JP4755210B2

JP4755210B2 - 光信号処理装置および光信号処理装置の調整方法

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Publication number: JP4755210B2
Application number: JP2008016727A
Authority: JP
Inventors: 直樹大庭; 元速石井; 賢哉鈴木; 真司美野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2028-01-28
Also published as: JP2009175633A

Description

本発明は、光信号処理装置に関する。より詳細には、空間光信号系を含む光信号処理装置に使用される信号処理素子に関する。

光通信ネットワークの高速化、大容量化が進み、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送信号の処理に代表されるような光信号処理装置へのニーズも高まっている。例えば、多重化された光信号をノード間で経路切り替えする機能が要請されている。光−電気変換を経ないで、光信号のまま経路変換を行なうことで、光信号処理装置の高速化が進められている。

一方、信号処理装置の小型化・集積化の点から、導波路型光回路（ＰＬＣ：ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英系ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積し、低損失で信頼性の高い光機能デバイスが実現されている。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品を組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。

例えば、特許文献１には、ＡＷＧなどを含む導波路型光回路（ＰＬＣ）と液晶素子などの空間変調素子を組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、コリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理を行う。

図７は、光信号処理装置の一例を概念図で示したものである。この光信号処理装置では、分光素子５１を経由して光信号が入出力される。分光素子５１は、異なる波長を持つ複数の光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、集光レンズ５２へ向かって出射する。集光レンズ５２によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、強度変調、位相変調または偏向する機能を持つ信号処理素子５３上の所定の各位置に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、信号処理素子の異なる位置に光信号が集光されることに留意されたい。信号処理素子５３は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は強度変調などを受け、波長毎に所定の信号処理機能が実現される。信号処理された光信号は、ミラー５４で反射されて進行方向を反転し、再び集光レンズ５３を通って、分光素子５１において合波される。合波された各波長の光信号は、出力光として、再び光信号処理装置外へ出力される。

図７において、分光素子５１は概念的に示したものであり、波長に応じて光信号を分波および合波ができるものであれば良い。例えば、グレーティング、プリズム、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）などがある。信号処理素子は、光信号の強度もしくは位相、または強度および位相を変調できるもの、または光信号の進行方向を偏向できるものであれば良い。例えば、液晶素子、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ミラー、非線形結晶などがある。

図７に示した光信号処理装置は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つの分光素子によって光信号の分波および合波の両方を行なう構成である。この構成は、一般に反射型と呼ばれている。波長ブロック等の光信号処理は、この構成だけに限られない。例えば、ミラーを使用せずに、図７の信号処理素子を対称軸の位置として、入射光光軸の延長線上であって入射系の反対側に、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系を配置した構成も可能である。この構成は、独立した入射系および出射系を経由して、それぞれ光信号の分波および合波を行なう構成であり、透過型と呼ばれている。さらに、図７に示した装置構成において、ミラーの向きを変えることによって、任意の位置に配置した、もう一つのレンズおよび分光素子からなる出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。例えば、ミラー反射面を光信号の入射光路に対して４５度傾けて、入射光路に対して垂直方向に配置されたレンズおよび分光素子により出射系を構成することも可能である。さらに、信号処理素子が偏向機能を持つ場合は、複数の出射系を備えることもできる。

図７において、分光素子５１と集光レンズ５２とは、前焦点距離ＦＦＬだけ離して配置され、信号処理素子５３と集光レンズ５２とは後焦点距離ＢＦＬだけ離して配置される。集光レンズ５２によって集光される光の焦点は、使用するすべての波長においてミラー５４の面上になくてはならない。ミラー面上からずれると、入出力光間の結合損失を生じる問題が起こる。同時に、集光された光信号の信号処理素子面におけるビームスポット径が大きくなることから、波長分解能が低下する問題が生じる。

また、信号処理素子５３は、光信号の波長ごとに選択的に変調を行なうことができるように、空間的に周期的な構造を備えている必要がある。例えば、信号処理素子５３が液晶素子である場合、液晶素子内の複数の要素素子の構造は、分光素子および集光レンズの光学特性に対応させて、設計されなければならない。

より具体的には、信号処理素子上における集光位置の波長依存性は、分光素子の角度分散値と集光レンズの焦点距離との積に従うことが知られている。集光位置の波長依存性は、分光光学系の線分散値とも呼ばれる。分光素子および集光レンズによって決定される光学系の線分散値は、信号処理素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値の間にずれがあれば、光信号の実際の集光点位置は信号処理素子の個々の要素素子（例えば、液晶シャッター素子のピクセル）の位置と一致しなくなる。この不一致によって、実際に信号処理される光信号の波長には、誤差が生じる。次に、信号処理素子上の集光位置の波長依存性について、液晶素子の場合を例としてより詳しく述べる。

