專利名稱：波長(zhǎng)域光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長(zhǎng)域光開關(guān)，該波長(zhǎng)域光開關(guān)能夠使用廉價(jià)的透鏡，能夠修正 多個(gè)波導(dǎo)形分光回路的分波波長(zhǎng)的偏差，其不依賴于入射的光的偏振光。
背景技術(shù)：
如圖6所示，專利文獻(xiàn)1的波長(zhǎng)域光開關(guān)600由輸入輸出光纖601 606、準(zhǔn)直透 鏡陣列610、用于不依賴水平偏振光(y偏振光)和垂直偏振光(χ偏振光)之間的特性的由 2個(gè)三角形的棱鏡616和617所構(gòu)成的沃拉斯頓(Wollaston)棱鏡615、用于使所述水平偏 振光和垂直偏振光之間的相位差為零的雙折射率板620、由1/2波長(zhǎng)板部分6 和未對(duì)偏 振光造成影響的部分627構(gòu)成的1/2波長(zhǎng)板單元625、凹面鏡630、柱面鏡635、具有邊緣棱 鏡(edg印rism)641的光柵642、用于使光垂直彎曲的棱鏡646、LCOS SLM(Liquid crystal OnSi Spatial Light Modulator :基于硅基板上的液晶空間光調(diào)制器)645構(gòu)成。此外，如圖7(a)、圖7(b)所示，專利文獻(xiàn)2中的波導(dǎo)形波長(zhǎng)選擇開關(guān)使用了 MEMS (Micro Electro Mechanical System 微電子機(jī)械系統(tǒng))微鏡701。在此成為在一個(gè) 基板702上配置5個(gè)波導(dǎo)形分光器703，進(jìn)一步重疊了 5個(gè)基板702的結(jié)構(gòu)。專利文獻(xiàn)1 美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2006/67611號(hào)說明書專利文獻(xiàn)2 美國(guó)專利第7088882號(hào)說明書

發(fā)明內(nèi)容
圖6的現(xiàn)有技術(shù)中有以下問題點(diǎn)。(1)因?yàn)槭褂脡K狀的光柵642，所以雖然具有用1個(gè)就能夠進(jìn)行分光的優(yōu)點(diǎn)，但塊 狀的光柵642的尺寸大，難以小型化。(2)在各輸入輸出光纖601 606中使用準(zhǔn)直透鏡陣列610，準(zhǔn)直透鏡陣列610和 輸入輸出光纖601 606的調(diào)整非常嚴(yán)，在組裝上需要較多的時(shí)間，并且，為了在準(zhǔn)直透鏡 陣列610中抑制像差，需要是非球面形狀，價(jià)格大幅度增加。(3)由于是復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，各光學(xué)零件的價(jià)格以及組裝成本變大、低價(jià)格化就變 得困難。在圖7的現(xiàn)有技術(shù)中，有以下問題點(diǎn)。(1)基本上在一個(gè)基板702上平面地配置了多個(gè)波導(dǎo)形分光器703。在使用MEMS 微鏡701時(shí)，由于取大的反射角度，所以雖然能夠形成這種結(jié)構(gòu)，但如果將其應(yīng)用在本發(fā)明 的波長(zhǎng)域光開關(guān)中，因?yàn)長(zhǎng)COS SLM的反射角度小，所以性能顯著惡化。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中， 由于增加進(jìn)行開關(guān)的端口數(shù)，所以在厚度方向上層疊數(shù)個(gè)(在本例中是5個(gè))形成了在平 面上配置的各波導(dǎo)形分光器703的基板702，對(duì)每一個(gè)基板使用在垂直方向上集光的透鏡 陣列704。但是，透鏡陣列704和各波導(dǎo)形分光器703的調(diào)整非常嚴(yán)格，在組裝上需要較多 的時(shí)間，并且，為了在透鏡陣列704中抑制像差則需要非球面形狀，價(jià)格大幅度增加。越是 縮小透鏡陣列704，其困難度越明顯，小型化極為困難。
(2)層疊的基板702的波導(dǎo)形分光器703的分光特性(分波波長(zhǎng)或中心波長(zhǎng))的 偏差在分波間隔的以下，例如在分波間隔為Inm時(shí)需要與0. Olnm以下嚴(yán)密一致，控制這 樣的狀況在現(xiàn)有的精細(xì)加工精度中非常困難，成品率也非常低。作為在圖6和圖7的現(xiàn)有技術(shù)中共同的問題點(diǎn)，由于使用透鏡陣列，其要求的像差 非常嚴(yán)格，需要非球面形狀擔(dān)導(dǎo)致價(jià)格提高。此外，透鏡陣列和光纖(或各波導(dǎo)形分光器) 的調(diào)整非常嚴(yán)格，存在批量生產(chǎn)非常困難的缺點(diǎn)。因此，本發(fā)明的目的是解決上述課題，提供一種波導(dǎo)形波長(zhǎng)域光開關(guān)，該波導(dǎo)形波 長(zhǎng)域光開關(guān)能夠使用廉價(jià)的透鏡，能夠修正多個(gè)的波導(dǎo)形分光回路的分波波長(zhǎng)的偏差。