ｏを通りＹ方向に平行な直線に対して、対称な形状となる。

光偏向素子６０は、Ｘ方向に配列された複数の光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向に所定数（本実施形態では４つ）配列されて構成された光偏向領域Ｒを含む。本実施形態では、Ｙ方向に配列された２つの光偏向領域Ｒを例示する。光偏向領域Ｒは、波長成分のそれぞれを独立に位相変調することにより、所定の出力ポート１１ｂに向けて偏向する。光偏向領域Ｒは、ビームＢの形状に対応するように設けられている。

光偏向領域Ｒにおいては、図３、図４に示す位相変調パターンＰを形成する複数の光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｘ方向に沿って配列されている。そして、この位相変調パターンＰを形成する光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向に複数配置されている。この場合、光偏向領域Ｒがブロック状となるので、光偏向素子６０の制御が容易となる。本実施形態では、このようにＸ方向に位相変調パターンＰを構成する複数の光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向にシフトして配置されることにより、光偏向領域ＲがビームＢの形状に対応するように設けられる。また、光偏向領域Ｒにおいて、Ｙ方向に隣接する光偏向要素素子６０ｐは、位相変調量が実質的に等しい。

図６は、光偏向素子６０とビームＢの形状との関係の比較例を示す。ここでは、ビームＢの形状は、長軸ＧがＸ方向に対して傾斜していない。光偏向領域Ｒは、位相変調パターンＰを構成する光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向にシフトして配置されていない点において、図５に示す光偏向領域Ｒとは異なる。

図５に示すように、本実施形態ではビームＢの長軸ＧがＸ方向に対して傾斜する。これにより、図６に示す比較例に比べて、長軸Ｇが長くなっている。即ち、本実施形態のビームＢは、光偏向素子６０上に大きな面積を有する。また、短軸Ｈの端をＸ方向に延長した領域から外側にはみ出している領域である、歪み部Ｄが形成される。

例えば、図６の比較例に示す光偏向領域Ｒが、２４個の光偏向要素素子６０ｐを含むのに対し、図５の本実施形態の光偏向領域Ｒでは、３２個の光偏向要素素子６０ｐを含む。すなわち、より多くの光偏向要素素子６０ｐを用いてビームを偏向することができる。これにより、ビームを精度良く偏向できる。

また、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２とがＹ方向の同じ側に傾斜している。このため、ビームＢの形状に合わせて光偏向要素素子６０ｐをより密に割り当てることができる。

なお、回折格子４０は、ＸＺ面内においてＸ方向に対して傾斜されていてもよい。すなわち、回折格子４０はＹ軸周りに回転して配置されていてもよい。図７は、本発明の変形例を説明する図である。図８は、変形例にかかる光偏向素子６０とビームＢのＸＹ面内における形状との関係を示す。

図８に示されるように、ビームＢは、中心Ｏを通りＹ方向に平行な直線に対して、非対称な形状となる。そして、第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２とが、Ｘ方向に対してそれぞれが異なる角度で傾斜する。具体的には、第1の長軸Ｇ１のＹ軸方向へのシフト量Ｓ１は、第２の長軸Ｇ２のＹ軸方向へのシフト量Ｓ２より大きい。この場合、歪み部Ｄが大きくなるから、ビームＢに割り当てられる光偏向要素素子６０ｐを増やすことができる。

次に、図９を参照して、光偏向素子６０上において長軸ＧがＸ方向に対して傾斜したビームが形成される原理について説明する。以下では、まず、ビームＬ１１の光軸が、ＸＺ面内において回折格子４０に垂直である場合について説明する。

図９は、波動光学的に広がりのあるビームが回折格子に入射する様子を示す。図９（ａ）及び図９（ｃ）は、ＸＺ面における図であり、図９（ｂ）はＹＺ面における図である。ビームＬ１１のＸＺ面内における回折格子４０への入射角φと、ビームＬ１１のＹＺ面内における回折格子４０への入射角をαと、ビームＬ１１のＹＺ面内における回折格子４０からの出射角βとの間には、下記式（１）の関係が規定されている。

ｍは回折格子４０の回折次数であり、ｄは回折格子４０の格子ピッチであり、λはビームＬ１１に含まれる各波長成分の波長である。波動光学的に、回折格子４０に入射するビームＬ１１はＸＺ面内における入射角φの異なる成分、及び、ＹＺ面内における入射角αの異なる成分を含む。例えば、図９（ａ）に示すように、入射角φは、ビームＬ１１の両側の外郭Ｅｘに近い成分ほど大きくなり、中心に近い成分ほど小さくなるような分布を有する。また、図９（ｂ）に示すように、入射角αも、ビームＬ１の両側の外郭Ｅｙに近い成分ほど大きくなり、中心に近い成分ほど小さくなるような分布を有する。

この様子を図１０に示す。ＸＺ面における回折格子４０への入射角φが大きくなるに従って、長軸ＧのＹ方向へのシフト量Ｓが徐々に大きくなる。これにより、ビームＢの形状は、長軸ＧがＸ方向を基準にＹ方向へ傾斜した形状となる。

つまり、式（１）によれば、回折格子４０から出射されるビームＬ１１は、入射角φ，αの分布に応じて、出射角βが異なる無数の成分を含む。そのため、図５に示されるように、光偏向素子６０に入射するビームＢの形状は、ＸＹ面内においてｖ字状に歪んだ形状となる。すなわち、ビームＢの形状は、長軸ＧがＸ軸方向を基準にＹ軸方向へ傾斜した形状となる。

また、回折格子４０に入射するビームＬ１１の径が大きくなるほど、ビームＬ１１に含まれる角度成分の絶対値は小さくなる。従ってＹＺ面に長軸を有するビームＬ１１を回折格子４０に入射すると、光偏向素子６０に入射するビームＢの歪み量Ｄが大きくなる。ビームＢの短軸Ｈの長さに対する長軸Ｇの長さの比（アスペクト比）は１０以上であることが好ましく、３０以上であることがさらに好ましい。

