JP5899331B2 - 光入出力装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ネットワークに使用する光入出力装置に関する。

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。光通信のルーティング機能デバイスとして注目を集めている技術に光スイッチがある。光スイッチの中でも自由空間上で光の方路を切り替える空間光学系光スイッチは高密度実装や消費電力低減化の観点から他方式に比べて優れており、近年技術開発が進展している。

空間光学系光スイッチの基本構成について述べる。一般的に空間光学系光スイッチは、入力ファイバと出力ファイバの間の自由空間上にいくつかのレンズと光ビームの進行方向を変える光ビーム偏向素子から構成される。代表的な光スイッチとして、入出力ファイバアレイとコリメートレンズアレイ、２組の光ビーム偏向素子アレイから構成される光クロスコネクトスイッチ（ＯＸＣ）や入出力ファイバアレイとコリメートレンズアレイ、レンズ群、分散素子、ビーム偏向素子アレイからなる波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などがある。

空間光学系光スイッチは、空間中で高密度に光ビームをレイアウトできる一方でファイバ等による光の導波構造を持たないため、目的出力ポート外への意図しない光の漏れが課題となる。複数の出力ポートを配置する構成の光スイッチでは、近接ポートなどへの高いパワーレベルでの光の漏れはクロストークとして信号品質の劣化を招くため、特に注意が必要な技術開発項目である。

光スイッチの機能として、出力ポートの光パワーのコントロールを行う光減衰（アッテネーション）機能がある。空間光学系光スイッチにおける光減衰機能としては、各出力ポートの後段に個別に光減衰器を取り付ける手法などがあるが、ポート数の増大と共にコストやサイズの増大を招く。そのため、光スイッチ内の光ビーム偏向素子を用いてアッテネーション機能を実現する方法が考えられる。

光ビーム偏向素子を用いてアッテネーション機能を実現する場合、前述のクロストークをいかに抑制できるかが課題となる。光ビーム偏向素子として、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ （ＭＥＭＳ） やＬｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ （ＬＣＯＳ−ＳＬＭ） が使われる。アッテネーション手法としては、非特許文献１、２記載の位相を２πで折り返さない方式や、特許文献１記載の光ビームを偏向する際に出力ポートへの最適角度から意図的にずらして光結合率をコントロールする方法がある。しかし、この手法は隣接する出力ポートへの漏れ光がクロストークとして問題になる。したがって、新たなアッテネーション手法の技術開発が求められている。

特開２００９−０３６８８６

T. Fujita et al, Opt. Lett., 7 (1982) 578. R. Magnusson et al, J. Opt. Soc. Am. 68 (1978) 806.

光入出力装置においては、信号光が混信しないようにするために隣接ポートへのクロストークが低いことが望ましい。しかし、位相変調素子を用いた非特許文献１や非特許文献２に記載された、位相を２πの整数倍で折り返さないことによって光パワーを制御する方式においては、出力ポート付近に高次光が発生するためにクロストークの抑制が困難である。また、特許文献１に記載の偏向角度を変化させることによって光パワーを制御する方式においては、隣接ポートへのクロストークが発生するため、ポート間の距離を必要以上に遠ざけて配置する必要がある。

このような問題を解決するために、本発明では、光通信ネットワークにおいて、他ポートへのクロストークの発生を抑制し、出力光パワーを変化させる制御手法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、信号光の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートと、平面内にマトリックス状に配列された複数の画素と、前記入力ポートまたは前記出力ポートのうちの所望のポート間で光結合するように各画素に設定する位相値の組み合わせである位相パタンを生成するパタン生成部と、前記位相パタンを各画素の駆動信号に変換する制御部と、前記駆動信号に従い前記画素を駆動する駆動部とを有し、前記位相パタンに対応した駆動信号を前記駆動部によって印加することにより各画素に入射する信号光の光位相を変化させる位相変調素子と、前記入力ポートから空間に出射された前記信号光が前記位相変調素子の前記平面内の各画素に照射するように前記信号光の出射方向を変換する光学素子とを備え、前記パタン生成部は、前記信号光が入射される前記位相変調素子の平面内の少なくとも一方向に所定の周期を有する周期性の位相パタンを重畳する重畳手段と前記周期性の位相パタンの振幅を制御する手段を有しており、前記入力ポートおよび前記出力ポート間で所望の光結合が得られる位相パタンに対して重畳した周期性の位相パタンの周期およびパタン形状に応じた位置に前記信号光を回折し、その光強度を分散させる光入出力装置である。

ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる反射型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成を示す図である。 ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる反射型位相変調素子を用いた波長選択性のある光入出力装置の構成を示す図である。 ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる透過型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成を示す図である。 ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる透過型位相変調素子を用いた波長選択性のある光入出力装置の構成を示す図である。 位相変調素子の構成を示す図である。 波長選択制のある光学構成の場合の位相変調素子の構成を示す図である。 出力ポートに光を結合させるための位相パタンの例を示す図である。 反射型位相変調素子からの回折の例を示す図である。 周期性の位相パタンを重畳しない場合の偏向特性の例を示す図である。 周期性の位相パタンを重畳する場合の偏向特性の例を示す図である。 重畳する周期性の位相パタンの第１の例を示す図である。 重畳する周期性の位相パタンの第２の例を示す図である。 重畳する周期性の位相パタンの第３の例を示す図である。 重畳する周期性の位相パタンの第４の例を示す図である。 クロストークを低くしながら光パワー制御可能なようにポートを配置した例である。 重畳する位相周期と周期性の位相パタンを重畳したことによって現れる光の出射角度の関係の例を示す図である。 重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 ポート外に光を出射するように位相パタンを重畳した場合の偏向特性の例を示す図である。 出力ポートが配列する方向でない方向へ光ピークが現れるように制御する例である。 重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 重畳する位相を正弦波とした場合の重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 重畳する位相を三角波とした場合の重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 重畳する位相をパルス波とした場合の重畳する位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 複数の位相パタンを組み合わせて重畳した例を示す図である。 同一の位相パタンを異なる周期と振幅で重畳した例を示す図である。 複数の位相パタンを組み合わせて重畳した場合の周期性の位相パタンの位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 同一の位相パタンを異なる周期と振幅で重畳した場合の周期性の位相パタンの位相の振幅と光パワーの関係の例を示す図である。 領域を複数分割する例を示す図である。 （Ａ）は領域を分割しない場合の光スペクトルを示す例であり、（Ｂ）は領域を分割する場合の光スペクトルを示す例である。 周期ｗを３．５×画素サイズとしたときののこぎり波の位相パタンを示す図である。 周期性の位相パタンの周期ｗを画素サイズの整数倍である３×画素サイズとした場合の位相パタンを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

