JP5839586B2

JP5839586B2 - 光信号処理装置

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Publication number: JP5839586B2
Application number: JP2012190391A
Authority: JP
Inventors: 和則妹尾; 鈴木　賢哉; 賢哉鈴木; 直樹大庭; 渡辺　俊夫; 俊夫渡辺; 高橋　哲夫; 哲夫高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP2014048411A

Description

本発明は、偏波依存性が小さくかつ実装が簡便な光信号処理装置に関する。

近年の急速な進展を見せる大容量の光通信ネットワーク構築に伴い、波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）通信技術が注目を集め、設備の普及も進んでいる。ＷＤＭノードにおいては、光信号を直接制御せずに一旦電気信号に変換したのちに、経路のスイッチングを行う方式が一般的である。しかしながら、電気信号に変換する方式では、ノードにおける処理能力の負荷が増え、通信速度が制限され、消費電力が増える課題が危惧されている。このため、電気信号によるスイッチングを介さずに光信号のまま信号処理を行う光信号処理デバイスの開発が進められている。このようなデバイスには、例えば、波長選択スイッチ（ＷＳＳ: Wavelength Selective Switch）および可変分散補償器（ＴＯＤＣ: Tunable Optical Dispersion Compensator）が含まれる。

光信号のまま信号処理を行う、ＷＳＳやＴＯＤＣ等の光信号処理デバイスの一般的な構成および動作原理を説明する。入力光ファイバから入力されたＷＤＭ信号は、コリメータにてコリメート光として空間を伝播する。伝播光は、複数のレンズおよび波長分波するための回折格子を通過したのち、再びレンズを介して集光される。伝搬光の集光位置には、光信号に所望の位相変化を与えるための空間光変調器（ＳＬＭ： Spatial Light Modulator）が配置される。ＳＬＭとしては、ＭＥＭＳ（Micro-electro mechanical system）技術によるマイクロミラーアレイ、液晶セルアレイ、ＤＭＤ（Digital mirror device）、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）などが代表的なものとして挙げられる。

ＳＬＭによって各光信号は、集光位置すなわち波長に対応した所望の位相変化を与えられ、反射する。反射された各光信号は、往路を逆方向に進み、レンズを介して回折格子へと入射し波長合波された後、レンズを介して出力ファイバに結合する。光信号処理デバイスをＴＯＤＣのような補償デバイスを構成する場合には、入力ファイバおよび出力ファイバを兼用させ、サーキュレータを利用して補償前後の信号を分離させる手法が頻繁に用いられる。また、ＷＳＳのようなスイッチングデバイスを構成する場合には、少なくとも１本の入力ファイバの他、複数本の出力ファイバを配置し、ＳＬＭにて信号光を所望の角度に偏向する。偏向角度を変えることによって、ＳＬＭにおいて反射された信号光が結合する出力ファイバを選択し、スイッチングを行うことができる。

上述のような各光信号処理装置を構成するための様々な光学素子には、偏波依存性を持つデバイスが存在する。例えば、上述の光信号処理装置を実現するためのキーデバイスであるＳＬＭの中でも、ＬＣＯＳは、周波数リソースの有効活用という観点から検討が進められているフレキシブルグリッド技術に対応可能であり、任意の位相変化を自在に設定できる利点から最も有望なＳＬＭとして注目を集めている。しかしながら、ＬＣＯＳは偏波依存性を持つデバイスとしても知られている。

ＬＣＯＳは、微細な二次元配置されたピクセル群から構成される、液晶をベースとした位相変調セルアレイである。このため、ＬＣＯＳに封入された液晶分子の配向方向に応じて、ＴＥ（Transverse Electric）モードとＴＭ（Transverse Magnetic）モードのいずれか１つのモードに対して選択的に動作するという特性を持っている。従って、ＴＥモードおよびＴＭモードのいずれの偏波に対しても同様に位相変調動作ができなければ、光信号処理の特性に劣化を生じる。偏波依存性の伝送品質劣化因子としては、偏波モード分散ＰＭＤ（Polarization Mode Dispersion）や偏波依存性損失ＰＤＬ（Polarization Dependent Loss）等が知られている。このような偏波依存性を持つデバイスはＬＣＯＳだけに限られず、例えばバルク回折格子などにおいて両偏波状態で回折効率の差が発生することはよく知られた事実である。

上述のような偏波依存デバイスを光信号処理装置に用いた場合でも問題なく動作させるために、偏波ダイバーシティ構成が採用されている。偏波ダイバーシティ構成は、光学素子に入射する偏波状態をＴＥモードおよびＴＭモードのいずれか一方に固定して動作させることによって、偏波依存性を低減する構成である。偏波ダイバーシティ構成を光学設計に織り込むことは、一般的な検討事項となっている。

N. Ooba et al., "Compact Wide Wide-Band Wavelength Blocker Utilizing Novel Hybrid AWG-Free Space Focusing Optics," Proc. OFC'08, Sandiego, (2008), OWI3.

図１は、一般的な構成の光信号処理装置の概念図を示す図である。以下、図１を用いてより詳細な偏波ダイバーシティ動作について説明する。以下では、光信号処理装置１００において、回折格子１０７によって波長分波される方向をｘ軸、光信号がファイバ１０１から出力される際の進行方向をｚ軸、ｘ軸およびｚ軸に直交する向きをｙ軸と定義する。図１の（ａ）は、第１の例の光信号処理装置１００をｙ−ｚ面で見た図である。簡単のため、入出力ファイバ１０１の本数は１本としているが、光信号を入力または出力する光ファイバの本数および構成はこれに限定されない。また、入出力ファイバ１０１から出射された光信号のうち、ＴＥモードおよびＴＭモードの両偏波が分離されていない部分の主光線を太い実線によって、ＴＭモードのみに分離されている主光線を太い破線によって、ＴＥモードのみに分離されている主光線を細い破線によって、それぞれ表している。

光信号処理装置１００において、入出力ファイバ１０１を伝搬する光信号１１１は、入出力ファイバ１０１から空間に出射し、入出力ファイバ１０１によって閉じ込められていたビーム径に応じた一定の開口数(ＮＡ：Numerical aperture)にて広がりながら伝播する。この光信号は、入出力ファイバ１０１から出た光信号がコリメート光として空間を伝播するように焦点距離および配置位置を調整されたマイクロレンズ１０２によって、ＮＡを調整され、偏波分離部１０３に入射する。偏波分離部１０３を通る光信号は、各偏波モードごとに角度分離され、図１の（ａ）におけるｙ軸の下側にＴＥ偏波が、ｙ軸の上側にＴＭ偏波が出射する。偏波分離部１０３としては、例えば、複屈折結晶を利用したウォラストンプリズムがある。

偏波分離部１０３で分離された２つの光信号のうち、ＴＥ偏波の光路１１４にはλ／２板１０４が配置されており、λ／２板１０４でＴＥ偏波はＴＭ偏波に変換される。この後、レンズ１０６を介して回折格子１０７に入射することで、変換されたＴＭ偏波はｘ軸方向に波長分波される。分波された光信号は、さらにレンズ１０８を経由して、空間光変調器１０９上の波長に応じた位置に集光される。

一方、偏波分離部１０３で分離されたＴＭ偏波の光路１１３には、光路長補正板１０５が配置されており、光路長補正板１０５を透過することによって光路長が補正される。この後、ＴＥ偏波と同様にレンズ１０６、回折格子１０７を経由して、空間光変調器１０９上に集光する。偏波分離部１０３によって分離されたＴＥ偏波およびＴＭ偏波の両者に対して、同様の偏向動作をさせるために、空間光変調器１０９上の同一の位置において、同一のモードフィールドを有するように集光する。ここで、偏波分離部１０３で分離された信号光のうち、偏波分離部１０３から下側に出射され、空間光変調器１０９上に集光するまでの光路１１４を光路１、偏波分離部１０３の上側から出射され、空間光変調器１０９上に集光するまでの光路１１３を光路２とする。

