JP2019158923A - 光スペクトル整形器及びそれを用いた光信号モニタ装置 - Google Patents

光スペクトル整形器及びそれを用いた光信号モニタ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】入出力ポート数が増大した場合であってもコンパクトな光スペクトル整形器を実現すること。【解決手段】本発明は、各信号光のビーム径を拡大しつつ異なる角度で出射する入力側導波路部と、入力した信号光の各々を導波して複数の出力ファイバの各々に結合する出力側導波路部と、を含む光導波路フロントエンドと、複数の画素の位相パタンを制御することにより各信号光の位相を変化させてそれぞれ出射する空間光変調器であって、各信号光が入射する画素領域毎に特定の位相パタンが設定されている空間光変調器と、光導波路フロントエンドから出射された信号光の各々を空間光変調器上のそれぞれ異なる画素の位置に集光し、空間光変調器から出射された光を光導波路フロントエンドに結合させるように配置された光学素子群と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、光スペクトル整形器及びそれを用いた光信号モニタ装置に関する。
インターネットトラフィックの増大と共に光ファイバ通信における通信容量増加のニーズは一層高まっている。光ネットワークの信頼性を損なわず、ネットワークを柔軟に運用・保守するためには、光信号のモニタリングが不可欠となる。特に、光パスの断線や異常検知のための光モニタとしては、例えば、波長チャネルごとの光強度を測定する光チャネルモニタ（ＯＣＭ）が広く用いられている。ＯＣＭは、各ネットワークノードに装荷される。
また、光信号の信号誤り率（ＢＥＲ：Bit error rate）に直結した情報が得られる光信号雑音比（ＯＳＮＲ：Optical signal noise ratio）モニタも、信号フォーマットの複雑化と共に需要が増している。
ＯＣＭの構成は種々あるが、可変波長フィルタ及び受光素子（ＰＤ：Photodetector）を用いた構成が簡便且つ高精度に測定可能なため、しばしば用いられる。この構成は、可変波長フィルタの中心周波数を時間領域でスイープすることで、波長チャネル毎の光強度を測定可能である。また、回折格子等の波長分散素子とイメージセンサを利用する構成もＯＣＭとして一般的に用いられる。この構成は、波長分散素子で波長チャネルをイメージセンサ上の異なる位置に入射させ、位置と波長の関係を事前に把握しておくことにより、一括で波長チャネルの強度情報を取得可能である。
ＯＳＮＲモニタには、従来、ＯＣＭと同様の方式で測定された光スペクトルから、信号帯域外の自然放出光（ＡＳＥ）レベルを線形補完し、光強度に対するＡＳＥ起因の雑音パワー比を推定する手法（ＡＳＥ補完法）が一般的に用いられてきた。しかし、高シンボルレート化に伴う光信号の広帯域化や、多段の光フィルタ通過に伴うＡＳＥ光の非一様なスペクトル特性により、従来用いられてきたＡＳＥ補完法ではＡＳＥレベルを推定することが困難になってきている。そのため、信号帯域内の雑音パワーを直接推定することができるインバンド型ＯＳＮＲモニタ方法が求められている。
インバンド型ＯＳＮＲモニタについても種々の構成が提案されているが、波長フィルタと遅延干渉系とＰＤとを用いた構成は、簡便かつ信号フォーマットに無依存にＯＳＮＲを測定可能であることから有用である。この構成は、遅延干渉系の信号光とＡＳＥ光とのコヒーレンスの違いに基づいてＯＳＮＲを推定する手法であり、初期にキャリブレーションを行うことでＰＤの受光強度のみからＯＳＮＲを推定することができる（例えば、非特許文献１参照）。
また、一般に光信号モニタ装置は、常時ＯＳＮＲ情報が必要なわけではなく、通常運転時には光強度のみを測定し、故障解析時や回線設計時にＯＳＮＲを測定するようなオペレーションが多い。従って、単一の光信号モニタ装置において、任意の波長の光の位相、強度、振幅等を制御することによりＯＣＭ及びＯＳＮＲモニタなどの光モニタ機能を動的に変更可能な光スペクトル整形器を構成することができれば、ＯＣＭやＯＳＮＲモニタをそれぞれ別個に設ける必要がなくなるためデバイス数が削減され、より効率的に光信号モニタが可能となる。
特開２０１７−５８４１７号公報
X. Liu et al.， "OSNR Monitoring Method for OOK and DPSK Based on Optical Delay Interferometer"， IEEE Photonics Technology Letters， Vol. 19， No. 15， pp. 1172−1174， 2007 M. Nakajima et al.， "In−band OSNR Monitors Comprising Programmable Delay Line Interferometer Integrated with Wavelength Selective Switch by Spatial and Planar Optical Circuit"， OFC2016 Y. Sakurai M. Kawasugi， Y. Hotta， M. D. S. Khan， H. Oguri， K. Takeuchi， S. Michihata， and N. Uehara， "LCOS−Based Wavelength Blocker Array With Channel−by−Channel Variable Center Wavelength and Bandwidth，" IEEE Photonics Technol. Lett.， vol. 23， no. 14， pp. 989−991.
