JP5906300B1 - Spatial phase modulator - Google Patents
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Abstract
【課題】位相パターンの切り替え動作に伴う他ポートへのクロストークの発生を抑制することが可能な空間位相変調器を提供すること。【解決手段】本発明では、位相変調素子に形成される位相パターンを初期パターンから最終パターンに切り替える際、中間パターンを作成し、初期パターンから中間パターン、最終パターンへと所定の時間間隔で切り替える。位相変調素子の位相パターンを初期パターンから最終パターンに切り替る際、初期パターンから最終パターンへの変化の過程上のパターンに相当する中間パターンを生成し、初期パターンから中間パターン、最終パターンに切り替えることで、一度の位相パターン切り替えにおける位相制御値変化量および位相制御値変化速度を制御する。これにより、位相パターン切り替えに起因する位相パターンの意図しない歪みを抑制し、高次光によるクロストークを抑制することができる。【選択図】図７To provide a spatial phase modulator capable of suppressing occurrence of crosstalk to other ports due to a phase pattern switching operation. In the present invention, when a phase pattern formed on a phase modulation element is switched from an initial pattern to a final pattern, an intermediate pattern is created and switched from the initial pattern to the intermediate pattern and the final pattern at predetermined time intervals. When the phase pattern of the phase modulation element is switched from the initial pattern to the final pattern, an intermediate pattern corresponding to the pattern in the process of changing from the initial pattern to the final pattern is generated, and the initial pattern is switched to the intermediate pattern and the final pattern. Thus, the phase control value change amount and phase control value change speed in one phase pattern switching are controlled. As a result, unintended distortion of the phase pattern due to phase pattern switching can be suppressed, and crosstalk due to higher-order light can be suppressed. [Selection] Figure 7
Description
本発明は、位相変調素子を用いて出力光の方路および光強度を制御する空間位相変調器に関する。 The present invention relates to a spatial phase modulator that controls a path and light intensity of output light using a phase modulation element.
近年、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。光ファイバ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。 In recent years, with the increase in Internet traffic, the need for an increase in communication capacity in optical fiber communication is further increased. An optical switch is a technology that is attracting attention as a routing function device for optical fiber communication. Among optical switches, a spatial optical system optical switch that switches a light path in free space is superior to other systems from the viewpoint of high-density mounting and power consumption reduction, and technological development is progressing in recent years.
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配置された、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は、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群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、ビーム偏向素子群からなる波長選択スイッチ（ＷＳＳ）などがある。 The basic configuration of the spatial optical system optical switch will be described. In general, a spatial optical system optical switch is composed of several lenses and a light beam deflecting element arranged in a free space between an input fiber and an output fiber to change the traveling direction of the light beam. Typical optical switches include an input / output fiber array and a collimating lens array, an optical cross-connect switch (OXC) composed of two sets of light beam deflection elements, an input / output fiber array and a collimating lens array, a lens group, and a dispersion. There is a wavelength selective switch (WSS) composed of elements and beam deflection element groups.
このような空間光学系光スイッチは、空間上での配線自由度が高い一方でファイバ等による光の閉じ込めが出来ないため、目的の出力ポート外への意図しない光の漏れが課題となる。特に、複数の出力ポートを配置する構成の光スイッチにおいては、近接する出力ポートへの光の漏れがクロストークとして信号品質の劣化を招くため、極めて重要な技術開発項目となる。 Such a spatial optical system optical switch has a high degree of freedom in wiring in space, but cannot confine light by a fiber or the like, so that unintentional leakage of light outside the target output port becomes a problem. In particular, in an optical switch having a configuration in which a plurality of output ports are arranged, leakage of light to adjacent output ports causes signal quality degradation as crosstalk, which is an extremely important technical development item.
光スイッチが有する機能の１つとして、出力ポートの光強度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、出力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にその機能を付加する方法が考えられる。 One of the functions of the optical switch is an optical attenuation function that controls the optical intensity of the output port. As an optical attenuation function in the spatial optical system optical switch, there is a method of individually attaching an optical attenuator at the subsequent stage of each output port. However, as the number of output ports increases, cost and size increase. Therefore, a method of adding the function to the light beam deflecting element in the optical switch can be considered.
光ビーム偏向素子にアッテネーション機能を付加する場合、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。 When an attenuation function is added to the light beam deflecting element, the problem is how to suppress the above-described crosstalk. As the light beam deflecting element, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) or Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator (LCOS-SLM) is used.
アッテネーション機能を付加する手法としては、周期的に位相を折り返す方法及びその実現手段について、例えば非特許文献１、２に記載されている。光ビーム偏向素子に周期性の位相パターンを重畳することによって、その周期に応じた角度方向に光強度を分散することができる。分散する光のパワーは重畳する位相パターンの振幅を選択することで制御可能であり、これによって空間位相変調による光アッテネーションが可能である。 As a method for adding an attenuation function, for example, Non-Patent Documents 1 and 2 describe a method of periodically returning a phase and a means for realizing the method. By superimposing a periodic phase pattern on the light beam deflecting element, the light intensity can be dispersed in an angular direction corresponding to the period. The power of the dispersed light can be controlled by selecting the amplitude of the phase pattern to be superimposed, and thereby optical attenuation by spatial phase modulation is possible.
図２１（ａ）、（ｂ）に、従来のＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いた空間位相変調器の構成およびＬＣＯＳ−ＳＬＭの位相パターンの模式図を示す。 FIGS. 21A and 21B show a schematic diagram of a configuration of a spatial phase modulator using a conventional LCOS-SLM and a phase pattern of the LCOS-SLM.
図２１（ａ）に示すように、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１３の位相パターンが所望のパターンを形成しているとき、入力ポート１１１2から入射した入力光は、光学素子１１２を介してＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１３に入射し、ＬＣＯＳ−ＳＬＭ１１３で位相パターンに応じて偏向されながら反射され、光学素子１１２を介して出力ポート１１１3から出力される。 As shown in FIG. 21 (a), when the phase pattern of the LCOS-SLM113 form a desired pattern, the input light incident from the input port 111 2 is incident on the LCOS-SLM113 through the optical element 112 , it is reflected while being deflected in accordance with the phase pattern LCOS-SLM113, is output from the output port 111 3 via the optical element 112.
このように光ビーム偏向素子としてＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いる場合、偏向やアッテネーション動作のためには、駆動回路で各ピクセルの位相を制御してＬＣＯＳ−ＳＬＭの位相パターンを変更する必要がある。このとき、図２１（ｂ）に示すように、位相パターンの切り替え動作に伴い、意図しない位相パターンの歪みが生じ、その歪んだ位相パターンによって偏向された高次光が対象出力ポート外へのクロストークとなるという課題があった。 As described above, when the LCOS-SLM is used as the light beam deflecting element, it is necessary to change the phase pattern of the LCOS-SLM by controlling the phase of each pixel by a driving circuit in order to perform deflection and attenuation operations. At this time, as shown in FIG. 21 (b), unintended phase pattern distortion occurs due to the phase pattern switching operation, and the higher-order light deflected by the distorted phase pattern is crosstalk to the outside of the target output port. There was a problem of becoming.
この位相パターンの歪みによるクロストークは、位相変調素子であるＬＣＯＳ−ＳＬＭに印加する位相パターンの位相変化が大きい程顕著に現れ、特にアッテネーション動作を行うために短周期な位相パターンを重畳する場合に問題となる。またポート間のスイッチングを行う場合においても同様にクロストークの発生は課題となる。 The crosstalk due to the distortion of the phase pattern becomes more prominent as the phase change of the phase pattern applied to the LCOS-SLM, which is a phase modulation element, is larger, especially when a short-period phase pattern is superimposed to perform an attenuation operation. It becomes a problem. Similarly, the occurrence of crosstalk becomes a problem when switching between ports.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、位相パターンの切り替え動作に伴う他ポートへのクロストークの発生を抑制することが可能な空間位相変調器を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a spatial phase modulator capable of suppressing the occurrence of crosstalk to other ports accompanying a phase pattern switching operation. .
