(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複数の出力ポートと、
マトリックス状に平面配列された複数の画素を有し、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、画素位置に応じて変化する位相量を前記各画素で与えることにより空間位相変調し、得られた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、
画素位置と位相量との関係を示す位相パタンを示す駆動信号を前記各画素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を備え、
前記位相パタンは、第１のパタン周期長を有する出射角制御用位相パタンに、第２のパタン周期長を有する光強度制御用位相パタンが重畳されており、
前記第１のパタン周期長は、前記出射光の対象光強度ピークが前記対象出力ポートの角度方向と一致する角度方向に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、
前記第２のパタン周期長は、前記出射光の不要光強度ピークが前記各出力ポートの角度方向と一致しないよう、前記各出力ポートの角度方向のすべてを含む出射角度範囲の外側に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、
前記位相変調素子における前記入射光と前記出射光とがなす角度θのうち、前記出射角度範囲の一端および他端に相当する角度θをそれぞれθmax，θminとし、当該入射光の波長をλとし、当該出射光の出射角をθoとしたとき、前記光強度制御用位相パタンのパタン周期長ｗは、次の式（Ａ）
【数１】
0005926219.tif 000010
を満たす範囲で最大の値とし、
前記光強度制御用位相パタンは、前記位相変調素子のピクセルサイズの整数倍に相当するパタン周期長を有している
ことを特徴とする光入出力装置。
【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複数の出力ポートと、
マトリックス状に平面配列された複数の画素を有し、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、画素位置に応じて変化する位相量を前記各画素で与えることにより空間位相変調し、得られた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、
画素位置と位相量との関係を示す位相パタンを示す駆動信号を前記各画素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を備え、
前記位相パタンは、第１のパタン周期長を有する出射角制御用位相パタンに、第２のパタン周期長を有する光強度制御用位相パタンが重畳されており、
前記第１のパタン周期長は、前記出射光の対象光強度ピークが前記対象出力ポートの角度方向と一致する角度方向に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、
前記第２のパタン周期長は、前記出射光の不要光強度ピークが前記各出力ポートの角度方向と一致しないよう、前記各出力ポートの角度方向の間であって、かつ、これら出力ポートと干渉しない間隙角度範囲に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、
前記位相変調素子における前記入射光と前記出射光とがなす角度θのうち、前記間隙角度範囲の一端および他端に相当する角度θをそれぞれθa，θbとし、当該入射光の波長をλとし、当該出射光の出射角をθoとしたとき、前記光強度制御用位相パタンのパタン周期長ｗは、次の式（Ｂ）
【数２】
0005926219.tif 000011
を満たす範囲で最大の値とし、
前記光強度制御用位相パタンは、前記位相変調素子のピクセルサイズの整数倍に相当するパタン周期長を有している
ことを特徴とする光入出力装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光入出力装置において、
前記駆動回路は、事前に計測して得られた前記出力ポートごとの第二のパタンの周期長を記録しており、前記対象出力ポートごとに最適値を選択する手段を有する
ことを特徴とする光入出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信技術に関し、特に光入出力装置において位相変調素子により出力光の方路および光強度を制御するため出力光制御技術に関する。
【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。
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】
【０００７】
【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】
【０００８】
実際の光ビーム偏向素子として、例えば、位相変調素子であるＬＣＯＳ−ＳＬＭを用いる場合、各画素の位相を制御するために印加する電界が隣接する画素の位相にも影響を及ぼすことが知られている。本現象はディスクリネーション（disclination）と呼ばれ、偏向やアッテネーション動作のために印加する位相パタンと所望のパタンとの間にずれを生じさせる。ディスクリネーションは、短周期の位相を位相変調素子へ印加するほど大きくなり、特にアッテネーションのために周期性の位相を重畳するとクロストークが増大してしまう。