図１は、光信号モニタ装置において用いられる、特許文献１に記載されたＳＬＭ（Spatial Light Modulator：空間光変調器）を利用した従来の光スペクトル整形器を概略的に示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）には、入力ポートである複数の入力ファイバ１１１1〜１１１Nと、出力ポートである複数の出力ファイバ１１２1〜１１２Nと、入力ファイバ１１１1〜１１１Nに対応して設けられた複数の入力コリメートレンズ１２１1〜１２１Nと、光学素子群１３０と、ＳＬＭ１４０と、出力ファイバ１１２1〜１１２Nに対応して設けられた複数の出力コリメートレンズ１２２1〜１２２Nと、を備えた光スペクトル整形器が示されている。
図１（ａ）はｘ軸方向から見た図であり、図１（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）においては、入力ファイバ１１１及び出力ファイバ１１２が配列している方向をｙ軸、入力ファイバ１１１中を信号光が伝搬する方向をｚ軸、ｙ軸及びｚ軸に垂直な方向をｘ軸として示している。
図１に示されるように、光学素子群１３０は、入力ファイバ１１１から入力コリメートレンズ１２１を介して入力された信号光を波長分散する回折格子１３１と、入力ポート毎及び波長毎にＳＬＭ１４０上の異なる位置に集光させ、それらの信号を入力ファイバ１１１に対応する出力ファイバ１１２に結合させるためのレンズ１３２と、を含む。
図１に示す光信号モニタ装置においては、入力されたＮ本の信号光は、それぞれ、入力ファイバ１１１1〜１１１Nを介して空間に出射され、入力コリメートレンズ１２１1〜１２１Nを介し、光学素子群１３０に入射する。光学素子群１３０は、波長チャネル及び入力ポート毎にＳＬＭ１４０上の異なる位置に光を集光する。集光された信号光は、ＳＬＭ１４０によって位相が変化されて出射され、再び光学素子１３０を介し、出力コリメートレンズ１２２1〜１２２Nを経て出力ファイバ１１２1〜１１２Nへ与えられる。
ＳＬＭ１４０はｘｙ平面上に画素がマトリクス状に配列された素子であり、各画素において光の位相を独立に制御可能である。ＳＬＭ１４０では、入力された信号光が波長チャネルや入力ポートごとにＳＬＭ１４０上の異なる位置に集光される。そのため、この各画素の領域毎に、特定の位相パタンを与えることによって出射光の波面を制御できるため、信号光について任意のスペクトル形状に整形することが実現可能である。
従来の光信号モニタ装置では、特許文献１に記載のような光スペクトル整形器に出力ファイバに受光部を結合し、ＳＬＭ１４０を用いて波長チャネルごとに信号光のスペクトル形状を制御することにより、ＯＣＭやＯＳＮＲなどの光モニタ機能を動的に変更しながら特性評価を行うことができる。
加えて、特許文献１記載の構成から容易に推定可能なように、ＳＬＭ１４０をイメージセンサに置き換えることにことにより、各ファイバからの波長毎の強度測定、すなわちＯＣＭの機能が実現可能である。本構成は、ＯＳＮＲモニタの機能が削減される反面、ＯＣＭとしてはＳＬＭ及び出力ファイバ、ＰＤアレイが不要となるため、サイズ・コストの面で有用である。
ここで、現在ネットワークの多方路化が進んでおり、必要となる光モニタの数が増大してきている。加えて、マルチコアファイバ等を用いた空間多重化（ＳＤＭ：Space division multiplexing）技術も検討が進んでおり、波長方向のみならず空間方向に多重化された光信号をモニタする必要が生じる。
しかしながら、従来の光スペクトル整形器においては、図１に示すように、入力コリメートレンズ１２１1〜１２１N及び出力コリメートレンズ１２２1〜１２２Nをｙ軸方向に配列する必要があるため、光モニタの数が増大するにしたがってレンズ自体の大きさに起因して光信号モニタ装置の大きさも増大してしまうという問題があった。また、一般にＳＬＭやイメージセンサのサイズ・ピクセル数には上限があるために、実現可能な空間多重数に上限がある。例えば、非特許文献３記載の、ファイバアレー型のスペクトル整形器の空間多重数は１２である。したがって、大規模な光モニタをコンパクトに実装する技術が求められている。
本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、入出力ポート数が増大した場合であってもコンパクトに構成可能な光スペクトル整形器及び光信号モニタ装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る光スペクトル整形器は、信号光を入力する複数の入力ファイバと、前記信号光を出力する複数の出力ファイバと、前記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部と、入力した信号光の各々を導波して前記複数の出力ファイバの各々に結合する出力側導波路部と、を含む光導波路フロントエンドと、平面上にマトリックス状に配列された複数の画素と複数の画素を駆動する駆動部とを有し、前記複数の画素の位相パタンを前記駆動部によって制御することにより入力した各信号光の位相を変化させてそれぞれ出射する空間光変調器であって、各信号光が入射する画素領域毎に特定の位相パタンが設定されている空間光変調器と、前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記空間光変調器上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群であって、前記空間光変調器から出射された光を前記光導波路フロントエンドの前記出力側導波路部に結合させるように配置された光学素子群と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る光信号モニタ装置は、本発明の一態様に係る光スペクトル整形器と、複数の主線光ファイバの光信号を分岐して前記複数の入力ファイバに入力する光カプラと、前記光スペクトル整形器から出力された複数の信号光の強度を測定する受光部アレーと、前記受光部アレーでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記信号光の各々についてのモニタ内容に応じた測定値を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