上記の課題を解決するために、本発明は、空間位相変調器であって、光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび１つ以上の出力ポートと、マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、前記各ピクセル位置に応じて位相制御値を与えることにより空間位相変調し、変調後の出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ出射する位相変調素子と、前記ピクセル位置毎の位相制御値からなる位相パターンを示す駆動信号を前記各ピクセルに印加することにより、前記空間位相変調による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路と、前記位相パターンを第１の位相パターンから第２の位相パターンに切り替えるとき、前記対象出力ポートでの光強度値が、前記第１の位相パターンにおける前記対象出力ポートでの光強度値と前記第２の位相パターンにおける前記対象出力ポートでの光強度値との間の値をとるＭ枚（Ｍは１以上の整数）の中間位相パターンを作成し、さらに、前記中間位相パターンは前記対象出力ポート以外の出力ポートに結合するクロストーク量を前記中間位相パターン間で比較した際に、クロストーク量が相対的に大きい領域では前後の位相パターンの前記対象出力ポートでの光強度値の差分が小さくなるように前記中間位相パターンを作成し、前記クロストーク量が相対的に小さい領域では前後の中間位相パターンの前記対象出力ポートでの光強度値の差分が大きくなるように前記中間位相パターンを作成し、前記第１の位相パターンから前記中間位相パターンを経由して前記第２の位相パターンに切り替えるよう前記駆動回路を制御する、制御回路とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a spatial phase modulator, in which one or more input ports for inputting / outputting optical signals and one or more output ports are arranged in a matrix in a plane. The incident light having a plurality of pixels and spatially phase-modulated by giving a phase control value according to each pixel position to the incident light input from the input port through the optical system element, and the emitted light after modulation By applying a drive signal indicating a phase pattern consisting of a phase control value for each pixel position and a phase modulation element that emits in the angular direction of the target output port specified among the output ports to the pixels, a drive circuit for controlling the emission angle and the light intensity of the outgoing light by the spatial phase modulation, when switching the phase pattern from the first phase pattern to the second phase pattern, before Light intensity values of the target output port takes a value between the light intensity value at the target output port in the optical intensity value and the second phase pattern at the target output port of the first phase pattern M intermediate phase patterns (M is an integer equal to or greater than 1) are created . Further, when the intermediate phase pattern compares the amount of crosstalk coupled to an output port other than the target output port between the intermediate phase patterns. In the region where the crosstalk amount is relatively large, the intermediate phase pattern is created so that the difference between the light intensity values at the target output ports of the front and rear phase patterns is small, and the crosstalk amount is relatively small in creating the intermediate phase pattern so that the difference in light intensity value at the target output port of the intermediate phase pattern before and after increase, or the first phase pattern The via an intermediate phase pattern for controlling said drive circuit to switch to the second phase pattern, characterized in that a control circuit.
請求項２に記載の発明は、空間位相変調器であって、光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび１つ以上の出力ポートと、マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、前記各ピクセル位置に応じて位相制御値を与えることにより空間位相変調し、変調後の出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ出射する位相変調素子と、前記ピクセル位置毎の位相制御値からなる位相パターンを示す駆動信号を前記各ピクセルに印加することにより、前記空間位相変調による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路と、前記位相パターンを第１の位相パターンから第２の位相パターンに切り替えるとき、前記第１および第２の位相パターンに基づきＭ枚（Ｍは１以上の整数）の中間位相パターンを作成する制御回路であって、前記第１の位相パターンから前記中間位相パターンを経由して前記第２の位相パターンに切り替えるよう前記駆動回路を制御する、制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１の位相パターンの第１の領域と前記第２の位相パターンの第２の領域とを交互に配置した前記中間位相パターンを作成することを特徴とすることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is a spatial phase modulator comprising one or more input ports and one or more output ports for inputting and outputting an optical signal, and a plurality of pixels arranged in a matrix in a plane. The incident light input from the input port via the optical system element is spatially phase-modulated by giving a phase control value according to each pixel position, and the output light after the modulation is output to the output port. By applying to each pixel a phase modulation element that emits in the angle direction of the designated target output port and a drive signal indicating a phase pattern consisting of a phase control value for each pixel position. A drive circuit that controls an emission angle and light intensity of the emitted light, and the first and second phase patterns when the phase pattern is switched from the first phase pattern to the second phase pattern. A control circuit for creating M (M is an integer equal to or greater than 1) intermediate phase patterns based on the phase pattern of the first phase pattern to the second phase pattern via the intermediate phase pattern A control circuit for controlling the drive circuit to switch , wherein the control circuit alternately arranges the first region of the first phase pattern and the second region of the second phase pattern. It is characterized in that an intermediate phase pattern is created.
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の空間位相変調器において、前記第１の領域と前記第２の領域との境界は、前記入力ポートおよび出力ポートの入出射光の配列方向に対して垂直であることを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, the spatial phase modulator according to claim 2, the boundary between the first region and the second region, the arrangement direction of the incoming and outgoing light of said input and output ports It is characterized by being perpendicular to it.
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の空間位相変調器において、前記第１の領域と前記第２の領域との境界は、前記入力ポートおよび出力ポートの入出射光の配列方向に対して平行であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the invention, the spatial phase modulator according to claim 2, the boundary between the first region and the second region, the arrangement direction of the incoming and outgoing light of said input and output ports It is characterized by being parallel to each other.
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の空間位相変調器において、前記中間位相パターンは、２以上の前記第１の領域と２以上の前記第２の領域とが交互に配置され、前記第１の領域と前記第２の領域との繰り返し周期が、前記入射光に対して前記出力ポートの角度方向以外の方向に出射するよう空間位相変調するよう設定されたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the spatial phase modulator according to the second aspect , the intermediate phase pattern includes two or more first regions and two or more second regions arranged alternately. The repetition period of the first region and the second region is set so as to perform spatial phase modulation so that the incident light is emitted in a direction other than the angular direction of the output port. .
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の空間位相変調器において、前記中間位相パターンの切り替え時間間隔は、前記中間位相パターンの切り替え時の前記対象出力ポート以外の出力ポートに結合するクロストーク量をそれぞれ比較した際に、前記クロストーク量が相対的に大きい時を長くし、前記クロストーク量が相対的に小さい時を短くすることを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the spatial phase modulator according to any one of claims 1 to 5 , wherein the switching time interval of the intermediate phase pattern is other than the target output port at the time of switching the intermediate phase pattern. When the crosstalk amounts coupled to the output ports are compared, the time when the crosstalk amount is relatively large is lengthened, and the time when the crosstalk amount is relatively small is shortened .
本発明は、空間位相変調器において、位相パターンの切り替え動作時に発生する他ポートへのクロストークを抑制する効果を奏する。 The present invention has an effect of suppressing crosstalk to other ports that occurs during a phase pattern switching operation in a spatial phase modulator.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［光入出力装置の基本構成］
本発明にかかる光入出力装置１０は、光ファイバ通信ネットワークで用いられる光入出力装置であり、位相変調素子を用いて、出力光の方路および光強度を制御する機能を有している。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Basic configuration of optical input / output device]
The optical input / output device 10 according to the present invention is an optical input / output device used in an optical fiber communication network, and has a function of controlling a path and light intensity of output light using a phase modulation element.
まず、本発明が適用される光入出力装置１０の基本的な構成について説明する。本発明が適用される光入出力装置１０には、位相変調素子の種別に応じて、次のような２種類の基本構成がある。 First, a basic configuration of the optical input / output device 10 to which the present invention is applied will be described. The optical input / output device 10 to which the present invention is applied has the following two basic configurations depending on the type of the phase modulation element.
［第１の基本構成］
まず、図１を参照して、本発明が適用される光入出力装置１０にかかる第１の基本構成について説明する。図１は、本発明が適用される光入出力装置にかかる第１の基本構成を示す説明図である。
[First basic configuration]
First, a first basic configuration of an optical input / output device 10 to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a first basic configuration of an optical input / output device to which the present invention is applied.
第１の基本構成の特徴は、位相変調素子として反射型を用いている点にある。図１には、ｘ軸方向から見た第１の基本構成が示されている。ただし、出力ポートが配列する方向をｙ軸、光信号が伝搬する方向をｚ軸とし、これらｘ，ｙ，ｚ軸は互いに直交しているものとする。 A feature of the first basic configuration is that a reflection type is used as the phase modulation element. FIG. 1 shows a first basic configuration viewed from the x-axis direction. However, the direction in which the output ports are arranged is the y-axis, the direction in which the optical signal propagates is the z-axis, and these x, y, and z axes are orthogonal to each other.