特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など）ＩＴＵＲｅｃｏｍｍｅｄａｔｉｏｎＧ．６９４．１

図８は、ＡＷＧを用いた光信号処理装置のより具体的な構成を示す図である。図７における分光素子としてＡＷＧ５６を、信号処理素子として液晶素子５３をそれぞれ用いている。ＡＷＧ５６の出射端５８の近傍には、シリンドリカルレンズ５７が配置される。シリンドリカルレンズ５７は、ＡＷＧの分光面（ｘ−ｚ面）に垂直方向、すなわちＡＷＧ基板の厚さ方向に光信号を集光する。液晶素子５３は、複数の要素素子がｘ方向に配置された構造を持つ。

ＡＷＧ５６は、光信号の波長に応じて、出射端５８からｚ方向へ向かって、主光軸に対して出射角度θで空間光学系へ出射される。出射角度θに対応して、液晶素子５３の所定の要素素子上に光信号は集光する。上述したように、ＡＷＧ５６および集光レンズ５２によって決定される光学系の線分散値は、液晶素子５３の要素素子の構造の設計に用いた線分散値と、十分に一致している必要がある。これらの線分散値の間にずれがあれば、光信号の実際の集光点位置は個々の要素素子の位置と一致しなくなる。この不一致によって、実際に信号処理される光信号の波長には、誤差を生じる。したがって、光信号処理装置の製造工程において、光信号の実際の集光点位置と、対応する各要素素子の位置とを調整する必要が生じる。

図９ａおよび図９ｂは、液晶素子の要素素子の構造と通信バンドの透過帯域との対応関係を説明する図である。図９ａに示されるように、液晶素子１は、複数の要素素子２ａ、２ｂ・・２ｎが１つの方向（ｘ軸）に配列された構成を持つ。各要素素子の光透過率が、液晶素子１に供給される制御信号によりそれぞれ制御され、１つの要素素子内を透過する光信号の強度が変調される。１つの要素素子の配列方向（ｘ軸）の電極幅ｄは、信号処理をしようとする通信波長帯域幅に応じて、決定される。図９ａにおけるｘ方向は、図８におけるｘ方向に対応している。尚、図９ａにおいて、要素素子の数は光信号処理装置が扱う通信システムのチャンネル数によって決定される。また、電極幅ｄは一定値であっても良いし、通信システムや光学系の設計によっては、一定ではなく要素素子毎に異なっていても良い。

光通信分野においては、一般に、等周波数間隔または等波長間隔で個々の通信チャネルが配置されている。例えば、非特許文献１に開示されているように、Ｃバンド、ＬバンドのＤＷＤＭ通信システムにおいては、個々の通信チャネルは一定の周波数間隔（１２．５、２５、５０、１００ＧＨｚ）で配置されるよう規定されている。個々の通信チャネルが等周波数間隔または等波長間隔に並べられているチャンネル配置構成は、等周波数間隔または等波長間隔の通信波長グリッドとも呼ばれる。

図９ｂは、等波長間隔の通信波長グリッドにおける透過帯域を示す図である。横軸は光信号の波長を示し、縦軸は、要素素子を透過する光信号の光透過率を示している。１つの要素素子２ａに対応して、波長軸上で１つの透過帯域３ａが形成される。この透過帯域３ａは、要素素子２ａの電極幅に対応する帯域幅を持つ。複数の要素素子に対応して、複数の透過帯域３ａ、３ｂ・・・３ｎが波長軸上に配置される。

波長ブロッカ、波長選択スイッチおよび可変分散補償器などの光信号処理装置は、各波長チャンネルの透過帯域や信号処理帯域が広いという特徴がある。要素素子のｘ方向の電極幅と、各要素素子に対応する各波長チャンネルの帯域幅がほぼ比例するため、電極幅を広く形成するだけで、広い帯域幅が得られるからである。例えば、図９ｂにおいて、隣接する透過帯域３ａ、３ｂは、通信システム設計仕様に応じて、光透過率が急激に減衰する減衰帯域９を重複させながら配列される。１つの透過帯域に着目すれば、無変調の光信号のビーム幅と比較してはるかに広い波長範囲で光透過率が最小値となり、１つの透過帯域はこの最小値で平坦な透過特性を持つ。各チャンネルの信号処理帯域が極めて広い液晶素子の要素素子位置を調整しようとする場合、次のような問題が生じる。

図１０ａおよび図１０ｂは、要素素子を透過する試験光信号の検出光パワーレベルを説明する図である。１つの要素素子に対して、所望の波長範囲の光信号が信号処理されるようにするためには、試験光信号を用いて、光信号処理装置内の液晶素子の実際の位置をｘ軸方向で調整する必要がある。または、ＡＷＧからの光信号の出射向きを変更するために、ＡＷＧ自体を分波面内（ｘ−ｚ面内）に回転させて、ＡＷＧを設置する向きを調整する必要がある。

