波长域光开关的制作方法

专利名称：波长域光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波长域光开关，该波长域光开关能够使用廉价的透镜，能够修正 多个波导形分光回路的分波波长的偏差，其不依赖于入射的光的偏振光。
背景技术：
如图6所示，专利文献1的波长域光开关600由输入输出光纤601 606、准直透 镜阵列610、用于不依赖水平偏振光(y偏振光)和垂直偏振光(χ偏振光)之间的特性的由 2个三角形的棱镜616和617所构成的沃拉斯顿(Wollaston)棱镜615、用于使所述水平偏 振光和垂直偏振光之间的相位差为零的双折射率板620、由1/2波长板部分6 和未对偏 振光造成影响的部分627构成的1/2波长板单元625、凹面镜630、柱面镜635、具有边缘棱 镜(edg印rism)641的光栅642、用于使光垂直弯曲的棱镜646、LCOS SLM(Liquid crystal OnSi Spatial Light Modulator :基于硅基板上的液晶空间光调制器)645构成。此外，如图7(a)、图7(b)所示，专利文献2中的波导形波长选择开关使用了 MEMS (Micro Electro Mechanical System 微电子机械系统)微镜701。在此成为在一个 基板702上配置5个波导形分光器703，进一步重叠了 5个基板702的结构。专利文献1 美国专利申请公开第2006/67611号说明书专利文献2 美国专利第7088882号说明书

发明内容
图6的现有技术中有以下问题点。(1)因为使用块状的光栅642，所以虽然具有用1个就能够进行分光的优点，但块 状的光栅642的尺寸大，难以小型化。(2)在各输入输出光纤601 606中使用准直透镜阵列610，准直透镜阵列610和 输入输出光纤601 606的调整非常严，在组装上需要较多的时间，并且，为了在准直透镜 阵列610中抑制像差，需要是非球面形状，价格大幅度增加。(3)由于是复杂的光学系统，各光学零件的价格以及组装成本变大、低价格化就变 得困难。在图7的现有技术中，有以下问题点。(1)基本上在一个基板702上平面地配置了多个波导形分光器703。在使用MEMS 微镜701时，由于取大的反射角度，所以虽然能够形成这种结构，但如果将其应用在本发明 的波长域光开关中，因为LCOS SLM的反射角度小，所以性能显著恶化。此外，在现有技术中， 由于增加进行开关的端口数，所以在厚度方向上层叠数个(在本例中是5个)形成了在平 面上配置的各波导形分光器703的基板702，对每一个基板使用在垂直方向上集光的透镜 阵列704。但是，透镜阵列704和各波导形分光器703的调整非常严格，在组装上需要较多 的时间，并且，为了在透镜阵列704中抑制像差则需要非球面形状，价格大幅度增加。越是 缩小透镜阵列704，其困难度越明显，小型化极为困难。
(2)层叠的基板702的波导形分光器703的分光特性(分波波长或中心波长)的 偏差在分波间隔的以下，例如在分波间隔为Inm时需要与0. Olnm以下严密一致，控制这 样的状况在现有的精细加工精度中非常困难，成品率也非常低。作为在图6和图7的现有技术中共同的问题点，由于使用透镜阵列，其要求的像差 非常严格，需要非球面形状担导致价格提高。此外，透镜阵列和光纤(或各波导形分光器) 的调整非常严格，存在批量生产非常困难的缺点。因此，本发明的目的是解决上述课题，提供一种波导形波长域光开关，该波导形波 长域光开关能够使用廉价的透镜，能够修正多个的波导形分光回路的分波波长的偏差。为了达成上述目的，本发明具备集成元件，其在厚度方向上层叠3个以上的波导 形分光回路，该波导形分光回路具有用于入射或出射光的一条以上的输入输出波导、与该 输入输出波导连接的平板波导、以及由与该平板波导连接的多个波导构成的阵列波导，在 厚度方向上并排每个所述阵列波导的多个波导的入射出射端；第1透镜，其配置在到所述 集成元件的所述入射出射端的距离为Fl的位置上，使从所述入射出射端出射的光聚焦的 焦点距离为Fl ；偏振光分离元件，其配置在到所述第1透镜的距离为Fl的位置上，把从所 述集成元件的所述入射出射端出射并透过所述第1透镜的光分离为相互垂直的X偏振光和 