JP2014021190A

JP2014021190A - 波長選択光スイッチ装置及びその特性制御方法

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Publication number: JP2014021190A
Application number: JP2012157518A
Authority: JP
Inventors: Yuji Hotta; 雄二堀田
Original assignee: Sanyo Engineering and Construction Inc
Current assignee: Sanyo Engineering and Construction Inc
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP5678263B2; US8797638B2; US20140016182A1

Abstract

【課題】波長多重光を波長に応じて分波する波長選択光スイッチ装置などに用いられ、マルチレベルの光フェーズドアレイを用いて高分解能での選択を可能とすること。
【解決手段】２次元の波長選択素子にｘ軸方向に波長を分散させ、ｙ軸に強度を分散させた光を入射するマルチレベルの光フェーズドアレイを用いて入射光の波長毎に異なる方向に光ビームを偏向させる。そしてのこぎり波状の相異なる周期の複数の位相パターンを用いて少なくとも１つのｘ軸上の画素の座標のｙ軸方向には全画素に合成した位相パターンを与えることで、１画素以下の高精度で波長の特性を任意に変化させる。
【選択図】図１７

Description

本発明は光通信システムのノード等に用いられる波長選択光スイッチ装置及びその特性制御方法に関するものである。

今日の高度情報通信社会を支える高速大容量光ネットワークには、波長多重光通信技術が利用されている。光ネットワーク網の分岐点に相当する光ノードでは、再構成可能なアド、ドロップ機能を有するＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer）装置の導入が進められている。ＲＯＡＤＭ装置を実現するため、任意の波長の光を任意の方向に切り換える波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch、ＷＳＳともいう）が注目されている。波長選択スイッチでは、波長を選択し所望の出力ポートへ光ビームを偏向させる光ビーム偏向素子が用いられている。特許文献１，２では光ビーム偏向素子としてＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical System) ミラーアレイの機械的変位を利用したものが提案され、特許文献３，４，５ではＬＣＯＳ素子(Liquid crystal on silicon)による回折現象を利用したものが提案されている。

一方、近年の伝送容量需要に応えるべく、伝送レートの高速化、新規変調フォーマットが盛んに研究開発されており、光ネットワークも複雑化している。このような光ネットワークにおいては、各光信号の伝送レートや変調フォーマットに対し最適なフィルタリングを実現するため、従来の波長選択機能に加え、パスバンドの中心波長のシフト、及びパスバンドの拡大、縮小などの動的制御機能が求められている。

この機能は、ＷＤＭ信号の各チャンネル、即ち相異なる波長の光に複数の画素を割り当てる高精細なＬＣＯＳ素子やＭＥＭＳミラーアレイなどを用い、光ビームの偏向にはマルチレベルの光フェーズドアレイを用いることで実現することができる。

図１（ａ）はｘ軸方向に波長が分散し、ｙ軸方向には同一の波長で光強度が分散した光を入射し、夫々の波長を異なった方向に反射させるＬＣＯＳ素子１０１を示している。図２はＬＣＯＳ素子１０１のｘ軸方向に波長分散された入射光を与える光ファイバ１０２と、夫々異なった方向に反射された反射光を受光する光ファイバ１０３，１０４，１０５を示している。尚図２ではｘ軸方向に波長分散させｙ軸方向には同一の波長で光強度を分散させるための光学系と、ｘ軸，ｙ軸方向に分散した光を集束して出力用の光ファイバ１０３，１０４，１０５に戻すための光学系については省略して示している。

さて図１（ａ）において、ＬＣＯＳ素子１０１をｘ軸に沿って分割し、領域Ｒ１に加わる波長成分の光、領域Ｒ２に加わる波長成分の光、領域Ｒ３に加わる波長成分の光を夫々異なった３方向に反射させ、その反射した光を図２に示すように異なった位置にある光ファイバ１０３〜１０５に入射するものとする。このとき領域Ｒ１に位置する画素はｘ軸の位置にかかわらず、ｙ軸方向に沿っていずれも図１（ｂ）に示すような７画素単位でのこぎり波状に位相シフト量が変化するように制御される。又領域Ｒ２については電圧を与えず、位相シフトを０とした状態とし、領域Ｒ３に位置する画素はｘ軸の位置にかかわらずｙ軸方向に沿って５画素周期でのこぎり波状に位相シフト量が変化するように制御する。このようにＬＣＯＳ素子１０１の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に異なった周期ののこぎり波状の位相パターンを与えることによって、異なった方向に入射光を反射させることができ、異なった波長毎に光ファイバ１０３，１０４，１０５に出力することができる。

図３（ａ）はｘ軸を横方向としているが、図１（ａ）と同じＬＣＯＳ素子１０１を示しており、図３（ｂ）はこれに対応して光ファイバ１０３〜１０５に入射するｘ座標に対応する波長帯を示している。こうすればＬＣＯＳ素子１０１の３つの領域の画素に異なった位相パターンを印加することによって、波長を選択し、光のスイッチングを行うことができる。