［第１の光入出力装置の構成］
まず、本発明の制御の対象となる位相変調素子を用いた光入出力装置について説明する。図１は、ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる反射型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成を示すものである。入力ポートを１ポート、出力ポートをｎポートとした１×ｎスイッチの例である。ここで、出力ポートが配列する方向をｙ軸、信号光が伝搬する方向をｚ軸としている。入力された信号光は光ファイバ１１を介して空間に出射され、コリメートレンズ１２を介し、光学素子１３に与えられる。光学素子１３からの出射される信号光である出射光は位相変調素子１４によって反射され、再び光学素子１３を介し、コリメートレンズアレイ１２、１５−１〜１５−ｎ、光ファイバ１１、１６−１〜１６−ｎへ与えられる。信号光は、位相変調素子１４に設定された位相パタンによって光結合する入力ポートおよび出力ポート（「入力ポートおよび出力ポート」を以下、「入出力ポート」ともいう）の組合せ及び出力光アッテネーションレベルが選択され、例えば第１〜第ｎチャンネル（光学素子１３とコリメートレンズ１２、１５−１〜１５−ｎと、光ファイバ１１、１６−１〜１６−ｎとで構成される各経路）内の任意の出力ポートへ任意のアッテネーションレベルで出力される。

ここで本明細書において「位相」とは、位相変調素子１４に対して入射された光と出射される光の各光波間の位相差を含む概念をいう。また２πを超える位相は位相から２πを差し引いたものと等価である。位相変調素子１４に入射する光は、入射する位相変調素子１４内の位置によって位相が与えられる。「位相パタン」とは、この位相変調素子１４内の位置に応じて独立に設定される位相の組み合わせのことである。信号光を構成する光束が位相変調素子１４の各画素で所定の位相で反射され、反射された光束が干渉する。干渉した結果、所定のアッテネーションレベルで所定の入力ポートおよび出力ポート間で光結合する。

光学素子１３としては、入力された光を位相変調素子１４に向けて出射するように信号光の出射方向を変換する手段を用いることができ、例えばレンズや、プリズムや、回折格子などを用いることができる。

入力する信号光は、例えば波長λｐ〜λｑまでを束ねるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光でもよい。また、図２に示すように、コリメートレンズ１２、１５−１〜１５−ｎ及び光学素子１３の間に波長分散素子１７を配置し、波長ごとに集光位置を異なるようにし、波長ごとに異なる入出力ポートの組合せや光アッテネーションレベルを選択可能としてもよい。図２では、波長分散素子は紙面垂直方向（ｘ軸方向）に回折性能を有しており、入力された信号光の波長により位相変調素子１４の紙面垂直方向に異なる位置に光を照射してもよい。波長分散素子１７は光学素子１３と位相変調素子１４の間に配置してもよい。

第１の入出力装置の構成では１×ｎスイッチの例を示したが、入力がｎポート、出力が１ポートのｎ×１スイッチ構成でも良いし、入力がｎポート、出力がｌポートのｎ×ｌスイッチ構成でも良い。

［第２の光入出力装置の構成］
次に、透過型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成例について示す。図３は、ｘ軸方向から見た本発明の制御の対象となる反射型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成を示すものである。入力ポートを１ポート、出力ポートをｎポートとした１×ｎスイッチの例である。入力された信号光は光ファイバ２１を介して空間に出射され、コリメートレンズ２２を介し、第１の光学素子２３に入射される。第１の光学素子２３からの出射光は位相変調素子２４、第２の光学素子２５を介し、コリメートレンズアレイ２６−１〜２６−ｎ、光ファイバ２７−１〜２７−ｎへ与えられる。信号光は、位相変調素子２４に設定された位相パタンによって光結合する入出力ポートの組合せ及び光アッテネーションレベルが選択されることにより、例えば第１〜第ｎチャンネルの内の任意の出力ポートへ任意の光強度で出力される。

入力する信号光は、例えば波長λｐ〜λｑまでを束ねるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光でもよい。また、図４に示すように、コリメートレンズ２２および光学素子２３の間に波長分散素子２８を配置するとともに、コリメートレンズ２６−１〜２６−ｎおよび光学素子２５の間に波長分散素子２９を配置して、波長ごとに集光位置を異なるようにし、波長ごとに異なる出力ポートや光アッテネーションレベルを選択可能としてもよい。図４では、波長分散素子は紙面垂直方向（ｘ軸方向）に回折性能を有しており、入力された信号光の波長により位相変調素子１４の紙面垂直方向に異なる位置に光を照射している。波長分散素子２８、２９は光学素子２３と位相変調素子２４、位相変調素子２４と光学素子２５の間に配置してもよい。