Y偏振光来出射；第2透镜，其面向所述偏振光分离元件地配置在到所述偏振光分离元件的 距离为F2的位置上，分别使所述X偏振光和Y偏振光聚焦的焦点距离为F2 ；1/2波长板，仅 使从所述第2透镜出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方的偏振光在空间上旋转90度，由 此使偏振光方向相同；第1反射型光相位调制器，其配置在到所述第2透镜的距离为F2的 位置上，并且，把从所述第2透镜出射并经由所述1/2波长板出射的所述一方的偏振光和从 所述第2透镜出射的另一方的偏振光反射到所述第2透镜；以及第2反射型光相位调制器， 其面向所述第2透镜地配置在与所述偏振光分离元件相同的一侧，并且到所述第2透镜的 距离为F2的位置上，用于使从所述第1反射型光相位调制器反射来的光入射到所述波导形 分光回路中的某一个。所述集成元件层叠的所述波导形分光回路彼此的间隔可以为5 μ m到100 μ m的范围。可以把所述第1反射型光相位调制器的折射率分布控制成用于对所述各波导形 分光回路的分波波长的不一致进行修正的折射率分布。可以把所述第1反射型光相位调制器的折射率分布控制成使锯齿状的折射率分 布和用于修正所述第1透镜以及所述第2透镜的像差的折射率分布重叠后的折射率分布， 所述锯齿状的折射率分布用于使入射的光束偏振到期望的方向。本发明可以发挥以下的优秀的效果。(1)可以使用便宜的透镜。(2)可以修正多个波导形分光回路的分波波长的偏差。


图1是用于说明表示本发明的一个实施方式的波长域光开关的结构的图，(a)是 全体的立体图、(b)是集成元件的入射出射端放大图、(c)是第1反射型光相位调制器的相 位分布图、(d)是第2反射型光相位调制器中的入射光的光路图、(e)是说明第2反射型光
4相位调制器中的反射角的控制的光路图。图2是用于说明本发明使用的集成元件的结构的图，(a)是俯视图、(b)是合波侧 入射出射端面放大图、(c)是立体图、(d)是分波侧入射出射端面放大图。图3是(a) ⑴是用于说明在本发明中使用的集成元件的制造工序顺序的剖面 概要图。图4中(a) (d)是用于说明在本发明中使用的反射型光相位调制器的结构和控 制的图，(a)是剖面图、(b)是主视图、(c)是表示光相位调制单元的X轴方向的相位变化分 布的图、(d)是表示光相位调制单元的相位变化分布的图、(e)是表示等相位面的光路图。图5是利用了本发明的波长域光开关的通信系统的结构图。图6是现有的波长域光开关的立体图。图7是现有的波导形波长选择开关的图，(a)是俯视图，(b)是侧视图。图8是表示了构成本发明的波长域光开关的各部件的配置关系的侧视图。附图标记100波长域光开关；101光纤；110集成元件；111基板；112芯；113包层；114波导 形分光电路；115输入输出波导；116、平板波导；118阵列波导；130第1透镜；140偏振光分 离元件；150第2透镜；160第1反射型光位相调制器；1701/2波长板；180第2反射型光位 相调制器
具体实施例方式以下，根据附图详细叙述本发明的一实施方式。如图1 (a) 图1 (e)所示，本发明中的波长域光开关100具备集成元件110、第1透 镜130、偏振光分离元件140、第2透镜150、第1反射型光相位调制器160、1/2波长板170、 第2反射型光相位调制器180。集成元件110具有5个输入输出端口 #1 #5，能够将用于输入输出的光纤101连 接在各输入输出端口 #1 #5。无论哪个输入输出端口 #1 #5都能够用作输入端口，还能 够用作输出端口。在本实施方式中，波长域光开关100是具有1个输入端口和4个输出端 口的1X4光开关。根据图2(a) 图2(d)来详细叙述集成元件110的结构。集成元件110是在基板111上层叠了 5个波导形分光回路114而形成的，该波导 形分光回路114是折射率高的芯112被折射率比它低的包层113埋入的结构。波导形分光 回路114具有5条输入输出波导115、与该输入输出波导115连接的仅在厚度方向上封闭的 结构的平板波导116、与该平板波导116连接的按照一定的长短长度依次不同的多个波导 117构成的阵列波导118。