さらに、図９（ｃ）に示されるように、回折格子４０がＸＺ面内においてＸ方向に対して傾斜している場合には、回折格子４０に入射するビームＬ１１の光軸Ａｘが、回折格子４０の法線Ｉに対してＸ軸方向に傾斜する。このため、回折格子４０へ入射するビームのＸＺ面内における入射角φの分布は、軸線Ｃの上側から入射する場合と下側から入射する場合とを比べると、一様ではなくなる（対称では無くなる）。具体的には、回折格子に入射するビームの光軸は、回折格子４０の法線Ｉに対する傾斜角の正負符号が互いに異なり、傾斜角の絶対値の分布が異なる。

例えば、ビームＬ１１の一方の外郭Ｅ１ｘに近い成分において入射角φが大きくなり、他方の外郭Ｅ２ｘに近い成分ほど入射角φが小さくなる。このため、図８に示されるように、ビームＢの形状は、ＸＹ面内において、全体としてＸ方向からＹ方向に向けて傾斜する。

ビームＢのＸ方向における一方の端点Ｐ１と他方の端点Ｐ２とを結ぶ直線Ｌの、Ｘ方向に対する傾斜角をψとすると、傾斜角ψは０°よりも大きく、且つ、５°以下の範囲とすることができる。傾斜角ψは０°よりも大きく、且つ、３°以下の範囲としてもよい。

この場合には、式（１）に従って、回折格子４０の法線Ｉ（軸線Ｃ）に対して上側から入射するビームの成分と、下側から入射するビームの成分とで、ＹＺ面における出射角βの分布が異なる。具体的には、上側から入射するビームは、下側から入射するビームに比べて、入射角φが小さくなり、ＹＺ面における出射角βが大きくなる。

以上のように、光偏向素子６０に入射するビームＢの形状が全体として傾斜している。このため、光偏向要素素子６０ｐを単純にＸ方向及びＹ方向に沿った長方形状に配列しても、ビームＢの端点Ｐ１、Ｐ２近傍の部分に、光偏向要素素子６０ｐが割り当てられない場合がある。その場合には、出力される波長成分の帯域幅が狭くなってしまう。

本実施形態では、ビームＢの形状の傾斜に対応するように、光偏向領域ＲをＸ方向に対してＹ方向にシフトしながら配列している。このため、ビームＢに対して、光偏向要素素子６０ｐが割り当てられない部分が生じることが抑制され、出力される波長成分の帯域幅が狭くなることが抑制される。
（第二実施形態）

図１１，１２は、本実施形態に係る波長選択スイッチの構成を示す模式図である。なお、以下の図面には、直交座標系Ｓを示す場合がある。図１は、Ｘ方向（第１の方向）とＺ方向（第３の方向）とによって張られるＸＺ面（第１の面）における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。図２は、Ｙ方向（第２の方向）とＺ方向とによって張られるＹＺ面（第２の面）における波長選択スイッチの模式的な構成を示す図である。

図１１及び図１２に示されるように、波長選択スイッチ１Ｂは、入出力部１０Ｂ、空間光学系ＳＯ、回折格子（波長分散素子）４０、及び、光偏向素子６０を備えている。空間光学系ＳＯは、リレー光学系（第１の光学系、第２の光学系）２０、アナモルフィック光学系３０、及び、集光素子５０を含む。入出力部１０Ｂ、リレー光学系２０、アナモルフィック光学系３０、回折格子４０、集光素子５０、及び光偏向素子６０は、Ｚ方向に沿った所定の軸線Ｃ上にこの順に配列されている。空間光学系ＳＯは、入出力部１０Ｂと回折格子４０と光偏向素子６０とを、所定の軸線Ｃ上において光学的に接続する。なお、図１１及び図１２においては、軸線Ｃが一直線状に描かれているが、例えば反射鏡等が途中に配置されることにより、軸線Ｃが屈曲していてもよい。

図１３は、Ｚ方向からみた入出力部の構成を示す。また、図１４は、Ｙ方向からみた入出力部の構成を示す。図１３及び図１４に示されるように、入出力部１０Ｂは、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂとを有している。第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂとは、Ｘ方向に並んで配置されている。入出力部１０Ｂは、Ｘ方向に配列された入力ポート及び出力ポートを含む。入力ポートは第１の入力ポート１１ａと第２の入力ポート１２ａとを含む。出力ポートは、第１の出力ポート１１ｂと第２の出力ポート１２ｂとを含む。

第１の部分１０ａは、３個以上の第１の入出力ポート１１を含む。第１の入出力ポート１１はＸ方向に配列されている。第１の入出力ポート１１は、１つ又は複数の第１の入力ポート１１ａと、１つ又は複数の第１の出力ポート１１ｂを含む。図１３及び図１４には、１つの第１の入力ポート１１ａと、複数の第１の出力ポート１１ｂとが例示されている。第１の入力ポート１１ａは、波長多重光Ｌ１１を入力する。第１の出力ポート１１ｂは、光偏向素子６０によって偏向された波長成分Ｌ１２を出力する。

図１４に示されるように、第１の入力ポート１１ａは、軸線Ｃに対してＸ方向に傾斜した第１の光軸に沿って、ビームＬ１１を入力する。また、第１の出力ポート１１ｂは、第１の光軸に沿って第１の出力ポート１１ｂに入射したビームＬ１２を出力する。軸線Ｃを基準とする第１の光軸の傾斜角θ１は、軸線Ｃを０°としたとき、０°よりも大きく、且つ５°以下としてもよい。また、０°よりも大きく、且つ３°以下としてもよい。