偏波ダイバーシティ動作を実現するためには、光路１を辿った光が空間位相変調器１０９において反射され、光路２を逆に戻るように辿って偏波分離部１０３に入射する必要がある。このとき、光の相反性から、光路２を辿った光が空間位相変調器１０９において反射され、光路１を逆に戻るように辿って偏波分離部１０３に入射することになる。この場合、偏波分離部１０３で分離されたＴＥ偏波およびＴＭ偏波は、λ／２板１０４および光路長補正板１０５よりも空間光変調器１０９側の各光路上では、１種類のＴＭ偏波の状態になっている。元々存在していた２種類の偏波モードの一方が変換されて、同一の１種類の偏波モードのみが存在する状態となっている。したがって、偏波モードによる差異が生じることはなく、空間位相変調器１０９においても偏波状態によらない損失量および回折効率が得られる。このため、偏波依存性は生じることがなく、偏波無依存化が可能となる。この動作の前提として、光路長補正板１０５については、ＰＭＤおよびＰＤＬを低減するために、それぞれの光路の光学長が等しくなるようにその厚みおよび屈折率が決定する必要がある。

図１の（ａ）に示したウォラストンプリズムによる偏波ダイバーシティの機能は、ウォラストンプリズムのような角度分離デバイスだけではなく、ＹＶＯ_４結晶（イットリウム・バナデート）のような位置分離デバイスを用いても実現できる。図１の（ｂ）は、偏波分離部１１０としてＹＶＯ_４結晶を用いた際の構成を示した。（ｂ）の構成においても、偏波分離部１１０によって、角度分離の代わりに位置分離動作が行われる点での差異を除けば、（ａ）に示した構成の偏波ダイバーシティ動作と同一動作原理によって、偏波無依存化を達成できる。

しかしながら、図１の（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示したような偏波ダイバーシティ構成を実現する上では、複屈折結晶を用いた偏波分離部１０３、λ／２板１０４、光路補正板１０５を準備する必要があり、部材コストの増加が発生する。さらに、これらの一連の光学部材の具体的な仕様を光学設計にて考慮する必要がある。例えば、部材のコスト増大を可能な限り抑えるためには、偏波分離部を小型化することが重要である。小型の偏波分離部に信号光を通すためには、マイクロレンズ等を使用して偏波分離部に入射するビームを極力絞る必要がある。このような要請は、光信号処理装置全体の光学設計および各部材の配置に大きな負担を与える。例えば、光信号処理装置の各部品のアラインメントに必要な精度が上がってしまい、部品の精度、位置の調整コスト、製造コストが増加する。また、光学設計における難易度、制限要因が増加してしまう。

したがって、複屈折結晶を含めた、偏波ダイバーシティ用の光学部材をできるだけ省略してアライメントを簡略化し、低コストで実現できる偏波ダイバーシティ方法が切望されている。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、偏波依存性を小さくしつつも、複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を不要として、低コストで、光信号処理装置の各部品のアライメントの簡略化が可能な光信号処理装置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に記載の発明は、基板上に、波長多重光信号が入力される入力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏波状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む偏波ビームスプリッタが構成された光導波路回路と、前記光導波路回路の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、前記偏向した信号光が前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路の他方に再結合するよう反射する光変調手段と、前記基板上の前記第１の出射導波路もしくは前記第２の出射導波路のいずれか一方の上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段と、前記基板から出射した波長多重光信号を、前記基板の回路構成面に垂直な波長分散軸方向に波長分離する分光手段と、を備え、前記基板上の前記光導波路回路は、前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路が入力側に接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路の出力側に接続され、各々の導波路長が等しい複数の導波路を有するアレイ導波路であって、前記基板端面から空間へ、前記波長分散軸方向に垂直な方向について位相が揃った平面波を出射する、アレイ導波路とをさらに含むことを特徴とする光信号処理装置である。

入力ポートは、図３における入力導波路に対応する。また、偏波回転手段は、屈折率主軸が導波路の屈折率主軸に対して４５°傾くように配置されたλ／２板に対応する。第１の偏波はＴＭ偏波であり、第２の偏波はＴＥ偏波とすることができる。好ましくは、光導波路回路は、石英系の基板上に構成された石英系プレーナ光波回路（ＰＬＣ）である。

請求項２に記載の発明は、基板上に、波長多重光信号が入力される入力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む入力ポート用の偏波ビームスプリッタと、各々が、前記波長多重光信号の波長分離された光信号を出力する出力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離できる偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含むＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタとが構成された光導波路回路と、前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、前記偏向した信号光が、前記出力ポート用のＮ個の偏波ビームスプリッタの中の選択された１つの偏波ビームスプリッタにおける第１の出射導波路および第２の出射導波路の内の前記信号光が出射した出射導波路とは異なる側の出射導波路に再結合するよう反射する光変調手段と、前記基板上の前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの各々の前記第１の出射導波路もしくは各々の前記第２の出射導波路のいずれか一方の上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段と、前記基板から出射した波長多重光信号を、前記基板の回路構成面に垂直な波長分散軸方向に波長分離する分光手段と、を備え、前記基板上の前記光導波路回路は、前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路が入力側に接続されたスラブ導波路と、前記スラブ導波路の出力側に接続され、各々の導波路長が等しい複数の導波路を有するアレイ導波路であって、前記基板端面から空間へ、前記波長分散軸方向に垂直な方向について位相が揃った平面波を出射する、アレイ導波路とをさらに含むことを特徴とする光信号処理装置である。

上記入力ポートは、図６において、最上部に位置する偏波ビームスプリッタ６１０−０には、信号光が入射する入力ポートに対応する。また、波長分割多重光信号の波長分離された光信号を出力する出力ポートは、図６における、Ｎ個の偏波ビームスプリッタ６１０−１〜６１０−Ｎの内のいずれか１の選択された偏波ビームスプリッタにおいて、信号光を出射する出力ポートに対応する。

請求項３に記載の発明は、請求項２の光信号処理装置であって、前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第１の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第２の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、前記偏波回転手段は、前記基板上で、前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方の側の前記アレイ状に構成された出射導波路を横断し一体に構成されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３の光信号処理装置であって、前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記各第１の出射導波路および前記各第２の出射導波路の非交差領域に、前記各第１の出射導波路および前記各第２の出射導波路の間の交差点に加えて、ダミー交差点を構成するための光信号処理に使用されない複数のダミー光導波路を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの光信号処理装置であって、前記波長分離された光信号を、前記光変調手段の変調素子形成面上に集光させるためのレンズをさらに備え、前記光変調手段は、前記レンズにより集光された光信号に独立に位相シフトを与え、該位相シフトによって、前記基板の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から出射した信号光を、前記基板の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路の他方へ再結合させることを特徴とする。

以上説明したように、本発明により、偏波依存性を小さくしつつも、複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を不要として、低コストで、光信号処理装置の各部品のアライメントの簡略化が可能な光信号処理装置を提供することができる。

図１は、一般的な構成の光信号処理装置の概念図を示す図である。図２は、本発明による光信号処理装置の実施例１の構成を示す図である。図３は、実施例１の光信号処理装置における光導波路基板の構成を示す図である。図４は、偏波ビームスプリッタを含む光導波路基板の異なる構成を示した図である。図５は、本発明による光信号処理装置の実施例２の構成を示す図である。図６は、実施例２の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。図７は、空間光変調器の近傍における反射光路の挙動を説明する図である。図８は、本発明による光信号処理装置の実施例３の構成を示す図である。図９は、実施例３の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。図１０は、実施例３の光信号処理装置における光導波路基板の導波路配置構成を示す図である。図１１は、本発明による光信号処理装置の実施例４の構成を示す図である。図１２は、実施例４の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。図１３は、実施例１の構成に対応するスラブ導波路およびアレイ導波路を有する光導波路基板の構成を示す図である。図１４は、実施例３の構成に対応するスラブ導波路およびアレイ導波路を有する光導波路基板の構成を示す図である。