ＵＳ７１６２１１５Ｂ２ＵＳ６７０７９５９Ｂ２ＵＳ２００６／００６７６１１Ａ１ＵＳ７３９７９８０Ｂ２特開２０１２−１０８３４６号公報

このようなマルチレベルの光フェーズドアレイを用いた波長選択素子では、画素単位の素子で画素単位で波長選択することができる。しかし１画素単位以下の高分解能で波長を選択することは不可能であった。又波長選択素子としてＬＣＯＳ素子を用いた場合には、隣接画素間でフリンジ効果によって各画素に入射した光ビームを想定通りには偏向することができず、選択波長が狭くなってしまうという問題点があった。

次にフリンジ効果と、それが生じる原因について説明する。例えば図１（ａ）の領域Ｒ１とＲ２の右端の境界にある４つの画素についてみると、図４に示すようにＬＣＯＳ素子１０１の基板１１０上に各画素の反射電極１１１−１〜１１１−４があり、上部には透明電極１１２が位置している。そしてＬＣＯＳ素子内部では電圧が加えられている画素１１１−２と加えられていない画素１１１−３とが隣接しているため、画素１１１−２より画素１１１−３に向けて電気力線が生じることとなる。従って境界の画素に入射した光は所定の方向に反射する光のレベルが低下する。従って図３（ｃ）に示すように光ファイバ１０３に加わるべき選択波長帯域は広くなり、光ファイバ１０４，１０５に加わるべき選択した波長帯域が狭くなってしまうという問題点があった。

又図５（ａ）は領域Ｒ１，Ｒ２の一部分を示し、図５（ｂ）はこれに対応する２つの光ファイバからの出力光の波長を拡大して示している。ここで図６（ａ）に示すように領域Ｒ１，Ｒ２について、ｘ軸方向に１画素分領域Ｒ１を拡大し、領域Ｒ２を縮小すると、図６（ｂ）に示すように領域Ｒ１に対応する光ファイバの出力の波長範囲を大きくし、領域Ｒ２に対応する光ファイバへの波長帯を小さくすることができる。しかしこれらの制御は１画素単位でのみ可能であった。

本発明はこのような従来のマルチレベルの光フェーズドアレイの問題点に鑑みてなされたものであって、１画素単位以下での波長選択を可能とし、選択波長を画素単位以下で制御できるようにすることを技術的課題とする。

この課題を解決するために、本発明の波長選択光スイッチ装置は、多数の波長の光から成る信号光を入射し、選択された波長の光信号を出射する入出射部と、信号光をその波長に応じて空間的に分散させると共に、反射光を合波する波長分散素子と、前記波長分散素子によって分散された光を２次元平面上に集光する集光素子と、波長に応じて展開されたｘ軸方向と、これに垂直なｙ軸方向から成るｘｙ平面に展開された入射光を受光する位置に配置され、ｘｙ平面に格子状に配列された多数の画素を有し、ｘ軸上の各画素についてｙ軸方向に位相シフト量をのこぎり波状に周期的に変化させるマルチレベル光フェーズドアレイを用いた波長選択素子と、前記波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動し、ｘ軸上の少なくとも１つの画素と共通するｘ座標を有するｙ軸上の全ての画素について、ｙ軸に沿って２以上ののこぎり波の合成波を生成してその合成波によって位相シフト量を変化させ、その画素に加わる波長の光を複数の方向に反射する波長選択素子駆動部と、を具備するものである。

この課題を解決するために、本発明の波長選択光スイッチ装置は、多数の波長の光から成る信号光を入射する入射部と、前記入射部より入射した信号光をその波長に応じて空間的に分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子によって分散した光を２次元平面上に集光する第１の集光素子と、波長に応じて展開されたｘ軸方向と、これに垂直なｙ軸方向から成るｘｙ平面に展開された入射光を受光する位置に配置され、ｘｙ平面に格子状に配列された多数の画素を有し、２次元の各画素の位相シフト特性をのこぎり波状に周期的に変化させるマルチレベル光フェーズドアレイを用いた波長選択素子と、前記波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動し、ｘ軸上の少なくとも１つの画素と共通するｘ座標を有するｙ軸上の全ての画素について、ｙ軸に沿って２以上ののこぎり波の合成波を生成してその合成波によって位相シフト量を変化させ、その画素に加わる波長の光を複数の方向に透過する波長選択素子駆動部と、前記波長選択素子を透過した各波長の光を集光する第２の集光素子と、前記第２の集光素子によって集光された分散光を入射位置毎に夫々合成する波長合成素子と、を具備するものである。

ここで前記波長選択素子駆動部は、前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第１，第２のパターンを合成した第１の合成パターンで制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子駆動部は、前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターン及び第３のパターンを合成した第２の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第２の合成パターン及び第２のパターンを合成した第３の合成パターンで制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子駆動部は、第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとするとき、前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を前記第５の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を前記第６の合成パターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第４の合成パターンで制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子駆動部は、第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとし、第５の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第７の合成パターンとし、第４の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第８の合成パターンとし、第６の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第９の合成パターンとするとき、前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を前記第７の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第２の領域の画素群を前記第９の合成パターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第８の合成パターンで制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有するＬＣＯＳ素子であり、前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有する液晶素子であり、前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