第２の部分１０ｂは、３個以上の第２の入出力ポート１２を含む。第２の入出力ポート１２はＸ方向に配列されている。第２の入出力ポート１２は、１つ又は複数の第２の入力ポート１２ａと、１つ又は複数の第２の出力ポート１２ｂとを含む。図１３及び図１４には、１つの第２の入力ポート１２ａと、複数の第２の出力ポート１２ｂと、が例示されている。第２の入力ポート１２ａは、波長多重光Ｌ２１を入力する。第２の出力ポート１２ｂは、光偏向素子６０によって偏向された波長成分Ｌ２２を出力する。

図１４に示されるように、第２の入力ポート１２ａは、軸線Ｃに対してＸ方向に傾斜した第２の光軸に沿って、ビームＬ２１を入力する。また、第２の出力ポート１２ｂは、第２の光軸に沿って第２の出力ポート１２ｂに入射したビームＬ２２を出力する。軸線Ｃを基準とする第２の光軸の傾斜角は、第１の光軸の傾斜角θ１とは異なっており、例えば−θ１である。

このように、入出力部１０Ｂは、少なくとも入出力部１０Ｂにおいて第１の光軸を有するビーム（第１のビーム）Ｌ１１，Ｌ１２、および、第２の光軸を有するビーム（第２のビーム）Ｌ２１，Ｌ２２を、入射及び出射するように構成されている。

第１の入力ポート１１ａ及び第１の出力ポート１１ｂは、光ファイバ１１ｃ及び集光素子（集光レンズ）１１ｄを含んで構成されている。各集光素子１１ｄは、各光ファイバ１１ｃに対して１対１で設けられ、対応する光ファイバ１１ｃの端面に光学的に結合されている。同様に、第２の入力ポート１２ａ及び第２の出力ポート１２ｂは、光ファイバ１２ｃ及び集光素子（集光レンズ）１２ｄを含んで構成されている。各集光素子１２ｄは、各光ファイバ１２ｃに対して１対１で設けられ、対応する光ファイバ１２ｃの端面に光学的に結合されている。

図１４に示されるように、各光ファイバ１１ｃの光軸と、各光ファイバ１１ｃそれぞれに対応する各集光素子１１ｄの光軸とは、Ｘ方向にオフセットしている。より具体的には、集光素子１１ｄの光軸は、光ファイバ１１ｃの光軸に対して上方に△ｄ（＞０）だけオフセットしている。そのオフセット量△ｄは、第１の入力ポート１１ａ及び第１の出力ポート１１ｂにおいて互いに等しい。これによって、第１のビームＬ１１，Ｌ１２に第１の光軸に対応する正の傾斜角θ１が付与されている。３個以上の光ファイバ１１ｃは間隔ｄをあけて、互いに等間隔に配置されている。また、光ファイバ１１ｃに対応する３個以上の集光素子１１ｄもまた、間隔ｄをあけて、互いに等間隔に配置されている。

各光ファイバ１２ｃの光軸と、各光ファイバ１２ｃそれぞれに対応する各集光素子１２ｄの光軸も、Ｘ方向にオフセットしている。より具体的には、集光素子１２ｄの光軸は、光ファイバ１２ｃの光軸に対して下方に−△ｄだけオフセットしている。すなわち、オフセットする方向は、光ファイバ１１ｃの光軸と集光素子１１ｄの光軸がオフセットする方向とは異なっている。また、そのオフセット量−△ｄは、第２の入力ポート１２ａ及び第２の出力ポート１２ｂにおいて互いに等しい。これによって、第２のビームＬ２１，Ｌ２２に第２の光軸に対応する負の傾斜角−θ１が付与されている。３個以上の光ファイバ１２ｃは間隔ｄをあけて、互いに等間隔に配置されている。また、光ファイバ１２ｃに対応する３個以上の集光素子１２ｄもまた、間隔ｄをあけて、互いに等間隔に配置されている。

入出力部１０は、第１の入出力ポート１１及び第２の入出力ポート１２とは別に、調芯用ポート１３をさらに有している。調芯用ポート１３は、軸線Ｃに沿った光軸を有する調芯用のビームＬ３を入射及び出射する。この調芯用ポート１３もまた、光ファイバ１３ｃと、光ファイバ１３ｃの端面に光結合された集光素子１３ｄと、を含んでいる。ただし、光ファイバ１３ｃの光軸と集光素子１３ｄの光軸とは、互いに一致している。したがって、ビームＬ３は、軸線Ｃに沿って伝搬する。

図１３及び図１４に示されるように、調芯用ポート１３は、第１の部分１０ａ及び第２の部分１０ｂに対して共通に設けられてもよい。また、第１の部分１０ａ及び第２の部分１０ｂのそれぞれに少なくとも１つずつ設けられていてもよい。ここでは、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂとの間に１つの調芯用ポート１３が配置されている。

互いに隣接する光ファイバ１１ｃ、１２ｃ、１３ｃは、間隔ｄをあけて配置されている。一方、互いに隣接する集光素子１１ｄ、１２ｄ、１３ｄは、間隔ｄ＋△ｄをあけて配置されている。これによって、光ファイバ１１ｃの光軸と集光素子１１ｄの光軸とのオフセット量△ｄ、及び、光ファイバ１２ｃの光軸と集光素子１２ｄの光軸とのオフセット量−△ｄが実現されている。換言すれば、光ファイバ１１ｃ，１２ｃ，１３ｃが等ピッチで配列され、集光素子１１ｄ，１２ｄ，１３ｄが不等ピッチで配列されている。そして、集光素子１１ｄが、光ファイバ１１ｃに対してＸ方向の正側にずれており、集光素子１２ｄが、光ファイバ１２ｃに対してＸ方向の負側にずれている。