の他の態様に係る光信号モニタ装置は、信号光を入力する複数の入力ファイバと、前記信号光を出力する複数の出力ファイバと、前記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部を含む光導波路フロントエンドと、平面上にマトリックス状に配列された複数の画素によって構成されるイメージセンサと、前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記イメージセンサ上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群とを備え、前記イメージセンサでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記複数の入力ファイバの各々を伝搬する信号光の強度を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によると、入出力ポート数が増大した場合であってもコンパクトに構成可能な光スペクトル整形器及び光信号モニタ装置を実現することが可能となる。
特許文献１に記載の従来の光スペクトル整形器を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する図である。 本発明に係る光導波路フロントエンドの構成を例示する図である。 本発明に係るＳＬＭに印加する電圧の位相パタンを例示する図である。 光導波路フロントエンド２２０の具体的な構成を例示する図である。 本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するためのＳＬＭにおける位相パタンを例示する図である。 本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するためのＳＬＭにおける位相パタンを例示する図である。 本発明の第２の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置の他の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置のさらに他の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第４の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する図である。 本発明の第４の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する図である。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光スペクトル整形器の構成を概略的に例示する。図２（ａ）及び（ｂ）には、入力ポートである複数の入力ファイバ２１１1〜２１１Nと、出力ポートである複数の出力ファイバ２１２1〜２１２Nと、光導波路フロントエンド２２０と、光学素子群２３０と、ＳＬＭ２４０と、を備えた光スペクトル整形器が示されている。
図２（ａ）はｘ軸方向から見た図であり、図２（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）においては、入力ファイバ２１１及び出力ファイバ２１２が配列している方向をｙ軸、入力ファイバ２１１中を信号光が伝搬する方向をｚ軸、ｙ軸及びｚ軸に垂直な方向をｘ軸として示している。
図３は、本発明に係る光導波路フロントエンド２２０の構成を例示する。図３に示すように、光導波路フロントエンド２２０は、入力側導波路部２２０1と、出力側導波路部２２０2と、を含む。
入力側導波路部２２０1は、入力ファイバ２１１1〜２１１Nから入力される各信号光を導波する第１の入力導波路部２２１1〜２２１Nと、各第１の入力導波路部２２１1〜２２１Nから入力した信号光の光ビーム径を拡大しつつ拡散して導波する入力スラブ導波路２２２と、入力スラブ導波路２２２で拡散された信号光がそれぞれ入射する第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nと、第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nからそれぞれ出射された信号光の波面に応じて出射角を変換して当該出射角を変換した信号光を光学素子群２３０に出力する光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nと、を含む。
出力側導波路部２２０2は、ＳＬＭ２４０から光学素子群２３０を介して出力された各信号光が入射する光フェーズドアレー入射部２２５1〜２２５Nと、光フェーズドアレー入射部２２５1〜２２５Nに入射した信号光をそれぞれ伝搬する第１の出力導波路部２２６1〜２２６Nと、各第１の出力導波路部２２６1〜２２６Nから入力した信号光を導波する出力スラブ導波路２２７と、出力スラブ導波路２２７から入力される各信号光を導波して出力ファイバ２１２1〜２１２Nに出力する第２の出力導波路２２８1〜２２８Nと、を含む。
光学素子群２３０は、第１のコリメートレンズ２３１と、回折格子２３２と、フーリエレンズ２３３と、第２のコリメートレンズ２３４と、を含む。光学素子群２３０は、波長チャネル及び入力ポート毎に、光導波路フロントエンド２２０の光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nから出射された信号光をＳＬＭ２４０上の異なる画素の位置に集光するとともに、ＳＬＭ２４０から出射した信号光を光導波路フロントエンド２２０のそれぞれ異なる光フェーズドアレー入射部２２５1〜２２５Nに出力する。
ＳＬＭ２４０は、ｘｙ平面上に複数の画素がマトリックス状に配列された素子であり、複数の画素を駆動する駆動部（不図示）を有する。マトリックス状の複数の画素の位相パタンを駆動部によって制御することにより、各画素において入力された光の強度、位相、遅延時間等を独立に制御して出射することができる。ＳＬＭ２４０は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー等を用いることができる。