第２の入出力装置の構成では１×ｎスイッチの例を示したが、入力がｎポート、出力が１ポートのｎ×１スイッチ構成でも良いし、入力がｎポート、出力がｌポートのｎ×ｌスイッチ構成でも良い。

［位相変調器の構成］
次に、これらの光入出力装置で用いられる位相変調素子１４、２４について詳細に説明する。図５Ａ、図５Ｂは、反射型の位相変調素子をｚ軸方向から見た場合の構成を示す図であり、図５Ａは光照射領域を示し、図５Ｂは波長チャネルに分解した光照射領域を示す。位相変調素子１４はｘｙ平面上にマトリクス状に配列されたｐ×ｑ個の画素が各画素において入射される信号光である入射光と出射される信号光である出射光間の位相を独立に設定可能とされた多数の画素４１−１１、４１−ｐｑと、各画素の位相を制御するドライバ素子４２と、裏面に反射部４３とを具備する。各画素の位置によって独立に設定する位相の値（位相値）の組み合わせを位相パタンと呼ぶことにする。位相パタンはドライバ素子の駆動信号に変換される。変換された駆動信号に従い、各画素を駆動することにより、各画素に所望の位相を設定することができる。なお、透過型の位相変調素子は、図５Ａ、図５Ｂの裏面の反射部４３を設けない以外は図５Ａ、図５Ｂの位相変調素子と同様の構成を備えている。上記の光入出力装置において、位相変調素子に光を入射した光照射領域を図５Ａに示す領域Ｒとする。領域Ｒ内の各画素に、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し、出射光の進行方向及びその方向の光パワーの制御を行うことが出来る。

また、入射光をＷＤＭ信号とし、回折格子でｘ軸方向（例えば図２，４の紙面垂直方向）に分散させる場合、その入射領域は、図５Ｂに示すように波長チャンネルごとに異なり、領域Ｒ１〜Ｒｎのようになる。この場合、領域Ｒ１〜Ｒｎの位相パタンを独立に制御することで波長チャンネルごとに異なる出力ポート、出力光アッテネーションレベルを設定可能である。

位相変調素子１４、２４は、例えば複数の画素を有するＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いて実現可能である。本素子では、位相変調量（位相）は、各画素の液晶材料の配向方向を、ドライバ電極に印加する電圧で制御可能であり、これによって入射光が感じる液晶の屈折率を変化させ入出射光間の位相を制御することが可能である。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。また、表面及び裏面電極の両方を透明電極とすることで、透過型位相変調器が実現可能である。また、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。

ＬＣＯＳを用いた位相変調素子１４、２４では、位相変調器１４、２４を構成する液晶のドライバ電極に印加する電圧を制御することによって、各画素における位相変調量を制御することができる。すなわち、位相変調器１４、２４では、選択する入出力ポートやアッテネーションレベルに応じた所望の位相パタンを生成するような位相値を設定すると、それに応じた電圧がドライバ電極に印加される。

位相変調素子１４，２４は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーを用いても実現可能である。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。

［出力方路選択方法］
次に位相変調素子によって、出力方向を選択する方法について説明する。図６は、出力ポートに光を結合させるための位相パタンの例を示す図であり、図７は、反射型位相変調素子からの回折の例を示す図である。出力方向の選択は、例えば位相変調素子に入射される光の回折角を制御することによって行われる。設定する位相値を図６のようにのこぎり形状５１にすることで、図７のように出射波の回折角を制御可能である。位相パタンは、同じ位相パタンを繰り返す周期性を有する周期性の位相パタンであることが好ましい。ここで、回折角度θｏ、すなわち位相変調素子の法線方向に対する出射光のなす角度は、
ｓｉｎθｉｎ＋ｓｉｎθｏ＝ｍ・λ／Λ ・・・式（１）
で与えられる。ただし、
θｉｎ：位相変調素子の法線方向に対する入射光のなす角度
ｍ：回折次数
λ：入力された信号光の波長
Λ：位相パタンの１周期の長さ
とする。

所望の出力ポートに最適な光結合を得られるようΛを変化させ、θｏを調整することで任意の出力ポートに光結合させることができる。

［光パワー制御方法］
［第１の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第１の実施の形態について説明する。本発明に係る光入出力装置では、位相変調素子に設定する位相パタンを、前記のような入出力ポート間の光結合が得られる位相パタンに対して周期性の位相パタンを重畳することによって、出力光強度の制御を行う。重畳する周期性の位相パタンの周期およびパタン形状に応じた位置に信号光を回折し、その光強度を分散することにより所定の入出力ポート間に光結合する信号光の強度を制御することができる。周期性の位相パタンは、位相変調素子内の位置とその位置において反射または透過する光の位相との関数により特定され、例えば図９Ａから図９Ｄに示すようなｙ軸方向に所定の周期ｗのパタン形状を有している。

図８Ａは周期性の位相パタンを重畳しない場合の偏向特性の例を示す図であり、図８Ｂは周期性の位相パタンを重畳する場合の偏向特性の例を示す図である。また、図９Ａは重畳する周期性の位相パタンの第１の例として、のこぎり波を重畳した場合を示す図であり、図９Ｂは重畳する周期性の位相パタンの第２の例として、サイン波を重畳した場合を示す図であり、図９Ｃは重畳する周期性の位相パタンの第３の例として、三角波を重畳した場合を示す図であり、図９Ｄは重畳する周期性の位相パタンの第４の例として、矩形波を重畳した場合を示す図である。