図１１及び図１２に示されるように、リレー光学系２０は、レンズ２１ａ，２１ｂを含む。リレー光学系２０は、第１の入出力ポート１１及び第２の入出力ポート１２に対して共通に設けられ、第１のビームＬ１１，Ｌ１２及び第２のビームＬ２１，Ｌ２２に対して共通に設けられている。レンズ２１ａは、例えば、ＸＺ面内及びＹＺ面内において光パワーを有する凸状の球面レンズである。レンズ２１ａは、レンズ２１ｂよりも前側（軸線Ｃ上における入出力部１０Ｂ側）に配置されている。なお、レンズ２１ａ，２１ｂは、透過型のものに限られず、ミラーのような反射型のものであってもよい。

レンズ２１ａの前側焦点は、集光素子１１ｄ〜１３ｄの後側焦点と実質的に一致する。つまり、レンズ２１ａは、集光素子１１ｄ〜１３ｄの焦点距離ｆ１及びレンズ２１ａの焦点距離ｆ２の分だけ集光素子１１ｄ〜１３ｄから離れた位置に配置されている。なお、本実施形態における「前側」及び「後側」は、それぞれ、軸線Ｃ方向における「入出力部１０Ｂ側」及び「光偏向素子６０側」を意味する。

ＸＺ面内及びＹＺ面内において、レンズ２１ａは、入射するビームＬ１１，Ｌ２１のビームウエスト位置におけるビームサイズと比較して、出射するビームＬ１１，Ｌ２１のビームウエスト位置におけるビームサイズを、相対的に大きくするようにしてもよい。このようにすると、第１の入出力ポート１１及び第２の入出力ポート１２におけるロスの増加を抑制することができる。以下、「ビームサイズ」は、ビームウエスト位置におけるビームのサイズを示すものとする。

レンズ２１ｂは、少なくともＸＺ面内において光パワーを有する。本実施形態においては、レンズ２１ｂはシリンドリカルレンズであり、ＸＺ面内のみに光パワーを有する。レンズ２１ｂを通過したビームＬ１１，Ｌ２１は、ＹＺ面内におけるビームサイズに対して、ＸＺ面内におけるビームサイズが相対的に小さくなる（すなわち、ＹＺ面内に相対的に拡大される）。

レンズ２１ｂの前側焦点は、レンズ２１ａの後側焦点と実質的に一致する。また、レンズ２１ｂの後側焦点が集光素子５０の前側焦点と実質的に一致する。つまり、レンズ２１ｂは、レンズ２１ａの焦点距離ｆ２及びレンズ２１ｂの焦点距離ｆ３の分だけレンズ２１ａから離れた位置に配置されている。また、レンズ２１ｂは、レンズ２１ｂの焦点距離ｆ３及び集光素子５０の焦点距離ｆ４の分だけ集光素子５０から離れた位置に配置されている。

アナモルフィック光学系３０は、リレー光学系２０の前側または後側に配置されている。アナモルフィック光学系３０は、第１の入出力ポート１１及び第２の入出力ポート１２に対して共通に設けられており、第１のビームＬ１１，Ｌ１２及び第２のビームＬ２１，Ｌ２２に対して共通に設けられている。本実施形態では、アナモルフィック光学系３０は、第１のビームＬ１１及び第２のビームＬ２１の形状を変換する。より具体的には、アナモルフィック光学系３０は、ＸＺ面内におけるビームＬ１１，Ｌ２１のビームサイズよりも、ＹＺ面内におけるビームＬ１１，Ｌ２１のビームサイズが相対的に大きくなるようにビームＬ１１，Ｌ２１の形状を変換する。一例として、アナモルフィック光学系３０は、ビームＬ１１，Ｌ２１のサイズをＹＺ面内に拡大する。このようなアナモルフィック光学系３０は、一対のプリズム３１ａ，３１ｂを含む。

アナモルフィック光学系３０から出射されるビームＬ１１，Ｌ２１のＸＹ面内におけるアスペクト比は、１０以上である。或いは、アスペクト比は４０以上である。なお、アスペクト比は、ＹＺ面内におけるビームＬ１１，Ｌ２１のビームサイズをＸＺ面内におけるビームＬ１１，Ｌ２１のビームサイズで除した値である。

回折格子４０は、第１の入出力ポート１１及び第２の入出力ポート１２に対して共通に設けられており、第１のビームＬ１１，Ｌ１２及び第２のビームＬ２１，Ｌ２２に対して共通に設けられている。回折格子４０は、第１のビームＬ１１，Ｌ１２及び第２のビームＬ２１，Ｌ２２の光軸を、Ｙ方向に波長に応じた角度で変化させる。つまり、回折格子４０は、波長多重光Ｌ１１，Ｌ２１をＹＺ面内において波長成分に分散する。図１１及び図１２においては、複数の波長成分のうちのある波長成分Ｌ１２，Ｌ２２のみを代表して図示する。

ＸＺ面内において、回折格子４０に入射するビームＬ１１，Ｌ２１の光軸は、回折格子４０の法線に対して傾斜している。本実施形態では、第１のビームＬ１１の光軸の回折格子４０の法線に対する傾斜角の正負符号と、第２のビームＬ２１の光軸の回折格子４０の法線に対する傾斜角の正負符号とは、互いに異なる。一方、傾斜角の絶対値が互いに等しい。ビームＬ１１、Ｌ２１の傾斜角の絶対値は、０°よりも大きく、且つ、５°以下であってもよい。また、０°よりも大きく、且つ、３°以下であってもよい。

集光素子５０は、回折格子４０から出射された各波長成分Ｌ１２，Ｌ２２を集光する。アナモルフィック光学系３０においてＹ方向に所定倍率で拡大されたビームは、当該倍率でＹ方向に縮小して集光される。つまり、集光素子５０は、ＸＺ面内におけるビームＬ１２，Ｌ２２のビームサイズよりも、ＹＺ面内におけるビームＬ１２，Ｌ２２のビームサイズが相対的に小さくなるようにビームを集光する。集光素子５０は、例えば凸状の球面レンズであり、ＸＺ面内及びＹＺ面内において光パワーを有する。