本発明の光信号処理装置では、偏波ビームスプリッタを石英系光波回路に集積した入出力光学系を採用することによって、偏波依存性を小さくしながら、従来技術で用いられていた複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を不要とする。部材のコスト削減および装置のアライメント調整の簡略化を実現することができる光信号処理装置を提供する。

より具体的には、本発明の光信号処理装置は、基板上に、波長分割多重光信号が入力される入力ポート、波長多重光信号を互いに直交する偏波状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、第１の偏波を出力する第１の出射導波路および第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む偏波ビームスプリッタが構成された光導波路回路を備え、さらに、光導波路回路の第１の出射導波路または第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、偏向した信号光が第１の出射導波路および第２の出射導波路の他方に再結合するよう反射する光変調手段（空間位相変調器）を備える。

以下、本発明を様々な実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。図面の説明では、全図を通して同一の符合は同一または対応する要素を示すものとする。

図２は、本発明による光信号処理装置の実施例１の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置２００は、光導波路基板２０１から出射される信号光をコリメート光に変換するマイクロレンズ２０２、２０６と、回折格子２０３と、レンズ２０４と、空間位相変調器２０５がこの順に配置されている。回折格子２０３の分波方向２１２をｘ軸とし、信号光が往復する方向をｚ軸とし、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。本実施例の構成では、空間光学系のレンズ部品として、マイクロレンズ２０２、２０６およびレンズ２０４をこの順番に用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても構わず、またどのような配置を用いても問題はない。すなわち、光導波路基板２０１からの出射光をｘ軸方向についてコリメート光に変換し、信号光が空間位相変調器２０５上のｙ軸上の所定の位置に集光されれば良い。

図３は、実施例１の光信号処理装置における光導波路基板の構成を示す図である。光導波路基板２０１は、石英系の基板上に構成された石英系プレーナ光波回路（ＰＬＣ）である。光導波路基板２０１は、入力導波路３０１と、入力導波路３０１からの信号光を均等なパワーに分割する３ｄＢカプラ３０２と、２本のアーム導波路３０３ａ、３０３ｂと、２本のアーム導波路のうち一本３０３ｂに挿入されたλ／２板３０４と、２本のアーム導波路からの信号光を合波する３ｄＢカプラ３０５と、３ｄＢカプラ３０５に接続された２本の出力導波路３０７、３０８のうちの一本３０８に挿入されたλ／２板３０６とを備える。本構成の光導波路基板からは、振幅の方向が直交する２つの偏波のうち、一方の偏波が第１の出射導波路３０７から出力され、他方の偏波が第２の出射導波路３０８から出力される。

第１の出射導波路３０７および第２の出射導波路３０８は、それぞれ、基板のｘ軸に一致する端面に垂直に接続されるよう、互いに平行となる角度で配置されている。以下の説明においては、後段の３ｄＢカプラ３０５において分岐される偏波のうち、第１の出射導波路３０７および第２の出射導波路に出力される偏波を、それぞれＴＭ偏波およびＴＥ偏波と記載している。お互いに２つの偏波状態が直交状態である限りは、どの偏波がどちらの出射導波路に出射される構成であっても良い。また、図３においては、ある直線偏波を直交する直線偏波に変換するλ／２板３０６については、第２の出射導波路３０８側に挿入しているが、第１の出射導波路３０７側に配置する構成であっても良い。さらに、λ／２板３０６は実装の簡便性から、光導波路基板３０１上に配置する構成としているが、光導波路基板外において空間光学系部品として配置する構成であっても良い。

すなわち、光導波路基板３０１の構成は、偏波ダイバーシティの機能が実現される限り、様々な変形が可能である。種々の偏波状態を直交する２つの直線偏波に分離し、それらの内の一方の偏波をλ／２板３０６によって他方の直線偏波に変換し、空間光変調器２０５に対してある１種類の直線偏波のみが入射する構成とすることができれば、偏波ダイバーシティの機能が実現される。光導波路基板３０１の各要素の構成配置はどのような順で、どのような位置に配置されていても良い点に留意されたい。

したがって、本実施例の光信号処理装置は、基板上に、波長分割多重光信号が入力される入力ポート、波長多重光信号を互いに直交する偏波状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む偏波ビームスプリッタが構成された光導波路回路を備える。さらに、光導波路回路の第１の出射導波路または第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、この偏向した信号光が第１の出射導波路および第２の出射導波路の他方に再結合するよう反射する光変調手段（空間位相変調器）と、基板上の第１の出射導波路もしくは第２の出射導波路のいずれか一方の上に、または、第１の出射導波路もしくは第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射する光路上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段（λ／２板）とを備える。

本発明の光信号処理装置１００は、以下のとおり動作する。まず入力導波路３０１に入力された信号光３１０は、３ｄＢカプラ３０２において、均等なパワーで、同位相にて２本のアーム導波路３０３ａ、３０３ｂに分岐される。アーム導波路のうち一方の導波路３０３ｂには、屈折率主軸が導波路の屈折率主軸に一致するλ／２板３０４が備えられており、ある一方向に関する偏波を１８０°遅延させる。この後、後段に配置された３ｄＢカプラ３０５において分岐された信号光を合波する。合波される際に、２本のアーム導波路からの信号光がお互いに干渉し、直交する２つの直線偏波の集光条件が逆転する。これにより、この２つの直線偏波はそれぞれ異なった第１の出射導波路３０７および第２の出射導波路３０８に結合する。

上述のように、光導波路基板３０１は、干渉を利用して直交する２つの偏波を分離できるので、偏波ビームスプリッタを構成する。本実施例においてはアーム導波路３０３ｂにλ／２板を挿入する構成としているが、直交する２つの直線偏波をそれぞれ異なる出射導波路に分けて出力ができれば、どのような構成であっても良い。例えば、アーム導波路における応力を調整する方法でも、偏波ビームスプリッタを構成できる。

本発明における偏波ビームスプリッタは、さらに、第２の出射導波路３０６上に、屈折率主軸が導波路の屈折率主軸に対して４５°傾くように配置されたλ／２板３０６が備えられている。このため、後段３ｄＢカプラ３０５で合波されたＴＥ偏波は、ＴＭ偏波に変換されて空間に出射する。最終的に、信号光３１０は偏波ビームスプリッタによって分離され、さらに、第１の出射導波路３０７および第２の出射導波路３０８から空間に出力される各偏波は、いずれもＴＭ偏波の１種類に揃えられる。

再び図２を参照すると、ＴＭ偏波に揃えられたそれぞれの偏波は、光導波路基板２０１から空間に出射した後、少なくとも一つのマイクロレンズ２０２、２０６によって、それぞれｘ軸方向にコリメートされたビームとして空間を伝播する。コリメート光は、回折格子２０３によってｘ軸に関して波長分波される。分波された光は、レンズ２０４によって集光され、空間光変調器２０５にて所望の位相変調を与えられて反射される。ここで、第１の出射導波路３０７から出力され光路２０７を通って空間光変調器２０５に到達した光は、反射された後で、第２の出射導波路３０８から出力され空間光変調器２０５に到達する光の光路２０８を逆に辿るように進む。同様に、第２の出射導波路３０８から出力され光路２０８を通って空間光変調器２０５に到達した光は、反射された後で、第１の出射導波路３０７から出力され空間光変調器２０５に到達する光の光路２０７を逆に辿るように進む。このように、第１の出射導波路３０１から出射した光が、第２の出射導波路３０８に結合し、第２の出射導波路３０８から出射した光が、第１の出射導波路３０１に結合するようなループ光路が構成されるという点が重要である。

