波長選択スイッチ
【課題】集光レンズの温度変化による膨張及び収縮などで起こる焦点距離の変化を抑えることのできる波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、この光を分散させる分散素子と、分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素によって集光された分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化に対して、集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成する。
【解決手段】波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、この光を分散させる分散素子と、分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素によって集光された分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化に対して、集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
激増するインターネットトラフィックを収容するため、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。近年では、任意の波長を任意の方向に切り替え可能とする波長選択スイッチが注目されている。
【０００３】
図１５、図１６は、波長選択スイッチの概念を示す図である。図１５は、波長選択スイッチ１００を側面から見た図であり、図１６は、波長選択スイッチ１００を上面から見た図である。
波長選択スイッチ１００は、入出力ポートアレイ１１０、レンズアレイ１２０、分散素子１３０、集光レンズ１４０、及び偏向素子１５０を備える。入出力ポートアレイ１１０は、複数のポートにより構成され、各ポートは、入力ポートまたは出力ポートとして機能する。
【０００４】
入出力ポートアレイ１１０の入力ポートから出射した光は、レンズアレイ１２０の中の対応するレンズを経て、分散素子１３０によって波長毎に分散され、集光レンズ１４０によって、偏向素子１５０上に集光される。偏向素子１５０は、一般的に複数のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーで構成されており、ＭＥＭＳミラーを傾ける事によって、入力ポートから出射された光は、出力ポートに入射する。ＭＥＭＳミラーは、例えば、光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合、約４０個のＭＥＭＳミラーが設けられ、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合は、約８０個のＭＥＭＳミラーが設けられる。
【０００５】
波長選択スイッチ１００の性能を示す指標の１つとして透過帯域がある。この透過帯域は各波長に対応したＭＥＭＳミラーに集光する光のスポット径ωとＭＥＭＳミラー幅Ｗの比率（Ｗ／ω）が大きいほど、また、ＭＥＭＳミラーの位置に対するスポットのずれが小さいほど、広くなる。
【０００６】
透過帯域（透過帯域幅）が広いと、対応可能なビットレートの上限を上げることが可能になる。なぜなら、高ビットレートの光はスペクトル幅が広がるが、透過帯域が広ければ、広がった分のスペクトル幅も透過帯域幅内に収まるからである。また、透過帯域が広いと、波長選択スイッチ１００を多段に接続した場合でも、帯域ずれの蓄積量が小さいので、波長選択スイッチ１００の多段接続数を増やすことが可能になる。このように、波長選択スイッチ１００の透過帯域を広くすることで、良好な伝送特性を確保することが可能である。
【０００７】
波長選択スイッチ１００を構成する各要素は温度特性を有しており、初期設定時にＭＥＭＳミラー上での集光位置をＭＥＭＳミラー中心に集光するように一致させたとしても、使用環境等によって温度が変化すると、集光位置がＭＥＭＳミラー中心位置から変動してしまい、透過帯域幅が狭くなってしまうという問題がある。
集光位置のずれを補正する方法として、集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、その固定部材の線膨張によってずれを補正する方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２４９７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の波長選択スイッチにおいては、使用環境等によって温度が変化した場合、集光レンズ１４０の一端のみを固定している固定部材が膨張及び収縮するだけではなく、集光レンズ１４０自体も膨張及び収縮してしまう。その場合、集光位置のずれは、固定部材に近い箇所を通る光線の集光位置と遠い箇所を通る光線の集光位置ではずれ量が違うため、補正量も異なってくる。
【００１０】
また、集光レンズ１４０が固定部材によって一端のみ固定した場合ではなく、両端を固定した場合、及び、中央を固定した場合においても、集光レンズ１４０は使用環境等によって温度が変化すると、膨張及び収縮する。これにより、焦点距離が変化してしまい集光位置のずれが発生してしまう（図１７）。ここで、図１７は、図１６の一部拡大図であって、集光レンズ１４０が中央固定された場合に、集光レンズ１４０の形状が温度変化によって１４０ｂのように膨張して、温度変化によって焦点距離が変化し、集光位置のずれが発生する様子を示す図である。
【００１１】
図１７に示すように、偏向素子１５０における集光位置のずれは、集光レンズ１４０の中央を通る箇所の光よりも集光レンズ１４０の端の箇所を通る光ほど、徐々に大きくなる。このように発生したずれに対しては、集光レンズ１４０を移動させる方法や偏向素子１５０を移動させただけでは、１つの集光位置のずれのみが補正できるだけで、例えば光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合４０個全部を補正することはできない、という問題があった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集光レンズの温度変化による膨張及び収縮などで起こる焦点距離の変化を抑えることのできる波長選択スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のある態様に係る波長選択スイッチは、波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、この光を分散させる分散素子と、分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素によって集光された分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化に対して、集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る波長選択スイッチは、集光レンズの温度変化による膨張及び収縮などで起こる焦点距離の変化を抑えることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す側面図である。
【図２】第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す上面図である。
