(57)【要約】【課題】信号光の入出力モードをポートにより異なるようにすることにより、特定のモードでのみ信号がポートに結合し、クロストークを低減するようにした光スイッチを提供すること。【解決手段】光スイッチは、１または複数の入力ポートと、１または複数の出力ポートと、入力ポートからの光を特定の伝搬モードで空間に出力する空間光出力器と、入射光の空間的な位相分布を変調する空間光変調素子と、空間光変調素子によって変調された光を出力ポートへ結合させる空間光入力器とを含み、出力ポートへの結合モードは、特定の伝搬モードとは異なる複数のモードを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の入力ポートと、
１または複数の出力ポートと、
前記入力ポートからの光を特定の伝搬モードで空間に出力する空間光出力器と、
入射光の空間的な位相分布を変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子によって変調された光を前記出力ポートへ結合させる空間光入力器と
を含み、
前記出力ポートへの結合モードは、前記特定の伝搬モードとは異なる複数のモードを有する
ことを特徴とする光スイッチ
【請求項２】
前記空間光出力器、前記空間光変調素子、および空間光入力器は、複数の位相角を有する光モードに応じて処理するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
結合させる前記出力ポート以外の出力ポートでは、前記結合モードと前記伝搬モードとが直交するように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記空間入力器および前記空間出力器は、平面光導波路を用いて構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光スイッチ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信ネットワーク等に用いられる光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及に伴い、データ通信ネットワークに対する需要が爆発的に伸びており、これを支えるため、光通信ネットワークに対する大容量化と柔軟なカスタマイズ機能の要求がますます強くなってきている。このような光通信ネットワークに対する要求の一つである大容量化の観点からみると、波長多重(ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing)通信が実用化されている。
【０００３】
柔軟なカスタマイズ機能の観点からみると、ＷＤＭ化された信号波長ごとに方路を選択するスイッチング機能を備える１入力Ｎ出力(あるいはＮ入力１出力)波長選択スイッチ(ＷＳＳ: Wavelength Selective Switch)が開発されている。以下では、このような１入力Ｎ出力(あるいはＮ入力１出力)ＷＳＳを、単にＷＳＳと呼ぶ。
【０００４】
２つのＷＳＳを１つのモジュールで実現した２入力１出力のＷＳＳの開発が進んでいる。１つのモジュールでクロスコネクト機能をもつＷＳＳを実現するために、より多くのＷＳＳを一つのモジュールに集積したＮ入力１出力のＷＳＳを使用することも検討されている（非特許文献１）。非特許文献１では、１つの入出力ポートから複数の角度に出射させることで、各出射角の信号光を別のＷＳＳとして取り扱う。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】N. Nemoto, Y. Ikuma, K. Suzuki, O. Moriwaki, T. Watanabe, M. Itoh, T. Takahashi, “8x8 Wavelength Cross Connect with Add/Drop Ports Integrated in Spatial and Planar Optical Circuit,” Proceedings of ECOC 2015, Tu.3.5.1.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ＷＳＳのような光スイッチでは、接続ポート以外のポートへの信号光の漏れこみ(ポート間クロストーク)が問題となる。また、複数のWSSを一つのモジュールに組み込んだ２入力１出力のＷＳＳなどでは、あるＷＳＳの信号光が他のＷＳＳに入るスイッチ間クロストークが問題となる。
【０００７】
これらのクロストーク（ポート間クロストーク、スイッチ間クロストーク）が光スイッチに関する課題となる。
【０００８】