このうち、のこぎり波のパタン形状を有する周期性の位相パタンを重畳する場合を例にとって説明する。入出力ポート間の光結合が得られるような位相パタンは、例えば、図６に示すようなのこぎり形状の位相パタン５１でのこぎり波の振幅を２πとすることが好ましい。この位相パタンのみが存在する場合、図８Ａに示すように出力ポートに光結合する出射角度方向θｏへのみ光が出射する。この位相パタンに対して、図９Ａに示すように、重畳する周期性の位相パタンの１周期中の位相φが
φ＝ｋ×ｙ’／ｗ・・・式（２）
となるような位相パタン５３を重畳すると、図８Ｂのように回折の次数ｍに応じ、θｓｍ（図８Ｂの場合、ｍは−２〜２の整数）の角度方向にピーク６２が現れピーク６１の光パワーを分配することが出来る。ここで、ｗは重畳する周期性の位相パタンの１周期の長さ、ｋは定数、ｙ’はｙ軸方向に変化する周期性の位相パタンの１周期内における位相変調素子の位置である。なお、式（２）は、さらに任意の定数ｂを用いて位相φを
φ＝ｋ×（ｙ’／ｗ＋ｂ）・・・式（３）
と表すことにより、初期位相を含んだ形式で書き換えることができる。ｋを変化させて重畳する周期性の位相パタンの振幅を制御することで、出射方向の光のパワーを制御することが可能である。すなわち、出力ポートのアッテネーションが可能となる。
θｓｍは、次式（４）で表すことが出来る。
θｓｍ＝θｏ＋ｍ×ａｒｃｔａｎ（λ／ｗ）・・・式（４）
ｍは回折の次数であり、整数である。
ここで、Δθｓ＝θｓ１−θｏと定義する。
すなわち
Δθｓ＝ａｒｃｔａｎ（λ／ｗ）
となる。

本実施形態によれば、上式よりΔθｓを重畳する周期性の位相パタンの周期ｗによって設定し、出力ポートから出力される光のパワー（光強度）を制御可能である。

［第２の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第２の実施の形態について説明する。ｗは先のΛと独立に設定することが可能であり、θｓｍを出力ポートの間隙にあるように設定することが可能である。

ここで入出力ポート間の光結合が得られる位相パタンを位相変調素子平面上のｙ軸に沿って例えばのこぎり状に設定し、重畳する位相パタンも同様にｙ軸上に沿って周期性を持たせる場合について考える。ｙ軸は光学素子１３、２３、２５のポートからの入出射光の配列方向に一致する軸である。この場合、入出力ポートが配列する方向にピーク６２が現れる。
入力ポートから位相変調素子への入射光の入射角度をθｉｎ、出力ポートへの出射光の出射角度をθｏとする。入出力ポート間の光結合が得られる位相パタンに周期性の位相パタンを重畳すると、その回折光の入射光角度に対する出射方向θｓｍ’は
θｓｍ’＝θｉ＋ｍΔθｓ
となる。ここで
θｉは入出射光のなす角（＝θｏ−θｉｎ）、Δθｓ＝ａｒｃｔａｎ（λ／ｗ）、ｗは周期性の位相パタンの周期、λは信号光の波長、ｍは回折次数で整数である。
この回折光が出ない位置に他の入出力ポートを配置する（出る位置θｉにポートを配置しない）ことで、すなわちθｓｍ’が入出力ポートからの入出射光角度の間隙になることでクロストークを抑制しつつ出力ポートから出力される光のパワーを制御することが出来る。
図１０はクロストークを低くしながら光パワー制御可能なようにポートを配置した例である。例えば、Ｎをポート番号に関連した変数、すなわち出力ポートへの出射角度の最大値をθｍａｘとしθｍａｘ／２の角度範囲に配置するポート数をＮ’とした場合に０〜Ｎ’−１の整数とする。またｐを定数としたとき、図１０のように入力ポートをθ＝０、出力ポートへの出射光角度θｐが±θｍａｘの間の
θｐ＝−θｍａｘ ＋N・ｐ （−θｍａｘ≦θ＜−θｍａｘ／２）、
θｐ＝−θｍａｘ ＋（N＋１／４）ｐ（−θｍａｘ／２≦θｐ＜０）、
θｐ＝−θｍａｘ ＋（N＋１／２）ｐ（０≦θｐ＜θｍａｘ／２）、
θｐ＝−θｍａｘ ＋（N＋３／４）ｐ（θｍａｘ／２≦θｐ＜θｍａｘ）
となるように配置し、重畳する周期性の位相パタンの周期をΔθｓ＝θｍａｘ／２となるように決定した場合、クロストークを抑制しつつ出力ポートから出力される光のパワーを制御することが出来る。

この実施形態では、高次光の出ない位置にポート配置する（出る位置θｐ＋ｍΔθｓにポートを配置しない）ことで、クロストークを抑制しつつ出力ポートから出力される光のパワーを制御することが出来る。

［第３の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第３の実施の形態について、のこぎり波を重畳する場合を例にとって説明する。