波导形分光回路114在基板111的厚度方向上，例如以25μπι的间隔(作为间隔， 在图3(1)中是位于下侧的波导形分光回路114中的芯112的上端与位于上侧的波导形分 光回路114中的芯112的下端之间的距离)临近地层叠5个回路。重合的芯112之间存在 包层113。由此，在集成元件110—侧形成了在基板111的厚度方向(层叠方向)上并排阵 列波导118的各波导117的入射出射端119的分波侧入射出射端面120。此外，在集成元件 110的一侧形成了在基板111的厚度方向上并排各层的多个输入输出波导115的入射出射端121的合波侧入射出射端面122。这样，集成元件110是在平的一个基板111上层叠集成波导形分光回路114而形 成的元件。如图2(b)那样，在合波侧入射出射端面122上，针对5层的波导形分光回路114 中的每一个，分别并排了 5个输入输出波导115的入射出射端121。对于这些入射出射端 121中的，作为输入输出端口 #1 #5使用的端口，连接5条光纤101。形成将5条光纤101 嵌入多条平行的V型槽中的光纤阵列123，使该光纤阵列123相对于集成元件110的上表面 倾斜地安装在合波侧入射出射端面122上。一般已知在这种类型的波导形分光回路中，如果改变输入输出端口，分波波长也 发生变化。但是，在本发明中，通过使用第1反射型光相位调制器160，能够修正变化的分波 波长。另外，对准标记1 在后述的制造方法中用于高精度地层叠各波导形分光回路114 的遮挡对准。根据图3说明集成元件110的制造方法。另外在图3中，将波导形分光回路114 中的芯112的数目省略为2个进行图示。如图3(a)所示，首先在形成第1层的波导形分光回路114时，在由石英玻璃构成 的基板111上用CVD(Chemical Vapor D印osition 化学气相层积法)等方法形成由芯膜 构成的芯玻璃301。把该芯玻璃301的折射率设定为比基板111的石英玻璃高0.2 3%
左右ο如图3(b)所示，为了将芯玻璃301蚀刻为矩形的剖面形状，在芯玻璃301上通过 溅射法等形成金属膜302。如图3 (c)所示，涂覆抗蚀膜303，通过具有对准标记图形304的光掩膜305对抗 蚀膜303进行曝光，形成光阻材料。然后，使该光阻材料显影形成抗蚀图形，然后对金属膜 302进行蚀刻。通过对准标记图形304，能够同时形成第一层的波导形分光回路114和对准 标记124(参照图2(a))，能够高精度地层叠在此之后形成的第2层、第3层...的光回路。如图3(d)所示，在遮蔽金属膜302之后对芯玻璃301进行蚀刻，成为在基板111 上残留第1层的波导形分光回路114的芯112和对准标记(未图示)的状态。如图3(e)所示，通过涂覆形成覆盖芯112的包层膜306。由于包层膜306是石英 玻璃，所以折射率高的芯112的周围被折射率低的石英玻璃所包围。包层膜306的上表面 成为与具有矩形的剖面形状的芯112相对应的凹凸形状。如图3(f)所示，通过 CMP(Chemical Mechanical Polishing 化学机械研磨)研 磨使包层膜306的上表面平坦，形成包层113。如图3 (g) 图3 (1)所示，在包层113上与第1层同样地形成第2层的波导形分光 回路114。此时，使光掩膜305的对准标记图形304与第1层的对准标记位置重合。以下， 通过反复进行同样的步骤，来制造层叠集成了多层的波导形分光回路114的集成元件110。根据上述的集成元件110的制造方法，与使用光学粘接剂来粘接层叠如图3 (f)那 样在基板111上形成了一层波导形分光回路114的元件，来形成集成元件的方法相比，因为 不需要光学粘接剂而节省的相应空间，实现了层叠方向的紧凑化。返回图1的波长域光开关100的说明。如图1 (a)以及图8所示，第1透镜130的中心配置在到集成元件110的入射出射 端120的距离为Fl的位置上。第1透镜130对从集成元件110的波导形分光回路114的入射出射端119出射的光进行集光，具有在集成元件110中的波导形分光回路114的层叠 方向以及宽度方向上准直的功能。作为第1透镜130，存在球面透镜、圆筒透镜等。第1透 镜130的焦点距离在两侧都是F1。位于第1透镜130 —侧的偏振光分离元件140的一个端面配置在到第1透镜130 的中心的距离为Fl的位置上。