第１の基本構成において、光入出力装置１０内の自由空間には、主な光学系素子として、入力ポートを構成する光ファイバ１１、コリメートレンズ（アレイ）１２、１５1〜１５n、光学素子１３、位相変調素子１４、および、出力ポートを構成する光ファイバ１６1〜１６nが配置されている。また、位相変調素子１４の各ピクセルに駆動信号を印加する駆動回路ＤＲＶが設けられている。 In the first basic configuration, in the free space in the optical input / output device 10, as main optical system elements, an optical fiber 11 that constitutes an input port, collimating lenses (arrays) 12, 15 1 to 15 n , optical elements 13, a phase modulation element 14 and optical fibers 16 1 to 16 n constituting an output port are arranged. In addition, a drive circuit DRV that applies a drive signal to each pixel of the phase modulation element 14 is provided.
位相変調素子１４は、マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有する反射型位相変調素子からなり、入力ポートである光ファイバ１１からコリメートレンズ１２および光学素子１３などの光学系素子を介して入力された入射光に対して、ピクセル位置に応じて変化する位相制御値を各ピクセルで与えることにより空間位相変調し、得られた出射光を出力ポートである光ファイバ１６1〜１６nのうち、指定された対象出力ポートに対応する光ファイバの角度方向へ出射する機能を有している。 The phase modulation element 14 is composed of a reflection type phase modulation element having a plurality of pixels arranged in a plane in a matrix, and is input from an optical fiber 11 serving as an input port through optical system elements such as a collimator lens 12 and an optical element 13. with respect to the incident light, the spatial phase modulation by providing a phase control value that varies depending on the pixel position in each pixel, of the optical fiber 16 1 ~ 16 n is an output port of the outgoing light obtained, It has a function of emitting light in the angular direction of the optical fiber corresponding to the designated target output port.
また、駆動回路ＤＲＶは、ピクセル位置と位相制御値との関係を表す位相パターンを示す駆動信号を位相変調素子１４の各ピクセルに印加することにより、位相変調素子１４での空間位相変調による出射光の出射角および光強度を制御する機能を有している。この駆動回路ＤＲＶは、位相変調素子１４が形成された半導体チップの外部に配置してもよく、当該半導体チップ内に配置してもよい。 Further, the drive circuit DRV applies a drive signal indicating a phase pattern representing the relationship between the pixel position and the phase control value to each pixel of the phase modulation element 14, thereby emitting light by spatial phase modulation in the phase modulation element 14. Has a function of controlling the emission angle and light intensity. The drive circuit DRV may be disposed outside the semiconductor chip on which the phase modulation element 14 is formed, or may be disposed within the semiconductor chip.
入力光（信号光）は、光ファイバ１１を介して自由空間に出射され、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１２、１５1〜１５n、光ファイバ１１、１６1〜１６nへ与えられる。光信号は、位相変調素子１４へ与えられた位相パターンによって出力ポート及び出力光強度が選択される。 The input light (signal light) is emitted to free space through the optical fiber 11 and given to the optical element 13 through the collimator lens 12. The light emitted from the optical element 13 is reflected by the phase modulation element 14 and is again provided to the collimating lenses 12, 15 1 to 15 n and the optical fibers 11, 16 1 to 16 n via the optical element 13. The output port and output light intensity of the optical signal are selected according to the phase pattern given to the phase modulation element 14.
これにより、位相変調素子１４によって反射された光信号が、第１〜第ｎチャンネル（光学素子１３とコリメートレンズ１２、１５1〜１５nと、光ファイバ１１、１６1〜１６nとで構成される各経路）のうちの任意の出力ポートへ、任意の強度で出力される。 Thereby, the optical signal reflected by the phase modulation element 14 is composed of the first to n- th channels (the optical element 13, the collimating lenses 12, 15 1 to 15 n, and the optical fibers 11, 16 1 to 16 n. Are output at an arbitrary intensity to an arbitrary output port.
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、回折格子を用いることができる。 As the optical element 13, means for changing the emission direction of the signal light so that the input light is emitted toward the phase modulation element 14 can be used. For example, a lens, a prism, or a diffraction grating can be used. .
図２は、第１の基本構成にかかる他の構成例を示す説明図である。光入出力装置１０に入力する信号光は、例えば波長λｐ〜λｑまでを束ねるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）光でもよい。この場合、図２に示すように、コリメートレンズ１２、１５1〜１５n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が異なるようにし、波長ごとに異なる出力ポートや光強度を選択可能としてもよい。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing another configuration example according to the first basic configuration. The signal light input to the optical input / output device 10 may be, for example, WDM (Wavelength Division Multiplexing) light that bundles wavelengths λp to λq. In this case, as shown in FIG. 2, a wavelength dispersion element 17 is arranged between the collimating lenses 12, 15 1 to 15 n and the optical element 13 so that the condensing position is different for each wavelength, and the output is different for each wavelength. The port and light intensity may be selectable.
波長分散素子１７はｘ軸方向に沿って回折性能を有しており、入力光の波長に応じて、位相変調素子１４のうちｘ軸方向に異なる位置に光を照射する。なお、波長分散素子１７は、光学素子１３と位相変調素子１４の間や、光学素子１３が複数の光学素子から構成されている場合、複数の光学素子１３の中間に配置してもよい。また、位相変調素子１７は、偏向機能だけでなくレンズ機能を有する位相パターンを重畳してもよい。 The wavelength dispersion element 17 has diffraction performance along the x-axis direction, and irradiates light to different positions in the x-axis direction of the phase modulation element 14 according to the wavelength of the input light. The wavelength dispersion element 17 may be arranged between the optical element 13 and the phase modulation element 14 or in the middle of the plurality of optical elements 13 when the optical element 13 is composed of a plurality of optical elements. Further, the phase modulation element 17 may superimpose a phase pattern having not only a deflection function but also a lens function.
［第２の基本構成］
次に、図３を参照して、本発明が適用される光入出力装置２０にかかる第２の基本構成について説明する。図３は、本発明が適用される光入出力装置にかかる第２の基本構成を示す説明図である。
[Second basic configuration]
Next, a second basic configuration of the optical input / output device 20 to which the present invention is applied will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a second basic configuration of an optical input / output device to which the present invention is applied.
第２の基本構成の特徴は、位相変調素子として透過型を用いている点にある。図３には、ｘ軸方向から見た第２の基本構成が示されている。ただし、出力ポートが配列する方向をｙ軸、光信号が伝搬する方向をｚ軸とし、これらｘ，ｙ，ｚ軸は互いに直交しているものとする。 A feature of the second basic configuration is that a transmission type is used as the phase modulation element. FIG. 3 shows a second basic configuration viewed from the x-axis direction. However, the direction in which the output ports are arranged is the y-axis, the direction in which the optical signal propagates is the z-axis, and these x, y, and z axes are orthogonal to each other.
第２の基本構成において、光入出力装置２０内の自由空間には、主な光学系素子として、入力ポートを構成する光ファイバ２１、コリメートレンズ（アレイ）２２、第１の光学素子２３、位相変調素子２４、第２の光学素子２５、コリメートレンズ（アレイ）２６1〜２６n、および、出力ポートを構成する光ファイバ２７1〜２７nが配置されている。また、位相変調素子２４の各ピクセルに駆動信号を印加する駆動回路ＤＲＶが設けられている。 In the second basic configuration, an optical fiber 21, a collimating lens (array) 22, a first optical element 23, and a phase that constitute an input port are provided in the free space in the optical input / output device 20 as main optical system elements. A modulation element 24, a second optical element 25, collimating lenses (arrays) 26 1 to 26 n , and optical fibers 27 1 to 27 n constituting an output port are arranged. In addition, a drive circuit DRV that applies a drive signal to each pixel of the phase modulation element 24 is provided.
位相変調素子２４は、マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有する透過型位相変調素子からなり、入力ポートである光ファイバ２１からコリメートレンズ２２および第１の光学素子２３などの光学系素子を介して入力された入射光に対して、ピクセル位置に応じて位相制御値を各ピクセルで与えることにより空間位相変調し、得られた出射光を出力ポートである光ファイバ２７1〜２７nのうち、指定された対象出力ポートに対応する光ファイバの角度方向へ出射する機能を有している。 The phase modulation element 24 is composed of a transmission type phase modulation element having a plurality of pixels arranged in a plane in a matrix, and includes optical elements such as the collimating lens 22 and the first optical element 23 from the optical fiber 21 serving as an input port. The incident light input through the optical fiber is subjected to spatial phase modulation by giving a phase control value to each pixel according to the pixel position, and the obtained outgoing light is output from optical fibers 27 1 to 27 n serving as output ports. , Has a function of emitting in the angular direction of the optical fiber corresponding to the designated target output port.