ここで前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有するＭＥＭＳ素子であり、前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、マルチレベルの光フェーズドアレイを用いて波長選択を行う光スイッチ装置において、少なくとも１つのｘ座標を含む全てのｙ座標の画素から成る領域に合成パターンを与えて制御することによって、複数の方向に光を反射又は透過させることができる。又請求項３及び請求項１０においては、波長選択素子の１画素単位以下の高精度で波長選択が可能となる。又フリンジ効果を生じさせることなく、選択波長を設計した帯域よりも狭くなることがなくなるという効果が得られる。請求項４，１１においては、高分解能で選択した波長の光を減衰させることができる。又請求項５，６，１２，１３においては、各領域の出力を平均化して出力することができるという効果が得られる。

図１はＬＣＯＳ素子とその３つの領域に加える位相シフト量の変化を示す図である。図２はＬＣＯＳ素子とこれに光を入射する光ファイバ、反射した光を受光する光ファイバを示す図である。図３はＬＣＯＳ素子と光ファイバに入射する波長帯を示す図である。図４は領域の境界における反射電極の画素と電気力線を示す図である。図５は隣接する領域と反射光の波長帯を示す図である。図６は隣接する領域と反射光の波長帯を示す図である。図７Ａは本発明の第１の実施の形態による反射型の波長選択光スイッチ装置のｘ軸方向から見た光学的な配置を示す図である。図７Ｂは本発明の第１の実施の形態による反射型の波長選択光スイッチ装置のｙ軸方向からの光学的な配置を示す図である。図８Ａは本発明の第２の実施の形態による透過型の波長選択光スイッチ装置のｘ軸方向から見た光学的な配置を示す図である。図８Ｂは本発明の第２の実施の形態による透過型の波長選択光スイッチ装置のｙ軸方向からの光学的な配置を示す図である。図９は本発明の第１，第２の実施の形態による波長選択光スイッチ装置に用いられる２次元の波長選択素子を示す図である。図１０Ａは本発明の第１の実施の形態による波長選択光スイッチ装置の波長選択素子の構造と波長選択素子への光の入射を示す図である。図１０Ｂはこの波長選択素子からの光の反射を示す図である。図１１は本実施の形態によるＬＣＯＳ素子の入射位置と位相シフトの関係を示す図である。図１２はある位相パターンをＬＣＯＳ素子に与えた場合に位相パターンと光の反射角度を示す図である。図１３は画素に電圧を印加しない場合のＬＣＯＳ素子の反射角度を示す図である。図１４は画素に最大位相シフト量がπの位相パターンをＬＣＯＳ素子に与えた場合の入射光に対する反射光を示す図である。図１５はある位相パターンＡをＬＣＯＳ素子に与えた場合に位相パターンと光の反射角度を示す図である。図１６はある位相パターンＢをＬＣＯＳ素子に与えた場合に位相パターンと光の反射角度を示す図である。図１７は位相パターンＡ及びＢを合成した位相パターンを与えたときの入射光に対する反射角度と反射強度を示す図である。図１８は合成パターンを与えて高分解能で波長制御する状態を示す図である。図１９は合成パターンを与えて出力レベルを減衰させる状態を示す図である。図２０は合成パターンを与えて出力を平均化させる波長制御を示す図である。

（第１の実施の形態）
図７Ａは本発明の第１の実施の形態による反射型の波長選択光スイッチ装置の光学素子の構成を示すｘ軸方向から見た側面図、図７Ｂはそのｙ軸方向から見た側面図である。入射光は波長λ₁〜λ_nの光信号が多重化されたＷＤＭ信号光である。ＷＤＭ光は夫々光ファイバ１１を介してコリメートレンズ１２に出射される。コリメートレンズ１２はｘ方向及びｙ方向に一定の幅の光を平行として出力するものであるが、図７Ａではその中心線のみを示している。又コリメートレンズ１３−１〜１３−ｍに入射した光は夫々光ファイバ１１に平行に配置された光ファイバ１４−１〜１４−ｍより外部に出射される。ここでｍは１以上の自然数である。コリメートレンズ１２から出射するＷＤＭ光はｚ軸に平行であり、ＷＤＭ光は波長分散素子１５に入射される。波長分散素子１５は光を波長に応じてｘｚ平面上で異なった方向に分散するものである。ここで波長分散素子１５としては、回折格子であってもよく、又プリズム等を用いてもよい。又回折格子とプリズムを組み合わせた構成でもよい。こうして波長分散素子１５で分散された光は集光素子であるレンズ１６に与えられる。レンズ１６はｘｚ平面上で分散した光をｚ軸方向に平行に集光する集光素子であって、集光した光は波長選択素子１７に入射される。