したがって、ディスクリネーションが起こった場合でもクロストーク増大を抑制可能な光アッテネーション技術開発が求められている。
【０００９】
すなわち、光入出力装置において、信号光強度に減衰をかける際、異なる周期の光信号が混信しないようにするためには、対象出力ポート外へのクロストークが低いことが望ましい。一方、有限な大きさでピクセル化された空間光変調素子においては、偏向やアッテネーション動作の際、印加する位相パタンが隣接干渉などの影響で理想的なパタンからずれてしまい、クロストークの原因となる。この理想的なパタンからのずれ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ンを印加する場合に問題となる。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、光入出力装置において、他ポートへのクロストークの発生を抑制しつつ出力光強度を変化させることが可能な出力光制御技術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】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明にかかる光入出力装置は、光信号の入出力を行う１つ以上の入力ポートおよび複数の出力ポートと、マトリックス状に平面配列された複数の画素を有し、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、画素位置に応じて変化する位相量を前記各画素で与えることにより空間位相変調し、得られた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、画素位置と位相量との関係を示す位相パタンを示す駆動信号を前記各画素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を備え、前記位相パタンは、第１のパタン周期長を有する出射角制御用位相パタンに、第２のパタン周期長を有する光強度制御用位相パタンが重畳されており、前記第１のパタン周期長は、前記出射光の対象光強度ピークが前記対象出力ポートの角度方向と一致する角度方向に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなることを共通構成とするものである。
【００１２】
本発明にかかる第１の光入出力装置は、上記共通構成に加えて、前記第２のパタン周期長は、前記出射光の不要光強度ピークが前記各出力ポートの角度方向と一致しないよう、前記各出力ポートの角度方向のすべてを含む出射角度範囲の外側に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、前記位相変調素子における前記入射光と前記出射光とがなす角度θのうち、前記出射角度範囲の一端および他端に相当する角度θをそれぞれθｍａｘ，θｍｉｎとし、当該入射光の波長をλとし、当該出射光の出射角をθｏとしたとき、前記光強度制御用位相パタンのパタン周期長ｗは、後述する式（４）および式（５）を満たす範囲で最大の値とし、前記光強度制御用位相パタンは、前記位相変調素子のピクセルサイズの整数倍に相当するパタン周期長を有しているものである。
【００１３】
また、本発明にかかる第２の光入出力装置は、上記共通構成に加えて、前記第２のパタン周期長は、前記出射光の不要光強度ピークが前記各出力ポートの角度方向と一致しないよう、前記各出力ポートの角度方向の間であって、かつ、これら出力ポートと干渉しない間隙角度範囲に位置する光強度分布を発生するパタン周期長からなり、前記位相変調素子における前記入射光と前記出射光とがなす角度θのうち、前記間隙角度範囲の一端および他端に相当する角度θをそれぞれθａ，θｂとし、当該入射光の波長をλとし、当該出射光の出射角をθｏとしたとき、前記光強度制御用位相パタンのパタン周期長ｗは、後述する式（６）、式（７）および式（８）を満たす範囲で最大の値とし、前記光強度制御用位相パタンは、前記位相変調素子のピクセルサイズの整数倍に相当するパタン周期長を有しているものである。
【００１８】
また、本発明にかかる上記光入出力装置の一構成例は、前記駆動回路が、事前に計測して得られた前記出力ポートごとの第二のパタンの周期長を記録しており、前記対象出力ポートごとに最適値を選択する手段を有している。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光強度制御用位相パタンのパタン周期長により、光強度制御用位相パタンにより生じる各不要光強度ピークが、各出力ポートの角度方向と一致しない角度方向に光強度分布が発生するよう制御されて、他ポートへのクロストークの発生を抑制しつつ出力光強度を変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】位相変調素子への位相パタン設定例である。
【図８】反射型位相変調素子での回折例である。
【図９】第１の実施の形態にかかる位相変調素子への位相パタン設定例である。
【図１０】出射光の対象光強度ピークを示す光強度分布図である。
【図１１】出射光の不要光強度ピークを示す光強度分布図である。