偏振光分离元件140由沃拉斯顿棱镜构成，在所述集成元件 的层叠方向上，分离相互垂直的X偏振光和Y偏振光。以第2透镜150的上半部分面向偏振光分离元件140的方式，把第2透镜150的 中心配置在到偏振光分离元件140的中心的距离为F2的位置上。第2透镜150分别对X 偏振光和Y偏振光的进行集光，具有在与集成元件110中的基板111平行的方向上准直的 功能。作为第2透镜150，存在球面透镜、圆筒透镜等。第2透镜150的焦点距离在两侧都 是F2。通常的LCOS SLM只能使一个轴向的折射率变化，所以只能使一个轴向的偏振光的 相位变化，例如，在只能使Y轴方向的折射率变化的情况下，只能使Y偏振光的相位变化。 但是，一般而言，光具有X偏振光和Y偏振光的成分，此外它们的比率与时间一起变化。因 此，需要对χ偏振光和Y偏振光同样地进行相位控制。因此，1/2波长板170通过仅使从第 2透镜150出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方偏振光在空间上旋转90度，使偏振光方 向相同，所以在第2透镜150和第1反射型光相位调制器160之间，以仅覆盖一方偏振光的 方式仅配置在X偏振光的光路或Y偏振光的光路的某一方中。位于第2透镜150 —侧的第1反射型光相位调制器160的反射膜404配置在到第 2透镜150的中心的距离为F2的位置。但是，距离F2是厘米级别，构成第1反射型光相位 调制器160的各膜403 408是数微米级别，因此，位于第2透镜150 —侧的第1反射型光 相位调制器160的端面即使配置在到第2透镜150的中心的距离为F2的位置上，实质上也 没有问题。第1反射型光相位调制器160用于对每个元件(cell)，以任意的角度反射通过 第2透镜150集光的Y偏振光、以及使用1/2波长板170对通过第2透镜150集光的X偏 振光进行变换得到的Y偏振光，第1反射型光相位调制器160由多个元件构成，对每个元件 折射率可变。通过未图示的控制回路控制第1反射型光相位调制器160的折射率分布，由 此能够对每个元件赋予反射光的相位变化。第2反射型光相位调制器180和第1反射型光相位调制器160相同地由多个元件 构成，对每个元件折射率可变。通过未图示的控制回路来控制第2反射型光相位调制器180 的折射率分布，能够对每个元件赋予反射光的相位变化。第2反射型光相位调制器180，对 每个元件以任意的角度反射从第1反射型光相位调制器160反射的、通过第2透镜150准 直的光，使其入射到多个波导形分光回路114的某个中。位于第2透镜150 —侧的第2反 射型光相位调制器180的反射膜404，面向第2透镜150的下半部分，配置在与偏振光分离 元件140相同的一侧，到第2透镜150的中心的距离为F2的位置上。但是，根据与第1反 射型光相位调制器160相同的理由，即使位于第2透镜150 —侧的第2反射型光相位调制 器180的端面与第2透镜150的中心的间隔距离为F2，实质上也没有问题。由此，与偏振光 分离元件140大致平行地配置第2反射型光相位调制器180。第1反射型光相位调制器160和第2反射型光相位调制器180不需要使用相同结 构的反射型光相位调制器，但是在此为了将说明简单化，使用相同结构的反射型光相位调制器。根据图4对反射型光相位调制器进行详细叙述。如图4(a)所示，反射型光相位调制器401在形成电路的硅(Si)基板402上依次 层叠有电极(例如ΙΤ0)403、反射膜404、二氧化硅(Si02)膜405、配向膜406、液晶层407、 二氧化硅(Sit)》膜405、电极403、以及薄膜状的玻璃基板408。如图4(b)所示，反射型光相位调制器401具备在纵向横向上排列的多个元件409， 能够独立地控制各元件409的折射率。具体地说，通过对每个元件409施加电压来控制液 晶层407的配向方向(双折射率)，由此，能够对每个元件409调制在反射型光相位调制器 401的上表面入射反射的光束的相位。为了反射入射到反射型光相位调制器401的各元件409内的光束，需要的相位变 化最大是的程度。因此，如图4(c)所示，在X轴方向上排列的元件中，光束被赋予的相 位不超过2 π，并且，设为与图中虚线410表示的直线状的相位分布等价的锯齿状的相位分 布 411。