尚ここでは図７Ｂに最長波長λ₁及び最短波長λ_nの光を例示しているが、入射光はλ₁〜λ_nまでの間で多数のスペクトルを有するＷＤＭ信号光であるので、ｘｚ平面に沿って展開されたＷＤＭ信号光が帯状に波長選択素子１７に加わる。波長選択素子１７は入射光の波長毎に方向を異ならせ反射するものであり、その反射特性に応じて光フィルタの選択特性が決定されるが、詳細については後述する。波長選択素子１７によって反射された光は、同一の経路を通ってレンズ１６に加わり、再び波長分散素子１５に加わる。波長分散素子１５は反射光に対しては元の入射光と同一方向に集束し、ｚ軸に平行な光に変換し、コリメートレンズ１３−１〜１３−ｍを介して夫々光ファイバ１４−１〜１４−ｍに出射する。ここで光ファイバ１１，１４―１〜１４−ｍとコリメートレンズ１２，１３−１〜１３−ｍは、ＷＤＭ信号光を入射し、選択された光を出射する入出射部を構成している。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態による透過型の波長選択光スイッチ装置について説明する。図８Ａは本発明の第２の実施の形態による透過型の波長選択光スイッチ装置の光学素子の構成を示すｘ軸方向から見た側面図、図８Ｂはそのｙ軸方向から見た側面図である。図８Ａにおいても入射光は第１の実施の形態で説明したＷＤＭ信号であり、光ファイバ２１からコリメートレンズ２２に入射され、平行な光ビームとして第１の波長分散素子２３に与えられる。光ファイバ２１、コリメートレンズ２２はＷＤＭ信号光を入射する入射部を構成している。波長分散素子２３は図８Ｂに示すように光の波長に応じてｘｚ平面上で異なった方向に光を出射するものである。波長分散素子２３は波長分散素子１５と同様に、回折格子やプリズムもしくは回折格子とプリズムの組み合わせにより実現することができる。分散された光はいずれもレンズ２４に入射される。レンズ２４はｘｚ平面上で分散した光をｚ軸方向に平行に集光する第１の集光素子である。又レンズ２４の光軸に垂直に波長選択素子２５が配置される。波長選択素子２５は入射光を波長毎に所望の方向に透過するものであり、詳細については後述する。波長選択素子２５を透過した光はレンズ２６に入射される。レンズ２４、波長分散素子２３とレンズ２６、波長合成素子２７は波長選択素子２５の中心のｘｙ面に対して面対称である。レンズ２６はｘｚ平面上の平行な光を集光する第２の集光素子であり、波長合成素子２７は図８Ｂに示すように異なった方向から同一位置に入射した光を合成して出射するものである。波長合成素子２７によって合成された光はコリメートレンズ２８−１〜２８−ｍを介して光ファイバ２９−１〜２９−ｍに与えられる。コリメートレンズ２８−１〜２８−ｍ及び光ファイバ２９−１〜２９−ｍは、選択された波長の光を出射する出射部を構成している。

（波長選択素子の構成）
次にここで第１，第２の実施の形態による波長選択光スイッチ装置に用いられる波長選択素子１７，２５について説明する。第１，第２の実施の形態において、入射光を波長に応じてｘｚ平面上で分散させ、帯状の光として波長選択素子１７，２５に入射したとき、その入射領域は図９に示す長方形状の領域Ｒであるとする。そして第１の実施の形態の波長選択光スイッチ装置では、波長毎に反射させる方向を選択することによって、任意の波長の光を選択することができる。第２の実施の形態の波長選択光スイッチ装置では、波長毎に透過させる方向を選択することによって、任意の波長の光を選択することができる。波長選択素子１７，２５には設定部３０がドライバ３１を介して接続されている。設定部３０はｘｙ平面の光を反射又は透過する画素を選択波長に合わせて後述するように決定するものである。ドライバ３１は入力されたデジタル信号を画素に印加する電圧に変換するＤ／Ａ変換器を含んでいる。設定部３０とドライバ３１は波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動することによってｘ軸及びｙ軸方向の所定の位置の画素の特性を制御する波長選択素子駆動部を構成している。

次に波長選択素子１７の詳細な構成について説明する。波長選択素子１７としてはＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）の液晶素子を用いて実現することができる。ＬＣＯＳ素子１７Ａは各画素の背面に液晶変調ドライバを内蔵しているため、画素数を多くすることができ、例えば1920×1080の多数の格子状の画素から構成することができる。図１０ＡはＬＣＯＳ素子１７Ａを示す概略図であり、光が入射する面からｚ軸に沿ってＡＲ層４１，ガラス層４２，透明共通電極４３，アライメント層４４，液晶４５，多数の背面反射電極４７を含むアライメント層４６及びシリコン層４８を積層して構成されている。