したがって、光信号処理装置は、基板から出射した波長多重光信号を、基板の回路構成面に垂直な波長分散方向に波長分離する分光手段と、波長分離された光信号を、前記光変調手段の変調素子形成面上に集光させるためのレンズをさらに備える。光変調手段は、レンズにより集光された光信号に独立に位相シフトを与え、この位相シフトによって、基板の第１の出射導波路または第２の出射導波路のいずれか一方から出射した信号光を、基板の第１の出射導波路または第２の出射導波路の他方へ再結合させるよう動作する。

空間光学系の光路における偏波状態が１つの種類に揃えられているため、第１の出射導波路および第２の出射導波路から出力されたいずれの信号光についても、偏波依存性がない状態で空間光変調器２０５での偏向動作が可能になる。第１の出射導波路３０７から空間光変調器２０５までの間で２つの信号光に不均一な損失、遅延が生じた場合にはＰＤＬ、ＰＭＤ等の偏波依存性の伝送品質劣化要因となり得る。しかしながら、本構成のようなループ光路を構築する場合、光の相反性から、光導波路基板２０１の偏波ビームスプリッタで分けられた２つの偏波は、往路および復路を全体で見ると、全く同一の経路を進んでいる。具体的には、第１の出射導波路３０７から出射した光は、往路として光路２０７を進み復路として光路２０８を逆方向に進む。一方、第２の出射導波路３０８から出射した光は、往路として光路２０８を進み往路として光路２０７を逆方向に進む。したがって、偏波ビームスプリッタで分けられた２つの偏波は、同一の偏波に揃えられた状態で、全く同一の経路で同様の損失、遅延を受ける。結果的に、空間光変調器２０５を除いた部分においても偏波依存性は生じない。

本実施例の光信号処理装置２００においては、偏波ビームスプリッタを含む光導波路基板２０１は、図１の（ｂ）で示したような出射位置を分離させるタイプの偏波分離部１１０および入出力ファイバ１０１の両者を集積化して構成する形態となっている。したがって、この２つの光学部材を省略し、これらの光学部材に対する光学研磨等を含めた準備工程を省略できる。さらに、光導波路基板チップ２０１を作製した時点で、要素部品のアライメントが完了していることになるため、調整のための時間とコストを減らし、アライメント調整の精度や作業自体の煩雑さなどの負担を大きく低減できる構成が実現される。

本実施例においては、光導波路基板２０１における偏波ビームスプリッタは、図１の（ｂ）で示したように、偏波を位置分離する構成として説明を行った。したがって、図３における２つの出射導波路３０７、３０８は、平行となるように配置されていた。しかしながら、この構成だけに限られない。

図４は、偏波ビームスプリッタを含む光導波路基板の異なる構成例を示した図である。この構成例の光導波路基板４０１の場合は、第１の出射導波路４０７および第２の出射導波路４０８の構成を除けば、図３に示した光導波路基板２０１と同様である。第１の出射導波路４０７は、一定の角度を持ってｘ軸に対して垂直でない方向に、一方の偏波を出射する。第２の出射導波路４０８は、第１の出射導波路４０７とは異なる角度で出射する。図４に示した構成では、偏波分離部の機能が角度分離性となるため、空間光学系は図１の（ａ）のような構成をとることになる。従って、図２の光信号処理装置の構成において、光導波路基板２０１を光導波路基板４０１に置き換えた場合、光導波路基板４０１と回折格子２０３の間に追加のレンズを一枚挿入することが望ましい。光導波路基板２０１および光導波路基板４０１のいずれにおいても、偏波ダイバーシティに関係する一連の光学系をＰＬＣ上に集積することで、低コスト化および実装負荷の低減を可能にすることができる。

上述の実施例１では、空間光学系に出射する光を、ＴＭ偏波に揃える構成として説明したが、当然に、ＴＥ偏波に揃えることもできる。また、光導波路基板上におけるλ／２板の位置や、２つの出射導波路の一方に配置されるλ／２板をいずれの導波路に置くかについても、変更することができる。従来技術の光信号処理装置における複屈折結晶による偏波分離部の光学部材の機能を、ＰＬＣ上に集積した点に特徴がある。本実施例では、光信号の入出力を１箇所で行う構成であったが、本発明の光信号処理装置は、光信号の入力形態および出力形態が異なる構成にも適用可能である。

図５は、本発明による光信号処理装置の実施例２の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置５００は、光導波路基板５０１から出射される信号光をコリメート光に変換するマイクロレンズ群５０２、回折格子５０３、レンズ５０４および空間位相変調器５０５が、信号光が往復するｚ方向についてこの順に配置されている。回折格子５０３の分波方向５０６をｘ軸として、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。

本実施例の光信号処理装置５０１は、少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも１つの出力ポートを有する構成である点で、実施例１の構成と相違している。さらに、空間光変調器５０５によって、回折格子５０３の波長分散軸５０６と直交する方向（ｙ軸方向）に信号光を偏向させ、出力ポートのいずれかにスイッチングを行うことができる。すなわち、空間光変調器５０５によって波長毎に異なった偏向角で反射させることによって、信号光の波長毎に、出力するポートを選択できる機能を有することになる。このような光信号処理装置は、波長選択スイッチと呼ばれている。本実施例では、簡単のために入力ポート数を１、出力ポート数をＮ(Ｎは自然数)とする。図５では、入力ポートおよびＮ番目の出力ポートのみを記載して、１〜（Ｎ−１）番目のポートは省略して、簡略化して記載する。後述するように、光信号は、入力ポートから入射され、空間光変調器５０５によって波長毎に異なる偏向角で反射されて、１〜Ｎ番目の各出力ポートの選択されたいずれかのポートから出射される。

図６は、実施例２の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。光導波路基板５０１は、前述のように、直交する２つの直線偏波を分離して出力できるＮ＋１個の偏波ビームスプリッタ６１０−０〜６１０−Ｎからなる偏波ビームスプリッタアレイ６０１を備えている。最上部に位置する偏波ビームスプリッタ６１０−０には、その入力ポートに信号光６０７が入射し、他のＮ個の偏波ビームスプリッタ６１０−１〜６１０−Ｎのいずれか１つの出力ポートからは、選択された信号光６０８が出射する。

各々の偏波ビームスプリッタは、図３で説明した偏波ビームスプリッタと同様の構成を持っている。尚、図６においては、一方のアーム導波路内に配置される接続された２本の出力導波路のうち、一本に挿入されるλ／２板の記載を省略しているが、図３と同様にλ／２板を備えても良いし、λ／２板以外の手段を使い、アーム導波路における応力を調整する方法でも、偏波ビームスプリッタを構成できる。したがって、ＰＬＣ上に構成する偏波ビームスプリッタは様々な構成が可能である。

各々の偏波ビームスプリッタは、振幅の方向が直交する２つの偏波のうち、一方を出力する第１の出射導波路６０３−０〜６０３−Ｎおよび他方の偏波を出力する第２の出射導波路６０４−０〜６０４−Ｎを備える。さらに、２つの出射導波路の一方に、λ／２板６０２が配置される。偏波ビームスプリッタアレイ９０１における、各偏波ビームスプリッタに接続される第１の出射導波路および第２の出射導波路については、各々がｙ軸方向に対して交互に並ぶよう配置される。各出射導波路およびλ／２板を見れば、それぞれアレイ状に配置されることになる。Ｎ＋１個の偏波ビームスプリッタの個々の要素のレイアウト条件、および、各偏波ビームスプリッタにおける第１の出射導波路と第２の出射導波路との距離などのレイアウト条件は、それぞれの偏波ビームスプリッタ間で全て同一である。第１の出射導波路および第２の出射導波路は、それぞれ、光導波路基板チップ５０１の端面に垂直に接続されるよう、互いに平行となる角度で配置されている。