また、駆動回路ＤＲＶは、ピクセル位置と位相制御値との関係を表す位相パターンを示す駆動信号を位相変調素子２４の各ピクセルに印加することにより、位相変調素子２４での空間位相変調による出射光の出射角および光強度を制御する機能を有している。この駆動回路ＤＲＶは、位相変調素子２４が形成された半導体チップの外部に配置してもよく、当該半導体チップ内に配置してもよい。 In addition, the drive circuit DRV applies a drive signal indicating a phase pattern representing the relationship between the pixel position and the phase control value to each pixel of the phase modulation element 24, thereby emitting light by spatial phase modulation in the phase modulation element 24. Has a function of controlling the emission angle and light intensity. The drive circuit DRV may be arranged outside the semiconductor chip on which the phase modulation element 24 is formed, or may be arranged in the semiconductor chip.
入力光（信号光）は、光ファイバ２１を介して自由空間に出射され、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２６1〜２６n、光ファイバ２７1〜２７nへ与えられる。 Input light (signal light) is emitted into free space through the optical fiber 21 and is incident on the first optical element 23 through the collimator lens 22. Light emitted from the first optical element 23 is given to the collimating lenses 26 1 to 26 n and the optical fibers 27 1 to 27 n via the phase modulation element 24 and the second optical element 25.
この際、光信号は、位相変調素子２４へ与えられた位相パターンによって出力ポート及び光強度が選択されることにより、例えば第１〜第ｎチャンネル（コリメートレンズ２６1〜２６nと、光ファイバ２７1〜２７nとで構成される各経路）のうちの任意の出力ポートへ、任意の強度で出力される。 At this time, the optical signal is selected from the output port and the light intensity according to the phase pattern applied to the phase modulation element 24, for example, the first to n-th channels (collimating lenses 26 1 to 26 n and the optical fiber 27. 1 to 27 n, and output to an arbitrary output port in an arbitrary output port.
図４は、第２の基本構成にかかる他の構成例を示す説明図である。入力する信号光は、例えば波長λｐ〜λｑまでを束ねるＷＤＭ光でもよい。この場合、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２６1〜２６n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強度を選択可能としてもよい。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing another configuration example according to the second basic configuration. The input signal light may be, for example, WDM light that bundles wavelengths λp to λq. In this case, as shown in FIG. 4, the wavelength dispersion element 28 is disposed between the collimating lens 22 and the optical element 23, and the wavelength dispersion element 29 is disposed between the collimating lenses 26 1 to 26 n and the optical element 25. Thus, the condensing position may be different for each wavelength, and a different output port and light intensity may be selectable for each wavelength.
波長分散素子２８はｘ軸方向に沿って回折性能を有しており、入力光の波長に応じて、位相変調素子２４のうちｘ軸方向に異なる位置に光を照射する。なお、波長分散素子２８は、光学素子２３と位相変調素子２４の間や、光学素子２３が複数の光学素子から構成されている場合、複数の光学素子２３の中間に配置してもよい。また、波長分散素子２９は、位相変調素子２４と光学素子２５の間や、光学素子２５が複数の光学素子から構成されている場合、複数の光学素子２５の中間に配置してもよい。また、位相変調素子２４は、偏向機能だけでなくレンズ機能を有していてもよい。 The wavelength dispersion element 28 has diffraction performance along the x-axis direction, and irradiates light to different positions in the x-axis direction of the phase modulation element 24 according to the wavelength of the input light. The wavelength dispersion element 28 may be disposed between the optical element 23 and the phase modulation element 24 or in the middle of the plurality of optical elements 23 when the optical element 23 is composed of a plurality of optical elements. Further, the wavelength dispersion element 29 may be disposed between the phase modulation element 24 and the optical element 25 or in the middle of the plurality of optical elements 25 when the optical element 25 is composed of a plurality of optical elements. The phase modulation element 24 may have a lens function as well as a deflection function.
［その他の基本構成］
本発明の光入出力装置１０にかかる前述した第１および第２の基本構成については、前述した構成に限定されるものではない。例えば、第１および第２の基本構成において、光ファイバ１１、２１、１６1〜１６n、２７1〜２７nは、平面光導波路に置き換えてもよい。また、平面光導波路がコリメートレンズ１２、１５1〜１５n、２２、２６1〜２６nの機能を集積化していても構わない。また、位相変調素子１４，２４は、偏向機能だけでなく、例えばレンズ機能を有する位相パターンをさらに重畳させてもいてもよい。また、結果として最終的に印加される位相変調素子の位相制御値はピクセル位置に対して周期的に変化していなくてもよい。
また、入力ポートが一つ、出力ポートが複数となる構成例を示したが、入力ポートが複数、出力ポートが一つ、あるいは複数となる構成でも良い。その場合も位相変調素子２４へ与えられた位相パターンによって任意の入力ポートからの入射光は任意の出力ポートに任意の強度で出力される。
[Other basic configurations]
The first and second basic configurations of the optical input / output device 10 of the present invention are not limited to the configurations described above. For example, in the first and second basic configurations, the optical fibers 11, 21, 16 1 to 16 n and 27 1 to 27 n may be replaced with planar optical waveguides. Further, the planar optical waveguide may integrate the functions of the collimating lenses 12, 15 1 to 15 n , 22, 26 1 to 26 n . Further, the phase modulation elements 14 and 24 may further superimpose a phase pattern having not only a deflection function but also a lens function, for example. As a result, the phase control value of the finally applied phase modulation element may not periodically change with respect to the pixel position.
In addition, the configuration example in which there is one input port and a plurality of output ports is shown, but a configuration in which there are a plurality of input ports and one or a plurality of output ports may be used. Also in this case, incident light from an arbitrary input port is output to an arbitrary output port with an arbitrary intensity by the phase pattern applied to the phase modulation element 24.
［位相変調器の構成］
次に、図５および図６を参照して、本発明の光入出力装置１０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５は、位相変調素子の構成例（単波長）を示す説明図である。図６は、位相変調素子の構成例（ＷＤＭ）を示す説明図である。これら図５および図６では、位相変調素子ｚ軸方向から見た場合の構成が示されている。
[Configuration of phase modulator]
Next, the phase modulation elements 14 and 24 used in the optical input / output device 10 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example (single wavelength) of the phase modulation element. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration example (WDM) of the phase modulation element. 5 and 6 show the configuration when viewed from the z-axis direction of the phase modulation element.
反射型の位相変調素子１４は、ｘｙ平面上にマトリクス状に配列された多数のピクセル４１11〜４１pqと、裏面に配置された反射部４２とを具備する。これらピクセル４１11〜４１pqは、駆動回路ＤＲＶからの駆動信号に応じて、ピクセル位置に応じて位相制御値を各ピクセルで与えることにより空間位相変調する機能を有している。なお、透過型の位相変調素子２４は、図５，図６に示した裏面の反射部４２が設けられていない構成を備えており、基本的には、反射型の位相変調素子１４と同様に動作する。 The reflection type phase modulation element 14 includes a large number of pixels 41 11 to 41 pq arranged in a matrix on the xy plane, and a reflection section 42 arranged on the back surface. These pixels 41 11 to 41 pq have a function of performing spatial phase modulation by giving a phase control value to each pixel according to the pixel position in accordance with a drive signal from the drive circuit DRV. The transmission-type phase modulation element 24 has a configuration in which the reflection part 42 on the back surface shown in FIGS. 5 and 6 is not provided, and is basically the same as the reflection-type phase modulation element 14. Operate.
本発明の光入出力装置１０、２０において、単波長からなる入力光を位相変調素子１４、２４に照射する場合、光照射領域は、図５に示すように、１つの領域Ｒ内となる。これにより、領域Ｒ内の各ピクセルに対して、駆動回路ＤＲＶから特定の位相パターンを与えることによって、これら素子からの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強度の制御を行うことができる。 In the optical input / output devices 10 and 20 of the present invention, when the phase modulation elements 14 and 24 are irradiated with input light having a single wavelength, the light irradiation region is within one region R as shown in FIG. Thus, by giving a specific phase pattern from the drive circuit DRV to each pixel in the region R, the wavefront of the emitted light from these elements is controlled, and the traveling direction of the emitted light and the light intensity in that direction are controlled. Control can be performed.