第１の実施の形態の場合、θｍａｘ、θｍｉｎをそれぞれ最も外側のポートに光結合する出射角度とすると、ポートを設定する範囲であるΔθｐ＝（θｍａｘ−θｍｉｎ）よりもΔθｓが小さい場合、ピーク６２が入出力ポートを配置する範囲内に存在するため、入出力ポートを密に配置することが出来ない。これは、光入出力装置のサイズの増加を招くため、ΔθｓはΔθｐよりも大きい方が望ましい。図１１は、例として、波長λ＝１．６１μｍにおける重畳する位相の周期とΔθｓの関係を示したものである。画素のサイズを1ピクセル＝１０．４μｍとして計算している。図からΔθｓがΔθｐよりも大きくなるように設定すればよい。すなわち、出力ポートにおける光結合時の出射光と入射光のなす角θの最大値と最小値をそれぞれθmax、θmin、入力された信号光の波長をλとしたときに、ｙ軸方向に周期性を持ち、かつそのパタンの一周期の長さｗが
ｗ＜λ／ｔａｎ（θmax−θmin） ・・・・式（５）
となる周期性の位相パタンを重畳するように制御すればよい。例えばΔθp＝１．６°のときは１周期の長さを４ピクセル以下にすればよい。図１２は、位相変調素子にＬＣＯＳを用い、入出力ポートをθ＝−０．８°〜０．８°に設定し、位相周期を４画素分に設定した場合の、光パワー強度と重畳する位相パタンの振幅ｋの関係である。入力された信号光の光パワーを０ｄＢｍとしている。図から、ｋを変化させることによって光アッテネーションレベルを任意に制御可能であることが分かる。図１３は、このときのビーム出射角度と光パワーの関係を示している。出射光の光パワーを減衰させた際に出力ポート以外外に光パワーを集中できている。

［第４の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第４の実施の形態について、のこぎり波を重畳する場合を例にとって説明する。

ここで入出力ポート間の光結合を行うための位相パタンを位相変調素子平面上のｙ軸に沿って例えばのこぎり状に設定し、重畳する位相パタンをｙ軸以外の方向に沿って周期性を持たせる場合について考える。この場合、ポートが配列する直線上でない位置にピーク６２−１、６２−２、６２−３、６２−４が現れるため、ポートの配置を考慮しなくともクロストークが発生しないという優れた効果が得られる。例えば、入出力ポート間の光結合を行うための位相パタン５１がｙ軸上方向に周期性を持っているとき、ｙ軸方向に対して角度αの方向（ｒ軸方向：位相変調素子の平面内の任意の方向）にのこぎり波状の周期性の位相パタンを重畳した場合、図１４のようにポートの配列方向から角度αの方向にピーク６２が現れる。図１５は、位相変調素子にＬＣＯＳを用い、入出力ポートを−０．８°〜＋０．８°に設定し、重畳する位相周期を１０画素分に設定し、α＝９０°である場合の、光パワー強度と式（２）における重畳する位相パタンの振幅ｋの関係である。図から、ｋを変化させることによって光アッテネーションレベルを任意に制御可能であることが分かる。図１６は、このときのビーム出射角度と光パワーの関係を示している。出射光の光パワーを減衰させた際に出力ポート設定領域にクロストークが抑制される。

［第５の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第５の実施の形態について説明する。

第２の実施の形態から第４の実施の形態のようにのこぎり波状の周期性の位相パタンを重畳することでクロストークを抑制しつつ光強度の制御が可能であった。しかし、ＬＣＯＳなどの液晶を用いた位相変調素子では、設定する位相パタンに式（３）に示すのこぎり波のような不連続性があると、ディスクリネーションと呼ばれる設定位相の誤差が生じる。これによって、光強度の設定精度の低下やクロストークの増大が発生する。これを低減するには、光パワーを制御する周期性の位相パタンとして、図９Ｂに示すような例えば正弦波状の周期性の位相パタン５４を用いれば良い。この場合、周期性の位相パタンの１周期中の位相は次式（６）のように与えられる。
φ＝ｋ×（ｓｉｎ（２π・ｒ／ｗ＋Ψ）＋ｂ）・・・式（６）
ただし、ｗは重畳する周期性の位相パタンの一周期の長さ、ｒは周期性の位相パタンの1周期内における位相変調素子の位置、Ψ，ｂは定数である。式（６）の位相パタンを重畳させた場合も、前記の結果と同様にθｓの角度に光パワーが分配され、図１７Ａに示すようにｋを変化させることで出力ポートから出力される信号光の光強度の制御が可能である。

［第６の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第６の実施の形態について説明する。ディスクリネーションの影響を低減する位相パタンは図９Ｃに示すような、三角波状の周期性の位相パタン５５であってもよい。この場合、周期性の位相パタンの１周期中の位相は次式（７）のように与えられる。
φ＝ｋ×（ｓｒ＋ｂ） （ｒ≦ｐ）、
φ＝ｋ’×（ｓ’ｒ＋ｂ’） （ｒ＞ｐ）・・・式（７）
ただし、ｒは周期性の位相パタンの１周期内における位相変調素子の位置、ｓ，ｓ’，ｂ，ｂ’，ｐは定数である。式（７）の位相パタンを重畳させた場合も、前記の結果と同様にθｓの角度に光パワーが分配され、図１７Ｂに示すようにｋ、ｋ’を変化させることで出力ポートから出力される信号光の光強度の制御が可能である。なお、図１７Ｂでは、ｋとｋ‘が等しい場合に対する光強度の変化のみが示されているが、ｋとｋ’が等しくない場合に対しても光強度が変化する。

［第７の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第７の実施の形態について説明する。

光パワーを制御する周期性の位相パタンは図９Ｄに示すような矩形状の位相形状５６であってもよい。この場合、周期性の位相パタンの１周期中の位相は次式（８）のように与えられる。
φ＝ｂ （ｒ＜ｐ， ｒ＞ｑ），
φ＝ｋ＋ｂ （（ｐ ≦ ｒ ≦ ｑ））・・・式（８）
ただし、ｒは周期性位相パタンの１周期内における位相変調素子の位置、ｂ，ｐ，ｑは定数である。

式（８）のような位相パタン５６を重畳した場合も、上記と同様にθｓの角度に光パワーが分配され、図１７Ｃに示すようにｋを変化させることで出力ポートから出力される信号光の光強度の制御が可能である。