したがって、本実施例の光信号処理装置は、基板上に、波長分割多重光信号が入力される入力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む入力ポート用の偏波ビームスプリッタならびに、各々が、前記波長分割多重光信号の波長分離された光信号を出力する出力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離できる偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含むＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタ、が構成された光導波路回路を備える。さらに、前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタの第１の出射導波路または第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、この偏向した信号光が、出力ポート用のＮ個の偏波ビームスプリッタの中の選択された１つの偏波ビームスプリッタにおける第１の出射導波路および第２の出射導波路の内の前記信号光が出射した出射導波路とは異なる側の出射導波路に再結合するよう反射する光変調手段（空間光変調器）と、基板上の前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの各々の前記第１の出射導波路もしくは各々の前記第２の出射導波路のいずれか一方の上に、または、前記第１の出射導波路もしくは各々の前記第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射する光路上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段とを備える。

以下、光信号処理装置５００の動作を説明する。図５（および図６）を参照すると、信号光５１１が入力される偏波ビームスプリッタ５１３において、「第１の出射導波路」（図６の６０３−０）からＴＭ偏波が出力される。空間に出射した信号光は光路５０７を進み、実施例１の動作と同様に、空間光変調器５０５に入射する。空間光変調器５０５によって、所望の出力ポートに接続されている偏波ビームスプリッタの、「第２の出射導波路」に結合されるように偏向角が決定される。ここでは、一例として、光導波路基板５０１の最下部にあるＮ番目の偏波ビームスプリッタ５１４が選択されて、光信号５１２が出力されるものとする。したがって、空間光変調器５０５によって反射されると、復路として光路５１０を進むことになる。

アレイ化されている全ての偏波ビームスプリッタが同一のレイアウトとなっている場合は、偏波ビームスプリッタ５１３の「第２の出射導波路」から出力された光信号は光路５０８を進み、空間光変調器５０５によって反射されると、選択された出力ポートに接続するＮ番目の偏波ビームスプリッタ５１４の「第１の出射導波路」に結合する。したがって、空間光変調器５０５によって反射されると、復路として光路５０９を進むことになる。

上述のように、信号光５１１が入力される偏波ビームスプリッタ５１３と、選択された出力ポートを有する偏波ビームスプリッタ５１４との間で、光路ループが形成される。すなわち、信号光５１１の分離された一方の偏波は、光路５０７および光路５１０を辿り、信号光５１１の分離された他方の偏波は、光路５０８および光路５０９を辿る。

図７は、空間光変調器の近傍における反射光路の挙動を説明する図である。入力ポートに接続されている偏波ビームスプリッタ５１３の第１の出射導波路からの出射光が、回折格子５０３およびレンズ５０４を介して空間光変調器５０５に入射する際の信号光７０１の入射角をθ_１とする。第１の出射導波路からの信号光の入射角と、第２の出射導波路からの信号光７０３との差分をαとする。さらに、空間光変調器５０５によって偏向される際の角度変化量をβとする。このとき、偏波ビームスプリッタ５１３の第１の出射導波路からの信号光７０１が空間光変調器５０５によって反射された後の反射光７０２の出射角をθ_２とする。このとき、次式が成り立つ。
θ_２＝θ_１＋β 式（１）

同様に、偏波ビームスプリッタ５１３の第２の出射導波路からの光が空間光変調器５０５によって反射された後の反射光７０４の出射角を考えると、次式が成り立つ。
(θ_１−α)＋β＝（θ_１＋β)−α＝θ_２−α 式（２）

従って当然ではあるが、空間光変調器５０５によって反射された後の２つの信号光７０２、７０４の角度差は、反射前と変わらない。光導波路基板５０１において、Ｎ＋１個の全ての偏波ビームスプリッタおよび出射導波路の形状が同一であれば、実施例１と同様に光路ループが形成され、偏波ダイバーシティが実現できる。本実施例の光導波路基板の構成では、３ｄＢカプラ部分を除いて、導波路の交差が存在しない。このため、導波路の交差に起因する損失を抑えた非常に低損失であって、光偏波依存性を小さく、複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を不要として、低コストでアライメントの簡略化する波長選択スイッチが実現可能である。

図８は、本発明による光信号処理装置の実施例３の構成を示す図である。本実施例の光信号処理装置８００は、光導波路基板８０１、光導波路基板８０１から出射される信号光をコリメート光に変換するマイクロレンズ８０２、回折格子８０３、レンズ８０４および空間位相変調器８０５が、この順に配置されている。回折格子８０３の分波方向８１６をｘ軸として、信号光が往復する方向をｚ軸として、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。

本実施例の光信号処理装置８０１は、実施例２と同様に、少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも１つの出力ポートを有する構成である。さらに、空間光変調器５０５によって、回折格子５０３の波長分散軸５０６と直交する方向（ｙ軸方向）に信号光を偏向させ、出力ポートのいずれかにスイッチングを行うことができる。すなわち、空間光変調器５０５によって波長毎に異なった偏向角で反射させることによって、信号光の波長毎に、出力するポートを選択できる機能を有することになる。実施例２の構成と比較すると、光導波路基板８０１の構成において相違している。

図９は、実施例３の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。光導波路基板８０１は、前述のように、直交する２つの直線偏波を分離して出力できるＮ＋１個の偏波ビームスプリッタ９０５−０〜９０５−Ｎからなる偏波ビームスプリッタアレイ９０１を備えている。最上部に位置する偏波ビームスプリッタ９０５−０には、信号光９０７が入射し、他のＮ個の偏波ビームスプリッタ９０５−１〜９０５−Ｎからは、選択された信号光９０８が出射する。

各々の偏波ビームスプリッタは、図３で説明した偏波ビームスプリッタと同様の構成を持っている。尚、図９においては、一方のアーム導波路内に配置される接続された２本の出力導波路のうち、一本に挿入されるλ／２板の記載を省略しているが、図３と同様にλ／２板を備えても良いし、λ／２板以外の手段を使い、アーム導波路における応力を調整する方法でも、偏波ビームスプリッタを構成できる。したがって、実施例２と同様に、ＰＬＣ上に構成する偏波ビームスプリッタは様々な構成が可能である。

各々の偏波ビームスプリッタは、振幅の方向が直交する２つの偏波のうち、一方を出力する第１の出射導波路および他方の偏波を出力する第２の出射導波路を備える。さらに、２つの出射導波路の一方に、λ／２板が配置される。実施例２の構成とは異なり、各偏波ビームスプリッタからのＮ＋１個の第１の出射導波路は、隣り合うようにアレイ８０５状に配置されている。同様に、各偏波ビームスプリッタからのＮ＋１個の第２の出射導波路も、隣り合うようにアレイ８０４状に配置されている。そして、λ／２板は、個々の第２の出射導波路に別個に配置されるのではなくて、一体のλ／２板９０２として実現される。

Ｎ＋１個の偏波ビームスプリッタの個々の要素のレイアウト条件、および、各偏波ビームスプリッタにおける第１の出射導波路と第２の出射導波路との距離などのレイアウト条件は、それぞれの偏波ビームスプリッタ間で全て同一である。第１の出射導波路および第２の出射導波路は、それぞれ、光導波路基板チップ８０１の端面に垂直に接続されるよう、互いに平行となる角度で配置されている。

したがって、本実施例の光信号処理装置は、実施例２の構成に対して、入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよびＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの第１の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよびＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの第２の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、偏波回転手段（λ／２板）は、基板上で、第１の出射導波路または第２の出射導波路のいずれか一方の側の前記アレイ状に構成された出射導波路を横断し一体に構成されている。

以下、光信号処理装置８００の動作を説明する。本実施例における偏波ダイバーシティ機能の動作は、実施例２の場合と全く同様である。本実施例においては、偏波ビームスプリッタアレイ９０１に接続された第１の出射導波路群９０３がアレイ状に配置されて、全てが隣り合う一箇所にまとめられて一定の間隔で配置される。偏波ビームスプリッタアレイ９０１に接続された第２の出射導波路群９０４についても、第１の出射導波路群９０３とは異なる位置に、全てが隣り合う一箇所にまとめられて一定の間隔で配置されている。このように各出射導波路を配置するために、各出射導波路同士の交差が発生することになる。