【図１２】出射光に与える位相量と出射光の出射光強度との関係を示すグラフである。
【図１３】第１の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの位置関係を示す説明図である。
【図１４】第１の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの角度関係を示す説明図である。
【図１５】第２の実施の形態にかかる位相変調素子への位相パタン設定例を示す図である。
【図１６】第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの位置関係を示す説明図である。
【図１７】第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの角度関係を示す説明図である。
【図１８】第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの他の角度関係を示す説明図である。
【図１９】光強度制御用位相パタンの設定例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
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。
【００２２】
［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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の各画素に駆動信号を印加する駆動回路ＤＲＶが設けられている。
【００２５】
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画素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、画素位置に応じて変化する位相量を各画素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。
【００２６】
また、駆動回路ＤＲＶは、画素位置と位相量との位相パタンを示す駆動信号を位相変調素子１４の各画素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。
【００２７】
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ンによって光学素子１３の出力ポート及び出力光強度が選択される。
【００２８】
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。
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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ンを重畳してもよい。
【００３１】
［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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の各画素に駆動信号を印加する駆動回路ＤＲＶが設けられている。
【００３４】
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画素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、画素位置に応じて周期的に変化する位相量を各画素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。
【００３５】
また、駆動回路ＤＲＶは、画素位置と位相量との位相パタンを示す駆動信号を位相変調素子２４の各画素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。
【００３６】
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。
この際、光信号は、位相変調素子２４へ与えられた位相パタンによって第２の光学素子２５の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。
【００３７】
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。
【００３８】
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や、位相変調素子２４と光学素子２５の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。
【００３９】
［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、２７1〜２７n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量は画素位置に対して周期的に変化していなくてもよい。
【００４０】
［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。
【００４１】