【図３】第１実施形態のミラーアレイの構成を示す斜視図である。
【図４】Ｘ軸方向にミラーが並んだミラーアレイのうち、３つのミラーを抜き出して示す平面図である。
【図５】横軸に周波数、縦軸に出力をとり、透過帯域を示したグラフである。
【図６】ＳＦ１４で構成した集光レンズについて温度変化に対する焦点距離の変化を示したグラフである。
【図７】常温時及び温度が上昇したときにおける、分散素子からミラーアレイへ向かう光を示す上面図である。
【図８】ＳＦ１４で構成した集光レンズについて温度変化に対する屈折率の変化を示したグラフである。
【図９】いろいろな材料を集光レンズに用いた場合の温度に対する屈折率の変化を示すグラフである。
【図１０】図９に示した材料についての式（２）中の各値の計算結果、及び、式（２）で指定する範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。
【図１１】変形例に係る集光レンズの構成を示す上面図である。
【図１２】別の変形例に係る集光レンズの構成を示す上面図である。
【図１３】図９、図１０に対応する材料の線膨張係数を示す表である。
【図１４】図９及び図１０に対応する様々な材料についての式（３）の各値の計算値及び式（３）の範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。
【図１５】波長選択スイッチの概念を示す図であって、波長選択スイッチを側面から見た図である。
【図１６】波長選択スイッチの概念を示す図であって、波長選択スイッチを上面から見た図である。
【図１７】図１６の一部拡大図であって、集光レンズが中央固定された場合に、温度変化によって焦点距離が変化し、集光位置のずれが発生する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明のある態様に係る波長選択スイッチの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、特許請求の範囲に記載された本発明が限定されるものではない。すなわち、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
図１は、第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す側面図である。図２は、第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す上面図である。
第１実施形態の波長選択スイッチは、光入出力部としての入出力ポート１１、レンズアレイ１２、光分散手段としての分散素子１３、集光素子としての集光レンズ１４、及び、光偏向素子アレイとしてのミラーアレイ１５を有している。
【００１７】
まず、常温時の波長選択スイッチの形態について説明する。
入出力ポート１１は、複数の入出力ポートを備え、例えば図１に示すように、４つの入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、１本の出力ポート１１ｅと、が出力ポート１１ｅを中心に第１方向Ａ１にアレイ状に等間隔で並んだ状態で構成される。入出力ポートの本数、入力ポートと出力ポートの並び等はこの状態で限定されるものではない。また、図２では、１つの入力ポートのみから波長多重された光が入力されている様子を簡略化して示しているが、実際は複数の入力ポートから、波長多重された光が入力される。
【００１８】
レンズアレイ１２は、入出力ポート１１を構成する複数のポートにそれぞれ対応した複数のレンズを有している。入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから出射した光は、レンズアレイ１２を構成するレンズのうち各入力ポートに対応するレンズによって、それぞれがコリメートされた光となり分散素子１３の方向へ出射される。
【００１９】
分散素子１３は、レンズアレイ１２によりコリメートされた光を第１方向Ａ１（図１）に直交する第２方向Ｂ１（図２）において、波長に応じて角度分散させる。分散素子１３に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向Ｂ１において、互いに異なる角度で進行する。
なお、分散素子１３は、図１、図２のような透過型の分散素子のほか、反射型の分散素子を用いても良い。
【００２０】
集光レンズ１４は、焦点距離ｆ１を有している。分散素子１３により分散された各波長の光は、集光レンズ１４によって、ミラーアレイ１５を構成する複数のミラー１５ｍ上にそれぞれ集光する。
ここで、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔は焦点距離ｆ１だけ離れていることが望ましい。なぜなら、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔が焦点距離ｆ１からずれていると、集光レンズ１４から出射した各波長の光のミラー１５ｍへの入射角度が波長ごとに異なってしまう為である。つまり、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔がｆ１であると、集光レンズ１４から出射した光は波長ごとに一致した方向にミラーアレイ１５のミラー１５ｍに向かって進んでいく。
【００２１】
図３は、ミラーアレイ１５の構成を示す斜視図である。
ミラーアレイ１５は、第２方向Ｂ１に配列された複数のミラー１５ｍを有している。各ミラー１５ｍはＸ軸に平行な軸Ｘｍを中心に角度Ｘθ、Ｙ軸に平行な軸Ｙｍを中心に角度Ｙθ、それぞれ独立して回転する事が可能である。ここで、Ｘ軸は第２方向Ｂ１、Ｙ軸は第１方向Ａ１に対応している。
【００２２】
各ミラー１５ｍは、分散素子１３によって波長ごとに異なる方向に分散された光にそれぞれ対応し、ミラー１５ｍの中心にそれぞれの光が集光する。ミラー１５ｍ上に集光される光は、ミラー１５ｍの反射面に対して斜めに入射し、ミラー１５ｍによって、入射方向とは異なった方向に反射される。
【００２３】
ミラーアレイ１５は、各ミラー１５ｍの反射面の中心と集光レンズ１４との間隔が、ｆ１と一致するように配置されている（図２）。ここで、ミラー１５ｍの反射面の中心は、角度Ｘθの回転軸Ｘｍと角度Ｙθの回転軸Ｙｍの交点と略一致することが望ましいが、一致しなくても良い。分散素子１３において分散された光の各波長の光の集光位置を結んだ軸は、Ｘ軸に平行な軸であり、集光レンズ１４の光軸に対して垂直である。図３においては、各波長の光の集光位置を結んだ軸と、回転軸Ｘｍと、は一致する。
【００２４】
ミラーアレイ１５のミラー１５ｍによって反射された光は広がりを持った光束の状態で集光レンズ１４に入射する。各ミラー１５ｍの回転角が同じなので、集光レンズ１４に入射した各波長の光はコリメートされて分散素子１３上の一点に集まる。
分散素子１３によって波長多重されたコリメート光は、レンズアレイ１２のレンズのうち、出力ポート１１ｅに対応したレンズ上に入射し、このレンズから出射した光は出力ポート１１ｅ上に集光する。
【００２５】
次に、波長選択スイッチのミラーと透過帯域の関係を、図４、図５を用いて説明する。図４は、Ｘ軸方向にミラーが並んだミラーアレイ１５のうち、３つのミラー１５ｍ１、１５ｍ２、１５ｍ３を抜き出して示す平面図である。図５は、横軸に周波数、縦軸に出力をとり、透過帯域を示したグラフである。
【００２６】
ミラーアレイ１５のミラー上には、分散素子１３によって分散され、集光レンズ１４によりミラー１５ｍ上に集光された光によるビームスポットが形成される。
