(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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空間位相変調器。
【請求項２】
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空間位相変調器。
【請求項３】
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請求項２に記載の空間位相変調器。
【請求項４】
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請求項２に記載の空間位相変調器。
【請求項５】
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請求項２に記載の空間位相変調器。
【請求項６】
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請求項１乃至５のいずれかに記載の空間位相変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T. Fujita et al, "Blazed grating and Fresnel lensen fabricated by electron-beam lithography", OPTICS LETTERS, Vol.7,No.12, pp.578-580, December 1982.
【非特許文献２】R. Magnusson et al, "Diffraction efficiencies of thin phase gratings with arbitrary grating shape", J. Optical Society of America, Vol.68, No.6, pp.806-809, June 1978.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２４】
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。
【発明の効果】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】位相変調素子の構成例（単波長）を示す説明図である。
【図６】位相変調素子の構成例（ＷＤＭ）を示す説明図である。
【図７】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である。
【図８】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図である。
【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す図であり、（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図である。
【図１０】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図である。
【図１１】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図である。
【図１２】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における対象出力ポートでの光強度値と、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における対象出力ポートでの光強度値を示す図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は、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）の推移を示す図である。
【図１４】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図である。
【図１５】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である。
【図１６】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図である。
【図１７】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図である。
【図１８】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図である。
【図１９】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図である。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、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図である。
【図２１】（ａ）、（ｂ）は、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である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
［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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
［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。
【００４９】
［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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
［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。
【００５９】
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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
［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。
【００６８】
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。
【００６９】
（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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
［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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【符号の説明】
【００９２】
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
【要約】
【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７【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図２１】
0005906300.tif 000006
【図５】
0005906300.tif 000007
【図６】
0005906300.tif 000008
【図７】
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【図８】
0005906300.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005906300.tif 000013
【図１２】
0005906300.tif 000014
【図１３】
0005906300.tif 000015
【図１４】
0005906300.tif 000016
【図１５】
0005906300.tif 000017
【図１６】
0005906300.tif 000018
【図１７】
0005906300.tif 000019
【図１８】
0005906300.tif 000020
【図１９】
0005906300.tif 000021
【図２０】
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