さらに、液晶素子の両端に位置する要素素子を通信バンドの対応するチャンネルに一致させるためには、波長軸上の全体スパンについて光学系の線分散値の誤差を補正する必要がある。波長軸上の全体スパンを調整する場合、集光レンズの焦点距離を調整する必要がある。いずれの調整を行なう場合も、基本となる波長の試験光信号を要素素子内を透過させて、光透過率を測定し、液晶素子の位置ずれを検出し、位置調整を行なう。ここで試験光信号とは、その波長が正確に分かっていて、光信号処理装置の波長調整を行なう際の基準とすることができる光信号を言う。

しかしながら、図１０ａに示すように、試験光信号の波長変化に対して光透過率が一定なため、位置ズレを検出できない不感領域５が存在する。位置調整を行なおうとする透過帯域３の中心波長近傍の不感領域５では、光パワーメータの検出光パワーレベルは平坦で変動がない。すなわち、試験光信号の波長が、透過特性が変動する透過帯域の両端の傾斜減衰領域９の波長でないと、位置ずれを認識できない。光信号処理装置の製造工程においては、測定の簡便さの要請から試験光信号の透過率は光パワーメータによって測定するのが好ましい。図１０ｂは、１つの透過帯域について、試験光信号の波長と光パワーメータにより検出される光パワーとの関係を示す。図１０ｂの横軸は、信号処理素子のｘ軸位置誤差によって生ずる波長誤差と等価であり、光パワーメータによる測定では、１つの透過帯域の中心波長のずれを正確に検出し、調整することが難しい。

透過帯域特性は、光スペクトラムアナライザにより測定することもできるが、光スペクトラムアナライザの測定には時間が掛かる。前述のように１つのチャンネルの透過帯域および信号処理帯域は広い。さらに液晶素子が扱う全通信チャンネルの全透過帯域について、位置ズレを検出するのに必要な測定分解能帯域で、光スペクトラムアナライザ測定を行なう場合は、測定ポイントが非常に多くなり掃引時間が長くなる。光信号処理装置の製造、調整工程において、光スペクトラムアナライザを用いて液晶素子の位置調整を実施するには測定時間の問題ならびに測定調整の自動化の難しさの問題があった。また、光スペクトラムアナライザは、光パワーメータに比べて高価であり、より安価な光パワーメータによって、短時間に試験光信号の測定および液晶素子の位置調整を行ないたいという要請があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光信号処理装置の信号処理素子の位置調整を簡単に行なうことができる構成の信号処理素子ならびに光信号処理装置の調整方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１の発明は、光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置であって、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光手段と、前記各波長の光信号に対応し、前記分光手段の分光方向に配列され、前記集光された光信号を変調する複数の信号処理要素素子を含む信号処理手段と、前記複数の信号処理要素素子と並置され、前記信号処理要素素子の前記配列方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｘとしたとき、前記配列方向に１．５Ｗｘ以下の幅を有する位置調整用マークとを備え、前記位置調整用マークに対して試験光信号を供給する試験光信号光源と、前記位置調整用マークを経由して得られる前記試験光信号の出力強度を測定する手段とを用いて、前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向の位置または前記集光手段の実効焦点距離を調整することを特徴とする光信号処理装置である。

請求項２の発明は、請求項１の光信号処理装置であって、前記位置調整用マークの前記配列方向に垂直な方向の幅が、前記分光された１つの光信号の前記配列方向に垂直な方向に関するビーム直径をＷｙとすると、１．５Ｗｙ以下であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の光信号処理装置であって、前記位置調整用マークは、前記複数の信号処理要素素子の両端に位置することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの光信号処理装置であって、前記位置調整用マークの前記配列方向の幅は、０．５Ｗｘから１．０Ｗｘの範囲にあることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの光信号処理装置であって、前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子であり、前記位置調整用マークは、前記信号処理要素素子と同一構成を有する液晶要素素子で構成されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至４いずれかの光信号処理装置であって、前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子であり、前記位置調整用マークは、光信号を遮断するマスクで構成されることを特徴とする。

請求項７の発明は、光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光手段と、前記各波長の光信号に対応し、前記分光手段の分光方向に配列され、前記集光された光信号を変調する複数の信号処理要素素子を含む信号処理手段とを備え、前記異なる波長を有する各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、前記信号処理手段の位置を調整する方法であって、試験光信号光源から、前記複数の信号処理要素素子に並置された位置調整用マークに対して、試験光信号を供給するステップであって、前記信号処理手段上での前記信号処理要素素子の前記配列方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｘとしたとき、前記位置調整用マークの前記配列方向の幅が１．５Ｗｘ以下であるステップと、前記位置調整用マークを経由して得られる前記試験光信号の出力強度を測定するステップと、前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向の位置または前記集光手段の実効焦点距離を調整するステップとを備えることを特徴とする光信号処理装置の調整方法の発明である。