ＬＣＯＳは、画素中の液晶材料の配向方向をドライバ電極に印加する電圧により制御可能であり、これによって入力された信号光に対する液晶の屈折率を変化させて信号光の位相を制御して出射することが可能である。ＬＣＯＳの表面電極を透明電極とし、裏面電極を反射電極とすることで反射型の位相変調器が実現可能である。ＬＣＯＳにおいては、液晶材料の代わりに電気光学効果を示す材料を用いても構わない。また、ＭＥＭＳミラーは、例えば電圧を印加することで、各画素の位置に対応するミラーをｚ軸方向へ変位させることで画素ごとに光路長を変化させ、位相を制御することが可能である。
図４は、本発明に係るＳＬＭに印加する電圧の位相パタンを例示する。ＳＬＭ２４０に、例えば図４に示すような、のこぎり波状の位相パタンを有する電圧を印加することで、信号光を偏向させることができる。ＳＬＭ２４０では、のこぎり波状の位相パタンの傾きに応じて、入射した信号光の偏向角度を制御することができる。従って、本発明に係る光スペクトル整形器では、ＳＬＭ２４０において波長チャネル毎に異なる位相パタンを設定することで、信号光について任意のスペクトル形状を実現可能である。
図２に示す光信号モニタ装置では、入力されたＮ本の信号光は、それぞれ、入力ファイバ２１１1〜２１１Nを介して光導波路フロントエンド２２０内の各第１の入力導波路部２２１1〜２２１Nに結合される。
第１の入力導波路部２２１1〜２２１N内を伝搬する信号光は、入力側スラブ導波路２２２で拡大・拡散され、第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nに入射する。従って、第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nの各導波路内では、第１の入力導波路部２２１1〜２２１Nから出射された全ての信号光がシェアされている。第１の入力導波路部２２１1〜２２１N及び第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nでは、各導波路間を伝搬する信号光に遅延差が生じないように導波路の長さが調整されており、また隣接する各導波路を伝搬する信号光が互いに干渉しないような距離に各導波路間が離間されている。これにより、入力されたＮ本の信号光は、入力側スラブ導波路２２２での光波面が保存されたまま光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nに至る。
光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nは、各導波路から出射する信号光が干渉するように各導波路の各出射端が近接している。各導波路から出射する信号光を干渉させるために、光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nから出射する信号光の出射角度は、各光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nに入力される信号光の波面の向きによって異なる。第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nでは、入力側スラブ導波路２２２での光波面が保存されているため、この波面の向きは第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nの位置によって変化する。従って、入力側スラブ導波路２２２へ高密度に信号光を入力することで、多数の入力光信号を異なる角度で出射させることができる。また、この時のビーム径は、入力側スラブ導波路２２２において入力側スラブ導波路２２２の長さで決まる倍率でｙ方向に拡大されている。光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nから出射した各光ビームは、光学素子群２３０に入射する。
光導波路フロントエンド２２０を介して光学素子群２３０に入力された信号光は、コリメートレンズ２３１を介して回折格子２３２に入射し、回折格子２３２において波長分散されて、フーリエレンズ２３３に入射する。フーリエレンズ２３３に異なる角度で入力された各光は、レンズ２３４を介してＳＬＭ２４０上の異なる位置に集光される。
フーリエレンズ２３３に入射した光は、レンズ２３４を介してＳＬＭ２４０上に集光される。フーリエレンズ２３３では、光導波路フロントエンド２２０から出射される信号光のビーム径ｗ0が大きいほど、ＳＬＭ２４０上に入射する信号光のビーム径ｗ1が減少する。すなわち、光導波路フロントエンド２２０の光フェーズドアレー出射部２２４1〜２２４Nから出射する各信号光のビーム径と出射角度を制御することで、多数の信号光をＳＬＭ２４０上へ高密度に照射することが可能である。
波長チャネルごとにＳＬＭ２４０上の異なる画素の位置に集光された信号光は、ＳＬＭ２４０において位相が変化されて、ＳＬＭ２４０から出射される。ＳＬＭ２４０から出射された信号光は、再び光学素子２３０を介し、光導波路フロントエンド２２０に至る。ＳＬＭ２４０では、各信号光が入射する画素領域毎に、特定の位相パタンを与えるように印加電圧を設定することによって出射光の波面を制御することができる。
光導波路フロントエンド２２０の光フェーズドアレー入射部２２５1〜２２５Nに入射した信号光は、第１の出力導波路部２２６1〜２２６N、出力スラブ導波路２２７及び第２の出力導波路部２２８1〜２２８Nを介して出力ファイバ２１２1〜２１２Nに出力される。
本構成で実現可能な空間多重数について記述する。ＳＬＭ２４０のｙ方向の高さをＨ、ＳＬＭ２４０上の隣接ポートとのビーム間隔ΔｄSLMとすると、本発明で実現可能な最大の空間多重数Ｎは以下の（式１）のように記述できる。
Figure 2019158923
また、ＳＬＭ２４０上のビーム径ωSLMはΔｄSLMよりも小さい値でない場合、ビームがオーバラップし、光モニタにクロストーク（ＸＴ）が生じる。これを回避するためにｋを１より大きな実数として、ΔｄSLMを以下の（式２）のように設定する必要がある。
Figure 2019158923
上記の関係から、空間多重数Ｎは、以下の（式３）のようにωSLMとＨの値で決定される。
Figure 2019158923
すなわち、ｋまたはωSLMを小さく出来るほど空間多重数Ｍは増加する。ただし、上述の通り、ｋの値には制約があり、例えばガウスビームの結合が十分小さくなる場合を鑑みると３以上の値が好ましい。この値よりも小さい場合は、ＸＴが劣化しモニタの精度劣化などにつながる。