此外，一般在远离透镜的中心部的位置无法理想地集光，产生像差。因此，如图 4(d)所示，在Y轴方向上排列的元件中，通过分别改变对反射型光相位调制器401的各元件 409施加的电压，来赋予抛物线状的相位分布412，以便能够修正第1透镜130以及第2透 镜150的像差导致的集光偏差。赋予在该抛物线状的相位分布412上重叠了 X轴的相位分 布411和同样的锯齿状的相位分布后的相位分布413a、4i;3b、413C。在图4(d)中，虽然在X轴方向上仅示出了三个相位分布413a、4i;3b、413C，但是这 三个分布分别是图4(b)的A-A线、B-B线以及C-C上的分布，实际上，在整个反射型光相位 调制器401中，相位变化形成二维的分布。以A-A线上的分布例如与输入输出端口 #2对应， B-B线上的分布例如与输入输出端口 #3对应的方式，根据波导形分光回路114的层叠位置 X轴方向的位置不同。相位分布413a、413b、413c重叠了修正对应的波导形分光回路114的 分波特性的锯齿状的相位分布和抛物线状的相位分布412。通过对反射型光相位调制器401赋予具有图4(d)所示的相位分布的折射率分布， 各波长的光束的Y轴方向的相位变化，在反射型光相位调制器401出射的角度相互不同。 即，如图4(e)所示，在反射型光相位调制器401中反射的光束的空间传送中的等相位面Li、 L2、L3针对每个波长而不同。由此，能够把来自具有输入端口的波导形分光回路114的光 束中的、预定的波长的光束入射到具有输出端口的期望的波导形分光回路114中。另外，关于在第1反射型光相位调制器160和第2反射型光相位调制器180中使 用的反射型光相位调制器401，希望通过加热器或Peltier元件进行温度控制以便成为恒 定的温度。然后，对本发明的波长域光开关100中的光信号的传送方式和功能进行说明。当从光纤101输入的各种波长的光(波长复用光信号)入射到集成元件110的层 叠方向正中的波导形分光回路114中时，从在分波侧入射出射端面120上并排的各波导117 的入射出射端119，在针对每个波长而不同的方向上，射出光。当这些光通过第1透镜130 时，各波长的光作为相互偏移的平行光入射到偏振光分离元件140中。通过了偏振光分离 元件140的光被分离为X偏振光组和Y偏振光组这两组，并分别入射到第2透镜150的上 半部分。通过了第2透镜150的2个偏振光组(X偏振光组以及Y偏振光组)分别成为平 行光束，并入射到第1反射型光相位调制器160。此时，分离为2组偏振光后的其中一个偏振光组，即X偏振光组在入射到第1反射型光相位调制器160之前，通过1/2波长板170，偏 振方向在空间上旋转90度成为Y偏振光，它们入射到第1反射型光相位调制器160。如此，X偏振光的偏振光组通过1/2波长板170，Y偏振光的偏振光组不通过1/2波 长板170地入射到第1反射型光相位调制器160的理由在于，反射型光相位调制器401仅 对一个偏振光(这里是Y偏振光)起作用(控制反射光的方向)。可以在反射型光相位调 制器401仅对X偏振光起作用时，使Y偏振光通过1/2波长板170。现在，假定光入射到集成元件110的输入输出端口 #1 #5的所有端口的情况。 由于从分波侧入射出射端面120的各入射出射端119出射针对每个波长方向不同的光，所 以在第1反射型光相位调制器160的上半部分，投影通过偏振光分离元件140进行分离，并 且，通过1/2波长板170偏振光方向在空间上旋转了 90度的X偏振光的偏振光组的5个光 束的像#1BU #5BU。在第1反射型光相位调制器160的下半部分，投影通过偏振光分离元 件140分离的Y偏振光的偏振光组的5个光束的像#1BL #5BL。总共10个光束像#1BU #5BU、#1BL #5BL具有与从集成元件110的各波导形 分光回路114出射的光分布相似的形状，其配置上下反转。光束像和光分布相似的原因在 于，光束像是通过2个透镜，即通过第1透镜130和第2透镜150的2次傅里叶变换的关系 的结果。该相似形状的像倍率B通过B = F2/F1给出。这样，投影到第1反射型光相位调 制器160的光分布的相位分布与各波导形分光回路114相同。