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明具備集成元件，其在厚度方向上層疊3個(gè)以上的波導(dǎo) 形分光回路，該波導(dǎo)形分光回路具有用于入射或出射光的一條以上的輸入輸出波導(dǎo)、與該 輸入輸出波導(dǎo)連接的平板波導(dǎo)、以及由與該平板波導(dǎo)連接的多個(gè)波導(dǎo)構(gòu)成的陣列波導(dǎo)，在 厚度方向上并排每個(gè)所述陣列波導(dǎo)的多個(gè)波導(dǎo)的入射出射端；第1透鏡，其配置在到所述 集成元件的所述入射出射端的距離為Fl的位置上，使從所述入射出射端出射的光聚焦的 焦點(diǎn)距離為Fl ；偏振光分離元件，其配置在到所述第1透鏡的距離為Fl的位置上，把從所 述集成元件的所述入射出射端出射并透過所述第1透鏡的光分離為相互垂直的X偏振光和 Y偏振光來出射；第2透鏡，其面向所述偏振光分離元件地配置在到所述偏振光分離元件的 距離為F2的位置上，分別使所述X偏振光和Y偏振光聚焦的焦點(diǎn)距離為F2 ；1/2波長(zhǎng)板，僅 使從所述第2透鏡出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方的偏振光在空間上旋轉(zhuǎn)90度，由 此使偏振光方向相同；第1反射型光相位調(diào)制器，其配置在到所述第2透鏡的距離為F2的 位置上，并且，把從所述第2透鏡出射并經(jīng)由所述1/2波長(zhǎng)板出射的所述一方的偏振光和從 所述第2透鏡出射的另一方的偏振光反射到所述第2透鏡；以及第2反射型光相位調(diào)制器， 其面向所述第2透鏡地配置在與所述偏振光分離元件相同的一側(cè)，并且到所述第2透鏡的 距離為F2的位置上，用于使從所述第1反射型光相位調(diào)制器反射來的光入射到所述波導(dǎo)形 分光回路中的某一個(gè)。所述集成元件層疊的所述波導(dǎo)形分光回路彼此的間隔可以為5 μ m到100 μ m的范圍?？梢园阉龅?反射型光相位調(diào)制器的折射率分布控制成用于對(duì)所述各波導(dǎo)形 分光回路的分波波長(zhǎng)的不一致進(jìn)行修正的折射率分布?？梢园阉龅?反射型光相位調(diào)制器的折射率分布控制成使鋸齒狀的折射率分 布和用于修正所述第1透鏡以及所述第2透鏡的像差的折射率分布重疊后的折射率分布， 所述鋸齒狀的折射率分布用于使入射的光束偏振到期望的方向。本發(fā)明可以發(fā)揮以下的優(yōu)秀的效果。(1)可以使用便宜的透鏡。(2)可以修正多個(gè)波導(dǎo)形分光回路的分波波長(zhǎng)的偏差。


圖1是用于說明表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的波長(zhǎng)域光開關(guān)的結(jié)構(gòu)的圖，(a)是 全體的立體圖、(b)是集成元件的入射出射端放大圖、(c)是第1反射型光相位調(diào)制器的相 位分布圖、(d)是第2反射型光相位調(diào)制器中的入射光的光路圖、(e)是說明第2反射型光
4相位調(diào)制器中的反射角的控制的光路圖。圖2是用于說明本發(fā)明使用的集成元件的結(jié)構(gòu)的圖，(a)是俯視圖、(b)是合波側(cè) 入射出射端面放大圖、(c)是立體圖、(d)是分波側(cè)入射出射端面放大圖。圖3是(a) ⑴是用于說明在本發(fā)明中使用的集成元件的制造工序順序的剖面 概要圖。圖4中(a) (d)是用于說明在本發(fā)明中使用的反射型光相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)和控 制的圖，(a)是剖面圖、(b)是主視圖、(c)是表示光相位調(diào)制單元的X軸方向的相位變化分 布的圖、(d)是表示光相位調(diào)制單元的相位變化分布的圖、(e)是表示等相位面的光路圖。圖5是利用了本發(fā)明的波長(zhǎng)域光開關(guān)的通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖6是現(xiàn)有的波長(zhǎng)域光開關(guān)的立體圖。圖7是現(xiàn)有的波導(dǎo)形波長(zhǎng)選擇開關(guān)的圖，(a)是俯視圖，(b)是側(cè)視圖。圖8是表示了構(gòu)成本發(fā)明的波長(zhǎng)域光開關(guān)的各部件的配置關(guān)系的側(cè)視圖。附圖標(biāo)記100波長(zhǎng)域光開關(guān)；101光纖；110集成元件；111基板；112芯；113包層；114波導(dǎo) 形分光電路；115輸入輸出波導(dǎo)；116、平板波導(dǎo)；118陣列波導(dǎo)；130第1透鏡；140偏振光分 離元件；150第2透鏡；160第1反射型光位相調(diào)制器；1701/2波長(zhǎng)板；180第2反射型光位 相調(diào)制器
具體實(shí)施例方式以下，根據(jù)附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的一實(shí)施方式。如圖1 (a) 圖1 (e)所示，本發(fā)明中的波長(zhǎng)域光開關(guān)100具備集成元件110、第1透 鏡130、偏振光分離元件140、第2透鏡150、第1反射型光相位調(diào)制器160、1/2波長(zhǎng)板170、 第2反射型光相位調(diào)制器180。集成元件110具有5個(gè)輸入輸出端口 #1 #5，能夠?qū)⒂糜谳斎胼敵龅墓饫w101連 接在各輸入輸出端口 #1 #5。無論哪個(gè)輸入輸出端口 #1 #5都能夠用作輸入端口，還能 夠用作輸出端口。在本實(shí)施方式中，波長(zhǎng)域光開關(guān)100是具有1個(gè)輸入端口和4個(gè)輸出端 口的1X4光開關(guān)。根據(jù)圖2(a) 圖2(d)來詳細(xì)敘述集成元件110的結(jié)構(gòu)。