図１０は、実施例３の光信号処理装置における光導波路基板の導波路構成を示す図である。図１０は、実際の導波路の形状を示したものではなくて、入力ポートを最上段に配置し、選択可能な出力ポート数を９（Ｎ＝９）とした場合の、導波路の交差数を概念的に示したものである。図１０において、黒丸が出射導波路のレイアウト上発生する導波路交差の位置を示している。例えば、光信号が入力される偏波ビームスプリッタの入力ポート９０１からの分岐のうち、第１の出射導波路９０３については、出力される偏波が全く導波路交差を経ることなく伝搬可能である。一方で、入力ポート９０１からの分岐のうち、第２の出射導波路９０５については、出力される偏波がすべての導波路交差を経て伝搬する。すなわち、第２の出射導波路９０５については、交差点は９個存在する。このように、出射導波路によって、出射導波路の端部に至るまでの交差点の数は異なる。

導波路交差は、１箇所について０．１ｄＢ程度の交差損失が発生することが一般的に知られている。従って、どの偏波ビームスプリッタを出力ポートとして選択するかによって、ならにび、個々の偏波ビームスプリッタにおいて分離した信号光を出力させる２つのポートによって、損失にバラツキが生じる。このバラツキは、空間光学系の光回路において、偏波ダイバーシティを行う上での基本的な光路ループ構成とは別の場所で生じる。

このバラツキを解消するため、本実施例においては、光導波路基板９０１において、全ての出力導波路が同一の交差数を有するように、実際は信号光が導波しない、ダミーの導波路を設置することが望ましい。すなわち、非交差領域にも、各第１の出射導波路および各第２の出射導波路の間の交差点に加えて、ダミー交差点を構成するための光信号処理に使用されない複数のダミー光導波路を備える。図１０において、ダミー導波路９０７、９０８が示されており、白丸がダミー導波路によって意図的に交差点を増やした場合の交差位置である。図１０の白丸に沿うようにダミー導波路を設置することによって、偏波依存性の損失、すなわちＰＤＬを解消することができる。

したがって、本実施例の光信号処理装置では、入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよびＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの各第１の出射導波路および各第２の出射導波路の非交差領域に、各第１の出射導波路および各第２の出射導波路の間の交差点に加えて、ダミー交差点を構成するための光信号処理に使用されない複数のダミー光導波路を備えることができる。

本実施例においては、光導波路基板８０１における全ての出射導波路端が、偏波状態に応じて隣り合って一箇所にまとめられて配置されていることから、一枚のλ／２板９０２を挿入することで容易に偏波を揃えることができる。実施例２の光導波路基板の構成と比較して、従来用いられていた複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を減らし、装置のアライメントの簡略化した低コストな波長選択スイッチが実現可能である。

実施例１〜実施例３では、ＰＬＣ回路上に１つ以上の偏波ビームスプリッタを構成して入力信号光を波長毎に選択する構成の光導波路基板を利用した。波長選択機能は、アレイ導波路格子を利用することでさら光学部材の使用を減らして簡略化することができる。

図１１は、本発明による光信号処理装置の実施例４の構成を示す図である。図１の（ａ）は、後述する光導波路基板１１０１の基板面（ｙ−ｚ面）を見た図であり、（ｂ）は、後述する光導波路基板１１０１の基板の側面（ｘ−ｚ面）を見た図である。本実施例の光信号処理装置１１００は、光導波路基板１１０１、光導波路基板１１０１の基板厚さ方向（ｘ軸方向）に関してパワーを有するシリンドリカルレンズ１１０２、第１のレンズ１１０３、回折格子１１０４、第２のレンズ１１０５および空間光変調器１１０６がこの順に配置されている。光導波路基板１１０１から出射される信号光の光軸方向をｚ軸とし、ｚ軸およびｘ軸に垂直な軸方向をｙ軸とする。第１のレンズ１１０３および第２のレンズ１１０５は、ｘ軸およびｙ軸の両軸に関するパワーを有するレンズである。回折格子１１０４は、ｘ軸方向について分波軸１１４を持っている。空間光変調器１１０６は、後述するように２次元方向に位相付与能力を持っている例えばＬＣＯＳなどで実現できる。

本実施例の構成では、レンズ系部品としてシリンドリカルレンズ１１０２、第１のレンズ１１０３および第２のレンズ１１０５をこの順番に用いているが、本発明の動作に必要な機能を実現する限り、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても良い。またどのような配置を用いても良い。回折格子１１０４において光路を概ね９０°曲げることで、往路の入射光光路と復路の回折光光路が比較的近い配置となる構成をとった場合は、第１のレンズ１１０３および第２１のレンズ１１０５を１つで共用することも可能である。

図１２は、実施例４の光信号処理装置における波長選択スイッチ機能に適合した光導波路基板の構成を示す図である。光導波路基板１１０１−１は、直交する２つの直線偏波を分離して出力するＮ＋１個の偏波ビームスプリッタアレイ１２０１を備え、各々の偏波ビームスプリッタアレイは、振幅の方向が直交する二つの偏波のうち、一方を出力する第１の出射導波路と、他方の偏波を出力する第２の出射導波路を備える。さらに、各々の偏波ビームスプリッタに接続された２本の出射導波路のうち、一方に挿入されたλ／２板も備え、上述の構成要素は、図６に示した光導波路基板と共通している。Ｎ＋１個の偏波ビームスプリッタアレイ１２０１のうち、最上段の偏波ビームスプリッタには、信号光１２０９が入力され、残りのＮ個の偏波ビームスプリッタのいずれかが選択されて、出射光１２１０が出力される。すなわち、波長選択スイッチとして動作する。

本実施例における光導波路基板１１０１−１は、さらに、各出射導波路が接続されたスラブ導波路１２０５と、スラブ導波路に接続されたアレイ導波路１２０６とを備える。第１の出射導波路１２０３および第２の出射導波路１２０４の、各々の導波路から信号光が出射され、基板厚さに閉じ込められたままで、スラブ導波路１２０５内を伝播する。スラブ導波路１２０５内を伝播する際の主光線が、スラブ導波路１２０５の終端におけるある一点にて交わるように、スラブ導波路１２０５の始点における各出射導波路の設置角度が決められる。このように各出射導波路とスラブ導波路１２０５を構成することにより、光導波路基板１１０１−１の出射端においては、スラブ導波路に接続される出射導波路のあらゆる角度からの光が重畳される構成となる。スラブ導波路１２５に接続されるアレイ導波路１２０６については、後述する。

本発明の光信号処理装置１１００は、以下のとおり動作する。図１２を参照すると、まず入力ポートに入力された信号光１２０９は、実施形態２における動作と同様に、最上段に位置する偏波ビームスプリッタによって直交する二つの直線偏波に分けられたのち、一方の出射導波路１２０４−０上のλ／２板アレイ１２０２−０を経由して、スラブ導波路１２０５に入力される。スラブ導波路１２０５において、信号光は、ｘ軸方向（基板の厚さ方向）には閉じ込められたまま、光導波路基板１１０１−１の面内で広がるように導波路を伝播する。この広がる信号光の波面は伝播距離に応じた曲率を有するため、スラブ導波路１２０５の終端はこの波面の曲率と一致するような形状で構成される。スラブ導波路１２０５の終端には、各々の長さが等しい導波路からなるアレイ導波路１２０６が接続されている。光導波路基板１１０１−１の端面のうち、アレイ導波路１２０６が接続している端面にはｙ軸と一致している。