［第８の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第８の実施の形態について説明する。本実施の形態では、２つの周期性の位相パタンを組み合わせる。

第１の実施の形態から第７の実施の形態で述べた光強度制御方式においては、光強度を大きく減衰させると位相振幅に対する光強度の感度が高まり光強度の設定精度が低下してしまう。ここで、位相パタン５３、５４を複数組み合わせることで、光強度を高精度に制御することが可能である。例として、図１８Ａのように、一つの周期内の位相が、式（３）と式（８）で表される２つの周期性の位相パタン５３、５４を重畳させた場合の光強度と周期性の位相パタン５３、５４の振幅ｋの関係を図１９Ａに示す。図１８Ａでは、重畳される２つの周期性の位相パタン５３、５４のうちの一方の周期性の位相パタン５４の振幅の符号が逆の位相で表しており、そのため図１９Ａではｋの増加に伴い光強度が増加している。ただし、式（３）の周期性の位相パタンの振幅はｋ＝２πで固定している。２つの周期性の位相パタンを組み合わせることで、光強度の急激な変化が少なくなり制御性が向上するといった優れた効果が現れる。この組み合わせだけではなく、その他の組み合わせにおいても同様の効果が期待できることは明らかである。

［第９の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第９の実施の形態について説明する。

同一の位相パタンを異なる周期で組み合わせることでも、光強度の設定精度を高めることが出来る。位相パタンは、第１の実施の形態から第８の実施の形態で説明した位相パタンのうちから選択した任意の位相パタンを用いることができる。例として、図１８Ｂのように、一つの周期内の、位相が式（３）で表される２つの異なる周期を有する周期性の位相パタン５３、５３’を重畳させた場合の、一方の周期性の位相パタン５３’の振幅ｋと光強度の関係を図１９Ｂに示す。図１８Ｂでは、重畳される２つの周期性の位相パタンのうちの一方の周期性の位相パタン５３’の振幅の符号が逆の位相で表しており、そのため図１９Ｂではｋの増加に伴い光強度が増加している。ただし、一方の周期性の位相パタン５３’の振幅はk=２πで固定している。同一のパタンを異なる周期で組み合わせることで、光パワーの微調整が可能であり、制御性が高まるといった優れた効果が現れる。この組み合わせだけではなく、その他の組み合わせにおいても同様の効果が期待できることは明らかである。

また、重畳される周期性の位相パタンの周期は、光結合する入出力ポートの組合せにより可変とすることにより、光結合する入出力ポート毎に高次光の発生位置を制御することが可能になり、ポート配置の制限を緩和すること、クロストークをさらに抑制することが可能となる。

［第１０の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第１０の実施の形態について説明する。

これまでは、位相変調素子の平面内に一様な周期性の位相パタンを重畳する場合について説明したが、位相設定する領域を複数に分割しても同様な出力光強度の制御が可能である。位相パタンは、第１の実施の形態から第８の実施の形態で説明した位相パタンのうちから選択した任意の位相パタンを用いることができる。特に、図２、４に示すような波長選択性を示す光入出力装置を用いる際は同一波長チャンネル内の光強度の平坦性が求められるため、例えば図２０のように位相設定領域Ｒｉを波長分散が生じる方向に対して複数領域Ｐｉ−１〜Ｐｉ−ｎに分割することで、同一波長チャンネル内の光強度を変化させることが出来、平坦性を増すことが可能となる。図２１（Ａ）、（Ｂ）は領域を分割せずに光強度を制御した場合と、位相設定領域を複数に分割し中心部分の領域に近づくほど光強度が減少するように位相を設定した場合の光スペクトルを示した図である。図から分かるように、領域を複数分割することで帯域を平坦化出来るという優れた効果が発現している。

［第１１の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第１１の実施の形態について、のこぎり波を重畳する場合を例にとって説明する。この実施の形態では、周期性の位相パタンの周期を、位相変調素子の構成画素のピクセルの実数倍の長さとなるように設定する。

図２２は周期ｗを３．５×画素サイズとしたときののこぎり波の位相パタンであり、図２３は周期性の位相パタンの周期ｗを画素サイズの整数倍である３×画素サイズとした場合の位相パタンである。図２２、２３において、点線は画素による離散化を考慮しない場合の位相パタンであり、実線は実際に設定される位相パタンである。

周期性の位相パタンが設定される場合、各画素内では位相値は一定となり、空間的に離散的な位相値となる。したがって、周期性の位相パタンの周期を位相変調素子の画素に、画素のサイズに依存することなく任意の値を設定すると、その周期がピクセルの整数倍でない場合は図２２に示すように、実際に設定される位相パタンは、のこぎり波の振幅が周期性を持っていることがわかる。この振幅の周期性（変調周波数）により所望と異なる位置に高次光が発生し、クロストークの要因となる。

本実施の形態では、重畳する周期性の位相パタンの周期ｗは位相変調素子の画素のサイズに応じたピクセルの整数倍の長さとなる任意の値を設定するので、図２３に示すように、周期性の位相パタンとして実際に設定されるのこぎり波の振幅を揃えることができ、クロストーク抑制が可能になる。

［第１２の実施の形態］
次に、位相変調素子を用いて光パワーを変化させるための本発明の第１２の実施の形態について、のこぎり波を重畳する場合を例にとって説明する。

この実施の形態では、信号光を光結合する入出力ポートにより周期性の位相パタンの周期の長さを決める。位相変調素子に印加する位相パタンを、前記のような出力ポートへの結合が得られる位相パタンに対して周期性の位相パタンを重畳することによって、出力光強度の制御を行なう。本発明においては、前記の周期性の位相パタンをポートへの出射角度によって可変とすることによって光パワー減衰時におけるクロストークの増大を抑制可能である。