請求項８の発明は、請求項７の光信号処理装置の調整方法であって、前記位置調整用マークの前記配列方向に垂直な方向の幅が、前記配列方向に垂直な方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｙとすると、１．５Ｗｙ以下であり、前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向に垂直な方向の位置または光信号の主光路を回転軸とした直交面内における前記信号処理手段の配置角度をさらに調整することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項７または８の光信号処理装置の調整方法であって、前記位置調整用マークは、前記複数の信号処理要素素子の両端に位置することを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項７乃至９いずれかの光信号処理装置の調整方法であって、前記位置調整用マークの前記配列方向の幅は、０．５Ｗｘから１．０Ｗｘの範囲にあることを特徴とする。

好ましくは、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光信号処理装置の調整方法では、前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子として、前記調整用信号処理要素素子は、前記要素素子と同一構成を有する液晶要素素子で構成することができる。

好ましくは、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光信号処理装置の調整方法では、前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子として、前記調整用信号処理要素素子は、光信号を遮断するマスクで構成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、光信号処理装置の信号処理素子の位置調整を簡単に行なうことができる。安価な光パワーメータを使用して、簡単な測定調整系構成によって、所望の波長の光信号が信号処理されるように信号処理素子の要素素子位置を調整することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の光信号処理装置は、光信号を変調する信号処理素子に、幅の狭い位置調整用マークを備えたところに特徴がある。位置調整用マークおよびその近傍を透過する試験光信号の光パワーレベルを検出して、位置ずれを検出し、信号処理素子の位置を調整する。位置調整用マークの幅は、試験光信号のビーム直径程度以下が好ましい。信号処理素子は、個々の要素素子が分光素子の分光面に含まれる軸に沿って配列されている。各要素素子によって、分光素子において波長ごとに分波された光信号の信号処理を行なう。位置調整用マークは、要素素子と同様の構成であって、光信号の信号処理機能を持つものでも良いし、光信号を遮断するマスクでも良い。信号処理素子としては、具体的には、液晶素子、ＭＥＭＳなどがあるがこれらに限定されない。光信号処理装置として、具体的には、波長ブロッカ、波長選択スイッチ、ゲイン等価器、分散補償器、光信号シンセサイザなどに適応できる。

図１ａは、本発明の光信号処理装置における信号処理素子の位置調整用マークの構成を示す図である。本信号処理素子１は、通常の光信号に対する信号処理を行なう複数の要素素子２のほかに、さらに要素素子群のｘ軸上の両端に位置し、信号処理には使用されない調整用マーク６ａ、６ｂを備えたところに特徴がある。ｘ軸は、ＡＷＧなど分光素子の分波面を含む軸であり、光信号の波長（チャンネル）に応じて、所定の位置の要素素子上に光信号が集光する。調整用マーク６ａ、６ｂは、要素素子２と同じ構成および信号処理機能を持ち、光信号の強度などを変調し得る。例えば、液晶素子の場合には、位置調整用マークは液晶ピクセルと全く同一の構成を持ち、液晶素子の製造と同時に簡単に形成できる。本発明では、調整用マーク６ａ、６ｂのｘ軸方向の幅は、信号処理素子の位置調整時に用いる試験光信号のビーム径と同等以下となるように非常に狭くしたところに特徴がある。十分に狭い幅のＭＥＭＳミラーを作成することができれば、信号処理素子がＭＥＭＳの場合にも適用ができる。

図１ｂは、調整用マークと試験光信号の光透過率の関係を説明する図である。調整用マーク６ａ、６ｂの幅ｄ_Xは、試験光信号のビーム径程度であるので、例えば調整用マークを透過する光信号の光透過率は、図１ｂに示すように明瞭なピーク形状を示し、通常の要素素子を透過する場合のように平坦な透過特性を持たない。したがって、位置調整用マーク近傍に集光する試験光信号の透過光が最大となるような位置に信号処理素子を簡単に位置合わせすることができる。ここで、試験光信号のビーム径とは、光強度がピーク値の１／ｅ²となるときのビーム直径を言う。次に、試験光信号のビーム径と位置調整用マークの幅との関係について説明する。

図２は、本発明の位置調整マークを透過する試験光信号透過率の波長誤差依存特性を示す図である。信号処理素子として図１に示す構造を持った液晶素子を用いた反射型の波長ブロッカにおいて、位置調整用マークの１つを透過した後、ＡＷＧの出力に現れる試験光信号を光パワーレベルを示したものである。縦軸は、試験光信号が液晶素子を完全に透過した場合の光パワーレベルを基準に、規格化した透過率（ｄＢ）として示している。