光偏向素子６０は、ビームＬ１２、Ｌ２２を、所定の第１の出力ポート１１ｂ、第２の出力ポート１２ｂに向けて偏向するそのために、光偏向素子６０は、複数の光偏向要素素子を含む。光偏向素子６０の構成及び機能は、第１実施形態と同様である。

図１５は、Ｚ方向からみた光偏向素子６０の一例を示す。光偏向素子６０は、Ｘ方向に並ぶ第１の光偏向部６１及び第２の光偏向部６２を有している。

第１の光偏向部６１は、複数の第１の光偏向領域Ｒ１を含んでいる。そして、各第１の光偏向領域Ｒ１は、複数の第１のサブ光偏向領域６１ａを含む。第１のサブ光偏向領域６１ａは、ＸＹ面内に二次元状に配列された光偏向要素素子６０ｐを含む。第１の光偏向部６１は、各波長成分を対応する第１の光偏向領域Ｒ１において受け、複数の第１のサブ光偏向領域６１ａにより第１の出力ポート１１ｂへ偏向する。図１５では、１つの波長成分に対して、１０個の第１のサブ光偏向領域６１ａが割り当てられる。

第２の光偏向部６２は、複数の第２の光偏向領域Ｒ２を含んでいる。そして、各第２の光偏向領域Ｒ２は、複数の第２のサブ光偏向領域６２ａを含む。第２のサブ光偏向領域６２ａも、ＸＹ面内に二次元状に配列された光偏向要素素子６０ｐを含む。そして、第２の光偏向部６２は、各波長成分を対応する第２の光偏向領域Ｒ２において受け、複数の第２のサブ光偏向領域６２ａにより第２の出力ポート１２ｂへ向ける。図１５では、１つの波長成分に対して、１０個の第２のサブ光偏向領域６２ａが割り当てられる。

第１の光偏向領域Ｒ１及び第２の光偏向領域Ｒ２において、図３及び図４に示す位相変調パターンＰを形成する複数の光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｘ方向に沿って配列されている。そして、この位相変調パターンＰを形成する光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向に複数配置されている。この場合、第１のサブ光偏向領域６１ａ及び第２のサブ光偏向領域６２ａがブロック状となるので、光偏向素子６０の制御が容易となる。本実施形態では、位相変調パターンＰを構成する光偏向要素素子６０ｐ（ピクセル列ＰＬ）が、Ｙ方向にシフトして配置されることにより、第１の光偏向領域Ｒ１および第２の光偏向領域Ｒ２が、ビームＢの形状に対応するように設けられる。また、第１のサブ光偏向領域６１ａ及び第２のサブ光偏向領域６２ａにおいて、Ｙ方向に隣接する光偏向要素素子６０ｐは、位相変調量が実質的に等しい。図１５における光偏向要素素子６０ｐの色の濃淡は、位相変調量の大小を示している。

本実施形態では、光偏向素子６０に、歪んだ形状のビームＢ（例えばビームＬ１２，Ｌ２２）が入射する。図１５は、光偏向素子６０の変調面６０ａとビームＢのＸＹ面内における形状との関係を示し、３つの波長成分に対応するビームＢが例示されている。ビームＢの長軸Ｇは、Ｘ方向を基準にして、Ｙ方向に傾斜している。

長軸Ｇは、互いに連なる第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２とを含む。第１の長軸Ｇ１と第２の長軸Ｇ２は、Ｘ方向に対して、Ｙ方向の逆側に向かって傾斜している。すなわち、Ｘ方向に対するＹ方向への傾斜角の正負符号が等しい。また、Ｘ方向に対するＹ方向への傾斜角の絶対値が異なる。

回折格子４０は、ＸＺ面内において軸線Ｃ（本実施形態では、回折格子４０の法線に一致）に対して対称に配置されている。そのため、軸線Ｃの上方から入射するビームの成分と、下方から入射するビームの成分とで、軸線Ｃに対する傾斜角の正負符号が互いに異なり、傾斜角の絶対値の分布が等しくなる。これにより、第１の光偏向部６１と、第２の光偏向部６２に入射するビームＢの形状は、Ｙ軸に対して対称となる。

歪んだ形状のビームＢが光偏向素子６０に入射する原理は、第一実施形態と同様である。本実施形態においては、図９（ｃ）に示されるように、回折格子４０に入射するビームＬ１１の光軸Ａｘが、回折格子４０の法線Ｉに対してＸ方向に傾斜している。このため、実際に回折格子４０に入射するビームＬ１１のＸＺ面内における入射角φは、ビームＬ１１の一方の外郭Ｅ１ｘに近い成分ほど大きくなり、ビームＬ１１の他方の外郭Ｅ２ｘに近い成分ほど小さくなる。つまり、ＸＺ面におけるビームＬ１１の入射角φの分布は、ビームＬ１１の光軸Ａｘに対して対称でない。このため、図８に示されるように、回折格子４０から出射されて光偏向素子６０に入射したビームＢ（例えばビームＬ１２）の形状は、ＸＹ面内において、前述したようなｖ形状の歪みに加え、全体としてＸ方向からＹ方向に向けて傾斜している。

このため、光偏向要素素子６０ｐをＸ方向及びＹ方向に沿った長方形状に配列して、単一の光偏向領域を構成すると、ビームＢの端点が光偏向領域からはみ出す場合がある。その場合には、出力されるビームの帯域幅が狭くなってしまう。

本実施形態においては、ビームＢに対して、複数の第１のサブ光偏向領域６１ａを割り当てる。そして、第１のサブ光偏向領域６１ａを、ビームＢの傾斜に対応するように一定の方向（ここではＹ方向）にシフトしながら配列している。このため、ビームＢに対して、光偏向要素素子６０ｐが割り当てられない部分が生じることが抑制され、出力されるビームの帯域幅が狭くなることが抑制される。図１６は、本実施形態の波長選択スイッチにおける出力ビームのスペクトル（実線）と、比較例の出力光のスペクトル（破線）とを示すグラフである。本実施形態では、トップの平坦な領域が拡大され、帯域幅が拡大されている。