ここで、光パワーが分配された結果、生じるピークの角度方向θｓは、次式（４）で表すことが出来る。
θｓｍ＝θｏ＋ｍ×ａｒｃｔａｎ（λ／ｗ）・・・式（４）
ｍは回折の次数であり、整数である。λは入力された信号光の波長、ｗは重畳する周期性の位相パタンの１周期の長さである。式（４）では、特にｍ＝１の場合のθｓをθｓ１と定義されている。また、Δθｓ＝θｓ１−θｏと定義されている。

ここで式（４）において、θｍａｘ、θｍｉｎをそれぞれ最も外側のポートで光結合する出射角度とすると、最も外側のポートで光結合する方向であるθｍａｘ、θｍｉｎの絶対値｜θｍａｘ｜、｜θｍｉｎ｜よりもθｓ１の絶対値｜θｓ１｜が小さい場合、ピークが入出力ポートを配置する範囲内に存在するため、所望のポート以外に光が結合し、クロストークが発生する。これを防ぐためには、｜θｓ｜が｜θｍａｘ｜、｜θｍｉｎ｜よりも大きくなるような周期を選択すればよい。

すなわち、ｗとθｏの間に
ｗ＜｜λ／ｔａｎ（θｍａｘ−θｏ）｜
かつ
ｗ＜｜λ／ｔａｎ（θｍｉｎ−θｏ）｜
の関係が成立する範囲でｗを可変とすればよい。

このように、光結合する入出力ポートにより周期性の位相パタンの周期の長さを決めることにより、周期性の位相パタンの周期を柔軟に決定することができる。例えば、入出力ポートごとに周期性の位相パタンの周期の長さを決めることができない場合は、１番外側に位置するポートに対しては、周期性の位相パタンの設定可能な周期が２ピクセル、３ピクセルなどの短い周期であるため、位相パタンの設定において高精度の制御が求められることとなる。しかしながら、本実施の形態のように入出力ポートごとに周期性の位相パタンの周期の長さを決めることができれば、より内側に位置する入出力ポートで光結合する信号光に与えるべき周期性の位相パタンはより長い周期に設定することができるので、位相パタンの設定において求められる制御の精度をより緩和することができる。

以上の実施の形態において説明したように本発明によれば、周期性の位相を重畳することで、その周期に対応した方向へ光パワーを分配することが出来る。これによって、他のポートへのクロストークを抑制しながら出力ポートから出力される信号光の光強度の制御を行うことができる。

以上詳細に説明したように本発明によれば、光通信に用いられるスイッチ等の光入出力装置において、信号間のクロストークなしに出力ポートから出力される信号光の光強度の制御を行うことができる。

１１、１６−１〜１６−ｎ、２１、２７−１〜２７−ｎ 光ファイバ
１２，１５−１〜１５−ｎ、２２、２６−１〜２−ｎ コリメータレンズ
１３，２３、２５ 光学素子
１４，２４ 位相変調素子
１７，２８，２９ 回折格子
４１−１１〜４１−ｐｑ 画素
４２ ドライバ素子
４３ 反射部位
５１ 出力ポートへの光結合を得るための位相パタンの例
５３、５４、５５、５６ 重畳する周期性の位相パタンの例
６１、６２ 出射光ピーク
Ｒ、Ｒ１−Ｒｎ 光照射領域
Ｐｉ−１〜Ｐｉｎ 同一波長チャンネル内で位相パタンを設定する領域を分割した例

Claims (8)