一方、入射光をＷＤＭ信号とし、第１の光学素子２３の回折格子、あるいは波長分散素子１７、２８でｘ軸方向に分散させる場合、その入射領域は、図６に示すように波長チャンネルごとに異なり、複数の領域Ｒ1〜Ｒnのようになる。この場合、駆動回路ＤＲＶにより、領域Ｒ1〜Ｒnの位相パター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および出力光強度を設定可能である。 On the other hand, when the incident light is converted into a WDM signal and dispersed in the x-axis direction by the diffraction grating of the first optical element 23 or the wavelength dispersion elements 17 and 28, the incident area is as shown in FIG. Differently, a plurality of regions R 1 to R n are obtained. In this case, different output ports and output light intensities can be set for each wavelength channel by independently controlling the phase patterns of the regions R 1 to R n by the drive circuit DRV.
位相変調素子１４、２４は、例えばＬＣＯＳを用いて実現可能である。本素子では、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、これによって入力信号が感じる液晶の屈折率を変化させ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。 The phase modulation elements 14 and 24 can be realized using LCOS, for example. In this element, the orientation direction of the liquid crystal material can be controlled by a voltage applied to the driver electrode, and thus the phase can be controlled by changing the refractive index of the liquid crystal felt by the input signal. A reflective phase modulator can be realized by using the front electrode as a transparent electrode and the back electrode as a reflective electrode. Further, by using both the front and back electrodes as transparent electrodes, a transmissive phase modulator can be realized. A material exhibiting an electro-optic effect may be used instead of the liquid crystal material.
また、位相変調素子１４、２４は、ＭＥＭＳ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、各ピクセル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ピクセル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。 The phase modulation elements 14 and 24 can also be realized using a MEMS mirror. For example, by applying a voltage, a mirror corresponding to the position of each pixel is displaced in the z-axis direction, thereby changing the optical path length for each pixel and controlling the phase.
図７に、本願発明の一実施形態に係る空間位相変調器における位相変調素子の制御方法を説明する図を示す。 FIG. 7 is a diagram illustrating a method for controlling a phase modulation element in a spatial phase modulator according to an embodiment of the present invention.
本発明では、位相変調素子に形成される位相パターンを初期パターンから最終パターンに切り替える際、中間パターンを作成し、初期パターンから中間パターン、最終パターンへと所定の時間間隔で切り替える。一度の切り替えにおける位相パターンの変化量を低減することにより、意図しない位相パターンの歪みを防ぎ、不要な高次光を抑制してクロストークを防ぐことができる。 In the present invention, when the phase pattern formed on the phase modulation element is switched from the initial pattern to the final pattern, an intermediate pattern is created and switched from the initial pattern to the intermediate pattern and the final pattern at predetermined time intervals. By reducing the amount of change of the phase pattern in one switching, it is possible to prevent unintended phase pattern distortion, suppress unnecessary high-order light, and prevent crosstalk.
中間パターンは、駆動回路ＤＲＶに接続された制御回路により、初期パターンおよび最終パターンに基づき作成する。 The intermediate pattern is created based on the initial pattern and the final pattern by a control circuit connected to the drive circuit DRV.
［実施形態１］
図８、９を参照しながら、本発明の実施形態１に係る光位相変調器におけるポート内での光強度制御に用いる位相変調素子の制御方法について説明する。
[Embodiment 1]
With reference to FIGS. 8 and 9, a method of controlling the phase modulation element used for controlling the light intensity in the port in the optical phase modulator according to the first embodiment of the present invention will be described.
図８に、位相変調素子の位相パターンの初期パターンと最終パターンを示す。先ず、初期パターンと最終パターンから中間パターンを以下のように作成する。 FIG. 8 shows an initial pattern and a final pattern of the phase pattern of the phase modulation element. First, an intermediate pattern is created from the initial pattern and the final pattern as follows.
（１）初期パターンＡと最終パターンＢとのピクセル毎の位相制御値の差分ＤCを算出する。
（２）中間パターンＣの枚数Ｍを決める。
（３）算出したピクセル毎の位相制御値の差分ＤCをＭ＋１で割った、位相制御値変化量ＤC／（Ｍ＋１）を算出する。
（４）初期パターンＡに、位相制御値変化量ＤC／（Ｍ＋１）をピクセル毎に加算したものを中間パターンＣ(1)とする。中間パターンＣ(i)（ｉ＝２、・・・、Ｍ）は、１つ前の中間パターンＣ(i-1)に位相制御値変化量ＤC／（Ｍ＋１）をピクセル毎に加算したものとする。
(1) to calculate the difference D C of the phase control value for each pixel in the initial pattern A and the final pattern B.
(2) The number M of intermediate patterns C is determined.
(3) A phase control value change amount D C / (M + 1) is calculated by dividing the calculated phase control value difference D C for each pixel by M + 1.
(4) An intermediate pattern C (1) is obtained by adding the phase control value change amount D C / (M + 1) for each pixel to the initial pattern A. The intermediate pattern C (i) (i = 2,..., M) is obtained by adding the phase control value change amount D C / (M + 1) for each pixel to the previous intermediate pattern C (i−1). And
次に、駆動回路ＤＲＶにより、位相変調素子の位相パターンを、初期パターンＡから中間パターンＣ(1)〜Ｃ(M)を経由して最終パターンＢに所定の時間間隔で切り替える。 Next, the phase pattern of the phase modulation element is switched from the initial pattern A to the final pattern B via the intermediate patterns C (1) to C (M) by the drive circuit DRV at predetermined time intervals.
図９（ａ）、（ｂ）に、作成される中間パターンの位相制御値変化量の推移を示す。図９（ａ）は、ある特定のピクセルの、初期パターンおよび最終パターンの位相制御値と、位相制御値の差分ＤCを中間パターンの枚数で均等に割った場合の中間パターンの位相制御値とを示している。 9A and 9B show the transition of the phase control value change amount of the created intermediate pattern. 9 (a) is of a particular pixel, the phase control value of the initial pattern and the final pattern, the phase control value of the intermediate pattern in the case of dividing the difference D C of the phase control value to evenly number of intermediate pattern Is shown.
一方、図９（ｂ）は、ある特定のピクセルの、初期パターンおよび最終パターンの位相制御値と、位相制御値がＸ〜Ｙの範囲において、中間パターンの枚数を他の範囲よりも多くした場合の中間パターンの位相制御値とを示す。位相パターンに歪みが生じやすい範囲がある場合、例えば、ＬＣＯＳの液晶の反応が遅い範囲がある場合や、静的な状態でも他ポートへのクロストークが大きい位相パターンが存在する場合などでは、特定の範囲の中間パターン間の位相制御値変化量を小さくし、その範囲の中間パターンの枚数を他の範囲よりも多くすることもできる。 On the other hand, FIG. 9B shows the case where the number of intermediate patterns is larger than the other ranges in the phase control values of the initial pattern and the final pattern and the phase control values in the range of X to Y of a specific pixel. And the phase control value of the intermediate pattern. Specified when there is a range where the phase pattern is likely to be distorted, for example, when there is a range where the LCOS liquid crystal response is slow, or when there is a phase pattern with large crosstalk to other ports even in a static state The amount of change in the phase control value between the intermediate patterns in the range can be reduced, and the number of intermediate patterns in the range can be made larger than in other ranges.
また、図１０に、本発明の一実施形態に係る光位相変調器における位相パターンの切り替えの時間間隔の例を示す。初期パターンから中間パターン、最終パターンへの切り替えの時間間隔は、全て等しく設定することもできるが、図１０に示すように個別に異なる時間間隔を設定することもできる。クロストークが出にくいパターン変化の領域では時間間隔を短くして素早く切り替え、クロストークが出やすいパターン変化の領域では時間間隔を長くしてゆっくり切り替えることができる。 FIG. 10 shows an example of a time interval for switching the phase pattern in the optical phase modulator according to the embodiment of the present invention. The time intervals for switching from the initial pattern to the intermediate pattern and the final pattern can all be set equal, but different time intervals can also be set individually as shown in FIG. In a pattern change region where crosstalk is difficult to occur, the time interval can be shortened and switched quickly, and in a pattern change region where crosstalk is likely to occur, the time interval can be increased and switched slowly.