ミラーアレイ１５上におけるビームスポットの位置は、各々の波長に従って変化する。一般に、ミラーアレイ１５は、ミラー１５ｍの中心にＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するように、設計・調整される。つまり、ビームスポットの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れるに従って、ビームスポットはミラー中心から離れた位置に形成されることになる。すなわち、図４において、ミラー中心ｍｃのビームスポット１６ａに対して、ビームスポットの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れると、ミラー中心から離れたビームスポット１６ｂ、１６ｃとなる。
ここで、ＩＴＵは国際電気通信連合によって定められたグリッド規格である。
【００２７】
ミラーを用いた波長選択スイッチの場合、分散素子で分散された各波長の光がミラーアレイのミラー上に集光したときに、ミラー端部に入射するビームスポットの一部がミラーからはみ出すことによって、透過率が減少する。透過帯域を、ＩＴＵグリッドに対する透過率が±０．５ｄＢとなる周波数領域（図５）とすると、従来の波長選択スイッチの場合の透過帯域は、ミラー両端で０．５ｄＢ分のビームはみだしが許容制限となる。この場合、マイクロミラー幅Ｗ、分散方向のビームスポット径ω、及び隣接するマイクロミラーとのマイクロミラー中心間隔Ｄが決まれば透過帯域は一義的に決まることになる（図４）。
【００２８】
ミラーアレイ１５は、通常、常温状態で組み立てられる。その際、ミラーの中心にＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するようにミラーアレイ１５は、設計・調整される。しかし、波長選択スイッチは常温時のみ使用されるのではなく、高温時または低温時に使用される可能性があり、その際でも、ミラーの中心にはＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するようにしなければならない。
【００２９】
集光レンズ１４は、温度の上昇によって膨張し、温度の低下によって収縮する性質を持つ材質で構成される。図６は、ＳＦ１４（商標）で構成した集光レンズ１４について温度変化に対する焦点距離の変化を示したグラフである。図７は、常温時（通常時）及び温度が上昇したときにおける、分散素子１３からミラーアレイ１５へ向かう光を示す上面図である。図７においては、常温時と、温度上昇による膨張のみを考慮したとき、の光路の違いを示している。
【００３０】
図６に示す実線（黒い三角形を結んだ線）は、集光レンズ１４の材質がＳＦ１４であり、焦点距離ｆ１が２００ｍｍの場合の温度変化とレンズ形状の膨張及び収縮によって生じる焦点距離の変化を表している。レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化に着目すると、温度が上昇すると焦点距離は大きくなっていることが分かる。また、図７は、高温時において、第１実施形態の集光レンズ１４の形状の変化に着目した場合（すなわち、集光レンズ１４の屈折率が変化していないと仮定した場合）に、ミラーアレイ１５のミラー上に集光する光の集光位置が第２方向Ｂ１方向にずれる様子を示している。そのずれ量ΔＸは、分散素子１３から分散された光線の集光レンズ１４の光軸を基準とした出射角度をθ、温度変化前の焦点距離をｆ１、温度変化後の焦点距離をｆ１’とすると次式（１）で表される。
ΔＸ＝（ｆ１’−ｆ１）ｔａｎθ （１）
【００３１】
上記ずれ量ΔＸは、ｆ１とｆ１’の差が大きいと大きくなり、また、θが大きいと大きくなる。ここで、分散素子１３から分散された光線の集光レンズ１４の光軸を基準とした出射角度θはミラーアレイ１５の大きさによって定められる値の為、θを自由に小さくする事はできない。従って、ずれ量ΔＸを小さくするには、ｆ１とｆ１’の差を小さくすることが有効である。
【００３２】
ここで、上述したとおり、集光レンズ１４の屈折率が変化していないと仮定して、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化に着目して説明した。しかしながら、実際には、集光レンズ１４は、温度上昇によって膨張し、温度低下によって収縮する性質を持つだけではなく、温度変化によって屈折率が変化する性質を持っている。図８は、ＳＦ１４で構成した集光レンズ１４について温度変化に対する屈折率の変化を示したグラフである。
【００３３】
図８から分かるように、温度が上昇すると集光レンズ１４の屈折率は大きくなっている。温度変化によって屈折率が変化すると、それに伴って焦点距離ｆ１も変化する。図６に示す破線（黒い四角形を結んだ線）は、集光レンズ１４の材質がＳＦ１４であり、焦点距離ｆ１が２００ｍｍの場合の温度変化と屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化を表している。図６の破線から、集光レンズの屈折率の変化による焦点距離の変化に着目すると、温度が上昇すると集光レンズ１４の焦点距離ｆ１が小さくなることが分かる。
【００３４】
実際の集光レンズ１４は、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化と、屈折率の変化による焦点距離の変化と、を別々に分離できるものではない。つまり、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化と、屈折率の変化による焦点距離の変化と、を合算したものが、実際の集光レンズ１４の焦点距離の変化を示すものである。
図６の一点鎖線（黒い丸を結んだ線）は、温度変化によって生じる、集光レンズ１４の膨張及び収縮による焦点距離の変化（図６の実線）と、屈折率の変化による焦点距離の変化（図６の破線）と、を合わせて示している。この一点鎖線が、実際の集光レンズ１４の温度変化に対する焦点距離の関係を示している。
そして、この一点鎖線から、温度変化して集光レンズ１４の形状が膨張及び収縮して発生した焦点距離の変化を、温度変化による屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化で打ち消すことによって、温度が変化しても焦点距離がほぼ一定となることが分かる。さらに、上式（１）において、ｆ１≒ｆ１’であるためΔＸ≒０となり、ミラーアレイ１５のミラー上での光の集光位置は温度変化が発生してもずれない。このように、集光レンズ１４は温度変化によって、レンズ形状も変化するが、屈折率も変化する。そして、集光レンズ１４の焦点距離の値は、温度変化によって様々な変化を示す。ここで、温度が変化しても焦点距離をほぼ一定にするには以下の式（２）を満たすことが好ましい。
−２＜（ｄｆ１ａ／ｄＴ）／（ｄｆ１ｂ／ｄＴ）＜０ （２）
【００３５】
上式（２）において、ｄｆ１ａ／ｄＴは温度変化に対する屈折率変化による集光レンズ１４の焦点距離の変化であり、ｄｆ１ｂ／ｄＴは温度変化に対する形状変化による集光レンズ１４の焦点距離の変化である。
図９は、いろいろな材料を集光レンズ１４に用いた場合の温度に対する屈折率の変化を示すグラフである。図９の縦軸は、測定温度における屈折率ｎｔと２０°Ｃにおける屈折率ｎ２０との差である。図９に示すように、集光レンズ１４に用いられる材料は、ＳＦ１４のような温度上昇によって屈折率が大きくなる性質を持つ材料ばかりではない。すなわち、温度上昇によって、屈折率が小さくなる材料や、変化が無い、又は変化が緩い材料等、様々な特性を示す材料が存在する。なお、図９中に示す材料名は、シリコン以外はいずれも商標である。