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画素４１11〜４１pqと、裏面に配置された反射部４２とを具備する。これら画素４１11〜４１pqは、駆動回路ＤＲＶからの駆動信号に応じて、画素位置に応じて位相量を各画素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。
【００４２】
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内の各画素に対して、駆動回路ＤＲＶから特定の位相パタ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。
【００４３】
一方、入射光をＷＤＭ信号とし、第１の光学素子２３の回折格子で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。
【００４４】
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
【００４５】
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。
【００４６】
［出力方路選択方法］
次に、図７および図８を参照して、位相変調素子における光信号の出力方路選択方法について説明する。図７は、位相変調素子への位相パタン設定例である。図８は、反射型位相変調素子での回折例である。ここでは、反射型位相変調素子１４を例として説明するが、透過型位相変調素子２４についても同様である。
【００４７】
出力方路の選択は、例えば位相変調素子１４に入射される光の回折角を制御して出射光の出射方向を選択することによって行われる。出射角制御用位相パタン５１を、図７のようにのこぎり形状とすることで、図８のように出射光の回折角を制御可能である。ここで、φは各画素の位相であり、進む方向を正にしている。また、回折角度θo、すなわち位相変調素子１４の法線方向に対する出射光のなす角度は、次の式（１）で与えられる。ただし、θinは入射光角度であり、ｍは回折次数であり、λは入射光の波長であり、Λは出射角制御用位相パタン５１の１周期の長さを示すパタン周期長（第１のパタン周期長）である。
【００４８】
【数１】
0005926219.tif 000002
【００４９】
図８には、光が位相変調素子１４の法線方向から入射する場合、すなわちθin＝０の場合が示されている。
このように、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、回折角度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。
【００５０】
［光強度制御方法］
次に、本発明にかかる光入出力装置１０，２０で用いる光強度制御方法について説明する。本発明にかかる光強度制御方法は、大別して４つの方法がある。これら光強度制御方法は、すべて前述した各基本構成を備えている光入出力装置１０，２０で実現されるものとする。ここでは、反射型位相変調素子１４を用いた光入出力装置１０を例として説明するが、透過型位相変調素子２４を用いた光入出力装置２０についても同様である。
【００５１】
［第１の実施の形態］
まず、図９〜図１１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる光入出力装置１０の光強度制御方法について説明する。図９は、第１の実施の形態にかかる位相変調素子への位相パタン設定例である。図１０は、出射光の対象光強度ピークを示す光強度分布図である。図１１は、出射光の不要光強度ピークを示す光強度分布図である。
【００５２】
本実施の形態にかかる光入出力装置１０は、駆動回路ＤＲＶから位相変調素子１４に印加する駆動信号の位相パタンとして、前述の図７に示した出射角制御用位相パタン５１に対して光強度制御用位相パタン５２を重畳した複合パタンを用いることによって、出力方路選択と出力光強度の制御とを行うようにしたものである。
【００５３】
任意の出力ポートへの結合が得られるような出射角制御用位相パタン５１は、例えば、前述の図７に示すような、のこぎり形状の位相パタンで、のこぎり波の振幅を２πとすることが好ましい。この出射角制御用位相パタン５１のみを用いた場合、図１０に示すように、対象出力ポートの角度方向を示す出射角度θoに対象光強度ピーク６１のみを有する光強度分布が発生する。
【００５４】
この出射角制御用位相パタン５１に対して、図９に示すように、１周期中の位相φが次の式（２）となるような光強度制御用位相パタン５２を重畳すると、図１１のように、複数の出射角度、ここでは出射角度θs-2，θs-1，θs+1，θs+2に、光の回折による不要な不要光強度ピーク６２が現れる。ここで、ｗは光強度制御用位相パタン５２の１周期の長さを示すパタン周期長（第２のパタン周期長）であり、ｋは光強度制御用位相パタン５２の振幅を表す定数である。また、ｍｏｄ（ｙ，ｗ）はｙのｗでの剰余を示す。
【００５５】
【数２】
0005926219.tif 000003
【００５６】
したがって、ｋを変化させて光強度制御用位相パタン５２の振幅を制御することで、対象出力ポートの角度方向を示す出射角度θoにおける対象光強度ピーク６１の光強度が、各不要光強度ピーク６２に分散されるため、対象光強度ピーク６１の光強度を減衰させることが可能である。これにより、対象出力ポートへの出射光に対するアッテネーションが可能となる。
【００５７】