このように、本願発明では、位相変調素子の位相パターンを初期パターンから最終パターンに切り替る際、初期パターンから最終パターンへの変化の過程上のパターンに相当する中間パターンを生成し、初期パターンから中間パターン、最終パターンに切り替えることで、一度の位相パターン切り替えにおける位相制御値変化量および位相制御値変化速度を制御する。これにより、位相パターン切り替えに起因する位相パターンの意図しない歪みを抑制し、高次光によるクロストークを抑制することができる。 Thus, in the present invention, when the phase pattern of the phase modulation element is switched from the initial pattern to the final pattern, an intermediate pattern corresponding to a pattern in the process of changing from the initial pattern to the final pattern is generated, By switching between the intermediate pattern and the final pattern, the phase control value change amount and the phase control value change speed in one phase pattern change are controlled. As a result, unintended distortion of the phase pattern due to phase pattern switching can be suppressed, and crosstalk due to higher-order light can be suppressed.
実施形態１は、ピクセル毎にパターン間の位相制御値変化量を最小にすることができるため、少ない中間パターンで最終パターンに移行できる。 In the first embodiment, since the amount of change in phase control value between patterns can be minimized for each pixel, the final pattern can be transferred with a small number of intermediate patterns.
［実施形態２］
図１１〜１３を参照しながら、本発明の実施形態２に係る光位相変調器におけるポート内での光強度制御に用いる位相変調素子の制御方法について説明する。
[Embodiment 2]
With reference to FIGS. 11 to 13, a method of controlling the phase modulation element used for controlling the light intensity in the port in the optical phase modulator according to the second embodiment of the present invention will be described.
図１１に、対象出力ポートにおける光強度とその各光強度を実現する位相パターンを示す。先ず、初期パターンと最終パターンから中間パターンを以下のように作成する。 FIG. 11 shows the light intensity at the target output port and the phase pattern that realizes each light intensity. First, an intermediate pattern is created from the initial pattern and the final pattern as follows.
（１）初期パターンＡにおける対象出力ポートでの光強度値と最終パターンＢにおける対象出力ポートでの光強度値との差分ＤPを算出する。
（２）中間パターンＣの枚数Ｍを決める。
（３）算出したピクセル毎の光強度値の差分ＤPをＭ＋１で割った、光強度値変化量ＤP／（Ｍ＋１）を算出する。
（４）初期パターンＡにおける対象出力ポートでの光強度値に、光強度値変化量ＤP／（Ｍ＋１）を加算した光強度値を対象出力ポートにおいて実現する、初期パターンに所定のパターンを重畳したものを中間パターンＣ(1)とする。重畳するパターンは、例えば鋸波や三角波、矩形波、正弦波のパターンであり、ポートの配置と光強度値に基づき、初期パターンに対して周期や振幅が適当に設定される。
中間パターンＣ(i)（ｉ＝２、・・・、Ｍ）は、１つ前の中間パターンＣ(i-1)における対象出力ポートでの光強度値に、光強度値変化量ＤP／（Ｍ＋１）を加算した光強度値を対象出力ポートにおいて実現するものとする。
(1) to calculate the difference D P between the light intensity value of the target output port in the optical intensity value and the final pattern B of the target output port in the initial pattern A.
(2) The number M of intermediate patterns C is determined.
(3) A light intensity value change amount D P / (M + 1) is calculated by dividing the calculated light intensity value difference D P for each pixel by M + 1.
(4) A light intensity value obtained by adding the light intensity value change amount D P / (M + 1) to the light intensity value at the target output port in the initial pattern A is realized at the target output port, and a predetermined pattern is superimposed on the initial pattern This pattern is defined as an intermediate pattern C (1) . The superposed pattern is, for example, a sawtooth wave, a triangular wave, a rectangular wave, or a sine wave pattern, and the period and amplitude are appropriately set with respect to the initial pattern based on the port arrangement and the light intensity value.
The intermediate pattern C (i) (i = 2,..., M) has a light intensity value change amount D P / into the light intensity value at the target output port in the previous intermediate pattern C (i−1) . It is assumed that the light intensity value obtained by adding (M + 1) is realized at the target output port.
中間パターンＣ(1)〜Ｃ(M)は、上記条件に加えて、対象出力ポート以外の他の出力ポートの光強度値変化量が最小になるパターンとしても良い。 In addition to the above conditions, the intermediate patterns C (1) to C (M) may be patterns that minimize the amount of change in the light intensity value of other output ports other than the target output port.
次に、駆動回路ＤＲＶにより、位相変調素子の位相パターンを、初期パターンＡから中間パターンＣ(1)〜Ｃ(M)を経由して最終パターンＢに所定の時間間隔で切り替える。 Next, the phase pattern of the phase modulation element is switched from the initial pattern A to the final pattern B via the intermediate patterns C (1) to C (M) by the drive circuit DRV at predetermined time intervals.
中間パターンは、光強度値の差分ＤPを中間パターンの枚数Ｍで均等に割った光強度値変化量ＤP／（Ｍ＋１）に基づき作成しても良い。 The intermediate pattern may be created based on the light intensity value change amount D P / (M + 1) obtained by equally dividing the light intensity value difference D P by the number M of the intermediate patterns.
一方、図１２は、初期パターンおよび最終パターンにおける対象出力ポートでの光強度値と、光強度値がＸ〜Ｙの範囲において、中間パターンの枚数を他の範囲よりも多くした場合の中間パターンにおける対象出力ポートでの光強度値を示す。光強度値がＸ〜Ｙの範囲において、中間パターンの枚数を他の範囲よりも多くした場合の中間パターンを示す。位相パターンに歪みが生じやすい範囲がある場合、例えば、ＬＣＯＳの液晶の反応が遅い範囲がある場合や、静的な状態でも他ポートへのクロストークが大きい位相パターンが存在する場合などでは、特定の範囲の中間パターン間の光強度値変化量を小さくし、その範囲内の中間パターンの枚数を多くすることもできる。 On the other hand, FIG. 12 shows the light intensity value at the target output port in the initial pattern and the final pattern, and the intermediate pattern when the number of intermediate patterns is larger than the other ranges in the light intensity values in the range of X to Y. Indicates the light intensity value at the target output port. In the range of light intensity values X to Y, an intermediate pattern is shown when the number of intermediate patterns is larger than in other ranges. Specified when there is a range where the phase pattern is likely to be distorted, for example, when there is a range where the LCOS liquid crystal response is slow, or when there is a phase pattern with large crosstalk to other ports even in a static state It is also possible to reduce the amount of change in the light intensity value between the intermediate patterns in this range and increase the number of intermediate patterns in that range.
また、実施形態１と同様に、初期パターンから中間パターン、最終パターンへの切り替えの時間間隔は、全て等しく設定することもできるが、図１０に示すように個別に異なる時間間隔を設定することもできる。クロストークが出にくいパターン変化の領域では時間間隔を短くして素早く切り替え、クロストークが出やすいパターン変化の領域では時間間隔を長くしてゆっくり切り替えることができる。 As in the first embodiment, the time intervals for switching from the initial pattern to the intermediate pattern and the final pattern can all be set equal, but different time intervals can be set individually as shown in FIG. it can. In a pattern change region where crosstalk is difficult to occur, the time interval can be shortened and switched quickly, and in a pattern change region where crosstalk is likely to occur, the time interval can be increased and switched slowly.
このように、本願発明では、位相変調素子の位相パターンを初期パターンから最終パターンに切り替る際、初期パターンから最終パターンへの変化の過程上のパターンに相当する中間パターンを生成し、初期パターンから中間パターン、最終パターンに切り替えることで、一度の位相パターン切り替えにおける光強度変化量および光強度値変化速度を制御する。これにより、位相パターン切り替えに起因する位相パターンの意図しない歪みを抑制し、高次光によるクロストークを抑制することができる。 Thus, in the present invention, when the phase pattern of the phase modulation element is switched from the initial pattern to the final pattern, an intermediate pattern corresponding to a pattern in the process of changing from the initial pattern to the final pattern is generated, By switching to the intermediate pattern and the final pattern, the light intensity change amount and the light intensity value change speed in one phase pattern change are controlled. As a result, unintended distortion of the phase pattern due to phase pattern switching can be suppressed, and crosstalk due to higher-order light can be suppressed.
図１３（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態２に係る光位相変調器において、位相変調素子の位相パターンを切り替えることで１つのポート（Ｃｈ１６）の光強度（結合率）を−１０ｄＢ以上から−３０ｄＢ以下に下げる実験を行ったときの、全ポート（Ｃｈ１〜Ｃｈ１６）の光強度（結合率）の推移を示す。 FIGS. 13A and 13B show the light intensity (coupling rate) of one port (Ch16) by switching the phase pattern of the phase modulation element in the optical phase modulator according to the second embodiment of the present invention. The transition of the light intensity (coupling rate) of all ports (Ch1 to Ch16) when an experiment for reducing from 10 dB or more to −30 dB or less is shown.