また、ビーム径ωSLMが小さくなると、１ビーム当たりのピクセル数が劣化し、スペクトル整形器の精度劣化につながる。例えば、後述するような遅延干渉計機能やバンドパスフィルタ機能を光モニタに十分な精度で構築するには、ωSLMは少なくとも５ピクセル以上であることが望ましい。
上記の制約を満たす範囲で最小のωSLM、ｋの値を選択することで空間多重数Ｍを増加させることが出来る。しかしながら、前述のように特許文献１記載のファイバアレー型フロントエンドの構成では、レンズの配置間隔やファイバのビーム径の制約等から、任意のωSLM、ｋを設計するのは困難であった。一方、本発明の導波路フロントエンドを利用した形態では、任意のωSLM、ｋを実現可能である。その設計手法について記述する。
図５は、光導波路フロントエンド２２０の具体的な構成を例示する。図５中、ｐは第１の入力導波路部２２１の入力導波路２２１i（ｉはポート番号）から入力スラブ導波路２２２へ結合する箇所の位置オフセット、ｆSBTは入力スラブ導波路２２２の長さ、ｄ1は入力スラブ導波路２２２から出射する箇所での第２の入力導波路部２２３1〜２２３Nの間隔、ｄ2は光フェーズドアレー出射部２２４の導波路間隔である。この場合、光導波路フロントエンド２２０から空間に出射する光ビームの出射角θSBT及びビーム径ωSBTは、それぞれ以下の（式４）及び（式５）で記述できる。
Figure 2019158923
Figure 2019158923
ただし、λは伝搬ビームの波長、ｎは導波路の有効屈折率、ωoは導波路のモード径である。このビームが図２に記述するような、一般的なフーリエ光学系を介してＳＬＭに結像する場合、そのビーム結像位置の間隔ΔｄSLMは、以下の（式６）から、次の（式７）で表される。
Figure 2019158923
Figure 2019158923
ただし、ｆoはレンズの焦点距離を示している。（式２）及び（式４）−（式７）を用いることで、任意のｋ、ωSLMを実現可能である。例えば、ｄ1＝ｄ2＝１０μｍ、ωo＝5μｍ、ｎ＝１．４、ｆsbt＝２１ｍｍ、ｆo＝１５０ｍｍのようにすることで、ωSLM＝５０μｍ、ｋ＝３．５が得られる。画素ピッチ１０μｍ及びピクセル数が４Ｋの長軸をｙ方向に向けて配置する場合（ｙ方向に４０９６画素）を鑑みると、空間多重数Ｎは２３１となる。これは、非特許文献３に示される従来のファイバ型スペクトル整形器の報告値である１２よりも約１９．３倍大きい。
なお、（式４）−（式７）は、最もビーム径が小さくなる位置である焦点面にＳＬＭ２４０を配置する場合（すなわち２−ｆ系）を考慮しているが、必ずしも焦点面に配置する必要は無い。例えば、よりレンズ側にＳＬＭ２４０を配置することで、光路長の短縮を計れる。本発明は、上記のような構成も包含することができる。
図６は、本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するためのＳＬＭ２４０における位相パタンを例示する。本発明に係る光スペクトル整形器を用いてバンドパスフィルタ動作を実現するには、例えば図６に示すような位相パタンをＳＬＭ２４０で設定すればよい。ここで、接続のこぎり波パタン２４１は出力ファイバ２１２1〜２１２Nに最も結合する角度で信号光が出射するように構成され、ブロック位相パタン２４２は出力ファイバ２１２1〜２１２に十分に結合しないような角度で信号光が出射するように構成されている。接続のこぎり波パタン２４１の中心位置は、バンドパスフィルタの中心波長に対応し、接続パタンのｘ方向の幅はバンドパスフィルタの幅を示す。図６に示すようにｙ軸方向に異なる位相パタンを表示することで、入力ポート毎に異なる波長チャネルの信号をモニタすることが可能となる。
また、バンドパスフィルタ幅は位相パタンで変更可能であるため、フレックスグリッドのような波長チャネル毎に帯域幅が異なる光信号強度もモニタすることが可能となる。また、バンドパスフィルタの中心波長を時間掃引することで、全ての波長チャネルの信号光をモニタすることが可能となる。
図７は、本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するためのＳＬＭ２４０における位相パタンを例示する。本発明に係る光スペクトル整形器を用いて遅延干渉系を実現するには、例えば図７に示すように、ＳＬＭ２４０に入射した１つの信号光について、そのビーム径内において２つの異なる位相パタンが設けられるように印加電圧を制御すればよい。これによって、ＳＬＭ２４０に入射した光は、方路が２つに分岐される。
ただし、ｙ軸方向は出力ファイバ２１２1〜２１２に十分結合する同じ傾きのスロープが設定されており、スロープの位相オフセット量Δφが異なる。位相傾きが同様であるため、信号は同じ出射角で出力ファイバに至るが、位相がΔφ異なるために出力ポートで干渉が発生し、Δφに応じて出力ファイバへ結合する信号光の強度が変化する。また、ｘ軸方向には互いに逆向きの位相スロープが設定される。ｘ軸への位相スロープによって光路差Δτが発生するため、出力ポートでの干渉は遅延干渉と同様になる。光路差Δτは、ｘ軸方向のスロープ傾きを変化させることで変化可能である（例えば、非特許文献２参照）。
本発明に係る第１の実施形態に係る光スペクトル整形器によると、ＳＬＭ上に高密度に光信号を入射させることができるため、入出力ポート数が増大した場合であっても、コンパクトな光スペクトル整形器を実現することが可能となる。
（第２の実施形態）
図８は、本発明の光スペクトル整形器を用いた第２の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する。図８には、モニタ対象のＮ本の信号光が入力されるＮ本の主線光ファイバ３０１1〜３０１N中の信号光の一部をＮ本の接続ファイバ３０２1〜３０２Nに分岐するＮアレーの光カプラ３０３1〜３０３Nと、光カプラ３０３1〜３０３Nでそれぞれ分岐された光信号を独立に制御可能なＮアレーの光スペクトル整形器３０４と、光スペクトル整形器３０４からのＮ本の出力信号の光強度を独立に測定可能な受光部アレー３０５と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
光カプラ３０３1〜３０３Nは、例えば１入力２出力の１×２光カプラを用いることができる。光カプラ３０３1〜３０３Nとしては、例えば光ファイバ型カプラや光導波路の干渉系のカプラを用いることができる。