試験光信号ならびに分光系および集光系の条件は、以下の通りである。試験光信号のビーム径ｗｏは、３０μｍである。分光系および集光系の線分散値は１２０μｍ／ｎｍであり、各信号処理用ピクセルの幅は約１００μｍである。位置調整用マークのｘ方向の幅ｄ_Xは、０．５ｗｏ（１５μｍ）、ｗｏ（３０μｍ）、１．５ｗｏ（４５μｍ）、２．０ｗｏ（６０μｍ）と変化させている。

図２から明らかなように、位置調整用マークのｘ方向の幅ｄ_Xが、試験光信号のビーム径よりも大きい１．５ｗｏ以上の場合は、透過率特性の中心に平坦領域が現れる。これは、ガウスビーム集光スポットのエネルギーがその直径の１．５倍以内に集中しているためであり、従来技術について図１０で説明した不感領域に対応している。一方、幅ｄ_Xが、試験光信号のビーム径よりも小さい０．５ｗｏ場合は、透過率特性は明確なピーク特性を示す。このピーク特性の両側の傾斜部分を利用することで、波長誤差を光透過率の変化として検出することができる。

現在、標準的に利用されているＣバンド、ＬバンドのＤＷＤＭ通信システムなどにおいては、波長利用効率を下げないために、チャンネル間隔に比して十分小さい±０．０１ｎｍの精度で、チャンネル中心波長と信号処理素子の要素素子とを位置合わせすることが求められる。すなわち、光信号処理装置の製造・調整工程において、位置調整用マークに対して、その位置を±０．０１ｎｍの検出分解能で調整することが求められる。

図２においてビーム径が１．５ｗｏの場合に再び着目すれば、波長誤差が±０．０１ｎｍのときでも、光透過率変化量は０．００５ｄＢしかない。通常の光パワーメータが安定に光パワーを再現性良く測定できる実用的な分解能が０．０１ｄＢ程度であることを考慮すると、ビーム径が１．５ｗｏの場合では、位置調整用マークの検出に必要な検出分解能±０．０１ｎｍを十分に得られない。一方、ビーム径がｗｏの場合には、波長誤差が±０．０１ｎｍのとき、光透過率変化量は０．０４ｄＢに増加する。したがって、位置調整用マークの位置検出に必要な検出分解能±０．０１ｎｍが十分に得られる。ビーム径が０．５ｗｏ場合には、波長誤差が±０．１ｎｍのとき、光透過率変化量はさらに０．１ｄＢに増加し、位置調整用マークの位置検出に必要なさらに十分な検出分解が得られる。

ビーム径を０．５ｗｏ以下にさらに狭めても、透過率特性のピーク形状の先鋭度はこれ以上は変化せず、透過率が低下して光パワーレベル全体を下げるだけである。

以上より、位置調整用マークを用いて位置調整を行なうためには、そのＸ方向の幅ｄ_Xを、ビーム径ｗｏに対して、１．５ｗｏ以下とすることが必要であり、更には、おおよそ０．５ｗｏから１．０ｗｏの範囲に設定することが望ましい。

図３は、反射型の光信号処理装置において、本発明の位置調整マークを含む信号処理素子の位置調整を実施する位置調整系の構成の一例を示す図である。光信号処理装置１３は、装置ベース上に固定された分光・集光光学系１４と、その位置を調整できる信号処理素子１５とを含んでいる。分光・集光光学系１４は、ＡＷＧ等の分光手段および焦点距離可変機構２０を含むズーム集光光学系を含んでいる。信号処理素子１５は、例えば図１に示した構造の液晶素子であり、図３ではミラーと一体になったものとする。

信号処理装置１３における焦点距離調整は、焦点距離可変機構２０を介して焦点距離を調整する第１の駆動手段１６によって、信号処理素子１５の位置調整は、信号処理素子１５のｘ軸方向位置を調整する第２の駆動手段１７によって、それぞれ行なわれる。いずれの駆動手段１６、１７も、例えば電動の駆動ステージとすることができる。各駆動手段１６、１７は、調整のための演算処理を行なうプログラムを含む演算手段（例えばパーソナルコンピュータ）１９によって制御される。

第２の駆動手段１７は、図３のｘ軸方向について信号処理素子１５の位置を調整する。すなわち、信号処理素子に対して波長合わせを実施できる。第１の駆動手段１６は、焦点距離可変機構２０を駆動して分光・集光光学系における焦点距離を調整することができる。焦点距離を調整することにより、分光・集光光学系の線分散値を調整することができる。すなわち、所望の波長帯域における両端チャンネルの波長を持つ光信号の２つの集光点間の距離と、信号処理素子の両端の要素素子のスパン幅とを調整することができる。焦点距離の調整は、第２の駆動手段１７によってｚ方向に信号処理素子１５の位置を調整することによっても併せて実施できる。したがって、第１の駆動手段１６および第２の駆動手段１７によって、信号処理素子１５のｘ軸方向位置と信号処理素子１５の要素素子のスパン幅を調整することで、各チャンネルに対応する光信号の実際の集光点と各要素素子の位置とを一致させることができる。