本発明は、このような状況の下においてなされたもので、信号光の入出力モードをポートにより異なるようにすることにより、特定のモードでのみ信号がポートに結合し、クロストークを低減するようにした光スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を達成するため、本発明は、１または複数の入力ポートと、１または複数の出力ポートと、前記入力ポートからの光を特定の伝搬モードで空間に出力する空間光出力器と、入射光の空間的な位相分布を変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子によって変調された光を前記出力ポートへ結合させる空間光入力器とを含み、前記出力ポートへの結合モードは、前記特定の伝搬モードとは異なる複数のモードを有する。
【００１０】
前記空間光出力器、前記空間光変調素子、および空間光入力器は、複数の位相角を有する光モードに応じて処理するように構成されているようにしてもよい。
【００１１】
結合させる前記出力ポート以外の出力ポートでは、前記結合モードと前記伝搬モードとが直交するように設定されるようにしてもよい。
【００１２】
前記空間入力器および前記空間出力器は、平面光導波路を用いて構成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、特定のモードでのみ信号がポートに結合し、クロストークを低減するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態における光スイッチの構成例を示す図である。
【図２】ＬＣＯＳにおいて実現される空間位相変調の一例を説明するための図である。
【図３】回折光によりポート間の漏話（ＸＴ）が生じ得る状態との一例を説明するための図である。
【図４】第２実施形態における光スイッチの構成例を示す図である。
【図５】ＳＢＴ回路の構成例を示す図である。
【図６】ＭＭＩ導波路を用いたＳＢＴ回路の構成例を示す図である。
【図７】空間光入出力器の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である光スイッチ１の構成例を示す図である。
【００１６】
図１において、光スイッチ１は、入出力ポート部１０１と、入出力ポート部１０１の後記入出力ポートからの信号光を特定の伝搬モードおよび特定の入出力角で空間に入出射する空間光入出力器１０２−１，１０２−２，１０２−３，１０２−４と、上記入出力ポートの各々からの出射角に対応して空間光変調素子１０４に光を照射するための光学素子１０３と、入力信号光の空間的な位相分布を変調することが可能な空間光変調素子１０４とを備える。なお、以下の説明では、空間光入出力器１０２−１〜１０２−４を、空間光入出力器１０２とも総称する。
【００１７】
入出力ポート部１０１は、光信号の入力ポートＩｎ−１と、３つの出力ポートＯｕｔ−１，Ｏｕｔ−２，Ｏｕｔ−３とを含む。
【００１８】
入力ポートＩｎ−１から入力された信号は、入力ポート１０２−１に応じた角度および伝搬モードで空間光入出力器１０２−１から出射され、光学素子１０３を介して空間光変調素子１０４に入射する。
【００１９】
光学素子１０３は、空間光変調素子１０４からの信号光の入射角に応じ、空間光入出力器１０２−１〜１０２−４がある面内の特定の場所に光を入射させるように構成されている。このような光学素子１０３として、レンズ等が用いられる。レンズの場合、入射した角度の変化が集光位置の変化に変換されるが知られている（例えば、文献１：「谷田貝豊彦著,先端光エレクトロニクスシリーズ１１、光コンピューティング（共立出版株式会社）、2004年10月15日初版1刷発行、p.18-21」参照）。
【００２０】
空間光変調素子１０４は、入射された光信号の空間的な位相分布を変調することにより伝搬角度を制御することができる。空間光学系を用いたＷＳＳ（波長選択スイッチ）などの空間光変調素子１０４としては、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）が用いられることが多い。
【００２１】
本実施形態の光スイッチ１において、空間位相変調素子１０４としてのＬＣＯＳで偏向された信号光は、光学素子１０３への入射角に応じ、入出力ポート部１０１にある面内の特定の場所に入射する。
【００２２】
空間光変調素子１０４では、特定の場所に入射させたい（結合させたい）入出力ポート部１０１中の出力ポートＯｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３と接続される空間光入出力器１０２に信号光が入射するように、偏向角を制御する。これにより、光信号の行き先をスイッチングすることができる。
【００２３】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、かかるＬＣＯＳで実現される空間位相変調のパタンにおける伝搬方向偏向の一例を説明するための図である。
【００２４】
図２（ａ）および図２（ｂ）では、ＬＣＯＳにおいて、のこぎり波状の位相変調パタンをかけることで、信号光は、のこぎり波の傾きに応じた偏向角の変化が与えられる。これにより、ＬＣＯＳで反射する光の伝搬方向が偏向される。