本実施形態においては、図８に示されるように、ビームＢの歪みと傾斜に対応するように、第１のサブ光偏向領域６１ａのシフト量に規則を持たせている。ビームＢの一方の端点Ｐ１から他方の端点Ｐ２に向かうほど、第１のサブ光偏向領域６１ａのＹ方向へのシフト量が増すように、光偏向素子６０が制御される。具体的には、端点Ｐ１側から４つの第１のサブ光偏向領域６１ａにおいては、Ｘ方向について６画素ごとに（つまり２つの第１のサブ光偏向領域６１ａごとに）Ｙ方向に１画素分シフトするようにしている。

また、当該４つの第１のサブ光偏向領域６１ａから、さらに端点Ｐ２側の４つの第１のサブ光偏向領域６１ａにおいては、Ｘ方向について３画素ごとに（つまり１つの第１のサブ光偏向領域６１ａごとに）Ｙ方向に１画素分シフトしている。そして、端点Ｐ２側から２つの第１のサブ光偏向領域６１ａにおいては、Ｘ方向について３画素ごとに（つまり１つの第１のサブ光偏向領域６１ａごとに）Ｙ方向に２画素分シフトしている。

図１１及び図１２を参照し、ビームＬ１１，Ｌ２１のビームウエスト位置の調整について説明する。なお、レンズに入射するビームのウエスト位置を「前側ウエスト位置」と称し、レンズから出射したビームのウエスト位置を「後側ウエスト位置」と称する場合がある。

本実施形態では、ＸＺ面内及びＹＺ面内におけるビームウエスト位置を独立して調整する。

ＸＺ面内においては、リレー光学系２０のレンズ２１ａの前側焦点が、集光素子１１ｄ〜１３ｄの後側焦点と実質的に一致する。従って、レンズ２１ａの前側ウエスト位置がレンズ２１ａの前側焦点に実質的に一致する。このため、レンズ２１ａの後側ウエスト位置は、レンズ２１ａの後側焦点に実質的に一致している。

ＸＺ面内においては、レンズ２１ａの後側焦点はレンズ２１ｂの前側焦点に実質的に一致している。このため、レンズ２１ｂの前側ウエスト位置はレンズ２１ｂの前側焦点に実質的に一致し、レンズ２１ｂの後側ウエスト位置は、レンズ２１ｂの後側焦点に実質的に一致する。

回折格子４０は、レンズ２１ｂの後側焦点に配置されている。すなわち、回折格子４０は、レンズ２１ｂの後側ウエスト位置に配置される。このように、リレー光学系２０は、ビームＬ１１，２１のＸＺ面内におけるウエスト位置を回折格子４０の位置に合わせる第１の光学系として機能する。

ＹＺ面内においても、レンズ２１ａの前側ウエスト位置がレンズ２１ａの前側焦点に実質的に一致し、レンズ２１ａの後側ウエスト位置Ｐｙがレンズ２１ａの後側焦点に実質的に一致する。レンズ２１ｂは、ＹＺ面内において光パワーを有していない。このため、図１２に示されるように、回折格子４０に入射するビームＬ１１，Ｌ２１のＹＺ面内におけるウエスト位置は、回折格子４０の位置と実質的に一致していない。つまり、リレー光学系２０は、ビームＬ１１，２１のＹＺ面内におけるウエスト位置を回折格子４０の位置からずらす第２の光学系として機能する。

ビームＬ１１，Ｌ２１は、ＸＺ面内ではビームウエスト位置において回折格子４０に入射する。一方、ＹＺ面内ではビームウエスト位置において回折格子４０に入射しない。このため、回折格子４０へ入射するビームＬ１１，２１のＸＺ面内における入射角φの分布に対して、ＹＺ面内における入射角αの分布が、相対的に小さくなる。その結果、入射角αの分布が、回折格子４０から出射するビームＬ１２，２２のＹＺ面内における出射角βに与える影響を、相対的に小さくすることができる。

リレー光学系２０から出射されたビームＬ１１，２１は、アナモルフィック光学系３０によってＹＺ面内に拡大された後に回折格子４０に入射する。このため、回折格子４０に入射するビームＬ１１，Ｌ２１の実質的なビームウエスト位置は、レンズ２１ａの後側ウエスト位置Ｐｙよりもさらに前側の位置ＰＰとなる。つまり、アナモルフィック光学系３０は、回折格子４０に入射するビームＬ１１，Ｌ２１のＹＺ面内におけるビームウエスト位置から回折格子４０までの距離を拡大する光学系として機能する。

これにより、回折格子４０に入射するビームＬ１１，Ｌ２１は、ＹＺ面内においてはビームウエストから十分に離れる。このため、入射角αの分布が小さくなる。その結果、ＹＺ面内における回折格子４０からの出射角βに対して、入射角αが与える影響を小さくすることができる。

本発明に係る波長選択スイッチは、上述した実施形態に限定されず、各請求項の要旨を変更しない範囲において変形することができる。

例えば、図１７に示される波長選択スイッチ１Ｃは、入出力部１０Ｃを備える。また、空間光学系ＳＯがλ／２波長板７０をさらに有する。図１７においては、空間光学系ＳＯのアナモルフィック光学系３０が省略されている。

入出力部１０Ｃは、偏波分離素子１５を有する。また、入出力部１０Ｃは第１の入出力ポート１１を備え、第１の入出力ポート１１は第１の入力ポート１１ａ及び第１の出力ポート１１ｂを含む。光ファイバ１１ｃの光軸と集光素子１１ｄの光軸とは、互いに一致している。したがって、第１の入力ポート１１ａは、軸線Ｃに沿ってビームを入力する。また、第１の出力ポート１１ｂは、軸線Ｃに沿って第１の出力ポート１１ｂに入射したビームを出力する。