因此，通过使投影了各光束 的部分的液晶元件的相位分布变化为互补的分布，能够修正到此为止在各光束之间波动的 中心波长。以下使用图1(c)说明。例如，由于光束像#1BU和光束像#1BL是从与端口 #1对应的波导形分光回路114 出射的光分布的变换图像，所以虽然集光位置相互不同，但是振幅、相位相同。该相位分布 由于制造过程的偏差，如图中所示，相对于期望的相位分布(虚线)具有偏差。对此，通过 对第1反射型光相位调制器160施加反转的相位分布，能够与期望的相位分布几乎一致，能 够修正到此为止波动的各波导形分光回路114的相位分布使其几乎完全一致。即，能够修 正5个波导形分光回路114的分波波长(以相位分布的倾斜来决定)使其一致。第1反射型光相位调制器160反射的光透过第2透镜150的下半部分，投影到第2 反射型光相位调制器180上。在此，由于投影的光束像成为来自第1反射型光相位调制器 160的光分布(与来自集成元件110的各波导形分光回路114的光分布相似)的傅里叶变 换图像，所以如果投影到第ι反射型光相位调制器160上的光束像为将X轴作为长轴的椭 圆高斯分布，则投影到第2反射型光相位调制器180上的光束像成为使旋转了 90度的Y轴 成为长轴的椭圆分布，各波长的光投影到与Y轴上的各波长对应的位置。因为在第1反射 型光相位调制器160中进行相位修正，使各波导形分光回路114的分波波长全部一致，所以 当观察每个波长时总计10个(包含到偏振光)光分布成为1个光分布，投影到第2反射型 的光相位调制器180。在图1 (d)中表示了各10个的光束入射到第2反射型光相位调制器180的情况。 通过偏振光分离元件140被分离为2个组的偏振光组内的1个偏振光组(与光束像#1BU #5BU相对应的光束#1DU #5DU)以从上向下倾斜的方向入射到第2反射型光相位调制器 180中，另1个偏振光组(与光束像#1BL #5BL相对应的光束#1DL #5DL)以从下向上 倾斜的方向入射到第2反射型光相位调制器180中。在各自的偏振光组内，各光束间的入
9射角度差根据各波导形分光回路114层叠的间隔来决定，如果是等间隔的层叠那么入射角 度差成为相同的角度α。另外，如图1(d)所示，设分离为2个组的偏振光组之间的角度为θ 。第2反射型光相位调制器180由多个液晶元件构成，通过使各元件的折射率变化， 能够实现虚拟的反射镜。如图1(e)所示，如果使该虚拟的反射镜的镜面的角度Φ从垂直面 向下方倾斜角度α (φ = α时)，那么光束(#1DL)反射为光束(#2DU)的角度，光束(#1DU) 反射成为光束(#2DL)。S卩，在图1(e)中实线表示的光束(#1DL、#1DU)向虚线表示的光束 (#2DU、#2DL)切换。在此，再次返回波长域光开关100中的光信号的传送方法的说明。这里，波长域光 开关100是1 X 4光开关，将正中的输入输出端口 #1用作输入端口，把剩余的输入输出端口 #2 #5作为输出端口。此外在此，着重说明通过波导形分光回路114分光的一个波长。从光纤101入射到作为输入端口的正中的输入输出端口 #1的光，通过波导形分光 回路114被分光。其中一个波长的光，经过第1透镜130通过偏振光分离元件140被分离 为2个光。该2个光中的一方通过第2透镜150和1/2波长板170，另一方仅通过第2透 镜150成为相同的偏振光，然后投影到第1反射型光相位调制器160(光束像#1BU、#1BL)。 在该投影的2束光接受了相位修正之后，被反射，再次通过第2透镜150，以分别不同的角度 入射到第2反射型光相位调制180 (光束#1DU、#1DL)。两束光在第2反射型光相位调制器 180上投影为一个光分布。在此，如图1(e)所示，通过对第2反射型光相位调制器180赋予适当的倾斜的相 位分布，例如，光束#1DL变成光束#2DU，被反射，在图1所示的光路中逆行。S卩，变成光束 #2DU被反射的光成为第1反射型光相位调制器160上的光束像#2BU，被反射。成为该光束像#2BU被反射的光在通过1/2波长板170偏振光旋转90度之后，通 过第2透镜150、偏振光分离元件140，然后入射到与输入输出端口 #2连接的波导形分光回 路114中，从输入输出端口 #2输出。