Ｎアレーの光スペクトル整形器３０４は、Ｎ本の入力光に対して任意の波長フィルタリングや遅延干渉などの光モニタ機能を動的に変更可能に構成されている。光スペクトル整形器３０４としては、例えば、第１の実施形態に係る光スペクトル整形器を用いることができる。本発明の第２の実施形態に係る光モニタ装置に依れば、Ｎの数は、上述のように例えば２３１のような大きな値を設定できる。
受光部アレー３０５は、例えば、多数のＰＤを基板上に集積化したり、先端にＰＤを実装した光ファイバアレーを用いたり、ＣＣＤやＩｎＧａＡｓカメラのような面受光素子を用いることができる。受光部アレー３０５には、図示しない算出手段が接続されており、当該算出手段によって、受光部アレー３０５で測定した光の強度に基づいて、各主線光ファイバ３０１1〜３０１Nにおける信号光の強度やＯＳＮＲ等のモニタ内容に応じた測定値が算出される。
本発明の第２の実施形態に係る光信号モニタ装置の多チャネルＯＣＭとしての動作について説明する。光カプラ３０３1〜３０３Nにて主線光ファイバ３０１1〜３０１Nからそれぞれタップされた信号光は、光スペクトル整形器３０４の各入力ポートへそれぞれ入力される。光スペクトル整形器３０４では、測定したい波長チャネルの中心周波数と、透過する波長帯域を有するバンドパスフィルタと、が波長チャネル毎に設定されている。そのため、光スペクトル整形器３０４から出力された信号光は、所望の波長チャネルの成分のみを含む。従って、ｎ＝１，２，．．．，Ｎとすると、各主線光ファイバ３０１を伝搬する信号光の強度Ｐn［ｄＢ］は、受光部アレー３０５においてそれぞれ検出される受光強度ＰPD-n［ｄＢ］及び光カプラ３０３1〜３０３Nにおいてタップした後の光学系で発生する光損失の値αn［ｄＢ］から以下の（式８）を通じて換算可能である。
Figure 2019158923
ここで、βは、光カプラ３０３1〜３０３Nにおける主線光ファイバへの出力に対する接続ファイバへの出力の分岐比である。β及びαnの値は、実験による実測値または光伝搬シミュレーション等によって予め保持しておくことができる。そのため、ＰPD-nをモニタすることで主線光ファイバ３０１1〜３０１Nの光チャネルを伝搬する信号光の強度Ｐnの値を特定することができる。
光スペクトル整形器３０４から出力された各信号光は、受光部アレー３０５に入力される。光スペクトル整形器３０４では波長チャネル毎に任意のフィルタ形状を設定することができるため、受光部アレー３０５において主線光ファイバ３０１1〜３０１N毎に異なる波長チャネルの信号光の強度を測定することも可能である。また、光スペクトル整形器３０４では、バンドパスフィルタを動的に再構成可能であるため、中心波長を時間掃引することで各主線光ファイバ３０１1〜３０１Nの全ての波長チャネルの信号光の光強度を測定することが可能である。
次に、本発明の第２の実施形態に係る光信号モニタ装置の多チャネルＯＳＮＲモニタとしての動作について説明する。本発明の第２の実施形態に係る光信号モニタ装置を多チャネルＯＳＮＲモニタとして動作させる場合には、上述した機能に加えて、光スペクトル整形器３０４において、同帯域内の信号光を２分岐して、受光部アレー３０５における単一の受光部に結合することによって遅延干渉系を形成するように構成する。この結果、受光部アレー３０５では、所望の波長チャネルを伝搬する信号光が遅延干渉した後の干渉光強度が測定される。
ここで、遅延干渉系における一方の信号光の位相を掃引し、干渉光強度が最大になる値Ｐmaxと最小になる値Ｐminを算出すると、これらの強度比Ｒ＝Ｐmax／Ｐminを用いて、ＯＳＮＲ［ｄＢ］を以下の（式９）から計算することができる（例えば、非特許文献１参照）。
Figure 2019158923
上記（式９）において、ｓおよびｎはそれぞれ光ノイズが存在しない場合及び信号光が存在しない場合のＲの値であり、ＮＥＢはノイズ成分の実効的な透過帯域すなわちバンドパスフィルタの帯域である。ｓ及びｎは事前にキャリブレーションすることで算出可能であり、ＮＥＢはＳＬＭで設定する透過帯域の幅から算出可能である。従って、上述のＲをモニタすることで、ＯＳＮＲを推定することが可能である。
このように、光スペクトル整形器３０４では、バンドパスフィルタを動的に再構成可能なため、中心波長を時間掃引することで各主線光ファイバ３０１1〜３０１Nの全ての波長チャネルの信号光のＯＳＮＲを測定することが可能である。加えて、各主線光ファイバ３０１1〜３０１Nや波長チャネル毎に異なるモニタ機能を割り当てることもできる。
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置の構成を概略的に例示する。図９には、空間多重に対応した空間多重数がＫであるＮ本の主線ＳＤＭ光ファイバ４０１1〜４０１Nと、Ｎ本の接続ＳＤＭファイバ４０２1〜４０２Nと、Ｎ本の主線光ＳＤＭファイバ４０１1〜４０１N中の信号光の一部をＮ本の接続ＳＤＭファイバ４０２1〜４０２Nに分岐するＮアレーのＳＤＭ光カプラ４０３1〜４０３Nと、ＳＤＭ光カプラ４０３1〜４０３Nでそれぞれ分岐された信号光を独立に制御可能なＮアレーのＳＤＭ光スペクトル整形器４０４と、ＳＤＭ光スペクトル整形器４０４から出力された信号光をシングルモードファイバ（ＳＭＦ）４０７に分離するファンイン・ファンアウト（ＦＩＦＯ）部４０６と、ＦＩＦＯ部４０６においてファンアウトされた（Ｎ×Ｋ）本の信号光の光強度を独立に測定可能な受光部アレー４０５と、ＦＩＦＯ部４０６と受光部アレー４０５との間を接続する（Ｎ×Ｋ）本のＳＭＦ４０７と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
主線ＳＤＭ光ファイバ４０１1〜４０１N及び接続ＳＤＭファイバ４０２1〜４０２Nとしては、例えば、マルチコアファイバやマルチモードファイバを用いることができる。
ＳＤＭ光カプラ４０３1〜４０３Nは、主線ＳＤＭ光ファイバ４０１1〜４０１N内の空間多重化された信号光を主線ＳＤＭ光ファイバ４０１1〜４０１N及び接続ＳＤＭファイバ４０２1〜４０２Nに２分岐する。ＳＤＭ光カプラ４０３1〜４０３Nとしては、例えば、光ファイバ型カプラや光導波路の干渉系のカプラを用いることができる。