ＬＣＯＳ素子１７Ａでは波長毎に異なる位置に光ビームが入射する。即ち入射領域に加わる光はＷＤＭ光を波長帯λ_i（ｉ＝１〜ｎ）に応じてｘｙ平面に展開した光である。ここで波長分散方向を図９に示すｘ軸方向とすると、夫々の波長に対してｙ軸方向に並んだ多数の画素が対応する。そのため、ＬＣＯＳ素子１７Ａのある波長の光λ_iが入射するｙ軸方向の多数の画素に周期的に異なった電圧を与えることによって、図９に示すようにステップ状の位相シフト関数で示され、全体としてのこぎり形状となる屈折率の変化を実現することができる。図１１はこの位相シフト関数と光の入射位置との関係を示す図である。図１１では複数の画素、ここでは６画素によって位相シフト量を段階的に変化させ、この変化を周期的に繰り返すことによってブレーズ型の回折格子と同等の機能を実現するようにしている。尚、図中では直線状ののこぎり波はブレーズ型回折格子の場合であり、ステップ状の波形は多数のレベル数を有するＬＣＯＳ素子の場合を示している。このように屈折率の変化によりマルチレベル光フェーズドアレイが実現でき、回折現象により例えば図１０Ｂに示すように反射方向を異ならせることができる。ここで位相シフト関数を適宜選択することによって入射光の屈折角度を夫々の波長毎に異なった方向に変化させることができるので、ＬＣＯＳ素子は特性可変型の回折格子として考えることができる。従って透明共通電極４３と背面反射電極４７との間に電圧を印加することによって各波長成分の回折角を独立に制御し、特定波長の入力光を所望の方向に反射させたり、他の波長成分の光を不要な光として回折させ、出射されない方向に光を反射させることができる。

またこの波長選択素子１７の第２の例として、ＬＣＯＳ構造ではない反射型の２次元電極アレイを有する液晶素子１７Ｂについて説明する。ＬＣＯＳ素子の場合には画素の背面に液晶ドライバが内蔵されているが、２次元電極アレイ液晶素子１７Ｂは液晶変調用のドライバが素子の外部に装備されている。その他の構成はＬＣＯＳ素子と同様であり、前述したマルチレベルの光フェーズドアレイを実現することができる。

波長選択素子１７の第３の例として２次元のＭＥＭＳ素子１７Ｃについて説明する。多数のＭＥＭＳミラーが２次元に配置されたＭＥＭＳ素子は、デジタルマイクロ素子（ＤＭＤ）として実用化されている。ＭＥＭＳミラーのｙ軸方向の１列の全画素はＷＤＭ信号のある波長に対応させるものとする。ＭＥＭＳを用いた場合も１つの波長帯に対して複数のＭＥＭＳ素子の画素を対応付けているので、１つの波長に対応する多数の画素に印加する電圧を制御する。そしてＭＥＭＳ素子の各画素をそのｚ軸方向の位置は位相シフト関数で示されるように、全体として一定周期ののこぎり波形状とすることができる。これにより入射光の波長毎に異なった方向に反射させることができる。

次に第２の実施の形態の波長選択光スイッチ装置で用いる透過型の波長選択素子２５について説明する。この波長選択素子２５の第１の例としては透過型の２次元ＬＣＯＳ素子２５Ａを用いて構成することができる。透過型のＬＣＯＳ素子２５Ａは図１０Ａ，１０Ｂの背面反射電極４７に代えて透明電極としたものである。この場合も各波長毎に異なる位置に光ビームが入射するので、その位置の画素を透過状態とすればその光信号を選択することができる。ＬＣＯＳ素子２５Ａは１つの波長に相当する位置にｙ軸方向に複数の画素が対応しているため、これらの複数画素について透明電極間に電圧を印加することによって屈折率の凹凸を形成し、回折現象を発現することができる。そして各波長の回折角を独立に制御し、特定波長の入力光を図８Ａに示すように特定方向に回折させたり、他の波長成分の光を不要な光として出射されない方向に光を回折させることができる。

またこの波長選択素子２５の第２の例として、ＬＣＯＳ構造ではない透過型の２次元電極アレイを有する液晶素子２５Ｂを用いることができる。ＬＣＯＳ素子の場合には画素の背面に液晶ドライバが内蔵されているが、２次元電極アレイ液晶素子２５Ｂは液晶変調用のドライバが素子の外部に装備されている。その他の構成はＬＣＯＳ素子と同様である。

さてマルチレベル光フェーズドアレイの回折角度は次式（１）で示される。
sinθ_in＋sinθ_diff＝ｍ・λ／Λ ・・・（１）
ここで
ｑ：マルチレベル数
ｍ：回折次数
λ：波長
Λ：フェーズドアレイピッチ
θ_in：入射角度
θ_diff：回折角度
とする。

次に波長選択素子の特性制御方法についてＬＣＯＳ素子１７Ａを一例として説明する。まずＬＣＯＳ素子１７Ａに印加する位相パターンを、図１２（ａ）に示すように最大の位相シフト量を２πの一定周期ののこぎり波状とする。この場合は図１２（ｂ）に示すように反射光は角度θ₁の光のみとなる。

次に図１３（ａ）に示すように画素に電圧を印加しない場合には、ＬＣＯＳ素子１７Ａがミラー状態となって正反射する。このときの反射角をθ₀とする。この場合には図１２（ａ）と同一レベルの反射光が得られる。

更に図１４（ａ）に示すように最大の位相シフト量をπとして図１２（ａ）の場合と同一周期で変化するのこぎり波状の出力を与えると、出力は図１４（ｂ）に示すように角度θ₁と角度θ₀の反射光に分光され、夫々のレベルは図１２（ｂ），図１３（ｂ）の１／２となる。そして最大の位相シフト量を２πから連続的に低下させれば、分光比も図１２（ｂ）の状態から図１４（ｂ）の状態を通って図１３（ｂ）の状態に連続的に変化することとなる。