【００３６】
図１０は、図９に示した材料についての式（２）中の各値の計算結果、及び、式（２）で指定する範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。図１０の判定結果において、○印は式（２）の条件を満たし、×印は式（２）の条件を満たしていないことをそれぞれ示す。
図１０に示すように、材料によって計算結果は様々な値を示している。式（２）の条件を満たす材料で構成した集光レンズ１４を用いれば、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
【００３７】
ここで、集光レンズ１４は、単レンズの正レンズを用いて説明してきたが、これに限定される物ではない。例えば、図１１のような接合レンズタイプの集光レンズ２４や、図１２のような２枚のレンズを使用したタイプの集光レンズ３４や、図示してはいないが複数のレンズを使用したタイプを用いても良い。このような接合レンズや複数のレンズで構成された集光レンズ１４であっても、式（２）を満たす事ができれば、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。なお、集光レンズが複数のレンズにより構成される場合、集光レンズの焦点距離とは、集光レンズを構成する複数のレンズ全体の合成の焦点距離を意味する。ここで、図１１は、変形例に係る集光レンズ２４の構成を示す上面図である。図１２は、別の変形例に係る集光レンズ３４の構成を示す上面図である。
【００３８】
温度変化によって集光レンズ１４の形状が膨張及び収縮する変化量ΔＬは、線膨張係数αを用いて次の式（３）によって求められる。線膨張係数αの値は、図１３に示すように、材質によって様々な値を示している。図１３は、図９、図１０に対応する材料の線膨張係数を示す表である。
ΔＬ＝αΔＴＬ （３）
ここで、ΔＴは温度差、Ｌは基準長さである。基準長さとは、例えば、温度変化する前の集光レンズ１４の光軸上の肉厚や、温度変化する前の集光レンズ１４の曲率半径などが挙げられる。
【００３９】
集光レンズ１４が１つのレンズで構成されている場合、集光レンズ１４の温度変化に対する屈折率変化をｄｎ／ｄｔで表わし、集光レンズ１４の材質として次式（４）のような関係式を満たすような材質を選定するとΔＸ≒０にする事が可能となる。
０＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜１ （４）
【００４０】
ここで、上式（２）〜（４）の物理的な意味について説明する。
レンズの焦点距離ｆは、屈折率ｎ、レンズ厚さｄ、及び曲率半径Ｒによって求めることができ、この３つの値が温度によって変化すれば、焦点距離も変化する。式（２）のｄｆ１ａ／ｄＴは、ある温度における集光レンズ１４の屈折率変化に対する焦点距離の変化であるため、式（４）のｄｎ／ｄＴに対応する。
【００４１】
また、式（２）のｄｆ１ｂ／ｄＴは、ある温度における集光レンズ１４の形状変化に対する焦点距離の変化であって、以下の式（７）、（８）から算出でき、ｄＲ／ｄＴ、ｄｄ／ｄＴに対応する。なお、ｄＲ／ｄＴとは、温度変化に対するレンズの曲率半径の変化を意味し、ｄｄ／ｄＴは、温度変化に対するレンズ厚さの変化を意味する。
ｄＲ＝Ｒ・α・ΔＴ （７）
ｄｄ＝ｄ・α・ΔＴ （８）
したがって、焦点距離の変化ｄｆ１ｂ／ｄＴは線膨張係数αによって求める事ができる。
このように、式（２）から式（４）を式展開で求めなくとも、ｄｆ１ａ／ｄＴがｄｎ／ｄＴに対応し、ｄｆ１ｂ／ｄＴがαに対応することが分かる。
【００４２】
図１４は、図９及び図１０に対応する様々な材料についての式（３）の各値の計算値及び式（３）の範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。図１４に示すように、式（３）の値は材質によって様々な値を示している。図１４の判定結果において、○印は式（３）の条件を満たし、×印は式（３）の条件を満たしていないことをそれぞれ示す。式（３）の条件に入っている材質を選定することにより、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
【００４３】
集光レンズ１４に複数のレンズを使用した場合、単レンズの場合と同様に、それぞれの集光レンズを構成しているレンズが正の焦点距離を持っているときは、レンズの材質を式（４）の関係式を満たした材質を選定すると、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
また、複数のレンズの中に負の焦点距離を持つレンズが含まれているときは、負レンズの材質を次式（５）の関係式を満たした材質を選定する事で、単レンズタイプの集光レンズ１４の場合と同様に、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
−１＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜０ （５）
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明に係る波長選択スイッチは、温度変化による集光レンズの形状変化で起きる焦点距離の変化の影響を抑えたい場合に有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１１ 入出力ポート
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 入力ポート
１１ｅ 出力ポート
１２ レンズアレイ
１３ 分散素子
１４ 集光レンズ
１５ ミラーアレイ
１５ｍ ミラー
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ ビームスポット
２４ 集光レンズ
３４ 集光レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長選択スイッチに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
激増するインターネットトラフィックを収容するため、波長分割多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を中核としたネットワークの光化が急ピッチで進んでいる。近年では、任意の波長を任意の方向に切り替え可能とする波長選択スイッチが注目されている。
【０００３】
図１５、図１６は、波長選択スイッチの概念を示す図である。図１５は、波長選択スイッチ１００を側面から見た図であり、図１６は、波長選択スイッチ１００を上面から見た図である。
波長選択スイッチ１００は、入出力ポートアレイ１１０、レンズアレイ１２０、分散素子１３０、集光レンズ１４０、及び偏向素子１５０を備える。入出力ポートアレイ１１０は、複数のポートにより構成され、各ポートは、入力ポートまたは出力ポートとして機能する。
【０００４】