試験光信号は、図１の位置調整用マーク６ａ、６ｂの位置に対応する波長の試験光信号を発生させる光源１１ａ、１１ｂによって、カプラ１２を経由して、分光・集光光学系１４へ入力される。位置調整中の試験光信号は、光パワーメータ１８に入力される。測定光パワーは、演算手段１９に入力される。演算手段１９は、信号処理素子１５の信号処理動作を制御する制御信号を発生する信号処理素子駆動回路２３も制御する。光源１１ａ、１１ｂは、１つの光源によって２種類の波長の試験光信号を発生させ逐次切り替えても良い。図３に示した位置調整系の構成は、例示的なものであり、信号処理素子の位置と分光・集光光学系の焦点距離を可変できるものであれば、どのような手段を単独でまたは組み合わせて利用しても良い。尚、２つの駆動手段１６、１７は、位置調整が終って信号処理素子の位置を固定した後に、光信号処理装置１３から取り外される。

図３に示した構成の位置調整系を用いることによって、本発明の位置調整用マークを透過する試験光信号の検出光パワーレベルに基づいて、信号処理素子の位置調整等をすることができる。演算手段１９により実行される調整手順（アルゴリズム）は、検出信号のレベルをモニタしながら位置合わせができるものであれば、どのようなものでも良い。

例えば、以下の手順により波長合わせを行なうことができる。
１．光源１１ａまたは光源１１ｂからの試験光信号が位置調整用マークを透過するように、信号処理素子駆動回路２３により信号処理素子１５を駆動する。
２．光パワーメータ１８で、光パワーデータ値を求める。
３．第２の駆動手段１７によって信号処理素子をｘ軸方向に移動させながら、光パワー測定２を数回繰り返して、それぞれ光パワーデータ値を求める。
４．手順３で求めた複数のｘ軸上の位置と測定光パワーデータ値から、光パワーが最大と成るｘ軸位置を演算手段によって推定し、その推定位置に信号処理素子を移動させる。
５．手順１−４を繰り返し、許容範囲に入れば調整を終了する。
上述の調整手順では、既知のピーク特性の形状と、実際の測定値からピーク値を推定する例示的な方法であり、光パワーの測定値をピーク値にするようなｘ軸位置を求めることのできる他のどのようなアルゴリズムも使用することができる。例えば、傾斜法やランダム法、これらの組合せなどがある。

また、以下の手順により分光光学系の線分散値、すなわちスパン調整を行なうことができる。
１．光源１１ａからの試験光信号が一方の位置調整用マーク６ａを透過するように、信号処理素子駆動回路２３により信号処理素子１５を駆動する。
２．光パワーメータ１８で、光パワーデータ値Ａを求める。
３．光源１１ｂからの試験光信号が他方の位置調整用マーク６ｂを透過するように、信号処理素子駆動回路２３により信号処理素子１５を駆動する。
４．光パワーメータ１８で、光パワーデータ値Ｂを求める。
５．第２の駆動手段１７によって信号処理素子１５をｘ軸方向に移動させながら、手順１−４を数回繰り返す。
６．手順５で取得した複数の光パワーデータ値Ａ、Ｂならびにｘ軸の位置から、ｘ軸上の最適位置および第１の駆動手段によって設定する焦点距離可変機構２０の設定量を決定する。すなわち、信号処理素子１５のｘ軸位置と分光・集光光学系の焦点距離を設定する。
７．手順１−６を繰り返して、手順６の設定値により許容範囲に入れば調整を終了する。
上述の調整手順も、これに限られず、２つの調整用マーカを透過する試験光信号が最大となるように、信号処理素子および焦点距離を調整できる手順であれば、他のどのようなアルゴリズムを用いても良い。

上述の図３に示した位置調整系では、焦点距離を第１の駆動手段１６を介して機械的に調整する例を示したが、演算手段１９から供給される電気信号によって、直接、焦点距離を制御しても良い。また、反射型の光信号処理装置ではなく、透過型の光信号処理装置であっても良い。試験光信号のビーム径ｗｏに対して、１．５ｗｏ以下の幅を持つ本発明の位置調整用マーク備えた信号処理素子を利用する限り、同様な調整方法を適用できる。

尚、本発明の位置調整用マークは、図１ｂに示したように要素素子群の外の両端に配置されているが、スパン調整が不要な場合には、いずれか一方だけに配置されていても良い。また、必ずしも両端位置にある必要はなく、対象の光通信システムの通信バンド内に未使用チャンネルなどが在るような場合には、信号処理素子の要素素子群内の位置に配置することもできる。