偏波分離素子１５は、第１の入出力ポート１１に光学的に接続されている。偏波分離素子１５は、第１の入力ポート１１ａから入力されたビームを、Ｘ方向に沿って、互いに異なる偏波（水平偏波及び垂直偏波）を有する２つの偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１に分離する。偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１の光軸は、軸線Ｃに対してＸ方向に、互いに異なる角度で傾斜する。偏波分離素子１５は、複数のウェッジ状の複屈折結晶を組み合わせることによって構成することができる。そして、そのウェッジの角度に応じて偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１が互いに異なる角度で分離して出力される。

このように、入出力部１０Ｃは、軸線Ｃに対してＸ方向に傾斜した第１の光軸を有するビーム（第１のビーム）Ｌ１１，Ｌ１２を、入射及び出射する。また、入出力部１０Ｃは、軸線Ｃに対してＸ方向に傾斜した第２の光軸を有するビーム（第２のビーム）Ｌ２１，Ｌ２２を、入射及び出射する。そして、軸線Ｃを基準とする第１の光軸の傾斜角と第２の光軸の傾斜角とは、互いに異なっている。

偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１は、リレー光学系２０に入射する。偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１のうちの一方の光路上には、λ／２波長板７０が配置されている。一例として、λ／２波長板７０は、レンズ２１ａとレンズ２１ｂとの間に配置され、レンズ２１ａの後側焦点に配置されている。これにより、λ／２波長板７０を小型化できる。

回折格子４０やＬＣＯＳである光偏向素子６０は偏波依存性を有し、入射するビームの偏波状態により光損失（偏波依存損失（Polarization Dependent Loss：PDL））が発生する。しかし、本実施形態では、入出力部１０Ｃと、λ／２波長板７０を含む空間光学系ＳＯと、を備えることにより、偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１の偏波状態が同じにされる。偏波状態が同じ偏波成分Ｌ１１，Ｌ２１及び偏波成分Ｌ１２，Ｌ２２を、それぞれ、回折格子４０及び光偏向素子６０に入射させることができる。これにより、ＰＤＬの発生を防止することができる。

回折格子４０に入射する波長成分Ｌ１１の光軸及び波長成分Ｌ２１の光軸は、ＸＺ面内において、回折格子４０の法線に対して傾斜する。そして、各波長成分Ｌ１２，Ｌ２２が回折格子４０から出射される。波長成分Ｌ１２，Ｌ２２は、集光素子５０を介して光偏向素子６０に入射する。各波長成分Ｌ１２，Ｌ２２が入射する位置は、Ｘ方向において互いに異なる。光偏向素子６０は、波長成分Ｌ１２を第１の出力ポート１１ｂに向けて偏向する第１の光偏向部６１と、波長成分Ｌ２２を第１の出力ポート１１ｂに向けて偏向する第２の光偏向部６２と、を含む。第１の光偏向部６１は、複数の第１のサブ光偏向領域６１ａを含む。第２の光偏向部６２は、複数の第２のサブ光偏向領域６２ａを含む。

波長選択スイッチ１Ｃにおいても、互いに異なる角度で回折格子４０に入射して分光されたビームＬ１２，Ｌ２２が光偏向素子６０に入射する。従って、光偏向素子６０に入射するビームＬ１２，Ｌ２２の形状はＸ方向を基準としてＹ方向に傾斜する。したがって、光偏向素子６０に入射するビームの形状に対応して光偏向領域を制御することによって、出力される光の帯域幅が狭くなることが抑制される。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…波長選択スイッチ、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…入出力部、１１…第１の入出力ポート、１１ａ…入力ポート、１１ｂ…出力ポート、１２…第２の入出力ポート、１２ａ…第２の入力ポート、１２ｂ…第２の出力ポート、１５…偏波分離素子、２０…リレー光学系（第１の光学系、第２の光学系）、３０…アナモルフィック光学系、４０…回折格子（波長分散素子）、５０…集光素子、６０…光偏向素子、６０ｐ…光偏向要素素子、６１…第１の光偏向部、６２…第２の光偏向部、Ｄ…歪み部、Ｇ…長軸、Ｇ１…第１の長軸、Ｇ２…第２の長軸、Ｈ…短軸、Ｐ…位相変調パターン、Ｒ…光偏向領域、ＳＯ…空間光学系。

Claims (20)