【００２５】
図３は、回折光によりポート間の漏話（ＸＴ）が生じ得る状態との一例を説明するための図である。
【００２６】
図３では、空間光変調素子１０４としてのＬＣＯＳで予め設定された角度（例えば、θ）とは異なる角度（意図しない角度）へ入射光が偏向されるものの例として、様々な回折光（例えば、「２θ」の偏向角を有する２次光、「−２θ」の偏向角を有する−２次光など）が示されている。高次回折光は、設定した偏向角度の整数倍の偏向角に回折されることが知られている（例えば、文献２−「Wang, Xinghua "Liquid Crystal Diffractive Optical Elements: Applications and Limitations." Electronic Thesis or Dissertation, Kent State University, 2005. 」参照）。
【００２７】
本実施形態の光スイッチ１において、仮にこのような高次回折光が出力ポートＯｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３に入射した場合、本来結合させることになるポート以外のポートに信号光が結合し、これによりポート間の漏話（ＸＴ：Cross Talk）が生じ得る。
【００２８】
このようなＸＴを抑制するためには、各入出力ポートＩｎ−１，Ｏｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３の結合モードを変更することが有効となる。たとえば、図１に示した各ポートＩｎ−１，Ｏｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３に異なる結合モードを持たせることで各ポート間へのＸＴを低減できる。これは、信号光が各ポートに結合するための結合率が、入射される信号光の複素振幅とポートの結合モードの重なり積分で決まるためである（例えば、文献３−「河野健治  著,  光デバイスのための結合系の基礎と応用  (現代工学社),  2003年7月25日第２版２刷発行,  p. 29-32」参照）。
【００２９】
上述した光の結合率は、下記式（１）で与えられる（上記文献３）。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
ここで、η：結合効率、φi（ｘ，ｙ）：ポートの結合モード、φ*i（ｘ，ｙ）：入射した信号光の複素振幅、を表す。
【００３２】
上記式（１）によれば、最も結合率が高くなるのは、結合モードと入射光の複素振幅（モード）とが同一の場合である。一方、結合率が低くなるのは、結合モードと入力された入射光のモードとが異なる場合である。
【００３３】
このことから、本実施形態の光スイッチ１では、特定のモードでのみ結合するように設計することで、他の伝搬モードｍ１（図１）の光が入射する際の結合効率を低くし、これによりＸＴを抑制するようにしている。
【００３４】
一般に、ＬＣＯＳなどによる空間的な位相変調により、光の伝搬モードを変換できることが知られている（文献４−「Naoya Matsumoto他５人, "Generation of high-quality higher-order Laguerre-Gaussian beams using liquid-crystal-on-silicon spatial light modulators," J. Opt. Soc. Am. A 25, 1642-1651 (2008)」参照）。
【００３５】
本実施形態の光スイッチ１では、ＬＣＯＳなどの空間位相変調素子１０４は、入出力ポート部１０１の各光入出力ポートと接続されている空間光入出力器１０２に入射する際の伝搬モードを切り替える。このような伝搬モードの切り替えと偏向角の調整とを同時に空間位相変調素子１０４によって行うことにより、空間光入出力器１０２のある面内の特定の場所に特定の伝搬モードｐ（図１）で信号光を入射させることができる。
【００３６】
例えば、ＸＴを最も効果的に抑制するには、各出力ポートの結合モードｍ１，ｍ２，ｍ３（図１）と直交するモードを採用することが好ましい。このような直交モードを採用することで、同一の場所に入力する各ポートと結合する伝搬モードのうち、特定の伝搬モード以外の伝搬モードはすべて結合しなくなる。このことは、上記式（１）に示した分子の積分項が「０」になり、これにより、結合率ηが「０」になるからである。
【００３７】