集成元件110是在基板111上層疊了 5個(gè)波導(dǎo)形分光回路114而形成的，該波導(dǎo) 形分光回路114是折射率高的芯112被折射率比它低的包層113埋入的結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)形分光 回路114具有5條輸入輸出波導(dǎo)115、與該輸入輸出波導(dǎo)115連接的僅在厚度方向上封閉的 結(jié)構(gòu)的平板波導(dǎo)116、與該平板波導(dǎo)116連接的按照一定的長(zhǎng)短長(zhǎng)度依次不同的多個(gè)波導(dǎo) 117構(gòu)成的陣列波導(dǎo)118。波導(dǎo)形分光回路114在基板111的厚度方向上，例如以25μπι的間隔(作為間隔， 在圖3(1)中是位于下側(cè)的波導(dǎo)形分光回路114中的芯112的上端與位于上側(cè)的波導(dǎo)形分 光回路114中的芯112的下端之間的距離)臨近地層疊5個(gè)回路。重合的芯112之間存在 包層113。由此，在集成元件110—側(cè)形成了在基板111的厚度方向(層疊方向)上并排陣 列波導(dǎo)118的各波導(dǎo)117的入射出射端119的分波側(cè)入射出射端面120。此外，在集成元件 110的一側(cè)形成了在基板111的厚度方向上并排各層的多個(gè)輸入輸出波導(dǎo)115的入射出射端121的合波側(cè)入射出射端面122。這樣，集成元件110是在平的一個(gè)基板111上層疊集成波導(dǎo)形分光回路114而形 成的元件。如圖2(b)那樣，在合波側(cè)入射出射端面122上，針對(duì)5層的波導(dǎo)形分光回路114 中的每一個(gè)，分別并排了 5個(gè)輸入輸出波導(dǎo)115的入射出射端121。對(duì)于這些入射出射端 121中的，作為輸入輸出端口 #1 #5使用的端口，連接5條光纖101。形成將5條光纖101 嵌入多條平行的V型槽中的光纖陣列123，使該光纖陣列123相對(duì)于集成元件110的上表面 傾斜地安裝在合波側(cè)入射出射端面122上。一般已知在這種類型的波導(dǎo)形分光回路中，如果改變輸入輸出端口，分波波長(zhǎng)也 發(fā)生變化。但是，在本發(fā)明中，通過使用第1反射型光相位調(diào)制器160，能夠修正變化的分波 波長(zhǎng)。另外，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記1 在后述的制造方法中用于高精度地層疊各波導(dǎo)形分光回路114 的遮擋對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)圖3說明集成元件110的制造方法。另外在圖3中，將波導(dǎo)形分光回路114 中的芯112的數(shù)目省略為2個(gè)進(jìn)行圖示。如圖3(a)所示，首先在形成第1層的波導(dǎo)形分光回路114時(shí)，在由石英玻璃構(gòu)成 的基板111上用CVD(Chemical Vapor D印osition 化學(xué)氣相層積法)等方法形成由芯膜 構(gòu)成的芯玻璃301。把該芯玻璃301的折射率設(shè)定為比基板111的石英玻璃高0.2 3%
左右ο如圖3(b)所示，為了將芯玻璃301蝕刻為矩形的剖面形狀，在芯玻璃301上通過 濺射法等形成金屬膜302。如圖3 (c)所示，涂覆抗蝕膜303，通過具有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形304的光掩膜305對(duì)抗 蝕膜303進(jìn)行曝光，形成光阻材料。然后，使該光阻材料顯影形成抗蝕圖形，然后對(duì)金屬膜 302進(jìn)行蝕刻。通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形304，能夠同時(shí)形成第一層的波導(dǎo)形分光回路114和對(duì)準(zhǔn) 標(biāo)記124(參照?qǐng)D2(a))，能夠高精度地層疊在此之后形成的第2層、第3層...的光回路。如圖3(d)所示，在遮蔽金屬膜302之后對(duì)芯玻璃301進(jìn)行蝕刻，成為在基板111 上殘留第1層的波導(dǎo)形分光回路114的芯112和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(未圖示)的狀態(tài)。如圖3(e)所示，通過涂覆形成覆蓋芯112的包層膜306。由于包層膜306是石英 玻璃，所以折射率高的芯112的周圍被折射率低的石英玻璃所包圍。包層膜306的上表面 成為與具有矩形的剖面形狀的芯112相對(duì)應(yīng)的凹凸形狀。如圖3(f)所示，通過 CMP(Chemical Mechanical Polishing 化學(xué)機(jī)械研磨)研 磨使包層膜306的上表面平坦，形成包層113。如圖3 (g) 圖3 (1)所示，在包層113上與第1層同樣地形成第2層的波導(dǎo)形分光 回路114。此時(shí)，使光掩膜305的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記圖形304與第1層的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記位置重合。以下， 通過反復(fù)進(jìn)行同樣的步驟，來制造層疊集成了多層的波導(dǎo)形分光回路114的集成元件110。根據(jù)上述的集成元件110的制造方法，與使用光學(xué)粘接劑來粘接層疊如圖3 (f)那 樣在基板111上形成了一層波導(dǎo)形分光回路114的元件，來形成集成元件的方法相比，因?yàn)?