図４ａおよび図４ｂは、本発明の光信号処理装置における第２の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子構成を示す図である。図４ａに示した信号処理素子１の構成は、位置調整用マーク７ａ、７ｂが、要素素子と同じ構成と信号処理機能を全く持たず、光信号を遮断するマスクで構成されている点に特徴がある。液晶素子の場合、要素素子である各液晶ピクセル２以外の場所では光信号が完全に遮断されるわけではなく、ある程度光信号を透過させる。したがって、位置調整用マークを光信号を完全に遮断するマスクで構成すれば、試験光信号の光透過率は、図４ｂに示すように、最小値を持つピーク（ディップ）特性を示す。このピーク特性は、図１ｂに示した最大値を持つピーク特性を反転させたものに対応する。したがって、試験光信号の透過率が最小値となるｘ軸上の位置を基準として、信号処理素子の位置調整を実施することができる。本実施例の位置調整用マークも、図４ｂに示すように要素素子群の外の両端に配置されているが、スパン調整が不要な場合には、いずれか一方だけに配置されても良い。また、必ずしも両端位置にある必要はなく、対象の光通信システムの通信バンド中央部に未使用チャンネルがあるような場合には、信号処理素子の両端ではない位置に配置することもできる。

図５ａおよび図５ｂは、本発明の光信号処理装置における第３の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子構成を示す図である。本実施例では、信号処理素子の位置調整用マーク２１ａ、２１ｂは、ｙ軸方向についてもｘ軸方向と同じ方法によって位置調整ができるよう、ｙ軸方向のマーク幅ｄ_Yをｙ方向の試験光信号のビーム径程度と成るように狭くしている。通常、光信号処理装置内において、ＡＷＧを含むＰＬＣ基板の厚さ方向に対応するｙ方向は、分波作用および光通信チャンネルの形成に関係ない。したがって、信号処理素子の要素素子のｙ方向長さは集光ビーム径よりも長くすれば、位置調整が不要な場合もある。しかし、ｙ方向の要素素子の長さが短いため、ｙ方向についても信号処理素子の位置調整が必要な場合、本実施例の構成の位置調整用マークにより、ｘ軸、ｙ軸の両方向に対して独立に位置調整を実施できる。この時、試験光信号のｙ軸方向のビーム径ｗｏ_Yとすると、位置調整マーク幅ｄ_Yは、１．５ｗｏ_Y以下であればよく、更にはおおよそ０．５ｗｏ_Yから１．０ｗｏ_Yの範囲であることが好ましい。

具体的な信号処理素子の構成は、例えば、分光系の線分散値が１２０μｍ／ｎｍ、１チャンネルの波長間隔を０．８４ｎｍとした場合、液晶素子は次の構成となる。各要素素子（液晶ピクセル）は、ｙ軸長さが５００μｍ、ｘ軸長さが１００μｍとなる。試験光信号のビーム径をｙ軸、ｘ軸方向それぞれ２５０μｍ、３０μｍとするとき、位置調整用マークの幅は、ｙ軸幅ｄ_Yが２５０μｍ、ｘ軸幅ｄ_Xが３０μｍとなる。

図５ｂは、位置調整用マークをマスクとした実施例を示す。図５ａの位置調整用マークを光信号を遮断するマスク２２ａ、２２ｂとしたものである。実施例２の場合と同様に、試験光信号の透過率が最低値となるｘ軸、ｙ軸上の位置を基準として、信号処理素子の位置調整を実施することができる。

図６ａおよび図６ｂは、信号処理素子の位置調整の駆動方法を示した図である。図５ａおよび図５ｂに示したように２つの方向に調整可能な位置調整マークを形成することで、図６ａのように信号処理素子をｘ軸およびｙ軸方向にそれぞれ駆動して、両方向について位置調整を行なうことができる。また、図６ｂに示すように、ｚ軸を中心として回転駆動させながら傾斜角度θ_Zを調整することもできる。調整アルゴリズムは、位置調整用マークを透過する試験光信号のピーク特性を利用できるものであれば、どのようなものでも良い。

以上、詳細に述べたように、本発明の位置調整要マークを含む信号処理素子を光信号処理装置に備えることにより、光信号処理装置における信号処理素子の位置を簡単に調整することができる。安価な光パワーメータを使用した簡単な構成の測定調整系によって、所望の波長の光信号が対応する要素素子で結合損失なく信号処理されるように、簡単に信号処理素子の位置を調整することができる。

本発明は、光通信に使用される光信号処理装置へ利用できる。波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などへの応用が可能である。