入出力ポートアレイ１１０の入力ポートから出射した光は、レンズアレイ１２０の中の対応するレンズを経て、分散素子１３０によって波長毎に分散され、集光レンズ１４０によって、偏向素子１５０上に集光される。偏向素子１５０は、一般的に複数のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーで構成されており、ＭＥＭＳミラーを傾ける事によって、入力ポートから出射された光は、出力ポートに入射する。ＭＥＭＳミラーは、例えば、光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合、約４０個のＭＥＭＳミラーが設けられ、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合は、約８０個のＭＥＭＳミラーが設けられる。
【０００５】
波長選択スイッチ１００の性能を示す指標の１つとして透過帯域がある。この透過帯域は各波長に対応したＭＥＭＳミラーに集光する光のスポット径ωとＭＥＭＳミラー幅Ｗの比率（Ｗ／ω）が大きいほど、また、ＭＥＭＳミラーの位置に対するスポットのずれが小さいほど、広くなる。
【０００６】
透過帯域（透過帯域幅）が広いと、対応可能なビットレートの上限を上げることが可能になる。なぜなら、高ビットレートの光はスペクトル幅が広がるが、透過帯域が広ければ、広がった分のスペクトル幅も透過帯域幅内に収まるからである。また、透過帯域が広いと、波長選択スイッチ１００を多段に接続した場合でも、帯域ずれの蓄積量が小さいので、波長選択スイッチ１００の多段接続数を増やすことが可能になる。このように、波長選択スイッチ１００の透過帯域を広くすることで、良好な伝送特性を確保することが可能である。
【０００７】
波長選択スイッチ１００を構成する各要素は温度特性を有しており、初期設定時にＭＥＭＳミラー上での集光位置をＭＥＭＳミラー中心に集光するように一致させたとしても、使用環境等によって温度が変化すると、集光位置がＭＥＭＳミラー中心位置から変動してしまい、透過帯域幅が狭くなってしまうという問題がある。
集光位置のずれを補正する方法として、集光レンズ１４０の一端のみを固定部材によって固定し、その固定部材の線膨張によってずれを補正する方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２４９７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１記載の波長選択スイッチにおいては、使用環境等によって温度が変化した場合、集光レンズ１４０の一端のみを固定している固定部材が膨張及び収縮するだけではなく、集光レンズ１４０自体も膨張及び収縮してしまう。その場合、集光位置のずれは、固定部材に近い箇所を通る光線の集光位置と遠い箇所を通る光線の集光位置ではずれ量が違うため、補正量も異なってくる。
【００１０】
また、集光レンズ１４０が固定部材によって一端のみ固定した場合ではなく、両端を固定した場合、及び、中央を固定した場合においても、集光レンズ１４０は使用環境等によって温度が変化すると、膨張及び収縮する。これにより、焦点距離が変化してしまい集光位置のずれが発生してしまう（図１７）。ここで、図１７は、図１６の一部拡大図であって、集光レンズ１４０が中央固定された場合に、集光レンズ１４０の形状が温度変化によって１４０ｂのように膨張して、温度変化によって焦点距離が変化し、集光位置のずれが発生する様子を示す図である。
【００１１】
図１７に示すように、偏向素子１５０における集光位置のずれは、集光レンズ１４０の中央を通る箇所の光よりも集光レンズ１４０の端の箇所を通る光ほど、徐々に大きくなる。このように発生したずれに対しては、集光レンズ１４０を移動させる方法や偏向素子１５０を移動させただけでは、１つの集光位置のずれのみが補正できるだけで、例えば光周波数間隔が１００ＧＨｚの場合４０個全部を補正することはできない、という問題があった。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、集光レンズの温度変化による膨張及び収縮などで起こる焦点距離の変化を抑えることのできる波長選択スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のある態様に係る波長選択スイッチは、波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、入力部からの光を受光し、この光を分散させる分散素子と、分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、集光要素によって集光された分散光を、波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、光偏向部材によって偏向された分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、温度変化に対して、集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る波長選択スイッチは、集光レンズの温度変化による膨張及び収縮などで起こる焦点距離の変化を抑えることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す側面図である。
【図２】第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す上面図である。
【図３】第１実施形態のミラーアレイの構成を示す斜視図である。
【図４】Ｘ軸方向にミラーが並んだミラーアレイのうち、３つのミラーを抜き出して示す平面図である。
【図５】横軸に周波数、縦軸に出力をとり、透過帯域を示したグラフである。
【図６】ＳＦ１４で構成した集光レンズについて温度変化に対する焦点距離の変化を示したグラフである。
【図７】常温時及び温度が上昇したときにおける、分散素子からミラーアレイへ向かう光を示す上面図である。
【図８】ＳＦ１４で構成した集光レンズについて温度変化に対する屈折率の変化を示したグラフである。
【図９】いろいろな材料を集光レンズに用いた場合の温度に対する屈折率の変化を示すグラフである。
【図１０】図９に示した材料についての式（２）中の各値の計算結果、及び、式（２）で指定する範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。
【図１１】変形例に係る集光レンズの構成を示す上面図である。
【図１２】別の変形例に係る集光レンズの構成を示す上面図である。
【図１３】図９、図１０に対応する材料の線膨張係数を示す表である。
【図１４】図９及び図１０に対応する様々な材料についての式（３）の各値の計算値及び式（３）の範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。
【図１５】波長選択スイッチの概念を示す図であって、波長選択スイッチを側面から見た図である。
【図１６】波長選択スイッチの概念を示す図であって、波長選択スイッチを上面から見た図である。
【図１７】図１６の一部拡大図であって、集光レンズが中央固定された場合に、温度変化によって焦点距離が変化し、集光位置のずれが発生する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明のある態様に係る波長選択スイッチの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、特許請求の範囲に記載された本発明が限定されるものではない。すなわち、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
図１は、第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す側面図である。図２は、第１実施形態の波長選択スイッチの構成を示す上面図である。