不需要光學(xué)粘接劑而節(jié)省的相應(yīng)空間，實(shí)現(xiàn)了層疊方向的緊湊化。返回圖1的波長(zhǎng)域光開關(guān)100的說明。如圖1 (a)以及圖8所示，第1透鏡130的中心配置在到集成元件110的入射出射 端120的距離為Fl的位置上。第1透鏡130對(duì)從集成元件110的波導(dǎo)形分光回路114的入射出射端119出射的光進(jìn)行集光，具有在集成元件110中的波導(dǎo)形分光回路114的層疊 方向以及寬度方向上準(zhǔn)直的功能。作為第1透鏡130，存在球面透鏡、圓筒透鏡等。第1透 鏡130的焦點(diǎn)距離在兩側(cè)都是F1。位于第1透鏡130 —側(cè)的偏振光分離元件140的一個(gè)端面配置在到第1透鏡130 的中心的距離為Fl的位置上。偏振光分離元件140由沃拉斯頓棱鏡構(gòu)成，在所述集成元件 的層疊方向上，分離相互垂直的X偏振光和Y偏振光。以第2透鏡150的上半部分面向偏振光分離元件140的方式，把第2透鏡150的 中心配置在到偏振光分離元件140的中心的距離為F2的位置上。第2透鏡150分別對(duì)X 偏振光和Y偏振光的進(jìn)行集光，具有在與集成元件110中的基板111平行的方向上準(zhǔn)直的 功能。作為第2透鏡150，存在球面透鏡、圓筒透鏡等。第2透鏡150的焦點(diǎn)距離在兩側(cè)都 是F2。通常的LCOS SLM只能使一個(gè)軸向的折射率變化，所以只能使一個(gè)軸向的偏振光的 相位變化，例如，在只能使Y軸方向的折射率變化的情況下，只能使Y偏振光的相位變化。 但是，一般而言，光具有X偏振光和Y偏振光的成分，此外它們的比率與時(shí)間一起變化。因 此，需要對(duì)χ偏振光和Y偏振光同樣地進(jìn)行相位控制。因此，1/2波長(zhǎng)板170通過僅使從第 2透鏡150出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方偏振光在空間上旋轉(zhuǎn)90度，使偏振光方 向相同，所以在第2透鏡150和第1反射型光相位調(diào)制器160之間，以僅覆蓋一方偏振光的 方式僅配置在X偏振光的光路或Y偏振光的光路的某一方中。位于第2透鏡150 —側(cè)的第1反射型光相位調(diào)制器160的反射膜404配置在到第 2透鏡150的中心的距離為F2的位置。但是，距離F2是厘米級(jí)別，構(gòu)成第1反射型光相位 調(diào)制器160的各膜403 408是數(shù)微米級(jí)別，因此，位于第2透鏡150 —側(cè)的第1反射型光 相位調(diào)制器160的端面即使配置在到第2透鏡150的中心的距離為F2的位置上，實(shí)質(zhì)上也 沒有問題。第1反射型光相位調(diào)制器160用于對(duì)每個(gè)元件(cell)，以任意的角度反射通過 第2透鏡150集光的Y偏振光、以及使用1/2波長(zhǎng)板170對(duì)通過第2透鏡150集光的X偏 振光進(jìn)行變換得到的Y偏振光，第1反射型光相位調(diào)制器160由多個(gè)元件構(gòu)成，對(duì)每個(gè)元件 折射率可變。通過未圖示的控制回路控制第1反射型光相位調(diào)制器160的折射率分布，由 此能夠?qū)γ總€(gè)元件賦予反射光的相位變化。第2反射型光相位調(diào)制器180和第1反射型光相位調(diào)制器160相同地由多個(gè)元件 構(gòu)成，對(duì)每個(gè)元件折射率可變。通過未圖示的控制回路來控制第2反射型光相位調(diào)制器180 的折射率分布，能夠?qū)γ總€(gè)元件賦予反射光的相位變化。第2反射型光相位調(diào)制器180，對(duì) 每個(gè)元件以任意的角度反射從第1反射型光相位調(diào)制器160反射的、通過第2透鏡150準(zhǔn) 直的光，使其入射到多個(gè)波導(dǎo)形分光回路114的某個(gè)中。位于第2透鏡150 —側(cè)的第2反 射型光相位調(diào)制器180的反射膜404，面向第2透鏡150的下半部分，配置在與偏振光分離 元件140相同的一側(cè)，到第2透鏡150的中心的距離為F2的位置上。但是，根據(jù)與第1反 射型光相位調(diào)制器160相同的理由，即使位于第2透鏡150 —側(cè)的第2反射型光相位調(diào)制 器180的端面與第2透鏡150的中心的間隔距離為F2，實(shí)質(zhì)上也沒有問題。由此，與偏振光 分離元件140大致平行地配置第2反射型光相位調(diào)制器180。第1反射型光相位調(diào)制器160和第2反射型光相位調(diào)制器180不需要使用相同結(jié) 構(gòu)的反射型光相位調(diào)制器，但是在此為了將說明簡(jiǎn)單化，使用相同結(jié)構(gòu)的反射型光相位調(diào)制器。根據(jù)圖4對(duì)反射型光相位調(diào)制器進(jìn)行詳細(xì)敘述。如圖4(a)所示，反射型光相位調(diào)制器401在形成電路的硅(Si)基板402上依次 層疊有電極(例如ΙΤ0)403、反射膜404、二氧化硅(Si02)膜405、配向膜406、液晶層407、 二氧化硅(Sit)》膜405、電極403、以及薄膜狀的玻璃基板408。如圖4(b)所示，反射型光相位調(diào)制器401具備在縱向橫向上排列的多個(gè)元件409， 能夠獨(dú)立地控制各元件409的折射率。具體地說，通過對(duì)每個(gè)元件409施加電壓來控制液 晶層407的配向方向(雙折射率)，由此，能夠?qū)γ總€(gè)元件409調(diào)制在反射型光相位調(diào)制器 401的上表面入射反射的光束的相位。