JP6317216B2 - 光入出力装置 - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
[光入出力装置の構成]
まず、本実施形態の光入出力装置について説明する。図1は、第1の実施形態の入出力装置についてx軸方向から見た概略構成を示す図である。図1に示す例では、信号光を入出力する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。入力光(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からの出射光は位相変調素子(位相変調器)14によって位相変調素子14への入射位置に応じた位相変化を与えられた後反射され、再び光学素子13を経由して、コリメートレンズ12、15−1〜15−nおよび光ファイバ11、16−1〜16−nへ入力される。信号光は、位相変調素子14に設定された位相パタンに応じて光学素子13に反射して出力する位置および強度が選択され、複数の光ファイバ16−1〜16−nのうちの所定の光ファイバ16mから任意の強度で出力される。
次に、この光入出力装置で用いられる位相変調素子14について詳細に説明する。図2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(光照射領域)を示す図である。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個の各画素において光の位相を独立に制御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。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場合の光照射領域は図2に示す領域Rのようになる。領域R内の各画素41−11〜41−pqに特定の位相パタンを与えることによって出射光(信号光)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。
位相変調素子によって、第2の出力ポートの複数のチャンネルのうちの所望のチャンネルを選択して信号光の光結合をする位相パタンの生成方法について説明する。まず、基準となる1つのチャンネル(基準チャンネル)を選択する手法について説明する。図3は、基準となる1つのチャンネルに光を結合させるための位相パタンの例と、反射型の位相変調素子からの回折の例を示す図である。チャンネルの選択は、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。設定する位相を図3のようにのこぎり形状51にすることで、図3のように位相変調素子からの出射波の回折角を制御可能である。ここで、回折角度θ0、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θ0は、
sinθin十sinθo=m・λ/Λ 式(1)
で与えられる。ただし、式(1)においてθinは位相変調素子の法線方向に対する入射光のなす角度、mは回折次数、λは入射光の波長、Λは位相パタンの1周期の長さとする。
上記のような位相変調を受けた場合には、位相変調素子に入射した光に、式(2)のような線形の位相シフトが空間的に与えられる。
φ=k×y%w 式(3)
(%は剰余演算子を表す)
となるような周期性位相パタン62を重畳すると、図4(b)の下段に示すようにθsの角度方向にピーク64が現れ、ピーク63の光パワーを分配することが出来る。ここで、wは重畳する周期性位相パタンの1周期の長さ、kは定数とすると、光結合が得られる位置への出射角θsは、次式(4)で表すことが出来る。
θs=θo+arcsin (m・λ/w) 式(4)
mは回折の次数であり、整数である。ここで、Δθs=θs−θoと定義する。式(4)において第2のポートのチャンネルが配置されている角度方向にθsがあうようにwを選ぶことにより、1入力に対してθs方向、θo方向に配置されたチャンネルそれぞれに信号光を光結合することが可能となる。言い換えると、式(4)より、θoを基準にとれば、Δθs=arcsin(m・λ/w)の位置に出力ポートを配置することで所定のチャンネルに光結合することができる。実際のチャンネルの配置は、式(4)に応じて設定されればよく、上記式(4)により決定される位置よりも多少のズレがあってもよい。ズレがある場合、上記位置からのズレが多いほどアッテネーション量が増加することになる。
φ=k×(y%w)+b 式(6)
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。したがって、式(3)により決定した基準の周期Λを有する周期性位相パタンに式(6)により決定した追加する周期w1を有する周期性位相パタンを重畳したうえに、更に異なる周期w2を持つ1周期中の位相φ2が、
φ2=k2×(y%w2)+b2 式(7)
で表される周期性位相パタンを重畳して生成した位相パタンを設定することにより
θs2=θo+arcsin(m×λ/w2) 式(8)
の角度方向に配置されたチャンネルにも、更に光結合させることが可能となり、3ポートへの同時出力が可能となる。同様に、互いに異なる周期を持った4つ以上の周期性位相パタンを重畳することにより4ポート以上への同時出力が可能である。すなわち、上記のとおり信号光を光結合したいチャンネルの位置に基づいて周期性位相パタンの周期を決定し、この決定した互いに異なる周期の複数の周期性位相パタンを重畳して位相変調素子に設定する位相パタンを生成すればよい。