第１実施形態の波長選択スイッチは、光入出力部としての入出力ポート１１、レンズアレイ１２、光分散手段としての分散素子１３、集光素子としての集光レンズ１４、及び、光偏向素子アレイとしてのミラーアレイ１５を有している。
【００１７】
まず、常温時の波長選択スイッチの形態について説明する。
入出力ポート１１は、複数の入出力ポートを備え、例えば図１に示すように、４つの入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、１本の出力ポート１１ｅと、が出力ポート１１ｅを中心に第１方向Ａ１にアレイ状に等間隔で並んだ状態で構成される。入出力ポートの本数、入力ポートと出力ポートの並び等はこの状態で限定されるものではない。また、図２では、１つの入力ポートのみから波長多重された光が入力されている様子を簡略化して示しているが、実際は複数の入力ポートから、波長多重された光が入力される。
【００１８】
レンズアレイ１２は、入出力ポート１１を構成する複数のポートにそれぞれ対応した複数のレンズを有している。入力ポート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄから出射した光は、レンズアレイ１２を構成するレンズのうち各入力ポートに対応するレンズによって、それぞれがコリメートされた光となり分散素子１３の方向へ出射される。
【００１９】
分散素子１３は、レンズアレイ１２によりコリメートされた光を第１方向Ａ１（図１）に直交する第２方向Ｂ１（図２）において、波長に応じて角度分散させる。分散素子１３に入射する波長多重された光は、各波長に応じて第２方向Ｂ１において、互いに異なる角度で進行する。
なお、分散素子１３は、図１、図２のような透過型の分散素子のほか、反射型の分散素子を用いても良い。
【００２０】
集光レンズ１４は、焦点距離ｆ１を有している。分散素子１３により分散された各波長の光は、集光レンズ１４によって、ミラーアレイ１５を構成する複数のミラー１５ｍ上にそれぞれ集光する。
ここで、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔は焦点距離ｆ１だけ離れていることが望ましい。なぜなら、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔が焦点距離ｆ１からずれていると、集光レンズ１４から出射した各波長の光のミラー１５ｍへの入射角度が波長ごとに異なってしまう為である。つまり、分散素子１３と集光レンズ１４の間隔がｆ１であると、集光レンズ１４から出射した光は波長ごとに一致した方向にミラーアレイ１５のミラー１５ｍに向かって進んでいく。
【００２１】
図３は、ミラーアレイ１５の構成を示す斜視図である。
ミラーアレイ１５は、第２方向Ｂ１に配列された複数のミラー１５ｍを有している。各ミラー１５ｍはＸ軸に平行な軸Ｘｍを中心に角度Ｘθ、Ｙ軸に平行な軸Ｙｍを中心に角度Ｙθ、それぞれ独立して回転する事が可能である。ここで、Ｘ軸は第２方向Ｂ１、Ｙ軸は第１方向Ａ１に対応している。
【００２２】
各ミラー１５ｍは、分散素子１３によって波長ごとに異なる方向に分散された光にそれぞれ対応し、ミラー１５ｍの中心にそれぞれの光が集光する。ミラー１５ｍ上に集光される光は、ミラー１５ｍの反射面に対して斜めに入射し、ミラー１５ｍによって、入射方向とは異なった方向に反射される。
【００２３】
ミラーアレイ１５は、各ミラー１５ｍの反射面の中心と集光レンズ１４との間隔が、ｆ１と一致するように配置されている（図２）。ここで、ミラー１５ｍの反射面の中心は、角度Ｘθの回転軸Ｘｍと角度Ｙθの回転軸Ｙｍの交点と略一致することが望ましいが、一致しなくても良い。分散素子１３において分散された光の各波長の光の集光位置を結んだ軸は、Ｘ軸に平行な軸であり、集光レンズ１４の光軸に対して垂直である。図３においては、各波長の光の集光位置を結んだ軸と、回転軸Ｘｍと、は一致する。
【００２４】
ミラーアレイ１５のミラー１５ｍによって反射された光は広がりを持った光束の状態で集光レンズ１４に入射する。各ミラー１５ｍの回転角が同じなので、集光レンズ１４に入射した各波長の光はコリメートされて分散素子１３上の一点に集まる。
分散素子１３によって波長多重されたコリメート光は、レンズアレイ１２のレンズのうち、出力ポート１１ｅに対応したレンズ上に入射し、このレンズから出射した光は出力ポート１１ｅ上に集光する。
【００２５】
次に、波長選択スイッチのミラーと透過帯域の関係を、図４、図５を用いて説明する。図４は、Ｘ軸方向にミラーが並んだミラーアレイ１５のうち、３つのミラー１５ｍ１、１５ｍ２、１５ｍ３を抜き出して示す平面図である。図５は、横軸に周波数、縦軸に出力をとり、透過帯域を示したグラフである。
【００２６】
ミラーアレイ１５のミラー上には、分散素子１３によって分散され、集光レンズ１４によりミラー１５ｍ上に集光された光によるビームスポットが形成される。
ミラーアレイ１５上におけるビームスポットの位置は、各々の波長に従って変化する。一般に、ミラーアレイ１５は、ミラー１５ｍの中心にＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するように、設計・調整される。つまり、ビームスポットの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れるに従って、ビームスポットはミラー中心から離れた位置に形成されることになる。すなわち、図４において、ミラー中心ｍｃのビームスポット１６ａに対して、ビームスポットの波長がＩＴＵグリッドの波長から離れると、ミラー中心から離れたビームスポット１６ｂ、１６ｃとなる。
ここで、ＩＴＵは国際電気通信連合によって定められたグリッド規格である。
【００２７】
ミラーを用いた波長選択スイッチの場合、分散素子で分散された各波長の光がミラーアレイのミラー上に集光したときに、ミラー端部に入射するビームスポットの一部がミラーからはみ出すことによって、透過率が減少する。透過帯域を、ＩＴＵグリッドに対する透過率が±０．５ｄＢとなる周波数領域（図５）とすると、従来の波長選択スイッチの場合の透過帯域は、ミラー両端で０．５ｄＢ分のビームはみだしが許容制限となる。この場合、マイクロミラー幅Ｗ、分散方向のビームスポット径ω、及び隣接するマイクロミラーとのマイクロミラー中心間隔Ｄが決まれば透過帯域は一義的に決まることになる（図４）。
【００２８】
ミラーアレイ１５は、通常、常温状態で組み立てられる。その際、ミラーの中心にＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するようにミラーアレイ１５は、設計・調整される。しかし、波長選択スイッチは常温時のみ使用されるのではなく、高温時または低温時に使用される可能性があり、その際でも、ミラーの中心にはＩＴＵグリッドの波長に一致する波長のビームが集光するようにしなければならない。
【００２９】
集光レンズ１４は、温度の上昇によって膨張し、温度の低下によって収縮する性質を持つ材質で構成される。図６は、ＳＦ１４（商標）で構成した集光レンズ１４について温度変化に対する焦点距離の変化を示したグラフである。図７は、常温時（通常時）及び温度が上昇したときにおける、分散素子１３からミラーアレイ１５へ向かう光を示す上面図である。図７においては、常温時と、温度上昇による膨張のみを考慮したとき、の光路の違いを示している。
【００３０】