図１３（ａ）は中間パターンが１１枚であるのに対し、図１３（ｂ）は中間パターンが１０１枚である。図１３（ａ）では、他ポートへの結合率の最大値が−２４．５ｄＢであったのに対し、図１３（ｂ）では、他ポートへの結合率の最大値が−３０．３ｄＢであった。中間パターンの枚数を増やし、一度の切り替えにおける光強度値変化量を小さくし、かつ光強度値変化速度を遅くしたことで、他ポートへのクロストークを抑制することができた。 FIG. 13A shows 11 intermediate patterns, while FIG. 13B shows 101 intermediate patterns. In FIG. 13A, the maximum value of the coupling rate to other ports was −24.5 dB, whereas in FIG. 13B, the maximum value of the coupling rate to other ports was −30.3 dB. there were. By increasing the number of intermediate patterns, reducing the light intensity value change amount at one switching, and reducing the light intensity value change speed, crosstalk to other ports could be suppressed.
実施形態２は、全ての中間パターンが、静的な状態におけるパターン全体での対象出力ポートの光強度に基づき生成されるため、高次光の発生を防ぐことができる。 In the second embodiment, since all intermediate patterns are generated based on the light intensity of the target output port in the entire pattern in a static state, generation of high-order light can be prevented.
［実施形態３］
図１４、１５を参照しながら、本発明の実施形態３に係る光位相変調器におけるポートの切り替え制御に用いる位相変調素子の制御方法について説明する。
[Embodiment 3]
With reference to FIGS. 14 and 15, a method of controlling the phase modulation element used for port switching control in the optical phase modulator according to the third embodiment of the present invention will be described.
図１４に、位相変調素子上のある領域の位相パターンをＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。本実施形態では、ある領域の位相パターンを切り替える際、全体を同時に切り替えるのではなく、図１４に示すように、部分的に徐々にパターンの切り替えを行う。図１４では、Ａパターンの領域を２つに分割して、それぞれ同時に左側から徐々に複数のステップに分けてＢパターンに切り替えているが、パターン切り替えを行う領域の分割は、３つ以上に分割することもできる。 FIG. 14 shows how the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern. In the present embodiment, when switching the phase pattern of a certain region, the entire pattern is switched gradually as shown in FIG. 14 instead of switching the entire pattern simultaneously. In FIG. 14, the area of the A pattern is divided into two parts, and each area is gradually divided into a plurality of steps from the left side to switch to the B pattern, but the area for pattern switching is divided into three or more parts. You can also
図１５に、位相変調素子上のある領域の位相パターンを不等間隔にＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。図１４では、同時に切り替えを行う切り替え領域を等間隔に並べていたが、切り替え領域は不等間隔に並べることもできる。中間パターンでの高次光は切り替え領域の間隔による回折の影響を受ける。そのため、このように切り替え領域間の間隔を不等間隔にすることで、パターンを分割することによって発生する不要な高次光を特定の場所に発生させないようにすることができる。 FIG. 15 shows how the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern at unequal intervals. In FIG. 14, the switching areas to be switched at the same time are arranged at equal intervals, but the switching areas can be arranged at unequal intervals. Higher order light in the intermediate pattern is affected by diffraction due to the spacing of the switching regions. Therefore, by making the intervals between the switching regions unequal, it is possible to prevent unnecessary high-order light generated by dividing the pattern from being generated at a specific location.
２つのパターンを切り替えるときの詳しい手順について説明する。例として切り替え領域を５ピクセル周期で分割して切り替える場合を示す。 A detailed procedure for switching between the two patterns will be described. As an example, a case where the switching area is divided and switched at a cycle of 5 pixels is shown.
図１６に、位相変調素子上のある領域の位相パターンを第１の切り替え方法でＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。この第１の切り替え方法では、各切り替え領域の１ステップでの切り替えを、１ピクセル列としている。 FIG. 16 shows how the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern by the first switching method. In the first switching method, switching in each switching area in one step is set as one pixel row.
図１７に、位相変調素子上のある領域の位相パターンを第２の切り替え方法でＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。この第２の切り替え方法では、各切り替え領域の１ステップでの切り替えを、２ピクセル列とし、最後の１列のみ１ピクセル列としている。 FIG. 17 shows a state in which the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern by the second switching method. In this second switching method, switching in each switching area in one step is a two-pixel column, and only the last one column is a one-pixel column.
図１６、１７に示す例以外にも、１ステップで何ピクセル列を切り替えるかは、切り替え時間と不要な高次光の発生の状態に合わせて任意に設計することができる。 In addition to the examples shown in FIGS. 16 and 17, the number of pixel columns to be switched in one step can be arbitrarily designed according to the switching time and the state of generation of unnecessary high-order light.
図１８に、位相変調素子上のある領域の位相パターンを第３の切り替え方法でＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。この第３の切り替え方法では、各切り替え領域の切り替えを、第１、第２および第４のステップでは１ピクセル列、第３のステップでは２ピクセル列としている。図１８に示す例以外にも、パターン切り替えによって不要な高次光の発生し易い列は１ステップで１ピクセル列とし、不要な高次光の発生し難い列は切り替え速度を速めるために２ピクセル列以上とするなど、不要な高次光の発生の状態に応じて切り替えステップ毎に切り替えるピクセル列数を任意に設計することができる。 FIG. 18 shows how the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern by the third switching method. In the third switching method, switching of each switching area is a 1-pixel row in the first, second, and fourth steps, and a 2-pixel row in the third step. In addition to the example shown in FIG. 18, a column in which unnecessary high-order light is likely to be generated by pattern switching is set to one pixel column in one step, and a column in which unnecessary high-order light is difficult to generate is set to two or more pixel columns in order to increase the switching speed. For example, the number of pixel columns to be switched at each switching step can be arbitrarily designed according to the state of generation of unnecessary high-order light.
図１９に、位相変調素子上のある領域の位相パターンを第４の切り替え方法でＡパターンからＢパターンに切り替える様子を示す。この第４の切り替え方法では、左半分の領域は第１の切り替え方法で、右半分は第２の切り替え方法で切り替えを行っている。図１９に示す例以外にも、切り替え領域毎に、１ステップでの切り替えるピクセル列を変えたり、第３の切り替え方法のように１ステップ毎に切り替えるピクセル列数を変えたりするなど、切り替え領域毎に切り替え方法を任意に設計することができる。図２０（ａ）〜（ｃ）に、ビームステアリング方向に対して分割方向が平行、垂直、斜めであるパターン分割例を示す。位相変調素子によるビームステアリングは、ステアリング方向に対し垂直方向にパターンを作って回折現象により光を偏向させることが前提である。従って、位相変調素子上の光ビームはより多くの位相変調素子の影響を受けるようステアリング方向に長いことが多い。このように、光ビームがステアリング方向に長い場合、パターンの分割方向により以下のような特徴がある。 FIG. 19 shows how the phase pattern of a certain region on the phase modulation element is switched from the A pattern to the B pattern by the fourth switching method. In the fourth switching method, the left half area is switched by the first switching method, and the right half is switched by the second switching method. In addition to the example shown in FIG. 19, for each switching region, for example, the pixel row to be switched in one step is changed for each switching region, or the number of pixel rows to be switched for each step is changed as in the third switching method. The switching method can be arbitrarily designed. 20A to 20C show pattern division examples in which the division direction is parallel, vertical, and oblique to the beam steering direction. Beam steering using a phase modulation element is premised on making a pattern perpendicular to the steering direction and deflecting light by a diffraction phenomenon. Therefore, the light beam on the phase modulation element is often long in the steering direction so as to be affected by more phase modulation elements. Thus, when the light beam is long in the steering direction, there are the following characteristics depending on the pattern dividing direction.