ＮアレーのＳＤＭ光スペクトル整形器４０４は、Ｎ本のＫ空間多重された信号光に対して任意の波長フィルタや遅延干渉をさせて出力させる機能を有している。ＳＤＭ光スペクトル整形器４０４としては、例えば第１の実施形態に係る光スペクトル整形器を用いることができる。
受光部アレー４０５は、例えば、多数のＰＤを基板上に集積化したり、先端にＰＤを実装した光ファイバアレーを用いたり、ＣＣＤやＩｎＧａＡｓカメラのような面受光素子を用いることができる。
ＦＩＦＯ部４０６は、空間多重された光信号をＳＭＦ変換することができる。例えばフォトニックランタンやファイババンドル、光導波路などで構成することができる。
本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置において、Ｎ本の主線ＳＤＭ光ファイバ４０１1〜４０１Nからそれぞれタップされた信号光は、光スペクトル整形器４０４の各入力ポートへそれぞれ入力される。光スペクトル整形器４０４では、入力したＮ本のＫ空間多重された信号光のスペクトル形状を所望の形状に整形してＦＩＦＯ部４０６に出力する。
光スペクトル整形器４０４からＦＩＦＯ部４０６に入力されたＮ本のＫ空間多重された信号光は、ＦＩＦＯ部４０６において（Ｎ×Ｋ）本の信号光に分離されて、（Ｎ×Ｋ）本のＳＭＦ４０７を介して受光部アレー４０５に出力される。
本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置におけるＯＣＭ動作及びＯＳＮＲ動作については、入出力数がＮ本から（Ｎ×Ｋ）本に変化したのみであり、第２の実施形態で述べた手法と同様の方法によって実現される。
第３の実施形態に係る光信号モニタ装置は、第２の実施形態に係る光信号モニタ装置と比較し、ＳＤＭ伝送した信号光についても適応できる点で優れている。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置の他の例を示す。図１０に示す光信号モニタ装置では、ＦＩＦＯ部４０６がＳＤＭ光スペクトル整形器４０４の後段ではなく前段に配置されており、ＦＩＦＯ部４０６とＳＤＭ光スペクトル整形器４０４との間、及びＳＤＭ光スペクトル整形器４０４と受光部アレー４０５との間が（Ｎ×Ｋ）本のＳＭＦ４０７で接続されている。
また、図１１は、本発明の第３の実施形態に係る光信号モニタ装置のさらに他の例を示す。図１１に示す光信号モニタ装置では、ＦＩＦＯ部４０６1及び４０６2がＳＤＭ光スペクトル整形器４０４の前段及び後段の両方に配置されており、ＦＩＦＯ部４０６1及び４０６2とＳＤＭ光スペクトル整形器４０４との間がそれぞれ（Ｎ×Ｋ）本のＳＭＦ４０７で接続されているとともに、ＦＩＦＯ部４０６2と受光部アレー４０５との間がＮ本の出力ＳＤＭ光ファイバ４０８1〜４０８N（空間多重数Ｋ）で接続されている。
所望の入出力ポート数や空間多重数、所望の光学特性、コスト、サイズ等に応じて、図９乃至図１１に示す構成のうち、適切な構成を選べばよい。
（第４の実施形態）
図１２及び図１３を用いて、本発明の第４の実施形態に係る光信号モニタ装置を説明する。上述した第２及び第３の実施形態に係る光信号モニタ装置では、各々光スペクトル整形器の外側に受光部アレーが必要であった。本実施の形態では、ＯＳＮＲモニタ機能を削減する代わりに、受光部アレーを必要としない形態について述べる。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係る光信号モニタ装置で用いられる光信号モニタ部の構成を例示する。図１２には、入力ポートである複数の入力ファイバ５１１1〜５１１Nと、出力ポートである複数の出力ファイバ５１２1〜５１２Nと、光導波路フロントエンド５２０と、光学素子群５３０と、イメージセンサ５４０と、を備えた光信号モニタ部が示されている。
図１２（ａ）はｘ軸方向から見た図であり、図１２（ｂ）はｙ軸方向から見た図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）においては、入力ファイバ５１１及び出力ファイバ５１２が配列している方向をｙ軸、入力ファイバ５１１中を信号光が伝搬する方向をｚ軸、ｙ軸及びｚ軸に垂直な方向をｘ軸として示している。光導波路フロントエンド５２０及び光学素子群５３０は第１の実施形態で説明したものと同様である。
本実施の形態では、ＳＬＭの代わりにイメージセンサ５４０が配置されていることを特徴とする。イメージセンサ５４０は、ｘｙ平面上に複数の画素がマトリックス状に配列された素子であり、各画素に入力される光強度に応じて出力応答が変化する。例えばＣＣＤカメラやＩｎＧａＡｓカメラが利用できる。イメージセンサ５４０では、入力ポート及び波長毎にイメージセンサ５４０の異なる位置に光が照射されるため、その位置関係を把握しておくことにより入力ポート及び波長毎の光パワーを測定することが出来る。これにより、第４の実施形態に係る光信号モニタ部を用いて光信号モニタ装置を構成した場合に、外部に受光部アレーを配置せずともＯＣＭの機能を搭載できるといった優れた効果を発現する。
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る光信号モニタ装置を例示する。図１３には、モニタ対象のＮ本の信号光が入力されるＮ本の主線光ファイバ６０１1〜６０１N中の信号光の一部をＮ本の接続ファイバ６０２1〜６０２Nに分岐するＮアレーの光カプラ６０３1〜３０３Nと、光カプラ６０３1〜６０３Nでそれぞれ分岐された光信号を独立に制御してその光強度を独立に測定可能なＮアレーの光信号モニタ部６０４と、を備えた光信号モニタ装置が示されている。
主線光ファイバ６０１及び接続ファイバ６０２としては、第２の実施形態で用いたような光ファイバや、第３の実施形態で用いたようなＳＤＭ光ファイバを用いることができる。
光信号モニタ部６０４としては、図１２で例示した光信号モニタ部を用いることができる。光信号モニタ部６０４には、図示しない算出手段が接続されており、当該算出手段によって、光信号モニタ部６０４で測定した光の強度に基づいて、各主線光ファイバ６０１1〜６０１Nにおける信号光の強度が算出される。
図１３に示すように配置することで、受光部アレーを設けることなく、ファイバアレーや空間多重用ファイバアレーのＯＣＭが可能な光信号モニタ装置を実現することができる。
本実施の形態においても最大の空間多重数Ｎは、上記（式１）〜（式８）により決定され、例えば２３１のように設定できる。