図６に示す実線（黒い三角形を結んだ線）は、集光レンズ１４の材質がＳＦ１４であり、焦点距離ｆ１が２００ｍｍの場合の温度変化とレンズ形状の膨張及び収縮によって生じる焦点距離の変化を表している。レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化に着目すると、温度が上昇すると焦点距離は大きくなっていることが分かる。また、図７は、高温時において、第１実施形態の集光レンズ１４の形状の変化に着目した場合（すなわち、集光レンズ１４の屈折率が変化していないと仮定した場合）に、ミラーアレイ１５のミラー上に集光する光の集光位置が第２方向Ｂ１方向にずれる様子を示している。そのずれ量ΔＸは、分散素子１３から分散された光線の集光レンズ１４の光軸を基準とした出射角度をθ、温度変化前の焦点距離をｆ１、温度変化後の焦点距離をｆ１’とすると次式（１）で表される。
ΔＸ＝（ｆ１’−ｆ１）ｔａｎθ （１）
【００３１】
上記ずれ量ΔＸは、ｆ１とｆ１’の差が大きいと大きくなり、また、θが大きいと大きくなる。ここで、分散素子１３から分散された光線の集光レンズ１４の光軸を基準とした出射角度θはミラーアレイ１５の大きさによって定められる値の為、θを自由に小さくする事はできない。従って、ずれ量ΔＸを小さくするには、ｆ１とｆ１’の差を小さくすることが有効である。
【００３２】
ここで、上述したとおり、集光レンズ１４の屈折率が変化していないと仮定して、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化に着目して説明した。しかしながら、実際には、集光レンズ１４は、温度上昇によって膨張し、温度低下によって収縮する性質を持つだけではなく、温度変化によって屈折率が変化する性質を持っている。図８は、ＳＦ１４で構成した集光レンズ１４について温度変化に対する屈折率の変化を示したグラフである。
【００３３】
図８から分かるように、温度が上昇すると集光レンズ１４の屈折率は大きくなっている。温度変化によって屈折率が変化すると、それに伴って焦点距離ｆ１も変化する。図６に示す破線（黒い四角形を結んだ線）は、集光レンズ１４の材質がＳＦ１４であり、焦点距離ｆ１が２００ｍｍの場合の温度変化と屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化を表している。図６の破線から、集光レンズの屈折率の変化による焦点距離の変化に着目すると、温度が上昇すると集光レンズ１４の焦点距離ｆ１が小さくなることが分かる。
【００３４】
実際の集光レンズ１４は、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化と、屈折率の変化による焦点距離の変化と、を別々に分離できるものではない。つまり、レンズ形状の膨張及び収縮による焦点距離の変化と、屈折率の変化による焦点距離の変化と、を合算したものが、実際の集光レンズ１４の焦点距離の変化を示すものである。
図６の一点鎖線（黒い丸を結んだ線）は、温度変化によって生じる、集光レンズ１４の膨張及び収縮による焦点距離の変化（図６の実線）と、屈折率の変化による焦点距離の変化（図６の破線）と、を合わせて示している。この一点鎖線が、実際の集光レンズ１４の温度変化に対する焦点距離の関係を示している。
そして、この一点鎖線から、温度変化して集光レンズ１４の形状が膨張及び収縮して発生した焦点距離の変化を、温度変化による屈折率の変化によって生じる焦点距離の変化で打ち消すことによって、温度が変化しても焦点距離がほぼ一定となることが分かる。さらに、上式（１）において、ｆ１≒ｆ１’であるためΔＸ≒０となり、ミラーアレイ１５のミラー上での光の集光位置は温度変化が発生してもずれない。このように、集光レンズ１４は温度変化によって、レンズ形状も変化するが、屈折率も変化する。そして、集光レンズ１４の焦点距離の値は、温度変化によって様々な変化を示す。ここで、温度が変化しても焦点距離をほぼ一定にするには以下の式（２）を満たすことが好ましい。
−２＜（ｄｆ１ａ／ｄＴ）／（ｄｆ１ｂ／ｄＴ）＜０ （２）
【００３５】
上式（２）において、ｄｆ１ａ／ｄＴは温度変化に対する屈折率変化による集光レンズ１４の焦点距離の変化であり、ｄｆ１ｂ／ｄＴは温度変化に対する形状変化による集光レンズ１４の焦点距離の変化である。
図９は、いろいろな材料を集光レンズ１４に用いた場合の温度に対する屈折率の変化を示すグラフである。図９の縦軸は、測定温度における屈折率ｎｔと２０°Ｃにおける屈折率ｎ２０との差である。図９に示すように、集光レンズ１４に用いられる材料は、ＳＦ１４のような温度上昇によって屈折率が大きくなる性質を持つ材料ばかりではない。すなわち、温度上昇によって、屈折率が小さくなる材料や、変化が無い、又は変化が緩い材料等、様々な特性を示す材料が存在する。なお、図９中に示す材料名は、シリコン以外はいずれも商標である。
【００３６】
図１０は、図９に示した材料についての式（２）中の各値の計算結果、及び、式（２）で指定する範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。図１０の判定結果において、○印は式（２）の条件を満たし、×印は式（２）の条件を満たしていないことをそれぞれ示す。
図１０に示すように、材料によって計算結果は様々な値を示している。式（２）の条件を満たす材料で構成した集光レンズ１４を用いれば、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
【００３７】
ここで、集光レンズ１４は、単レンズの正レンズを用いて説明してきたが、これに限定される物ではない。例えば、図１１のような接合レンズタイプの集光レンズ２４や、図１２のような２枚のレンズを使用したタイプの集光レンズ３４や、図示してはいないが複数のレンズを使用したタイプを用いても良い。このような接合レンズや複数のレンズで構成された集光レンズ１４であっても、式（２）を満たす事ができれば、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。なお、集光レンズが複数のレンズにより構成される場合、集光レンズの焦点距離とは、集光レンズを構成する複数のレンズ全体の合成の焦点距離を意味する。ここで、図１１は、変形例に係る集光レンズ２４の構成を示す上面図である。図１２は、別の変形例に係る集光レンズ３４の構成を示す上面図である。
【００３８】
温度変化によって集光レンズ１４の形状が膨張及び収縮する変化量ΔＬは、線膨張係数αを用いて次の式（３）によって求められる。線膨張係数αの値は、図１３に示すように、材質によって様々な値を示している。図１３は、図９、図１０に対応する材料の線膨張係数を示す表である。
ΔＬ＝αΔＴＬ （３）
ここで、ΔＴは温度差、Ｌは基準長さである。基準長さとは、例えば、温度変化する前の集光レンズ１４の光軸上の肉厚や、温度変化する前の集光レンズ１４の曲率半径などが挙げられる。
【００３９】
集光レンズ１４が１つのレンズで構成されている場合、集光レンズ１４の温度変化に対する屈折率変化をｄｎ／ｄｔで表わし、集光レンズ１４の材質として次式（４）のような関係式を満たすような材質を選定するとΔＸ≒０にする事が可能となる。
０＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜１ （４）
【００４０】
ここで、上式（２）〜（４）の物理的な意味について説明する。
レンズの焦点距離ｆは、屈折率ｎ、レンズ厚さｄ、及び曲率半径Ｒによって求めることができ、この３つの値が温度によって変化すれば、焦点距離も変化する。式（２）のｄｆ１ａ／ｄＴは、ある温度における集光レンズ１４の屈折率変化に対する焦点距離の変化であるため、式（４）のｄｎ／ｄＴに対応する。