次に図１５（ａ）に示すように、ある画素単位の周期ののこぎり波状の第１の位相パターンＡで最大の位相シフト量を２πとすると、そのときの反射角は図１５（ｂ）に示すように角度をθ_aとなる。図１６（ａ）に示すように異なった画素単位の周期ののこぎり波状の第２の位相パターンＢで最大の位相シフト量を２πとすると、そのときの反射角度はθ_bとなる。又パターンＡ，パターンＢの最大の位相シフト量を元の１／２、即ち図１７（ａ），（ｂ）に示すようにπとし、図１７（ｃ）に示すようにこれらを合成したパターンＡ＋Ｂを生成してＬＣＯＳ素子の各画素に与えた場合には、図１７（ｄ）に示すように夫々１／２のレベルの反射光が角度θ_a，θ_bの２方向に得られる。又パターンＡの出力レベルとパターンＢの合成の比を連続的に変化させれば、それに対応して角度θ_a，θ_bの反射光のレベルも変化することとなる。更に他のパターンを用いて最大位相シフト量の合計を２πとして同様に合成することによって、３方向又はそれ以上の相異なる方向に光を反射させることができる。本発明ではこの知見に基づいて波長選択素子をより精密に制御できるようにしたものである。尚以上は反射型のＬＣＯＳ素子１７Ａについて説明しているが、他の波長選択素子についても同様である。又第２の実施の形態による透過型のＬＣＯＳ素子２５Ａやその他の波長選択素子についても同様に成り立っている。

（高分解能波長設定）
次に本発明の第１，第２の実施の形態による波長選択光スイッチ装置の、画素単位以下の高分解能での波長制御の詳細について説明する。以下の説明では第１の実施の形態の波長選択光スイッチ装置において、波長選択素子１７にＬＣＯＳ素子１７Ａを用いた場合について説明する。図１８において、波長選択素子駆動部により第１の領域Ｒ１は反射角度θ_aとなるようにＬＣＯＳ素子１７Ａにｙ軸方向に沿ったのこぎり波状の第１のパターンＡを与え、第２の領域Ｒ２には反射角度θ_bの方向に反射するように異なった周期の第２のパターンＢを与えた状態を示している。第１，第２の領域Ｒ１，Ｒ２はｘ軸方向に連続して複数画素、ｙ方向には全画素を有する領域である。又この中間の第３の領域Ｒ３はｘ軸方向の１画素分、ｙ軸方向には全画素の狭い領域とする。領域Ｒ３にはパターンＡとパターンＢの位相シフト量を合成した第１の合成パターンとなるように電圧を印加する。この合成パターンは合成比率ｋを０〜１の任意の値とすると、以下のようにパターンＡ，Ｂを合成比率ｋで変化させたものである。
ｋＡ＋（１−ｋ）Ｂ

さて合成比率ｋを０とすると、パターンＡが与えられた画素からの反射光を受光するファイバ１４−Ａについては、特性曲線は図１８（ｂ）に実線で示すものとなり、パターンＢが与えられた画素からの反射光を受光するファイバ１４−Ｂについては、特性曲線は図１８（ｂ）に実線で示すものとなる。合成比率ｋを０から連続的に上昇させることによって２つの特性曲線は破線で示すように徐々に右側にシフトし、光ファイバ１４−Ａについては特性曲線Ｌ_1a，Ｌ_2a・・・となり、光ファイバ１４−Ｂについては特性曲線Ｌ_1b，Ｌ_2b・・・となる。合成係数ｋが１となれば図１８（ｃ）に示す特性曲線の状態に変化させることができる。こうすれば光ファイバ１４−Ａは受光する波長帯が徐々に広くなり、光ファイバ１４−Ｂは受光する波長帯が徐々に狭くなるように反射光が受光される。このように合成比率ｋの値を連続的に変化させれば特性曲線も連続的に変化することとなり、パスバンドを狭くすることなく、１画素以下の高分解能で波長の制御を行うことが可能となる。

（減衰制御）
次に領域Ｒ１からの反射光の出力レベルのみを適宜減衰させ、領域Ｒ２からの反射光の出力は変化させずに波長帯のみを適宜前述したように変化させたい場合を考える。この場合も第１のパターンＡに対応する反射光が受光できる光ファイバを１４−Ａ、第２のパターンＢに対応する反射光が受光できる光ファイバを１４−Ｂとする。このためにパターンＡ，Ｂの位相特性とは異なる周期ののこぎり波状で最大位相シフト量が２πの第３のパターンＣを用いる。パターンＣを用いると、光ファイバ１４−Ａ，１４−Ｂが受光しない方向に光が反射する。この反射光は他の光ファイバで受光するものであってもよく、どの光ファイバでも受光できないものであってもよい。そして領域Ｒ１に第１のパターンＡ、第３のパターンＣの位相特性を合成した第２の合成パターンを以下のように与える。
（１−ｋ）Ａ＋ｋＣ
ここでｋは合成比率とする。