再び図１１の（ａ）を参照すると、光導波路基板１１０１のアレイ導波路１２０６から空間に出力された光信号は、ｙ軸方向に位相が揃った平面波として出力されるため、ｙ軸方向に関してコリメートされたビームとして空間を伝播する。一方、空間に出力されたビームは光導波路基板１１０１の基板厚さ方向、すなわちｘ軸方向に関しては大きなＮＡを有する発散光として振舞う。このため、図１の（ｂ）に示したように、ｘ軸方向に関してコリメートするシリンドリカルレンズ１１０２によって、ビームの発散を抑制することが望ましい。

シリンドリカルレンズ１１０２を通過した光信号は、第１のレンズ１１０３を通過し、回折格子１１０４上に集光される。回折格子１１０４でｘ軸方向に波長毎に角度分波され、さらに第２のレンズ１１０５を通過することで、図１２の（ｂ）に示されているように、それぞれの波長毎に角度から位置変換される。すなわち、信号光の波長に応じて、空間光変調器１１０６のｘ軸上の異なる位置に、空間光変調器１１０６に対して垂直に入射する。このとき、図１１の（ａ）に示されているように、ｙ軸上では、第２のレンズ１１０５によって、波長に関係なく空間光変調器１１０６上に一点に集光する。

光信号は、ｙ軸方向について、波長毎に空間光変調器１１０６によって任意の角度にて反射されて往路をｚ軸の逆方向に進み、再び第２のレンズ１１０５、回折格子１１０４、第１のレンズ１１０３、シリンドリカルレンズ１１０２を介して光導波路基板１１０１に再結合する。ここで、図１２における最上段の偏波ビームスプリッタに信号光１２０９が入力され、最下段の偏波ビームスプリッタから選択された波長の信号光１２１０が出力される場合を考える。

より具体的には、光導波路基板１１０１に入力された信号光１１１１の一方の偏波が、最上段にある偏波ビームスプリッタの第１の出射導波路から光導波路基板１１０１を出射して、光路１１１０を進み、空間光変調器１１０６に到達する。空間光変調器１１０６のｘ軸上の特定の位置において反射されると光路１１０７を進む。光路１１０７の光信号は、光導波路基板１１０１に再結して、選択された最下段にあるＮ番目の偏波ビームスプリッタの第２出射導波路に入力される。同様に、光導波路基板１１０１に入力された信号光１１１１の他方の偏波が、最上段にある偏波ビームスプリッタの第２の出射導波路から光導波路基板１１０１を出射して、光路１１０９を進み、空間光変調器１１０６に到達する。空間光変調器１１０６のｘ軸上の特定の位置において反射されると光路１１０８を進む。光路１１０８の光信号は、光導波路基板１１０１に再結して、選択された最下段にあるＮ番目の偏波ビームスプリッタの第１出射導波路に入力される。最下段にあるＮ番目の偏波ビームスプリッタで、２つの偏波は、合成されて、選択された波長の出射光１１１２が出力される。区間光学系における信号光は、ＴＭモードに揃えられており、分離された２つの直交する偏波は概ね同一の光路を辿る。

ここで図１２を参照すると、入力ポートから出射された信号光のうち、第１の出射導波路を通過して空間光変調器１１０６に入射し、空間光変調器１１０６によってｙ軸について偏向された反射光が光導波路基板１１０１−１に再入射する際の主光線１２０７と、ｚ軸とのなす角をθ_１とする。また、光導波路基板１１０１の−１端面におけるアレイ導波路１２０６のピッチをｄ_１、スラブ導波路１２０５に接続するアレイ導波路１２０６のピッチをｄ_２、スラブ導波路１２０５の長さをｆ_ｓｌａｂ、スラブ導波路１２０５の屈折率をｎ_ｓとする。さらに、スラブ導波路１２０５内において、空間光変調器１１０６によってｙ軸について偏向された反射光がスラブ導波路１２０５内を伝播する際の主光線１２０８とｚ軸とのなす角をθ_２とすると、次式の関係が成り立つ。

式（３）から明らかなとおり、角度θ_１にて光導波路基板１１０１に再結合した光は、θ_２に角度変化を与えられる。すなわち、第１の出射導波路および第１の出射導波路の接続角度とならびにアレイ導波路１２０６のパラメータを適切に選択することによって、結合させる導波路を選択することが可能となる。

実施例２、実施例３および本実施例のような波長選択スイッチにおいて出力ポート数を増加させるためには、空間光変調器１１０６によるビームの偏向角を大きくとるか、または、空間光変調器１１０６上に集光するビームのｙ軸方向のビーム径を大きくする必要がある。空間光変調器１１０６の特性が一旦定められてしまえば、出力ポート数を増やすためにはビーム径を大きくする調整を行うより他にない。このため空間光変調器１１０６上に集光する光のｙ軸方向におけるビーム径を、できるだけ大きくするような設計が成されることが多い。

空間光変調器１１０６が、偏向デバイスであるのに対して、波長選択スイッチで使用されるファイバアレイ等は、各ファイバからの出射角度が等しく、出射位置のみが異なるいわゆる位置オフセットデバイスである。このため、入出力ファイバアレイと偏向デバイスとの間では、奇数回のフーリエ変換を行う必要がある。これは、入出力ファイバアレイと偏向デバイスとの間に、奇数個のフーリエ変換素子、つまり奇数個のレンズを配置しなければならないことを意味する。奇数個のレンズを配置する構成を前提とすることによって、空間光変調器１１０６上でのビーム径が大きければ大きいほど、入出力ファイバ側ではビーム径は小さくなり、出力ポートを多く配置することができるためである。

一方で、本実施例のような波長選択スイッチにおけるｘ軸方向のビーム径は、広透過帯域特性を確保するために、できるだけ小さく設計する必要がある。したがって、空間光変調器１１０６上に集光するビームの、ｘ軸方向のビーム径およびｙ軸方向のビーム径の比、すなわちアスペクト比を非常に大きくなるように設計しなければならない。

本実施例の光信号処理装置の構成においては、光導波路基板１１０１上に形成されたスラブ導波路１２０５をｙ軸方向についてレンズとみなすことができる。光導波路基板１１０１から空間に出射するビームは、空間光変調器１１０６に到達するまでに、集光レンズ１１０３、１１０５の偶数個のレンズを通過することになるので、空間光変調器１１０６上に集光するビームのアスペクト比は、空間光変調器１１０１を出射した時点で決定される。すなわち、空間光変調器１１０１を出射するビームのアスペクト比を大きくする工夫が必要となる。

本実施例の光信号処理装置の構成において、ｘ軸方向のビーム径に関しては、光導波路基板１１０１内に埋め込まれた導波路層の比屈折率および厚みで決定されるため、アスペクト比の調整を、ｙ軸方向のビーム径を調整することによって実現する。このときの、光導波路基板１１０１を出射するビームのｙ軸方向のビーム径ｗ_ｙは、次の式によって表すことができる。

式（４）において、λは信号光の波長を、ｆ_ｓｌａｂはスラブ導波路の長さを、ｗ_Ｉ/Ｏはスラブ導波路に入射するｙ軸方向のビーム径をそれぞれ表している。式（４）によれば、スラブ導波路の長さｆ_ｓｌａｂに比例してｙ軸方向のビーム径ｗ_ｙを拡大させることができる。

本実施例における構成では、光導波路基板１１０１から出射されるビームのアスペクト比を、光導波路基板１１０１の構成要素のレイアウトのみによって、部材点数を追加することなく、かつ、個別部品のアライメント調整の必要なしで実現可能である。

ビーム径の調整をするためには、ビームエキスパンダ、アナモルフィックプリズムペアなどを採用する構成が一般的である。しかしながら、このような構成では、新たな部材のコストおよびアライメント調整の負担が増えてしまう。この点で、アナモルフィックプリズムペアおよび偏波ダイバーシティのための光学系を、１つのＰＬＣによる光導波路基板１１０１内に集積した本実施例の構成は、部材コストおよびアライメント調整の負担を低減するのに非常に大きな効果をもたらす。