—方面，在第2反射型光相位调制器180中，光束#1DU成为光束#2DL，被反射，在 图1所示的光路中逆行。即，成为光束#2DL被反射的光成为第1反射型光相位调制器160 上的光束像#2BL，被反射。成为该光束像#2BL被反射的光在通过了第2透镜150、偏振光分离元件140之后， 入射到与输入输出端口 #2连接的波导形分光回路114中，从输入输出端口 #2输出。根据以上所述，将入射到输入输出端口 #1的光与X偏振光、Y偏振光一同从输入 输出端口 #2出射的转换结束。这样，能够不依赖于输入的偏振光而进行切换。这里，虽然说明了从输入输出端口 #1向输入输出端口 #2的切换，但是通过改变给 予第2反射型光相位调制器180的相位分布的倾斜，能够进行从输入输出端口 #1向输入输 出端口 #3、#4、#5的切换。即，在将虚拟的反射镜面的角度设为Φ、将各光束的入射角度差设为α、将偏振 光组之间的角度设为θ时，在Φ = 0时，光束#1DU以角度θ +4 α进行反射变成光束#1DL,光束#1DL以角度 θ+4α进行反射变成光束#1DU，来自输入输出端口 #1的光返回输入输出端口 #1。这相当 于没有切换。
在φ = α /2时，光束#1DU以角度θ +5 α进行反射而变成光束#3DL，光束#1DL以 角度θ+3α进行反射而变成光束#3DU，来自输入输出端口 #1的光返回输入输出端口 #3。 即，成为从输入输出端口 #1向输入输出端口 #3的切换。在Φ = α时，如前所述，光束#1DU以角度θ+6 α进行反射而变成光束#2DL，光 束#1DL以角度θ+2 α进行反射而变成光束#2DU，来自输入输出端口 #1的光返回输入输出 端口 #2。即，成为从输入输出端口 #1向输入输出端口 #2的切换。在φ = - α /2时，光束#1DU以角度θ +3 α进行反射而变成光束#4DL，光束#1DL 以角度θ+5α进行反射而变成光束#4DU，来自输入输出端口 #1的光返回输入输出端口 #4。即，成为从输入输出端口 #1向输入输出端口 #4的切换。在φ = - α时，光束#1DU以角度θ +2 α进行反射而变成光束#5DL，光束#1DL以 角度θ+6α进行反射而变成光束#5DU，来自输入输出端口 #1的光返回输入输出端口 #5。 即，成为从输入输出端口 #1向输入输出端口 #5的切换。此外，向第2反射型光相位调制器180投影了多个波长的光，通过对投影的各波长 区域的元件组独立地控制相位分布，能够独立地切换各波长的光。如以上说明的，根据本发明，在来自层叠的多个波导形分光回路114的集光中，不 使用现有技术中存在缺点并且高价的非球面形状的透镜阵列，使用廉价的一个第1透镜 130，所以成本低。使之成为可能的原因在于，使用了层叠后的波导形分光回路114之间的 间隔与5 μ m 10 μ m极其接近地层叠集成的集成元件110。这样的层叠间隔只能通过光刻 法、干法刻蚀等与半导体LSI相同的精细加工技术来实现。如以往一样，当重叠多个光纤阵 列时层叠间隔是百微米，当重合多个波导时，波导间的间隔是数千微米，为了收敛为实用的 尺寸，透镜阵列的使用是不可缺少的。此外，在根据与LSI相同的精细加工技术来制作的集成元件110中，使层叠的各波 导形分光回路114的分波波长(中心波长)严密一致是很重要的(分波间隔的以下)， 在不一致的情况下，产生非常大的损失。在以往的精细加工精度中非常困难，在制作了集成 元件110之后，需要以某种方法来修正的技术。在本发明中，使用第1反射型光相位调制器 160，进行波面修正，以使从层叠的各波导形分光回路114出射的光分别变成相同的分波波 长。由此，使用通过精细加工技术制作出的集成元件110开始成为可能。根据本发明，能够实现具有低价格、小型、高性能、柔性的波长域光开关，因此，能 够大幅度地提高今后的光系统、光网络。然后，说明本发明的其它实施方法。来自波导形分光回路114的出射光是椭圆形状的光分布，因此，在该椭圆率大的 情况下，也可以在第1透镜130中使用的半圆锥体的圆柱透镜。此外，也可以使用组合了半 圆锥体的圆柱透镜的透镜。在图1所示的波长域光开关100中，虽然使用2个三维透镜(第1透镜130和第 2透镜150)，但是，也可以组合半圆锥体的二维透镜来实现。此外，廉价的透镜容易含有像差。