光強度制御用位相パタン５２により生じる各不要光強度ピーク６２の角度方向を示す出射角度θsは、次の式（３）で表すことができる。ここで、ｍ’は回折の次数であり、整数である。例えば、ｍ’＝１の場合におけるθsをθs+1と定義する。また、各不要光強度ピーク６２の出射角度間隔ΔθsをΔθs＝θs−θoと定義する。
【００５８】
【数３】
0005926219.tif 000004
【００５９】
図１２は、出射光に与える位相量と出射光の出射光強度との関係を示すグラフである。位相変調素子１４にＬＣＯＳ−ＳＬＭを用い、位相変調素子１４の法線を中心（θ＝０）として、各入出力ポートをθ＝−０．８°〜０．８°の扇形の想定角度範囲内に配置し、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを４画素分に設定した場合に得られたものである。この図１２から、光強度制御用位相パタン５２により出射光に与える位相量を変化させることによって、出射光強度を任意に制御可能であることが分かる。
【００６０】
ここで、光強度制御用位相パタン５２により生じる各不要光強度ピーク６２が、出力ポートの角度方向と一致する角度方向に発生した場合、クロストークが増大する原因となる。本実施の形態では、これら各不要光強度ピーク６２が、各出力ポートの角度方向と一致しない角度方向に光強度分布が発生するよう、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを選択するようにしたものである。ｗは小数でもよい。また、ＬＣＯＳなどの有限サイズのピクセルで構成される位相変調素子を用いた場合は、実際の位相パタンは位相変調素子のピクセルによって量子化され、空間的に離散的な値をとっている。
【００６１】
これにより、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを、各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、すなわち出射光の出射角度θoに応じて可変とすることによって、他ポートへのクロストークの発生を抑制しつつ出力光強度を変化させることが可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態では、各不要光強度ピーク６２の角度方向と各出力ポートの角度方向とを一致させない具体的な方法として、不要光強度ピーク６２が、各出力ポートと結合する可能性があると想定される角度範囲、すなわち各出力ポートの角度方向のすべてを含む扇形の想定角度範囲の外側に位置する光強度分布が発生するよう、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを選択するようにしたものである。
【００６３】
図１３は、第１の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの位置関係を示す説明図である。図１４は、第１の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの角度関係を示す説明図である。
【００６４】
図１３の例では、入力ポートＰ０とｎ個の出力ポートＰ１〜Ｐｎが設けられており、入力ポートＰ０から光学素子１３を介して入力された入射光が、位相変調素子１４で任意の角度方向に出射され、光学素子１３を介して対応する出力ポートＰ１〜Ｐｎのいずれかに出力される。なお、図１３に示すように、位相変調素子１４と出力ポートとの間に光学素子１３が存在している場合、位相変調素子１４から見た出力ポートの角度方向は、光学素子１３における当該出力ポートと対応する光入力領域への角度方向を指すこととなる。
【００６５】
したがって、図１４に示すように、入射光と出射光とがなす角度θのうち、各出力ポートＰ１〜Ｐｎの角度方向に対応する出射角度には、ポート干渉区間ＲＩ１〜ＲＩｎが存在する。
ここで、図１３および図１４に示すように、位相変調素子１４における入射光と出射光とがなす角度θのうち、各出力ポートのうち最も外側に配置されている最端出力ポートに結合する出射角度をθmax，θminとすると、これらθmax、θminの絶対値｜θmax｜、｜θmin｜よりも、回折次数ｍ’＝１における出射角度θs1（θs+1，θs-1）の絶対値｜θs1｜が小さい場合、不要光強度ピーク６２が入出力ポートを配置する想定角度範囲ＲＰ、すなわち想定角度範囲ＲＰの一端および他端に相当するθmaxからθminまでの角度範囲の内側に存在することになる。このため、対象出力ポート以外の出力ポートに光が結合した場合には、クロストークが発生する。
【００６６】
したがって、このようなクロストークを防ぐためには、対象光強度ピーク６１に隣接する不要光強度ピーク６２が想定角度範囲ＲＰの外側の外側領域ＲＥに位置するよう、すなわち、｜θs｜がθmax、θminよりも大きくなるよう、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗ（第２のパタン周期長）を選択すればよい。
すなわち、ｗとθoとの間に、次の式（４）および式（５）の関係が成立する範囲でｗ可変とすればよい。
【００６７】
【数４】
0005926219.tif 000005
【００６８】
【数５】
0005926219.tif 000006
【００６９】
これら式（４）および式（５）を満たす範囲で、例えばｗが最も大きくなるように設定すれば、位相変調素子１４での急峻な位相変化を抑制することができ、ディスクリネーションによるクロストークを抑制することができる。