スラブ導波路１２０５およびアレイ導波路１２０６を有する光導波路基板１１０１の前段に配置する偏波ビームスプリッタの配置方法については、上述の実施例２に準じる配置方法だけではなく、実施例１および実施例３の光信号処理装置に対応する各レイアウトを採用することも可能である。

図１３は、実施例１の光信号処理装置の構成に対応するスラブ導波路およびアレイ導波路を有する光導波路基板の構成を示す図である。光信号処理装置が、単一の偏波ビームスプリッタを備え、同一のポートで、信号光を入出力する構成を持つ場合である。

光導波路基板１１０１−２は、直交する２つの直線偏波を分離して出力する偏波ビームスプリッタ１３０１と、振幅の方向が直交する２つの偏波のうち、一方の偏波を出力する第１の出射導波路１３０３と、他方の偏波を出力する第２の出射導波路１３０４とを備える。さらに、２本の出力導波路のうち、１本に挿入されたλ／２板１３０２を備える。本光導波路基板１１０２−２では、第１の出射導波路１３０３に接続された第１のスラブ導波路１３０５および第２のアレイ導波路１３０６と、第２の出射導波路１３０４に接続された第２のスラブ導波路１３０７および第２のアレイ導波路１３０８とを備える。

図１４は、実施例３の光信号処理装置の構成に対応するスラブ導波路およびアレイ導波路を有する光導波路基板の構成を示す図である。光導波路基板１１０１−３は、１つの信号光入力ポートおよび１つ以上（Ｎ個）の信号光出力ポートを有し、１つの出力ポートを選択する構成を持つ場合である。

光導波路基板１１０１−３は、直交する２つの直線偏波を分離して出力するＮ＋１個の偏波ビームスプリッタアレイ１４０１と、各々の偏波ビームスプリッタにおいて、振幅の方向が直交する２つの偏波のうち、一方の偏波を出力する第１の出射導波路１４０３と、他方の偏波を出力する第２の出射導波路１４０４とを備える。第１の出射導波路１４０３および第２の出射導波路１４０４は、それぞれ、Ｎ＋１本がまとまって配置されたアレイ状の構成となっている。一方の出射導波路上には一体のλ／２板１４０２が挿入されている。本光導波路基板１１０２−３では、第１の出射導波路１４０３および第２のアレイ導波路１４０６に接続されたスラブ導波路１４０５およびアレイ導波路１４０６を備える。

図１３および図１４に示すいずれの構成においても、実施例１および実施例３における偏波ダイバーシティ構成による利点を有しながらも、さらに部材を追加することなく、ビーム径を自在に変更可能として、より多くの出力ポートを備えた光信号処理装置（たとえば、波長選択スイッチ）を実現できる。この場合でも、従来技術の光信号処理装置で必要であった複屈折結晶による偏波分離部の光学部材で実現されていた機能およびビーム径を調整する機能を、ＰＬＣ上に集積する構成によって、部材コストおよびアライメント調整に関する負担の低減に非常に大きな効果をもたらず。

以上詳細に述べたように、本発明の光信号処理装置によって、偏波ダイバーシティ機能を実現しながら、従来技術で用いられていた複屈折結晶による偏波分離部の光学部材を不要とすることができる。光学部材のコスト削減および装置のアライメント調整の簡略化を実現することができる光信号処理装置を提供する。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムにおける光信号処理装置に利用できる。

１００、２００、５００、８００、１１００信号処理装置
１０１、２０１、４０１、５０１、８０１、１１０１光導波路基板
１０３偏波分離部
１０６、１０８、２０４、５０４、８０４、１１０３、１１０５レンズ
１０７、２０３、５０３、８０３、１１０４分光素子
１０９、２０５、５０５、１１０６空間光変調器
３０１入力ポート
３０２、３０５３ｄＢカプラ
３０６、６０２、９０２、１２０２−０、１２０２−Ｎ、１３０２、１４０２ λ／２板
３０７、３０８、４０７、４０８、６０３−０、６０３−Ｎ、６０４−０、６０４−Ｎ、９０３、９０４出射導波路
５１３、５１４、６１０−０、６１０−Ｎ、８１１、８１２、９０５−０、９０５−Ｎ１２０１、１３０１、１４０１偏波ビームスプリッタ
１２０５、１３０５、１３０７、１４０５スラブ導波路
１２０６、１３０６、１３０８、１４０６アレイ導波路

Claims

基板上に、波長多重光信号が入力される入力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏波状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む偏波ビームスプリッタが構成された光導波路回路と、
前記光導波路回路の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、前記偏向した信号光が前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路の他方に再結合するよう反射する光変調手段と、
前記基板上の前記第１の出射導波路もしくは前記第２の出射導波路のいずれか一方の上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段と、
前記基板から出射した波長多重光信号を、前記基板の回路構成面に垂直な波長分散軸方向に波長分離する分光手段と、
を備え、前記基板上の前記光導波路回路は、
前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路が入力側に接続されたスラブ導波路と、
前記スラブ導波路の出力側に接続され、各々の導波路長が等しい複数の導波路を有するアレイ導波路であって、前記基板端面から空間へ、前記波長分散軸方向に垂直な方向について位相が揃った平面波を出射する、アレイ導波路と
をさらに含むことを特徴とする光信号処理装置。
基板上に、
波長多重光信号が入力される入力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離する偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含む入力ポート用の偏波ビームスプリッタと、
各々が、前記波長多重光信号の波長分離された光信号を出力する出力ポート、前記波長多重光信号を互いに直交する偏光状態を有する第１の偏波および第２の偏波に分離できる偏波分離手段、前記第１の偏波を出力する第１の出射導波路および前記第２の偏波を出力する第２の出射導波路を含むＮ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタと
が構成された光導波路回路と、
前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から空間へ出射した信号光を偏向し、前記偏向した信号光が、前記出力ポート用のＮ個の偏波ビームスプリッタの中の選択された１つの偏波ビームスプリッタにおける第１の出射導波路および第２の出射導波路の内の前記信号光が出射した出射導波路とは異なる側の出射導波路に再結合するよう反射する光変調手段と、
前記基板上の前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの各々の前記第１の出射導波路もしくは各々の前記第２の出射導波路のいずれか一方の上に配置された、偏波状態を９０°回転させる偏波回転手段と、
前記基板から出射した波長多重光信号を、前記基板の回路構成面に垂直な波長分散軸方向に波長分離する分光手段と、
を備え、前記基板上の前記光導波路回路は、
前記第１の出射導波路および前記第２の出射導波路が入力側に接続されたスラブ導波路と、
前記スラブ導波路の出力側に接続され、各々の導波路長が等しい複数の導波路を有するアレイ導波路であって、前記基板端面から空間へ、前記波長分散軸方向に垂直な方向について位相が揃った平面波を出射する、アレイ導波路と
をさらに含むことを特徴とする光信号処理装置。
前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第１の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、
前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記第２の出射導波路は、アレイ状に互いに隣接して構成され、
前記偏波回転手段は、前記基板上で、前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方の側の前記アレイ状に構成された出射導波路を横断し一体に構成されることを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
前記入力ポート用の偏波ビームスプリッタおよび前記Ｎ個の出力ポート用の偏波ビームスプリッタの前記各第１の出射導波路および前記各第２の出射導波路の非交差領域に、前記各第１の出射導波路および前記各第２の出射導波路の間の交差点に加えて、ダミー交差点を構成するための光信号処理に使用されない複数のダミー光導波路を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光信号処理装置。
前記波長分離された光信号を、前記光変調手段の変調素子形成面上に集光させるためのレンズをさらに備え、
前記光変調手段は、前記レンズにより集光された光信号に独立に位相シフトを与え、該位相シフトによって、前記基板の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路のいずれか一方から出射した信号光を、前記基板の前記第１の出射導波路または前記第２の出射導波路の他方へ再結合させ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。