【００４１】
また、式（２）のｄｆ１ｂ／ｄＴは、ある温度における集光レンズ１４の形状変化に対する焦点距離の変化であって、以下の式（７）、（８）から算出でき、ｄＲ／ｄＴ、ｄｄ／ｄＴに対応する。なお、ｄＲ／ｄＴとは、温度変化に対するレンズの曲率半径の変化を意味し、ｄｄ／ｄＴは、温度変化に対するレンズ厚さの変化を意味する。
ｄＲ＝Ｒ・α・ΔＴ （７）
ｄｄ＝ｄ・α・ΔＴ （８）
したがって、焦点距離の変化ｄｆ１ｂ／ｄＴは線膨張係数αによって求める事ができる。
このように、式（２）から式（４）を式展開で求めなくとも、ｄｆ１ａ／ｄＴがｄｎ／ｄＴに対応し、ｄｆ１ｂ／ｄＴがαに対応することが分かる。
【００４２】
図１４は、図９及び図１０に対応する様々な材料についての式（３）の各値の計算値及び式（３）の範囲を満たすか否かの判定結果を示す表である。図１４に示すように、式（３）の値は材質によって様々な値を示している。図１４の判定結果において、○印は式（３）の条件を満たし、×印は式（３）の条件を満たしていないことをそれぞれ示す。式（３）の条件に入っている材質を選定することにより、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
【００４３】
集光レンズ１４に複数のレンズを使用した場合、単レンズの場合と同様に、それぞれの集光レンズを構成しているレンズが正の焦点距離を持っているときは、レンズの材質を式（４）の関係式を満たした材質を選定すると、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
また、複数のレンズの中に負の焦点距離を持つレンズが含まれているときは、負レンズの材質を次式（５）の関係式を満たした材質を選定する事で、単レンズタイプの集光レンズ１４の場合と同様に、焦点距離の変化をほぼ一定にすることができ、ΔＸ≒０にする事が可能となる。
−１＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜０ （５）
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明に係る波長選択スイッチは、温度変化による集光レンズの形状変化で起きる焦点距離の変化の影響を抑えたい場合に有用である。
【符号の説明】
【００４５】
１１ 入出力ポート
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 入力ポート
１１ｅ 出力ポート
１２ レンズアレイ
１３ 分散素子
１４ 集光レンズ
１５ ミラーアレイ
１５ｍ ミラー
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ ビームスポット
２４ 集光レンズ
３４ 集光レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
前記入力部からの前記光を受光し、前記光を分散させる分散素子と、
前記分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
前記集光要素によって集光された前記分散光を、前記波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
前記光偏向部材によって偏向された前記分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化に対して、前記集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記集光要素の温度変化に対する屈折率変化による焦点距離の変化がｄｆ１ａ／ｄＴ、
前記集光要素の温度変化に対する形状変化による焦点距離の変化がｄｆ１ｂ／ｄＴ、であるときに、次式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
−２＜（ｄｆ１ａ／ｄＴ）／（ｄｆ１ｂ／ｄＴ）＜０ （２）
【請求項３】
前記集光要素は、少なくとも１つの正レンズを含み、
前記正レンズの温度変化に対する屈折率変化がｄｎ／ｄＴ、前記正レンズの線膨張係数がα、であるとき、次式（４）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長選択スイッチ。
０＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜１ （４）
【請求項４】
前記集光要素は、少なくとも１つの負レンズを含み、
前記負レンズの温度変化に対する屈折率変化がｄｎ／ｄＴ、前記負レンズの線膨張係数がα、であるとき、次式（５）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長選択スイッチ。
−１＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜０ （５）
【請求項１】
波長多重された光を入射させる少なくとも一つの入力部と、
前記入力部からの前記光を受光し、前記光を分散させる分散素子と、
前記分散素子により波長ごとに分散された分散光を集光する集光要素と、
前記集光要素によって集光された前記分散光を、前記波長ごとに独立に偏向可能な複数の反射光学素子を有する光偏向部材と、
前記光偏向部材によって偏向された前記分散光を受光する少なくとも一つの出力部と、を備え、
温度変化に対して、前記集光要素の膨張による焦点距離の変化を、屈折率の変化による焦点距離の変化によりほぼ相殺する硝材で構成することを特徴とする波長選択スイッチ。
【請求項２】
前記集光要素の温度変化に対する屈折率変化による焦点距離の変化がｄｆ１ａ／ｄＴ、
前記集光要素の温度変化に対する形状変化による焦点距離の変化がｄｆ１ｂ／ｄＴ、であるときに、次式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の波長選択スイッチ。
−２＜（ｄｆ１ａ／ｄＴ）／（ｄｆ１ｂ／ｄＴ）＜０ （２）
【請求項３】
前記集光要素は、少なくとも１つの正レンズを含み、
前記正レンズの温度変化に対する屈折率変化がｄｎ／ｄＴ、前記正レンズの線膨張係数がα、であるとき、次式（４）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長選択スイッチ。
０＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜１ （４）
【請求項４】
前記集光要素は、少なくとも１つの負レンズを含み、
前記負レンズの温度変化に対する屈折率変化がｄｎ／ｄＴ、前記負レンズの線膨張係数がα、であるとき、次式（５）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長選択スイッチ。
−１＜（ｄｎ／ｄＴ）／α＜０ （５）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１５０３０８（Ｐ２０１２−１５０３０８Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９４４８（Ｐ２０１１−９４４８）
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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