上述した直交する光の伝搬モードとしては、例えば、基底および高次のガウシアンモードが用いられる（上記文献４を参照）。例えば、図１の例では、各出力ポートＯｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３において、０次、１次、２次のガウシアンモード（結合モード）でのみ結合することにより、すべての結合モードが直交する。すなわち、図1では、入力ポートＩｎ−１1からの出力光の伝搬モードは、０次のガウシアンモードとし、各出力ポートＯｕｔ−１〜Ｏｕｔ−３の結合モードは、０次〜２次のガウシアンモードとして設定される。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の光スイッチ１によれば、入力ポートと、出力ポートと、入力ポートからの光を特定の伝搬モードで空間に出力する空間光出力器１０２と、入射光の空間的な位相分布を変調する空間光変調素子１０４と、空間光変調素子１０４によって変調された光を前記出力ポートへ結合させる空間光入力器１０２とを含む。ここで、出力ポートへの結合モードは、特定の伝搬モードとは異なる複数のモードを有する（結合させる出力ポートＯｕｔ−２以外の出力ポートでは、結合モードｍ１，ｍ３と伝搬モードｐとが直交する。）。これにより、特定のモードでのみ信号が出力ポートで結合し、ポート間（またはスイッチ間）のクロストークを低減することができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態である光スイッチ１Ａについて説明する。なお、この光スイッチ１Ａの構成は、図１に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第１実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。
【００４０】
第１実施形態の光スイッチ１は、１連の１入力３出力で構成されていたが、必ずしもその必要はない。第２実施形態の光スイッチ１Ａは、第１実施形態のものと同様の効果を実現するものであるが、２連の１入力２出力で構成されている。
【００４１】
図４は、かかる光スイッチ１Ａの構成例を示す図である。
【００４２】
図４に示すように、この光スイッチ１Ａは、第１実施形態のものと同様に、入出力ポート部１０１と、入出力ポート部１０１の入出力ポートからの信号光を特定の伝搬モードおよび特定の入出力角で空間に入出射する空間光入出力器１０２−１，１０２−２，１０２−３と、上記入出力ポートの各々からの出射角に対応して空間光変調素子１０４に光を照射するための光学素子１０３と、入力信号光の空間的な位相分布を変調することが可能な空間光変調素子１０４とを備える。この実施形態においても、空間光入出力器１０２−１〜１０２−３を空間光入出力器１０２とも総称する。
【００４３】
入出力ポート部１０１は、２つの入力ポートＩｎ−１，Ｉｎ−２と、４つの出力ポートＯｕｔ−１−１，Ｏｕｔ−１−２，Ｏｕｔ−２−１，Ｏｕｔ−２−２とを備える。
【００４４】
入出力ポート部１０１における１つの入力ポートから入力された信号は、入力ポートに応じた角度および伝搬モードＰ１１，Ｐ２１で空間光入出力器１０２−１から出射され、光学素子１０３を介して空間光変調素子１０４に入射する。
【００４５】
そして、空間光変調素子１０４では、特定の場所に入射させたい（結合させたい）入出力ポート部１０１中の出力ポートＯｕｔ−１−１〜Ｏｕｔ−２−２と接続される空間光入出力器１０２に信号光が入射するように、偏向角を制御する。これにより、光信号の行き先をスイッチングすることができる。
【００４６】
この光スイッチ１Ａでも、第１実施形態のものと同様に、各出力ポートの結合モードと直交するモードを採用する。例えば、図３の例では、入力ポートＩｎ−１，Ｉｎ−２からの出力光の伝搬モードＰ１１，Ｐ２１を０次のガウシアンとし、出力ポートＯｕｔ−２−１，Ｏｕｔ−２−２の結合モードｍ２１，ｍ３２を０次のガウシアンモードとする。そして、出力ポートＯｕｔ−１−１,Ｏｕｔ−１−２の結合モードｍ１１，ｍ３１を１次のガウシアンモードとする。
【００４７】
このようにしても、出力ポートへの結合モードは、特定の伝搬モードとは異なる複数のモードを有する（結合させる出力ポート以外の出力ポートでは、結合モードと伝搬モードとが直交する。）。これにより、特定のモードでのみ信号が出力ポートで結合し、ポート間（またはスイッチ間）のクロストークを低減することができる。
【００４８】
次に、上記各実施形態の光スイッチ１，１Ａの変形例について説明する。
【００４９】
（変形例１）
空間光入出力器１０２は、平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を用いるようにしてもよい。例えばＰＬＣを用いる場合に、ＳＢＴ（Spatial Beam Transformer）回路を使用するようにしてもよい（例えば、文献５−「K. Senohoka 外６人, “Spatial beam transformer for wavelength selective switch consisting of silica-based planar lightwave circuit,” Proceedings of OFC/NFOEC 2012, JTh2A.5」参照）。
【００５０】