為了反射入射到反射型光相位調(diào)制器401的各元件409內(nèi)的光束，需要的相位變 化最大是的程度。因此，如圖4(c)所示，在X軸方向上排列的元件中，光束被賦予的相 位不超過2 π，并且，設(shè)為與圖中虛線410表示的直線狀的相位分布等價(jià)的鋸齒狀的相位分 布 411。此外，一般在遠(yuǎn)離透鏡的中心部的位置無法理想地集光，產(chǎn)生像差。因此，如圖 4(d)所示，在Y軸方向上排列的元件中，通過分別改變對(duì)反射型光相位調(diào)制器401的各元件 409施加的電壓，來賦予拋物線狀的相位分布412，以便能夠修正第1透鏡130以及第2透 鏡150的像差導(dǎo)致的集光偏差。賦予在該拋物線狀的相位分布412上重疊了 X軸的相位分 布411和同樣的鋸齒狀的相位分布后的相位分布413a、4i;3b、413C。在圖4(d)中，雖然在X軸方向上僅示出了三個(gè)相位分布413a、4i;3b、413C，但是這 三個(gè)分布分別是圖4(b)的A-A線、B-B線以及C-C上的分布，實(shí)際上，在整個(gè)反射型光相位 調(diào)制器401中，相位變化形成二維的分布。以A-A線上的分布例如與輸入輸出端口 #2對(duì)應(yīng)， B-B線上的分布例如與輸入輸出端口 #3對(duì)應(yīng)的方式，根據(jù)波導(dǎo)形分光回路114的層疊位置 X軸方向的位置不同。相位分布413a、413b、413c重疊了修正對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)形分光回路114的 分波特性的鋸齒狀的相位分布和拋物線狀的相位分布412。通過對(duì)反射型光相位調(diào)制器401賦予具有圖4(d)所示的相位分布的折射率分布， 各波長(zhǎng)的光束的Y軸方向的相位變化，在反射型光相位調(diào)制器401出射的角度相互不同。 即，如圖4(e)所示，在反射型光相位調(diào)制器401中反射的光束的空間傳送中的等相位面Li、 L2、L3針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)而不同。由此，能夠把來自具有輸入端口的波導(dǎo)形分光回路114的光 束中的、預(yù)定的波長(zhǎng)的光束入射到具有輸出端口的期望的波導(dǎo)形分光回路114中。另外，關(guān)于在第1反射型光相位調(diào)制器160和第2反射型光相位調(diào)制器180中使 用的反射型光相位調(diào)制器401，希望通過加熱器或Peltier元件進(jìn)行溫度控制以便成為恒 定的溫度。然后，對(duì)本發(fā)明的波長(zhǎng)域光開關(guān)100中的光信號(hào)的傳送方式和功能進(jìn)行說明。當(dāng)從光纖101輸入的各種波長(zhǎng)的光(波長(zhǎng)復(fù)用光信號(hào))入射到集成元件110的層 疊方向正中的波導(dǎo)形分光回路114中時(shí)，從在分波側(cè)入射出射端面120上并排的各波導(dǎo)117 的入射出射端119，在針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)而不同的方向上，射出光。當(dāng)這些光通過第1透鏡130 時(shí)，各波長(zhǎng)的光作為相互偏移的平行光入射到偏振光分離元件140中。通過了偏振光分離 元件140的光被分離為X偏振光組和Y偏振光組這兩組，并分別入射到第2透鏡150的上 半部分。通過了第2透鏡150的2個(gè)偏振光組(X偏振光組以及Y偏振光組)分別成為平 行光束，并入射到第1反射型光相位調(diào)制器160。此時(shí)，分離為2組偏振光后的其中一個(gè)偏振光組，即X偏振光組在入射到第1反射型光相位調(diào)制器160之前，通過1/2波長(zhǎng)板170，偏 振方向在空間上旋轉(zhuǎn)90度成為Y偏振光，它們?nèi)肷涞降?反射型光相位調(diào)制器160。如此，X偏振光的偏振光組通過1/2波長(zhǎng)板170，Y偏振光的偏振光組不通過1/2波 長(zhǎng)板170地入射到第1反射型光相位調(diào)制器160的理由在于，反射型光相位調(diào)制器401僅 對(duì)一個(gè)偏振光(這里是Y偏振光)起作用(控制反射光的方向)?？梢栽诜瓷湫凸庀辔徽{(diào) 制器401僅對(duì)X偏振光起作用時(shí)，使Y偏振光通過1/2波長(zhǎng)板170?，F(xiàn)在，假定光入射到集成元件110的輸入輸出端口 #1 #5的所有端口的情況。 由于從分波側(cè)入射出射端面120的各入射出射端119出射針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)方向不同的光，所 以在第1反射型光相位調(diào)制器160的上半部分，投影通過偏振光分離元件140進(jìn)行分離，并 且，通過1/2波長(zhǎng)板170偏振光方向在空間上旋轉(zhuǎn)了 90度的X偏振光的偏振光組的5個(gè)光 束的像#1BU #5BU。在第1反射型光相位調(diào)制器160的下半部分，投影通過偏振光分離元 件140分離的Y偏振光的偏振光組的5個(gè)光束的像#1BL #5BL。總共10個(gè)光束像#1BU #5BU、#1BL #5BL具有與從集成元件110的各波導(dǎo)形 分光回路114出射的光分布相似的形狀，其配置上下反轉(zhuǎn)。光束像和光分布相似的原因在 于，光束像是通過2個(gè)透鏡，即通過第1透鏡130和第2透鏡150的2次傅里葉變換的關(guān)系 的結(jié)果。