（ａ）は本発明に係る第１の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子構成を示す図で、（ｂ）は本発明に係る第１の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子の光透過率を示す図である。本発明の位置調整マークを透過する試験光波長依存特性を示す図である。本発明の位置調整マークを含む信号処理素子の位置調整系の構成図である。（ａ）は第２の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子構成を示す図で、（ｂ）は第２の実施例に係る信号処理素子の光透過率を示す図である。（ａ）は他の実施例の位置調整マークを含む信号処理素子構成を示す図で、（ｂ）は他の実施例に係る信号処理素子の光透過率を示す図である。（ａ）は信号処理素子の駆動方法を説明する図で、（ｂ）は信号処理素子の別の駆動方法を説明する図である。従来の光信号処理装置の概念的な構成図である。分光素子からの出射角度と集光点位置の関係を説明する図である。（ａ）は信号処理素子の要素素子と透過帯域の関係を説明する図で、（ｂ）は信号処理素子の要素素子と透過帯域の関係を説明する図である。（ａ）は要素素子を透過する試験光信号の検出光パワーを説明する図で、（ｂ）は要素素子を透過する試験光信号の検出光パワーを説明する図である。

符号の説明

１、１５、５３信号処理素子
２、２ａ、２ｂ液晶要素素子
３、３ａ、３ｂ透過帯域
４試験光信号
５不感領域
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ位置調整用マーク
９減衰領域
１１ａ、１１ｂ試験光光源
１６、１７駆動手段
１８パワーメータ
２０焦点距離可変機構
２３信号処理素子駆動回路
５１分光素子
５２集光レンズ
５４ミラー
５５回折格子
５６ＡＷＧ

Claims

光信号を分光して異なる波長の複数の光信号に分離して、各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置であって、
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、
前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光手段と、
前記各波長の光信号に対応し、前記分光手段の分光方向に配列され、前記集光された光信号を変調する複数の信号処理要素素子を含む信号処理手段と、
前記複数の信号処理要素素子と並置され、前記信号処理要素素子の前記配列方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｘとしたとき、前記配列方向に１．５Ｗｘ以下の幅を有する位置調整用マークと
を備え、
前記位置調整用マークに対して試験光信号を供給する試験光信号光源と、
前記位置調整用マークを経由して得られる前記試験光信号の出力強度を測定する手段とを用いて、
前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向の位置または前記集光手段の実効焦点距離を調整することを特徴とする光信号処理装置。
前記位置調整用マークの前記配列方向に垂直な方向の幅が、前記分光された１つの光信号の前記配列方向に垂直な方向に関するビーム直径をＷｙとすると、１．５Ｗｙ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
前記位置調整用マークは、前記複数の信号処理要素素子の両端に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の光信号処理装置。
前記位置調整用マークの前記配列方向の幅は、０．５Ｗｘから１．０Ｗｘの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光信号処理装置。
前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子であり、前記位置調整用マークは、前記信号処理要素素子と同一構成を有する液晶要素素子で構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光信号処理装置。
前記信号処理手段は、液晶要素素子を信号処理要素素子とする液晶素子であり、前記位置調整用マークは、光信号を遮断するマスクで構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光信号処理装置。
光信号の波長に応じた出射角度で、異なる波長を有する複数の光信号に分光する分光手段と、前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光手段と、前記各波長の光信号に対応し、前記分光手段の分光方向に配列され、前記集光された光信号を変調する複数の信号処理要素素子を含む信号処理手段とを備え、前記異なる波長を有する各波長の光信号に対して信号処理を行なう光信号処理装置において、前記信号処理手段の位置を調整する方法であって、
試験光信号光源から、前記複数の信号処理要素素子に並置された位置調整用マークに対して、試験光信号を供給するステップであって、前記信号処理手段上での前記信号処理要素素子の前記配列方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｘとしたとき、前記位置調整用マークの前記配列方向の幅が１．５Ｗｘ以下であるステップと、
前記位置調整用マークを経由して得られる前記試験光信号の出力強度を測定するステップと、
前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向の位置または前記集光手段の実効焦点距離を調整するステップと
を備えることを特徴とする光信号処理装置の調整方法。
前記位置調整用マークの前記配列方向に垂直な方向の幅が、前記配列方向に垂直な方向に関する前記分光された１つの光信号のビーム直径をＷｙとすると、１．５Ｗｙ以下であり、前記位置調整用マークが光信号を透過可能なものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最大となるように、または、前記位置調整用マークが光信号を遮断するものである場合は測定された前記試験光信号の前記出力強度が最小となるように、前記信号処理手段の前記配列方向に垂直な方向の位置または光信号の主光路を回転軸とした直交面内における前記信号処理手段の配置角度をさらに調整することを特徴とする請求項７に記載の光信号処理装置の調整方法。
前記位置調整用マークは、前記複数の信号処理要素素子の両端に位置することを特徴とする請求項７または８に記載の光信号処理装置の調整方法。
前記位置調整用マークの前記配列方向の幅は、０．５Ｗｘから１．０Ｗｘの範囲にあることを特徴とする請求項７乃至９いずれかに記載の光信号処理装置の調整方法。