1. ビームを入力するための入力ポートと、前記ビームを出力するための出力ポートと、が第１の方向に配列された入出力部と、
   前記入力ポートから入力された前記ビームを、波長成分ごとに前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って分光する波長分散素子と、
   前記波長成分を所定の前記出力ポートに導くように、前記波長成分を前記第１の方向に偏向する光偏向素子と、
   前記入出力部と前記波長分散素子と前記光偏向素子とを、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する第３の方向に沿った所定の軸線上において光学的に接続する空間光学系と、
   を備え、
   前記空間光学系は、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状を、前記第１の方向と前記第３の方向とを含む第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の方向と前記第３の方向を含む第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように、且つ、前記第１の方向及び前記第２の方向によって張られる第３の面内において長軸と短軸とを有するように変換し、
   前記長軸は、前記第１の方向に対して傾斜しており、
   前記光偏向素子は、
   前記第３の面内に配列された複数の光偏向要素素子と、
   前記第１の方向に配列された複数の前記光偏向要素素子が前記第２の方向に所定数配列されて構成された光偏向領域と、
   を含み、
   前記光偏向領域は、前記波長成分のそれぞれを独立に位相変調することにより、前記波長成分のそれぞれを所定の前記出力ポートに向けて偏向し、
   前記光偏向領域は、前記ビームの形状に対応するように設けられている、
   波長選択スイッチ。
2. 前記光偏向領域は、所定の位相変調パターンを形成する前記第１の方向に配列された複数の前記光偏向要素素子が、前記第２の方向に複数配置されて構成され、
   前記光偏向領域は、前記所定の位相変調パターンを構成する前記光偏向要素素子が、前記第２の方向にシフトして配置されることにより、前記ビームの形状に対応するように設けられる、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
3. 前記光偏向領域において、前記第２の方向に隣接する前記光偏向要素素子の位相変調量は、実質的に等しい、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
4. 前記長軸は、互いに異なる角度で前記第１の方向に対して傾斜する第１の長軸と第２の長軸とを含む、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
5. 前記第１の長軸と前記第２の長軸は、前記第１の方向を基準にして、前記第２の方向の同じ側に傾斜している、
   請求項４に記載の波長選択スイッチ。
6. 前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状は歪み部を含み、
   前記歪み部は、前記短軸の端を前記第１の方向に延長した領域から外側にはみ出している領域である、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
7. 前記波長分散素子に入射するビームの光軸は、前記第１の面内において前記波長分散素子の法線に対して傾斜している、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
8. 前記入出力部は、第１の光軸を有する第１のビームと第２の光軸を有する第２のビームとを、入射及び出射するように構成されており、
   前記第１の光軸および前記第２の光軸は、前記第３の方向に対して、互いに異なる角度で前記第１の方向に傾斜しており、
   前記波長分散素子は、前記第１のビーム及び前記第２のビームに共通に設けられており、
   前記光偏向素子は、第１の光偏向部と第２の光偏向部とを含み、
   前記第１の光偏向部は、複数の前記光偏向領域を含み、前記第１のビームを前記出力ポートに向けて偏向し、
   前記第２の光偏向部は、複数の前記光偏向領域を含み、前記第２のビームを前記出力ポートに向けて偏向する、
   請求項１に記載の波長選択スイッチ。
9. 前記入出力部は、
   前記第１のビームを入射する第１の入力ポートと、前記第１のビームを出射する第１の出力ポートと、を含む第１の入出力ポートと、
   前記第２のビームを入射する第２の入力ポートと、前記第２のビームを出射する第２の出力ポートと、を含む第２の入出力ポートと、
   を有し、
   前記第１の光偏向部は、前記第１のビームを前記第１の出力ポートに向けて偏向し、
   前記第２の光偏向部は、前記第２のビームを前記第２の出力ポートに向けて偏向する、
   請求項８に記載の波長選択スイッチ。
10. 前記入出力部は、前記入力ポートから入力された前記ビームを受け、互いに異なる偏波成分である前記第１のビームと前記第２のビームとに分離して出射する偏波分離素子を有する、
    請求項８に記載の波長選択スイッチ。
11. 前記第１の光偏向部と前記第２の光偏向部とは、互いに同一の波長成分であり、かつ、互いに異なる偏波成分である前記第１のビームと前記第２のビームとを、共通の前記出力ポートに向けて偏向する、
    請求項１０に記載の波長選択スイッチ。
12. 前記第１の光軸の前記波長分散素子の法線に対する傾斜角の正負符号と、
    前記第２の光軸の前記波長分散素子の法線に対する傾斜角の正負符号とは、
    互いに異なる、
    請求項８に記載の波長選択スイッチ。
13. 前記第１の光軸の前記法線に対する傾斜角の絶対値と、
    前記第２の光軸の前記法線に対する傾斜角の絶対値とは、
    実質的に等しい、
    請求項１２に記載の波長選択スイッチ。
14. 前記空間光学系は、
    前記入力ポートから入力された前記ビームの形状を変換するアナモルフィック光学系と、
    前記波長成分を前記光偏向素子に集光する集光素子と、
    を有し、
    前記アナモルフィック光学系は、前記ビームの形状を、前記第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の面内に延びるサイズが相対的に大きくなるように変換し、
    前記集光素子は、前記光偏向素子に入射するビームの形状を、前記第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように変換する、
    請求項１に記載の波長選択スイッチ。
15. 前記長軸の傾斜角の絶対値は、０°よりも大きく、且つ、５°以下である、
    請求項１に記載の波長選択スイッチ。
16. 前記波長分散素子に入射するビームの前記第３の面内におけるアスペクト比は、１０以上である、
    請求項１に記載の波長選択スイッチ。
17. 前記アスペクト比は、４０以上である、請求項１６に記載の波長選択スイッチ。
18. 前記波長分散素子に入射する前記ビームの前記第１の面内におけるビームウエスト位置を、前記第３の方向における前記波長分散素子の設置位置に合わせる第１の光学系と、
    前記波長分散素子に入射するビームの前記第２の面内におけるビームウエスト位置を、前記第３の方向における前記波長分散素子の設置位置からずらす第２の光学系と、
    をさらに備える請求項１に記載の波長選択スイッチ。
19. ビームを入力するための入力ポートと、ビームを出力するための出力ポートと、が第１の方向に配列された入出力部と、
    前記入力ポートから入力されたビームを、波長成分ごとに前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って分光する波長分散素子と、
    前記波長成分を所定の前記出力ポートに導くように、前記波長成分を前記第１の方向に偏向する光偏向素子と、
    前記入出力部と前記波長分散素子と前記光偏向素子とを、前記第１の方向及び前記第２の方向に交差する第３の方向に沿った所定の軸線上において光学的に接続する空間光学系と、
    を備え、
    前記空間光学系は、前記光偏向素子に入射する前記ビームの形状を、前記第１の方向と前記第３の方向を含む第１の面内に延びるサイズよりも前記第２の方向と前記第３の方向を含む第２の面内に延びるサイズが相対的に小さくなるように、かつ、前記第１の方向及び前記第２の方向によって張られる第３の面内において長軸と短軸を有するように変換し、
    前記長軸は前記第１の方向に対して傾斜している、
    波長選択スイッチ。
20. 前記長軸は、互いに異なる角度で前記第１の方向に対して傾斜する第１の長軸と第２の長軸とを含む、
    請求項１９に記載の波長選択スイッチ。