該相似形狀的像倍率B通過B = F2/F1給出。這樣，投影到第1反射型光相位調(diào) 制器160的光分布的相位分布與各波導(dǎo)形分光回路114相同。因此，通過使投影了各光束 的部分的液晶元件的相位分布變化為互補(bǔ)的分布，能夠修正到此為止在各光束之間波動(dòng)的 中心波長(zhǎng)。以下使用圖1(c)說明。例如，由于光束像#1BU和光束像#1BL是從與端口 #1對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)形分光回路114 出射的光分布的變換圖像，所以雖然集光位置相互不同，但是振幅、相位相同。該相位分布 由于制造過程的偏差，如圖中所示，相對(duì)于期望的相位分布(虛線)具有偏差。對(duì)此，通過 對(duì)第1反射型光相位調(diào)制器160施加反轉(zhuǎn)的相位分布，能夠與期望的相位分布幾乎一致，能 夠修正到此為止波動(dòng)的各波導(dǎo)形分光回路114的相位分布使其幾乎完全一致。即，能夠修 正5個(gè)波導(dǎo)形分光回路114的分波波長(zhǎng)(以相位分布的傾斜來決定)使其一致。第1反射型光相位調(diào)制器160反射的光透過第2透鏡150的下半部分，投影到第2 反射型光相位調(diào)制器180上。在此，由于投影的光束像成為來自第1反射型光相位調(diào)制器 160的光分布(與來自集成元件110的各波導(dǎo)形分光回路114的光分布相似)的傅里葉變 換圖像，所以如果投影到第ι反射型光相位調(diào)制器160上的光束像為將X軸作為長(zhǎng)軸的橢 圓高斯分布，則投影到第2反射型光相位調(diào)制器180上的光束像成為使旋轉(zhuǎn)了 90度的Y軸 成為長(zhǎng)軸的橢圓分布，各波長(zhǎng)的光投影到與Y軸上的各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的位置。因?yàn)樵诘?反射 型光相位調(diào)制器160中進(jìn)行相位修正，使各波導(dǎo)形分光回路114的分波波長(zhǎng)全部一致，所以 當(dāng)觀察每個(gè)波長(zhǎng)時(shí)總計(jì)10個(gè)(包含到偏振光)光分布成為1個(gè)光分布，投影到第2反射型 的光相位調(diào)制器180。在圖1 (d)中表示了各10個(gè)的光束入射到第2反射型光相位調(diào)制器180的情況。 通過偏振光分離元件140被分離為2個(gè)組的偏振光組內(nèi)的1個(gè)偏振光組(與光束像#1BU #5BU相對(duì)應(yīng)的光束#1DU #5DU)以從上向下傾斜的方向入射到第2反射型光相位調(diào)制器 180中，另1個(gè)偏振光組(與光束像#1BL #5BL相對(duì)應(yīng)的光束#1DL #5DL)以從下向上 傾斜的方向入射到第2反射型光相位調(diào)制器180中。在各自的偏振光組內(nèi)，各光束間的入
9射角度差根據(jù)各波導(dǎo)形分光回路114層疊的間隔來決定，如果是等間隔的層疊那么入射角 度差成為相同的角度α。另外，如圖1(d)所示，設(shè)分離為2個(gè)組的偏振光組之間的角度為θ 。第2反射型光相位調(diào)制器180由多個(gè)液晶元件構(gòu)成，通過使各元件的折射率變化， 能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬的反射鏡。如圖1(e)所示，如果使該虛擬的反射鏡的鏡面的角度Φ從垂直面 向下方傾斜角度α (φ = α?xí)r)，那么光束(#1DL)反射為光束(#2DU)的角度，光束(#1DU) 反射成為光束(#2DL)。S卩，在圖1(e)中實(shí)線表示的光束(#1DL、#1DU)向虛線表示的光束 (#2DU、#2DL)切換。在此，再次返回波長(zhǎng)域光開關(guān)100中的光信號(hào)的傳送方法的說明。這里，波長(zhǎng)域光 開關(guān)100是1 X 4光開關(guān)，將正中的輸入輸出端口 #1用作輸入端口，把剩余的輸入輸出端口 #2 #5作為輸出端口。此外在此，著重說明通過波導(dǎo)形分光回路114分光的一個(gè)波長(zhǎng)。從光纖101入射到作為輸入端口的正中的輸入輸出端口 #1的光，通過波導(dǎo)形分光 回路114被分光。其中一個(gè)波長(zhǎng)的光，經(jīng)過第1透鏡130通過偏振光分離元件140被分離 為2個(gè)光。該2個(gè)光中的一方通過第2透鏡150和1/2波長(zhǎng)板170，另一方僅通過第2透 鏡150成為相同的偏振光，然后投影到第1反射型光相位調(diào)制器160(光束像#1BU、#1BL)。 在該投影的2束光接受了相位修正之后，被反射，再次通過第2透鏡150，以分別不同的角度 入射到第2反射型光相位調(diào)制180 (光束#1DU、#1DL)。兩束光在第2反射型光相位調(diào)制器 180上投影為一個(gè)光分布。在此，如圖1(e)所示，通過對(duì)第2反射型光相位調(diào)制器180賦予適當(dāng)?shù)膬A斜的相 位分布，例如，光束#1DL變成光束#2DU，被反射，在圖1所示的光路中逆行。S卩，變成光束 #2DU被反射的光成為第1反射型光相位調(diào)制器160上的光束像#2BU，被反射。成為該光束像#2BU被反射的光在通過1/2波長(zhǎng)板170偏振光旋轉(zhuǎn)90度之后，通 過第2透鏡150、偏振光分離元件140，然后入射到與輸入輸出端口 #2連接的波導(dǎo)形分光回 路114中，從輸入輸出端口 #2輸出?！