【００７０】
この際、光強度制御用位相パタン５２がのこぎり波でなくても同様の効果を得ることができ、例えば正弦波や三角波、パルス波であってもよい。また、出力ポートに結合が得られる位相パタンも同様に、のこぎり波でなくても同様の効果を得ることができ、例えば正弦波や三角波、パルス波であってもよい。また、位相の折り返し（振幅）は２πでなくても構わない。
【００７１】
図１９は、光強度制御用位相パタンの設定例である。重畳する光強度制御用位相パタンの周期が位相変調素子のピクセルサイズの整数倍でない場合は図１９のように、実効的に複数の周波数成分が重畳された場合と等価になる。この場合、所望の出射角度θs以外にも不要光が僅かに出射されるため、クロストーク増大の要因となる。
【００７２】
これを抑制するためには、式（４）および式（５）の関係を満たしつつ、ｗを位相変調素子のピクセルサイズの整数倍値とすればよい。本実施の形態により、不要光を所望の角度に集中させることが出来、クロストークが減少するという優れた効果が得られる。
【００７３】
［第２の実施の形態］
次に、図１５を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる光入出力装置１０の光強度制御方法について説明する。図１５は、第２の実施の形態にかかる位相変調素子への位相パタン設定例を示す図である。ここでは、反射型位相変調素子１４を用いた光入出力装置１０を例として説明するが、透過型位相変調素子２４を用いた光入出力装置２０についても同様である。
【００７４】
第１の実施の形態では、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを可変とすることで、ディスクリネーションによる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。しかしながら、出射角制御用位相パタン５１のパタン周期長Λがｗの整数倍となっていない場合、位相の不連続が生じる折り返し部位が増えてしまうため、ディスクリネーションによるクロストークが増大する。
【００７５】
これを抑制するためには、式（４）および式（５）の関係を満たしつつ、図１５のように、Λがｗの整数倍に相当するパタン周期長周期を選べばよい。本実施の形態により、折り返し部位が低減され、ディスクリネーションによるクロストークが減少するという優れた効果が得られる。
【００７６】
［第３の実施の形態］
次に、図１６および図１７を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる光入出力装置１０について説明する。図１６は、第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの位置関係を示す説明図である。図１７は、第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの角度関係を示す説明図である。
ここでは、反射型位相変調素子１４を用いた光入出力装置１０を例として説明するが、透過型位相変調素子２４を用いた光入出力装置２０についても同様である。
【００７７】
図１６の例では、入力ポートＰ０とｎ個の出力ポートＰ１〜Ｐｎが設けられており、入力ポートＰ０から光学素子１３を介して入力された入射光が、位相変調素子１４で任意の角度方向に出射され、光学素子１３を介して対応する出力ポートＰ１〜Ｐｎのいずれかに出力される。
したがって、図１７に示すように、入射光と出射光とがなす角度θのうち、各出力ポートＰ１〜Ｐｎの角度方向に対応する出射角度には、ポート干渉区間ＲＩ１〜ＲＩｎが存在する。
【００７８】
第１の実施の形態では、不要光強度ピーク６２が、各出力ポートの角度方向のすべてを含む扇形の想定角度範囲ＲＰの外側の外側領域ＲＥに位置するよう、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを選択する場合を例として説明した。この際、前述した式（４）および式（５）からも分かるように、｜θmin｜と｜θmax｜の値が大きくなるにつれて、選択可能なｗの値が小さくなるためディスクリネーションによるクロストークも増大する。
【００７９】
本実施の形態では、不要光強度ピーク６２が、各出力ポートの角度方向の間隙であって、かつ、これら出力ポートと干渉しない間隙角度範囲ＲＱ内に位置するよう、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを選択するようにしたものである。
【００８０】
すなわち、位相変調素子１４における入射光と出射光とがなす角度θのうち、任意の間隙角度範囲ＲＱの一端および他端に相当する角度θをそれぞれθa，θbとし、当該入射光の波長をλとし、当該出射光の出射角をθoとしたとき、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗは、次の式（６），式（７）および式（８）が成立する範囲で可変とする。
【００８１】
【数６】
0005926219.tif 000007
【００８２】
【数７】
0005926219.tif 000008
【００８３】
【数８】
0005926219.tif 000009
【００８４】