因此，如上所述的实施方式那样，通过使第2反 射型光相位调制器180的各元件具有修正相差的相位分布，可以修正透镜的像差。在上述的实施方式中，在集成元件110中层叠了 5层波导形分光回路114，但是如 果层叠3层便能够形成1个输入2个输出的光开关，如果是3层以上可以层叠任意层数，能够形成ι个输入2个以上输出的光开关。 然后，表示本发明的波长域光开关100的使用方法。如图5所示，波长域光开关 100在城域核心网(metro core) 501的各节点中使用，除了通常的光信号的分插(光add/ drop)系统之外，也能够应用到光的交叉连接系统中。另外，虽然现有的波长域光开关在干 线系统或城域核心网这样较大规模系统中使用，但是，根据本发明能够大幅减低成本，能够 导入面向城域网边界(metro edge)、接入系统的大范围的系统、与光网络的革新的发展相 连。
权利要求
1.一种波长域光开关，其特征在于，具备集成元件，其在厚度方向上层叠3个以上的波导形分光回路，该波导形分光回路具有 用于入射或出射光的一条以上的输入输出波导、与该输入输出波导连接的平板波导、和由 与该平板波导连接的多个波导构成的阵列波导，在厚度方向上并排每个所述阵列波导的多 个波导的入射出射端；第1透镜，其配置在到所述集成元件的所述入射出射端的距离为Fl的位置上，使从所 述入射出射端出射的光聚焦的焦点距离为Fl ；偏振光分离元件，其配置在到所述第1透镜的距离为Fl的位置上，把从所述集成元件 的所述入射出射端出射并透过所述第1透镜的光分离为相互垂直的X偏振光和Y偏振光来 出射；第2透镜，其面向所述偏振光分离元件地配置在到所述偏振光分离元件的距离为F2的 位置上，分别使所述X偏振光和Y偏振光聚焦的焦点距离为F2 ；1/2波长板，仅使从所述第2透镜出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方的偏振光在空 间上旋转90度，由此使偏振光方向相同；第1反射型光相位调制器，其配置在到所述第2透镜的距离为F2的位置上，并且，把从 所述第2透镜出射并经由所述1/2波长板出射的所述一方的偏振光和从所述第2透镜出射 的另一方的偏振光反射到所述第2透镜；以及第2反射型光相位调制器，其面向所述第2透镜地配置在与所述偏振光分离元件相同 的一侧，并且到所述第2透镜的距离为F2的位置上，用于使从所述第1反射型光相位调制 器反射来的光入射到所述波导形分光回路中的某一个。
2.根据权利要求1所述的波长域光开关，其特征在于，所述集成元件层叠的所述波导形分光回路彼此的间隔为5 μ m到100 μ m的范围。
3.根据权利要求1或2所述的波长域光开关，其特征在于，把所述第1反射型光相位调制器的折射率分布控制成用于对所述各波导形分光回路 的分波波长的不一致进行修正的折射率分布。
4.根据权利要求1 3的任意一项所述的波长域光开关，其特征在于，把所述第1反射型光相位调制器的折射率分布控制成使锯齿状的折射率分布和用于 修正所述第1透镜以及所述第2透镜的像差的折射率分布重叠后的折射率分布，所述锯齿 状的折射率分布用于使入射的光束偏振到期望的方向。
全文摘要
本发明提供一种波导形波长域光开关，其能够使用廉价的透镜，能够修正多个波导形分光回路的分波波长的偏差。具备层叠了3个以上的波导形分光回路的集成元件、对从集成元件出射的光进行集光的第1透镜、把来自第1透镜的光分离为X偏振光和Y偏振光以不同的角度出射的偏振光分离元件、对这些X偏振光和Y偏振光进行集光的第2透镜、将集光后的X偏振光和Y偏振光以任意角度反射的第1反射型光相位调制器、在第2透镜和第1反射型光相位调制器之间使X偏振光和Y偏振光的偏振光方向相同的1/2波长板、用于使来自第1反射型光相位调制器的光入射到某个波导形分光回路的第2反射型光相位调制器。
文档编号G02B6/293GK102135644SQ20111003141
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月26日 优先权日2010年1月27日
发明者上塚尚登, 反本启介, 挟间寿文, 森雅彦, 河岛整, 津田裕之, 石川浩, 金高健二 申请人:学校法人庆应义塾, 日立电线株式会社, 独立行政法人产业技术综合研究所