矫?，在第2反射型光相位調(diào)制器180中，光束#1DU成為光束#2DL，被反射，在 圖1所示的光路中逆行。即，成為光束#2DL被反射的光成為第1反射型光相位調(diào)制器160 上的光束像#2BL，被反射。成為該光束像#2BL被反射的光在通過了第2透鏡150、偏振光分離元件140之后， 入射到與輸入輸出端口 #2連接的波導(dǎo)形分光回路114中，從輸入輸出端口 #2輸出。根據(jù)以上所述，將入射到輸入輸出端口 #1的光與X偏振光、Y偏振光一同從輸入 輸出端口 #2出射的轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣，能夠不依賴于輸入的偏振光而進(jìn)行切換。這里，雖然說明了從輸入輸出端口 #1向輸入輸出端口 #2的切換，但是通過改變給 予第2反射型光相位調(diào)制器180的相位分布的傾斜，能夠進(jìn)行從輸入輸出端口 #1向輸入輸 出端口 #3、#4、#5的切換。即，在將虛擬的反射鏡面的角度設(shè)為Φ、將各光束的入射角度差設(shè)為α、將偏振 光組之間的角度設(shè)為θ時(shí)，在Φ = 0時(shí)，光束#1DU以角度θ +4 α進(jìn)行反射變成光束#1DL,光束#1DL以角度 θ+4α進(jìn)行反射變成光束#1DU，來自輸入輸出端口 #1的光返回輸入輸出端口 #1。這相當(dāng) 于沒有切換。
在φ = α /2時(shí)，光束#1DU以角度θ +5 α進(jìn)行反射而變成光束#3DL，光束#1DL以 角度θ+3α進(jìn)行反射而變成光束#3DU，來自輸入輸出端口 #1的光返回輸入輸出端口 #3。 即，成為從輸入輸出端口 #1向輸入輸出端口 #3的切換。在Φ = α?xí)r，如前所述，光束#1DU以角度θ+6 α進(jìn)行反射而變成光束#2DL，光 束#1DL以角度θ+2 α進(jìn)行反射而變成光束#2DU，來自輸入輸出端口 #1的光返回輸入輸出 端口 #2。即，成為從輸入輸出端口 #1向輸入輸出端口 #2的切換。在φ = - α /2時(shí)，光束#1DU以角度θ +3 α進(jìn)行反射而變成光束#4DL，光束#1DL 以角度θ+5α進(jìn)行反射而變成光束#4DU，來自輸入輸出端口 #1的光返回輸入輸出端口 #4。即，成為從輸入輸出端口 #1向輸入輸出端口 #4的切換。在φ = - α?xí)r，光束#1DU以角度θ +2 α進(jìn)行反射而變成光束#5DL，光束#1DL以 角度θ+6α進(jìn)行反射而變成光束#5DU，來自輸入輸出端口 #1的光返回輸入輸出端口 #5。 即，成為從輸入輸出端口 #1向輸入輸出端口 #5的切換。此外，向第2反射型光相位調(diào)制器180投影了多個(gè)波長(zhǎng)的光，通過對(duì)投影的各波長(zhǎng) 區(qū)域的元件組獨(dú)立地控制相位分布，能夠獨(dú)立地切換各波長(zhǎng)的光。如以上說明的，根據(jù)本發(fā)明，在來自層疊的多個(gè)波導(dǎo)形分光回路114的集光中，不 使用現(xiàn)有技術(shù)中存在缺點(diǎn)并且高價(jià)的非球面形狀的透鏡陣列，使用廉價(jià)的一個(gè)第1透鏡 130，所以成本低。使之成為可能的原因在于，使用了層疊后的波導(dǎo)形分光回路114之間的 間隔與5 μ m 10 μ m極其接近地層疊集成的集成元件110。這樣的層疊間隔只能通過光刻 法、干法刻蝕等與半導(dǎo)體LSI相同的精細(xì)加工技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如以往一樣，當(dāng)重疊多個(gè)光纖陣 列時(shí)層疊間隔是百微米，當(dāng)重合多個(gè)波導(dǎo)時(shí)，波導(dǎo)間的間隔是數(shù)千微米，為了收斂為實(shí)用的 尺寸，透鏡陣列的使用是不可缺少的。此外，在根據(jù)與LSI相同的精細(xì)加工技術(shù)來制作的集成元件110中，使層疊的各波 導(dǎo)形分光回路114的分波波長(zhǎng)(中心波長(zhǎng))嚴(yán)密一致是很重要的(分波間隔的以下)， 在不一致的情況下，產(chǎn)生非常大的損失。在以往的精細(xì)加工精度中非常困難，在制作了集成 元件110之后，需要以某種方法來修正的技術(shù)。在本發(fā)明中，使用第1反射型光相位調(diào)制器 160，進(jìn)行波面修正，以使從層疊的各波導(dǎo)形分光回路114出射的光分別變成相同的分波波 長(zhǎng)。由此，使用通過精細(xì)加工技術(shù)制作出的集成元件110開始成為可能。根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)具有低價(jià)格、小型、高性能、柔性的波長(zhǎng)域光開關(guān)，因此，能 夠大幅度地提高今后的光系統(tǒng)、光網(wǎng)絡(luò)。然后，說明本發(fā)明的其它實(shí)施方法。來自波導(dǎo)形分光回路114的出射光是橢圓形狀的光分布，因此，在該橢圓率大的 情況下，也可以在第1透鏡130中使用的半圓錐體的圓柱透鏡。此外，也可以使用組合了半 圓錐體的圓柱透鏡的透鏡。在圖1所示的波長(zhǎng)域光開關(guān)100中，雖然使用2個(gè)三維透鏡(第1透鏡130和第 2透鏡150)，但是，也可以組合半圓錐體的二維透鏡來實(shí)現(xiàn)。此外，廉價(jià)的透鏡容易含有像差。因此，如上所述的實(shí)施方式那樣，通過使第2反 射型光相位調(diào)制器180的各元件具有修正相差的相位分布，可以修正透鏡的像差。