この際、出力ポート数や光入出力装置１０内の自由空間サイズなどの要因で、不要光強度ピーク６２のすべてが間隙角度範囲ＲＱ内に位置するよう、パタン周期長ｗを選択するのが難しい場合も考えられる。このような場合には、前述した式（４）および式（５）が成立する範囲でｗを選択すればよく、これにより、不要光強度ピーク６２の一部が、想定角度範囲ＲＰの外側の外側領域ＲＥに位置するものとなり、結果として、不要光強度ピーク６２のすべてを、出力ポートと干渉しない角度方向に発生させることができる。
【００８５】
なお、式（４）および式（５）を満たす範囲でｗを選択する場合は、無条件に式（３）におけるｍ’≧２の高次出射光の不要光強度ピーク６２が外側領域ＲＥに存在することになる。しかし、式（６）のようにポートの間隙にｍ’＝１の出射光を存在させる場合には、ｍ’≧２の高次出射光の不要光強度ピーク６２はポートの外部に出射する必要があるため、式（７）および式（８）の条件が必要となる。
【００８６】
また、以上では、出力ポートが存在しない間隙角度範囲ＲＱが１つの場合を例として説明したが、ポートが存在しない間隙角度範囲ＲＱを複数としても同様の効果が得られる。この場合は、適宜上述の考え方に従って境界条件を変えればよい。
図１８は、第３の実施の形態にかかる想定角度範囲と不要光強度ピークとの他の角度関係を示す説明図である。ここでは、角度区間ＲＩａ，ＲＩｂの間にポートが存在しない間隙角度範囲ＲＱｓがあり、角度区間ＲＩｂ，ＲＩｃの間にポートが存在しない間隙角度範囲ＲＱｐがある場合が例として示されている。
【００８７】
図１８の例において、まず、対象出力ポートが角度区間ＲＩａに存在する場合、間隙角度範囲ＲＱｐにｍ’＝１の高次出射光の不要光強度ピーク６２が現れるように、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗを選択し、対象出力ポートが角度区間ＲＩｃに存在する場合、間隙角度範囲ＲＱｓにｍ’＝１の高次出射光の不要光強度ピーク６２が現れるように、ｗを選択すればよい。
【００８８】
また、対象出力ポートが角度区間ＲＩｂに存在する場合は、ｍ’＝１の高次出射光の不要光強度ピーク６２が外側領域ＲＥに位置するようｗを選択すればよい。これによって、ポート設定区間に高次光が発生せず、かつ実施の形態１，２の場合よりも重畳する位相の１周期の長さを大きくとることができるため、クロストークが抑制できるという優れた効果が得られる。
【００８９】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態にかかる光入出力装置１０，２０の光強度制御方法について説明する。
第１〜第３の実施の形態１〜３では、必ずしも対象出力ポートへのクロストークが最も抑制されるような位相周期が選ばれていない可能性がある。本実施の形態は、各出力ポートへのクロストーク値に関する、光強度制御用位相パタン５２のパタン周期長ｗへの周期依存性を、出力ポートごとに事前に測定しておき、指定された対象出力ポートに応じて、他の出力ポートーのクロストーク量が最低値となるようなｗを選択するようにしたものである。
【００９０】
任意の出力ポートに関する周期依存性については、当該出力ポート以外の各出力ポートにおけるクロストーク量を、パタン周期長ｗを変化させつつ測定すればよい。得られた周期依存性のうち、各出力ポートにおけるクロストーク量が最小となるｗを、当該出力ポートの最適パタン周期長ｗｓとして特定し、駆動回路ＤＲＶの記憶部（図示せず）に登録しておけばよい。
【００９１】
これにより、外部からの対象出力ポートの指定に応じて、駆動回路ＤＲＶが当該対象出力ポートのパタン周期長ｗの最適値ｗｓを記憶部から読み出し、このｗｓを有する光強度制御用位相パタン５２を、当該対象出力ポートへの角度方向を示す出射角制御用位相パタン５１に重畳し、得られた複合パタンを示す駆動信号を位相変調素子１４の各画素へ印加すればよい。
【００９２】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００９３】
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、５１…出射角制御用位相パタン、５２…光強度制御用位相パタン、６１…対象光強度ピーク、６２…不要光強度ピーク、Λ…パタン周期長（第１のパタン周期長）、ｗ…パタン周期長（第２のパタン周期長）、ＲＰ…想定角度範囲、ＲＥ…外側領域、ＲＱ…間隙角度範囲。
【図１】
0005926219.tif 000012
【図２】
0005926219.tif 000013
【図３】
0005926219.tif 000014
【図４】
0005926219.tif 000015
【図５】
0005926219.tif 000016
【図６】
0005926219.tif 000017
【図７】
0005926219.tif 000018
【図８】
0005926219.tif 000019
【図９】
0005926219.tif 000020
【図１０】
0005926219.tif 000021
【図１１】
0005926219.tif 000022
【図１２】
0005926219.tif 000023
【図１３】
0005926219.tif 000024
【図１４】
0005926219.tif 000025
【図１５】
0005926219.tif 000026
【図１６】
0005926219.tif 000027
【図１７】
0005926219.tif 000028
【図１８】
0005926219.tif 000029
【図１９】
0005926219.tif 000030