上記の各実施形態では、上記の機能を満たす光学系を最小のコンポーネントで実現される場合を示しており、同様の機能を実現し得る光学系以外にも無数に存在する。例えば、光路を短くするために折り返しミラーを装荷してもよく、収差を補正するレンズ群を追加してもよい。また、上記実施形態では、光カプラで分離された信号光をＦＩＦＯ部を用いて分離したが、ＦＩＦＯ部を用いて光信号を各空間チャネルに分離し、分離した信号光のそれぞれに対し通常のＳＭＦ伝送で利用される光カプラにより分岐してもよい。

Claims (8)

  1. 信号光を入力する複数の入力ファイバと、
    前記信号光を出力する複数の出力ファイバと、
    前記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部と、入力した信号光の各々を導波して前記複数の出力ファイバの各々に結合する出力側導波路部と、を含む光導波路フロントエンドと、
    平面上にマトリックス状に配列された複数の画素と前記複数の画素を駆動する駆動部とを有し、前記複数の画素の位相パタンを前記駆動部によって制御することにより入力した各信号光の位相を変化させてそれぞれ出射する空間光変調器であって、各信号光が入射する画素領域毎に特定の位相パタンが設定されている空間光変調器と、
    前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記空間光変調器上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群であって、前記空間光変調器から出射された光を前記光導波路フロントエンドの前記出力側導波路部に結合させるように配置された光学素子群と、
    を備えることを特徴とする光スペクトル整形器。
  2. 前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部は、前記複数の入力ファイバから入力される各信号光を導波する複数の第１の入力導波路部と、前記複数の第１の入力導波路部の各々から入力した信号光の光ビーム径を拡大しつつ拡散して導波する入力側スラブ導波路と、前記入力側スラブ導波路で拡散された信号光がそれぞれ入射する複数の第２の入力導波路部と、前記複数の第２の入力導波路部の各々からそれぞれ出射された信号光の波面に応じて出射角を変換して前記光学素子群に出力する光フェーズドアレー出射部と、を含み、
    前記光導波路フロントエンドの前記出力側導波路部は、前記空間光変調器から前記光学素子群を介して出力される信号光を入力する光フェーズドアレー入射部と、前記光フェーズドアレー入射部に入射した各信号光をそれぞれ伝搬する複数の第１の出力導波路部と、前記複数の第１の出力導波路部の各々から入力した信号光を導波する出力スラブ導波路と、前記出力スラブ導波路から入力される各信号光を導波して前記複数の出力ファイバに出力する第２の出力導波路部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光スペクトル整形器。
  3. 前記光学素子群は、入射した信号光を波長分散する回折格子と、前記回折格子によって波長分散された信号光を前記空間光変調器上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するフーリエレンズと、を少なくとも含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光スペクトル整形器。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光スペクトル整形器と、
    複数の主線光ファイバの光信号を分岐して前記複数の入力ファイバに入力する光カプラと、
    前記光スペクトル整形器から出力された複数の信号光の強度を測定する受光部アレーと、
    前記受光部アレーでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記信号光の各々についてのモニタ内容に応じた測定値を算出する算出手段と、
    を備えたことを特徴とする光信号モニタ装置。
  5. 前記算出手段は、前記受光部アレーで測定された前記複数の信号光の強度と、前記信号光が前記受光部アレーに結合する際の光学系で発生する光損失の値とに基づいて、前記複数の入力ファイバの各々を伝搬する信号光の強度を算出することを特徴とする請求項４に記載の光信号モニタ装置。
  6. 前記空間光変調器は、出射する信号光を２分岐し、当該２分岐された光信号を前記受光部アレーにおける単一の受光部に結合させることにより遅延干渉計を形成するように構成され、
    前記受光部アレーは、２分岐された光信号が遅延干渉した後の光の光強度を測定し、
    前記算出手段は、前記遅延干渉した後の光の光強度の最大値と最小値との比率からＯＳＮＲを算出することを特徴とする請求項４に記載の光信号モニタ装置。
  7. 前記複数の主線光ファイバは、空間多重された信号光を伝搬するＳＤＭ対応の光ファイバであり、
    前記光信号モニタ装置は、前記空間多重された信号光をシングルモードファイバ変換するファンイン・ファンアウト部をさらに備えたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光信号モニタ装置。
  8. 信号光を入力する複数の入力ファイバと、
    前記信号光を出力する複数の出力ファイバと、
    前記複数の入力ファイバの各々から出射された各信号光のビーム径を拡大しつつ、前記信号光毎に異なる角度で出射する入力側導波路部を含む光導波路フロントエンドと、
    平面上にマトリックス状に配列された複数の画素によって構成されるイメージセンサと、
    前記光導波路フロントエンドの前記入力側導波路部から出射された前記信号光の各々を前記イメージセンサ上のそれぞれ異なる前記画素の位置に集光するように配置された光学素子群とを備え、
    前記イメージセンサでそれぞれ測定した光の強度に基づいて、前記複数の入力ファイバの各々を伝搬する信号光の強度を算出する算出手段と、
    を備えたことを特徴とする光信号モニタ装置。
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