領域Ｒ２についてはパターンＢを与える。又その境界部分の領域Ｒ３については、他の合成係数をｐとすると、次式のように第２の合成パターンと第２のパターンＢとを合成した第３の合成パターンを与える。
ｐ｛（１−ｋ）Ａ＋ｋＣ｝＋（１−ｐ）Ｂ
このとき合成係数ｐを１に保っておき、合成係数ｋを０から１まで変化させることによって、図１９（ｂ）に示すように出力パターンを実線から破線Ｌ_1a，Ｌ_2a・・・のように変化させることができ、高分解能で出力レベルを減衰させることができる。このとき合成係数ｋが１となって光ファイバ１４−Ａの出力を０としても、領域Ｒ１の画素には第３のパターンＣによって電圧を加えているため、図３で説明したような波長帯域の狭窄化が起こることはない。

この場合も合成係数ｐを１から徐々に低下させることによって、図１８の場合と同様に波長を切り換える位置を１画素以下の高分解能で制御することができる。例えばｋ＝０．５、ｐ＝０．５とすると、光ファイバ１４−Ａ，１４−Ｂの出力は図１９（ｃ）に示すものとなる。ここでパターンＣが与えられた画素からの反射光を別の光ファイバで受光する場合には、図１９（ｂ），（ｃ）に示すように光ファイバ１４−Ａは受光されなかった残余の光をその光ファイバで受光することができる。

（出力平均化処理）
この場合もパターンＡに対応する反射光が受光できる光ファイバを１４−Ａ、パターンＢに対応する反射光が受光できる光ファイバを１４−Ｂとする。図２０においてＬＣＯＳ素子１７Ａの領域を隣接する第１，第３，第２の領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ２とし、いずれもｘ軸方向に連続する複数画素、ｙ方向には全画素を有する領域とする。そして中央の領域Ｒ３に第１のパターンＡ，第２のパターンＢを合成した第４の合成パターン（Ａ＋Ｂ）／２を与える。ここで、（Ａ＋Ｂ）／２は、次式において、合成比率ｇが０．５の場合を意味する。
（１−ｇ）Ａ＋ｇＢ

これによって領域Ｒ３からの反射光を光ファイバ１４−Ａ，１４−Ｂに同時に１／２ずつの光強度で入射することができる。ここで領域Ｒ１についてはパターンＡ，領域Ｒ２についてはパターンＢをそのまま加えると、図２０（ｂ）に破線で示すように、光ファイバ１４−Ａでは領域Ｒ１に加わる波長の反射光のレベルが領域Ｒ３からの反射光のレベルよりも高くなる。同様に図２０（ｃ）に示すように、光ファイバ１４−Ｂでは領域Ｒ２からの反射光のレベルが高くなる。

従ってこれらのレベルをそろえるためには、いずれの方向にも出力が加わらない方向に光を反射させる第４の位相パターンＤを用いる。パターンＤはパターンＡ，Ｂの位相特性とは異なる周期ののこぎり波状で最大位相シフト量が２πのパターンである。
そして領域Ｒ１については第１，第４のパターンを合成した第５の合成パターン、
（Ａ＋Ｄ）／２
領域Ｒ２については第２，第４のパターンを合成した第６の合成パターン、
（Ｂ＋Ｄ）／２
の出力を与える。こうすれば図２０（ｂ）に実線で示すように、光ファイバ１４−Ａには領域Ｒ１，Ｒ３に入射する光の夫々１／２のレベルの出力が得られる。同様に図２０（ｃ）に実線で示すように、光ファイバ１４−Ｂには領域Ｒ３，Ｒ２に入射する光の夫々１／２のレベルの出力が得られ、各出力を一定にそろえることができる。

更にこのレベルからいずれの領域についても減衰させる場合には、領域Ｒ１については、第５の合成パターンと第４のパターンを合成した第７の合成パターン
｛（１−ｋ）・｛（Ａ＋Ｄ）／２｝＋ｋＤ
を与える。
領域Ｒ３については、第４の合成パターンと第４のパターンを合成した第８の合成パターン
｛（１−ｋ）・｛（Ａ＋Ｂ）／２｝＋ｋＤ
を与える。
領域Ｒ２については、第６の合成パターンと第４のパターンを合成した第９の合成パターン
｛（１−ｋ）・｛（Ｂ＋Ｄ）／２｝＋ｋＤ
を与える。ｋは０〜１までの合成係数である。こうすればパターンＡ，Ｂの光を受光する光ファイバの夫々の出力をｋを０〜１に徐々に大きくすることによって同時に同一レベルで減衰させることが可能となる。

尚ここでは第４の合成パターンは２つのパターンＡ，Ｂの成分が等しくなるものとしているが、必ずしも等比とする必要はない。この場合、第５，第６の合成パターンは出力が同一となるように変更する必要がある。

以上詳細に説明したように本発明によれば、波長選択素子の反射特性や透過特性を種々変更することによって、多数チャンネルのＷＤＭ信号の夫々について任意の波長の光を選択することができる。又各波長について複数のビットを有する波長選択素子を用いれば、波長選択特性を自由に変化させることができる。これにより波長選択光スイッチ装置をＷＤＭ光のアドドロップ機能を有するノードの主要構成要素として用いることができる。