図５（ａ）は、かかるＳＢＴ回路４０の構成例を示す図である。
【００５１】
ＳＢＴ回路４０は、入出力導波路、スラブ導波路４０２、およびアレイ導波路４０３を含む光回路である。
【００５２】
ＳＢＴ回路４０において、ＰＬＣ側の所定の導波路から入力された光信号は、所定の角度でＰＬＣの出力端から空間光学回路（空間光変調素子１０４）側に出射する。一方、空間光学回路側からＰＬＣに所定の角度で入力された光信号は、ＰＬＣ側の所定の導波路４０３に出力する。
【００５３】
図５において、ＳＢＴ回路４０では、入力導波路４０１からスラブ導波路４０２に入力された光がスラブ導波路４０２内を伝搬した後の伝搬モードが空間に出力される。また、空間からＳＢＴ回路４０に光が入力される場合には、入力導波路４０１と結合するモードを拡大または縮小したモードが結合モードになる。
【００５４】
このように、ＳＢＴ回路４０では、入力導波路４０１からスラブ導波路４０２への光の伝搬モード（図５（ｂ））を変えることで、空間に出力する光の伝搬モードを変更することができる（図５（ｃ））。
【００５５】
（変形例２）
変更例１のＳＢＴ回路４０において、スラブ導波路の入力導波路としてマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路を用いるようにしてもよい（例えば、文献６−「T. Hiraki外４名,  "Monolithically Integrated Mode Multiplexer/De-multiplexer on Three-dimensional SiOx-waveguide Platform," in Optical Fiber Communication Conference, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2015), paper W1A.2.」参照）。
【００５６】
図６（ａ）は、かかるＭＭＩ導波路４０５を用いたＳＢＴ回路４０の構成例を示している。このＳＢＴ回路４０においても、入力導波路４０１からスラブ導波路４０２への光の伝搬モードを変える（図６（ｂ）および図６（ｃ））ことで、空間に出力する光の伝搬モードを変更することができる（図６（ｄ）および図６（ｅ））。
【００５７】
（変形例３）
変形例２のＳＢＴ回路４０では、ＭＭＩ導波路４０５を用いる場合について説明したが、これに限られない。例えば、波面整合法で設定された導波路を用いてモード変換を行うようにしてもよい（例えば、波面整合法は文献７−「J. Sakamoto外３名, "Computer-generated optical mode-managed funnel coupler for reducing intrinsic coupling loss," in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (2016) (Optical Society of America, 2016), paper SM1F.2.」参照）。
【００５８】
（変形例４）
空間光入出力器１０２において、信号光の入出射角を変化させる機能と伝搬モードを変換する機能は、別々の素子で実現するようにしてもよい。例えば、レンズによって信号光の入出射角を変えるとともに、位相マスクによって伝搬モードを変化させるようにすることもできる（文献４を参照）。
【００５９】
図７（ａ）は、かかる変形例３における空間光入出力器１０２Ａの構成例を例示している。
【００６０】
この空間光入出力器１０２Ａでは、レンズ５０２によって、入出力導波路５０１−１，５０１−２からの信号光の入出射角を変えるとともに、位相マスク５０３−１，５０３−２によって伝搬モードを変化させるようにしている（図７（ｂ）→図７（ｃ）または図７（ｂ）→図７（ｄ））。
【００６１】
（変形例５）
光スイッチ１，１Ａにおいて、入出力ポート部１０１の入力導波路および／または出力導波路の数は必要に応じて適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ  光スイッチ
１０１  入出力ポート部
１０２−１〜１０２−４：空間光入出力器
１０３  光学素子
１０４  空間位相変調素子
４０１  入力導波路
４０２  スラブ導波路
４０３  アレイ導波路
４０５  ＭＭＩ導波路
５０１  入出力ポート
５０２  レンズ
５０３−１，５０３−２  位相マスク
【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５】
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【図６】
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【図７】
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