1. 信号光の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートと、
   平面内にマトリックス状に配列された複数の画素と、前記入力ポートまたは前記出力ポートのうちの所望のポート間で光結合するように各画素に設定する位相値の組み合わせである位相パタンを生成するパタン生成部と、前記位相パタンを各画素の駆動信号に変換する制御部と、前記駆動信号に従い前記画素を駆動する駆動部とを有し、前記位相パタンに対応した駆動信号を前記駆動部によって印加することにより各画素に入射する信号光の光位相を変化させる位相変調素子と、
   前記入力ポートから空間に出射された前記信号光が前記位相変調素子の前記平面内の各画素に照射するように前記信号光の出射方向を変換する光学素子とを備え、
   前記パタン生成部は、前記信号光が入射される前記位相変調素子の平面内の少なくとも一方向に所定の周期を有する周期性の位相パタンを重畳する重畳手段と前記周期性の位相パタンの振幅を制御する手段を有しており、
   前記入力ポートおよび前記出力ポート間で所望の光結合が得られる位相パタンに対して重畳した周期性の位相パタンの周期およびパタン形状に応じた位置に前記信号光を回折しその光強度を分散させ、
   前記重畳手段は、
   重畳する前記周期性の位相パタンの一周期の長さをｗ、前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｒ／ｗ＋ｂ）
   で表される第１の周期性の位相パタンと、
   重畳する前記周期性の位相パタンの一周期の長さをｗ、前記位相変調素子の平面内にｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂ，Ψを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｓｉｎ（２π・ｒ／ｗ＋Ψ）＋ｂ）
   で表される第２の周期性の位相パタンと、
   前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋ、ｋ’および任意の定数ｂ，ｂ’，ｓ，ｓ’、ｐを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｓｒ＋ｂ）（ｒ≦ｐ）、
   φ＝ｋ’×（ｓ’ｒ＋ｂ’）（ｒ＞ｐ）
   で表される第３の周期性の位相パタンと、
   前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂ、ｐ、ｑを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｂ （ｒ＜ｐ，ｒ＞ｑ），
   φ＝ｋ＋ｂ （ｐ≦ｒ≦ｑ）
   で表される第４の周期性の位相パタンとのうちから選択される少なくとも２つの周期性の位相パタンを重畳して光パワーを制御することを特徴とする光入出力装置。
2. 信号光の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートと、
   平面内にマトリックス状に配列された複数の画素と、前記入力ポートまたは前記出力ポートのうちの所望のポート間で光結合するように各画素に設定する位相値の組み合わせである位相パタンを生成するパタン生成部と、前記位相パタンを各画素の駆動信号に変換する制御部と、前記駆動信号に従い前記画素を駆動する駆動部とを有し、前記位相パタンに対応した駆動信号を前記駆動部によって印加することにより各画素に入射する信号光の光位相を変化させる位相変調素子と、
   前記入力ポートから空間に出射された前記信号光が前記位相変調素子の前記平面内の各画素に照射するように前記信号光の出射方向を変換する光学素子とを備え、
   前記パタン生成部は、前記信号光が入射される前記位相変調素子の平面内の少なくとも一方向に所定の周期を有する周期性の位相パタンを重畳する重畳手段と前記周期性の位相パタンの振幅を制御する手段を有しており、
   前記入力ポートおよび前記出力ポート間で所望の光結合が得られる位相パタンに対して重畳した周期性の位相パタンの周期およびパタン形状に応じた位置に前記信号光を回折しその光強度を分散させ、
   前記重畳手段は、
   重畳する前記周期性の位相パタンの一周期の長さをｗ、前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｒ／ｗ＋ｂ）
   で表される第１の周期性の位相パタンと、
   重畳する前記周期性の位相パタンの一周期の長さをｗ、前記位相変調素子の平面内にｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂ，Ψを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｓｉｎ（２π・ｒ／ｗ＋Ψ）＋ｂ）
   で表される第２の周期性の位相パタンと、
   前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋ、ｋ’および任意の定数ｂ，ｂ’，ｓ，ｓ’、ｐを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｋ×（ｓｒ＋ｂ）（ｒ≦ｐ）、
   φ＝ｋ’×（ｓ’ｒ＋ｂ’）（ｒ＞ｐ）
   で表される第３の周期性の位相パタンと、
   前記位相変調素子の平面内のｒ軸における周期内の位置をｒとすると、出力する光信号の光強度に応じて決定されるｋおよび任意の定数ｂ、ｐ、ｑを用いて、一周期中の位相φが
   φ＝ｂ （ｒ＜ｐ，ｒ＞ｑ），
   φ＝ｋ＋ｂ （ｐ≦ｒ≦ｑ）
   で表される第４の周期性の位相パタンとのうちから選択される少なくとも２つの周期性の位相パタンを異なる周期で２つ重畳して光パワーを制御することを特徴とする光入出力装置。
3. 前記出力ポートまたは前記入力ポートはＮ個のポートを有し、前記駆動部は、該複数の出力ポートまたは該複数の入力ポートの配列方向に対応する前記位相変調素子の平面内の軸をｙ軸とし、前記信号光のｙ軸に沿って位相φ（ｙ）を変化させて出射角度ごとにまたは入射角度ごとに各出力ポートに光結合し、
   前記周期性の位相パタンはｙ軸方向に一周期の長さがｗである周期性を持ち、
   前記入力ポートおよび前記出力ポート間を光結合時の出射する前記信号光である出射光と入射する前記信号光である入射光のなす角θをそれぞれθｉ(ｉ＝１〜Ｎ)とし、入力された信号光の波長をλとし、ｍをゼロ以外の整数とし、
   Δθｓ＝ａｒｃｔａｎ（λ／ｗ）
   としたとき、θｉ+ｍ×Δθｓの方向に出力ポートへの出射光の出射角度と入力ポートからの入射する信号光の入射角度のなす角を設定しないことを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。
4. 前記出力ポートまたは前記入力ポートは複数のポートを有し、前記駆動部は、該複数の出力ポートまたは該複数の入力ポートの配列方向に対応する前記位相変調素子の平面内の軸をｙ軸とし、前記信号光のｙ軸に沿って位相φ（ｙ）を変化させて各前記入力ポートおよび前記出力ポート間を光結合し、前記重畳手段は、前記入力ポートおよび前記出力ポート間を結合時の出射光と入射光のなす角θの最大値と最小値をそれぞれθｍａｘ，θｍｉｎ、入力された信号光の波長をλとしたときに、ｙ軸方向に周期性を持ち、かつそのパタンの一周期の長さｗが
   ｗ＜λ／ｔａｎ（θ_ｍａｘ−θ_ｍｉｎ）
   となる周期性の位相パタンを重畳することを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。
5. 前記出力ポートまたは前記入力ポートは複数のポートからなり、前記駆動部は、該複数の出力ポートまたは前記複数の入力ポートの配列方向に対応する前記位相変調素子の平面内の軸をｙ軸とし、前記信号光のｙ軸における位相φ（ｙ）を変化させて各前記入力ポートおよび前記出力ポート間を結合し、前記重畳手段は、ｙ軸以外の方向に周期性を持つ周期性の位相パタンを重畳することを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。
6. 前記重畳手段は、前記位相変調素子の平面内の信号光が入射される平面領域を２つ以上の領域に分割し、それぞれに異なる周期性の位相パタンを重畳することを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。
7. 前記周期性の位相パタンの一周期の長さｗが、前記画素の整数倍の長さに等しいことを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。
8. 前記周期性の位相パタンの一周期の長さｗが、前記光結合する前記入力ポートまたは前記出力ポートの位置に応じて異なることを特徴とする請求項１または２記載の光入出力装置。

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