次に第2のポートの複数のチャンネルに結合させた際の、出力強度比を調整する手法について説明する。
sinθin十sinθo1 =m・λ/Λ1 式(9)
sinθin十sinθo1 =m・λ/Λ2 式(10)
図6は、第2の実施形態の入出力装置についてx軸方向から見た概略構成を示す図である。この実施形態では、コリメートレンズ12から位相変調素子14の間に波長分散素子17を配置した点で第1の実施形態とは異なっている。第1の実施形態の入出力装置と異なる部分のみ説明する。波長分散素子17は、コリメートレンズ12、15−1〜15−nと光学素子13との間か、または光学素子13と位相変調素子14との間かのいずれの位置に配置してもよい。
図8は、第3の実施形態の入出力装置についてx軸方向から見た概略構成を示す図である。第1の実施形態では、反射型の位相変調素子を用いていたが、この実施形態では、透過型の位相変調素子を用いて光入出力装置を構成している。図8は、x軸方向から見た透過型位相変調素子を用いた光入出力装置の構成例を示すものである。第3の実施形態の入出力装置について第1の実施形態の入出力装置と異なる部分のみ説明する。
図9は、第4の実施形態の入出力装置についてx軸方向から見た概略構成を示す図である。この実施形態では、コリメートレンズ22から位相変調素子24の間および位相変調素子24からコリメートレンズ26−1〜26−nの間に波長分散素子28、29を配置した点で第3の実施形態とは異なっている。第4の実施形態の入出力装置について第3の実施形態の入出力装置と異なる部分のみ説明する。
12、15−1〜15−n コリメートレンズ
13 光学素子
14 位相変調素子
17 波長分散素子
21、27−1〜27−n 光ファイバ
22、26−1〜26−n コリメートレンズ
23、25 光学素子
24 位相変調素子
28、29 波長分散素子
41−11〜41−pq 画素
42 ドライバ素子
43 反射部
Claims (6)
- 信号光の入出力を行う、1チャンネルの第1のポートおよび複数チャンネルの第2のポートと、
マトリックス状に平面配列された複数の画素を有し、前記第1のポートから入力された信号光に対して、画素位置に応じて設定された位相値に基づいた位相変化量を前記複数の画素で与えて空間位相変調することにより光を偏向する位相変調素子と、
前記第2のポートの複数のチャンネルのうちの2つ以上の所望のチャンネルに前記信号光が光結合するように前記位相変調素子の各画素に設定する位相パタンを生成するパタン生成部と、
前記生成した位相パタンを前記位相変調素子の各画素の駆動信号に変換して、該駆動信号に従い前記位相変調素子の画素を駆動する駆動部とを備え、
前記パタン生成部は、前記第2のポートの前記信号光を光結合する2つ以上のチャンネルの位置に基づいて2つ以上の周期性位相パタンを決定し、該決定した2つ以上の周期性位相パタンを重畳することにより前記位相変調素子の各画素に設定する前記位相パタンを生成すると共に、異なる周期の周期性位相パタンを設定する前記位相変調素子の複数の領域の広さと位置を変更することにより前記2つ以上のチャンネルに前記光結合される信号光の強度比である分岐比を調整することを特徴とする光入出力装置。 - 請求項1に記載の光入出力装置において、
前記パタン生成部は、前記第2のポートの前記信号光を光結合する2つ以上のチャンネルのうちの1つの基準となる基準チャンネルの位置に基づいて、位相変調素子の法線方向に対する出射する信号光のなすべき角度をθ0、入射する信号光のなす角度をθinとし、回折次数をm、入射光の波長をλとしたときに、sinθin十sinθo=m・λ/Λを満たすΛを、前記周期性位相パタンの基準の周期Λと決定し、
前記第2のポートの前記信号光を光結合する2つ以上のチャンネルのうちの前記基準チャンネル以外の1つ以上の追加のチャンネルの位置に基づいて、前記基準チャンネルと当該追加のチャンネルとがなす角度をθn(n=2〜N)、入力光の波長をλ、mを回折次数としたときに、θn=arcsin(m・λ/wn)を満たすwnを前記周期性位相パタンの追加する周期wnと決定し、
前記決定された異なる周期Λ、wnを有する2つ以上の周期性位相パタンを重畳することにより前記位相変調素子の各画素に設定する前記位相パタンを生成することを特徴とする光入出力装置。 - 請求項1に記載の光入出力装置において、
前記位相変調素子の平面内の領域毎に異なる周期を有する周期性の位相パタンが重畳されることを特徴とする光入出力装置。 - 請求項1から3のいずれかに記載の光入出力装置において、
前記複数の周期性位相パタンがのこぎり波、正弦波、矩形波のいずれか、あるいはこれらを組み合わせた波形であることを特徴とする光入出力装置。 - 請求項1から4のいずれかに記載の光入出力装置において、
前記複数の周期性位相パタンの各振幅の比が、光結合するチャンネルの光結合比により決定されることを特徴とする光入出力装置。 - 請求項1から5のいずれかに記載の光入出力装置において、
前記パタン生成部で生成する位相パタンは、互いに異なる周期を有する3つ以上の周期性位相パタンを重畳して生成することを特徴とする光入出力装置。
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