ステアリング方向に対して平行にパターンを分割した場合、パターン分割によって発生する不要な回折光の方向と光ビームのステアリング方向が垂直となるため不要な高次光の影響は最も小さくなる。但し、光ビームが照射された中心付近の領域では、パターン変更による位相変化に影響が大きくなる可能性がある。この場合は、１ステップでのパターン変化量を小さくするために分割数を少なくすれば良い。 When the pattern is divided in parallel to the steering direction, the direction of unnecessary diffracted light generated by the pattern division and the steering direction of the light beam are perpendicular, so the influence of unnecessary high-order light is minimized. However, in the region near the center irradiated with the light beam, there is a possibility that the influence on the phase change due to the pattern change becomes large. In this case, the number of divisions may be reduced in order to reduce the pattern change amount in one step.
ステアリング方向に対して垂直にパターンを分割した場合、光ビームのステアリングに影響がある可能性があるが、光ビームが分割された複数の領域にわたって広く当たっていることから、分割数を大きくすることが出来るためコントロールしやすく分割数の調整により意図しない高次光の影響を低減することができる。 If the pattern is divided perpendicularly to the steering direction, the steering of the light beam may be affected, but the number of divisions should be increased because the light beam hits widely across the divided areas. Therefore, it is easy to control, and the influence of unintended high-order light can be reduced by adjusting the number of divisions.
ステアリング方向に対して斜めにパターンを分割した場合は、平行な場合、垂直な場合の両方の特徴を持ち、傾斜角度に応じてどちらの特徴がより大きく出るかが決まる。 When the pattern is divided obliquely with respect to the steering direction, both the parallel and vertical characteristics are obtained, and which characteristic appears larger depending on the inclination angle.
実施形態３は、位相パターンによって切り替え前後のパターン以外に新たな位相制御値を計算する必要が無く前後パターンの表示割合を変更するだけで良いため、簡便な構成で実現できる。また、各分割領域の位相パターンによる回折と２つの位相パターンの繰り返しによる回折とを完全に切り分けられるため、パターン切り替えの繰り返し周期を制御することで、パターン切り替えによる回折の影響を制御することができる。すなわち、出力ポートが配置されていない方向に回折させるように、パターン切り替えの繰り返し周期を調節することができる。尚、実施形態３におけるステップ間の時間間隔は、実施形態１でパターン間の時間間隔を任意に設定できたように、それぞれ任意に設定可能である。 The third embodiment can be realized with a simple configuration because it is not necessary to calculate a new phase control value other than the pattern before and after switching by the phase pattern, and it is only necessary to change the display ratio of the previous and subsequent patterns. Further, since the diffraction by the phase pattern of each divided region and the diffraction by the repetition of two phase patterns can be completely separated, the influence of diffraction by the pattern switching can be controlled by controlling the pattern switching repetition period. . In other words, the pattern switching repetition period can be adjusted so as to diffract in the direction in which the output port is not arranged. Note that the time interval between steps in the third embodiment can be arbitrarily set, as can the time interval between patterns in the first embodiment.
１０ 光入出力装置
１１ 光ファイバ（入力ポート）
１２、１５1〜１５n コリメートレンズ
１３ 光学素子
１４ 位相変調素子
１６1〜１６n 光ファイバ（出力ポート）
１７ 波長分散素子
２０ 光入出力装置
２１ 光ファイバ（入力ポート）
２２ コリメートレンズ
２３ 第１の光学素子
２４ 位相変調素子
２５ 第２の光学素子
２６1〜２６n コリメートレンズ
２７1〜２７n 光ファイバ（出力ポート）
ＤＲＶ 駆動回路
２８…波長分散素子
２９…波長分散素子
10 Optical input / output device 11 Optical fiber (input port)
12, 15 1 to 15 n collimating lens 13 optical element 14 phase modulation element 16 1 to 16 n optical fiber (output port)
17 Wavelength dispersion element 20 Optical input / output device 21 Optical fiber (input port)
22 collimating lens 23 first optical element 24 phase modulation element 25 second optical element 26 1 to 26 n collimating lens 27 1 to 27 n optical fiber (output port)
DRV drive circuit 28 ... wavelength dispersion element 29 ... wavelength dispersion element
Claims (6)
マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、前記各ピクセル位置に応じて位相制御値を与えることにより空間位相変調し、変調後の出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ出射する位相変調素子と、
前記ピクセル位置毎の位相制御値からなる位相パターンを示す駆動信号を前記各ピクセルに印加することにより、前記空間位相変調による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路と、
前記位相パターンを第１の位相パターンから第２の位相パターンに切り替えるとき、前記対象出力ポートでの光強度値が、前記第１の位相パターンにおける前記対象出力ポートでの光強度値と前記第２の位相パターンにおける前記対象出力ポートでの光強度値との間の値をとるＭ枚（Ｍは１以上の整数）の中間位相パターンを作成し、さらに、前記中間位相パターンは前記対象出力ポート以外の出力ポートに結合するクロストーク量を前記中間位相パターン間で比較した際に、クロストーク量が相対的に大きい領域では前後の位相パターンの前記対象出力ポートでの光強度値の差分が小さくなるように前記中間位相パターンを作成し、前記クロストーク量が相対的に小さい領域では前後の中間位相パターンの前記対象出力ポートでの光強度値の差分が大きくなるように前記中間位相パターンを作成し、前記第１の位相パターンから前記中間位相パターンを経由して前記第２の位相パターンに切り替えるよう前記駆動回路を制御する、制御回路と
を備えたことを特徴とする空間位相変調器。 One or more input ports and one or more output ports for inputting and outputting optical signals;
Spatial phase modulation by providing a phase control value according to each pixel position for incident light input from the input port via an optical system element. A phase modulation element that emits the modulated outgoing light in the angular direction of the target output port specified among the output ports;
A drive circuit for controlling an emission angle and light intensity of the emitted light by the spatial phase modulation by applying a drive signal indicating a phase pattern composed of a phase control value for each pixel position to each pixel;
When the phase pattern is switched from the first phase pattern to the second phase pattern , the light intensity value at the target output port becomes equal to the light intensity value at the target output port in the first phase pattern and the second phase pattern . M (M is an integer of 1 or more) intermediate phase patterns that take values between the light intensity values at the target output port in the phase pattern of the target phase , and the intermediate phase pattern is other than the target output port When the crosstalk amount coupled to the output port is compared between the intermediate phase patterns, the difference between the light intensity values at the target output ports of the preceding and following phase patterns becomes small in a region where the crosstalk amount is relatively large. In the region where the amount of crosstalk is relatively small, the light intensity value at the target output port of the front and rear intermediate phase patterns Create the intermediate phase pattern so that the difference becomes greater, and controls the drive circuit to switch to the first of said from the phase pattern intermediate phase pattern via the second phase pattern, and a control circuit A spatial phase modulator characterized by that.
マトリックス状に平面配列された複数のピクセルを有し、前記入力ポートから光学系素子を介して入力された入射光に対して、前記各ピクセル位置に応じて位相制御値を与えることにより空間位相変調し、変調後の出射光を前記出力ポートのうち指定された対象出力ポートの角度方向へ出射する位相変調素子と、
前記ピクセル位置毎の位相制御値からなる位相パターンを示す駆動信号を前記各ピクセルに印加することにより、前記空間位相変調による前記出射光の出射角および光強度を制御する駆動回路と、
前記位相パターンを第１の位相パターンから第２の位相パターンに切り替えるとき、前記第１および第２の位相パターンに基づきＭ枚（Ｍは１以上の整数）の中間位相パターンを作成する制御回路であって、前記第１の位相パターンから前記中間位相パターンを経由して前記第２の位相パターンに切り替えるよう前記駆動回路を制御する、制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記第１の位相パターンの第１の領域と前記第２の位相パターンの第２の領域とを交互に配置した前記中間位相パターンを作成することを特徴とすることを特徴とする空間位相変調器。 One or more input ports and one or more output ports for inputting and outputting optical signals;
Spatial phase modulation by providing a phase control value according to each pixel position for incident light input from the input port via an optical system element. A phase modulation element that emits the modulated outgoing light in the angular direction of the target output port specified among the output ports;
A drive circuit for controlling an emission angle and light intensity of the emitted light by the spatial phase modulation by applying a drive signal indicating a phase pattern composed of a phase control value for each pixel position to each pixel;
A control circuit that creates M (M is an integer of 1 or more) intermediate phase patterns based on the first and second phase patterns when the phase pattern is switched from the first phase pattern to the second phase pattern; A control circuit that controls the drive circuit to switch from the first phase pattern to the second phase pattern via the intermediate phase pattern;
The control circuit creates the intermediate phase pattern in which the first region of the first phase pattern and the second region of the second phase pattern are alternately arranged. spatial phase modulator you.
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