在上述的實(shí)施方式中，在集成元件110中層疊了 5層波導(dǎo)形分光回路114，但是如 果層疊3層便能夠形成1個(gè)輸入2個(gè)輸出的光開關(guān)，如果是3層以上可以層疊任意層數(shù)，能夠形成ι個(gè)輸入2個(gè)以上輸出的光開關(guān)。 然后，表示本發(fā)明的波長(zhǎng)域光開關(guān)100的使用方法。如圖5所示，波長(zhǎng)域光開關(guān) 100在城域核心網(wǎng)(metro core) 501的各節(jié)點(diǎn)中使用，除了通常的光信號(hào)的分插(光add/ drop)系統(tǒng)之外，也能夠應(yīng)用到光的交叉連接系統(tǒng)中。另外，雖然現(xiàn)有的波長(zhǎng)域光開關(guān)在干 線系統(tǒng)或城域核心網(wǎng)這樣較大規(guī)模系統(tǒng)中使用，但是，根據(jù)本發(fā)明能夠大幅減低成本，能夠 導(dǎo)入面向城域網(wǎng)邊界(metro edge)、接入系統(tǒng)的大范圍的系統(tǒng)、與光網(wǎng)絡(luò)的革新的發(fā)展相 連。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)域光開關(guān)，其特征在于，具備集成元件，其在厚度方向上層疊3個(gè)以上的波導(dǎo)形分光回路，該波導(dǎo)形分光回路具有 用于入射或出射光的一條以上的輸入輸出波導(dǎo)、與該輸入輸出波導(dǎo)連接的平板波導(dǎo)、和由 與該平板波導(dǎo)連接的多個(gè)波導(dǎo)構(gòu)成的陣列波導(dǎo)，在厚度方向上并排每個(gè)所述陣列波導(dǎo)的多 個(gè)波導(dǎo)的入射出射端；第1透鏡，其配置在到所述集成元件的所述入射出射端的距離為Fl的位置上，使從所 述入射出射端出射的光聚焦的焦點(diǎn)距離為Fl ；偏振光分離元件，其配置在到所述第1透鏡的距離為Fl的位置上，把從所述集成元件 的所述入射出射端出射并透過所述第1透鏡的光分離為相互垂直的X偏振光和Y偏振光來 出射；第2透鏡，其面向所述偏振光分離元件地配置在到所述偏振光分離元件的距離為F2的 位置上，分別使所述X偏振光和Y偏振光聚焦的焦點(diǎn)距離為F2 ；1/2波長(zhǎng)板，僅使從所述第2透鏡出射的X偏振光和Y偏振光中的某一方的偏振光在空 間上旋轉(zhuǎn)90度，由此使偏振光方向相同；第1反射型光相位調(diào)制器，其配置在到所述第2透鏡的距離為F2的位置上，并且，把從 所述第2透鏡出射并經(jīng)由所述1/2波長(zhǎng)板出射的所述一方的偏振光和從所述第2透鏡出射 的另一方的偏振光反射到所述第2透鏡；以及第2反射型光相位調(diào)制器，其面向所述第2透鏡地配置在與所述偏振光分離元件相同 的一側(cè)，并且到所述第2透鏡的距離為F2的位置上，用于使從所述第1反射型光相位調(diào)制 器反射來的光入射到所述波導(dǎo)形分光回路中的某一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)域光開關(guān)，其特征在于，所述集成元件層疊的所述波導(dǎo)形分光回路彼此的間隔為5 μ m到100 μ m的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波長(zhǎng)域光開關(guān)，其特征在于，把所述第1反射型光相位調(diào)制器的折射率分布控制成用于對(duì)所述各波導(dǎo)形分光回路 的分波波長(zhǎng)的不一致進(jìn)行修正的折射率分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3的任意一項(xiàng)所述的波長(zhǎng)域光開關(guān)，其特征在于，把所述第1反射型光相位調(diào)制器的折射率分布控制成使鋸齒狀的折射率分布和用于 修正所述第1透鏡以及所述第2透鏡的像差的折射率分布重疊后的折射率分布，所述鋸齒 狀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
本發(fā)明提供一種波導(dǎo)形波長(zhǎng)域光開關(guān)，其能夠使用廉價(jià)的透鏡，能夠修正多個(gè)波導(dǎo)形分光回路的分波波長(zhǎng)的偏差。具備層疊了3個(gè)以上的波導(dǎo)形分光回路的集成元件、對(duì)從集成元件出射的光進(jìn)行集光的第1透鏡、把來自第1透鏡的光分離為X偏振光和Y偏振光以不同的角度出射的偏振光分離元件、對(duì)這些X偏振光和Y偏振光進(jìn)行集光的第2透鏡、將集光后的X偏振光和Y偏振光以任意角度反射的第1反射型光相位調(diào)制器、在第2透鏡和第1反射型光相位調(diào)制器之間使X偏振光和Y偏振光的偏振光方向相同的1/2波長(zhǎng)板、用于使來自第1反射型光相位調(diào)制器的光入射到某個(gè)波導(dǎo)形分光回路的第2反射型光相位調(diào)制器。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102135644SQ20111003141
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者上塚尚登, 反本啟介, 挾間壽文, 森雅彥, 河島整, 津田裕之, 石川浩, 金高健二 申請(qǐng)人:學(xué)校法人慶應(yīng)義塾, 日立電線株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所