１１，１４−１〜１４−ｍ，２１，２９−１〜２９−ｍ光ファイバ
１２，１３−１〜１３−ｍ，２２，２８〜２８−ｍコリメートレンズ
１６，１８レンズ
１５，２３波長分散素子
１７，２５波長選択素子
１７Ａ，２５ＡＬＣＯＳ素子
１７Ｂ，２５Ｂ２Ｄ電極アレイ液晶素子
１７ＣＭＥＭＳ素子
２７波長合成素子
３０設定部
３１ドライバ

Claims

多数の波長の光から成る信号光を入射し、選択された波長の光信号を出射する入出射部と、
信号光をその波長に応じて空間的に分散させると共に、反射光を合波する波長分散素子と、
前記波長分散素子によって分散された光を２次元平面上に集光する集光素子と、
波長に応じて展開されたｘ軸方向と、これに垂直なｙ軸方向から成るｘｙ平面に展開された入射光を受光する位置に配置され、ｘｙ平面に格子状に配列された多数の画素を有し、ｘ軸上の各画素についてｙ軸方向に位相シフト量をのこぎり波状に周期的に変化させるマルチレベル光フェーズドアレイを用いた波長選択素子と、
前記波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動し、ｘ軸上の少なくとも１つの画素と共通するｘ座標を有するｙ軸上の全ての画素について、ｙ軸に沿って２以上ののこぎり波の合成波を生成してその合成波によって位相シフト量を変化させ、その画素に加わる波長の光を複数の方向に反射する波長選択素子駆動部と、を具備する波長選択光スイッチ装置。
多数の波長の光から成る信号光を入射する入射部と、
前記入射部より入射した信号光をその波長に応じて空間的に分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子によって分散した光を２次元平面上に集光する第１の集光素子と、
波長に応じて展開されたｘ軸方向と、これに垂直なｙ軸方向から成るｘｙ平面に展開された入射光を受光する位置に配置され、ｘｙ平面に格子状に配列された多数の画素を有し、２次元の各画素の位相シフト特性をのこぎり波状に周期的に変化させるマルチレベル光フェーズドアレイを用いた波長選択素子と、
前記波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動し、ｘ軸上の少なくとも１つの画素と共通するｘ座標を有するｙ軸上の全ての画素について、ｙ軸に沿って２以上ののこぎり波の合成波を生成してその合成波によって位相シフト量を変化させ、その画素に加わる波長の光を複数の方向に透過する波長選択素子駆動部と、
前記波長選択素子を透過した各波長の光を集光する第２の集光素子と、
前記第２の集光素子によって集光された分散光を入射位置毎に夫々合成する波長合成素子と、を具備する波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子駆動部は、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第１，第２のパターンを合成した第１の合成パターンで制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子駆動部は、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターン及び第３のパターンを合成した第２の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第２の合成パターン及び第２のパターンを合成した第３の合成パターンで制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子駆動部は、
第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとするとき、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を前記第５の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を前記第６の合成パターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第４の合成パターンで制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子駆動部は、
第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとし、第５の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第７の合成パターンとし、第４の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第８の合成パターンとし、第６の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第９の合成パターンとするとき、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を前記第７の合成パターンで制御し、連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第２の領域の画素群を前記第９の合成パターンで制御し、前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第８の合成パターンで制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有するＬＣＯＳ素子であり、
前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有する液晶素子であり、
前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置。
前記波長選択素子は、２次元に配列された多数の画素を有するＭＥＭＳ素子であり、
前記波長選択素子駆動部は、波長選択特性に応じて各画素に印加する電圧を制御するものである請求項１記載の波長選択光スイッチ装置。
請求項１又は２記載の波長選択光スイッチ装置の特性制御方法であって、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターンで制御し、
連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、
前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第１，第２の位相パターンを合成した第１の合成パターンで制御する特性制御方法。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法であって、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第１のパターン及び第３のパターンを合成した第２の合成パターンで制御し、
連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を第２のパターンで制御し、
前記第１，第２の領域の間の１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第２の合成パターン及び第２のパターンを合成した第３の合成パターンで制御する特性制御方法。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置におけるフィルタ特性制御方法であって、
第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとするとき、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を前記第５の合成パターンで制御し、
連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から減る第２の領域の画素群を前記第６の合成パターンで制御し、
前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第４の合成パターンで制御するフィルタ特性制御方法。
請求項１又は２記載の光可変フィルタ装置のフィルタ特性制御方法であって、
第１，第２のパターンの合成パターンを第４の合成パターンとし、第１，第４のパターンを合成したパターンを第５の合成パターンとし、第２，第４のパターンを合成したパターンを第６の合成パターンとし、第５の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第７の合成パターンとし、第４の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第８の合成パターンとし、第６の合成パターンと第４のパターンを合成したパターンを第９の合成パターンとするとき、
前記波長選択素子の連続する複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第１の領域の画素群を第７の合成パターンで制御し、
連続する他の複数のｘ軸座標と、そのｘ軸座標を含む全てのｙ座標の画素から成る第２の領域の画素群を第９の合成パターンで制御し、
前記第１，第２の領域の間の少なくとも１つのｘ軸座標についての全てのｙ座標を含む第３の領域の画素群を前記第８の合成パターンで制御するフィルタ特性制御方法。